專利名稱：電動(dòng)工具的負(fù)載保護(hù)電路及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及控制電路技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種電動(dòng)工具的負(fù)載保護(hù)電路及方法。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的用于電動(dòng)工具的負(fù)載保護(hù)電路往往采用電流檢測手段來檢測負(fù)載是否短路，當(dāng)電流達(dá)到或者超過設(shè)定值時(shí)觸發(fā)保護(hù)，關(guān)閉負(fù)載控制器件，此方案有如下幾點(diǎn)缺陷
I、無法用于帶調(diào)速功能的電動(dòng)工具的短路檢測，比如馬達(dá)，輸入PWM信號時(shí)，當(dāng)PWM信號為高電平時(shí)，觸發(fā)保護(hù)，但PWM信號低電平時(shí)，又會(huì)解除保護(hù)，而負(fù)載驅(qū)動(dòng)器件不能完全關(guān)閉；
2、在低溫下短路保護(hù)功能容易失效，導(dǎo)致帶調(diào)速功能的電動(dòng)工具可靠性降低，假設(shè)負(fù)載是馬達(dá)，由于馬達(dá)特性，馬達(dá)啟動(dòng)和堵轉(zhuǎn)時(shí)電流非常大，為了避免在堵轉(zhuǎn)、啟動(dòng)時(shí)觸發(fā)短路保護(hù)，往往會(huì)把短路保護(hù)閥值設(shè)置很大，這樣如果環(huán)境溫度降低，回路電阻增加，短路電流降低，則最終導(dǎo)致短路保護(hù)功能失效；
3、在整機(jī)堵轉(zhuǎn)、啟動(dòng)時(shí)，短路保護(hù)容易誤動(dòng)作，導(dǎo)致帶調(diào)速功能的電動(dòng)工具的性能、手感下降，和第二條相反，為了使短路保護(hù)功能可靠，保護(hù)電流閥值設(shè)置較小，如果環(huán)境溫度升高，回路電阻降低，則啟動(dòng)、堵轉(zhuǎn)電流變大，最終導(dǎo)致堵轉(zhuǎn)、啟動(dòng)時(shí)觸發(fā)短路保護(hù)，整機(jī)性能下降，通用性差，靈活性低，許多工具會(huì)配數(shù)款馬達(dá)，數(shù)款電池，如果數(shù)款馬達(dá)、電池內(nèi)阻差異較大，則導(dǎo)致此類電路參數(shù)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(hù)電路的通病，主要是由于鋰電池內(nèi)阻會(huì)隨著溫度的變化而改變，使電路電流隨著工作環(huán)境溫度變化而改變，如果系統(tǒng)在正常工作環(huán)境溫度內(nèi)，高溫環(huán)境下的堵轉(zhuǎn)電流和低溫環(huán)境下的短路電流相等或者超過，則此問題無法通過調(diào)節(jié)電路參數(shù)解決。
發(fā)明內(nèi)容
為了解決現(xiàn)有技術(shù)中采用傳統(tǒng)的電流檢測來判斷負(fù)載是否短路的方案，引起的無法用于帶調(diào)速功能的電動(dòng)工具的短路檢測，在高、低溫下短路保護(hù)功能不可靠，不能兼容多款馬達(dá)、電池包的問題。本發(fā)明采用電壓檢測來判斷負(fù)載是否短路，在電動(dòng)工具在配多款馬達(dá)、電池包的情況下，在正常工作環(huán)境溫度變換時(shí)均能可靠保護(hù)工具。為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是
一種電動(dòng)工具的負(fù)載保護(hù)電路，包括供電電源、負(fù)載和和負(fù)載控制器件，所述供電電源的正極與負(fù)載的正向電源輸入端相連接，所述供電電源的負(fù)極通過負(fù)載控制器件與負(fù)載反向電源輸入端相連接，其特征在于還包括負(fù)載電壓檢測電路，所述負(fù)載電壓檢測電路的輸入端與負(fù)載兩端相連接，所述負(fù)載電壓檢測電路的輸出端與負(fù)載控制器件的控制輸入端相連接。前述的電動(dòng)工具的負(fù)載保護(hù)電路，其特征在于所述負(fù)載控制器件為半導(dǎo)體控制器件。前述的電動(dòng)工具的負(fù)載保護(hù)電路，其特征在于所述負(fù)載控制器件為MOS管。前述的電動(dòng)工具的負(fù)載保護(hù)電路，其特征在于，所述負(fù)載電壓檢測電路，包括
