JP4075792B2 - ブラシレスモータの駆動装置、及び電動工具 - Google Patents

Description

本発明は、回転子の永久磁石の磁極位置を検出する磁極位置センサを具備していないブラシレスモータの駆動装置、及び電動工具に関するものである。

従来、ブラシレスモータの駆動装置として、回転子の永久磁石の磁極位置をホール素子等の磁極位置センサで検出することなくセンサレスで駆動する装置があり、これは、モータ駆動コイルに生じる誘起電圧から回転子の永久磁石の磁極位置を検出し、この検出結果に基づいてモータ駆動コイルに順次通電している。（例えば、特許文献１参照）。
特開平７−１７０７８１号公報（段落番号［００１３］〜［００１７］、図１〜図３）

上記駆動装置は例えば電動工具に用いられ、ドリル等の工具に伝達するトルクに制限を設けたトルクリミット機能付き減速機、あるいはハンマーとアンビルとの係合を断続的に繰り返し行うことで回転力を生じさせるインパクト発生機能付き減速機をブラシレスモータの出力軸に取り付けて、図６（ａ），（ｂ）に示すようにブラシレスモータからみたトルク（負荷）が周期的に変化する場合、負荷増加時に速度制御の応答遅れから一瞬停止あるいは回転速度が遅くなる場合がある。モータ駆動コイルに生じる誘起電圧は回転子の回転速度に比例するので、停止状態あるいは回転速度が遅い場合には磁極位置を検出することができなくなり、脱調してしまう（図６（ｂ）中のＰ点参照）。

しかし従来、使用者は脱調による停止と故障による停止とを区別できず、脱調して回転子が停止した状態から使用者の指示が無くても速やかに再起動していたので、脱調時には再起動のタイミングがわからず負荷を傷めてしまう恐れがあった。

本発明は、上記事由に鑑みてなされたものであり、その目的は、ブラシレスモータの脱調状態を使用者に報知して脱調による停止と故障による停止とを区別できて、再起動を使用者自らが行うことができるブラシレスモータの駆動装置、及び電動工具を提供することにある。

請求項１の発明は、複数相のモータ駆動コイルを有する固定子と永久磁石を有する回転子とから構成されるブラシレスモータのモータ駆動コイルに生じる電圧から回転子の永久磁石の磁極位置を検出し、該検出結果に基づいてモータ駆動コイルに順次通電するブラシレスモータの駆動装置において、回転子の永久磁石の磁極位置と固定子の回転磁界位置とが同期していない脱調状態を検出する脱調検出手段と、脱調検出を報知する報知手段と、脱調検出時に、所定のモータ駆動コイルのみに直流電流を流すことで直流励磁する直流励磁手段と、脱調検出後に操作することで再起動させる再起動手段とを備えることを特徴とする。

この発明によれば、脱調状態を使用者に報知するので、脱調による停止と故障による停止とを区別でき、脱調時に使用者は自らの判断で、速やかに再起動するか、あるいは負荷の状態を見直してから再起動するかを選択できて、再起動を使用者自らが行うことができる。

請求項２の発明は、請求項１において、前記報知手段は、脱調検出時に前記直流励磁手段が直流励磁を行う際、所定のモータ駆動コイルのみに可聴域の周波数でＰＷＭ制御されたリプル成分を含む直流電流を流すことで構成されることを特徴とする。

この発明によれば、脱調の報知手段としてモータ駆動コイルへの通電手段を用いることができるので、脱調の報知手段として専用の装置が不要となる。さらに、直流励磁によって保持トルクが得られるので、脱調検出時にモータの回転を停止させるとともに外部からの要因によるモータの回転を防止できる。

請求項３の発明は、請求項１または２記載のブラシレスモータの駆動装置を用いることを特徴とする。

この発明によれば、請求項１または２と同様の効果を奏する電動工具を提供することができる。すなわち、使用者は電動工具の故障による停止と、脱調による停止とを区別することができ、例えば、低速で負荷の大きい作業をしているときに脱調停止した場合、使用者は、より高速で作業を行う等の作業状態の見直しを行ってから、再起動して作業を再開することができる。

以上説明したように、本発明では、ブラシレスモータの脱調状態を使用者に報知して脱調による停止と故障による停止とを区別できて、再起動を使用者自らが行うことができるという効果がある。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

