JP2015000343A - サーフェス・クリーナー - Google Patents

Abstract

【課題】安定した性能を有するサーフェス・クリーナーを提供する。【解決手段】アジテーターとアジテーターを駆動するモータとを備えたクリーナー・ヘッドを含むサーフェス・クリーナー。このサーフェス・クリーナーは、モータを供給電圧に結合するスイッチと、供給電圧の大きさを測定する電圧センサと、モータを通る電流の大きさを測定する電流センサと、スイッチを制御するＰＷＭ信号を出力するように構成されたコントローラとを更に含む。コントローラは供給電圧の変化に応じて、及びモータを通る電流の変化に応じてＰＷＭ信号のデューティ・サイクルを調節する。【選択図】図７

Description

本発明は、サーフェス・クリーナーに関する。

電気掃除機等のサーフェス・クリーナーは、モータによって駆動されるアジテーターを備えたクリーナー・ヘッドを含み得る。しかし、モータを動かすために使用される供給電圧の変化がモータの性能に影響を与える恐れがあり、この結果、安定したクリーナーの性能が得られないことがある。

本発明は、安定した性能を有するサーフェス・クリーナーを提供する。

本発明はサーフェス・クリーナーを提供するものであり、そのサーフェス・クリーナーは、アジテーターとアジテーターを駆動するモータとを含むクリーナー・ヘッドと、モータを供給電圧に結合するスイッチと、供給電圧の大きさを測定するための電圧センサと、モータを流れる電流の大きさを測定するための電流センサと、スイッチを制御するＰＷＭ信号を出力するように構成されたコントローラとを含み、コントローラは、供給電圧の変化、およびモータ電流の変化に応じて、ＰＷＭ信号のデューティ・サイクルを調節する。

供給電圧およびモータ電流の双方の変化に応じてＰＷＭ信号のデューティ・サイクルを変化させることにより、より安定したモータの性能を達成することが可能となる。所与の負荷について、モータの速度はモータへの入力電圧に比例し得る。従って、供給電圧の変化に応じてＰＷＭ信号のデューティ・サイクルを調節することにより、モータの速度をより良好に制御することが可能となる。特に、コントローラは、異なる供給電圧の範囲に亘って所与の負荷についてモータの速度が一定となるようデューティ・サイクルを調節することができる。モータと直列に接続された電気部品には、抵抗損により電圧降下が生じる。この電圧降下は、モータにかかる負荷の変化に伴って変化するモータ電流の大きさに比例する。従って、モータの入力電圧は負荷の変化に感応的である。モータ電流の変化に応じてＰＷＭ信号のデューティ・サイクルを調節することにより、異なる負荷で作動する際のモータの速度をより良好に制御することが可能となる。特に、コントローラは、異なる供給電圧の範囲に亘って同一のトルク速度曲線が維持されるように、供給電圧およびモータ電流の双方の変化に応じてデューティ・サイクルを調節することができる。

コントローラは、異なる供給電圧の範囲、かつ異なるモータ電流の範囲に亘ってモータへの入力電圧を一定に保つために、ＰＷＭ信号のデューティ・サイクルを調節することができる。その結果、モータの性能が供給電圧の変化に影響を受けることはない。

所与のデューティ・サイクルについて、供給電圧が減少するにつれ、モータへの入力電圧も減少する。従って、コントローラは、供給電圧の減少に応じてデューティ・サイクルを増加させることができる。モータを通る電流が増加するにつれて、モータと直列に接続された部品に起こる電圧降下も増大するため、モータへの入力電圧は減少する。従って、コントローラは、モータ電流の増加に応じてデューティ・サイクルを増加することができる。

スイッチが導通とされている時、直列接続された部品に起こる電圧降下は、モータ電流に比例する。逆にスイッチが遮断とされている時には、直列接続された部品の電圧降下はゼロである。よって、ＰＷＭ信号のそれぞれのサイクルについて平均化された電圧降下は、電流とＰＷＭ信号のデューティ・サイクルとの両方に依存することになり、デューティ・サイクルは供給電圧に依存する。従って、電流の変化に応じてデューティ・サイクルを調節する際、コントローラは、モータ電流の変化だけでなく供給電圧の大きさにも依存した量だけデューティ・サイクルを調節することができる。すなわち、モータ電流の所与の変化に応じて、コントローラは、供給電圧の大きさに依存した量だけデューティ・サイクルを調節することができる。とりわけ、コントローラは、より低い供給電圧に応じてより多くの量のデューティ・サイクルを調節することができる。この結果、異なる供給電圧で作動している際のモータのトルク速度曲線の差異を減らすことができる。特に、モータの入力電圧が常に一定となることを確実にすることにより、異なる供給電圧で同一のトルク速度曲線を達成することができる。

コントローラは、電圧参照テーブルと電流参照テーブルとを記憶することができ、測定された供給電圧を使用して電圧参照テーブルにインデックスを付して第一の値を選択することができ、測定されたモータ電流を使用して電流参照テーブルにインデックスを付して第二の値を選択することができる。その後、デューティ・サイクルは、第一の値と第二の値の和によって規定される。これは、供給電圧とモータ電流との双方に依存するデューティ・サイクルが比較的単純に求められるという点で有利である。特に、潜在的に複雑となりうる方程式の解を求める必要がない。結果として、比較的単純で安価なコントローラを採用することができる。

