CN116683404A - 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，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，能输出控制信号控制驱动电路中的开关元件导通形成驱动状态或续流状态；控制器被配置为：检测驱动电路中第一开关元件的电参数；根据电参数与预设参数阈值的关系，控制驱动电路处于续流状态的时间；其中，第一开关元件为驱动电路中连接在同一定子绕组的高侧开关元件和低侧开关元件中未导通的开关元件。提供了一种能降低元件发热，且能防止出现刹车现象的电动工具。

Description

电动工具及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种电动工具，具体涉及一种能在工作过程中降低发热、提高工作效率且能防止刹车现象出现的电动工具。

背景技术

在电动工具正常工作的过程中，控制电路中的开关元件会存在发热现象。一般为了降低发热，会降低控制电路的驱动控制时间，在一定程度上增加了工具工作过程中出现刹车的现象，从而影响工具的工作性能。

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能降低发热、提高工作效率且避免出现刹车现象的电动工具。

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：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，能输出控制信号控制所述驱动电路中的开关元件导通形成驱动状态或续流状态；所述控制器被配置为：检测所述驱动电路中第一开关元件的电参数；根据所述电参数与预设参数阈值的关系，控制所述驱动电路处于所述续流状态的时间；其中，所述第一开关元件为所述驱动电路中连接在同一定子绕组的高侧开关元件和低侧开关元件中未导通的开关元件。

可选的，所述电参数包括所述第一开关元件的电流或所述第一开关元件换相时的续流时间。

可选的，所述控制器被配置为：在所述电参数大于或等于参数阈值时，控制所述第一开关元件导通，以使所述驱动电路工作于所述续流状态；在所述电参数小于所述参数阈值时，控制与所述第一开关元件断开，以使所述驱动电路由所述续流转状态切换至所述驱动状态。

可选的，所述控制器被配置为：在所述控制信号的占空比小于预设占空比阈值时，根据所述电参数与预设参数阈值的关系，控制所述驱动电路处于所述续流状态的时间。

一种电动工具，包括：无刷马达，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，能输出控制信号控制所述驱动电路中的开关元件导通形成驱动状态或续流状态；所述控制器被配置为：检测所述驱动电路中第一开关元件的电参数；根据所述电参数与预设参数阈值的关系，控制所述驱动电路处于所述续流状态的时间；其中，所述第一开关元件为所述驱动电路中连接在同一定子绕组的高侧开关元件和低侧开关元件中未导通的开关元件。

可选的，所述电参数包括所述第一开关元件的电流或所述第一开关元件换相时的续流时间。

可选的，所述控制器被配置为：在所述电参数大于或等于参数阈值时，控制所述第一开关元件导通，以使所述驱动电路工作于所述续流状态；在所述电参数小于所述参数阈值时，控制与所述第一开关元件断开，以使所述驱动电路由所述续流转状态切换至所述驱动状态。

一种电动工具的控制方法，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；控制器，至少与所述驱动电路电连接，能输出控制信号控制所述驱动电路中的开关元件导通形成驱动状态或续流状态；所述方法包括：检测所述驱动电路中第一开关元件的电流；根据所述电流与预设电流阈值的关系，控制所述驱动电路处于所述续流状态的时间；其中，所述第一开关元件为所述驱动电路中连接在同一定子绕组的高侧开关元件和低侧开关元件中未导通的开关元件。

可选的，所述方法包括：在所述电流大于或等于预设电流阈值时，控制所述第一开关元件导通，以使所述驱动电路工作于所述续流状态；在所述电流小于所述预设电流阈值时，控制与所述第一开关元件断开，以使所述驱动电路由所述续流转状态切换至所述驱动状态。

可选的，在所述控制信号的占空比小于预设占空比阈值时，根据所述电流与预设电流阈值的关系，控制所述驱动电路处于所述续流状态的时间。

本发明的有益之处在于：在工具工作过程中，根据控制电路中开关元件的电参数，控制驱动电路维持续流状态的时间，从而降低开关元件发热，同时能避免刹车现象的出现。

附图说明

图1是本发明施例中电动工具的结构示意图；

图2是图1中的电动工具的控制系统的电路图；

图3是本发明实施例提供的马达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马达绕组两两导通时驱动电路中开关元件的导通状态示意图；

