CN117674640A - 电动工具 - Google Patents

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Abstract

本申请公开一种电动工具，包括：电机，包括多相绕组；控制电路，用于控制电机转动；控制电路包括：驱动电路，由多个开关元件组成，具有多个驱动状态，以驱动电机转动；参数检测模块，用于检测控制电路的电参数；控制器，用于输出PWM控制信号，以控制驱动电路改变驱动状态；其中，控制器被配置为：根据电参数改变PWM控制信号的占空比的变化量的绝对值，以控制电机恒速的稳态误差在预设范围内。

Description

电动工具
技术领域
本申请涉及电动工具领域，具体涉及一种电动工具。
背景技术
目前工程或家用的高压无刷类电动工具的维修率较高，维修周期较短。例如，墙壁打磨机，基本一两个月电控板就存在失效的风险，最短可能一周就会失效。
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寿命长、电控稳定性高的电动工具。
本申请采用如下的技术方案：
一种电动工具，包括：电机，包括多相绕组；控制电路，用于控制所述电机转动；所述控制电路包括：驱动电路，由多个开关元件组成，具有多个驱动状态，以驱动所述电机转动； 参数检测模块，用于检测所述控制电路的电参数；控制器，用于输出PWM控制信号，以控制所述驱动电路改变所述驱动状态；其中，所述控制器被配置为：根据所述电参数改变所述PWM控制信号的占空比的变化量的绝对值，以控制电机恒速的稳态误差在预设范围内。
在一个实施例中，所述电参数包括所述控制电路的母线电压。
在一个实施例中，所述电动工具的输出功率大于或等于400w。
在一个实施例中，每相绕组的平均电感大于或等于0.9mH。
在一个实施例中，所述电机为无感电机。
在一个实施例中，所述控制电路还包括：滤波电容，所述滤波电容的电容量小于或等于20μF。
在一个实施例中，所述电参数与所述占空比的变化量的绝对值具有线性或非线性关系。
在一个实施例中，所述电参数与所述占空比的变化量的绝对值呈反比。
在一个实施例中，所述稳态误差小于或等于1.5%。
一种电动工具，包括：电机，包括多相绕组；控制电路，用于控制所述电机转动；所述控制电路包括：驱动电路，由多个开关元件组成，具有多个驱动状态，以驱动所述电机转动；参数检测模块，用于检测所述控制电路的电参数；控制器，用于输出PWM控制信号，以控制所述驱动电路改变所述驱动状态；其中，所述控制器被配置为：根据所述电参数改变所述PWM控制信号的占空比的变化量的幅值，以控制所述电机换相时的相电流幅值小于70A。
在一个实施例中，所述电参数与所述占空比的变化量的绝对值呈反比。
本申请的有益之处在于：根据控制电路中电压的变化调整PWM信号占空比的变化量，能够避免电机换相错误造成电流见过大或电压尖峰，避免控制电路中元器件被烧坏的情况发生，从而保证了工具的使用寿命和控制性能的稳定性。
附图说明
图1是本申请实施例提供的一种电动工具的结构图；
图2是本申请实施例提供的一种电动工具的电路框图；
图3是本申请实施例提供的电机绕组导通周期换相示意图；
图4是本申请实施例提供的电机控制电路示意图；
图5是本申请实施例提供的改善前后电机恒速稳态误差测试对比示意图；
图6是本申请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多种高压无刷类电动工具，例如墙壁打磨机、电锤、角磨、电动扳手等。其他任何采用无刷电机且能进行大功率工作或者的能采用本申请实施例所提供的方案的电动工具均在本申请保护范围内。
在本申请实施例中，以墙壁打磨机为例进行说明。参考图1所示，墙壁打磨机100可以包括工具主体10，工具主体10包括工作头110、操作杆120，安装在工作头110内的电机20以及设置在工具主体10内或者独立于工具主体10之外的控制装置30。其中，工作头110上还设置有功能件，例如打磨盘。
在一个实施例中，电机20为无刷直流电机（BLDC）。在一个实施例中，电机20为无感BLDC。在一个实施例中，电机20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20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。控制装置30能够控制电机20转动，从而电机20能带动打磨盘执行打磨工作。
在一个实施例中，如图2所示控制装置30可以包括控制电路31，控制电路31包括电源311，驱动电路312，参数检测模块313以及控制器314。其中，驱动电路312与电机20电连接，能够驱动电机20转动。电源311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转换模块，例如DC-DC模块进行电压变化，输出适合驱动电路312、电机20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。
在一个实施例中，驱动电路312与电机20的定子绕组A、B、C电性连接，用于将来自电源311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312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314电性连接，用于接收来自控制器314的控制信号。每个开关元件的漏极或源极与电机20的定子绕组A、B、C连接。开关元件Q1-Q6接收来自控制器314的控制信号改变各自的导通状态，从而改变电源311加载在电机20的定子绕组A、B、C上的电流。在一个实施例中，驱动电路312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。
参数检测模块313，能检测控制电路31中的电参数。例如，能够检测控制电路31的母线电压或者母线电流或者能够检测电机20的相电流或者相电压等。在一个实施例中，参数检测模块313可以包括一个具备检测多种参数功能的检测元件，也可以包括多个分别检测不同电参数的检测元件。参数检测模块313与控制器314电连接，能传输电参数至控制器314，本实施例对参数检测模块313在控制电路31中的其他电连接关系不做限制。
