電動工具的負載保護電路及方法
2023-10-04 18:15:54 2
專利名稱：電動工具的負載保護電路及方法
技術領域：
本發明涉及控制電路技術領域，具體涉及一種電動工具的負載保護電路及方法。
背景技術：
傳統的用於電動工具的負載保護電路往往採用電流檢測手段來檢測負載是否短路，當電流達到或者超過設定值時觸發保護，關閉負載控制器件，此方案有如下幾點缺陷
I、無法用於帶調速功能的電動工具的短路檢測，比如馬達，輸入PWM信號時，當PWM信號為高電平時，觸發保護，但PWM信號低電平時，又會解除保護，而負載驅動器件不能完全關閉；
2、在低溫下短路保護功能容易失效，導致帶調速功能的電動工具可靠性降低，假設負載是馬達，由於馬達特性，馬達啟動和堵轉時電流非常大，為了避免在堵轉、啟動時觸發短路保護，往往會把短路保護閥值設置很大，這樣如果環境溫度降低，迴路電阻增加，短路電流降低，則最終導致短路保護功能失效；
3、在整機堵轉、啟動時，短路保護容易誤動作，導致帶調速功能的電動工具的性能、手感下降，和第二條相反，為了使短路保護功能可靠，保護電流閥值設置較小，如果環境溫度升高，迴路電阻降低，則啟動、堵轉電流變大，最終導致堵轉、啟動時觸發短路保護，整機性能下降，通用性差，靈活性低，許多工具會配數款馬達，數款電池，如果數款馬達、電池內阻差異較大，則導致此類電路參數配置困難，甚至無法通用、兼容。上述問題是電流檢測型短路保護電路的通病，主要是由於鋰電池內阻會隨著溫度的變化而改變，使電路電流隨著工作環境溫度變化而改變，如果系統在正常工作環境溫度內，高溫環境下的堵轉電流和低溫環境下的短路電流相等或者超過，則此問題無法通過調節電路參數解決。
發明內容
為了解決現有技術中採用傳統的電流檢測來判斷負載是否短路的方案，引起的無法用於帶調速功能的電動工具的短路檢測，在高、低溫下短路保護功能不可靠，不能兼容多款馬達、電池包的問題。本發明採用電壓檢測來判斷負載是否短路，在電動工具在配多款馬達、電池包的情況下，在正常工作環境溫度變換時均能可靠保護工具。為了解決上述技術問題，本發明所採用的技術方案是
一種電動工具的負載保護電路，包括供電電源、負載和和負載控制器件，所述供電電源的正極與負載的正向電源輸入端相連接，所述供電電源的負極通過負載控制器件與負載反向電源輸入端相連接，其特徵在於還包括負載電壓檢測電路，所述負載電壓檢測電路的輸入端與負載兩端相連接，所述負載電壓檢測電路的輸出端與負載控制器件的控制輸入端相連接。前述的電動工具的負載保護電路，其特徵在於所述負載控制器件為半導體控制器件。前述的電動工具的負載保護電路，其特徵在於所述負載控制器件為MOS管。前述的電動工具的負載保護電路，其特徵在於，所述負載電壓檢測電路，包括
用於連接PWM波的PWM輸入接口、
發射極與所述負載的正向電源輸入端相連接的第一三極體、
負極與所述負載的反向電源輸入端相連接的第一二極體、
基極與所述第一三極體的集電極相連接的第三三極體、
與所述第三三極體的集電極相連接的高電平、
基極與所述第三三極體的集電極相連接的第五三極體、
正極與所述負載的反向電源輸入端相連接的第二二極體、
集電極與所述第五三極體的基極相連接的第二三極體、
負極與所述第五三極體的集電極相連接的第三二極體，
所述PWM輸入接口通過第十一電阻與負載控制器件的控制輸入端相連接，所述第一二極體的正極與第一三極體的發射極相連接，所述第二二極體的負極與負載控制器件的控制輸入端相連接，所述第二三極體的發射極與高電平相連接，所述第三二極體的正極作為負載電壓檢測電路的輸出端與負載控制器件的控制輸入端相連接。前述的電動工具的負載保護電路，其特徵在於所述各三極體的基極和發射極之間均設有偏置電阻，所述各三極體的基極均設有限流電阻。前述的電動工具的負載保護電路，其特徵在於所述第三三極體的基極還通過第八電阻與供電電源的負極相連接，所述第五三極體的基極還通過第十電阻與供電電源的負極相連接，所述高電平還通過第一電容與供電電源的負極相連接。電動工具的負載保護方法，其特徵在於在所述電動工具的負載保護電路上進行電動工具的負載保護方法，包括以下步驟
