CN116404917A - 电动工具及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种电动工具及其控制方法，包括：马达，包括转子和多相定子绕组；控制电路，用于控制马达的工作状态；控制电路包括：驱动电路，包括多个高侧开关元件和多个低侧开关元件；控制器，至少与驱动电路电连接，用于控制驱动电路中的开关元件改变导通状况，以控制马达的工作状态；控制器被配置为：在检测到刹车信号时，控制驱动电路由驱动状态切换至第一续流状态；在驱动电路处于第一续流状态的过程中，马达转动产生制动电流，能制动马达。提供了一种能够缓慢制动刹车的电动工具。

Description

电动工具及其控制方法

技术领域

本发明涉及电动工具领域，具体涉及一种电动工具及其控制方法。

背景技术

电动工具在刹车制动的过程中，通常采用短接马达三相绕组的方式刹车，这种刹车方式产生的刹车力过大，巨大的反向能量倒灌，可能会损坏器件，同时也可能会带来安全隐患。例如，打磨类工具在刹车力过大时，可能会使工具上的附件飞出，造成安全事故。

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缓慢制动刹车的电动工具。

本发明采用如下的技术方案：

一种电动工具，包括：马达，包括转子和多相定子绕组；控制电路，用于控制所述马达的工作状态；所述控制电路包括：驱动电路，包括多个高侧开关元件和多个低侧开关元件；控制器，至少与所述驱动电路电连接，用于控制所述驱动电路中的开关元件改变导通状况，以控制所述马达的工作状态；所述控制器被配置为：在检测到刹车信号时，控制所述驱动电路由驱动状态切换至第一续流状态；在所述驱动电路处于第一续流状态的过程中，马达转动产生制动电流，能制动所述马达。

可选的，所述电动工具还包括：参数检测模块，用于检测所述马达运转中的电参数；所述控制器采用PWM调制控制所述驱动电路中开关元件的导通状态；所述控制器被配置为：检测到刹车信号时，调制PWM信号的占空比或者调制所述PWM信号的PWM频率；在所述占空比或所述PWM频率与所述马达输出的电参数的相对关系达到预设条件时，控制所述驱动电路由驱动状态切换至第一续流状态。

可选的，所述控制器被配置为：检测到刹车信号时，降低所述PWM信号的占空比；在所述占空比与所述驱动电路的输出电压的乘积小于所述马达的反电势时，控制所述驱动电路由驱动状态切换至第一续流状态。

可选的，在所述第一续流状态下，所述驱动电路的两个高侧开关元件导通以接入所述马达的两相定子绕组，或者驱动电路的两个低侧开关元件导通以接入所述马达的两相定子绕组。

可选的，所述控制器被配置为：控制所述驱动电路由所述第一续流状态切换至第二续流状态；所述驱动电路在所述第二续流状态下开关元件的导通状态与所述驱动电路在所述驱动状态下的导通状态相同。

可选的，在所述第二续流状态下，所述驱动电路中的一个高侧开关元件和一个低侧驱动元件导通以接入所述马达的两相定子绕组。

可选的，所述驱动电路由所述驱动状态切换至所述第一续流状态时，关闭所述驱动状态下导通的高侧开关元件或者所述驱动状态下导通的低侧开关元件，并导通与所关闭的开关元件连接在同一定子绕组的开关元件。

可选的，所述控制电路还包括：储能元件，与所述驱动电路并联连接；在所述驱动电路由所述第一续流状态切换至所述第二续流状态时，所述马达绕组中的感应电流存储至所述储能元件中。

一种电动工具控制方法，所述电动工具包括：马达，包括转子和多相定子绕组；控制电路，用于控制所述马达的工作状态；所述控制电路包括：驱动电路，包括多个高侧开关元件和多个低侧开关元件；参数检测模块，用于检测所述马达运转中的电参数；控制器，至少与所述驱动电路电连接，用于控制所述驱动电路中的开关元件改变导通状况，以控制所述马达的工作状态；所述方法包括：在检测到刹车信号时，控制所述驱动电路由驱动状态切换至第一续流状态；在所述驱动电路处于第一续流状态的过程中，马达转动产生制动电流，能制动所述马达。

可选的，所述方法还包括：检测到刹车信号时，调制PWM信号的占空比或者调制所述PWM信号的输出频率；在所述占空比或所述输出频率与所述马达输出的电参数的相对关系达到预设条件时，控制所述驱动电路由驱动状态切换至第一续流状态。

本发明的有益之处在于：实现了一种能够软制动的电动工具。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种电动工具的结构图；