上述した理由により、モータ電流の変化に応じてデューティ・サイクルを調節する場合には、供給電圧にも依存する量だけデューティ・サイクルを調節することが望ましい。従って、電流参照テーブルは、異なるモータ電流と異なる供給電圧について異なる値を記憶することができる。その後、コントローラは、測定されたモータ電流と測定された供給電圧とを使用して電流参照テーブルにインデックスを付し、第二の値を選択する。コントローラは、電圧参照テーブルと電流参照テーブルという二つのテーブルを記憶する代わりに、より大きな単一の二次元参照テーブルを記憶することも可能である。しかし、二つの参照テーブルを記憶する利点は、電圧参照テーブルと電流参照テーブルとに異なる電圧分解能を使用し得ることである。特に、電圧参照テーブルにはより細かい電圧分解能が使用でき、また電流参照テーブルにはより粗い電圧分解能が使用できる。その結果、入力電圧に対する比較的良好な制御がより小さな参照テーブルの使用により達成され、このことがひいてはコントローラのメモリ要件を減らす。

モータが静止しているとき、ＰＷＭ信号のデューティ・サイクルが比較的高い場合には、モータによって比較的高い突入電流が引き出されるであろう。したがって、モータが静止しているとき、コントローラは、予め規定されたデューティ・サイクルを採用することができる。その後、コントローラは、測定された供給電圧と測定されたモータ電流とを使用して決定される目標デューティ・サイクルと等しいか、それより大きくなるまで定期的に決まった量だけデューティ・サイクルを増加させることができる。

クリーナーは、供給電圧を提供する電池パックを含み得る。電池パックが放電するにしたがって、必然的に供給電圧は減少する。電池パック放電の際にもモータの性能が比較的一定に保たれるよう、コントローラは、ＰＷＭ信号のデューティ・サイクルを調節する。

本発明をより容易に理解可能とするため、本発明の実施形態が、例示として、添付の図面を参照して説明される。

本発明による電気掃除機の不等角投影図であり、電気掃除機の本体が第１のクリーナー・ヘッドに取り付けられている図である。 電気掃除機の更なる不等角投影図であり、本体が第２のクリーナー・ヘッドに取り付けられている図である。 電気掃除機の分解図である。 第１のクリーナー・ヘッドの分解図である。 第２のクリーナー・ヘッドの分解図である。 電気掃除機の吸引源の分解図である。 電気掃除機の回路アセンブリのブロック図である。 回路アセンブリの回路図である。 回路アセンブリのコントローラにより放出される制御信号に応じたインバータの許可された状態の詳細を示す図である。 加速モードで作動する吸引源のブラシレス・モータに関連する様々な波形を示す図である。 定常状態モードで作動する際の吸引源のブラシレス・モータに関連する様々な波形を示す図である。 クリーナー・ヘッドのブラシ付きモータを制御する際に回路アセンブリのコントローラにより使用される電圧参照テーブルの一部の詳細図である。 クリーナー・ヘッドのブラシ付きモータを制御する際に回路アセンブリのコントローラにより使用される電流参照テーブルの一部の詳細図である。

図１から図６の電気掃除機１は、クリーナー・ヘッド３が細長い管４により取り付けられた本体２を備える。本体２は、ごみ分離器６と、吸引源７と、回路アセンブリ８と、電池パック９とを備える。使用中、ごみを含んだ空気がクリーナー・ヘッド３を通して引き込まれ、管４を介してごみ分離器に運ばれる。ごみは空気と分離され、ごみ分離器６により保持される。清浄空気は、吸引源７を通って引き込まれ、掃除機１から排出される。

クリーナー・ヘッド３と管４は本体２から分離可能である。更に、電気掃除機１は、本体２に直接取り付けられ得る第２のクリーナー・ヘッド５を備える。その結果、電気掃除機１は、直立した又はスティック・クリーナー（即ち、図１に示すように第１のクリーナー・ヘッド３と管４が本体２に取り付けられる）又は手持ち式クリーナー（即ち、図２に示すように第２のクリーナー・ヘッド５が直接本体２に取り付けられる）として使用され得る。図３及び図４に示すように、２つのクリーナー・ヘッド３、５のそれぞれは、アジテーター１０、１２とアジテーター１０、１２を駆動するブラシ付きモータ１１、１３を備える。管４は、本体２から第１のクリーナー・ヘッド３に電力を運ぶための、管４の長さに沿って延伸するワイヤ（図示せず）を備える。

吸引源７は、インペラー１４と、インペラー１４を駆動するブラシレス・モータ１５を備える。ブラシレス・モータ１５は、４極固定子１７に関連して回転する４極永久磁石回転子１６を備える。固定子１７の周りに巻かれた導線は共に結合され、単一の相巻線１８を形成する。

図７及び図８を参照し、回路アセンブリ８は、電気掃除機１の動作を制御することに関与し、ユーザ操作スイッチ２０、第１の駆動回路２１、第２の駆動回路２２、電圧センサ２３及びコントローラ２４を備える。

ユーザ操作スイッチ２０（図８のＳＷ１）と電池パック９は、２つの駆動回路２１、２２に電力供給する役割を果たす２つの電圧レール２５、２６の間に直列に連結される。よってスイッチ２０は電気掃除機１の電源をオン及びオフするのに使用される。

