TWI519056B - Motor control circuit and control method of electric hand tool - Google Patents

Description

電動手工具之馬達控制電路及控制方法

本發明有關於一種電動手工具之技術領域，特別有關於一種電動手工具之馬達控制電路及控制方法。

隨著科技的發展，電動手工具的性能逐漸被重視。電動手工具過去主要使用直流永磁電動機，直流永磁電動機因需要使用碳刷、換向片，且有散熱不易之問題逐漸被淘汰。此外，由於數位信號處理器的普及，及直流無刷電動機具有免保養、高能量密度、高可靠度等優點，近年來已被廣泛的應用於電動工具上。

直流無刷電動機使用六步方波驅動時的輸出轉矩與輸入電流成正比，因此使用數位信號處理器進行控制時，會針對直流電壓鏈(DC Link)電流進行控制，控制流入直流無刷電動機之繞組的電流，進而控制電動機的輸出轉矩。

欲進行電流控制時，首先要偵測直流無刷電動機之輸入電流。一般而言，工業產品就成本考量，不會使用價格昂貴的霍爾型電流感測器，而使用電阻將電流信號轉換為電壓信號，並將電壓信號輸入數位信號處理器以供使用，如圖1為習知安裝單一檢流電阻之三相換流器驅動直流無刷電動機之電路圖所示。

在圖1之單一檢流電阻之架構的情況，藉由檢流電阻R上的壓降可以得知流經直流無刷電動機之繞組上的電流。其中在功 率開關T₁、T₂、T₃、T₄、T₅、T₆導通時流經檢流電阻R上的電流變化相當劇烈，由於類比-數位轉換器要將檢流電阻R上電壓信號進行轉換是需要固定的轉換時間，且三相變頻器之功率開關T₁、T₂、T₃、T₄、T₅、T₆的導通週期甚短，故數位信號處理器不易準確的計算得知直流無刷電動機的平均電流，因而增加輸出轉矩估測的誤差及電流控制的精度變差。再者，電動手工具具有高輸出轉矩，當應用在螺絲鎖固時，會因輸出轉矩太大或太小而造成被鎖物的損壞或因未鎖緊而產生危險，因而造成使用者的危險以及待加工物件的損壞。

有鑒於上述問題，本發明之目的在於提供一種電動手工具之馬達控制電路及控制方法，提供改良的電流檢出方式，即使在N相變頻器之功率開關的導通週期甚短的情況下，亦可較準確地得知直流無刷電動機的平均電流，減少輸出轉矩估測的誤差及提高電流控制的精度，而且提出具有轉矩設定及顯示的電動手工具，以保護使用者的安全以及避免操作時造成待加工物件的損壞。

本發明之第一態樣係提供一種電動手工具之馬達控制電路，用以控制一直流無刷電動機，該馬達控制電路包括：一N相變頻器，根據一脈波寬度調變信號的導通週期及截止週期控制該N相變頻器之每一電源供應臂之開關的導通及截止，以產生供應給該直流無刷電動機之N相變頻直流電源，N個電阻之每一個分別串接該N相變頻器之N個電源供應臂之每一個；以及一數位信號處理器，輸出該脈波寬度調變信號至該N相變頻器，檢出流經該直流無刷電動機之每一相之電流，其中該直流無刷電動機之每一相之電流相應於流經該N相變頻器之每一電阻之一電 流信號；其中當由該數位信號處理器輸出的該脈波寬度調變信號之導通週期小於該脈波寬度調變信號之截止週期時，該數位信號處理器將檢出之該電流信號在該數位信號處理器所產生之一計數信號之峰值之時間點進行取樣，以獲得一平均電流，當由該數位信號處理器輸出的該脈波寬度調變信號之導通週期大於或等於該脈波寬度調變信號之截止週期時，該數位信號處理器將檢出之該電流信號在該計數信號之零值之時間點進行取樣，以獲得該平均電流，而該計數信號之週期時間相應該脈波寬度調變信號之週期時間。

