JP5882919B2 - モータに関連する状態量を推定する装置および電動工具 - Google Patents

モータに関連する状態量を推定する装置および電動工具 Download PDF

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Description

本明細書によって開示される技術は、モータに関連する状態量を推定する装置および電動工具に関する。
特許文献１に、モータを流れる電流に基づいて、モータに作用するトルクを推定する技術が開示されている。
米国特許第４５０３３７０号明細書
モータが一定の回転数で定常的に駆動している状況であれば、モータに作用するトルクは、モータを流れる電流から容易に算出することができる。しかしながら、例えばモータの起動時や、急激に変動するトルクがモータに作用する場合など、モータが非定常的な挙動を示す状況では、モータに作用するトルクを精度良く推定することは困難である。トルクセンサを実装すればトルクを精度良く検出することはできるが、この場合、コストアップや装置の大型化を招いてしまう。また、トルクセンサの耐久性が問題となることもある。モータに作用するトルクなど、モータに関連する状態量を、他の状態量に基づいて精度良く推定することが可能な技術が必要とされている。
本明細書では、モータに関連する状態量を、他の状態量に基づいて精度良く推定することが可能な技術を提供する。
本明細書は、モータに関連する状態量を推定する装置を開示する。その装置は、モータの特性を反映したモータモデルであって、モータに関連する第１状態量および第２状態量についての入力とモータに関連する第３状態量についての出力を少なくとも有するモータモデルと、実際のモータにおける第３状態量とモータモデルから出力される第３状態量の間の差分を算出する比較器と、比較器の出力を所定のゲインで増幅する増幅器を備えている。その装置では、実際のモータにおける第１状態量がモータモデルに第１状態量として入力され、増幅器の出力がモータモデルに第２状態量として入力される。その装置は、増幅器の出力を実際のモータにおける第２状態量の推定値とする。
なお、ここでいう「モータに関連する状態量」とは、モータの挙動に関連する状態量であって、例えばモータに印加される電圧や、モータを流れる電流や、モータに作用するトルクや、モータの回転数などを含む。
上記の装置では、モータモデルを含むフィードバックループが構成されており、実際のモータの挙動をモータモデルによってシミュレートすることができる。そして、実際のモータにおける第１状態量および第３状態量に基づいて、その第１状態量のもとで、その第３状態量を実現するように、モータモデルに入力される第２状態量が調整される。その結果、モータモデルに入力される第２状態量、すなわち増幅器の出力を、実際のモータにおける第２状態量の推定値として用いることができる。上記の装置によれば、実際のモータが非定常的な挙動を示す状況であっても、モータモデルによってその挙動をシミュレートすることで、モータの第２状態量を精度良く推定することができる。
電動工具２の構成を模式的に示す図である。 モニタ回路１４の構成をブロック線図で表現した図である。 モニタ回路１４をモータ８と組み合わせた構成をブロック線図で表現した図である。 図３の制御系と等価な制御系をブロック線図で表現した図である。 電動工具６０の構成を模式的に示す図である。 モニタ回路６４の構成をブロック線図で表現した図である。 モータ駆動回路３４の構成を示す回路図である。 モニタ回路３６の構成をブロック線図で表現した図である。 モニタ回路８２の構成をブロック線図で表現した図である。 ＰＷＭ制御における、モータ３２を流れる電流ｉとモータ３２に印加される電圧Ｖの経時的変化を示す図である。 モニタ回路２４の構成をブロック線図で表現した図である。 モニタ回路２４を動力伝達部６、モータ８および電流検出部１５と組み合わせた構成をブロック線図で表現した図である。