图2是本发明实施例提供的一种电动工具的电路框图；

图3a和图3b是本发明实施例提供的马达绕组三相短接制动的示意图；

图4是本发明实施例提供的马达控制电路正常运转时的示意图；

图5是本发明实施例提供的马达控制电路续流状态的示意图；

图6是本发明实施例提供的马达控制电路制动时的示意图；

图7是本发明实施例提供的马达控制电路续流状态的示意图；

图8是本发明实施例提供的马达控制电路续流状态的示意图；

图9是本发明实施例提供的马达制动过程中绕组电流的变化示意图；

图10是本发明实施例提供的马达制动过程中绕组电流的变化示意图；

图11是本发明实施例提供的马达制动过程的流程图。

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。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本发明说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

本发明的技术方案所适用的电动工具包括打磨工具、电钻、电圆锯、往复锯、斜锯、冲击扳手、冲击螺丝批以及锤钻等电动工具，其他类型的电动工具只要能够采用以下披露的技术方案的实质内容即可落在本发明的保护范围内。

在本申请实施例中，参考图1所示的电动工具，电动工具100至少包括机壳10、壳体内的马达11、电源12、操作开关13、工作头14等。机壳10中内置马达，控制电路板以及传动结构（未示出）。壳体10还形成有供用户握持的握持部101。其中，操作开关13可被用户操作开关机。

参考图2所示的电动工具的电路框图，马达11的驱动系统至少可以包括控制电路110，该控制电路110可以包括驱动电路111、控制器112。

在一种实施方式中，马达11为无刷直流马达（BLDC）。在一个实施例中，马达11为无感BLDC。在一个实施例中，马达11为有感BLDC。在本申请中，无刷直流马达可以是内转子马达也可以是外转子马达，马达至少包括三相定子绕组A、B、C，三相绕组可以是星型连接也可以是三角形连接。

在一种实施方式中，电源12可选择为交流电源，即通过电源接口可以接入120V或220V的交流市电。在一个实施例中，电源12可选择为电池包，电池包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。电池包输出电压通过具体的电源控制模块，例如DC-DC模块进行电压变化，输出适合控制电路110、马达11等的供电电压，为其供电。本领域技术人员可理解，DC-DC模块为成熟的电路结构，可根据电动工具具体参数要求而相应选择。

驱动电路111与马达11的定子绕组A、B、C电性连接，用于将来自电源12的电流传递至定子绕组A、B、C以驱动马达11旋转。在一个实施例中，驱动电路111包括多个开关元件Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6。每个开关元件的栅极端与控制器112电性连接，用于接收来自控制器112的控制信号，该控制信号可以是PWM信号。每个开关元件的漏极或源极与马达11的定子绕组A、B、C连接。开关元件Q1-Q6接收来自控制器112的控制信号改变各自的导通状态，从而改变电源12加载在马达11的定子绕组A、B、C上的电流。在一个实施例中，驱动电路112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。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。

为了驱动图2所示的马达11转动，驱动电路112具有多种驱动状态，不同驱动状态下，马达11的转速或者转向可以不同。本申请针对控制器112控制驱动电路111改变不同驱动状态的使马达11获得不同转速或者转向的过程不做详述。

在一种实施方式中，操作开关13被用户按照设定方式触发后，可以输出开机信号或者关机信号或者刹车信号或者减速信号或者增速信号等至控制器112。从而控制器112可以根据接收到的信号控制驱动电路111中开关元件改变导通状态以达到相应的控制目的。

对于控制器112控制驱动电路111切换至制动状态，以制动马达11的方式，常用的是控制马达11的三相绕组短接。以图3a和图3b为例，图中虚线部分表示断开连接，实现部分表示连接。图3a和图3b中驱动电路111的高侧开关元件Q1、Q3、Q5全导通且低侧开关元件Q2、Q4、Q6全断开，或者是低侧开关元件Q2、Q4、Q6全导通且高侧开关元件Q1、Q3、Q5全断开。这上述方式下刹车时，马达11具有较大的刹车电流，能获得的刹车力较大，然而在一些工具中刹车力较大会存在一些安全隐患，如打磨类工具会存在磨盘飞出的可能。

