TWI730281B - 電動工具中之電子制動技術 - Google Patents

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TWI730281B TW108100072A TW108100072A TWI730281B TW I730281 B TWI730281 B TW I730281B TW 108100072 A TW108100072 A TW 108100072A TW 108100072 A TW108100072 A TW 108100072A TW I730281 B TWI730281 B TW I730281B
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卡爾 Ｂ 威斯特比
提摩西 Ｒ 歐柏曼
艾利克斯 休柏
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美商米沃奇電子工具公司
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Abstract

一種電動工具，其包括一三相直流馬達、一電力切換網路、一電源、以及一電子處理器。馬達之一第一相位係連接於一第一高側電子開關與一第一低側電子開關之間、以及一第二高側電子開關與一第二低側電子開關之間。第一高側電子開關與第二高側電子開關並聯，並且第一低側電子開關與第二低側電子開關並聯。電子處理器接收停止馬達之一指示，以及止動第一高側電子開關及第一低側電子開關，並且啟動第二高側電子開關及第二低側電子開關，使得馬達產生之反電磁力係相對於電源以一第二極性連接。

Description

電動工具中之電子制動技術
本發明係有關於使用電子制動來停止電動工具中之馬達。
提供一種電動工具，其包括一三相直流馬達、一電力切換網路、一電源、以及一電子處理器。
一電力切換網路包括一組高側電子開關及一組低側電子開關。馬達之一第一相位係連接於一第一高側電子開關與一第一低側電子開關之間、以及一第二高側電子開關與一第二低側電子開關之間。第一高側電子開關與第二高側電子開關並聯，並且第一低側電子開關與第二低側電子開關並聯。一電子處理器被組配用以接收操作該馬達之一指示，以及回應於接收操作該馬達之該指示，啟動該第一高側電子開關及該第一低側電子開關，使得該馬達產生之一反電磁力係相對於一電源以一第一極性連接。該電子處理器亦被組配用以接收停止該馬達之一指示，回應於接收停止該馬達之該指示，止動該第一高側電子開關及該第一低側電子開關，並且啟動該第二高側電子開關及 該第二低側電子開關，使得該馬達產生之該反電磁力係相對於該電源以一第二極性連接。
在另一實施例中，提供一種電動工具，其包括一三相直流馬達、一電力切換網路、一電源、以及一電子處理器。該電力切換網路包括一組高側電子開關及一組低側電子開關。該馬達之一第一相位係連接於一第一低側電子開關與一電源電子開關之間。該馬達之該第一相位亦經由該第一高側電子開關連接至該電源，該第一個高側電子開關與一二極體並聯。該電子處理器係耦合至該電力切換網路，並且被組配用以在該馬達之操作期間接收停止該馬達之一指示，回應於接收停止該馬達之該指示，啟動該第一低側電子開關，啟動一第二低側電子開關持續一預定時間，使得該馬達產生之一反電磁力係儲存在該馬達之該第一相位中，並且在該預定時間之後止動該第二低側電子開關，使得再生電流係提供給該電源。該電子處理器更被組配用以週期性地啟動及止動該第二低側電子開關，直到例如該馬達之一轉子達到一預定位置為止。
在另一實施例中，提供一種用於制動一電池供電型電動工具中之一馬達的方法。該方法包括在該馬達之操作期間，於一電子處理器處接收停止該馬達之一指示。該電子處理器與包含一組高側電子開關及一組低側電子開關之一電力切換網路通訊。該馬達之一第一相位係連接於一第一低側電子開關與一電源電子開關之間，並且係經由一第一高側電子開關進一步連接至該電動工具之一電 源。該第一高側電子開關與一二極體電氣並聯。該方法更包括回應於接收停止該馬達之該指示，啟動該第一低側電子開關及一第二低側電子開關持續一第一預定時間，使得該馬達產生之一反電磁力係儲存在該馬達之該第一相位中。該方法亦包括在該第一預定時間之後止動該第二低側電子開關，使得一第一再生電流係提供給該電源。
鑑於詳細說明及附圖，本發明之其他態樣將變得顯而易見。
10、110:電動工具
15:馬達
20:外罩
25:手柄部分
55:觸發器
65:防護罩
70:定子
75:定子繞組
80:轉子
85:永久磁鐵
90:馬達軸
115:電力電路
120:電力切換網路
125:感測器
135:電子處理器
137:記憶體
