CN117526779A - 包括基于电流的弱磁功能的动力工具 - Google Patents

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CN117526779A CN202310975404.1A CN202310975404A CN117526779A CN 117526779 A CN117526779 A CN 117526779A CN 202310975404 A CN202310975404 A CN 202310975404A CN 117526779 A CN117526779 A CN 117526779A
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Abstract

一种动力工具包括无刷电机、电源开关电路、电流传感器以及电子控制器。电源开关电路将电力供应提供到无刷电机。电流传感器被配置为感测无刷电机的电流。电子控制器被配置为：接收指示无刷电机的电流的第一信号，生成电流命令，基于电流命令设置无刷电机的导通角，向无刷电机供应具有一定占空比的PWM信号以增大无刷电机的电流，确定占空比是否等于第一阈值，将占空比维持在第一阈值，修改导通角以增大无刷DC电机的电流，确定电流是否等于第二阈值，以及控制第二导通角以将电流维持在第二阈值。

Description

包括基于电流的弱磁功能的动力工具
相关申请的交叉引用
本申请要求于2022年8月4日提交的美国临时专利申请号63/370，405的权益，该美国临时专利申请的全部内容通过援引特此并入。
技术领域
本文描述的实施例涉及控制动力工具。
发明内容
本文描述的动力工具包括壳体、无刷直流(“DC”)电机、电源开关电路、电流传感器以及电子控制器。该无刷DC电机位于该壳体内。电源开关电路将电力供应从电池包提供到无刷DC电机。电流传感器感测无刷DC电机的电流。电子控制器连接到无刷DC电机、电源开关电路和电流传感器。电子控制器被配置为：经由电流传感器接收指示无刷DC电机的电流的第一信号，基于无刷DC电机的特性生成电流命令，以及基于电流命令设置无刷DC电机的导通角。电子控制器进一步被配置为：向无刷DC电机供应具有一定占空比的脉宽调制(“PWM”)信号以增大无刷DC电机的电流；确定PWM信号的占空比是否等于第一阈值；响应于占空比等于第一阈值，将占空比维持在第一阈值；修改导通角以增大无刷DC电机的电流；确定电流命令是否等于第二阈值；以及响应于电流命令等于第二阈值，控制导通角以将电流命令维持在第二阈值。
在一些方面，电子控制器进一步被配置为：确定导通角是否等于第三阈值；以及响应于导通角等于第三阈值，将导通角维持在第三阈值。电子控制器还被配置为：确定导通角是否等于第四阈值；以及响应于导通角等于第四阈值，向无刷DC电机供应具有第二占空比的第二PWM信号以控制无刷DC电机的电流。
在一些方面，第一阈值是PWM信号的100％占空比。
在一些方面，为了将占空比维持在第一阈值，电子控制器进一步被配置为控制PWM信号保持在100％占空比。
在一些方面，第二阈值是最大电流命令。
在一些方面，电子控制器进一步被配置为：接收来自电流传感器电流反馈信号；以及基于电流反馈信号确定要施加到无刷DC电机的PWM信号的第一变化。
在一些方面，电子控制器进一步被配置为基于电流反馈信号确定要施加到无刷DC电机的导通角的第二变化。
本文描述的方法提供对包括电子控制器的动力工具的控制。该方法包括：经由电流传感器接收指示无刷DC电机的电流的第一信号，基于无刷DC电机的特性生成电流命令，基于电流命令设置无刷DC电机的导通角，以及向无刷DC电机供应具有一定占空比的脉宽调制(“PWM”)信号以控制无刷DC电机的电流。该方法还包括：确定PWM信号的占空比是否等于第一阈值；响应于占空比等于第一阈值，将占空比维持在第一阈值；修改导通角以增大无刷DC电机的电流；确定电流命令是否等于第二阈值；以及响应于电流命令等于第二阈值，控制导通角以将电流命令维持在第二阈值。
在一些方面，本文描述的方法进一步包括：确定导通角是否等于第三阈值；响应于导通角等于第三阈值，将导通角维持在第三阈值；确定导通角是否等于第四阈值；以及响应于导通角等于第四阈值，向无刷DC电机供应具有第二占空比的第二PWM信号以控制无刷DC电机的电流。
在一些方面，第一阈值是PWM信号的100％占空比。
在一些方面，将占空比维持在第一阈值包括控制PWM信号保持在100％占空比。
在一些方面，第二阈值是最大电流命令。
在一些方面，本文描述的方法进一步包括：接收来自电流传感器电流反馈信号；以及基于电流反馈信号确定要施加到无刷DC电机的PWM信号的第一变化。
在一些方面，本文描述的方法进一步包括基于电流反馈信号确定要施加到无刷DC电机的导通角的第二变化。
本文描述的动力工具包括：壳体、壳体内的无刷直流(DC)电机、触发器、将电力供应从电池包提供到无刷DC电机的电源开关电路、被配置为感测总线电压的电压传感器、被配置为感测无刷DC电机的电流的电流传感器、以及电子控制器，该电子控制器连接到触发器、无刷DC电机、电压传感器和电流传感器。电子控制器被配置为：响应于触发器的致动，根据第一电流限制值向无刷DC电机提供电力；经由电流传感器接收指示无刷DC电机的电流的第一信号；经由电压传感器接收指示电源开关电路的电压的第二信号；基于无刷DC电机的特性生成电流命令；以及基于电流命令设置无刷DC电机的导通角。电子控制器还被配置为：向无刷DC电机供应具有一定占空比的脉宽调制(“PWM”)信号以控制无刷DC电机的电流；确定电源开关电路的电压是否大于或等于电压阈值；确定PWM信号的占空比是否等于第一阈值；响应于电源开关电路的电压小于或等于电压阈值，将第一电流限制值调整为第二电流限制值；以及响应于占空比等于第一阈值，将占空比维持在第一阈值。电子控制器还被配置为：修改导通角以增大无刷DC电机的电流；确定电流命令是否等于第二阈值；以及响应于电流命令等于第二阈值，控制导通角以将电流维持在第二阈值。
在一些方面，第一电流限制值是允许从电源开关电路得到的最大电流汲取量。
在一些方面，第二电流限制值小于第一电流限制值。
在一些方面，电子控制器进一步被配置为：确定无刷DC电机的速度；基于无刷DC电机的速度和速度命令信号确定要提供给无刷DC电机的电流值；以及提供电流值以驱动无刷DC电机。
在一些方面，电子控制器进一步被配置为：响应于电源开关电路的电压大于电压阈值，确定电流值是否等于第一电流限制值；以及响应于电流值不等于第一电流限制值，将第一电流限制值调整为第三电流限制值。
在一些方面，该第三电流限制值大于该第二电流限制值。
在详细解释任何实施例之前，应当理解的是，实施例并不限于应用于以下描述中阐述的或在附图中展示的部件的配置和布置细节。实施例能够以各种方式来实践或实施。此外要理解的是，本文使用的措辞和术语是出于说明的目的，而不应被视为是限制性的。“包括(including)”、“包括(comprising)”或“具有”及其变型的使用意指涵盖其后列出的项及其等同物、以及附加项。除非另有说明或限制，否则术语“安装”、“连接”、“支撑”和“耦接”、及其变型被广泛使用，并且涵盖直接安装、连接、支撑和耦接以及间接安装、连接、支撑和耦接两种情况。
除非其用法的上下文明确指示，否则冠词“一(a、an)”和“该(the)”不应解释为是指“一个”或“仅一个”。而是，这些冠词应解释为是指“至少一个”或“一个或多个”。同样，当术语“该”或“所述”用于指代前面由不定冠词“一(a或an)”介绍的名词时，除非用法另外明确指示，否则“该”和“所述”是指“至少一个”或“一个或多个”。
另外，应当理解，实施例可以包括硬件、软件和电子部件或模块，为了讨论的目的，这些部件或模块可以被展示和描述为好像大多数部件仅在硬件中实施。然而，本领域的普通技术人员基于对这个详细描述的阅读将认识到，在至少一个实施例中，基于电子的方面可以在可由一个或多个处理单元(比如微处理器和/或专用集成电路(“ASIC”))执行的软件(例如，存储在非暂态计算机可读介质上)中实施。这样，应当注意，可以利用多个基于硬件和软件的设备以及多个不同的结构部件来实施实施例。例如，说明书中描述的“服务器”、“计算设备”、“控制器”、“处理器”等可以包括一个或多个处理单元、一个或多个计算机可读介质模块、一个或多个输入/输出接口、以及连接部件的不同连接件(例如，系统总线)。
结合量或条件使用的相对术语，比如“约”、“大约”、“基本上”等，将被本领域普通技术人员理解为包含所述的值并且具有由上下文所规定的含义(例如，术语至少包括与测量准确度相关联的误差程度、与特定值相关联的公差[例如，制造、组装、使用等]等)。这样的术语还应当被视为披露了由两个端点的绝对值定义的范围。例如，表述“约2到约4”也披露了范围“2到4”。相对术语可以指加或减所指示的值的百分比(例如，1％、5％、10％)。
