CN115776094A - 电动工具及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电动工具及其控制方法，包括：壳体；电源装置；电机；驱动电路；电流检测模块；控制模块，在周期性的时间间隔内通过电流检测模块实时获取电机的相电流值；当获取到的相电流值超过当前的电流阈值，在当前时间间隔的剩余时间内关断正处于导通状态的电子开关，在当前一个驱动信号周期结束时，开启控制模块当前控制导通的电子开关；电流阈值满足三角波形的变化规律，三角波的周期与所述周期性的时间间隔中每个时间间隔的持续时间相同。采用以上技术方案能提供一种适用于电动工具的逐周限流的控制方法，使得电动工具在重载工况下能够有效抑制大电流的同时提高用户使用手感。

Description

电动工具及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种电动工具，具体涉及一种适用于电动工具的控制方法。

背景技术

电动工具在重载工况下，尤其对于高压无刷工具来说，由于电网的供电能力足够大，容易出现过电流现象，不仅易损坏电子元器件，也较大程度上明显地影响电动工具的使用手感。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明提供一种适用于电动工具的限流控制方法，能够有效抑制重载工况下的大电流的同时，不影响电动工具的使用手感。

为实现上述目标，本发明采用如下技术方案：

一种电动工具，包括：壳体；电源装置，用于接入所述电动工具工作时的电能；电机，设置于所述壳体内；驱动电路，所述驱动电路包括多个电子开关；电流检测模块，用于获取所述电机的相电流值；控制模块，与所述驱动电路电性连接，所述控制模块输出驱动信号控制所述驱动电路以运行所述电机；所述控制模块还被配置为：在周期性的时间间隔内通过所述电流检测模块实时获取所述电机的相电流值；当获取到的所述相电流值超过当前的电流阈值，在当前所述时间间隔的剩余时间内关断正处于导通状态的所述电子开关，在当前一个所述驱动信号周期结束时，开启所述控制模块当前控制导通的所述电子开关；所述电流阈值不固定且满足预设波形的的变化规律；所述预设波形的周期与所述周期性的时间间隔中每个时间间隔的持续时间相同。

进一步地，所述预设波形设置为三角波形或包含曲线的波形。

进一步地，当前所述时间间隔结束时所对应的电流阈值小于当前所述时间间隔开始时所对应的电流阈值。

进一步地，所述周期性的时间间隔中每个时间间隔的持续时间与所述驱动信号当前所对应的周期相同。

进一步地，所述控制模块控制所述驱动信号的周期连续变化或随机变化。

进一步地，还包括：整流模块，设置为与电源装置电性连接；供电电路，与所述整流模块电性连接，设置为至少为所述控制模块供电；电容电路，电连接在所述整流模块和所述驱动电路之间。

进一步地，所述电流检测模块包括多个检流电阻。

进一步地，所述电机设置为无刷直流电机。

进一步地，所述无刷直流电机由所述驱动信号控制。

进一步地，所述电容电路至少包括一个电解电容。

一种电动工具的控制方法，所述电动工具包括壳体；电源装置，用于接入所述电动工具工作时所需的电源；电机，设置于所述壳体内；驱动电路，所述驱动电路包括多个电子开关；电流检测模块，用于获取所述电机的相电流值；控制模块，与所述驱动电路电性连接；所述控制方法包括：所述控制模块输出驱动信号控制所述驱动电路运行所述电机，并在周期性的时间间隔内对所述电机的电流实施限制；所述控制模块在所述周期性的时间间隔内通过所述电流检测模块实时获取所述电机的相电流值；若所述相电流值超过当前的电流阈值，在当前所述时间间隔的剩余时间内关断正处于导通状态的所述电子开关，再在当前一个所述驱动信号周期结束时，开启所述控制模块当前控制导通的所述电子开关；所述电流阈值不固定且满足预设波形的的变化规律；所述预设波形的周期与所述周期性的时间间隔中每个时间间隔的持续时间相同。

