电机驱动式器具及其保护方法
发明领域
1.本发明涉及电机驱动式器具，并且特别地涉及保护电机免受因电机驱动电路发生故障而造成的损坏。
2.发明背景
3.已知各种电机驱动式器具(诸如例如，电动车辆、电动工具以及电动加工机器)包含开关模块和电机，其中，开关模块根据是否需要电机的输出而允许或禁止将电流供应到电机。一些开关模块采取用户致动的机械开关的简单形式，而其他开关模块可能采用用于无刷电机的多相电机驱动电路的形式。通常，期望对电机以及电机驱动式器具的电路中的其他部件具有保护功能，因为开关模块可能会损坏或以其他方式发生故障，这可能会意外启动电机而对操作者造成伤害，并且甚至会因短路引起的高电流而损坏电机或电路中的其他部件。
4.已经研发了许多不同的保护机制来为电机和其他部件提供附加电路系统，以防开关模块无法正常工作。保护机制的示例包括为一个无刷电机配置两组相同的驱动电路，以便在一组发生故障的情况下，可以使用另一组代替。其他示例包括用于电机的多相中的每一相的开关模块的故障检测电路。然而，常规的保护机制在电路结构方面通常非常复杂从而导致额外的成本，并且保护机制本身也易于出现故障。
技术实现要素：5.相应地，在一方面，本发明是一种电机驱动式器具，该电机驱动式器具包括电机、设置在从能量源的一个端子到该能量源的另一个端子的电流路径上的第一开关模块和第二开关模块、以及连接到该第一开关模块和该第二开关模块的控制单元。该第一开关模块和该第二开关模块彼此串联连接，同时该第一开关模块连接到该电机并且被适配成驱动该电机。该控制单元被适配成分别控制该第一开关模块和该第二开关模块。该控制单元进一步被适配成在其通电后尝试控制该第二开关模块处于切断状态，直到该控制单元确定该第一开关模块正常为止。
6.在一些实施例中，该电机是具有n相的无刷电机，并且该第一开关模块包含用于该n相中每一相的臂。该第一开关模块的每个臂包含高侧开关元件和低侧开关元件。每个臂在该臂的高侧开关元件和低侧开关元件之间的点处连接到该电机的这n相中的相应相。
7.在一些实施例中，该控制单元被适配成通过测量该第一开关模块内的单一分电压来确定该第一开关模块正常。
8.在一些实施例中，该电机驱动式器具进一步包括连接到该第一开关模块的检测器电路。该检测器电路包含多个电阻器并且被适配成输出该分电压。该控制单元被适配成通过将该分电压与馈送到该第一开关模块的源电压的分数进行比较来确定该第一开关模块中这些高侧开关元件和低侧开关元件中的任何一个是否发生短路。该源电压的分数是通过该多个电阻器确定的。
9.在一些实施例中，该控制单元进一步被适配成通过将该分电压与该源电压的分数
进行比较来确定该第二开关模块中的切断开关元件是否发生短路。
10.在一些实施例中，该第二开关模块进一步包含位于该电流路径中的第一开关元件和连接到该第一开关元件的第二开关元件。该第二开关元件被适配成接收来自该控制单元的信号以改变其开关状态，从而控制该第一开关元件处于该切断状态或导通状态。
11.在一些实施例中，该第一开关元件和该第二开关元件两者均是晶体管。该第二开关元件连接到该第一开关元件的控制端子。
12.在一些实施例中，该控制单元在其通电后将切断信号施加到该第二开关元件以使该第一开关元件处于该切断状态，直到该控制单元确定该第一开关模块和该第一开关元件都正常为止。
13.在一些实施例中，该控制单元进一步被适配成在其通电后尝试控制该第二开关模块为处于切断状态，直到该控制单元确定该第一开关模块和该第二开关模块两者均正常为止。
14.本发明的另一方面提供一种电机驱动式器具的保护方法，该电机驱动式器具包括电机和控制单元。该方法包括：使该控制单元通电；由该控制单元将第二开关模块置于切断状态；由该控制单元确定在该电流路径上且被适配成驱动该电机的第一开关模块是否正常；以及如果该控制单元发现该第一开关模块正常，则解除该第二开关模块的切断状态。该第二开关模块处于经过该电机的电流路径上。
15.在一些实施例中，在解除该第二开关模块的切断状态之前由该控制单元进行的确定还包括确定该第二开关模块是否正常。
