JP2014143777A

JP2014143777A - モータ制御回路

Info

Publication number: JP2014143777A
Application number: JP2013009052A
Authority: JP
Inventors: Motohiro Omura; 翔洋大村
Original assignee: Makita Corp
Current assignee: Makita Corp
Priority date: 2013-01-22
Filing date: 2013-01-22
Publication date: 2014-08-07
Also published as: CN103944483A; DE102014000751A1; DE102014000751B4; US20140203745A1; US9287810B2

Abstract

【課題】本発明は、モータ制御回路の温度監視を温度検出素子で正確、かつ効率的に行えるようにすることを目的とする。
【解決手段】本発明に係るモータ制御回路は、モータ電流を制御するスイッチング素子３５（ＦＥＴ７）と、モータ電流を検出するために使用される電流検出素子４３とが直列に接続されたモータ制御回路であって、ＦＥＴ７と電流検出素子４３との電気的な接続部位に温度検出素子５２の一方の端子５２ｓが電気的に接続されており、その温度検出素子５２の他方の端子５２ｅが温度検出回路５０に電気的に接続されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、モータ電流を制御するスイッチング素子と、モータ電流を検出するために使用される電流検出素子とが直列に接続されたモータ制御回路に関する。

これに関連するモータ制御回路が特許文献１に記載されている。
前記モータ制御回路は、打込機のモータの駆動に使用される電気回路であり、図６（Ａ）に示すように、ＦＥＴ１０１を備えている。ＦＥＴ１０１は、モータ電流を制御するスイッチング素子であり、ドレイン端子（Ｄ）がモータ（図示省略）に接続されて、ソース端子ＳがアースＥに接続されている。また、ＦＥＴ１０１のゲート端子（Ｇ）に制御部（図示省略）からの駆動信号が入力されるようになっている。
また、ＦＥＴ１０１のソース端子Ｓには、図６（Ａ）、図７に示すように、アースＥを介して温度検出素子であるサーミスタ１０３の一方の端子が接続されている。そして、サーミスタ１０３の他方の端子が温度検出回路１０４（図６（Ａ）参照）に接続されている。ここで、サーミスタ１０３は、温度変化により電気抵抗が変化する素子であり、温度検出回路１０４はサーミスタ１０３の端子間に発生する電圧に基づいて温度を検出する。このため、サーミスタ１０３の一方の端子は、一般的にアースＥに接続されている。
上記構成により、ＦＥＴ１０１のソース端子ＳからアースＥ等の導体、及びサーミスタ１０３の一方の端子を介してサーミスタ１０３に伝えられたＦＥＴ１０１の温度が前記サーミスタ１０３で検出できるようになる。

特開２００８−６８３５７号公報

上記したモータ制御回路においてモータ電流を検出する場合には、図６（Ｂ）に示すように、ＦＥＴ１０１のソース端子ＳとアースＥの間にシャント抵抗１０５を介在させることが一般的に行われる。このようなモータ制御回路において、サーミスタ１０３の一方の端子をアースＥに接続すると、ＦＥＴ１０１の温度がシャント抵抗１０５を介してサーミスタ１０３に伝わるようになる。このため、ＦＥＴ１０１の温度をサーミスタ１０３で正確に測れなくなるおそれがある。

本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであり、本発明が解決しようとする課題は、モータ制御回路の温度監視を温度検出素子で正確、かつ効率的に行えるようにすることである。

上記した課題は、各請求項の発明によって解決される。
請求項１の発明は、モータ電流を制御するスイッチング素子と、モータ電流を検出するために使用される電流検出素子とが直列に接続されたモータ制御回路であって、前記スイッチング素子と電流検出素子との電気的な接続部位に温度検出素子の一方の端子が電気的に接続されており、その温度検出素子の他方の端子が温度検出回路に電気的に接続されていることを特徴とする。