140:使用者輸入控制
145:輔助組件
200:簡圖
202:第一相位
203:第二相位
204:第三相位
205、210、215、220、225、230:電子開關
235、240、245、250、255、260:內接二極體
265、270、275:電感器
285、290、295:電阻器
300、305、310:電壓源
315:電源
320:二極體
325:開關
330:電容器
400、500、700:方法
405、410、415、420、505、510、515、520、525、530、535、540、705、710、715、720、725:步驟
545、550、555、560:波形
565:充電電流
570:電流
600:PID控制器
605:目標減速速率
610:所測得馬達速率
615:誤差
620、645:誤差信號
625:積分增益
630:積分分量
635:比例增益
640:比例分量
650:微分增益
655:微分分量
660:調整信號
665:縮放調整信號
670:飽和函數
圖1根據本發明之一項實施例繪示一電動工具。
圖2A繪示該電動工具的一方塊圖。
圖2B繪示該電動工具之一馬達。
圖3繪示圖1及2A之電動工具之一馬達及一電力切換網路的一簡圖。
圖4係一流程圖，其繪示電子制動圖1及2A之電動工具之馬達之一方法。
圖5係一流程圖，其繪示電子制動圖1及2A之電動工具之馬達之另一方法。
圖6繪示當馬達之一相位短接時，電力切換網路及馬達的一簡化圖。
圖7繪示當再生充電電流係提供給一電源時，電力切換網路及馬達的一簡化圖。
圖8繪示例示性波形，用以進一步繪示從馬 達到電源之電力交換。
圖9繪示用於電子制動圖1及2A之電動工具之馬達之一比例-積分-微分(PID)控制器的一示意圖。
圖10係一流程圖，其繪示調整一PWM信號使圖1及2A之電動工具之馬達以一特定率減速之一方法。
在詳細解釋本發明之任何實施例之前，要瞭解的是，本發明之應用不受限於以下說明中所提、或以下圖式中所示布置結構及組件之細節。本發明能夠實現其他實施例，並且能夠以各種方式實踐或實行。再者，複數個硬體與軟體為基之裝置、以及複數個不同結構化組件可用於實施本發明。再者，並且如後續段落中所述，圖式中繪示之特定組態旨在提供例示性實施例，並且其他替代組態是有可能的。「電子處理器」一詞係用作為識別進行特定功能之一單元，並且應瞭解的是，除非另有敍述，否則那些功能可藉由單一電子處理器、或採用任何形式布置之多個電子處理器來實行，包括平行電子處理器、串列電子處理器、串接電子處理器或電子雲端處理/雲端運算組態。
圖1繪示具有一馬達15之一電動工具10。在諸如圖1所示電動工具10之一電動工具中，切換元件係藉由來自一電子處理器135(圖2A)之控制信號來選擇性地啟用及停用，以選擇性地從一電源(例如：交流源，諸如一壁式插座)施加電力以驅動馬達15。在所示實施例中，電動工具10係一研磨機，其具有帶一手柄部分25之一外罩20。 電動工具10更包括一觸發器55或類似致動器、一電力電路115(圖2A)、以及防護罩65。雖然圖1所示之電動工具10係一交流研磨機，本說明書仍適用於具有一馬達之其他電動工具，諸如一衝擊扳手、一鑽頭、一往復鋸，一打釘機、一訂合機等、以及類似者。下文所述之制動方法對於具有一大型移動質量之電動工具可特別有用，諸如一大型盤式研磨機、一打釘機、或一訂合機。本說明書亦適用於有刷及無刷馬達及控制器。本說明書適用於以AC(交流)電力供電之電動工具、以及那些以DC(直流)電力(例如，以電池組)操作之電動工具。
圖2A繪示電動工具10的一簡化方塊圖110，其包括一電力電路115、電力切換網路120(例如，包括場效電晶體(FET)、(諸)三端雙向可控矽開關、及/或其他電子開關之不同組合及布置結構、以及類似者)、一馬達15、複數個感測器125、一電子處理器135、一記憶體137、使用者輸入控件140、以及輔助組件145(例如：工作燈(LED)、電流/電壓感測器、指示器等)。電力電路115舉例而言，包括一整流器、一步降控制器、一濾波器、以及類似者。電力電路115調制從一外部電源接收之電力，並且以一適當位準對電動工具10之電子器件進行配電。在一些實施例中，外部電源可以是可再充電並且使用例如鋰離子電池技術之一電動工具電池組。在一些例子中，電力電路115可從耦合至一標準壁式插座之一工具插頭接收交流電力(例如：120V/60Hz)。在此類例子中，電力電路 115接著將收到之電力進行濾波、調制、及整流以輸出直流電力。雖然圖未示，電動工具10之電子處理器135及其他組件係電氣耦合至電力電路115，使得電力電路115向其提供電力。