第１の駆動回路２１は、吸引源７のブラシレス・モータ１５を駆動することに関与し、フィルタ３０と、インバータ３１と、ゲート・ドライバー・モジュール３２と、第１の電流センサ３３と、位置センサ３４とを備える。フィルタ３０は、インバータ３１の切り替えから生じる比較的高周波のリップルを平滑にするリンク・コンデンサＣ１を備える。インバータ３１は、相巻線１８を電圧レール２５、２６に結合させるフルブリッジの４つのパワー・スイッチＱ１ないしＱ４を備える。ゲート・ドライバー・モジュール３２は、コントローラ２４から受信した制御信号に応じて、パワー・スイッチＱ１ないしＱ４を遮断と導通に駆動する。電流センサ３３は、インバータ３１とゼロ電圧レール２６の間に配置された分流抵抗器Ｒ１を備える。したがって、電流センサ３３にかかる電圧は、相巻線１８における電流の測定を提供する。電流センサ３３にかかる電圧は、信号Ｉ＿ＢＲＵＳＨＬＥＳＳとしてコントローラ２４へ出力される。位置センサ３４は、固定子１７のスロット開口に配置されたホール効果センサを備える。位置センサ３４は、位置センサ３４を通る磁束の方向に応じて論理的にハイ又はローのデジタル信号であるＨＡＬＬを出力する。よってＨＡＬＬ信号は回転子１６の角度位置の測定を提供する。

第２の駆動回路２２は、クリーナー・ヘッド３、５の何れかのブラシ付きモータ１１、１３を駆動することに関与し、スイッチ４０と、ドライバー４１と、第２の電流センサ４２と、チョーク回路４３とを備える。チョーク回路４３と、スイッチ４０と、電流センサ４２とは、２つの電圧レール２５、２６の間に直列に配置される。スイッチ４０は、コントローラ２４から受信する制御信号Ｓ５に応じて、ドライバー４１により遮断及び導通に駆動されるパワー・スイッチＱ５の形態をとる。第２の電流センサ４２は、パワー・スイッチＱ５とゼロ電圧レール２６の間に配置される分流抵抗器Ｒ２を備える。分流抵抗器Ｒ２にかかる電圧は、ブラシ付きモータ１１の電流の測定を提供し、信号Ｉ＿ＢＲＵＳＨＥＤとしてコントローラに出力される。チョーク回路４３は、コモン・モード・チョークＬ１と、チョークＬ１と並列に配置されるダイオードＤ１を備える。チョークＬ１の出力はブラシ付きモータ１１の端子に結合される。チョークＬ１とダイオードＤ１により提供されるループは、パワー・スイッチＱ５が遮断とされた時、ブラシ付きモータ１１の電流を惰性回転可能とする。

電圧センサ２３は、２つの電圧レール２５、２６の間に配置された分圧器Ｒ３、Ｒ４を備える。電圧センサはコントローラ２４に信号Ｖ＿ＤＣを出力し、その信号は、電池パック９により提供される直流電圧の減少された測定値を提供する。

コントローラ２４は、プロセッサ、記憶装置、及び複数の周辺機器（例えば、ＡＤ変換器、比較器、タイマー他）を有するマイクロコントローラを備える。記憶装置は、プロセッサにより実行される命令と、作動中にプロセッサにより使用される制御パラメータおよび参照テーブルを記憶する。コントローラ２４は、２つのモータ１１、１５の動作を制御することに関与する。この目的のため、コントローラ２４は、第１の駆動回路２１のパワー・スイッチＱ１ないしＱ４を制御する４つの制御信号Ｓ１ないしＳ４と、第２の駆動回路２２のパワー・スイッチＱ５を制御する更なる制御信号Ｓ５を出力する。制御信号Ｓ１ないしＳ４は、第１の駆動回路２１のゲート・ドライバー・モジュール３２に出力され、制御信号Ｓ５は第２の駆動回路２２のドライバー４１に出力される。

ブラシレス・モータの制御
図９は、コントローラ２４による、出力された制御信号Ｓ１ないしＳ４に応じてパワー・スイッチＱ１ないしＱ４の許可された状態をまとめたものである。以下、用語「セット」及び「クリア」は、信号がそれぞれ論理的にハイ及びローにされたことを示すのに使用される。図９から理解されるように、コントローラ２４は、相巻線１８を左から右に励磁するために、Ｓ１とＳ４をセットし、Ｓ２とＳ３をクリアする。逆に、コントローラ２４は、相巻線１８を右から左に励磁するために、Ｓ２とＳ３をセットし、Ｓ１とＳ４をクリアする。コントローラ２４は、相巻線１８を惰性回転させるために、Ｓ１とＳ３をクリアし、Ｓ２とＳ４をセットする。惰性回転は、相巻線１８内の電流がインバータ３１のロー側のループの周りで再循環することを可能にする。本発明において、パワー・スイッチＱ１ないしＱ４は両方向での導通が可能である。したがって、コントローラ２４は、惰性回転の間、ロー側のスイッチＱ２及びＱ４の両方を導通とし、その結果、電流は効率の落ちるダイオードではなくスイッチＱ２及びＱ４を通って流れる。場合によっては、インバータ３１は一方向のみで導通するパワー・スイッチを備え得る。この場合、コントローラ２４は、相巻線１８を左から右に惰性回転させるために、Ｓ１、Ｓ２及びＳ３をクリアし、Ｓ４をセットする。その後、コントローラ２４は、相巻線１８を右から左に惰性回転させるために、Ｓ１、Ｓ３及びＳ４をクリアし、Ｓ２をセットする。その後、インバータ３１のロー側のループの電流は、導通とされたロー側のスイッチ（例えば、Ｑ４）を通って下へ流れ、遮断とされたロー側のスイッチ（例えば、Ｑ２）のダイオードを通って上に流れる。