用于連接PWM波的PWM輸入接口、
發(fā)射極與所述負(fù)載的正向電源輸入端相連接的第一三極管、
負(fù)極與所述負(fù)載的反向電源輸入端相連接的第一二極管、
基極與所述第一三極管的集電極相連接的第三三極管、
與所述第三三極管的集電極相連接的高電平、
基極與所述第三三極管的集電極相連接的第五三極管、
正極與所述負(fù)載的反向電源輸入端相連接的第二二極管、
集電極與所述第五三極管的基極相連接的第二三極管、
負(fù)極與所述第五三極管的集電極相連接的第三二極管，
所述PWM輸入接口通過第十一電阻與負(fù)載控制器件的控制輸入端相連接，所述第一二極管的正極與第一三極管的發(fā)射極相連接，所述第二二極管的負(fù)極與負(fù)載控制器件的控制輸入端相連接，所述第二三極管的發(fā)射極與高電平相連接，所述第三二極管的正極作為負(fù)載電壓檢測電路的輸出端與負(fù)載控制器件的控制輸入端相連接。前述的電動(dòng)工具的負(fù)載保護(hù)電路，其特征在于所述各三極管的基極和發(fā)射極之間均設(shè)有偏置電阻，所述各三極管的基極均設(shè)有限流電阻。前述的電動(dòng)工具的負(fù)載保護(hù)電路，其特征在于所述第三三極管的基極還通過第八電阻與供電電源的負(fù)極相連接，所述第五三極管的基極還通過第十電阻與供電電源的負(fù)極相連接，所述高電平還通過第一電容與供電電源的負(fù)極相連接。電動(dòng)工具的負(fù)載保護(hù)方法，其特征在于在所述電動(dòng)工具的負(fù)載保護(hù)電路上進(jìn)行電動(dòng)工具的負(fù)載保護(hù)方法，包括以下步驟
步驟(I)、使用負(fù)載電壓檢測電路檢測負(fù)載兩端電壓或檢測與負(fù)載兩端電壓相關(guān)聯(lián)的電壓值；
步驟(2)、分析檢測負(fù)載兩端電壓值，在負(fù)載控制器件導(dǎo)通時(shí)，若該電壓降低到某一個(gè)閥值則判斷為負(fù)載短路，負(fù)載電壓檢測電路關(guān)閉負(fù)載控制器件，保護(hù)整個(gè)電路及供電電源。本發(fā)明的有益效果是
1、本發(fā)明的電動(dòng)工具的負(fù)載保護(hù)電路采用電壓檢測來判斷負(fù)載是否短路，能夠使帶調(diào)速功能的電動(dòng)工具實(shí)現(xiàn)安全可靠的短路保護(hù)，提高電動(dòng)工具的可靠性，同時(shí)短路保護(hù)功能也能夠提高電動(dòng)工具所使用電池的安全性；
2、本發(fā)明的電動(dòng)工具的負(fù)載保護(hù)電路的電動(dòng)工具較傳統(tǒng)保護(hù)方案相比，在環(huán)境溫度變化時(shí)，短路保護(hù)功能不會(huì)失效，也不會(huì)誤動(dòng)作，即負(fù)載短路后能夠始終保持關(guān)斷負(fù)載控制器件，保護(hù)馬達(dá)提高電動(dòng)工具的可靠性；
3、使用本發(fā)明的電動(dòng)工具的負(fù)載保護(hù)電路的電動(dòng)工具能夠兼容多種負(fù)載，比如更多款電池包、更多款的馬達(dá)，在電動(dòng)工具所配電池包型號、馬達(dá)型號發(fā)生變化時(shí)，短路保護(hù)功能不會(huì)失效，也不會(huì)誤動(dòng)作，即負(fù)載短路后能夠始終保持關(guān)斷負(fù)載控制器件，提高電動(dòng)工具的可靠性。
圖I是本發(fā)明的電動(dòng)工具的負(fù)載保護(hù)電路的原理圖。圖2是本發(fā)明的電動(dòng)工具的負(fù)載保護(hù)電路的簡化示意圖。附圖標(biāo)記含義如下
mosg =MOS管的柵極；M1 :馬達(dá)；Q1 :第一三極管；Q2 :第二三極管；Q3 :第三三極管；Q4 =MOS管；Q5 :第五三極管；U1 :供電電源；5V :高電平；Rl-Rll :各電阻；C1 :第一電容；Dl :第一二極管；D2 :第二二極管；D3 :第三二極管；M+ :馬達(dá)的正向電源輸入端；M-:馬達(dá)的負(fù)向電源輸入端。
