TWI843072B - 用於控制無刷馬達的換向的方法 - Google Patents

用於控制無刷馬達的換向的方法 Download PDF

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邁克爾 Ｔ 拉傑
克里斯托弗 Ｓ 福克斯
丹尼爾 尼采
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Abstract

本發明涉及一種BLDC馬達的換向控制方法。該方法使用 控制器利用修改的六步換向來控制BLDC馬達。該方法增加了六個中間步，這六個中間步與六步換向重疊。六步中的每一步均與前面的步和後面的步重疊，從而產生了六個額外的中間步，在六個額外的中間步中，所有三個相都是激活的。通過將步的數量加倍，與目前的解決方案相比，在不增加尺寸或改變馬達的設計的情況下，電流和扭矩將隨著時間的改變更小。

Description

用於控制無刷馬達的換向的方法
本發明總體上涉及電動馬達，特別涉及無刷直流(BLDC)馬達的換向控制。
[相關申請的交叉引用]
本申請要求於2021年3月23日提交的序列號為63/164,638的美國臨時專利申請和2022年3月14日提交的序列號為17/694,260的美國專利申請的權益，所述申請的內容通過引用全部納入本文中。
由無刷直流(BLDC)馬達驅動的電動工具(例如，電動棘輪扳手、鑽具和驅動器)通常用於汽車、工業和家居應用，以擰緊和鬆開工件(如螺紋緊固件)，並例如對工件施加扭矩和/或角位移。通常使用微控制器或微處理器電腦實施BLDC馬達換向。用電子器件和位置反饋而不是用刷來控制換向，這樣就有了傳統有刷直流馬達所不具備的更好的靈活性和能力，包括精確的速度 控制、位置控制以及用於慢速和精細運動控制的步進操作。
目前，三相無刷直流(BLDC)馬達使用許多不同的換向技術。一種已知的技術是六步換向，該方法使用馬達轉子的位置來確定接通哪一對相，以使轉子轉動。在這六步中的每一步中，只有兩個相是激活的。正的母線電壓通過第一相高邊開關元件施加到第一相，負的母線電壓通過第二相低邊開關元件施加到第二相，導致電流流經連接第一相和第二相的線圈。然而，由於六步換向的粗糙性，經常會出現大的電流和扭矩波動(即在軸繞轉過程中產生的扭矩變化)。此外，要提高馬達的扭矩或速度輸出，需要增加馬達的尺寸或改變其設計。
本發明廣泛涉及與例如電動工具一起使用的BLDC馬達的換向控制。雖然本發明描述為用於電動工具的無刷直流馬達，但可以理解的是，本發明可以用於任何目的或功能的無刷直流馬達。在實施例中，換向控制方法使用控制器用改進的六步換向來控制BLDC馬達，在改進的六步換向中，六步中的每一步均與前面的步和後面的步重疊。重疊的區域導致六個額外的中間步，在六個額外的中間步中，所有三個相都是激活的。通過將步的數量加倍，與目前的解決方案相比，在不增加尺寸或改變馬達的設計的情況下，電流和扭矩將隨著時間的改變更小。
100:示例性工具/工具
102:主工具殼體/工具殼體
104:輸出組件
106:驅動部分
108:驅動凸耳
110:觸發器
112:端部
114:BLDC馬達/馬達
116:控制器
118:開關組件/開關機構
120:電源
122:指示器
U:第一相
UH、VH、WH:高邊開關元件
UL、VL、WL:低邊開關元件
V:第二相
W:第三相
為了便於理解所尋求保護的主題，在附圖中示出了其實施例，當結合以下描述考慮時，從對其實施例的檢視中，尋求保護的主題、其結構和操作及其許多優點應當容易理解和領悟。
圖1是包含本發明的實施例的示例性電動工具(諸如電動棘輪工具)的立體圖。
圖2和圖3是結合本發明的實施例的示例性工具的電子部件的部件方塊圖。
圖4是結合本發明的實施例的示例性BLDC馬達的示意圖。
圖5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圖表。