コントローラ２４は、回転子１６の速度に応じて、２つのモードの内の１つにおいて作動する。所定の閾値より下の速度で、コントローラ２４は加速モードで作動する。閾値以上の速度で、コントローラ２４は定常状態モードで作動する。回転子１６の速度は、ＨＡＬＬ信号の２つの連続するエッジの間隔Ｔ＿ＨＡＬＬから決定される。以下、この間隔はＨＡＬＬ期間と呼ばれる。

それぞれのモードにおいて、コントローラ２４は、ＨＡＬＬ信号のエッジに応じて相巻線１８を転流する。各ＨＡＬＬエッジは、回転子１６の極性の変化、したがって相巻線１８に誘導された逆起電力（逆ＥＭＦ）の極性の変化に対応する。より詳細には、各ＨＡＬＬエッジは逆起電力のゼロ交差に対応する。転流は相巻線１８を通る電流の方向の逆転を含む。その結果、電流が左から右の方向に相巻線１８を通って流れる場合、転流は右から左に巻線を出ることを含む。

加速モード
加速モードで作動する際、コントローラ２４はＨＡＬＬ信号のエッジに同期して相巻線１８を転流する。各電気的半サイクルに亘り、コントローラ２４は、相巻線１８を連続して励磁し、惰性回転（フリーホイール）させる。より詳細には、コントローラ２４は、相巻線１８を励磁し、電流信号であるＩ＿ＢＲＵＳＨＬＥＳＳを監視し、相巻線１８の電流が所定の限度を超えた場合に相巻線１８を惰性回転させる。惰性回転は、所定の惰性回転の期間の間継続し、その間、相巻線１８の電流は電流の限度以下のレベルまで低下する。惰性回転の期間が終了すると、コントローラ２４は再び相巻線１８を励磁する。この相巻線１８の励磁と惰性回転のプロセスは、電気的半サイクルの全体の長さに亘り継続する。よってコントローラ２４は、各電気的半サイクルの間、励磁から惰性回転への切り替えを複数回行う。

図１０は、加速モードで作動する際の、ＨＡＬＬ信号、逆起電力（逆ＥＭＦ）、相電流、相電圧、及び２、３のＨＡＬＬ期間に亘る制御信号Ｓ１からＳ４の波形を示す。

比較的遅い速度では、相巻線１８内で誘導された逆起電力の大きさは比較的小さい。よって、相巻線１８の電流は、励磁の間比較的速く上昇し、惰性回転の間比較的遅く低下する。加えて、各ＨＡＬＬ期間の長さ、したがって各電気的半サイクルの長さは比較的長い。その結果、コントローラ２４が励磁から惰性回転に切り替わる頻度は比較的高い。しかし、回転速度が増加するにつれ、逆起電力の大きさは増加し、よって電流は、励磁の間、より遅い速度で上昇し、惰性回転の間、より速い速度で低下する。なお、各電気的半サイクルの長さは減少する。その結果、切り替えの頻度は減少する。

定常状態モード
定常状態モードで作動する際、コントローラ２４は、各ＨＡＬＬエッジに対して転流を早めても、同期しても又は遅らせても良い。特定のＨＡＬＬエッジに関連して相巻線１８を転流するため、コントローラ２４は先行するＨＡＬＬエッジに応じて作動する。先行するＨＡＬＬエッジに応じて、コントローラ２４は、転流期間Ｔ＿ＣＯＭを得るため、ＨＡＬＬ期間Ｔ＿ＨＡＬＬから相期間Ｔ＿ＰＨＡＳＥを減算する。
Ｔ＿ＣＯＭ＝Ｔ＿ＨＡＬＬ−Ｔ＿ＰＨＡＳＥ
コントローラ２４は、先行するＨＡＬＬエッジの後、転流期間Ｔ＿ＣＯＭにおいて相巻線１８を転流する。その結果、コントローラ２４は、相期間Ｔ＿ＰＨＡＳＥまで後続するＨＡＬＬエッジに関連した相巻線１８を転流する。相期間が正の場合、ＨＡＬＬエッジより前に転流が起こる（先行転流）。相期間がゼロの場合、ＨＡＬＬエッジにおいて転流が起こる（同期転流）。相期間が負の場合、ＨＡＬＬエッジの後に転流が起こる（遅延転流）。

