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CN209217984U - 手持式圆锯、圆锯以及其中的电机控制系统 - Google Patents

手持式圆锯、圆锯以及其中的电机控制系统 Download PDF

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CN209217984U
CN209217984U CN201821063896.8U CN201821063896U CN209217984U CN 209217984 U CN209217984 U CN 209217984U CN 201821063896 U CN201821063896 U CN 201821063896U CN 209217984 U CN209217984 U CN 209217984U
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CN
China
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motor
saw
driving circuit
hand
processing unit
Prior art date
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Active
Application number
CN201821063896.8U
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Inventor
丁小刚
段俊雅
尹田田
周慧龙
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Nanjing Chervon Industry Co Ltd
Original Assignee
Nanjing Chervon Industry Co Ltd
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23D—PLANING; SLOTTING; SHEARING; BROACHING; SAWING; FILING; SCRAPING; LIKE OPERATIONS FOR WORKING METAL BY REMOVING MATERIAL, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23D45/00—Sawing machines or sawing devices with circular saw blades or with friction saw discs
    • B23D45/16—Hand-held sawing devices with circular saw blades
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23D—PLANING; SLOTTING; SHEARING; BROACHING; SAWING; FILING; SCRAPING; LIKE OPERATIONS FOR WORKING METAL BY REMOVING MATERIAL, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23D47/00—Sawing machines or sawing devices working with circular saw blades, characterised only by constructional features of particular parts
    • B23D47/12—Sawing machines or sawing devices working with circular saw blades, characterised only by constructional features of particular parts of drives for circular saw blades
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25F—COMBINATION OR MULTI-PURPOSE TOOLS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; DETAILS OR COMPONENTS OF PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS NOT PARTICULARLY RELATED TO THE OPERATIONS PERFORMED AND NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B25F5/00—Details or components of portable power-driven tools not particularly related to the operations performed and not otherwise provided for
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B27B—SAWS FOR WOOD OR SIMILAR MATERIAL; COMPONENTS OR ACCESSORIES THEREFOR