具體實(shí)施例方式下面將結(jié)合說明書附圖，對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。本發(fā)明的電動(dòng)工具的負(fù)載保護(hù)電路采用電壓檢測來判斷負(fù)載是否短路，能夠使帶調(diào)速功能的電動(dòng)工具實(shí)現(xiàn)安全可靠的短路保護(hù)，在環(huán)境溫度變化時(shí)，短路保護(hù)功能不會(huì)失效，也不會(huì)誤動(dòng)作，能夠始終保持關(guān)斷負(fù)載控制器件，還能夠兼容更多款電池包、更多款的馬達(dá)，在電動(dòng)工具所配電池包型號、馬達(dá)型號發(fā)生變化時(shí)，能夠始終保持關(guān)斷負(fù)載控制器件，電路設(shè)計(jì)簡單、容易實(shí)現(xiàn)，并有效的提高了電動(dòng)工具的可靠性，如圖I所示，本發(fā)明的電動(dòng)工具的負(fù)載保護(hù)電路，包括供電電源U1、負(fù)載(這樣負(fù)載為設(shè)置在電動(dòng)工具中的馬達(dá)Ml)、負(fù)載控制器件，負(fù)載控制器件一般為半導(dǎo)體控制器件(這里選用MOS管Q4來控制負(fù)載即馬達(dá)Ml)和負(fù)載電壓檢測電路，負(fù)載電壓檢測電路的輸入端與負(fù)載兩端相連接，負(fù)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(dòng)工具中的電池包，馬達(dá)Ml能夠?qū)崿F(xiàn)電動(dòng)工具的調(diào)速功能，供電電源Ul的正極與馬達(dá)Ml的正向電源輸入端M+相連接，供電電源Ul的負(fù)極通過MOS管Q4與馬達(dá)Ml的反向電源輸入端M-相連接，Q4的源極與Ul的負(fù)極連接，Q4的漏極與馬達(dá)Ml的反向電源輸入端M-連接。負(fù)載電壓檢測電路包括用于連接PWM波的PWM輸入接口、第一三極管Ql、第一二極管D1、第三三極管Q3、高電平、第五三極管Q5、第二二極管D2、第二三極管Q2、第三二極管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(dá)Ml的正向電源輸入端M+還與第一三極管Ql的發(fā)射極相連接，馬達(dá)Ml的反向電源輸入端M-還與第一二極管Dl的負(fù)極相連接，Dl的正極與Ql的發(fā)射極相連接，Ql的集電極通過第一電阻Rl與第三三極管Q3的基極相連接，Q3的集電極分別與高電平(這里的為5V電壓)、第五三極管Q5的基極、第二二極管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(fù)極相連接，第一電容Cl用于充放電，實(shí)現(xiàn)Q5的導(dǎo)通或者截止，D2的負(fù)極也與Q4的柵極相連接，Q5的基極還通過第四電阻R4與第二三極管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(fā)射極與5V高電平相連接，Q5的集電極還與第三二極管D3的負(fù)極相連接，D3的正極作為負(fù)載電壓檢測電路的輸出端與Q4的柵極相連接，這里的三極管Q1、Q2、Q3和Q5可選用為PNP型三極管，也可選用為NPN型三極管，二極管D1-D3的作用為反向?qū)?，能夠有效的在電路中電流瞬間過大的情況下，防止各三極管的擊穿。所述多個(gè)三極管的基極和發(fā)射極之間均設(shè)有偏置電阻，基極均設(shè)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(diào)節(jié)基極偏置電流，使三極管有一個(gè)適合的工作點(diǎn)，限流電阻目的是為了限制所在回路的電流，保證集電結(jié)反偏。在本發(fā)明的電動(dòng)工具的負(fù)載保護(hù)電路上進(jìn)行電動(dòng)工具的負(fù)載保護(hù)方法，包括以下步驟
第一步、使用負(fù)載電壓檢測電路檢測負(fù)載兩端電壓或檢測與負(fù)載兩端電壓相關(guān)聯(lián)的電壓值；
第二步、分析檢測負(fù)載兩端電壓值，在負(fù)載控制器件導(dǎo)通時(shí)，若該電壓降低到某一閥值則判斷為負(fù)載短路，負(fù)載檢測電路將關(guān)閉負(fù)載控制器件，保護(hù)整個(gè)電路及供電電源，即控制MOS管Q4截至，馬達(dá)Ml關(guān)閉，從而保護(hù)馬達(dá)Ml。其中第一步是通過設(shè)置在負(fù)載電壓檢測電路中的PWM輸入接口來檢測負(fù)載兩端電壓，具體檢測和分析負(fù)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(qū)動(dòng)信號，當(dāng)PWM為高電平時(shí)，Q4導(dǎo)通，馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)PWM為低電平時(shí)，Q4截至，馬達(dá)Ml關(guān)閉。當(dāng)電動(dòng)工具中的馬達(dá)Ml正常工作，即負(fù)載正常工作時(shí)
