JP2006517380A - 励磁回路および、磁束切替モーターの制御方法 - Google Patents

Abstract

磁束切替モーターの励磁回路である。該回路はブリッジ整流器のＤＣ側を結ぶ低い値のフィルムコンデンサを含む。複数の電子切替は、マイクロコントローラによって制御されるＰＷＭ制御スキームおよびシングルパルス制御スキームに沿って、モーターの電機子巻線によって電流を切り替えるためにＨブリッジ形式に配置されている。始動ダイオードは、該モーターの界磁巻線に配置され、モーターの始動状態が完了した後回路外で電気的に切り替えられる。該回路は界磁巻線を通じて、始動中に、モーターのさらなる定常性およびさらなる早期始動を増進させるために電機子エネルギー再循環を実行する。フィルムコンデンサの使用は、回路の力率を促進し、調波のＡＣ電源への導入を止めるのを助け、ＥＭＩ低減を補助する。逆整流は該モーターが非作動にされたとき即時停止を行うために用いられる。

Description

発明の詳細な説明

本発明は、電動機の励磁回路に関するものであり、より詳細には、励磁回路および、磁束切替モーターの始動と動作とを制御するための励磁回路および制御方法に関するものである。

磁束切替モーターは、巻線が無く突起した磁極回転子と、完全に調整されて固定子上に設けられた二組の巻線とによって特徴付けられる。これら巻線の組の一方、即ち界磁巻線は、実質的に単方向電流が流れる。巻線の組の他方、即ち電機子巻線は、双方向電流によって励磁され、その極性は回転子の位置によって決定される。

磁束切替モーターは、大型家庭用電化製品や、テーブルのこぎりやマイターのこぎり等のような小馬力の出力よりも大きな出力を要する電動工具を含む多種の応用例に用いられるのが好適である。磁束切替モーターはまた、ユニバーサルモーターに使用されるブラシおよび従来型の整流子がないことから、のこぎりのような電動工具に非常に有効に使用される。ブラシがないこと、および、該ブラシと整流子との間の機械的接触がないことは、密閉モーターに、粉塵に対する高い耐性を与えている。この粉塵は、一方では、従来型のユニバーサルモーターのブラシおよび整流子の動作に影響を及ぼすものである。このようなモーターはまた、整流子およびブラシがモーターの整流に必要とされる場合に通常起こる擦り切れがないことから、長寿命であり、定期的な修復および／または点検をほとんど必要としない。

磁束切替モーターとともに、一対の電子切替の使用を通じて、このようなモーターを電子的に整流することは、一般的である。該電子切替は、以下の方法における形式のコントローラーを介して制御される。この方法とは、一つ以上の電機子巻線の一つまたは二本巻き電機子巻線の異なる部分を通る電流の方向を、モーターの整流のために制御できるというものである。

多くの従来型の整流回路は、電流を流す経路を提供するための「スナバ」回路を、電子切替がオフにされ、該モーターを整流するように使用する必要があった。しかしながら、このようなスナバ回路は、電機子巻線の一つまたは単一の二本巻き巻線部分を通して電流が切り替えられる度に、浪費電力となる多量の電力を消耗する。このような手法の銅線使用もまた非常に少ない。

近年の磁束切替モーターの励磁回路もまた、回路の整流部分の出力に設けられたアルミニウム電解コンデンサを必要とする。それは安定した直流電圧を生成するためであり、かつ、モーターの整流中に生成された過渡成分を制御するためである。しかしながら、典型的には「バルク」コンデンサと呼ばれるアルミニウム電解コンデンサがないと、待機状態からの磁束切替モーターの始動は非常に遅く、かつ一定ではなくなるであろう。加えて、このようなバルクコンデンサがないと、モーターの動作速度に達するまでに必要とされる時間が許容できないほど長くなってしまう。テーブルのこぎりやマイターのこぎりといった電動工具など様々な適用例において、モーターの動作速度に達して使用できるまで、数秒またはそれ以上待機しなければならなかった。

しかしながら、そのようなバルクコンデンサはまた、モーターが電流保護分岐回路から引き出すことができる電力を削減する、典型的には０．７５−０．７０の低い力率を設定する。バルクコンデンサはまた、比較的大きく、プリント回路基板上における容積を非常に使用してしまい、さらに寿命に制限がある（一般的には約２０００時間）。さらにバルクコンデンサは、振動に弱く、したがって電動工具における使用にはあまり適さない。またさらに、バルクコンデンサはＡＣ電源への調波の影響を緩和することができない。これは実際、アメリカ合衆国では重大な検討事項ではないが、一方ではヨーロッパでのＡＣ電源への調波の導入は、非常に深刻な検討事項であり、ヨーロッパにおいて使用されるモーターの励磁回路を設計する場合に考慮される必要がある。

したがって、以下に示すような磁束切替モーターのための励磁回路を提供するが極めて好ましい。それは、複数の電気的スイッチと、電気的にモーターを整流するスイッチング制御スキームとの構成を用いて、電機子巻線を通る電流の再循環を提供する励磁回路である。上述したスイッチング制御スキームおよびスイッチの構成の使用を通して従来型スナバ回路に対する要求を除去することもまた関連する目的である。

また本発明の他の目的は、該励磁回路の出力に交差して設けられて、従来のバルクコンデンサよりも比較的小さなフィルムコンデンサを使用するようにした磁束切替モーターの励磁回路を提供することである。従来のバルクコンデンサよりもフィルムコンデンサを使用することにより、回路の力率をかなり増進することができる。加えて、該回路によってＡＣ電源へ戻される調波をかなり低減することが可能となる。また、ＥＭＩ（電磁波妨害）の軽減に対しても前向きに寄与する。

また本発明の他の目的は、モーターの電機子巻線の逆整流をもたらすために制御される切替回路を使用するようにした磁束切替モーターの励磁回路を提供することである。さらにこれによってモーターがオンからオフになった場合に即時に停止できるようになる。このような特徴は、磁束切替モーターがテーブルのこぎりやマイターのこぎりや回転式ハンマー等の様々な電動工具に用いられる場合にきわめて望ましい。

さらに、電動モーターがのこぎり、ドリル、サンダー、ルーター等のような電動工具に使用されたときの他の検討事項は、工具が初めからＡＣ電源にプラグで接続されているとき使用者が指を電源スイッチ（例えばオン／オフトリガ）の上に置いた場合の該電動工具の予期せぬ始動である。このとき、工具の電源コードがＡＣ電源出力にプラグで接続されている一方で、使用者がオン・オフスイッチに関与していることに気づいていない場合、工具が突然始動すると使用者を驚かせることになる。ＡＣ電源が初めに提供されたとき、該モーターを電子的に整流する電子制御装置が、工具のオン／オフスイッチの位置を監視するために使用可能であるが、そのような目的のために別のスイッチ監視回路を提供することはさらに望ましい。したがって、電子制御装置が故障し、ＡＣ電力が電動工具に初めに提供されたときオン／オフスイッチがオン位置にあることを検知しない場合であっても、独立した該スイッチ位置監視回路はこの状態を検出できる。

上述した目的、および他の目的は、本発明の好ましい実施形態にて、磁束切替モーターの励磁回路によって与えられている。励磁回路は、切替回路を含む。該切替回路は、磁束切替モーターの電機子巻線とともにＨブリッジ構成を構成した複数の電子切替素子を含む。モーターを整流している間の電機子電流の再循環を可能にするために、ダイオードのようなバイパス要素を有する電子切替素子が少なくとも一つ選択される。これは、従来型スナバ回路の必要性をなくし、モーターのトルク／速度性能を向上するものである。

励磁回路はさらに、従来のバルクコンデンサではなく、該回路の整流部の出力に交差して設けられたフィルムコンデンサを含む。フィルムコンデンサは、励磁回路に電力を与えるＡＣ電源に見られる調波を低減する一方で、回路の力率をかなり向上させる。

励磁回路はさらに、電子切替装置の切替を制御するコントローラーを含む。好ましい構成において、該コントローラーは、電子切替に提供される切替信号の負荷サイクルを制御するために、パルス幅変調（ＰＷＭ）制御スキームがシングルパルス制御と組み合わされて実行されるマイクロプロセッサーを含む。コントローラーをＰＷＭ制御スキームに沿って使用することは、実行されるトルク／速度プロファイルの変更をさらに可能にし、モーターそれ自体はまったく改変することなく単一の磁束切替モーターの性能特性を様々な応用に用いることができる。該コントローラーとともに使用されるソフトウェアのみの改変で、編成されるモーターのトルク／速度プロファイルに、モーターが使用される特定工具または複数の特定工具に対するモーターの最適性能を実現させる。