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  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Wood Science & Technology (AREA)
  • Forests & Forestry (AREA)
  • Control Of Motors That Do Not Use Commutators (AREA)
  • Sawing (AREA)

Abstract

本实用新型公开了一种圆锯或手持式圆锯，以及其中的电机控制系统。本实用新型所述圆锯、手持式圆锯或其中的电机控制系统包括有控制单元，该控制单元包括信号处理单元，所述信号处理单元设置成采集电机母线和/或相电流，经信号处理单元处理后输出驱动信号给所述驱动电路，使得所述电机带动所述锯片达每瓦时至少0.9刀的切割刀数。本实用新型，通过优化对电机的相电流和/或母线电流的处理，能够独立调节圆锯内电机的电流，将电机产生的电能回馈至电源，以优化对电源的利用效率。采用本实用新型的圆锯等电动工具，能耗特性更优，有效工作时间能够延长至现有的1.2倍或以上，整体成本也能够进一步降低，易于小型化封装。

Description

手持式圆锯、圆锯以及其中的电机控制系统
技术领域
本实用新型涉及电动工具领域，具体涉及一种圆锯。
背景技术
现有的手持式圆锯，由电源供电给驱动电路，通过驱动电路驱动电机运转。但目前都是通过电源单方向供电给驱动电路，电源利用效率不高。电源利用效率，指电源输出电能转化成机械能的效率。对应圆锯，即指圆锯的切割刀数，可用每瓦时多少切割刀数来评测。当前，电源每瓦时的电能储备仅能支持圆锯进行0.8刀的切割刀数，电源利用效率并不高。
发明内容
为解决现有技术的不足，本实用新型的目的在于提供一种针对圆锯等电动工具的、能够通过简单控制实现对其电机内电流的精准、独立控制，以优化性能参数，尤其，其能耗参数的控制系统及应用其的圆锯。
为了实现上述目标，本实用新型采用如下的技术方案：
本实用新型首先提供一种手持式圆锯，包括：
底板；机壳，所述机壳安装在所述底板上；锯片罩，所述锯片罩与所述机壳连接；锯片轴，用于在所述锯片罩内支持锯片；无刷电机，所述无刷电机设置于所述机壳内，包括定子和转子；电机轴，所述电机轴由所述无刷电机的转子驱动；传动装置，所述传动装置用于连接所述电机轴与所述锯片轴，其中所述传动装置包括相互啮合的蜗轮和蜗杆；驱动电路，所述驱动电路包括开关电路，所述开关电路用于输出驱动信号以控制所述无刷电机的转子运转；开关装置，所述开关装置设置于所述机壳外表面，用于响应用户对所述手持式圆锯的操作，产生开关信号；控制单元，包括一个或一组控制器，用于根据所述驱动电路产生的驱动信号驱动所述无刷电机；和电池包，为所述无刷电机、驱动电路、控制单元供电。其中，所述控制单元或控制器包括信号处理单元，所述信号处理单元设置成采集无刷电机母线和/或相电流，经信号处理单元处理后输出驱动信号给所述驱动电路，使得所述无刷电机带动所述锯片达每瓦时至少0.9刀的切割刀数。
具体的，上述手持式圆锯中，所述控制单元进一步包括位置估算单元，位置估算单元与电机的相线电连接，其根据所述无刷电机相线上的端电压和/或电流计算获得无刷电机转子的位置并输出至所述信号处理单元。所述信号处理单元产生所述驱动信号，驱动所述无刷电机的转子，所述驱动信号根据所述的无刷电机转子的位置产生。
或者，上述手持式圆锯中，所述无刷电机的定子还设有位置传感器，所述控制单元或控制器进一步与所述位置传感器电性连接，其根据所述位置传感器的信号得到无刷电机转子的位置，所述驱动信号根据所述的无刷电机转子的位置产生。
具体，上述的手持式圆锯中，信号处理单元对所述电机的相电流和/或母线电流进行处理包括：
根据电机的相电流和/或母线电流，按照所得到的所述电机转子的位置生成所述驱动信号驱动所述电机，以控制所述电机输出正弦电流。
或，所述信号处理单元对所述电机的相电流和/或母线电流进行处理包括：响应所述开关装置的信号和/或所述电池包的工作数据，根据电机的相电流和/或母线电流，按照所述电机转子的位置生成所述驱动信号，驱动所述电机，以控制所述电机输出正弦电流。其中，正弦电流的幅值和/或流向可通过所述驱动信号调节。其中，所述电池包的工作数据包括电池包输出电流和/或电池包温度；所述开关装置的信号包括待机、停机、减速或能量回收。
进一步，上述的手持式圆锯中还包括单向导电元件，所述开关装置连接在所述驱动电路与所述电池包之间，所述单向导电元件与所述开关装置并联，所述单向导电元件导通时电流由所述驱动电路流向所述电池包。
进一步，上述的手持式圆锯中还包括二极管D1，用于将无刷电机上电流通过二极管D1回馈至电池包。
进一步，上述的手持式圆锯中还包括二极管D1，所述二极管D1与开关装置并联，所述二极管D1在所述开关装置处于断开状态时导通，以将无刷电机输出的电流经二极管D1回馈至电池包。
进一步，上述的手持式圆锯中，经信号处理单元处理后输出驱动信号给所述驱动电路，使得所述无刷电机带动所述锯片达每瓦时至少0.9刀～1.0刀的切割刀数。
或者，上述的手持式圆锯中，经信号处理单元处理后输出驱动信号给所述驱动电路，使得所述无刷电机带动所述锯片达每瓦时至少1.0刀～1.2刀的切割刀数。
或者，上述的手持式圆锯中，经信号处理单元处理后输出驱动信号给所述驱动电路，使得所述无刷电机带动所述锯片达每瓦时至少1.2刀～1.4刀的切割刀数。
或者，上述的手持式圆锯中，经信号处理单元处理后输出驱动信号给所述驱动电路，使得所述无刷电机带动所述锯片达每瓦时至少1.4刀～1.6刀的切割刀数。
同时，本实用新型还提供一种圆锯，包括：无刷电机，所述无刷电机包括定子和转子；所述电机的转子连接有电机轴；所述电机轴由所述无刷电机的转子驱动；锯片轴，用于支持锯片转动以对工件进行切割作业；传动装置，所述传动装置用于连接所述电机轴至所述锯片轴；驱动电路，所述驱动电路用于输出驱动信号以控制所述无刷电机的转子运转；控制单元，用于根据所述驱动电路产生的驱动信号驱动所述无刷电机；以及电源，为所述无刷电机、驱动电路、控制单元供电。其中，所述控制单元包括信号处理单元：所述信号处理单元设置成采集无刷电机母线和/或相电流，经信号处理单元处理后，输出驱动信号给所述驱动电路，驱动电路控制所述无刷电机输出正弦电流，使得所述无刷电机带动所述锯片达每瓦时至少0.9刀的切割刀数。
