本發(fā)明涉及一種電動工具及其無刷電機的控制方法。

背景技術(shù)：

無刷電機一般由電機本身和相應(yīng)驅(qū)動電路組成，無刷電機相比有刷電機而言其運轉(zhuǎn)噪音低并且壽命更長。一般而言，按照是否具有檢測轉(zhuǎn)子位置的傳感器來區(qū)分，無刷電機分為有感控制的無刷電機和無感控制的無刷電機。對于無感控制的無刷電機而言如何實現(xiàn)電機的啟動、換相和剎車對電機運行十分重要，尤其是在無感控制的無刷電機應(yīng)用在電動工具時，根據(jù)工具的特點，對無刷電機的控制也是不盡相同的。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

電動工具，包括：電機，包括若干相繞組，若干檢測電路，用于檢測電機中各相繞組的電壓變化；控制器，用于處理檢測電路中的電壓信號；其中，各個檢測電路均連接至中性檢測點；檢測電路包括：第一電阻，一端連接至電機的其中一相繞組；第二電阻，一端連接至等電位點；第三電阻，一端連接至中性檢測點；濾波電容，用于對該檢測電路所連接的繞組的電壓信號進行濾波；相移電容，用于使中性檢測點處的電壓信號相位超前于經(jīng)過濾波電容濾波后的電壓信號；第一電阻、第二電阻和第三電阻各自的另一端連接在一起作為該檢測電路所連接的繞組的相檢測點；濾波電容與第二電阻并聯(lián)；相移電容與第三電阻并聯(lián)；控制器分別采集中性檢測點的電壓信號和各個檢測電路中經(jīng)過各自濾波電容濾波后的電壓信號。

進一步地，第一電阻的阻值大于第二電阻的阻值。

進一步地，第一電阻的阻值大于第三電阻的阻值。

進一步地，第二電阻的阻值等于第三電阻的阻值。

進一步地，濾波電容的容值小于相移電容的容值。

進一步地，電動工具為砂光機。

一種無刷電機的控制方法，包括：采集無刷電機各相繞組的電壓作為相電壓信號；將初始相電壓信號進行濾波得到濾波電壓信號；將多個濾波電壓信號均進行相移補償后輸出至中性檢測點，形成相位超前于濾波電壓信號的中性點電壓信號；對濾波電壓信號和中性點電壓信號進行運算和比較，在中性點電壓信號滿足預(yù)設(shè)條件時開始計時，在滿足預(yù)設(shè)時長后使無刷電機的驅(qū)動電路切換至下一個驅(qū)動狀態(tài)。

進一步地，在檢測不到滿足預(yù)設(shè)條件的中心性點電壓信號時，按照預(yù)設(shè)的順序和時間間隔強制切換無刷電機的驅(qū)動電路的驅(qū)動狀態(tài)。

進一步地，強制切換無刷電機的驅(qū)動電路的驅(qū)動狀態(tài)所依照的順序與在檢測滿足預(yù)設(shè)條件的中心性點電壓信號時驅(qū)動電路正常切換驅(qū)動順序的相同。

進一步地，使無刷電機的繞組在預(yù)設(shè)時長內(nèi)保持在一個驅(qū)動狀態(tài)，然后切換至下一個驅(qū)動狀態(tài)并同樣保持預(yù)設(shè)時長；使無刷電機的繞組所產(chǎn)生的磁場偏轉(zhuǎn)一個預(yù)設(shè)角度。

進一步地，使無刷電機中其中一相繞組懸空，使其他繞組短路連接。

進一步地，使無刷電機中的繞組交替作為懸空相繞組。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的電動工具的優(yōu)選實施例的示意圖；

圖2是本發(fā)明的電動工具中驅(qū)動電路以及電機的一個優(yōu)選實施例的示意圖；

圖3是本發(fā)明的電動工具中檢測電路的一個優(yōu)選實施例的示意圖；

圖4是向繞組VU施加電壓時，轉(zhuǎn)子位置的示意圖；

圖5是向繞組VU施加電壓時，轉(zhuǎn)子處于另一位置的示意圖；

圖6使向繞組WU施加電壓時，轉(zhuǎn)子位置的示意圖。

具體實施方式

以下結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作具體的介紹。

如照圖1所示的電動工具包括：電源模塊、電機、控制器、驅(qū)動模塊和檢測模塊。作為優(yōu)選該電動工具具體為由接入電網(wǎng)中的交流電作為電源的砂光機。