（実施形態）
図１は本実施形態のブラシレスモータの駆動装置の回路構成を示す。まず、ブラシレスモータＭは、３相のモータ駆動コイル２ｕ，２ｖ，２ｗを有する固定子２と永久磁石３ａを有する回転子３とから構成される。そしてブラシレスモータの駆動装置Ｄは、駆動回路１と、トリガボリューム４と、電池Ｅとから構成される。駆動回路１は、電池Ｅを電源としてブラシレスモータＭへの印加電圧の調整とモータ駆動コイル２ｕ，２ｖ，２ｗへの通電切換を行うインバータ回路ＩＮＶと、永久磁石３ａの磁極位置を検出して位置検出信号Ｓ２を出力する位置検出回路１ｂと、ＰＷＭ制御信号Ｓ７を出力してインバータ回路ＩＮＶを制御する制御回路１ｃとから構成され、制御回路１ｃに接続されたトリガボリューム４でモータ駆動のオン・オフを行うとともに、その操作量ＸでブラシレスモータＭの回転数を調整する。

インバータ回路ＩＮＶは、電池Ｅの両端間に並列接続したスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２の直列回路、スイッチング素子Ｑ３，Ｑ４の直列回路、スイッチング素子Ｑ５，Ｑ６の直列回路と、制御回路１ｃからのＰＷＭ制御信号Ｓ７によってスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６をＰＷＭ駆動するドライブ回路１ａとで構成され、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６はダイオードを逆並列に各々設けている。

位置検出回路１ｂは、モータ駆動コイル２ｕ，２ｖ，２ｗのうち通電されていない開放相のモータ駆動コイルの誘起電圧と基準電圧との大小を比較し、その比較結果が変化したタイミングで永久磁石３ａの磁極位置検出を行い、位置検出信号Ｓ２を出力する。

制御回路１ｃは、位置検出信号Ｓ２及びトリガボリューム４の操作量Ｘに基づいてドライブ回路１ａにＰＷＭ制御信号Ｓ７を出力してスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６のＰＷＭ制御を行い、モータ駆動コイル２ｕ，２ｖ，２ｗに所定の電圧を印加し、位置検出回路１ｂが位置検出した時点から所定位相だけ遅延させて転流させることでモータ駆動コイル２ｕ，２ｖ，２ｗに所定のタイミングで電流を流して回転子３を回転させている。その構成は図２に示すように、速度設定回路１０と、速度検出回路１１と、速度制御回路１２と、切換回路１３と、脱調検出回路１４と、直流励磁回路１５とを備える。

速度設定回路１０はトリガボリューム４の操作量Ｘを速度指令信号Ｓ１に変換して速度制御回路１２に出力する。速度検出回路１１は位置検出回路１ｂからの位置検出信号Ｓ２の時間間隔から回転速度を演算し、速度検出信号Ｓ３を速度制御回路１２に出力する。そして速度制御回路１２は、指令速度と検出速度との偏差がゼロとなるように、すなわち指令速度と検出速度とが一致するようにブラシレスモータＭへの指令電圧を演算して切換回路１３に速度制御信号Ｓ４を出力し、切換回路１３は速度制御信号Ｓ４に応じたＰＷＭ制御信号Ｓ７をインバータ回路ＩＮＶに出力し、ドライブ回路１ａを介してスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６のオン・オフを制御して転流させる。

次に脱調時の動作について説明する。脱調検出回路１４は、位置検出信号Ｓ２の時間間隔が長くなり、モータ駆動コイル２ｕ，２ｖ，２ｗの誘起電圧を検出できない回転速度にまでブラシレスモータＭの回転速度が低下した場合に脱調状態を検出して、切換回路１３に脱調検出信号Ｓ５を出力する。脱調検出信号Ｓ５を受けた切換回路１３は、インバータ回路ＩＮＶの制御を、直流励磁回路１５からの直流励磁制御信号Ｓ６による制御に切り換え、直流励磁制御信号Ｓ６に応じたＰＷＭ制御信号Ｓ７をインバータ回路ＩＮＶのドライブ回路１ａに出力して、ブラシレスモータＭを直流励磁する。すなわち、モータ駆動コイル２ｕ，２ｖ，２ｗのうちいずれか２つのモータ駆動コイルに通電し、通電するモータ駆動コイルを切り換えない制御を行うことで、保持トルクが得られて回転子３の回転を停止させるとともに、外部からの要因による回転子３の回転を防止する。具体的には、スイッチング素子Ｑ２，Ｑ５をオンさせることでモータ駆動コイル２ｗ，２ｕに通電して、直流励磁を行っている。

