电流采样装置、驱动组件及电动工具的制作方法

1.本实用新型涉及电机控制技术领域，尤其涉及一种电流采样装置、驱动组件及电动工具。


背景技术：

2.直流电动机因其具有良好的调速性能，较宽的调速范围及简单的调速方式被广泛应用在高性能的调速系统中。但是有刷电机的换相器不可避免的存在换相火花、机械噪音、可维护性差等缺点。为了弥补有刷直流电机的这些不足，直流无刷电机(brushless dc motor，简称bldc)应运而生。直流无刷电机不仅很好的弥补了有刷直流电机的不足，性能上也完全可以和有刷直流电机相媲美，所以越来越多的被应用在高性能伺服及家电等领域。
3.在对直流无刷电机进行控制时，需要对电极各相电流进行采样，以进行反馈控制，然而，相关技术在进行电流采样时，电流采样方式单一，且无法解决存在的采样盲区问题。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本实用新型提出了一种电流采样装置、驱动组件及电动工具，实现电机驱动时的电流采样。
5.根据本实用新型的一个方面，提出了一种电流采样装置，所述装置包括：
6.三相电机；
7.三相全桥逆变器，包括第一晶体管、第二晶体管、第三晶体管、第四晶体管、第五晶体管、第六晶体管，所述第一晶体管及所述第四晶体管组成第一桥臂、且所述第四晶体管为下半桥，所述第二晶体管及所述第五晶体管组成第二桥臂、且所述第五晶体管为下半桥，所述第三晶体管及所述第六晶体管组成第三桥臂、且所述第六晶体管为下半桥，其中，所述三相电机的各个绕组的第一端连接，各个绕组的第二端分别连接于所述第一晶体管及所述第四晶体管之间、所述第二晶体管及所述第五晶体管之间、所述第三晶体管及所述第六晶体管之间；
8.第一电流采样模块，连接于所述各个绕组的第二端，用于进行利用所述第四晶体管的晶体管内阻、第五晶体管的晶体管内阻、第六晶体管的晶体管内阻进行电流采样；
9.第二电流采样模块，连接于所述三相电机的母线，用于通过所述母线进行电流采样；
10.采样选择模块，连接于所述第一电流采样模块及所述第二电流采样模块，用于：在一个控制周期中，根据所述第四晶体管、第五晶体管、第六晶体管均被断开的第一时长确定利用所述第一电流采样模块或所述第二电流采样模块进行电流采样。
11.在一种可能的实现方式中，所述采样选择模块包括：
12.第一选择子模块，用于：当所述第一时长大于第一预设时长时，控制所述第一电流采样模块进行电流采样，得到至少两相的相电流。
13.在一种可能的实现方式中，所述采样选择模块包括：
14.第二选择子模块，用于：当所述第一时长小于第一预设时长时，控制所述第二电流采样模块进行电流采样，得到至少一相的相电流。
15.在一种可能的实现方式中，所述第二选择子模块包括：
16.第一选择单元，用于：在一个控制周期中，当所述第四晶体管、第五晶体管、第六晶体管的任意一个被导通的各个控制阶段的时长均大于第二预设时长时，控制所述第二电流采样模块在各个控制阶段进行电流采样，得到至少两相的相电流，
17.其中，所述第二预设时长小于所述第一预设时长。
18.在一种可能的实现方式中，所述装置还包括：
19.移相模块，用于对控制信号进行移相；
20.其中，所述第二选择子模块包括：
21.第二选择单元，用于：在一个控制周期中，当所述第四晶体管、第五晶体管、第六晶体管的任意一个晶体管被导通的控制阶段的第二时长小于第二预设时长时，控制所述移相模块对第二时长小于所述第二预设时长的控制阶段的控制信号进行移相，并控制所述第二电流采样模块在各个控制阶段进行电流采样，得到至少一相的相电流。
22.在一种可能的实现方式中，所述第二选择单元包括：
23.第一选择子单元，用于：当控制信号的最小占空比大于移相采样最小时间，或控制周期的周期值与控制信号的最大占空比的差值大于所述移相采样最小时间，控制所述移相模块对第二时长小于所述第二预设时长的控制阶段的控制信号进行移相，并控制所述第二电流采样模块在各个控制阶段进行电流采样，得到至少两相的相电流。
24.在一种可能的实现方式中，所述第二选择单元包括：
25.第二选择子单元，用于：当控制信号的最小占空比小于移相采样最小时间，或控制周期的周期值与控制信号的最大占空比的差值小于所述移相采样最小时间，控制所述移相模块对第二时长小于所述第二预设时长的控制阶段的其中一个控制信号进行移相，并控制所述第二电流采样模块在移相的控制信号对应的控制阶段进行电流采样，得到该控制阶段的一相的相电流；