一実施形態に係る装置では、第１状態量がモータに印加される電圧であり、第２状態量がモータに作用するトルクであり、第３状態量がモータを流れる電流である。このような構成とした場合、モータに印加される電圧と、モータを流れる電流に基づいて、モータに作用するトルクを推定することができる。トルクを計測するための専用のセンサを用いることなく、モータに作用するトルクを精度良く推定することができる。
他の実施形態に係る装置では、第１状態量がモータに印加される電圧であり、第２状態量がモータに作用するトルクであり、第３状態量がモータの回転数である。このような構成とした場合、モータに印加される電圧と、モータの回転数に基づいて、モータに作用するトルクを推定することができる。トルクを計測するための専用のセンサを用いることなく、モータに作用するトルクを精度良く推定することができる。
他の実施形態に係る装置では、モータモデルがモータに関連する第４状態量についての出力をさらに有しており、モータモデルから出力される第４状態量を実際のモータにおける第４状態量の推定値とする。このような構成とすることで、実際のモータにおける第１状態量と第３状態量に基づいて、第２状態量と第４状態量の双方を精度良く推定することができる。
上記の実施形態においては、第１状態量がモータに印加される電圧であり、第２状態量がモータに作用するトルクであり、第３状態量がモータを流れる電流であり、第４状態量がモータの回転数であるとしてもよい。このような構成とした場合、モータに印加される電圧と、モータを流れる電流に基づいて、モータに作用するトルクと、モータの回転数を精度良く推定することができる。
あるいは、上記の実施形態においては、第１状態量がモータに印加される電圧であり、第２状態量がモータに作用するトルクであり、第３状態量がモータの回転数であり、第４状態量がモータを流れる電流であるとしてもよい。このような構成とした場合、モータに印加される電圧と、モータの回転数に基づいて、モータに作用するトルクと、モータを流れる電流を精度良く推定することができる。
上記の実施形態は、モータが、電流を断続的に流して制御されており、モータモデルが、モータに印加される電圧についての出力をさらに有しており、実際のモータにおけるモータに印加される電圧と、モータモデルから出力されるモータに印加される電圧の間の差分を算出する第２比較器と、第２比較器の出力を所定のゲインで増幅する第２増幅器をさらに備えており、増幅器の出力が、第２増幅器の出力と加算されてからモータモデルにモータに作用するトルクとして入力され、増幅器の出力に第２増幅器の出力を加算した値を、実際のモータに作用するトルクの推定値とするように、構成することができる。このような構成とすることで、ＰＷＭ制御や位相制御などを適用したモータを用いる場合でも、モータに作用するトルクを精度良く推定することができる。
あるいは、上記の実施形態は、少なくとも高周波成分を除去する第１フィルタと、第１フィルタと同じ特性を有する第２フィルタをさらに備えており、モータが、電流を断続的に流して制御されており、実際のモータにおけるモータを流れる電流が、第１フィルタを介して比較器に入力され、実際のモータにおけるモータに印加される電圧が、第２フィルタを介してモータモデルに入力されるように、構成することができる。このような構成とすることで、ＰＷＭ制御や位相制御などを適用したモータを用いる場合でも、モータに作用するトルクを精度良く推定することができる。
上記の実施形態は、モータが、工具部と、モータの回転を工具部に伝達する動力伝達部を備える電動工具に搭載されており、動力伝達部の特性を反映した動力伝達部モデルであって、工具部から動力伝達部に作用するトルクを入力とし、動力伝達部からモータに作用するトルクを出力とする動力伝達部モデルをさらに備えており、増幅器の出力が、動力伝達部モデルを介して前記モータモデルにモータに作用するトルクとして入力され、増幅器の出力を、実際のモータに作用するトルクの推定値とする代わりに、実際の工具部に作用するトルクの推定値とするように構成することができる。このような構成とした場合、モータに印加される電圧とモータを流れる電流に基づいて、あるいはモータに印加される電圧とモータの回転数に基づいて、工具部に作用するトルクを精度良く推定することができる。