进一步地，所述预设波形在周期性的时间间隔内为三角波或包含曲线的波形。

进一步地，当前所述时间间隔结束时所对应的电流阈值小于当前所述时间间隔开始时所对应的电流阈值。

进一步地，所述周期性的时间间隔中每个时间间隔的持续时间与所述驱动信号当前所对应的周期相同。

进一步地，所述控制模块控制所述驱动信号的周期连续变化或随机变化。

本发明公开的一种电动工具及其控制方法，有效地限制电动工具在重载工况下大电流的同时，通过优化驱动信号的周期从而削弱电网电压带来波动影响，较大程度上优化了电动工具的使用手感，提高了电动工具的可靠性以及寿命。

附图说明

图1是作为一种实施例的电动工具的结构图；

图2是图1中电动工具的电路系统的电路框图；

图3是图2中电路系统的整流模块的电路框图；

图4是作为一种实施例的电流检测模块的电路框图；

图5是作为另一种实施例的电流检测模块的电路框图；

图6是作为一种实施例的电机相电流的波形图；

图7是作为另一种实施例的电机相电流的波形图；

图8是作为又一种实施例的电机相电流的波形图；

图9是作为一种实施例的PWM信号周期连续变化的示意图；

图10是作为一种实施例的电动工具的控制方法的流程图；

图11是作为另一种实施例的电动工具的控制方法的流程图。

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。

本发明的电动工具，可以为手持式电动工具、花园类工具、花园类车辆如车辆型割草机，在此并非有所限制。本发明的电动工具包括但不限于砂光机、钻头、冲击起子、攻丝机、紧固件起子等电动工具，只要这些电动工具能够采用以下披露的技术方案的实质内容即可落入本发明的保护范围。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。

参考图1及图2所示，示例性地示出一种电动工具10，该电动工具为角磨。电动工具10主要包括：壳体11、电机13(图未示)、功能件14、电源装置15以及位于壳体11内的电路系统12。

电机13包括定子绕组和转子。在一些实施例中，电机13为三相无刷电机，包括具有永磁体的转子和以电子方式换向的三相定子绕组U、V、W。在一些实施例中，三相定子绕组U、V、W之间采用星型连接。在另一些实施例中，三相定子绕组U、V、W之间采用角型连接。然而，必须理解的是其他类型的无刷电动机也在本公开的范围。无刷电动机可包括少于或多于三相。

功能件14用于实现电动工具10的功能。功能件14由电机13驱动运行。对于不同电动工具而言，功能元件不同。对角磨而言，功能件14为角磨盘，用于实现打磨或切割功能。

电源装置15用于接入电动工具10工作所需的电能。本实施例中的电源装置15可选地设置为交流电源。具体地，电源装置15包括交流电插头(图未示)，以接入120V或220V的交流市电。

参照图2所示的电动工具10的一种实施方式的电路系统12，主要包括整流模块21、电容电路22、供电电路23、驱动电路24、控制模块25、转速检测模块26以及电流检测模块27。

整流模块21构成电动工具10的直流单元。整流模块21设置为接收来自电源装置15的交流电并用于输出直流母线电压，也即用于将电源装置15输入的交流电转化为脉动直流电输出。整流模块21与电源装置15电性连接。参照图3所示，整流模块21包括由四个二极管D1、D2、D3、D4组成的整流桥，利用二极管的单向导电性和管压降将交流电转换成同一方向的脉动直流电输出。

电容电路22并联于电动工具10的直流母线上，即并联在电路系统12中直流单元的正负极之间。作为具体实施方式的一种，电容电路22可选地并联在整流模块21与驱动电路24之间。具体地，电容电路22包括电解电容C。电容电路22与整流模块21电性连接，整流模块21输出的脉动直流电经电解电容C滤波转化为平滑直流电输出，以降低脉动直流电中的谐波干扰。优选地，电解电容C的容值与电机13的额定功率之比大于20μF/KW且小于80μF/KW。这样可节约空间，保证在硬件电路中不存在物理尺寸较大的电容元件。

