JP2018015865A - 電動作業機 - Google Patents

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Abstract

【課題】交流電力が入力された後、平滑用のコンデンサに接続されたスイッチング素子を適切なタイミングでオンさせることによって、スイッチング素子のオン時に平滑用のコンデンサに大電流が流れることを抑制する。
【解決手段】電動作業機は、整流回路35と、平滑回路36と、平滑回路36による平滑化後の電力に基づいてモータを駆動する駆動回路と、制御回路38とを備える。電動作業機に交流電源100から交流電力が入力された場合、制御回路38は、周期的に変動する交流電力の電圧値のピーク値を取得し、そのピーク値に基づく特定のオン条件が成立した場合に、第1スイッチング素子56をオンさせる。
【選択図】図2

Description

本開示は、交流電力を整流回路で整流してモータを駆動するよう構成された電動作業機に関する。
特許文献1には、入力される交流電源を整流回路で整流し、さらに平滑コンデンサで平滑化してインバータ回路へ供給し、インバータ回路によってモータが駆動されるように構成された電動工具が記載されている。
特開2016−86639号公報
上記構成の電動工具において、モータを効率良く駆動させるためには、インバータに入力される電圧の変動が小さい方がよい。インバータの入力電圧の変動は、例えば平滑コンデンサの容量を大きくすることにより抑えることができる。
しかし、平滑コンデンサの容量を大きくすればするほど、交流電力の入力開始時に平滑コンデンサに流れる突入電流の値が大きくなり、またその突入電流が流れる時間も長くなって、平滑コンデンサやその他の突入電流が流れる回路素子にダメージを与える可能性がある。
交流電流入力開始時の突入電流を抑制可能な技術として、平滑コンデンサと直列にスイッチング素子を接続し、さらにそのスイッチング素子に対して抵抗体を並列に接続する技術が知られている。
この技術を用いれば、交流電流が入力されて工具が起動した直後はスイッチング素子をオフさせたままにしておくことで、抵抗体を介して平滑コンデンサに充電電流を通電させて平滑コンデンサを充電させることができる。この充電電流は抵抗体を介して流れる電流であるため、平滑コンデンサに流れる電流が制限され、突入電流が抑制される。
一方、平滑コンデンサによる平滑を、損失を抑えつつ効率良く行わせるためには、スイッチング素子をオンさせて、スイッチング素子を介して充電電流が流れるようにすればよい。
しかし、スイッチング素子をオンさせるタイミングを適切に決めないと、スイッチング素子がオンされた時に平滑コンデンサに大電流が流れて各種素子等にダメージを与えるおそれがある。
本開示の一局面は、交流電力が入力された後、平滑用のコンデンサに接続されたスイッチング素子を適切なタイミングでオンさせることによって、スイッチング素子のオン時に平滑用のコンデンサに大電流が流れることを抑制することが好ましい。
本開示の一態様は、電動作業機であって、モータと、整流回路と、平滑回路と、駆動回路と、ピーク電圧値取得部とを備える。
整流回路は、交流電源から供給される交流電力を整流するように構成されている。平滑回路は、整流回路から出力される整流後の電力を平滑化するように構成されている。駆動回路は、平滑回路から出力される平滑化後の電力に基づいてモータの駆動用の電力を生成してモータへ供給するように構成されている。ピーク電圧値取得部は、周期的に変化する交流電力の電圧値の絶対値が最大となるときのその絶対値であるピーク電圧値を取得するように構成されている。
平滑回路は、コンデンサと、直列スイッチング素子と、抵抗体とを備える。コンデンサは、整流後の電力によって充電されるように構成されている。直列スイッチング素子は、コンデンサに直列接続されたスイッチング素子である。抵抗体は、直列スイッチング素子に対して並列接続されている。
さらに、本開示の電動作業機は、スイッチ制御部を備える。スイッチ制御部は、交流電力が入力された場合に、ピーク電圧値取得部により取得されたピーク電圧値に基づく特定のオン条件が成立した場合に直列スイッチング素子をオンさせるように構成されている。
このような構成の電動作業機によれば、交流電力が入力された後、ピーク電圧値に基づいてオン条件が設定される。そして、そのオン条件が成立した場合に直列スイッチング素子がオンされる。そのため、直列スイッチング素子を適切なタイミングでオンさせることができ、これにより直列スイッチング素子のオン時にコンデンサに大電流が流れることを抑制することが可能となる。
上記構成の電動作業機は、さらに、コンデンサ電圧値取得部を備えていてもよい。コンデンサ電圧値取得部は、コンデンサに充電されている電圧の値であるコンデンサ電圧値を取得するように構成されている。そして、オン条件は、前記ピーク電圧値取得部により取得されたピーク電圧値とコンデンサ電圧値取得部により取得されたコンデンサ電圧値との差分が電圧差分閾値以下になること、であってもよい。
このような構成によれば、コンデンサへの充電が進んで、コンデンサに印加される交流電力のピーク電圧値とコンデンサの実際のコンデンサ電圧値との差が電圧差分閾値以下になった場合に、直列スイッチング素子がオンされる。そのため、ピーク電圧値とコンデンサ電圧値との差が小さくなった状態で直列スイッチング素子をオンさせることができ、より適切なタイミングで直列スイッチング素子をオンさせることができる。また、交流電力の電圧が増減した場合においても、安定して突入電流を抑制できる。
上記のようにピーク電圧値とコンデンサ電圧値との差分に基づいてオン条件が設定される構成の場合、さらに、整流回路から出力される整流後の電力を平滑回路へ入力する通電経路に電圧検出部が備えられていてもよい。電圧検出部は、前記通電経路の電圧値を示す信号を出力するように構成されている。そして、ピーク電圧値取得部及びコンデンサ電圧値取得部は、いずれも、電圧検出部から出力される信号に基づいて取得対象の電圧値を取得するよう構成されていてもよい。
このような構成によれば、電圧検出部からの信号に基づいて、ピーク電圧値及びコンデンサ電圧値の双方を取得することができる。例えば、通電経路の電圧値が周期的に増減している状態において、その電圧値が最大値になった場合にその電圧値をピーク電圧値として取得でき、逆に電圧値が最小値になった場合にその電圧値をコンデンサ電圧値として取得できる。
上記各構成の電動作業機は、さらに、並列スイッチング素子を備えていてもよい。並列スイッチング素子は、抵抗体に直列接続され且つ直列スイッチング素子に対して並列接続されたスイッチング素子である。そして、スイッチ制御部は、交流電力が入力された場合、まず並列スイッチング素子をオンさせ、その後、オン条件が成立した場合に直列スイッチング素子をオンさせるようにしてもよい。
このような構成によれば、直列スイッチング素子をオンさせるタイミングを適切に設定できるのに加え、その前の、抵抗体を介した充電電流の通電開始タイミングも適宜調整することができる。
並列スイッチング素子を備えている場合、さらに、交流電力の電圧又は電流のゼロクロスを検出するように構成されたゼロクロス検出部を備えていてもよい。そして、スイッチ制御部は、ゼロクロス検出部によりゼロクロスが検出された直後に並列スイッチング素子をオンさせるようにしてもよい。
ゼロクロスの検出直後は、検出対象の電圧値又は電流値がゼロになった直後であるため、この状態で並列スイッチング素子をオンさせることで、並列スイッチング素子のオン時にコンデンサに大電流が流れるのをより効果的に抑制できる。
なお、ここでいう「直後」とは、厳密な意味での直後に限るものではなく、上記と同様の効果を奏するのであれば厳密に直後でなくてもよい。例えば、ゼロクロスが検出された後、ゼロクロスの検出対象の電圧値又は電流値がまだ一定程度の低いレベルに収まっている状態で、所定の処理を行った上で並列スイッチング素子をオンさせるようにしてもよい。
また、並列スイッチング素子を備えている場合は、前述のゼロクロス検出部を備えるようにし、さらに、スイッチ制御部は、交流電力の入力開始後、ゼロクロス検出部によりゼロクロスの検出回数が規定回数以上となった場合に、並列スイッチング素子をオンさせるようにしてもよい。
このような構成によれば、電動作業機への交流電力の入力が開始された後、交流電力が入力さている状態であることを確認した上で並列スイッチング素子をオンさせてコンデンサに充電電流を流すことができるため、交流電源接続時に接続箇所から火花が発生するのを抑制することができる。
また、並列スイッチング素子を備えている場合は、前述のゼロクロス検出部を備えるようにし、さらに、スイッチ制御部は、ゼロクロス検出部によりゼロクロスが検出されない時間が継続して規定時間以上となった場合は、並列スイッチング素子をオフさせるようにしてもよい。
ゼロクロスが検出されない時間が規定時間以上継続する要因の一つとして、電動作業機が交流電源に接続されていない可能性が考えられる。そのような場合に並列スイッチング素子をオンさせたままにしておくと、電動作業機が再び交流電源に接続されたときに接続箇所から火花が発生する可能性がある。そこで、ゼロクロスが検出されない時間が規定時間以上継続した場合には並列スイッチング素子をオフさせることで、平滑コンデンサへの充電経路が遮断されるため、電動作業機が再び交流電源に接続されたときに接続箇所から火花が発生するのを抑制することができる。
直列スイッチング素子をオンさせるタイミングについて、前述のオン条件に加えて他の条件も加味して決定してもよい。例えば、スイッチ制御部は、オン条件が成立した場合であって、且つ、整流回路から出力される電圧の値がコンデンサに充電されている電圧の値以下である場合に、直列スイッチング素子をオンさせるようにしてもよい。