複數感測器125係分布在電動工具10之各個部件中，並且檢測電動工具10之不同參數及條件。舉例而言，感測器125包括將馬達速率之一指示輸出之一速率感測器。速率感測器係耦合至馬達15及電子處理器135。速率感測器舉例而言，可包括霍爾效應感測器、一旋轉編碼器、一感應式感測器、以及類似者。速率感測器可產生當轉子80之一磁體跨感測器面部旋轉時之一輸出信號(例如：一脈衝)。基於來自速率感測器之馬達回授資訊，電子處理器135可直接確定轉子80之位置、速率(即速度)、以及加速度。電動工具10亦可包括其他類型之感測器，以在操作期間檢測電動工具10之不同參數。舉例而言，電動工具10可包括電壓感測器、電流感測器、旋轉感測器、位置感測器(例如：磁力計、加速計等)、以及類似者。複數個感測器125各耦合至電子處理器135，並且將其輸出信號傳送至電子處理器135。
使用者輸入控件140舉例而言，包括用以改變電動工具10操作之觸發器55及/或其他致動器。電子處理器135從使用者輸入控件140接收使用者控制信號，諸如觸發器55(或類似使用者致動器)之一按壓。回應於馬達回授資訊及使用者控制，電子處理器135傳送控制信號，對 電力切換網路120進行控制以驅動馬達15。藉由選擇性地啟用及停用電力切換網路120，來自電力電路115之電力係採用一循環方式選擇性地施加至馬達15之定子繞組75，以造成馬達15之轉子之旋轉。舉例而言，為了使用來自感測器125之馬達定位資訊來驅動馬達15，電子處理器135確定轉子磁體有關於定子繞組75之所在處，並且(a)以預定型樣賦能下一個定子繞組對(或多對)，以一所欲旋轉方向對轉子磁體提供磁力，以及(b)使先前受賦能之定子繞組對(或多對)去能，以防止在轉子磁體上施加與轉子80旋轉方向相反之磁力。類似的是，當釋放觸發器55時，選擇性地啟用及停用電力切換網路120，藉由轉子磁體上之定子繞組75產生與轉子旋轉方向相反之磁力，以制動馬達15，下文有更詳細論述。
圖2B根據一些實施例繪示電動工具10之馬達15。馬達15包括一定子70，定子70包括形成三對繞組之六個定子繞組75。位於定子70內的是包括四個永久磁鐵85之一轉子80。定子70之一芯體係由一疊片堆疊所形成，轉子80之一芯體也是如此。一馬達軸90係固定在轉子80內，並且經由一傳動機構(圖未示)驅動電動工具10(例如：一研磨機輪)之一輸出。如本文中所述，由電力切換網路120(圖2A)選擇性地提供給定子繞組75之電流在永久磁鐵85上產生磁力，該等磁力驅動轉子80之旋轉，並且在一些例子中，提供與轉子80旋轉反方向之力以制動轉子80。
圖3繪示當透過電力電路115接收電力時馬 達15及電力切換網路120的一簡圖200。在所示實施例中，馬達15係包括一第一相位202、一第二相位203、及一第三相位204之一無刷直流馬達。然而，在其他實施例中，可使用不同類型之馬達。如圖3所示，電力切換網路120包括三個高側電子開關205、210、215及三個低側電子開關220、225、230。在所示實施例中，電子開關205至230包括MOSFET。在其他實施例中，可使用其他類型之電子開關，諸如雙載子接面電晶體(BJT)、絕緣閘雙極電晶體(IGBT)、以及其他電子開關類型。另外，各電子開關205至230分別與內接二極體235、240、245、250、255、260以並聯方式連接。在圖3之簡圖中，馬達15之各相位係藉由一電感器、一電阻器、以及一電壓源來表示。由於馬達15係一三相馬達，圖3繪示三個電感器265至275、三個電阻器285至295、以及三個電壓源300至310。各電感器265至275代表馬達15之各相位儲存電力之能力。再者，各電感器265至275代表馬達15之各相位之馬達繞組。各電阻器285至295象徵馬達15之各相位之電阻，並且各電壓源300至310代表各相位中產生之反電磁力(即反電動勢)。反電動勢係藉由定子繞組(例如：定子繞組75)中感應電流之轉子磁體(例如：永久磁鐵85)之旋轉所產生。
電力切換網路120從電力電路115接收電力。在所示實施例中，電力電路115從電池組接收電力，並且在圖3中係以電源315表示。電源315與一二極體320及一開關325(亦稱為一電源電子開關)之一並聯組合以串 聯方式連接。二極體320及開關325控制來自電源315之電流之流動。舉例而言，開關325可在一導通狀態與一非導通狀態之間切換。當開關325處於導通狀態時，電流可雙向流至及流出電源315。然而，當開關325處於非導通狀態時，電流只能經過二極體320流至電源315。一電容器330與電源315係以並聯方式連接，如圖3所示。電容器330有助於修勻來自(及送至)電源315之電壓。電子處理器135控制開關325之狀態、以及電力切換網路120中各電子開關之狀態。