应当理解，虽然某些附图展示了位于特定设备内的硬件和软件，但是这些描绘仅出于说明的目的。本文中描述为由一个部件执行的功能可以由多个部件以分布式方式执行。同样，由多个部件执行的功能可以由单一部件合并和执行。在一些实施例中，所展示的部件可以组合或划分成单独的软件、固件和/或硬件。例如，逻辑和处理可以分布在多个电子处理器之间，而不是位于单一电子处理器内并由其执行。无论硬件部件和软件部件如何组合或划分，硬件部件和软件部件都可以位于同一计算设备上或者可以分布在通过一个或多个网络或其他合适的通信链路连接的不同计算设备之间。类似地，被描述为执行特定功能的部件也可以执行本文未描述的附加功能。例如，以某种方式“配置”的设备或结构至少以该方式被配置，但是也可以以未明确列出的方式被配置。
因此，在权利要求中，如果一种装置、方法或系统被声明为例如包括控制器、控制单元、电子处理器、计算设备、逻辑元件、模块、存储器模块、通信信道或网络、或其他元件，这些元件以某种方式配置，例如以便用于执行多种功能，则权利要求或权利要求元件应被解释为意指一个或多个这样的元件，其中，这一个或多个元件中的任何一个如所声明地那样配置，例如以实现所列举的多种功能中的任何一种或多种，使得该一个或多个元件作为一组共同执行多种功能。
通过考虑详细描述和附图，这些实施例的其他方面将变得清楚。
附图说明
图1展示了根据本文描述的实施例的动力工具。
图2是根据本文描述的实施例的图1的动力工具的框图。
图3展示了根据本文描述的实施例的无线通信控制器的框图。
图4展示了根据本文描述的实施例的用于图1的动力工具的通信系统。
图5展示了根据本文描述的实施例的由图2的控制器执行的基于电流的弱磁技术的框图。
图6是示出了根据本文描述的实施例的无刷电机的换向的曲线图。
图7是展示了根据本文描述的实施例的用于图1的动力工具中的基于电流的控制的曲线图。
图8A和图8B展示了根据本文描述的实施例的用于实施基于电流的弱磁的方法的流程图。
图9A至图9L是展示了根据本文描述的实施例的基于图8A和图8B的基于电流的弱磁的在扭矩与其他参数之间的关系的曲线图。
图10展示了(比如在图1的动力工具中)包括有传感器电机控制的动力工具的框图。
图11A和图11B展示了并入图1的动力工具中的无刷直流电机的传感器板。
图12展示了根据本文描述的实施例的在不同电量状态下的多种电池包类型的功率与电流曲线的曲线图。
图13展示了根据本文描述的实施例的在不同电量状态下的多种电池包类型的功率与电压曲线的曲线图。
图14展示了根据本文描述的实施例的由图2的控制器执行的另一方法的框图。
图15A和图15B展示了具有静态电流限制和动态电流限制的第一电池包的多个特性的图。
图16A和图16B展示了具有静态电流限制和动态电流限制的第二电池包的多个特性的图。
图17A和图17B是展示了根据本文描述的实施例的基于图8A和图8B的基于电流的弱磁的在电池包的直流内阻(“DCIR”)与其他参数之间的关系的曲线图。
图18A、图18B和图18C是展示了根据本文描述的实施例的基于图8A和图8B的基于电流的弱磁的在电池包的DCIR与扭矩之间的关系的曲线图。
具体实施方式
本文描述的实施例涉及一种动力工具，该动力工具被配置为实施基于电流的弱磁控制以增加动力工具操作的速度和能量。基于电流的弱磁允许动力工具在操作期间产生更大的电流和扭矩，而无需增加控制信号的电压和脉宽调制。基于电流的弱磁增大电机在操作期间在电压方向上的电流，以调整电机从电源接收的电力。例如，基于电流的弱磁通过增大控制信号的脉宽调制占空比来增大电机的电流。当脉宽调制最大化时，基于电流的弱磁会增大导通角。弱磁算法可以使用有传感器电机控制或无传感器电机控制来完成。基于电流的弱磁在动力工具操作期间由动力工具实施。基于电流的弱磁通过以最低可能电流产生最高可用扭矩来优化动力工具的效率。基于电流的弱磁中的导通角自动收敛到一个值而无需手动调节，并根据电源(例如，电池包)、逆变器、电机和其他机械特性的变化进行自我调整。弱磁算法将电流限制控制与弱磁控制相结合，以降低处理要求和功率。在一些弱磁技术(比如使用场定向控制的弱磁技术)中，需要强大的处理能力来实施类似的电流限制和弱磁原理，以便实现类似的电机速度和效率。基于电流的弱磁降低了处理要求(例如，与场定向控制相比)，同时优化了效率并增大了电机产生的扭矩。
在一些实施例中，基于电流的弱磁包括电源电压控制。弱磁算法控制电源的电压以限制电流并调整电源供应的电力。在一些实施例中，弱磁算法用于控制从电源的栅极驱动器供应的电压。弱磁算法被实施为电源的电流限制器，其中，直接操纵电源电流允许改善来自动力工具电机的输出扭矩控制和电源的电压控制。弱磁算法提供了更多电力来克服更大负载条件。
图1展示了根据一些实施例的示例动力工具100。动力工具100包括壳体105、电源接口110、驱动器115(例如，夹头或钻头固持器)、电机壳体120、触发器125以及手柄130。电机壳体120容纳电机215(参见图2)。纵向轴线135从驱动器115延伸穿过电机壳体120的后部。在操作中，驱动器115绕纵向轴线135旋转。纵向轴线135可以与手柄130大致垂直。虽然图1展示了具有旋转输出的特定动力工具100，但是将设想，本文描述的弱磁方法可以与多种类型的动力工具一起使用，比如钻头、驱动器、电动螺丝刀、电动棘轮、研磨机、直角钻头、旋转锤、管材螺纹加工机、圆锯、台锯或经历绕轴线的旋转的另一种类型的动力工具。在一些实施例中，动力工具100是经历平移运动的动力工具，比如往复锯、链锯、长柄锯、切割锯、模具研磨机等。虽然本文描述的实施例主要涉及在具有旋转输出的动力工具中实施弱磁，但是在一些实施例中，弱磁算法在具有平移或其他输出的动力工具中实施。
图2展示了包括控制器200的无刷动力工具100的机电图。控制器200电气地和/或通信地连接到动力工具100的各个模块或部件。例如，所展示的控制器200连接到电源205、开关桥210、电机215、霍尔效应传感器220(也称为霍尔传感器)、一个或多个电流传感器225、用户输入装置230(例如，触发器125)、其他部件235(例如，电池包电量计、工作灯[例如，LED]、电流/电压传感器等)、一个或多个指示器240(例如，LED)、以及被配置为与外部设备250(例如，智能电话、平板计算机、膝上型计算机等)通信的无线通信控制器245(例如，收发器)。无线通信控制器245及其与外部设备250的通信在例如2017年8月31日公开的名称为“POWER TOOL INCLUDING AN OUTPUT POSITION SENSOR[包括输出位置传感器的动力工具]”的美国专利申请公开号2017/0246732中进行了更详细地描述，该专利申请的全部内容通过援引特此并入。
控制器200包括硬件和软件的组合，这些组合尤其能够操作以控制动力工具100的操作、控制提供给电机215的电力等。在一些实施例中，控制器200包括向控制器200和/或电动工具100内的部件和模块提供电力、操作控制和保护的多个电气和电子部件。例如，控制器200尤其包括处理单元255(例如微处理器、微控制器或另一合适的可编程设备)、存储器260、输入单元265和输出单元270。处理单元255尤其包括控制单元275、算术逻辑单元(“ALU”)280和多个寄存器285(在图2中示出为一组寄存器)，并且使用已知的计算机架构(例如，经修改的哈佛架构(Harvard architecture)、冯·诺依曼架构(von Neumannarchitecture)等)来实施。处理单元255、存储器260、输入单元265和输出单元270以及连接到控制器200的各种模块通过一个或多个控制和/或数据总线(例如，公共总线290)连接。出于说明性目的，在图2中大致示出了控制和/或数据总线。在考虑到本文描述的实施例的情况下将一个或多个控制和/或数据总线用于各个模块和部件之间的互连和通信是本领域技术人员已知的。
存储器260是非暂态计算机可读介质，其包括例如程序存储区和数据存储区。程序存储区和数据存储区可以包括不同类型存储器的组合，比如只读存储器(“ROM”)、随机存取存储器(“RAM”)(例如，动态RAM[“DRAM”]、同步DRAM[“SDRAM”]等)、电可擦除可编程只读存储器(“EEPROM”)、闪存、硬盘、SD卡或其他合适的磁存储器设备、光学存储器设备、物理存储器设备或电子存储器设备。处理单元255连接到存储器260并执行软件指令，这些软件指令能够存储在存储器260的RAM(例如，在执行期间)、存储器260的ROM(例如，在通常永久的基础上)或者比如另一存储器或盘等另一非暂态计算机可读介质中。动力工具100的实施方式中包括的软件可以存储在控制器200的存储器260中。该软件包括例如固件、一个或多个应用程序、程序数据、滤波器、规则、一个或多个程序模块以及其他可执行指令。控制器200被配置为从存储器中检索并执行尤其与本文描述的动力工具100的控制相关的指令。在其他构造中，控制器200包括附加的部件、更少的部件或不同的部件。