このような構成によれば、直列スイッチング素子がオンされたとき、整流回路の出力電圧の値はコンデンサの充電電圧値以下になっているため、整流回路からコンデンサに大電流が流れるのを効果的に抑制できる。
また例えば、交流電力の電圧又は電流のゼロクロスを検出するように構成されたゼロクロス検出部を備えるようにし、スイッチ制御部は、オン条件が成立した場合であって、且つ、ゼロクロス検出部によりゼロクロスが検出された直後に、直列スイッチング素子をオンさせるようにしてもよい。
ゼロクロスの検出直後、即ち検出対象の電圧値又は電流値がゼロになった直後に直列スイッチング素子をオンさせることで、直列スイッチング素子のオン時にコンデンサに大電流が流れるのをより効果的に抑制できる。なお、ここでいう「直後」も、前述同様、厳密な意味での直後に限るものではなく、上記と同様の効果を奏するのであれば厳密に直後でなくてもよい。
また、スイッチ制御部は、直列スイッチング素子についても、ゼロクロスが検出されない時間が継続して規定時間以上となった場合はオフさせるようにしてもよい。このようにすることで、電動作業機が交流電源に接続されていないにもかかわらず直列スイッチング素子がオンされたままにされることを抑制でき、電動作業機が交流電源に接続されたときに接続箇所から火花が発生するのを効果的に抑制できる。
スイッチ制御部は、ピーク電圧値取得部により取得されたピーク電圧値に基づいて、交流電力入力開始後の特定の計時開始タイミングから直列スイッチング素子をオン可能になるまでの時間である初期充電時間を決定するようにしてもよい。その場合、オン条件は、計時開始タイミングから初期充電時間が経過すること、であってもよい。
このような構成によれば、ピーク電圧値に基づいて初期充電時間が決定されるため、コンデンサに印加される交流電力のピーク電圧値とコンデンサの実際のコンデンサ電圧値との差が適度に小さくなった状態で直列スイッチング素子をオンさせることができる。そのため、直列スイッチング素子を適切なタイミングでオンさせることができる。
オン条件が上記のように計時開始タイミングから初期充電時間が経過することである場合においても、前述の並列スイッチング素子をさらに備え、スイッチ制御部は、交流電力が入力された場合、まず並列スイッチング素子をオンさせてその後オン条件が成立した場合に直列スイッチング素子をオンさせるようにしてもよい。そして、計時開始タイミングは、並列スイッチング素子がオンされたタイミングであってもよい。
このような構成によれば、抵抗体を介したコンデンサの充電が開始されたタイミングを基準にして直列スイッチング素子のオンタイミングが設定されるため、直列スイッチング素子をより適切なタイミングでオンさせることができる。
また、初期充電時間について、スイッチ制御部は、ピーク電圧値が大きいほど長くなるように初期充電時間を決定するようにしてもよい。ピーク電圧値が大きいほど、コンデンサの充電電圧値をピーク電圧値に近づけるために必要な時間が長くなることが考えられる。そのため、ピーク電圧値が大きい程初期充電時間を長くすることで、ピーク電圧値とコンデンサの充電電圧値との差が必要十分に小さくなった状態で直列スイッチング素子をオンさせることができる。
第1実施形態の電動作業機を示す斜視図である。 第1実施形態の電動作業機の電気回路図である。 図2の電気回路図の一部を抽出した電気回路図であって、特に突入電流抑制回路及び制御用電源回路の詳細構成を示す電気回路図である。 第1実施形態の電動作業機における、電源プラグ挿入後の平滑コンデンサの充電状態を示す説明図である。 第1実施形態の突入電流抑制処理の一部を示すフローチャートである。 第1実施形態の突入電流抑制処理の他の一部(図5の続き)を示すフローチャートである。 第2実施形態の突入電流抑制処理を示すフローチャートである。 第3実施形態の突入電流抑制処理を示すフローチャートである。 第3実施形態の設定時間テーブルを示す説明図である。
以下、本開示の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
[1.第1実施形態]
(1−1)電動作業機1の全体構成
図1に示すように、本実施形態の電動作業機1は、被加工部材の切断を主目的として使用されるマルノコとして構成されており、ベース2と、本体部3とを備える。ベース2は、被加工部材の切断作業を行う際に切断対象の被加工部材の上面に当接される略矩形の部材である。本体部3は、ベース2の上面側に配置されている。
本体部3は、円形のノコ刃4と、ノコ刃ケース5と、カバー6と、本体ケーシング7と、ハンドル10とを備えている。ノコ刃4は、本体部3における切断進行方向右側に配置されている。ノコ刃ケース5は、ノコ刃4の上側ほぼ半周の範囲の周縁を内部に収容して覆うように設けられている。カバー6は、ノコ刃4の下側ほぼ半周の範囲の周縁を覆うように設けられている。
なお、カバー6は開閉式であり、図1はカバー6が閉じられた状態を示している。カバー6は、被加工部材の切断時に電動作業機1を切断進行方向に移動させることにより、ノコ刃4の回転中心を中心に図中反時計回り方向に回動して徐々に開かれていく。これにより、ノコ刃4が露出され、その露出部分が被加工部材に切り込まれて行く。
本体ケーシング7は、本体部3における切断進行方向左側に配置されている。本体ケーシング7は、略円筒状のモータ収容部8と、略直方体形状のコントローラ収容部9とを有する。
モータ収容部8には、ノコ刃4を回転させる駆動源としてのモータ15が収納されている。コントローラ収容部9には、モータ15の駆動を制御するコントローラ30が収容されている。なお、モータ15及びコントローラ30は、いずれも図1では図示を省略しており、図2に図示されている。
本体部3におけるモータ収容部8とノコ刃4との間には、モータ15の回転を減速してノコ刃4に伝達するためのギヤ機構が収容されている。本体ケーシング7において、モータ収容部8における切断進行方向左側の側面には第1通気口7aが形成され、コントローラ収容部9における切断進行方向後端面には第2通気口7bが形成されている。
本体部3には、電動作業機1の使用者が把持するためのハンドル10がアーチ状に設けられている。すなわち、ハンドル10は、一端が本体部3の切断進行方向後端側に固定され、他端がその後端よりも切断進行方向前方に固定されている。なお、本実施形態では、本体部3とハンドル10は例えば樹脂材料にて一体的に形成されている。
ハンドル10における、本体ケーシング7と対向する面側には、トリガ形式の操作スイッチ11が設けられている。電動作業機1の使用者は、ハンドル10を握った状態で操作スイッチ11を操作することができる。なお、操作スイッチ11を引き操作した状態で不図示のロックボタンを押し込むことで、操作スイッチ11を、その引き操作された状態に固定させることができる。
本体部3の切断進行方向後端からは、電源コード12が引き出されている。電源コード12の先端には、不図示の電源プラグが設けられている。電源コード12は、モータ15の駆動用の電力を取り込むためのものである。電源コード12の先端の電源プラグが商用電源等の交流電源100のコンセントに差し込まれることで、交流電源100から電源コード12を介して電力を取り込むことができる。なお、交流電源100は図1では図示を省略しており、図2に図示されている。
(1−2)電動作業機1の電気的構成
電動作業機1の電気的構成について、図2及び図3を用いて説明する。電動作業機1は、図2に示すように、モータ15と、コントローラ30と、平滑コンデンサ31と、表示部32と、スイッチ本体40とを備えている。
電源コード12の先端の電源プラグを外部の交流電源100のコンセントに挿入すると、交流電源100から電源コード12を介して、コントローラ30に交流電力が入力される。なお、電源コード12は一対の電線12a,12bを有し、このうち一方の電線12aにはヒューズ13が設けられている。そのため、一方の電線12aに流れる電流が過大になってヒューズ13が溶断すると、電線12aが遮断され、コントローラ30への交流電力の入力が遮断される。
モータ15は、ブラシレスモータである。モータ15は、コントローラ30内のインバータ50に接続されており、インバータ50から通電されることにより回転駆動される。モータ15には、前述の通り冷却用のファン16が連結されており、モータ15が回転するとファン16も回転する。
モータ15には、モータ15の回転位置を検出するための回転センサ33が設けられている。本実施形態の回転センサ33は、三つのホールセンサを有しており、各ホールセンサが、モータ15のロータの周囲に電気角120度の間隔で配置されている。各ホールセンサからの信号は、コントローラ30内の制御回路38に入力される。
平滑コンデンサ31は、後述する平滑回路36を構成する構成要素の1つである。本実施形態の平滑コンデンサ31は、より詳しくは、2つのコンデンサ31a、31bが並列接続されて構成されている。よって、平滑コンデンサ31の容量は、2つのコンデンサ31a、31bの並列合成容量である。2つのコンデンサ31a、31bは、本実施形態ではいずれも電解コンデンサである。
なお、平滑コンデンサ31を、2つのコンデンサを並列接続して構成することは、必須ではない。平滑コンデンサ31は、1つのコンデンサであってもよいし、複数のコンデンサが並列、直列或いは直並列に接続された構成であってもよい。
表示部32は、電動作業機1の使用者に対して視覚的に各種情報を報知するために設けられている。表示部32は本実施形態ではLEDである。表示部32は、コントローラ30によって制御される。