上記した装置を備える電動工具も新規で有用である。電動工具を用いて作業をする場合、作業の開始時や完了時など、モータが非定常的な挙動を示すことが多い。上記した装置を用いることで、モータに関連する状態量を精度良く推定することができる。ここでいう電動工具は、金工用の電動工具であってもよいし、木工用の電動工具であってもよいし、石工用の電動工具であってもよいし、園芸用の電動工具であってもよい。具体的には、電動ドリル、電動ドライバ、電動レンチ、電動グラインダ、電動マルノコ、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、電動チェーンソー、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、電動芝生バリカン、電動芝刈機、電動刈払機、電動ブロワー、電動クリーナ等が挙げられる。
（実施例１）
図１に示されるように、本実施例の電動工具２は、工具部４と、動力伝達部６と、モータ８と、バッテリ１０と、モータ駆動回路１２と、モニタ回路１４と、コントローラ１６を備えている。電動工具２は、例えばインパクトレンチ、インパクトハンマ、スクリュードライバなどの電動工具である。
電動工具２では、モータ駆動回路１２によってモータ８を回転駆動し、動力伝達部６がモータ８の回転を工具部４に伝達する。モータ駆動回路１２は、モータ８を流れる電流を検出する電流検出部１５を備えている。モニタ回路１４は、モータ８に印加される電圧Ｖと、モータ８を流れる電流ｉに基づいて、モータ８に作用するトルクτと、モータ８の回転数ωを推定する。モータ８への印加電圧Ｖや、モータ８に流れる電流ｉや、モータ８に作用するトルクτや、モータ８の回転数ωは、モータ８に関連する状態量といえる。
図２に示されるように、モニタ回路１４には、モータ８に印加される電圧の実測値Ｖmと、モータ８に流れる電流の実測値ｉmが入力される。モニタ回路１４は、モータ８に作用するトルクの推定値τeと、モータ８の回転数の推定値ωeを出力する。モニタ回路１４は、モータモデル１８と、比較器２０と、増幅器２２を備えている。
モータモデル１８は、モータ８の特性を２入力２出力の伝達系としてモデル化したものである。モータモデル１８では、モータ８に印加する電圧Ｖと、モータ８に作用するトルクτを入力とし、モータ８に流れる電流ｉと、モータ８の回転数ωを出力としている。
モータモデル１８の特性は、実際のモータ８の入力−出力特性に基づいて、特定することができる。例えばモータ８がＤＣモータである場合には、以下のようにしてモータモデル１８の特性を決定することができる。
モータ８の電気系に関して、Ｌをインダクタンス、ｉを電流、Ｖを印加電圧、Ｒを抵抗値、ＫＢを発電定数、ωを回転数とすると、以下の関係式が成り立つ。
Figure 0005882919
他方、モータ８の機械系に関して、Ｊをロータの慣性モーメント、ＫＴをトルク定数、Ｂを摩擦定数、τをトルクとすると、以下の関係式が成り立つ。
Figure 0005882919
上記の数式１および数式２の両辺を時間に関して積分すると、以下の２つの関係式が得られる。
Figure 0005882919
Figure 0005882919
上記の数式３および数式４に基づいて数値計算を行うことで、２つの入力Ｖ、τに対する２つの出力ｉ、ωを算出することができる。以上から分かるように、モータ８に印加する電圧Ｖと、モータ８に作用するトルクτを入力とし、モータ８に流れる電流ｉと、モータ８の回転数ωを出力とするようにモータモデル１８を構成した場合、モータ８の状態量についての微分演算を行わず、積分演算によってそれぞれの出力を得ることができる。一般に、モニタ回路１４をシングルチップマイコンなどで実装する場合、モータ８の状態量が急激に変動する際には、微分演算を精度良く行うことが困難となる。しかしながら、上記のように、積分演算によって出力を得るようにモータモデル１８を構築することで、モータ８の状態量が急激に変動する際でも、精度良くモータ８の挙動をシミュレートすることができる。
