CN207652345U - 电机驱动电路及带有该电机驱动电路的电动工具 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种电机驱动电路及带有该电机驱动电路的电动工具，电机驱动电路包括电容、变频器和控制装置，电容为电容值小于等于220微法的电容。变频器的输入端用于接入直流电，直流电两端并联电容。变频器的输出端连接控制装置，且用于连接电机，控制装置连接变频器的控制端，且用于连接电机。控制装置根据采集的转子位置反馈信号和电流测量信号对输出至变频器的脉冲信号的频率和占空比进行调节，实现电机驱动电路的反馈调节，确保电容的电容值小于等于220微法时，使电机的输出功率能够跟随电源的波动，从而让输出功率稳定，降低了生产成本且功率因素高。

Description

电机驱动电路及带有该电机驱动电路的电动工具

技术领域

本实用新型涉及电动控制技术领域，特别是涉及一种电机驱动电路及带有该电机驱动电路的电动工具。

背景技术

电动工具是一种机械化工具，它由电动机或电磁铁作为动力，通过传动机构驱动工作头进行作业，通常制成手持式、可移式，结构轻巧，携带使用方便。由于相比手工工具可提高生产效率数倍到数十倍，电动工具已被广泛应用于国民经济各个领域，并进入了家庭使用。

对于电动工具中交流市电供电的无刷电机，需要经过整流滤波转换成直流才能使用。为了减少直流侧电源的波动，传统的电动工具是在直流侧并联大容值的电解电容，大容量电解电容比较昂贵，提高了电动工具的生产成本。大容量电解电容还使得整流管的导通角变小，从而使电动工具的功率因素低。

实用新型内容

基于此，有必要针对上述问题，提供一种可降低生产成本且功率因素高的电机驱动电路及带有该电机驱动电路的电动工具。

一种电机驱动电路，包括电容、变频器和控制装置，所述电容为电容值小于等于220微法的电容，

所述变频器的输入端用于接入直流电，所述直流电两端并联所述电容，所述变频器的输出端连接所述控制装置，且用于连接电机，所述控制装置连接所述变频器的控制端，且用于连接所述电机。

一种电动工具，包括电机和上述电机驱动电路，所述变频器的输出端连接所述电机，所述控制装置连接所述电机。

上述电机驱动电路及带有该电机驱动电路的电动工具，电机驱动电路中的控制装置输出脉冲信号至变频器的控制端。控制装置采集得到电机的转子位置反馈信号和变频器的输出端的电流测量信号，并根据转子位置反馈信号调节脉冲信号的频率，以及根据电流测量信号调节脉冲信号的占空比，实现电机驱动电路的反馈调节，确保电容的电容值小于等于220微法时，使电机的输出功率能够跟随电源的波动，从而让输出功率稳定，降低了生产成本且功率因素高。

附图说明

图1为一实施例中电机驱动电路的结构图；

图2为另一实施例中电机驱动电路的结构图；

图3为一实施例中电机驱动电路的原理图；

图4为一实施例中PWM信号的波形示意图；

图5为一实施例中根据电压大小调整PWM信号占空比的示意图；

图6为一实施例中轻载情况下电容充放电电流的示意图；

图7为一实施例中轻载情况下相电流波形的示意图；

图8为一实施例中重载情况下电容充放电电流的示意图；

图9为一实施例中重载情况下相电流波形的示意图；

图10为一实施例中电动工具的结构图。

具体实施方式

在一个实施例中，一种电机驱动电路，如图1所示，包括电容C1、变频器120和控制装置130，电容C1为电容值小于等于220微法的电容。

变频器120的输入端用于接入直流电，直流电两端并联电容C1。变频器120的输出端连接控制装置130，且用于连接电机210，控制装置130连接变频器120的控制端，且用于连接电机210。具体地，变频器120的输入端包括用作接入直流电的第一输入端口和第二输入端口，电容C1的两端分别连接第一输入端口和第二输入端口。

直流电通过变频器120的输入端接入变频器120，电容C1起短时间内稳压作用。控制装置130输出脉冲信号至变频器120，控制变频器120输出交流电至电机210。控制装置130根据采集得到的电机210的转子位置反馈信号对脉冲信号的频率进行调节；以及根据采集得到的变频器120的输出端的电流测量信号对脉冲信号的占空比进行调节，实现电机驱动电路的反馈调节。

上述电机驱动电路，控制装置130根据采集的转子位置反馈信号和电流测量信号对输出至变频器120的脉冲信号的频率和占空比进行调节，实现电机驱动电路的反馈调节，确保电容的电容值小于等于220微法时，使电机210的输出功率能够跟随电源的波动，从而让输出功率稳定，降低了生产成本且功率因素高。

在一个实施例中，如图2所示，电机驱动电路还可包括整流器110。整流器110的输入正极和输入负极接入交流电，整流器110的输出正极和输出负极连接变频器120的输入端。具体地，整流器110的输出正极和输出负极分别连接变频器120的第一输入端口和第二输入端口。

