CN115189595A - 电动工具及其控制方法 - Google Patents

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CN115189595A CN202110370760.1A CN202110370760A CN115189595A CN 115189595 A CN115189595 A CN 115189595A CN 202110370760 A CN202110370760 A CN 202110370760A CN 115189595 A CN115189595 A CN 115189595A
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Abstract

本发明公开了电动工具及其控制方法，该电动工具包括具有转子和若干定子绕组的电机；制动元件，用以输出制动电机的制动指令；电池包，用以提供驱动电机的电源；逆变电路，具有若干半导体开关元件以切换定子绕组的通电状态；电流检测单元，用于检测电机中定子绕组的相电流；控制器，至少与制动元件、电流检测单元和逆变电路连接；控制器被配置为：获取定子绕组的相电流，并根据相电流估算电机的转子位置；获取制动元件输出的制动指令，根据制动指令和转子位置控制逆变电路中开关元件的导通状态，使电机获得反向加速的制动转矩以实施转矩制动。采用本发明，提供一种能够实现安全快速制动的电动工具。

Description

电动工具及其控制方法
技术领域
本发明涉及电动工具技术领域，具体涉及一种电动工具及其控制方法。
背景技术
在电动工具的制动过程中通常采用三相绕组短接的方法制动，该方法制动时电流不可控，较大的电流可能会损坏功率器件，并且制动时能量并没有得到有效利用，而是转化为热量消耗掉，造成能量的浪费。
发明内容
为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种能够实现安全快速制动的电动工具。
为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：
一种电动工具，包括：电机，具有转子和若干定子绕组；制动元件，用以输出制动电机的制动指令；电池包，用以提供驱动所述电机的电源；逆变电路，具有若干半导体开关元件以切换所述定子绕组的通电状态；电流检测单元，用于检测所述电机中定子绕组的相电流；控制器，至少与所述制动元件、所述电流检测单元和所述逆变电路连接；所述控制器被配置为：获取所述定子绕组的相电流，并根据所述相电流估算所述电机的转子位置；获取所述制动元件输出的制动指令，根据所述制动指令和所述转子位置控制所述逆变电路中开关元件的导通状态，使所述电机获得反向加速的制动转矩以实施转矩制动。
进一步的，在所述制动转矩的作用下，所述电机的定子绕组产生制动电流；所述制动电流流入所述电池包为所述电池包充电。
进一步的，所述制动指令包括降低所述电机的转速的转速降低指令，所述转速降低指令能够包括若干个转速档位，不同转速档位对应不同大小的制动转矩。
进一步的，所述控制器被配置为：根据所述定子绕组的相电流计算所述电机的转速；在所述转速大于或等于第一转速阈值时，基于所述相电流估算所述定子绕组的反电动势，并根据所述反电动势估算所述电机的转子位置；在所述转速小于或等于第二转速阈值时，基于加载在所述定子绕组上的高频电信号估算所述电机的转子位置。
进一步的，所述控制器被配置为：在所述转速小于或等于第二转速阈值时，输出高频电信号加载在所述电机的定子绕组上，并获取所述定子绕组基于所述高频电信号输出的响应信号；根据所述响应信号与预设转子位置的相对关系，估算所述电机的转子位置。