本発明によると、スイッチング素子と電流検出素子との電気的な接続部位に温度検出素子の一方の端子が電気的に接続されており、その温度検出素子の他方の端子が温度検出回路に電気的に接続されている。このため、温度検出素子の一方の端子を伝って伝達されるスイッチング素子の温度、あるいは電流検出素子の温度のうちで高い方の温度を正確に測定できるようになる。したがって、一台の温度検出素子でモータ制御回路の温度監視を効率的に行えるようになる。
ここで、温度検出素子の一方の端子は電流検出素子を介して、例えば、アース端子に接続されるようになるが、電流検出素子の電気抵抗はサーミスタ等の温度検出素子の電気抵抗と比較して微小であるため、電流検出素子の電気抵抗に起因する温度検出素子の温度測定誤差は微小である。

請求項２の発明によると、温度検出素子の一方の端子は、回路基板上に形成された銅箔ベタパターンにハンダ付けされており、前記銅箔ベタパターンにおいて最も幅が狭い部位の幅寸法が前記温度検出素子の端子の幅寸法よりも大きく設定されていることを特徴とする。
このため、スイッチング素子の熱、及び電流検出素子の熱は、銅箔ベタパターンを介して温度検出素子に伝わるようになり、温度測定効率が向上する。

請求項３の発明によると、スイッチング素子と電流検出素子とは直流電源に接続されることを特徴とする。
請求項４の発明によると、スイッチング素子と電流検出素子とは交流電源に接続されることを特徴とする。

請求項５の発明は、温度検出回路から出力された温度信号が規定値を超えたときに、モータ電流をゼロ、あるいは減少させるようにスイッチング素子を制御することを特徴とする。
このため、スイッチング素子等の破損を防止できるようになる。

本発明によると、モータ制御回路の温度監視を温度検出素子で正確、かつ効率的に行えるようになる。

本発明の実施形態１に係るモータ制御回路の全体ブロック図である。前記モータ制御回路における温度検出素子の部分を表す回路図である。前記モータ制御回路における温度検出素子の部分を表す回路基板の平面図である。前記モータ制御回路の動作フローチャートである。本発明の変更例に係るモータ制御回路の全体ブロック図である。従来のモータ制御回路における温度検出素子の部分を表す回路図（Ａ図）（Ｂ図）である。従来のモータ制御回路における回路基板の平面図である。

［実施形態１］
以下、図１から図５に基づいて、本発明の実施形態１に係るモータ制御回路について説明する。
＜モータ制御回路１０の概要について＞
モータ制御回路１０は、電動工具のＤＣブラシレスモータ２０（以下、モータ２０という）を駆動させるための電気回路である。モータ制御回路１０は、図１に示すように、バッテリ電源１２の電圧を検出する電圧検出回路１４と、モータ２０の回転を制御する三相ブリッジ回路３０と、モータ電流を検出する電流検出回路４０と、温度検出回路５０と、モータ２０の回転子（図示省略）の回転位置を検出するロータ位置検出回路６０と、前記三相ブリッジ回路３０を動作させる制御部７０とを備えている。

前記三相ブリッジ回路３０は、モータ２０の回転制御に使用される６台の回転制御用スイッチング素子３４と、モータ２０を停止させるための１台の停止制御用スイッチング素子３５とから構成されている。また、三相ブリッジ回路３０は、三本（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）の出力線３１を備えており、それらの出力線３１がモータ２０の固定子（図示省略）に設けられた対応する駆動コイル２５（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）に接続されている。
ここで、三相ブリッジ回路３０の回転制御用スイッチング素子３４と停止制御用スイッチング素子３５としては、例えば、電界効果型トランジスタ（ＦＥＴ）が使用される。このため、以下の説明では、回転制御用スイッチング素子３４をＦＥＴ１〜６、停止制御用スイッチング素子３５をＦＥＴ７で表すことにする。

