用于动力工具的基于电压的制动方法与流程

用于动力工具的基于电压的制动方法
1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求于2020年6月11日提交的美国临时专利申请号63/037,731的权益，该美国临时专利申请的全部内容通过援引并入本文。
技术领域
3.本文描述的实施例提供了用于基于马达的相电压来对动力工具加以制动的系统和方法。


技术实现要素：

4.本文所述的动力工具包括马达和被配置为向马达提供操作电力的电源。电力开关网络位于电源与马达之间以驱动马达，电力开关网络包括多个高侧开关元件和多个低侧开关元件。致动器可操作以提供输入。电子控制器连接到致动器和电力开关网络。电子控制器被配置为：从致动器接收与启动马达的制动操作相关的指示，控制电力开关网络以允许马达惯性运转，监测马达的相电压，确定马达的相电压是否等于或小于相电压阈值，以及响应于确定马达的相电压等于或小于相电压阈值，控制电力开关网络向马达施加制动力。
5.在一些实施例中，控制电力开关网络以允许马达惯性运转包括将多个高侧开关元件和多个低侧开关元件控制到非导通状态。在一些实施例中，控制电力开关网络向马达施加制动力包括将多个低侧开关元件控制到导通状态。在一些实施例中，动力工具进一步包括被配置为检测马达的旋转的位置传感器。在一些实施例中，电子控制器被进一步配置为确定马达是否停止，以及响应于马达停止，将多个低侧开关元件控制到非导通状态。在一些实施例中，电力开关网络包括多对高侧开关元件和低侧开关元件，并且多对中的每对由相节点连接。在一些实施例中，监测马达的相电压包括监测每个相节点处的相电压。在一些实施例中，监测马达的相电压包括监测单个相节点处的相电压。
6.本文描述的用于制动动力工具中的马达的方法包括在电子处理器处接收与启动马达的制动操作相关的指示，利用电子处理器控制电力开关网络以允许马达惯性运转，其中，电力开关网络包括多个高侧开关元件和多个低侧开关元件，利用电子处理器监测马达的相电压，利用电子处理器确定马达的相电压等于或小于相电压阈值，以及响应于确定马达的相电压等于或小于相电压阈值，控制电力开关网络向马达施加制动力。
7.在一些实施例中，利用电子处理器控制电力开关网络向马达施加制动力包括向马达提供该制动力直到马达完全停止。在一些实施例中，利用电子处理器控制电力开关网络以允许马达惯性运转包括将多个高侧开关元件和多个低侧开关元件控制到非导通状态。在一些实施例中，控制电力开关网络向马达施加制动力包括将多个低侧开关元件控制到导通状态。在一些实施例中，电力开关网络包括多对高侧开关元件和低侧开关元件，并且多对中的每对由相节点连接。在一些实施例中，监测马达的相电压包括监测每个相节点处的相电压。在一些实施例中，监测马达的相电压包括监测单个节点处的相电压。
8.本文描述的另一种动力工具包括马达和被配置为向马达提供操作电力的电源。电
力开关网络位于电源与马达之间以用于驱动马达，电力开关网络包括多个高侧开关元件和多个低侧开关元件。致动器可操作以提供输入。电子控制器连接到致动器和电力开关网络。电子控制器被配置为从致动器接收与启动马达的制动操作有关的指示，监测马达的相电压，并将马达的相电压与相电压阈值进行比较。电子控制器被配置为响应于马达的相电压大于或等于相电压阈值而控制电力开关网络以允许马达惯性运转。电子控制器被配置为响应于马达的相电压小于相电压阈值，控制电力开关网络向马达施加制动力。
9.在一些实施例中，控制电力开关网络以允许马达惯性运转包括将多个高侧开关元件和多个低侧开关元件控制到非导通状态。在一些实施例中，控制电力开关网络向马达施加制动力包括将多个低侧开关元件控制到导通状态。在一些实施例中，动力工具进一步包括被配置为检测马达的旋转的位置传感器。在一些实施例中，电子控制器被进一步配置为确定马达是否停止，以及响应于马达停止而将多个低侧开关元件控制到非导通状态。在一些实施例中，与启动马达的制动有关的指示是致动器从拉动位置转变到释放位置。在一些实施例中，动力工具进一步包括正反向选择器，并且其中，当马达被反向驱动时，控制电力开关网络向马达施加制动力包括将多个高侧开关元件控制到导通状态。