具体，上述的圆锯中，所述传动装置包括相互啮合的蜗轮和蜗杆。
具体，上述的圆锯还包括单向导电元件和开关装置：所述开关装置连接在所述驱动电路与所述电源之间，用于响应用户对所述圆锯的操作，产生开关信号；所述单向导电元件与所述开关装置并联，所述单向导电元件在所述开关装置处于断开状态时导通，所述单向导电元件导通时将所述电机输出的正弦电流由所述驱动电路回馈至所述电源。
具体的，上述圆锯中，包括有二极管D1，用于将无刷电机上电流通过二极管D1回馈至电源。
上述圆锯中，包括二极管D1和开关装置；所述开关装置连接在所述驱动电路与所述电源之间，用于响应用户对所述圆锯的操作，产生开关信号；所述二极管D1与所述开关装置并联，在所述开关装置处于断开状态时导通，所述二极管D1导通时将所述无刷电机输出的正弦电流由所述驱动电路回馈至所述电源。
上述圆锯中，经信号处理单元处理后输出驱动信号给所述驱动电路，使得所述无刷电机带动所述锯片达每瓦时至少0.9刀～1.0刀的切割刀数。
或者，上述圆锯中，经信号处理单元处理后输出驱动信号给所述驱动电路，使得所述无刷电机带动所述锯片达每瓦时至少1.0刀～1.2刀的切割刀数。
或者，上述圆锯中，经信号处理单元处理后输出驱动信号给所述驱动电路，使得所述无刷电机带动所述锯片达每瓦时至少1.2刀～1.4刀的切割刀数。
或者，上述圆锯中，经信号处理单元处理后输出驱动信号给所述驱动电路，使得所述无刷电机带动所述锯片达每瓦时至少1.4刀～1.6刀的切割刀数。
同时，本实用新型还对应地提出一种手持式圆锯，包括：电机，所述电机包括定子和转子；以及传动装置，所述传动装置可操作地与所述转子联接，驱动所述手持式圆锯的锯片以对工件进行切割作业；驱动电路，所述驱动电路用于输出驱动信号以控制所述电机的转子运转；开关装置，所述开关装置用于响应对所述手持式圆锯的操作，产生开关信号；控制单元，用于响应所述开关装置的开关信号产生驱动信号驱动所述电机。其中，所述控制单元包括信号处理单元，所述信号处理单元设置成采集电机母线和/或相电流，经信号处理单元处理后输出驱动信号给所述驱动电路，驱动电路控制所述电机输出正弦电流，使得所述电机带动所述锯片达每瓦时至少0.9刀的切割刀数。
所述手持式圆锯还包括反馈电路，所述反馈电路用于将电机上电流回馈至所述的手持式圆锯的电源。
如上所述的手持式圆锯，其中，还包括二极管D1，用于将电机上电流通过二极管D1回馈至所述的手持式圆锯的电源。
上述的手持式圆锯，其中还包括单向导电元件；所述单向导电元件导通时将电机输出的电流由所述单向导电元件回馈至所述的手持式圆锯的电源。
如上所述的手持式圆锯，其中，所述电机的相电流和/或母线电流包括所述电机的母线电流、所述电机的相电流、所述开关电路上开关元件的极间电流中的任意一种或组合。
如上所述的手持式圆锯，其中，所述传动装置包括相互啮合的蜗轮和蜗杆。
具体的，上述的手持式圆锯，经信号处理单元处理后输出驱动信号给所述驱动电路，使得所述电机带动所述锯片达每瓦时至少0.9刀～1.0刀的切割刀数。
或者，上述的手持式圆锯，经信号处理单元处理后输出驱动信号给所述驱动电路，使得所述电机带动所述锯片达每瓦时至少1.0刀～1.2刀的切割刀数。
或者，上述的手持式圆锯，经信号处理单元处理后输出驱动信号给所述驱动电路，使得所述电机带动所述锯片达每瓦时至少1.2刀～1.4刀的切割刀数。
或者，上述的手持式圆锯，经信号处理单元处理后输出驱动信号给所述驱动电路，使得所述电机带动所述锯片达每瓦时至少1.4刀～1.6刀的切割刀数。
其中，所述电机为无刷直流电机或者永磁同步电机。
其中的所述传动装置还可包括有减速结构。减速结构可包括配有不同齿数比的齿轮结构，或配置不同皮带轮半径的皮带传动结构。
有益效果
本实用新型通过信号处理单元，根据其采样获得的电机的相电流和/或母线电流进行处理，生成驱动信号,按照所述驱动信号驱动所述电机，使所述电机输出正弦电流。通过信号处理单元的处理，本实用新型所生成的驱动信号能够对电机上正弦电流的流向以及幅值进行控制，将电机产生的电流分量回馈至电源，对电源进行充电，实现能量回收。通过对能量的回收，本实用新型所述圆锯，电源每瓦时的电能储备能够支持圆锯完成至少1刀的切割刀数。即，本实用新型电源利用效率相比现有圆锯至少提升了1/5。也就是说，在电源电能储备量相同的状况下，本实用新型所述圆锯的有效工作时间能够延长至现有圆锯的1.2倍或以上。
附图说明
图1为本实用新型提供的第一实施例的一种外部结构示意图；
图2为本实用新型提供的第二实施例的连接关系示意图；
图3为本实用新型提供的第三实施例的结构示意图；
图4为应用于本实用新型所提供的第一实施例的电路系统架构框图；
图5为应用于本实用新型所提供的第二实施例的电路系统架构框图；
图6为本实用新型提供的电机控制系统中信号处理单元内控制流程的示意图；
图7为应用于本实用新型所提供的第三实施例的电路系统架构框图；
图8为本实用新型所述圆锯能量回收过程中电机电流的测试图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本实用新型作具体的介绍。
在本实用新型的第一个实施例中，结合图1，本实用新型首先提供一种手持式圆锯，其具体结构包括：
底板1；机壳2，所述机壳安装在所述底板上；锯片罩3，所述锯片罩与所述机壳连接；锯片轴4，用于在所述锯片罩内支持锯片转动从而实现对工件进行切割作业；电机5，所述电机设置于所述机壳内，包括定子和转子；电机轴6，所述电机轴由所述电机的转子驱动；传动装置7，所述传动装置用于连接所述电机轴与所述锯片轴，将电机轴的旋转运动传导至所述锯片轴以驱动锯片运转；所述传动装置具体可包括减速机构，如，相互啮合的蜗轮和蜗杆，或减速箱。所述蜗轮蜗杆或减速箱可包括配有不同齿数比的齿轮结构，或配置不同同步轮半径的同步带传动结构。在本实用新型的一个较佳实施例中，所述电机为无刷电机。