図２に示すように、モータモデル１８の電流出力、すなわちモータ８の電流推定値ｉeは比較器２０へ提供される。比較器２０では、モータ８の電流実測値ｉmとモータモデル１８の電流出力ｉeとの差分Δｉを算出する。算出された差分Δｉは、増幅器２２において所定のゲインＧで増幅された後、モータ８の推定トルクτeとしてモータモデル１８のトルク入力に入力される。このように、モニタ回路１４はフィードバックループを構成している。なお、モータモデル１８の電圧入力には、モータ８に印加される電圧の実測値Ｖmが入力される。
上記のフィードバックループでは、増幅器２２でのゲインＧを十分に大きく設定しておくことで、モータモデル１８の電流出力、すなわちモータ８の電流推定値ｉeがモータ８の電流実測値ｉmに収束するように、モータモデル１８の入力トルク、すなわちモータ８に作用するトルクの推定値τeの大きさが調整される。このような構成とすることによって、モータモデル１８を用いて、モータ８に電圧Ｖmが印加されたときに、モータ８に流れる電流ｉmを実現するような、モータ８に作用するトルクτeと、その際のモータ８の回転数ωeを算出することができる。
モニタ回路１４は、上述のトルク推定値τeとともに、モータモデル１８の回転数出力を、モータ８の回転数推定値ωeとして出力する。
図３を参照しながら、モニタ回路１４によってモータ８のトルクτと回転数ωが推定される原理について説明する。図３では、実際のモータ８を伝達関数Ｍ1で表現し、モニタ回路１４においてモータ８を仮想的に具現化したモータモデル１８を伝達関数Ｍ2で表現している。図３に示す制御系における入力τ1（実際のモータ８に作用しているトルク値）と、出力τ2（モニタ回路１４から出力されるトルク推定値）の関係は以下のようになる。
Figure 0005882919
従って、モニタ回路１４におけるモータモデル１８を実際のモータ８と等しい特性となるように設定しておくことで、上式においてＭ1＝Ｍ2＝Ｍと置き換えることができ、以下の関係式が得られる。
Figure 0005882919
上記の数式６から分かるように、図３の制御系における入力τ1から出力τ2への伝達関数は、図４に示すような、前向き伝達関数がＧＭであり、後向き伝達関数が１である、フィードバック制御系と等価なものとなっている。従って、出力τ2は、入力τ1に追従して変動する。増幅器２２のゲインＧを十分に大きくしておくことで、出力τ2は入力τ1に収束する。従って、モニタ回路１４から出力されるトルク推定値τ2から、モータ８に作用しているトルクτ1を知ることができる。
本実施例のモニタ回路１４では、トルクを検出するための専用のセンサを設けることなく、モータ８に印加される電圧Ｖと、モータ８を流れる電流ｉに基づいて、モータ８に作用するトルクτを精度良く推定することができる。
本実施例のモニタ回路１４では、回転数を検出するための専用のセンサを設けることなく、モータ８に印加される電圧Ｖと、モータ８に流れる電流ｉに基づいて、モータ８の回転数ωを精度良く推定することができる。
本実施例のモニタ回路１４では、モータ８に印加される電圧Ｖとモータ８に作用するトルクτを入力とし、モータ８を流れる電流ｉとモータ８の回転数ωを出力とするモータモデル１８を含むフィードバックループを用いて、モータモデル１８の電流出力ｉeを、実際のモータ８を流れる電流ｉmに収束させる構成としている。このような構成とすることで、微分演算を用いることなく、モータ８に作用するトルクτとモータ８の回転数ωを精度良く推定することができる。
（実施例２）
図５に示すように、本実施例の電動工具６０は、工具部４と、動力伝達部６と、回転数センサ６２と、モータ８と、バッテリ１０と、モータ駆動回路６６と、モニタ回路６４と、コントローラ１６を備えている。本実施例のモータ駆動回路６６は、電流検出部を備えていない。回転数センサ６２は、モータ８の回転数ωを検出して、モニタ回路６４に出力する。モータ８がＤＣブラシレスモータである場合には、回転数センサ６２として、モータ８が構造上備えている回転数センサを用いてもよい。モニタ回路６４は、モータ８への印加電圧Ｖと、回転数センサ６２から入力されるモータ８の回転数ωに基づいて、モータ８に作用するトルクτと、モータ８に流れる電流ｉを推定する。