步驟(I)、使用負載電壓檢測電路檢測負載兩端電壓或檢測與負載兩端電壓相關聯的電壓值；
步驟(2)、分析檢測負載兩端電壓值，在負載控制器件導通時，若該電壓降低到某一個閥值則判斷為負載短路，負載電壓檢測電路關閉負載控制器件，保護整個電路及供電電源。本發明的有益效果是
1、本發明的電動工具的負載保護電路採用電壓檢測來判斷負載是否短路，能夠使帶調速功能的電動工具實現安全可靠的短路保護，提高電動工具的可靠性，同時短路保護功能也能夠提高電動工具所使用電池的安全性；
2、本發明的電動工具的負載保護電路的電動工具較傳統保護方案相比，在環境溫度變化時，短路保護功能不會失效，也不會誤動作，即負載短路後能夠始終保持關斷負載控制器件，保護馬達提高電動工具的可靠性；
3、使用本發明的電動工具的負載保護電路的電動工具能夠兼容多種負載，比如更多款電池包、更多款的馬達，在電動工具所配電池包型號、馬達型號發生變化時，短路保護功能不會失效，也不會誤動作，即負載短路後能夠始終保持關斷負載控制器件，提高電動工具的可靠性。
圖I是本發明的電動工具的負載保護電路的原理圖。圖2是本發明的電動工具的負載保護電路的簡化示意圖。附圖標記含義如下
mosg =MOS管的柵極；M1 :馬達；Q1 :第一三極體；Q2 :第二三極體；Q3 :第三三極體；Q4 =MOS管；Q5 :第五三極體；U1 :供電電源；5V :高電平；Rl-Rll :各電阻；C1 :第一電容；Dl :第一二極體；D2 :第二二極體；D3 :第三二極體；M+ :馬達的正向電源輸入端；M-:馬達的負向電源輸入端。
具體實施例方式下面將結合說明書附圖，對本發明作進一步的說明。本發明的電動工具的負載保護電路採用電壓檢測來判斷負載是否短路，能夠使帶調速功能的電動工具實現安全可靠的短路保護，在環境溫度變化時，短路保護功能不會失效，也不會誤動作，能夠始終保持關斷負載控制器件，還能夠兼容更多款電池包、更多款的馬達，在電動工具所配電池包型號、馬達型號發生變化時，能夠始終保持關斷負載控制器件，電路設計簡單、容易實現，並有效的提高了電動工具的可靠性，如圖I所示，本發明的電動工具的負載保護電路，包括供電電源U1、負載(這樣負載為設置在電動工具中的馬達Ml)、負載控制器件，負載控制器件一般為半導體控制器件(這裡選用MOS管Q4來控制負載即馬達Ml)和負載電壓檢測電路，負載電壓檢測電路的輸入端與負載兩端相連接，負載電壓檢測電路的輸出端與MOS管的柵極(即mo Sg )相連接，其中供電電源Ul為電動工具中的電池包，馬達Ml能夠實現電動工具的調速功能，供電電源Ul的正極與馬達Ml的正向電源輸入端M+相連接，供電電源Ul的負極通過MOS管Q4與馬達Ml的反向電源輸入端M-相連接，Q4的源極與Ul的負極連接，Q4的漏極與馬達Ml的反向電源輸入端M-連接。負載電壓檢測電路包括用於連接PWM波的PWM輸入接口、第一三極體Ql、第一二極體D1、第三三極體Q3、高電平、第五三極體Q5、第二二極體D2、第二三極體Q2、第三二極體D3，PWM輸入接口通過第i^一電阻Rl I與Q4的柵極相連接，馬達Ml的正向電源輸入端M+還與第一三極體Ql的發射極相連接，馬達Ml的反向電源輸入端M-還與第一二極體Dl的負極相連接，Dl的正極與Ql的發射極相連接，Ql的集電極通過第一電阻Rl與第三三極體Q3的基極相連接，Q3的集電極分別與高電平(這裡的為5V電壓)、第五三極體Q5的基極、第二二極體D2的正極相連接，5V高電平通過第一電容Cl與供電電源Ul的負極相連接，第一電容Cl用於充放電，實現Q5的導通或者截止，D2的負極也與Q4的柵極相連接，Q5的基極還通過第四電阻R4與第二三極體Q2的集電極相連接，Q5的集電極通過第七電阻R7與Q2的基極相連接，Q2的發射極與5V高電平相連接，Q5的集電極還與第三二極體D3的負極相連接，D3的正極作為負載電壓檢測電路的輸出端與Q4的柵極相連接，這裡的三極體Q1、Q2、Q3和Q5可選用為PNP型三極體，也可選用為NPN型三極體，二極體D1-D3的作用為反嚮導通，能夠有效的在電路中電流瞬間過大的情況下，防止各三極體的擊穿。