上述手持式圆锯的运转还需依赖安装于PCB电路板上的电子部件，PCB电路板容纳于机壳2内，参考图4所示，具体包括：驱动电路、控制单元和电源电路。其中，驱动电路包括有开关电路8，还可包括有驱动芯片等外围电路，以提高开关电路8的负载能力。控制单元具体可通过一个或多个控制器组合实现，其内具体包括有位置估算单元和信号处理单元10。
上述手持式圆锯的电源具体选择为电池包11，由电池包通过具体的电源电路，本实施例具体对应为DC-DC，为所述电机、驱动电路、信号处理单元供电。
参考图4，所述手持式圆锯的电子部件还包括有开关装置SW1和二极管D1。所述开关装置设置于所述机壳外表面，连接所述驱动电路与所述电池包，用于响应对所述手持式圆锯的操作，产生电信号，具体为开关信号至控制器。所述二极管D1与所述开关装置SW1并联，所述单向导电元件在所述开关装置SW1处于断开状态时导通，将电机输出的正弦电流经二极管D1回馈至电源。
图1中，所述控制单元、驱动电路、电机5、电源电路和二极管D1均由机壳2封闭，未暴露于图1视角。其具体连接关系可参考后续说明。
参考图4，驱动电路具体与所述电机5的三相电极U、V、W电连接，驱动所述电机运转。所述驱动电路具体包括有开关电路8，所述开关电路用于根据所述信号处理单元的控制输出驱动信号至电机的三相电极，以控制所述电机的转子运转。所述驱动电路具有输入端、输出端和采样端。如图4所示，开关电路8包括开关元件VT1、VT2、VT3、VT4、VT5、VT6。开关元件VT1-VT6以场效应管为例，其栅极端作为所述驱动电路的输入端，分别与信号处理单元的驱动信号电性连接，开关元件的每个漏极或源极分别与电机的定子电连接。在本实用新型的一个实施例中，所述驱动信号具体包括有Q1至Q6六路信号。开关元件VT1-VT6依次按照信号处理单元输出的驱动信号改变导通状态，从而改变电池包11加载在无刷电机绕组上的电压状态，产生交变的磁场，驱动所述电机转子运转。
具体而言，上述驱动电路为了使无刷电机转动，具有多个驱动状态，在一个驱动状态下电机的定子会产生一个磁场，信号处理单元被配置为依据电机的转子转动位置输出相应的控制信号至驱动电路以使驱动电路切换驱动状态，从而使定子产生的磁场转动以驱动转子转动，实现对无刷电机的驱动。电机的转子转动位置，在本实用新型的一个实施例中可通过R1至R3所采集的电机的相电流经位置估算单元计算获得。
所述电子部件中的信号处理单元10，用于根据所述机壳外表面的开关装置SW1的电信号驱动所述驱动电路。其中，所述信号处理单元包括输入端、以及驱动信号输出端。上述输入端或驱动信号输出端既可通过专用接口硬件实现，也可以仅仅对应芯片的相应引脚。所述驱动信号输出端连接所述驱动电路的输入端，所述信号处理单元的输入端接收所述开关装置的信号以及位置评估单元输出的电机的转子转动位置以及对电机的相电流的采样；所述信号处理单元用于根据所述开关装置的开关信号对所述电机的工作电流进行处理，产生驱动信号。本实施例中具体为对所述电机的相电流进行处理，产生驱动信号。该工作电流也可以是母线电流或其与电机的相电流的组合。所述驱动信号由所述驱动信号输出端输出驱动所述驱动电路控制所述电机输出正弦电流以驱动所述锯片。其中，所述驱动信号还可由所述信号处理单元根据所述开关装置的开关信号和/或手持式圆锯中电池包的工作数据，以及所述相电流和/或母线电流生成。所述开关电路根据所述驱动信号驱动所述电机运转输出正弦电流，由此，所述正弦电流的幅值和/或流向根据所述驱动信号调整。
本实用新型的一个实施例中，所述信号处理单元设置成采集电机母线和/或相电流，经信号处理单元处理后输出驱动信号给所述驱动电路，可以使得所述无刷电机带动所述锯片达每瓦时至少0.9刀的切割刀数。较佳地，在本实用新型的另一个实施例中，所述信号处理单元设置成采集无刷电机母线和/或相电流，经信号处理单元进一步处理后输出驱动信号给所述驱动电路，使得所述无刷电机输出正弦电流时，所述无刷电机带动所述锯片达每瓦时至少0.9刀的切割刀数。
也就是说，经信号处理单元处理后输出的驱动信号控制所述驱动电路，使所述电机上产生的电流通过反馈电路回馈至电源，对电源进行充电，实现能量回收；较佳地，经信号处理单元处理后输出的驱动信号控制所述驱动电路，使所述电机输出正弦电流，并通过反馈电路回馈至电源，对电源进行充电，实现能量回收。
具体地，经信号处理单元处理后输出的驱动信号给驱动电路，所述驱动电路使所述电机输出的电流或正弦电流，使电机产生的负转矩通过反馈电路回馈至电源，对电源进行充电，实现能量回收。在本实用新型的一个实施例中，如图4、图5和图7所示，所述驱动电路使所述电机输出的电流或正弦电流，使电机产生负转矩的电流分量通过二极管D1回馈至电源，对电源进行充电，实现能量回收。通过对能量的回收，提高所述手持式圆锯内电源每瓦时电能储备所能够完成的切割刀数，实现对电源利用效率的提升。
下面将图4所示信号处理单元结合图6所示的步骤流程，对所述信号处理单元对所述电机的相电流和/或母线电流进行处理的详细步骤进行阐述。
参考图6，信号处理单元通过输入端获得所述电机的相电流，通过位置估算单元对所述电流进行计算获得所述电机的位置，并计算所示电机的转速；
对所述电机的相电流通过坐标变换单元进行坐标变换，具体包括Clark变换和Park变换，获得励磁电流反馈值id，以及转矩电流反馈值iq；