其中，電源模塊用于提供電動工具所需的電能，電機用于在電能驅(qū)動下實現(xiàn)電動工具的具體功能，驅(qū)動模塊用于驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動，控制電路用于控制驅(qū)動模塊，檢測模塊用于檢測電機的電壓、電流并向控制電路進行反饋。

作為一種優(yōu)選方案，電機為無刷電機，更具體而言，為無感控制的無刷電機，即在控制該電機時，僅僅通過所檢測電壓或電流信號判斷換相時機而不是通過傳感器直接檢測轉(zhuǎn)子的位置。

如圖2所示，電機包括若干相繞組，具體而言包括三相繞組，作為優(yōu)選方案，三相繞組構(gòu)成星型連接，即三相繞組的一端連接在一起構(gòu)成中性點O，它們各自的另一端分別定義為相接入端U、V、W,為了方便說明，在以下的說明書中以相接入端名稱來區(qū)分具體的繞組相，即將三相繞組分別定義為U相繞組、V相繞組和W相繞組。 需要說明的是，繞組既可以作為電機的定子也可以作為電機的轉(zhuǎn)子，以下以繞組作為定子的情況進行說明，以繞組作為轉(zhuǎn)子的情況本領(lǐng)域一般技術(shù)人員是可以知悉的。

驅(qū)動模塊可以包括如圖2所示的驅(qū)動電路，該驅(qū)動電路由6個開關(guān)Q11、Q12、Q13、Q21、Q22、Q23構(gòu)成六臂全橋電路，相接入端U、V、W分別連接至該驅(qū)動電路，通過控制6個開關(guān)元件Q11、Q12、Q13、Q21、Q22、Q23導(dǎo)通和關(guān)斷的狀態(tài)，能夠通過控制電源模塊加載在相接入端U、V、W的電壓的狀態(tài)改變繞組產(chǎn)生的磁場，從而使電機的轉(zhuǎn)子被驅(qū)動或被剎車。驅(qū)動電路所處的狀態(tài)與繞組被加載電壓的狀態(tài)是一一對應(yīng)的，一旦驅(qū)動電路所處的狀態(tài)改變，則繞組被加載的電壓情況也就發(fā)生改變。將驅(qū)動電路在正常驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動時所處的狀態(tài)定義為驅(qū)動狀態(tài)，將驅(qū)動狀態(tài)的切換稱之為電機的換相。

對于圖2所示的方案而言，在正常驅(qū)動時，一般包括6個驅(qū)動狀態(tài)，這6個驅(qū)動狀態(tài)均是使其中一相繞組的相接入端懸空，而在另外兩相繞組的相接入端施加一個電壓；如果我們被施加電壓的兩個相接入端來表示驅(qū)動狀態(tài)的話，這6個驅(qū)動狀態(tài)是VU、WU、WV、UV、UW、VW,我們將接入電壓的兩個相接入端中電位較高的一個放在前面，比如VU和UV區(qū)別在于前者相接入端V作為高壓端、后者相接入端U作為高壓端；另外在實際電機啟動時，是會根據(jù)具體情況選擇最先輸出的驅(qū)動狀態(tài)的，但是一般而言，驅(qū)動狀態(tài)在正常驅(qū)動時的切換次序是一定的。

如圖2所示，為了實現(xiàn)電控，驅(qū)動電路中的開關(guān)元件Q11、Q12、Q13、Q21、Q22、Q23可以采用IGBT(絕緣柵雙極型晶體管，Insulated Gate Bipolar Transistor)，當(dāng)然也可以采用MOSFET（金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管，Metallic oxide semiconductor field effect transistor）等具有一個信號控制端和兩個開關(guān)端的半導(dǎo)體元件。控制器中的MCU芯片可以通過發(fā)送控制信號，從該改變開關(guān)端的狀態(tài)從而控制驅(qū)動電路的驅(qū)動狀態(tài)。