10.在详细解释任何实施例之前，应该理解的是，实施例并不将其应用限制于以下说明中阐述的或在附图中展示的配置细节和部件布置。实施例能够以多种不同的方式来实践或实施。还应理解的是，本文使用的措辞和术语是出于说明的目的，而不应被视为是限制性的。“包括(including)”、“包括(comprising)”或“具有”、及其变型的使用意指涵盖了下文列出的项及其等同物、以及附加项。除非另有说明或限制，否则术语“安装”、“连接”、“支撑”和“联接”及其变型以广义使用，并且涵盖直接和间接的安装、连接、支撑和联接。
11.另外，应理解的是，实施例可以包括硬件、软件和电子部件或模块，为了讨论的目的，这些部件或模块可以被展示和描述为好像大多数部件仅在硬件中实现。然而，本领域的普通技术人员基于对这个详细描述的阅读将认识到，在至少一个实施例中，基于电子的方面可以在可由一个或多个处理单元(比如，微处理器和/或专用集成电路(“asic”))执行的软件(例如，存储在非暂时性计算机可读介质上)中实现。这样，应注意的是，可以利用多个基于硬件和软件的装置以及多个不同的结构部件来实现实施例。例如，说明书中描述的“服务器”和“计算设备”可以包括一个或多个处理单元、一个或多个计算机可读介质模块、一个或多个输入/输出接口以及连接部件的各种连接件(例如，系统总线)。
12.通过考虑以下详细说明和附图，其他特征和方面将变得清楚。
附图说明
13.图1a至图1b是根据本文描述的实施例的动力工具的立体图。
14.图1c是根据本文描述的实施例的图1a至图1b的动力工具的截面视图。
15.图2展示了根据本文描述的实施例的图1a至图1c的动力工具的控制器的电路框图。
16.图3展示了根据本文描述的实施例的图1a至图1c的动力工具的电力开关网络和制动电路的框图。
17.图4展示了根据本文描述的实施例的由图2的控制器执行的方法的框图。
18.图5展示了根据本文描述的实施例的图4的方法的图。
具体实施方式
19.图1a至图1c展示了便携式动力工具100。动力工具100的一个示例是角磨机，如图1a至图1c所示。动力工具100可以包括马达壳体112和从马达壳体112横向延伸的手柄114。马达壳体112沿第一轴线116(例如，马达轴线)延伸，并且手柄114沿横向于第一轴线116的第二轴线118延伸。马达110(见图1c)位于马达壳体112内。第一轴线116由马达110的转子轴限定，转子轴纵向延伸穿过马达壳体112。在一些实施例中，动力工具100是顺列式磨机，而不是角磨机，其中马达壳体112的第一轴线116与手柄114的第二轴线118大致平行或同轴。
20.马达110还包括转子和围绕转子的定子。在一些实施例中，马达110是无刷直流(dc)马达，其中转子是永磁体马达并且定子包括被选择性地通电以驱动转子的线圈绕组。在其他实施例中，马达110是有刷马达。定子被支撑在马达壳体112内并且在动力工具100的操作期间相对于马达壳体112保持静止。转子可旋转地固定到转子轴并且被配置为与转子轴相对于定子绕第一轴线116共同旋转。转子轴的一部分限定从马达壳体112延伸的输出轴130。输出轴130可联接到工具架(未示出)，该工具架可以被配置为接收附件，比如切割工具、研磨盘、旋转钻、打磨盘等。各种类型的附件可以互换地附接到工具架上，并且可以设计成具有不同的特性以执行不同类型的操作。例如，附件可以由某种材料制成并且具有适合于执行特定类型任务的尺寸。附件的特性可能影响动力工具100的性能或可能对工具的操作施加限制。例如，根据附件的特性和手上的任务，不同的附件类型可以被配置为以不同的转速或施加的扭矩工作。在动力工具100的操作期间，转子轴以及因此的输出轴130可以以高于20,000rpm(例如，24,500rpm)的速度旋转。
21.在一些实施例中，手柄114包括电力供应器150(见图1b)。例如，手柄114可以限定电池接纳座154，电池接纳座定位在手柄114的与马达壳体112相反的端部上。电池接纳座154被配置为选择性地、机械地和电气地连接到电力供应器150(例如，可再充电电池包150)以向马达110供电。电池包150可插入到电池接纳座154中，使得电池包150在被插入时沿第二轴线118定向。替代地，在动力工具100的另一个实施例中，电池包150可以沿着横向于第二轴线118的轴线可滑动地联接到电池接纳座154。电池包150可以包括许多不同标称电压(例如，12v、18v等)中的任一者，并且可以被配置为具有许多不同化学成分(例如，锂离子、镍镉等)中的任一者。在替代实施例(未示出)中，马达110可以通过电力线和动力工具100的电力接口300(如图3所示)由远程电力供应器150(例如，家用电插座)供电。手柄114进一步包含用于动力工具100的控制电子器件156，控制电子器件包括控制器200(见图2)。
