专利名称：自动限制输出功率的电气装置的制作方法
技术领域：
本发明一般地涉及电动装置。更具体地，本发明涉及这样的电动装置，其具有限制所述装置的输出功率的电路。
电动装置，比如电动手持工具，日益使用无刷DC (″BLDC″)电动机而不是常规的AC电动机。由于BLDC电动机是无刷的，所以BLDC电动机一般是可靠的，高效率的，并产生低的电磁干扰(″EMI″)，甚至在高速运转时也是如此。BLDC电动机不同于与其相应的AC基电动机，AC基电动机需要高效率的AC到DC功率变换器，以将输入的AC输入功率转化为DC输出功率。另外，严格的国内的和国际的管理标准要求功率变换器使用功率因数校正电路以解决谐波问题。
为使BLDC装置和其它的电动装置具有强大的市场渗透力，所述装置应当能在很宽范围的AC电压下操作，例如从美国市场的110～220VAC 60Hz到欧洲市场标称的220～240VAC 50Hz。为实现该方面，装置的电源一般能够与AC输入无关地提供相同的DC输出功率。然而，对于给定的DC输出功率，装置输入的AC电流会基于输入的AC电压改变。例如，输出功率为2KW的装置，在110VAC，假定转换效率为90％时，会引入超过20安培的输入电流。具有相同的2KW输出功率的类似装置，在220VAC，也假定90％的转换效率，会引入仅10安培的输入电流。因此，在美国和欧洲市场运转的电动装置对于相同的输出功率，会引入显著地不同的电流。
然而由于在110VAC操作的美国电路通常限于或者15安培或者20安培的容量，所以会发生问题。结果，在较低的AC电压下操作电动装置所需的较大的电流可启动断路器或其它的电路保护装置，其导致装置功率的损失。可以意识到出乎意外的功率损失在某些情况可导致危险的状态。因此，需要电动装置，比如动力工具，其中限制所述装置的功率输出，以使装置在具有限制电流容量的电路中安全地操作。
发明内容
在本发明的一个优选实施例中，提供了电动装置，其可从输入电源获得功率，以产生驱动所述装置的输出功率。所述装置包括确定输入电源的至少一种特性的电路，和基于输入电源的所述特性，调节驱动所述装置的输出功率的电路。在本发明的另一个优选实施例中，所述电路不包括在电动装置之内，而是提供在接收AC电源并向装置提供DC输出功率的分离的功率变换器中。从而优选的实施例有利地提供了这样的电动装置，其在降低的或较低的输出功率下操作，这相应地降低由输入电源引入的电流，使得装置可以与输入电源的特性无关地安全地操作。输入电源提供AC功率，输入电源的特性是输入AC功率的电压、频率或其组合。
优选实施例适用于各种电动装置，比如包括一个或多个用DC输出功率驱动的无刷DC电动机那样的电动装置。所述电动装置可为，例如手动的或别的方式的动力工具，比如磨床，钻，锯等。
在本发明的优选实施例的另一个方面中，提供了电动装置，其可从输入的AC电源获得功率，以产生驱动所述装置的DC输出功率。所述装置包括至少一个无刷DC电动机和至少一个控制器，所述控制器用于确定输入的AC电源的电压、频率或其组合，并基于输入的AC电源的电压、频率或其组合，调节驱动无刷DC电动机的DC输出功率。
在本发明的优选实施例的另一个方面中，提供了电动装置，其可从输入的AC电源获得功率，以产生驱动所述装置的DC输出功率。所述装置包括至少一个无刷DC电动机和至少一个控制器，所述控制器用于确定输入的AC电源的电压、频率或其组合，并且如果确定输入电源是高压电源、输入电源是低频率电源或其组合，则增加驱动通常在低功率下操作的无刷DC电动机的DC输出功率。
图1是显示其中可以实施本发明优选实施例的自动限制输出功率的电动装置的主要组件的框图； 图2是本发明的优选实施例包括的部分电路图； 图3a-3d显示针对多种不同类型的输入功率的各种半正矢电压的图解表示； 图4是本发明优选实施例的图，其中电动装置从分离的功率变换器接收DC功率，所述功率变换器包括根据本发明优选实施例的电路。
