JP2017135950A - 電動作業機 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】ブラシレスモータ(以下、モータ)を動力源として備える電動作業機は、モータの回転子の回転に伴う磁界の変化から回転子の回転位置(以下、ロータ位置)を検出するホールセンサと、モータの巻線に発生する誘起電圧からロータ位置を検出するロータ位置検出回路と、モータを制御するマイコンとを備える。マイコンは、モータが惰性回転している場合に、ホールセンサによる検出結果(HaU,HaV,HaW)とロータ位置検出回路による検出結果(ZrU,ZrV,ZrW)との差(TeU,TeV,TeW)を検出し、その差から、ホールセンサによる検出結果を補正するための補正値を算出する。そして、その補正値をメモリに記憶して、ホールセンサによる検出結果の補正に用いる。
【選択図】図7
Description
回転位置センサは、回転子の回転に伴う磁界の変化から回転子の回転位置を検出する。
検出部は、巻線に発生する誘起電圧から回転子の回転位置を検出する。
算出部は、ブラシレスモータの回転速度が所定の下限値以上の場合に、前記差を検出するように構成されていても良い。回転速度が小さすぎると、発生する誘起電圧の振幅が小さくなり、その誘起電圧から回転位置を精度良く検出することが難しくなるためである。
算出部は、ブラシレスモータの回転速度が前記下限値以上で、且つ、前記下限値よりも大きい所定の上限値以下の場合に、前記差を検出するように構成されていても良い。回転速度が大きすぎると、発生する誘起電圧の変化速度が大きくなり、その誘起電圧から回転位置を精度良く検出することが難しくなるためである。
本実施形態では、電動作業機の一例である刈払機を例に挙げる。
[刈払機の全体構成]
図1に示す実施形態の刈払機2は、園芸用の電動作業機であって、草木を刈り払うために用いられる
刈払機2は、支持棹4と、支持棹4の前端4aに設けられた前端ユニット6と、支持棹4の後端4bに設けられた後端ユニット8と、支持棹4の中間部に設けられたループハンドル10と、ループハンドル10と後端ユニット8との間に設けられたグリップ12と、を備える。支持棹4は、中空のパイプ状であって、前端4aから後端4bまで直線状に伸びている。
モータ16は、アウタロータ型の3相のブラシレスモータであり、固定子としてのステータ18と、回転子としてのロータ19と、ロータ19に連結されたモータ軸20と、を備える。
コードホルダ26は、モータ軸20と連結されている。よって、コードホルダ26は、モータ16によって回転駆動される。コードホルダ26は、紐状のカッターコード28を保持している。カッターコード28の先端は、コードホルダ26から引き出されており、コードホルダ26と共に回転する。刈払機2は、高速で周回するカッターコード28によって草木を切断する。カッターコード28は、例えばナイロンコードである。
図1に示すように、ループハンドル10は、支持棹4の上方および側方に膨らむループ形状に形成されている。ループハンドル10は、支持棹4に固定されている。
操作部31には、モータ16の回転方向や回転速度等を変更するための操作ボタンが設けられている。表示パネル32には、故障の有無やモータ16の動作状態等を示すLED34(図5参照)が設けられている。LEDは、発光ダイオードの略である。
図5に示すように、モータ16は、前述した各相のコイル41u,41v,41wと、各相の端子43u,43v,43wと、を備える。この例では、コイル41u,41v,41wがスター結線されている。そして、U相端子43uは、U相コイル41uの端部に接続されており、V相端子43vは、V相コイル41vの端部に接続されており、W相端子43wは、W相コイル41wの端部に接続されている。
マイコン46の動作は、CPUが記録媒体に格納されたプログラムを実行することにより実現される。この例では、ROMが、プログラムを格納した記録媒体に該当する。また、このプログラムの実行により、プログラムに対応する方法が実行される。また、制御部としてのマイコン46の数は1つでも複数でも良い。また、マイコン46が行う処理の一部又は全部を、論理回路やアナログ回路等を組み合わせたハードウェアを用いて実現しても良い。
一方、モータ16においては、ロータ19が回転すると、各相のコイル41u,41v,41wには、図6の上から3つの各段に示すように、正弦波のような誘起電圧が発生する。そして、各コイル41u,41v,41wの誘起電圧は、モータ16の各端子43u,43v,43wに現れる。