16.因此，本发明的实施例为电机的开关模块提供了一种简单但高度可靠的故障检测电路系统。在用于无刷电机的包含六个高侧和低侧mosfet的电机驱动电路的示例中，微控制器单元(mcu)将知道这六个mosfet中的任何一个、以及切断电路中的mosfet是否出现短路并因此发生故障。这种判断在mcu通电时以及mcu向电机驱动电路发送任何驱动信号之前进行，因此，电机将不会受到任何短路危害，因为在早期阶段完成了故障检测过程。另外，检测器电路中的所有部件都是电阻器，这使检测器电路本身发生故障的可能性最小化。如上所述的mcu同时还可以检测到切断电路(即，切断mosfet)中的任何故障。因此，实施例中提供的保护机制成本低并且还不易于出现故障。
17.前述概述既不旨在限定由权利要求衡量的本技术的发明，也不旨在以任何方式限制本发明的范围。
附图说明
18.从结合附图仅以举例方式提供的实施例的以下描述中，本发明的前述和另外的特征将显而易见，在附图中：
19.图1是示出了根据本发明的第一实施例的电机驱动式装置中的电路的示意图。
20.图2示出了图1的电机驱动式装置中的电机驱动电路和故障保护机制。
21.图3是示出了mcu确定图1的电机驱动式装置的电机驱动电路中的mosfet中的故障的过程的流程图。
22.图4示出了根据本发明的另一实施例的电机驱动式装置中的电机驱动电路和故障保护机制。
23.图5是示出了mcu确定图4的电机驱动式装置的电机驱动电路中的mosfet中的故障的过程的流程图。
24.在附图中，在本文所述的所有几个实施例中，相似的数字指示相似的部分。
具体实施方式
25.在下面的权利要求和前续描述中，除了由于明确的语言或必然的暗示而上下文另作要求以外，词语“包括”或变形形式如“包括(comprises)”或“包括(comprising)”是以包含在内的意义来使用的，即，指明了所叙述特征的存在、但并不排除在本发明的不同实施例中存在或添加有另外的特征。
26.如本文和权利要求中所使用的，除非另外说明，否则“耦合”或“连接”是指直接或经由一个或多个电气装置间接的电耦合或电连接。
27.现在参考图1，本发明的第一实施例是电机驱动式装置20，其可以采用便携式电动工具、家用电器、电动车辆等形式。应注意的是，电机驱动式装置的形状因数或最终效果与实施例无关，因为实施例是关于对电机的保护。电机驱动式装置20包含作为能量源的电池26，该电池例如可以是可移除电池组、内置燃料电池、干电池等。应注意的是，尽管电池26在图1的框图中被描绘为单一部件，但是其也可以包含如上例示的堆叠的多个能量储存装置。电池26的两个输出端bat+和bat-连接到pcba 28(印刷电路板组件)，其中，pcba 28至少包含控制器、以及连接到pcba 28的无刷电机24的开关模块。应注意的是，尽管pcba 28在图1中被描绘为单一部件，但是在电机驱动式装置20中其可以由两个或更多个单独的pcba组成，这些单独的pcba上分布有装置20的电路的多个功能块。装置20可以具有其他部件，如壳体、由电机驱动的作业元件、用户输入设备等，这些部件与实施例无关并且因此未在图1中示出。
28.从图1可以看出，电池26向pcba 28输出直流(dc)电力，这意味着建立了从电池26的一个端子(即，bat+)到电池26的另一个端子(即，bat-)的电流路径。无刷电机24以及装置20的任何其他电气部件都位于电流路径中，但需要pcba 28上的电机驱动电路将来自电池26的dc电力转换成用于电机24的频率受控的三相输出(由u、v和w表示)。电机驱动电路及其保护机制将在下文进行更详细的描述。
29.现在转向图2，该图示出了pcba 28的示意图，包括用于无刷电机24的控制电路及其保护机制。mcu 22充当电机驱动式装置20的控制单元，连接到电机驱动电路25、切断电路21以及检测器电路23。mcu 22被适配成分别控制电机驱动电路25和切断电路21。电机驱动电路25在该实施例中是第一开关模块，并且切断电路21在该实施例中是第二开关模块。mcu 22、切断电路21和检测器电路23一起形成用于电机24的保护机制。mcu 22由电池26通过与电机驱动电路25分离的供电电路(未示出)供电。
