JP2015160284A - Electric power tool - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、卓上丸鋸やグラインダ等の電動工具に関する。 The present invention relates to a power tool such as a desktop circular saw or a grinder.
電動工具におけるモータの回転数制御として、負荷が変動してもモータを設定回転数に保つ定回転数制御が知られている。定回転数制御は、モータの回転数を回転数検出手段によって検出し、その検出結果と設定回転数との差がゼロになるように制御するフィードバック制御である。ＡＣモータを用いる電動工具において、検出回転数と設定回転数との差は、トライアック等のスイッチング素子の導通角の変化に反映される。導通角は、あるゼロクロスポイントから次のゼロクロスポイントまでの角度範囲（０°〜１８０°）のうちトライアックがオンとなる位相角をいう。ＤＣモータを用いる電動工具において、検出回転数と設定回転数との差は、ＦＥＴ等のスイッチング素子に印加されるＰＷＭ信号のデューティの変化に反映される。 As a rotational speed control of a motor in an electric power tool, a constant rotational speed control that keeps the motor at a set rotational speed even when the load fluctuates is known. The constant rotation speed control is feedback control in which the rotation speed of the motor is detected by a rotation speed detection means, and the difference between the detection result and the set rotation speed is controlled to be zero. In an electric tool using an AC motor, the difference between the detected rotation speed and the set rotation speed is reflected in a change in the conduction angle of a switching element such as a triac. The conduction angle refers to a phase angle at which the triac is turned on in an angle range (0 ° to 180 °) from a certain zero cross point to the next zero cross point. In an electric tool using a DC motor, the difference between the detected rotation speed and the set rotation speed is reflected in a change in duty of a PWM signal applied to a switching element such as an FET.
電動工具において、モータ起動時の反動を抑えるために、モータの回転数を緩やかに上昇させるソフトスタート制御が行われる。ソフトスタート制御では、初期段階ではモータの回転数を徐々に上げていき、時間とともに回転数上昇の傾きを増加させる。そのため、モータが目標回転数に達する前後の回転加速度（回転数上昇の傾き）の変化が大きく、目標回転数に達して定速度領域に入る時に使用者の手にかかる反動が大きいという問題があった。定速度領域に入る時の反動は、モータが目標回転数に達する前に回転加速度を小さくすることで低減することができる。しかし、そうするとモータが目標回転数に達するまでに要する時間（モータの起動時間）が長くなってしまう。電動工具においては、モータのＯＮ／ＯＦＦが頻繁に切り替えられることもあり、反動低減の他に、モータを素早く起動できることも重要である。 In an electric power tool, soft start control is performed to gently increase the number of rotations of the motor in order to suppress a reaction at the time of starting the motor. In the soft start control, the rotational speed of the motor is gradually increased in the initial stage, and the gradient of the rotational speed increase is increased with time. As a result, the change in rotational acceleration (slope of increase in rotational speed) before and after the motor reaches the target rotational speed is large, and there is a problem that the reaction on the user's hand is large when the motor reaches the target rotational speed and enters the constant speed range. It was. The recoil when entering the constant speed region can be reduced by reducing the rotational acceleration before the motor reaches the target rotational speed. However, in this case, the time required for the motor to reach the target rotational speed (motor start time) becomes long. In an electric tool, ON / OFF of a motor may be frequently switched, and it is important to be able to start a motor quickly in addition to reducing reaction.
本発明はこうした状況を認識してなされたものであり、その目的は、使用者の手にかかる反動を抑えながらモータの起動に要する時間を短くすることの可能な電動工具を提供することにある。 The present invention has been made in view of such a situation, and an object of the present invention is to provide an electric tool capable of shortening the time required to start the motor while suppressing the reaction on the user's hand. .
本発明のある態様は、電動工具である。この電動工具は、
モータと、
前記モータを制御する制御部と、
前記モータによって回転される回転具と、を備え、
前記制御部は、停止している前記モータを目標回転数まで加速する際、前記モータの通電開始直後の回転数上昇速度を、前記目標回転数に達する直前の前記モータの回転数上昇速度より大きくする。
One embodiment of the present invention is a power tool. This electric tool
A motor,
A control unit for controlling the motor;
A rotating tool rotated by the motor,
When accelerating the stopped motor to a target rotational speed, the control unit increases a rotational speed increasing speed immediately after starting the energization of the motor to be larger than a rotational speed increasing speed of the motor immediately before reaching the target rotational speed. To do.
前記制御部は、前記モータへの通電開始後の所定のタイミングから前記モータが前記目標回転数に達するまでの間、前記モータの回転数上昇速度を徐々に低下させてもよい。 The control unit may gradually decrease the rotational speed increase rate of the motor from a predetermined timing after starting energization to the motor until the motor reaches the target rotational speed.
前記所定のタイミングは、前記モータへの通電開始から所定の時間が経過したタイミング、又は前記モータが所定の回転数に達したタイミングであってもよい。 The predetermined timing may be a timing at which a predetermined time has elapsed from the start of energization of the motor, or a timing at which the motor has reached a predetermined rotation speed.
前記制御部は、前記モータへの通電開始から所定の時間が経過する又は前記モータが所定の回転数に達するまでの第１の制御期間と、前記第１の制御期間の後に続く第２の制御期間とで、異なる制御方式もしくは異なる制御ゲインによって前記モータを制御してもよい。 The control unit includes a first control period until a predetermined time has elapsed from the start of energization of the motor or until the motor reaches a predetermined number of revolutions, and a second control following the first control period. The motor may be controlled by a different control method or a different control gain depending on the period.
前記制御部は、前記第１の制御期間は比例制御もしくは比例＋積分制御を行い、前記第２の制御期間は比例＋微分制御もしくは比例＋微分＋積分制御を行ってもよい。 The control unit may perform proportional control or proportional + integral control during the first control period, and perform proportional + differential control or proportional + differential + integral control during the second control period.