儘管本發明容許有許多不同形式的實施例，但是在附圖中示出了並且將在本文中詳細描述本發明的實施例(包括優選實施例)，應當理解，本發明應當被認為是本發明的原理的範例，並且不旨在將本發明的廣泛方面限制於在此所例示的任何一個或更多個實施例。如本文所用的，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例的術語。
本發明廣泛涉及與例如電動工具一起使用的BLDC馬達的換向控制。雖然本發明描述為用於電動工具的無刷直流馬達， 但可以理解的是，本發明可以用於任何目的或功能的無刷直流馬達。在實施例中，換向控制方法使用控制器用改進的六步換向來控制BLDC馬達，在改進的六步換向中，六步中的每一步均與前面的步和後面的步重疊。重疊的區域導致六個額外的中間步，在六個額外的中間步中，所有三個相都是激活的。通過將步的數量加倍，與目前的解決方案相比，在不增加尺寸或改變馬達的設計的情況下，電流和扭矩將隨著時間的變化更小。
參考圖1至圖5，示出了可以包括或利用利用本發明的一個或更多個實施例的示例性工具100(如無繩棘輪型工具)，並且示例性工具100包括主工具殼體102和輸出組件104(如棘輪頭組件)。工具殼體102可以包括第一殼體部分和第二殼體部分，第一殼體部分和第二殼體部分以蛤殼方式連接在一起並牢固地連接到輸出組件104。工具殼體102可以包圍或容納例如BLDC馬達114(如圖2和圖3中所示)、控制器116(如圖2和圖3中所示)、開關組件118(如圖2和圖3中所示)、具有用於配置和設定工具的輸入按鈕或區域的顯示器、一個或更多個指示器122(例如發光二極體)以及用於操作工具的其他部件。工具殼體102還可以包括有紋理或滾花的把手，以改善用戶在使用期間對工具100的抓握。
輸出組件104包括驅動部分106，該驅動部分包括例如驅動凸耳108。驅動凸耳108適於經由連接到驅動凸耳108的適配器、鑽頭(bit)或套筒(socket)，例如雙向棘輪方形或六角形驅動器，將扭矩施加到工件(例如緊固件)。如所示，驅動凸耳108 是“公”連接器，其設計成安裝到或匹配接合母對應件。然而，驅動部分106可以是設計成匹配接合公對應件的“母”連接器。驅動部分106還可被構造成直接接合工件而不需要連接到適配器、鑽頭或套筒。驅動部分106/驅動凸耳108的旋轉方向可以通過選擇器開關的旋轉來選擇為第一旋轉方向或第二旋轉方向(例如，順時針或逆時針)。
工具100還可包括觸發器110，該觸發器可以由用戶致動以選擇性地使工具100操作。例如，用戶可以向內壓下觸發器110，以選擇性地從電源120汲取電力，並使馬達114向輸出組件104提供扭矩，並使驅動凸耳108以所需的旋轉方向旋轉。觸發器110也可以可操作地連接到開關機構118，該開關機構適於在觸發器110被致動時使電力從電源120供應到馬達114。可以在不偏離本發明的精神和範圍的情況下實施任何合適的觸發器110或開關。例如，觸發器110也可以被偏置，使得觸發器110相對於工具100可向內壓下，以使工具100操作，而釋放觸發器110則使觸發器110相對於工具100向外移動，以通過觸發器110的偏置性質停止工具100的操作。觸發器110和開關機構118也可以是變速型機構。為此，觸發器110的致動或壓下使得觸發器110被壓下得越多，馬達操作的速度就越快。
馬達114可以設置在工具殼體102中，並適於可操作地接合輸出組件104，並向工具100提供扭矩，進而向驅動部分106/驅動凸耳108提供扭矩。馬達114可以是三相BLDC馬達。電源 120可以與工具100關聯，以向工具100提供電力來操作馬達。在實施例中，電源120可以容納在工具殼體102的與輸出組件104相對的端部112中，可以容納在工具100的中段中，或可以容納在工具100/工具殼體102的任何其他部分中。電源120也可以是外部部件，它不被工具100容納，但通過例如有線或無線方式與工具100操作性地連接。在實施例中，電源120是可拆卸的可充電電池，其適於設置在工具殼體102的端部中，並與工具100的對應端子電連接。
