CN116961480A - 电动工具 - Google Patents

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Nanjing Chervon Industry Co Ltd
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Abstract

本发明公开了一种电动工具，包括壳体；马达，容纳于壳体内；驱动电路，与马达电连接；控制器，输出控制信号至驱动电路以驱动马达运行；整流电路，用于对接入的外部交流电进行整流；电容电路，并联于整流电路的输出端的正负极之间；整流电路包括多个第一开关元件；电容电路包括电容和第二开关元件，电容和第二开关元件串联连接；控制器与第一开关元件电连接以控制第一开关元件的导通和关断。采用以上技术方案能提供一种有效抑制任意时刻的电压尖峰的电动工具。

Description

电动工具
技术领域
本发明涉及一种电动工具，具体涉及一种电动工具的电路系统。
背景技术
现有的电动工具为满足输出性能稳定的需求，多在整流电路后采用大电容的设计方案。中国专利申请CN 103348581 B公开了一种电动工具，包括平滑电容器，用于将由整流电路所整流的AC电压平滑成具有大于感应电压的最大值以及小于感应电压的最小值的脉动直流电。
由于用于平滑信号的平滑电容器的体积通常较大，使得电路板组件在排布时占用电动工具内部较大的空间。
发明内容
为解决相关技术的不足，本发明的目的在于提供一种能够有效抑制任意时刻的电压尖峰且满足安全性能要求的电动工具。
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；马达，容纳于所述壳体内；驱动电路，与所述马达电连接；控制器，输出控制信号至所述驱动电路以驱动所述马达运行；整流电路，用于对接入的外部交流电进行整流；电容电路，并联于所述整流电路的输出端的正负极之间；所述整流电路包括多个第一开关元件；所述电容电路包括电容和第二开关元件，所述电容和所述第二开关元件串联连接；所述控制器与所述第一开关元件电性连接以控制所述第一开关元件的导通和关断。
在一些实施例中，所述电动工具还包括与所述控制器电连接的电压检测电路，用于实时检测母线电压。
在一些实施例中，所述控制器被配置为：通过所述电压检测电路获取所述母线电压，当所述母线电压大于或等于第一电压阈值时，控制当前处于导通状态的二极管所对应的所述第一开关元件导通，并在所述二极管的导通状态结束时，控制对应的所述第一开关元件关断。
在一些实施例中，所述电容电路还包括电压比较器，所述电压比较器的第一输入端接入所述母线电压，所述电压比较器的第二输入端接入第二电压阈值，所述电压比较器的输出端与所述第二开元元件电连接以控制所述第二开关元件的导通和关断。
在一些实施例中，当所述母线电压大于或等于所述第二电压阈值时，所述电压比较器控制所述第二开关元件导通以使所述母线电压对所述电容进行充电。
在一些实施例中，所述第一电压阈值小于所述第二电压阈值。
在一些实施例中，所述控制器与所述第二开关元件电连接，用于控制所述第二开关元件的导通和关断。
在一些实施例中，所述控制器被配置为：当所述电压比较器控制所述第二开关元件导通时，输出第一控制信号至所述第二开关元件以控制所述第二开关元件在第一时段内保持导通，并在所述第一时段结束后停止输出第一控制信号。
在一些实施例中，所述电动工具还包括与所述控制器电连接的电流检测电路，所述电流检测电路用于获取母线负向电流。
在一些实施例中，所述控制器被配置为：通过所述电流检测电路获取所述母线负向电流，当所述母线负向电流大于或等于第一电流阈值时，控制所述第一开关元件关断。
在一些实施例中，所述第一开关元件和所述第二开关元件设置为功率开关管。
在一些实施例中，所述电动工具还包括滤波电容，所述滤波电容并联在所述整流电路的输入端，用于对外部交流电进行滤波；所述滤波电容的容值设置为大于1uF。