先行転流は速い回転子速度で使用されるが、遅延転流は遅い回転子速度で使用される。回転子１６の速度が増加すると、ＨＡＬＬ期間は減少し、したがって相インダクタンスに関連した時定数（Ｌ／Ｒ）がますます重要になる。更に、相巻線１８内で誘導された逆起電力が増加し、それは相電流が上昇する速度に影響する。よって相巻線１８への電流及び電力を駆動することはますます困難になる。相巻線１８をＨＡＬＬエッジに先行して、したがって逆起電力のゼロ交差に先行して転流することにより、供給電圧は逆起電力により押し上げられる。その結果、相巻線１８を通る電流の方向はより迅速に反転する。加えて、相電流は逆起電力を導くようになされ、そのことは電流上昇のより遅い速度の補償を支援する。その後、相電流は短期間の負のトルクを発生するが、相電流は通常、正のトルクにおけるその後の利得による補償より多くなる。遅い速度で作動する際、相巻線１８への必要な電流を駆動するため、前もって転流することは必ずしも必要でない。更に、通常、最適な効率が遅延転流により達成される。

定常状態モードで作動する際、コントローラ２４は、各電気的半サイクルを、導通期間とその後に続く惰性回転期間に分割する。その後、コントローラ２４は、導通期間に相巻線１８を励磁し、惰性回転期間に相巻線１８を惰性回転させる。定常状態モード内で作動する際、相電流は励磁の間に電流の限度を超えることを予期されていない。その結果、コントローラ２４は各電気的半サイクルの間に一度だけ励磁から惰性回転に切り替えを行う。

コントローラ２４は、導通期間Ｔ＿ＣＤの間、相巻線１８を励磁する。導通期間が終了すると、コントローラ２４は相巻線１８を惰性回転する。惰性回転は、コントローラ２４が相巻線１８を転流するときまで無制限に継続する。よってコントローラ２４は、相期間Ｔ＿ＰＨＡＳＥと導通期間Ｔ＿ＣＤの２つのパラメータを使用して相巻線１８の励磁を制御する。相期間は、励磁の位相（即ち、相巻線１８が逆起電力におけるゼロ交差に対して励磁される電気的期間又は角度）を規定し、導通期間は励磁の長さ（即ち、相巻線１８が励磁される電気的期間又は角度）を規定する。

図１１は、定常状態モードで作動する際の、ＨＡＬＬ信号、逆起電力、相電流、相電圧、及び２、３のＨＡＬＬ期間に亘る制御信号Ｓ１からＳ４の波形を示す。図１１において、相巻線１８はＨＡＬＬエッジと同期して転流される。
供給電圧の大きさは、導通期間に相巻線１８に駆動される電流の量に影響する。したがって、モータ１５の入力及び出力電力は供給電圧の変化に影響を受けやすい。供給電圧に加え、モータ１５の電力は回転子１６の速度の変化に影響を受けやすい。回転子１６の速度が変化する（例えば、負荷の変化に応じて）のと同じように、逆起電力の大きさも変化する。その結果、導通期間に相巻線１８に駆動される電流の量は変化し得る。よってコントローラ２４は、供給電圧の大きさの変化に応じて相期間及び導通期間を変化させる。またコントローラ２４は、回転子１６の速度の変化に応じて相期間を変化させる。

コントローラ２４は、複数の異なる供給電圧のそれぞれに対して、相期間Ｔ＿ＰＨＡＳＥ及び導通期間Ｔ＿ＣＤを備える電圧参照テーブルを記憶する。コントローラ２４はまた、複数の異なる回転子速度と異なる供給電圧のそれぞれに対して、速度補償値を含む速度参照テーブルを記憶する。これらの参照テーブルは、各電圧及び速度の点における特定の入力電力又は出力電力を達成する値を記憶する。本実施形態において、参照テーブルは一定の出力電力を達成する値を記憶する。

コントローラ２４は、供給電圧を使用して電圧参照テーブルにインデックスを付し、相期間及び導通期間を選択する。次いで、コントローラ２４は、回転子速度及び供給電圧を使用して速度参照テーブルにインデックスを付し、速度補償値を選択する。電圧センサ２３によるＶ＿ＤＣ信号出力は供給電圧の測定を提供し、一方、ＨＡＬＬ期間の長さは回転子速度の測定を提供する。その後、コントローラ２４は、選択された速度補償値を選択された相期間に加え、速度補償相期間を得る。その後、転流期間Ｔ＿ＣＯＭが、ＨＡＬＬ期間Ｔ＿ＨＡＬＬから速度補償相期間を減算することにより得られる。

速度参照テーブルは、回転子１６の速度だけでなく供給電圧の大きさにも依存する速度補償値を記憶する。その理由は、供給電圧が減少するにつれ、特定の速度補償値のモータ１５の電力に対する正味の影響が小さくなるためである。回転子速度及び供給電圧の両方に依存する速度補償値を記憶することにより、回転子速度の変化に応じてモータ１５の出力電力に対するより良い制御が達成され得る。

相期間Ｔ＿ＰＨＡＳＥを決定するのに２つの参照テーブルが使用されることに留意されたい。第１の参照テーブル（即ち、電圧参照テーブル）に、供給電圧を使用してインデックスが付される。第２の参照テーブル（即ち、速度参照テーブル）に、回転子速度と供給電圧の両方を使用してインデックスが付される。第２の参照テーブルは、回転子速度と供給電圧の両方を使用してインデックスが付されるため、２つの参照テーブルを必要とすることに疑問を感じるかもしれない。しかし、２つの参照テーブルを使用する利点は、異なる電圧分解能が使用され得ることである。モータ１５の出力電力は、供給電力の大きさに比較的影響を受けやすい。対照的に、速度補償値が出力電力に与える効果は、供給電圧に殆ど影響を受けない。したがって、２つの参照テーブルを使用することにより、電圧参照テーブルに対して、より細かい電圧分解能が使用され得、速度参照テーブルに対して、より粗い電圧分解能が使用され得る。その結果、モータ１５の出力電力に対する比較的良好な制御がより小さな参照テーブルの使用により達成され得、そのことはコントローラ２４のメモリ要件を減らす。