図６に示されるように、モニタ回路６４には、モータ８に印加される電圧の実測値Ｖmと、モータ８の回転数の実測値ωmが入力される。モニタ回路６４は、モータ８に作用するトルクの推定値τeと、モータ８に流れる電流の推定値ｉeを出力する。モニタ回路６４は、モータモデル１８と、比較器６８と、増幅器７０を備えている。
モータモデル１８は、モータ８の特性を２入力２出力の伝達系としてモデル化したものである。モータモデル１８では、モータ８に印加する電圧Ｖと、モータ８に作用するトルクτを入力とし、モータ８に流れる電流ｉと、モータ８の回転数ωを出力としている。
図６に示すように、モータモデル１８の回転数出力、すなわちモータ８の回転数の推定値ωeは比較器６８へ提供される。比較器６８では、モータ８の回転数実測値ωmとモータモデル１８の回転数出力ωeとの差分Δωを算出する。算出された差分Δωは、増幅器７０において所定のゲインＨで増幅された後、モータ８の推定トルクτeとしてモータモデル１８のトルク入力に入力される。このように、モニタ回路６４はフィードバックループを構成している。モータモデル１８の電圧入力には、モータ８に印加される電圧の実測値Ｖmが入力される。
上記のフィードバックループでは、増幅器７０でのゲインＨを十分に大きく設定しておくことで、モータモデル１８の回転数出力、すなわちモータ８の回転数推定値ωeがモータ８の回転数実測値ωmに収束するように、モータモデル１８の入力トルク、すなわちモータ８に作用するトルク推定値τeの大きさが調整される。このような構成とすることによって、モータモデル１８を用いて、モータ８に電圧Ｖmが印加されたときに、モータ８の回転数ωmを実現するような、モータ８に作用するトルクτeと、その際のモータ８に流れる電流ｉeを推定することができる。
モニタ回路６４は、上述のトルク推定値τeとともに、モータモデル１８の電流出力を、モータ８の電流推定値ｉeとして出力する。
本実施例のモニタ回路６４では、トルクを検出するための専用のセンサを設けることなく、モータ８に印加される電圧Ｖと、モータ８の回転数ωに基づいて、モータ８に作用するトルクτを精度良く推定することができる。
本実施例のモニタ回路６４では、電流を検出するための専用の回路を設けることなく、モータ８に印加される電圧Ｖと、モータ８の回転数ωに基づいて、モータ８に流れる電流ｉを精度良く推定することができる。電流を検出するための回路を設ける場合に生じる抵抗損失を回避し、エネルギー効率を向上することができる。
（実施例３）
本実施例の電動工具３０は、図１に示す実施例１の電動工具２とほぼ同様の構成を備えている。本実施例の電動工具３０では、モータ３２がＤＣモータであり、モータ駆動回路３４がモータ３２をＰＷＭ制御する。モニタ回路３６はモータ３２のトルクと回転数を出力する。
図７に示すように、モータ駆動回路３４は、半導体スイッチ３８と、還流ダイオード４０と、電流検出抵抗器４２と、増幅器４４を備えている。電流検出抵抗器４２と増幅器４４によって電流検出部４５が構成されている。なお、本実施例では、モータ駆動回路３４に印加される電圧をＶ’とし、モータ３２に印加される電圧（すなわち、モータ３２の端子電圧）をＶと表現する。
半導体スイッチ３８は、コントローラ１６によって制御されており、導通と非導通を切り替える。半導体スイッチ３８の導通の期間と非導通の期間の幅をそれぞれ調整することで、モータ３２の動作を制御する。
還流ダイオード４０は、半導体スイッチ３８が非導通の期間において、モータ３２から発生するサージ電流を流す。
電流検出抵抗器４２は、モータ３２の動作に影響を及ぼさない程度に低抵抗の抵抗器である。電流検出抵抗器４２における電圧降下を電流検出抵抗器４２の抵抗値で除することで、モータ３２を流れる電流ｉを検出することができる。本実施例では、一端が接地された電流検出抵抗器４２の他端の電圧を増幅器４４で増幅して、モータ３２の電流実測値として出力する。増幅器４４は、電流検出抵抗器４２の抵抗値の逆数に相当するゲインを有している。