本实施例中的电动工具，通过控制器控制整流电路的工作状态，能够有效地抑制任意时刻的电压尖峰，同时还能避免使用平滑电容器，简化电路结构的同时，提高电路的可靠性。
一种电动工具，包括：壳体；马达，容纳于所述壳体内；驱动电路，与所述马达电连接；控制器，输出控制信号至所述驱动电路以驱动所述马达运行；整流电路，用于对接入的外部交流电进行整流；电容电路，并联于所述整流电路的输出端的正负极之间；所述电容电路包括电容和第二开关元件，所述电容和所述第二开关元件串联连接；所述电容电路还包括电压比较器，所述电压比较器的输出端电连接至所述第二开关元件，用于控制所述第二开关元件的导通和关断；所述控制器电连接至所述第二开关元件，用于控制所述第二开关元件的导通和关断。
在一些实施例中，所述控制器被配置为：当所述电压比较器控制所述第二开关元件导通时，输出第一控制信号至所述第二开关元件以控制所述第二开关元件在第一时段内保持导通，并在所述第一时段结束后停止输出第一控制信号。
在一些实施例中，所述电动工具还包括与所述控制器电连接的电流检测电路，所述电流检测电路用于获取母线负向电流。
在一些实施例中，所述控制器被配置为：通过所述电流检测电路实时获取所述母线负向电流，当所述母线负向电流大于第四电流阈值时，输出第一控制信号至所述第二开关元件以使所述第二开关元件导通；当所述母线负向电流小于第五电流阈值时，停止输出所述第一控制信号。
在一些实施例中，所述整流电路包括多个第一开关元件，所述控制器电连接至所述第一开关元件以控制所述第一开关元件的导通和关断。
本实施例中，电容电路的状态既可以由电压比较器控制，又可以通过控制器进行控制，通过软硬件结合的方式，提高电容电路的工作效率。
附图说明
图1是本发明提供的作为具体实施例的角磨的机械结构示意图；
图2是本发明提供的作为具体实施例的角磨的一种电路图；
图3是图2中的角磨的整流电路输出的脉动直流电的波形图；
图4a是图3中的整流电路中的第一电流回路的示意图；
图4b是图3中的整流电路中的第二电流回路的示意图；
图5是本发明提供的作为具体实施例的角磨的电路系统的控制方法；
图6是本发明提供的作为具体实施例的角磨的另一种电路图；
图7是图6中的角磨的整流电路输出的脉动直流电的波形图；
图8是本发明提供的作为具体实施例的角磨的又一种电路图；
图9是用于对整流电路进行保护的保护电路的电路图；
图10是用于获取无刷电机的相电压的相电压检测电路的电路图。
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。
图1示出了本发明作为电动工具的具体实施例，如角磨。实际上本发明所教导的马达可适用于电钻、电动扳手、电动螺丝批、电锤钻、电圆锯、砂光机等手持式电动工具，台锯等台型电动工具以及割草机、打草机、电剪刀、修枝机、电锯等户外工具。显然，以下的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
参考图1所示的角磨的机械结构以及图2所示的角磨的电路结构。角磨1 主要包括：打磨盘10、壳体20、电源模块30、马达以及用于控制马达运行的电路系统50。具体而言，马达设置为无刷电机40。打磨盘10安装在壳体20的一端，在无刷电机40的带动下用于实现例如打磨或切割功能。壳体20形成有容纳空间(图未示)，无刷电机40设置于上述的容纳空间内。电路系统50包括整流电路51、驱动电路52以及控制器53。角磨1还包括电路板(图未示)，电路系统50设置在电路板上。为了保证电路系统50的不受外界信号的干扰，在电路板上设置金属屏蔽罩(图未示)，用于削弱外界信号对电路系统50性能的干扰。同时，为了防止电路板向空间辐射电磁场，在无刷电机40的三相线的每根线上增加一个磁环。
电源模块30用于接入角磨1工作所需的电源。作为具体实施方式的一种，电源可选择为交流电源。电源模块30包括交流电插头，以接入120V或220V的交流市电。交流电插头位于壳体20的另一端。