ブラシ付きモータの制御
コントローラ２４の周辺機器はＰＷＭモジュールを含み、ＰＷＭモジュールは、制御信号Ｓ５を生成し、出力するよう構成される。プロセッサは、ＰＷＭモジュールに固定の期間と、供給電圧及びモータ電流に依存するデューティ・サイクルを読み込む。よって制御信号Ｓ５は、固定の期間と可変のデューティ・サイクルを有するＰＷＭ信号である。

電池パック９が放電するにつれて、ブラシ付きモータ１１、１３への電力供給に使用される供給電圧は減少する。よってプロセッサは、供給電圧の変化に応じてＰＷＭモジュールのデューティ・サイクルを調節する。より詳細には、プロセッサは、ブラシ付きモータ１１、１３の入力電圧が一定であるようにＰＷＭモジュールのデューティ・サイクルを調節する。入力電圧がパルス化されるため、瞬間電圧は自然に変化する。よって一定の電圧は、入力電圧が、ＰＷＭ信号のそれぞれのサイクルについて平均化された時、一定であることを意味すると理解されるべきである。所与の負荷について、ブラシ付きモータ１１、１３の速度は入力電圧に比例する。したがって、入力電圧が一定であることを確実にすることにより、モータ１１、１３の速度は電池パック９が放電する時に変化しない。

コントローラ２４は、異なる電圧に対して異なるデューティ・サイクルを備える更なる電圧参照テーブルを記憶する。その後、プロセッサは、Ｖ＿ＤＣ信号から決定される電池パック９により提供される供給電圧を使用して、更なる電圧参照テーブルにインデックスを付し、デューティ・サイクルを選択する。

電気掃除機１の使用中、アジテーター１０、１２、よってブラシ付きモータ１１、１３は異なる負荷を経験する。その結果、モータ１１、１３により引き出される電流は変化する。抵抗損のため、パワー・スイッチ４０とモータ１１、１３の電流の大きさに影響を受ける電流センサ４２に電圧降下が起こる。よってモータ１１、１３の入力電圧は負荷の変化に影響を受ける。よってコントローラ２４は電流の変化に応じてデューティ・サイクルを調節する。しかし、これから説明する理由により、コントローラ２４がデューティ・サイクルを調節する量は電流の変化だけでなく供給電圧の大きさにも依存する。

スイッチ４０が導通されると、スイッチ４０と電流センサ４２での電圧降下は、モータ電流に比例する、即ちＶ_ｄｒｏｐ＝Ｉ×（Ｒ_{ｓｗｉｔｃｈ}＋Ｒ_{ｓｅｎｓｏｒ}）である。しかし、スイッチ４０が遮断されると、スイッチ４０と電流センサ４２での電圧降下はゼロ、即ちＶ_ｄｒｏｐ＝０である。よって、ＰＷＭ信号のそれぞれのサイクルについて平均化された電圧降下は、モータ電流とＰＷＭ信号のデューティ・サイクルの両方に比例する、即ち
Ｖ_ｄｒｏｐ＝Ｉ×（Ｒ_{ｓｗｉｔｃｈ}＋Ｒ_{ｓｅｎｓｏｒ}）×デューティ・サイクル
である。

デューティ・サイクルは供給電圧の大きさにより規定される。したがって、モータ電流の変化に応じてデューティ・サイクルを調節する時、コントローラ２４は供給電圧の大きさも考慮に入れる。つまり、モータ電流の所与の変化に対して、コントローラ２４は供給電圧の大きさに依存する量だけデューティ・サイクルを調節する。より詳細には、コントローラ２４は、より低い供給電圧に応じてより多い量だけデューティ・サイクルを調節する。コントローラ２４は、モータ１１、１３が異なる負荷を経験する時、モータ１１、１３の入力電圧が一定であるようにデューティ・サイクルを調節する。その結果、モータ１１、１３のトルク速度曲線は、電池パック９が放電する時変化しない。

コントローラ２４は、異なる電流と異なる電圧に対して異なる補償値を備える電流参照テーブルを記憶する。その後、コントローラ２４は、Ｉ＿ＢＲＵＳＨＥＤから決定されるモータ電流と、Ｖ＿ＣＤから決定される供給電圧を使用して電流参照テーブルにインデックスを付し、補償値を選択する。その後、コントローラ２４は、更なる電圧参照テーブルから選択されたデューティ・サイクルに選択された補償値を追加し、補償されたデューティ・サイクルを得る。その後、プロセッサは、ＰＷＭモジュールのデューティ・サイクル・レジスタに補償されたデューティ・サイクルを読み込む。

