TWI807578B - 用於控制無刷直流馬達的換向的方法、電動工具及用於控制開關陣列的控制器 - Google Patents

用於控制無刷直流馬達的換向的方法、電動工具及用於控制開關陣列的控制器 Download PDF

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Abstract

一種電腦實現的方法，用於控制無刷直流(brushless direct current，BLDC)馬達的換向。該方法包括：控制開關陣列以第一換向來驅動BLDC馬達；接收並監測指示BLDC馬達的電力消耗的電力消耗信號；判定電力消耗是否超過第一閾值；以及當電力消耗超過第一閾值時，控制開關陣列以第二換向來驅動BLDC馬達。

Description

用於控制無刷直流馬達的換向的方法、電動工 具及用於控制開關陣列的控制器
本發明涉及無刷直流(brushless DC，BLDC)馬達的換向控制。
由無刷直流(BLDC)馬達驅動的諸如電動棘輪扳手、電鑽和電動驅動器的電動工具通常用於汽車行業、工業和家用應用中，以擰緊和鬆開諸如螺紋緊固件的工件，以及例如將扭矩和/或角位移施加到工件。BLDC馬達換向通常使用微控制器或微處理器電腦來實現。用電子器件和位置回饋而非電刷來控制換向可以提供更大的靈活性以及傳統的有刷直流馬達所不具備的能力，包括精確的速度控制、位置控制和用於慢速和精細運動控制的步進操作。
基於電動工具所用於的應用，電動工具具有不同的負載點。例如，電動工具的馬達以低電流高速運行，但是當緊固件被 擰緊時，速度降低並且電流增加。雖然控制器軟體可定制為用於特定應用的特定馬達，但是馬達控制器通常僅使用一種類型的換向來控制馬達，而沒有改變為不同類型的換向的能力。然而，由於換向類型可能對馬達性能具有很大的影響，例如空載速度、失速扭矩、效率等，當在不同的負載條件下能夠在不同的換向類型之間改變允許工具被優化到期望的性能。
本申請寬泛地涉及與例如電動工具一起使用的BLDC馬達的換向控制方法。雖然本發明被描述為與用於電動工具的BLDC馬達一起使用，但是應當理解，本發明可以與用於任何目的或功能的BLDC馬達一起使用。在一個實施例中，該方法使用控制器基於BLDC馬達的電力消耗來優化換向。一般地，BLDC馬達的電力消耗基於電動工具所用於的應用而改變。與僅使用一種類型的換向的控制器相比，透過優化換向，可以提高工具性能、馬達壽命和/或馬達效率。
在一個實施例中，本發明寬泛地包括電腦實現的用於控制無刷直流(BLDC)馬達的換向的方法。該方法包括：控制開關陣列以第一換向來驅動BLDC馬達；接收並監測指示BLDC馬達的電力消耗的電力消耗信號；判定電力消耗是否超過第一閾值；以及如果電力消耗超過第一閾值，則控制開關陣列以第二換向來驅動BLDC馬達。
在另一實施例中，本發明寬泛地包括電動工具，該電動工具包括：BLDC馬達，其適於驅動該電動工具的輸出；開關陣列，其適於選擇性地將來自電源的電力施加至BLDC馬達；以及控制器，其適於控制該開關陣列來驅動BLDC馬達。該控制器適於：控制開關陣列以第一換向來驅動BLDC馬達；接收並監測指示BLDC馬達的電力消耗的電力消耗信號；判定電力消耗是否超過第一閾值；以及如果電力消耗超過第一閾值，則控制開關陣列以第二換向來驅動BLDC馬達。
在另一實施例中，本發明寬泛地包括用於控制開關陣列的控制器，該開關陣列選擇性地施加來自電源的電力，以實現無刷直流(BLDC)馬達的換向。該控制器包括：記憶體，其包括非瞬態電腦可讀指令；以及處理器，其適於執行該非瞬態電腦可讀指令，以使得該處理器：控制該開關陣列以第一換向來驅動該BLDC馬達；接收並監測指示BLDC馬達的電力消耗的電力消耗信號；判定電力消耗是否超過第一閾值；以及如果電力消耗超過第一閾值，則控制開關陣列以第二換向來驅動BLDC馬達。