選択的な好ましい実施形態にて、本発明は、ＡＣ電力が電動工具に初めに提供されたときシステムに実装された電動工具のオンオフスイッチが「オン」位置にあるかどうかを監視する、独立したオンオフスイッチ監視回路を盛り込んでいる。ＡＣ電力が初めに提供されたとき、オン／オフスイッチ（例えばオン／オフトリガ）が「オン」位置に保持されている場合、実際この状態は即時に検知され、モーターを電気的に整流するために使用される電力切替要素を非作動にするためにラッチ回路が用いられる。この例において、使用者はオン／オフスイッチを解除し、モーターの電源が入る前にスイッチを再び係合する必要がある。電力が提供されたときに該スイッチが係合されていない場合、モーターは該監視回路から妨害されることなく整流されることができる。

本発明のさらなる適用領域は以下に記載する詳細な説明から明らかとなるだろう。本発明の好ましい実施形態を示した詳細な説明および実施例は、説明のみを目的としており、本発明の範囲を限定するものではない。

本発明は、詳細な説明および付属図面によってより理解されるだろう。

図１は、本発明の好ましい実施形態における励磁回路のブロック概略図である。

図２は、図１の励磁回路のＨブリッジ切替回路を詳細に示した概略回路図である。

図２ａは、界磁巻線全体からダイオードを除いた選択回路の概略回路図である。

図３は、モーターによって生成された位置センサー出力信号およびバックＥＭＦの図であり、また用いられるＰＷＭ切替信号の進行を表す図である。

図４ａ〜４ｄは、回転子位置センサー出力波形に対するＰＷＭ切替信号のグラフであり、動作の様々な始動モード中のモーター速度に応じた負荷サイクルにおける変化を簡略的に示したものである。

図４ｅは、モーター速度に対する単一のパルス切替信号のグラフである。

図５は、モーター速度に関して本発明のシステムにより導入される例示的なＰＷＭ負荷サイクルプロファイルのグラフである。

図６は、モーター速度に対するＰＷＭ負荷サイクルの全体的なエンベロープのグラフである。

図７は、始動中におけるＡＣ線電圧に対するＰＷＭ負荷サイクル変調のグラフである。

図８は、工具のＡＣ電源コードが初めにＡＣ電源に接続されているときに工具のオン／オフスイッチ（例えばオン／オフトリガ）が閉鎖されていた場合、電力が電動工具のモーターに供給されないことを保証する非励磁回路の概略図である。

以下に記載の好ましい実施形態は、実際、単なる一例であって、本発明およびその応用と使用とを限定するものではない。

図１は、本発明の好ましい実施形態における励磁システム１０が示したものである。一般的に励磁システム１０は、磁束切替モーター１４に接続した電力切替回路１２を備えている。該モーター１４は、複数の磁極を有する固定子と、完全に調整された界磁巻線と、完全に調整された電機子巻線とを有する従来型の磁束切替モーターを備える。上記複数の磁極は、好ましくは四つである。界磁巻線および電機子巻線の巻数は変化するが、一実施形態において、モーター１４は、巻線当たり４０巻を有する界磁巻線および巻線当たり２０巻を有する電機子巻線を備えていることが好ましい。一実施形態において、電機子巻線を二つの平行位置に配置する結果、該固定子は結果として生じる一対の磁極を有することになる。

モーター１４はまた、位置センサー１６によって回転位置を監視される回転子を有する。該センサー１６の出力信号は、マイクロプロセッサーのようなコントローラー１８に提供される。様々な事象を該コントローラー１８に知らせるためのコントローラー１８への情報入力のために複数の機械的スイッチ使用することができる。様々な事象とは、例えば、該モーター１４を始動させるためのオン／オフトリガスイッチ２０ａの作動のようなものである。該コントローラー１８は、駆動回路２２に提供される切替信号を生成する。駆動回路２２からの出力は、電力／切替回路１２の切替要素を制御するために使用され、モーター１４を機械的に整流する。

励磁システム１０が様々な電動工具に広く用いられるであろうことが予想され、特徴的な実施はテーブルのこぎりやマイターのこぎりとの接続に関連している。この実施において、モーター１４がテーブルのこぎりモードまたは、マイターのこぎりモードのどちらに使用されているかをコントローラー１８に信号で伝えるために典型的に複数の外部スイッチが設けられる。この情報から、コントローラー１８は、駆動部が特定の好ましいトルク／速度性能曲線を提供することによって、モーター１４の整流を制御できるように、駆動部２２へのその出力信号を改変することができる。

冗長切替検出回路部２４は、外部スイッチ２０の作動を監視するために備えられることが望ましい。この回路２４は駆動部２２に、一つ以上の外部スイッチの差動を示す信号を提供する。駆動部２２がモーター１４を始動させるための適当な信号を生成する前に、冗長切替検出回路部２４からだけでなく、コントローラー１８からも、駆動部２２は適切な信号を受信する。したがって、冗長切替検出回路部２４は、コントローラー１８がいかなる誤作動を起こしても、それ自体からモーター１４を作動させる信号が駆動部２２に伝達されるのを防ぐことを保証する安全装置としての役割を果たす。選択的データ収集回路２６は、ＥＥＰＲＯＭに工具使用データを格納するために用いられることが好ましい。

図２は、該システム１０の電力／切替部分１２を詳細に示したものである。図２の概略図には、冗長切替検出回路２４と、外部スイッチ２０と、駆動部２２と、データ収集回路２６とは含まれていない。該モーター１４は、界磁巻線２８および電機子巻線３０により極めて簡潔な形式で示されている。ＡＣ電源３２は、交流入力を全波ブリッジ整流回路３４に供給する。フィルムコンデンサ３６は、整流回路３４の出力（すなわち直流側）と交差して結合されるために、直流レール３３ａおよび３３ｂを跨いで結合される。好ましい一形態において、フィルムコンデンサ３６は、約１０μｆｄ〜１５μｆｄ、より好ましくは約１２．５μｆｄの静電容量を有する金属化ポリプロピレンフィルムコンデンサを含むことが好ましい。その値は、ＥＭＩテストおよび調波テストによって得られる。

始動ダイオード３８は、リレー４０の出力側の一対のスイッチ接触部４０ａを介して界磁巻線２８に連結される。始動ダイオード３８およびリレー４０は、トライアック出力またはサイリスタ出力の光学スイッチまたはパルス変成器によってゲートされたサイリスタまたは他の適切な半導体によって置換できる。電機子エネルギー回収コンデンサ４２はまた、直流レール３３ａおよび３３ｂと連結される。電機子エネルギー回収コンデンサ４２は、約１０μｆｄ〜１５μｆｄ、より好ましくは１２．５μｆｄの値を有することが好ましい。

ダイオード３８は、モーター動作が始動モードなのか作動モードなのかに基づいて、回路に該ダイオードを保持するか、または回路から該ダイオードを取り除くために、リレー接触部４０ａと組み合わせて用いられる。選択的な実施形態はダイオードの代わりにサイリスタ３５を用い、リレーの代わりにパルス変成器３５ａ（図２ａ）を用いる。両実施形態とも本質的に同じように機能する。

さらに、図２を参照すると、電力／切替部分１２は電機子巻線３０にＨブリッジ形式に接続されている複数の電子切替装置４４、４６、４８、および５０を含んでいる。電子スイッチ４４〜５０はそれぞれ適当な電子切替装置のあらゆる形態を含むが、好ましい一形態において、スイッチ４４〜５０は、それぞれ絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）を含む。なおまた、それぞれのスイッチ４４〜５０は、一般的に「フリーホイール」ダイオードといわれているそれぞれのダイオード４４ａ〜５０ａを含んでいる。これらの「フリーホイール」ダイオード４４ａ〜５０ａは、該モーター１４の始動中に電機子エネルギーの再循環を促進する。この特徴について詳細に説明する。

まず、スイッチ４４〜５０は、スイッチ４４および４６を含む第一対、スイッチ４８および５０を含む第二対という二対で制御される。スイッチ４４〜５０のそれぞれのゲートは、駆動部２２を介しコントローラー１８と連結する。スイッチ４４および４８のそれぞれは、パルス幅変調速度（ＰＷＭ）制御スキームまたはシングルパルス制御を用いることによって、検知されたモーター速度に依存したコントローラー１８によってオンされる。スイッチ４６および５０は、シングルパルス制御スキームによってのみ制御される。