図８に示すように、モニタ回路３６は、モータ３２をモデル化したモータモデル４６と、第１比較器４８と、第２比較器５０と、第１増幅器５２と、第２増幅器５４と、加算器５６を備えている。
実施例１や実施例２のモータモデル１８とは異なり、本実施例のモータモデル４６は、モータ３２の特性を２入力３出力の伝達系としてモデル化している。モータモデル４６は、モータ３２の印加電圧Ｖと、モータ３２に作用するトルクτを入力とし、モータ３２に流れる電流ｉと、モータ３２の回転数ωと、モータ３２の印加電圧Ｖを出力としている。
モータモデル４６の電流出力、すなわちモータ３２の電流推定値ｉeは第１比較器４８へ提供される。第１比較器４８では、モータ３２の電流実測値ｉmとモータモデル４６の電流出力ｉeとの差分Δｉを算出する。算出された差分Δｉは、第１増幅器５２において所定のゲインＧiで増幅され、加算器５６に入力される。モータモデル４６の電圧出力、すなわちモータ３２の電圧推定値Ｖeは第２比較器５０へ提供される。第２比較器５０では、モータ３２の電圧実測値Ｖmとモータモデル４６の電圧出力Ｖeとの差分ΔＶを算出する。算出された差分ΔＶは、第２増幅器５４において所定のゲインＧVで増幅され、加算器５６に入力される。加算器５６でＧiΔｉとＧVΔＶを加算した値は、モータ３２の推定トルクτeとしてモータモデル４６のトルク入力に入力される。このように、モニタ回路３６はフィードバックループを構成している。モータモデル４６の電圧入力には、モータ３２に印加される電圧の実測値Ｖmが入力される。
上記のフィードバックループでは、第１増幅器５２のゲインＧiと第２増幅器５４のゲインＧVを十分に大きく設定しておくことで、モータモデル４６の電流出力ｉeがモータ３２の電流実測値ｉmに収束し、かつモータモデル４６の電圧出力Ｖeがモータ３２の電圧実測値Ｖmに収束するように、モータモデル４６の入力トルクτe、すなわち推定トルクτeの大きさが調整される。このような構成とすることによって、モータ３２に電圧Ｖmが印加されたときに、モータ３２に流れる電流ｉmを実現するような、モータ３２に作用するトルクτeを推定することができる。
モニタ回路３６は、上述の推定トルクτeとともに、モータモデル４６の回転数出力ωeを、モータ３２の推定回転数ωeとして出力する。
本実施例によれば、ＤＣモータであるモータ３２をモータ駆動回路３４によって、例えばＰＷＭ制御のように電流を断続的に流して制御する場合に、モータ３２の回転数ωおよびトルクτを精度良く推定することができる。
（実施例４）
本実施例の電動工具８０は、図１に示す実施例３の電動工具３０とほぼ同様の構成を備えている。本実施例の電動工具８０でも、実施例３の電動工具３０と同様に、モータ３２がＤＣモータであり、図７に示すモータ駆動回路３４がモータ３２をＰＷＭ制御する。本実施例の電動工具８０では、モニタ回路８２がモータ３２のトルクと回転数を出力する。
図９に示すように、モニタ回路８２は、モータ３２をモデル化したモータモデル８４と、比較器２０と、増幅器２２と、第１フィルタ８６と、第２フィルタ８８を備えている。
実施例１のモータモデル１８と同様に、本実施例のモータモデル８４は、モータ３２の特性を２入力２出力の伝達系としてモデル化している。モータモデル８４は、モータ３２の印加電圧Ｖと、モータ３２に作用するトルクτを入力とし、モータ３２に流れる電流ｉと、モータ３２の回転数ωを出力としている。
モータモデル８４の電流出力、すなわちモータ３２の電流推定値ｉeは比較器２０へ提供される。比較器２０には、第１フィルタ８６を介して、モータ３２の電流実測値ｉmも提供される。第１フィルタ８６は、少なくとも高周波成分を除去するフィルタであって、例えばローパスフィルタであってもよいし、バンドパスフィルタであってもよい。比較器２０では、モータ３２の電流実測値ｉmを第１フィルタ８６でフィルタ処理した値ｉm’とモータモデル８４の電流出力ｉeとの差分Δｉを算出する。算出された差分Δｉは、増幅器２２において所定のゲインＧで増幅される。増幅器２２からの出力は、モータ３２の推定トルクτeとしてモータモデル８４のトルク入力に入力される。このように、モニタ回路８２はフィードバックループを構成している。モータモデル８４の電圧入力には、第２フィルタ８８を介して、モータ３２に印加される電圧の実測値Ｖmが入力される。言い換えると、モータモデル８４の電圧入力には、モータ３２の電圧実測値Ｖmを第２フィルタ８８でフィルタ処理した値Ｖm’が入力される。第２フィルタ８８は第１フィルタ８６と同じ特性を有するフィルタである。