前記第１の制御期間における比例制御の制御ゲインが、前記第２の制御期間における比例制御の制御ゲインよりも小さくてもよい。 The control gain of proportional control in the first control period may be smaller than the control gain of proportional control in the second control period.
前記制御部は、前記第１の制御期間の開始に先立って、前記モータに印加する電圧の実効値を初期値まで急速に高めてもよい。 The controller may rapidly increase the effective value of the voltage applied to the motor to an initial value prior to the start of the first control period.
前記モータに直列に接続されたスイッチング素子を備え、前記制御部は、前記スイッチング素子の導通角、又は前記スイッチング素子の制御端子に印加するＰＷＭ信号のデューティを変化させることで、前記モータに印加する電圧の実効値を制御してもよい。 A switching element connected in series to the motor is provided, and the control unit applies to the motor by changing a conduction angle of the switching element or a duty of a PWM signal applied to a control terminal of the switching element. The effective value of the voltage may be controlled.
前記制御部は、入力電源の周波数に応じて少なくとも１つの制御ゲインを切り替えてもよい。 The control unit may switch at least one control gain according to the frequency of the input power supply.
前記回転具が、丸鋸刃もしくは砥石であってもよい。 The rotating tool may be a circular saw blade or a grindstone.
なお、以上の構成要素の任意の組合せ、本発明の表現を方法やシステムなどの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。 It should be noted that any combination of the above-described constituent elements, and those obtained by converting the expression of the present invention between methods and systems are also effective as aspects of the present invention.
本発明によれば、使用者の手にかかる反動を抑えながらモータの起動に要する時間を短くすることの可能な電動工具を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the electric tool which can shorten the time required for starting of a motor can be provided, suppressing the reaction concerning a user's hand.
以下、図面を参照しながら本発明の好適な実施の形態を詳述する。なお、各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理等には同一の符号を付し、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は発明を限定するものではなく例示であり、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the same or equivalent component, member, process, etc. which are shown by each drawing, and the overlapping description is abbreviate | omitted suitably. In addition, the embodiments do not limit the invention but are exemplifications, and all features and combinations thereof described in the embodiments are not necessarily essential to the invention.
実施の形態１
図１は、本発明の実施の形態１に係る電動工具の回路図である。交流電源１は、例えば５０Ｈｚ又は６０Ｈｚの単相１００Ｖであり、スイッチ２によってＯＮ／ＯＦＦされる。回転制御装置４は、モータ３の回転数を検出する回転数センサ６、回転数センサ６から出力される回転数信号を増幅する回転数信号増幅回路５、制御部としてのマイコン（マイクロコンピュータ）２３、マイコン２３及び制御回路内の基準電源を作るための電源回路７、交流電源１からの交流電圧のゼロクロス点を検出するためのゼロクロス検出回路８、モータ３に通電される電圧を位相制御するための半導体素子（スイッチング素子）の例示であるトライアック２４、トライアック２４のゲート信号を入力するための抵抗器２５、並びにモータ３の回転数を設定するための抵抗器２６,２８及び可変抵抗器２７を備える。
Embodiment 1
1 is a circuit diagram of a power tool according to Embodiment 1 of the present invention. The AC power source 1 is, for example, a single-phase 100 V of 50 Hz or 60 Hz, and is turned ON / OFF by the switch 2. The rotation control device 4 includes a rotation speed sensor 6 that detects the rotation speed of the motor 3, a rotation speed signal amplification circuit 5 that amplifies the rotation speed signal output from the rotation speed sensor 6, and a microcomputer (microcomputer) 23 as a control unit. A microcomputer 23 and a power supply circuit 7 for making a reference power supply in the control circuit, a zero-cross detection circuit 8 for detecting a zero-cross point of an AC voltage from the AC power supply 1, and a phase control of a voltage applied to the motor 3. A triac 24 which is an example of the semiconductor element (switching element), a resistor 25 for inputting a gate signal of the triac 24, and resistors 26, 28 and a variable resistor 27 for setting the rotation speed of the motor 3. Prepare.
回転数信号増幅回路５は、コンデンサ９,１５、抵抗器１０,１１,１２,１４、及びトランジスタ１３で構成される交流増幅器であり、回転数センサ６からの回転数信号を０Ｖ〜−ＶＣＣの範囲で増幅しマイコン２３に出力する。マイコン２３はこの出力信号を用いてモータ３の回転数を検出する。 The rotational speed signal amplifying circuit 5 is an AC amplifier composed of capacitors 9 and 15, resistors 10, 11, 12, and 14 and a transistor 13. Amplified in the range and output to the microcomputer 23. The microcomputer 23 detects the rotational speed of the motor 3 using this output signal.
電源回路７は、ダイオード１６、抵抗器１７、ツェナーダイオード１８、及び電解コンデンサ１９によって構成される半波整流回路であり、交流電源１からの交流電圧を直流電圧（−ＶＣＣ）に変換し、マイコン２３及び他の回路に供給する。 The power supply circuit 7 is a half-wave rectifier circuit including a diode 16, a resistor 17, a Zener diode 18, and an electrolytic capacitor 19. The power supply circuit 7 converts an AC voltage from the AC power supply 1 into a DC voltage (-VCC), and a microcomputer. 23 and other circuits.
