CN115208246A - 控制无刷电机 - Google Patents

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Abstract

本发明广泛地涉及用于与例如电动工具一起使用的BLDC电机的换向控制。该方法使用控制器来在位置传感器发生故障的情况下控制BLDC电机。本发明使用计时器基于过去的霍尔转变之间的时间来确定何时应当发生下一转变，而不是停止电机的操作并向用户指示故障或错误消息。因此，如果一个或两个位置传感器不再向控制器提供位置信息，则控制器可以基于过去的转变确定转变何时将变化，以继续控制电机并防止电机停止操作。

Description

控制无刷电机
相关申请的交叉引用
本申请要求2021年3月25日提交的63/165,894号美国临时专利申请和2022年3月14日提交的17/694,228号的美国专利申请的权益，所述申请的全部内容以引用的方式并入本文。
技术领域
本发明涉及电动机，并且更具体地涉及无刷直流(BLDC)电机的控制。
背景技术
由无刷直流(Brushless Direct Current，BLDC)电机驱动的电动工具(例如电动棘轮扳手、电钻和起子)通常用于汽车、工业和家庭应用中，以拧紧和松开工件(例如螺纹紧固件)，并且例如向工件施加扭矩和/或角位移。BLDC电机换向通常使用微控制器或微处理器计算机来实现。利用电子器件和位置反馈而不是电刷来控制换向允许传统有刷直流电机不能获得的更大的灵活性和能力，包括精确的速度控制、位置控制和用于缓慢且精细的运动控制的步进操作。
目前使用了许多不同的三相无刷直流(BLDC)电机的换向技术。通常，换向基于电机转子的位置来控制。转子的位置由传感器(例如霍尔效应传感器)来检测。然后，微控制器或微处理器计算机以特定顺序控制各相的高侧和低侧开关，以根据换向方案(例如六步换向)控制电机。例如，在三相无刷直流电机中，三个位置传感器围绕电机轴相隔60或120度定位，并且具有六个转变点(即，三个传感器各自响应于转子的位置而在高与低之间致动)。然而，由于位置传感器利用导线连接到电机外部的单独的控制器板，所以存在以下风险：由于制造误差或由操作电机引起的振动，有线连接中的一个或多个可能经历电噪声或以某种方式被夹住、切割或损坏。如果控制器无法检测转子的位置，则控制器无法适当地控制电机，这导致电机停止操作并向用户指示故障或错误消息。例如，如果一个位置传感器损坏，则控制器将仅检测到四个转变(即，两个传感器各自变高和变低)。如果两个位置传感器损坏，则控制器将仅检测到两个转变(即，一个传感器变高和变低)。
发明内容
本发明广泛地涉及用于与例如电动工具一起使用的BLDC电机的换向控制。尽管本发明被描述为与用于电动工具的BLDC电机一起使用，但是应当理解，本发明可以与用于任何目的或功能的BLDC电机一起使用。本发明使用控制器来在位置传感器发生故障的情况下控制BLDC电机。本发明使用计时器基于过去的霍尔传感器转变之间的时间来确定何时应当发生下一转变，而不是停止电机的操作并向用户指示故障或错误消息。例如，如果两个先前转变之间的时间是10微秒，则控制器将确定下一转变也应该在10微秒内。因此，如果一个或两个位置传感器不再向控制器提供位置信息，则控制器可以基于过去的转变确定转变何时将变化，以继续控制电机并防止电机停止操作。
附图说明
为了便于理解寻求保护的主题，在附图中例示了其实施例，当结合以下描述考虑时，从对其实施例的检查中，寻求保护的主题、其构造和操作及其许多优点应当容易理解和领会。
图1是结合了本发明实施例的示例性电动工具(例如电动棘轮工具)的透视图。
图2和图3是结合了本发明实施例的示例性工具的电子组件的组件框图。
图4是结合了本发明实施例的示例性BLDC电机的示意图。
图5是例示了根据本发明实施例的BLDC电机的示例性控制方法的图。
具体实施方式
尽管本发明容许有许多不同形式的实施例，但是在附图中示出了并且将在本文中详细描述本发明的实施例，包括优选实施例，应当理解，本发明应当被认为是本发明的原理的范例，并且不旨在将本发明的广泛方面限制于本文例示的任何一个或多个实施例。如本文所用的，术语“本发明”并不旨在限制所要求保护的发明的范围，而是仅为了解释的目的而用于讨论本发明的示例性实施例。
本发明广泛地涉及用于与例如电动工具一起使用的BLDC电机的换向控制。尽管本发明被描述为与用于电动工具的BLDC电机一起使用，但是应当理解，本发明可以与用于任何目的或功能的BLDC电机一起使用。本发明使用控制器来在位置传感器发生故障的情况下控制BLDC电机。本发明使用计时器基于过去的霍尔传感器转变之间的时间来确定何时应当发生下一转变，而不是停止电机的操作并向用户指示故障或错误消息。例如，如果两个先前转变之间的时间是10微秒，则控制器将确定下一转变也应该在10微秒内。因此，如果一个或两个位置传感器不再向控制器提供位置信息，则控制器仍然可以基于过去的转变确定转变何时将变化，以继续控制电机并因此防止电机停止操作。