スイッチ本体40は、使用者による操作スイッチ11の操作状態に応じた電気的な出力を行うための部材であり、少なくともスイッチ接点40aを有する。スイッチ接点40aは、整流回路35からインバータ50へ至るバスライン39上に設けられ、このバスライン39を電気的に導通、遮断させる。ただし、本実施形態では、バスライン39において、スイッチ接点40aと並列に抵抗R1が接続されているため、スイッチ接点40aがオフされてもバスライン39が完全に遮断されるわけではない。
スイッチ接点40aは、操作スイッチ11が引き操作されていない状態ではオフし、操作スイッチ11が引き操作されている状態でオンする。また、スイッチ本体40は、操作スイッチ11の引き操作の有無を示す電気信号、換言すればスイッチ接点40aのオン、オフ状態を示す電気信号である、操作信号、をコントローラ30内の制御回路38へ出力するよう構成されている。
コントローラ30は、交流電源100から供給される交流電力をモータ15駆動用の電力に変換してモータ15へ供給するように構成されている。本実施形態のコントローラ30は、1つの回路基板上に当該コントローラ30を構成する各種回路、部品等が実装されて構成されている。
コントローラ30は、整流回路35と、平滑回路36と、IPM37と、制御回路38と、電圧検出回路42と、電流検出回路43と、制御用電源回路44と、放電回路45と、ゼロクロス検出回路46と、表示駆動回路47とを備える。「IPM」は、インテリジェントパワーモジュールの略称である。
整流回路35は、4つのダイオードを有するダイオードブリッジを備え、入力された交流電力を全波整流する。整流回路35により整流された電力は、バスライン39へ出力される。
平滑回路36は、整流回路35から出力された整流後の電力を平滑化するために設けられ、前述の平滑コンデンサ31と、突入電流抑制回路48とを備える。具体的に、平滑コンデンサ31の一端はバスライン39に接続され、平滑コンデンサ31の他端が突入電流抑制回路48に接続されている。なお、本実施形態では、平滑回路36が有する平滑コンデンサ31及び突入電流抑制回路48のうち、平滑コンデンサ31は、回路基板上には実装されておらず、回路基板から分離して配置されている。
突入電流抑制回路48は、より詳しくは、図3に示すように、2つのスイッチング素子56,57と、抵抗体58と、2つのゲートドライブ回路61,62とを有する。2つのスイッチング素子56,57は、本実施形態ではいずれもNチャネルMOSFETである。
第1スイッチング素子56は、バスライン39から平滑コンデンサ31を経てグランドラインに至る通電経路上において、平滑コンデンサ31と直列に設けられている。即ち、第1スイッチング素子56は、ドレインが平滑コンデンサ31の他端に接続され、ソースがグランドラインに接続されている。
第2スイッチング素子57と抵抗体58は直列接続されており、この両者を含む回路が、第1スイッチング素子56に対して並列接続されている。即ち、抵抗体58は、一端が第1スイッチング素子56のドレインに接続され、他端が第2スイッチング素子57のドレインに接続されている。第2スイッチング素子57のソースはグランドラインに接続されている。
なお、抵抗体58は、本実施形態ではPTCサーミスタである。ただし、抵抗体58としてPTCサーミスタを用いることは一例であり、PTCサーミスタ以外の他の抵抗体を用いてもよい。
第1スイッチング素子56は、制御回路38からの駆動指令に従い、ゲートドライブ回路61を介してオン、オフされる。第2スイッチング素子57は、制御回路38からの駆動指令に従い、ゲートドライブ回路62を介してオン、オフされる。
このような構成により、電源コード12を介して交流電力が入力されているとき、第2スイッチング素子57がオンすると、平滑コンデンサ31に、抵抗体58及び第2スイッチング素子57を介して充電電流が流れ、これにより平滑コンデンサ31が充電される。また、第1スイッチング素子56がオンすると、平滑コンデンサ31に、第1スイッチング素子56を介して充電電流が流れ、これにより平滑コンデンサ31が充電される。
つまり、第1スイッチング素子56及び第2スイッチング素子57のうち何れか一方でもオンすると、平滑コンデンサ31に充電電流が流れて平滑コンデンサ31が充電される。
ただし、第2スイッチング素子57には抵抗体58が直列接続されているため、第1スイッチング素子56がオフされた状態で第2スイッチング素子57がオンされた場合の充電電流は、第1スイッチング素子56がオンされた場合の充電電流よりも低い値に抑えられる。
図2に戻って説明を続ける。IPM37は、インバータ50と、駆動信号生成回路51と、保護回路52とを有し、これらが全体として1つにパッケージ化されて構成されている。
インバータ50は、モータ15の各相のコイルへの通電状態を切り換えたり各相コイルそれぞれの通電電流を制御したりすることによってモータ15を回転駆動させるための回路である。インバータ50は、ハイサイドスイッチとして設けられた3つのスイッチング素子Q1,Q2,Q3と、ローサイドスイッチとして設けられた3つのスイッチング素子Q4,Q5,Q6とを有する。
ハイサイドスイッチとしての3つのスイッチング素子Q1,Q2,Q3は、バスライン39とモータ15の各相コイルとの間にそれぞれ設けられている。ローサイドスイッチとしての3つのスイッチング素子Q4,Q5,Q6は、モータ15の各相コイルとグランドラインとの間にそれぞれ設けられている。
インバータ50が有する6つのスイッチング素子Q1〜Q6は、本実施形態では、IGBTである。ただし、6つのスイッチング素子Q1〜Q6としてIGBTを用いることはあくまでも一例であり、他の種類のスイッチング素子を用いてもよい。
駆動信号生成回路51は、制御回路38からの駆動指令に従い、インバータ50が有する6つのスイッチング素子Q1〜Q6を個別にオン、オフさせる。保護回路52は、IPM37内において例えば過熱異常が生じたり、IPM37に入力される制御電圧Vccに基づいて制御用電源回路44の異常を検出したり、後述するように電流検出回路43からの電流検出信号に基づいて過電流を検出したりした場合に、駆動信号生成回路51に対して各スイッチング素子Q1〜Q6を強制的にオフさせることによりモータ15を停止させると共に、制御回路38に対してエラー信号を出力する。
ここで、モータ15、平滑回路36及びIPM37について、補足説明する。電動作業機の使用感としては、一般に、負荷が増大してもモータの回転数が落ちにくいものが好まれる場合がある。
そこで、本実施形態の電動作業機1は、一例として、モータ15をPWM駆動により一定の回転数になるようにフィードバック制御(即ち、定回転制御)し、更には一定の回転数を維持できる負荷領域をできるだけ広げるべく、モータ15として高回転型のモータを採用している。即ち、同じ通電量に対して相対的に回転数が高いモータを用い、実用域での負荷による回転数の低下を抑制するようにしている。
なお、高回転型モータとしての本実施形態のモータ15における最大回転数は、ノコ刃4での回転数で例えば5000rpm以上であり、定回転制御によって例えば4000rpm〜4500rpmを維持するように制御される。
ただし、一般に、モータは回転数が高くなるほどトルクが低下し、特に重負荷領域ではトルク不足になる可能性が高まる。そのため、単に回転数を高めるだけでは、所望の使用感を効果的に提供しにくい。
そこで、本実施形態では、高回転を維持しつつトルク低下を抑制するために、モータ15の通電量を比較的大きな値にしている。高回転型モータに対して大きな電流を通電することで、高回転ながら必要十分なトルクを維持でき、回転数を一定に維持できる負荷領域を十分確保することができる。
一方、モータ15への通電量を大きくすると、仮に平滑コンデンサ31が小容量である場合、モータ15に流れる電流のリプル(脈動)を十分に抑えられず、尖頭電流が大きくなる可能性がある。尖頭電流が大きくなると、IPM37内の保護回路52が備える後述の過電流保護機能が作動し易くなる。即ち、平均的な電流量としてはそれほど大きくないにも関わらず一時的な尖頭電流によって保護回路52の過電流保護機能が作動し、通電が停止されてしまう。
そこで、本実施形態では、平滑コンデンサ31として、例えば1000μF前後(例えば、470μF〜2000μFの範囲内の値)の静電容量を有する、中容量のコンデンサを用いている。
平滑コンデンサ31として中容量のコンデンサを用いていることで、小容量のコンデンサを用いる場合に比べて、モータ15に流れる電流において尖頭電流を抑制して電流リップルを低減することができる。これにより、IPM37内の保護回路52の過電流保護機能を作動させることなく通電可能な電流の平均値を高めることができ、モータ15の最大トルク(最大出力)を高めることができる。また、電流リップルが効果的に低減されることで、モータ15に使用されている永久磁石の減磁を抑制でき、モータ15の大型化を抑制することも可能となる。
また、本実施形態では、モータ15の駆動用の回路として、6個のスイッチング素子Q1〜Q6が1つのパッケージ内に収容されてなるIPM37を用いている。IPM37を用いることは必須ではなく、例えば6個のスイッチング素子Q1〜Q6としてそれぞれ個別にディスクリート部品を採用して回路基板上に実装してもよい。しかし、限られた狭いスペースの中で6個のスイッチング素子Q1〜Q6を個々の絶縁性を確保しつつ効率的に放熱できるように配置することは容易ではなく、必要な放熱性能を得るためには回路基板の大型化を招くおそれがある。