电流环单元，图6中具体采用第一调节器和第二调节器，分别根据所述励磁电流反馈值id以及预先设置的励磁电流给定值id *调节电机的励磁分量；根据所述转矩电流反馈值iq以及预先设置的转矩电流给定值iq *调节电机的转矩分量；其中，预先设置的励磁电流给定值id *和/或转矩电流给定值iq *由控制器接收的对所述手持式圆锯的操作所产生的电信号、电池包的工作数据以及电机的运转状态共同生成调速信号而确定；其中，对所述手持式圆锯的操作所产生的电信号具体可包括待机、停机或减速，可通过开关装置SW1的通断状态，即开关装置SW1的开关信号获知；电池包的工作数据包括电池包输出电流和/或电池包温度；电机的运转状态包括电机位置和转速；
电流环单元对两分量进行调节后，输出至占空比计算单元，由占空比计算单元将电机的励磁分量与转矩分量转换为控制电机所连开关电路8的驱动信号，通过驱动信号输出端输出；其中，转换的具体计算过程可采用：先进行反Park变换，再经过SVPWM计算或SPWM计算的方式实现。
本实施例具体针对相电流，但母线电流、或者相电流与母线电流的组合，通过图6所示方法步骤同样可通过替换图6中的电机的工作电流，可类似处理，实现相似的驱动信号。
根据该驱动信号，控制图4上侧由TV1至TV6所示意的开关电路中开关元件的通断，实现对电机内各相线圈的供电。由此，电机输出正弦电流，该正弦电流按照对所述手持式圆锯的操作以及电池包的工作数据对电流方向、幅值大小的要求，驱动所述手持式圆锯中的电机运转。
所述驱动信号具体可设计为占空比数据，由所述占空比数据控制所述驱动电路，尤其是其中的开关电路根据所述驱动信号控制所述电机内绕组的通电时间，通过驱动信号导通相应相位的绕组，使之产生规律变化的磁场以驱动所述电机转子运转。所述驱动信号具体可为电机的占空比数据，所述占空比数据中，导通时间占比越大，电机内磁场强度越大，电机转子运转越快。电机运转时，由于其绕组的感性作用，电机输出正弦电流。受占空比数据调控，所述正弦电流的幅值和/或流向受所述开关装置SW1的开关信号和/或电动工具中电池包的工作数据限制。具体：在待机状态下，所述信号处理单元生成所述驱动信号驱动所述电机运转输出正弦电流幅值为待机档位，待机档位下，驱动所述电机运转的转速相对于工作状态下维持低速；停机或减速状态下，所述信号处理单元生成所述驱动信号驱动所述电机运转输出正弦电流流向所述电池包；在电池包的工作数据异常时，或者，还可包括所述信号处理单元接收对所述电动工具的控制信号为停机或减速时，所述信号处理单元生成所述驱动信号驱动所述电机运转输出正弦电流的幅值递减，直至所述电池包的工作数据异常消除。所述电池包的工作数据异常包括电池包输出电流过大和/或电池包温度过高。
具体到信号处理单元中，上述的控制可通过设置励磁电流给定值id *和转矩电流给定值iq *根据电机的控制接口接收的电信号和/或电动工具中电池包的工作数据以对应上述的调速需求，包括限制电机电流、停机、减速、能量回收、无负载低速待机等，具体设置步骤按照如下操作进行，以实现对电机运转输出正弦电流幅值和流向的控制：
例如，上述的信号处理单元获知所述电动工具进入待机状态时，所述信号处理单元生成所述驱动信号驱动所述电机运转输出正弦电流幅值为待机档位。进入所述待机状态的方式有几种，例如，可通过触发开关装置SW1人工设置进入待机状态，或者默认刚触发工作状态后的一小段时间内处于待机状态，而后才进入工作状态。具体，在待机档位中，限制励磁电流给定值id *的绝对值大小，或一并限制转矩电流给定值iq *的绝对值大小，经占空比计算单元转换后，生成驱动信号控制所述待机档位的正弦电流幅值驱动所述电机运转的转速可由此控制小于工作状态下正弦电流幅值驱动所述电机运转的转速。
所述信号处理单元接收所述电动工具中电池包的工作数据异常，包括温度过高、电流过大时，或者，还可包括所述信号处理单元接收对所述电动工具进入停机或减速状态时所述信号处理单元生成所述驱动信号驱动所述电机运转输出正弦电流幅值递减，直至所述电池包的工作数据异常消除。其中，驱动所述正弦电流幅值递减具体可通过对转矩电流反馈值iq和/或转矩电流给定值iq *进行递减；或者通过设置励磁电流给定值id *向量为负向来实现。这样的设置，能够在算法内抵消电机磁场，从而降低电机电源，如电池包输出的电流，从而有效调整电动工具的功耗。这种直接对电路中电流的调控，这在传统技术的电动工具领域中，难以实现。
所述信号处理单元接收所述电动工具进入停机或减速状态时，所述信号处理单元生成所述驱动信号驱动所述电机运转输出正弦电流流向所述电池包。这样的效果可具体通过控制通过设置转矩电流给定值iq *向量为负向，此时还可一并设置励磁电流给定值id *为0。由此在算法内抵消电机转矩，从而降低电机驱动能力，而实现对电机的运转速度的有效降低。同时，通过停机或减速指令触发的开关，图4中SW1，还可以在设置转矩电流给定值iq *向量为负向的同时被置于关断状态。由此，电机电流将通过单向导电元件，例如，如图4中二极管D1，将负向的电流反馈回电池包，对电池包进行充电。
充电过程中，信号处理单元输出驱动信号控制所述驱动电路，通过驱动电路控制所述电机输出的正弦电流，进而控制电机由该正弦电流所产生的负转矩的大小。由此，将电机所产生的负转矩电流分量通过二极管D1回馈至电源时，可限制其对电源进行充电的电流大小在电池有效充电的电流范围内，保护电池并实现能量回收。
具体，所述信号处理单元可通过控制转矩电流反馈值iq和/或转矩电流给定值iq*，生成相应驱动信号，由所述驱动信号控制所述开关电路驱动所述电机运转，进而控制所述电机运转输出的正弦电流的幅值和流向，使其转换后的充电电流在电池包可接受的范围内流向电池包，实现有效充电并保护电池包。所述充电电流：
在充电电流的冲击时间不超过200ms时，最大冲击电流(充电电流)可控制在6c或以下；
在充电电流的冲击时间不超过1s时，最大冲击电流(充电电流)可控制在5c或以下；
在充电电流的冲击时间达到1s或以上时，最大冲击电流(充电电流)可控制在4c或以下；
其中，最大冲击电流大小与电池包并联支数p的关系为：支数(p)*每支电池包的容量(Ah)＝最大冲击电流的安培数(A)。例如，1p的电池包，容量为2.5Ah，最大冲击电流6c所对应的电流大小为15A；2p的电池包，容量为2.5Ah，最大冲击电流6c所对应的电流大小为30A。