在所示實施例中，電子處理器135係藉由與記憶體137通訊之一微處理器來實施，記憶體137儲存藉由該微處理器來取回及執行之指令，用以實施本文中所述之電子處理器135之功能。在其他實施例中，電子處理器135舉例而言，可包括一特定應用積體電路、或類似者。在一些實施例中，實施電子處理器135之處理器亦控制電動工具10之其他態樣，舉例如一燃料表(例如：一電池充電量位準指示器)、記錄使用量資料、與一外部裝置進行通訊、以及類似者(例如：輔助組件145)。
為了向前驅動馬達15，電子處理器135將開關325設定為處於導通狀態，並且啟動一高側電子開關205及一低側電子開關220。如圖3所示，高側電子開關205位於馬達15之第一相位202之一第一側，並且低側電子開關220位於第一相位202之一第二側。在此一組態中，馬達15之第一相位202係連接成使得反電動勢相對於電源315具 有一相反極性。因此，當電子處理器135將第一高側電子開關205及第一低側電子開關220維持處於導通狀態時，反電動勢有損於提供給馬達15之總功率。換句話說，馬達電流係藉由將來自電源315之電壓與反電動勢之間的差異除以馬達15之電阻來設定。也就是說，馬達電流係基於以下方程式來設定：
Figure 108100072-A0305-02-0012-2
。
電子處理器135基於轉子與馬達15之定子有關之位置來確定高側電子開關205至215及低側電子開關220至230何者處於導通狀態。特別的是，成對之一高側電子開關205至215與一低側電子開關220至230之各啟動使馬達15旋轉大約120度。當馬達15旋轉約60度時，電子處理器135止動一對電子開關，並且啟動一不同對電子開關，以賦能馬達15之一不同相位。特別的是，電子處理器135啟動第一高側電子開關205及第一低側電子開關220，以向前驅動馬達15之第一相位202。電子處理器135啟動第二高側電子開關210及第二低側開關225，以向前驅動馬達15之第二相位203，並且電子處理器135啟動第三高側電子開關215及第三低側開關230，以向前驅動馬達15之第三相位204。電子處理器135藉以啟動各電子開關205至230之頻率係基於馬達15之一目標速率。
在所示實施例中，電子處理器135亦實施馬達15之電子制動。圖4係一流程圖，其繪示電子制動馬達15之一方法400。在步驟405中，電子處理器135接收停止馬達15之一指示。該指示舉例而言，可對應於釋放觸發器 55、關閉電動工具10、或一不同指示。然後，電子處理器135止動目前啟動之電子開關205至230(步驟410)。請往回參照圖3，在收到停止馬達15之指示前，電子處理器135藉由啟動例如第一高側電子開關205及第一低側電子開關220來向前驅動馬達15，如上述。一收到停止馬達15之指示，電子處理器135便止動第一高側電子開關205及第一低側電子開關220。
電子處理器135亦啟動高側電子開關205至215及低側電子開關220至230，以相對電源315逆轉反電動勢之連接(步驟415)。在以上實例中，將第一高側電子開關205及第一低側電子開關220兩者都止動之後，電子處理器135啟動第二高側電子開關210及第三低側開關230。藉由啟動第二高側電子開關210及第三低側開關230，馬達15產生之反電動勢係用於逆轉送至馬達15之電力。特別的是，當啟動第二高側電子開關210及第三低側開關230時，反電動勢如電源315具有相同極性，這允許電源315之電壓與反電動勢組合，而不是相互有損。另外，由於馬達15之第一相位202與第二高側電子開關210及第三低側電子開關230連接，提供給第一相位202之電力在轉子上以反方向提供磁力，正如當啟動第一高側電子開關205及第一低側電子開關220時一般。因此，在以一逆轉極性連接反電動勢之後，馬達15很快停止(步驟420)。特別的是，在實施這種電子制動技巧期間，制動電流係定義為I=
Figure 108100072-A0305-02-0013-3
。
在一項實施例中，電子處理器135被組配用以一確定馬達15已停止，便斷接所有高側電子開關205至215及所有低側電子開關220至230。電子處理器135可基於馬達位置資訊確定馬達15已停止。可將該馬達位置資訊從感測器125提供給電子處理器135。舉例而言，電子處理器135可基於馬達位置隨著一預定時間降到低於一預定臨界值之一變化來確定馬達15已停止。在其他實例中，電子處理器135可確定馬達15在馬達位置未於一預定時段改變之情況下已停止。在其他實施例中，電子處理器135可基於確定馬達之速率低於一臨界值，來確定馬達15已停止。電子處理器135可基於由上述一或多個感測器(諸如一速率檢測感測器)所接收之資料來確定馬達15之速率。