电源205向动力工具100的各个部件提供DC电力。在一些实施例中，电源205是可再充电的、并且使用例如锂离子电池电芯技术的动力工具电池包。在一些实施例中，电源205可以从耦接到标准壁装电源插座的工具插头接收AC电力(例如，120V/60Hz)，并且接着对所接收的电力进行滤波、调节和整流以输出DC电力。在一些实施例中，动力工具100包括例如通信线路295，该通信线路用于在控制器200与电源205之间提供通信线路或链路。
每个霍尔效应传感器220输出电机反馈信息，比如与电机215的转子的磁体何时旋转越过此霍尔效应传感器220的面相关的指示(例如，脉冲)。基于来自霍尔效应传感器220的电机反馈信息，控制器200能够确定转子的旋转位置、速度和加速度。一个或多个电流传感器225输出关于供应至电机215和/或动力工具100的电流的信息。
动力工具100被配置为以各种模式操作。例如，控制器200从用户输入装置230接收用户控制，比如通过按下触发器125或致动动力工具100的任何其他用户输入装置230来接收用户控制。响应于电机反馈信息和用户控制，电机控制器200生成控制信号以控制开关桥210(例如，FET开关桥)驱动电机215。例如，开关桥210可以包括多个高侧开关元件(例如，FET)和多个低侧开关元件。通过选择性地启用和禁用开关桥210的中的开关，来自电源205的电力被选择性地施加到电机215的定子线圈，以引起电机215的转子的旋转。虽然未明确示出，但是动力工具100的一个或多个电流传感器225和其他部件电耦接到电源205，以使得电源205向这些部件提供电力。
在一些实施例中，控制器200还控制动力工具100的其他方面，例如记录使用数据、与外部设备通信等。在一些实施例中，动力工具100被配置为基于检测到的由电源205供应的电流来控制电机215的操作。例如，在一些实施例中，控制器200被配置为经由一个或多个电流传感器225输出的信息来监测由电源205供应的电流。然后控制器200可以基于检测到的由电源205供应的电流来控制电机215。通过监测电机215和电源205，控制器200可以以最高效率控制电机215，同时在输入电压(例如，电池包电压)和电机速度的整个范围内以最低可能电流实现最高可用扭矩。
在一些实施例中，所提出的动力工具设备中的任一个可以包括耦接到其相应的控制器的无线通信控制器245，该无线通信控制器用于通过无线网络进行通信。图3展示了示例无线通信控制器245。如图3所示，无线通信控制器245包括处理器305、存储器310、天线和收发器315、以及实时时钟(RTC)320。无线通信控制器245使得动力工具设备能够与外部设备250(参见例如图2和图4)通信。无线电天线和收发器315一起操作并向外部设备250和处理器305发送无线消息和从其接收无线消息。存储器310可以存储要由处理器305实施的指令和/或可以存储同动力工具设备与外部设备250之间的通信有关的数据。例如，与无线通信控制器245相关联的处理器305缓冲传入和/或传出的数据、与控制器200通信并且确定在无线通信时要使用的通信协议和/或设置。可以对经由无线通信控制器245的通信进行加密，以保护动力工具设备与外部设备250之间交换的数据不被第三方侵入。
在所展示的实施例中，无线通信控制器245是控制器。/>控制器采用/>协议与外部设备250通信。因此，在所展示的实施例中，外部设备250和动力工具设备在它们交换数据时处于彼此的通信范围内(即，接近彼此)。在其他实施例中，无线通信控制器245通过不同类型的无线网络使用其他协议(例如，Wi-Fi、ZigBee、专有协议等)进行通信。例如，无线通信控制器245可以被配置为通过广域网(比如互联网)或局域网经由Wi-Fi进行通信或者通过微微网(例如，使用红外或NFC通信)进行通信。
在一些实施例中，网络是蜂窝网络，比如全球移动通信系统(“GSM”)网络、通用分组无线电业务(“GPRS”)网络、码分多址(“CDMA”)网络、演进数据优化(“EV-DO”)网络、增强型数据速率GSM演进(“EDGE”)网络、3GSM网络、4GSM网络、4G LTE网络、5G新无线电、数字增强无绳电信(“DECT”)网络、数字AMPS(“IS-136/TDMA”)网络或集成数字增强网络(“iDEN”)网络等。
无线通信控制器245被配置为从控制器200接收数据并且经由天线和收发器315将信息中继到外部设备250。以类似方式，无线通信控制器245被配置为经由天线和收发器315从外部设备250接收信息(例如，配置和编程信息)并将信息中继到控制器200。
图4展示了通信系统400。通信系统400包括至少一个动力工具100以及外部设备250。每个动力工具100以及外部设备250可以在它们处于彼此的通信范围内时进行无线通信。每个动力工具100可以传送动力工具状态、动力工具操作统计数据、动力工具标识、动力工具传感器数据、存储的动力工具使用信息、动力工具维护信息等。
外部设备250是例如智能电话(如所展示的)、膝上型计算机、平板计算机、个人数字助理(PDA)或能够与动力工具100无线通信并提供用户界面的另一种电子设备。外部设备250提供用户界面并且允许用户访问电动工具100并与其交互。外部设备250可以接收用户输入以确定操作参数、启用或禁用特征(比如低功率操作模式)等。外部设备250的用户界面提供了易于使用的界面，以供用户控制和定制动力工具100的操作。因此，外部设备250准许用户访问动力工具100的工具操作数据，并提供用户界面，使得用户可以与动力工具100的控制器200交互。
另外，如图4所示，外部设备250还可以与通过网络415连接的远程服务器425共享从动力工具100获得的工具操作数据。远程服务器425可以用来存储从外部设备250获得的工具操作数据、向用户提供附加功能和服务、或其组合。在一些实施例中，将信息存储在远程服务器425上允许用户访问来自多个不同位置的信息。在一些实施例中，远程服务器425从各个用户收集关于其动力工具的信息并且基于从不同动力工具获得的信息向用户提供统计数据或统计度量。例如，远程服务器425可以提供关于动力工具100的经验效率、动力工具100的典型使用、以及动力工具100的其他相关特性和/或度量的统计数据。网络415可以包括各种联网元件(路由器410、集线器、交换机、蜂窝塔420、有线连接器、无线连接器等)，用于连接到例如互联网、蜂窝数据网络、局部网络或其组合，如先前描述的那样。在一些实施例中，动力工具100被配置为通过附加无线接口或与动力工具100用来同外部设备250通信的同一无线接口与服务器425直接通信。
图5展示了根据一些实施例的由控制器200执行的基于电流的弱磁控制的框图。在图5所示的实施例中，控制器200进一步包括比例积分(“PI”)控制器510和弱磁控制器520(例如，存储在存储器260内)。如前所述，一个或多个电流传感器225感测关于供应至电机215和/或动力工具100的电流的信息。控制器200经由一个或多个电流传感器225接收指示供应至电机215的电流的信号。控制器200生成电流命令505，该电流命令与来自电流传感器225的感测到的电流反馈信号组合并被提供给PI控制器510。基于电流命令505和来自电流传感器225的感测到的电流，PI控制器510生成并向弱磁控制器520提供一个或多个弱磁参考信号515。在一些实施例中，弱磁控制器520确定一个或多个电机控制信号525以提供给处理单元255。例如，一个或多个电机控制信号525可以指示具有一定占空比和/或导通角(例如，以度为单位的导通角)的脉宽调制(“PWM”)信号，以提供给电机215来执行控制操作。基于一个或多个电机控制信号525，处理单元255确定要施加到电机215的例如具有一定占空比和导通角的PWM信号。感测到的电流反馈信号连同随后生成的电流命令505被提供给PI控制器510以发起随后的控制操作。在一些实施例中，随后的弱磁操作包括施加到电机215的PWM信号的第一变化。在一些实施例中，当使用导通角来增大施加到电机215的电流时，控制器200经由一个或多个电流传感器225接收指示在控制操作期间由电机215供应的电流的感测到的电流反馈信号。电流反馈信号连同随后生成的电流命令505再次被提供给PI控制器510以发起随后的控制操作。在一些实施例中，随后的弱磁操作包括施加到电机215的导通角的第一变化(例如，导通角的增大)。