ゼロクロス検出回路８は、抵抗器２０,２１、及びフォトカプラ２２で構成される。交流電源１からの交流電圧は、まず抵抗器２０によって減衰され、フォトカプラ２２の入力部（発光ダイオード）に入力される。このフォトカプラ２２の入力部は、２つの発光ダイオードを順方向が互いに逆向きになるように並列接続したものであり、電流がどちらの方向に流れても発光するが、電圧の低いゼロクロス点近傍でのみ消灯する。フォトカプラ２２の出力部は、フォトトランジスタで構成されており、入力部の発光ダイオードが発光した時にのみＯＮ状態となる。つまりこのフォトトランジスタは、交流電圧のゼロクロス点でのみＯＦＦ状態となりそれ以外はＯＮ状態となるため、マイコン２３には交流電圧のゼロクロス点のみ抵抗器２１を通して０Ｖが入力され、それ以外のときはフォトトランジスタを通して−ＶＣＣが入力される。このゼロクロス検出回路８からの入力信号の変化によって、マイコン２３はトライアック２４の位相制御をするための基準信号を得ることができる。 The zero-cross detection circuit 8 includes resistors 20 and 21 and a photocoupler 22. The AC voltage from the AC power supply 1 is first attenuated by the resistor 20 and input to the input part (light emitting diode) of the photocoupler 22. The input portion of the photocoupler 22 is formed by connecting two light emitting diodes in parallel so that the forward directions are opposite to each other, and emits light regardless of the direction of current flow. Turns off only with. The output part of the photocoupler 22 is composed of a phototransistor and is turned on only when the light emitting diode of the input part emits light. In other words, this phototransistor is turned off only at the zero cross point of the AC voltage and is turned on at other times. Therefore, 0 V is input to the microcomputer 23 through the resistor 21 only at the zero cross point of the AC voltage. -VCC is input through the transistor. The microcomputer 23 can obtain a reference signal for controlling the phase of the triac 24 by changing the input signal from the zero-cross detection circuit 8.
抵抗器２６,２８、可変抵抗器２７は、モータ３の目標回転数設定電圧を生成してマイコン２３に入力するために設けられる。可変抵抗器２７は、使用者が作業用途によって外部からダイアルによって自由に回転数を設定できるものであり、例えば電動工具に取り付けられモータ３の回転数を数段階（例えばダイアルの１〜４の４段階）に設定するための回転数設定手段である。 The resistors 26 and 28 and the variable resistor 27 are provided for generating a target rotation speed setting voltage of the motor 3 and inputting it to the microcomputer 23. The variable resistor 27 can be freely set by the user from the outside by dialing according to the work application. For example, the variable resistor 27 is attached to the electric tool and can be set in several stages (for example, 4 to 4 of the dial). Rotation speed setting means for setting to (stage).
マイコン２３によるモータ３の回転数制御（フィードバック制御）は、比例制御、積分制御、及び微分制御のいずれか１つの制御、又は２つ以上を組み合わせた制御である。各制御の内容を以下に示す。
・比例制御（Ｐ制御）… 目標回転数と検出回転数の偏差に比例制御ゲインＫＰを掛けたものをトライアック２４の導通角変更量とする制御（数式は以下のとおり）。
トライアック導通角変更量
＝比例制御ゲインＫＰ×偏差Ｎ０
・積分制御（Ｉ制御）… 目標回転数と検出回転数の偏差の累積値に積分制御ゲインＫＩを掛けたものをトライアック２４の導通角変更量とする制御（数式は以下のとおり）。
トライアック導通角変更量
＝積分制御ゲインＫＩ×（今回の偏差Ｎ０＋前回の偏差Ｎ１＋前々回の偏差Ｎ２）
・微分制御（Ｄ制御）… 目標回転数と検出回転数の今回の偏差と前回の偏差の差分に微分制御ゲインＫＤを掛けたものをトライアック２４の導通角変更量とする制御（数式は以下のとおり）。
トライアック導通角変更量
＝微分制御ゲインＫＤ×（今回の偏差Ｎ０−前回の偏差Ｎ１）
・比例＋積分制御（ＰＩ制御）… 比例制御と積分制御を組み合わせた制御。比例制御と積分制御の数式でそれぞれ求めたトライアック導通角変更量を足し算し、現在のトライアック導通角に加減算。
・比例＋積分＋微分制御（ＰＩＤ制御）… 比例制御と積分制御と微分制御を組み合わせた制御。比例制御と積分制御と微分制御の数式でそれぞれ求めたトライアック導通角変更量を足し算し、現在のトライアック導通角に加減算。
The rotational speed control (feedback control) of the motor 3 by the microcomputer 23 is any one control of proportional control, integral control, and differential control, or control combining two or more. The contents of each control are shown below.
Proportional control (P control): Control in which the deviation of the target rotational speed and the detected rotational speed is multiplied by the proportional control gain KP is used as the conduction angle change amount of the triac 24 (the mathematical formula is as follows).
Triac conduction angle change amount = Proportional control gain KP x Deviation N0
Integral control (I control): Control obtained by multiplying the cumulative value of the deviation between the target rotational speed and the detected rotational speed by the integral control gain KI is used as the conduction angle change amount of the triac 24 (the mathematical formula is as follows).
Triac conduction angle change amount = integral control gain KI × (current deviation N0 + previous deviation N1 + previous deviation N2)
Differential control (D control): Control obtained by multiplying the difference between the current deviation of the target rotational speed and the detected rotational speed and the previous deviation by the differential control gain KD as the conduction angle change amount of the triac 24 (the mathematical formula is Street).
Triac conduction angle change amount = differential control gain KD × (current deviation N0−previous deviation N1)
• Proportional + integral control (PI control) ... Control that combines proportional control and integral control. Adds and subtracts the TRIAC conduction angle change obtained from the proportional control and integral control formulas, and adds to or subtracts from the current TRIAC conduction angle.
-Proportional + integral + derivative control (PID control) ... Control combining proportional control, integral control and derivative control. Adds and subtracts the triac conduction angle change obtained from the proportional control, integral control, and differential control formulas, and adds to or subtracts from the current triac conduction angle.