該コントローラー１８は、位置センサー１６から、モーター１４の回転子５２の回転位置を示す信号を受信する。好ましい一形態において、該位置センサー１６は光学センサーを含む。テキサス州、キャロルトンの株式会社オプテックテクノロジー（Optek Technology, Inc.）製のスロット光学スイッチは、特にシステム１０に適して使用することができる。位置センサー１６は、複数の異なる構成要素によって形成することができ、例えば磁気スイッチであれば、回転子の位置を示すことができる。

図３は、図２に示される回転子５２の各磁極５２ａの位置を検知する該センサー１６によって生成される波形５４を示したものである。各磁極５２ａの検出により、一般的な方形波パルスの正方向の前縁５６が生成される。四磁極回転子の３６０°周期ごとに、四つのパルスが生成される。したがって、各パルスの幅は四磁極モーターに対して、約４５°の機械的角度となる。波形５４の周波数は、検知されたモーター速度に応じて増減する。

作動モード
該システム１０は、始動中に過剰な電流になることなく、該モーター１４が最初に始動されて定格モーター速度に到達するときに順次実行される複数の作動モードが実装されている。定格モーター速度は、約１５，０００ｒｐｍが好ましい。これら四つのモードについて以下に１〜４に分けて説明する。

１．初期始動モード（約０〜４５０ｒｐｍ）
図２および図４を参照すると、モーター１４の初期始動中、ＡＣ電源３２は、整流器３４の入力側へ交流電力を供給する。好ましい一形態において、該交流電力は２３０ボルト交流信号である。整流器３４は、整流されて、ＤＣ母線３３ａおよび３３ｂに跨る交流電力を生成する。該モーター１４が初期始動されたとき、もしセンサー出力波形５４がロジック「１」（すなわち「ハイ」）レベルであったならば、コントローラー１８は、電機子巻線３０を通って矢印５８の方向へ電流を流すように、スイッチ４４および４６をオンにする。回転子５２は好ましくは、モーター１４の出力軸押し付けられるか、または結合されて、電機子巻線３０によって生成されるバックＥＭＦが正であると知られるようにセンサー１６に対して位置決めされる。したがって、ポジティブトルクを得るために、電流は電機子巻線３０を通って矢印５８の方向へ流れる必要がある。

該モーター１４が初期始動されると、コントローラー１８からの信号に応答して、始動ダイオード３８は、スイッチ接触部４０ａを閉鎖したリレー４０の作動によって、界磁巻線２８を横切る形で配置される。これにより、界磁電流が始動段階の間に不連続となることがないように、界磁巻線２８を通る界磁電流の再循環のための通路が提供される。四番目のセクションでさらに後述するように、一旦モーター１４が動作すると、少なくとも約１５，０００ｒｐｍの速度であれば、始動ダイオード３８は、リレー４０を非作動化する開いた接触部４０ａによって回路１２から取り除かれる。これは、モーターの高性能および高出力の結果によるモーターの最適性能を保証するものである。

初期始動モードの間、波形５４がロジック１レベルを示す場合に、ＰＷＭ切替信号６０（図４ａ）はスイッチ４４のみに提供される。スイッチ４６はコントローラー１８によって「オン」状態に維持される。同様に、対となっているスイッチ４８および５０が、コントローラー１８によってオン状態に切り替えられる（図４ｂに示されているように波形５４がロジック０レベルの場合）場合、ＰＷＭ切替信号６０を受信するのはスイッチ４８のみであり、スイッチ５０は対となっているスイッチ４８および５０がコントローラー１８によってオフにされるまで、コントローラー１８によって絶えずオン状態に維持される。このスキームは、ここに説明する始動モード全てを通して実行される。

ここに説明する始動モード全てを通して、スイッチ４４および４８に供給されるＰＷＭ切替信号６０の周波数は約５ｋＨｚ（周期２００マイクロ秒）であることが好ましく、改変されるのは（図５に示されているように）ＰＷＭ切替信号６０の負荷サイクルだけである。しかしながらまた、この５ｋＨｚのＰＷＭ切替信号６０は所定の応用に適用される場合に適宜その周波数を増減される。

初期始動モードの間（すなわち０〜４５０ｒｐｍの間）では、コントローラー１８によって確実に検出されるには、モーター速度が遅すぎる。この範囲のモータ速度では、ＰＷＭ切替信号６０は、好ましくは約１０〜２５％の範囲、より好ましくは２０％の一定の（すなわち固定された）負荷サイクルを有している。これは、図５に曲線７０の部分７０ａに図示されており、このとき固定された負荷サイクルは２０％である。図４Ａは、約２００ｒｐｍのモーター速度での制御信号を示すものである。したがって、波形５４は７５ミリ秒の周期を有する。波形５４がロジック１レベルである間（約３７．５ミリ秒）、約１８８ＰＷＭサイクルがスイッチ４４のゲートに送られる。図５に示すように、これらＰＷＭサイクルの負荷サイクルは、この低いモータ速度においては約２０％しかないが、図４ＡのスケールになるとＰＷＭパルスの負荷サイクルは識別できない。

さらに図４ａを参照すると、ＰＷＭ切替信号６０はまた、位置センサー１６によって生成される方形位置センサー出力波形５４に関連して制御される。ＰＷＭ切替信号６０は、位置センサー１６によってもたらされる各々のロジック１レベルパルスにより形成されるエンベロープの中で適用されるように制御される。なお「エンベロープ」という語は、ＰＷＭ切替信号６０が適用される位置センサー出力波形５４のオン時の部分（すなわち周期）を意味する。すなわち、図４ａにおいて、ＰＷＭ切替信号６０は、位置センサー出力波形５４の各「オン」パルスの周期と一致したエンベロープを有するように見える。なお、図４ａはトップスイッチ４４に対するＰＷＭ信号のみを示す。トップスイッチ４８に印加されるＰＷＭ信号は、波形５４がロジックレベル０であるときに生じる。この波形は図４ｂに示す。

さらに始動モードにおいて重要な特徴は、モーターが非作動（すなわち待機）状態から作動する場合には毎回提供される逆「キック」（すなわちパルス）である。上述したように、コントローラー１８はまず、位置センサー出力波形５４から、モーター１４を始動回転するように制御するためには、スイッチ４４および４６とスイッチ４８および５０とのどちらを制御すればよいのかを決定する。上述した例では、コントローラー１８はまず、スイッチ４４および４６がパルスされる必要があると決定する。それに応じて、スイッチ４４を「オン」および「オフ」にパルシングし、かつモーター１４の回転を開始するためにスイッチ４６をオンする直前に、コントローラー１８は、一対のスイッチ４４および４６または一対のスイッチ４８および５０のうち、検知された回転子の位置から見て通常オンになっている一対とは逆の一対をオンすることによって、少なくとも一つのパルスをモーター１４に印加する。すなわち、この例では、波形５４が始動時にロジック１レベルであるため、コントローラー１８はスイッチ４８および５０に好ましくは８〜１０ミリ秒間ほどパルスを印加する。これにより、モーター１４が始動を困難にする回転位置に位置する場合にモーター１４を確実に始動するために、モーター１４にごく小さな逆パルスを提供することになる。この瞬間的な逆パルスはモーター１４がオン／オフトリガスイッチ２０ａを介して初めに始動される際に毎回印加される。

スイッチ４４にＰＷＭ切替信号６０を印加しているときに、スイッチ４６を絶えずオンに維持すると、ＰＷＭ切替信号６０が印加されている間にスイッチ４４が瞬間的にオフにされるときに、スイッチ４６と、スイッチ５０のフリーホイールダイオード５０ａと、電機子巻線３０とを通る電機子電流の再循環がさらに可能になる。また同じく、対となったスイッチ４８および５０がコントローラー１８によってオンにされていると、ＰＷＭ切替信号６０が印加されている間にスイッチ４８が瞬間的にオフになったときに、スイッチ５０と、スイッチ４６のフリーホイールダイオード４６ａと、電機子巻線３０とを通って電機子電流の再循環が生じる。

さらに、位置センサー出力波形５４が全て移動した後で、信号６０がスイッチ４４または４８の一方にその後印加されるときに、ＰＷＭ切替信号６０の数サイクルにおいて電機子電流の再循環が生じる。したがって、波形５４の次の逆方向の縁が検出されると、スイッチ４４はオフになり、その後スイッチ５０がオンになる一方で、関連するスイッチ４６はオンのままである。スイッチ４６および５０の両方は、スイッチ４６がオフになり、スイッチ４８がオンになる一定の時間、好ましくは１００マイクロ秒、オンのままである。波形５４の次の正方向の縁が検出されると、スイッチ４８はオフになり、スイッチ５０はオンのままであり、スイッチ５０が再度オフになり、スイッチ４４がオンになる一定の時間、好ましくは１００マイクロ秒、スイッチ４６がオンになる。電機子電流の再循環が要求されている限りこの態様は継続する。この電機子電流の再循環により、バルク直流コンデンサがなくとも、モーター１４のより一様で迅速な始動が可能になる。電機子電流の再循環により、Ｈブリッジ切替構成はスナバ回路を必要としない。電機子電流の再循環はまた、モーター１４の顕著な効率化を提供している。