參照圖3所示，檢測模塊包括多個檢測電路，具體而言，檢測電路的數(shù)目是與電機繞組的相數(shù)是相對應(yīng)的，對于圖2所示的電機而言，所需的檢測電路的數(shù)目為3。檢測電路的目的在于使控制器能在電機外部檢測出或模擬出電機繞組中相應(yīng)的電壓信號，這樣好處在于其能通過分壓以及濾波等過程模擬出與電機內(nèi)部對應(yīng)且適于控制器采集的電壓信號，尤其是在電壓被高壓驅(qū)動（比如電網(wǎng)電壓）的狀態(tài)下，一般的MCU控制并不能采集如此大電壓信號。

如圖3所示，與相接入端U、V、W分別連接的檢測電路均連接至中性檢測點，該點用來模擬電機中中性點的信號。

以連接到相接入端U的檢測電路為例，其包括：第一電阻R11，第二電阻R12、第三電阻R13、濾波電容C11和相移電容C12。

其中，第一電阻的一端連接至相接入端U，它的另一端連接至U相繞組的相檢測點b。第一電阻的作用調(diào)整相檢測點b的電壓信號的幅值。

第二電阻R12一端連接至一個等電位點，；第二電阻R12的另一端也連接至U相繞組的相檢測點b。

對于各個檢測電路而言，它們的第二電阻R12均連接至該等電位點；對于整個電動工具的電路而言，該電位點可以作為最低電位點，或者稱之為接地點，該點的電位往往與電源相關(guān)，在采用電池供電時，其與電池負極的電位相同，在采用電網(wǎng)供電時其電位相當(dāng)于地線的電位。以下為了方便說明，簡稱該點為接地點。

第三電阻R13的一端連接至中性檢測點a，其另一端也連接至U相繞組的相檢測點b。

濾波電容C11連接在U相繞組的相檢測點b和接地點之間，其作用在于濾除來此繞組的電壓信號的紋波和干擾，使在相檢測點b處獲得濾波之后的電壓信號，第二電阻R12作用在于提供濾波電容C11兩端通過電路的通路。

相移電容C12的作用在于使中性檢測點a的電壓信號在相位上超前于相檢測點b處的電壓信號。第三電阻R13作用在于提供相移電容C12兩端通過電路的通路。

對于無感控制的無刷電機而言，一般可以通過反向電動勢過零法來判斷換相時機，在理想狀態(tài)下，在檢測到反向電動勢過零后再等待預(yù)設(shè)相位（時間）后換相正好能與實際換相位置所對應(yīng)，這樣就能夠?qū)崿F(xiàn)無感控制換相。

在實際檢方案中，都是通過對中性點O的電壓與相接入端U、V、W的電壓進行比較來判斷是否發(fā)生過零事件。

對應(yīng)到圖3所示的檢測電路，為了使MCU芯片能夠檢測，利用中性檢測點a的電壓信號替代中性點O的電壓信號，用各相的相檢測點b、c、d代替各相的電壓。

因為濾波造成的滯后，各相的相檢測點b、c、d的電壓信號相對于相接入端U、V、W的電壓信號已經(jīng)滯后，并且控制都是滯后的如果不采取措施，滯后積累可能會導(dǎo)致控制器判斷發(fā)生過零事件時，已經(jīng)過了相應(yīng)的換相時機，這樣即使采用直接跳到下一個驅(qū)動狀態(tài)的方法，也會造成電機驅(qū)動“失步”，從而降低電機的能力，并且當(dāng)電動工具為砂光機等打磨類的電動工具時，這樣會電機抖動從而造成危險，因為操作者往往是根據(jù)電機轉(zhuǎn)速來調(diào)整打磨力度，電機突然地“失步”會使整個電動工具受力發(fā)生變化從脫離操作的控制。

因此，采用以上檢測電路的方案，能使中性檢測點a的電壓信號超前一定相位，避免錯過對應(yīng)的換相時機。

更具體而言，作為一種優(yōu)選方案，在本發(fā)明的電動工具中，直接將各個相檢測點和中性檢測點的電壓信號直接輸入到控制器中芯片中，然后通過滯后和超前的相位關(guān)系（因為一旦電容選定了這些關(guān)系是確定的）是可以通過軟件運算，比如采用差分的方法來運算出實際的情況，但是如果沒有中性檢測點的電壓信號的超前，那么無法對應(yīng)實時情況的控制，因為運算再快也需要時間，而中性檢測點的電壓信號的超前相當(dāng)于降低了由于運算和控制所帶來的滯后。