本發明之第二態樣係提供一種電動手工具之馬達控制方法，用以控制一直流無刷電動機，該馬達控制方法包括下列步驟：根據一脈波寬度調變信號產生N相變頻直流電源，以供應給該直流無刷電動機；檢出流經該直流無刷電動機之每一相之具有導通週期及截止週期之一電流信號；以及當該脈波寬度調變信號之導通週期小於該脈波寬度調變信號之截止週期時，將檢出之該電流信號在一計數信號之峰值之時間點進行取樣，以獲得一平均電流，當該脈波寬度調變信號之導通週期大於或等於該脈波寬度調變信號之截止週期時，將檢出之該電流信號在該計數信號之零值之時間點進行取樣，以獲得該平均電流，其中該計數信號之週期時間相應該脈波寬度調變信號之週期時間。

20‧‧‧直流無刷電動機

22‧‧‧三相變頻器

24‧‧‧數位信號處理器

26‧‧‧轉矩顯示介面

30‧‧‧電流信號選擇器

32‧‧‧乘法器

34‧‧‧比例積分電流控制器

36‧‧‧脈波寬度調變計數器

38‧‧‧乘法器

R_a、R_b、R_c‧‧‧檢流電阻

T₁、T₂、T₃、T₄、T₅、T₆‧‧‧功率開關

圖1為習知安裝單一檢流電阻之三相變頻器驅動直流無刷電動 機之電路圖；圖2為本發明之電動手工具之馬達控制電路之方塊圖；圖3為本發明安裝三個檢流電阻之三相變頻器驅動直流無刷電動機之電路圖；圖4A及圖4B為本發明在操作三相變頻器之功率開關時直流無刷電動機之電流之流動路徑之示意圖；圖5A為本發明之檢流電阻上之電流感測信號之波形圖；圖5B為本發明之計數脈波寬度調變信號之波形圖；圖5C為本發明之脈波寬度調變信號之波形圖；圖6A為本發明之檢流電阻上之電流感測信號之另一波形圖；圖6B為本發明之計數脈波寬度調變信號之另一波形圖；圖6C為本發明之脈波寬度調變信號之另一波形圖；圖7為本發明之取樣直流無刷電動機之平均電流之流程圖；圖8為本發明之直流無刷電動機之轉矩控制方法之流程圖；以及圖9為本發明之直流無刷電動機之電流與負載變化之波形圖。

為使熟習本發明所屬技術領域之一般技藝者能更進一步了解本發明，下文特列舉本發明之數個較佳實施例，並配合所附圖式，詳細說明本發明的構成內容及所欲達成之功效。

圖2為本發明之電動手工具之馬達控制電路之方塊圖。在圖2中，電動手工具之馬達控制電路用以控制一直流無刷電動機20。馬達控制電路包括一三相變頻器22、一數位信號處理器24及一轉矩顯示介面26。本實施例雖使用三相變頻器，但並非用以侷 限本發明，任何多相變頻器皆適用於本發明。

三相變頻器22根據數位信號處理器24輸出之一脈波寬度調變信號的導通週期及截止週期控制三相變頻器22之每一電源供應臂之功率開關(見下述圖3之說明)的導通及截止，以產生供應給直流無刷電動機20之三相變頻直流電源，三個電阻之每一個分別串接三相變頻器22之三個電源供應臂之每一個(見下述圖3之說明)。

圖3為本發明安裝三個檢流電阻之三相變頻器驅動直流無刷電動機之電路圖。在圖3中，功率開關T₁及功率開關T₂串接形成三相變頻器22之第一電源供應臂，檢流電阻R_a與功率開關T₁及功率開關T₂串聯連接，形成串聯連接之功率開關T₁、功率開關T₂及檢流電阻R_a再與電源V_dc並聯；功率開關T₃及功率開關T₄串接形成三相變頻器22之第二電源供應臂，檢流電阻R_b與功率開關T₃及功率開關T₄串聯連接，形成串聯連接之功率開關T₃、功率開關T₄及檢流電阻R_b再與電源V_dc並聯；功率開關T₅及功率開關T₆串接形成三相變頻器22之第三電源供應臂，檢流電阻R_c與功率開關T₅及功率開關T₆串聯連接，形成串聯連接之功率開關T₅、功率開關T₆及檢流電阻R_c再與電源V_dc並聯。