H1、H2、H3:高側開關元件
L1、L2、L3:低側開關元件
100:工具
102:殼體部分
104:驅動器部分
106:驅動凸出部
108:無刷直流馬達
110:選擇器旋鈕
112:觸發器
114:控制器
116:顯示器組件
118、120:蛤殼式殼體部分
122:手柄部分
124:顯示器
126:按鈕
128、130、132、134:電阻
136:電容器
138:緩衝器
140:放大器
142:類比數位轉換器
144:開關陣列
146:電源
400:方法
402:步驟
404:步驟
406:步驟
408:步驟
410:步驟
412:步驟
為了促進對尋求保護的主題的理解，在附圖中示出了其實施例，透過審閱在附圖中示出的實施例，當結合以下描述考慮尋求保護的主題時，其構造和操作及其許多優點應該容易理解和領會。
圖1是根據本發明的實施例的示例性的電動工具的透視圖，示例性的電動工具例如是包括BLDC馬達的電動棘輪工具。
圖2是概念性地示出根據本發明的實施例的適於感測馬達電流的示例性電子部件的框圖，馬達電流部分地指示電力消耗並且可以用於判定何時改變無刷馬達的換向。
圖3是根據本發明的實施例的示意圖。
圖4是示出根據本發明的實施例的BLDC馬達的換向控制的示例性方法的流程圖。
儘管本發明容許有許多不同形式的實施例，但是在附圖中示出，並且將在這裡詳細描述包括優選實施例的本發明的實施例，應該理解的是，本公開應該被認為是本發明的原理的示例，而並不旨在將本發明的廣義方面限制為這裡所示的任何一個或多個實施例。如本文所使用的，術語“本發明”不旨在限制所要求保護的發明的範圍，而是僅為了解釋的目的而用於討論本發明的示例性實施。
本發明寬泛地涉及一種電動無刷直流(BLDC)馬達的換向控制方法。BLDC馬達可以例如與電動工具一起使用。雖然本發明被描述為與用於電動工具的BLDC馬達一起使用，但是應當理解，本發明可以與用於任何目的或功能的BLDC馬達一起使用，包括不同的工具或任何類型的BLDC電動裝置，例如在運動控制 和穩定運行至關重要的伺服、致動、定位和變速應用中。在一個實施例中，該方法使用控制器基於BLDC馬達的電力消耗(例如，馬達的電流消耗)來優化換向。控制器使用馬達的電力消耗來判定工具處於哪個操作點以及相應地改變換向。
參見圖1至圖4，示例性工具100(例如電動手持棘輪工具)包括：殼體部分102，其適於由使用者保持；和驅動器部分104，其連接至殼體部分102。同樣，雖然本發明被描述為用於棘輪工具，但是應當理解，本發明可以與任何類型的BLDC馬達驅動的工具或裝置一起使用。驅動器部分104適於向工件施加扭矩，並且包括驅動凸出部106，該驅動凸出部106適於例如以公知的方式接合工具(例如，套筒或批頭)以驅動工件。驅動凸出部106以公知的方式經由驅動器部分104的棘輪機構(未圖示)可操作地連接至無刷直流(BLDC)馬達108，並由BLDC馬達108驅動。驅動器部分104還包括選擇器旋鈕110，該選擇器旋鈕110適於選擇輸出106(例如驅動凸出部)的旋轉驅動方向(即，順時針或逆時針)。例如，驅動器部分104可以是棘輪工具的棘輪頭。
殼體部分102可操作地容納：一個或多個BLDC馬達108，其適於驅動輸出106；觸發器112，其適於致動BLDC馬達108；電源(未圖示)，例如電池，其適於為BLDC馬達提供電力；控制器114(在下文更詳細地描述)；和顯示器組件116(在下文更詳細地描述)。在一個實施例中，殼體部分102由兩個或更多個連接在一起的蛤殼式(clamshell)殼體部分118、120組裝而成， 以協作地形成殼體部分102，並且殼體部分102連接至驅動器元件104，由此將諸如BLDC馬達108和控制器114的部件封閉在殼體部分102內。殼體部分102還可以包括手柄部分122，使用者可以在工具100的操作期間抓握或持握該手柄部分122。