为了驱动电机20转动，驱动电路312具有多种驱动状态，不同驱动状态下，电机20的转速或者转向可以不同。本申请针对控制器314控制驱动电路312改变不同驱动状态的使电机20获得不同转速或者转向的过程不做详述。
在一个实施例中，驱动电路312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绕组的一次换相动作。如图3所示，在电机20每次换相时，浮空相的相电压会发生突变，而突变后的电压值会维持一段时间才能消除，这个时间可以理解为电机换相时浮空相绕组的续流时间。可以理解的，电机绕组中的电压越高，续流时间越长。而高压无刷类电动工具所使用的电机20一般功率较大，电机20的绕组的平均电感较高，从而绕组电压较高，换相过程中的续流时间也较长。在一个实施例中，电机20的绕组的平均电感大于或等于0.9mH，例如可以是1 mH，1.2 mH，1.5 mH，1.8 mH，2 mH等。在一个实施例中，电机20的输出功率大于或等于400W，例如可以是450W，500W，550W等。
在一个实施例中，控制电路31中还可以包括滤波电容，滤波电容的电容量小于或等于20μF。
通常无感电机的电机控制需要准确检测电机换相时过程中的过零点，以便准确估算电机转子位置。其中，过零点可以理解为电机换相过程中浮空相电压为零的时刻。若电机绕组的电感较高，电机换相过程汇总的续流时间较长，则可能造成无法检测到有效的过零点，从而导致换相错误。而电机换相错误会造成控制电路31出现电气尖峰，例如电压尖峰，电流尖峰或者能量尖峰。其中，尖峰可以理解为控制电路中电压(电压尖峰)、电流(电压尖峰)或传递的能量(能量尖峰)的快速、持续时间短的电气瞬变。而控制电路31中的电气尖峰很容易造成电路中功率元件损坏或者造成电机退磁风险。
为了维持电机恒速转动的稳定性，即提高电机恒速时的稳态误差，控制器313能够改变控制信号PWM的占空比，以控制电机恒速运转。事实上，控制器313能够根据电机20反馈的转速信息，及时调整PWM信号的占空比，以达到平稳的恒速控制。而控制器313在调整PWM信号占空比变化的过程中，可能会出现占空比变化量较大，导致电机绕组储能较多，换相时续流时间较长，出现电气尖峰的问题；或者调控时占空比变化量较低，会出现转速变化不明显，增加恒速控制的稳态误差。
为了解决上述问题，本实施例中控制电路31可以限制速度PI环PWM占空比变化量，具体可以控制根据控制电路中电压信息以及电机反馈的转速信息，适应性调整PWM占空比的变化量，以降低电机恒速控制的稳态误差。
参考图4，参数检测模块313能够检测控制电路31中的电参数，进而控制器314可以获取上述电参数，并根据电参数的大小，调整PWM信号占空比的变化量。在本实施例中，电参数可以是控制电路31中的母线电压或者母线电流等。在本实施例中，用表示占空比的变化量。在一个实施例中，控制器314可以根据母线电压的大小，调整PWM信号占空比的变化量的绝对值，即/>。示例性的，母线电压较大时，控制器314可以减小/>，即减少PWM占空比增加或减少的量；母线电压较小时，控制器314可以增加/>，即增加PWM占空比增加或减少的量。在本实施例中，控制器314可以包括数据获取模块用于获取母线电压；数据处理模块用于根据母线电压计算/>的大小。
实际上，在母线电压较大时，电机绕组中存储的能量较高，换相时浮空相的续流时间较高，此种情况下为了维持电机恒速的平稳性，可能会需要增加或降低PWM占空比，但为了避免占空比增加或降低较多，导致续流时间进一步增加，控制器314可以控制PWM占空比的变化量具有较低的幅值，即设置较低的。反之，在母线电压较小时，电机绕组中存储的能量不高，换相时浮空相的续流时间较短，此种情况下为了维持电机恒速的平稳性，可能会需要增加或降低PWM占空比，且即使PWM占空比增加或减少的量较多，对续流时间的影响也不大，不至于造成过零点检测不准，导致换相错误的问题发生。综上所述，本申请根据母线电压的大小控制PWM占空比的变化量，可以有效维持电机恒速控制的平稳性，降低恒速控制的稳态误差。在本实施例中，电机20换相时的相电流的幅值小于70A，相对于电动工具较大的输出功率而言，避免了电流尖峰的出现。
在一个实施例中，控制电路31中的电参数与PWM占空比的变化量的绝对值具有线性或非线性关系。在一个实施例中，母线电压与呈反比关系，也就是说母线电压越大，控制器314所设置的/>越小，反之越大。示例性的，母线电压为/>，则，其中/>为常数，不同工况或者不同工况下/>的取值不同。
在本实施例中，由于母线电压与的相对关系在同一工况或同一工具中一般是设定不变的，因此并不需要一个判断母线电压高低的标准。在母线电压与/>的相对关系确定的基础上，无论无线电压被认定为高或者低均可以获得一个对应的/>的设定值。
在本实施例中，可以通过合理调节的大小，可以使电机恒速的稳态误差小于或等于1.5%，例如可以是1.3%。
参考图5，对比了采用本申请实施例所保护的调整PWM占空比的方式前后，电机转速的变化过程。可知，虽然改善前后电机恒速控制均存在一定的稳态误差，但改善后的稳态误差较改善前更好。在本实施例中，改善后的稳态误差大概是1.3%。其中，改善是指采用本申请所保护的调整的方式改变PWM占空，来控制电机运转。
参考图6，电动工具的控制过程可以包括以下步骤：
S101，检测控制电路中的母线电压。
S102，根据母线电压与PWM占空比的变化量的绝对值的关系设置PWM占空比的变化量的幅值。
其中，PWM占空比的变化量的幅值可以理解为PWM占空比的变化量的绝对值即。
注意，上述仅为本申请的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本申请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申请的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本申请进行了较为详细的说明，但是本申请不仅仅限于以上实施例，在不脱离本申请构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本申请的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (11)