積分制御は、目標回転数に対する誤差を少なくするもので、回転数精度を向上させるために行われる。微分制御は、制御の応答性を向上させるもので、電動工具使用時の急激な負荷変動に対応するために行われる。比例制御ゲインＫＰ、積分制御ゲインＫＩ、及び微分制御ゲインＫＤは、予め実験等によって最適な値を求めておく必要がある。 The integral control reduces errors with respect to the target rotational speed, and is performed to improve rotational speed accuracy. The differential control is to improve control responsiveness, and is performed in order to cope with a sudden load fluctuation when the electric tool is used. For the proportional control gain KP, the integral control gain KI, and the differential control gain KD, it is necessary to obtain optimum values in advance through experiments or the like.
図２は、図１の電動工具における回転数制御のフローチャートである。このフローチャートは、電動工具のＡＣコード（図示せず）が交流電源１に接続された状態で使用者がスイッチ２をＯＮにすることでスタートする。スイッチ２がＯＮになると、交流電源１から交流電圧が電源回路７によって直流の定電圧（−ＶＣＣ）に変換されてマイコン２３に供給される。また交流電源１からの交流電圧はゼロクロス検出回路８に入力される。マイコン２３は、ゼロクロス検出回路８から入力されたゼロクロス信号の時間間隔を測定し、入力された交流電源の周波数を検出する（Ｓ２０１）。 FIG. 2 is a flowchart of the rotational speed control in the electric tool of FIG. This flowchart starts when the user turns on the switch 2 in a state where an AC cord (not shown) of the electric power tool is connected to the AC power source 1. When the switch 2 is turned on, the AC voltage from the AC power source 1 is converted into a DC constant voltage (−VCC) by the power source circuit 7 and supplied to the microcomputer 23. The AC voltage from the AC power supply 1 is input to the zero cross detection circuit 8. The microcomputer 23 measures the time interval of the zero cross signal input from the zero cross detection circuit 8, and detects the frequency of the input AC power supply (S201).
次にマイコン２３は、抵抗器２６,２８、可変抵抗器２７によって設定されるモータ３の目標回転数設定電圧を検出し（Ｓ２０２）、目標回転数の設定を行う（Ｓ２０３）。次にマイコン２３は、モータ起動時におけるトライアック２４の初期導通角の設定を行う（Ｓ２０４）。この初期導通角は、使用される電動工具に応じて予め実験等によって最適な値を求めておく必要がある。初期導通角は、例えば４０°以上が望ましい。次にマイコン２３は、ステップＳ２０４で設定した初期導通角でトライアック２４を駆動し、モータ３を起動させる（Ｓ２０５）。 Next, the microcomputer 23 detects the target rotation speed setting voltage of the motor 3 set by the resistors 26 and 28 and the variable resistor 27 (S202), and sets the target rotation speed (S203). Next, the microcomputer 23 sets the initial conduction angle of the triac 24 at the time of starting the motor (S204). It is necessary to obtain an optimal value for the initial conduction angle by an experiment or the like in advance according to the electric tool to be used. The initial conduction angle is preferably 40 ° or more, for example. Next, the microcomputer 23 drives the triac 24 with the initial conduction angle set in step S204 to start the motor 3 (S205).
次にマイコン２３は、第１次制御のＰＩ（比例＋積分）制御を行う（Ｓ２０６）。マイコン２３は、ＰＩ制御によって所定の時間（例えば０.２５秒間）モータ３の回転数を制御し（Ｓ２０７）、再度、抵抗器２６,２８、可変抵抗器２７によって設定されるモータ３の目標回転数設定電圧を検出し（Ｓ２０８）、目標回転数の設定を行う（Ｓ２０９）。ステップＳ２０８,Ｓ２０９は、使用者により目標回転数が変更されている場合に目標回転数を再設定するものである。 Next, the microcomputer 23 performs primary control PI (proportional + integral) control (S206). The microcomputer 23 controls the number of rotations of the motor 3 by PI control for a predetermined time (for example, 0.25 seconds) (S207), and the target rotation of the motor 3 set by the resistors 26 and 28 and the variable resistor 27 again. The number setting voltage is detected (S208), and the target rotational speed is set (S209). Steps S208 and S209 are for resetting the target rotational speed when the target rotational speed is changed by the user.
次にマイコン２３は、第２次制御のＰＩＤ（比例＋積分＋微分）制御を行う（Ｓ２１０）。ここでのＰＩＤ制御における比例制御ゲインは、ステップＳ２０６でのＰＩ制御における比例制御ゲインより大きくすることが好ましい。これは、ＰＩＤ制御を行う期間（第２の制御期間）では、ＰＩ制御を行う期間（第１の制御期間）と比較してモータ３の回転数と目標回転数との偏差が小さくなっていることに対応するためである。これにより、第２の制御期間においてモータ３の回転数上昇速度が遅くなりすぎることを防止できる。なお、積分制御ゲインについても同様に、ＰＩＤ制御時（第２の制御期間）のほうがＰＩ制御時（第１の制御期間）より大きくてもよい。次にマイコン２３は、ステップＳ２１１に進み、スイッチ２がＯＮであれば引き続きステップＳ２０８に戻りモータ３の回転数制御（ＰＩＤ制御）を行い、スイッチ２がＯＦＦとなればモータ３を停止する（Ｓ２１２）。 Next, the microcomputer 23 performs PID (proportional + integral + derivative) control of secondary control (S210). The proportional control gain in the PID control here is preferably larger than the proportional control gain in the PI control in step S206. This is because the deviation between the rotational speed of the motor 3 and the target rotational speed is smaller in the period in which PID control is performed (second control period) than in the period in which PI control is performed (first control period). This is to cope with this. Thereby, it can prevent that the rotation speed increase speed of the motor 3 becomes too slow in the 2nd control period. Similarly, the integral control gain may be larger during PID control (second control period) than during PI control (first control period). Next, the microcomputer 23 proceeds to step S211. If the switch 2 is ON, the microcomputer 23 continues to return to step S208 to perform the rotational speed control (PID control) of the motor 3, and stops the motor 3 if the switch 2 is OFF (S212). ).