整流器110对接入的交流电进行整流，得到直流电并输送至变频器120的输入端。在降低电容C1的容量时利用控制装置130进行反馈调节，还可避免整流器110的导通角变小，从而减小无功功率，节省电能。整流器110的具体类型并不唯一，本实施例中，整流器110为全桥整流器，电源利用率高、对于滤波电容要求容量要小，提高了能源利用率。

电容C1的体积并不唯一，具体可以选择小体积的电容。在一个实施例中，电容C1为直径小于或等于30毫米、长度小于或等于32毫米的电容。选取小体积的电容，减小电机驱动电路的体积，便于安装。

电容C1的具体类型也并不唯一，可以是电解电容、聚丙烯电容或DC-LINK电容。在一个实施例中，电容C1为电解电容，单位体积的电容量和额定容量非常大，成本低。

在一个实施例中，如图3所示，控制装置130包括电流采集器和控制器132，电流采集器连接变频器120的输入端和控制器132，控制器132连接电机210和变频器120的控制端。

本实施例中，控制器132输出至变频器120的控制端的脉冲信号为PWM(PulseWidth Modulation，脉冲宽度调制)信号。电流采集器对变频器120直流母线侧的电流进行采集并反馈电流测量信号至控制器132，控制器132采集获取电机210的转子位置反馈信号。控制器132根据转子位置反馈信号调节PWM信号的频率，以及根据电流测量信号调节PWM信号的占空比。

具体地，控制器132使用与电机210最高电角度换相周期一致的频率作为PWM信号的频率，例如对于2对极、最高转速为25000RPM的电机210，换相周期为200us，则PWM信号频率为5kHz。在星型电机条件和三角形接法下，控制器132使用30～40度可调的超前角进行控制。控制器132根据母线电压测量信号调节PWM信号的占空比，电压越高，占空比越小；电压减小，占空比增大。

在交流市电输入条件下电机驱动系统大幅提高功率因数，其核心是大幅减小母线电容的容值，并通过使用PWM-ON调制方式、低载波比(低PWM频率)、动态调整超前换相角、占空比修正补偿等几个方面技术手段相结合，来使得在每个交流市电的整流周期内，整流管的导通角变大，输入的能量能够尽可能地平摊到每个整流周期内，这样电流波形畸变的程度会相应减小，并且相位能够跟随输入电压，因此实现了整个电控系统在小母线电容下大幅提升功率因数的同时仍然能保证电机平稳运行。

若想获得较高的功率因数，需快速控制脉动的功率，来使得在每个交流市电的整流周期内整流管的导通角变大，输入的能量能够尽可能地平摊到每个整流周期内，这样电流波形畸变的程度会相应减小，并且相位能够跟随输入电压。同时尽可能减少母线的充放电电流频率，减少充放电电流对电容的冲击，提高电容寿命。

具体地，将母线电容从1000uF减小至220uF以下，这是硬件电路修改的基本和必要手段。使用低载波比的PWM信号，该PWM信号的频率需要根据电机参数调整，保证在一个换相周期内至少调整一次，换相周期Tp计算公式如下：

Tp＝6*10^7/(p*N*6)(单位:us) (1)

其中，p为电机极对数，N为电机转速。以电机为2对极为例，p＝2，稳速25000RPM，N＝25000，代入上式，计算得到一次换相的周期为200us，因此PWM载波频率选为5kHz。

在电机星型连接情况下使用30～40度的超前换相角，也就是对应相电压零点作为换相点，使得电机的功率能够实时地与输入功率跟踪，同时为了在重载时能够尽可能提高输出扭矩，需要根据转速和电流变化。超前角动态调整：转速、电流越大，超前角越大。超前换相对于无刷直流电机控制而言其本质是属于弱磁控制的范畴，而弱磁控制即为针对电机的恒功率工作区域，在此工作区域内，弱磁能体现功率跟踪的效果。

使用PWM-ON的调制方式，用于减小转矩脉动和续流效应，波形如图4所示。对PWM占空比根据脉动的母线电压大小进行修正，作为动态补偿，电压低则加大脉宽，电压高则减小脉宽，如图5所示。计算公式如下：

通过在硬件上减小电容容值，软件上使用PWM-ON调制方式、低载波比(低PWM频率)、动态调整超前换相角、占空比修正补偿等几个方面技术手段相结合，使得整机系统的功率因数大幅提高，电容充放电电流变小。图6和图7分别是轻载情况下的母线电容的充放电电流和相电流波形。图8和图9为重载情况下的电容充放电电流和相电流波形。从波形上可以看到，在每个半波周期(馒头波)内，电容的充放电电流导通角度都比较大，相当于将原本短时的高能量尖峰电流脉冲均摊到整个半波周期内。另外，电机相电流波形的包络和母线电压基本一致，因此电流与电压的相位差很小。

