电动工具及电动工具的控制方法与流程

本发明涉及电动工具及电动工具的控制方法。
背景技术：
：电动工具包括无刷电机和功能附件，通过无刷电机的转动带动功能附件工作以实现功能附件的功能。无刷电机一般由电机本身和相应的驱动电路组成，相比于有刷电机其运转噪音低且寿命更长。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。位置传感器的设置及其与控制方法的配合是影响无刷电机性能的重要因素。在电动工具的功能附件受到较大阻力时，无刷电机负担较重，在处于重载状态时，电机电枢绕组电流较大，转矩较低，使得工具性能下降，影响用户体验。技术实现要素：为了解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种在重载时具有良好输出性能的电动工具。为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：一种电动工具，包括：电机，包括转子和定子，其中定子包括：第一相绕组、第二相绕组和第三相绕组；电源模块，用于为电机供电；驱动电路，用于使电源模块能电连接至第一相绕组、第二相绕组和第三相绕组中的至少两个；控制器，用于根据电机转子的转动位置控制驱动电路使第一相绕组、第二相绕组和第三相绕组均连接至电源模块。进一步，电源模块包括电源正极和电源负极，电源模块使电源正极和电源负极之间产生电势差；控制器控制驱动电路先使第一相绕组和第二相绕组分别连接至电源正极或电源负极，当转子转动至一个预设转动位置时，再使第三相绕组连接至电源正极。进一步，电源模块包括电源正极和电源负极，电源模块使电源正极和电源负极之间产生电势差；控制器控制驱动电路先使第一相绕组和第二相绕组分别连接至电源正极或电源负极，当转子转动至第一预设转动位置时，再使第三相绕组连接至电源正极；当转子转动至第二预设转动位置时，使第一相绕组断开与电源正极的连接。进一步，控制器当转子转动至第一预设转动位置时开始计时，当时长满足一个预设时长时，使第三相绕组连接至电源负极。进一步，驱动电路包括：驱动开关，能在控制器的控制下以一定的占空比导通第三相绕组与电源模块的电性连接；当转子位于第一预设转动位置和第二预设转动位置之间时，控制器控制驱动开关以变化的占空比导通第三相绕组与电源模块的电性连接。进一步，电源模块包括电源正极和电源负极，电源模块使电源正极和电源负极之间产生电势差；控制器控制驱动电路先使第一相绕组和第二相绕组分别连接至电源正极或电源负极，当转子转动至一个预设转动位置时，再使第三相绕组连接至电源负极。当转子转动至另一个预设转动位置时，使第二相绕组断开与电源负极的连接。进一步，电源模块包括电源正极和电源负极，电源模块使电源正极和电源负极之间产生电势差；控制器控制驱动电路先使第一相绕组和第二相绕组分别连接至电源正极或电源负极，当转子转动至第一预设转动位置时，再使第三相绕组连接至电源负极；当转子转动至第二预设转动位置时，使第二相绕组断开与电源负极的连接。进一步，控制器当转子转动至第一预设转动位置时开始计时，当时长满足一个预设时长时，使第三相绕组连接至电源负极。进一步，控制器电连接至驱动电路并向驱动电路发送控制信号以使第三相绕组的电压随转子的转动位置变化。进一步，控制器电连接至驱动电路并向驱动电路发送控制信号以使第三相绕组的电压以变化的斜率随转子的转动位置变化。进一步，控制器电连接至驱动电路并向驱动电路发送控制信号以使第三相绕组的电压以预设的斜率随转子的转动位置变化。一种电动工具的控制方法，电动工具包括：电机，包括转子和定子，其中定子包括：第一相绕组、第二相绕组和第三相绕组；电源模块，包括电源正极和电源负极，电源模块使电源正极和电源负极之间产生电势差；其特征在于，控制方法包括：将第一相绕组和第二相绕组分别连接至电源正极或电源负极；检测电机转子的转动位置；当转子转动至一个预设转动位置时，再将第三相绕组连接至电源正极。进一步，当转子转动至第一预设转动位置时，将第三相绕组连接至电源正极；当转子转动至第二预设转动位置时，再将第一相绕组断开与电源正极的连接。