CN117439448A - 电动工具 - Google Patents

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陆文静
许彦卿
李光
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Abstract

本申请公开了一种电动工具，包括：马达，包括转子和多相定子绕组；控制电路，用于控制马达的工作状态；控制电路包括：驱动电路，包括多个开关元件；控制器，至少与驱动电路电连接，能输出控制信号以改变驱动电路中的开关元件的导通状态；参数检测模块，用于检测马达的工作参数；其中，控制器响应于制动信号，根据预设参数和工作参数设置控制电路的输入参数，以控制马达的输出功率和/或马达的输出转矩，从而控制马达制动。

Description

电动工具
技术领域
本申请涉及工具设备刹车领域，具体涉及一种电动工具。
背景技术
采用永磁同步电机的工具，在工具刹车时，电机一般会产生较大的电压尖峰或者反向母线电流，若超过母线电容或驱动管的耐压会损坏器件。此外，反向母线电流对电源存在一定冲击，导致电源无法工作。常用的处理是在母线电容两端并联大电阻，刹车时电流经泄放电阻消耗，此方法需要额外的泄放电阻和控制电路，增加了一定成本和空间。
发明内容
为解决现有技术的不足，本申请的目的在于提供一种安全快速刹车的电动工具。
为了实现上述目标，本申请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，能输出控制信号以改变所述驱动电路中的所述开关元件的导通状态；参数检测模块，用于检测所述马达的工作参数；其中，所述控制器响应于制动信号，根据预设参数和所述工作参数设置所述控制电路的输入参数，以控制所述马达的输出功率和/或所述马达的输出转矩，从而控制所述马达制动。
在一个实施例中，所述控制电路为FOC控制电路。
在一个实施例中，所述预设参数包括所述控制电路或者所述马达所能承受的最大电流和/或最大电压；所述工作参数包括母线电压和/或者母线电流和/或马达转速。
在一个实施例中，所述控制电路的输入参数包括直轴输入参数和交轴输入参数；所述直轴输入参数和所述交轴输入参数均取值为负值。
在一个实施例中，所述直轴输入参数与交轴输入参数的平方和等于所述预设电流的平方。
在一个实施例中，所述马达的刹车时间小于等于3s。
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，能输出控制信号以改变所述驱动电路中的所述开关元件的导通状态；参数检测模块，用于检测所述马达的工作参数；其中，所述控制器响应于制动信号，调整所述控制电路的输入参数以控制所述马达的输出功率和/或所述马达的输出转矩，从而控制所述马达制动。
在一个实施例中，所述控制电路为FOC控制电路。
在一个实施例中，所述马达的刹车时间小于等于3s。
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，能输出控制信号以改变所述驱动电路中的所述开关元件的导通状态；参数检测模块，用于检测所述马达的工作参数；其中，所述控制电路至少包括：电流环电路，能基于预设电流参数和所述马达反馈的电流参数控制所述马达进行电流控制；速度环电路，能基于预设速度参数和所述马达反馈的转速参数确定所述预设电流参数；所述控制器，能响应于制动信号调整所述预设电流参数，以控制所述马达的输出功率和/或所述马达的输出转矩，从而控制所述马达制动。
本申请的有益之处在于：无需增加额外的电子元件即可安全快速刹车的电动工具。
附图说明
图1是本申请施例中电动工具的结构示意图；
图2是本申请施例中电动工具的控制系统的电路图；
图3是本申请施例中电动工具的FOC控制系统的电路图；
图4a是现有技术马达制动过程中马达转速和电流的变化示意图；
图4b和图4c是本申请实施例马达制动过程中马达转速和电流的变化示意图；
图5a是现有技术马达制动过程中母线电流和母线电压的变化示意图；
图5b是本申请实施例马达制动过程中母线电流和母线电压的变化示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本申请作具体的介绍。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本申请，而非对本申请的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本申请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申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本申请说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例，不是旨在于限制本申请。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。
本申请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、园林类电动工具等等。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申请的保护范围内。本申请以电钻为例进行说明，其他类型的电动工具不再一一介绍。
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关机或刹车。
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、以及参数检测模块113。其中，控制电路110能够控制马达11的工作状态，例如能够控制马达11的启动、刹车、转动速度、转动方向、输出扭矩、输出功率等。
在一个实施方式中，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。在一个实施例中，马达11为有感BLDC。在本实施例中，马达11可以是内转子马达也可以是外转子马达，马达11的三相定子绕组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。
如图2所示，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。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，从而改变马达11的工作状态。