直流無刷電動機20之三相電源端分別連接功率開關T₁及功率開關T₂之連接端、功率開關T₃及功率開關T₄之連接端、功率開關T₅及功率開關T₆之連接端。

功率開關T₁、T₂、T₃、T₄、T₅、T₆之控制端連接數位信號處理器24，數位信號處理器24輸出之脈波寬度調變信號控制功率開關T₁、T₂、T₃、T₄、T₅、T₆之每一者的導通與截止。

舉例說明，圖3為使用檢流電阻R_a、R_b及R_c三個檢流電 阻進行檢出平均電流的方式。假設直流無刷電動機20的操作區間為3相120度導通驅動方式，以習知六步方波其中一步激勵a-b相為例，使用三個檢流電阻R_a、R_b及R_c進行量測時，由圖4A及圖4B為本發明在操作三相變頻器之功率開關時直流無刷電動機之電流之流動路徑之示意圖可看出，無論功率開關T ₁的狀態為導通或截止，皆可藉由檢流電阻R_b上的壓降進行直流無刷電動機20之繞組之電流I_b的檢出，因此有較多的資訊可進行平均電流I_avg的取樣。本實施例藉由適當的選擇功率開關在導通或截止區間進行電流取樣，使得取樣電流接近平均電流I_avg。

進行檢流電阻R_a、R_b及R_c之電流量測時，須配合習知六步方波的開關狀態，以選擇適當的電流信號進行電流取樣。選擇的方法為依照六步方波驅動的開關導通規則，偵測三相變頻器22之電源供應臂持續導通的電阻，如激勵直流無刷電動機20之a-b相繞組時，第二電源供應臂的功率開關T₄會持續導通，因此選擇檢流電阻R_b上的電壓做為電流偵測信號，其餘的區間依照此規則進行選擇。

再次參考圖2，數位信號處理器24檢出流經圖3中分別流經檢流電阻R_a、R_b、R_c之電流信號i_a、i_b、i_c，並進行取樣以獲得一平均電流I_avg。數位信號處理器24將平均電流I_avg乘上轉矩常數K_T所得到之一估測轉矩傳送至轉矩顯示介面26，而由轉矩顯示介面26顯示估測轉矩之數值。

數位信號處理器24包括一電流信號選擇器30、一乘法器32、一比例積分電流控制器34、一脈波寬度調變計數器36及一乘法器38。電流信號選擇器30檢出流經圖3中三相變頻器22之每一檢流電阻R_a、R_b、R_c之電流信號i_a、i_b、i_c，並進行取樣以獲得平均電 流I_avg。

乘法器32將所設定之一最大輸出轉矩命令乘上轉矩常數K_T之倒數以得到一最大轉矩平均電流命令。比例積分電流控制器34將平均電流I_avg與最大轉矩平均電流命令之差異進行比例積分運算，以獲得一控制信號。脈波寬度調變計數器36根據控制信號調整輸出至三相變頻器22之脈波寬度調變信號之脈波寬度及導通與截止週期。

乘法器38將平均電流I_avg乘上轉矩常數K_T以得到一估測轉矩，並將估測轉矩傳送至轉矩顯示介面26，而由轉矩顯示介面26顯示估測轉矩之數值。

圖5A為本發明之檢流電阻上之電流感測信號之波形圖，圖5B為本發明之計數脈波寬度調變信號之波形圖，圖5C本發明之脈波寬度調變信號之波形圖，圖6A為本發明之檢流電阻上之電流感測信號之另一波形圖，圖6B為本發明之計數脈波寬度調變信號之另一波形圖，圖6C本發明之脈波寬度調變信號之另一波形圖，圖7為本發明之取樣直流無刷電動機之平均電流之流程圖。

在進行直流無刷電動機20之平均電流I_avg偵測的情況下，由於三相變頻器22使用三個檢流電阻R_a、R_b及R_c，功率開關T₁、T₂、T₃、T₄、T₅、T₆的導通及截止狀態皆可量測檢流電阻R_a、R_b及R_c之其中一者的電流，其電流偵測信號之波形如圖5A、6A所示。其中電流平均I_avg可表示為： 其中i為瞬時電流，若以數位信號處理器24進行計算可將公式(1)表 示為： 其中M為在此週期的取樣次數，則取樣間隔時間△t表示為：