PWM波形為高電平，MOS管Q4導(dǎo)通，驅(qū)動(dòng)馬達(dá)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(dǎo)通，第一電容Cl不會(huì)被充電，Q5保持截至狀態(tài)，負(fù)載正常工作。PWM波形為低電平，MOS管Q4截至，驅(qū)動(dòng)馬達(dá)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(shí)MOS管Q4的柵極電平為低，第一電容Cl依然不會(huì)被充電，Q5依然保持截至狀態(tài)，負(fù)載正常工作。當(dāng)電動(dòng)工具中的馬達(dá)Ml工作異常，即負(fù)載短路時(shí)
PWM波形為高電平，MOS管Q4導(dǎo)通，由于負(fù)載短路，驅(qū)動(dòng)馬達(dá)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(dǎo)通，第一電容Cl充電，第一電容Cl的電壓開始升高直到Q5導(dǎo)通，于是拉低MOS管Q4驅(qū)動(dòng)電壓，負(fù)載被保護(hù)。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，但由于之前Q5導(dǎo)通時(shí)，Q2被導(dǎo)通,之后Q5的導(dǎo)通由Q2保持,和第一電容Cl的電壓無關(guān)，由于Q5保持導(dǎo)通所以Q4始終保持截止?fàn)顟B(tài)，負(fù)載被保護(hù)。整個(gè)工作過程，由Q2和Q5構(gòu)成一個(gè)互鎖電路，解決了傳統(tǒng)方案不能用于帶調(diào)速功能的電動(dòng)工具的問題。如圖2所示的本發(fā)明的簡化示意圖，其中電阻R12表示本發(fā)明電壓檢測兩端阻抗和傳統(tǒng)方案電流檢測兩端阻抗，R13表示系統(tǒng)其他阻抗，包括電池包的內(nèi)阻，馬達(dá)內(nèi)阻等，其阻值隨溫度變化、電池型號變化、馬達(dá)型號變化而改變。依照測試經(jīng)驗(yàn)假設(shè)短路時(shí)R12=10m Q (毫歐姆)；堵轉(zhuǎn)時(shí)R12=100m Q。傳統(tǒng)方案為電流檢測方案，可以看出如果R13受溫度影響，堵轉(zhuǎn)時(shí)阻抗比短路時(shí)低90mQ，那么堵轉(zhuǎn)和短路時(shí)系統(tǒng)電流一樣，這樣傳統(tǒng)方案即會(huì)在堵轉(zhuǎn)時(shí)出現(xiàn)誤判斷，進(jìn)行短路保護(hù)。本發(fā)明為電壓檢測方案，只有R13在堵轉(zhuǎn)時(shí)阻抗是短路時(shí)阻抗的10倍，才會(huì)出現(xiàn)R12上電壓在堵轉(zhuǎn)和短路時(shí)一樣，而10倍的變化是極難出現(xiàn)的，從而實(shí)現(xiàn)在環(huán)境溫度變化、電池包和馬達(dá)型號更換時(shí)，短路保護(hù)功能不會(huì)失效，也不會(huì)誤動(dòng)作，即負(fù)載短路后能夠始終保持關(guān)斷負(fù)載控制器件，保護(hù)設(shè)置在電動(dòng)工具中的馬達(dá)，提高電動(dòng)工具的可靠性。
以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理、主要特征及優(yōu)點(diǎn)。本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本發(fā)明不受上述實(shí)施例的限制，上述實(shí)施例和說明書中描述的只是說明本發(fā)明的原理 ，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下，本發(fā)明還會(huì)有各種變化和改進(jìn)，這些變化和改進(jìn)都落入要求保護(hù)的本發(fā)明范圍內(nèi)。本發(fā)明要求保護(hù)范圍由所附的權(quán)利要求書及其等效為界。
權(quán)利要求