供电电路23用于至少为控制模块25供电。作为具体实施方式的一种，供电电路23与整流模块21电连接，将经整流模块21整流后的电能转换为适配于控制模块25的供电电压输出。例如，为了给控制模块25供电，供电电路23将来自电源装置15并经整流模块21整流后的电压降到15V以为控制模块25供电。

驱动电路24与整流模块21电连接以驱动电机13。驱动电路24的输入端接收来自整流模块21的电压，在控制模块25输出的驱动信号的驱动下将电压以一定的逻辑关系分配给电机13定子上的各相绕组，以使电机13启动并产生持续不断的转矩。具体地，驱动电路24包括多个电子开关。在一些实施例中，电子开关包括场效应晶体管(FET)，在另一些实施例中，电子开关包括绝缘栅双极晶体管(IG-BT)等。在一些实施例中，驱动电路24为三相桥式电路。驱动电路24包括作为高侧开关设置的三个电子开关Q1、Q3、Q5和作为低侧开关设置的三个电子开关Q2、Q4、Q6。

作为高端开关的三个电子开关Q1、Q3、Q5分别设在整流模块21的供电线与电机13的各相线圈之间。作为低端开关的三个电子开关Q2、Q4、Q6分别设在电机22的各相线圈与地线之间。

六个电子开关Q1-Q6的各个栅极端UH、UL、VH、VL、WH、WL与控制模块25电性连接，电子开关的每个漏极或源极与电机13的定子绕组连接。电子开关Q1-Q6依据控制模块25输出的驱动信号以一定频率改变导通或关断状态，从而改变整流电路21加载在电机13绕组上的功率状态。

转速检测模块26用于获取电机13的实测转速和转子的位置中的至少一个。在一些实施例方式中，转速检测模块26包括传感器，传感器能够直接检测电机13的速度和位置，例如霍尔传感器。在另一些实施例中，转速检测模块26被配置为至少依据电机13的相电压和定子绕组的电流值估算电机13的转子位置。

电流检测模块27用于实时获取电机13的电流。具体而言，电流可以是电机13的母线电流或电机13各相绕组的相电流。本实施例中，电流检测模块27比设置用于获取电机13的各相绕组的相电流。可以理解，电机13的母线电流则可以由检测到的三路相电流值计算获得。在一种实施例中，电流检测模块27包括霍尔电流传感器，通过霍尔电流传感器可以直接检测电机13的各相绕组上的相电流。在另一种实施例中，参考图4所示，在驱动电路24和电机13的各相绕组之间分别串联检流电阻R1、R2和R3，电流检测模块27通过检测电阻两端的电压即可计算得出各相绕组的相电流或母线电流。在又一种实施例中，参见图5所示，电流检测模块27用于检测驱动电路24中处于导通状态的电子开关的内阻，基于处于导通状态的电子开关的内阻和其两端的电压值计算得出经过该电子开关的电流，电子开关的电流即为对应电机13绕组的相电流。具体而言，电流检测模块27分别检测高端开关的三个驱动开关Q1、Q3、Q5两端的电压计算得出对应的三相定子绕组U、V、W的相电流。这样电动工具不用增加硬件即可检测对应电机13绕组的相电流，节约成本。

控制模块25至少电连接至供电电路23、驱动电路24以及电流检测模块27，用以控制驱动电路24工作。在一些实施方式中，控制模块25采用专用的控制芯片(例如，MCU，微控制单元，Microcontroller Unit)。

作为具体实施例的一种，控制模块25输出周期为T的驱动信号，用于控制多个电子开关Q1-Q6的导通状态以驱动电机13。优选地，电机13设置为三相无刷直流电机，驱动信号可选地设置为PWM信号，PWM信号的周期为T。参见图6所示，在周期为T的PWM信号的驱动下，电机相电流i的理想波形如图中相电流1所示，但电机在实际工作状态下，电机相电流i的波形如图中相电流2所示，且在上电瞬间具备初始电流为I₀。从图6中能够很明显看出，实际工作时的相电流2中会存在大电流的情况，例如图6中的a点，从而对电机以及控制电路等电子元器件产生影响。可以理解，通过控制模块25在周期性的时间间隔内对电机13的电流实施限制是很有必要的。此处本领域的技术人员可以理解，此处的周期性的时间间隔可以理解为电机13的限流周期，下文将定义周期性的时间间隔为电机13的限流周期T1，限流周期T1设置为与PWM信号的周期T相同。