26.相电流获取模块，用于获取上一个控制周期的其他相的相电流。
27.在一种可能的实现方式中，所述装置包括：
28.存储模块，用于存储所述控制周期采样到的相电流。
29.在一种可能的实现方式中，所述装置还包括：
30.电阻确定模块，用于根据所述三相全桥逆变器各个桥臂的下半桥晶体管的两端的晶体管电压及所述母线上的母线电压确定各个桥臂的下半桥晶体管的晶体管电阻。
31.在一种可能的实现方式中，所述电阻确定模块包括：
32.差值运算单元，用于确定所述母线电压与所述晶体管电压的电压差值；
33.电阻确定单元，连接于所述差值运算单元，用于根据所述电压差值及所述母线上的母线电流确定晶体管电阻。
34.在一种可能的实现方式中，所述装置还包括：
35.电压调整模块，连接于所述电阻确定模块，用于根据所述晶体管电阻及预设参数确定调整后的晶体管电压。
36.根据本实用新型的一方面，提供了一种驱动组件，所述驱动组件包括所述的电流
所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。
50.另外，为了更好的说明本实用新型，在下文的具体实施方式中给出了众多的具体细节。本领域技术人员应当理解，没有某些具体细节，本实用新型同样可以实施。在一些实例中，对于本领域技术人员熟知的方法、手段、元件和电路未作详细描述，以便于凸显本实用新型的主旨。
51.请参阅图1，图1示出了根据本实用新型一实施例的电流采样装置的示意图。
52.如图1所示，所述装置包括：
53.三相电机10；
54.三相全桥逆变器20，包括第一晶体管q1、第二晶体管q2、第三晶体管q3、第四晶体管q4、第五晶体管q5、第六晶体管q6，所述第一晶体管q1及所述第四晶体管q4组成第一桥臂、且所述第四晶体管q4为下半桥，所述第二晶体管q2及所述第五晶体管q5组成第二桥臂、且所述第五晶体管q5为下半桥，所述第三晶体管q3及所述第六晶体管q6组成第三桥臂、且所述第六晶体管q6为下半桥，其中，所述三相电机10的各个绕组的一端电连接，各个绕组的另一端分别电连接于所述第一晶体管q1及所述第四晶体管q4之间、所述第二晶体管q2及所述第五晶体管q5之间、所述第三晶体管q3及所述第六晶体管q6之间；
55.第一电流采样模块40，连接于所述各个绕组的第二端，用于进行利用所述第四晶体管q4的晶体管内阻、第五晶体管q5的晶体管内阻、第六晶体管q6的晶体管内阻进行电流采样；第二电流采样模块50，连接于所述三相电机10的母线，用于通过所述母线进行电流采样；
56.采样选择模块60，连接于所述第一电流采样模块40及所述第二电流采样模块60，用于：在一个控制周期中，根据所述第四晶体管q4、第五晶体管q5、第六晶体管q6均被断开的第一时长确定利用所述第一电流采样模块40或所述第二电流采样模块50进行电流采样。
57.通过以上装置，本实用新型实施例可以根据电机控制阶段中作为下半桥的所述第四晶体管、第五晶体管、第六晶体管均被断开的第一时长选择利用晶体管内阻进行电流采样或利用母线进行电流采样，相较于相关技术中的单一的电流采样方式，本实用新型实施例的电流采样装置具有电流采样方式多样化的特点，且根据下半桥的各个晶体管均被断开的第一时长确定对应的电流采样方式，可以避免采样盲区的问题，可以进行全方面的电流采样，提高了电流采样的实时性、全面性，并提高了电机控制的准确性。
58.应该说明的是，本实用新型实施例的各个模块、单元均可以通过硬件电路实现，或者利用通用硬件电路结合相关现有的逻辑实现。
59.本实用新型实施例对第一电流采样模块40、第二电流采样模块50的具体实现方式不做限定，例如，第一电流采样模块40可以通过采集第四晶体管q4、第五晶体管q5、第六晶体管q6的两端的晶体管电压，并根据第四晶体管q4、第五晶体管q5、第六晶体管q6各自的内阻确定采样电流；例如，第二电流采样模块50可以包括在母线上设置的母线电阻单元，母线电阻单元可以为单电阻，也可以为并联的多个电阻，可以根据功率等参数确定母线电阻单元的具体实现方式，本实用新型实施例可以获取母线电阻单元两端的母线电压，并结合母线电阻单元的电阻大小确定母线电流。
60.在一个示例中，本实用新型实施例提到的母线，可以是电机的控制器的母线。
61.在一种可能的实施方式中，第一晶体管q1、第二晶体管q2、第三晶体管q3、第四晶