控制器116可以可操作地連接到電源120、開關機構118、指示器122和馬達114中的一者或更多者。控制器116可以是微控制器或微處理器，並且可以包括用於處理數據和電腦可讀指令的中央處理單元(CPU)以及用於儲存數據和指令的記憶體。該記憶體可以包括揮發性隨機存取記憶體(RAM)、非揮發性唯讀記憶體(ROM)和/或其他類型的記憶體。還可以包括數據儲存部件，用於儲存數據和控制器/處理器可執行的指令(例如，用於工具100的操作和運轉的指令)。數據儲存部件可以包括一種或更多種類型的非揮發性固態儲存裝置，例如快閃記憶體、唯讀記憶體(ROM)、磁阻RAM(MRAM)、鐵電RAM(FRAM)、相變記憶體等。
用於操作工具100及其各種部件的電腦指令可由控制器116執行，在運行時使用記憶體作為臨時“工作”儲存裝置。電腦指令可以以非臨時的方式儲存在非揮發性記憶體、儲存裝置或外部 裝置中。另選地，除了嵌入於軟體中或者代替被嵌入到軟體中，一些可執行指令可以嵌入到硬體或韌體中。
例如，控制器116可以實施本文中所述的方法。馬達114的轉子的位置可以由控制器116利用例如霍爾感測器使用已知方法確定。然而，本發明並不局限於此，任何合適的電子部件佈置都可用於確定馬達114的轉子的位置。控制器116使用已知的方法基於轉子的位置監測和控制換向。
圖4中示出了用於工具100的馬達114的示例性開關陣列。第一相(U)、第二相(V)和第三相(W)相應地包括三個高邊開關元件UH、VH和WH(也分別稱為第一高邊開關元件、第二高邊開關元件和第三高邊開關元件)以及三個低邊開關元件UL、VL和WL(也分別稱為第一低邊開關元件、第二低邊開關元件和第三低邊開關元件)。在一個實施例中，開關元件是金屬氧化物半導體場效應電晶體(MOSFET)。開關元件可由控制器116致動，以選擇性地從電源120(例如，電池組)向馬達114施加電力，以實現所需的換向。通過選擇性地激活特定的高邊開關元件和低邊開關元件，馬達114通過讓控制器116通過位於稱為定子的固定部分上的線圈發送電流信號來操作。當電流穿過線圈時，線圈使得磁力施加到被稱為轉子的旋轉部分。轉子包含永磁體，該永磁體與定子繞組產生的磁力相互作用。通過以特定的順序激活高邊開關元件和低邊開關元件的連續的組合，從而通過定子的繞組發送特定順序的電流信號，定子產生旋轉的磁場，該磁場與轉子相互 作用，使轉子旋轉並產生扭矩。
圖5是本發明的十二步重疊換向方法的示例的圖表，該方法由計算裝置(例如控制器116)執行，以控制高邊開關元件UH、VH和WH以及低邊開關元件UL、VL和WL。在第一步中，控制器116激活UH和WL。在第二步中，控制器116激活UH、WL和VL。在第三步中，控制器116激活UH和VL。在第四步中，控制器116激活UH、WH和VL。在第五步中，控制器116激活WH和VL。在第六步中，控制器116激活WH、VL和UL。在第七步中，控制器116激活WH和UL。在第八步中，控制器116激活VH、WH和UL。在第九步中，控制器116激活VH和UL。在第十步中，控制器116激活VH、UL和WL。在第十一步中，控制器116激活VH和WL。在第十二步中，控制器116激活UH、VH和WL。
如上所述，並在圖5中示出，在重疊換向的至少一步中，第一高邊開關元件UH、第二高邊開關元件VH和第三高邊開關元件WH中的至少兩個是激活的，而在重疊換向的至少另一步中，第一低邊開關UL、第二低邊開關VL和第三低邊開關WL中的至少兩個是激活的。例如，在第二步、第六步和第十步期間，第一低邊開關UL、第二低邊開關VL和第三低邊開關WL中的至少兩個是激活的。在第四步、第八步和第十二步期間，第一高邊開關元件UH、第二高邊開關元件VH和第三高邊開關元件WH中的至少兩個是激活的。在第一步、第三步、第五步、第七步、第九步和第十一步期間，第一高邊開關元件UH、第二高邊開關元件VH和第三高邊 開關元件WH中的一個是激活的，而第一低邊開關UL、第二低邊開關VL和第三低邊開關WL中的一個是激活的。