在一些实施例中，可以改变电机215的导通角以增大导通角。通常，施加到BLDC电机(例如，电机215)的导通角被设置为默认值(例如，大约105°、大约120°、在90°与120°之间等)。然而，为了提高速度(比如经由弱磁)，给定相的导通角可以被增大至达到最大值，比如180°。如图6所示，示出了施加到BLDC电机的换向的示例。反电动势(“BEMF”)600通常跟随导通角605。如图6所示，导通角通常可以是120°并且应用于如上所述的高侧开关(比如高侧FET)或低侧开关(比如低侧FET)，以便驱动电机215。如图6进一步所示，导通角605可以从120°增大(如可选导通区域610所示)到最大值(比如180°)。进一步地，如上所述，导通角605可以被偏移以在导通周期中更早出现(即，相位超前)，如相位超前线615所示。
图7是展示了经由图5的弱磁控制器520进行的用于图1的动力工具中的基于电流的弱磁控制操作的曲线图700。在展示的实施例中，弱磁控制器520在点705处开始，此处没有电流提供给电机215。当电机215在操作期间接收电流时，弱磁控制器520接收弱磁参考信号515并设置具有一定占空比的PWM信号以控制开关桥210，从而增大电机电流并遵循每安培最大扭矩(“MTPA”)曲线或轨迹710(例如，第一轨迹)直到到达第二曲线或轨迹715。在MTPA电流控制期间，电机215的导通角(例如，第一导通角)保持为默认值(例如，105度导通角、90度与135度之间的导通角等)。MTPA电流控制(下面进一步详细描述)用于确定与电机215可以提供的每安培最大扭矩量相对应的电流命令信号。在MTPA曲线或轨迹710期间，电机速度维持在零稳态误差，并且电机功率随着PWM信号的占空比的增大而相应地增大。在一些实施例中，MTPA电流控制与图7所示的示例不同。在第二曲线或轨迹715处，PWM信号的占空比已经达到第一阈值(例如，100％占空比)。在到达第二轨迹715之后，不能再增大占空比来增大提供给电机215的电流。结果，弱磁控制器520将PWM信号的占空比维持或锁定在第一阈值。在第二轨迹715期间，电机速度继续维持在零稳态误差，并且电机功率随着导通角的增大而相应地增大。
在一些实施例中，弱磁控制器520然后可以控制电机215的导通角遵循第三曲线或轨迹720并且进一步增大提供给电机215的电流。对于第三轨迹720，导通角处于最大导通角(例如，在130度与180度之间)。例如，弱磁控制器520减小最大导通角以便以功率吞吐量为代价来保持电机的损耗。在其他示例中，弱磁控制器520增大最大导通角以便增加功率吞吐量，但在实现功率吞吐量的同时以更高的损耗为代价。如果供应给电机215的电流达到第二阈值(例如，最大电流)，则弱磁控制器520继续将PWM信号的占空比维持在第一阈值，并且导通角开始减小，同时电流命令沿着第四曲线或轨迹725恒定在其最大值。当速度沿着第四轨迹725降低时，电机215的反电动势降低并且导致电机电流增大。当电机电流增大时，弱磁控制器520通过减小第二导通角来校正电机电流的增大。通过减小导通角，电机215每安培产生更多扭矩并且允许电机215维持负载而不改变稳态电源电流。如果导通角达到第三阈值，则弱磁控制器520继续将PWM信号的占空比维持在第一阈值，并将导通角维持在第三阈值。
在一些实施例中，弱磁控制器520控制电机215的导通角回到最小导通角(例如，最小饱和点)。在导通角达到最小饱和点之后，弱磁控制器520通过将PWM信号的占空比维持在第一阈值来控制电流遵循第五曲线或轨迹730(例如，过驱动轨迹)。一旦导通角减小到最小饱和点，通过继续遵循MTPA轨迹710，过驱动轨迹730允许电机215以高于第二阈值的电机电流操作。在第五轨迹730期间，电机的速度随着电机所承受的负载的增大而降低，并且弱磁控制器520不施加导通角的变化。在一些实施例中，在第二导通角达到最小饱和点并且通过基于减小的扭矩负载实现更大速度而使电流返回到第二阈值之后，弱磁控制器520可以再次增大导通角以进一步增大电机电流。在一些实施例中，一旦导通角达到最小饱和点，电机功率就基于电机215从电源205接收到的电压。虽然以上顺序大体是按照增大扭矩的次序进行描述的，但是在减小扭矩的情况下也可以按照相反的次序遵循该顺序。
在一些实施例中，由于来自电机215的永磁体的扭矩和来自电机215的凸极磁阻的扭矩，MTPA发生在90度的导通角与135度的导通角之间。当电流被置于在电流iq的方向上相比于永磁体正交时，来自电机215的永磁体的扭矩被最大化并且与电流幅值具有比例关系。当电流被置于在id的负电流方向与电流方向iq之间在永磁体前方135度时，来自电机215的凸极磁阻的扭矩最大化并且与电流幅值的平方具有比例关系。考虑到电机215的永磁体的扭矩和来自电机215的凸极磁阻的扭矩均发生在电机操作期间，因此电机实现的最佳扭矩存在于90度的导通角与135度的导通角之间。弱磁控制器520可以基于电流命令505使用开环控制来校准最小导通角。一旦弱磁操作被激活(例如，PWM信号的占空比达到第一阈值)，弱磁控制器520就可以从最小导通角起增大导通角。在弱磁操作期间，弱磁控制器520确定PWM信号的占空比处于第一阈值并且产生期望电流时的导通角。所确定的导通角允许电机215产生在一定电机速度下(例如，在总线电压限制内)对于期望电流而言可能的最高扭矩。在一些实施例中，如果PWM信号的占空比小于第一阈值，则在期望电流和该电机速度下会产生较低的扭矩值。换句话说，当PWM信号的占空比达到第一阈值时，弱磁算法固有地确定MTPA。
图8A和图8B展示了用于实施上述基于电流的弱磁的方法800的流程图。方法800开始于为动力工具100和控制器200通电(框805)。方法800包括控制器200基于电机215在操作期间的特性(例如，MTPA轨迹)生成电流命令505(框810)。方法800还包括基于电流命令505经由控制器200设置电机215的导通角(例如，默认导通角)(框815)。方法800还包括向电机215供应具有一定占空比的PWM信号以控制电机电流(例如，以便实现电流命令505)(框820)。方法800进一步包括确定PWM信号的占空比是否等于第一阈值(框825)。如果确定PWM信号的占空比等于第一阈值(例如，100％占空比、95％占空比、小于100％的占空比等)，则控制器200将PWM信号的占空比维持在第一阈值(块830)。在一些实施例中，当所命令的电机电流需要PWM信号处于第一阈值时，控制器200仅将PWM信号维持在第一阈值(例如，最大PWM占空比)。例如，如果动力工具的负载减小并且需要更少的电流，则控制器200可以减小电流命令(例如，减小到PWM控制被减小到低于第一阈值的程度)。如果确定PWM信号的占空比不等于第一阈值，则该方法返回框820以继续使用PWM信号控制电机电流。
参考图8B，方法800还包括在PWM信号的占空比达到并维持在第一阈值之后，经由控制器200控制电机215的导通角来控制电机电流(框835)。方法800还包括经由控制器200确定电流命令505是否等于第二阈值(框840)。在一些实施例中，经由控制器200将电流命令505限制为保持在第二阈值。如果电机电流没有提供足够的扭矩来维持电机215的负载，则电机的速度和反电动势降低，使得电机电流增大到高于电流命令505。在一些实施例中，控制器200确定要施加到电机215的导通角的减小，从而校正过量的电机电流。电机215的导通角的减小允许电机215以速度为代价产生更大的扭矩，而不改变电机215的稳态电流。如果确定电机电流等于第二阈值，则控制器200可以进一步控制导通角以将电机电流维持在第二阈值(框845)。在一些实施例中，控制器200仅在命令最大电机电流(例如，基于动力工具100如何被驱动)时将电机电流维持在第二阈值。例如，如果动力工具的负载减小并且需要更少的电流，则控制器200可以减小电流命令(例如，减小到PWM控制被减小到低于第一阈值的程度)。如果确定电机电流不等于第二阈值，则方法800返回到框835以继续通过控制导通角(与此同时PWM信号维持或锁定在第一阈值)来控制电机电流。
在一些实施例中，方法800还包括确定电机导通角是否等于第三阈值(例如，最大导通角、130°与180°之间的导通角等)(框850)。如果确定电机导通角等于第三阈值，并且所命令的电流仍然使电流有必要处于第二阈值，则控制器200将导通角维持在第三阈值(框855)。如果确定电机导通角不等于第三阈值，则方法800返回到框845以继续控制导通角来将电机电流维持在第二阈值。一旦电机导通角维持在第三阈值，方法800就结束，并且PWM信号、电机电流和电机导通角均达到最大值。在整个方法800的任何点，就PWM信号和导通角而言，如果其最大允许值对动力工具100的电流命令来说不必要，则不一定需要将其控制在这些值。在整个方法800的各点处，如果电机215所承受的负载被减轻，则方法800可以返回到框810以生成随后的电流命令505。
