JP2010200466A

JP2010200466A - 電動機器

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Publication number: JP2010200466A
Application number: JP2009041537A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Miyazaki; 博宮崎; Sunao Arimura; 直有村
Original assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2009-02-24
Filing date: 2009-02-24
Publication date: 2010-09-09
Anticipated expiration: 2029-02-24
Also published as: JP5320106B2

Abstract

【課題】正回転、逆回転ともに最適な進角で転流制御可能であって、且つ急激な負荷変動にも対応可能な電動機器を提供する。
【解決手段】電動機器Ａは、モータ１と、モータ１の回転方向を切り替えるための切替スイッチ６と、切替スイッチ６からの切替信号に応じて正転信号または逆転信号を出力する制御回路３と、制御回路３からの正転信号または逆転信号に応じてモータ１を正転または逆転させる駆動回路２と、モータ１のロータ位置を検出し、検出したロータ位置に対応するセンサ信号を制御回路３に出力するロータ位置検出センサ５とを備える。制御回路３は、センサ信号に応じてモータ１の各コイルへの転流パターンを決定するとともに、決定した転流パターンで進角制御を行うのであるが、センサ信号が入力された後、このセンサ信号に対応する転流までの間に次のセンサ信号が入力された場合、進角を０°にするとともに次のセンサ信号に対応する転流を実行する。
【選択図】図１

Description

本発明は、電動機器に関するものである。

ブラシレスモータを動力源とする電動機器が従来から提供されているが、このようなブラシレスモータでは、モータコイルの抵抗とインダクタンスによる電流の遅れを補うために、進角制御が一般的に行われる（例えば特許文献１参照）。この進角制御は、各相コイルに流れる電流の転流タイミングを早めることで上記電流の遅れを補ったものであり、上記の特許文献１では、モータのロータ位置を検出するセンサからのエッジ入力に基づいて転流タイミングを決定している。

ここで、低負荷から定格負荷付近で上記のブラシレスモータを高速回転させている場合には、進角制御を行うことでモータ効率が向上するが、モータ始動時や停動トルク付近で上記のブラシレスモータを低速回転させている場合には、進角制御を行うことで逆にモータ効率が低下するため、ブラシレスモータを動力源とする電動機器では、モータ始動時や回転数が低下したときは進角を０°にして進角制御は行わず、回転数が高いときにのみ進角制御を行うのが好ましい。

また、進角制御を行うために、巻線に対するセンサの位置を機械的にずらして配置したものも提供されている（例えば特許文献２参照）。

特開平７−１８４３８４号公報（段落［０００２］−段落［０００７］、及び、第６図）特開２００７−２７６０４２号公報（特に段落［００２３］、及び、第３図）

上述の前者の特許文献１に示した進角制御方法では、センサによりロータ位置を検出してから次の転流までの時間は、過去のモータの回転数に基づいて算出した時間であるから、負荷変動が比較的少ない機器では問題ないが、電動工具（例えばドリルドライバなど）のように負荷変動の大きい機器では問題が生じる場合がある。例えば、負荷が大きくなることで速度が小さくなった後、急激に負荷が小さくなることで速度が急激に大きくなった場合には、センサによりロータ位置を検出してから次の転流までの時間は、速度が小さい（すなわち負荷が大きい）ときのモータの回転数に基づいて算出したものであるから、比較的長い時間に設定されるが、実際には急激に負荷が小さくなることで速度が急激に大きくなっているため、上記設定時間が経過する前に次のロータ位置が検出されてしまい、その結果、転流制御が正常に行えない可能性があった。