具体实施例方式优选实施例一般地提供这样的电动装置，其确定输入功率的至少一种特性，比如输入AC功率的电压和/或频率，并基于输入功率的特性，自动地或以其它方式限制或调节装置的输出功率。优选实施例的该方面有利地使得电动装置或其一部分比如电源/功率变换器，可以限制或调节由装置提供的输出功率，并相应地限制或调节装置引入的电流，从而防止在低输入电压启动断路器。尽管相对于某些类型的电动装置比如动力工具特别是用于驱动具有BLDC电动机的装置的电源/变换器举例说明了优选实施例，但是应理解优选实施例一般性地应用于各种不同类型的装置，因此不限于优选实施例。
参照图1，可以实施优选实施例的自动限制输出功率的电动装置100包括几个主要部分。在一个优选实施例中，电动装置100包括驱动装置100的电动部分102的功率控制电路101，该电路确定输入功率2的至少一种特性，比如输入AC功率的电压和/或频率，并基于输入功率的特性限制或调节驱动装置100的电驱动部分102的输出功率。功率控制电路101可以与电驱动部分102集成于单个单元，或可以是与电动装置不同的分离的部分，如图4所示。在功率控制电路101和电动装置100分离的情况下，可以最小化容纳容纳电驱动部分102的电动装置的部分的尺寸，这对于动力工具可最小化用户的疲劳。
参照图2，功率控制电路101一般包括至少一个控制器，比如功率因数控制器20或微控制器36或其它的电路，用于感测电源比如AC电源2的输入功率的至少一种特性，将所述特性与一个或多个预先地设定的参考值进行比较，并基于输入功率的特性，降低或以其它方式调节可用于驱动所述装置100的功率输出。应理解可以用各种方法调节或降低功率输出，比如通过降低或限制用于驱动所述装置100的输出电压和/或电流，或通过增加过载电流信号到控制器20，其相应地使控制器20减少驱动所述装置100的输出功率。
电动装置100，比如动力工具，包括由一个或多个控制器驱动的BLDC电动机61，所述控制器包括但不限于如下的一种或多种功率因数控制器20，比如On Semiconductor P/N NCP1650，微控制器36，比如Motorola Semiconductor P/N 68HC908MR32，逆变桥模块50，比如Powerex，Inc.P/N PS 11035等。
功率因数控制器20一般能感测装置100在负载下引入的总电流，并限制可驱动装置100的电流。逆变桥模块50一般供给必要的DC功率信号以驱动BLDC电动机61。微控制器36可用来控制逆变桥模块50。
AC电源2利用到装置的功率端子10和11的连线向装置100提供功率。输入功率电路可包括一个或多个保护性熔断器3，用于过电流保护。输入的AC功率流向桥式整流器12，在此处，其被整流以在具有+和-极性的线路13a和13b之间产生半正矢电压信号V1，如图所示，用于给BLDC电动机61提供功率。线路13a连接到电阻器22的一端。电阻器22的另一端连接到电阻器24的一端并进一步连接到功率因数控制器20的Vin和连接到放大器28的输入端。应理解电阻器22和24的组合形成常规的分压器，其通过电阻器22和24将电压V1降低到电压V2。图3a-3d说明低和高AC功率电压分别在不同的频率50(低)和60Hz(高)下随时间变化的半正矢电压V2的各个图。半正矢电压的幅值直接取决于AC电源2的输入功率的幅值和频率。可以看出所有的四个电压V2a，V2b，V2c和V2d之间的区别，这四个电压V2a，V2b，V2c和V2d可以被控制器36使用来感测输入的特性电压和/或频率。
线路13a进一步连接至功率感应器14的一端。功率感应器14的另一端连接到二极管16的正极，并且还连接到开关MOSFET晶体管15的漏极。晶体管15的源极连接到电路的接地，晶体管15的栅极通过线路15a由功率因数控制器20的输出驱动。输出优选是脉宽调制波形，其根据调制的波形使晶体管15处于或者导电的接通状态或者处于非导电的断路状态。