電流検出回路４０は、ＦＥＴ７のソース端子Ｓ（図２参照）とアースＥ間に電気的に接続されたシャント抵抗４３を備えており、電圧信号に変換されたモータ電流値を制御部７０に伝送できるように構成されている。
温度検出回路５０は、後記するように、サーミスタ５２によりＦＥＴ７、あるいはシャント抵抗４３等の温度を検出するための回路であり、温度信号を制御部７０に伝送できるように構成されている。
ロータ位置検出回路６０は、円周方向に120°間隔で配置されたモータ２０の三台の磁気センサ２３からの信号に基づいて回転子（図示省略）の回転位置を検出する回路であり、前記回転子の回転位置信号を制御部７０に伝送できるように構成されている。
制御部７０は、電動工具のトリガ形式の操作スイッチ１８とロータ位置検出回路６０からの信号に基づいて三相ブリッジ回路３０のＦＥＴ１〜６を駆動させ、モータ２０の回転制御を行えるように構成されている。また、制御部７０は、電流検出回路４０のモータ電流信号、あるいは温度検出回路５０からの温度信号が許容値を超えた場合に三相ブリッジ回路３０のＦＥＴ７をオフ動作させて、モータ２０を停止させられるように構成されている。

＜温度検出回路５０のサーミスタ５２の接続について＞
温度検出回路５０のサーミスタ５２は、電気抵抗が温度で変化することを利用して温度の検出を行う温度検出素子である。
サーミスタ５２の一方の端子５２ｓは、図２（図１の詳細図）に示すように、ＦＥＴ７のソース端子Ｓと電流検出回路４０のシャント抵抗４３との電気的な接続部位に接続されている。
また、サーミスタ５２の他方の端子５２ｅは、温度検出回路５０と基準抵抗５５の一端に接続されている。そして、基準抵抗５５の他端が定電圧電源Ｖｃｃに接続されている。ここで、基準抵抗５５は、サーミスタ５２の抵抗値にあわせ適切な抵抗値に設定されている。
一般的に、サーミスタ５２の端子間電圧は、Ｖｃｃ×（サーミスタ抵抗値）÷（サーミスタ抵抗値＋基準抵抗５５）で表される。したがって、サーミスタ５２の端子間電圧により温度を検出できるようになる。
しかし、上記したように、サーミスタ５２の一方の端子５２ｓは、ＦＥＴ７のソース端子Ｓと電流検出回路４０のシャント抵抗４３との電気的な接続部位に接続されている。即ち、一般的な温度検出回路のように、サーミスタ５２の一方の端子５２ｓがアースＥに接続される構成ではない。このため、サーミスタ５２の一方の端子５２ｓがアースＥに接続されている場合と比較して、シャント抵抗４３の抵抗値分だけ温度測定誤差が発生する。しかし、サーミスタ５２の抵抗値は、シャント抵抗４３の抵抗値と比べて十分に大きいため、温度測定誤差（温度にして約1℃）は無視することが可能である。

＜モータ制御回路１０の電気回路基板８０等について＞
モータ制御回路１０は、電気回路基板８０（図３参照）の表面に形成された導体８２にＦＥＴ１〜７、シャント抵抗４３等の各素子をハンダ等により電気的に接続することにより構成される。ここで、電気回路基板８０の導体８２としては、銅箔ベタパターンが好適に使用される。
例えば、モータ制御回路１０の電流検出回路４０を構成するシャント抵抗４３は、図２、図３に示すように、一方の端子４３ｅがアースＥとなる導体８２ｅに接続される。また、シャント抵抗４３の他方の端子４３ｓは、ＦＥＴ７のソース端子Ｓが接続されている導体８２ｓに接続される。さらに、ＦＥＴ７のドレイン端子ＤがＦＥＴ４〜６のソース端子Ｓが接続されている導体８２ｄに接続され、ゲート端子Ｇが導体８２ｆ（図３参照）に接続される。そして、サーミスタ５２の一方の端子５２ｓがＦＥＴ７のソース端子Ｓとシャント抵抗４３の他方の端子４３ｓとが接続されている導体８２ｓに接続される。また、サーミスタ５２の他方の端子５２ｅは、リード線８４によって温度検出回路５０に接続される。