参考图1至图5，可以结合或使用本发明的一个或多个实施例的示例性工具100(例如无绳棘轮式工具)包括主工具壳体102和输出组件104(例如棘轮头组件)。工具壳体102可以包括第一壳体部和第二壳体部，该第一壳体部和第二壳体部以掀盖式方式联接在一起，并且牢固地联接到输出组件104。例如，工具壳体102可以围封或容纳BLDC电机114(图2和图3中示出)、控制器116(图2和图3中示出)、开关组件118(图2和图3中示出)、具有用于配置和设置工具的按钮的显示器、一个或多个指示器122(例如发光二极管)、以及用于操作工具的其他部件。工具壳体102还可包括带纹理的或滚花的把手，以在使用期间改善使用者对工具100的抓握。
输出组件104包括驱动部106，其包括例如驱动凸起部108。驱动凸起部108适于经由联接到驱动凸起部108(例如双向棘轮方形或六边形驱动器)的适配器、钻头、或套筒来将扭矩施加到工件(例如紧固件)。如图例示，驱动凸起部108是“阳”连接器，其设计成装配到或配套地接合阴配对件(例如套筒)。然而，驱动部106可以替代性地包括“阴”连接器，其设计为配套地接合阳配对件。驱动部106也可结构化成直接接合工件而不需要联接到适配器、钻头或套筒。驱动部106/驱动凸起部108的旋转方向可通过选择开关的旋转而选择为第一旋转方向或第二旋转方向(例如顺时针或逆时针)。
工具100还可以包括触发器110，其可以由用户致动，以选择性地使工具100操作。例如，使用者可以向内压下触发器110，以选择性地从电源120汲取电力，并使电机114向输出组件104提供扭矩，并使驱动凸起部108沿期望的旋转方向旋转。触发器110还可以可操作地联接到开关机构118，该开关机构118适于在触发器110被致动时使电力从电源120供应到电机114。在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以实现任何合适的触发器110或开关。例如，触发器110还可被偏置，使得触发器110可相对于工具100向内压下，以使工具100操作，并且释放触发器110使触发器110相对于工具100向外移动，以经由触发器110的偏置性质停止工具100的操作。触发器110和开关机构118也可以是变速型机构。在这方面，触发器110被压下得越远，触发器110的致动或压下导致电机以越快的速度操作。
电机114可布置在工具壳体102中，并且适于可操作地接合输出组件104，并且向工具100提供扭矩，继而向驱动部106/驱动凸起部108提供扭矩。电机114可以是三相BLDC电机。电源120可以与工具100相关联，以向工具100提供电力来操作电机和其它部件。在一实施例中，电源120可容纳在工具壳体102的与输出组件104相对的端部112、工具100的中间部分、或工具100/工具壳体102的任何其它部分中。电源120还可以是外部部件，其不被工具100容纳，而是通过例如有线或无线装置可操作地联接到工具100。在一实施例中，电源120是可拆卸且可再充电的电池，该电池适于布置在工具壳体102的端部中并且电联接到工具100的对应端子。
控制器116可以可操作地联接到电源120、开关机构118、指示器122和电机114中的一者或多者。控制器116可以包括用于处理数据和计算机可读指令的中央处理单元(CPU)、以及用于存储数据和指令的存储器406。存储器可以包括易失性随机存取存储器(RAM)、非易失性只读存储器(ROM)和/或其他类型的存储器。还可以包括数据存储部件，其用于存储数据和控制器/处理器可执行指令(例如用于工具100的操作和功能的指令)。数据存储部件可以包括一种或多种类型的非易失性固态存储器，例如闪存、只读存储器(ROM)、磁阻RAM(MRAM)、铁电RAM(FRAM)、相变存储器等。
用于操作工具100及其各种部件的计算机指令可由控制器116来执行，这在运行时使用存储器作为临时“工作”储存器。计算机指令可以以非瞬态方式存储在非易失性存储器、储存器、或外部设备中。替代性地，除了软件之外或代替软件，一些可执行指令可以嵌入在硬件或固件中。
例如，控制器116可以实现本文所描述的方法。电机114的转子的位置可以由控制器116根据从位置传感器(例如霍尔效应传感器)接收的信号、使用已知方法来确定。然而，本发明不限于此，并且可以使用电子部件的任何合适的布置来确定电机114的转子的位置。在位置传感器信号故障的情况下，控制器116使用下面描述的方法基于转子的估计位置来控制换向。