整流电路51与电源模块30电连接，设置为接收来自电源模块30的交流电 AC并用于输出母线电压。也即用于将电源模块30输入的交流电AC转化为脉动直流电输出。具体地，上述脉动直流电可以理解为母线电压。整流电路51与电源模块30电性连接。本实施例中的，整流电路51包括多个第一开关元件。具体而言，整流电路51包括功率开关管T1、功率开关管T2、功率开关管T3以及功率开关管T4。控制器53分别与功率开关管T1-T4的栅极电连接以控制功率开关管T1-T4的导通和关断。参见图3所示，当角磨1正常工作时，控制器53控制功率开关管T1-T4关断，由于功率开关管自身的特性，功率开关管T1-T4中的二极管D1、二极管D2、二极管D3以及二极管D4构成整流桥，利用二极管的单向导电性和管压降将如图3中的波形a所示的交流电AC转换成同一方向的如图3中的波形b所示的脉动直流电。
驱动电路52与无刷电机40的定子绕组A、B、C电性连接并用于将整流电路51输出的脉动直流电传递至定子绕组A、B、C以驱动无刷电机40运行。如图2所示，驱动电路52包括多个开关元件Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6。开关元件Q1-Q6的栅极端与控制器53电性连接，用于接收来自控制器53的控制信号。开关元件的每个漏极或源极与无刷电机40的定子绕组A、B、C连接。作为具体实施例的一种，无刷电机40为三相无刷电机，三相定子绕组A、B、C之间采用三角形或星型连接。开关元件Q1-Q6接收来自控制器53的控制信号改变各自的导通状态，从而改变电源模块30加载在无刷电机40的定子绕组A、B、C上的电流。为了使无刷电机40转动，驱动电路52具有多种驱动状态。在一种驱动状态下无刷电机40的定子绕组会产生一个磁场，控制器53依据无刷电机40的转子位置或反电动势输出相应的控制信号至驱动电路52中的开关元件Q1-Q6以使驱动电路52切换驱动状态，从而使定子绕组产生变化的磁场以驱动转子转动，进而实现无刷电机40的转动或换相。需要说明的是，其它任何能够驱动无刷电机40的转动或换相的电路和控制方式均可用于本发明，本发明对驱动电路52 的电路结构和控制器53对驱动电路52的控制不做限制。
由于无刷电机40旋转时会产生反电动势，在实际应用过程中，需要将比反电动势大的电压应用于无刷电机40。若将如图3中的波形c所示的脉动直流电用于驱动无刷电机40，那么在脉动直流电的幅值小于反电动势的部分Y中不能够驱动无刷电机40，无刷电机40中无电流通过。在脉动直流电的幅值大于或等于反电动势的部分X中可以驱动无刷电机40，即无刷电机40中有电流通过。
电路系统50还包括电压检测电路54。电压检测电路54用于实时检测无刷电机40运行时的母线电压。控制器53与电压检测电路54电连接以通过电压检测电路54实时获取无刷电机40运行时的母线电压。具体而言，当控制器53检测到当前的母线电压大于或等于第一电压阈值U1时，控制当前处于导通状态的二极管所对应的功率开关管导通，并在上述的二极管的导通状态结束时，控制对应的功率开关管关断。具体而言，第一电压阈值U1设置为无刷电机40的反电动势。
接下来，将详细介绍整流电路51的工作原理以及控制器53对整流电路51 的控制方法。
参见图4a和图4b所示，功率开关管T1的二极管D1和功率开关管T4的二极管D4正处于正向导通的状态，形成如图4a中的虚线所示的第一电流回路I1，电流流向如箭头所示。当控制器53通过电压检测电路54检测到当前的母线电压大于第一电压阈值U1时，控制功率开关管T1和功率开关管T4中导通，形成如图4b中的虚线所示的第二电流回路I2，电流流向如箭头所示。当二极管D1和二极管D4的正向导通的状态结束后，控制器53控制功率开关管T1和功率开关管T4关断。可以理解，当控制器53控制功率开关管T1和功率开关管T4导通时，第一电流回路I1和第二电流回路I2是同时存在的，且方向相反。