30.如本领域的技术人员理解的，电机驱动电路25采取六个mosfet q5-q10的常规形式。电机驱动电路25中的三个臂分别与电机24的三相u、v和w相对应。在每个臂上都有一对高侧mosfet(q6、q7或q5)和低侧mosfet(q9、q8或q10)。在臂中的高侧mosfet(例如，q5)和低侧mosfet(例如，q10)之间的点处，存在连接到电机24的相应相的导线。n沟道mosfet q5-q10是电机驱动电路25中的开关元件，其栅极连接到mcu 22，如由图2中的标记uhsd、ulsd、vhsd、vlsd、whsd、wlsd所指示的。高侧mosfet q5-q7的漏极连接到电池端子bat+，并且它们
的源极连接到低侧mosfet q8-q10。如技术人员理解的，电机24的旋转由mcu 22使用六步换向技术(有时称为60、120度控制)来控制。六步技术在一个电子旋转上创建具有六个矢量的电压系统，通过使用霍尔传感器(未示出)来了解转子的实时位置。
31.与电机驱动电路25连接的是检测器电路23，该检测器电路要提取单一分电压b以供mcu 22确定mosfet q5-q10中的任何一个以及切断电路21中的mosfet q12可能出现的(多个)故障。检测器电路23包含经由合适的电压感测装置(未示出)连接到mcu 22的两个输出，即电池电压a(其作为电机驱动电路25的输入端处的源电压)和分电压b。之所以叫分电压b是因为其是由检测器电路23中的分压器电路产生的，该分压器电路由多个电阻器r3、r6、r8、r13和r15组成。分电压b是唯一要测量的分电压，并且如果所有七个mosfet q5-q10以及q12都正常，则b应该是电池电压a的固定分数值。然而，如果mosfet中的一个或多个发生短路，则根据故障的(多个)mosfet的位置，上述的电阻器中的一个或多个将因短路而被旁路，所以测得的实际电压b将不同于上述固定分数值。在图2的实施例中，这四个电阻器r3、r6、r15和r13具有相同的电阻值。在r8与公共地之间与电阻器r15并联连接有电容器c2。电容器c2用作分电压b的电压滤波器。
32.转向切断电路21，可以看出，该切断电路在从bat+到bat-的电流路径中与电机驱动电路25串联连接。切断电路21旨在在必要时切断电流路径，使得即使电机驱动电路25发生短路或其他故障，也不会向电机24供电，从而防止对电机24造成损坏。切断电路21包含连接到电机驱动式装置20的触发器(未示出)的触发器输入端，其中，触发器输入端经由电阻器r1连接到切断开关元件(mosfet q12)的栅极。当用户没有按压电机驱动式装置20的触发器(未示出)时，触发器输入端将使q12始终切断，因为触发器在闭合时向q12供应栅极驱动电流以使其接通。另一方面，在q12之前，触发器输入端还连接到另一个mosfet q1，该mosfet由mcu 22通过连接到q1的控制端子(其为栅极)的force_cut-off引脚控制。q1在另一侧(经由其源极)连接到公共地。在电机驱动式装置的正常操作期间，mcu 22不向force_cut-off引脚提供force_cut-off信号，所以q1不导通，并且到q12的任何栅极驱动信号将由于用户按压触发器而驱动q12进入其导通状态。然而，如果mcu 22向连接到q1的栅极的force_cut-off引脚输出force_cut-off信号，则流过r1的电流绕过q12的栅极并通过r2和q1流至地。相应地，q12被关断(非导通)，无论工具触发器是否被激活。
33.现在转向上述故障检测和电机保护机制的操作，图3示出了mcu 22如何在允许电机24进行操作之前确定电机驱动电路25中的mosfet q5-q10以及切断电路21中的q12可能出现的故障。该方法开始于步骤30，在该步骤中，当用户想要开启电机驱动式装置20时，他/她按压电机驱动式装置20的触发器。一旦按下触发器，在步骤31中，mcu 22经由其连接到电池26的供电电路被通电并进入操作。然而，mcu 22在通电时不会立即开启电机24，并且特别地，mcu 22在该阶段不会向电机驱动电路25中的q5-q10发出驱动信号。相反，mcu 22首先会向切断电路21中的q1施加force_cut-off信号。随着force_cut-off信号就位，q1在用户同时按压触发器时变为导通，所以来自触发器的栅极驱动电流不会被传送到q12，使得q12不导通。以这种方式，除了没有驱动信号提供给q5-q10之外，也没有电流可以从bat+流向bat-，所以电机24无论如何都不会启动。