所述多個三極體的基極和發射極之間均設有偏置電阻，基極均設有限流電阻，其中Ql的偏置電阻為第二電阻R2，限流電阻為第五電阻R5 ;Q2的偏置電阻為第三電阻R3，限 流電阻為第七電阻R7 ;Q3的偏置電阻為第八電阻R8，限流電阻為第一電阻Rl ;Q5的偏置電阻為第十電阻R10，限流電阻為第九電阻R9，偏置電阻用來調節基極偏置電流，使三極體有一個適合的工作點，限流電阻目的是為了限制所在迴路的電流，保證集電結反偏。在本發明的電動工具的負載保護電路上進行電動工具的負載保護方法，包括以下步驟
第一步、使用負載電壓檢測電路檢測負載兩端電壓或檢測與負載兩端電壓相關聯的電壓值；
第二步、分析檢測負載兩端電壓值，在負載控制器件導通時，若該電壓降低到某一閥值則判斷為負載短路，負載檢測電路將關閉負載控制器件，保護整個電路及供電電源，即控制MOS管Q4截至，馬達Ml關閉，從而保護馬達Ml。其中第一步是通過設置在負載電壓檢測電路中的PWM輸入接口來檢測負載兩端電壓，具體檢測和分析負載兩端電壓值的過程如下
從PWM輸入接口輸入的PWM波形為MOS管Q4的驅動信號，當PWM為高電平時，Q4導通，馬達轉動，當PWM為低電平時，Q4截至，馬達Ml關閉。當電動工具中的馬達Ml正常工作，即負載正常工作時
PWM波形為高電平，MOS管Q4導通，驅動馬達Ml兩端正反向電壓輸入端M+和M-之間壓差Um很大，這樣Ql、Q3導通，第一電容Cl不會被充電，Q5保持截至狀態，負載正常工作。PWM波形為低電平，MOS管Q4截至，驅動馬達Ml兩端正反向電壓輸入端M+和M-之間壓差Um為0，Ql、Q3截至，但此時MOS管Q4的柵極電平為低，第一電容Cl依然不會被充電，Q5依然保持截至狀態，負載正常工作。當電動工具中的馬達Ml工作異常，即負載短路時
PWM波形為高電平，MOS管Q4導通，由於負載短路，驅動馬達Ml兩端正反向電壓輸入端M+和M-之間壓差Um很小，不足以使Q1、Q3導通，第一電容Cl充電，第一電容Cl的電壓開始升高直到Q5導通，於是拉低MOS管Q4驅動電壓，負載被保護。PWM波形為低電平，MOS管Q4的柵極電源為低，雖然第一電容的Cl的電壓被拉低，但由於之前Q5導通時，Q2被導通,之後Q5的導通由Q2保持,和第一電容Cl的電壓無關，由於Q5保持導通所以Q4始終保持截止狀態，負載被保護。整個工作過程，由Q2和Q5構成一個互鎖電路，解決了傳統方案不能用於帶調速功能的電動工具的問題。如圖2所示的本發明的簡化示意圖，其中電阻R12表示本發明電壓檢測兩端阻抗和傳統方案電流檢測兩端阻抗，R13表示系統其他阻抗，包括電池包的內阻，馬達內阻等，其阻值隨溫度變化、電池型號變化、馬達型號變化而改變。依照測試經驗假設短路時R12=10m Q (毫歐姆)；堵轉時R12=100m Q。傳統方案為電流檢測方案，可以看出如果R13受溫度影響，堵轉時阻抗比短路時低90mQ，那麼堵轉和短路時系統電流一樣，這樣傳統方案即會在堵轉時出現誤判斷，進行短路保護。本發明為電壓檢測方案，只有R13在堵轉時阻抗是短路時阻抗的10倍，才會出現R12上電壓在堵轉和短路時一樣，而10倍的變化是極難出現的，從而實現在環境溫度變化、電池包和馬達型號更換時，短路保護功能不會失效，也不會誤動作，即負載短路後能夠始終保持關斷負載控制器件，保護設置在電動工具中的馬達，提高電動工具的可靠性。