电路系统50还包括电流检测电路56。控制器53通过电流检测电路56实时获取母线负向电流。当控制器53获取到的母线负向电流大于或等于第一电流阈值时，则控制功率开关管T1-T4关断，从而避免大电流流经功率开关管，造成功率开关管的损坏。
接下来结合图5详细说明电路系统中的整流电路的控制方法的步骤：
S01：启动角磨，无刷电机上电运行。
S02：获取母线电压。
S03：判断母线电压大于或等于第一电压阈值，若是，则执行步骤S04；若否，则执行步骤S02。
S04：获取当前处于正向导通状态的二极管。
S05：控制对应的功率开关管导通。
S06：判断当前母线负向电流是否大于第一电流阈值，若是，则执行步骤S09，若否，则执行步骤S07。
S07：判断当前处于导通状态的二极管的导通状态是否结束，若是，则执行步骤S08；若否，则执行步骤S06。
S08：控制对应的功率开关管关断，并返回步骤S02。
本实施例中，通过控制器53控制功率开关管T1-T4的导通和关断，能够有效地抑制任意时刻的电压尖峰，同时还能避免使用平滑电容器，简化电路结构的同时，提高电路的可靠性。
参见图6所示，电路系统50还包括电容电路55和滤波电容C2。滤波电容 C2并联在电源模块30和整流电路51之间。具体地，滤波电容C2设置为容值设置为大于1uF的非安规电容，具有较小的体积。电容电路55电连接在整流电路 51和驱动电路52之间。具体而言，电容电路55包括电容C1、电压比较器A和第二开关元件。其中，第二开关元件设置为功率开关管K1。电容C1的一端电连接至整流电路51的输出端的正极，电容C1的另一端电连接至功率开关管K1 的漏极。功率开关管K1的源极电连接至整流电路51的输出端的负极。电压比较器A的第一输入端与整流电路51的输出端的正极相连，电压比较器A的第二输入端电连接第一电平信号HV，电压比较器A的输出端电连接功率开关管K1 的栅极。具体而言，第一电平信号HV可以理解为第二电压阈值U2。第二电压阈值U2大于第一电压阈值U1。
当角磨1在正常工作时，控制器53通过电压检测电路54检测到的母线电压是小于第二电压阈值U2，如图7中的波形a所示，则功率开关管K1处于断开的状态。当角磨1在刹车过程中，由于刹车能量回馈的问题，母线电压中会出现电压尖峰，如图7中的波形b所示，当母线电压大于或等于第二电压阈值U2时，电压比较器A输出高电平以使功率开关管K1导通。当功率开关管K1导通后，电容C1开始充电。随着电容C1的充电，母线电压逐渐下降至低于第二电压阈值U2。当母线电压低于第二电压阈值U2时，电压比较器A输出低电平以使功率开关管K1关断。
参见图8所示，控制器53电连接功率开关元件K1的栅极用于控制功率开关元件K1的导通和关断。当控制器53输出高电平信号至功率开关元件K1的栅极时，功率开关元件K1导通，母线电压对电容C1进行充电。可以理解，当控制器53选择控制功率开关元件K1的导通和关断状态时，电压比较器A的输出端输出的信号则不能控制功率开关管K1的导通或关断。
在一些实施例中，当控制器53发送定位脉冲至驱动电路52以获取电机转子的初始位置时，控制器53控制功率开关管K1导通，电容C1开始充放电。当定位脉冲发送完毕后，控制器53释放电容控制权。
在一些实施例中，控制器53在输出刹车信号至驱动电路52以实现刹车前，控制功率开关管K1导通，电容C1开始充放电，当刹车结束一定时间后，控制器53释放电容控制权。
在一些实施例中，控制器53被配置为：当电压比较器A控制功率开关管 K1导通时，输出第一控制信号至功率开关管K1以控制功率开关管K1在第一时段内保持导通，并在第一时段结束后停止输出第一控制信号。可以理解，当控制器53在第一时段结束后停止输出第一控制信号时，功率开关管K1的导通或关断的状态由电压比较器A控制。本实施例中，通过上述的设置，能够避免功率开关管K1因频繁导通和关断而损坏，保证电路系统性能的同时，提高功率开关管K1的使用寿命。