34.在向q1施加force_cut-off信号之后，mcu 22然后尝试确定q5至q10以及q12出现的任何潜在故障。在步骤34中，mcu 22首先读取bat+处的电池电压，该电池电压是源电压a。
如上所述，源电压a没有直接耦合到mcu 22，因为源电压的幅值对mcu 22而言可能太大。相反，源电压a(对分电压b而言同样)通过电压感测装置缩减到mcu 22可接受的范围。然后，在步骤35中，mcu 22检查分电压b的幅值。在步骤36中，mcu 22确定是否b＝0。如果是，则该方法进行到步骤43，在该步骤中，mcu 22确定q12短接，并且然后该方法在步骤44处结束，因为关键mosfet中的至少一个异常，并且电机驱动式装置20在用户更换故障部件之前不能启动。
35.如果在步骤36中mcu 22发现分电压b不等于零，则该方法前进到步骤37，在该步骤中，mcu 22确定是否b＝0.03a。如果是，则在步骤40中mcu 22确定所有的关键mosfet q5-q10以及q12都正常，所以可以启动电机驱动式装置20。因此，分数为0.03a是指示电机驱动电路25处于正常状态的上述固定分数值。如果在步骤37中发现b不等于0.03a，则该方法前进到步骤38，在该步骤中，mcu 22确定是否b＝0.045a。如果是，则这意味着高侧mosfet中的至少一个短接，或者低侧mosfet中的至少一个短接，但不是高侧mosfet和低侧mosfet两者同时短接，并且在步骤41中mcu 22依次确定高侧和低侧中仅一个上的故障。另一方面，如果高侧mosfet和低侧mosfet两者同时短接，则b将不等于0.045a(并且该方法进行到步骤39)，而是b将等于0.09a，并且在步骤42中mcu 22依次确定高侧和低侧两者上的故障。无论故障是发生在高侧和低侧中的一者还是两者上，该方法都会从步骤41和42进行到上述步骤44。
36.总的来说，对于图3中的方法，mcu 22基于图2中示出的电阻器值应用以下公式来计算b的预期值(即，固定分数值)，即，如果一切正常，则b应该等于0.03a。然而，如果q5、q6和q7中的任何一个短接，则公式中r3的有效值变为零。同样，如果q8、q9和q10中的任何一个短接，则公式中r6的有效值变为零。如果切断电路21中的q12短接，则公式中r13的有效值变为零。上述所有情况都将导致b的实际值不同于0.03a，诸如步骤38和39中示出的那些分数0.045a和0.09a。然后，mcu 22将分电压b的实际幅值与不同的分数进行比较以确定电路中发生故障的位置。
[0037][0038]
由以上可以看出，实施例中的方法提供了检测关键mosfet的故障的稳健机制并且将为电机提供保护，即不向电机提供驱动信号并且不解除q12处的切断，直到发现所有的关键mosfet都正常为止。如果这些mosfet中的一个不正常，则电机驱动式装置不能够启动，并且用户需要更换缺陷部件。在接下来开始的尝试中，将再次执行上述方法，确保所有mosfet处于良好状态。还应注意的是，尽管流程图中未示出，但mosfet q1的故障(如果有的话)也会通过图3中的方法隐式地捕获，因为如果q1短接，则无论是否有来自mcu 22的任何force_cut-off信号(即，当mcu 22“尝试”将切断电路21置于切断状态)，q1将始终导通，从而维持q12的切断状态并保护电机24。
[0039]
