CN116404920A - 电动工具及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种电动工具及其控制方法，电动工具包括：电机，包括转子和三相定子绕组，所述定子绕组在所述电机运转中具有导通电角度；驱动电路，具有多个半导体开关元件；参数检测模块，用于检测所述电机运转过程中的工作参数；控制器，至少与所述驱动电路和所述电机构成电性连接；所述控制器被配置为：在所述工作参数大于第一参数阈值时，控制所述驱动电路改变导通状态，改变所述电机运转时所述定子绕组的导通电角度；所述定子绕组的导通电角度小于120°。提供了一种能避免频繁触发过流保护功能，具备较好重载性能的电动工具。

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
一般工具都具有过流保护功能，也就是在工具内电机的电流超过过流保护阈值时，进行停机保护。但为了提高圆锯等切割类或者钻孔类等工具的重载性能，需要避免频繁触发工具的过流保护功能。
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避免频繁触发过流保护功能，具备较好重载性能的电动工具。
本发明采用如下的技术方案：
一种电动工具，包括：电机，包括转子和三相定子绕组，所述定子绕组在所述电机运转中具有导通电角度；驱动电路，具有多个半导体开关元件；参数检测模块，用于检测所述电机运转过程中的工作参数；控制器，至少与所述驱动电路和所述电机构成电性连接；所述控制器被配置为：在所述工作参数大于第一参数阈值时，控制所述驱动电路改变导通状态，改变所述电机运转时所述定子绕组的导通电角度；所述定子绕组的导通电角度小于120°。
可选的，所述工作参数包括所述电机的工作电流。
可选的，所述电机的各相绕组在一段时间内导通工作时具有第一导通电角度和第二导通电角度；所述第一导通电角度大于120°，所述第二导通电角度小于120°。
可选的，所述控制器被配置为：在所述工作参数大于所述第一参数阈值时，改变所述电机的各相绕组在所述一段时间内维持所述第一导通电角度导通的时间和维持所述第二导通电角度导通的时间；所述定子绕组在所述一段时间内的平均导通电角度小于120°。
可选的，所述电机的各相绕组在所述一段时间内维持所述第一导通电角度导通的时间和维持所述第二导通电角度导通的时间的比值大于或等于0且小于1。
可选的，所述控制器被配置为：在所述工作参数小于或等于所述第一参数阈值的过程中，控制所述定子绕组以所述第一导通电角度导通工作。
可选的，所述控制器被配置为：在所述工作参数小于或等于第二参数阈值时，控制所述定子绕组以所述第一导通电角度导通工作。
一种电动工具控制方法，所述电动工具包括：电机，包括转子和三相定子绕组，所述定子绕组在所述电机运转中具有导通电角度；驱动电路，具有多个半导体开关元件； 参数检测模块，用于检测所述电机运转过程中的工作参数；控制器，至少与所述驱动电路和所述电机构成电性连接；所述方法包括：在所述工作参数大于第一参数阈值时，控制所述驱动电路改变导通状态，改变所述电机运转时所述定子绕组的导通电角度；所述定子绕组的导通电角度小于120°。
可选的，所述电机的各相绕组在一个电周期内导通工作时具有第一导通电角度和第二导通电角度；所述第一导通电角度大于120°，所述第二导通电角度小于120°。
可选的，所述方法还包括：在所述工作参数大于所述第一参数阈值时，改变所述电机的各相绕组在一个电周期内维持所述第一导通电角度导通的时间和维持所述第二导通电角度导通的时间；所述定子绕组在一个电周期内的平均导通电角度小于120°。
本发明的有益之处在于：在工具接近过流保护时，通过控制驱动电路中开关元件导通状态改变电机绕组的导通电角度，可以降低工作电流避免频繁触发过流保护，保证了工具的重载性能。
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3是本发明实施例提供的电机绕组两两导通周期换相示意图；
图4是本发明实施例提供的电机绕组三三导通和两两导通切换周期换相示意图；
图5a和图5b 是本发明实施例提供的驱动电路续流方式示意图；
图6是本发明实施例提供的电机绕组两两导通周期换相时导通电角度小于120°的示意图；
图7是本发明实施例提供电动工具控制方法的流程图。
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。
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、斜锯等任何可采用无刷无感电控方式的电动工具，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以电钻为例，电动工具500至少包括机壳50、壳体内的电机、电源52、开关53、钻头54等。机壳50中内置电机，控制电路板以及传动结构（未示出）。壳体50还形成有供用户握持的握持部501。
参考图2所示的电动工具的电路框图，电机51的驱动系统至少可以包括驱动电路501、电源52，控制器502、参数检测模块503。
在一个实施例中，电机51为无刷直流电机（BLDC）。在一个实施例中，电机51为无感BLDC。在一个实施例中，电机51为有感BLDC。在本申请中，无刷直流电机可以是内转子电机也可以是外转子电机，电机51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。