一种电动工具的控制方法，所述电动工具包括具有转子和若干定子绕组的电机；制动元件，用以输出制动电机的制动指令；电池包，用以提供驱动所述电机的电源；逆变电路，具有若干半导体开关元件以切换所述定子绕组的通电状态；电流检测单元，用于检测所述电机中定子绕组的相电流；控制器，至少与所述制动元件、所述电流检测单元和所述逆变电路连接；所述控制方法包括：获取所述定子绕组的相电流，并根据所述相电流估算所述电机的转子位置；获取所述制动元件输出的制动指令，根据所述制动指令和所述转子位置控制所述逆变电路中开关元件的导通状态，使所述电机获得反向加速的制动转矩以实施转矩制动。
进一步的，在所述制动转矩的作用下，所述电机的定子绕组产生制动电流；所述制动电流流入所述电池包为所述电池包充电。
进一步的，所述制动指令包括降低所述电机的转速的转速降低指令，所述转速降低指令能够包括若干个转速档位，不同转速档位对应不同大小的制动转矩。
进一步的，所述方法还包括：根据所述定子绕组的相电流计算所述电机的转速；在所述转速大于或等于第一转速阈值时，基于所述相电流估算所述定子绕组的反电动势，并根据所述反电动势估算所述电机的转子位置；在所述转速小于或等于第二转速阈值时，基于加载在所述定子绕组上的高频电信号估算所述电机的转子位置。
进一步的，所述方法还包括：在所述转速小于或等于第二转速阈值时，输出高频电信号加载在所述电机的定子绕组上，并获取所述定子绕组基于所述高频电信号输出的响应信号；根据所述响应信号与预设转子位置的相对关系，估算所述电机的转子位置。
本发明的有益之处在于：提供了一种能够实现安全快速制动且在制动时能实现部分能量回收的电动工具。
附图说明
图1是作为一种实施方式的割草机的结构示意图；
图2是作为一种实施方式的割草机的电路框图；
图3是作为一种实施方式的割草机中开关电路的电路图；
图4是作为一种实施方式的割草机中总线通信电路图；
图5是作为一种实施方式的割草机中控制状态示意图图；
图6是作为一种实施方式的割草机中电池包供电回路示意图；
图7是作为一种实施方式的割草机中电机放电回路示意图；
图8是作为一种实施方式的用于割草机控制方法的流程图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
需要说明的是，本发明中的电动工具主要包括自行走设备例如，自动清洁设备、自动浇灌设备、自动扫雪机等可通过操控行走的设备。当然，也可以包括其他类型的电动工具，如手持式工具。在本申请中以自行走设备中的割草机为例进行说明。
请参考图1所示的割草机的结构图，割草机100包括机身101、电池包102、把手103、自走操作开关104、驱动轮105、切割附件106以及制动元件(未示出)。其中，电池包102作为供电电源可由一组电池单元组成，例如，可将电池单元串联成单一电源支路，形成1P电池包。把手103供用户操作割草机。驱动轮105在电机的驱动下行走并带动行走轮行走。其中，驱动轮105和切割附件106例如切割刀片可被同一电机驱动，也可被不同的电机驱动。制动元件可以是设置在割草机把手上调整割草机行走速度的旋钮。
参考图2所示的割草机的电路框图，可以包括电机201、开关电路202、电池包203、逆变电路204、控制器205、电流检测单元206。
其中，电机201，为无刷直流电动机。
开关电路202，主要用于输出控制工具开关机的信号。如图3所示至少包括上拉电阻R1、分压电阻R2、信号输出端SW、保护电容C、二极管D0和上述自走操作开关104。具体的，在自走操作开关104闭合时，节点n处的电压为低，由信号输出端SW输出低电平数字信号0，在自走操作开关104断开时，节点n处的电压为高，由信号输出端SW输出高电平数字信号1。通常，开关电路输出低电平信号0代表开机信号，输出高电平信号1代表关机信号。可选的，图3所示的开关电路中还包括信号传输控制芯片U3，U3的一个引脚接信号输出端SW用来接收开关信号，一个引脚BUSY作为状态检测引脚，以确定信号传输总线是否空闲。可以理解的是，信号传输控制芯片U3只有在检测到总线为空闲状态时，才传输开关信号至控制器205，否则不传输开关信号。