以上描述的十二步換向是重疊換向的示例，其在六步換向方案之間增加了六個中間步，在這六個中間步中，所有三個相都是激活的。因此，通過使用其中增加了六個中間步的六步換向的修改版，馬達114的扭矩和速度性能都可以調整，而無需改變馬達的結構。此外，控制器116可以在任何時候改變各步之間的重疊量，從而使單個馬達能夠以各種性能水準進行操作。
如本文所討論的，工具100是棘輪型扳手。然而，工具100可以是任何類型的手持工具，包括但不限於電動或動力工具，諸如鑽具、刨槽機、衝擊扳手、棘輪扳手、螺絲刀或通過外部電源(例如牆壁插座和/或發電機插座)或電池由電力驅動的其他電動工具。此外，將理解的是，本發明不限於用於電動手持工具，而是可以用於任何利用BLDC馬達的裝置。
如本文所使用的，術語“連接的”及其功能等同物並不旨在必然限於兩個或更多個部件的直接、機械連接。相反，術語“連接的”及其功能等效表達旨在表示兩個或更多個物體、特徵、工件和/或環境物質之間的任何直接或間接機械、電學或化學連接。在一些示例中，“連接的”還旨在表示一個對象與另一對象構成整體。如本文所使用的，除非另有特別說明，否則術語“一”或“一個”可包括一個或更多個項目。
在前述描述和附圖中闡述的內容僅通過舉例說明的方式 而非作為限制的方式提供。儘管已經示出和描述了特定實施例，但是對於本領域技術人員來說清楚的是，在不脫離發明人貢獻的更廣泛方面的情況下，可以進行改變和修改。當基於現有技術從其適當的角度來看時，所尋求的保護的實際範圍將在發明申請專利範圍中限定。
U:第一相
V:第二相
W:第三相

Claims (24)

  1. 一種工具，包括輸出和無刷直流(BLDC)馬達，所述無刷直流馬達具有多個相並適於驅動所述輸出，該工具包括：控制器，其適於通過以下步驟利用重疊換向控制所述馬達：控制對應於所述馬達的第一相的第一高邊開關和第一低邊開關；控制對應於所述馬達的第二相的第二高邊開關和第二低邊開關；以及控制對應於所述馬達的第三相的第三高邊開關和第三低邊開關，其中，所述重疊換向包括第一步至第十二步，並且所述控制器適於在所述第二步、所述第四步、所述第六步、所述第八步、所述第十步和所述第十二步期間使得所述馬達的第一相、第二相和第三相是激活的。
  2. 如請求項1所述的工具，還包括棘輪頭組件，所述棘輪頭組件可操作地聯接到所述馬達並包括驅動凸耳，所述驅動凸耳適於被所述馬達驅動並向工件施加扭矩。
  3. 如請求項1所述的工具，其中，所述控制器適於在所述第四步、所述第八步和所述第十二步期間使所述第一高邊開關、所述第二高邊開關和所述第三高邊開關中的至少兩個是激活的。
  4. 如請求項1所述的工具，其中，所述控制器適於在所述第二步、所述第六步和所述第十步期間使所述第一低邊開關、所述第二低邊開關和所述第三低邊開關中的至少兩個是激活的。
  5. 如請求項1所述的工具，其中，所述控制器適於在所述第二步期間使所述第一高邊開關、所述第二低邊開關和所述第三低邊開關是激活的。
  6. 如請求項1所述的工具，其中，所述控制器適於在所述第四步期間使所述第一高邊開關、所述第三高邊開關和所述第二低邊開關是激活的。
  7. 如請求項1所述的工具，其中，所述控制器適於在所述第六步期間使所述第三高邊開關、所述第一低邊開關和所述第二低邊開關是激活的。
  8. 如請求項1所述的工具，其中，所述控制器適於在所述第八步期間使所述第二高邊開關、所述第三高邊開關和所述第一低邊開關是激活的。
  9. 如請求項1所述的工具，其中，所述控制器適於在所述第十步期間使所述第二高邊開關、所述第一低邊開關和所述第三低邊開關是激活的。
  10. 如請求項1所述的工具，其中，所述控制器適於在所述第十二步期間使所述第一高邊開關、所述第二高邊開關和所述第三低邊開關是激活的。