初期始動モードを継続している間に、波形５４の後縁部分６２に示されるように、波形５４がロジック０レベルに移行していることをコントローラー１８が検知すると、スイッチ４４および４６がコントローラーによってオフになり、スイッチ４８および５０がオンになる。ＰＷＭ切替信号６０がスイッチ４４および４８に印加される前に、数サイクルのＰＷＭ切替信号６０の間、再度、電機子電流の再循環が生じる。スイッチ４８はその後、位置センサー出力波形５４がロジックローレベルである間、何度かパルスオンされる。スイッチ４８がパルスオンされると、スイッチ４８を通して、矢印６４の方向に電機子巻線３０を通して、スイッチ５０を通して電流が流される。スイッチ４８がパルスオフされると、スイッチ４６のフリーホイールダイオード４６ａは、電機子電流の再循環を許可する。

コントローラー１８は、波形５４がロジック０レベルに移行していることを検知すると、スイッチ４４および４６をオフにすることを決定し、かつ、スイッチ４８および５０をオンにすることを決定する。波形５４がロジック０レベルにあるということは、モーター１４のバックＥＭＦがまさにネガティブであることを示し、かつ、モーター１４から正のトルクを再度得るために矢印６４方向への電流が必要となるだろう。該バックＥＭＦは、位置センサー出力波形５４に重ねあわされる波形６６によって図３に示されている。一旦コントローラー１８によって波形５４の他の前縁５６が検知されると、スイッチ４４が所定の始動ＰＷＭ負荷サイクル（すなわち約２０％が好適）に応じたＰＷＭ切替信号６０によって何度かパルスオンされるとともに、該コントローラーはスイッチ４８および５０をオフにし、スイッチ４４および４６を再度作動する。この工程はモーター１４が、コントローラー１８によって確実に決定することが可能である所定の速度（すなわち約４５０ｒｐｍを超える速度）に達するまで連続して繰り返される。

始動段階中の電機子エネルギーの再循環は、また、電機子エネルギー蓄積コンデンサ４２を跨ぐ電圧を制御することを補助する。電機子エネルギーの再循環とともに、コンデンサ４２を跨ぐ電圧は、２３０ボルトのＡＣ入力信号が使用された場合、６００ボルトよりも低く維持できる。界磁巻線２８とともに、フィルムコンデンサ３６および４２を使用することはまた、ＥＭＩとＡＣ電源に導入されるであろう過渡電流との低減を補助するパイフィルターを形成する。

２．第一中間始動モード
第一中間始動モードは、初期始動モードに続き、４５０ｒｐｍから好ましくは約６０００ｒｐｍ〜７５００ｒｐｍの範囲に、より好ましくは６７００ｒｐｍに延伸する。この始動モード段階の間では、ＰＷＭ切替信号６０の負荷サイクルはコントローラー１８によって一般的にモーター速度に対して直線的に増加し、図５のグラフ７０の７０ｂの部分に示すように、約２０％から約４０％増加する。モーター１４の速度が４５０ｒｐｍの速度を超えてもなお増加しているこの中間段階の間、電機子エネルギーの再循環はスイッチ４４および４８の切替を介して用いられる。図４Ｃは、約４０００ｒｐｍのモーター速度での制御信号を示したものである。４０００ｒｐｍでの波形５４の周期は約３．７５ミリ秒である。したがって、波形５４のロジック１部分の周期は約２ミリ秒である。波形５４のロジック１部分の間には、およそ９ＰＷＭサイクルがスイッチ４４のゲートに印加される。これらのＰＷＭサイクルの負荷サイクルは、およそ４０％である。

３．第二中間始動モード
第二中間始動モードは、第一中間始動モードに続き、６７００ｒｐｍのモーター速度から、１４５００ｒｐｍが好適となる。モーター速度が６７００ｒｐｍに達すると、コントローラー１８はＰＷＭ切替信号６０のエンベロープ（波形５４によって示される）を変える。具体的には、６７００ｒｐｍの速度しきい値に達すると、ＰＷＭ切替信号６０に対するエンベロープは段階的に、位置センサー出力波形５４の「オン」パルスの周期の区分まで減少される。波形５４の該「オン」パルス幅に対する新しいエンベロープ幅の比の数値は、図６に示す速度の部分である。このエンベロープの低減は図４ｄに示され、ＰＷＭ切替信号６０は、位置センサー出力波形５４の１パルスの「オン」周期によって定義されるよりも小さなエンベロープに含まれていることがわかる。図４Ｄは約１００００ｒｐｍのモーター速度での制御信号を示したものである。１００００ｒｐｍでの波形５４の周期は約１．５ミリ秒である。したがって、波形５４のロジック１レベル部分の周期は約０．８ミリ秒であるが、負荷サイクル制御（図６）はさらにそれを０．６ミリ秒に制限する。したがって、波形５４のロジック１レベル部分の間、およそ３ＰＷＭサイクルがスイッチ４４のゲートに印加される。これらのＰＷＭサイクルの負荷サイクルは、およそ５５％である（図５）。

この始動段階の間、ＰＷＭ切替信号６０の負荷サイクルは、６７００ｒｐｍで４０％から約１１０００ｒｐｍで最高の６０％までモーター速度に対して一般に直線的に増加し続ける。図５のグラフ７０の７０ｃ部分に示されるように、約１１０００ｒｐｍから１４５００ｒｐｍの間では、ＰＷＭ切替信号６０の負荷サイクルは一定に保たれる。しかしながら、図４ｄおよび図６に示されるように、ＰＷＭ切替信号６０に対するエンベロープは、位置センサー出力波形５４の各「オン」パルスの周期の６０％から８０％まで継続して増加する。したがって、モーター速度が約１４５００ｒｐｍに達するまでに、ＰＷＭ切替信号６０の負荷サイクルは約６０％の最大値となり、信号６０に対するエンベロープは位置センサー出力波形５４の各「オン」パルスのパルス幅の約８０％となる。電機子エネルギーの再循環は約１００００ｒｐｍの速度まで用いられ、その後は継続されない。

４．最終始動モード（動作の位相ロックモード）
最終始動モードは、約１４５００ｒｐｍから定格モーター速度までのモーター速度範囲をカバーする。定格モーター速度は、モーター１４が使用される特定の工具に応じて変化するが、１５０００ｒｐｍから１７０００ｒｐｍの間が好適である。この速度範囲の初めでは、操作の位相ロックモードが開始され、定格モーター速度まで継続される。操作の位相ロック動作中、シングルパルス制御がスイッチ４４〜５０に用いられる。「シングルパルス」制御とは、ＰＷＭ切替信号は用いずに、単一の継続した「オン」パルスが、位置センサー出力波形５４の各「オン」パルスの期間に与えられるということを意味する。これは、図４ｅおよび図５に示されている。図４ｅは、位置センサー出力波形５４の各「オン」パルスの約８０％のエンベロープに対応する「オン」期間をそれぞれに有するパルス５９ａを含むシングルパルス切替信号５９を示すものである。図４ｅに示されるように、約１４５００ｒｐｍから定格モーター速度の間、パルス５９ａの期間はこの８０％エンベロープ値に保持される。約１５０００ｒｐｍにて、始動ダイオード３８はシステムから切り離される。

始動モードのまとめ
上述した四つの始動モードを通して、ＰＷＭ切替信号６０またはシングルパルス切替信号５９は、スイッチ４４または４８のうちのどちらか一方に印加されることがわかる。スイッチ４６および５０がそれぞれオンされると、それらは位置センサー出力波形５４の各パルスの「オン」期間に同期して「オン」期間でシングルパルスを常に受信する。唯一の例外はモーター１４への電力の初期印加である。