为了解决上述问题，采用如下方案：

如图4所示，在马达11正常运转的过程中，驱动电路111中开关元件Q1和Q4导通，定子绕组A和B导通，电流由电源侧经过Q1后流入马达绕组，从而绕组中磁场发生变化，马达转动。在上述过程中，若控制器112检测到刹车信号，则控制驱动电路111由当前的驱动状态切换至第一续流状态。所谓的第一续流状态可以是：将切换至第一续流状态前的驱动状态下导通的两个开关元件中的任一个关断，同时打开与所关断的开关元件连接在同一定子绕组的另一个开关元件后，驱动电路111中开关元件与马达绕组的导通状态。示例性的，图5是由图4所示的驱动状态切换后的第一续流状态，其中Q1关断而与Q1连接在同一绕组的Q6导通，开关元件Q1、Q6以及绕组A、B构成第一续流回路，在第一续流回路中绕组A、B中的驱动电流通过Q4和Q6的体二极管续流。在图5所示的第一续流状态继续持续一定时间后，驱动电流被消耗完，但由于惯性或者其他原因，马达11仍会继续转动，从而会产生与上述驱动电流反向的刹车电流如图6所示，马达在刹车电流的制动下，转速逐渐降低，从而能达到软制动的效果。也就是说，本实施例，通过延长同步续流的电路的维持时长，可以产生反向刹车电流，实现马达软制动。

一般情况下，图4至图6所示的刹车过程为理想状态下马达的刹车过程，通常在图6所示的刹车电流制动后，控制器112可以将驱动电路111由第一续流状态切换至图7所示的第二续流状态。在第二续流状态下，驱动电路111开关元件的导通状态与其在图4所示的驱动状态下的导通状态相同。在一个实施例中，在第二续流状态中，驱动电路111中开关元件的导通状态，与第一续流状态前的驱动状态中的开关元件的导通状态一致，不同之处在于电流的流向。示例性的，如图7所示，在驱动电路111处于第二续流状态时，电路中的电流为马达绕组的感应电流，从马达绕组流向电源侧。在一个实施例中，如图7所示控制电路110还包括储能元件114，该储能元件与驱动电路111并联连接。从而在第二续流状态中，第二续流电路实际由储能元件114、Q1、Q4以及马达绕组A、B构成，储能元件114能吸收从马达输出的感应电流。在一个实施例中，储能元件114为电容。

在图7所示的感应电流续流完之后，若马达未完全刹车，则电源12侧的电流可以通过图7所示的电路继续驱动马达，并再次依次执行图5至图6所示的同步续流刹车过程。也就是说，本实施例中的刹车过程可以是驱动电路111中开关元件按照图4至图7所示的过程循环切换的过程，直至马达完全制动停机。

在一个实施例中，控制器112接收到刹车信号时，若马达电流较大，就直接执行图4至图7所示的马达制动过程，则可能会造成最终的制动电流不能被储能元件114完全吸收，而导致电流倒灌，损坏元件。

为解决上述问题，控制器112在检测到刹车信号时，可以控制驱动电路112切换至图8所示的第三续流状态或者切换至图5所示的第一续流状态，并在第三续流状态中的第三续流电路或者上述第一续流电路中的电流为零时，再次切换至图4所示的驱动状态，以此循环往复，直至驱动电流的大小小于或等于设定值。该设定值可以是根据储能元件114所能吸收的最大能量所推算的值，或者是采用其他方式确定的保证马达停止转动后制动电流不会再影响控制电路中元器件的一个值。进一步的，在控制器112确定驱动电流小于或等于设定值后，再控制驱动电路111继续执行图5至图7所示的马达刹车制动过程，此处不再赘述。

在一种可选的实现方式中，控制器112可以通过调制PWM信号的占空比来降低驱动电流。控制器112可以在PWM的占空比与驱动电路111的输出电压以及马达的反电势的关系满足设定条件时，认为马达的驱动电流达到了设定值。示例性的，控制器112可以在PWM信号的占空比与驱动电路111两端的电压的乘积小于马达的反电势时，可以认为马达的驱动电流达到了设定值，从而控制驱动电路111由驱动状态切换至第一续流状态，进而产生制动电流制动马达。

在一种可选的实现方式中，控制器112可以通过调制PWM信号的PWM频率来降低驱动电流。从而在驱动电流达到设定值时，控制驱动电路111由驱动状态切换至第一续流状态，进而产生制动电流制动马达。控制器112在检测到刹车信号时，通过降低PWM信号的PWM频率，可以增加PWM信号的周期时间，从而可以增加刹车时间。

参考图9，为一种理想状态下，直接执行图4至图7所示的刹车过程时，马达绕组的电流的变化过程：t1-t2时间段，控制器112以100%占空比的PWM信号控制马达11运转；在t2时刻控制器112检测到刹车信号，则将驱动电路111切换至第一续流状态，马达绕组中的电流在续流过程中不断减小，直至t3时刻马达内的电流为零；但马达111由于惯性作用会继续转动，从而产生与t1-t3段内的电流反向的刹车电流，从而马达111能被制动，在t3-t4马达制动的时间段内，制动电流可能不能被完全消耗；从而，在马达制动的电流大于一定阈值时，切换至第二续流状态，以控制电路110中的储能元件114消耗掉剩余的制动电流，截止t5时刻，马达已完全停止运转且马达绕组上的电流为零。