BLDC馬達108可以以公知的方式經由觸發器112可操作地連接至電源。電源可以是外部的(例如，壁裝電源插座、發馬達、外部電池等)或內部的(例如，可拆卸的且可再充電的電池)。觸發器112可適於使得BLDC馬達108啟動和關閉，或使得電力/電壓從電源流至BLDC馬達108或停止從電源流至BLDC馬達108。
觸發器112可以是採用按鈕致動器或其他類型的致動器的致動機構。例如，使用者可以向內按壓觸發器112，以選擇性地使電力從電源送出並且使BLDC馬達108在期望的旋轉方向上向驅動器部分104提供扭矩。在不脫離本發明的精神和範圍的情況下，可以實施任何其他合適的觸發器112。例如，觸發器112可以是撥轉致動器、觸敏致動器、滑動致動器或其他合適的致動器或裝置。在另一示例中，觸發器112可以被偏置，使得觸發器112相對於殼體部分102可向內按壓，以使得工具100運行，並且釋放觸發器112使得觸發器112相對於殼體部分102向外移動，以經由觸發器112的偏置性質停止工具100的運行。觸發器112也可以是變速型機構。在這點上，越進一步按壓觸發器112，觸發器112的相對致動或按壓使BLDC馬達108以可變速度運行。
顯示器元件116包括適於向使用者指示工具資訊的顯示器124。在一個實施例中，顯示器124是液晶顯示器(LCD)。工具資訊可以包括例如工具狀態，例如電源的功率位准、選擇的驅動凸出部106的驅動方向、馬達的功率狀態、電池充電或狀態、工具100的輸出扭矩等。顯示器元件116還包括一個或多個按鈕126，該一個或多個按鈕126適於接收使用者輸入，例如選擇顯示器124上可顯示的內容，選擇工具參數(例如輸出106的驅動方向)，和/或以其他方式操縱顯示器124，以控制工具100和/或工具100的參數。
BLDC馬達108的電力消耗，例如電流消耗，可以由控制器114利用例如圖2所示的電子部件的佈置來判定。然而，本發明不限於此，並且可以使用任何合適的電子部件的佈置來判定BLDC馬達108的電力消耗。
如圖2所示，電阻128和130接收來自BLDC馬達108的電流，並由於電流經其流過而產生相應的類比電壓Vsense。電阻132和134以及諸如非極化電容器的電容器136對類比電壓進行過濾，以減少雜訊。過濾後的類比電壓由緩衝器138接收，並根據增益設置由放大器140放大。放大後的類比電壓由類比數位轉換器(ADC)142轉換為數位值，例如10-bit的數位值。控制器114監測和處理數位值，並基於代表BLDC馬達108的電流消耗的數字值優化換向。
在一個示例中，控制器114包括處理器，例如中央處理 單元(CPU)，用於處理資料並使用已知方法執行非瞬態電腦可讀指令。例如，控制器114使用用於指令和資料的運行時臨時存儲的記憶體經由匯流排從資料記憶體中獲取指令。記憶體可以包括易失性和/或非易失性隨機存取記憶體(RAM)。除了(或者代替)經由匯流排連接到其他部件，部件還可以連接到其他部件。控制器114監測、分析和處理來自ADC 142的信號，以基於電力消耗(例如BLDC馬達108的電流消耗)來優化換向。
圖3示出了用於電動工具100的BLDC馬達108的示例性開關陣列144。開關陣列144包括三個高側開關元件H1、H2和H3以及三個低側開關元件L1、L2和L3，每個開關元件具有第一或導通狀態和第二或非導通狀態。開關陣列144由控制器114控制，以選擇性地將電力從電源146(例如，電池組)施加至BLDC馬達108，以實現期望的換向。透過啟動特定的高側開關元件和低側開關元件，透過使控制器發送經由位於靜止部件(稱為定子)上的線圈的電流信號來操作無刷馬達108。當電流流過線圈時，線圈引起施加至旋轉部件(稱為轉子)的磁力。