ステップＳ２０６でのＰＩ制御における各制御ゲイン（制御定数）、及びステップＳ２１０でのＰＩＤ制御における各制御ゲイン（制御定数）は、ステップＳ２０１で検出した交流電源の周波数によって異なってもよい。 Each control gain (control constant) in the PI control in step S206 and each control gain (control constant) in the PID control in step S210 may be different depending on the frequency of the AC power source detected in step S201.
図３は、図２に示す制御を行った場合の、モータ３の回転数と電動工具本体にかかる力の時間変化を示す起動特性図である。図３において、比較のために従来のソフトスタート制御における起動特性を点線で示している。 FIG. 3 is a start characteristic diagram showing the change over time of the number of rotations of the motor 3 and the force applied to the power tool body when the control shown in FIG. 2 is performed. In FIG. 3, the starting characteristic in the conventional soft start control is shown by a dotted line for comparison.
従来の起動特性では、起動時の反動を抑制するために、モータ３に印加する電圧の実効値をゼロから緩やかに高め、モータ３の回転数をゼロから緩やかに加速していた（起動直後の回転数上昇速度を小さくしていた）。一方、本実施の形態では、マイコン２３は、モータ３に印加する電圧の実効値をある程度の大きさの初期値（初期実効値）まで急速に高め、モータ３の回転数の立ち上がりを早めている（起動直後の回転数上昇速度を大きくしている）。前記初期値は、最大値に対して例えば２４％〜７６％（導通角換算では４０°〜１００°）の範囲であり、好ましくは３３％〜６９％（導通角換算では５０°〜９０°）の範囲とする。なお、前記初期値は、回転具の慣性モーメント等によって異なってもよい。これについては後述する（図５,図６）。 In the conventional starting characteristic, in order to suppress the reaction at the time of starting, the effective value of the voltage applied to the motor 3 is gradually increased from zero, and the rotational speed of the motor 3 is gradually accelerated from zero (immediately after starting). The speed of speed increase was reduced). On the other hand, in the present embodiment, the microcomputer 23 rapidly increases the effective value of the voltage applied to the motor 3 to an initial value (initial effective value) having a certain magnitude, thereby speeding up the rotation speed of the motor 3. (The speed of speed increase immediately after startup is increased). The initial value is, for example, in the range of 24% to 76% (40 ° to 100 ° in terms of conduction angle) with respect to the maximum value, preferably 33% to 69% (50 ° to 90 ° in terms of conduction angle). The range. The initial value may differ depending on the moment of inertia of the rotating tool. This will be described later (FIGS. 5 and 6).
従来の起動特性では、時間とともにモータ３の回転数上昇の傾き（回転数上昇速度）を大きくしていた。一方、本実施の形態では、マイコン２３は、モータ３に印加する電圧の実効値を前記初期値まで急速に高めた後、まずＰＩ制御によりモータ３の回転数を略直線的に上昇させ（第１の制御期間）、モータ３への通電開始から所定の時間が経過すると、ＰＩＤ制御によりモータ３の回転数を制御する（第２の制御期間）。前記所定の時間は、例えば０.１秒〜１.０秒の範囲であり、好ましくは０.２秒〜０.６秒の範囲とする。ＰＩＤ制御でモータ３の回転数を前記所定の回転数から目標回転数まで上昇させる際、マイコン２３は、モータ３の回転数上昇速度を徐々に低下させる。マイコン２３は、モータ３の回転数が目標回転数に達した後、引き続きＰＩＤ制御によりモータ３の回転数を制御する。 In the conventional start-up characteristic, the gradient of the rotation speed increase of the motor 3 (rotational speed increase speed) is increased with time. On the other hand, in the present embodiment, the microcomputer 23 rapidly increases the effective value of the voltage applied to the motor 3 to the initial value, and then first increases the rotational speed of the motor 3 substantially linearly by PI control (first step). 1), when a predetermined time has elapsed from the start of energization of the motor 3, the rotational speed of the motor 3 is controlled by PID control (second control period). The predetermined time is, for example, in the range of 0.1 second to 1.0 second, and preferably in the range of 0.2 second to 0.6 second. When the rotational speed of the motor 3 is increased from the predetermined rotational speed to the target rotational speed by PID control, the microcomputer 23 gradually decreases the rotational speed increase speed of the motor 3. The microcomputer 23 continuously controls the rotational speed of the motor 3 by PID control after the rotational speed of the motor 3 reaches the target rotational speed.
本実施の形態によれば、下記の効果を奏することができる。 According to the present embodiment, the following effects can be achieved.
(1) 従来のソフトスタート制御では、モータ３に印加する電圧の実効値をゼロから緩やかに高め、時間とともにモータ３の回転数上昇の傾き（回転数上昇速度）を大きくしていたため、モータ３の回転数が目標値に達した時点での加速度（回転数上昇の傾き）の変化が大きく、定速度領域（定常回転数）になった時点での使用者の手にかかる反動が大きかった。これに対し本実施の形態では、初期段階である程度の電圧をモータ３に印加してモータ３の回転数の立ち上がりを早くする一方で、モータ３の回転数が目標回転数に近づくと回転数上昇速度を緩やかにすることで、モータ３の回転数が目標回転数に達するまでの時間（モータ３の起動時間）を従来と同等以下にしつつ、定速度領域移行時の反動を従来と比較して小さすることができる。なお、起動時にある程度の電圧をモータ３に印加する関係で、起動時に電動工具本体にかかる力は多少大きくなるが、起動時はモータ３の回転数が低いために使用者はそれほど反動を感じることはない。また、大きな反動のかかるタイミングが使用者のスイッチ操作のタイミングと一致するため、使用者としては反動のかかるタイミングが分かりやすくて使いやすい。 (1) In the conventional soft start control, the effective value of the voltage applied to the motor 3 is gradually increased from zero, and the slope of the increase in the rotation speed of the motor 3 (the rotation speed increase speed) is increased with time. When the rotation speed reached the target value, the change in the acceleration (inclination of the rotation speed increase) was large, and the reaction on the user's hand when the speed reached the constant speed region (steady rotation speed) was large. On the other hand, in the present embodiment, a certain amount of voltage is applied to the motor 3 in the initial stage to speed up the rise of the rotation speed of the motor 3, while the rotation speed increases when the rotation speed of the motor 3 approaches the target rotation speed. By slowing down the speed, the time required for the motor 3 to reach the target rotational speed (starting time of the motor 3) is less than or equal to the conventional speed, while the reaction at the time of shifting to the constant speed region is compared with the conventional speed. Can be small. In addition, the force applied to the electric power tool body at the time of start-up is somewhat increased because a certain voltage is applied to the motor 3 at the time of start-up. There is no. In addition, since the timing at which a large reaction occurs coincides with the timing of the user's switch operation, the timing at which the reaction is applied is easy for the user to understand.