控制模块25被配置为在限流周期T1的当前一个周期内，通过电流检测模块27实时获取电机13的相电流值i，并将相电流值i与当前的电流阈值I相比较，若相电流i值超过当前的电流阈值I，那么在限流周期T1的当前一个周期的剩余时间内关断当前正处于导通状态的电子开关，从而断开流向电机13的电流，并在当前一个PWM信号的周期T结束时开启电子开关，恢复流向电机13的电流。此处需要说明的是，上述技术方案中关断的电子开关具体为当前正处于导通状态的电子开关，开启的电子开关为当前驱动信号控制开启的电子开关。

在一些实施例中，参见图6所示，电流阈值I被可选地被设置为一固定值I_max，将实时获取到的相电流i与设置的固定值I_max进行比较。相电流2为正常工作状态下的电机相电流i的波形图，，相电流3为经过限流后的电机相电流i的波形图，当相电流值i超过固定值I_max，那么在限流周期T1的当前一个周期的剩余时间内关断当前正处于导通状态的电子开关，从而断开流向电机13的电流，并在当前一个PWM信号的周期T结束时开启电子开关，恢复流向电机13的电流。可以理解，通过固定值I_max的限流方式，使得电机相电流i不会出现大电流现象，从而保护了电子元器件。但是，上述实施例中，当电流阈值I被设置为一固定值I_max时，流经电机的电流可能会产生次级谐波，参见图6中b处所示，从而影响电动工具的正常工作。

为了解决上述实施例中存在的问题，本发明给出的实施例中设置的电流阈值I不固定且满足预设波形的变化的规律。接下来将详细介绍设置方法。

参见图7所示，预设波形可选地设置为三角波形，三角波形的周期T2与限流周期T1相同。三角波形的斜率K的取值范围如下：

其中，I_max为上述实施例中为固定值I_max，I₀为上电瞬间的相电流值。可以理解的是，I_max的具体值的设置，本领域的技术人通常会根据具体的电路进行调试，从而获取一个比较合适的值。可以理解，本实施例给出的K值的取值范围的计算方式，但是具体的K值需要本领域技术人员在上述K值的取值范围内对电路进行调试而获取。

参见图7所示，相电流2为电流阈值I为固定值I_max时的电机相电流i的波形图，相电流4为电流阈值I为三角波形时的电机相电流i的波形图。从图7中可以明显看出，相电流4中的电机相电流i中不会产生明显的次级谐波。

与上述实施例不同的是，在一些可能的实施例中，具体参见图8所示，预设波形可选地设置为包含曲线的波形。此处定义上述包含曲线的波形为波形F，波形F的周期T2’与限流周期T1相同。可以理解，波形F在一个周期T1开始时的电流值与三角波形在一个周期T1开始时的电流值相同，同样的，波形F在一个周期T1结束时的电流值与三角波形在一个周期T1结束时的电流值相同。换而言之，图7中的m点和n点分别对应图8中的m’点和n’点。参见图8所示，相电流2为电流阈值I为固定值I_max时的电机相电流i的波形图，相电流4’为电流阈值I为波形F时的电机相电流i的波形图。从图7中可以明显看出，相电流4’中的电机相电流i中不会产生明显的次级谐波。当然波形F的具体参数，本领域的技术人员还是要根据具体电路结构进行设计。此处还要说明的是，上述实施例中的预设波形并不局限于上述介绍的三角波形和包含曲线的波形。预设波形在当前当前限流周期T1结束时所对应的电流阈值小于当前限流周期T1开始时所对应的电流阈值。