参考图10，一般情况下，在马达产生制动电流前，可以进行采用上述图8所示的第三续流电路或图5所示的第一续流电路对马达进行反复的续流降速。整个降速过程发生在t2-t3时间段内，因此图10所示的马达电流变化过程与图9所示的马达电流变化过程只有t2-t3时间段内的电流变化不同。在图10所示的t2-t21时间段内，马达绕组在续流和正常驱动之间反复切换，直至t21时刻获得的驱动电流，在续流后的制动电流能使马达产生负转矩。

参考图11，上述电动工具的制动控制方法包括如下步骤：

S101，判断是否有刹车信号。

若是，则转入步骤S102，否则继续检测。其中刹车信号可由用户通过触发操作开关或者其他方式控制工具产生刹车信号。

S102，调制PWM信号的占空比或PWM频率。

S103，占空比或PWM频率与马达输出的电参数的相对关系达到预设条件时，控制驱动电路由驱动状态切换至第一续流状态。

S104，控制驱动电路由第一续流状态切换至第二续流状态。

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：

马达，包括转子和多相定子绕组；

控制电路，用于控制所述马达的工作状态；

所述控制电路包括：

驱动电路，包括多个高侧开关元件和多个低侧开关元件；

控制器，至少与所述驱动电路电连接，用于控制所述驱动电路中的开关元件改变导通状况，以控制所述马达的工作状态；

所述控制器被配置为：

在检测到刹车信号时，控制所述驱动电路由驱动状态切换至第一续流状态；

在所述驱动电路处于第一续流状态的过程中，马达转动产生制动电流，能制动所述马达。

2.根据权利要求1所述的电动工具，其特征在于：

还包括：

参数检测模块，用于检测所述马达运转中的电参数；

所述控制器采用PWM调制控制所述驱动电路中开关元件的导通状态；

所述控制器被配置为：

检测到刹车信号时，调制PWM信号的占空比或者调制所述PWM信号的PWM频率；

在所述占空比或所述PWM频率与所述马达输出的电参数的相对关系达到预设条件时，控制所述驱动电路由驱动状态切换至第一续流状态。

3.根据权利要求2所述的电动工具，其特征在于：

所述控制器被配置为：

检测到刹车信号时，降低所述PWM信号的占空比；

在所述占空比与所述驱动电路的输出电压的乘积小于所述马达的反电势时，控制所述驱动电路由驱动状态切换至第一续流状态。

4.根据权利要求1所述的电动工具，其特征在于：

在所述第一续流状态下，所述驱动电路的两个高侧开关元件导通以接入所述马达的两相定子绕组，或者驱动电路的两个低侧开关元件导通以接入所述马达的两相定子绕组。

5.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：

控制所述驱动电路由所述第一续流状态切换至第二续流状态；

所述驱动电路在所述第二续流状态下开关元件的导通状态与所述驱动电路在所述驱动状态下的导通状态相同。

6.根据权利要求5所述的电动工具，其特征在于：

在所述第二续流状态下，所述驱动电路中的一个高侧开关元件和一个低侧驱动元件导通以接入所述马达的两相定子绕组。

7.根据权利要求1所述的电动工具，其特征在于：

所述驱动电路由所述驱动状态切换至所述第一续流状态时，关闭所述驱动状态下导通的高侧开关元件或者所述驱动状态下导通的低侧开关元件，并导通与所关闭的开关元件连接在同一定子绕组的开关元件。

8.根据权利要求6所述的电动工具，其特征在于：

所述控制电路还包括：

储能元件，与所述驱动电路并联连接；

在所述驱动电路由所述第一续流状态切换至所述第二续流状态时，所述马达绕组中的感应电流存储至所述储能元件中。

9.一种电动工具控制方法，所述电动工具包括：马达，包括转子和多相定子绕组；控制电路，用于控制所述马达的工作状态；所述控制电路包括：驱动电路，包括多个高侧开关元件和多个低侧开关元件；参数检测模块，用于检测所述马达运转中的电参数；控制器，至少与所述驱动电路电连接，用于控制所述驱动电路中的开关元件改变导通状况，以控制所述马达的工作状态；所述方法包括：

在检测到刹车信号时，控制所述驱动电路由驱动状态切换至第一续流状态；

在所述驱动电路处于第一续流状态的过程中，马达转动产生制动电流，能制动所述马达。

10.根据权利要求9所述的电动工具的控制方法，其特征在于：

所述方法还包括：

检测到刹车信号时，调制PWM信号的占空比或者调制所述PWM信号的输出频率；

在所述占空比或所述输出频率与所述马达输出的电参数的相对关系达到预设条件时，控制所述驱动电路由驱动状态切换至第一续流状态。

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