作為優(yōu)選方案，第一電阻的阻值大于第二電阻的阻值；第一電阻的阻值大于第三電阻的阻值。

作為優(yōu)選方案，第二電阻的阻值等于第三電阻的阻值。

作為優(yōu)選方案，濾波電容比相移電容相小，并且其本身是nF級的，這樣好處在于濾波電容相應(yīng)較快能降低延遲

以下介紹基于以上所介紹的放案無刷電機的控制方法，其中一個方法為判斷反向電動勢過零的方法，該方法包括：

采集無刷電機各相繞組的電壓作為相電壓信號；

將初始相電壓信號進行濾波得到濾波電壓信號；

將多個濾波電壓信號均進行相移補償后輸出至中性檢測點，形成相位超前于濾波電壓信號的中性點電壓信號；

對濾波電壓信號和中性點電壓信號進行運算和比較，在中性點電壓信號滿足預(yù)設(shè)條件時開始計時，在滿足預(yù)設(shè)時長后使無刷電機的驅(qū)動電路切換至下一個驅(qū)動狀態(tài)。

另外，在電機啟動或其他轉(zhuǎn)速不足的情況下，往往檢測不到反向電動勢或代表反向電動勢過零的事件時，具體到以上方案就是檢測不到滿足預(yù)設(shè)的判斷條件的中性點電壓信號時，按照預(yù)設(shè)的順序和時間間隔強制切換無刷電機的驅(qū)動電路的驅(qū)動狀態(tài)。

作為優(yōu)選方案，在強制啟動的過程中，切換驅(qū)動狀態(tài)的順序與正常驅(qū)動時驅(qū)動狀態(tài)的切換順序是相同的。

另在，在啟動時，即使是強制啟動也需要確定轉(zhuǎn)子的位置以確定對應(yīng)的輸出狀態(tài)，在本發(fā)明中采用的是主動定位的方法，如圖4所示，使驅(qū)動電路處于VU的驅(qū)動狀態(tài)，會產(chǎn)生相應(yīng)的磁場使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動至圖4所示的位置，但是如果剛好轉(zhuǎn)子處于圖5所示的相差180度的位置則無法轉(zhuǎn)動至圖4所示位置，則定位失敗，為了解決該問題，本發(fā)明采用二次定位的方法，再將驅(qū)動狀態(tài)保持在WU一定時間，此時無論處于任何位置的轉(zhuǎn)子均會轉(zhuǎn)動至圖6所示的位置，該方法無刷電機的繞組在預(yù)設(shè)時長內(nèi)保持在一個驅(qū)動狀態(tài)，然后切換至下一個驅(qū)動狀態(tài)并同樣保持預(yù)設(shè)時長；使無刷電機的繞組所產(chǎn)生的磁場偏轉(zhuǎn)一個小于180度的預(yù)設(shè)角度。作為具體的方案，可以按照正常驅(qū)動時驅(qū)動狀態(tài)切換次序選取兩個相鄰的驅(qū)動狀態(tài)，使驅(qū)動電路依次保持在這兩個驅(qū)動狀態(tài)一定時間，從而實現(xiàn)定位。

另外，在電機進行剎車時，由于電動工具的特殊性，不希望劇烈剎車，因此在進行剎車時，總保持一相繞組懸空而使其余繞組短路連接。

當(dāng)然，作為優(yōu)選方案，在剎車過程中并不是一直固定那一相一直作為懸空相，而是通過控制驅(qū)動電路不斷切換懸空的繞組和短路連接的繞組。比如先使W相繞組懸空，使其余兩相繞組短接，在預(yù)設(shè)時間滿足后，再使U相懸空，短接W相繞組和V相繞組，這樣好處在于能夠兼顧剎車速度和平穩(wěn)程度。

以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理、主要特征和優(yōu)點。本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，上述實施例不以任何形式限制本發(fā)明，凡采用等同替換或等效變換的方式所獲得的技術(shù)方案，均落在本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。