进一步，当转子转动至第一预设转动位置时开始计时，当时长满足一个预设时长时，使第三相绕组连接至电源负极。进一步，当转子转动至第一预设转动位置时，将第三相绕组连接至电源负极；当转子转动至第二预设转动位置时，再将第二相绕组断开与电源负极的连接。进一步，当转子转动至第一预设转动位置时开始计时，当时长满足一个预设时长时，将第三相绕组连接至电源正极。进一步，当转子位于第一预设转动位置和第二预设转动位置之间时，使第三相绕组的电压随转子的转动位置变化。进一步，当转子位于第一预设转动位置和第二预设转动位置之间时，使第三相绕组的电压以预设斜率随转子的转动位置变化。采用上述方案能够提高电动工具输出稳定性，具有较好的用户体验。附图说明图1是电动工具的一个实施例的结构示意图；图2是图1所示的电动工具的电机驱动系统的电路框图；图3是图2中驱动电路的电路图；图4是电动工具中位置传感器信号与信号区间的对应关系示意图；图5是一个实施例的无刷电机的各相电压与转子位置的对应关系曲线；图6是另一个实施例的无刷电机的各相电压与转子位置的对应关系曲线；图7是现有的电动工具与作为实施例之一的电动工具的转速对比曲线。具体实施方式以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。参考图1和图2所示，角磨100包括：打磨盘10、护罩11、输出轴（未示出）、电机12、把手13、传动机构、壳体14和制动装置15。打磨盘10用于实现打磨或切割功能。护罩11至少部分覆盖在打磨盘10上以实现防护功能。输出轴用于安装或固定打磨盘10。电机12用于驱动输出轴转动。具体而言，电机包括转子、定子和电机轴，通过传动机构连接输出轴和电机轴，将电机轴的驱动力传递至输出轴。壳体14用于安装或固定电机12。把手13供用户握持。把手13可以作为独立的零件也可以由壳体14形成。壳体14包括头壳141和机壳142。电机12固定至机壳142上。头壳141用于安装传动机构。电源线16用于接入交流电源。角磨100还包括操作开关16用于启动或关闭电机12。当操作开关16触发时电机12启动，当操作开关51被释放时电机23关闭。操作开关51设置于把手50。制动装置15设置在把手和电机之间，能够快速制动电机轴。用户在需要停止打磨盘10的转动时，制动装置15使电机12在短时间内停止，避免危险发生。参考图2所示的电机驱动系统的电路框图。电机驱动系统包括：交流电源模块20、emi模块21、整流模块22、电解电容30、电源模块23、驱动芯片31、驱动电路32、控制器33和位置检测模块34。交流电源模块20用于接入电机12工作所需的交流电源。具体的，交流电源模块20包括可接入交流电的交流电插头，以接入120v或220v的交流市电。整流模块22用于将交流电源模块20输入的交流电转化为脉动直流电输出。具体而言，整流模块22包括由四个二极管组成的整流桥，利用二级管的单向导电性和管压降将交流电转换成同一方向的脉动直流电输出。电解电容30与整流模块22电性连接，整流模块22输出的脉动直流电经电解电容30滤波转化为平滑直流电输出，以降低脉动直流电中的谐波干扰。为保证电机的平稳输出，交流电源模块20接入的交流电的电压最大值与电机12的额定功率之差与交流电的电压最大值之比的取值范围为-15%~+15%。电源模块23与电解电容30电性连接，用于为电机及电机驱动系统200中的各模块供电。电源模块23包括电源正极和电源负极，电源模块使得电源正极和电源负极之间产生电势差。具体而言，电源模块23将经电解电容30滤波的具有较高电压的平滑直流电降压后输出。参考图2所示，角磨100还包括弱电开关24，用于导通或关断电源模块23与控制器电源模块25的电性连接。控制器电源模块25用于为控制器32供电。弱电开关24与电源模块23电性连接，控制器电源模块25与弱电开关24电性连接。在弱电开关24导通电源模块23与控制器电源模块25时，电源模块23输出的具有较高电压的直流电，经由控制器电源模块25转换为一个具有较低电压的直流电以作为控制器33的工作供电。