在一个实施例中，开关电路202输出的开关信号可以通过总线通信的方式传输至控制器。如图4所示的总线通信电路，主要包括六条通信线路L1至L6对应信号输出端口J2的1至6六个接口、开关芯片U2、总线状态检测电路207。其中，开关信号在基于输入端TXD传输至开关芯片U2，经芯片U2处理后通过其引脚A，B输出。通信线路中L6接入电源、L3接地、L1作为唤醒线路、L2为总线状态检测线路、L4和L5为开关信号接收线路，与开关芯片U2的输出引脚A，B连接。总线状态检测电路207至少包括开关元件Q11和Q12，第一上拉电阻R25和第二上拉电阻R16，R25和Q11串联，R16和Q12串联，总线状态输出接口BUSY，该接口将当前总线的状态传输至开关电路中的信号传输控制芯片U3。其他分压电阻等在不影响理解总线状态检测电路的基础上不再一一介绍。具体的，当使能端T_EN为高电平时，Q11导通，Q12不导通，节点12处为高电压，从而输出接口BUSY输出代表高电平的数据信号1；当使能端T_EN为低电平时，Q11不导通，Q12导通，节点12处为低电压，从而输出接口BUSY输出代表低电平的数据信号0。在BUSY输出高电平时，总线处于忙状态，BUSY输出低电平时，总线处于空闲状态。可以理解的是，在BUSY未低电平总线处于空闲状态时，来自信号传输控制芯片U3的开关信号经由开关芯片U2和总线以及信号输出端口J2传输至控制器205。相应的，控制器205中也存在与信号输出端口J2对应的接收端口(未示出)。
需要说明的是，本申请只是事例性的给出芯片引脚及其外围电路，不应局限于所给出的事例电路。其他任何能实现上述功能的电路连接均在本申请的保护范围内。
逆变电路204，与电机201的三相定子绕组电性连接，逆变电路中开关元件的导通状态切换时，相应的定子绕组的通电状态也会切换，从而电机的转动状态，例如转速或者转动方向或者转矩等也会发生变化。在一个实施例中，如图2所示，逆变电路204包括六个开关元件Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6。开关元件的每个栅极端与控制器205电性连接，用于接收来自控制器205的控制信号。每个开关元件的漏极或源极与电机201的定子绕组A、B、C连接。开关元件Q1-Q6接收来自控制器205的控制信号改变各自的导通状态，从而改变电池包203加载在电机201的定子绕组上的电流。在一个实施例中，逆变电路204可以是包括六个可控半导体功率器件(例如FET，BJT，IGBT等)的三相桥驱动器电路，每相桥电路包括高侧开关元件和低侧开关元件。可以理解的是，上述开关元件也可以是任何其他类型的固态开关，例如绝缘栅双极型晶体管(IGBT)，双极结型晶体管(BJT)等。
在一个实施例中，定义Q1、Q3、Q5为每相电桥的高侧开关元件，Q2、Q4、Q6为每相电桥的低侧开关元件。每相桥电路的高侧开关元件和低侧开关元件连接与同一相绕组。开关元件Q1和Q2与第一相绕组A连接，开关元件Q3和Q4与第二相绕组B连接，开关元件Q5和Q6与第三相绕组C连接。无刷电机的三相绕组A、B、C通过六个开关元件Q1～Q6组成的电桥与电池包203相连接。特别的，控制器205控制高侧开关元件导通时，与其对应的低侧开关元件断开。也就是说，在本申请中，三组开关元件为互补导通方式即高侧开关元件导通时相应的低侧开关元件就截止，低侧开关导通时相应的高侧开关截止，从而在本申请中定子绕组不存在浮空相。
电流检测单元206，用以实时检测电机中定子绕组的相电流。控制器205通过获取到的定子绕组的相电流可以估算电子转子的位置。特别的，控制器205还可以根据相电流计算电机的转速，具体的可以根据相电流的相关参数例如频率等估算电机转速。