轉子包含永磁體，該永磁體與定子的繞組引起的磁力相互作用。透過以特定順序啟動高側開關元件和低側開關元件的連續組合，從而發送經由定子的繞組的特定順序的電流信號，定子產生與轉子相互作用的旋轉磁場，使轉子旋轉並產生扭矩。
圖4是由諸如控制器114的計算設備執行以基於BLDC馬達108的電力消耗控制開關陣列144來實現期望的換向的示例 性方法的框圖。例如，控制器114控制開關陣列144以第一換向(例如，6步換向)來驅動馬達108(402)。在該示例中，當檢測到新的霍爾轉換時，控制器改變被啟動的開關元件以控制馬達108。在一些情況下，需要一些相位超前或相位延遲來調節相對於馬達108中的磁體的霍爾感測器偏差。對於相位超前和相位延遲，控制器判定霍爾信號變化之間的先前時間(previous time)(時間A)。如果使用相位超前，則使用時間A在微控制器中為新的時間量(時間B)設置新的計時器。時間B被計算為比時間A小一定比例，或被計算為小於時間A的等效度數(機械角度或電角度)。例如，可以在將時間B設置為比時間A小20%的情況下配置第一換向，這意味著下一組開關元件將在時間B而不是在下一個預期的霍爾轉換(時間A)時被啟動。如果使用相位延遲，則時間A用於在微控制器中為新的時間量(時間C)設置新的計時器。時間C被計算為比時間A大一定比例，或被計算為大於時間A的等效度數(機械角度或電角度)。例如，可以在將時間C設置為比時間A大20%的情況下配置第一換向，這意味著下一組開關元件將在時間C而不是在前一個霍爾轉換時被啟動。控制器114接收並監測指示BLDC馬達108的電力消耗的電力消耗信號，例如，功率、電流和/或電壓消耗(404)。控制器114判定電力消耗是否超過第一閾值(406)。
當電力消耗未超過(或小於或等於)第一閾值時，該方法返回到步驟402，並且控制器114繼續控制開關陣列以第一換向 來驅動馬達(402)。
當電力消耗超過第一閾值時，控制器114控制開關陣列以第二換向來驅動馬達(408)。在一個實施例中，第二換向也是如上所述的6步換向的形式。然而，在第二換向中，添加例如50%的相位超前，對於具有在霍爾轉換(60電角度)之間的30度機械轉子運動的馬達，該相位超前等效於15度機械角度。在以第二換向來驅動馬達的同時，該方法繼續監測指示BLDC馬達108的電力消耗的電力消耗信號。例如，在以第二換向來驅動馬達的同時，控制器114接收並監測指示BLDC馬達108的電力消耗的電力消耗信號，例如功率、電流和/或電壓消耗(410)。控制器114判定電力消耗是否低於(或小於)第二閾值(412)。
當電力消耗不低於(或大於或等於)第二閾值時，該方法返回到步驟408，並且控制器114繼續控制開關陣列以第二換向來驅動馬達(408)。
當電力消耗低於(或小於)第二閾值時，該方法返回到步驟402，並且控制器114控制開關陣列以第一換向來驅動馬達(402)。在一個實施例中，第二閾值小於第一閾值。在另一實施例中，第一閾值和第二閾值是大致相同的值。
例如，當BLDC馬達108以最大自由速度運行時，優化換向，以使BLDC馬達108的輸出速度最大化。一旦控制器114判定BLDC馬達108的電力消耗增加到超過第一閾值，這指示BLDC馬達108可能失速，則控制器114將換向改變為第二換向， 以在BLDC馬達108實際失速時產生增大的失速扭矩。由此，第二換向為整個工具100提供了改進的扭矩性能。一旦電力消耗降低到低於第二閾值(第二閾值可以低於第一閾值)，控制器114將換向改變回原始換向(即，第一換向)。例如，如果電流大於或等於30A(第一閾值)，控制器將換向從第一換向改變為第二換向，然後如果電流小於或等於20A(第二閾值)，控制器將換向從第二換向改變為第一換向。