これに対し、IPM37は、各スイッチング素子Q1〜Q6からの放熱性能を考慮して各スイッチング素子Q1〜Q6がパッケージ内に配置され、各スイッチング素子Q1〜Q6からの発熱をIPM37全体として効率的に放熱できるように構成されている。また、6つのスイッチング素子Q1〜Q6を一つの部品として扱えるため、回路基板上の配置の自由度も高い。そのため、本実施形態では、部品の配置自由度を高めつつ必要な放熱性能を維持すべく、モータ15の駆動回路としてIPM37を採用している。
なお、モータ15として高回転型のモータを用いることや、平滑コンデンサ31の容量を中容量にすることは、あくまでも一例であって、必須ではない。
電圧検出回路42は、バスライン39に接続され、バスライン39の電圧値であるバス電圧値VDを検出し、その検出したバス電圧値VDを示す電圧検出信号を制御回路38へ出力する。
電流検出回路43は、インバータ50からグランドラインに至る通電経路上に設けられ、この通電経路に流れる負荷電流の値である負荷電流値を検出し、その検出した負荷電流値を示す電流検出信号を制御回路38及びIPM37内の保護回路52へ出力する。IPM37内の保護回路52は、電流検出回路43から入力される電流検出信号に基づいて負荷電流値を監視し、負荷電流値が閾値を上回った場合、制御回路38からの駆動指令の内容によらず、各スイッチング素子Q1〜Q6を強制的にオフさせる。
制御用電源回路44は、コントローラ30内の各部の動作用電源を生成する。制御用電源回路44は、より詳しくは、図3に示すように、スイッチング電源66と、リニア電源67と、電圧低下検出回路68とを有する。
スイッチング電源66には、バスライン39からダイオードD1及びフィルタ回路69を経て、平滑回路36により平滑化された電力が入力される。スイッチング電源66は、入力された電力をもとに直流の所定電圧値の制御電圧Vccを生成して出力する。スイッチング電源66により生成された制御電圧Vccは、IPM37及び突入電流抑制回路48を含む、コントローラ30内の各部へ、それら各部の動作用の電源として供給される。
また、スイッチング電源66により生成された制御電圧Vccは、リニア電源67にも入力される。リニア電源67は、スイッチング電源66から入力された制御電圧Vccをもとに、直流の所定電圧値の制御電圧Vddを生成して出力する。リニア電源67により生成された制御電圧Vddは、制御回路38を含む、コントローラ30内の各部へ、それら各部の動作用の電源として供給される。
電圧低下検出回路68は、制御用電源回路44に入力される入力電圧が、スイッチング電源66から出力される制御電圧Vccおよびリニア電源67から出力される制御電圧Vddが正常な範囲内の値に維持されないような電圧まで低下した場合に、リニア電源67からの制御電圧Vddの出力を停止させる。
放電回路45は、電源プラグが抜かれて交流電力が入力されなくなった場合に平滑コンデンサ31の充電電力を迅速に放電させてモータ15を迅速に停止させることを主目的として設けられている。本実施形態の放電回路45は、例えば、一端がバスライン39に接続されて他端がグランドラインに接続された抵抗を有する。
ゼロクロス検出回路46は、交流電源100から入力される交流電力の電圧値を検出し、その検出した電圧値である交流電圧値のゼロクロス点、即ち交流電圧値が0になるタイミングを検出する。ゼロクロス検出回路46は、ゼロクロス点を検出する度に、ゼロクロス点を検出したことを示すゼロクロス検出信号を制御回路38へ出力する。
表示駆動回路47は、制御回路38からの表示制御信号に従い、表示部32を駆動する。表示駆動回路47は、表示部32に対し、例えば緑色の光を点灯させたり、赤色の光を点灯させたりすることができる。また、光を点滅させることもできる。
整流回路35の出力端子からIPM37に至るバスライン39において、平滑回路36の接続位置よりも下流側には、スイッチ接点40aが接続されている。平滑回路36により平滑化された電力は、スイッチ接点40aを介してIPM37へ入力される。
また、バスライン39におけるスイッチ接点40aとIPM37との間の経路と、グランドラインとの間には、バスライン39から高周波ノイズを除去するためのスナバコンデンサCsが接続されている。スナバコンデンサCsは、無極性のコンデンサであり、その容量は平滑コンデンサ31の容量に比べて非常に小さい。
仮に、平滑回路36の前段にスイッチ接点40aを配置すると、操作スイッチ11が引き操作されてスイッチ接点40aがオンされた場合に平滑コンデンサ31の充電が開始されるため、モータ15の起動が遅くなる。
これに対し、本実施形態のように平滑回路36の後段側にスイッチ接点40aを配置することで、操作スイッチ11が引き操作されていなくても、電源プラグが挿入されれば平滑コンデンサ31への充電が行われる。そのため、電源プラグ挿入後、実際に操作スイッチ11が引き操作されてスイッチ接点40aがオンされた場合に、モータ15を迅速に起動させることができる。
また、バスライン39において、スイッチ接点40aに対して抵抗R1が並列接続されている。抵抗R1は、本実施形態では、例えば数百kΩの比較的大きめの抵抗値である。抵抗R1は、スイッチ接点40aがオフされていてもスナバコンデンサCsを予め充電させておくことを主目的として設けられている。
仮に抵抗R1が接続されていない場合、スイッチ接点40aがオンされたときにスナバコンデンサCsに突入電流が流れる可能性がある。このとき、スイッチ接点40aは機械的接点であるため、チャタリングによって接点が瞬間的に開閉される可能性があり、大きい電流が流れているときにチャタリングが発生するとアークが発生してスイッチ接点40aが溶着するおそれがある。
そこで本実施形態では、スイッチ接点40aと並列に抵抗R1を接続することで、電源プラグが挿入された場合にはスイッチ接点40aがオフされていてもスナバコンデンサCsがあらかじめ充電されるようにしている。これにより、電源プラグ挿入後、実際に操作スイッチ11が引き操作されてスイッチ接点40aがオンされた場合に、スナバコンデンサCsへの突入電流が抑制され、スイッチ接点40aの溶着故障を抑制できる。
コントローラ30において、整流回路35の前段側、即ちヒューズ13と整流回路35の間には、コントローラ30の内部回路を過電圧から保護するためのバリスタ41が設けられている。
なお、ヒューズ13は、交流電力の供給経路において、バリスタ41よりも前段側に配置されている。仮に、ヒューズ13をバリスタ41よりも後段に配置すると、バリスタ41が短絡故障した場合に交流電源100の出力端が短絡状態となってしまう。そこで、本実施形態では、ヒューズ13をバリスタ41の前段に設けることで、バリスタ41が短絡故障した場合にはヒューズ13が切れて電動作業機1への交流電力の入力が遮断されるようにしている。
また、バリスタ41は、図1に示したコントローラ収容部9内に配置されている。バリスタ41は、短絡故障した場合に火花を発生することがある。そのため、本実施形態では、バリスタ41は、コントローラ収容部9内において、電動作業機1の外部から第2通気口7bを介してバリスタ41の本体が視認できないよう、且つバリスタ41の短絡故障時にバリスタ41から発生する火花も第2通気口7bを介して外部から視認できないような位置に配置されている。
制御回路38は、本実施形態では、CPU、メモリ等を有する周知のマイクロコンピュータを中心に構成される。メモリには、RAM、ROM、フラッシュメモリ等の各種半導体メモリの少なくとも1つが含まれる。制御回路38の各種機能は、CPUが非遷移的実体的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、メモリが、プログラムを格納した非遷移的実体的記録媒体に該当する。
なお、制御回路38が有するマイクロコンピュータの数は1つでも複数でもよい。また、制御回路38が有する機能は、ソフトウェアによって実現されることに限定されるものではなく、機能の一部又は全部を、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よい。
制御回路38は、操作スイッチ11が引き操作されたことをスイッチ本体40からの操作信号に基づいて検出すると、IPM37の駆動信号生成回路51へ各スイッチング素子Q1〜Q6毎の個別の駆動信号を出力することによって、モータ15を駆動させる。
また、制御回路38は、電圧検出回路42から入力される電圧検出信号に基づいてバス電圧値VDを検出でき、ゼロクロス検出回路46から入力されるゼロクロス検出信号に基づいてゼロクロス点のタイミングを検出できる。
また、制御回路38は、表示駆動回路47を介して表示部32の動作を制御する。例えば、制御回路38は、起動中、後述の表示制御処理を実行することで、表示部32を緑色に点灯又は消灯させる。また例えば、制御回路38は、電流検出回路43から入力される電流検出信号に基づいて過電流状態を検知した場合、表示部32を赤色に点灯させる。そして、赤色の点灯後、一定時間過電流状態が継続した場合は、各スイッチング素子Q1〜Q6を強制的にオフさせてモータ15を停止させる。
また、制御回路38は、後述の突入電流抑制処理を実行することにより、平滑回路36内の突入電流抑制回路48を制御する。具体的に、突入電流抑制回路48が有する2つのスイッチング素子56,57のオン、オフを個別に制御することにより、平滑コンデンサ31への充電を制御する。
ここで、制御回路38が有する過電流保護機能と、IPM37内の保護回路52が有する過電流保護機能との違いについて、補足説明する。