图4中例示了用于工具100的电机114的示例开关阵列。第一相(U)、第二相(V)和第三相(W)分别包括高侧开关元件UH、VH和WH、以及低侧开关元件UL、VL和WL。在一实施例中，开关元件是金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。开关元件可由控制器116致动，以基于电机的转子相对于定子的位置选择性地将来自电源120(例如电池)的电力施加到电机114，以实现期望的换向。通过选择性地启动特定的高侧开关元件和低侧开关元件，通过使控制器116发送电流信号通过位于定子上的线圈来操作电机114。当电流通过线圈时，线圈使得磁力施加到转子，转子旋转。转子包含与定子124的绕组所产生的磁力相互作用的永磁体。位置传感器(例如霍尔效应传感器)用于检测转子的永磁体的位置，以确定转子相对于定子的位置。通过基于转子的位置以特定顺序启动高侧开关元件和低侧开关元件的连续组合，从而发送特定顺序的电流信号穿过定子的绕组，定子产生旋转磁场，该旋转磁场与转子相互作用，从而使其旋转并产生扭矩。
图5是由计算设备(例如控制器114)执行的示例方法的方框流程图，该方法控制高侧开关元件UH、VH和WH以及低侧开关元件UL、VL和WL，以在位置传感器发生故障的情况下实现期望的换向。在第一步骤中，致动触发器110，以使工具100操作，如方框202例示。一旦触发器被致动，工具(例如经由控制器116)使用接收到的位置传感器信号(即，位置传感器响应于转子的位置在高与低(也称为第一状态和第二状态)之间切换，并且指示转子的位置)测量在转变点之间经过的时间量，如方框204例示。基于软件的计时器可以用于测量转变点之间的时间(即，每个位置传感器的高与低(第一状态与第二状态)之间的切换之间的时间)。工具(例如经由控制器116)基于测量的时间量来确定转变时间估计，以估计下一转变点何时应当发生，如方框206例示。例如，该估计可以基于先前测量的转变时间或测量的转变时间的平均值。工具(例如经由控制器116)确定位置传感器是否操作，如方框208例示。当位置传感器正确工作时，工具(例如经由控制器116)继续正常操作，如方框210例示，并且继续测量转变点之间的时间并确定转变时间估计，直到触发器被释放为止。当位置传感器中的一个或多个故障时，工具(例如经由控制器116)使用转变时间估计来控制电机，如方框212例示，并且还可以启动指示器，如方框214例示，直到触发器被释放为止。在一实施例中，当位置传感器中的一个故障时，工具(例如经由控制器116)保持同一组开关元件被启动，直到发生另一个位置传感器转变为止。如果位置传感器转变在预定时间量内没有发生，则控制器116启动指示器，以指示故障，并使用转变时间估计来控制电机。例如，控制器116启动开关元件中的一个或多个，以控制换向，并且从位置传感器接收分别对应于位置传感器的第一状态与第二状态之间的转变的信号。当位置传感器中的一个或多个故障时，控制器使开关元件中的一个或多个保持工作，并且当在预定时间量内没有接收到来自(一个或多个)位置传感器的信号时指示故障。因此，控制器116能够控制高侧开关元件UH、VH和WH以及低侧开关元件UL、VL和WL，以在位置传感器发生故障的情况下实现期望的换向，从而允许电机114继续正常操作并维持相同的速度和扭矩。
如本文所讨论的，示例性工具100是棘轮式扳手。然而，工具100可以是任何类型的手持式工具，包括但不限于电力驱动或电动工具，例如电钻、刳刨机(router)或冲击扳手、棘轮扳手、螺丝刀或其它电动工具，其经由外部电源(例如壁装电源插座和/或发电机电源插座)或电池供电。而且，应当认识到，本发明不限于与电动手持工具一起使用，而是可以与利用BLDC电机的任何设备一起使用。
如本文所用的，术语“联接的”及其功能等同物并不旨在必须限于两个或更多部件的直接机械联接。相反，术语“联接的”及其功能等同物旨在意指两个或更多个物体、特征、工件和/或环境物质之间的任何直接或间接的机械、电气或化学连接。在一些示例中，“联接的”还旨在意指一个物体与另一物体集成。如本文所用的，术语“一”或“一个”可以包括一个或多个项，除非另有具体说明。
在上述说明书和附图中阐述的内容仅作为例示而不是作为限制来提供。尽管已经示出和描述了特定实施例，但是对于本领域技术人员而言将显而易见的是，在不脱离发明人贡献的更广泛方面的情况下可以进行改变和修改。当基于现有技术以适当的观点来看时，所寻求保护的实际范围旨在由所附权利要求书限定。

Claims (19)

1.一种用于控制具有转子和位置传感器的无刷直流(BLDC)电机的换向的方法，所述方法包括：
从所述位置传感器接收分别对应于所述位置传感器的第一状态与第二状态之间的转变的信号，其中，所述信号用于指示所述转子的位置；
测量连续转变之间的时间量，从而产生测量的时间量；
基于所述测量的时间量来确定转变时间估计；以及