vector pulse width modulation，空间矢量脉宽调制)控制电机转动。
76.在一个示例中，当第一晶体管q1～第六晶体管q6这六个开关器件组合起来(同一个桥臂的上下半桥的信号相反)时，共有8种安全的开关状态，其中u0(000)、u7(111)这两种开关状态在电机驱动中都不会产生有效的电流，因此可以称其为零矢量。另外6种开关状态分别是六个有效矢量。它们将360度的电压空间分为60度一个扇区，共六个扇区，利用这六个基本有效矢量和两个零量，可以合成360度内的任何矢量。
77.在一个示例中，svpwm采用伏秒平衡原理，首先判断调制矢量电压所在扇区，然后利用矢量电压所在扇区相邻两个矢量合成所需的矢量电压，使定子磁链为圆形旋转的调制方式(如图3所示，矢量电压u
out
在第一扇区，相邻矢量为u1和u2)。如图3所示，带圆圈的数字代表合成矢量电压所在的扇区，六个调制矢量分别为(100，110，010，011，001，101)，例如采用下桥调制(当调制信号a为高电平时对应a相下半桥晶体管导通，当调制信号a为低电平时对应a相上半桥晶体管导通；bc相同理)。
78.在一个示例中，驱动模块在产生控制信号时，通常采用三角计数的定时器运行方式。
79.请参阅图4，图4示出了根据本实用新型一实施例的控制信号产生的示意图。
80.如图4所示，以所需矢量电压落在第一扇区为例进行电流采样分析，此时矢量电压需要矢量u1(100)和u2(110)合成，abc三相调制信号如图4所示，矢量u1调制时间为t1，矢量u2调制时间为t2，t0为三相上管全断开的零矢量，t7为三相下管全断开的零矢量。
81.在一个示例中，由于第一采样模块使用采集晶体管内阻的电流采样方式，因此，只能在t7时间内，由于在t7时间内第四晶体管q4、第五晶体管q5、第六晶体管q6均为断开状态，此时采样时准确的，然而，采样需要一定的时间，当t7时间不足时采集不到晶体管内阻的电压，产生了采样盲区。本实用新型实施例在这种情况下会利用母线电阻进行电流采样，弥补了通过晶体管内阻进行采样存在的采样盲区的缺陷。
82.在一种可能的实施方式中，如图2所示，所述采样选择模块包括：
83.第一选择子模块610，用于：当所述第一时长大于第一预设时长时，控制所述第一电流采样模块40进行电流采样，得到至少两相的相电流。
84.在一个示例中，如图4所示，若第一时长大于第一预设时长，在t7时间段，本实用新型实施例可以通过第一电流采样模块40进行电流采样。
85.在一个示例中，设晶体管切换的死区时间为t
d
，开关切换上升或下降的噪声时间为t
n
，一个adc采样时间为t
samp
，由于做矢量变化至少需要两路相电流，所以每次采样时间至少为两个adc，即2*t
samp
，所以为了在t7时刻可以准确采到两相电流，t7需要满足：t7>(t
d
+t
n
+2*t
samp
)，其中，第一预设时长可以为晶体管切换的死区时间、开关切换上升或下降的噪声时间及两倍的adc采样时间之和。
86.当t7小于第一预设时长时，则本实用新型实施例可以利用第二电流采样模块进行电流采样。
87.应该说明的是，本实用新型实施例对计算t7的时间的具体实现方式不做限定，本领域技术人员可以根据相关技术实现。
88.在一种可能的实现方式中，如图2所示，所述采样选择模块60还可以包括：
89.第二选择子模块620，用于：当所述第一时长小于第一预设时长时，控制所述第二
电流采样模块进行电流采样，得到至少一相的相电流。
90.若所述第一时长小于第一预设时长，则利用晶体管内阻进行电流采样的方式存在采样盲区，无法得到准确的电流采样结果，因此，为了解决这个问题，本实用新型实施例在这种情况下，通过第二电流采样模块采样母线电流，进行电流采样。
91.在一个示例中，如表1所示，当所述第一时长小于第一预设时长时，在不同的开关状态下，可以通过第二电流采样模块采样得到各相的相电流。
92.表1示出了通过各个晶体管开关的状态进行电流采样的模式。
93.开关状态ahbhch测量0000na1100ia2110
‑
ic3010ib4011
‑
ia5001ic6101
‑
ib7111na
94.其中，ah表示a相上桥，ah＝1表示上桥打开导通下桥关闭断开，ah＝0表示上桥关闭断开。
95.其中，ia表示a相电流(与第一绕组a对应)，ib表示b相电流(与第一绕组b对应)，ic表示c相电流(与第一绕组c对应)。