在一个实施例中，电源52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52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，输出适合驱动电路501、电机51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。
参数检测模块503，能检测电机运转过程中的工作参数，例如参数检测模块503可以通过不同的检测单元检测电机转速、电机工作电流或者工作电压等。
驱动电路501与电机51的定子绕组A、B、C电性连接，用于将来自电源52的电流传递至定子绕组A、B、C以驱动电机10旋转。在一个实施例中，驱动电路501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502电性连接，用于接收来自控制器502的控制信号。每个开关元件的漏极或源极与电机51的定子绕组A、B、C连接。开关元件Q1-Q6接收来自控制器502的控制信号改变各自的导通状态，从而改变电源502加载在电机51的定子绕组A、B、C上的电流。在一个实施例中，驱动电路20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所示的电机51转动，驱动电路501通常至少具有六个驱动状态，每次驱动状态的切换对应电机的一次换相动作。示例性的，如图3所示横轴表示定子在360°周期内的换相点，纵轴表示三相绕组的反电势。图3中转子每转过60°电机换相一次，定义电机一次换相至下一次换相的间隔为换相区间。由图3可知，在360°一个换相周期内存在六拍换相，电机的三相绕组均导通了120°，也就是导通电角度为120°。通常称图3所示的定子绕组的换相方式为两相绕组换相导通即两两导通的方式。在两两导通方式下，导通电角度最多能达到120°。
为了提升导通电角度，例如将导通角增大至大于120°，通常可以采用提高加载在定子绕组上的等效电压或者增加定子绕组导通相的方式。以三相电机来说，增加定子绕组导通相是指从两相绕组换相导通变为三相绕组换相导通，即从两两导通切换为三三导通。示例性的，在转子每转过30°执行一次换相，即在360°的换相周期内执行12 拍换相动作能保证电机的三相绕组在换相过程中出现三相绕组均导通的情况，从而导通角大于120°，例如导通角为150°。如图4所示，在电机每30°换相时，定子绕组从两两导通切换为三三导通，并在下次换相时由三三导通切换为两两导通。对比图4和图3可知，定子绕组提前了30°换相，因此相对于原来的导通角来说，定子绕组的导通角增加了30°即为150°。
由上述可知，控制器502通过调制PWM信号的占空比可以控制驱动电路501中各开关元件的导通状态，从而控制定子绕组的导通相，能获得任意大小的导通电角度。而导通电角度不同，电机的工作电流、转速或者电压、扭力等也不同。
在一种实施方式中，控制器502可以实时获取参数检测模块503输出的工作参数，或者以一定频率获取工作参数。并在检测到工作参数大于第一参数阈值时，控制驱动电路501改变导通状态，改变电机运转时定子绕组的导通电角度。在本实施例中，调整后的定子绕组的导通电角度小于120°。通过降低导通电角度，可以快速降低电机的工作电流，从而能避免频繁触发过流保护机制导致的工具重载性能降低的情况发生。可以理解的，第一参数阈值可以是电动工具500触发过流保护机制的最低电流值，例如电机的工作电流为70A时会触发过流保护机制，则第一参数阈值为70A。
在一个实施例中，在上述工作参数大于第一参数阈值时，控制器502可以控制定子绕组在一段时间内的平均导通电角度小于120°。其中的一段时间可以是一个或多个电周期。示例性的，控制器502可以调制PWM信号的占空比，改变驱动电路中开关元件的导通状态，从而改变电机各相绕组在所述一段时间内维持第一导通电角度导通的时间和维持第二导通电角度导通的时间，进而获得小于120°的平均导通电角度。其中，第一导通电角度大于120°，第二导通电角度小于120°。示例性的，第一导通电角度为150°，第二导通电角度为110°。也就是说，为获得第一导通电角度，定子绕组是两两导通和三三导通的切换导通方式，为获得第二导通电角度，定子绕组不存在三三导通的方式。示例性的，电机各相绕组在100ms时间内，维持第一导通电角度导通的时间为20ms，维持第二导通电角度导通的时间为80ms，则这段时间内的平均导通电角度小于120°。可以理解的，所谓的第一导通电角度的导通时间可以是一段时间内连续的时间段，也可以是在一段时间内所有非连续时间的总和。可选的，所述一段时间内维持第一导通电角度导通的时间和维持第二电角度导通的时间的比值大于或等于0且小于1。
在上述时间比值为0时，则在一个电周期内定子绕组不存在三三导通的方式导通。为获得小于120°的导通电角度，控制器502可以控制驱动电路501改变导通状态，使定子绕组在两两导通的正常驱动方式和续流方式间切换，从而能获得小于120°的导通电角度。其中，驱动电路处于续流方式时，可能是图5a所示的三个低侧开关元件导通的续流方式，也可以是图5b所示的一个开元元件导通的续流方式。示例性的，在一个电周期内，驱动电路在两两导通驱动和图5a所示的续流方式导通时，电机三相绕组的导通电角度波形如图6所示。图6中，在每60°的换相周期中，三相绕组存在5°的全部低电平时间，从而在一个电周期内，每相绕组的导通电角度为110°。
