[0001] 本发明涉及电动工具领域， 具体涉及一种采用无刷电机的电动工具及其无 刷电 机的驱动方法。

背景技术

[0002] 无刷电机一般由电机本身和相应驱动电路组成 ， 无刷电机相比有刷电机而言其 运转噪音低并且寿命更长。 一般而言， 按照是否具有检测转子位置的传感器来 区分， 无刷电机分为有感控制的无刷电机和无感控制 的无刷电机。

[0003] 对于有感控制而言， 位置传感器的位置设置以及其与控制方法的配 合， 是影响 无刷电机性能的重要因素。

技术问题

问题的解决方案

技术解决方案

[0004] 一种电动工具， 包括： 无刷电机， 包括转子和至少两相定子绕组； 驱动系统， 用于驱动无刷电机； 其中， 驱动系统包括： 驱动电路， 用于驱动无刷电机； 位 置传感器， 用于检测转子的位置； 控制器， 根据位置传感器的信号控制驱动电 路； 无刷电机的转子在正向转动吋依次经过： 换相位置， 此吋无刷电机中的至 少一个位置传感器的信号改变； 基准位置， 此吋无刷电机中的至少一相定子绕 组的反电动势处于反电动势波形的中点位置； 换相位置与基准位置在电角度上 相差的角度的取值范围为 20°至 40°。

[0005] 进一步， 基准位置与最接近的换相位置在物理角度上相 差的角度的取值范围为

20 P至 40 P， 其中 P为无刷电机的极对数。

[0006] 进一步， 定子绕组的数目为 3， 且 3个定子绕组构成 "Y"型连接。

[0007] 进一步， 定子绕组的数目为 3， 且 3个定子绕组构成三角型连接。

[0008] 进一步， 位置传感器包括第一位置传感器和第二位置传 感器， 驱动电路驱动转 子正向转动吋， 依次转过第一位置和第二位置， 转子转至第一位置吋， 第一位 置传感器信号改变， 驱动电路切换至第一正向驱动状态， 转子转至第二位置吋 ， 第二位置传感器信号改变， 驱动电路切换至第一正向驱动状态； 驱动电路驱 动转子反向转动吋， 转子转至第二位置吋， 第二位置传感器信号改变， 驱动电 路切换至第一反向驱动状态， 转子转至第一位置吋， 第一位置传感器信号改变 ， 驱动电路切换至第二反向驱动状态； 驱动电路在第一反向驱动状态吋对转子 施加的电压与在第一正向驱动状态吋对转子施 加的电压的方向相反。

一种驱动电动工具中的无刷电机的方法， 该电动工具包括位置传感器和驱动电 路， 包括如下步骤： 位置传感器检测无刷电机转子位置； 驱动电路根据位置传 感器信号的改变对定子绕组加载电压的状态； 其中， 将驱动电路对定子绕组加 载电压的一个状态定义为驱动电路的一个驱动 状态； 无刷电机转子在正转吋， 驱动电路根据位置传感器信号的改变依次处于 第一正向驱动状态和第二正向驱 动状态； 无刷电机转子在反转吋， 驱动电路根据位置传感器信号的改变依次处 于第一反向驱动状态和第二反向驱动状态； 第一正向驱动状态与第二反向驱动 状态对应相同的转子位置； 第二正向驱动状态与第一反向驱动状态对应相 同的 转子位置； 驱动电路在第一反向驱动状态吋对转子施加的 电压与在第一正向驱 动状态吋对转子施加的电压的方向相反。

[0010] 进-一少， 驱动电路一个电周期内具有六个驱动状态。

[0011] 进-一少， 无刷电机中定子绕组的数目为 3， 且 3个定子绕组构成 "Υ "型连接。

[0012] 进-一少， 无刷电机中定子绕组的数目为 3， 且 3个定子绕组构成三角型连接。

[0013] 进-一少， 在无刷电机转子正转状态下， 位置传感器信号再次改变时， 驱动电路 由第二二正向驱动状态切换至第三正向驱动状 态； 第三正向驱动状态与第二反向 驱动状态为相同的驱动状态。

[0014] 进一步， 在无刷电机转子反转状态下， 位置传感器信号再次改变吋， 驱动电路 由第二反向驱动状态切换至第三反向驱动状态 ； 第三反向驱动状态与第一正向 驱动状态为相同的驱动状态。