モーター１４とともに使用される特定工具は、使用のために選択される最適モーター性能曲線に関係し得る。例えば、モーター１４がテーブルのこぎりとともに用いられる場合、１５０００ｒｐｍから１７０００ｒｐｍの範囲、より好ましくは約１７０００ｒｐｍの定格モーター速度が一般に選択される。また、モーター１４がマイターのこぎりとともに用いられる場合、２００００ｒｐｍから２５０００ｒｐｍの範囲、より好ましくは約２２５００ｒｐｍの定格モーター速度が一般に好ましい。正確な負荷サイクル／モーター速度の関係もまた、モーター１４とともに使用される特定工具によって変化する。本明細書中で説明している励磁システム１０では約１４５００ｒｐｍの位相ロックしきい値が使用されているが、異なるモーター速度を位相ロックしきい値に設定することもできる。しかしながら、ＡＣ入力電源に過渡スパイクを生じさせる電源誘導電圧効果を避けるために、動作の位相ロックモードに入る前に、モーター速度が少なくとも約７０００ｒｐｍの速度に達するまで待機することが好ましい。モーター１４がロードされるのは、システム１０が動作の位相ロックモードに入るよりも十分前を含めてモーター始動動作中の如何なる時点であってもよい。

ＰＷＭ切替信号６０の負荷サイクルと、それが適用される間のエンベロープと、位相ロック動作に入るときの正確な速度とを制御することによって、幅広い種類のモータートルクプロファイルが実行できる。これらの様々なモータートルクプロファイルは、テーブルのこぎりや、マイターのこぎりや、その他様々なモーター駆動工具のような特定工具のモーターの作動を調整するために使用することができる。

逆整流を用いた制動動作
システム１０のさらなる特徴は、モーター１４が使用者によって「オフ」にされた場合、該モーター１４の逆整流がモーターの即時停止に用いられることである。モーターの即時停止能力は多くの電動工具、特にテーブルのこぎりや、マイターのこぎりのような装置において、重要な検討事項である。

システム１０は、制動動作中にスイッチ４４〜５０に印加されたＰＷＭ切替信号６０に対して修正されたＰＷＭ周波数および負荷サイクルを使用する。図３において、制動中において、正のモータートルクを維持するために矢印５８（図２）の方向への電流の流れを必要とする高ロジックレベル（前縁５６によって示される）に位置センサー出力波形５４が移行したことをコントローラー１８が検知すると、それはスイッチ４８および５０をオンする。このことは負のモータートルクを生じさせる矢印６４の方向への電流の流れ（図２）を引き起こす。この間にリレー４０は、制動時間を最短（通常３〜４秒未満）に保つことを補助するために、ダイオード３８をシステム１０に戻す切替に使用される。正のモータートルクを維持するために電機子巻線３０を矢印６４の方向へ流れる電流を必要とする波形５４の各パルスの後縁６２が起こると、コントローラー１８はスイッチ４８および５０をオフにし、スイッチ４４および４６をオンする。このことは矢印５８の方向への電流の流れを引き起こし、回転子の回転の期間中に負のモータートルクを生成する。

他のＰＷＭスキームも制動モードに使用して同じような結果が得られることがわかる。例えば、可変負荷サイクルＰＷＭパルスは、固定された周波数で使用することができる。該ＰＷＭパルス幅は、モーター速度の機能として生成される。またさらに、ＰＷＭ負荷サイクルプロファイルは、モーターの即時停止を達成するために（例えばドーム状対直線状）変更され得る。これらの例の全てにおいて、制動中に実行される該負荷サイクルプロファイルに対する制限要素は、電機子エネルギー回収コンデンサ４２への電圧である。従来のアルミニウム電解コンデンサの替わりに定格電圧が高い（６００ボルトが好適）フィルムコンデンサ３６を設けたことが、本発明の制動スキームをきわめて画期的なものとしている。モーター１４は、１２インチ（３０．４８センチ）の刃を有するのこぎりを駆動するために使用された場合、位相ロックしきい値速度を超える速度から約４秒未満で停止することができる。

最適性能のための回転子位置センサー信号の前進
図３ではさらに、モーター１４の最大性能を得るために、位置センサー１６からの信号５４は、モーター１４によりバックＥＭＦが生成され始めるまでに電機子巻線３０における電流を決定するために、物理的にまたはコントローラー１８のソフトウェアを介して少しずつ前進されねばならない。該バックＥＭＦは、図３に波形６６で示される。波形６０ａおよび６０ｂは、前進が提供されながらスイッチ４４および４６とスイッチ４８および５０とをそれぞれ制御するために使用されるＰＷＭ切替信号を示している。間隔６６ａおよび６６ｂは、それぞれ、ＰＷＭ切替信号６０ａおよび６０ｂに提供される前進の程度を示す。該ＰＷＭ切替波形６０ａおよび６０ｂのパルスをわずかな程度６６ａだけ前進させると、矢印５８方向（図２）への電流が、バックＥＭＦが正になり始めるまでに電機子巻線３０を通して確立する。該ＰＷＭ切替信号６０ｂのパルスを間隔６６ｂに応じて前進させると、矢印６４方向（図２）への電流が、バックＥＭＦが負になり始めるまでに電機子巻線３０において確立する。

電機子巻線バックＥＭＦに関して、回転子５２に対する位置センサー１６の物理的な配置を通して進み角が得られる例においては、モーター１４が始動する際に回転子５２がまちがった方向に動く可能性がある。これは、バックＥＭＦがセンサー信号位置と同期しない領域（すなわち回転子５２の前進を表す領域）において、回転子が回転を止めた場合に発生する。この問題の一つの解決策は、バックＥＭＦ波形６６のゼロ交点と一致する正方向パルスを生成するように位置センサー１６を配置すること、およびコントローラー１８のソフトウェアに整流進み角を組み込むことである。しかしながら、ここでの制限因子はコントローラー１８が周期測定を実行するのにかかる時間である。けれども、始動時におけるモーター１４の一時的な後方回転の可能性を避けるために、ソフトウェアを通して整流前進を実行することが好ましい。

始動中の過渡電流の制限
始動時に考慮しなければならないもう一つの因子は、システム１０がインピーダンスの高い「ソフト」電源とともに用いられるときにＡＣ電源３２に導入される過渡電流ピークの可能性である。モーター１４が待機時から始動されたとき、バックＥＭＦはゼロであり、突入電流が比較的大きくなり、結果としてＡＣ入力電圧波形のピークにおいてより顕著な電圧過渡ピークが生じる可能性がある。前記整流回路３４のＤＣ側に典型的なバルクコンデンサがないため、この現象は場合によってはシステム１０においてより顕著になるかもしれない。これらのピークは、ＰＷＭパルス幅およびＰＷＭ周波数に応じて、５００ボルトの高さになる可能性がある。

始動中の突入電流を制限するため、かつ電力線インピーダンスの影響を低減するために、上述した始動モードに対する二つの改変が実行される。第一の改変は、低始動負荷サイクル（例えば約２０％）の高位ＰＷＭ周波数（例えば約２０ＫＨｚ）および、これに続く速度に対する負荷サイクルの緩慢な変化の使用である。第二の改変には、ＡＣ入力電圧波形に応じたＰＷＭ切替信号６０の負荷サイクルの調整が含まれる。この方法は図７に示され、ＡＣ入力波形は参照番号７２として示される。一旦正確なモーター速度情報がコントローラー１８によって得られると（一般的には４５０ｒｐｍ前後）、該コントローラー１８は検知されたモーター速度に基づいたパーセンテージ値によって、スイッチ４４および４６とスイッチ４８および５０に提供されるＰＷＭ負荷サイクルを改変（すなわち低減）する。この負荷サイクルはその後、ＡＣ電圧波形７２にしたがって、図７に示されるように、ＡＣ入力電圧ピークに達するときに負荷サイクル値が減少するような方法で、調節される。したがって所定のモーター速度にて、ＡＣ入力電圧波形７２のゼロ交点における負荷サイクル値は最大になる（すなわち、ここに提供されたパーセンテージ低減をまったくしていない）。ＡＣ入力電圧波形が正ピークであっても負ピークであっても、負荷サイクルは最小である（０％である必要はないが）。ＡＣ入力電圧波形７２のピークにて負荷サイクルを最小まで減少させるために使用される増倍率は、ＡＣ電源における過渡電流軽減によって指示される。

追加の動作的特徴
上記システム１０によるモーター１４の始動中に用いられるさらなる動作的特徴は、回転子５２の瞬間移動の検知である。開始１００ミリ秒以内に回転子位置センサー１６が回転子５２の位置の変化を検知しない（すなわち位置センサー出力波形５４が変化しない）場合には、モーター１４のオン／オフスイッチは毎回差動し（すなわちオン状態となり）、コントローラー１８はモーター１４の整流を継続しない。この例では、使用者はオン／オフスイッチを解除し、再びオンする必要がある。これはまた、モーター１４へのダメージを防ぐことにも役立つ。

モーター１４を保護する他の特徴には、負荷が生じている間（例えば、のこぎりで切り始めるときなど）モーターの速度を監視する上記コントローラー１８も含まれる。速度が１００００ｒｐｍを下回る場合、コントローラー１８はモーター１４をオフにする。使用者はその後、該モーター１４が再始動される前にオン／オフスイッチを解除しなくてはならない。