参考图8所示，由蜗轮蜗杆结构作为传动装置的圆锯在能量回收过程中测试得到标号1所示的电机电流数据。其中，a、b两点标记之间为充电电流的冲击过程，所述充电电流的冲击时间在496ms以内，最大冲击电流为4.8A。以48V直流电源为例，本次充电电流回收的能量对应为0.02wh。
以上，根据电机的不同工作状态，例如待机、减速、停机、能量回收，通过信号处理单元对电机的相电流和/或母线电流的处理，实际可应用于任意电动工具，实现对其内电机运转输出的正弦电流的控制。具体包括控制所述正弦电流的流向和幅值。具体，应用于圆锯或手持式圆锯，由于信号处理单元对电机的励磁分量与转矩分量的调节，可根据电动工具的状态动态调节其能耗水平，并在需要时对电机能量进行回收。由此，本实用新型所述电动工具对电能的利用率得到显著提高，具体，可通过功率控制或能量回收，使得圆锯或手持式圆锯在切割每瓦时电池包容量实现0.9刀以上的切割刀数。
对照图4下侧，上述的方案中，具体仅以采集电机的相电流为例。对电机的相电流的采集可通过图4下侧所示开关电路中，在开关元件VT1～VT6所组成的3组桥臂上串接的电阻R1～R3实现。桥臂上串接的电阻R1～R3将电机相电流转化为采样的电压信号，将采样的电压信号通过放大器放大，输入至控制器，实现对电机相电流的采集。
应当注意控制器所采集的电流信号，除本实施例中的相电流外，还可以包括所述电机的母线电流、所述电机所连接的开关电路上开关元件的极间电流中的任意一种、任意若干种、任一种的组合或任意若干种的组合。当然，本领域技术人员也可直接通过一个串接于开关电路8下臂所连接的母线上的采样电阻进行类似处理，或者，直接通过算法分析VT2等开关元件上的极间电流，配合依据元件特性的修正函数，或者将上述方法综合应用，都可同样分析获得电机的运转状况。对电机母线电流的采样将在下一实施例中进行分析。
在本实用新型的第二个实施例中，结合图2，本实用新型还提供一种圆锯，其具体结构包括：
电机5，所述电机5包括定子和转子；电机轴6，由所述电机的转子驱动；锯片轴4，用于支持锯片转动从而对工件进行切割作业；传动装置，所述传动装置用于连接所述电机轴至所述锯片轴。
上述圆锯的运转还需依赖安装于PCB电路板上的电子部件，PCB电路板安装于电机5的后方，参考图5所示，本实施例中的PCB电路板可具体包括：开关电路8、控制器、位置传感器和电源电路。其中，控制器包括有信号处理单元10。位置传感器安装于电机5定子上，用于感应转子位置向所述控制器输出电机转子的位置信号。
上述手持式圆锯的电源可选择为电池包11或其他供电装置，由电源通过具体的电源电路，本实施例具体对应为DC-DC，为所述电机、开关电路、信号处理单元供电。控制器或信号处理单元可具体根据圆锯控制所需精度和响应时间选择适当控制芯片来实现。控制芯片包括单片机(MCU，Microcontroller Unit)、ARM(Advanced RISC Machines)芯片、DSP(Digital Signal Processor，数字信号处理器)等。
参考图5，所述圆锯的PCB电路板上还连接有开关装置SW1和单向导电元件D1。所述开关装置连接所述驱动电路与所述电源，用于响应对所述圆锯的操作，产生相应信号至控制器。所述单向导电元件D1具体可选择为二极管、可控硅等。以二极管为例，所述二极管与所述开关装置SW1并联，所述单向导电元件在所述开关装置SW1处于断开状态时导通，用于将电机输出的正弦电流经二极管D1回馈至电源。可控硅的实现方式与二极管类似，保证可控硅中用于单向导通的管脚之间的电流回馈至电源即可。
参考图5，开关电路驱动所述电机5的具体方式与实施例一类似，在此不加赘述。本实施例区别于实施例一，电机的转子转动位置，在本实施例中可通过位置传感器直接获得并传输至控制器。由此，本实施例中所述控制器内可无需设置位置估算单元。所述控制器依据位置传感器获得的所述电机的转子位置以及通过采样电阻R4获得的母线电流生成驱动信号，将驱动信号发送至驱动电路以使驱动电路切换驱动状态，从而使定子产生的磁场转动以驱动转子转动，实现对无刷电机的驱动。由此，电机输出正弦电流以驱动所述锯片。其中，所述驱动信号同样可通过类似实施例一的方式，由所述信号处理单元根据所述开关装置的开关信号和/或电动工具中电池包的工作数据，以及采样获得的所述母线电流生成。所述信号处理单元对所述电机的母线电流进行处理生成驱动信号的详细步骤，以及对该驱动信号对所述正弦电流的幅值和/或流向的控制与上一实施例中类似。对所述电机的母线电流处理生成驱动信号时，将采样获得的所述母线电流作为所述电机的工作电流，其处理步骤流程可参考图6。这里，与实施例一的区别仅在于，辨识所述电机的位置及转速的步骤，在本实施例中可直接通过控制器获取本实施例中位置传感器的数据而实现。
以上，根据电机的不同工作状态，如待机、减速、停机、能量回收，可通过信号处理单元对电机的相电流和/或母线电流的处理，实现对电动工具内电机运转输出的正弦电流的控制，包括控制所述正弦电流的流向和幅值。具体，应用于圆锯，由于信号处理单元对电机的励磁分量与转矩分量的调节，可根据圆锯的状态动态调节其能耗水平，并在减速、停机过程中通过单向开关元件向电源处引入电流，对电机能量进行回收。尤其，由于信号处理单元输出驱动信号控制所述驱动电路，通过驱动电路控制所述电机输出的正弦电流，进而控制该正弦电流所产生的负转矩的电流大小，实现对电机电流幅值和方向的控制。本实用新型可将引入电源处的电流控制在50A的有效充电的电流范围内，可以选择0～20A，20～35A，35～50A，以此保证充电效率并保护电源。