一般而言，電流控制及切換頻率為20kHz，即控制週期T _s 為50μSec，若要對此控制週期內的波形進行取樣，取樣次數M至少要大於10次，即以類比-數位轉換器進行電流偵測的取樣頻率要高於200kHz，才可使取樣波形接近實際波形。在考量類比-數位轉換時間及數位信號處理器24的運算時間，實作上無法使用公式(2)式進行電流平均I_avg的計算。

基於上述問題，本實施例提出如圖7所示藉由數位信號處理器24內的脈波寬度調變計數器36選擇適當的電流取樣點，而在每個控制週期T _s 內對直流無刷電動機20只需進行一次電流取樣，即可取樣求得平均電流I_avg。

圖5B、6B為上下數形式的脈波寬度調變計數器36之計數信號的波形，其中，其中PR為脈波寬度調變計數器36之計數信號的最大值。操作時會設定一脈波寬度調變比較值與脈波寬度調變計數器36的計數信號做比較，當脈波寬度調變比較值大於計數信號時，脈波寬度調變信號的狀態為ON，反之則為OFF，脈波寬度調變信號的波形圖如圖5C、6C所示。脈波寬度調變計數器36控制三相變頻器22時，藉由調整脈波寬度調變比較值的大小進而改變脈波寬度調變信號的工作週期。

由習知方法可知，當功率開關的導通週期相當的短時，不易對直流無刷電動機進行電流量測。透過本實施例提出的三個檢流電阻R_a、R_b及R_c之量測，亦可於功率開關T₁、T₂、T₃、T₄、T₅、T₆截止時量測直流無刷電動機之電流。因此，依照功率開關T₁、T₂、T₃、T₄、T₅、T₆的導通週期大小，選擇於功率開關T₁、T₂、T₃、T₄、T₅、T₆的導通或是截止時進行電流取樣(步驟S50)。

數位信號處理器24判斷是否在功率開關T₁、T₂、T₃、T₄、T₅、T₆之截止週期量測直流無刷電動機20之電流，亦即數位信號處理器24判斷脈波寬度調變計數器36輸出至功率開關T₁、T₂、T₃、T₄、T₅、T₆之脈波寬度調變信號的導通週期是否小於截止週期(步驟S52)。

若輸出至功率開關T₁、T₂、T₃、T₄、T₅、T₆之脈波寬度調變信號的導通週期小於截止週期，則可以選擇脈波寬度調變信號的截止週期對檢流電阻R_a、R_b及R_c進行電流取樣，將電流取樣點設定為脈波寬度調變計數器36之計數信號的最大值PR，以量測功率開關T₁、T₂、T₃、T₄、T₅、T₆之截止週期的電流信號，如圖5A、5B及5C所示(步驟S54)。

若輸出至功率開關T₁、T₂、T₃、T₄、T₅、T₆之脈波寬度調變信號的導通週期大於或等於截止週期，則可以選擇於脈波寬度調變信號的導通週期對檢流電阻R_a、R_b及R_c進行電流取樣，設定電流取樣點為脈波寬度調變計數器36之計數信號為零值時，如圖6A、6B及6C所示(步驟S56)。

藉由依照六步方波的開關狀態來選擇取樣電流信號，加上適當的設定取樣點，使在檢流電阻R_a、R_b及R_c上取樣的電 流接近實際電流，以提升直流無刷電動機20之電流控制時的精準度，進而提升輸出轉矩估測及控制的精確度。

表1為使用示波器及動力計以量測直流無刷電動機在堵轉時之平均電流與輸出轉矩的關係，並利用此資訊進行轉矩常數K _T 的計算，其計算出的轉矩常數之平均值約為0.3969。由於轉矩常數的變動相當的小，因此若能精確的直流無刷量測電動機的平均電流，即可精準的獲得估測的轉矩。

圖8為本發明之直流無刷電動機之轉矩控制方法之流程圖，圖9為本發明之直流無刷電動機之電流與負載變化之波形圖。

在圖8中，使用電動手工具(未圖示)之使用者可對電動手工具設定一個最大電動機輸出轉矩命令，由乘法器32將此轉矩命令乘上轉矩常數K_T之倒數，以得到直流無刷電動機20之繞組的平均電流命令(步驟S60)。