在一些实施例中，当控制器53检测到检测到母线电压高于第三电压阈值U3，但未达到第二电压阈值U2时，控制功率开关管K1导通；当控制器53检测到检测到母线电压低于第三电压阈值U3，释放电容控制权。
在一些实施例中，当控制器53检测到母线正向电流大于第二电流阈值，控制功率开关管K1导通；当控制器53检测到母线正向电流小于第三电流阈值时，释放电容控制权。
在一些实施例中，当控制器53检测到母线负向电流大于第四电流阈值时，控制功率开关管K1导通；当控制器53检测到母线负向电流小于第五电流阈值时，释放电容控制权。
在一些实施例中，参见图9所示，电路系统50还包括保护电路57。保护电路57与整流电路51电连接，用于实现对整流电路51的保护。保护电路57包括两个开关元件。具体地，开关元件设置为三极管K2和三极管K3。功率开关管T1 的栅极和功率开关管T4的栅极电连接三极管K2的基极，同时电连接三级管K3 的集电极。功率开关管T2的栅极和功率开关管T3的栅极电连接三极管K3的基极，同时电连接三级管K2的集电极。可以理解，当控制器53控制功率开关管 T1和功率开关管T4导通时，三级管K2由于基极电压大于发射极电压二导通，三极管K2的集电极电连接至接地信号，从而保证电连接至三极管K2的集电极的开关功率管T2和T3处于关断状态。类似的，当控制器53控制功率开关管T2 和功率开关管T3导通时，三级管K3由于基极电压大于发射极电压二导通，三极管K2的集电极电连接至接地信号，从而保证电连接至三极管K2的集电极的开关功率管T1和T4处于关断状态。
通过上述的保护电路57，能够保证整流电路51中的功率开关管T1和功率开关管T4导通时，功率开关管T2和功率开关管T3处于关断的状态；反之，功率开关管T2和功率开关管T3导通时，功率开关管T1和功率开关管T4处于关断的状态。需要说明的是，本领域技术人员可以对保护电路57的具体电路结构进行设计，上述的电路只是作为示例性的介绍，并不能作为对本发明的限制。
在一些实施例中，参见图10所示，电路系统50还包括相电压检测电路58。相电压检测电路58分别与无刷电机40的绕组A、绕组B以及绕组C电连接，用于获取无刷电机40的相电压。角磨1在正常工作过程中，母线电压为脉动直流电，最低点可以很小，达到10V以下甚至0V，最高点可以达到接近400V。为了提高检测无刷电机40的相电压的精度，采用如图10所示的相电压检测电路58。以其中一相为例，相电压检测电路58包括电阻R1、电阻R2以及电阻R4。其中电阻R4与控制器53电连接，电阻R1的一端与无刷电机40的一相相连，电阻 R1的另一端与电阻R2的一端相连，电阻R2的另一端与接地信号相连。相电压检测电路58还包括开关元件K4和电阻R3。开关元件K4和电阻R3串联后与电阻R2并联。控制器53与开关元件K4的一端相连以控制开关元件K4的导通和关断。
具体地，当控制器53通过电压检测电路54获取到母线电压大于或等于第四电压阈值时，则控制开关元件K4闭合，电阻R3与电阻R2并联，此时降低了分压电阻的阻值，可以检测更大范围的电压；当控制器53通过电压检测电路54 获取到母线电压小于或等于第五电压阈值时，控制器53控制开关元件K4断开，此时电阻R2作为分压电阻，可以提高在相电压较低时的电压检测精度。
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 (17)

1.一种电动工具，包括
壳体；
马达，容纳于所述壳体内；
驱动电路，与所述马达电连接；
控制器，输出控制信号至所述驱动电路以驱动所述马达运行；
整流电路，用于对接入的外部交流电进行整流；
电容电路，并联于所述整流电路的输出端的正负极之间；
其特征在于，
所述整流电路包括多个第一开关元件；
所述电容电路包括电容和第二开关元件，所述电容和所述第二开关元件串联连接；所述控制器与所述第一开关元件电连接以控制所述第一开关元件的导通和关断。