また、後者の特許文献２に示した電動工具では、正回転、逆回転ともに３０°位相を進めた進角制御が可能であるが、位相が機械的に固定されているため、モータの低回転時も３０°の進角で駆動されることになり、その結果、モータ始動時や停動トルク付近では効率が低下してしまうものであった。さらに、正回転時と逆回転時に同じ性能を出そうとすると、巻線に対するセンサの角度を３０°に設定する必要があり、そのためモータの最適な進角が選べず、結果的に最適な進角で制御できなかった。また、例えば正転側の進角を最適な進角（例えば３５°）に設定すると、逆転側の進角は６０°−３５°＝２５°となり、この場合逆回転時には最適な進角で制御できなかった。

本発明は上記問題点に鑑みて為されたものであり、その目的とするところは、正回転、逆回転ともに最適な進角で転流制御可能であって、且つ急激な負荷変動にも対応可能な電動機器を提供することにある。

請求項１の発明は、ブラシレスモータと、当該ブラシレスモータの回転方向を切り替えるための切替手段と、当該切替手段からの切替信号に応じて正転信号または逆転信号を出力する演算手段と、当該演算手段からの正転信号または逆転信号に応じてブラシレスモータを正転または逆転させるモータ駆動手段と、ブラシレスモータのロータ位置を検出し、検出したロータ位置に対応する位置信号を演算手段に出力する位置検知手段とを備え、演算手段が、位置検知手段からの位置信号に応じてブラシレスモータの各コイルへの転流パターンを決定するとともに、決定した転流パターンで進角制御を行う電動機器において、演算手段は、位置検知手段からの位置信号が入力された後、当該位置信号に対応する転流までの間に次の位置信号が入力された場合には、先の位置信号に対応する転流は行わないで後の位置信号に対応する転流を行い、且つ当該転流に対して進角制御を行わないように進角を０°に設定することを特徴とする。

請求項２の発明は、演算手段は、進角制御を停止させた後であって、位置検知手段からの位置信号が入力された後、次の位置信号が入力される前に先の位置信号に対応する転流タイミングが来た場合には、進角制御を再開することを特徴とする。

請求項３の発明は、持ち運びが可能な機器本体に、ブラシレスモータと切替手段と演算手段とモータ駆動手段と位置検知手段とを収納してなる電動工具であることを特徴とする。

請求項１の発明によれば、位置検知手段からの位置信号に基づいて進角制御を行っているので、正回転、逆回転ともに最適な進角で転流を行うことができ、また例えば急激な負荷変動によってモータの回転速度が急激に増加し、先の位置信号に対応する転流を行う前に次の位置信号が入力された場合でも、先の位置信号に対応する転流は行わないで後の位置信号に対応する転流を行い、且つこの転流に対して進角制御を行わないように進角を０°に設定することで、急激な負荷変動にも対応可能な電動機器を実現することができるという効果がある。

請求項２の発明によれば、負荷変動が比較的少ない場合には、モータの低回転時は進角を０°に設定して転流を行い、モータの高回転時は進角制御した上で転流を行うので、低回転域から高回転域にかけてモータ効率を向上させた電動機器を提供することができるという効果がある。

電動工具は負荷変動が大きく、正回転、逆回転の両方の回転駆動が必要であるが、請求項３の発明によれば、負荷変動および上記両回転に対応可能な効率のよい電動工具を実現することができるという効果がある。

本実施形態の電動機器の概略ブロック図である。同上の駆動回路の回路図である。（ａ）は同上の駆動回路の各スイッチング素子に供給される信号の状態を示す表であり、（ｂ）は同上の駆動回路の各スイッチング素子の動作状態を示す状態図である。（ａ）〜（ｃ）は同上の動作を説明するためのフローチャートである。同上の動作を説明するためのタイミングチャートである。同上の進角制御を説明するためのタイミングチャートである。同上において負荷変動が生じた場合の進角制御を説明するためのタイミングチャートである。

本発明に係る電動機器の実施形態を図１〜図７に基づいて説明する。本発明に係る電動機器は、例えばドリルドライバなどの負荷変動の大きい電動工具であって、ねじなどを締め付けるために用いられるものである。