＜サーミスタ５２の一方の端子５２ｓが接続される導体８２ｓについて＞
サーミスタ５２の一端５２ｓが接続される導体８２ｓ（銅箔ベタパターン）は、図３に示すように、横棒部分と縦棒部分（点線参照）とから略Ｔ字形に形成されている。
導体８２ｓの横棒部分には、左側から順番に先端部Ａ、中間部Ｂ、及び基端部Ｃが設けられており、先端部Ａが最も幅狭に形成されている。そして、中間部Ｂの幅寸法が基端部Ｃ側に近づくにつれて徐々に増加し、前記基端部Ｃの幅寸法が最大に設定されている。
さらに、導体８２ｓ（横棒部分）の先端部Ａの幅寸法は、サーミスタ５２の端子５２ｓの幅寸法の２倍以上に設定されており、その先端部Ａにサーミスタ５２の一方の端子５２ｓが接続されている。また、導体８２ｓ（横棒部分）の基端部Ｃの端縁に沿ってシャント抵抗４３の他方の端子４３ｓが接続されている。そして、導体８２ｓの縦棒部分の位置でシャント抵抗４３と向かい合うようにＦＥＴ７のソース端子Ｓが接続されている。

このため、ＦＥＴ７の熱、及びシャント抵抗４３の熱は、導体８２ｓ（横棒部分）の幅広の基端部Ｃから中間部Ｂを介して先端部Ａに伝わり、その先端部Ａからサーミスタ５２の一方の端子５２ｓに伝わるようになる。これにより、サーミスタ５２の一方の端子５２ｓを伝ってサーミスタ５２に伝達されるＦＥＴ７の温度、あるいはシャント抵抗４３の温度のうちで高い方の温度を正確に測定できるようになる。
即ち、サーミスタ５２が本発明の温度検出素子に相当し、シャント抵抗４３が本発明の電流検出素子に相当し、導体８２ｓが本発明の銅箔ベタパターンに相当するようになる。

＜温度検出回路５０に基づくモータ２０の制御動作について＞
次に、温度検出回路５０に基づくモータ２０の制御動作について説明する。温度検出回路５０に基づくモータ２０の制御は、図４に示すフローチャーとに基づいて実行される。ここで、図４に示すフローチャーの処理は、モータ制御回路１０の制御部７０におけるマイコンのメモリに格納されたプログラムに基づいて所定時間毎に繰り返し実行される。
先ず、電動工具の操作スイッチ１８が引き操作されてモータ２０が駆動されると、サーミスタ５２によりＦＥＴ７、あるいはシャント抵抗４３の温度が検出される（ステップＳ１０１参照）。そして、サーミスタ５２により検出された温度が規定値（閾値）を超えているか、あるいは規定値（閾値）以下かが判定される（ステップＳ１０２）。そして、前記温度が規定値（閾値）以下の場合には（ステップＳ１０２ＹＥＳ）、ＦＥＴ７をオン状態に保持してモータ２０の駆動を継続する（ステップＳ１０３）。また、前記温度が規定値（閾値）を超えている場合には（ステップＳ１０２ＮＯ）、ＦＥＴ７をオフしてモータ２０を停止する（ステップＳ１０４）。これにより、ＦＥＴ７、あるいはシャント抵抗４３の破損を防止できるようになる。

＜本実施形態に係るモータ制御回路１０の長所について＞
本実施形態に係るモータ制御回路１０によると、ＦＥＴ７とシャント抵抗４３との電気的な接続部位にサーミスタ５２の一方の端子５２ｓが電気的に接続されており、そのサーミスタ５２の他方の端子５２ｅが温度検出回路５０に電気的に接続されている。このため、サーミスタ５２の一方の端子５２ｓを伝って伝達されるＦＥＴ７の温度、あるいはシャント抵抗４３の温度のうちで高い方の温度を正確に測定できるようになる。したがって、一台のサーミスタ５２でモータ制御回路１０の温度監視を効率的に行えるようになる。
ここで、サーミスタ５２の一方の端子５２ｓはシャント抵抗４３を介して、アース端子Ｅに接続されるようになるが、シャント抵抗４３の電気抵抗はサーミスタ５２の電気抵抗と比較して微小であるため、シャント抵抗４３の電気抵抗に起因するサーミスタ５２の温度測定誤差は微小である。
また、ＦＥＴ７の熱、及びシャント抵抗４３の熱は、導体８２ｓ（銅箔ベタパターン）の幅広の基端部Ｃから中間部Ｂを介して幅狭の先端部Ａに伝わり、その先端部Ａからサーミスタ５２に伝わるようになる。したがって、ＦＥＴ７等の熱を効果的に導体８２ｓの先端部Ａ、及びサーミスタ５２の端子５２ｓに集められるようになり、温度測定効率が向上する。