在另一個實施例中，當控制器檢測到馬達108的轉子停止/鎖定時，例如當工具100試圖移除擰緊的緊固件時，控制器114控制開關陣列，以第三換向驅動馬達108。第三換向可以與第一換向或第二換向相同，也可以不相同。由於馬達處於靜止位置，控制器114可以使用6步換向，而不需要任何額外的相位超前或延遲(除了需要補償相對於馬達108中磁體的位置的霍爾感測器偏差)。這是因為如果工具100不能產生足夠的扭矩以從停止/鎖定位置脫離，則馬達108可能長時間保持在相同的位置。由於這個原因，控制器114將不能準確地判定何時應該啟動下一組開關元件，因此原始組的開關元件將保持啟動，直到發生另一個霍爾信號轉換。在一個實施例中，第三換向被優化，以使馬達108的輸出扭矩相對於靜止/停止狀態最大化。
如上所討論的，本發明的各方面是根據如圖所示的電動棘輪工具來描述的。然而，應當理解，本發明的各方面可以植入到其他手持工具中。例如但不限於，手持工具可以是棘輪扳手、 衝擊扳手、開口扳手、螺絲起子、螺母起子、鑽機或能夠對工件施加扭矩且由BLDC馬達驅動的任何其他工具。另外，本發明可用於使用了BLDC馬達的工具中，例如在精確的運動控制和穩定的運行至關重要的伺服、致動、定位和變速應用中。
如本文所使用的，術語“連接”可以指兩個部分之間的任何直接或間接的物理、電、磁或其他連接。術語“連接”不限於兩個實體之間的固定的直接連接。
上面描述和附圖中提出的內容僅作為說明而不是作為限制提供。雖然已經示出和描述了特定的實施例，但是對於本領域技術人員來說明顯的是，在不脫離發明人的貢獻的更寬泛方面的情況下，可以進行改變和修改。當以基於現有技術的適當視角來看待時，所尋求的保護的實際範圍在申請專利範圍中限定。
400:方法
402:步驟
404:步驟
406:步驟
408:步驟
410:步驟
412:步驟

Claims (30)

  1. 一種電腦實現的用於控制無刷直流(BLDC)馬達的換向的方法，包括：控制開關陣列以第一換向來驅動所述BLDC馬達；接收和監測指示所述BLDC馬達的電力消耗的電力消耗信號；判定所述電力消耗是否超過第一閾值；以及當所述電力消耗超過所述第一閾值時，控制所述開關陣列以第二換向來驅動所述BLDC馬達，其中所述第二換向包括相位超前。
  2. 如請求項1所述的方法，其中所述BLDC馬達的所述電力消耗是所述BLDC馬達的電流消耗。
  3. 如請求項1所述的方法，更包括當所述電力消耗小於所述第一閾值時，控制所述開關陣列以所述第一換向來驅動所述BLDC馬達。
  4. 如請求項1所述的方法，更包括：判定所述電力消耗是否小於第二閾值；以及當所述電力消耗小於所述第二閾值時，控制所述開關陣列以所述第一換向來驅動所述BLDC馬達。
  5. 如請求項4所述的方法，其中所述第二閾值小於所述第一閾值。
  6. 如請求項4所述的方法，其中所述第二閾值等於所述第一閾值。
  7. 如請求項4所述的方法，更包括當所述電力消耗大於所述第二閾值時，控制所述開關陣列以所述第二換向來驅動所述BLDC馬達。
  8. 如請求項1所述的方法，其中所述第二換向被優化，以在所述BLDC馬達失速時產生增大的失速扭矩。
  9. 如請求項1所述的方法，其中所述第一換向被優化，以使得所述電力消耗最小化，或者使得所述BLDC馬達的輸出速度最大化。
  10. 一種電動工具，包括輸出和適於驅動所述輸出的無刷直流(BLDC)馬達，所述電動工具包括：開關陣列，其適於選擇性地將來自電源的電力施加至所述BLDC馬達；以及控制器，其適於：控制所述開關陣列以第一換向來驅動所述BLDC馬達；接收和監測指示所述BLDC馬達的電力消耗的電力消耗信號；判定所述電力消耗是否超過第一閾值；以及當所述電力消耗超過所述第一閾值時，控制所述開關陣列以第二換向來驅動所述BLDC馬達，其中所述第二換向包括相位超前。
