TWI819434B - 電動工具及其制動方法 - Google Patents

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Abstract

提供一種電動工具及其制動方法。本發明涉及一種無刷 直流(BLDC)馬達的兩階段制動方法。該方法包括：根據換向方案控制開關陣列來驅動無刷直流馬達，以降低無刷直流馬達的速度，允許無刷直流馬達慣性減速，確定無刷直流馬達的速度，以及致動高側開關和/或低側開關以基本停止無刷直流馬達的旋轉運動。

Description

電動工具及其制動方法
本發明一般涉及一種電動工具的電動無刷馬達的制動。
電動工具，例如由無刷直流(BLDC)馬達驅動的電動棘輪扳手、鑽頭、砂輪和驅動器，通常用於汽車、工業和家庭應用中，用於擰緊和擰鬆工件(例如螺紋緊固件)以及例如對工件施加扭矩和/或角位移。電動工具通常使用三種方法之一來制動無刷直流馬達。一種方法允許無刷直流馬達在停止供電時慣性減速至停止。雖然這種方法不會損壞電動工具的電氣開關或其他電路部件，但對用戶而言，這是一種耗時、繁瑣且可能具有潛在危險性的方法。例如，如果用戶出於安全原因(例如，衣服被夾在工具中)需要立即停止無刷直流馬達的旋轉，則通過允許無刷直流馬達慣性減速至停止而不是立即停止，可能會對用戶造成物理傷害。
另一種方法是使用利用微控制器或微處理器計算機在軟件中實現的無刷直流馬達換向來使無刷直流馬達減速至停止。例如，換向方案可由微控制器或微處理器計算機實現，以反向驅動 馬達。但是，該方法需要高總線電壓電容以防止在制動期間損壞電動工具的電氣開關或其他電氣部件。此外，這種方法還會導致無刷直流馬達部件過早磨損。
第三種方法同時致動所有高側電氣開關或所有低側電氣開關，使馬達相位一起短路並停止馬達。然而，這種方法會導致高電流流過電氣開關，這會損壞電動工具的電氣開關或其他電氣部件。
本發明廣泛地涉及電動工具的電動無刷直流(BLDC)馬達的兩階段制動。在第一階段，控制器使無刷直流馬達交替換向，並使無刷直流馬達慣性減速以允許無刷直流馬達減速至較低速度。當控制器命令較低速度並使無刷直流馬達換向時，總線電壓將升高，但當允許無刷直流馬達慣性減速時，總線電壓降低。重複該步驟時，無刷直流馬達的速度迅速下降。在第二階段，一旦馬達中剩餘的能量是極小的，所有三個高側開關或低側開關都將接通以完全制動馬達。這種兩階段制動方法可快速地使無刷直流馬達停止，不允許總線電壓增加至損壞水平，並最大限度地降低高電流流經電動工具的電氣開關或其他電氣部件可能造成損壞的可能性。
在一個實施例中，本發明廣泛包括計算機實現的電動工具的電動無刷直流馬達的兩階段制動方法。該方法包括：根據換 向方案控制開關陣列來驅動無刷直流馬達以降低無刷直流馬達的速度，允許無刷直流馬達慣性減速，確定無刷直流馬達的速度，以及致動所有高側和/或低側開關以基本停止無刷直流馬達的旋轉運動。
在另一實施例中，本發明廣泛包括電動工具。所述電動工具包括適於驅動所述電動工具的驅動凸耳的無刷直流馬達、適於選擇性地將來自電源的功率供應到所述無刷直流馬達的開關陣列、以及控制器，該控制器適於：根據換向方案控制開關陣列來驅動所述無刷直流馬達以使所述無刷直流馬達減速、允許所述無刷直流馬達慣性減速、確定所述無刷直流馬達的速度、以及致動所有高側和/或低側開關以基本停止無刷直流馬達的旋轉運動。
100:電動工具/工具
102:殼體部分
104:驅動部分/驅動器組件
106:驅動凸耳
108:無刷直流馬達/馬達
110:選擇器旋鈕
112:觸發器
116:顯示器組件
118、120:蛤殼式殼體部分
122:手柄部分
128:開關陣列
130:電源
300:方法
302、304、306、308、310:步驟
L1、L2、L3:低側開關元件
H1、H2、H3:高側開關元件
出於使尋求保護的主題容易理解的目的，在附圖中示出了其實施例，通過查看附圖，當結合下列描述進行考慮時，所尋求保護的主題、其構造和操作以及許多其優點應會容易地理解和獲知。
圖1是根據本發明一實施例的示例性工具(例如電動棘輪工具)的透視圖，該工具包括受控的無刷直流馬達。