96.在一种可能的实现方式中，如图2所示，所述第二选择子模块620可以包括：
97.第一选择单元6210，用于：在一个控制周期中，当所述第四晶体管q4、第五晶体管q5、第六晶体管q6的任意一个被导通的各个控制阶段的时长均大于第二预设时长时，控制所述第二电流采样模块在各个控制阶段进行电流采样，得到至少两相的相电流，其中，所述第二预设时长小于所述第一预设时长。
98.在一个示例中，第二预设时长可以为晶体管切换的死区时间、开关切换上升或下降的噪声时间及adc采样时间之和(t
d
+t
n
+t
samp
)。
99.在一个示例中，如图4所示，对于第一扇区，所述第四晶体管q4、第五晶体管q5、第六晶体管q6的任意一个被导通的各个控制阶段例如为控制信号100、控制信号110作用的时间段t1、t2。
100.在一种可能的实现方式中，所述装置还可以包括：
101.移相模块，用于对控制信号进行移相；
102.如图2所示，所述第二选择子模块620可以包括：
103.第二选择单元6220，用于：在一个控制周期中，当所述第四晶体管q4、第五晶体管q5、第六晶体管q6的任意一个晶体管被导通的控制阶段的第二时长小于第二预设时长时，控制所述移相模块对第二时长小于所述第二预设时长的控制阶段的控制信号进行移相，并控制所述第二电流采样模块在各个控制阶段进行电流采样，得到至少一相的相电流。
104.本实用新型实施例对移相模块的具体实现方式不做限定，在一个示例中，移相模块可以包括移相器。
105.本实用新型实施例对移相模块进行移相时的参数(如移相的相位)不做限定，本领域技术人员可以根据需要设定。
106.对于控制信号的占空比满足的不同条件，本实用新型实施例可以具有多种对应的移相方式，及电流采样方式，下面进行示例介绍。
107.在一种可能的实现方式中，如图2所示，所述第二选择单元6220包括：
108.第一选择子单元6221，用于：当控制信号的最小占空比大于移相采样最小时间，或控制周期的周期值与控制信号的最大占空比的差值大于所述移相采样最小时间，控制所述移相模块对第二时长小于所述第二预设时长的控制阶段的控制信号进行移相，并控制所述第二电流采样模块在各个控制阶段进行电流采样，得到至少两相的相电流。
109.当控制信号的最小占空比大于移相采样最小时间，或控制周期的周期值与控制信号的最大占空比的差值大于所述移相采样最小时间时，各个控制阶段的控制信号均满足移相条件，因此，本实用新型实施例可以控制所述移相模块对第二时长小于所述第二预设时长的控制阶段的控制信号进行移相，并控制所述第二电流采样模块在各个控制阶段进行电流采样，得到至少两相的相电流。
110.在一个示例中，如图4所示，若t1、t2对应的控制阶段的控制信号的最小占空比大于移相采样最小时间，或控制周期的周期值与控制信号的最大占空比的差值大于所述移相采样最小时间，则本实用新型实施例可以对t1、t2对应的控制阶段的控制信号进行移相，以使得移相后的控制信号满足第二时长大于所述第二预设时长的条件，以实现对母线的电流采样。
111.在一种可能的实现方式中，如图2所示，所述第二选择单元6220包括：
112.第二选择子单元6222，用于：当控制信号的最小占空比小于移相采样最小时间，或控制周期的周期值与控制信号的最大占空比的差值小于所述移相采样最小时间，控制所述移相模块对第二时长小于所述第二预设时长的控制阶段的其中一个控制信号进行移相，并控制所述第二电流采样模块在移相的控制信号对应的控制阶段进行电流采样，得到该控制阶段的一相的相电流；
113.相电流获取模块，用于获取上一个控制周期的其他相的相电流。
114.在一个示例中，若控制信号的最小占空比小于移相采样最小时间，或控制周期的周期值与控制信号的最大占空比的差值小于所述移相采样最小时间，则无法同时对多个控制阶段的控制信号进行移相，以满足第二时长大于所述第二预设时长的条件，因此，本实用新型实施例可以对其中一个控制信号进行移相，以使得其满足第二时长大于所述第二预设时长的条件，在这种情况下，本实用新型实施例可以利用第二电流采样模块对其进行电流采样，得到该相的相电流，以第一象限的矢量电压为例，控制信号100和110对应的t1、t2若均无法满足移相的条件，即当控制信号的最小占空比小于移相采样最小时间，或控制周期的周期值与控制信号的最大占空比的差值小于所述移相采样最小时间，则，本实用新型实施例对控制信号100(也可以是110)进行移相，在这种情况下，可以得到a相的相电流。