そして、ロータ位置検出回路50は、図6の上から6つの各段に示すように、各コイル41u,41v,41wの誘起電圧が基準電圧を横切るタイミングで信号レベルがハイとローとに切り替わる信号(以下、ゼロクロス信号という)ZrU,ZrV,ZrWを出力する。ゼロクロス信号ZrUは、U相コイル41uの誘起電圧を、基準電圧よりも大きいか否かで波形整形した信号であり、同様に、ゼロクロス信号ZrVは、V相コイル41vの誘起電圧を、基準電圧よりも大きいか否かで波形整形した信号であり、ゼロクロス信号ZrWは、W相コイル41wの誘起電圧を、基準電圧よりも大きいか否かで波形整形した信号である。基準電圧は、コイル41u,41v,41wの中性点の電圧(以下、中性点電圧という)であり、変動する誘起電圧の波形の中心値である。図6の例では基準電圧を0Vとしている。
レベル変化タイミングを補正するための処理は、各相のホール信号HaU,HaV,HaWの各々について実施される。このため、U相、V相、W相の何れかを、X相と表現し、そのX相のホール信号について、補正処理の概要を説明する。つまり、Xは、U,V,Wの何れかを示す。そして、符号中最後のXは、X相に対応するものであることを意味する。例えば、X相のホール信号の符号として「HaX」を用い、X相のゼロクロス信号の符号として「ZrX」を用いる。
〈1〉モータ16が惰性回転している場合に、ホール信号HaXのレベル変化タイミングと、ゼロクロス信号ZrXのレベル変化タイミングとの、時間差TeXを検出すると共に、ホール信号HaXのレベル変化の間隔時間である半周期時間TcXも検出する。
補正値RX=1−時間差TeX/半周期時間TcX …式2
〈3〉モータ16を制御する場合にも、ホール信号HaXの半周期時間TcXを検出する。更に、モータ16を制御する場合には、ホール信号HaXがレベル変化したタイミングから、下記の式3で表される補正時間TrXが経過したタイミングを、補正後のレベル変化タイミング(即ち、正しいレベル変化タイミング)とする。そして、その補正後のレベル変化タイミングにて励磁切替を実施する。
図7を用いて具体例を説明する。
図7において、TeU,TeV、TeWの各々は、ホール信号HaU,HaV,HaWの各々について、上記〈1〉の処理で検出される時間差である。また、TcU,TcV、TcWの各々は、ホール信号HaU,HaV,HaWの各々について、上記〈1〉の処理で検出される半周期時間である。また、TrU,TrVの各々は、ホール信号HaU,HaVの各々について、式3によって算出される補正時間である。尚、図7の例では、ホール信号HaWとゼロクロス信号ZrWとに位相差が無いため、時間差TeWは0であり、ホール信号HaWは補正されない。
マイコン46は、トリガスイッチ29からの信号に基づき、トリガスイッチ29がオンされたことを検出すると、図8に示すモータ制御処理を実行する。
補正時間タイマ値とは、補正時間タイマの値のことである。そして、補正時間タイマは、U,V,Wの各相について設けられている。U相の補正時間タイマは、U相ホール信号HaUに対する前述の補正時間TrUを計測して、その補正時間TrUが経過したことを知らせるためのタイマである。同様に、V相の補正時間タイマは、V相ホール信号HaVに対する補正時間TrVを計測して、その補正時間TrVが経過したことを知らせるためのタイマである。同様に、W相の補正時間タイマは、W相ホール信号HaWに対する補正時間TrWを計測して、その補正時間TrWが経過したことを知らせるためのタイマである。
回転速タイマ値とは、回転速タイマの値のことである。そして、回転速タイマは、U,V,Wの各相について設けられている。U相の回転速タイマは、U相ホール信号HaUの半周期時間TcUを計測するためのタイマである。同様に、V相の回転速タイマは、V相ホール信号HaVの半周期時間TcVを計測するためのタイマである。同様に、W相の回転速タイマは、W相ホール信号HaWの半周期時間TcWを計測するためのタイマである。例えば、各相の回転速タイマは、上記単位時間毎にカウント値が1ずつ増加するカウンタによって構成されており、そのカウンタの値が、回転速タイマ値に相当する。
マイコン46は、S160では、各相の補正時間タイマの何れかがカウントを終了したか否かを判定する。補正時間タイマがカウントを終了するとは、その補正時間タイマにセットされた計測対象の補正時間が経過したということである。
また、マイコン46は、S160で肯定判定した場合、即ち、各相の補正時間タイマの何れかがカウントを終了した場合には、カウントを終了した補正時間タイマに対応する前述のカウント終了フラグをクリアする。そして、S170に進み、励磁切替の処理を行った後、S150に戻る。