当所述位置传感器发生故障时，使用所述转变时间估计来控制所述转子的换向。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：当所述位置传感器发生故障时启动指示器。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：确定在预定时间量内何时没有接收到信号。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，当确定在所述预定时间量内没有接收到所述信号时，发生使用所述转变时间估计来控制所述转子的换向的步骤。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，还包括：当所述位置传感器发生故障时启动指示器。
6.一种包括无刷直流(BLDC)电机的工具，所述无刷直流电机具有转子和位置传感器，所述工具包括：
控制器，其适于：
从所述位置传感器接收分别对应于所述位置传感器的第一状态与第二状态之间的转变的信号，其中，所述信号用于指示所述转子的位置；
测量连续转变之间的时间量，从而产生测量的时间量；
基于所述测量的时间量来确定转变时间估计；以及
当所述位置传感器发生故障时，使用所述转变时间估计来控制所述转子的换向。
7.根据权利要求6所述的工具，其特征在于，所述控制器还适于在所述位置传感器发生故障时启动指示器。
8.根据权利要求6所述的工具，其特征在于，所述控制器还适于确定在预定时间量内没有接收到信号。
9.根据权利要求8所述的工具，其特征在于，所述控制器还适于当在所述预定时间量内没有接收到所述信号时使用所述转变时间估计来控制所述转子的换向。
10.根据权利要求9所述的工具，其特征在于，所述控制器还适于在所述位置传感器发生故障时启动指示器。
11.一种包括输出和适于驱动所述输出的无刷直流(BLDC)电机的工具，所述工具包括：
第一位置传感器，其适于指示所述电机的转子的位置，其中，所述第一位置传感器在第一位置传感器第一状态与第一位置传感器第二状态之间转变；以及
控制器，其适于：
从所述第一位置传感器接收第一信号，所述第一信号对应于所述第一位置传感器第一状态与所述第一位置传感器第二状态之间的第一位置传感器第一转变；
从所述第一位置传感器接收第二信号，所述第二信号对应于所述第一位置传感器第一状态与所述第一位置传感器第二状态之间的第一位置传感器第二转变；
测量所述第一位置传感器第一转变与所述第一位置传感器第二转变之间的第一时间量；
基于测量的第一时间量确定第一转变时间估计；以及
当所述第一位置传感器发生故障时，使用所述第一转变时间估计来控制所述电机的换向。
12.根据权利要求11所述的工具，其特征在于，还包括指示器，其中，所述控制器还适于在所述第一位置传感器发生故障时启动所述指示器。
13.根据权利要求11所述的工具，其特征在于，还包括第二位置传感器，其中，所述第二位置传感器在第二位置传感器第一状态与第二位置传感器第二状态之间转变；并且其中，所述控制器还适于：
从所述第二位置传感器接收第二位置传感器第一信号，所述第二位置传感器第一信号对应于所述第二位置传感器的所述第二位置传感器第一状态与所述第二位置传感器第二状态之间的第二位置传感器第一转变；以及
从所述第二位置传感器接收第二位置传感器第二信号，所述第二位置传感器第二信号对应于所述第二位置传感器的所述第二位置传感器第一状态与所述第二位置传感器第二状态之间的第二位置传感器第二转变。
14.根据权利要求13所述的工具，其特征在于，所述控制器还适于：
测量所述第二位置传感器第一转变与所述第二位置传感器第二转变之间的第二时间量；以及
基于测量的第二时间量确定第二转变时间估计。
15.根据权利要求14所述的工具，其特征在于，所述控制器还适于当所述第二位置传感器发生故障时使用所述第二转变时间估计来控制所述电机的换向。
16.根据权利要求15所述的工具，其特征在于，还包括指示器，其中，所述控制器还适于在所述第二位置传感器发生故障时启动所述指示器。
17.一种用于控制具有转子、开关元件和位置传感器的无刷直流(BLDC)电机的换向的方法，所述方法包括：
启动所述开关元件中的一者或多者；
从所述位置传感器接收分别对应于所述位置传感器的第一状态与第二状态之间的转变的信号，其中，所述信号用于指示所述转子的位置；
当所述位置传感器发生故障时，使所述开关元件中的一者或多者保持工作；以及
当在预定时间量内没有接收到来自所述位置传感器的信号时，指示故障。
18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，还包括：确定在所述预定时间量内何时没有接收到所述信号。
19.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，指示故障包括：当所述位置传感器发生故障时启动指示器。
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