IPM37内の保護回路52が有する過電流保護機能は、電流検出回路43により検出された負荷電流値が閾値を上回った場合に、制御回路38を介さずに駆動信号生成回路51に対して直接、各スイッチング素子Q1〜Q6を強制的にオフさせることにより、モータ15を強制停止させるものである。この過電流保護機能は、瞬間的な電流に対する保護(例えば、減磁の抑制など)を目的としている。そのため、制御回路38が有する過電流保護機能よりも高い閾値と応答性を持っている。
一方、制御回路38が有する過電流保護機能は、平均的な電流に対する保護(例えば、モータ15やIPM37の焼損などの保護)を目的としている。そのため、電流検出回路43により検出された負荷電流値から求められる平均電流値がある閾値以上となった場合に、過電流状態と判断する。その際、前述のように表示部32を赤色に点灯させる。そして、その過電流状態が一定時間継続した場合にモータ15の駆動を停止させる。ここで用いられる閾値は、IPM37内の保護回路52が用いる閾値よりも低い値である。
(1−3)平滑回路の動作の概要
電源プラグが交流電源100のコンセントに挿入されて電動作業機1への交流電力の入力が開始された後の平滑回路36の動作例について、図4を用いて説明する。
時刻t1で電源プラグが挿入されると、コントローラ30内に交流電力が入力される。コントローラ30に交流電力が入力されると、制御用電源回路44が起動して制御電圧Vcc、Vddが生成され、コントローラ30内の各部へ供給される。これにより、時刻t2にて制御回路38が起動する。
制御回路38は、起動後、ゼロクロス検出回路46からのゼロクロス検出信号に基づいてゼロクロスを検出し、ゼロクロスを規定回数Kth検出した直後の時刻t3で、プリチャージをオンさせる。図4は、既定回数Kthが例えば5回である場合を例示している。即ち、図4は、時刻t2で制御回路38が起動した後、ゼロクロスが5回検出された後にプリチャージがオンされる例を示している。
プリチャージとは、突入電流抑制回路48内の2つのスイッチング素子56,57のうち第2スイッチング素子57をオンさせることにより抵抗体58及び第2スイッチング素子57を介して平滑コンデンサ31を充電させることを意味する。また、プリチャージについて「オン」とは、第2スイッチング素子57をオンさせることを意味し、プリチャージについて「オフ」とは、第2スイッチング素子57をオフさせることを意味する。
プリチャージが開始される前までは、バス電圧値VDは、整流回路35から出力される電圧の値である全波整流電圧値に等しい。一方、時刻t3でプリチャージが開始されると、平滑コンデンサ31の充電電圧の値であるコンデンサ電圧値が徐々に増加していく。そのため、バス電圧値VDは、全波整流電圧値がコンデンサ電圧値以上となる期間では全波整流電圧値と同じ値となり、全波整流電圧値がコンデンサ電圧値を下回る期間ではコンデンサ電圧値と同じ値となる。
プリチャージが開始されると、コンデンサ電圧値は、交流電力のピーク電圧値に近付いていく。ピーク電圧値とは、周期的に変化する交流電力の電圧値の絶対値が最大となるときのその電圧値である。制御回路38は、プリチャージ開始後、所定のオン条件が成立した場合、メインチャージをオンさせる。
メインチャージとは、突入電流抑制回路48内の2つのスイッチング素子56,57のうち第1スイッチング素子56をオンさせることにより第1スイッチング素子56を介して平滑コンデンサ31を充電させることが可能な状態にすることを意味する。また、メインチャージについて「オン」とは、第1スイッチング素子56をオンさせることを意味し、メインチャージについて「オフ」とは、第1スイッチング素子56をオフさせることを意味する。
なお、本実施形態では、メインチャージをオンさせた後もプリチャージは引き続きオン状態を維持させるようにしているが、これは必須ではなく、メインチャージをオンさせた場合にはプリチャージをオフさせるようにしてもよい。
メインチャージを開始させるためのオン条件は、本実施形態では、ピーク電圧値とコンデンサ電圧値との差である電圧差分Vppが電圧差分閾値Vth以下になることである。制御回路38は、時刻t4にて、オン条件が成立したこと、即ち電圧差分Vppが電圧差分閾値Vth以下になったことを検出すると、メインチャージをオンさせる。メインチャージがオンされると、平滑コンデンサ31の充電がメインチャージによって迅速に進み、交流電力のピーク電圧値にほぼ等しいレベルにまで充電される。
(1−4)突入電流抑制処理
次に、図4に示したような平滑回路36の動作を実現するために制御回路38が実行する突入電流抑制処理について、図5のフローチャートを用いて説明する。制御回路38は、起動後、メモリから図5の突入電流抑制処理のプログラムを読み込んで実行する。
制御回路38は、図5の突入電流抑制処理を開始すると、S100でプリチャージをオフさせ、S105でメインチャージをオフさせる。つまり、起動後の初期状態ではプリチャージ及びメインチャージのいずれも確実にオフさせておく。S110では、表示部32をオフ、即ち消灯させる。
S115では、ゼロクロス未検出時間Tzの計時を開始する。ゼロクロス未検出時間Tzは、ゼロクロスが検出されない状態の継続時間を示すものである。
S120では、電圧検出回路42からの電圧検出信号に基づき、バス電圧値VDを取得する。S125では、S120で取得したバス電圧値VDが、メモリに一時的に保存されているバス電圧最大値VDmaxより大きいか否か判断する。バス電圧値VDがバス電圧最大値VDmax以下の場合はS135に進む。バス電圧値VDがバス電圧最大値VDmaxより大きい場合は、S130に進む。
S130では、現在メモリに保存されているバス電圧最大値VDmaxを、今回取得したバス電圧値VDに更新する。メモリに保存されるバス電圧最大値VDmaxは、現在保存されている値よりも大きな値のバス電圧値VDが取得される度に、S130の処理によって、その取得されたバス電圧値VDに更新されていく。
S135では、S120で取得したバス電圧値VDが、メモリに一時的に保存されているバス電圧最小値VDminより小さいか否か判断する。バス電圧値VDがバス電圧最小値VDmin以上の場合はS145に進む。なお、S145以降の処理は図6に示している。バス電圧値VDがバス電圧最小値VDminより小さい場合は、S140に進む。
S140では、現在メモリに保存されているバス電圧最小値VDminを、今回取得したバス電圧値VDに更新する。メモリに保存されるバス電圧最小値VDminは、現在保存されている値よりも小さな値のバス電圧値VDが取得される度に、S140の処理によって、その取得されたバス電圧値VDに更新されていく。
図6に示すように、S145では、ゼロクロス検出回路46からのゼロクロス検出信号に基づき、ゼロクロスを検出したか否か判断する。ゼロクロスを検出していない場合は、S150に進む。S150では、ゼロクロス未検出時間Tzの現在の計時値を取得する。
S155では、S150で取得したゼロクロス未検出時間Tzが規定時間Tth以上であるか否か判断する。規定時間Tthは、交流電力の半周期よりも長い範囲内で適宜決めてもよい。
ゼロクロス未検出時間Tzが規定時間Tthより短い場合はS120に戻る。ゼロクロス未検出時間Tzが規定時間Tth以上の場合は、S160でプリチャージをオフさせ、S165でメインチャージをオフさせ、S170で表示部32をオフさせ、S175でゼロクロス検出回数Kzを0にクリアして、S120に戻る。ゼロクロス検出回数Kzは、メモリに保存され、後述するS180の処理で加算される。
S145で、ゼロクロスを検出した場合は、S180に進む。S180では、メモリに保存されているゼロクロス検出回数Kzを、現在の値から1つ加算した値に更新する。S185では、計時中のゼロクロス未検出時間Tzを0にクリアして計時を再開する。
S190では、メモリに保存されているゼロクロス検出回数Kzが規定回数Kth以上か否か判断する。なお、規定回数Kthは適宜決めてよく、例えば5回前後の範囲内で決めてもよい。
ゼロクロス検出回数Kzが規定回数Kthよりも少ない場合は、S195でプリチャージをオフさせ、S200でメインチャージをオフさせ、S205で表示部32をオフさせて、S235に進む。ゼロクロス検出回数Kzが規定回数Kth以上の場合は、S210で、プリチャージをオンさせる。これにより、抵抗体58及び第2スイッチング素子57を介した平滑コンデンサ31のプリチャージが開始される。
S215では、表示部32をオンさせる。ここでいう表示部32オンとは、緑色に点灯させることを意味する。表示部32を緑色に点灯させることで、使用者に対し、電動作業機1が起動していて作業を行うことが可能な状態であることを報知することができる。
なお、S215で表示部32がオンされた後、例えば電源プラグがコンセントから抜かれてゼロクロスが規定時間Tth以上検出されなくなったら、S170で表示部32がオフされる。つまり、電源プラグが抜かれた場合は、平滑コンデンサ31の充電電力によって制御回路38がまだ正常に動作できる状態であっても、ゼロクロス未検出時間Tzが規定時間Tth以上になれば表示部32がオフされる。
S220では、現在メモリに保存されているバス電圧最大値VDmaxとバス電圧最小値VDminの差である電圧差分Vppを算出する。S225では、S220で算出した電圧差分Vppが電圧差分閾値Vth以下か否か判断する。電圧差分閾値Vthは適宜決めてよく、本実施形態では例えば20Vである。
電圧差分Vppが電圧差分閾値より大きい場合は、S235に進む。電圧差分Vppが電圧差分閾値Vth以下の場合は、S230で、メインチャージをオンさせる。これにより、第1スイッチング素子56を介した平滑コンデンサ31のメインチャージが開始される。S235では、現在メモリに保存されているバス電圧最大値VDmaxとバス電圧最小値VDminをともにクリアし、S120に戻る。