1.一种电动工具，包括：
电机，包括多相绕组；
控制电路，用于控制所述电机转动；
所述控制电路包括：
驱动电路，由多个开关元件组成，具有多个驱动状态，以驱动所述电机转动；
参数检测模块，用于检测所述控制电路的电参数；
控制器，用于输出PWM控制信号，以控制所述驱动电路改变所述驱动状态；
其特征在于，所述控制器被配置为：
根据所述电参数改变所述PWM控制信号的占空比的变化量的绝对值，以控制电机恒速的稳态误差在预设范围内。
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控制电路的母线电压。
3.根据权利要求1所述的电动工具，其特征在于，
所述电动工具的输出功率大于或等于400w。
4.根据权利要求1所述的电动工具，
每相绕组的平均电感大于或等于0.9mH。
5.根据权利要求1所述的电动工具，
所述电机为无感电机。
6.根据权利要求1所述的电动工具，
所述控制电路还包括：
滤波电容，所述滤波电容的电容量小于或等于20μF。
7.根据权利要求1所述的电动工具，其特征在于，
所述电参数与所述占空比的变化量的绝对值具有线性或非线性关系。
8.根据权利要求1所述的电动工具，其特征在于，
所述电参数与所述占空比的变化量的绝对值呈反比。
9.根据权利要求1所述的电动工具，其特征在于，
所述稳态误差小于或等于1.5%。
10.一种电动工具，包括：
电机，包括多相绕组；
控制电路，用于控制所述电机转动；
所述控制电路包括：
驱动电路，由多个开关元件组成，具有多个驱动状态，以驱动所述电机转动；
参数检测模块，用于检测所述控制电路的电参数；
控制器，用于输出PWM控制信号，以控制所述驱动电路改变所述驱动状态；
其特征在于，所述控制器被配置为：
根据所述电参数改变所述PWM控制信号的占空比的变化量的幅值，以控制所述电机换相时的相电流幅值小于70A。
11.根据权利要求10所述的电动工具，其特征在于，
所述电参数与所述占空比的变化量的绝对值呈反比。
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