22.手柄114支撑扳机或扳机组件160(例如致动器)，扳机或扳机组件是可操作的以选择性地将电源150(例如电池包150)和马达110电连接。扳机组件160可以是“锁闭”扳机组件，“锁闭”扳机组件具有桨状构件162和由桨状构件162支撑的锁闭构件164。桨状构件162可操作以在动力工具100的操作期间致动扳机开关158(例如，微开关)以选择性地启用和停用马达110。锁闭构件164选择性地防止桨状构件162的操作。具体地，锁闭构件164是可枢转的以选择性地锁定和解锁桨状构件162。马达110的速度可以通过改变桨状构件162的按压水平来控制。
23.在一些实施例中，动力工具100包括位于马达壳体112与手柄114之间的振动阻尼组件166以衰减来自马达壳体112的振动。阻尼组件可以包括由马达壳体112限定的第一联接部分、由手柄114限定的第二联接部分以及定位在第一联接部分与第二联接部分之间的
弹性阻尼器。
24.在图2中展示了用于动力工具100的控制器200。控制器200电气地和/或通信地连接到动力工具100的各个模块或部件。例如，所展示的控制器200连接至指示器245、传感器450(其可以包括例如速度传感器、电流传感器、电压传感器、位置传感器等)、(经由扳机开关158连接至)扳机160、电力开关网络255以及电力输入单元260。
25.控制器200包括向控制器200和/或动力工具100内的部件和模块提供电力、操作控制和保护的多个电气部件和电子部件。例如，控制器200除了别的之外还包括处理单元205(例如，微处理器、电子处理器、电子控制器、微控制器或其他合适的可编程装置)、存储器225、输入单元230、以及输出单元235。处理单元205除其他之外包括控制单元210、算术逻辑单元(“alu”)215和多个寄存器220(在图2中示出为一组寄存器)，并且使用已知的计算机架构(例如，经修改的哈佛架构(harvard architecture)、冯
·
诺依曼架构(von neumann architecture)等)来实施。处理单元205、存储器225、输入单元230和输出单元235以及连接到控制器200的各种模块通过一个或多个控制和/或数据总线(例如，公共总线240)连接。出于说明性目的，在图2中大致示出了控制总线和/或数据总线。鉴于本文所述的实施例，将一个或多个控件和/或数据总线用于各个模块和部件之间的互连和通信将会是本领域技术人员已知的。
26.存储器225是非暂态计算机可读介质并且包括例如程序存储区和数据存储区。程序存储区和数据存储区可以包括不同类型存储器的组合，如rom、ram(例如，dram、sdram等)、eeprom、闪速存储器、硬盘、sd卡或其他合适的磁存储器装置、光学存储器装置、物理存储器装置或电子存储器装置。处理单元205连接到存储器225并执行软件指令，这些软件指令能够存储在存储器225的ram(例如，在执行期间)、存储器225的rom(例如，在通常永久的基础上)或者比如另一存储器或盘等另一非暂态计算机可读介质中。动力工具100的实施方式中包括的软件可以存储在控制器200的存储器225中。该软件包括例如固件、一个或多个应用程序、程序数据、过滤器、规则、一个或多个程序模块以及其他可执行指令。控制器200被配置成从存储器225接收并且尤其执行与本文所描述的控制过程和方法有关的指令。在其他实施例中，控制器200包括附加的、更少的或不同的部件。
27.在一些实施例中，如上所述，动力工具100是角磨机。控制器200响应于用户对扳机160的致动来驱动马达110而使输出轴130旋转。按下扳机160致动了扳机开关158，该扳机开关向控制器200输出信号以驱动输出轴130。控制器200控制电力开关网络255(例如，fet开关桥)以驱动马达110。当扳机160被释放时，扳机开关158不再向控制器200输出致动信号(或输出释放的信号)。如下文参考图4详述的，当扳机160被释放时，控制器200控制电力开关网络255以通过在施加制动力之前允许马达110自由惯性运转来制动马达110。