图9A是展示了在高阻抗电池包(例如，5S1P 2.0安时电池包)的情况下电机215的扭矩与电机215的每分钟转数(“RPM”)之间的关系的曲线图900A。具体地，曲线图900A展示了随着电机215的RPM总体降低，电机215的扭矩增大。在图9A至图9L中使用相同的附图标记来表示不同参数下相同控制技术的性质。线905示出了常规弱磁技术的正常操作期间扭矩与RPM之间的关系。线910示出了在实施本文描述的基于电流的弱磁时在限制导通角并且限制电流的情况下扭矩与RPM之间的关系。线915示出了在实施基于电流的弱磁时在最大化导通角并且限制电流的情况下扭矩与RPM之间的关系。线920示出了在实施基于电流的弱磁时在最大化导通角并且最大化电流的情况下扭矩与RPM之间的关系。与线910、915和920的基于电流的弱磁相比，线905展示了在正常操作期间RPM随着扭矩增大的更大降低。线910体现了基于电流的弱磁的高效率调节，并且线915体现了基于电流的弱磁的高功率调节。
图9B是展示了在高阻抗电池包的情况下电机215的扭矩与电机215的电流之间的关系的曲线图900B。具体地，曲线图900B展示了随着电机215的扭矩增大，电机215的电流增大。线905示出了常规弱磁技术的正常操作期间扭矩与电流之间的关系。线910示出了在实施基于电流的弱磁时在限制导通角并且限制电流的情况下扭矩与电流之间的关系。线915示出了在实施基于电流的弱磁时在最大化导通角并且限制电流的情况下扭矩与电流之间的关系。线920示出了在实施基于电流的弱磁时在最大化导通角并且最大化电流的情况下扭矩与电流之间的关系。与线905的常规弱磁相比，示出基于电流的弱磁的线910、915和920展示了电流随着扭矩增大的更大增长。
图9C是展示了在高阻抗电池包的情况下电机215的扭矩与电机215的输出功率之间的关系的曲线图900C。具体地，曲线图900C展示了随着电机215的扭矩增大，电机的输出功率增大。线905示出了常规弱磁技术的正常操作期间扭矩与输出功率之间的关系。线910示出了在实施基于电流的弱磁时在限制导通角并且限制电流的情况下扭矩与输出功率之间的关系。线915示出了在实施基于电流的弱磁时在最大化导通角并且限制电流的情况下扭矩与输出功率之间的关系。线920示出了在实施基于电流的弱磁时在最大化导通角并且最大化电流的情况下扭矩与输出功率之间的关系。与线905的常规弱磁相比，线910、915和920展示了使用基于电流的弱磁的情况下输出功率随着扭矩增大的更大增长(例如，在相同工具损耗下所递送的峰值功率的20％增长)。当与线905的常规弱磁相比时，线910、915和920产生更平滑的输出功率。
图9D是展示了在高阻抗电池包的情况下电机215的扭矩与电机215的效率之间的关系的曲线图900D。具体地，曲线图900D展示了当实现的扭矩和速度相等时电机215的效率的提高。线905示出了常规弱磁技术的正常操作期间扭矩与效率之间的关系。线910示出了在实施基于电流的弱磁时在限制导通角并且限制电流的情况下扭矩与效率之间的关系。线915示出了在实施基于电流的弱磁时在最大化导通角并且限制电流的情况下扭矩与效率之间的关系。线920示出了在实施基于电流的弱磁时在最大化导通角并且最大化电流的情况下扭矩与效率之间的关系。与线905的常规弱磁相比，线910、915和920展示了效率随着扭矩增大的相似提高。
图9E是展示了在高阻抗电池包的情况下电机215的扭矩与电源205的电压之间的关系的曲线图900E。具体地，曲线图900E展示了随着电机的扭矩增大，电源的电压降低。线905示出了常规弱磁技术的正常操作期间扭矩与电池包电压之间的关系。线910示出了在实施基于电流的弱磁时在限制导通角并且限制电流的情况下扭矩与电池包电压之间的关系。线915示出了在实施基于电流的弱磁时在最大化导通角并且限制电流的情况下扭矩与电池包电压之间的关系。线920示出了在实施基于电流的弱磁时在最大化导通角并且最大化电流的情况下扭矩与电池包电压之间的关系。与线905的常规弱磁相比，线910、915和920展示了在基于电流的弱磁的情况下电源电压随着扭矩增大的更大下降率。线915展示了置于高阻抗电池包上的始终一致且受控制的负载。
图9F是展示了在高阻抗电池包的情况下电机215的扭矩与动力工具100的功率损耗之间的关系的曲线图900F。具体地，曲线图900F展示了随着电机的扭矩增大，功率损耗的总体增加。线905示出了常规弱磁技术的正常操作期间扭矩与功率损耗之间的关系。线910示出了在实施基于电流的弱磁时在限制导通角并且限制电流的情况下扭矩与功率损耗之间的关系。线915示出了在实施基于电流的弱磁时在最大化导通角并且限制电流的情况下扭矩与功率损耗之间的关系。线920示出了在实施基于电流的弱磁时在最大化导通角并且最大化电流的情况下扭矩与功率损耗之间的关系。与线905相比，线910、915和920展示了功率损耗随着扭矩增大的相似增加。然而，与线905相比，线910、915和920的基于电流的弱磁在相同的功率损耗下产生显著更多的功率，从而允许动力工具100利用更多来自先前未充分利用的电池包的功率。
图9G是展示了在低阻抗电池包(例如，5S4P电池包)的情况下电机215的扭矩与电机215的每分钟转数(“RPM”)之间的关系的曲线图900G。具体地，曲线图900G展示了随着电机215的RPM总体降低，电机215的扭矩增大。线905示出了常规弱磁技术的正常操作期间扭矩与RPM之间的关系。线910示出了在实施基于电流的弱磁时在限制导通角并且限制电流的情况下扭矩与RPM之间的关系。线915示出了在实施基于电流的弱磁时在最大化导通角并且限制电流的情况下扭矩与RPM之间的关系。线920示出了在实施基于电流的弱磁时在最大化导通角并且最大化电流的情况下扭矩与RPM之间的关系。当与线905的常规弱磁相比时，线910、915和920产生更平滑的扭矩速度输出。与线905相比，线915和920在最大速度下产生更大的扭矩。与线905相比，线910在高速时接受较小的扭矩损耗，有利于大幅减少损耗。
图9H是展示了在低阻抗电池包的情况下电机215的扭矩与电机215的电流之间的关系的曲线图900H。具体地，曲线图900H展示了随着电机215的扭矩增大，电机215的电流增大。线905示出了常规弱磁技术的正常操作期间扭矩与电流之间的关系。线910示出了在实施基于电流的弱磁时在限制导通角并且限制电流的情况下扭矩与电流之间的关系。线915示出了在实施基于电流的弱磁时在最大化导通角并且限制电流的情况下扭矩与电流之间的关系。线920示出了在实施基于电流的弱磁时在最大化导通角并且最大化电流的情况下扭矩与电流之间的关系。当电流增大时，线910和915产生更大的困境扭矩，并且允许在完成动力工具100的操作时产生更大的扭矩。
图9I是展示了在低阻抗电池包的情况下电机215的扭矩与电机215的输出功率之间的关系的曲线图900I。具体地，曲线图900I展示了随着电机的扭矩增大，电机215的输出功率增大。线905示出了常规弱磁技术的正常操作期间扭矩与输出功率之间的关系。线910示出了在实施基于电流的弱磁时在限制导通角并且限制电流的情况下扭矩与输出功率之间的关系。线915示出了在实施基于电流的弱磁时在最大化导通角并且限制电流的情况下扭矩与输出功率之间的关系。线920示出了在实施基于电流的弱磁时在最大化导通角并且最大化电流的情况下扭矩与输出功率之间的关系。与线905的常规弱磁相比，线915在中等扭矩范围内获取更多的功率，同时引起相似的损耗。线910在中等扭矩范围内获取相似的功率，同时引起减少高达30％的热损耗。在高扭矩范围内，优先考虑优化每安培扭矩而不是最大功率，从而导致工具的功率输出减少作为预期结果。
图9J是展示了在低阻抗电池包的情况下电机215的扭矩与电机215的效率之间的关系的曲线图900J。具体地，曲线图900J展示了随着电机215的扭矩增大，电机的效率提高。线905示出了常规弱磁技术的正常操作期间扭矩与效率之间的关系。线910示出了在实施基于电流的弱磁时在限制导通角并且限制电流的情况下扭矩与效率之间的关系。线915示出了在实施基于电流的弱磁时在最大化导通角并且限制电流的情况下扭矩与效率之间的关系。线920示出了在实施基于电流的弱磁时在最大化导通角并且最大化电流的情况下扭矩与效率之间的关系。与线905的常规弱磁相比，线910、915和920展示了效率随着扭矩增大的相似提高，随着扭矩继续增大，线910、915和920所示的效率高于线905的常规弱磁的效率。