115.当控制信号的最小占空比小于移相采样最小时间，或控制周期的周期值与控制信号的最大占空比的差值小于所述移相采样最小时间时，由于通过移相的方式无法获得两相的相电流，因此，本实用新型实施例可以利用上一个控制周期(pwm周期)采样得到的另一相的相电流，例如b相的相电流，结合通过移相后通过母线电流采样得到的相电流进行矢量变
换。
116.在一种可能的实现方式中，所述装置可以包括：
117.存储模块，用于存储所述控制周期采样到的相电流。
118.在一个示例中，存储模块可以由任何类型的易失性或非易失性存储设备或者它们的组合实现，如静态随机存取存储器(sram)，电可擦除可编程只读存储器(eeprom)，可擦除可编程只读存储器(eprom)，可编程只读存储器(prom)，只读存储器(rom)，磁存储器，快闪存储器，磁盘或光盘。
119.本实用新型实施例可以利用存储模块将各个控制周期采样得到的相电流都进行存储，在需要时可以进行调用。
120.应该说明的是，本实用新型实施例对如何从存储模块中获取存储的相电流数据的具体实现方式不做限定，本领域技术人员可以根据相关技术实现。
121.在一种可能的实现方式中，所述装置还可以包括：
122.电阻确定模块，用于根据所述三相全桥逆变器各个桥臂的下半桥晶体管的两端的晶体管电压及所述母线上的母线电压确定各个桥臂的下半桥晶体管的晶体管电阻。
123.功率器件晶体管随着不断的开关会发热严重，晶体管的电阻随温度也变化较大，因此，在晶体管温度升高的时候采样值偏差严重，本实用新型实施例可以在电流采样时，实时确定晶体管内阻的大小，以克服相关技术中采用固定电阻进行电流采样计算的方式，且，不需要增加温度传感器，节约了装置的电路面积，节约了成本，并可以根据当前的晶体管电阻及电阻与温度的关系确定当前晶体管的温度，实现对晶体管温度的精确控制。
124.电阻确定模块可以通过硬件电路实现，对于电阻确定模块的具体实现方式，本领域技术人员不做限定。
125.下面对电阻确定模块的可能实现方式进行示例性介绍。
126.在一种可能的实现方式中，所述电阻确定模块可以包括：
127.差值运算单元，用于确定所述母线电压与所述晶体管电压的电压差值；
128.电阻确定单元，连接于所述差值运算单元，用于根据所述电压差值及所述母线上的母线电流确定晶体管电阻。
129.在一个示例中，差值运算单元例如可以包括加法器，通过加法器可以将所述母线电压与所述晶体管电压相减，得到所述母线电压与所述晶体管电压的电压差值。
130.在一个示例中，电阻确定单元可以包括滤波器，以实现对电压差值的平滑处理，还可以包括电阻计算单元(例如可以利用除法器实现)，用于将电压差值与母线电流进行运算得到晶体管电阻。
131.本实用新型实施例对电阻确定单元的具体实现方式不做限定，本领域技术人员可以根据需要选择合适的方式确定。
132.在一种可能的实现方式中，所述装置还可以包括：
133.电压调整模块，连接于所述电阻确定模块，用于根据所述晶体管电阻及预设参数确定调整后的晶体管电压。
134.在一个示例中，预设参数可以为根据环路确定的电流指令，对于预设参数的具体大小，本实用新型实施例不做限定，本领域技术人员可以根据需要或实际情况设定。
135.本实用新型实施例对电压调整模块的具体实现方式不做限定，在一些示例中，电
压调整模块可以包括乘法器，也可以包括其他的硬件电路，本领域技术人员可以根据需要设定。
136.本实用新型实施例通过获取晶体管两端的电压作为反馈，利用母线上设置的母线电阻采集得到母线电压对晶体管两端的电压进行调整，在调整过程中，可以确定当前状态下晶体管的真实电阻，通过这样的设置，本实用新型实施例可以得到准确的电流采样结果。
137.本实用新型实施例针对mos内阻电流采样和母线电阻采样存在的问题，使用结合母线电流采样及mos内阻采样的采样方式，根据各个下半桥晶体管都被断开的第一时长判断采样何种电流采样方式，实现无盲区采样，并在校正环节加入滤波环节增加抗干扰能力，同时也解决了使用mos内阻采样及单电阻电流采样技术存在采样盲区的问题。
138.以上已经描述了本实用新型的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术的改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。