上記のフィードバックループでは、増幅器２２のゲインＧを十分に大きく設定しておくことで、モータモデル８４の電流出力ｉeがモータ３２の電流実測値ｉmを第１フィルタ８６でフィルタ処理した値ｉm’に収束するように、モータモデル８４の入力トルクτe、すなわち推定トルクτeの大きさが調整される。このような構成とすることによって、モータ３２に電圧Ｖm’が印加されたときに、モータ３２に流れる電流ｉm’を実現するような、モータ３２に作用するトルクτeを推定することができる。
モニタ回路８２は、上述の推定トルクτeとともに、モータモデル８４の回転数出力ωeを、モータ３２の推定回転数ωeとして出力する。
図１０はモータ３２をＰＷＭ制御する場合の、モータ３２を流れる電流ｉと、モータ３２に印加される電圧Ｖの経時的変化を示している。図１０の上側のグラフにおいて、点線は電流実測値ｉmを示しており、実線は電流実測値ｉmを第１フィルタ８６でフィルタ処理した値ｉm’を示している。図１０の下側のグラフにおいて、点線は電圧実測値Ｖmを示しており、実線は電圧実測値Ｖmを第２フィルタ８８でフィルタ処理した値Ｖm’を示している。図１０に示すように、電流実測値ｉmおよび電圧実測値Ｖmは、オンタイムにおいては急激に変動するものの、オフタイムにおいてはほとんど変動しない。このため、ＰＷＭ制御におけるオンデューティが小さい場合、モニタ回路８２のサンプリング周期が十分に短いものでないと、オンタイムにおける電流実測値ｉmおよび電圧実測値Ｖmの変動を正確に把握することができず、モータ３２に作用するトルクτやモータ３２の回転数ωの推定誤差が大きくなる。しかしながら、モニタ回路８２のサンプリング周期を短くするためには、それだけ高性能なＩＣチップを用いなければならず、コストの増大を招いてしまう。そこで、本実施例では、互いに同じ特性を有する第１フィルタ８６と第２フィルタ８８を用いて、電流実測値ｉmおよび電圧実測値Ｖmのフィルタ処理を行い、高周波成分を除去する。これにより、図１０に示すように、電流実測値ｉmおよび電圧実測値Ｖmの変動が緩慢となり、モニタ回路８２のサンプリング周期をそれほど短くしなくとも、モータ３２の挙動を正確に把握することが可能となる。
本実施例によれば、ＤＣモータであるモータ３２をモータ駆動回路３４によって、例えばＰＷＭ制御のように電流を断続的に流して制御する場合に、モータ３２の回転数ωおよびトルクτを精度良く推定することができる。
（実施例５）
本実施例の電動工具２３は、図１に示す実施例１の電動工具２とほぼ同様の構成を備えている。電動工具２３は、実施例１のモニタ回路１４の代わりに、モニタ回路２４を備えている。動力伝達部６にスプリングやエアシリンダなどの要素が含まれている場合は、工具部４に作用するトルクの波形とモータ８に作用するトルクの波形が大きく異なったものとなる。この傾向は、工具部４に衝撃的なトルクが作用する場合に特に顕著である。本実施例のモニタ回路２４は、モータ８に作用するトルクを推定する代わりに、工具部４に作用するトルクを推定する。
図１１に示すように、モニタ回路２４は、モータ８をモデル化したモータモデル１８と、比較器２０と、増幅器２２と、動力伝達部６をモデル化した動力伝達部モデル２６と、電流検出部１５をモデル化した電流検出部モデル２８を備えている。
動力伝達部モデル２６は、動力伝達部６の特性を１入力１出力の伝達関数としてモデル化したものである。動力伝達部モデル２６は、工具部４から動力伝達部６に作用するトルクを入力とし、動力伝達部６からモータ８に作用するトルクを出力としている。動力伝達部モデル２６の特性は、実際の動力伝達部６の入力−出力特性に基づいて、特定することができる。