非励磁特性
本発明の選択的な好ましい実施形態のシステム１００は、図８に示されている。図８のシステムは非励磁回路を含んでいる。本質的に非励磁回路は、オン／オフトリガ２０ａの位置を監視し、且つＡＣ電力がオン／オフトリガ２０ａを支えるシステム１０に提供される場合、モーター１４の始動を防ぐ役割を果たす。システム１０と共通しているシステム１００の構成要素は、システム１０の説明に関連する番号を超える１００から増加する参照番号によって示されている。また、システム１００の動作および構成要素は、システム１０に提供されたものと同一であるが、例外は、以下に説明する非励磁回路の動作である。

非励磁回路は、全波ブリッジ整流回路１８０と、抵抗器１８２ａおよび１８２ｂを含む分圧回路１８２とを含んでいる。整流回路１８０の出力は分圧回路１８２と連結されている。分圧回路１８２は、回路線１８４を介して、コンパレータ１８８の入力１８６と連結されている。また、入力１８６に連結されているのは遅延コンデンサ１９０である。コンパレータ１８８の第二入力１９２は、基準しきい値電圧と連結されている。該コンパレータの出力１９４は、ラッチ回路１９８の第一入力１９６と連結されている。好ましい一形態においては、該ラッチ回路はマルチプレクサを含む。ラッチ回路１９８の第二入力２００は、回路線２０２を介して、電動工具のオン／オフトリガスイッチ２０ａと連結されている。

図８ではさらに、上記ラッチ回路１９８は「動作可能／動作不可能」出力２０４を有する。出力２０４は、駆動部１２２と連結されている。好ましい一形態において、どのような適当な電力切替装置が実装されてもよいのだが、スイッチ４４〜５０のように、スイッチ１４４〜１５０はそれぞれ絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴｓ）を含んでいる。該駆動部１２２は、各駆動サブシステムの作動を可能にするために使用される「動作可能／動作不可能」ピン（すなわち入力）をそれぞれに有する、複数の駆動サブシステムを含んでいる。例えば、動作可能／動作不可能ピンにおける高ロジックレベル信号は所定の駆動サブシステムを作動させ、一方低ロジックレベル信号は所定の駆動サブシステムを非作動にさせる。

操作において、システム１００とともに使用される動力工具にＡＣ電力が初めに提供されたとき、オン／オフトリガスイッチ２０ａが「オン」位置にある場合、低ロジックレベル信号が回路線２０２で生成される。また、コンパレータ１８８の出力も初めは低ロジックレベルにある。遅延コンデンサ１９０は、コンパレータ１８８の入力１８６にて該信号が最大値に達する前に、ラッチ回路１９８と、コンパレータ１８８と、他の電気部品とが充分に出力を増加できる、きわめて短い周期（数ミリ秒が好適）を提供する。

コンパレータ１８８が低ロジックレベル信号を生成すると、ラッチ回路１９８は入力１９６でこの低ロジックレベル信号を認識する。そのとき、オン／オフトリガスイッチ２０ａが閉鎖されている（すなわち「オン」状態にある）ことを示す低ロジックレベル信号を回路線２０２が供給している場合、該ラッチ回路１９８は、出力２０４で低ロジックレベル信号を生成する。入力が異なると、該ラッチ回路１９８の出力は低ロジックレベルでラッチされる。この低ロジックレベル信号は、駆動部１２２を構成する駆動サブシステムの動作可能／動作不可能ピンにそれぞれの供給される。これにより、スイッチ１４４〜１５０が切り替わりモーターを整流し始めることが防止される。たとえコンパレータ１８８の入力１８６において該信号がしきい値電圧よりも上のレベルに上昇し、コンパレータ１８８の出力が変化する場合でも、このことはラッチ回路１９８の出力２０４に影響を与えない。駆動部１２２を動作不可能にするためにラッチ回路の出力２０４が低ロジックレベルで一旦ラッチされると、コンパレータ１８８の出力１９４がさらに変化してもラッチ回路１９８の出力２０４の状態は変化しない。ラッチ回路１９８の出力２０４を変化させる唯一の方法は、使用者がオン／オフトリガ２０ａを瞬間的に充分に（オン／オフトリガスイッチ２０ａが「オフ」位置になるように）解放することである。するとトリガ２０ａで生成された「オン」信号は取り除かれ、オン／オフトリガ２０ａを再度「オン」位置に戻す。オン／オフトリガ２０ａが瞬間的に解放されると、回路線２０２において低ロジックレベル信号が取り除かれ、またその後、低ロジックレベル信号がラッチ回路１９８の入力２００から取り除かれる。使用者がトリガ２０ａを解放し、その後戻す間、コンパレータ１８８の入力１８６に供給された信号は、しきい値電圧よりも上のレベルに上昇し、したがって高ロジックレベル信号を出力１９４で生成させる。このことは即時にラッチ回路１９８の出力２０４を高ロジックレベルに上昇させ、したがって駆動部１２２内の駆動サブシステムを動作可能にする。

逆に、ＡＣ電力が上記動力工具に初めに提供されたときオン／オフトリガスイッチ２０ａが閉鎖された位置に保持されていない場合、高ロジックレベル信号は、回路線２０２を介してラッチ回路１９８の入力２００に供給される。ラッチ回路１９８の出力は初めは低ロジックレベルにあるが、入力１８６の電圧がコンパレータ１８８の入力１９２におけるしきい値電圧を上回ると、コンパレータ１８８の出力は高ロジックレベルに上昇する。この信号は、ラッチ回路１９８の入力１９６に供給される。この時点で、ラッチ回路の出力２０４は高ロジックレベルに上昇し、しきい値でラッチされる。出力２０４からの高ロジックレベル信号は駆動部１２２を動作可能にする。この時点でオン／オフトリガ２０ａを解放しても、ラッチ回路１９８の出力は変化しない。したがって、動力工具はその後、オン／オフトリガ２０ａによって通常の方法で電源を入れたり切ったりする。しかしながら、もしオン／オフスイッチ２０ａが「オン」状態に保持され、そしてＡＣ電力が該工具に再度提供される間にＡＣ電源が不注意により該動力工具から外されたら、システム１００は、上述したように、該動力工具のモーター１４の即時始動を防止する。

したがって、上述した非励磁回路は、ＡＣ電力が初めにシステム１００に（それから動力工具に）提供されたときオン／オフトリガスイッチ２０ａが「オン」位置となる状況を監視し、且つ、該システム１００に関連して誤って該工具の電源が入ることを防止する。重要なのは、コントローラー１１８から独立してこの監視機能を行う本質的に独立した回路を、該非励磁回路が形成していることである。したがって、コントローラー１１８の故障は、ここに説明したシステム１００によって実行される監視機能を妨げることはない。

当業者には上述の説明から本発明の広範な教示が様々な形態で実行可能であることが理解されよう。したがって、本発明を具体例に関連して説明してきたが、本発明の真の範囲はそのように限定されるべきものではなく、明細書および特許請求の範囲を読み、図面を見ることによって当業者には他の変更例が明らかになるだろう。

本発明の好ましい実施形態における励磁回路のブロック概略図である。 図１の励磁回路のＨブリッジ切替回路を詳細に示した概略回路図である。 界磁巻線全体からダイオードを除いた選択回路の概略回路図である。 モーターによって生成された位置センサー出力信号およびバックＥＭＦの図であり、また用いられるＰＷＭ切替信号の進行を表す図である。 回転子位置センサー出力波形に対するＰＷＭ切替信号のグラフであり、操作の様々な始動モード中のモーター速度に応じた負荷サイクルにおける変化を簡略的に示したものである。 回転子位置センサー出力波形に対するＰＷＭ切替信号のグラフであり、操作の様々な始動モード中のモーター速度に応じた負荷サイクルにおける変化を簡略的に示したものである。 回転子位置センサー出力波形に対するＰＷＭ切替信号のグラフであり、操作の様々な始動モード中のモーター速度に応じた負荷サイクルにおける変化を簡略的に示したものである。 回転子位置センサー出力波形に対するＰＷＭ切替信号のグラフであり、操作の様々な始動モード中のモーター速度に応じた負荷サイクルにおける変化を簡略的に示したものである。 モーター速度に対する単一のパルス切替信号のグラフである。 モーター速度に関して本発明のシステムにより導入される例示的なＰＷＭ負荷サイクルプロファイルのグラフである。 モーター速度に対するＰＷＭ負荷サイクルの全体的なエンベロープのグラフである。 始動中におけるＡＣ線電圧に対するＰＷＭ負荷サイクル変調のグラフである。 工具のＡＣ電源コードが初めにＡＣ電源に接続されているときに工具のオン／オフスイッチ（例えばオン／オフトリガ）が閉鎖されていた場合、電力が電動工具のモーターに供給されないことを保証する非励磁回路の概略図である。