本実施形態の電動機器Ａは、図１に示すように、先端に取り付けられたビット（図示せず）を正転または逆転させるモータ１と、モータ１の回転方向を切り替えるための切替スイッチ（切替手段）６と、切替スイッチ６からの切替信号に応じて正転信号または逆転信号（駆動信号）を出力する制御回路（演算手段）３と、制御回路３からの正転信号または逆転信号に応じてモータ１を正転または逆転させる駆動回路（モータ駆動手段）２と、モータ１のロータ位置を検出し、検出したロータ位置に対応する位置信号（センサ信号）を制御回路３に出力するロータ位置検出センサ５と、モータ１の回転速度を決定するための速度信号を制御回路３に出力するトリガスイッチ４とを備えている。なお、本実施形態では、上記のモータ１、切替スイッチ６、制御回路３、駆動回路２およびロータ位置検出センサ５が持ち運び可能な機器本体（図示せず）に収納されている。

モータ１は、例えば３相のブラシレスモータであって、図２に示すようにスター結線されたＵ相コイル１１、Ｖ相コイル１２およびＷ相コイル１３を備えている。各相コイル１１〜１３には、それぞれ対応する形でロータ位置検出センサ５が設けられており、各ロータ位置検出センサ５は、それぞれ検出したロータ位置に対応するセンサ信号を制御回路３に対して出力する。そして、各相コイル１１〜１３に流れる電流を順次転流させることによって、内蔵するロータ（図示せず）が回転するように構成されている。ここに、上記の各ロータ位置検出センサ５はそれぞれ６０°間隔で配置されており、本実施形態では、これら３個のロータ位置検出センサ５により位置検知手段が構成されている。

トリガスイッチ４は、使用者がモータ１の回転速度を調整する際に操作するトリガ（図示せず）に連動する形で設けられており、このトリガの引込量に応じた速度信号を制御回路３に出力する。つまり、モータ１は、制御回路３に入力された速度信号に応じて回転速度が決定されるのである。

切替スイッチ６は、モータ１の回転方向を切り替えるためのスイッチであって、切り替えられた回転方向（つまり正転方向または逆転方向）に対応する切替信号を制御回路３に対して出力する。

ここで、本実施形態では、３相のブラシレスモータからなるモータ１を用いているため、駆動回路２は図２に示すような回路構成になる。電源（図示せず）の両端子にそれぞれ接続された電源端子２２と接地端子２３との間には、ＦＥＴ（電界効果トランジスタ）２４，２５の直列回路が接続され、ＦＥＴ２４とＦＥＴ２５の接続点には出力端子２１を介してＵ相コイル１１の一端が接続されている。また、電源端子２２と接地端子２３との間には、同様にＦＥＴ２６，２７の直列回路が接続されるとともに、ＦＥＴ２８，２９の直列回路が接続されており、さらにＦＥＴ２６とＦＥＴ２７の接続点には出力端子２１を介してＶ相コイル１２の一端が接続され、ＦＥＴ２８とＦＥＴ２９の接続点には出力端子２１を介してＷ相コイル１３の一端が接続されている。そして、各ＦＥＴ２４〜ＦＥＴ２９をオン／オフ制御し、各相コイル１１〜１３に流れる電流を順次転流することで、モータ１を駆動制御している。なお、ＦＥＴ２４〜ＦＥＴ２９のドレイン−ソース間には、逆流防止用のダイオードＤ１〜Ｄ６がそれぞれ接続されている。

制御回路３は、例えばマイクロコンピュータからなり、上述の各ロータ位置検出センサ５からのセンサ信号のエッジ間をカウントするカウンタやタイマなどを備えるとともに、駆動回路２への駆動信号の転流タイミングを決定するための駆動出力用タイマを備えている。そして、上記のトリガスイッチ４、切替スイッチ６およびロータ位置検出センサ５からの各信号に基づいて、駆動信号やＰＷＭ信号を駆動回路２に出力するように構成されている。