なお、S235におけるバス電圧最大値VDmaxのクリアの具体的方法は種々考えられ、例えば値を0にするようにしてもよいし、値をメモリから削除してバス電圧最大値VDmaxが保存されていない状態にするようにしてもよい。メモリから削除する場合は、その削除後の最初のS125では肯定判定してS130の処理を実行すればよい。
バス電圧最小値VDminのクリアについても、その具体的方法は種々考えられ、例えば、値をメモリから削除してバス電圧最小値VDminが保存されていない状態にするようにしてもよいし、例えば、入力される交流電圧の定格最大値よりも大きい所定の初期値にするようにしてもよい。
図5〜図6に示す突入電流抑制制御では、ゼロクロスが検出される度に、前回ゼロクロスが検出されてから今回ゼロクロスが検出されるまでのゼロクロス1周期内におけるバス電圧VDの最小値と最大値との差に基づいて、メインチャージのオンタイミングが決まる。
ゼロクロスが検出されたときにメモリに記憶されているバス電圧最大値VDmaxは、直前のゼロクロス1周期内におけるバス電圧VDの最大値であり、これは即ち、そのゼロクロス1周期内における交流電圧の絶対値の最大値(詳しくは整流回路35から出力される全波整流電圧の最大値)であるピーク電圧値を示す。つまり、S125〜S130の処理は、ピーク電圧値を取得するための処理である。
ゼロクロスが検出されたときにメモリに記憶されているバス電圧最小値VDminは、直前のゼロクロス1周期内におけるバス電圧VDの最小値であり、これは即ち、平滑コンデンサ31の現在の充電電圧の値であるコンデンサ電圧値にほぼ等しい値である。つまり、S135〜S140の処理は、コンデンサ電圧値を取得するための処理である。
よって、ゼロクロスが検出される度に、メモリに保存されているバス電圧最大値VDmaxをピーク電圧値として扱い、メモリに保存されているバス電圧最小値VDminをコンデンサ電圧値として扱うことができる。そのため、S220で算出される電圧差分Vppは、ピーク電圧値とコンデンサ電圧値との差分を示す値であり、S225の処理は、ピーク電圧値とコンデンサ電圧値の差分が電圧差分閾値Vth以下であるか否かを判断する処理である。
(1−5)第1実施形態の効果
以上説明した第1実施形態によれば、以下の(1a)〜(1f)の効果を奏する。
(1a)突入電流抑制回路48が有する2つのスイッチング素子のうち第1スイッチング素子56のオンタイミングは、ピーク電圧値に基づいて決定される。具体的に、ピーク電圧値とコンデンサ電圧値との差分が電圧差分閾値以下になった場合に第1スイッチング素子56がオンされる。
そのため、ピーク電圧値とコンデンサ電圧値との差が小さくなった状態で第1スイッチング素子56をオンさせることができ、適切なタイミングで第1スイッチング素子56をオンさせることができる。即ち、第1スイッチング素子56のオン時に平滑コンデンサ31に突入電流が流れるのを抑制できる。
(1b)ピーク電圧値及びコンデンサ電圧値は、いずれも、電圧検出回路42により検出されるバス電圧VDに基づいて制御回路38が検出する。つまり、制御回路38は、同じ1つの電圧検出回路42からの電圧検出信号に基づいて、ピーク電圧値及びコンデンサ電圧値の双方を検出する。そのため、ピーク電圧値及びコンデンサ電圧値を簡素な構成にて検出できる。
(1c)平滑コンデンサ31には第1スイッチング素子56が直列接続されているが、この第1スイッチング素子56に対して並列に、抵抗体58と第2スイッチング素子57との直列接続回路が接続されている。そして、交流電力が入力された場合、まず第2スイッチング素子57がオンされてプリチャージが行われ、その後、オン条件が成立した場合に第1スイッチング素子56がオンされてメインチャージが行われる。そのため、交流電力が入力された後、平滑コンデンサ31の充電を、突入電流を抑制しつつ適切に行わせることができる。
(1d)プリチャージ及びメインチャージは、いずれも、ゼロクロスが検出された直後に開始される。ゼロクロスの検出直後は、整流回路35から出力される全波整流電圧値がゼロになった直後であり、全波整流電圧値が非常に低い状態である。そのため、プリチャージの開始タイミングをゼロクロス検出直後にすることで、プリチャージ開始時に平滑コンデンサ31に突入電流が流れるのを効果的に抑制できる。
また、オン条件成立後のメインチャージの開始タイミングについても、ゼロクロス検出直後とすることで、メインチャージ開始時に平滑コンデンサ31に突入電流が流れるのを効果的に抑制できる。
なお、メインチャージの開始タイミングについては、ゼロクロス検出直後に限らず、整流回路35からの全波整流電圧値がコンデンサ電圧値以下となっている期間内で適宜設定してもよい。全波整流電圧値がコンデンサ電圧値以下となっている状態で第1スイッチング素子56をオンさせれば、第1スイッチング素子56のオン時に平滑コンデンサ31に突入電流が流れるのをより効果的に抑制できる。
(1e)プリチャージは、交流電力の入力後にすぐ行われるのではなく、交流電力の入力開始後、ゼロクロスが規定回数以上検出された場合に行われる。そのため、電源プラグが挿入されたときに交流電源100と電源プラグの接続部位から火花が発生するのを抑制できる。
(1f)交流電力が入力された後、ゼロクロスが規定時間以上継続して検出されなくなった場合は、第1スイッチング素子56及び第2スイッチング素子57がいずれもオフされ、平滑コンデンサ31への充電経路が遮断される。よって、プリチャージ開始後或いはメインチャージ開始後に電源プラグが抜かれた場合は、ゼロクロスが検出されなくなることにより各スイッチング素子56,57がオフされる。そのため、電源プラグが抜かれた後、再び電源プラグがコンセントに挿入される際に、各スイッチング素子56,57が共にオフされた状態で挿入されるようにすることができ、電源プラグ挿入時に平滑コンデンサ31に突入電流が流れるのを抑制できる。
(1−6)特許請求の範囲の文言との対応関係
ここで、第1実施形態の文言と特許請求の範囲の文言との対応関係について説明する。インバータ50は駆動回路の一例に相当する。電圧検出回路42及び制御回路38は、ピーク電圧値取得部及びコンデンサ電圧値取得部の一例に相当する。第1スイッチング素子56は直列スイッチング素子に相当し、第2スイッチング素子57は並列スイッチング素子に相当する。ゼロクロス検出回路46はゼロクロス検出部に相当する。電圧検出回路42は電圧検出部に相当する。
図5〜図6に示した突入電流抑制処理において、S125〜S130の処理はピーク電圧値取得部の処理に相当し、S135〜S140の処理はコンデンサ電圧値取得処理の処理に相当する。また、S145でゼロクロスが検出されていない場合に実行されるS155〜S165の処理、S145でゼロクロスが検出されて且つS190でゼロクロス検出回数Kzが規定回数Kth以上と判断された場合に実行されるS210〜S230の処理は、いずれも、スイッチ制御部の処理に相当する。
[2.第2実施形態]
(2−1)第1実施形態との相違点
第2実施形態は、基本的な構成は第1実施形態と同様であるため、相違点について以下に説明する。前述した第1実施形態では、突入電流抑制回路48が、第1スイッチング素子56及び第2スイッチング素子57を有していた。これに対し、第2実施形態では、第2スイッチング素子57を有していない点で、第1実施形態と相違する。
即ち、第2実施形態では、突入電流抑制回路48において、抵抗体58に対して第2スイッチング素子57が接続されておらず、抵抗体58は、第1スイッチング素子56に並列接続されている。
そのため、電源プラグが挿入されて交流電力が入力されると、平滑コンデンサ31から抵抗体58を経て充電電流が流れ、平滑コンデンサ31が充電される。この、抵抗体58を介した充電電流による平滑コンデンサ31の充電は、実質的に第1実施形態におけるプリチャージと同じであるため、第2実施形態においてもプリチャージと称する。つまり、第2実施形態では、電源プラグが挿入されて交流電力が入力されるとプリチャージが直ぐに始まる。
また、第2実施形態では、第2スイッチング素子57を有していないことにより、制御回路38が実行する突入電流抑制処理についても、図5〜図6に示した第1実施形態の突入電流抑制処理とは若干異なる。
(2−2)突入電流抑制処理
第2実施形態の突入電流抑制処理について、図7のフローチャートを用いて説明する。制御回路38は、図7の突入電流抑制処理を開始すると、S300で、図5のS100と同様、メインチャージをオフする。なお、第2実施形態では、図7の突入電流抑制処理が開始された時点では既にプリチャージは開始されている。
S305では、ゼロクロス未検出時間Tzの計時を開始する。S310〜S330の処理は、図5のS120〜S140の処理と全く同様である。即ち、バス電圧値VDを取得し、メモリに保存されているバス電圧最大値VDmax及びバス電圧最小値VDminとの大小関係に応じてこれらVDmax、VDminを更新する。
S335では、ゼロクロス検出回路46からのゼロクロス検出信号に基づき、ゼロクロスを検出したか否か判断する。ゼロクロスを検出していない場合は、S340に進む。S340では、ゼロクロス未検出時間Tzの現在の計時値を取得する。
S345では、S340で取得したゼロクロス未検出時間Tzが規定時間Tth以上であるか否か判断する。ゼロクロス未検出時間Tzが規定時間Tthより短い場合はS310に戻る。ゼロクロス未検出時間Tzが規定時間Tth以上の場合は、S350でメインチャージをオフさせて、S310に戻る。