Claims (44)

1. 界磁巻線および電機子巻線を有する磁束切替モーターの励磁回路であって、
   ＡＣ入力信号を整流ＡＣ信号に変換する整流回路と、
   上記電機子巻線に接続され、上記整流ＡＣ出力に応答するＨブリッジ切替回路と、
   上記切替回路の出力側に接続された電機子エネルギー回収コンデンサと、
   上記Ｈブリッジ切替回路の各切替要素のオンおよびオフ切替を制御するコントローラーとを備え、
   上記Ｈブリッジ切替回路は、上記モーターの動作の始動段階において、上記Ｈブリッジ回路の選択された切替要素および上記電機子巻線を通じて電機子電流の再循環を可能にする複数のバイパス素子を含む励磁回路。
2. エネルギー再循環のために上記界磁巻線を跨いで接続された半導体素子と、
   上記モーターの動作の始動段階において上記界磁巻線を跨ぐ上記半導体を切り替えるために、上記コントローラーにより制御される切替素子とをさらに含む請求項１に記載の励磁回路。
3. 上記切替素子は界磁エネルギーを再循環させるリレーを含む請求項２に記載の励磁回路。
4. 上記バイパス素子はフリーホイールダイオードを含む、請求項１に記載の励磁回路。
5. 上記コントローラーは、上記動作の始動段階において、選択された上記切替要素へパルス幅変調（ＰＷＭ）切替信号を供給する、請求項１に記載の励磁回路。
6. 上記コントローラーは、上記モーターがオフされると制動動作を行うように上記Ｈブリッジ切替回路を制御する、請求項１に記載の励磁回路。
7. 上記整流回路の出力に接続されて、約１０μｆｄ〜１５μｆｄの静電容量を有するフィルムコンデンサをさらに含む、請求項１に記載の励磁回路。
8. 上記ＡＣ入力信号の上記励磁回路への供給を制御するオン／オフスイッチと、
   上記オン／オフスイッチが使用者によりオン位置に維持されているとき、上記ＡＣ入力信号が上記励磁回路へ供給されたか否かを検出して、上記ＡＣ入力信号が上記モーターを始動させることを防止する検出回路とをさらに含む、請求項１に記載の励磁回路。
9. 上記検出器は、上記使用者が上記オン／オフスイッチをオン位置からオフ位置へと解放した後にのみ、上記モーターを始動させるために上記ＡＣ入力信号が上記励磁回路へ供給されることを可能にする、請求項８に記載の励磁回路。
10. 上記検出器は、整流回路と、
    上記整流回路の出力に応答するコンパレータと、
    上記オン／オフスイッチと該コンパレータの出力との組み合わせに応答して、上記オン／オフスイッチの位置に応じて上記モーターがオンするように上記励磁回路を制御する信号を生成するラッチ回路とを含む、請求項８に記載の励磁回路。
11. 上記整流回路に動作可能に接続された分圧回路と、
    上記コンパレータに供給される入力信号に時間遅延を提供し、これによって、上記オン／オフスイッチの上記部分が検知されるように上記励磁回路のその部分がオンになる期間を提供するために、上記コンパレータの入力側および上記分圧回路に接続されたコンデンサとをさらに含む、請求項１０に記載の励磁回路。
12. 界磁巻線および電機子巻線を有する磁束切替モーターの励磁回路であって、
    ＡＣ入力信号を整流ＡＣ信号に変換する整流回路と、
    上記電機子巻線に接続され、上記整流ＡＣ出力に応答するＨブリッジ切替回路と、
    上記切替回路の出力側に接続された電機子エネルギー回収コンデンサと、
    上記Ｈブリッジ切替回路の切替要素それぞれのオン／オフスイッチングを制御するコントローラーと、
    上記コントローラーに動作可能に関連付けられ、使用者が上記励磁回路をオンおよびオフにするとき上記コントローラーに信号を送るために、オン位置とオフ位置との間で使用者による操作が可能なオン／オフスイッチと、
    使用者が上記オン／オフスイッチをオン位置にしたまま上記ＡＣ入力信号が上記励磁回路に最初に供給された場合、上記励磁回路の即時作動を避けるために、上記オン／オフスイッチの上記位置および上記ＡＣ入力信号の上記励磁回路への供給に応答する検出回路とを含む、励磁回路。
13. 上記検出回路は、上記ＡＣ入力信号の上記励磁回路への供給および上記オン／オフスイッチの位置に応答するラッチ回路を含み、
    上記ＡＣ入力信号が上記励磁回路に最初に供給されたとき、上記使用者が上記オン／オフスイッチを上記オン位置に保持した場合、上記磁束切替モーターの整流を避けるために、上記ラッチ回路が信号を生成する、請求項１２に記載の励磁回路。
14. 上記Ｈブリッジ切替回路は、上記モーターの動作の始動段階において、上記Ｈブリッジ回路の選択された切替要素および電機子巻線を通る電機子電流の再循環を可能にする複数のバイパス素子を含む、請求項１２に記載の励磁回路。
15. 界磁巻線および電機子巻線を有する磁束切替モーターの励磁回路であって、
    ＡＣ入力信号を受け、整流したＡＣ信号を一対のＤＣバスラインに発生させる整流回路と、
    上記ＤＣバスラインに接続され、上記電機子巻線がＨブリッジ回路の複数の選択された切替要素の間に接続されたＨブリッジ切替回路と、
    上記ＤＣバスラインに交差して結合され、かつ上記切替回路に交差して結合された電機子回収コンデンサと、
    上記Ｈブリッジ切替回路を制御する切替信号を生成するコントローラーとを備え、
    上記Ｈブリッジ切替回路は、上記モーターの動作の始動段階において、上記電機子巻線を通る電機子電流の再循環を可能にする複数のバイパス素子を含み、
    上記コントローラーは、選択された上記切替要素を制御するパルス幅変調（ＰＷＭ）切替信号を生成する磁束切替モーターの励磁回路。
16. 上記ＤＣバスラインに接続されたフィルムコンデンサをさらに含む、請求項１５に記載の励磁回路。
17. 上記モーターの動作の始動段階において、上記界磁巻線に接続された電流バイパス素子をさらに含む、請求項１５に記載の励磁回路。
18. 上記電流バイパス素子はダイオードを含み、
    上記ダイオードは、上記始動段階において、電流経路を提供するために上記界磁巻線を跨いで選択的に切り替えられる、請求項１７に記載の励磁回路。
19. 上記界磁巻線を跨ぐ上記ダイオードを選択的に切り替えるために、上記コントローラーに応答するリレーをさらに含む、請求項１８に記載の励磁回路。
20. 上記コントローラーは、上記モーターがオフにされると、改造式制動動作を実行するために上記Ｈブリッジ回路を制御する、請求項１５に記載の励磁回路。
21. 界磁巻線および電機子巻線を有する磁束切替モーターを励磁する方法であって、
    ＡＣ電源からＡＣ入力信号を供給する工程と、
    上記ＡＣ入力信号を受け、整流したＡＣ信号を一対のＤＣバスラインに生成するために整流器を使用する工程と、
    上記電機子巻線を通じて上記整流されたＡＣ信号の電流を選択的に方向付けるために、上記電機子巻線と動作可能に結合されたＨブリッジ切替回路を使用する工程と、
    上記モーターの動作の始動段階において、上記電機子巻線を通る上記電流の再循環を可能にするために、上記Ｈブリッジ切替回路に関連付けられた複数のバイパス素子を使用する工程と、
    上記モーターを動作させるために上記Ｈブリッジ切替回路を制御するためのコントローラーを使用する工程と、
    上記モーターの動作中に、上記Ｈブリッジ切替回路に結合され電機子エネルギーを蓄積する電機子エネルギー回収コンデンサを使用する工程とを含む磁束切替モーターを励磁する方法。
22. 界磁巻線および電機子巻線を有する磁束切替モーターを励磁する方法であって、
    ＡＣ電源からＡＣ入力信号を供給する工程と、
    上記ＡＣ入力信号を整流して整流ＡＣ信号を生成する工程と、
    上記電機子巻線を通って流れる電機子電流の方向を交互に切り替えるために、上記電機子巻線に関連付けられた切替回路に上記整流ＡＣ信号を供給する工程と、
    上記電機子巻線を通して流れる電機子電流の方向を切り替えるときに、上記電機子巻線を通して流れる電機子電流の再循環が可能になるように、上記切替回路とともに複数のバイパス素子を使用する工程と、
    上記切替回路の動作を制御するためにコントローラーを使用する工程と、