在一种实现方式中，控制器205在根据相电流确定电机转速后，可以根据转速的不同采用不同的方法计算转子位置。例如，在转速大于或等于第一转速阈值时，可以通过获取到的相电流估算电子绕组的反电动势，进而根据反电动势估算电机的转子位置。其中，根据反电动势计算转子位置的方法已具有成熟的应用，此处不再详述。再如，在转速小于或等于第二转速阈值时，控制器可以基于加载在定子绕组上的高频电信号估算转子位置。其中第一转速阈值大于第二转速阈值。具体实现中，控制器205可以输出高频电信号以加载在电机的三相定子绕组上，并获取定子绕组基于上述高频电信号输出的响应信号，所谓的响应信号可以是具有高频幅值的高频相电流信号。进一步的，控制器可以根据响应信号与预设转子位置的相对关系，估算转子位置。例如控制器可以根据响应信号的高频幅值与预设转子位置的相对关系，估算转子位置。需要说明的是，由于高频响应信号在交轴上的分量与转子位置误差具有相关性，因此在高频响应信号的幅值收敛到零的情况下，相应的预设转子位置也将收敛而得到真实的转子位置。在本申请中，将转子所在位置的方向定义为直轴，垂直于直轴的方向定义为交轴。
在一个实施例中，控制器205根据检测到的开机信号以及估算的转子控制逆变电路204中开关元件的导通状态，使电机获得驱动转矩，以驱动切割刀片割草或者使驱动轮行走。另外，控制器205在检测到开关电路202输出的开机信号时，可以结合当前的转子位置改变逆变电路204中的开关元件的导通状态，使电机201获得反向加速制动转矩以实施转矩制动。其中，制动转矩的方向与驱动转矩的方向相反，即制动转矩为反转矩。
在一个实施例中，控制器205可以根据制动元件输出的制动指令和估算的转子位置控制逆变电路改变导通状态，使电机获得方向加速的制动转矩。特别的，上述制动指令包括降低电机转速的转速降低指令，而转速降低指令能够包括若干个转速档位，不同转速档位对应不同大小的制动转矩。也就是说，通过制动元件制动时，电机获得反向加速的制动转矩，转速降低，但转速可能会降低至某一脚小的值或者降为零。若制动指令包含的制动档位是将电机转速降为某一较小值，则电机转速降为某一值后可以滑行直至转速为零。可以理解的是，电机获得制动转矩实时制动时，电机电机转速快速下降，但电机转动方向并不变。
在本申请中，电机在制动转矩的作用下，在定子绕组中产生使电机反向加速的制动电流，该制动电流从电机侧流出至电池包，以为电池包充电，从而在实现电机快速制动的同时实现了部分能量的回收。
在本申请中，逆变电路中的开关元件具有六种导通状态，不同导通状态对应控制器输出的不同信号组合，参考图5所示的扇形图表示一个电周期内，逆变电路在六种驱动状态即六种导通方式下对应的六种信号组合，具体的逆变电路中开关元件的导通状态和信号组合的对应关系如表1所示：
表1
信号组合 导通开关元件
(1,1,0) Q1 Q3 Q6
(1,0,0) Q1 Q4 Q6
(1,0,1) Q1 Q4 Q5
(0,0,1) Q2 Q4 Q5
(0,1,1) Q2 Q3 Q5
(0,1,0) Q2 Q3 Q6
需要说明的是，在本申请中，电机的三相定子绕组在任一信号组合下均导通，也就是说，三相绕组在电机驱动和制动过程中不存在浮空相。在三相绕组均导通工作的电机中电流在三相绕组中的流通过程不易描述，下面仅以电路中母线上的电流流向表征电机中三相电流的流入或流出。事例性的，如图6所示，电机在驱动转矩的作用下，逆变电路中开关元件Q1、Q3、Q6导通，相应的开关元件Q2、Q4、Q5截止，母线中电流流向是从电池包的正极端子BAT+流出进入电机以给电机供电；如图7所示，电机在制动转矩的作用下，逆变电路中开关元件Q2、Q4、Q5导通，相应的开关元件Q1、Q3、Q6截止，母线中电流流向是从电池包的正极端子BAT+流入电池包即为电池包充电。
在本申请实施例中，通过反转矩制动电机以较大的反向加速度实现了电机的快速制动，同时在制动过程中电机产生的制动电流为电池包充电，实现了部分能量回收，降低了制动时的能量浪费。
下面将结合图8说明割草机中电机制动的控制方法，该方法包括如下步骤：
S101，获取电机中定子绕组的相电流，并根据相电流估算电机的转子位置。
S102，获取制动元件输出的制动指令。
S103，根据制动指令和转子位置控制逆变电路中开关元件的导通状态。
需要说明的是，上述制动指令包含降低电机转速的转速降低指令，而转速降低指令能够包括若干个转速档位，不同转速档位对应不同大小的制动转矩。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种电动工具，包括：