控制器502在电动工具500工作的过程中，可以实时检测电机的工作参数，并在工作参数小于或等于第一参数阈值的过程中，控制定子绕组以第一导通电角度导通工作。上述工作参数是指电机的工作电流。也就是说，在电机的工作电流大于第一参数阈值之前，控制器502控制电机绕组以固定的导通电角度工作；在电机的工作参数大于第一参数阈值时，为避免触发过流保护机制，控制器502采用上述降低导通电角度至120°以下的方式降低电机工作电流。进一步的，在电机工作电流降低后，控制器502可以继续监测电机工作电流，并在工作电流降低至小于或等于第二参数阈值时，再次控制电机绕组以第一导通电角度导通工作。
在一个实施例中，在电机启动的初始工作阶段，控制器502可以控制电机绕组以第三导通电角度导通工作预设时间段，之后控制电机绕组以第一导通电角度导通工作。在电机绕组以第一导通电角度导通工作的过程中，控制器502可以检测电机工作电流。并在工作电流小于或等于第一参数阈值的过程中，调制PWM信号占空比实现第一导通电角度下的恒速控制；在工作电流大于第一参数阈值时，控制电机绕组以小于120°的导通角导通工作直至电机工作电流小于或等于第二参数阈值，再控制电机绕组切换至第一导通电角度导通工作。其中，第三导通电角度大于第二导通电角度且小于第一导通电角度。可选的，第三导通电角度为120°。
参考图7，电动工具的控制过程包括以下步骤：
S101，开机启动。
S102，控制定子绕组以120°导通电角度驱动电机旋转预设时间。
上述预设时间可以是电机转子转动两圈的时间，或者是两个电周期的时间。
S103，扩展导通电角度至150°，控制电机继续转动。
S104，判断电机工作电流是否小于或等于70A，若是则转入步骤S105，否则转入步骤S107。
其中，第一参数阈值设定为70A。
S105，调制PWM实现150°导通电角度下的恒速控制。
S106， 判断电机工作电流是否大于70A。若是则转入步骤S107，否则转入步骤S105。
S107，导通电角度降低至小于120°。
S108，判断电机工作电流是否小于或等于50A。若是则转入步骤S103。
其中，第二参数阈值设定为50A。
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，包括转子和三相定子绕组，所述定子绕组在所述电机运转中具有导通电角度；
驱动电路，具有多个半导体开关元件；
参数检测模块，用于检测所述电机运转过程中的工作参数；
控制器，至少与所述驱动电路和所述电机构成电性连接；
所述控制器被配置为：
在所述工作参数大于第一参数阈值时，控制所述驱动电路改变导通状态，改变所述电机运转时所述定子绕组的导通电角度；
所述定子绕组的导通电角度小于120°。
2.根据权利要求1所述的电动工具，其特征在于，
所述工作参数包括所述电机的工作电流。
3.根据权利要求1所述的电动工具，其特征在于，
所述电机的各相绕组在一段时间内导通工作时具有第一导通电角度和第二导通电角度；所述第一导通电角度大于120°，所述第二导通电角度小于120°。
4.根据权利要求3所述的电动工具，其特征在于，
所述控制器被配置为：
在所述工作参数大于所述第一参数阈值时，改变所述电机的各相绕组在所述一段时间内维持所述第一导通电角度导通的时间和维持所述第二导通电角度导通的时间；
所述定子绕组在所述一段时间内的平均导通电角度小于120°。
5.根据权利要求3所述的电动工具，其特征在于，
所述电机的各相绕组在所述一段时间内维持所述第一导通电角度导通的时间和维持所述第二导通电角度导通的时间的比值大于或等于0且小于1。
6.根据权利要求3所述的电动工具，其特征在于，
所述控制器被配置为：
在所述工作参数小于或等于所述第一参数阈值的过程中，控制所述定子绕组以所述第一导通电角度导通工作。
7.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：
在所述工作参数小于或等于第二参数阈值时，控制所述定子绕组以所述第一导通电角度导通工作。
8.一种电动工具控制方法，所述电动工具包括：电机，包括转子和三相定子绕组，所述定子绕组在所述电机运转中具有导通电角度；驱动电路，具有多个半导体开关元件； 参数检测模块，用于检测所述电机运转过程中的工作参数；控制器，至少与所述驱动电路和所述电机构成电性连接；所述方法包括：
在所述工作参数大于第一参数阈值时，控制所述驱动电路改变导通状态，改变所述电机运转时所述定子绕组的导通电角度；
所述定子绕组的导通电角度小于120°。
9.根据权利要求8所述的控制方法，其特征在于，
所述电机的各相绕组在一个电周期内导通工作时具有第一导通电角度和第二导通电角度；所述第一导通电角度大于120°，所述第二导通电角度小于120°。
10.根据权利要求9所述的控制方法，其特征在于，所述方法还包括：
在所述工作参数大于所述第一参数阈值时，改变所述电机的各相绕组在一个电周期内维持所述第一导通电角度导通的时间和维持所述第二导通电角度导通的时间；
所述定子绕组在一个电周期内的平均导通电角度小于120°。
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