图5是图4所示的驱动电路切换至续流状态的示意图；

图6是图5所示的驱动电路在续流状态下产生反向刹车电流的示意图；

图7是本发明实施例提供的工具控制系统的控制方法流程图。

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手持式电动工具、紧固类电动工具、切割类电动工具、打磨类电动工具等等。例如电钻、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，例如操作开关13被用户操作后导通可以控制电动工具100开机，操作开关13被用户操作后断开可以控制电动工具100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电源12、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（简称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。其中，Q1、Q3、Q5为高侧开关元件，Q2、Q4、Q6为低侧开关元件。马达11的任意一相定子绕组连接一个高侧开关元件和一个低侧开关元件。在本实施例中，定义连接在同一绕组的高侧开关元件和低侧开关元件中未导通的开关元件为第一开关元件，另一个导通的开关元件为第二开关元件。例如，图4中，Q1和Q6连接在同一绕组，Q6未导通，Q1导通，则Q6为第一开关元件，Q1为第二开关元件。

驱动电路111中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111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。

为了驱动马达11转动，驱动电路111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。在一个实施例中，驱动电路111通常至少具有六个驱动状态，每次驱动状态的切换对应马达的一次换相动作。在一个实施例中，控制器112可以输出PWM控制信号，控制驱动电路111切换驱动状态。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°马达换相一次，定义马达一次换相至下一次换相的间隔为换相区间。因此，在360°一个换相周期内，存在六拍换相，马达的三相绕组均导通了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。如图4所示，在两两导通方式下，驱动电路111中连接在非同一绕组的一个高侧开关元件Q1和一个低侧驱动开关Q4导通，能使马达的两相绕组A和B导通。在马达绕组以两两导通方式导通换相时，由于马达电感的原因，关断相电流不能突变为零（即换相后绕组上的相电流不会突变为零），此时关断相电流将通过反向并联的二极管续流，从而会造成体二极管发热。驱动电路111在驱动状态下不断换相的过程中，开关元件的体二极管持续发热，会造成开关元件过热。

为降低驱动电路111中开关元件的热度，控制器112可以周期性或者随机性的控制驱动电路111由驱动状态切换至续流状态，以降低驱动电路111中开关元件由于换相续流而产生大量的热。在一个实施例中，控制器112可以控制当前导通的任意一个开关元件断开，并控制与该断开的开关元件连接在同一绕组的开关元件导通，从而形成续流电路，即驱动电路111处于续流状态。如图5所示，控制器112可以控制Q1断开，Q6导通，续流电流不再流经Q6的体二极管，而是通过开关元件Q6本身进行续流，降低了开关元件由于续流造成的发热。同时，也提升了马达的驱动效率。示例性的，工具工作与轻载阶段时，温度可以降低10°左右而达到热平衡，马达的驱动效率可以提升4%至5%左右。

然而，若控制器112不能很好的驱动电路111处于上述续流状态的时间，则可能会造成刹车现象的出现。在图5所示的续流状态下，开关元件Q6、Q4以及绕组A、B构成续流回路，在该续流回路中绕组A、B中的驱动电流通过Q4和Q6续流。若图5所示的续流状态持续时间较长，则驱动电流被消耗完，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，从而出现刹车现象。但在工具正常工作的过程中，并不希望上述刹车现象出现。因为，需要控制驱动电路111维持续流状态的时间。

在一个实施例中，控制器112可以监测驱动电路中第一开关元件的电参数，并根据该电参数与预设参数阈值的关系，控制驱动电路维持续流状态的时间。

在一种实施方式中，控制器112可以检测第一开关元件的电流值，并在监测到的电流大于或等于电流阈值时，控制驱动电路111切换至续流状态进行续流，以为开关元件降温；进一步的，持续监测第一开关元件的电流，并在其电流小于电流阈值时，控制驱动电路111由续流状态切换至驱动状态。也就是说，通过检测驱动电路111中的电流，可以控制驱动电路111维持续流状态的时间，避免出现刹车现象。

在一种实施方式中，控制器112还可以监测第一开关元件在换相时的续流时间。所谓的续流时间是指驱动电路中开关元件换相时，第一开关元件通过体二极管续流的时间。在一个实施例中，控制器112可以根据第一开关元件的续流时间与预设续流时间阈值的关系，控制驱动电路111维持续流状态的时间。例如，在续流时间大于或等于预设续流时间阈值时，控制驱动电路111切换至续流状态，并继续检测第一开关元件的续流时间，在其小于上述阈值时，控制驱动电路由续流状态切换至驱动状态。