电机，具有转子和若干定子绕组；
制动元件，用以输出制动电机的制动指令；
电池包，用以提供驱动所述电机的电源；
逆变电路，具有若干半导体开关元件以切换所述定子绕组的通电状态；
电流检测单元，用于检测所述电机中定子绕组的相电流；
控制器，至少与所述制动元件、所述电流检测单元和所述逆变电路连接；
所述控制器被配置为：
获取所述定子绕组的相电流，并根据所述相电流估算所述电机的转子位置；
获取所述制动元件输出的制动指令，根据所述制动指令和所述转子位置控制所述逆变电路中开关元件的导通状态，使所述电机获得反向加速的制动转矩以实施转矩制动。
2.根据权利要求1所述的电动工具，其特征在于，
在所述制动转矩的作用下，所述电机的定子绕组产生制动电流；
所述制动电流流入所述电池包为所述电池包充电。
3.根据权利要求1所述的电动工具，其特征在于，
所述制动指令包括降低所述电机的转速的转速降低指令，所述转速降低指令能够包括若干个转速档位，不同转速档位对应不同大小的制动转矩。
4.根据权利要求1所述的电动工具，其特征在于，
所述控制器被配置为：
根据所述定子绕组的相电流计算所述电机的转速；
在所述转速大于或等于第一转速阈值时，基于所述相电流估算所述定子绕组的反电动势，并根据所述反电动势估算所述电机的转子位置；
在所述转速小于或等于第二转速阈值时，基于加载在所述定子绕组上的高频电信号估算所述电机的转子位置。
5.根据权利要求4所述的电动工具，其特征在于，
所述控制器被配置为：
在所述转速小于或等于第二转速阈值时，输出高频电信号加载在所述电机的定子绕组上，并获取所述定子绕组基于所述高频电信号输出的响应信号；
根据所述响应信号与预设转子位置的相对关系，估算所述电机的转子位置。
6.一种电动工具的控制方法，所述电动工具包括具有转子和若干定子绕组的电机；制动元件，用以输出制动电机的制动指令；电池包，用以提供驱动所述电机的电源；逆变电路，具有若干半导体开关元件以切换所述定子绕组的通电状态；电流检测单元，用于检测所述电机中定子绕组的相电流；控制器，至少与所述制动元件、所述电流检测单元和所述逆变电路连接；
所述控制方法包括：
获取所述定子绕组的相电流，并根据所述相电流估算所述电机的转子位置；
获取所述制动元件输出的制动指令，根据所述制动指令和所述转子位置控制所述逆变电路中开关元件的导通状态，使所述电机获得反向加速的制动转矩以实施转矩制动。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，
在所述制动转矩的作用下，所述电机的定子绕组产生制动电流；
所述制动电流流入所述电池包为所述电池包充电。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，
所述制动指令包括降低所述电机的转速的转速降低指令，所述转速降低指令能够包括若干个转速档位，不同转速档位对应不同大小的制动转矩。
9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
根据所述定子绕组的相电流计算所述电机的转速；
在所述转速大于或等于第一转速阈值时，基于所述相电流估算所述定子绕组的反电动势，并根据所述反电动势估算所述电机的转子位置；
在所述转速小于或等于第二转速阈值时，基于加载在所述定子绕组上的高频电信号估算所述电机的转子位置。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
在所述转速小于或等于第二转速阈值时，输出高频电信号加载在所述电机的定子绕组上，并获取所述定子绕组基于所述高频电信号输出的响应信号；
根据所述响应信号与预设转子位置的相对关系，估算所述电机的转子位置。
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