図１２及び図１３は、更なる電圧参照テーブルと電流参照テーブルの一部を示す。更なる電圧参照テーブルは、ＰＷＭモジュールの８ビット・デューティ・サイクル・レジスタに直接読み込まれる１６進値を記憶する。しかし、例示の目的で、パーセントで表された対応するデューティ・サイクルが結果として生じる入力電圧と共に示される。電圧参照テーブルから理解されることは、コントローラ２４は、供給電圧が減少するにつれ、ＰＷＭ信号のデューティ・サイクルを増加させることである。この特定の実施形態において、更なる電圧参照テーブルは、ブラシ付きモータ１１、１３のための１６．２Ｖの一定の電圧を達成する値を記憶する。電流参照テーブルから理解されることは、コントローラ２４は、モータ電流が増加するにつれ、ＰＷＭ信号のデューティ・サイクルを増加させることである。更に、所与の電流レベルに対して、コントローラ２４は、供給電圧がより低くなる時より大きな量だけデューティ・サイクルを調節する。

コントローラ２４は、デューティ・サイクルを決定するために２つの参照テーブルを使用する。第１の参照テーブル（即ち、更なる電圧参照テーブル）は供給電圧を使用してインデックスが付される。第２の参照テーブル（即ち、電流参照テーブル）はモータ電流と供給電圧の両方を使用してインデックスが付される。再び、２つの参照テーブルを使用する利点は、異なる電圧分解能が使用され得ることである。モータ１１、１３の入力電圧は供給電圧の大きさの変化に大きく影響を受ける。対照的に、モータ１１、１３の入力電圧はモータ電流の変化にあまり影響を受けない。したがって、２つの参照テーブルを使用することにより、更なる電圧参照テーブルのためにより細かい電圧分解能が使用され得、更なる電流参照テーブルのためにより粗い電圧分解能が使用され得る。その結果、小さい参照テーブルの使用を通して一定の入力電圧が達成され得、そのことはコントローラ２４のメモリ要件を減少させる。

ブラシ付きモータ１１、１３が静止しているとき、制御信号Ｓ５のデューティ・サイクルが比較的高い場合に、比較的高い突入電流がモータ１１、１３により引き出されるであろう。したがって、ユーザ操作スイッチ２０が最初に導通とされる時、コントローラ２４はメモリに記憶された所定のデューティ・サイクルを選択する。このデューティ・サイクルは、スイッチ２０が最初に導通とされている時のみ使用され、更なる電圧参照テーブルに記憶されたデューティ・サイクルよりかなり低い。本実施形態では、コントローラ２４は、最初にＰＷＭモジュールのデューティ・サイクル・レジスタに０ｘ２８の値を読み込み、この値は１５．６２５％のデューティ・サイクルに相当する。コントローラ２４はまた、電圧及び電流参照テーブルにインデックスを付すことにより目標とするデューティ・サイクルを決定する。その後、コントローラ２４は、デューティ・サイクルを定期的に増加させる。本実施形態では、コントローラ２４は、ＰＷＭモジュールのデューティ・サイクル・レジスタを約２．５ミリ秒ごとに０ｘ０１だけ増加させる（これは、０．３９０％のデューティの増加に相当する）。コントローラ２４は、デューティ・サイクルが目標とするデューティ・サイクルと等しいか、それより大きくなるまでデューティ・サイクルを定期的に増加し、その時点でコントローラ２４は目標とするデューティ・サイクルを使用する。定常状態の間に使用されるよりずっと少ない開始のデューティ・サイクルを使用し、モータが加速するにつれ定期的にデューティ・サイクルを増加させることにより、突入電流が避けられ得る。

本実施形態では、第１のクリーナー・ヘッド３と第２のクリーナー・ヘッド５は同じ種類のブラシ付きモータ１１、１３を備える。更に、２つのモータ１１、１３は同じ入力電圧で駆動される。よってコントローラ２４は２つのクリーナー・ヘッド３、５を区別しない。しかし、代替の実施形態では、２つのモータ１１、１３を異なる入力電圧で駆動することが望ましいかもしれない。例えば、おそらく２つのモータ１１、１３は異なるか、又はおそらく２つのモータ１１、１３は同じであるが、モータ１１、１３を異なる速度で駆動することが望まれる。この場合、コントローラ２４は、２つのブラシ付きモータ１１、１３のための異なる電圧及び電流参照テーブルを備え得る。その後、コントローラ２４は適切な参照テーブルにインデックスを付し、参照テーブルに応じてクリーナー・ヘッド３、５は本体２に取り付けられる。

同時制御
コントローラ２４は、ブラシレス・モータ１５とブラシ付きモータ１１、１３の励磁を同時に制御する制御信号Ｓ１ないしＳ４及びＳ５を生成する。これは、コントローラ２４のＰＷＭモジュールを構成してブラシ付きモータ１１、１３のための制御信号Ｓ５を生成することにより可能となる。その後、コントローラ２４のプロセッサは、ブラシレス・モータ１５のための制御信号Ｓ１ないしＳ４を生成するのに必要なソフトウェア指示を自由に実行する。プロセッサは、定期的にＰＷＭモジュールのデューティ・サイクルを更新する。しかし、これは、ブラシレス・モータ１５の制御及び動作に不利に干渉することなくメインコード内で行われ得る。