    上記切替回路の動作中に、電機子エネルギーを蓄積するエネルギー回収コンデンサを使用する工程とを含む磁束切替モーターを励磁する方法。
23. 磁束切替モーターを制御する方法であって、
    第一始動速度範囲を規定する工程と、
    上記第一始動速度範囲に続く第二始動速度範囲を規定する工程と、
    所定負荷サイクルを有するパルス幅変調（ＰＷＭ）切替信号が上記磁束切替モーターに供給される間における第一時間エンベロープを規定する工程と、
    上記初期始動速度範囲の間において、上記磁束切替モーターを整流するために、上記第一時間エンベロープに基づいて上記ＰＷＭ切替信号を上記磁束切替モーターに提供する工程と、
    上記第一時間エンベロープを改変して第二時間エンベロープを生成する工程と、
    上記第二始動速度範囲の始まりにおいて、上記第二時間エンベロープに基づいて上記ＰＷＭ切替信号を供給し、上記磁束切替モーターの整流を継続する工程とを含む磁束切替モーターを制御する方法。
24. 上記第一および第二時間エンベロープは、上記磁束切替モーターのモーター速度を示すパルス速度信号に対して規定される、請求項２３に記載の方法。
25. 上記第二時間エンベロープは、上記第一時間エンベロープよりも短い周期を有する、請求項２４に記載の方法。
26. 上記ＰＷＭ切替信号の上記所定の負荷サイクルは、上記第二始動速度範囲の間で改変される、請求項２４に記載の方法。
27. 磁束切替モーターの整流方法であって、
    上記磁束切替モーターに対する第一速度範囲を規定する工程と、
    上記磁束切替モーターに対する第二速度範囲を規定する工程と、
    上記第一速度範囲中に上記磁束切替モーターに複数の作動電気整流パルスを供給する工程とを含み、
    上記作動電気整流パルスのそれぞれは、所定の負荷サイクルを有するパルス幅変調（ＰＷＭ）整流信号を含み、
    上記ＰＷＭ整流信号がさらに、第一所定時間エンベロープに基づいて供給され、各作動電気整流パルスの周期の全長が制御され、
    上記第一所定時間エンベロープを改変して第二所定時間エンベロープを生成し、各作動電気整流パルスの周期の全長を改変する工程をさらに含む磁束切替モーターの整流方法。
28. 上記第一および第二所定時間エンベロープは、上記磁束切替モーターの速度を示すモーター速度信号に対して生成される、請求項２７に記載の方法。
29. 上記第二所定時間エンベロープは、上記第一所定時間エンベロープよりも短い持続期間を有する、請求項２７に記載の方法。
30. 上記ＰＷＭ整流信号の所定負荷サイクルは、上記第二速度範囲中に改変される、請求項２７に記載の方法。
31. 磁束切替モーターの整流方法であって、
    磁束切替モーターの速度を検知する工程と、
    上記磁束切替モーターを整流するために上記磁束切替モーターに供給される複数の作動整流パルスを含む整流信号を生成し、上記作動整流パルスのそれぞれがパルス幅変調（ＰＷＭ）信号を含む工程と、
    非回転状態から上記磁束切替モーターが定格モーター速度で動作する状態に速度を増加する上記モーターに供給される電力をさらに制御するために、上記検知されたモーター速度に基づいて上記磁束切替モーターへ上記作動整流パルスのそれぞれが供給される間に、時間エンベロープを改変する工程とを含む磁束切替モーターの整流方法。
32. 上記時間エンベロープは、上記磁束切替モーターの上記モーター速度が増加すると低減される、請求項３１に記載の方法。
33. 上記ＰＷＭ信号の負荷サイクルは、磁束切替モーターの上記モーター速度が増加する場合に改変される、請求項３１に記載の方法。
34. 上記磁束切替モーターが所定のモーター速度に達すると、上記時間エンベロープに基づいて、上記ＰＷＭ信号の供給が止められ、単一の作動パルスが供給される、請求項３１に記載の方法。
35. 非回転状態から所定の動作速度まで電動モーターを整流する方法であって、
    上記モーターのモーター速度を検知する工程と、
    所定負荷サイクルを有するパルス幅変調（ＰＷＭ）信号をそれぞれに含む複数の作動パルスを含むパルスされた作動電気整流信号を、上記電動モーターを整流するために供給する工程と、
    上記モーター速度が増加するに従って上記モーターに送られる電力量が変化するように、各作動パルスの時間エンベロープを改変することにより上記作動パルスをさらに制御する工程とを含む電動モーターの整流方法。
36. 上記検知されたモーター速度に基づいて上記所定負荷サイクルを改変し、上記所定負荷サイクルのパーセンテージは、上記モーター速度が増加するに従って増加する工程をさらに含む、請求項３５に記載の方法。
37. 所定の検知されたモーター速度において上記ＰＷＭ信号の生成を停止する工程および上記時間エンベロープに応じた周期をそれぞれ有する複数のシングルパルスを使用する工程をさらに含む、請求項３５に記載の方法。
38. 電動工具をオンおよびオフにするために使用者により係合可能なオン／オフスイッチと、
    界磁巻線および電機子巻線を有する磁束切替モーターと、
    励磁回路とを備え、
    上記励磁回路は、ＡＣ入力信号を受け、整流したＡＣ信号を一対のＤＣバスラインに生成する整流回路と、
    上記ＤＣバスラインに接続され、複数の切替要素を有し、上記電機子巻線が選択された複数の上記切替要素の間に接続されたＨブリッジ切替回路と、
    上記ＤＣバスラインに交差して結合され、かつ上記切替回路に交差して結合された電機子回収コンデンサと、
    上記オン／オフスイッチの動作に応答して、上記Ｈブリッジ切替回路を制御するパルス幅変調信号を生成し、上記モーターを整流するために選択された上記切替要素のオン／オフ切替を制御するコントローラーとを備え、
    上記Ｈブリッジ切替回路は、上記モーターの動作の始動段階において、上記電機子巻線を通る電機子電流の再循環を可能にする複数のバイパス素子を含む電動工具。
39. 上記ＡＣ信号が上記電動工具へ最初に供給されたときに、上記オン／オフスイッチが上記使用者により作動位置に維持されているか否かを検出し、上記切替モーターの始動を防止する検出回路をさらに備える、請求項３８に記載の電動工具。
40. 上記検出回路はラッチ回路を含み、上記ＡＣ信号が上記電動工具へ最初に供給された後、いつ上記オン／オフスイッチが解放されたかを上記ラッチ回路が検出し、その後上記電動工具を作動可能にする、請求項３９に記載の電動工具。
41. 上記Ｈブリッジ切替回路は駆動回路をさらに含み、上記コントローラーの動作から独立して上記Ｈブリッジ切替回路を制御するために、上記ラッチ回路が出力信号を上記駆動回路に供給する、請求項３９に記載の電動工具。
42. 工具をオン状態またはオフ状態におく、使用者により係合可能なオン／オフスイッチと、
    界磁巻線および電機子巻線を有する磁束切替モーターとを備えた電動工具であって、
    上記励磁回路が、ＡＣ入力信号を受け、整流したＡＣ信号を一対のＤＣバスラインに生成する整流回路と、
    上記ＤＣバスラインに接続され、複数の切替要素を有し、上記電機子巻線が複数の選択された上記切替要素の間に接続されたＨブリッジ切替回路と、
    上記ＤＣバスラインに交差して結合され、かつ上記切替回路に交差して結合された電機子回収コンデンサと、
    上記Ｈブリッジ切替回路を制御する切替信号を生成し、選択された上記切替要素を制御するパルス幅変調（ＰＷＭ）信号を生成するコントローラーとを有し、
    上記電動工具が、上記使用者が上記オン／オフスイッチをオン位置にしたまま上記ＡＣ入力信号が上記電動工具に最初に供給された場合、上記オン／オフスイッチの位置に応じて、上記電動工具の作動を防止する検出回路をさらに備える、電動工具。
43. 上記検出回路は、上記オン／オフスイッチに応答して、上記コントローラーから独立した上記Ｈブリッジ切替回路の動作を可能にするラッチ回路を含む、請求項４２に記載の電動工具。
44. 上記Ｈブリッジ切替回路が、上記モーターの動作の始動段階において、上記電機子巻線を通る電気子電流の再循環を可能にする複数のバイパス素子をさらに含む、請求項４２に記載の装置。

Images