JP5520177B2 - Battery powered power tool - Google Patents
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Description
本発明は、電池を電源とする電池式電動工具に関するものである。 The present invention relates to a battery-powered tool that uses a battery as a power source.
電池式電動工具、例えばブラシレスモータを駆動源とするとともに電源としての電池にリチウムイオン電池を採用した電池式電動工具においては、特許文献1に示されているように、モータ制御回路を搭載して、スイッチ操作に対応するモータの駆動・停止や、電池電圧が所定値を下回ったり、モータ電流値が所定値を上回ったり、電池あるいはモータ温度が所定値を上回ったりした場合、電池や本体保護のためにモータ制御回路がモータを停止させるようにしている。
In a battery-type electric tool, for example, a battery-type electric tool that uses a brushless motor as a drive source and a lithium-ion battery as a battery as a power source, as shown in
ところでモータ制御回路には安定した電源を必要とする電子部品(マイクロコンピュータ)が用いられるために、電源が変動するとモータ電流などの検出手段の測定値に誤差が生じたり、モータ制御回路(マイクロコンピュータ)がリセットしてしまってソフトウェアが正常に動作せず、モータ駆動が正しく行われなくなる可能性があるとともに、近年、大電流供給可能な電池やモータの出現で高負荷作業に用いる機会が多くなったために、電池電圧の変動が大きくなり、上記不具合が出現する可能性が大きくなる傾向にある。 By the way, since an electronic component (microcomputer) that requires a stable power supply is used for the motor control circuit, if the power supply fluctuates, an error occurs in the measured value of the detection means such as the motor current or the motor control circuit (microcomputer). ) Will not work properly and the motor will not operate correctly, and in recent years, the use of batteries and motors that can supply large currents has increased the opportunity to use them for high-load work. For this reason, the fluctuation of the battery voltage becomes large, and the possibility that the above-mentioned defect appears tends to increase.
本発明はこのような点に鑑みなされたものであって、モータ駆動をより的確に行うことができる電池式電動工具を提供することを課題とするものである。 This invention is made | formed in view of such a point, and makes it a subject to provide the battery-type electric tool which can perform a motor drive more correctly.
本発明は、電池を電源とし、モータを駆動源とするとともに、モータの駆動と停止の指示のためのスイッチ機構と、上記電池の電圧値を検出する電圧検出手段と、上記スイッチ機構の出力と上記電圧検出手段の出力とに基づいてモータ速度を設定するモータ制御手段と、該モータ制御手段の速度設定に基づいて前記モータの駆動を行うモータ駆動手段とを有する電動工具において、前記モータ制御手段は、前記モータを停止から起動させるにあたり、前記電圧検出手段で検出したモータ起動前の電池電圧値に応じて前記モータの起動に際しての回転の立ち上がりの加速を変化させるものであることに特徴を有している。 The present invention uses a battery as a power source and a motor as a drive source, a switch mechanism for instructing to drive and stop the motor, voltage detection means for detecting a voltage value of the battery, and an output of the switch mechanism. An electric tool comprising: motor control means for setting a motor speed based on the output of the voltage detection means; and motor drive means for driving the motor based on the speed setting of the motor control means. Is characterized in that when starting the motor from the stop, the acceleration at the start of rotation at the time of starting the motor is changed according to the battery voltage value before starting the motor detected by the voltage detecting means. doing.
この場合、上記モータ制御手段は、上記スイッチ機構の出力に基づいてモータを起動させるにあたり、モータ起動前の電池電圧値が高い場合はモータを急加速で起動し、電池電圧値が低い場合はモータを緩加速で起動するものであることが好ましい。 In this case, when starting the motor based on the output of the switch mechanism, the motor control means starts the motor at a rapid acceleration when the battery voltage value before starting the motor is high, and starts the motor when the battery voltage value is low. Is preferably started at a slow acceleration.
また、上記モータ制御手段は、モータ起動前後の電池電圧値の差分値に応じてモータの回転の立ち上がりの加速を変化させるものであってもよい。 Further, the motor control means may change acceleration of rising of the rotation of the motor in accordance with a difference value between battery voltage values before and after starting the motor.
本発明においては、モータ起動前の電池電圧値に応じてモータ起動時のモータ回転の立ち上がり加速を変化させるものであり、電池電圧値が低ければ電圧降下が大となる急加速を抑制して緩加速で起動させることにより、起動電流による電圧降下で電池電圧が不具合を招くことになる下限値を下回ってしまう事態を避けることができるものであり、このためにモータ駆動をより的確に行うことができる。 In the present invention, the rising acceleration of the motor rotation at the start of the motor is changed according to the battery voltage value before starting the motor. If the battery voltage value is low, the rapid acceleration that causes a large voltage drop is suppressed and slowed down. By starting with acceleration, it is possible to avoid a situation where the battery voltage falls below the lower limit value that would cause a malfunction due to a voltage drop due to the starting current, and for this reason, the motor can be driven more accurately. it can.