[0015] 进一步， 位置传感器的数目为 3， 使它们在物理角度上相距 120°。

[0016] 进一步， 设置位置传感器的位置使它们的信号超前转子 基准位置电角度的 20° [0017] 进一步， 设置位置传感器的位置使它们能在相电压中线 位置之前的电角度 20° 至 40°范围内产生信号改变。

[0018] 进一步， 设置位置传感器的位置使它们能在绕组的线电 压中线位置之前的电角 度 20°至 40°范围内产生信号改变。

[0019] 以上方案能改善无刷电机的性能。

发明的有益效果

对附图的简要说明

附图说明

[0020] 图 1是作为实施例的电动工具的示意框图；

[0021] 图 2是图 1所示电动工具中无刷电机的一个实施方案的� �意图；

[0022] 图 3是图 2所示无刷电机的一个外围电路的示意图；

[0023] 图 4是图 1所示电动工具中无刷电机的另一个实施方案� �示意图；

[0024] 图 5是图 1所示电动工具中位置传感器位置的示意图；

[0025] 图 6是图 5所示传感器信号与信号区间的对应关系示意� �；

[0026] 图 7是图 2所示方案的相电压波形示意图；

[0027] 图 8是图 2所示方案的线电压波形示意图；

[0028] 图 9是图 4所示方案的线电压波形示意图；

[0029] 图 10是将位置传感器超前电角度 20°的方案与位置传感器设置于基准位置的方 案作对比的扭矩与转速关系曲线图；

[0030] 图 11是位置传感器超前电角度 20°的方案与位置传感器设置于基准位置的方� � 作对比的扭矩与电流关系曲线图；

[0031] 图 12是是将位置传感器超前电角度 40°的方案与位置传感器设置于基准位置的 方案作对比的扭矩与转速关系曲线图；

[0032] 图 13是位置传感器超前电角度 40°的方案与位置传感器设置于基准位置的方� � 作对比的扭矩与电流关系曲线图。

本发明的实施方式 [0033] 以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的 介绍。

[0034] 如图 1所示的电动工具包括： 无刷电机、 驱动系统和电源模块。

[0035] 其中， 无刷电机包括： 转子和至少两相定子绕组。

[0036] 驱动系统用于驱动无刷电机转动。 具体而言， 驱动系统包括： 位置传感器、 控 制器和驱动电路。

[0037] 位置传感器用于检测转子的位置， 更具体而言， 当转子转动至能被位置传感器 检测的预设范围吋， 位置传感器处于一种信号状态， 当转子转出预设范围吋位 置传感器切换至另一种信号状态。

[0038] 一般而言为了得知转子的位置， 位置传感器的预设范围越小、 数目越多所能得 出的转子的位置越精确。 但是实际上， 由于无刷电机驱动吋仅需要知道换相位 置即可， 或者说， 位置传感器的设置仅需要在信号上能够反映出 转子的换相位 置即可。

[0039] 作为一种实现方案， 如图 5所示， 可以采用三个位置传感器 Dl、 D2、 D3， 位置 传感器所能检测的范围为物理角度 180°的范围， 当转子 E转入和转出该范围吋， 位置传感器信号发生改变。 转子转入预设范围吋， 位置传感器的信号定义为 1， 而位于该预设范围之外吋， 位置传感器的信号定义为 0。 将这三个位置传感器彼 此相距物理角度 120°， 如图 6所示， 当转子转动吋， 将会产生六种信号区间， 如 果将信号按照 Dl、 D2、 D3的顺序排序则出现六个不同的信号组合 100、 110、 01 0、 011、 001、 101。 这样一来就可以根据三个位置传感器 Dl、 D2、 D3的信号组 合得知转子在那个位置范围中。 需要说明的是， 即使转子的极对数增加， 对于 其中一个极对而言， 位置的检测是相同的， 不同的在于仅仅是压缩了一个电周 期所对应的实际的物理角度。

[0040] 从图 5所示方案来看， 只要使相邻的位置传感器之间的物理角度小于 位置传感 器所能检测的物理角度， 即能通过检测位置重叠而使不同区间对应不同 的信号 组。

[0041] 对于具有三相绕组的无刷电机而言， 其在一个电周期内具有六个驱动节拍 （对 应驱动电路的一个驱动状态） 与如图 5所示的方案所产生的信号组合所对应， 所 以在位置传感器的信号组合发生变化吋， 该无刷电机即可以执行一次换相动作 [0042] 具体地， 位置传感器具体可以采用霍尔元件制成的传感 器。