二极管16的负极端连接到电解过滤电容器18的正极端，连接到逆变桥模块50比如3相IGBT逆变桥的功率输入端或其组合。在这一情况下，控制器20与感应器14，二极管16和电容器18结合，可产生约400伏的DC电压V3。逆变桥50通过分别连接到电动机绕组62，64和66的线路52，54和56将DC功率供给到BLDC电动机61。逆变桥50由微控制器36控制，其通过线路40，42和44提供脉宽调制信号。由于无刷感测或者霍耳效应感测的换相电路在现有技术中为大家所熟知，所以没有详细地显示。而是将这些电路一般显示为块200。无刷感测或霍耳效应感测电路一般通过线路201提供控制器36所必需的位置反馈信号，以控制BLDC电动机61。
电容器18的正极端进一步连接到电阻器30的一端。电阻器30的另一端连接到电阻器32a，连接到控制器20的输入FB以用于电压反馈，并连接到电阻器32b的一端。电阻器32b的另一端连接到晶体管34的漏极。晶体管34的源极接地。晶体管34的栅极连接到下拉电阻器32c的一端，连接到控制器36的控制线路35，控制线路35提供信号以控制晶体管34的操作。下拉电阻器32c的另一端接地。
放大器28的输出通过线路28a连接到控制器36的A/D输入。放大器28缓冲控制器36的A/D输入的电压V2。最终，电阻器21的一端接地，电阻器21的另一端连接到线路13b，线路13b连接到控制器20的Isense输入。电阻器21感测装置100引入的总负载电流，并产生为控制器20的Isense输入提供的均衡电压。随即控制器20感测所述电压，并基于提供到Isense输入的电压的幅值限制从AC源2引入的电流。因为功率和电压环路稳定性的补偿网络在现有技术中是熟知的，所以没有与控制器20一起显示。
控制器20感测在线路33上的反馈电压，并比较反馈和内部产生的基准电压。对于NCP 1650控制器，基准电压是4.0伏。从线路33上的反馈电压和内部4.0伏基准之间的差异产生误差信号，该误差信号随后用于控制由控制器20提供到线路15a的脉宽调制输出信号的宽度。因此，如果线路33上电压低于阈值，例如4.0伏，控制器20可增加“导通(on)”脉冲的宽度。类似地，如果线路33上电压增加到超过4.0伏，控制器20可降低提供到线路15a的″导通″脉冲的宽度。供给到逆变桥模块50以驱动电动机61的线路33上的电压因此被分压并通过功率因数控制器20与基准电压比较，并且基于所述比较，控制器20对于改变的条件调节提供给电动机61的功率。
电压V3＝((R32a+R30)/R32a)*基准电压。因此，对于具有4伏基准电压的低压AC电源的等于200伏的V3，电阻器30和32a可分别具有以下值453K欧姆和9.09K欧姆。输出电压V3直接相关于从线路33到地看去的电阻值。因此，可调节线路33和地之间的电阻，以提供需要的V3电压或输出功率。用由控制器36产生的控制信号调节电阻，以控制晶体管34。
当首先由AC电源2施加功率的时候，V2产生并由放大器28缓冲。在这一情况下，由于在线路35的高阻抗并由于下拉电阻器32c，晶体管34开始是断开的。假设电压V3开始是或通常为低功率输出，例如，200伏，那么控制器36通过A/D对输入电压取样，并基于与预先存储在控制器存储器38中的一个或多个值比较或以其它方式，确定AC电源2的功率的幅值，频率或其组合。如果确定AC电源2的特性是低压，例如，110VAC，60Hz(高频)，如图3a所示，控制器36提供控制信号到控制线路35，其为大致0伏的逻辑0，这保持晶体管34断开。在这一情况下，装置100保持电压V3在约200伏的低功率输出。如果基于所述比较确定AC电源2的功率是高压的，例如220VAC，60Hz，如图3b所示，控制器36提供控制信号输出到线路35，其为大致5伏的逻辑1，这使得晶体管34的漏极端接地，从而使电阻器32a与电阻器32b并联。在这一情况下，从线路33到地看去的电阻将V3增加到更高的电压，例如约400伏，提供全功率到转变器50并随后到电动机61。同样地，如果如图3c所示，AC电源是低压50Hz(低频)，控制器20输出逻辑0到线路35上保持晶体管34断开并将电压V3维持在400伏。这些情况可出现在英国，其中110VAC以比美国更高的安培数熔断。类似地，控制器20会保持晶体管34的接通状态，以对于图3d的AC电源半正矢波形(高压，低频)保持V3在400伏。