28.指示器245也连接至控制器200并且从控制器200接收控制信号，以基于动力工具100的不同状态开启和关闭或以其他方式传送信息。指示器245包括例如一个或多个发光二极管(led)、或显示屏幕。指示器245可以被配置成显示动力工具100的状况或与动力工具相关的信息。例如，指示器245可以显示与动力工具100的充电状态(比如充电容量)有关的信息。指示器245还可以显示与动力工具100的故障状态或其他异常有关的信息。作为视觉指示器的补充或替代，指示器245还可以包括扬声器或触觉反馈机制以通过听觉或触觉输出向用户传送信息。
29.电池包接口265连接至控制器200并且被配置为联接至电池包150(例如，使用电池接纳座154)。电池包接口265包括机械部件(例如，电池包接纳部分)和电气部件的组合，这些部件被配置成并且可操作用于将动力工具100与电池包150接合(例如，机械地、电气地、以及通信地连接)。电池包接口265联接至电力输入单元260。电池包接口265将从电池包150接收的电力传输到电力输入单元260。电力输入单元260包括有源部件和/或无源部件(例如，降压控制器、电压转换器、整流器、滤波器等)，以调节或控制通过电池包接口265接收到的、提供给控制器200的电力。在一些实施例中，电池包接口265也联接至电力开关网络255。由控制器200控制的对电力开关网络255的操作决定了电力如何供应到马达110。
30.图3展示了根据一些实施例的电力开关网络255的电路图。电力开关网络255包括多个高侧开关元件310(例如，场效应晶体管[fet])和多个低侧开关元件315(例如，fet)。每对高侧fet 310和低侧fet 315由相节点320连接。如上所述，控制器200基于用户控制提供控制信号以控制高侧fet 310和低侧fet 315以驱动马达110。例如，响应于检测到扳机160的拉动，控制器200提供控制信号以选择性地(例如，顺序地，成对地)启用和禁用高侧fet 310和低侧fet 315，从而使得来自电池包150的电力被选择性地应用于马达110的定子线圈以引起转子的旋转。转子可以基于附加输入(例如正向/反向选择器)在第一方向(例如，顺时针方向)或第二方向(例如，逆时针方向)上被驱动。更特别地，为了驱动马达110，控制器200启用第一对高侧fet 310和第一低侧fet 315(例如，通过在fet的栅极端提供电压)持续第一时间段。当马达110的转子旋转时，位置传感器可以检测马达110的旋转，比如检测特定相位的位置，使控制器200禁用第一对fet，并启用第二高侧fet 310和第二低侧fet 315。响应于检测到进一步旋转，控制器200禁用第二对fet并且启用第三高侧fet 310和第三低侧fet 315。循环启用成对高侧fet 310和低侧fet 315的这一序列进行重复以驱动马达110。
[0031]
在图3所示的示例中，动力工具100包括直接连接电力接口300、或电池包150与电力开关网络255之间的连接。在一些实施例中，直接连接电力接口300包括由动力工具100的扳机160控制的机械通/断开关。机械开关可以是例如联接在电池包150与电力开关网络255之间的电流路径上的继电器或固态驱动开关。机械开关用于启用或禁用从电池包150到电力开关网络255的电力并且由扳机160机械地控制。在一些实施例中，不是使用由扳机160机械地控制的机械开关，直接连接电力接口300可以包括由控制器200控制的功率fet以(例如，基于扳机拉动)选择性地将电池包150与电力开关网络255连接和断开连接。
[0032]
为了使马达110停止，控制器200控制电力开关网络255以在施加制动力之前首先允许马达110自由惯性运转。例如，图4是用于制动动力工具100的马达110的示例方法400的流程图。方法400可以由控制器200来执行。在框405，方法400包括使用控制器200检测扳机拉动。当扳机160被拉动(例如，按下、推动等)时，控制器200从扳机开关158接收指示扳机160被拉动的输入。在一些实施例中，扳机传感器(例如，按钮开关、霍尔效应传感器、电位计、力传感器等)可以检测扳机160的按压并向控制器200输出指示拉动状态(例如，拉动或未拉动)的信号。图5例如展示了控制器200的操作图。在时刻t0，控制器200检测到扳机160的拉动(或致动)(由值v1所示)。在一些实施例中，控制器200接收指示扳机160被拉动的距离的输入。扳机160被拉动的距离可以指示马达110的可变速度控制的期望速度。