如以上關於向前驅動馬達15所述，電子處理器135基於要啟動哪個相位來改變啟動哪些電子開關205至230。為了逆轉驅動馬達15，電子處理器135啟動第二高側電子開關210及第三低側電子開關230以逆轉驅動第一相位202。電子處理器135啟動第三高側電子開關215及第一低側電子開關220以逆轉驅動馬達15之第二相位203。電子處理器135啟動第一高側電子開關205及第二低側電子開關225以逆轉驅動馬達15之第三相位204。電子處理器135藉以改變啟動哪些開關205至230之頻率舉例而言，係基於馬達15向前驅動時之馬達速率及停止馬達15之一目標時間。在一些實施例中，類似於向前驅動轉子，開關205至230之切換基於來自感測器125之馬達位置資訊受電子 處理器135控制，以隨著轉子磁體之位置安排對轉子施加制動磁力之時間。
圖5係一流程圖，其繪示制動馬達15之另一方法500。在步驟505中，電子處理器135接收停止馬達15之指示。如上述，電子處理器135可利用釋放觸發器55來接收此一指示。電子處理器135接著止動目前啟動之電子開關205至230(步驟510)。如上述，啟動之電子開關205至230舉例而言，取決於轉子相對馬達15之定子的位置。止動電子開關205至230啟始制動馬達15之程序。電子處理器135接著有效地使馬達15之一相位202至204短接持續一預定時間(步驟515)。特別的是，電子處理器135啟動兩個低側電子開關220至230，使得連接於這兩個低側電子開關220至230之間的馬達15之相位短接至接地。舉例而言，電子處理器135啟動第一低側電子開關220及第三低側電子開關230，以將馬達15之第一相位202短接至接地。當馬達15之相位短接時，電能儲存在已短接相位之電感器265至275中(步驟520)。在以上之實例中，繞組265儲存電能，而馬達15之第一相位202則短接。
當馬達15之相位短接時，所產生之電路類似於一升壓轉換器。圖6繪示當步驟515至525中馬達之一相位短接時，電力切換網路及馬達15的一簡化圖。如圖6所示，當兩個低側電子開關220、230啟動時，電流iinductor在馬達15之繞組265中流動，並且儲存來自馬達15產生之反電動勢之電能。由於低側電子開關220、230啟動，未將 反電動勢引導至電源315。電子處理器135接著判斷是否已經過預定時間(步驟525)。當預定時間尚未到期時，電子處理器135使這兩個低側電子開關220至230維持啟動。在這項實例中，電子處理器135使第一及第三低側電子開關220、230兩者都維持啟動。
在步驟530中，當電子處理器135確定已經過預定時間時，電子處理器135止動在步驟515中啟動之兩個低側電子開關220至230其中一者。接著將再生充電電流提供給電源315(步驟535)。停用低側電子開關220至230其中一者造成儲存在馬達15之繞組中之電能受到釋放。因為僅一個低側電子開關220至230啟動，所以電能係傳送至電源315作為一充電電流(請參照例如圖7，下文有說明)。
電子處理器135接著判斷是否已經過一第二預定時間(步驟540)。在一些實施例中，第一預定時間及第二預定時間相等(例如，當電子處理器135以一50%工作週期操作電子開關220時)。然而，在其他實施例中，第一預定時間有別於第二預定時間。當電子處理器135確定尚未經過預定時間時，電子處理器135僅使低側電子開關220至230其中一者維持啟動，並且繼續向電源315提供一充電電流(步驟535)。另一方面，當電子處理器135確定已經過預定時間時，電子處理器135返回將低側電子開關220至230其中二者啟動以使馬達15之相位短接(步驟515)。電子處理器135重複此程序(步驟515至540)一預定次數、一預定時段、或者直到轉子80如電子處理器135經由感測器125 所檢測達到一特定旋轉位置或停止為止。電子處理器135亦基於轉子80相對馬達15之定子的位置來改變啟動哪些低側電子開關220至230。因此，一次短接一個相位202至204，然後在切換至下一個相位之前，從短接之相位202至204向電源315提供充電電流。舉例而言，在電子處理器135於步驟540中確定已經過第二預定時間、以及轉子80已前移而使得在下一個相位中產生反電動勢之後，電子處理器返回到步驟515，並且使下一個循序相位202至204短接。用於步驟515及540之預定時間係基於用於低側電子開關220至230之一設定之工作週期。也就是說，在一些實施例中，電子處理器135可非明確地判斷是否經過預定時間，而是基於一設定之工作週期來操作電子開關205至230。