圖2是根據本發明一實施例的具有無刷直流馬達的電動工具的示例性開關示意圖。
圖3是示出根據本發明一實施例的電動工具的電動無刷直流 (BLDC)馬達的制動方法的流程圖。
儘管本發明易於具有很多不同形式的實施例，在附圖中示出並將在本文詳細描述本發明的實施例，包括優選實施例，應理解，本公開應視作本發明的原理的範例，並不意在將本發明的廣泛方面限制於所闡述的實施例。如本文中所使用，術語“本發明”並不意在限制所要求保護的發明的範圍，而是用於僅出於說明性目的討論本發明的示例實施例。
本發明廣泛涉及一種用於電動無刷直流(BLDC)馬達的兩階段制動方法。在第一階段，利用馬達換向和慣性減速的組合來降低無刷直流馬達的轉速。在第二階段，所有三個低側或三個高側電氣開關均被致動，以使無刷直流馬達完全停止。這種制動方法可快速使無刷直流馬達停止，而不會出現現有解決方案的負面後果，從而提高電動工具中無刷直流馬達的可用性、使用壽命和效率。
參考圖1-3，工具100(例如機動化棘輪工具)包括適於由用戶保持的殼體部分102和聯接到殼體部分102的驅動部分104。驅動部分104適於向工件施加扭矩，並且包括驅動凸耳106，驅動凸耳106適於接合工具(例如，套筒或鑽頭)以例如以公知方式驅動工件。驅動凸耳106以公知的方式通過驅動部分104的棘輪機構(未示出)可操作地聯接至設置在工具(未示出)的殼 體內的電動無刷直流馬達108，並由其驅動。驅動部分104還包括選擇器旋鈕110，其適於選擇驅動凸耳106的旋轉驅動方向(即，順時針或逆時針)。驅動部分104可以是棘輪工具的棘輪頭。
殼體部分102可操作地容納：適於驅動該驅動凸耳106的一個或多個無刷直流馬達108、適於致動無刷直流馬達108的觸發器112、適於為無刷直流電動機提供電力的電源(例如電池，未示出)、控制器、以及顯示器組件116(下文將更詳細描述)。在一個實施例中，殼體部分102由兩個或更多個聯接在一起的蛤殼式殼體部分118、120組裝，以協作地形成殼體部分102並聯接到驅動器組件104，從而將無刷直流馬達108和控制器包圍在殼體部分102內。殼體部分102還可包括手柄部分122，用戶可在工具100的操作期間抓握或保持該手柄部分122。
無刷直流馬達108可以以公知的方式經由觸發器112電聯接到電源。電源可以是外部電源(例如，牆壁電插座、發電機、外部電池等)或內部電源(例如，可拆卸和可充電電池)。觸發器112可適於使無刷直流馬達108接通和關斷，或使電力/電壓從電源流到無刷直流馬達108或停止從電源到無刷直流電動機108的流動。
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，用戶可以向內按壓觸發器112，以選擇性地從電源汲取動力以使無刷直流馬達108旋轉，並在期望的旋轉方向上向驅動部分104提供扭矩。在不脫離本發明的精神和範圍的情 況下，可以實施任何合適的觸發器112或開關。例如，觸發器112可以是撥動致動器、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可向內壓下來使工具100操作，並且釋放觸發器112使觸發器112相對於殼體部分102向外移動，以經由觸發器112的偏置性質來停止工具100的操作。觸發器112也可以是變速型機構。在這方面，根據觸發器112的按壓水平，觸發器112的相對致動或按壓導致無刷直流馬達108以可變速度操作。
顯示器組件116包括適於向用戶指示工具信息的顯示器124。在一個實施例中，顯示器124是液晶顯示器(LCD)。工具信息例如可以包括：工具狀態(例如諸如電源的功率水平)、驅動凸耳106的選定驅動方向、馬達的功率狀態、工具100的輸出扭矩等。顯示器組件116還包括一個或多個按鈕126，該一個或多個按鈕適於接收用戶輸入，例如，選擇要在顯示器124上顯示的內容，用於選擇工具參數(諸如例如，驅動凸耳106的驅動方向)，和/或用於以其他方式操縱顯示器124來控制工具100和/或工具100的參數。