参数检测模块113，能够检测马达11的工作参数，例如能检测马达11的工作电流、工作电压、转子位置或者马达温度等等。参数检测模块113可以是多个检测单元的集合，也可以是一个具备多种检测功能的检测单元。本实施例对参数检测模块113的具体结构或类型不做限制。在本实施例中，参数检测模块113能将检测到的参数输出至控制器112，以便控制器112能够根据马达11的工作参数调整马达11的工作状态。
在本实施例中，用户可以通过触发操作开关13产生刹车信号。控制器112能够响应于刹车信号，而改变控制电路110的输入参数，从而改变马达11中的磁场强度，例如改变转子和/或定子磁场的强度，进而实现马达11的制动。其中，控制电路110的输入参数可以是能够影响马达11转动状态的由用户预先设置的参数。在本实施例中，马达11正常工作时控制电路110的输入参数与马达11刹车过程中控制电路110的输入参数不同。示例性的，马达11正常工作过程中，控制电路110的输入参数可以是预设设置好的固定参数或者是按照预设规律变化的参数；而在马达11刹车时以及刹车过程中，输入参数可以是另一种设定好的固定参数，或者是能随马达11刹车时的工作参数而变化的参数。
通过在马达110刹车时，改变控制电路110的输入参数，通过改变马达11中磁场的强度即可将马达11刹车时产生的电流通过马达绕组消耗掉，且不会产生反向充电电流。无需增加消耗刹车电流的元件，即可实现刹车控制。
在一个实施例中，控制电路110可以是FOC控制电路。参考图3，FOC控制电路至少可以包括电流环电路，速度环电路，当然还可以包括位置环电路。上述三种闭环控制电路是构成FOC控制电路的基本电路，本实施例对FOC控制电路不做详细介绍。简单而言，电流环电路包括交轴（即q轴）和直轴（d轴）两个环路，每个环路具有两个输入参数，一个是预先设置好的电流参数i q *和i d *，一个是参数检测模块113采集的马达11的电流参数i q 和i d 。速度环电路能影响电流环电路的输入参数。也就是说，速度环电路是在电流环电路的前面增加一个PI环，以根据预设速度参数和马达实际的转速参数得到电流环电路中的一个输入参数即i q *和i d *。从而，电流环电路和速度环电路能够组成速度电流双闭环控制。实际上，如图3中参数检测模块113（未示出）具体包括速度和位置估算模块，能估算或者直接检测马达11的转速或者转子位置，采样电阻（未示出）能够直接采集马达11的相电流，采集后的相电流Clark变换和Park变换后得到电流参数i q 和i d 。
一般而言，马达11正常工作过程中，电流环电路中的预设电流参数i q *是一个预设的正值电流参数，而由于直轴电流对驱动马达的转动不产生输出力，所以通常i d *设置为零。在马达11刹车过程中，可以通过控制马达三相绕组短接进行刹车，而传统三相短接刹车时存在母线电压较大，母线电流反向回流等问题，若超过母线电容或控制电路功率元件的耐压值则易损坏器件，同时反向电流也会导致交流适配器无法工作。
为解决上述问题，控制器112可以对控制电路110的输入参数进行调控。在一个实施例中，控制器112至少可以对电流环电路的输入参数即预设电流参数进行控制，以控制马达11的输出功率损耗和/或输出转矩，实现功率可控的刹车控制。
在一个实施例中，控制器112可以响应于刹车信号，根据预设参数和马达11实时的工作参数设置控制电路110的输入参数。在一个实施例中，预设参数可以是控制电路110中的电子元件所能承受的最大电流和/或最大电压，也可以是马达11所能承受的最大电流和/或最大电压，也可以是不超过控制电路或马达最大承受电压的适配电流和电压。总之，预设参数是不超过电动工具控制系统所能承受的最大电流和/或最大电压，不低于正常运行时的工作电压和工作电流范围内的任意值。在一个实施例中，马达的工作参数主要包括控制电路中的母线电压Udc和/或者母线电流Idc和/或马达转速Wr。在本实施例中，控制器112可以根据上述预设参数和马达工作参数改变i q *和i d *的数值。在一个实施例中，i q *和i d *均为负值。在一个实施例中，控制器112可以控制原速度环电路断开，并将重新确定的输入参数i q *和i d *输入至电流环电路中。在一个实施例中，控制器112断开原速度环的控制方式可以通过软件控制实现。
在本实施例中，通过控制电流环电路的输入参数i q *和i d *可以影响控制电路100中的母线电流或母线电压，达到了控制马达的输出转矩或者输出功率的目的，从而可以保证刹车电流能在马达绕组中消耗掉而不会使刹车电流反反馈至电源。
在一个实施例中，控制器112可以根据预设参数中的马达转速精确控制FOC控制电路中交轴和直轴的输入参数i q *和i d *。在本实施例中，通过设置取值为负的i q *可以产生负的电磁转矩，从而使马达制动；通过设置取值为负的i d *可以削弱绕组的磁场，同时增大绕组电流，增加铜损，能够在马达制动过程中保证刹车电流不会回流至电源。
在本实施例中，控制器112还可以根据预设参数中的最大电流Imax改变马达的刹车时间。例如，所设置的最大电流Imax越大，刹车时间越短，反之越长。为了获得合适的刹车时间，可以根据工具的具体使用工况设置不同的最大电流。在一个实施例中，电动工具可以具有多种工况，不同工况对应不同的最大电流，从而具有不同的刹车时间。控制器可以根据工具所处的工况选择对应的最大电流，从而自适应改变马达的刹车时间。
在一个实施例中，图4a示出了采用三相短接马达绕组制动过程中马达转速和电流的变化，图4b和图4c示出了采用本申请实施例保护的技术方案控制马达制动过程中马达转速和电流的变化。图5a示出了采用三相短接马达绕组制动过程中，母线电流和母线电压的变化，图5b示出了采用本申请实施例保护的技术方案控制马达制动过程中，母线电流和母线电压的变化。对比图4a至图5b可知，现有技术通过降低刹车电流进行制动时，刹车时间较长，且在刹车过程中，存在较大的母线电压尖峰和反向母线电流尖峰；而采用本方案进行马达刹车过程中，通过设置最大电流Imax，控制电流环电路的输入参数，进而控制马达11输出能量的损耗以制动马达，马达刹车耗时较短，且最大电流值越大，马达刹车减速越快，马达制动时间越短。通过设置最大电压Umax，控制母线电压不超过设置电压，使得刹车过程中不存在母线电压尖峰和反向母线电流尖峰。
以上显示和描述了本申请的基本原理、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申请，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本申请的保护范围内。