参照图4，其显示了一种可供选择的实施方式，其中功率供给电路101包含于分离的装置中，该电路驱动装置100的电驱动部分102。在这方面，可以制造常规的供给电路101，以用于各种不同类型的装置，比如磨床，钻，锯等。
如上所述，功率供给电路101一般确定输入电源的特性，并提供或调节功率输出以驱动装置的电驱动部分102。电路101可包括至少一个控制器，其用于通过感测输入电源的特性并比较所述特性和一个或多个预先设定的参考值确定输入电源2的特性。在这一情况下，控制器提供控制信号以基于输入功率的特性调节驱动所述装置的功率输出。
可以用各种方法调节输出功率。例如，如果确定输入电源是低压电源，那么调节驱动所述装置的输出功率的电路可使用低的输出功率驱动所述装置，或如果确定输入电源是高压电源，那么用高的输出功率驱动所述装置。类似地，如果确定输入电源是低频率电源，那么调节驱动所述装置的输出功率的电路可用高的输出功率驱动所述装置。因此，基于导入功率的特性，所述电路可提供控制信号增加输出功率以驱动用低的输出功率常规供给功率的装置。
虽然为了清楚和理解，已经比较详细地记载了本发明的上述优选实施例，但是本领域技术人员阅读以上的公开后将会意识到，在不离开本发明的范围的情况下，可进行形式和细节的各种变化，本发明的范围由所附的权利要求书专门限定。
权利要求
1.一种电动装置，其从输入电源获得功率以产生驱动所述装置的输出功率，所述装置包括确定所述输入电源的至少一种特性的电路；和基于所述输入电源的所述至少一种特性调节驱动所述装置的所述输出功率的电路。
2.如权利要求1的装置，其中所述输入电源提供AC功率，并且其中所述输入电源的所述至少一种特性包括所述输入AC功率的电压和频率的至少一种。
3.如权利要求2的装置，其中如果确定所述输入电源是低压电源，那么调节驱动所述装置的所述输出功率的所述电路使用低输出功率驱动所述装置。
4.如权利要求2的装置，其中如果确定所述输入电源是高压电源，那么调节驱动所述装置的所述输出功率的所述电路使用高输出功率驱动所述装置。
5.如权利要求2的装置，其中如果确定所述输入电源是低频电源，那么调节驱动所述装置的所述输出功率的所述电路使用高输出功率驱动所述装置。
6.如权利要求2的装置，其中所述装置包括至少一个无刷DC电动机，并且其中调节所述装置的所述输出功率的所述电路使用DC输出功率驱动所述至少一个无刷DC电动机。
7.如权利要求6的装置，其中所述装置是动力工具。
8.如权利要求1的装置，其中确定所述输入电源的所述至少一种特性的所述电路包括至少一个控制器，所述控制器用于通过感测所述输入电源的所述至少一种特性并将所述至少一种特性与一个或多个预先设定的参考值比较来确定所述输入电源的所述至少一种特性；和基于所述输入功率的所述至少一种特性，提供控制信号以调节驱动所述装置的所述功率输出。
9.如权利要求8的装置，其中调节驱动所述装置的所述输出功率的所述电路通常使用低输出功率驱动所述装置，并且其中所述至少一个控制器基于所述输入功率的所述至少一种特性提供控制信号以增加驱动所述装置的所述输出功率。
10.如权利要求8的装置，其中所述电源提供AC功率，所述输入电源的所述至少一种特性包括所述输入AC功率的电压和频率的至少一种，并且其中所述控制器确定所述输入功率的所述电压和频率的至少一种，并基于所述输入功率的所述电压和频率的至少一种提供控制信号以调节驱动所述装置的所述功率输出。
11.如权利要求1的电动装置，其中所述装置从输入AC电源获得功率，以产生驱动所述装置的DC输出功率，所述装置包括至少一个无刷DC电动机；和至少一个控制器，所述控制器用于确定所述输入AC电源的电压和频率的至少一种，和基于所述输入AC电源的所述电压和频率的至少一种，调节驱动所述至少一个无刷DC电动机的所述DC输出功率。