图9K是展示了在低阻抗电池包的情况下电机215的扭矩与电源205的电池包电压之间的关系的曲线图900K。具体地，曲线图900K展示了随着电机的扭矩增大，电池包电压降低。线905示出了常规弱磁技术的正常操作期间扭矩与电池包电压之间的关系。线910示出了在实施基于电流的弱磁时在限制导通角并且限制电流的情况下扭矩与电池包电压之间的关系。线915示出了在实施基于电流的弱磁时在最大化导通角并且限制电流的情况下扭矩与电池包电压之间的关系。线920示出了在实施基于电流的弱磁时在最大化导通角并且最大化电流的情况下扭矩与电池包电压之间的关系。与线905的常规弱磁相比，线910、915和920展示了在基于电流的弱磁的情况下电源电压随着扭矩增加的相似下降率。
图9L是展示了在低阻抗电池包的情况下电机215的扭矩与动力工具100的功率损耗之间的关系的曲线图900L。具体地，曲线图900L展示了随着电机的扭矩增大，功率损耗的总体增加。线905示出了常规弱磁技术的正常操作期间扭矩与功率损耗之间的关系。线910示出了在实施基于电流的弱磁时在限制导通角并且限制电流的情况下扭矩与功率损耗之间的关系。线915示出了在实施基于电流的弱磁时在最大化导通角并且限制电流的情况下扭矩与功率损耗之间的关系。线920示出了在实施基于电流的弱磁时在最大化导通角并且最大化电流的情况下扭矩与功率损耗之间的关系。与线905相比，线910、915和920展示了随着扭矩增大的较少的初始功率损耗(例如，在低负载下低30W的损耗)。然而，与线905相比，线910、915和920的基于电流的弱磁产生相似的功率损耗。与为动力工具供电的电池包无关的更一致的工具损耗允许从电池包中获取更多功率。
图10展示了动力工具100的实施例1000的简化框图，该动力工具实施用于实施方法800的基于电流的弱磁的有传感器电机控制。动力工具1000包括电源1005、开关或场效应晶体管(FET)1010、电机1015、霍尔效应传感器1020、电机控制器1025(例如，控制器200)、用户输入装置1030和其他部件1035(例如，电池包电量计、工作灯[LED]、电流/电压传感器等)。电源1005向动力工具1000的各种部件提供DC电力，并且可以是可再充电的并且使用例如锂离子电池技术的动力工具电池包。在一些情况下，电源1005可以从耦接到标准壁装电源插座的工具插头接收AC电力(例如，120V/60Hz)，并且接着对所接收的电力进行滤波、调节和整流以输出DC电力。每个霍尔效应传感器1020输出电机反馈信息，比如当转子的磁体旋转越过此霍尔效应传感器1020的面时输出指示(例如，脉冲)。基于来自霍尔效应传感器1020的电机反馈信息，电机控制器1025可以确定电机1015的转子的位置、速度和/或加速度。电机控制器1025还从用户输入装置1030接收用户控制，比如通过按下触发器125来接收用户控制。响应于电机反馈信息和用户控制，电机控制器1025传输控制信号以控制FET1010驱动电机1015。通过选择性地启用和禁用FET 1010，来自电源1005的功率被选择性地施加到电机1015的定子线圈，以引起转子的旋转。虽然未示出，但是动力工具1000的马达控制器1025和其他部件电联接到电源1005，以使得电源1005向其提供电力。
图11A和图11B展示了动力工具1000中的电机1015。电机1015包括转子1105、前轴承1110、后轴承1115(统称为轴承1110、1115)、电机1015的定子包络内的位置传感器板组件1120、以及电机轴1135。定子线圈1125平行于转子轴线1130的长度。转子磁体1140被置于位置传感器板组件1120上的霍尔效应传感器1020附近，以便于检测转子位置。使转子1105、轴承1110、1115和位置传感器板组件1120凹进定子包络内允许电机1015在轴向方向上更加紧凑。在一些实施例中，动力工具1000包括无传感器电机。在这样的实施例中，在不使用霍尔效应传感器1020的情况下控制换向。转子1130的位置可以通过经由一个或多个电流传感器225感测无传感器电机的电流或者通过经由其他部件235的电压传感器感测无传感器电机的反电动势来确定。
在一些实施例中，包括电机1015和电机控制器1025的实施例1000执行用于实施基于电流的弱磁的方法800。在一些实施例中，一个或多个电流传感器225包括在其他部件1035中。例如，电机控制器1025经由一个或多个电流传感器225接收指示电机1015的电流的第一信号。电机控制器1025基于电机1015在操作期间的特性(例如，MTPA轨迹)生成电流命令505(比如在框810中)。电机控制器1025基于电流命令505经由电机控制器1025设置电机215的导通角(例如，默认导通角)。电机控制器1025还向电机1015供应具有一定占空比的PWM信号以控制电流(例如，以便实现电流命令505)(比如在框820中)。电机控制器1025确定PWM信号的占空比是否等于第一阈值(例如，100％占空比)(比如在框825中)。如果确定PWM信号的占空比等于第一阈值(例如，100％占空比、95％占空比、小于100％的占空比等)，则电机控制器1025将占空比维持在第一阈值(比如在框830中)。例如，电机控制器1025向FET1010发送控制信号以维持导通角(例如，维持在默认导通角)并控制具有一定占空比的脉宽调制(“PWM”)控制信号，以便使电机电流增大达到第一阈值。在一些实施例中，第一阈值是小于100％的占空比。电机控制器1025还控制电机1015的导通角(例如，在90度与180度之间的可变导通角)以便在PWM信号的占空比达到并维持在第一阈值之后控制电机电流，并且以便进一步增大电机电流(比如在框835中)。电机控制器1025确定电机电流是否等于第二阈值(例如，最大电机电流)(比如在框840中)。如果确定电机电流等于第二阈值，则电机控制器1025可以进一步控制导通角以将电机电流维持在第二阈值(比如在框845中)。电机控制器1025还确定第二导通角是否等于第三阈值(例如，最大导通角、130°与180°之间的导通角等)(比如在框850中)。如果确定第二导通角等于第三阈值，则电机控制器1025将导通角维持在第三阈值(比如在框855中)。
向电机215的电力供应可以取决于电源205的类型(例如，不同的电池包类型)、电源205的电量状态(例如，充电容量、充电电压)或其组合。例如，图12展示了提供在不同电量状态下的多个不同的电池包类型的曲线图1200。在曲线图1200中，随着每种电池包类型的剩余电量减少(例如，从满电量到放电结束)，电流和功率输出都减小。另外，图13展示了提供在相同的不同电量状态下的相同的多个不同电池包类型的曲线图1300。在曲线图1300中，随着每种电池包类型的剩余电量减少，电压和功率输出都减少。
动力工具系统通常具有最大电流限制以限制电流汲取量，并因此限制提供给电机215的电力。然而，当电流上升到满足该上限时，电池包的直流内阻(“DCIR”)损耗增加并超过电池的中点电量状态，从而导致电池包提供的电力是次优的。本文描述的实施例基于电池包电量状态、操作损耗和电流限制提供动态电流限制。具体地，本文描述的实施例将电流限制设置为类似于曲线图1200中所见的电流峰值，同时考虑曲线图1300中找到的电压峰值。
图14提供了用于控制动力工具100的最大电流限制的方法1400。例如，参考图5，最大电流限制是控制器200提供的电流命令505的值的上限。在另一示例中，最大电流限制是由PI控制器510存储的值并且是对由弱磁控制器520提供的电机控制信号525的限制。在一些实施例中，最大电流限制存储在存储器260中。方法1400可以由控制器200执行。
在框1405处，控制器200根据第一电流限制值向电机215提供电力。例如，响应于触发器125被完全致动，控制器200以与高达最大电流限制的电机电流相关联的最大速度驱动电机215。在一些情况下，触发器125仅被部分致动。因此，在这种情况下，控制器200以与小于最大电流限制的电机电流值相关联的小于最大速度的速度来驱动电机215。
在框1410处，控制器200监测电源205的电压(例如，总线电压)。例如，电压传感器向控制器200提供指示电源205的电压的电压信号。在一些实施例中，电压传感器包括在其他部件235中。在框1415处，控制器200确定电源205的电压是否大于或等于电压阈值。在一些实施例中，在动力工具操作的初始化阶段期间设置电压阈值。例如，当电机215开始操作时，控制器200从电压传感器接收电压信号，并将电源的电压乘以常数以设置电压阈值。
当电源205的电压小于电压阈值时，控制器200进行到框1420并降低最大电流限制(例如，将最大电流限制调整为第二电流限制值)。例如，最大电流限制可以降低取决于DCIR、电池电量状态、工具负载、电池健康状况等的值。在一些实施例中，在降低最大电流限制之后，控制器200返回框1410并继续监测电源205的电压。