(2) モータ３の回転数が目標回転数に近い所定の回転数に達した段階でＰＩ制御からＰＩＤ制御に切り替えるため、モータ３の回転数を前記所定の回転数まで迅速に上昇させる一方で、前記所定の回転数からは回転数上昇速度を低下させながら緩やかに目標回転数に近づけることができる。すなわち、微分制御はモータ３の回転数を目標回転数に向けて迅速に上昇させるには妨げになるため、モータ３の回転数が目標回転数に近い所定の回転数に達するまでは微分制御は行わず、前記所定の回転数に達した後で微分制御を追加することで、モータ３の起動時間短縮と目標回転数到達時の反動低減を好適に両立させることができる。 (2) In order to switch from PI control to PID control when the rotational speed of the motor 3 reaches a predetermined rotational speed close to the target rotational speed, the rotational speed of the motor 3 is rapidly increased to the predetermined rotational speed. The predetermined rotational speed can be gradually brought close to the target rotational speed while decreasing the rotational speed increasing speed. That is, the differential control hinders the speed of the motor 3 from rapidly increasing toward the target speed, and therefore the differential control is not performed until the speed of the motor 3 reaches a predetermined speed close to the target speed. By not adding the differential control after reaching the predetermined rotational speed, it is possible to suitably achieve both shortening the start-up time of the motor 3 and reducing the recoil when the target rotational speed is reached.
実施の形態２
図４は、本発明の実施の形態２に係る電動工具の回路図である。実施の形態１では、モータ３は交流ブラシ付きモータであったが、本実施の形態では、モータ３を直流ブラシレスモータとする。
Embodiment 2
FIG. 4 is a circuit diagram of the power tool according to Embodiment 2 of the present invention. In the first embodiment, the motor 3 is an AC brush motor, but in the present embodiment, the motor 3 is a DC brushless motor.
交流電源１からの供給電圧は、ダイオードブリッジ等の整流回路４０で例えば全波整流波に変換され、さらに平滑コンデンサＣで平滑され、直流電圧となってインバータ回路４７に供給される。モータ３は、いわゆるインナーロータ型であって、ロータ３ａと、ステータと、３つの位置検出素子４２（ホール素子等の磁気検出素子）とを有する。ロータ３ａは、複数組（本実施の形態では２組）のＮ極とＳ極を含むロータマグネット３ｄを含む。ステータは、スター結線された３相の固定子巻線Ｕ、Ｖ、Ｗから成るステータコイル３ｃ及びステータコア３ｂを含む。３つの位置検出素子４２は、ロータ３ａの回転位置を検出するために周方向に所定の間隔毎、例えば角度６０°毎に配置される。これら位置検出素子４２からの信号に基づいて回転子位置検出回路４３が回転位置検出信号を生成し、マイコン２３は回転位置検出信号に基づいて固定子巻線Ｕ、Ｖ、Ｗへの通電方向と時間を制御し、モータ３を回転駆動する。マイコン２３は、また、使用者が操作するスピードコントロールダイヤル４５の位置に応じてスピードコントローラ４１を制御し、モータ３の速度調節を行う。 A supply voltage from the AC power supply 1 is converted into, for example, a full-wave rectified wave by a rectifier circuit 40 such as a diode bridge, and further smoothed by a smoothing capacitor C, and supplied to an inverter circuit 47 as a DC voltage. The motor 3 is a so-called inner rotor type, and includes a rotor 3a, a stator, and three position detection elements 42 (magnetic detection elements such as Hall elements). Rotor 3a includes a rotor magnet 3d including a plurality of sets (two sets in the present embodiment) of N poles and S poles. The stator includes a stator coil 3c and a stator core 3b composed of three-phase stator windings U, V, and W that are star-connected. The three position detecting elements 42 are arranged at predetermined intervals in the circumferential direction, for example, at an angle of 60 °, in order to detect the rotational position of the rotor 3a. The rotor position detection circuit 43 generates a rotation position detection signal based on the signals from these position detection elements 42, and the microcomputer 23 determines the energization direction to the stator windings U, V, W based on the rotation position detection signal. Time is controlled and the motor 3 is rotationally driven. The microcomputer 23 also controls the speed controller 41 according to the position of the speed control dial 45 operated by the user to adjust the speed of the motor 3.