转向图4至图5，在本发明的另一实施例中，将描述pcba的示意图以及故障检测和电机保护机制的操作方法。为简洁起见，在以下部分中将仅描述图4至图5中的实施例与图2至图3中的实施例相比的差异。图4中的电路还具有电机驱动电路125、mcu(未示出)、切断电路121和检测器电路123，它们的互连与图2中的互连类似。然而，切断电路121和检测器电路123内的电路系统与其在图2中的对应部分相比存在细微差异。在切断电路121中，在触发器输入端与q12之间并联连接有二极管d13和电阻器26，这有助于保护q12电流免受反向电流
的影响。而且，现在在切断电路121中有连接到另一个mosfet q20的栅极和源极的附加电阻器r33和r32。在检测器电路123中，与图2中的检测器电路相比的主要差异在于没有用于对分电压b进行滤波的电容器。
[0040]
图5示出了用于图4中的电路的故障检测和电机保护机制的操作方法。图5中的所有步骤130至136与其在图3中的对应部分基本相同，本文将不再进行介绍。从步骤137开始出现差异，其中，在图5的方法中，源电压a的不同分数用作用于检测mosfet故障的基础。在步骤137中，mcu首先确定b是否等于或大于1/22*a，如果是，则在步骤140中mcu确定q5-q10中的至少一个短接。该方法在步骤144处结束，因为关键mosfet中的至少一个异常，并且电机驱动式装置在用户更换故障部件之前不能启动。
[0041]
如果在步骤137中mcu发现分电压b低于1/22*a，则该方法进行到步骤138，在该步骤中，mcu确定b是否介于零到1/33*a之间。如果是，则这意味着mosfet q5-q10中的至少一个短接，并且在步骤141中mcu依次确定这种故障。然后，该方法进行到上述步骤144。另一方面，如果所有的mosfet q5-q10以及q12都正常，则步骤138中的检查结果将为真，并且该方法进行到步骤139，在该步骤中，mcu确定情况正常，所以在步骤142中电机驱动式装置可以启动。
[0042]
因此，对示例性实施例进行了充分描述。虽然描述提到了特定的实施例，但是对于本领域技术人员而言应当清楚的是，可以改变这些具体细节实践本发明。因此，本发明不应被解释为局限于本文阐述的实施例。
[0043]
尽管已经在附图和前面的说明书中详细展示和描述了实施例，但是其在性质上应被认为是说明性的而非限制性的，应理解，仅示出和描述了示例性实施例，并且不以任何方式限制本发明的范围。可以理解，本文描述的任何特征都可以与任何实施例一起使用。说明性实施例并不彼此排斥，也不排斥本文未列举的其他实施例。相应地，本发明还提供了包括上述说明性实施例中的一个或多个实施例的组合的实施例。在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对如本文阐述的本发明进行修改和改变，因此，仅应适用如所附权利要求所指明的此类限制。
[0044]
应当理解，如果本文参考了任意的现有技术出版物，则这种参考并不构成一种认可，即认为该出版物在澳大利亚或任何其他国家构成了本领域内公知常识的一部分。
[0045]
例如，在图1的实施例中，电池被示出为电机驱动式装置的能量源，但是本领域技术人员应认识到，也可以使用其他类型的能量源，诸如市电电力、发电机、太阳能面板等。类似地，尽管在上述实施例中示出了无刷电机，但是本发明的保护机制也可以应用到其他类型的电机，如ac电机或dc有刷电机。无刷电机的相数也可以不是三个，因为其可以推广为n相，其中，n大于1。
[0046]
应注意的是，图2和图4中示出的检测器电路和切断电路的电路结构不旨在是限制性的，因为其他类型的电路系统也可以用于相同的目的，只要整体电路被设计为实现本发明的目的即可，即，初始地将切断状态应用到电机电流路径，直到发现所有的开关元件都正常。
[0047]
本发明的各种实施例可以保护电机以及位于主电路路径中的任何其他电气部件免受因开关元件中的一个或多个发生短路而引起的大电流的损坏。具体地，例如，除电机以外的其他电气部件包括其他类型的能量消耗部件(即，负载)，诸如光照明设备、声音设备和
显示屏。根据本发明的实施例，还可以保护如电池等供电设备和功率转换器免受损坏。