当电源205的电压大于或等于电压阈值时，控制器200进行到框1425并确定电流命令是否等于(或接近)最大电流限制。当电流命令不等于(或接近)最大电流限制(例如，低于最大电流限制)时，控制器200进行到框1430并将最大电流限制保持(或维持)在其当前值。在一些实施例中，在维持最大电流限制之后，控制器200返回框1410并继续监测电源205的电压。当电流命令等于(或接近)最大电流限制时，控制器200进行到框1435并提高最大电流限制(例如，将最大电流限制调整到第三电流限制值)。在一些实施例中，当存在多个电流限制目的时，控制器200施加绝对最大电流限制，该绝对最大电流限制超驰电压控制。例如，如果动力工具100具有100安培的电流限制并且连接到低阻抗电源，则电机电流被维持，而电源205的电压不会暂时降低至低于电压阈值。如果动力工具100连接到高阻抗电源，该高阻抗电源不能维持100安培的示例电流限制而不使电压暂时降低至低于电压阈值，则控制器200将电流限制降低到低于100安培的值(例如，70安培)，以维持最佳电源电压。例如，最大电流限制可以逐渐降低，直到目标源电压处于阈值为止。在一些实施例中，在提高最大电流限制之后，控制器200返回到框1410并且继续监测电源205的电压。
虽然方法1400主要是关于电源205的电压来描述的，但在一些实施例中，还监测动力工具100和/或电源205的其他特性。例如，可以在框1410处监测为电机215供电的总线电压并且在框1415处将其与电压阈值进行比较。在另一实施例中，在框1410处监测电机215的电压并且在框1415处将其与电压阈值进行比较。
图15展示了电源205在接近电量耗尽状态时的测量特性。电源205具有第一电池包类型(例如，1.5安培小时电池包)。展示了方法1400提供的静态电流限制和动态电流限制的测量特性。如图15中所见，动态电流限制在汲取更少电流的同时生成更多功率。类似地，图16展示了第二电池包类型(例如，12安培小时电池包)的电源205的相同测量特性。第二种电池包类型包括较低的DCIR值，与没有电池包电压崩溃的情况相比，其允许汲取更多的电流。
对于具有高DCIR值的电源，与静态电流限制相比，动态电流限制允许减少电流汲取量，防止电压崩溃，并且从而减少热操作条件，延长电池寿命并提高输出功率。此外，对于具有低DCIR值的电源，与静态电流限制相比，动态电流限制允许实现更高、更高效的输出，从而提供更多功率来克服更大的负载条件。
图17A是展示了电池包的DCIR与最大高速功率损耗之间的关系的曲线图1700A。具体地，曲线图1700A展示了在动力工具以高速(例如，最大动力工具速度的75％)操作时，无论所附接的电池包如何，峰值工具功率损耗都相似。线1705示出了常规弱磁技术的正常操作期间DCIR与最大高速功率损耗之间的关系。线1710示出了在实施基于电流的弱磁时在限制导通角(例如，限制在最大导通角)的情况下DCIR与最大高速功率损耗之间的关系。线1715示出了在实施本文描述的基于电流的弱磁时在不限制导通角的情况下DCIR与最大高速功率损耗之间的关系。
图17B是展示了电池包的DCIR与所递送的最大高速功率之间的关系的曲线图1700B。具体地，曲线图1700B展示了在动力工具以高速(例如，大于最大动力工具速度的75％)操作时，无论所附接的电池包如何，来自基于电流的弱磁的输出功率都较高。线1720示出了常规弱磁技术的正常操作期间DCIR与所递送的最大高速功率之间的关系。线1725示出了在实施基于电流的弱磁时在限制导通角(例如，限制在最大导通角)的情况下DCIR与所递送的最大高速功率之间的关系。线1730示出了在实施基于电流的弱磁时在不限制导通角的情况下DCIR与所递送的最大高速功率之间的关系。在动力工具100以高速操作时，与线1720相比，线1725和1730示出了更大的输出功率。
图18A是展示了电池包的DCIR与拐点扭矩之间的关系的曲线图1800A。具体地，曲线图1800A展示了拐点扭矩随着DCIR增大而减小。线1805示出了常规弱磁技术的正常操作期间DCIR与拐点扭矩之间的关系。线1810示出了在实施基于电流的弱磁时在限制导通角(例如，限制在最大导通角)的情况下DCIR与拐点扭矩之间的关系。线1815示出了在实施基于电流的弱磁时在不限制导通角的情况下DCIR与拐点扭矩之间的关系。线1815示出了当DCIR增大而不降低速度时最高的所维持扭矩。
图18B是展示了电池包的DCIR与困境(bogdown)扭矩(例如，当电机215被加载超过其产生旋转的能力时由电机215产生的扭矩、在动力工具优先考虑最大化扭矩而不是最大化速度时高电流下产生的扭矩等)之间的关系的曲线图1800B。具体地，曲线图1800B展示了随着DCIR增大在扭矩-速度曲线上相似的困境扭矩。线1820示出了常规弱磁技术的正常操作期间DCIR与困境扭矩之间的关系。线1825示出了在实施基于电流的弱磁时在受限制的导通角(例如，限制在最大导通角)的情况下DCIR与困境扭矩之间的关系。线1830示出了在实施本文描述的基于电流的弱磁时在不限制导通角的情况下DCIR与困境扭矩之间的关系。
图18C是展示了电池包的DCIR与高速扭矩之间的关系的曲线图1800C。具体地，曲线图1800C展示了在动力工具100以高速(即，大于最大速度的75％)操作时随着DCIR增大在扭矩-速度曲线上高速扭矩的减小。线1835示出了常规弱磁技术的正常操作期间DCIR与高速扭矩之间的关系。线1840示出了在实施基于电流的弱磁时在受限制的导通角的情况下DCIR与高速扭矩之间的关系。线1845示出了在实施本文描述的基于电流的弱磁时在不限制导通角的情况下DCIR与高速扭矩之间的关系。线1845示出了在最高速度下随着DCIR增大最高的所维持扭矩。
代表性特征
以下条款中阐述了代表性特征，这些特征是独立的，或者可以以任何组合与说明书的文本和/或附图中披露的一个或多个特征组合。
1.一种动力工具，包括：
壳体；
无刷直流(DC)电机，该无刷DC电机在该壳体内；
电源开关电路，该电源开关电路将电力供应从电池包提供到该无刷DC电机；
电流传感器，该电流传感器被配置为感测该无刷DC电机的电流；以及
电子控制器，该电子控制器被配置为：
经由该电流传感器接收指示该无刷DC电机的电流的第一信号，基于该无刷DC电机的特性生成电流命令，
基于该电流命令设置该无刷DC电机的导通角，
向该无刷DC电机供应具有一定占空比的脉宽调制(“PWM”)信号以控制该无刷DC电机的电流，
确定该PWM信号的占空比是否等于第一阈值，
响应于该占空比等于该第一阈值，将该占空比维持在该第一阈值，
修改该导通角以增大该无刷DC电机的电流，
确定该电流命令是否等于第二阈值，以及
响应于该电流命令等于该第二阈值，控制该导通角以将该电流命令维持在该第二阈值。
2.如条款1所述的动力工具，其中，该电子控制器进一步被配置为：
确定该导通角是否等于第三阈值；
响应于该导通角等于该第三阈值，将该导通角维持在该第三阈值；
确定该导通角是否等于第四阈值；以及
响应于该导通角等于该第四阈值，向该无刷DC电机供应具有第二占空比的第二PWM信号以控制该无刷DC电机的电流。
3.如任一前述条款所述的动力工具，其中，该第一阈值是该PWM信号的100％占空比。
4.如条款3所述的动力工具，其中，为了将该占空比维持在该第一阈值，该电子控制器进一步被配置为：
控制该PWM信号保持在该100％占空比。
5.如任一前述条款所述的动力工具，其中，该第二阈值是最大电流命令。
6.如任一前述条款所述的动力工具，其中，该电子控制器进一步被配置为：
接收来自该电流传感器的电流反馈信号；以及
基于该电流反馈信号确定要施加到该无刷DC电机的该PWM信号的第一变化。
7.如条款6所述的动力工具，其中，该电子控制器进一步被配置为：
基于该电流反馈信号确定要施加到该无刷DC电机的该导通角的第二变化。
8.一种控制包括电子控制器的动力工具的方法，该方法包括：
经由电流传感器接收指示无刷DC电机的电流的第一信号；
基于该无刷DC电机的特性生成电流命令；
基于该电流命令设置该无刷DC电机的导通角；
向该无刷DC电机供应具有一定占空比的脉宽调制(“PWM”)信号以控制该无刷DC电机的电流；
确定该PWM信号的占空比是否等于第一阈值；
响应于该占空比等于该第一阈值，将该占空比维持在该第一阈值；
修改该导通角以增大无刷DC电机的电流；
确定该电流命令是否等于第二阈值；以及
响应于该电流命令等于该第二阈值，控制该导通角以将该电流命令维持在该第二阈值。
9.如条款8所述的方法，进一步包括：
确定该导通角是否等于第三阈值；
响应于该导通角等于该第三阈值，将该导通角维持在该第三阈值；
确定该导通角是否等于第四阈值；以及
响应于该导通角等于该第四阈值，向该无刷DC电机供应具有第二占空比的第二PWM信号以控制该无刷DC电机的电流。
10.如条款8至9中任一项所述的方法，其中，该第一阈值是该PWM信号的100％占空比。