圖7繪示當再生充電電流係提供給一電源時，電力切換網路120及馬達15的一簡化圖(例如，在步驟530至540中)。換句話說，圖7之簡圖繪示當僅一個低側電子開關220至230啟動、以及一充電電流係提供給電源315時所產生之電路。在這項實例中，電子處理器135止動第三低側電子開關230，但使第一低側電子開關220維持啟動。如圖7所示，因為第三低側電子開關230止動，所以電流(icharge)從馬達15之繞組流動至電源315。基於轉子80相對馬達15之定子的位置，電子處理器135改變啟動哪些電子開關205至230。舉例而言，為了使第一相位202短接，電子處理器135啟動第一低側電子開關220及第三低側電 子開關230。為了使第二相位203短接，電子處理器135啟動第二低側電子開關225及第一低側電子開關220，並且最後，為了使第三相位204短接，電子處理器135啟動第二低側電子開關225及第三低側電子開關230。
圖8繪示例示性波形，用以進一步繪示從馬達15到電源315之電力交換。波形545代表第一低側電子開關220之狀態，而波形550則代表第三低側電子開關230之狀態。當波形545、550處高時，對應電子開關啟動，當波形545、550處低時，對應電子開關止動。如圖8所示，並且如以上關於步驟515至540所述，第一低側電子開關220維持啟動，而電子處理器135則以一預定工作週期(例如：60%)循環地啟動及止動第三低側電子開關230。此循環持續進行，直到馬達15之一不同相位在例如T1處短接。圖8亦繪示與馬達15之第一相位202中產生之電壓源300相關聯之反電動勢電壓作為波形555，而波形560則代表例如第二相位繞組270中儲存於馬達15之一不同繞組中之電壓。圖8亦繪示送至電源315之充電電流565、及儲存在馬達15之繞組265中之電流570。如圖8所示，在時間T2，如波形555所示產生與電壓源300相關聯之反電動勢電壓，這使儲存在馬達15之第一電感器265中之電流570增大。當電子處理器135止動第三低側電子開關230時，第一電感器265之電流570在時間T3達到一最大值。第三低側電子開關230一經止動，馬達15之第一相位202便向電源315提供充電電流565，這在圖8中係繪示為一增大充電電流565。
如上述使馬達15之相位短接、以及向電源315提供充電電流而使電源315之充電狀態增大(其延長使用時間)，並且還制動馬達15而比單純地止動整體電力切換網路120或啟動全部低側電子開關220至230更快停止。如以上關於圖5所述，電子處理器135使馬達繞組短接持續一第一預定時段，並且啟動一第二組電子開關持續一第二預定時段。在一些實施例中，第一預定時段及第二預定時段係由一PWM信號及其相關聯工作週期所確定。也就是說，在PWM信號之工作週期之一第一部分期間，電力切換網路120使馬達繞組短接，並且在PWM信號之工作週期之一第二部分期間，電力切換網路120提供充電電流565給電源315。
特別的是，在一項實施例中，電子處理器135確定PWM信號之工作週期，對電力切換網路120進行控制而以一預定減速率或速率停止馬達15。圖9繪示由電子處理器135執行用以對電力切換網路120之PWM信號進行控制之一比例-積分-微分(PID)控制器600的一示意圖。如圖9所示，電子處理器135接收馬達15之一目標減速速率605。目標減速速率605係一預定值，舉例而言，係儲存在記憶體137中，並且係從記憶體137取得。在一些實施例中，目標減速速率605係藉由最大馬達速率(每秒轉數(RPM))除以所欲制動時間(毫秒(ms))來定義。舉例而言，假設一最大馬達速率為18,000RPM及3,000ms，目標減速速率係設定為6RPM/ms(即18,000RPM/3,000msec= 6RPM/msec)。在其他實施例中，使用一個不同最大馬達速率、所欲制動時間、以及目標減速方程式中一或多者，為目標減速速率605選擇一不同值。電子處理器135亦接收一所測得馬達速率610。電子處理器135舉例而言，可從電動工具110中之(感測器125之)一速率感測器接收所測得馬達速率610。電子處理器135接著計算目標減速速率605與所測得馬達速率610之間的一誤差(即一差異)615。電子處理器135接著計算誤差信號620之積分，並且施用一積分增益625以產生一積分分量630。電子處理器135亦將一比例增益635施用於誤差615，以產生一比例分量640。另外，電子處理器135計算誤差信號645之微分，並且施用一微分增益650以產生一微分分量655。
電子處理器135接著將積分分量630、比例分量640、及微分分量655組合，以產生一調整信號660。電子處理器135接著使用調整信號660來為控制電力切換網路120之PWM信號確定工作週期。在一些實施例中，電子處理器135先對調整信號660進行附加信號處理，才將其用於調整PWM信號之工作週期。特別的是，在所示實施例中，電子處理器135比例縮小調整信號660，以產生一縮放調整信號665。另外，電子處理器135可任選地實施一飽和函數670，使得調整信號660(或縮放調整信號665)維持在一指定上下限內。在一些實施例中，電子處理器135亦在計算誤差信號620之積分後才實施飽和函數670，以將積分保持在一指定上下限內。藉由實施所述PID控制器600，電 子處理器135能夠調整PWM信號之工作週期，使得馬達15以目標減速速率605減速。