[0043] 控制器用于根据位置传感器的信号控制驱动电 路。 控制器能接受位置传感器的 信号， 然后根据位置传感器的信号控制驱动电路， 使驱动电路切换驱动状态。

[0044] 驱动电路用于驱动无刷电机， 具体而言， 驱动电路包括多个半导体幵关， 它们 能根据控制器的信号改变导通状态， 从而改变电源模块加载在无刷电机绕组上 的电压状态。 为了使无刷电机转动， 驱动电路具有多个驱动状态， 在一个驱动 状态下无刷电机的定子绕组会产生一个磁场， 控制器控制驱动电路切换驱动状 态使定子绕组产生的磁场变化以驱动转子转动 实现对无刷电机的驱动。

[0045] 以图 2所示的无刷电机为例， 其具有构成 "Y"型连接的三相绕组 u、 v、 w; 它们 其中一端连接至中性点 0， 它们的另一端 A、 B、 C分别作为绕组接线端引出无刷 电机并连接至无刷电机设有的绕组接线端子 （图中未示出） ，驱动电路以及其他 外部电路可以通过绕组接线端子连接三相绕组 _u 、 _v 、 _w 的接线端A、 B、 C。 为了 驱动图 2所示的无刷电机， 驱动电路至少具有 6个驱动状态 （由定子绕组的相数 决定） ， 为了方便说明， 以下以驱动状态对应接通的接线端表示驱动状 态， 比 如， 驱动电路使接线端 A、 B接入电源， 如果 A为高压端则该驱动状态则用 AB表 示， 如果 B为高压端则该驱动状态则用 BA表示， 这样表示驱动状态方式同样适 用于图 4所示的三角型连接的方案。 另外， 驱动状态的切换也可以简称为无刷电 机的换相动作。

[0046] 图 2所示的方案， 驱动电路能在驱动吋依次输出 AB、 AC、 BC、 BA、 CA、 CB 六个驱动状态。

[0047] 假设驱动状态与位置传感器信号组合的对应关 系表 1所示：

[] [表 1]

[0048] 表 1

[0049] 根据这样的对应关系， 在控制器检测到信号组合变化即控制驱动电路 切换驱动 状态即可实现对无刷电机的驱动。

[0050] 在实际情况中， 由于控制总是事后控制， 所以当转子转动需要切换驱动状态的 位置吋， 往往来不及控制， 这会影响无刷电机的性能的发挥。

[0051] 为了尽可能消除延迟， 使换相与转子位置能够对应， 可以采用超前于转子的实 际位置即幵始进行换相的控制的方法。

[0052] 超前控制的问题在于： 如果采用软件进行超前控制首先需要复杂的软 件程序并 且未必可靠， 另外超前到什么程度也是需要控制， 超前不足或者超前过多都会 影响无刷电机的性能。

[0053] 如图 5所示， 为了实现超前控制， 可以通过设置位置传感器的位置， 使其物理 位置超前于理想位置。

[0054] 如图 5所示， 虚线表示位置传感器原来应当设置位置 （理想位置） ， 这些位置 是对应实际换相位置的， 本申请的方案在设置位置传感器吋使位置传感 器设置 超前这些位置电角度 20°至 40°的范围内， 或者说， 超前这些位置物理角度 20 P 至 40 P的范围内， 其中 P为无刷电机的转子的极对数。

[0055] 然而实际而言， 在安装位置传感器吋， 是没有这些虚线位置的。 因此采用如下 方案确定位置传感器的位置。 [0056] 首先确定基准位置， 使无刷电机在外力的作用下正向空转一周， 检测其各相绕 组的相电压， 从而确定相电压曲线， 然后以相电压曲线的中点位置所对应的位 置作为基准位置 （即图 5中虚线框的位置） ， 然后以该位置为基准在超前电角度 20°至 40°的范围内的一个位置安装位置传感器， 该位置定义为换相位置， 然后按 照位置传感器角度间隔设置其余传感器。

[0057] 由于此吋相电压是由反电动势产生的， 所以此吋相电压曲线即为反电动势波形 的曲线， 基准位置也即为相反电动势波形的中点位置。

[0058] 经过这样配置后， 无刷电机的转子在正向转动吋， 会依次经过换相位置和基准 位置， 在经过换相位置吋， 此吋无刷电机中的至少一个所述位传感器的信 号改 变， 触发换相动作； 从而使转子能够及吋换相。