技术特征：1.一种电机驱动式器具，包括：a)电机；b)第一开关模块和第二开关模块，该第一开关模块和该第二开关模块设置在从能量源的一个端子到该能量源的另一个端子的电流路径上并且彼此串联连接；该第一开关模块连接到该电机并且被适配成驱动该电机；c)控制单元，该控制单元连接到该第一开关模块和该第二开关模块；该控制单元被适配成分别控制该第一开关模块和该第二开关模块；其中，该控制单元进一步被适配成在其通电后尝试控制该第二开关模块处于切断状态，直到该控制单元确定该第一开关模块正常为止。2.根据权利要求1所述的电机驱动式器具，其中，该电机是具有n相的无刷电机，并且该第一开关模块包括用于该n相中每一相的臂；该第一开关模块的每个臂包括高侧开关元件和低侧开关元件；每个臂在该臂的高侧开关元件和低侧开关元件之间的点处连接到该电机的这n相中的相应相。3.根据权利要求2所述的电机驱动式器具，其中，该控制单元被适配成通过测量该第一开关模块内的单一分电压来确定该第一开关模块正常。4.根据权利要求3所述的电机驱动式器具，进一步包括连接到该第一开关模块的检测器电路；该检测器电路包括多个电阻器并且被适配成输出该分电压；其中，该控制单元被适配成通过将该分电压与馈送到该第一开关模块的源电压的分数进行比较来确定该第一开关模块中这些高侧开关元件和低侧开关元件中的任何一个是否发生短路，其中，该源电压的分数是由该多个电阻器确定的。5.根据权利要求4所述的电机驱动式器具，其中，该控制单元进一步被适配成通过将该分电压与该源电压的分数进行比较来确定该第二开关模块中的切断开关元件是否发生短路。6.根据权利要求1所述的电机驱动式器具，其中，该第二开关模块进一步包括位于该电流路径中的第一开关元件和连接到该第一开关元件的第二开关元件；该第二开关元件被适配成接收来自该控制单元的信号以改变其开关状态，从而控制该第一开关元件处于该切断状态或导通状态。7.根据权利要求6所述的电机驱动式器具，其中，该第一开关元件和该第二开关元件均是晶体管，该第二开关元件连接到该第一开关元件的控制端子。8.根据权利要求7所述的电机驱动式器具，其中，该控制单元在其通电后将切断信号施加到该第二开关元件以使该第一开关元件处于该切断状态，直到该控制单元确定该第一开关模块和该第一开关元件都正常为止。9.根据权利要求1所述的电机驱动式器具，其中，该控制单元进一步被适配成在其通电后尝试控制该第二开关模块处于切断状态，直到该控制单元确定该第一开关模块和该第二开关模块两者均正常为止。10.一种电机驱动式器具的保护方法，该电机驱动式器具包括电机和控制单元，该方法包括：a)使该控制单元通电；b)由该控制单元将第二开关模块置于切断状态；该第二开关模块处于经过该电机的电
流路径上；c)由该控制单元确定在该电流路径上且被适配成驱动该电机的第一开关模块是否正常；以及d)如果该控制单元发现该第一开关模块正常，则解除该第二开关模块的切断状态。11.根据权利要求10所述的保护方法，其中，步骤c)进一步包括确定该第二开关模块是否正常。
技术总结一种电机驱动式装置(20)，包括电机(24)、设置在从电池(26)的一个端子到电池(26)的另一个端子的电流路径上的第一开关模块(25)和第二开关模块(21)、以及连接到第一开关模块(25)和第二开关模块(21)的MCU(22)。第一开关模块(25)和第二开关模块(21)彼此串联连接，同时第一开关模块(25)连接到电机(24)并且被适配成驱动电机(24)。MCU(22)被适配成分别控制第一开关模块(25)和第二开关模块(21)。MCU(22)进一步被适配成在其通电后尝试控制第二开关模块(21)处于切断状态，直到MCU(22)确定第一开关模块正常(25)为止。MCU(22)在允许电机(24)进行操作之前尝试检测第一开关模块(25)中开关元件的故障，所以电机(24)因第一开关模块(25)的短路而被损坏的可能性被最小化。关模块(25)的短路而被损坏的可能性被最小化。关模块(25)的短路而被损坏的可能性被最小化。
技术研发人员：李永民 谢立华 张保安 李宗芬
受保护的技术使用者：创科无线普通合伙
技术研发日：2020.09.18
技术公布日：2022/11/1