圖2示出了電動工具100的無刷直流馬達108的示意性示例開關。在示例中，示出了三相無刷直流馬達和開關陣列128。然而，可以使用任何合適的無刷直流馬達，並且本發明不限於此。在實施例中，開關陣列128包括高側開關元件H1、H2和H3以及低側開關元件L1、L2和L3，每個開關元件具有致動狀態和非致 動狀態。在一個實施例中，開關元件是場效應晶體管(FET)。開關陣列128由控制器控制以選擇性地將來自電源130(例如，電池組)的功率施加到無刷直流馬達108以實現期望的換向方案。換句話說，開關元件按照由馬達設計確定的特定順序在致動狀態和非致動狀態之間被致動，以便使馬達旋轉。通過開關元件的脈衝寬度調製(PWM)占空比的開環控制或閉環控制來控制馬達旋轉的速度。例如，隨著脈衝寬度調製占空比減小，開關元件處於致動狀態的時間減少，並且開關元件處於非致動狀態的時間增加，從而使馬達108減速。
控制器是包括中央處理單元(CPU)的控制器/處理器，用於使用已知方法來處理數據並執行非瞬態計算機可讀指令。例如，控制器通過總線從數據存儲裝置中檢索指令，使用存儲器來運行時臨時存儲指令和數據。存儲器可以包括易失性和/或非易失性隨機存取存儲器(RAM)。除了(或代替)通過總線連接到其他部件外，這些部件還可以連接到其他部件。控制器監控、分析和處理來自傳感器(諸如例如，一個或多個電流傳感器、一個或多個速度傳感器、一個或多個霍爾效應傳感器、一個或多個溫度傳感器等)的電信號。例如，馬達108的速度可以由控制器以公知的方式使用感測轉子的旋轉位置的多個霍爾效應傳感器來確定或計算。
圖3是方框圖，示出了由計算設備(諸如控制器)執行以制動或停止電動工具的電動無刷直流(BLDC)馬達的方法。控 制器根據換向方案控制開關陣列128所需的時間量，以降低無刷直流馬達108的速度(步驟302)。在一個實施例中，該換向時間量可以基於恒定數量，諸如例如大約10ms或100個脈衝寬度調製週期。然而，本發明不限於此，換向時間可以是任何合適的時間量，諸如例如在約1毫秒-1000毫秒之間。在另一實施例中，換向時間的量可以變化，諸如例如，換向時間等於計數霍爾轉換的特定數量的時間量。在本示例中，由於每個旋轉都有固定數量的霍爾轉換，因此當馬達108快速旋轉時換向時間非常短(例如，如果馬達以30,000轉/分鐘旋轉(RPM)，則為500微秒)，當馬達108緩慢旋轉時換向時間非常長(例如，如果馬達以1000轉/分鐘旋轉，則為15毫秒)。
在經過換向所用的所需時間量之後，允許無刷直流馬達108慣性減速期望的時間量(步驟304)。在一示例中，時間量可以基於恒定的數量，諸如例如大約10ms或100個脈衝寬度調製週期。然而，本發明不限於此，該時間可以是任何合適的時間量，諸如例如在約1毫秒-1000毫秒之間。在另一實施例中，時間量可以變化，諸如例如，該時間等於計數特定數量的霍爾轉換的時間量。在本示例中，由於每個旋轉都有固定數量的霍爾轉換，因此當馬達108快速旋轉時換向時間非常短(例如，如果馬達以30,000轉/分鐘旋轉，則為500微秒)，當馬達108緩慢旋轉時換向時間非常長(例如，如果馬達以1000轉/分鐘旋轉，則為15毫秒)。
控制器適於確定無刷直流馬達108的速度(步驟306)， 然後確定無刷直流馬達108的速度是否處於或低於速度閾值，和/或占空比是否處於或低於占空比閾值(步驟308)。例如，速度閾值可以是馬達最大空載速度的10%或更低，和/或最大占空比的10%或更低。當無刷直流馬達108的速度高於速度閾值和/或占空比高於占空比閾值時，控制器返回至步驟302。例如，控制器在使用換向方案(步驟302)使無刷直流馬達108減速和允許無刷直流馬達108慣性減速(步驟304)之間交替，直到無刷直流馬達108的速度低於速度閾值和/或占空比低於占空比閾值。
當無刷直流馬達108的速度處於或低於速度閾值和/或占空比處於或低於在占空比閾值時，控制器致動所有三個高側開關元件(H1、H2、H3)或所有三個低側開關元件(L1、L2、L3)所需的時間量，以基本上停止無刷直流馬達108的旋轉運動(步驟310)。例如，此時間介於約1毫秒和15毫秒之間。該時間至少部分取決於馬達108的尺寸和施加到馬達108的負載。如果馬達108上的負載相當大，時間可能會高得多，以使馬達108完全停止。此步驟的速度閾值可設置為小於馬達最大空載速度的任何速度，例如，對於25,000轉/分的馬達，設置為10,000轉/分。如果使用占空比閾值，則可以將占空比閾值設置為小於最大占空比100%的任何值，例如10%。在開關元件被致動的期望時間量之後，控制器將開關元件的前置驅動器配置為斷開狀態。