インバータ回路４７は、３相ブリッジ形式に接続されたＦＥＴ等の６個のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６を含む。ブリッジ接続された６個のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６の各ゲートは、スピードコントローラ４１に接続され、６個のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６の各ドレイン又は各ソースは、スター結線された固定子巻線Ｕ、Ｖ、Ｗに接続される。６個のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６は、スピードコントローラ４１から入力されたスイッチング素子駆動信号Ｈ１〜Ｈ６によってスイッチング動作を行い、インバータ回路４７に印加される直流電圧を３相（Ｕ相、Ｖ相及びＷ相）電圧Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗとして固定子巻線Ｕ、Ｖ、Ｗに供給する。 The inverter circuit 47 includes six switching elements Q1 to Q6 such as FETs connected in a three-phase bridge format. The gates of the six switching elements Q1 to Q6 that are bridge-connected are connected to the speed controller 41, and the drains or sources of the six switching elements Q1 to Q6 are star-connected stator windings U, Connected to V and W. The six switching elements Q1 to Q6 perform a switching operation according to the switching element drive signals H1 to H6 input from the speed controller 41, and convert the DC voltage applied to the inverter circuit 47 into three phases (U phase, V phase, and W). Phase) Voltages Vu, Vv, Vw are supplied to the stator windings U, V, W.
スイッチング素子駆動信号Ｈ１〜Ｈ６のうちローサイド側のスイッチング素子Ｑ４〜Ｑ６のゲートに印加される信号（Ｈ４〜Ｈ６）あるいはハイサイド側のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ３のゲートに印加される信号（Ｈ１〜Ｈ３）の少なくともいずれかは、パルス幅変調信号（ＰＷＭ信号）であり、このＰＷＭ信号のデューティを変化させることでモータ３への電力供給量（モータ３に印加する電圧の実効値）を調節し、モータ３の起動、停止、及び回転速度を制御することができる。マイコン２３は、図示していないが、処理プログラムとデータに基づいて駆動信号を出力するための中央処理装置（ＣＰＵ）、処理プログラムや制御データを記憶するためのＲＯＭ、データを一時記憶するためのＲＡＭ、タイマ等を含む。スピードコントローラ４１は、マイコン２３の制御に従い、回転子位置検出回路４３の出力信号に基づいて所定のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６を交互にスイッチングするための駆動信号を発生する。これにより固定子巻線Ｕ、Ｖ、Ｗの所定の巻線に交互に通電され、ロータ３ａが回転される。モータ３に供給される電流値（検出抵抗Ｒsに流れる電流値）は、電流検出回路４８によって測定され、その値がマイコン２３にフィードバックされ、モータ３の負荷が監視される。電圧検出回路５２は、インバータ回路４７に印加される電圧を検出し、マイコン２３にフィードバックする。 Of the switching element drive signals H1 to H6, signals (H4 to H6) applied to the gates of the low-side switching elements Q4 to Q6 or signals (H1 to H3) applied to the gates of the high-side switching elements Q1 to Q3. ) Is a pulse width modulation signal (PWM signal), and the amount of power supplied to the motor 3 (the effective value of the voltage applied to the motor 3) is adjusted by changing the duty of the PWM signal. The start, stop, and rotation speed of the motor 3 can be controlled. Although not shown, the microcomputer 23 is a central processing unit (CPU) for outputting a drive signal based on the processing program and data, a ROM for storing the processing program and control data, and a temporary storage for data. RAM, timer, etc. are included. The speed controller 41 generates a drive signal for alternately switching predetermined switching elements Q1 to Q6 based on the output signal of the rotor position detection circuit 43 according to the control of the microcomputer 23. As a result, the predetermined windings of the stator windings U, V, and W are alternately energized to rotate the rotor 3a. The current value supplied to the motor 3 (current value flowing through the detection resistor Rs) is measured by the current detection circuit 48, the value is fed back to the microcomputer 23, and the load on the motor 3 is monitored. The voltage detection circuit 52 detects the voltage applied to the inverter circuit 47 and feeds it back to the microcomputer 23.
本実施の形態においても、モータ３の制御の流れ及び起動特性は実施の形態１と同様である（図２及び図３）。但し、図２のフローチャートを本実施の形態に適用する場合は、モータ３が直流駆動のため電源周波数の検出（Ｓ２０１）を省略し、「初期導通角」（Ｓ２０４,Ｓ２０５）は「初期デューティ」と読み替え、「トライアック」は「スイッチング素子」と読み替える。本実施の形態も、実施の形態１と同様の効果を奏することができる。 Also in the present embodiment, the control flow and starting characteristics of the motor 3 are the same as those in the first embodiment (FIGS. 2 and 3). However, when the flowchart of FIG. 2 is applied to the present embodiment, since the motor 3 is DC driven, the detection of the power supply frequency (S201) is omitted, and the “initial conduction angle” (S204, S205) is “initial duty”. “Triac” is read as “switching element”. The present embodiment can achieve the same effects as those of the first embodiment.
実施の形態１及び２のいずれにおいても、モータ３に印加する電圧の初期実効値は、回転具の種類や大きさによって変更してもよい。図５は、実施の形態１において電動工具を丸鋸とした場合の、鋸刃の直径、トライアック２４の初期導通角、モータ３への印加電圧の初期実効値、及びモータ３の起動時間の一例を示す表である。図６は、実施の形態２において電動工具を丸鋸とした場合の、鋸刃の直径、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６（ハイサイド側かローサイド側の少なくともいずれか）に印加するＰＷＭ信号の初期デューティ、モータ３への印加電圧の初期実効値、及びモータ３の起動時間の一例を示す表である。図５及び図６に示すように回転具の慣性モーメントが大きいほどモータ３への印加電圧の初期実効値を高めることで、モータ３の回転数が目標回転数に達するまでの時間の短縮化と定速度領域移行時の反動低減をバランス良く実現できる。 In any of the first and second embodiments, the initial effective value of the voltage applied to the motor 3 may be changed depending on the type and size of the rotating tool. FIG. 5 shows an example of the diameter of the saw blade, the initial conduction angle of the triac 24, the initial effective value of the voltage applied to the motor 3, and the starting time of the motor 3 when the electric power tool is a circular saw in the first embodiment. It is a table | surface which shows. FIG. 6 shows the diameter of the saw blade when the electric power tool is a circular saw in the second embodiment, the initial duty of the PWM signal applied to the switching elements Q1 to Q6 (at least one of the high side and the low side), 3 is a table showing an example of an initial effective value of a voltage applied to a motor 3 and an activation time of the motor 3. As shown in FIG. 5 and FIG. 6, the initial effective value of the voltage applied to the motor 3 is increased as the moment of inertia of the rotating tool increases, thereby shortening the time until the rotational speed of the motor 3 reaches the target rotational speed. Reduces recoil when shifting to the constant speed range.