図9に示すように、マイコン46は、第1のU相ホール信号割込処理を開始すると、S210にて、U相の回転速タイマがスタート済みであるか否かを判定し、スタート済みでなければ、S230に進んで、U相の回転速タイマをクリアスタートさせる。つまり、S230では、U相の回転速タイマ値を0にクリアしてから、そのU相の回転速タイマをスタートさせる。すると、U相の回転速タイマ値は、前述の単位時間が経過する毎に1ずつ増加していく。
U相の補正時間TrU=U相の補正値RU×U相の回転速タイマ値 …式4
U相の補正時間TrUとは、U相ホール信号HaUに対する補正時間TrUである。U相の補正値RUとは、U相ホール信号HaUに対する補正値RUである。そして、式4における「U相の補正値RU」としては、後述する図10の補正値記憶処理によってメモリ47に記憶されている値が用いられる。また、式4における「U相の回転速タイマ値」としては、今回のS220で記憶した「U相の回転速タイマ値」が使用される。つまり、式4は、前述した式3における「半周期時間TcX」として、S220で記憶した「U相の回転速タイマ値」を用いた式である。尚、メモリ47に補正値RUが未だ記憶されていない場合や、S220の処理によってU相の回転速タイマ値が未だ記憶されていない場合には、U相の補正時間TrUは、デフォルト値としての0として算出される。
誤差タイマ値とは、誤差タイマの値のことである。そして、誤差タイマは、U,V,Wの各相について設けられている。U相の誤差タイマは、U相ホール信号HaUのレベル変化タイミングと、U相ゼロクロス信号ZrUのレベル変化タイミングとの、時間差TeUを、U相のホールセンサ23uによるロータ位置の検出誤差として測定するためのタイマである。同様に、V相の誤差タイマは、V相ホール信号HaVのレベル変化タイミングと、V相ゼロクロス信号ZrVのレベル変化タイミングとの、時間差TeVを、V相のホールセンサ23vによるロータ位置の検出誤差として測定するためのタイマである。同様に、W相の誤差タイマは、W相ホール信号HaWのレベル変化タイミングと、W相ゼロクロス信号ZrWのレベル変化タイミングとの、時間差TeWを、W相のホールセンサ23wによるロータ位置の検出誤差として測定するためのタイマである。例えば、各相の誤差タイマは、上記単位時間毎にカウント値が1ずつ増加するカウンタによって構成されており、そのカウンタの値が、誤差タイマ値に相当する。
マイコン46は、S330では、モータ回転速度が所定の上限値SH以下であるか否かを判定し、モータ回転速度が上限値SH以下でなければ(即ち、上限値SHよりも大きければ)、S320に戻る。尚、判定対象のモータ回転速度は、例えば、第1のU相のホール信号割込処理と、第1のV相ホール信号割込処理と、第1のW相ホール信号割込処理との、それぞれによって更新記憶される各相の回転速タイマ値を、平均化した値から算出される。
ここで、マイコン46は、ゼロクロス信号割込が許可された状態では、U相ゼロクロス信号ZrUにレベル変化が生じる毎に、図11に示すU相ゼロクロス信号割込処理を実行する。そして、マイコン46は、V相ゼロクロス信号ZrVとW相ゼロクロス信号ZrWとの各々についても、レベル変化が生じる毎に、図11の処理と同様の処理を行う。V相ゼロクロス信号ZrVにレベル変化が生じる毎に行われるV相ゼロクロス信号割込処理は、図11における「U相」との記載を「V相」と読み替えた処理である。同様に、W相ゼロクロス信号ZrWにレベル変化が生じる毎に行われるW相ゼロクロス信号割込処理は、図11における「U相」との記載を「W相」と読み替えた処理である。このため、U相ゼロクロス信号割込処理について、図11を用い説明する。尚、V相ゼロクロス信号割込処理とW相ゼロクロス信号割込処理についても、図11と同じステップ番号を用いる。また、U相ゼロクロス信号割込処理と、V相ゼロクロス信号割込処理と、W相ゼロクロス信号割込処理とを、総称して、各相ゼロクロス信号割込処理と言う。
尚、式5における「U相の回転速タイマ値」は、図9のS220で更新記憶される値である。また、式5における「所定値」は、予め設定された値であり、半周期時間TcUに対する時間差TeUの割合(=TeU/TcU)の最大値である。本実施形態において、この所定値は、各相について共通の値であるが、各相について異なる値でも良い。