ここにおいて、図３（ａ）は各モード（イ）〜（ヘ）に対応してＦＥＴ２４〜ＦＥＴ２９にそれぞれ供給される信号を示し、図３（ｂ）はそのときのＦＥＴ２４〜ＦＥＴ２９の動作状態を示している。そして、モータ１を駆動させる場合には、ＦＥＴ２４〜ＦＥＴ２９のゲートにそれぞれ接続された各端子Ｕ＋，Ｕ−，Ｖ＋，Ｖ−，Ｗ＋，Ｗ−に、制御回路３が各モードにしたがって駆動信号を供給するように転流制御し、この駆動信号をＰＷＭ制御することで各相コイル１１〜１３に通電される電流を制御してモータ１の回転数を制御するように構成されている。なお、上記のモード（イ）〜（ヘ）は、ロータ位置検出センサ５からのセンサ信号に応じて選択される。

次に、本実施形態の電動機器Ａの動作について図４および図５を参照しながら説明する。まず、モータ１の駆動制御を行うためのメインルーチンは図４（ａ）に示すとおりであり、初期設定処理を行い（ステップＳ１）、切替スイッチ６の切替信号を読み取ってモータ１の回転方向を決定する（ステップＳ２）。その後、トリガスイッチ４の速度信号を取り込むとともに取り込んだ速度信号を所定のアルゴリズムにしたがって処理し（ステップＳ３）、入力された速度信号に応じたデューティー比を算出する（ステップＳ４）。そして、モータ１の回転数に応じて進角すべき時間を算出した後（ステップＳ５〜Ｓ９）、モータ１の起動処理を行い（ステップＳ１０）、再びステップＳ３に進む処理が実行される。

ここにおいて、ステップＳ３のボリューム入力処理とは、入力された速度信号を、トリガの引込量に応じた所定のボリューム信号に変換して回路内に取り込む処理であり、次のステップＳ４においてデューティー比を算出するための条件、例えばメモリマップ内に記憶された速度信号に応じたデューティーを算出するためのものである。そして、進角時間の算出は、例えば進角をα°とすると、外部割り込みのタイミング（すなわちセンサ信号の入力タイミング）は電気角６０°であるから、外部割り込みに対して（６０−α）°分の時間を遅らせてタイマ割り込み信号を出力すれば、進角α°の進角制御を行うことができる。そのときの時間をｔ_ｎとすると、

で求められる。

さらに、ステップＳ１０のモータ起動処理とは、モータ１の起動時のみに行われる処理であり、モータ１が所定の回転数を維持している状態ではこの処理は行われず、ステップＳ３に進むことになる。

次に、図４（ｂ）はモータ１の駆動制御における外部割り込み処理であり、ロータ位置検出センサ５からのセンサ信号のエッジをトリガとして本割り込み処理が行われる。ステップＳ１１において入力されたセンサ信号に対して、前回入力されたセンサ信号のカウント値から今回入力されたセンサ信号のカウント値を減算することで、これらのセンサ信号のエッジ間周期が算出され（ステップＳ１３）、さらに駆動出力用タイマをスタートさせた後（ステップＳ１４）、メインルーチンに戻る。

ここにおいて、本実施形態では、外部割り込み処理において上記の駆動出力用タイマがカウント中（すなわち転流待ち状態）か否かが判定され、カウント中でない場合には上記のステップ１３に移行するが、例えばカウント中に次のセンサ信号が入力された場合には、駆動回路２に対してモータ駆動信号およびＰＷＭ信号を出力して即座に転流を行う（ステップＳ１５）。なお、このときの転流パターンは、前回入力されたセンサ信号に対応する転流パターンではなく、今回入力されたセンサ信号に対応する転流パターンである。さらに、現在カウント中の駆動出力用タイマを停止させた後（ステップＳ１６）、進角制御停止フラグをＨに設定するとともに、モータ１の平均回転速度をクリアし（ステップＳ１７）、メインルーチンに戻る。