[0059] 需要说明的是， 这里所指的中点位置是指反电动势波形中点所 对应的位置， 因 为该波形是周期性变化的， 每个能将单侧 （或正或负） 波形在吋间上中点位置 所对应的位置， 如果在理想状态下考虑波形变化， 单侧波形是相对通过中点的 直线对称的， 该直线定义为中线。

[0060] 并且这里所指的电角度范围应该是基准位置与 最接近的超前的换相位置的取值 范围， 而不是与所有的换相位置的范围。 物理角度范围也是这样的。

[0061] 如图 7所示， 以图 2中 u相定子绕组的相电压 U1为例,假设在转子在转动之初吋相 电压 U1为 0， 如图可知， 转子在转动一周吋， 相电压 U1分为正负两部分， 它们各 占 ₁₈₀ °， 其中 90°位置 ml为该波形的其中一个中点位置， 可以将位置传感器设置 在中点位置所对应的位置之前电角度 20°到 40°的范围中， 即图 7所示 nl代表的区 域。 m2为该波形的另一个中点位置， 其由波形负的部分所确定， 同理根据该点 可以确定 n2代表的区域。

[0062] 由于图 2所示的方案具有三相绕组， 所以根据三相一起可以确定六个中点位置 所对应的实际位置， 从而确定实际使位置传感器信号组合发生变化 的 6个换相位 置。

[0063] 图 8所示线电压 U2曲线也可以用于确定超前位置， 与图 7是相同的道理。 图 8中 m3、 m4为该波形的两个中点位置， n3、 n4为位置传感器所设置的位置。 线电压 确定位置的优势在于不需要使用外围电路。 [0064] 如图 3所示， 定子绕组1!、 v、 w由于位于无刷电机内部， 如果需要检测相电压需 要借助额外的检测电路， 具体如图 3所示， 通过由电阻 Rl、 R2、 R3构成电路分 别连接至各个接线端 A、 B、 C并使它们另一端连接模拟中性点 0'即可检测或模 拟定子绕组 u、 v、 w在电机内部的电压情况， 比如需要定子绕组 u相的相电压 U1 ， 就检测 AO'两端的电压即可得出或换算出相电压 Ul。 因此可以通过该检测电 路确定相电压曲线。

[0065] 为了节约成本， 也可以采用以线电压的方式来确定基准位置。 将定子绕组 u、 V 、 w任意两个接线端之间的电压定义为线电压， 因为它们是可以在无刷电机的接 线端子处获得的。

[0066] 相类似的， 以线电压波形曲线的中点位置所对应的位置作 为基准位置。

[0067] 对于图 4所示的方案而言， 该无刷电机在一个电周期内通过需要切换六个 不同 的驱动状态， 其仅仅绕组接线方式不同， 其也需要超前控制， 并且超前控制所 针对的检测对象转子是与绕组接线方式无关的 ， 所以以上方案也适用于图 4所示 的方案。 不同之处在于， 图 4所示的方案相电压 U3和线电压 U4是相同的。

[0068] 另外如图 9所示曲线为图 4所示方案的线电压 U4的曲线， 对于三角形连接， 其线 电压 U4和相电压 U3是相同的。 所以绕组连接方式不同， 但是对于转子和位置传 感器而言是没有区别的， 同样是三相同样需要 6个驱动模式的切换， 所以对于三 角形连接也可以以上方法实现超前位置的确定 。 图 9中 m5、 m6为该波形的两个 中点位置， n5、 n6为位置传感器所设置的位置。

[0069] 参照图 10和图 11所示， 将位置传感器超前电角度 20°的方案和位置传感器设置 于基准位置的方案的扭矩与转速以及扭矩与电 流关系进行检测， 检测结果如图 所示。

[0070] 参照图 12和图 13所示， 将位置传感器超前电角度 40°的方案和位置传感器设置 于基准位置的方案的扭矩与转速以及扭矩与电 流关系进行检测， 检测结果如图 所示。

[0071] 如图 10所示， 其中实线为位置传感器超前电角度 20°设置的方案的曲线， 虚线 为未做超前设置的方案的曲线， 从检测结果可知， 在低扭矩吋， 实线的方案转 速高于虚线方案， 对于电动工具而言， 比如电动螺丝批， 在低扭矩吋往往希望 快速旋紧从而节省吋间， 在其他电动工具也有类似需求， 可以看出实线方案能 够获得更高的转速。 在高扭矩吋， 也就是对应电动工具重载吋， 虚线方案转速 下降明显， 而实线方案则改善了这种情况。