在一些实施例中，由于电网电压在电网负载较大幅度的增加或减少时，电网电压会出现波动现象，从而影响用户在使用电动工具时使用手感。对此，本发明提出在有效对电机进行限流的同时，对电网电压进行有效补偿。接下来，将详细介绍具体的设置方法。

PWM信号的周期T在第一预设周期范围内连续变化。具体而言，当电网电压低于或者等于当前电机反电动势时，PWM信号的周期T保持不变；反之，当电网电压高于当前电机反电动势时，PWM信号的周期T在预设范围内连续变化。优选地，第一预设周期范围可选地设置为[0.5T₀，2T₀]，其中，T₀为PWM信号的初始周期。进一步

参见图9所示，PWM信号的周期T设置为第一预设周期范围[0.5T₀，2T₀]内的连续变化可以通过如下公式获得,f为周期为T时的PWM信号的频率：

其中,f₀为与PWM信号的初始周期T₀相对应的初始频率，θ为当前电网电压的相位。

下面将结合图10具体说明逐周限流的一种控制方法，该方法包括以下步骤：

S11，获取电机相电流值i。

S12,判断电机相电流值i是否超过当前的电流阈值I，若是，则执行步骤S203；若否，则执行步骤S204。

S13,关断当前导通的电子开关。

S14,判断当前限流周期T1是否结束，若是，则执行步骤S205；若否，则执行步骤S206。

S15,开启当前PWM信号控制开启的电子开关。

S16，获取电网电压和电机反电动势。

S17，判断当前电机反电动势是否超过电网电压，若是，执行步骤S208，若否，执行步骤S201。

S18，重新设置PWM信号的的周期T。

S19，设置限流周期T1和三角波形周期T2等于当前的PWM信号的周期T。返回步骤S201。

上述实施例中，本发明公开一种电动工具逐周限流的控制方法，限流周期T1随着PWM信号的周期T的变化而变化，三角波形的周期T2随着限流周期T1的变化而变化。可以理解为限流周期T1、三角波形的周期T2与PWM信号的周期T始终相同。当检测到的电机相电流i大于当前的电流阈值I时关闭电子开关，在PWM信号的当前一个周期结束时，重新开启电子开关，同时继续实时检测电机的相电流。另一方面设置PWM信号的周期T随电网电压的波动在第一预设周期范围内连续变化，能够针对电网电压的波动进行有效补偿，提高用户使用手感与电动工具使用寿命。

在另一些实施例中，PWM信号的周期T在第二预设周期范围内随机变化。具体而言，第二预设周期范围为[0.98*T₀，1.02*T₀]，其中T₀为PWM信号的初始周期。本实施例中，PWM信号的初始周期T₀设置为100us，叠加白噪声后的PWM信号的周期T在第二预设周期范围[98us，102us]内随机变化，并且变化满足正态分布的规律。此处需要说明的是，本领域技术人员对于本实施例中设置的第二预设范围可根据电动工具实际应用场景自行设置，此处并不做限制。

下面将结合图11具体说明逐周限流的另一种控制方法，该方法包括以下步骤：

S21，获取电机相电流值i。

S22,判断电机相电流值i是否超过当前的电流阈值I，若是，则执行步骤S23；若否，则执行步骤S24。

S23,关断当前导通的电子开关。

S24,判断当前限流周期T1是否结束，若是，则执行步骤S25；若否，则执行步骤S21。

S25，重新设置PWM信号的周期T。

S26，设置限流周期T1和三角波形周期T2等于当前的PWM信号的周期T。

S27，开启当前驱动信号控制开启的电子开关，返回步骤S21。

上述实施例中，本发明公开一种电动工具逐周限流的又一种控制方法,限流周期T1随着PWM信号的周期T的变化而变化，三角波形的周期T2随着限流周期T1的变化而变化。可以理解为限流周期T1、三角波形的周期T2与PWM信号的周期T始终相同。当检测到的相电流大于当前的电流阈值时关闭电子开关，在PWM信号的当前一个周期结束时，重新开启电子开关，同时继续实时检测电机的相电流。另一方面设置PWM信号的周期T在第二预设周期范围内随机变化，上述随机变化满足正态分布的规律。本实施例通过将PWM信号的周期T设置在预设范围内满足正态分布规律的随机变化，通过抖频率策略减小驱动电路的电磁干扰，提高电动工具的可靠性。