このため、マイコン46は、U相ホール信号HaUにレベル変化が生じる毎に、前述した図9の処理だけでなく、図12に示す第2のU相ホール信号割込処理も実行する。そして、マイコン46は、V相ホール信号HaVとW相ホール信号HaWとの各々についても、レベル変化が生じる毎に、図9の処理と同様の処理(即ち、第1のV相ホール信号割込処理又は第1のW相ホール信号割込処理)だけでなく、図12の処理と同様の処理を行う。V相ホール信号HaVにレベル変化が生じる毎に行われる第2のV相ホール信号割込処理は、図12における「U相」との記載を「V相」と読み替えた処理である。同様に、W相ホール信号HaWにレベル変化が生じる毎に行われる第2のW相ホール信号割込処理は、図12における「U相」との記載を「W相」と読み替えた処理である。このため、第2のU相ホール信号割込処理について、図12を用い説明する。尚、第2のV相ホール信号割込処理と第2のW相ホール信号割込処理についても、図12と同じステップ番号を用いる。また、第2のU相ホール信号割込処理と、第2のV相ホール信号割込処理と、第2のW相ホール信号割込処理とを、総称して、第2の各相ホール信号割込処理と言う。
そして、マイコン46は、U相ゼロクロス信号割込処理では、S610でYESと判定し、S630で、U相の誤差タイマ値を「正」の正負符号と共に、RAMに記憶する。この場合にRAMに記憶されるU相の誤差タイマ値は、U相ホール信号HaUのレベル変化タイミングからU相ゼロクロス信号ZrUのレベル変化タイミングまでの時間差TeU(即ち、正の時間差TeU)を、上記単位時間を分解能として計測した値となる。
そして、マイコン46は、第2のV相ホール信号割込処理では、S710でYESと判定し、S730で、V相の誤差タイマ値を「負」の正負符号と共に、RAMに記憶する。この場合にRAMに記憶されるV相の誤差タイマ値は、V相ゼロクロス信号ZrVのレベル変化タイミングからV相ホール信号HaVのレベル変化タイミングまでの時間差TeV(即ち、負の時間差TeV)を、上記単位時間を分解能として計測した値となる。
図10におけるS370〜S420の処理は、各相についてそれぞれ実行されるが、ここでは、U相について行われるものとして説明する。
マイコン46は、S380では、U相の補正値(即ち、U相ホール信号HaUに対する補正値)RUを、下記の式6によって算出する。
式6は、前述の式1に相当する。つまり、式6は、式1おける「時間差TeX」として、「U相の誤差タイマ値」を用い、式1における「半周期時間TcX」として、「U相の回転速タイマ値」を用いた式である。そして、この式6により算出されるU相の補正値RUは、進角側にずれているU相ホール信号HaUを、遅角側に補正するための補正値(以下、遅角方向用の補正値という)である。
U相の補正値RU=1−U相の誤差タイマ値/U相の回転速タイマ値 …式7
式7は、前述の式2に相当する。つまり、式7は、式2おける「時間差TeX」として、「U相の誤差タイマ値」を用い、式2における「半周期時間TcX」として、「U相の回転速タイマ値」を用いた式である。そして、この式7により算出されるU相の補正値RUは、遅角側にずれているU相ホール信号HaUを、進角側に補正するための補正値(以下、進角方向用の補正値という)である。
また、マイコン46は、S400にて、新補正値RUが正常でないと判定した場合には、S440に進み、使用者に対して異常の発生を報知するための異常報知処理を行う。ホールセンサ23u,23v,23wやロータ位置検出回路50や信号配線など、何らかの部分に異常が発生していると考えられるからである。そして、マイコン46は、その後、S450に進む。尚、異常報知処理としては、LED34を所定のパターンで点灯させる処理を行うが、例えば、ブザーを鳴らす処理や、表示パネル32に表示装置が設けられているのであれば、その表示装置に異常の発生を示すメッセージを表示する処理を行っても良い。
マイコン46は、S450では、ホール信号割込を禁止し、次のS460にて、ゼロクロス信号割込を禁止する。
[効果]
本実施形態の刈払機2において、マイコン46は、モータ16が惰性回転している場合に、第2の各相ホール信号割込処理と、各相ゼロクロス信号割込処理とを実行する。マイコン46は、それらの処理により、各相について、ホール信号HaU,HaV,HaWのレベル変化タイミングと、ゼロクロス信号ZrU,ZrV,ZrWのレベル変化タイミングとの時間差TeU,TeV,TeWを、誤差タイマ値として計測する。計測される時間差TeU,TeV,TeWは、ホールセンサ23u,23v,23wによるロータ位置の検出結果と、ロータ位置検出回路50によるロータ位置の検出結果との、差に相当する。