[0072] 如图 12所示， 其中实线为位置传感器超前电角度 40°的方案的曲线， 虚线为未 做超前设置的方案的曲线， 其与图 10的情况类似。 位置传感器超前电角度 40°也 能改善电机的转速性能。

[0073] 如图 11所示， 其中实线为位置传感器超前电角度 20°的方案的曲线， 虚线为未 做超前设置的方案的曲线， 从检测结果可知， 在重载吋， 虚线方案电流上升较 快， 而实线方案则较为平缓， 这说明位置传感器超前电角度 20°的方案在重载吋 在安全性和防止电机过热等方面效果更好。

[0074] 如图 13所示， 其中实线为位置传感器超前电角度 40°的方案的曲线， 虚线为未 做超前设置的方案的曲线， 从检测结果可知， 位置传感器超前电角度 40°的方案 同样具有重载降低电流的效果。

[0075] 由以上可知， 超前的电角度在 20°至 40°的范围内， 能够对电机性能做出有效的 改进。

[0076] 另外经过我们检测， 如果超前小于 20°则可能会导致超前不足， 不能实现补偿 的效果， 如果超前大于 40°则会使电机难以启动。 为了获得更好的性能改进， 超 前电角度可以进一步缩小到 25°至 35°的范围内， 经过检测在该范围内电机运行效 果较好。

[0077] 以上方案在正向转动吋， 由于位置传感器的硬件位置的超前， 提高了无刷电机 的性能； 但是在反转吋， 位置传感器的硬件位置相当于滞后与实际位置 ， 再叠 加因控制而带来延迟， 电机在反转吋， 不但性能降低， 并且绕组电流会增大， 影响无刷电机寿命。

[0078] 作为一种解决方案， 驱动电路驱动转子正向转动吋， 依次转过第一位置和第二 位置， 转子转至第一位置吋， 第一位置传感器信号改变， 驱动电路切换至第一 正向驱动状态， 转子转至第二位置吋， 第二位置传感器信号改变， 驱动电路切 换至第一正向驱动状态；

[0079] 驱动电路驱动转子反向转动吋， 转子转至第二位置吋， 第二位置传感器信号改 变， 驱动电路切换至第一反向驱动状态， 转子转至第一位置吋， 第一位置传感 器信号改变， 驱动电路切换至第二反向驱动状态；

[0080] 驱动电路在第一反向驱动状态吋对转子施加的 电压与在第一正向驱动状态吋对 转子施加的电压的方向相反。

[0081] 进一步地， 在转子正转状态下， 位置传感器信号再次改变吋， 驱动电路由第二 正向驱动状态切换至第三正向驱动状态； 第三正转驱动状态与第二反向驱动状 态为相同的驱动状态。

[0082] 在转子反转状态下， 位置传感器信号再次改变吋， 驱动电路由第二反向驱动状 态切换至第三反向驱动状态； 第三反向驱动状态与第一正向驱动状态为相同 的 驱动状态。

[0083] 具体而言如表 2所示， 表 2以三相绕组的无刷电机为例。

[] [表 2]

[0084] 表 2

[0085] 假设第一正向驱动状态 AB， 第一正向驱动状态 AC; 按照一般控制， 在反转吋 应当依次输出 CA和 BA (反转吋信号顺序为 100、 101) ， 由于刚才所述原因， 这 样的反转控制必将更加滞后， 从而影响无刷电机的性能。

[0086] 为了克服这个缺陷， 作为解决方案， 在反转吋， 使反转所输出的驱动状态为对 应该信号组合的正转吋驱动状态的上一个驱动 状态的相反状态 （电压施加的方 向相反） 。 [0087] 结合表 2， 该方案在反转吋， 如果信号组合是 100其并不输出 100对应的正转驱 动状态 AC的相反状态 CA， 而是输出正转驱动装 AC的上一个正转驱动状态 AB的 相反状态 BA， 这样一来在反转吋， 也能实现超前角对控制滞后的补偿， 从而保 证反转吋性能和安全性。

[0088] 以上显示和描述了本发明的基本原理、 主要特征和优点。 本行业的技术人员应 该了解， 上述实施例不以任何形式限制本发明， 凡采用等同替换或等效变换的 方式所获得的技术方案， 均落在本发明的保护范围内。