2.根据权利要求1所述的电动工具，其特征在于，
所述电动工具还包括与所述控制器电连接的电压检测电路，用于实时检测母线电压。
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：通过所述电压检测电路获取所述母线电压，当所述母线电压大于或等于第一电压阈值时，控制当前处于导通状态的二极管所对应的所述第一开关元件导通，并在所述二极管的导通状态结束时，控制对应的所述第一开关元件关断。
4.根据权利要求3所述的电动工具，其特征在于，
所述电容电路还包括电压比较器，所述电压比较器的第一输入端接入所述母线电压，所述电压比较器的第二输入端接入第二电压阈值，所述电压比较器的输出端与所述第二开元元件电连接以控制所述第二开关元件的导通和关断。
5.根据权利要求4所述的电动工具，其特征在于，
当所述母线电压大于或等于所述第二电压阈值时，所述电压比较器控制所述第二开关元件导通以使所述母线电压对所述电容进行充电。
6.根据权利要求5所述的电动工具，其特征在于，
所述第一电压阈值小于所述第二电压阈值。
7.根据权利要求6所述的电动工具，其特征在于，
所述控制器与所述第二开关元件电连接，用于控制所述第二开关元件的导通和关断。
8.根据权利要求7所述的电动工具，其特征在于，
所述控制器被配置为：当所述电压比较器控制所述第二开关元件导通时，输出第一控制信号至所述第二开关元件以控制所述第二开关元件在第一时段内保持导通，并在所述第一时段结束后停止输出第一控制信号。
9.根据权利要求1所述的电动工具，其特征在于，
所述电动工具还包括与所述控制器电连接的电流检测电路，所述电流检测电路用于获取母线负向电流。
10.根据权利要求9所述的电动工具，其特征在于，
所述控制器被配置为：通过所述电流检测电路获取所述母线负向电流，当所述母线负向电流大于或等于第一电流阈值时，控制所述第一开关元件关断。
11.根据权利要求1所述的电动工具，其特征在于，
所述第一开关元件和所述第二开关元件设置为功率开关管。
12.根据权利要求1所述的电动工具，其特征在于，
所述电动工具还包括滤波电容，所述滤波电容并联在所述整流电路的输入端，用于对外部交流电进行滤波；所述滤波电容的容值设置为大于1uF。
13.一种电动工具，包括：
壳体；
马达，容纳于所述壳体内；
驱动电路，与所述马达电连接；
控制器，输出控制信号至所述驱动电路以驱动所述马达运行；
整流电路，用于对接入的外部交流电进行整流；
电容电路，并联于所述整流电路的输出端的正负极之间；所述电容电路包括电容和第二开关元件，所述电容和所述第二开关元件串联连接；
其特征在于，
所述电容电路还包括电压比较器，所述电压比较器的输出端电连接至所述第二开关元件，用于控制所述第二开关元件的导通和关断；
所述控制器电连接至所述第二开关元件，用于控制所述第二开关元件的导通和关断。
14.根据权利要求13所述的电动工具，其特征在于，
所述控制器被配置为：当所述电压比较器控制所述第二开关元件导通时，输出第一控制信号至所述第二开关元件以控制所述第二开关元件在第一时段内保持导通，并在所述第一时段结束后停止输出第一控制信号。
15.根据权利要求13所述的电动工具，其特征在于，
所述电动工具还包括与所述控制器电连接的电流检测电路，所述电流检测电路用于获取母线负向电流。
16.根据权利要求15所述的电动工具，其特征在于，
所述控制器被配置为：通过所述电流检测电路实时获取所述母线负向电流，当所述母线负向电流大于第四电流阈值时，输出第一控制信号至所述第二开关元件以使所述第二开关元件导通；当所述母线负向电流小于第五电流阈值时，停止输出所述第一控制信号。
17.根据权利要求13所述的电动工具，其特征在于，
所述整流电路包括多个第一开关元件，所述控制器电连接至所述第一开关元件以控制所述第一开关元件的导通和关断。
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