さらに本実施形態ではこの直流励磁時に、図３に示すようにスイッチング素子Ｑ２を連続的にオンさせ、スイッチング素子Ｑ５をＰＷＭ制御でオン・オフを繰り返させることで、モータ駆動コイル２ｗ，２ｕに図４（ａ），（ｂ）に示すようなモータ電流Ｉｍを流す（平均モータ電流Ｉｍａｖを破線で示す）。このときのモータ電流Ｉｍの波形はＰＷＭ周波数で発生するリプル成分Ｉｒを含んでおり、固定子２に発生する磁界の強さがＰＷＭ周波数に応じた周期Ｔで変動するため、固定子２がＰＷＭ周波数で微振動して騒音が発生する。発生する騒音の周波数はＰＷＭ周波数に等しく、このＰＷＭ周波数を人の可聴周波数（約２０Ｈｚ〜約２０ＫＨｚ）とすることで、使用者に固定子２の振動音が聞こえて脱調状態を報知できる。したがって、使用者は脱調による停止と故障による停止とを区別でき、自らの判断で、速やかに再起動するか、あるいは負荷の状態を見直してから再起動するかを選択できる。再起動はトリガーボリューム４の操作、例えば操作量Ｘが所定値以上となるように操作することで行う。また、使用者が判断する適切なタイミングで再起動できるので、負荷を傷めることがなくなる。なお、図４（ａ）は周期Ｔが短くてＰＷＭ周波数が高い場合、図４（ｂ）は周期Ｔが長くてＰＷＭ周波数が低い場合を各々示す。

図５は、上記説明した駆動装置Ｄを用いた電動工具の構成を示しており、ハウジング８の本体部８ａ内にブラシレスモータＭと、ブラシレスモータＭの出力軸Ｍａに接続した減速機５を収納し、減速機５の出力軸５ａにはドリル等の工具を取り付けるチャック６が設けられている。また、ハウジング８の取っ手部８ｂ内には駆動回路１が収納され、取っ手部８ｂの外側には指で操作量Ｘを調整するトリガーボリューム４が取り付けられ、先端には電池Ｅが着脱自在に取り付けられている。なお、減速機５はトルクリミット機能付き減速機、あるいはインパクト発生機能付き減速機を用いる。このような電動工具に本実施形態の駆動装置Ｄを用いることによって、使用者は電動工具の故障による停止と、脱調による停止とを区別することができる。したがって、低速で負荷の大きい作業をしているときに脱調停止した場合、使用者は、より高速で作業を行う等の作業状態の見直しを行ってから、再起動して作業を再開することができる。

本発明のブラシレスモータの駆動装置の回路構成を示す図である。 同上の制御回路のブロック構成を示す図である。 同上の直流励磁状態を示す図である。 同上のモータ電流の波形を示し、（ａ）は高周波数、（ｂ）は低周波数の各波形を示す図である。 本発明の電動工具の構成を示す図である。 ブラシレスモータの動作波形を示し、（ａ）はトルク波形、（ｂ）は回転速度波形を示す図である。

符号の説明

Ｄ 駆動装置
１ 駆動回路
１ａ ドライブ回路
１ｂ 位置検出回路
１ｃ 制御回路
２ 固定子
２ｕ，２ｖ，２ｗ モータ駆動コイル
３ 回転子
３ａ 永久磁石
４ トリガボリューム
ＩＮＶ インバータ回路
Ｍ ブラシレスモータ
Ｅ 電池

Claims (3)

1. 複数相のモータ駆動コイルを有する固定子と永久磁石を有する回転子とから構成されるブラシレスモータのモータ駆動コイルに生じる電圧から回転子の永久磁石の磁極位置を検出し、該検出結果に基づいてモータ駆動コイルに順次通電するブラシレスモータの駆動装置において、回転子の永久磁石の磁極位置と固定子の回転磁界位置とが同期していない脱調状態を検出する脱調検出手段と、脱調検出を報知する報知手段と、脱調検出時に、所定のモータ駆動コイルのみに直流電流を流すことで直流励磁する直流励磁手段と、脱調検出後に操作することで再起動させる再起動手段とを備えることを特徴とするブラシレスモータの駆動装置。
2. 前記報知手段は、脱調検出時に前記直流励磁手段が直流励磁を行う際、所定のモータ駆動コイルのみに可聴域の周波数でＰＷＭ制御されたリプル成分を含む直流電流を流すことで構成されることを特徴とする請求項１記載のブラシレスモータの駆動装置。
3. 請求項１または２記載のブラシレスモータの駆動装置を用いることを特徴とする電動工具。

Images