这样一来，在弱电开关24断开时，电源模块23与控制器电源模块25之间的电连接被切断，电源模块23无法为控制器电源模块25供电。弱电开关24导通，控制器33从控制器电源模块25获取电能，发送控制信号至驱动电路32以使电源模块23输出的电流经驱动电路32加载在无刷电机的绕组上。角磨还包括具有延时功能的延时模块26，在弱电开关24断开后使控制器电源模块25仍能为控制器33供电一段时间，延时模块24分别与弱电开关24和控制器电源模块25电性连接。具体的，延时模块26包括延时电容。断电保护模块27分别与交流电源模块20、控制器33和驱动芯片31电性连接。断电保护模块27用于在角磨的电路和电机在发生过载、短路或欠压情况下进行断电保护，即切断交流电源模块20与控制器33的电性连接。具体的，断电保护模块27为断路器、空气开关或其它可实现断电功能的电子元件。如图2所示的弱电开关24具有导通或闭合两个状态，可将弱电开关24与角磨的操作开关51集成为一个整体，供用户操作。弱电开关24在用户触发下导通，电源模块23输出的电流分别为驱动芯片31、控制器电源模块25供电。弱电开关24断开，延时模块26使得控制器电源模块25仍能为控制器33供电一段时间。驱动芯片31连接在电源模块23和驱动电路32之间，用于将电源模块23输出的直流电压转化为适配驱动电路32的供电电压以为驱动电路32供电。位置检测模块34与电机12电性连接，用于检测电机12中的转子的位置。当转子转动至能被位置检测模块34感知的预设范围时，位置检测模块34处于一种信号状态，当转子转出预设范围时位置检测模块34切换至另一信号状态。具体的，位置检测模块32包括霍尔传感器。如图2所示，沿电机12的转子的圆周方向设置三个霍尔传感器70，霍尔传感器70检测的转子的位置信号输入至位置检测模块34。位置检测模块34将输入的转子的位置信号经逻辑处理转换为可与控制器33通讯的转子位置信号输入至控制器33。当转子转入和转出预设范围时，霍尔传感器信号发生改变，位置检测模块34的输出信号也随之改变。转子转入预设范围时，位置检测模块34的输出信号定义为1，而转子转出预设范围时，位置检测模块34的输出信号定义为0。将三个霍尔传感器彼此相距物理角度120°。参考图4所示，当转子转动时，三个霍尔传感器将会产生包括六种信号组合的位置信号使得位置检测模块34输出包括六种信号组合之一的位置信号。如果按霍尔传感器放置的顺序排列则出现六个不同的信号组合100、110、010、011、001、101。这样一来位置检测模块34就可输出上述六个位置信号之一，依据位置检测模块34输出的位置检测信号即可得知转子所处的位置。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状态与上述方案所产生的输出信号相对应，因此在位置检测模块的输出信号发生变化时，无刷电机即可执行一次换向。控制器33的输入端与位置检测模块34的输出端电连接。控制器33被配置为依据位置检测模块34输入的位置信号输出相应的控制信号至驱动电路32使得驱动电路32驱动电机上电、换向或调速。驱动电路32用于驱动电机。如图3所示，驱动电路32包括驱动开关q1、q2、q3、q4、q5、q6。驱动开关q1-q6的每个栅极端ah、al、bh、bl、ch、cl与控制器33电性连接，驱动开关的每个漏极或源极与电机的定子绕组连接。驱动开关q1-q6依据控制器输出的控制信号改变导通状态，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32具有多个驱动状态，在一个驱动状态下电机的定子绕组会产生一个磁场，控制器33控制驱动电路32切换驱动状态使定子绕组产生的磁场转动以驱动转子转动，进而实现对无刷电机的驱动。以图3所示的无刷电机为例，无刷电机包括转子和定子，定子包括第一相绕组、第二相绕组、第三相绕组，这三相绕组构成“y”型连接，它们其中的一端连接至中性点o，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），驱动电路及其它外围电路可以通过绕组接线端子连接三相绕组的接线端a、b、c。