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，能输出控制信号以改变所述驱动电路中的所述开关元件的导通状态；
参数检测模块，用于检测所述马达的工作参数；
其特征在于，
所述控制器响应于制动信号，根据预设参数和所述工作参数设置所述控制电路的输入参数，以控制所述马达的输出功率和/或所述马达的输出转矩，从而控制所述马达制动。
2.根据权利要求1所述的电动工具，其特征在于，
所述控制电路为FOC控制电路。
3.根据权利要求1所述的电动工具，其特征在于，
所述预设参数包括所述控制电路或者所述马达所能承受的最大电流和/或最大电压；
所述工作参数包括母线电压和/或者母线电流和/或马达转速。
4.根据权利要求2所述的电动工具，其特征在于，
所述控制电路的输入参数包括直轴输入参数和交轴输入参数；
所述直轴输入参数和所述交轴输入参数均取值为负值。
5.根据权利要求4所述的电动工具，其特征在于，
所述直轴输入参数与交轴输入参数的平方和等于所述预设电流的平方。
6.根据权利要求1所述的电动工具，其特征在于，
所述马达的刹车时间小于等于3s。
7.一种电动工具，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，能输出控制信号以改变所述驱动电路中的所述开关元件的导通状态；
参数检测模块，用于检测所述马达的工作参数；
其特征在于，
所述控制器响应于制动信号，调整所述控制电路的输入参数以控制所述马达的输出功率和/或所述马达的输出转矩，从而控制所述马达制动。
8.根据权利要求7所述的电动工具，其特征在于，
所述控制电路为FOC控制电路。
9.根据权利要求7所述的电动工具，其特征在于，
所述马达的刹车时间小于等于3s。
10.一种电动工具，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，能输出控制信号以改变所述驱动电路中的所述开关元件的导通状态；
参数检测模块，用于检测所述马达的工作参数；
其特征在于，
所述控制电路至少包括：
电流环电路，能基于预设电流参数和所述马达反馈的电流参数控制所述马达进行电流控制；
速度环电路，能基于预设速度参数和所述马达反馈的转速参数确定所述预设电流参数；
所述控制器，能响应于制动信号调整所述预设电流参数，以控制所述马达的输出功率和/或所述马达的输出转矩，从而控制所述马达制动。
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