ここで、メインルーチンのステップＳ５〜Ｓ９において進角時間が算出されるのであるが、まず最初に上記の進角制御停止フラグがＨか否かが判断され（ステップＳ５）、このフラグがＬの場合には進角時間の算出処理が実行される（ステップＳ８）。一方、進角制御停止フラグがＨの場合には、モータ１の平均回転速度が所定値に達しているかが判断され（ステップＳ６）、既に所定値に達している場合には進角制御停止フラグがＬに設定されて（ステップＳ９）、同様に進角時間の算出処理が実行され（ステップＳ８）、まだ所定値に達していない場合には進角が０°に設定される（ステップＳ７）。すなわち、モータ１の平均回転速度が所定値に達していない場合には、転流に際して進角制御は行われず、例えば上述のように前回入力されたセンサ信号に対する転流待ちの状態で次のセンサ信号が入力された場合では、モータ１の平均回転速度はクリアされているため、この場合所定値に達しておらず、進角が０°に設定されることになる。つまり、進角時間は０に設定される。

そして、上記のステップＳ８で算出した進角時間が経過すると、駆動出力用タイマをオフにするとともに、新たな割り込み処理（図４（ｃ）に示すタイマ割り込み）が行われ、モータ駆動信号およびＰＷＭ信号を出力した後（ステップＳ１８）、メインルーチンに戻る。

次に、これら一連の処理について図５を参照しながら説明する。まず、モータ１が上記のモータ起動処理を経て起動すると、３個のロータ位置検出センサ５からのセンサ信号が制御回路３に取り込まれる。通常は、これらのセンサ信号に同期して駆動信号の状態を変化させることで転流を行っているのであるが、各センサ信号の各エッジでどの駆動信号が転流するかは予め定められており、この規則にしたがって転流制御される。そして、前回のセンサ信号のカウント値から今回のセンサ信号のカウント値を減算してセンサ信号のエッジ間周期を算出するとともに、駆動出力用タイマをスタートさせ、この駆動出力用タイマがオフしたときに転流している。例えばセンサ信号ＨＷ（Ｗ相コイル１３に対応するロータ位置検出センサ５からの信号）の立ち上がりエッジで割り込み処理が実行され、エッジ間周期が算出されるとともに駆動出力用タイマがスタートし、この駆動出力用タイマがオフしたときに再度割り込み処理を実行し、そしてこのタイマのオフをもって転流タイミングを決定して駆動信号およびＰＷＭ信号を出力する。

ここで、図６は通常の進角制御時のタイミングチャートであり、例えば時刻ｔ２のときに実行された外部割り込み処理（図４（ｂ）参照）においてスタートさせた駆動出力用タイマがオフすると、時刻ｔ１７（ｔ２＜ｔ１７＜ｔ３）のときに端子Ｖ−への駆動信号がオフされるとともに端子Ｗ−への駆動信号がオンされ、転流制御が実行される。すなわち、各相コイル１１〜１３の抵抗とインダクタンスによる電流の遅れを補うために、進角αに相当する時間だけ転流タイミングを早めているのである。以下同様に、各時刻（すなわちセンサ信号の入力時）に実行された外部割り込み処理においてそれぞれスタートさせた駆動出力用タイマがオフすると転流制御が逐次実行され、その結果、モータ１が駆動制御されるのである。