为了驱动图3所示的无刷电机，驱动电路32至少具有六个驱动状态，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，控制器33控制驱动电路32使第一相绕组连接至电源正极和第二相绕组分别连接至电源正极或电源负极，如果第一相绕组连接至电源正极，即第一相绕组的接线端a连接至电源正极则该驱动状态用ab，如果第二相绕组连接至电源正极，即第二相绕组的接线端b连接至电源正极则该驱动状态用ba，这样表示的驱动方式同样适用于绕组的三角型连接方案。另外，驱动状态的切换也可简称为无刷电机的换向动作。显然，转子每转过60°无刷电机换向一次，定义无刷电机的一次换向至下一次换向的间隔为换向区间。如图4所示，无刷电机正常工作时，控制器33控制驱动电路32使其在驱动时依次输出ab、ac、bc、ba、ca、cb六个驱动状态。驱动状态与位置检测模块34的输出信号的对应关系如表1所示：信号组合驱动状态101ab100ac110bc010ba011ca001cb表1根据这样的对应关系，在控制器33检测到位置检测模块34的信号变化即输出控制驱动电路切换驱动状态。当电机转速增加时，反电动势随着电机速度的增加而增加。当电机转速接近其最大转速时，反电动势可能高于驱动电路能够供应的最大电压，驱动电路不能给电机12供应足够的能量以克服增长的反电动势。为克服在较高的电机速度上增加的反电动势，或者在达到电机12的最大输出功率但对电机12的转矩需求持续增加时，可通过控制相电流的相位角来控制转子的励磁。相对于增加的反电动势超前的相电流，使得永磁体产生的磁通减少，进而导致永磁体能够产生的反电动势的减少和转矩的减少。然而当电机处于重载状态时，定子绕组电流较大，将引起严重的电枢反应，导致相位超前角度减小甚至于滞后转子磁场，达不到弱磁提速效果。在实际在实际情况中，由于控制的延时性，当转子转动至需要切换驱动状态的位置时，往往来不及控制，这会影响无刷电机的性能的发挥。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开始进行换相的控制的方法。为了实现超前控制，可对霍尔传感器的物理位置进行设置，将霍尔传感器的物理位置设置超前于理想位置一定角度。具体的，设置位置传感器时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。当电机处于重载状态时，控制器33依据电机转子的转动位置控制驱动电路32使第一相绕组、第二相绕组和第三相绕组均连接至电源模块。具体而言，控制器控制驱动电路32先使第一相绕组和第二相绕组连接至电源正极和电源负极，当转子转动至一个预设转动位置时，再使第三相绕组连接至电源正极或电源负极中的一个。为方便说明，定义三相绕组中开始没有连接至电源正极或电源负极的绕组为第三相绕组，第一相绕组、第二相绕组、第三相绕组为一个相对概念并非绝对指代。例如，在驱动电路的驱动状态为ab时，第一相绕组接线端a连接至电源正极23a，第二相绕组接线端b连接至电源模块的电源负极23b，第三相绕组接线端c未连接至电源正极或负极，则该绕组为第三相绕组。电机工作时，在转子的一个转动周期内，驱动电路的驱动状态与第三相绕组的连接状态的对应关系如表2所示：信号组合驱动状态第三相绕组第三相绕组连接状态101abc23b100acb23a110bca23b010bac23a011cab23b001cba23a在转子转动一周的时间内即一个周期内，控制器按表2所示方式的对应关系依次输出相应的控制信号控制驱动电路使第一相绕组、第二相绕组和第三相绕组均连接至电源模块。控制器33控制驱动电路32先使第一相绕组和第二相绕组分别连接至电源正极和电源负极，在转子转动至第一预设转动位置时，再使第三相绕组连接至电源负极，当转子转动至第二预设转动位置时，再使第二相绕组断开与电源负极的连接。控制器33在转子转动至第一预设转动位置时开始计时，当时长满足一个预设时长时，使第三相绕组连接至电源正极。