まず、電池式電動工具の基本構成について説明すると、図4及び図5において、図中1は駆動源としてのモータMとトリガースイッチS及び制御回路2を備えた工具本体、3は電源としての電池Bを備えて上記工具本体1に対して着脱自在とされている電池パックである。トリガースイッチSを操作した時、モータ制御回路4はモータ駆動手段であるFET5を介して電流をモータMに供給する。
First, the basic configuration of the battery-type electric tool will be described. In FIGS. 4 and 5,
上記トリガースイッチSは、その引き込み操作量に応じて可変抵抗VRの抵抗値を変化させるとともに、引き込み操作した時に接点S1をオンとするもので、FET5をPWM制御するモータ制御回路4は、トリガースイッチSの引き込み操作量に応じた回転数でモータMを回転させる。つまり、トリガースイッチSを引き込み操作して接点S1をオンとした時、引き込み操作量が最大となるまではPWM制御によって可変抵抗VRの抵抗値に応じた回転数でモータMを回転させ、フルに引き込めばFET5をフルでオンさせてモータMをフル回転させる。
The trigger switch S changes the resistance value of the variable resistor VR according to the pulling operation amount, and turns on the contact S1 when the pulling operation is performed. The
また電源回路6を通じて制御電源(たとえば5V)が供給される上記モータ制御回路4は、電池電圧を分圧抵抗R1,R2による分圧値で計測する電池電圧計測部を備えたものであり、この分圧値が予め設定された所定値よりも低い場合は、トリガースイッチSの操作にかかわらずモータMを停止状態とする。このほか、電池温度や本体温度(モータ温度)が高くなりすぎる場合も、モータ制御回路4はモータMを停止させたり、回転数を制限したりする。
The
ここにおいて、予め設定された上記所定値や、電池電圧の計測値は、モータ制御回路4に供給される電源や、その電源を基にモータ制御回路4に供給されるAD変換基準値が安定していることを前提としている。このために電源が変動すると、上記前提が崩れてしまい、電圧値が正確に換算されずに想定外の電圧値で回転可否判断を行うことになり、保護機能が誤作動してしまったり、前述のようにマイクロコンピュータからなるモータ制御回路4がリセット、もしくは再スタートしてしまうことでプログラムが停止したり、モータ制御が正しく行われずに使用上の不具合が発生してしまったりという不具合が生じる。
Here, the predetermined value set in advance and the measured value of the battery voltage are stable when the power supplied to the
図2に示す電源回路6には上記不具合を避けるべく、コンデンサなどの電圧安定化部品を搭載しているが、近年はモータMのトルクアップや、大電流供給可能な電池パックの開発により、電池電圧変動がより一層大きくなりやすい傾向にあるために、上記不具合が発生する可能性が高くなっている。
In order to avoid the above problems, the
ところで、電動工具で作業したときの電圧と電流の挙動、殊にトリガースイッチSを一気に引き込んでモータMをフル回転で起動させる場合の挙動は次のようになる。すなわち、電池電圧が十分であるとモータ制御回路4が判断してFET5をオンさせると、図6に示すように、モータMは回転数が0からの起動となるために起動電流が大きく流れ、一旦電池電圧も急降下する。そしてモータが回転を始めると、無負荷の時には図6(a)に示すように、モータMは数A程度の電流を消費するのみで回転中の電池電圧低下も少ないがドリルドライパーとして図7(a)に示す穴明けを行う場合、ドリルDが相手材9に侵入するほど負荷が増えるため、ドリルDが相手材9を貫通するまで、徐々にモータ消費電流が増加するとともに電圧が減少する。インパクトドライバーとして図7(b)に示すねじ締めを行う場合は、図6(c)に示すように、打撃してねじ締めを行っている間はほぼ一定の電流値・電池電圧値となるが、相手材9にねじ8の頭が接触する着座時に負荷が増えるため、モータMが消費する電流が一瞬増加するとともに電圧が減少する。図6(a)(b)(c)のタイムチャートにおける左側は電池容量がフルである場合、右側は電池容量が乏しくなって空に近い場合を示している。
By the way, the behavior of voltage and current when working with an electric tool, particularly the behavior when the trigger switch S is pulled in at a stroke to start the motor M at full rotation, is as follows. That is, when the
ここで、図中のV2は電池容量が空に近づくなどして電池電圧が低下した場合の低電圧保護によりモータMを停止させる電圧しきい値である。なお、モータ起動時の一瞬の電圧急降下によりしきい値V2を下回った時に低電圧保護が動作してしまわないように、所定時間継続してしきい値V2を低下した場合に低電圧保護を行う。 Here, V2 in the figure is a voltage threshold value at which the motor M is stopped by the low voltage protection when the battery voltage decreases due to the battery capacity approaching empty. In order to prevent the low voltage protection from operating when the voltage drops below the threshold V2 due to an instantaneous voltage sudden drop at the start of the motor, the low voltage protection is performed when the threshold V2 is continuously lowered for a predetermined time. .