使用者是否有按壓下電動手工具之開關(未圖示)(步驟S62)。若未按壓下電動手工具之開關，則等待使用者按壓下電動手工具之開關。若按壓下電動手工具之開關，則由數位信號處理器24檢出直流無刷電動機20之每一相之電流，並根據圖7之流程步驟對直流無刷電動機20檢出之電流進行取樣以獲得平均電流I_avg(步驟S64)。

接著，由乘法器38將平均電流I_avg乘上轉矩常數K_T以得到一估測轉矩，並將估測轉矩傳送至轉矩顯示介面26，而由轉矩顯示介面26顯示估測轉矩之數值(步驟S66)。

由數位信號處理器24判斷電動手工具之輸出轉矩是否大於等於最大電動機輸出轉矩命令，亦即判斷直流無刷電動機20之繞組的電流是否大於等於平均電流命令(步驟S68)。

若直流無刷電動機20之繞組的電流小於平均電流命令，如圖9之上圖中正常運轉區間之電流波形及下圖中輕負載的曲線所示，則數位信號處理器24檢出的平均電流I_avg經比例積分電流控制器34將平均電流I_avg與最大轉矩平均電流命令之差異進行比例積分運算，以獲得一控制信號。脈波寬度調變計數器36根據控制信號調整輸出至三相變頻器22之脈波寬度調變信號之脈波寬度及導通與截止週期，而使直流無刷電動機20操作在正常運轉的情況(步驟S70)。接著進行到步驟S64。

若直流無刷電動機20之繞組的電流大於或等於平均電流命令，如圖9之上圖中定電流控制區間之電流波形及下圖中最大負載的曲線所示，由圖9可以發現直流無刷電動機20加載後繞組之電流急遽上升，則由數位信號處理器24控制三相變頻器22而對直流無刷電動機20定電流控制，使直流無刷電動機20操作在最大輸出轉矩(亦即最大電動機輸出轉矩命令)的輸出，且數位信號處理器24開始時間計數(步驟S72)。

由數位信號處理器24判斷直流無刷電動機20輸出最大輸出轉矩的時間是否大於一預設時間t _ct (步驟S74)。若直流無刷電動機20輸出最大輸出轉矩的時間小於或等於預設時間t _ct ，則進行到 步驟S70；若直流無刷電動機20輸出最大輸出轉矩的時間大於預設時間t _ct ，則將直流無刷電動機20停止(步驟S76)。

本發明提供一種電動手工具之馬達控制電路及控制方法，其優點提供改良的電流檢出方式，即使在N相變頻器之功率開關的導通週期甚短的情況下，亦可較準確地得知直流無刷電動機的平均電流，減少輸出轉矩估測的誤差及提高電流控制的精度，而且提出具有轉矩設定及顯示的電動手工具，以保護使用者的安全以及避免操作時造成待加工物件的損壞。

雖然本發明已參照較佳具體例及舉例性附圖敘述如上，惟其應不被視為係限制性者。熟悉本技藝者對其形態及具體例之內容做各種修改、省略及變化，均不離開本發明之申請專利範圍之所主張範圍。

20‧‧‧直流無刷電動機

22‧‧‧三相變頻器

24‧‧‧數位信號處理器

26‧‧‧轉矩顯示介面

30‧‧‧電流信號選擇器

32‧‧‧乘法器

34‧‧‧比例積分電流控制器

36‧‧‧脈波寬度調變計數器

38‧‧‧乘法器

Claims (7)