在一些實施例中，電子處理器135實施一搜索並查找控制，以確保馬達15以一目標減速率減速。圖10係一流程圖，其繪示調整PWM信號以使馬達15以一特定率減速之一方法700。如圖10所示，電子處理器135以一初始工作週期值將PWM信號初始化(步驟705)。該初始工作週期值可對應於例如一50%工作週期。在其他實施例中，初始工作循環可基於例如收到停止馬達15操作之請求前馬達15進行操作之向前速率而不同。電子處理器135接著計算目前馬達減速(步驟710)。在一項實施例中，電子處理器135藉由基於速率感測器計算馬達15之速率變化來計算馬達減速，例如每秒計算一次。電子處理器135接著判斷馬達減速是否超出馬達減速臨界值(步驟715)。馬達減速臨界值對應於可基於例如工業標準之一最小所欲減速。在一項實施例中，馬達減速臨界值對應於馬達15之最大速率與一目標制動時間之比率。該目標制動時間可以是一預定時間，並且在一些實施例中，可基於工業標準。
當電子處理器135確定馬達減速超出馬達減速臨界值時，電子處理器135為電力切換網路120減小PWM信號之工作週期(步驟720)。減小PWM信號之工作週期使提供給馬達15之制動力減小。因此，當PWM信號之工作週期減小時，馬達15可能需要更多時間才能停止。當電子處理器135確定馬達減速不超出馬達減速臨界值時， 電子處理器135使PWM信號之工作週期增大(步驟725)。增大PWM信號之工作週期使馬達15能夠更快停止。
雖然已參照關於圖5所述制動馬達15之方法500說明PID控制器600之實作態樣及搜索並查找控制之實作態樣，在一些實施例中，當實施關於圖4所述制動馬達15之方法400時，電子處理器135仍實施PID控制器600或圖10之方法。在此一實施例中，於步驟415中將PWM信號提供給已啟動開關，以根據PWM工作週期快速地將開關接通及斷開。
與單純地藉由止動電力切換網路120相比，上述制動技巧提供馬達15之一更有效率且更快制動。另外，上述技巧有些亦提供電力給電源315，使得可延長電源135之使用時間。
200‧‧‧簡圖
202‧‧‧第一相位
203‧‧‧第二相位
204‧‧‧第三相位
205、210、215、220、225、230‧‧‧電子開關
235、240、245、250、255、260‧‧‧內接二極體
265、270、275‧‧‧電感器
285、290、295‧‧‧電阻器
300、305、310‧‧‧電壓源
315‧‧‧電源
320‧‧‧二極體
325‧‧‧開關
330‧‧‧電容器

Claims (18)

  1. 一種電池供電型電動工具，其包含：一個三相直流馬達；一電力切換網路，其包含多個高側電子開關及多個低側電子開關，其中該馬達之一第一相位連接於一第一低側電子開關與一電源電子開關之間，並經由一第一高側電子開關進一步連接至電源，該第一高側電子開關與一個二極體並聯；一電源；以及一電子處理器，其與該電力切換網路相連通，並且組配來：在該馬達之操作期間接收停止該馬達之一指示；回應於收到停止該馬達之該指示，啟動該第一低側電子開關及一第二低側電子開關持續一第一預定時間，使得該馬達產生之一第一反電磁力儲存在該馬達之該第一相位中；以及在該第一預定時間之後止動該第二低側電子開關，使得一第一再生電流經由該二極體提供給該電源；回應於收到停止該馬達之該指示，啟動該第一低側電子開關及一第三低側電子開關持續一第二預定時間，使得該馬達產生之一第二反電磁力儲存在該馬達之第二相位中；在該第二預定時間之後止動該第一低側電子開 關，使得一第二再生電流被提供給該電源；回應於收到停止該馬達之該指示，啟動該第三低側電子開關及該第二低側電子開關持續一第三預定時間，使得該馬達產生之一第三反電磁力儲存在該馬達之第三相位中；以及在該第三預定時間之後止動該第三低側電子開關，使得一第三再生電流被提供給該電源。
  2. 如請求項1之電動工具，其中該再生電流向該馬達施加一制動力。
  3. 如請求項2之電動工具，其中該電子處理器更組配來週期性地啟動及止動該第二低側開關，直到該馬達之一轉子達到一預定速率為止。
  4. 如請求項1之電動工具，其中該電子處理器組配成基於該馬達之一轉子之一已定位置來啟動及止動該等低側開關。
  5. 如請求項1之電動工具，其中該電子處理器更組配成藉由以一設定之工作週期向該等高側電子開關及該等低側電子開關施加一脈寬調變(PWM)信號來啟動該等電子開關。