S335で、ゼロクロスを検出した場合は、S355に進む。S355では、計時中のゼロクロス未検出時間Tzを0にクリアして計時を再開する。S360では、現在メモリに保存されているバス電圧最大値VDmax(即ちピーク電圧値)とバス電圧最小値VDmin(即ちコンデンサ電圧値)の差である電圧差分Vppを算出する。
S365では、S360で算出した電圧差分Vppが電圧差分閾値Vth以下か否か判断する。電圧差分Vppが電圧差分閾値より大きい場合は、S370でメインチャージをオフさせて、S380に進む。電圧差分Vppが電圧差分閾値Vth以下の場合は、S375でメインチャージをオンさせる。これにより、第1スイッチング素子56を介した平滑コンデンサ31のメインチャージが開始される。S380では、図6のS235と同様、現在メモリに保存されているバス電圧最大値VDmaxとバス電圧最小値VDminをともにクリアし、S310に戻る。
(2−3)第2実施形態の効果
以上詳述した第2実施形態によれば、メインチャージに関し、前述の第1実施形態と同等の効果を奏する。
[3.第3実施形態]
(3−1)第1実施形態との相違点
第3実施形態は、基本的な構成は第1実施形態と同様であるため、相違点について以下に説明する。第3実施形態が第1実施形態と相違するのは、制御回路38が実行する突入電流抑制処理の内容であり、特に、メインチャージを開始させるためのオン条件である。
即ち、第1実施形態では、ピーク電圧値とコンデンサ電圧値との差である電圧差分Vppが電圧差分閾値Vth以下であることがメインチャージのオン条件であった。これに対し、第3実施形態のメインチャージのオン条件は、プリチャージ開始後、設定時間TSが経過することである。また、設定時間TSは、ピーク電圧値に基づいて決定される。具体的に、ピーク電圧値が大きいほど設定時間TSが長くなる。
(3−2)突入電流抑制処理
第3実施形態の突入電流抑制処理について、図8のフローチャートを用いて説明する。図8の突入電流抑制処理において、S400〜S425までの処理は、図5に示した第1実施形態の突入電流抑制処理におけるS100〜S120の処理と全く同じである。即ち、第3実施形態では、第1実施形態のようにコンデンサ電圧値を検出することは行わないが、ピーク電圧値については第1実施形態と同様に検出する。
第3実施形態の制御回路38は、S430に進むと、ゼロクロス検出回路46からのゼロクロス検出信号に基づき、ゼロクロスを検出したか否か判断する。ゼロクロスを検出していない場合は、S435に進む。S435では、ゼロクロス未検出時間Tzの現在の計時値を取得する。S440では、S435で取得したゼロクロス未検出時間Tzが規定時間Tth以上であるか否か判断する。
ゼロクロス未検出時間Tzが規定時間Tthより短い場合はS415に戻る。ゼロクロス未検出時間Tzが規定時間Tth以上の場合は、S445でプリチャージをオフさせ、S450でメインチャージをオフさせ、S455でゼロクロス検出回数Kzを0にクリアする。さらに、S460で、プリチャージ経過時間Tpの計時を停止して計時値を0にクリアし、S465で、メモリに格納されている設定時間TSをクリアして、S415に戻る。プリチャージ経過時間Tpは、プリチャージが開始されたときにS515で計時開始される。
S430で、ゼロクロスを検出した場合は、S470に進む。S470では、メモリに保存されているゼロクロス検出回数Kzを、現在の値から1つ加算した値に更新する。S475では、計時中のゼロクロス未検出時間Tzを0にクリアして計時を再開する。
S480では、メモリに保存されているゼロクロス検出回数Kzが規定回数Kth以上か否か判断する。ゼロクロス検出回数Kzが規定回数Kthよりも少ない場合は、S485でプリチャージをオフさせ、S490でメインチャージをオフさせる。そして、S495で、設定時間TSを取得する。
設定時間TSは、現在メモリに保存されているバス電圧最大値VDmax、即ちピーク電圧値に基づいて設定する。具体的に、メモリに予め保存されている図9の設定時間テーブルを参照し、現在保存されているバス電圧最大値VDmaxに対応した設定時間TSを取得する。例えば、現在保存されているバス電圧最大値VDmaxが115Vである場合は、設定時間TSとして260[ms]を取得する。
設定時間テーブルにおいては、バス電圧最大値VDmaxが大きいほど設定時間TSが長くなるように、設定時間TSが段階的に設定されている。なお、図9に示す設定時間テーブルはあくまでも一例であり、バス電圧最大値VDmaxと設定時間TSとの対応関係は適宜決めてもよい。
S495で設定時間TSを取得した後、S500では、今回取得した設定時間TSが、すでにメモリにプリチャージ実行時間として格納している設定時間TSより長いか否か判断する。取得した設定時間TSがメモリにプリチャージ実行時間として格納されている設定時間TS以下の場合は、S535に進む。取得した設定時間TSがメモリにプリチャージ実行時間として格納されている設定時間TSよりも長い場合は、S505で、現在メモリにプリチャージ実行時間として格納されている設定時間TSを、今回取得した設定時間TSに更新して、S535に進む。S535では、現在メモリに保存されているバス電圧最大値VDmaxをクリアし、S415に戻る。
S480で、ゼロクロス検出回数Kzが規定回数Kth以上の場合は、S510でプリチャージをオンさせる。S515では、プリチャージ経過時間Tpの計時を開始する。なお、既にプリチャージ経過時間Tpの計時が開始されている場合は、その計時をそのまま継続する。
S520では、現在計時されているプリチャージ経過時間Tpの計時値を取得する。S525では、S520で取得したプリチャージ経過時間Tpが、メモリにプリチャージ実行時間として格納されている設定時間TS以上であるか否か判断する。プリチャージ経過時間Tpがまだ設定時間TSに達していない場合は、S535に進む。プリチャージ経過時間Tpが設定時間TS以上になっている場合は、S530でメインチャージをオンし、S535に進む。
(3−3)第3実施形態の効果
以上詳述した第3実施形態によれば、プリチャージに関しては、前述の第1実施形態と同等の効果を奏する。
また、第3実施形態では、メインチャージのオン条件を、プリチャージ開始からの経過時間が設定時間TS以上となること、としている。そして、設定時間TSは、ピーク電圧値に基づいて、設定時間テーブルを参照して決定される。
そのため、ピーク電圧値に対する設定時間TSを予め適切に設定しておくことで、プリチャージ開始後、ピーク電圧値とコンデンサ電圧値との差が適度に小さくなった状態でメインチャージを開始させることができる。
また、設定時間テーブルにおいては、ピーク電圧値が大きいほど設定時間TSが長くなっている。これは、ピーク電圧値が大きいほど、平滑コンデンサ31のコンデンサ電圧値をピーク電圧値に近づけるために必要な時間が長くなることが考えられるためである。そのため、ピーク電圧値が大きいほど設定時間TSを長くすることで、ピーク電圧値とコンデンサ電圧値との差が小さくなった状態でメインチャージをオンさせることができる。
(3−4)第3実施形態の変形例
第3実施形態におけるメインチャージのオン条件は、第2実施形態で説明した突入電流抑制回路の構成、即ち第2スイッチング素子57を有しない構成に対しても、適用可能である。
例えば、制御回路38は、起動すると、その起動時からの経過時間の計時を開始する。なおこのとき、プリチャージは既に始まっている。そして、ゼロクロスを規定回数Kth以上検出するまでの間に、図8のS495〜S505の処理を行うことで、ピーク電圧値に基づいて設定時間TSを取得し、プリチャージ実行時間としてメモリに格納しておく。
そして、起動時からの経過時間が規定時間Tth以上になった以後は、ゼロクロスを検出する毎に、そのときの起動時からの経過時間が、メモリにプリチャージ実行時間として格納されている設定時間TS以上になったか否かを判断する。そして、起動時からの経過時間が設定時間TS以上になった場合に、メインチャージをオンする。
[4.他の実施形態]
以上、本開示の実施形態について説明したが、本開示は上述の実施形態に限定されることなく、種々変形して実施することができる。
(4−1)第1実施形態および第3実施形態において、制御回路38の起動後、ゼロクロスを規定回数Kth以上検出してからプリチャージをオンさせることは、必須ではない。起動後、ゼロクロスの検出有無にかかわらず、第2スイッチング素子57をオンさせてプリチャージを開始させるようにしてもよい。
(4−2)ピーク電圧値の取得方法は、電圧検出回路42からの電圧検出信号に基づく取得方法に限定されない。例えば、整流回路35による整流前の交流電圧の値を取得し、その交流電圧値のゼロクロス1周期期間中の最大値をピーク電圧値として取得するようにしてもよい。コンデンサ電圧値の取得についても、電圧検出回路42からの電圧検出信号に基づく取得方法に限定されず、他の方法を採用してもよい。
(4−3)第3実施形態では、ゼロクロス検出回数Kzが規定回数Kthに到達するまでの間にゼロクロス周期毎に発生するピーク電圧値のうち、最も大きいピーク電圧値に対応した設定時間TSが、プリチャージ実行時間として採用される構成となっている。これに対し、例えば、ゼロクロス検出回数Kzが規定回数Kthに到達したときに、そのときメモリに保存されているピーク電圧値に対応した設定時間TSを設定時間テーブルから取得して、その設定時間TSをプリチャージ実行時間として採用するようにしてもよい。