従来の電気掃除機では、各モータはそれ自身のコントローラ２４を備える。一方、本発明の電気掃除機１では、単一のコントローラ２４がブラシレス・モータ１５とブラシ付きモータ１１、１３の両方を制御するのに使用される。その結果、電気掃除機１のコストは減少される。更に、電気掃除機１は２つの互換可能なクリーナー・ヘッド３、５を有し、それらのそれぞれはモータ１１，１３を含む。よって電気掃除機１のコストは、３つのモータ１１、１３、１５の全てを制御する単一のコントローラ２４を使用することにより更に減少される。

上述の実施形態では、電気掃除機１は供給電圧を提供する電池パック９を備える。その後、コントローラ２４は、供給電圧の変化に応じて、ＰＷＭ信号のデューティ・サイクルと、相期間と導通期間の長さを調節する。特に、コントローラ２４は、供給電圧の減少に応じて、デューティ・サイクルと、相期間及び導通期間の長さを増加させる。更に、コントローラ２４により生成される制御信号Ｓ１ないしＳ４とＳ５は、電池パックが放電する時、ブラシ付きモータ１１、１３の入力電圧とブラシレス・モータ１５の出力電力が一定であることを確実にする。その結果、電気掃除機１の性能（即ち、吸引源７により生成される吸引及びクリーナー・ヘッド３、５により生成されるアジテーション）は、電池パック９が放電する際に低下しない。代替の実施形態では、供給電圧は代替のソースにより提供され得る。例えば、電気掃除機１は主電源により電源供給されても良い。その後、回路アセンブリ８は、一定の供給電圧を提供するために電源電圧で作動する整流器と平滑コンデンサを備える。それでもなお、交流電源のＲＭＳ電圧は変化し得、そのことは電気掃除機１の性能に悪い影響を及ぼすかもしれない。したがって、コントローラ２４は、供給電圧の変化に応じて、デューティ・サイクル、相期間、及び導通期間を調節し続け、安定した性能を保持する。

上述の実施形態において、コントローラ２４は、供給電圧の変化に応じて、相期間及び導通期間を変化させる。これはブラシレス・モータ１５の効率が各電圧点においてより良く最適化され得るという利点を有する。それでもなお、相期間及び導通期間の内の１つのみを変化させることによりモータ１５の出力電力に関する望ましい制御を達成することが可能かもしれない。例えば、定常状態モード全体に同期転流を使用することが望ましいかもしれない。この場合、コントローラ２４は、供給電圧の変化に応じて、導通期間のみを変化させるであろう。

１ 電気掃除機
２ 本体
３ クリーナー・ヘッド
４ 管
５ 第２のクリーナー・ヘッド
６ ごみ分離器
７ 吸引源
８ 回路アセンブリ
９ 電池パック

Claims (8)

1. サーフェス・クリーナーであって、
   アジテーターと、前記アジテーターを駆動するモータとを備えるクリーナー・ヘッドと、
   前記モータを供給電圧に結合するスイッチと、
   前記供給電圧の大きさを測定する電圧センサと、
   前記モータを流れる電流の大きさを測定する電流センサと、
   前記スイッチを制御するためのＰＷＭ信号を出力するように構成されたコントローラと、を備え、
   前記コントローラは、前記供給電圧の変化に応じて、及び前記モータを流れる電流の変化に応じて、前記ＰＷＭ信号のデューティ・サイクルを調節する、サーフェス・クリーナー。
2. 前記コントローラは、前記モータの入力電圧を一定に維持するように前記デューティ・サイクルを調節する、請求項１に記載のサーフェス・クリーナー。
3. 前記コントローラは、前記供給電圧の減少に応じて、及び前記モータ電流の増加に応じて、前記デューティ・サイクルを増加する、請求項１または請求項２に記載のサーフェス・クリーナー。
4. 前記コントローラは、前記モータ電流の所与の変化に応じて、前記供給電圧がより低い時により多い量だけ前記デューティ・サイクルを調節する、請求項１ないし請求項３の何れか一項に記載のサーフェス・クリーナー。
5. 前記コントローラは、電圧参照テーブルと電流参照テーブルを記憶し、
   前記コントローラは、測定された供給電圧を使用して前記電圧参照テーブルにインデックスを付し、第一の値を選択し、
   前記コントローラは、測定されたモータ電流を使用して前記電流参照テーブルにインデックスを付し、第二の値を選択し、
   前記デューティ・サイクルは、前記第一の値及び前記第二の値の和によって規定される、請求項１ないし請求項４の何れか一項に記載のサーフェス・クリーナー。
6. 前記コントローラは、測定されたモータ電流と測定された供給電圧を使用して前記電流参照テーブルにインデックスを付し、前記第二の値を選択する、請求項５に記載のサーフェス・クリーナー。
7. 前記コントローラは、前記モータが静止している時、予め規定されたデューティ・サイクルを採用し、
   前記コントローラは、前記測定された供給電圧と前記測定されたモータ電流とを使用して目標デューティ・サイクルを決定し、
   前記コントローラは、前記デューティ・サイクルが前記目標デューティ・サイクルと等しいか、それより大きくなるまで、決まった量だけ定期的に前記デューティ・サイクルを増加させる、請求項１ないし請求項６の何れか一項に記載のサーフェス・クリーナー。
8. 前記サーフェス・クリーナーは、前記供給電圧を提供する電池パックを備える、請求項１ないし請求項７の何れか一項に記載のサーフェス・クリーナー。

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