如上所討論的，本發明的各個方面以電動棘輪工具來描述，如圖所示。然而，應當理解，本發明的各個方面可以嵌入其 他手持工具或器具中。例如，但不限於，手動工具可以是棘輪扳手、開口扳手、螺釘驅動器、螺母驅動器、衝擊扳手、衝擊驅動器或能夠對工件施加扭矩並由無刷直流馬達供電的任何其他工具。
如本文所使用的，術語“聯接”可指雙方之間的任何直接或間接的物理、電、磁或其他連接。術語“聯接”不限於兩個實體之間的固定直接聯接。
在前文描述和所附附圖中陳述的事項僅通過示意說明的方式提供而不是作為限制。儘管已經示出和描述了特定實施例，對於本領域技術人員明顯的是，可以在不脫離發明人的貢獻的更廣泛的方面的前提下做出改變和修改。當基於現有技術以其合適的視角考慮時，尋求的實際保護範圍意在下列發明申請專利範圍中進行限定。
300:方法
302、304、306、308、310:步驟

Claims (15)

  1. 一種制動電動工具的無刷直流馬達的方法，包括：根據換向方案控制開關陣列來驅動所述無刷直流馬達以降低所述無刷直流馬達的速度；允許所述無刷直流馬達慣性減速；確定所述無刷直流馬達的所述速度；以及致動三個高側開關元件或三個低側開關元件以基本停止所述無刷直流馬達的旋轉運動。
  2. 如請求項1所述的方法，其中，根據換向方案控制開關陣列來驅動所述無刷直流馬達以降低所述無刷直流馬達的速度的步驟被重複，直到所述速度低於速度閾值。
  3. 如請求項2所述的方法，其中，所述速度閾值小於所述馬達的最大空載速度。
  4. 如請求項1所述的方法，其中，根據換向方案控制開關陣列來驅動所述無刷直流馬達以降低所述無刷直流馬達的速度的步驟被重複，直到占空比降低到低於占空比閾值。
  5. 如請求項4所述的方法，其中，所述占空比閾值小於所述控制器的最大占空比。
  6. 如請求項1所述的方法，其中，根據換向方案控制開關陣列來驅動所述無刷直流馬達以降低所述無刷直流馬達的速度的步驟執行小於約1000毫秒。
  7. 如請求項1所述的方法，其中，允許所述無刷直流馬達慣性減速的步驟執行小於約1000毫秒。
  8. 一種電動工具，具有無刷直流馬達和電源，所述電動工具包括：開關陣列，其適於選擇性地將來自所述電源的功率施加到所述無刷直流馬達；以及控制器，其適於：根據換向方案控制所述開關陣列來驅動所述無刷直流馬達以降低所述無刷直流馬達的速度；允許所述無刷直流馬達慣性減速；確定所述無刷直流馬達的速度；以及致動三個高側開關元件或三個低側開關元件，以基本停止所述無刷直流馬達的旋轉運動。
  9. 如請求項8所述的電動工具，其中，所述控制器適於根據所述換向方案控制所述開關陣列來驅動所述無刷直流馬達以降低所述無刷直流馬達的速度，並允許所述無刷直流馬達重複地慣性減速，直至所述速度低於速度閾值。
  10. 如請求項9所述的電動工具，其中，所述速度閾值小於所述無刷直流馬達的最大空載速度。
  11. 如請求項8所述的電動工具，其中，所述控制器適於根據換向方案控制所述開關陣列來驅動所述無刷直流馬達以 降低所述無刷直流馬達的速度，並允許所述無刷直流馬達重複地慣性減速，直到占空比降低到低於占空比閾值。
  12. 如請求項11所述的電動工具，其中，所述占空比閾值小於所述控制器的最大占空比。
  13. 如請求項8所述的電動工具，其中，所述控制器適於根據所述換向方案控制所述開關陣列來驅動所述無刷直流馬達以降低所述無刷直流馬達的速度執行小於約1000毫秒。
  14. 如請求項8所述的電動工具，其中，所述控制器適於允許所述無刷直流馬達慣性減速執行小於約1000毫秒。
  15. 如請求項8所述的電動工具，其中，所述控制器適於致動所述高側開關元件和所述低側開關元件。
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