(4−4)ゼロクロスの検出について、電圧値に基づいて検出することは必須ではない。例えば、整流回路35から出力される電流値、或いは整流回路35に入力される交流電流の電流値に基づき、その電流値のゼロクロスを検出するようにしてもよい。
(4−5)整流回路として、図1に示したダイオードブリッジによる整流回路35はあくまでも一例であり、ダイオードブリッジ以外の他の構成の整流回路を採用してもよい。
また、駆動回路としてIPMを用いることは必須ではない。例えば、インバータ50を構成する各スイッチング素子Q1〜Q6がそれぞれ独立したディスクリート部品であってそれらが回路基板上に個別に実装される構成であってもよい。
また、突入電流抑制回路48を構成する2つのスイッチング素子56,57は、FET以外の他のスイッチング素子であってもよい。ただし、バイポーラトランジスタやIGBTなどの、単方向のみに電流を流すスイッチング素子を用いる場合は、平滑コンデンサ31からの放電を可能とするために、スイッチング素子と並列にダイオードを接続する必要がある。
(4−6)モータ15は、ブラシレスモータ以外のモータであってもよい。例えば、ブラシ付き直流モータであってもよい。そして、ブラシレスモータ以外のモータを採用する場合は、駆動回路についても、そのモータを適切に駆動可能な駆動回路を用いればよい。
(4−7)IPM37の過電流保護機能について、上記実施形態では、電流検出回路43から入力される電流検出信号に基づいて保護回路52が過電流を検出する構成を示したが、この構成に代えて、或いはこの構成に加えて、電流検出回路43からの電流検出信号によらずIPM37内において独立して負荷電流値を検出する機能を備え、その機能により検出した負荷電流値に基づいて過電流を検出する構成を備えていてもよい。
(4−8)上記実施形態では、電動作業機の一例としてマルノコを示したが、本開示は、交流電源から供給される交流電力を整流、平滑化してモータ駆動用の駆動回路へ供給するよう構成された各種の電動作業機に対して適用できる。より具体的には、本開示は、電動ハンマ、電動ハンマドリル、電動ドリル、電動ドライバ、電動レンチ、電動グラインダ、電動レシプロソー、電動ジグソー、電動ハンマ、電動カッター、電動チェンソー、電動カンナ、電動釘打ち機(鋲打ち機を含む)、電動ヘッジトリマ、電動芝刈り機、電動芝生バリカン、電動刈払機、電動クリーナ、電動ブロア、等の電動作業機に適用することができる。
(4−9)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。また、上記実施形態の構成の少なくとも一部を、他の上記実施形態の構成に対して付加又は置換してもよい。なお、特許請求の範囲に記載した文言から特定される技術思想に含まれるあらゆる態様が本開示の実施形態である。
1…電動作業機、4…ノコ刃、13…ヒューズ、15…モータ、30…コントローラ、31…平滑コンデンサ、32…表示部、35…整流回路、36…平滑回路、37…IPM、38…制御回路、39…バスライン、40a…スイッチ接点、41…バリスタ、42…電圧検出回路、44…制御用電源回路、46…ゼロクロス検出回路、47…表示駆動回路、48…突入電流抑制回路、50…インバータ、56…第1スイッチング素子、57…第2スイッチング素子、58…抵抗体、100…交流電源、Q1〜Q6…スイッチング素子、R1…抵抗。

Claims (14)

  1. モータと、
    交流電源から供給される交流電力を整流するように構成された整流回路と、
    前記整流回路から出力される前記整流後の電力を平滑化するように構成された平滑回路と、
    前記平滑回路から出力される前記平滑化後の電力に基づいて前記モータの駆動用の電力を生成して前記モータへ供給するように構成された駆動回路と、
    周期的に変化する前記交流電力の電圧値の絶対値が最大となるときのその絶対値であるピーク電圧値を取得するように構成されたピーク電圧値取得部と、
    を備え、
    前記平滑回路は、
    前記整流後の電力によって充電されるように構成されたコンデンサと、
    前記コンデンサに直列接続されたスイッチング素子である直列スイッチング素子と、
    前記直列スイッチング素子に対して並列接続された抵抗体と、
    を備え、
    さらに、前記交流電力が入力された場合に、前記ピーク電圧値取得部により取得された前記ピーク電圧値に基づく特定のオン条件が成立した場合に前記直列スイッチング素子をオンさせるように構成されたスイッチ制御部と、
    を備える、電動作業機。
  2. 請求項1に記載の電動作業機であって、
    さらに、前記コンデンサに充電されている電圧の値であるコンデンサ電圧値を取得するように構成されたコンデンサ電圧値取得部を備え、
    前記オン条件は、前記前記ピーク電圧値取得部により取得された前記ピーク電圧値と前記コンデンサ電圧値取得部により取得された前記コンデンサ電圧値との差分が電圧差分閾値以下になることである、
    電動作業機。
  3. 請求項2に記載の電動作業機であって、
    さらに、前記整流回路から出力される前記整流後の電力を前記平滑回路へ入力する通電経路に接続されて前記通電経路の電圧値を示す信号を出力するように構成された電圧検出部を備え、
    前記ピーク電圧値取得部及び前記コンデンサ電圧値取得部は、いずれも、前記電圧検出部から出力される前記信号に基づいて取得対象の電圧値を取得するよう構成されている、
    電動作業機。
  4. 請求項1〜請求項3の何れか1項に記載の電動作業機であって、
    さらに、前記抵抗体に直列接続され且つ前記直列スイッチング素子に対して並列接続されたスイッチング素子である並列スイッチング素子を備え、
    前記スイッチ制御部は、前記交流電力が入力された場合、まず前記並列スイッチング素子をオンさせ、その後、前記オン条件が成立した場合に前記直列スイッチング素子をオンさせる、
    電動作業機。
  5. 請求項4に記載の電動作業機であって、
    さらに、前記交流電力の電圧又は電流のゼロクロスを検出するように構成されたゼロクロス検出部を備え、
    前記スイッチ制御部は、前記ゼロクロス検出部により前記ゼロクロスが検出された直後に前記並列スイッチング素子をオンさせる、
    電動作業機。
  6. 請求項4又は請求項5に記載の電動作業機であって、
    さらに、前記交流電力の電圧又は電流のゼロクロスを検出するように構成されたゼロクロス検出部を備え、
    前記スイッチ制御部は、前記交流電力の入力開始後、前記ゼロクロス検出部により前記ゼロクロスの検出回数が規定回数以上となった場合に、前記並列スイッチング素子をオンさせる、
    電動作業機。
  7. 請求項4〜請求項6の何れか1項に記載の電動作業機であって、
    さらに、前記交流電力の電圧又は電流のゼロクロスを検出するように構成されたゼロクロス検出部を備え、
    前記スイッチ制御部は、前記ゼロクロス検出部により前記ゼロクロスが検出されない時間が継続して規定時間以上となった場合は、前記並列スイッチング素子をオフさせる、
    電動作業機。
  8. 請求項1〜請求項7の何れか1項に記載の電動作業機であって、
    前記スイッチ制御部は、前記オン条件が成立した場合であって、且つ、前記整流回路から出力される電圧の値が前記コンデンサに充電されている電圧の値以下である場合に、前記直列スイッチング素子をオンさせる、
    電動作業機。
  9. 請求項1〜請求項7の何れか1項に記載の電動作業機であって、
    さらに、前記交流電力の電圧又は電流のゼロクロスを検出するように構成されたゼロクロス検出部を備え、
    前記スイッチ制御部は、前記オン条件が成立した場合であって、且つ、前記ゼロクロス検出部により前記ゼロクロスが検出された直後に、前記直列スイッチング素子をオンさせる、
    電動作業機。
  10. 請求項8又は請求項9に記載の電動作業機であって、
    さらに、前記交流電力の電圧又は電流のゼロクロスを検出するように構成されたゼロクロス検出部を備え、
    前記スイッチ制御部は、前記ゼロクロス検出部により前記ゼロクロスが検出されない時間が継続して規定時間以上となった場合は、前記直列スイッチング素子をオフさせる、
    電動作業機。
  11. 請求項1に記載の電動作業機であって、
    前記スイッチ制御部は、前記ピーク電圧値取得部により取得された前記ピーク電圧値に基づいて、前記交流電力入力開始後の特定の計時開始タイミングから前記直列スイッチング素子をオン可能になるまでの時間である初期充電時間を決定し、
    前記オン条件は、前記計時開始タイミングから前記初期充電時間が経過することである、
    電動作業機。
  12. 請求項11に記載の電動作業機であって、
    さらに、前記抵抗体に直列接続され且つ前記直列スイッチング素子に対して並列接続されたスイッチング素子である並列スイッチング素子を備え、
    前記スイッチ制御部は、前記交流電力が入力された場合、まず前記並列スイッチング素子をオンさせ、その後、前記オン条件が成立した場合に前記直列スイッチング素子をオンさせる、
    電動作業機。
  13. 請求項12に記載の電動作業機であって、
    前記計時開始タイミングは、前記並列スイッチング素子がオンされたタイミングである、
    電動作業機。
  14. 請求項11〜請求項13の何れか1項に記載の電動作業機であって、
    前記スイッチ制御部は、前記ピーク電圧値が大きいほど前記初期充電時間が長くなるように、前記初期充電時間を決定する、
    電動作業機。
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