控制器33控制驱动电路32先使第一相绕组和第二相绕组分别连接至电源正极和电源负极，在转子转动至第一预设转动位置时，再使第三相绕组连接至电源正极，当转子转动至第二预设转动位置时，再使第二相绕组断开与电源正极的连接。控制器33在转子转动至第一预设转动位置时开始计时，当时长满足一个预设时长时，使第三相绕组连接至电源负极。驱动开关能在能在控制器的控制下以一定的占空比导通第三相绕组与电源模块的电性连接，当转子位于第一预设转动位置和第二预设转动位置时，控制器33控制驱动开关以变化的占空比导通第三相绕组与电源模块的电性连接。具体的，控制器33控制驱动电路使驱动电路的驱动状态为ab，输出导通驱动开关q6的控制信号，使得第三相绕组连接至电源负极23b，此时绕组a为第一相绕组，绕组b为第二相绕组，绕组c为第三相绕组。当转子转动至第二预设转动位置时，控制器33控制驱动电路的驱动状态为ac，输出导通驱动开关q3的控制信号，使得第三相绕组连接至电源正极23a，此时绕组a为第一相绕组，绕组c为第二相绕组，绕组c为第三相绕组。控制器33控制驱动电路的驱动状态为bc时，控制器输出导通驱动开关q2的控制信号，使得第三相绕组连接至电源负极23b。驱动电路的驱动状态为ba时，控制器输出导通驱动开关q5的控制信号，使得第三相绕组（绕组ｃ）连接至电源正极23a。驱动电路的驱动状态为ca时，控制器输出导通驱动开关q4的控制信号，使得第三相绕组（绕组ｂ）连接至电源负极23b。在驱动电路的驱动状态为cb时，控制器输出导通驱动开关q1的控制信号，使得第三相绕组连接至电源正极23a。按此种方式，电机在转子转过一周的时间内（一个周期内），每30度进行一次换向，每个驱动开关的导通180°，导通时间增加，增加弱磁效果，提高电机效率。显然，转子每转过30°电角度，电机进行一次换向动作，第三相绕组连接至电源正极或负极，控制器33向驱动电路发送控制信号以使第三相绕组的电压随转子的位置变化，以提高电机的输出稳定性。为方便描述，定义转子转过30°的时间为电机的一个换向区间。在一个换向区间，控制器根据电机转子的转动位置控制驱动电路使第三相绕组连接至电源正极或电源负极中的一个，在转子转动至第一预设转动位置时开始计时，当时长满足一个预设时长时使第三相绕组连接至电源负极。可能的，在转子转动时长满足预设时长时第三相绕组的电压即第三相绕组与中性点之间的电势差接近零或为零。图5所示为一个周期内，即转子转过360°的时间，作为一种实施方式的无刷电机的各相电压与转子位置的对应关系曲线。在该曲线中，控制器向驱动电路发送控制信号以使第三相绕组的电压以变化的斜率随转子的转动位置变化，这样第三相绕组的电压波形与电机反电动势波形匹配，有效提高了电机的输出稳定性。图6所示为一个周期内，即转子转过360°的时间，作为另一种实施方式的无刷电机的各相电压与转子位置的对应关系曲线。在该曲线中，控制器向驱动电路发送控制信号以使第三相绕组的电压以预设的斜率随转子的转动位置变化。控制器33还包括用于时间记录的计时单元和用于数据处理和存储的存储单元。计时单元1记录一个换向区间的时间，存储单元存储计时单元记录的时间数据与转子转过的角度数据，并建立时间数据与角度数据的对应关系表。假设转子转过θ角度的时间为t，这样依据存储单元中存储的转子所转的角度与对应的时间信息即可计算出下一换向区间中转子位置的中间时刻点。可将转子转动至第二预设转动位置开始计时至该中间时刻点的时长设置于预设时长。参考图7所示的电动工具的转速对比曲线图。其中，横坐标表示转矩，纵坐标表示转速，虚线表示现有的电动工具的转速随转矩的变化曲线，实线表示采用上述方案的电动工具转速随转矩的变化曲线。从图7中可以看出，采用上述方案的电动工具在重载时相比于现有的电动工具具有较高的转速，使得其具有稳定的输出性能。电动工具100不限于斜锯，电源锯、曲线锯、往复锯、角磨、切割机、割草机等利用无刷电机驱动的电动工具均可采用上述方案。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。当前第1页12