[0033]
在框410，方法400包括使用控制器200控制电力开关网络255以驱动马达110。例如，如上所述，控制器200选择成对高侧fet 310和低侧fet 315来驱动马达110。在框415，方
法400包括利用控制器200确定扳机160是否被释放。如果扳机160没有被释放，则方法400返回到框410。如果扳机160被释放，则方法400决定启动马达110的制动并继续到框420。在一些实施例中，当扳机160被释放时，控制器200从扳机160接收启动马达110的制动的指示，例如来自扳机开关158的信号。例如，图5示出了扳机160在时刻t1被释放。
[0034]
在框420，方法400包括利用控制器200监测(或测量)供应给马达110的相电压。例如，在图5中，在时刻t1，控制器200测量供应给马达110的相电压v2。控制器200可以监测每个相节点320处的相电压。在一些实施例中，控制器200仅测量电力开关网络255的单个相节点320。在其他实施例中，控制器200测量电力开关网络255的每个相节点320(例如，三个相节点)的电压。在一些实施例中，控制器200连续地监测供应给马达110的相电压。例如，控制器200可以在扳机160被拉动的同时(在时刻t0)监测供应给马达110的相电压。
[0035]
在框425，方法400包括响应于扳机160被释放而将在相节点320处测量的相电压与相电压阈值进行比较。例如，在图5中，扳机160在时刻t1被释放。时刻t1处的相电压为v2，其大于相电压阈值(v0)。如果马达110的相电压高于相电压阈值，则方法400进行到框430。如果马达110的相电压低于相电压阈值，则方法400进行到框440。
[0036]
在框430，方法400包括利用控制器200控制电力开关网络255以使马达110惯性运转。例如，控制器200可以将高侧fet 310和低侧fet 315控制到非导通状态，使得没有电流供应到马达110。在惯性运转时，马达110可能由于摩擦而受到阻力。例如，在图5中，与马达110在其惯性运转时产生的反电动势相关的相电压在t1到t2之间减小。相电压的减小与马达110的速度由于摩擦力而减小相关联。马达110的相电压连续地与相电压阈值进行比较，如框435所示。相应地，控制器200继续允许马达110在马达110的相电压保持高于相电压阈值的持续时间内自由惯性运转。
[0037]
如果在框435，马达110的相电压等于或低于相电压阈值，则方法400进行到框440，该框包括利用控制器200控制电力开关网络255以向马达110提供制动力(例如，硬制动力)。例如，如果马达110沿第一方向(例如，顺时针)旋转，则控制器200可以将低侧fet 315控制到导通状态，从而向马达110提供反电动势电流。控制器200可以将低侧fet 315置于导通状态，直到马达110停止，如位置传感器检测到的。在一些实施例中，如果马达110沿第二方向(例如，逆时针方向)旋转，则控制器200可以将高侧fet 310控制到导通状态。图5例如展示了控制器200在时刻t2启动低侧fet 315到导通状态。低侧fet 315保持导通状态直到时刻t3。在此期间，由于提供的制动力，马达110制动比马达110简单惯性运转时快得多。
[0038]
一旦制动完成，控制器200可以将低侧fet 315(或高侧fet 310)置回到非导通状态。如果再次拉动扳机160，则方法400返回到框405。在一些实施例中，可以在控制器200执行制动动作的同时拉动扳机160。例如，在框430，当马达110惯性运转时，控制器200可以接收指示扳机拉动的输入。当控制器200接收到输入时，它返回框405，并且方法400重新开始。尽管框430作为示例提供，但这可以发生在方法400期间的任何点。在一些实施例中，控制器200忽略了扳机160在惯性运转或硬制动期间被拉动，直到马达110已经完全停止。
[0039]
因此，本文提供的实施例尤其描述了用于基于相电压对动力工具加以制动的系统和方法。在所附权利要求中阐述了各种特征和优点。