在本申请实施例中，第一开关元件的电参数可以是电流或续流时间，也可以是其他任何能反应电路状态的参数。

在可选实现方式中，也可以通过监测第二开关元件的电参数控制驱动电路111维持续流状态的时间。

在一个实施例中，若控制器输出的PWM控制信号的占空比较大，则不需要采用上述续流控制的方式。因为，占空比较大时，导通第一开关元件所消耗的能量也较大，达不到降低热量的目的。从而，控制器112在控制驱动电路111切换到续流状态前，还需根据控制信号的占空比确定是否切换至续流状态。也就是说，控制器112在第一开关元件的电参数大于或等于参数阈值，且PWM控制信号的占空比小于预设占空比时，控制第一开关元件导通使驱动电路切换至续流状态。

参考图7所示的针对上述实施例中电动工具控制系统的控制流程图，具体包括以下步骤：

S101，控制驱动电路以驱动状态驱动马达运转。

S102，检测驱动电路中第一开关元件的电流。

S103，判断电流是否大于或等于预设电流阈值。若是，则转入步骤S104，否则，继续监测。

S104，控制第一开关元件导通，以使驱动电路切换至续流状态。

S105，判断电流是否小于预设电流阈值，若是则转入步骤S106，否则继续执行步骤S104。

S106，控制第一开关元件断开，以使驱动电路由续流状态切换至驱动状态。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

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，能输出控制信号控制所述驱动电路中的开关元件导通形成驱动状态或续流状态；

所述控制器被配置为：

检测所述驱动电路中第一开关元件的电参数；

根据所述电参数与预设参数阈值的关系，控制所述驱动电路处于所述续流状态的时间；

其中，所述第一开关元件为所述驱动电路中连接在同一定子绕组的高侧开关元件和低侧开关元件中未导通的开关元件。

2.根据权利要求1所述的电动工具，其特征在于，

所述电参数包括所述第一开关元件的电流或所述第一开关元件换相时的续流时间。

3.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：

在所述电参数大于或等于参数阈值时，控制所述第一开关元件导通，以使所述驱动电路工作于所述续流状态；

在所述电参数小于所述参数阈值时，控制与所述第一开关元件断开，以使所述驱动电路由所述续流转状态切换至所述驱动状态。

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：

在所述控制信号的占空比小于预设占空比阈值时，根据所述电参数与预设参数阈值的关系，控制所述驱动电路处于所述续流状态的时间。

5.一种电动工具，包括：

无刷马达，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，能输出控制信号控制所述驱动电路中的开关元件导通形成驱动状态或续流状态；

所述控制器被配置为：

检测所述驱动电路中第一开关元件的电参数；

根据所述电参数与预设参数阈值的关系，控制所述驱动电路处于所述续流状态的时间；

其中，所述第一开关元件为所述驱动电路中连接在同一定子绕组的高侧开关元件和低侧开关元件中未导通的开关元件。

6.根据权利要求5所述的电动工具，其特征在于，

所述电参数包括所述第一开关元件的电流或所述第一开关元件换相时的续流时间。

7.根据权利要求5所述的电动工具，其特征在于，

所述控制器被配置为：

在所述电参数大于或等于参数阈值时，控制所述第一开关元件导通，以使所述驱动电路工作于所述续流状态；

在所述电参数小于所述参数阈值时，控制与所述第一开关元件断开，以使所述驱动电路由所述续流转状态切换至所述驱动状态。

8.一种电动工具的控制方法，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；控制器，至少与所述驱动电路电连接，能输出控制信号控制所述驱动电路中的开关元件导通形成驱动状态或续流状态；所述方法包括：

检测所述驱动电路中第一开关元件的电流；

根据所述电流与预设电流阈值的关系，控制所述驱动电路处于所述续流状态的时间；

其中，所述第一开关元件为所述驱动电路中连接在同一定子绕组的高侧开关元件和低侧开关元件中未导通的开关元件。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，

所述方法还包括：

在所述电流大于或等于预设电流阈值时，控制所述第一开关元件导通，以使所述驱动电路工作于所述续流状态；

在所述电流小于所述预设电流阈值时，控制与所述第一开关元件断开，以使所述驱动电路由所述续流转状态切换至所述驱动状态。

10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，

所述方法还包括：

在所述控制信号的占空比小于预设占空比阈值时，根据所述电流与预设电流阈值的关系，控制所述驱动电路处于所述续流状态的时间。