  6. 如請求項5之電動工具，其中該第一預定時間係基於向該第一低側電子開關及該第二低側電子開關施加之工作週期，該第二預定時間係基於向該第一低側電子開關及該第三低側電子開關施加之工作週期，以及該第三預定時間係基於向該第三低側電子開關及該第二低側 電子開關施加之工作週期。
  7. 如請求項5之電動工具，其中該PWM信號之該工作週期被決定成以一預定減速率或速度停止該馬達。
  8. 如請求項5之電動工具，其中該PWM信號受該電子處理器所執行之一比例-積分-微分(PID)控制器控制。
  9. 一種用於制動電池供電型電動工具中之馬達的方法，其包含：在該馬達之操作期間於一電子處理器處接收停止該馬達之一指示，該電子處理器與一電力切換網路相連通，該電力切換網路包含多個高側電子開關及多個低側電子開關，其中該馬達之一第一相位連接於一第一低側電子開關與一電源電子開關之間，並經由一第一高側電子開關進一步連接至該電動工具之一電源，其中該第一高側電子開關與一個二極體電氣並聯；回應於收到停止該馬達之該指示，啟動該第一低側電子開關及一第二低側電子開關持續一第一預定時間，使得該馬達產生之一第一反電磁力儲存在該馬達之該第一相位中；以及在該第一預定時間之後止動該第二低側電子開關，使得一第一再生電流經由該二極體提供給該電源；回應於收到停止該馬達之該指示，啟動該第一低側電子開關及一第三低側電子開關持續一第二預定時間，使得 該馬達產生之一第二反電磁力儲存在該馬達之第二相位中；在該第二預定時間之後止動該第一低側電子開關，使得一第二再生電流被提供給該電源；回應於收到停止該馬達之該指示，啟動該第三低側電子開關及該第二低側電子開關持續一第三預定時間，使得該馬達產生之一第三反電磁力儲存在該馬達之第三相位中；以及在該第三預定時間之後止動該第三低側電子開關，使得一第三再生電流被提供給該電源。
  10. 如請求項9之方法，其中該再生電流向該馬達施加一制動力。
  11. 如請求項9之方法，其中啟動該等電子開關包含以一設定之工作週期向該等高側電子開關及該等低側電子開關施加一脈寬調變(PWM)信號。
  12. 一種電動工具，其包含：一個三相直流馬達；具有一正端子及一負端子之一電源；一電力切換網路，其包含多個高側電子開關及多個低側電子開關，其中該馬達之一第一相位連接於一第一高側電子開關與一第一低側電子開關之間，並進一步連接於一第二高側電子開關與一第二低側電子開關之間，其中該第一高側電子開關及該第二高側電子開關電氣耦接到該正端子及該馬達之該第一相位，且該第一低側電子開關及該第 二低側電子開關電氣耦接於該馬達之該第一相位及該負端子；以及一電子處理器，其組配來：接收操作該馬達之一指示；回應於收到操作該馬達之該指示，啟動該第一高側電子開關及該第一低側電子開關，以操作該馬達，使得該馬達產生之一反電磁力相對於該電源以一第一極性連接；接收停止該馬達之一指示；以及回應於收到停止該馬達之該指示，止動該第一高側電子開關及該第一低側電子開關，並啟動該第二高側電子開關及該第二低側電子開關，使得該馬達產生之該反電磁力相對於該電源以一第二極性連接。
  13. 如請求項12之電動工具，其中相對於該電源以該第二極性連接之該反電磁力向該馬達施加一制動力。
  14. 如請求項12之電動工具，其中啟動該第二高側電子開關及該第二低側電子開關產生與該反電磁力成比例之一制動電流。
  15. 如請求項12之電動工具，其中該電子處理器更組配來回應於收到該馬達已停止之一指示而止動該第二高側電子開關及該第二低側電子開關。
  16. 如請求項12之電動工具，其中該電子處理器更組配來： 接收逆轉該馬達之一指示；以及回應於收到逆轉該馬達之該指示，啟動該第二高側電子開關及該第二低側電子開關。
  17. 如請求項12之電動工具，其中該馬達之一第二相位連接於該第二高側電子開關與一第三低側電子開關之間，並進一步連接於一第三高側電子開關與該第一低側電子開關之間，以及其中該馬達之一第三相位連接於該第一高側電子開關與該第三低側電子開關之間，並進一步連接於該第三高側電子開關與該第二低側電子開關之間，其中該第三高側開關與該第二高側電子開關及該第一高側電子開關電氣並聯，並且該第三低側開關與該第二低側電子開關及該第一低側電子開關電氣並聯。
  18. 如請求項17之電動工具，其中該電子處理器更組配來回應於收到停止該馬達之該指示，選擇性地啟動(a)該第二高側電子開關及該第二低側電子開關、(b)該第三高側開關及該第一低側開關、以及(c)第一高側開關及第三低側開關，使得該馬達之各相位產生之該反電磁力相對於該電源以一第二極性連接，並且其中該電子處理器基於一所接收馬達位置進行該選擇性啟動動作。
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