11.如条款10所述的方法，其中，将该占空比维持在该第一阈值包括：
控制该PWM信号保持在该100％占空比。
12.如条款8至11中任一项所述的方法，其中，该第二阈值是最大电流命令。
13.如条款8至12中任一项所述的方法，进一步包括：
接收来自该电流传感器的电流反馈信号；以及
基于该电流反馈信号确定要施加到该无刷DC电机的该PWM信号的第一变化。
14.如条款13所述的方法，进一步包括：
基于该电流反馈信号确定要施加到该无刷DC电机的该导通角的第二变化。
15.一种动力工具，包括：
壳体；
无刷直流(DC)电机，该无刷DC电机在该壳体内；
触发器；
电源开关电路，该电源开关电路将电力供应从电池包提供到该无刷DC电机；
电压传感器，该电压传感器被配置为感测总线电压；
电流传感器，该电流传感器被配置为感测该无刷DC电机的电流；以及
电子控制器，该电子控制器连接到该触发器、该无刷DC电机、该电压传感器和该电流传感器，该电子控制器被配置为：
响应于该触发器的致动，根据第一电流限制值向该无刷DC电机提供电力，
经由该电流传感器接收指示该无刷DC电机的电流的第一信号，经由该电压传感器接收指示该电源开关电路的电压的第二信号，基于该无刷DC电机的特性生成电流命令，
基于该电流命令设置该无刷DC电机的导通角，
向该无刷DC电机供应具有一定占空比的脉宽调制(“PWM”)信号以控制该无刷DC电机的电流，
确定该电源开关电路的电压是否大于或等于电压阈值，
确定该PWM信号的占空比是否等于第一阈值，
响应于该电源开关电路的电压小于或等于该电压阈值，将该第一电流限制值调整为第二电流限制值，
响应于该占空比等于该第一阈值，将该占空比维持在该第一阈值，
修改该导通角以增大该无刷DC电机的电流，
确定该电流命令是否等于第二阈值，以及
响应于该电流命令等于该第二阈值，控制该导通角以将该电流维持在该第二阈值。
16.如条款15所述的动力工具，其中，该第一电流限制值是允许从该电源开关电路得到的最大电流汲取量。
17.如条款15至16中任一项所述的动力工具，其中，该第二电流限制值小于该第一电流限制值。
18.如条款15至17中任一项所述的动力工具，其中，该电子控制器进一步被配置为：
确定该无刷DC电机的速度，
基于该无刷DC电机的速度和速度命令信号确定要提供给该无刷DC电机的电流值，以及
提供该电流值以驱动该无刷DC电机。
19.如条款18所述的动力工具，其中，该电子控制器进一步被配置为：
响应于该电源开关电路的电压大于该电压阈值，确定该电流值是否等于该第一电流限制值，以及
响应于该电流值不等于该第一电流限制值，将该第一电流限制值调整为第三电流限制值。
20.如条款19所述的动力工具，其中，该第三电流限制值大于该第二电流限制值。
因此，本文描述的实施例提供了用于在动力工具中实施的弱磁算法的系统和方法。在所附权利要求中阐述了各种特征和优点。

Claims (20)

1.一种动力工具，包括：
壳体；
无刷直流(DC)电机，该无刷DC电机在该壳体内；
电源开关电路，该电源开关电路将电力供应从电池包提供到该无刷DC电机；
电流传感器，该电流传感器被配置为感测该无刷DC电机的电流；以及
电子控制器，该电子控制器被配置为：
经由该电流传感器接收指示该无刷DC电机的电流的第一信号，
基于该无刷DC电机的特性生成电流命令，
基于该电流命令设置该无刷DC电机的导通角，
向该无刷DC电机供应具有一定占空比的脉宽调制(“PWM”)信号以控制该无刷DC电机的电流，
确定该PWM信号的占空比是否等于第一阈值，
响应于该占空比等于该第一阈值，将该占空比维持在该第一阈值，
修改该导通角以增大该无刷DC电机的电流，
确定该电流命令是否等于第二阈值，以及
响应于该电流命令等于该第二阈值，控制该导通角以将该电流命令维持在该第二阈值。
2.如权利要求1所述的动力工具，其中，该电子控制器进一步被配置为：
确定该导通角是否等于第三阈值；
响应于该导通角等于该第三阈值，将该导通角维持在该第三阈值；
确定该导通角是否等于第四阈值；以及
响应于该导通角等于该第四阈值，向该无刷DC电机供应具有第二占空比的第二PWM信号以控制该无刷DC电机的电流。
3.如权利要求1所述的动力工具，其中，该第一阈值是该PWM信号的100％占空比。
4.如权利要求3所述的动力工具，其中，为了将该占空比维持在该第一阈值，该电子控制器进一步被配置为：
控制该PWM信号保持在该100％占空比。
5.如权利要求1所述的动力工具，其中，该第二阈值是最大电流命令。
6.如权利要求1所述的动力工具，其中，该电子控制器进一步被配置为：
接收来自该电流传感器的电流反馈信号；以及
基于该电流反馈信号确定要施加到该无刷DC电机的该PWM信号的第一变化。
7.如权利要求6所述的动力工具，其中，该电子控制器进一步被配置为：
基于该电流反馈信号确定要施加到该无刷DC电机的该导通角的第二变化。
8.一种控制包括电子控制器的动力工具的方法，该方法包括：
经由电流传感器接收指示无刷DC电机的电流的第一信号；
基于该无刷DC电机的特性生成电流命令；
基于该电流命令设置该无刷DC电机的导通角；
向该无刷DC电机供应具有一定占空比的脉宽调制(“PWM”)信号以控制该无刷DC电机的电流；
确定该PWM信号的占空比是否等于第一阈值；
响应于该占空比等于该第一阈值，将该占空比维持在该第一阈值；
修改该导通角以增大无刷DC电机的电流；
确定该电流命令是否等于第二阈值；以及
响应于该电流命令等于该第二阈值，控制该导通角以将该电流命令维持在该第二阈值。
9.如权利要求8所述的方法，进一步包括：
确定该导通角是否等于第三阈值；
响应于该导通角等于该第三阈值，将该导通角维持在该第三阈值；
确定该导通角是否等于第四阈值；以及
响应于该导通角等于该第四阈值，向该无刷DC电机供应具有第二占空比的第二PWM信号以控制该无刷DC电机的电流。
10.如权利要求8所述的方法，其中，该第一阈值是该PWM信号的100％占空比。
11.如权利要求10所述的方法，其中，将该占空比维持在该第一阈值包括：
控制该PWM信号保持在该100％占空比。
12.如权利要求8所述的方法，其中，该第二阈值是最大电流命令。
13.如权利要求8所述的方法，进一步包括：
接收来自该电流传感器的电流反馈信号；以及
基于该电流反馈信号确定要施加到该无刷DC电机的该PWM信号的第一变化。
14.如权利要求13所述的方法，进一步包括：
基于该电流反馈信号确定要施加到该无刷DC电机的该导通角的第二变化。
15.一种动力工具，包括：
壳体；
无刷直流(DC)电机，该无刷DC电机在该壳体内；
触发器；
电源开关电路，该电源开关电路将电力供应从电池包提供到该无刷DC电机；
电压传感器，该电压传感器被配置为感测总线电压；
电流传感器，该电流传感器被配置为感测该无刷DC电机的电流；以及
电子控制器，该电子控制器连接到该触发器、该无刷DC电机、该电压传感器和该电流传感器，该电子控制器被配置为：
响应于该触发器的致动，根据第一电流限制值向该无刷DC电机提供电力，
经由该电流传感器接收指示该无刷DC电机的电流的第一信号，
经由该电压传感器接收指示该电源开关电路的电压的第二信号，
基于该无刷DC电机的特性生成电流命令，
基于该电流命令设置该无刷DC电机的导通角，
向该无刷DC电机供应具有一定占空比的脉宽调制(“PWM”)信号以控制该无刷DC电机的电流，
确定该电源开关电路的电压是否大于或等于电压阈值，
确定该PWM信号的占空比是否等于第一阈值，
响应于该电源开关电路的电压小于或等于该电压阈值，将该第一电流限制值调整为第二电流限制值，
响应于该占空比等于该第一阈值，将该占空比维持在该第一阈值，
修改该导通角以增大该无刷DC电机的电流，
确定该电流命令是否等于第二阈值，以及
响应于该电流命令等于该第二阈值，控制该导通角以将该电流维持在该第二阈值。
16.如权利要求15所述的动力工具，其中，该第一电流限制值是允许从该电源开关电路得到的最大电流汲取量。
17.如权利要求15所述的动力工具，其中，该第二电流限制值小于该第一电流限制值。
18.如权利要求15所述的动力工具，其中，该电子控制器进一步被配置为：
确定该无刷DC电机的速度，
基于该无刷DC电机的速度和速度命令信号确定要提供给该无刷DC电机的电流值，以及
提供该电流值以驱动该无刷DC电机。
19.如权利要求18所述的动力工具，其中，该电子控制器进一步被配置为：
响应于该电源开关电路的电压大于该电压阈值，确定该电流值是否等于该第一电流限制值，以及
响应于该电流值不等于该第一电流限制值，将该第一电流限制值调整为第三电流限制值。
20.如权利要求19所述的动力工具，其中，该第三电流限制值大于该第二电流限制值。
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