＜変更例＞
ここで、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における変更が可能である。例えば、本実施形態では、温度検出素子としてサーミスタ５２を例示した。しかし、順方向の電圧が温度に依存するダイオードを温度検出素子として使用することも可能である。
また、本実施形態では、スイッチング素子としてＦＥＴを例示したが、ＦＥＴの代わりにパワートランジスタ等を使用することも可能である。
また、本実施形態では、ＤＣブラシレスモータ２０のモータ制御回路１０について説明したが、図５に示すように、交流電源９１により駆動されるモータ制御回路９０に本発明を適用することも可能である。

即ち、モータ制御回路９０では、電源スイッチ９２、モータ９４、双方向サイリスタ９６、及びシャント抵抗９８が直列に接続されている。そして、双方向サイリスタ９６とシャント抵抗９８との電気的な接続部位にサーミスタ９７の一方の端子９７ｓが電気的に接続されている。また、サーミスタ９７の他方の端子９７ｅが制御部９９に内蔵された温度検出回路（図示省略）に接続されている。これにより、サーミスタ９７の一方の端子９７ｓを伝って伝達される双方向サイリスタ９６の温度、あるいはシャント抵抗９８の温度のうちで高い方の温度を正確に測定できるようになる。したがって、一台のサーミスタ９７でモータ制御回路９０の温度監視を効率的に行えるようになる。
ここで、モータ制御回路９０において双方向サイリスタ９６を使用する例を示したが、双方向サイリスタ９６の代わりにサイリスタ、ＩＧＢＴ、ＭＯＳ−ＦＥＴ等を使用することができる。

また、本実施形態では、サーミスタ５２により検出された温度が規定値（閾値）を超えている場合にはＦＥＴ７をオフしてモータ２０を停止する例を示した。しかし、モータ２０を停止せずに、モータ電流を減少させるように制御することも可能である。
また、ＦＥＴ７の代わりに双方向サイリスタ９６、ＩＧＢＴ、パワートランジスタを使用して同様の制御を行うことも可能である。

１０・・・モータ制御回路
１４・・・電圧検出回路
１８・・・操作スイッチ
２０・・・ＤＣブラシレスモータ（モータ）
３４・・・回転制御用スイッチング素子（ＦＥＴ１〜６）
３５・・・停止制御用スイッチング素子（ＦＥＴ７）
４３・・・シャント抵抗（電流検出素子）
５２・・・サーミスタ（温度検出素子）
７０・・・制御部
８２ｓ・・導体（銅箔ベタパターン）
９４・・・モータ
９６・・・双方向サイリスタ（スイッチング素子）
９７・・・サーミスタ（温度検出素子）
９８・・・シャント抵抗（電流検出素子）

Claims

モータ電流を制御するスイッチング素子と、モータ電流を検出するために使用される電流検出素子とが直列に接続されたモータ制御回路であって、
前記スイッチング素子と電流検出素子との電気的な接続部位に温度検出素子の一方の端子が電気的に接続されており、その温度検出素子の他方の端子が温度検出回路に電気的に接続されていることを特徴とするモータ制御回路。
請求項１に記載されたモータ制御回路であって、
前記温度検出素子の一方の端子は、回路基板上に形成された銅箔ベタパターンにハンダ付けされており、
前記銅箔ベタパターンにおいて最も幅が狭い部位の幅寸法が前記温度検出素子の端子の幅寸法よりも大きく設定されていることを特徴とするモータ制御回路。
請求項１又は請求項２のいずれかに記載されたモータ制御回路であって、
前記スイッチング素子と電流検出素子とは直流電源に接続されることを特徴とするモータ制御回路。
請求項１又は請求項２のいずれかに記載されたモータ制御回路であって、
前記スイッチング素子と電流検出素子とは交流電源に接続されることを特徴とするモータ制御回路。
請求項１から請求項４のいずれかに記載されたモータ制御回路であって、
前記温度検出回路から出力された温度信号が規定値を超えたときに、モータ電流をゼロ、あるいは減少させるように前記スイッチング素子を制御することを特徴とするモータ制御回路。