由此，本实用新型所述圆锯对电能的利用率得到显著提高，具体，通过功率控制或能量回收，使得本实用新型所述圆锯每瓦时电池包容量实现0.9刀以上的切割刀数。相对于目前圆锯0.8刀/瓦时的切割刀数，本实施例将圆锯的作业能力提升了20％。也就是说，相同规格的电源，本实施例中的圆锯能够额外完成20％的切割作业。这种对效率的提升还是相当可观的。这里获得的切割刀数，如每瓦时至少0.9刀～1.0刀，每瓦时1.0刀～1.2刀，每瓦时1.2刀～1.4刀，每瓦时1.4刀～1.6刀是通过切割松木获得，切割松木时，切割面的尺寸为40mm*200mm。
在本实用新型的第三个实施例中，结合图3，本实用新型还提供一种手持式电动工具，其具体结构包括：
电机5，所述电机包括定子和转子；传动装置7，所述传动装置7可操作地与所述转子联接，用于将所述电机转子的旋转运动传递至所述手持式电动工具的工具附件，以驱动所述工具附件运转进行作业。
这里的工具附件包括但不限于电钻的钻头，角磨的磨片，往复锯的抬刀机构、锯条，圆锯的锯片，抛光机的海绵或抛光盘，螺丝批的螺丝头，扳手的螺旋槽、冲击机构，搅拌机的搅拌棒，等。由此，本实施例中所述的电动工具可对应为圆锯、电钻、角磨、往复锯、抛光机、螺丝批、扳手、搅拌机，等
上述手持式电动工具的运转还需依赖安装于PCB电路板上的电子部件，PCB电路板可设置于电机5后侧，参考图7所示，具体包括：驱动电路、控制器和电源电路。其中，控制器包括有位置估算单元和信号处理单元10。
上述手持式电动工具的电源通过具体的电源电路，为所述电机、驱动电路、信号处理单元供电。本实施例，电源具体对应为DC-DC，可包括电源芯片及其外围电路，
参考图7，所述手持式电动工具的电子部件还包括有开关装置SW1和二极管D1。所述开关装置连接所述驱动电路与所述电源，用于响应用户对所述手持式电动工具的操作，产生电信号至控制器。所述二极管D1与所述开关装置SW1并联，所述二极管D1的正极连接驱动电路，负极连接电源，在所述开关装置SW1处于断开状态时导通，将电机输出的正弦电流回馈至电源。
参考图7，驱动电路驱动所述电机5运转的方式与上述实施例类似，在此不加赘述。与上述实施例相区别的是，本实施例中，信号处理单元产生驱动信号所依据的电机转子的转动位置，具体通过驱动电路母线上的电阻R4所采集的电机的母线电流经位置估算单元计算获得。
位置估算单元对电机的位置及转速的计算可通过如下步骤实现：
步骤B1，锁定所述电机的工作电流的过零点周期，计算所述电机的工作电流的频率f；工作电流，这里具体指驱动电路母线上的电阻R4所采集的电机的母线电流；当然，所述电机的工作电流还可包括上述各实施例中采集的电机的相电流和/或母线电流及其组合，处理过程类似；
步骤B2，计算所述电机的转速n＝60f/P；其中，P为所述电机的极对数；
步骤B3；积分获得所述其中s为所述电机的采样点数；ω为所述电机的工作电流的频率f对应的角频率。
区别于传统先计算电机位置再通过对位置进行微分获得电机转速的方法，通过上述方式计算电机位置和转速可避免微分所带来的庞大运算量，节约系统开销，提高运算效率。
所述控制器依据所述位置估算单元计算得到的电机的转子位置以及通过采样电阻R4获得的母线电流生成驱动信号，将驱动信号发送至驱动电路以使驱动电路切换驱动状态，从而使定子产生的磁场转动以驱动转子转动，实现对无刷电机的驱动。由此，电机输出正弦电流以驱动所述锯片。其中，所述驱动信号同样可通过类似实施例一的方式，由所述信号处理单元根据所述开关装置SW1的信号和/或电动工具中电池包的工作数据，以及采样获得的所述母线电流生成。所述信号处理单元对所述电机的母线电流进行处理生成驱动信号的详细步骤，以及对该驱动信号对所述正弦电流的幅值和/或流向的控制与上述实施例中类似。对所述电机的母线电流处理生成驱动信号时，将采样获得的所述母线电流作为所述电机的工作电流，其处理步骤流程同样可参考图6。
由此，根据电机的不同工作状态，包括待机、减速、停机、能量回收，可通过信号处理单元对电机的相电流和/或母线电流的处理，输出驱动信号控制所述驱动电路，通过驱动电路控制所述电机输出的正弦电流，进而控制电机因该正弦电流所产生的负转矩的大小。由此，实现对电动工具内电机运转输出的正弦电流的控制，在将电机所产生的负转矩电流分量通过二极管D1回馈至电源时，限制对电源进行充电的电流的流向和幅值，实现能量回收，并在能量回收的过程中保护电源。具体，通过信号处理单元对电机的励磁分量与转矩分量的调节，可根据电动工具的状态动态调节其能耗水平，并在减速、停机过程中通过类似二极管D1的单向导电元件向电源处引入电流。在以相互啮合的蜗轮、蜗杆作为所述传动装置7的情况下，每次向电源处引入电流所回收的能量>0.01wh。由此，本实用新型所述电动工具对电能的利用率得到显著提高，具体，通过功率控制或能量回收，使得本实用新型所述电动工具在配备相同规格的电源的情况下，额外提升20％的作业能力，即相同负载状况下，工具续航时间延长至原先的1.2倍。
以上显示和描述了本实用新型的基本原理、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实用新型，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本实用新型的保护范围内。

Claims (25)

1.一种手持式圆锯，包括：
底板；
机壳，所述机壳安装在所述底板上；
锯片罩，所述锯片罩与所述机壳连接；
锯片轴，用于在所述锯片罩内支持锯片；
无刷电机，所述无刷电机设置于所述机壳内，包括定子和转子；
电机轴，所述电机轴由所述无刷电机的转子驱动；
传动装置，所述传动装置用于连接所述电机轴与所述锯片轴，其中所述传动装置包括相互啮合的蜗轮和蜗杆；
驱动电路，所述驱动电路包括开关电路，所述开关电路用于输出驱动信号以控制所述无刷电机的转子运转；
开关装置，所述开关装置设置于所述机壳外表面，用于响应用户对所述手持式圆锯的操作，产生开关信号；
控制单元，用于根据所述驱动电路产生的驱动信号驱动所述无刷电机；
电池包，为所述无刷电机、驱动电路、控制单元供电；