上記実施形態では、ホールセンサ23u,23v,23wに検出誤差が無ければ、モータ16の惰性回転時において、ホール信号HaU,HaV,HaWのレベル変化タイミングは、ゼロクロス信号ZrU,ZrV,ZrWのレベル変化タイミングと一致するようになっていた。この場合のホールセンサ23u,23v,23wの組み付け位置を、基準位置と言うことにすると、ホールセンサ23u,23v,23wは、基準位置よりも進角側又は遅角側にずらして組み付けられても良い。上記の例では、センサ基板17の組み付け位置を変えることで、ホールセンサ23u,23v,23wの組み付け位置を変えることができる。
この場合、モータ16の惰性回転時において、ホール信号HaU,HaV,HaWのレベル変化は、ゼロクロス信号ZrU,ZrV,ZrWのレベル変化タイミングよりも電気角で「α°」分の時間Tαだけ前に発生することとなる。そして、この場合には、上記実施形態を下記のように変形すれば良い。
例えば、回転位置センサとしては、ホール素子を用いたものに限らず、例えば磁気抵抗素子など、他の磁電変換素子を用いたセンサでも良い。
補正値を記憶するメモリ47としては、例えば電源バックアップされたRAMなどでも良い。
また、上記実施形態における1つの構成要素が有する複数の機能を、複数の構成要素によって実現したり、1つの構成要素が有する1つの機能を、複数の構成要素によって実現したりしてもよい。また、複数の構成要素が有する複数の機能を、1つの構成要素によって実現したり、複数の構成要素によって実現される1つの機能を、1つの構成要素によって実現したりしてもよい。また、上記実施形態の構成の一部を省略してもよい。なお、特許請求の範囲に記載した文言のみによって特定される技術思想に含まれるあらゆる態様が本発明の実施形態である。また、上述した電動作業機の他、当該電動作業機を構成要素とするシステム、当該電動作業機としてコンピュータを機能させるためのプログラム、このプログラムを記録した半導体メモリ等の記録媒体、電動作業機用ブラシレスモータの制御方法や、回転位置センサの補正方法など、種々の形態で本発明を実現することもできる。
Claims (7)
- 回転子と、巻線を有する固定子と、を備えるブラシレスモータを、動力源として備える電動作業機であって、
前記回転子の回転に伴う磁界の変化から前記回転子の回転位置を検出する回転位置センサと、
前記巻線に発生する誘起電圧から前記回転子の回転位置を検出する検出部と、
前記ブラシレスモータが惰性回転している場合に、前記回転位置センサによる検出結果と前記検出部による検出結果との差を検出し、その差から前記回転位置センサによる検出結果を補正するための補正値を算出する算出部と、
前記算出部により算出された補正値をメモリに記憶する記憶処理部と、
を備える、電動作業機。 - 請求項1に記載の電動作業機であって、
前記算出部は、
前記ブラシレスモータが惰性回転している場合に、前記回転位置センサと前記検出部とが前記回転子の同じ回転位置を検出した各タイミングのずれ量を、前記差として検出するように構成されている、
電動作業機。 - 請求項1又は請求項2に記載の電動作業機であって、
前記回転位置センサによる検出結果に基づいて前記ブラシレスモータを制御するモータ制御部を、備え、
前記モータ制御部は、
前記回転位置センサによる検出結果を、前記メモリに記憶された補正値により補正して前記ブラシレスモータの制御に使用するように構成されている、
電動作業機。 - 請求項1ないし請求項3の何れか1項に記載の電動作業機であって、
前記算出部は、
前記ブラシレスモータの回転速度が所定の下限値以上の場合に、前記差を検出するように構成されている、
電動作業機。 - 請求項4に記載の電動作業機であって、
前記算出部は、
前記ブラシレスモータの回転速度が前記下限値以上で、且つ、前記下限値よりも大きい所定の上限値以下の場合に、前記差を検出するように構成されている、
電動作業機。 - 請求項1ないし請求項5の何れか1項に記載の電動作業機であって、
前記メモリ内の前記補正値と、前記算出部により算出された新たな前記補正値とを比較して、前記メモリ内の前記補正値を更新するか否かを判定する更新判定部、を備え、
前記記憶処理部は、
前記更新判定部により肯定判定された場合に、前記メモリ内の前記補正値を、前記新たな補正値に更新するように構成されている、
電動作業機。 - 請求項1ないし請求項6の何れか1項に記載の電動作業機であって、
前記算出部により算出された前記補正値が所定の範囲内であるか否かにより、前記算出された補正値が正常か否かを判定し、前記算出された補正値が正常でないと判定した場合に、当該電動作業機の使用者に対して異常の発生を報知するための処理を行う異常検出部、を備える、
電動作業機。
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