1. 一種電動手工具之馬達控制電路，用以控制一直流無刷電動機，該馬達控制電路包括：一N相變頻器，根據一脈波寬度調變信號的導通週期及截止週期控制該N相變頻器之每一電源供應臂之開關的導通及截止，以產生供應給該直流無刷電動機之N相變頻直流電源，N個電阻之每一個分別串接該N相變頻器之N個電源供應臂之每一個；以及一數位信號處理器，輸出該脈波寬度調變信號至該N相變頻器，檢出流經該直流無刷電動機之每一相之電流，其中該直流無刷電動機之每一相之電流相應於流經該N相變頻器之每一電阻之一電流信號；其中當由該數位信號處理器輸出的該脈波寬度調變信號之導通週期小於該脈波寬度調變信號之截止週期時，該數位信號處理器將檢出之該電流信號在該數位信號處理器所產生之一計數信號之峰值之時間點進行取樣，以獲得一平均電流，當由該數位信號處理器輸出的該脈波寬度調變信號之導通週期大於或等於該脈波寬度調變信號之截止週期時，該數位信號處理器將檢出之該電流信號在該計數信號之零值之時間點進行取樣，以獲得該平均電流，而該計數信號之週期時間相應該脈波寬度調變信號之週期時間。
2. 如申請專利範圍第1項之馬達控制電路，其中，該數位信號處理器設定相應一最大輸出轉矩命令之一最大轉矩平均電流命令，當該平均電流小於該最大轉矩平均電流命令時，使該直流無刷電動機正常運轉，當該平均電流大於或等於該最大轉矩平均電流命令時，使該直流無刷電動機操作在該最大輸出轉矩，並在一預設時間後停止該直流無刷電動機。
3. 如申請專利範圍第2項之馬達控制電路，其中，該數位信號處理器包括：一電流信號選擇器，檢出流經該N相變頻器之每一電阻之該電流信號，並進行取樣以獲得該平均電流；一第一乘法器，將該最大輸出轉矩命令乘上一轉矩常數之倒數以得到該最大轉矩平均電流命令；一比例積分電流控制器，將該平均電流與該最大轉矩平均電流命令之差異進行比例積分運算，以獲得一脈波寬度調變信號比較值；以及一脈波寬度調變器，比較該脈波寬度調變信號比較值以調整輸出至該N相變頻器之該脈波寬度調變信號，當該脈波寬度調變信號比較值大於或等於該計數信號時，該脈波寬度調變信號為導通週期，當該脈波寬度調變信號比較值小於該計數信號時，該脈波寬度調變信號為截止週期。
4. 如申請專利範圍第3項之馬達控制電路，其中，該數位信號處理器進一步包括一第二乘法器，將該平均電流乘上該轉矩常數以得到一估測轉矩，並輸出至一轉矩顯示介面，以顯示該估測轉矩之數值。
5. 一種電動手工具之馬達控制方法，用以控制一直流無刷電動機，該馬達控制方法包括下列步驟：根據一脈波寬度調變信號產生N相變頻直流電源，以供應給該直流無刷電動機；檢出流經該直流無刷電動機之每一相之具有導通週期及截止週期之一電流信號；以及 當該脈波寬度調變信號之導通週期小於該脈波寬度調變信號之截止週期時，將檢出之該電流信號在一計數信號之峰值之時間點進行取樣，以獲得一平均電流，當該脈波寬度調變信號之導通週期大於或等於該脈波寬度調變信號之截止週期時，將檢出之該電流信號在該計數信號之零值之時間點進行取樣，以獲得該平均電流，其中該計數信號之週期時間相應該脈波寬度調變信號之週期時間。
6. 如申請專利範圍第5項之馬達控制方法，其中，在檢出該電流信號為該平均電流之步驟中，進一步包括下列步驟：設定一最大輸出轉矩命令；檢出該直流無刷電動機之每一相之電流，並進行取樣以獲得該平均電流；判斷該平均電流是否小於相應該最大輸出轉矩命令之一最大轉矩平均電流命令；當該平均電流小於該最大轉矩平均電流命令時，使該直流無刷電動機正常運轉；當該平均電流大於或等於該最大轉矩平均電流命令時，使該直流無刷電動機操作在該最大輸出轉矩；以及判斷該直流無刷電動機操作在該最大輸出轉矩於一預設時間後，停止該直流無刷電動機。
7. 如申請專利範圍第6項之馬達控制方法，其中，在檢出該直流無刷電動機之每一相之該平均電流之步驟後，進一步包括下列步驟：將該平均電流乘上一轉矩常數以得到一輸出轉矩；以及顯示該輸出轉矩之數值。