1.電動(dòng)工具的負(fù)載保護(hù)電路，包括供電電源、負(fù)載和和負(fù)載控制器件，所述供電電源的正極與負(fù)載的正向電源輸入端相連接，所述供電電源的負(fù)極通過負(fù)載控制器件與負(fù)載反向電源輸入端相連接，其特征在于還包括負(fù)載電壓檢測電路，所述負(fù)載電壓檢測電路的輸入端與負(fù)載兩端相連接，所述負(fù)載電壓檢測電路的輸出端與負(fù)載控制器件的控制輸入端相連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的電動(dòng)工具的負(fù)載保護(hù)電路，其特征在于所述負(fù)載控制器件為半導(dǎo)體控制器件。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電動(dòng)工具的負(fù)載保護(hù)電路，其特征在于所述負(fù)載控制器件為MOS管。
4.根據(jù)權(quán)利要求I至3中任一項(xiàng)所述的電動(dòng)工具的負(fù)載保護(hù)電路，其特征在于，所述負(fù)載電壓檢測電路，包括 用于連接PWM波的PWM輸入接口、 發(fā)射極與所述負(fù)載的正向電源輸入端相連接的第一三極管、 負(fù)極與所述負(fù)載的反向電源輸入端相連接的第一二極管、 基極與所述第一三極管的集電極相連接的第三三極管、 與所述第三三極管的集電極相連接的高電平、 基極與所述第三三極管的集電極相連接的第五三極管、 正極與所述負(fù)載的反向電源輸入端相連接的第二二極管、 集電極與所述第五三極管的基極相連接的第二三極管、 負(fù)極與所述第五三極管的集電極相連接的第三二極管， 所述PWM輸入接口通過第十一電阻與負(fù)載控制器件的控制輸入端相連接，所述第一二極管的正極與第一三極管的發(fā)射極相連接，所述第二二極管的負(fù)極與負(fù)載控制器件的控制輸入端相連接，所述第二三極管的發(fā)射極與高電平相連接，所述第三二極管的正極作為負(fù)載電壓檢測電路的輸出端與負(fù)載控制器件的控制輸入端相連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的電動(dòng)工具的負(fù)載保護(hù)電路，其特征在于所述各三極管的基極和發(fā)射極之間均設(shè)有偏置電阻，所述各三極管的基極均設(shè)有限流電阻。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的電動(dòng)工具的負(fù)載保護(hù)電路，其特征在于所述第三三極管的基極還通過第八電阻與供電電源的負(fù)極相連接，所述第五三極管的基極還通過第十電阻與供電電源的負(fù)極相連接，所述高電平還通過第一電容與供電電源的負(fù)極相連接。
7.電動(dòng)工具的負(fù)載保護(hù)方法，其特征在于在所述電動(dòng)工具的負(fù)載保護(hù)電路上進(jìn)行電動(dòng)工具的負(fù)載保護(hù)方法，包括以下步驟 步驟(I)、使用負(fù)載電壓檢測電路檢測負(fù)載兩端電壓或檢測與負(fù)載兩端電壓相關(guān)聯(lián)的電壓值； 步驟(2)、分析檢測負(fù)載兩端電壓值，在負(fù)載控制器件導(dǎo)通時(shí)，若該電壓降低到某一個(gè)閥值則判斷為負(fù)載短路，負(fù)載電壓檢測電路關(guān)閉負(fù)載控制器件，保護(hù)整個(gè)電路及供電電源。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種電動(dòng)工具的負(fù)載保護(hù)電路及方法，負(fù)載保護(hù)電路包括供電電源、負(fù)載、負(fù)載控制器件和負(fù)載電壓檢測電路，供電電源的正極與負(fù)載的正向電源輸入端相連接，供電電源的負(fù)極通過負(fù)載控制器件與負(fù)載反向電源輸入端相連接，負(fù)載電壓檢測電路的輸入端與負(fù)載兩端相連接，負(fù)載電壓檢測電路的輸出端與負(fù)載控制器件的控制輸入端相連接，本發(fā)明使用負(fù)載電壓檢測電路檢測負(fù)載兩端電壓能夠始終保持關(guān)斷負(fù)載控制器件，使帶調(diào)速功能的電動(dòng)工具實(shí)現(xiàn)安全可靠的短路保護(hù)，設(shè)計(jì)簡單、容易實(shí)現(xiàn)，并有效的提高了電動(dòng)工具的可靠性，具有良好的應(yīng)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(yōu)先權(quán)日2012年5月31日
發(fā)明者王槐樹, 閔國洪 申請人:南京德朔實(shí)業(yè)有限公司