其特征在于，所述控制单元包括信号处理单元，所述信号处理单元设置成采集无刷电机母线和/或相电流，经信号处理单元处理后输出驱动信号给所述驱动电路，驱动电路控制所述无刷电机输出正弦电流，使得所述无刷电机带动所述锯片达每瓦时至少0.9刀的切割刀数。
2.如权利要求1所述的手持式圆锯，其特征在于，所述手持式圆锯还包括单向导电元件，所述开关装置连接在所述驱动电路与所述电池包之间，所述单向导电元件与所述开关装置并联，所述单向导电元件导通时电流由所述驱动电路流向所述电池包。
3.如权利要求1所述的手持式圆锯，其特征在于，所述手持式圆锯还包括二极管D1，用于将无刷电机上电流通过二极管D1回馈至电池包。
4.如权利要求1所述的手持式圆锯，其特征在于，所述手持式圆锯还包括二极管D1，所述二极管D1与开关装置并联，所述二极管D1在所述开关装置处于断开状态时导通，以将无刷电机输出的电流经二极管D1回馈至电池包。
5.如权利要求1所述的手持式圆锯，其特征在于，经信号处理单元处理后输出驱动信号给所述驱动电路，使得所述无刷电机带动所述锯片达每瓦时至少0.9刀~1.0刀的切割刀数。
6.如权利要求1所述的手持式圆锯，其特征在于，经信号处理单元处理后输出驱动信号给所述驱动电路，使得所述无刷电机带动所述锯片达每瓦时至少1.0刀~1.2刀的切割刀数。
7.如权利要求1所述的手持式圆锯，其特征在于，经信号处理单元处理后输出驱动信号给所述驱动电路，使得所述无刷电机带动所述锯片达每瓦时至少1.2刀~1.4刀的切割刀数。
8.如权利要求1所述的手持式圆锯，其特征在于，经信号处理单元处理后输出驱动信号给所述驱动电路，使得所述无刷电机带动所述锯片达每瓦时至少1.4刀~1.6刀的切割刀数。
9.一种圆锯，包括：
无刷电机，所述无刷电机包括定子和转子；
电机轴，所述电机轴由所述无刷电机的转子驱动；
锯片轴，所述锯片轴用于支持锯片以对工件进行切割作业；
传动装置，所述传动装置用于连接所述电机轴至所述锯片轴；
驱动电路，所述驱动电路用于输出驱动信号以控制所述无刷电机的转子运转；
控制单元，用于根据所述驱动电路产生的驱动信号驱动所述无刷电机；
电源，为所述无刷电机、驱动电路、控制单元供电；
其特征在于，所述控制单元包括信号处理单元，所述信号处理单元设置成采集无刷电机母线和/或相电流，经信号处理单元处理后输出驱动信号给所述驱动电路，驱动电路控制所述无刷电机输出正弦电流，使得所述无刷电机带动所述锯片达每瓦时至少0.9刀的切割刀数。
10.如权利要求9所述的圆锯，其特征在于，所述传动装置包括相互啮合的蜗轮和蜗杆。
11.如权利要求9所述的圆锯，其特征在于，还包括二极管D1，用于将无刷电机上电流通过二极管D1回馈至电源。
12.如权利要求9所述的圆锯，其特征在于，还包括二极管D1和开关装置；
所述开关装置连接在所述驱动电路与所述电源之间，用于响应用户对所述圆锯的操作，产生开关信号；
所述二极管D1与所述开关装置并联，在所述开关装置处于断开状态时导通，所述二极管D1导通时将所述无刷电机输出的正弦电流由所述驱动电路回馈至所述电源。
13.如权利要求9所述的圆锯，其特征在于，经信号处理单元处理后输出驱动信号给所述驱动电路，使得所述无刷电机带动所述锯片达每瓦时至少0.9刀~1.0刀的切割刀数。
14.如权利要求9所述的圆锯，其特征在于，经信号处理单元处理后输出驱动信号给所述驱动电路，使得所述无刷电机带动所述锯片达每瓦时至少1.0刀~1.2刀的切割刀数。
15.如权利要求9所述的圆锯，其特征在于，经信号处理单元处理后输出驱动信号给所述驱动电路，使得所述无刷电机带动所述锯片达每瓦时至少1.2刀~1.4刀的切割刀数。
16.如权利要求9所述的圆锯，其特征在于，经信号处理单元处理后输出驱动信号给所述驱动电路，使得所述无刷电机带动所述锯片达每瓦时至少1.4刀~1.6刀的切割刀数。
17.一种手持式圆锯，包括：
电机，所述电机包括定子和转子；以及
传动装置，所述传动装置可操作地与所述转子联接，驱动所述手持式圆锯的锯片以对工件进行切割作业；
驱动电路，所述驱动电路用于输出驱动信号以控制所述电机的转子运转；
控制单元，用于根据所述驱动电路产生的驱动信号驱动所述电机；
其特征在于，所述控制单元包括信号处理单元，所述信号处理单元设置成采集电机母线和/或相电流，经信号处理单元处理后输出驱动信号给所述驱动电路，驱动电路控制所述电机输出正弦电流，使得所述电机带动所述锯片达每瓦时至少0.9刀的切割刀数。
18.如权利要求17所述的手持式圆锯，其特征在于，所述手持式圆锯还包括反馈电路，所述反馈电路用于将电机上电流回馈至所述的手持式圆锯的电源。
19.如权利要求17所述的手持式圆锯，其特征在于，所述手持式圆锯还包括二极管D1，用于将电机上电流通过二极管D1回馈至所述的手持式圆锯的电源。
20.如权利要求17所述的手持式圆锯，其特征在于，所述手持式圆锯还包括单向导电元件；所述单向导电元件导通时将电机输出的电流由所述单向导电元件回馈至所述的手持式圆锯的电源。
21.如权利要求17所述的手持式圆锯，其特征在于，所述传动装置包括相互啮合的蜗轮和蜗杆。
22.如权利要求17所述的手持式圆锯，其特征在于，经信号处理单元处理后输出驱动信号给所述驱动电路，使得所述电机带动所述锯片达每瓦时至少0.9刀~1.0刀的切割刀数。
23.如权利要求17所述的手持式圆锯，其特征在于，经信号处理单元处理后输出驱动信号给所述驱动电路，使得所述电机带动所述锯片达每瓦时至少1.0刀~1.2刀的切割刀数。
24.如权利要求17所述的手持式圆锯，其特征在于，经信号处理单元处理后输出驱动信号给所述驱动电路，使得所述电机带动所述锯片达每瓦时至少1.2刀~1.4刀的切割刀数。
25.如权利要求17所述的手持式圆锯，其特征在于，经信号处理单元处理后输出驱动信号给所述驱动电路，使得所述电机带动所述锯片达每瓦时至少1.4刀~1.6刀的切割刀数。
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