以上顯示和描述了本發明的基本原理、主要特徵及優點。本行業的技術人員應該了解，本發明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發明的原理 ，在不脫離本發明精神和範圍的前提下，本發明還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本發明範圍內。本發明要求保護範圍由所附的權利要求書及其等效為界。
權利要求
1.電動工具的負載保護電路，包括供電電源、負載和和負載控制器件，所述供電電源的正極與負載的正向電源輸入端相連接，所述供電電源的負極通過負載控制器件與負載反向電源輸入端相連接，其特徵在於還包括負載電壓檢測電路，所述負載電壓檢測電路的輸入端與負載兩端相連接，所述負載電壓檢測電路的輸出端與負載控制器件的控制輸入端相連接。
2.根據權利要求I所述的電動工具的負載保護電路，其特徵在於所述負載控制器件為半導體控制器件。
3.根據權利要求2所述的電動工具的負載保護電路，其特徵在於所述負載控制器件為MOS管。
4.根據權利要求I至3中任一項所述的電動工具的負載保護電路，其特徵在於，所述負載電壓檢測電路，包括 用於連接PWM波的PWM輸入接口、 發射極與所述負載的正向電源輸入端相連接的第一三極體、 負極與所述負載的反向電源輸入端相連接的第一二極體、 基極與所述第一三極體的集電極相連接的第三三極體、 與所述第三三極體的集電極相連接的高電平、 基極與所述第三三極體的集電極相連接的第五三極體、 正極與所述負載的反向電源輸入端相連接的第二二極體、 集電極與所述第五三極體的基極相連接的第二三極體、 負極與所述第五三極體的集電極相連接的第三二極體， 所述PWM輸入接口通過第十一電阻與負載控制器件的控制輸入端相連接，所述第一二極體的正極與第一三極體的發射極相連接，所述第二二極體的負極與負載控制器件的控制輸入端相連接，所述第二三極體的發射極與高電平相連接，所述第三二極體的正極作為負載電壓檢測電路的輸出端與負載控制器件的控制輸入端相連接。
5.根據權利要求4所述的電動工具的負載保護電路，其特徵在於所述各三極體的基極和發射極之間均設有偏置電阻，所述各三極體的基極均設有限流電阻。
6.根據權利要求4所述的電動工具的負載保護電路，其特徵在於所述第三三極體的基極還通過第八電阻與供電電源的負極相連接，所述第五三極體的基極還通過第十電阻與供電電源的負極相連接，所述高電平還通過第一電容與供電電源的負極相連接。
7.電動工具的負載保護方法，其特徵在於在所述電動工具的負載保護電路上進行電動工具的負載保護方法，包括以下步驟 步驟(I)、使用負載電壓檢測電路檢測負載兩端電壓或檢測與負載兩端電壓相關聯的電壓值； 步驟(2)、分析檢測負載兩端電壓值，在負載控制器件導通時，若該電壓降低到某一個閥值則判斷為負載短路，負載電壓檢測電路關閉負載控制器件，保護整個電路及供電電源。
全文摘要
本發明公開了一種電動工具的負載保護電路及方法，負載保護電路包括供電電源、負載、負載控制器件和負載電壓檢測電路，供電電源的正極與負載的正向電源輸入端相連接，供電電源的負極通過負載控制器件與負載反向電源輸入端相連接，負載電壓檢測電路的輸入端與負載兩端相連接，負載電壓檢測電路的輸出端與負載控制器件的控制輸入端相連接，本發明使用負載電壓檢測電路檢測負載兩端電壓能夠始終保持關斷負載控制器件，使帶調速功能的電動工具實現安全可靠的短路保護，設計簡單、容易實現，並有效的提高了電動工具的可靠性，具有良好的應用前景。
文檔編號H02H3/08GK102723693SQ201210173409
公開日2012年10月10日 申請日期2012年5月31日 優先權日2012年5月31日
發明者王槐樹, 閔國洪 申請人:南京德朔實業有限公司