一方、図７はセンサ信号が入力された後、このセンサ信号に対応する転流までの間に次のセンサ信号が入力されたときのタイミングチャートであり、時刻ｔ１〜時刻ｔ８までは図６と同様であるから説明は省略する。時刻ｔ９のときにセンサ信号が入力されると、このとき時刻ｔ８のときに入力されたセンサ信号に対応する転流はまだ実行されていなため、制御回路３は、時刻ｔ８のときのセンサ信号に対応する転流は行わないで時刻ｔ９のときのセンサ信号に対応する転流を行い、且つこの転流に対して進角制御を行わないように進角を０°に設定して即座に転流を実行する。なお、次のセンサ信号が入力されず、時刻ｔ８のときのセンサ信号に対応する転流が正常に実行される場合には、図中の時刻ｔ１６のときに実行されることになる。ここにおいて、時刻ｔ９のときに上記の進角制御停止フラグはＨに設定され、且つモータ１の平均回転速度がクリアされるため、時刻ｔ１３までは進角が０°に設定され進角制御が停止されることになるが、時刻ｔ１３のときにモータ１の平均回転速度が所定値よりも大きくなることで進角制御停止フラグがＬに設定され、以降時刻ｔ１〜ｔ８までと同様の進角制御が再開されることになる。

而して、本実施形態によれば、ロータ位置検出センサ５からのセンサ信号（位置信号）に基づいて進角制御を行っているので、正回転、逆回転ともに最適な進角で転流を行うことができ、また例えば急激な負荷変動によってモータ１の回転速度が急激に増加し、先のセンサ信号に対応する転流を行う前に次のセンサ信号が入力された場合でも、先のセンサ信号に対応する転流は行わないで後のセンサ信号に対応する転流を行い、且つこの転流に対して進角制御を行わないように進角を０°に設定することで、急激な負荷変動にも対応可能な電動機器Ａを実現することができる。さらに、負荷変動が比較的少ない場合には、モータ１の低回転時は進角を０°に設定して転流を行い、モータ１の高回転時は進角制御した上で転流を行うので、低回転域から高回転域にかけてモータ効率を向上させた電動機器Ａを提供することができる。また、電動工具は負荷変動が大きく、正回転、逆回転の両方の回転駆動が必要であるが、本実施形態によれば、負荷変動および上記両回転に対応可能な効率のよい電動工具を実現することができる。

なお、本実施形態では、電動機器Ａの具体例として電動工具を挙げているが、負荷変動が生じるような機器であれば、他のものであってもよい。また、本実施形態では、機器本体が持ち運びできる大きさの電動工具について説明したが、機器本体が持ち運びできないような大きな電動工具であってもよい。

１モータ（ブラシレスモータ）
２駆動回路（モータ駆動手段）
３制御回路（演算手段）
５ロータ位置検出センサ（位置検知手段）
６切替スイッチ（切替手段）
Ａ電動機器

Claims

ブラシレスモータと、当該ブラシレスモータの回転方向を切り替えるための切替手段と、当該切替手段からの切替信号に応じて正転信号または逆転信号を出力する演算手段と、当該演算手段からの正転信号または逆転信号に応じて前記ブラシレスモータを正転または逆転させるモータ駆動手段と、前記ブラシレスモータのロータ位置を検出し、検出したロータ位置に対応する位置信号を前記演算手段に出力する位置検知手段とを備え、前記演算手段が、前記位置検知手段からの位置信号に応じて前記ブラシレスモータの各コイルへの転流パターンを決定するとともに、決定した転流パターンで進角制御を行う電動機器において、前記演算手段は、前記位置検知手段からの位置信号が入力された後、当該位置信号に対応する転流までの間に次の位置信号が入力された場合には、先の位置信号に対応する転流は行わないで後の位置信号に対応する転流を行い、且つ当該転流に対して進角制御を行わないように進角を０°に設定することを特徴とする電動機器。
前記演算手段は、進角制御を停止させた後であって、前記位置検知手段からの位置信号が入力された後、次の位置信号が入力される前に先の位置信号に対応する転流タイミングが来た場合には、進角制御を再開することを特徴とする請求項１記載の電動機器。
持ち運びが可能な機器本体に、前記ブラシレスモータと切替手段と演算手段とモータ駆動手段と位置検知手段とを収納してなる電動工具であることを特徴とする請求項１または２の何れか１項に記載の電動機器。