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 (14)

1.一种电动工具，包括：

壳体；

电源装置，用于接入所述电动工具工作时的电能；

电机，设置于所述壳体内；

驱动电路，所述驱动电路包括多个电子开关；

电流检测模块，用于获取所述电机的相电流值；

控制模块，与所述驱动电路电性连接，所述控制模块输出驱动信号控制所述驱动电路以运行所述电机；

所述控制模块还被配置为：

在周期性的时间间隔内通过所述电流检测模块实时获取所述电机的相电流值；

当获取到的所述相电流值超过当前的电流阈值，在当前所述时间间隔的剩余时间内关断正处于导通状态的所述电子开关，在当前一个所述驱动信号周期结束时，开启所述控制模块当前控制导通的所述电子开关；

其特征在于，

所述电流阈值不固定且满足预设波形的的变化规律；

所述预设波形的周期与所述周期性的时间间隔中每个时间间隔的持续时间相同。

2.根据权利要求1所述的电动工具，其特征在于，

所述预设波形设置为三角波形或包含曲线的波形。

3.根据权利要求1所述的电动工具，其特征在于，

当前所述时间间隔结束时所对应的电流阈值小于当前所述时间间隔开始时所对应的电流阈值。

4.根据权利要求1所述的电动工具，其特征在于，

所述周期性的时间间隔中每个时间间隔的持续时间与所述驱动信号当前所对应的周期相同。

5.根据权利要求4所述的电动工具，其特征在于，

所述控制模块控制所述驱动信号的周期连续变化或随机变化。

6.根据权利要求1所述的电动工具，其特征在于，

还包括：

整流模块，设置为与电源装置电性连接；

供电电路，与所述整流模块电性连接，设置为至少为所述控制模块供电；

电容电路，电连接在所述整流模块和所述驱动电路之间。

7.根据权利要求1所述的电动工具，其特征在于，

所述电流检测模块包括多个检流电阻。

8.根据权利要求1所述的电动工具，其特征在于，

所述电机设置为无刷直流电机，所述无刷直流电机由所述驱动信号控制。

9.根据权利要求1所述的电动工具，其特征在于，

所述电容电路至少包括一个电解电容。

10.一种电动工具的控制方法，所述电动工具包括壳体；电源装置，用于接入所述电动工具工作时所需的电源；电机，设置于所述壳体内；驱动电路，所述驱动电路包括多个电子开关；电流检测模块，用于获取所述电机的相电流值；控制模块，与所述驱动电路电性连接；

所述控制方法包括：

所述控制模块输出驱动信号控制所述驱动电路运行所述电机，并在周期性的时间间隔内对所述电机的电流实施限制；

所述控制模块在所述周期性的时间间隔内通过所述电流检测模块实时获取所述电机的相电流值；若所述相电流值超过当前的电流阈值，在当前所述时间间隔的剩余时间内关断正处于导通状态的所述电子开关，再在当前一个所述驱动信号周期结束时，开启所述控制模块当前控制导通的所述电子开关；

其特征在于，

所述电流阈值不固定且满足预设波形的的变化规律；

所述预设波形的周期与所述周期性的时间间隔中每个时间间隔的持续时间相同。

11.根据权利要求10所述的控制方法，其特征在于，

所述预设波形在周期性的时间间隔内为三角波形或包含曲线的波形。

12.根据权利要求10所述的控制方法，其特征在于，

当前所述时间间隔结束时所对应的电流阈值小于当前所述时间间隔开始时所对应的电流阈值。

13.根据权利要求10所述的控制方法，其特征在于，

所述周期性的时间间隔中每个时间间隔的持续时间与所述驱动信号当前所对应的周期相同。

14.根据权利要求10所述的电动工具，其特征在于，

所述控制模块控制所述驱动信号的周期连续变化或随机变化。

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