また、図6中のV1はモータ制御回路4が手段が安定して動作する電池電圧の下限であり、これを下回ると電圧値が正確に換算されなくなったりリセットしてしまう不具合を生じることになるため、しきいV2の場合とは異なり、電池容量の如何にかかわらず、起動電流の一瞬の電圧降下もV1を下回ってはならないのであるが、電池容量が十分の場合は図8(a)に示すように、下限値V1を下回ることがなくても、電池容量が低下して電圧が低下している時には、図8(b)に示すように下限値V1を下回って電源回路6が出力する制御電源の電圧値が降下してしまう事態を招くおそれがある。
In addition, V1 in FIG. 6 is a lower limit of the battery voltage at which the
このために、本発明においては、トリガースイッチSの操作でモータMを起動させるに際して、次のような制御を行うものとしている。すなわち、図1に示すようにトリガースイッチSがオンしたことを検出した時の電池電圧がしきい値V2以下であれば、低電圧保護としてモータ制御回路4はFET5をオフしたままとし、モータを駆動させない。
For this reason, in the present invention, when the motor M is started by operating the trigger switch S, the following control is performed. That is, as shown in FIG. 1, if the battery voltage when detecting that the trigger switch S is turned on is equal to or lower than the threshold value V2, the
次にトリガースイッチSの引きこみ量を検出し、引き込み量が小さければ、通常起動としてPWM制御下でFETをオンとし、回転数を制限した状態で起動する。モータMに供給する電流量はもともと少ない状態であるために、電池電圧が下限値V1以下になることはない。 Next, the pull-in amount of the trigger switch S is detected. If the pull-in amount is small, the FET is turned on under PWM control as a normal start-up, and the start-up is performed with the rotation speed limited. Since the amount of current supplied to the motor M is originally small, the battery voltage does not become lower than the lower limit value V1.
そして、トリガースイッチSの引き込み量が大きい時には、電池電圧値に応じて制御を変更する。つまり、電池電圧が設定値以上に高ければ、モータMが大きな起動電流を必要としても電池電圧が下限値Vl以下にならないとして、従来どおりFETをオンさせる。しかし、電池電圧が設定値以下に低ければ、モータMが大きな起動電流を要すると電池電圧が下限値V1以下まで降下して正常な動作が確保できない可能性があるとして、モータ制御回路4はFET5のオンをPWM制御でデューティ比を徐々に大きくして最終的に100%オンとするようなスローアップ起動でモータMを起動する。モータMの回転の加速を抑制して急激な電流供給・電圧降下を抑えることで電池電圧が下限値V1以下まで降下することがないようにするのである。 And when the pull-in amount of the trigger switch S is large, the control is changed according to the battery voltage value. That is, if the battery voltage is higher than the set value, the FET is turned on as usual, assuming that the battery voltage does not fall below the lower limit value Vl even if the motor M requires a large starting current. However, if the battery voltage is lower than the set value, if the motor M requires a large start-up current, the battery voltage may drop to the lower limit value V1 or less and normal operation may not be ensured. The motor M is started by a slow-up start-up in which the duty ratio is gradually increased by PWM control and finally turned on by 100%. By suppressing the acceleration of the rotation of the motor M and suppressing a rapid current supply / voltage drop, the battery voltage is prevented from dropping below the lower limit value V1.
トリガースイッチSが操作された際の電池電圧が低くなればなるほど、モータMの回転加速が緩やかになるように(スローアップ起動にかかる時間が長くなるように)多段階で設定してもよいのはもちろんである。 It may be set in multiple steps such that the lower the battery voltage when the trigger switch S is operated, the slower the rotational acceleration of the motor M (so that the time required for slow-up activation becomes longer). Of course.
このようにトリガースイッチSがフルに引き込まれて本来ならばフル加速で起動させることになる場合でも、電池電圧によってはPWMによるデューティ制御を介して緩やかに加速して回転が立ち上がるようにすることで、電圧降下が不具合を引き起こす事態を避けることができる。 In this way, even when the trigger switch S is fully retracted and originally started up at full acceleration, depending on the battery voltage, rotation can be started by gradually accelerating through PWM duty control. The situation where the voltage drop causes trouble can be avoided.
モータ制御回路4の処理速度が充分に速い場合には、モータMに電流を供給し始めた直後の電池電圧も加味してスローアップ起動を行うとよい。図3に示すように、スローアップ起動のためにPWM制御でFET5をオンさせてモータMに電流を供給し始めた直後の電池電圧値Vdと、モータM起動前のトリガースイッチSを操作した時の電池電圧値Vとの差分をモータ制御回路4において算出し、上記差分値(電池電圧の降下量)が大で想定以上に急激な電圧低下が生じているために下限値V1を下回る可能性があると判断モータ制御回路4が判断した場合、PWM制御から100%オンとするスローアップ起動の速度をさらに遅くすることによって、急激な電流供給・電圧降下を抑えれば、電池電圧が下限値V1以下になる虞をより低くすることができるために、さらに確実なモータ制御動作を提供することができる。
When the processing speed of the
1 工具本体
2 制御回路
3 電池パック
4 モータ制御回路
B 電池
S トリガースイッチ
M モータ
1
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