12.如权利要求1的电动装置，其中所述装置从输入AC电源获得功率，以产生驱动所述装置的DC输出功率，所述装置包括至少一个无刷DC电动机；和至少一个控制器，所述控制器用于确定所述输入AC电源的电压和频率的至少一种，和如果确定所述输入电源的至少之一是高压电源以及输入电源是低频电源，那么增加驱动所述至少一个通常在低功率下操作的无刷DC电动机的所述DC输出功率。
13.一种驱动电动装置的装置，包括确定输入电源的至少一种特性的电路；和基于所述输入电源的所述至少一种特性，调节驱动所述电动装置的输出功率的电路。
14.如权利要求13的装置，其中所述输入电源提供AC功率，并且其中所述输入电源的所述至少一种特性包括所述输入AC功率的电压和频率的至少一种。
15.如权利要求14的装置，其中如果确定所述输入电源是低压电源，那么调节驱动所述电动装置的所述输出功率的所述电路使用低输出功率驱动所述电动装置。
16.如权利要求14的装置，其中如果确定所述输入电源的至少之一是高压电源以及所述输入电源是低频电源，那么调节驱动所述电动装置的输出功率的所述电路使用高输出功率驱动所述电动装置。
17.如权利要求14的电动装置，其中所述电动装置包括至少一个无刷DC电动机，并且其中调节所述装置的所述输出功率的所述电路利用DC输出功率驱动所述至少一个无刷DC电动机。
18.如权利要求13的装置，其中确定所述输入电源的所述至少一种特性的所述电路包括至少一个控制器，所述控制器用于通过感测所述输入电源的所述至少一种特性并将所述至少一种特性与一个或多个预先设定的参考值比较，确定所述输入电源的所述至少一种特性；和基于所述输入功率的所述至少一种特性，提供控制信号以调节驱动所述电动装置的所述功率输出。
19.如权利要求18的装置，其中调节驱动所述电动装置的所述输出功率的所述电路通常使用低输出功率驱动所述电动装置，并且其中所述至少一个控制器基于所述输入功率的所述至少一种特性提供控制信号以增加驱动所述电动装置的所述输出功率。
20.如权利要求18的装置，其中所述电源提供AC功率，所述输入电源的所述至少一种特性包括所述输入AC功率的电压和频率的至少一种，并且其中所述控制器确定所述输入功率的所述电压和频率的至少一种，并基于所述输入功率的所述电压和频率的至少一种提供控制信号以调节驱动所述电动装置的所述功率输出。
21.一种驱动电动装置的方法，包括确定输入电源的至少一种特性；和基于所述输入电源的所述至少一种特性，调节驱动所述电动装置的输出功率。
22.如权利要求21的方法，其中所述输入电源提供AC功率，并且其中所述输入电源的所述至少一种特性包括所述输入AC功率的电压和频率的至少一种。
23.如权利要求22的方法，其中如果确定所述输入电源是低压电源，那么使用低输出功率驱动所述电动装置。
24.如权利要求22的方法，其中如果确定所述输入电源的至少一个是高压电源以及所述输入电源是低频电源，那么使用高输出功率驱动所述电动装置。
25.如权利要求22的方法，其中所述电动装置包括至少一个无刷DC电动机，并且其中调节所述输出功率以用DC输出功率驱动所述至少一个无刷DC电动机。
26.如权利要求21的方法，其中确定所述输入电源的所述至少一种特性的所述步骤包括感测所述输入电源的所述至少一种特性并将所述至少一种特性与一个或多个预先设定的参考值比较；以及其中调节驱动所述电动装置的所述功率输出的所述步骤包括基于所述输入功率的所述至少一种特性提供控制信号以驱动所述电动装置。
27.如权利要求21的方法，其中通常使用低输出功率驱动所述电动装置，并且其中基于所述输入功率的所述至少一种特性增加驱动所述电动装置的所述输出功率。
全文摘要
本发明提供电气装置，其从输入电源获得功率以产生驱动所述装置的输出功率。所述装置包括用于确定输入电源的至少一种特性并基于输入电源的该特性调节驱动所述装置的输出功率的电路或其它装置。本发明由此能够在电源的特性如电压和/或频率有根据的情况下以降低的或较低的输出功率操作。
文档编号H02P7/00GK1969452SQ200580020337
公开日2007年5月23日 申请日期2005年6月17日 优先权日2004年6月21日
发明者威廉·R·哈勒尔 申请人:托尔动力公司