図７は、実施の形態１及び２における、モータ３に印加する電圧の初期実効値（横軸）と、初期反動力及び起動時間（縦軸）の関係を示す特性図である。図７において、比較のために従来のソフトスタート制御における起動時間と定速度領域移行時の反動力を併せて示している。本図に示すように、モータ３に印加する電圧の初期実効値が高くなるほど、モータ３の起動時間は早くなるが、初期反動力（起動直後に使用者が感じる反動）は大きくなる。このため、モータ３に印加する電圧の初期実効値は、起動時間が従来と比較して遅くならない範囲で、かつ初期反動力が従来の定速度領域移行時の反動力よりも顕著に小さくなる範囲が好ましい。 FIG. 7 is a characteristic diagram showing the relationship between the initial effective value (horizontal axis) of the voltage applied to the motor 3, the initial reaction force, and the starting time (vertical axis) in the first and second embodiments. In FIG. 7, for comparison, the starting time in the conventional soft start control and the reaction force at the time of shifting to the constant speed region are shown together. As shown in this figure, as the initial effective value of the voltage applied to the motor 3 increases, the startup time of the motor 3 becomes earlier, but the initial reaction force (reaction felt by the user immediately after startup) increases. For this reason, the initial effective value of the voltage applied to the motor 3 is within a range in which the start-up time is not delayed compared to the conventional case, and the initial reaction force is significantly smaller than the reaction force at the time of shifting to the conventional constant speed region. Is preferred.
以上、実施の形態を例に本発明を説明したが、実施の形態の各構成要素や各処理プロセスには請求項に記載の範囲で種々の変形が可能であることは当業者に理解されるところである。以下、変形例について触れる。 The present invention has been described above by taking the embodiment as an example. However, it is understood by those skilled in the art that various modifications can be made to each component and each processing process of the embodiment within the scope of the claims. By the way. Hereinafter, modifications will be described.
第１の制御期間（ＰＩ制御）から第２の制御期間（ＰＩＤ制御）に移行するタイミングは、モータ３への通電開始から所定の時間が経過したタイミングに替えて、モータ３の回転数が所定の回転数に達したタイミングであってもよい。前記所定の回転数は、目標回転数に対して例えば５０％〜９０％の範囲であり、好ましくは６０％〜８０％の範囲とする。 The timing of transition from the first control period (PI control) to the second control period (PID control) is changed to the timing at which a predetermined time has elapsed from the start of energization of the motor 3, and the rotation speed of the motor 3 is predetermined. The timing at which the number of rotations is reached may be used. The predetermined rotation speed is, for example, in the range of 50% to 90%, preferably in the range of 60% to 80% with respect to the target rotation speed.
第１の制御期間では、微分制御を行わないことに替えて、第２の制御期間と比較して微分制御ゲインを小さくしてもよい。第２の制御期間では、積分制御を行わなくてもよい。 In the first control period, instead of not performing the differential control, the differential control gain may be reduced as compared with the second control period. In the second control period, integral control may not be performed.
実施の形態で説明した技術は、慣性モーメントの大きい回転具を駆動する電動工具、例えば丸鋸やグラインダ等の円板状の回転具を駆動する電動工具に特に有効であるが、他の電動工具に適用してもよい。電動工具は、外部の交流電源によって駆動されるものに限定されず、電池駆動であってもよい。 The technique described in the embodiment is particularly effective for a power tool that drives a rotating tool having a large moment of inertia, for example, a power tool that drives a disk-shaped rotating tool such as a circular saw or a grinder. You may apply to. The power tool is not limited to one driven by an external AC power source, and may be battery-driven.
１：商用電源（交流電源）、２：スイッチ、３：モータ、４：回転数制御装置、５：回転数信号増幅回路、６：回転数センサ、７：電源回路、８：ゼロクロス検出回路、２３：マイコン、２４：トライアック、２５,２６,２８：抵抗器、２７：可変抵抗器、４０：整流回路、４１：スピードコントローラ、４２：位置検出素子、４３：回転子位置検出回路、４４：スピードコントロールダイヤル、４７：インバータ回路、４８：電流検出回路、５２：電圧検出回路、Ｑ１〜Ｑ６：スイッチング素子 1: commercial power supply (AC power supply), 2: switch, 3: motor, 4: rotation speed control device, 5: rotation speed signal amplification circuit, 6: rotation speed sensor, 7: power supply circuit, 8: zero cross detection circuit, 23 : Microcomputer, 24: Triac, 25, 26, 28: Resistor, 27: Variable resistor, 40: Rectifier circuit, 41: Speed controller, 42: Position detection element, 43: Rotor position detection circuit, 44: Speed control Dial, 47: Inverter circuit, 48: Current detection circuit, 52: Voltage detection circuit, Q1-Q6: Switching element
Claims (10)
前記モータを制御する制御部と、
前記モータによって回転される回転具と、を備え、
前記制御部は、停止している前記モータを目標回転数まで加速する際、前記モータの通電開始直後の回転数上昇速度を、前記目標回転数に達する直前の前記モータの回転数上昇速度より大きくする、電動工具。 A motor,
A control unit for controlling the motor;
A rotating tool rotated by the motor,
When accelerating the stopped motor to a target rotational speed, the control unit increases a rotational speed increasing speed immediately after starting the energization of the motor to be larger than a rotational speed increasing speed of the motor immediately before reaching the target rotational speed. Power tool.
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