  11. 一種用於控制無刷直流(BLDC)馬達換向的方法，其中所述馬達具有多個相，該方法包括：利用重疊換向控制分別對應於所述馬達的第一相、第二相和第三相的第一高邊開關、第二高邊開關和第三高邊開關並控制分 別對應於所述馬達的第一相、第二相和第三相的第一低邊開關、第二低邊開關和第三低邊開關，其中，所述重疊換向包括第一步至第十二步，並且包括：使所述馬達的第一相、第二相和第三相在所述重疊換向的至少一步期間是激活的；使所述第二低邊開關和所述第三低邊開關在所述第二步期間是激活的；使所述第一高邊開關和所述第三高邊開關在所述第四步期間是激活的。
  12. 如請求項11所述的方法，其中，所述重疊換向包括在所述第二步期間使所述第一高邊開關是激活的。
  13. 如請求項11所述的方法，其中，所述重疊換向包括在所述第四步期間使所述第二低邊開關是激活的。
  14. 如請求項11所述的方法，其中，所述重疊換向包括在所述第六步期間使所述第三高邊開關、所述第一低邊開關和所述第二低邊開關是激活的。
  15. 如請求項11所述的方法，其中，所述重疊換向包括在所述第八步期間使所述第二高邊開關、所述第三高邊開關和所述第一低邊開關是激活的。
  16. 如請求項11所述的方法，其中，所述重疊換向包括在所述第十步期間使所述第二高邊開關、所述第一低邊開關和所述第三低邊開關是激活的。
  17. 如請求項11所述的方法，其中，所述重疊換向包括在所述第十二步期間使所述第一高邊開關、所述第二高邊開關和所述第三低邊開關是激活的。
  18. 一種用於具有多個相的無刷直流(BLDC)馬達的控制器，該控制器包括：微處理器，其適於：利用重疊換向控制分別對應於所述馬達的第一相、第二相和第三相的第一高邊開關、第二高邊開關和第三高邊開關以及分別對應於所述馬達的第一相、第二相和第三相的第一低邊開關、第二低邊開關和第三低邊開關，所述重疊換向包括第一步至第十二步，並且所述微處理器還適於：在所述重疊換向的至少一步中，使所述馬達的第一相、第二相和第三相是激活的；在所述第二步期間，使所述第二低邊開關和所述第三低邊開關是激活的；以及在所述第四步期間，使所述第一高邊開關和所述第三高邊開關是激活的。
  19. 如請求項18所述的控制器，其中，所述微處理器進一步適於在第一步、第三步、第五步、第七步、第九步和第十一步中，使所述第一高邊開關、所述第二高邊開關和所述第三高邊開關中的一個是激活的，並且使所述第一低邊開關、所述第二低邊開關和所述第三低邊開關中的一個是激活的。
  20. 如請求項19所述的控制器，其中，所述微處理器進一步適於： 在第一步期間，使所述第一高邊開關和所述第三低邊開關是激活的；在第三步期間，使所述第一高邊開關和所述第二低邊開關是激活的；在第五步期間，使所述第三高邊開關和所述第二低邊開關是激活的；在第七步期間，使所述第三高邊開關和所述第一低邊開關是激活的；在第九步期間，使所述第二高邊開關和所述第一低邊開關是激活的；以及在第十一步期間，使所述第二高邊開關和所述第三低邊開關是激活的。
  21. 如請求項18所述的控制器，其中，所述微處理器進一步適於在第二步、第六步和第十步期間，使所述第一低邊開關、所述第二低邊開關和所述第三低邊開關中的至少兩個是激活的。
  22. 如請求項21所述的控制器，其中，所述微處理器進一步適於：在第六步期間，使所述第一低邊開關和所述第二低邊開關是激活的；以及在第十步期間，使所述第一低邊開關和所述第三低邊開關是激活的。
  23. 如請求項18所述的控制器，其中，所述微處理器進一步適於在第四步、第八步和第十二步期間，使所述第一高邊 開關、所述第二高邊開關和所述第三高邊開關中的至少兩個是激活的。
  24. 如請求項23所述的控制器，其中，所述微處理器進一步適於：在第八步期間，使所述第二高邊開關和所述第三高邊開關是激活的；以及在第十二步期間，使所述第一高邊開關和所述第二高邊開關是激活的。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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