  11. 如請求項10所述的電動工具，其中所述控制器更包括當所述電力消耗小於所述第一閾值時，控制所述開關陣列以所述第一換向來驅動所述BLDC馬達。
  12. 如請求項10所述的電動工具，其中所述控制器更適於：判定所述電力消耗是否小於第二閾值；以及當所述電力消耗小於所述第二閾值時，控制所述開關陣列以所述第一換向來驅動所述BLDC馬達。
  13. 如請求項12所述的電動工具，其中所述控制器更包括當所述電力消耗大於所述第二閾值時，控制所述開關陣列以所述第二換向來驅動所述BLDC馬達。
  14. 如請求項12所述的電動工具，其中所述控制器更包括所述第二閾值小於所述第一閾值。
  15. 如請求項12所述的電動工具，其中所述控制器更包括所述第二閾值等於所述第一閾值。
  16. 如請求項10所述的電動工具，其中所述控制器更包括所述BLDC馬達的所述電力消耗是所述BLDC馬達的電流消耗。
  17. 如請求項10所述的電動工具，其中所述控制器更包括所述第二換向被優化，以在所述BLDC馬達失速時產生增大的失速扭矩。
  18. 如請求項10所述的電動工具，其中所述控制器更包括所述第一換向被優化，以使得所述電力消耗最小化，或者使得所述BLDC馬達的輸出速度最大化。
  19. 一種用於控制開關陣列的控制器，所述開關陣列選擇性地施加來自電源的電力，以實現無刷直流(BLDC)馬達的換向，所述控制器包括：記憶體，其包括非瞬態電腦可讀指令；以及處理器，其適於執行所述非瞬態電腦可讀指令，以使得所述處理器：控制所述開關陣列以使得所述BLDC馬達以第一換向驅動；接收和監測指示所述BLDC馬達的電力消耗的電力消耗信號；判定所述電力消耗是否超過第一閾值；以及當所述電力消耗超過所述第一閾值時，控制所述開關陣列使得所述BLDC馬達以第二換向驅動，其中所述第二換向包括相位超前。
  20. 如請求項19所述的控制器，其中所述處理器還適於：當所述電力消耗小於所述第一閾值時，控制所述開關陣列使得所述BLDC馬達以所述第一換向驅動。
  21. 如請求項19所述的控制器，其中所述控制器還適於： 判定所述電力消耗是否小於第二閾值；以及當所述電力消耗小於所述第二閾值時，控制所述開關陣列使得所述BLDC馬達以所述第一換向驅動。
  22. 如請求項21所述的控制器，其中所述處理器還適於：當所述電力消耗大於所述第二閾值時，控制所述開關陣列使得所述BLDC馬達以所述第二換向驅動。
  23. 如請求項21所述的控制器，其中所述第二閾值小於所述第一閾值。
  24. 如請求項21所述的控制器，其中所述第二閾值等於所述第一閾值。
  25. 如請求項19所述的控制器，其中所述BLDC馬達的所述電力消耗是所述BLDC馬達的電流消耗。
  26. 如請求項19所述的控制器，其中所述第二換向被優化，以在所述BLDC馬達失速時產生增大的失速扭矩。
  27. 如請求項19所述的控制器，其中所述第一換向被優化，以使得所述電力消耗最小化，或者使得所述BLDC馬達的輸出速度最大化。
  28. 如請求項19所述的控制器，其中所述處理器還適於：當所述BLDC馬達停止時，控制所述開關陣列使得所述BLDC馬達以第三換向驅動。
  29. 如請求項28所述的控制器，其中所述第三換向與所述第一換向和所述第二換向中的一者相同。
  30. 如請求項28所述的控制器，其中所述第三換向被優化，以使得所述BLDC馬達的扭矩相對於停止狀態最大化。
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