从能量迁移的角度来看，大电容方案下，输入的电能是先存储到电容中，然后再由电容向电机提供；而使用小电容方案，能量就不完全存储到电容中(也有一部分)，其余的直接向负载提供。对于确定的负载大小而言，总能量是保持不变的，只是在电容和负载之间转移的大小不同。如果使用过小的母线电容，会相应增加功率器件(MOSFET或IGBT)在电压波峰段的峰值电流，所以电容大小的选取需要和功率器件配合，保证在重载情况下，峰值电流在功率器件的安全区域并留有余量。

小电容的选型对系统可靠性和稳定性是一个关键因素之一。具体选择纹波电流能力大，寿命长的电容——这是两个尽可能优选的参数，没有定量的边界值。本实施例中所选择的电容C1这两项指标分别是：纹波电流接近1A，寿命10000h。对于带稳速的工具，PWM信号的占空比通过控制器132输出，是可以实时动态调整的。由于控制器132本身具备一定的鲁棒性，因此这其中已经隐含了式2的占空比补偿操作。而对于非稳速的工具，需要根据式(2)进行调整。

30～40度的超前角是以零度霍尔板为基准，对于不同的电机设计(星型接法或三角形接法，霍尔板安装偏角不一样，电机磁路设计不同等)该角度需要进行实际调整，调整成功的依据可以对照图6～图9的波形。

在一个实施例中，一种电动工具，电动工具具体可以是角磨机等。如图1至图3所示，该电动工具包括电机210和上述电机驱动电路，变频器120的输出端连接电机210，控制装置130连接电机210。

具体地，电机驱动电路中的电容C1为直径30毫米、长32毫米的电容。如图10所示，选取小体积的电容，减小电机驱动电路的体积，便于安装，可以在小空间工作，减小电动工具的体积，并且整机的重量也轻了，操作性比较好，便于用户使用、安装和维护，适用于轻量小型化的电动工具。

上述电动工具，控制装置130根据采集的转子位置反馈信号和电流测量信号对输出至变频器120的脉冲信号的频率和占空比进行调节，实现电机驱动电路的反馈调节，确保电容的电容值小于等于220微法时，使电机210的输出功率能够跟随电源的波动，从而让输出功率稳定，降低了电动工具的生产成本且功率因素高。还可避免整流器110的导通角变小，从而减小无功功率，节省电能。

在其中一个实施例中，电机210为无刷直流电机，可靠性高，稳定性好，适应性强，便于维修与保养。

在一个实施例中，如图3所示，电动工具还包括连接电机210的输出轴220。电机210在工作时通过输出轴220输出负荷扭矩，用于带动负载。

进一步地，在一个实施例中，如图10所示，电动工具还可包括控制板230，整流器110、变频器120和控制装置130均设置于控制板230，降低电机驱动电路损坏的可能性，提高了电动工具的使用寿命。

在一个实施例中，一种电动工具，包括壳体、电机和电机驱动电路，电机和电机驱动电路收容于壳体内，电机驱动电路设置有电容，电容为电容值小于等于220微法，且直径小于或等于30毫米、长度小于或等于32毫米的电容。

上述电动工具，通过降低保电容的电容值至小于等于220微法，使电机驱动电路中的电容的直可径小于或等于30毫米，且长度可小于或等于32毫米，减小了电机驱动电路的体积，便于安装，可以在小空间工作，从而减小电动工具的体积。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种电机驱动电路，其特征在于，包括电容、变频器和控制装置，所述电容为电容值小于等于220微法的电容，

所述变频器的输入端用于接入直流电，所述直流电两端并联所述电容，所述变频器的输出端连接所述控制装置，且用于连接电机，所述控制装置连接所述变频器的控制端，且用于连接所述电机。

2.根据权利要求1所述的电机驱动电路，其特征在于，所述电容为直径小于或等于30毫米、长度小于或等于32毫米的电容。

3.根据权利要求1所述的电机驱动电路，其特征在于，所述电容为电解电容、聚丙烯电容或D-LINK电容。

4.根据权利要求1所述的电机驱动电路，其特征在于，所述控制装置包括电流采集器和控制器，所述电流采集器连接所述变频器的输入端和所述控制器，所述控制器连接所述电机和所述变频器的控制端。

5.根据权利要求1所述的电机驱动电路，其特征在于，还包括整流器，所述整流器的输入正极和输入负极接入交流电，所述整流器的输出正极和输出负极连接所述变频器的输入端。

6.根据权利要求5所述的电机驱动电路，其特征在于，所述整流器为全桥整流器。

7.一种电动工具，其特征在于，包括电机和如权利要求1-6任意一项所述的电机驱动电路，所述变频器的输出端连接所述电机，所述控制装置连接所述电机。

8.根据权利要求7所述的电动工具，其特征在于，所述电机为无刷直流电机。

9.根据权利要求7所述的电动工具，其特征在于，还包括连接所述电机的输出轴。

10.根据权利要求7所述的电动工具，其特征在于，还包括控制板，所述电机驱动电路包括整流器，所述整流器、所述变频器和所述控制装置均设置于所述控制板。