電流検出部モデル２８は、電流検出部１５の特性を１入力１出力の伝達関数としてモデル化したものである。電流検出部モデル２８は、モータ８を流れる電流を入力とし、電流検出部１５で検出される電流を出力としている。電流検出部モデル２８の特性は、実際の電流検出部１５の入力−出力特性に基づいて、特定することができる。
図１１に示すように、モータモデル１８の電流出力ｉeは、電流検出部モデル２８を介して、比較器２０へ提供される。比較器２０では、モータ８の電流実測値、すなわち電流検出部１５で検出された電流ｉmと電流検出部モデル２８からの電流Ｅｉeの差分Δｉを算出する。算出された差分Δｉは、増幅器２２において所定のゲインＧで増幅された後、工具部４に印加される推定トルクτeとして、動力伝達部モデル２６を介してモータモデル１８のトルク入力に入力される。このように、モニタ回路２４はフィードバックループを構成している。なお、モータモデル１８の電圧入力には、モータ８に印加される電圧の実測値Ｖmが入力される。
図１２はモニタ回路２４を動力伝達部６、モータ８および電流検出部１５と組み合わせた構成のブロック線図を示している。図１２では、実際の動力伝達部６、モータ８、および電流検出部１５を、それぞれ伝達関数Ｔ1、Ｍ1およびＥ1で表現している。また、モニタ回路２４において動力伝達部６、モータ８および電流検出部１５を仮想的に具現化した動力伝達部モデル２６、モータモデル１８、および電流検出部モデル２８を、伝達関数Ｔ2、Ｍ2およびＥ2で示している。図１２に示す制御系における入力τ1（実際の工具部４から動力伝達部６に作用するトルク値）と、出力τ2（モニタ回路２４から出力されるトルク推定値）の関係は以下のようになる。
Figure 0005882919
従って、モニタ回路２４における動力伝達部モデル２６、モータモデル１８および電流検出部モデル２８を、実際の動力伝達部６、モータ８および電流検出部１５と等しい特性となるように設定しておくことで、上式においてＥ1＝Ｅ2＝Ｅ、Ｍ1＝Ｍ2＝Ｍ、Ｔ1＝Ｔ2＝Ｔと置き換えることができ、以下の関係式が得られる。
Figure 0005882919
上記の応答関数は、前向き伝達関数がＧＥＭＴであり、後向き伝達関数が１であるフィードバック制御系と等価なものとなっている。従って、出力τ2は、入力τ1に追従して変動する。増幅器２２のゲインＧを十分に大きくしておくことで、出力τ2は入力τ1に収束する。従って、モニタ回路２４から出力されるトルク推定値τ2から、工具部４から動力伝達部６に作用するトルクτ1、すなわち工具部４に作用するトルクを知ることができる。
なお本実施例では、図１に示す実施例１の電動工具２において、モータ８に作用するトルクを推定する代わりに、工具部４に作用するトルクを推定するように構成を変更した電動工具２３について説明したが、同様の考え方に基づいて、図５に示す実施例２の電動工具６０において、モータ８に作用するトルクを推定する代わりに、工具部４に作用するトルクを推定するように構成を変更することもできるし、図１に示す実施例３の電動工具３０や、実施例４の電動工具８０において、モータ３２に作用するトルクを推定する代わりに、工具部４に作用するトルクを推定するように構成を変更することもできる。
上記の実施例１〜５においては、モータ８は種々のものを用いることができる。例えば、モータ８はＤＣモータの他、ＤＣブラシレスモータでもよいし、直巻整流子モータ、インダクションモータなどであってもよい。
本発明の代表的かつ非限定的な具体例について、図面を参照して詳細に説明した。この詳細な説明は、本発明の好ましい例を実施するための詳細を当業者に示すことを単純に意図しており、本発明の範囲を限定することを意図したものではない。また、開示された追加的な特徴ならびに発明は、さらに改善された装置および電動工具を提供するために、他の特徴や発明とは別に、又は共に用いることができる。
また、上記の詳細な説明で開示された特徴や工程の組み合わせは、最も広い意味において本発明を実施する際に必須のものではなく、特に本発明の代表的な具体例を説明するためにのみ記載されるものである。さらに、上記の代表的な具体例の様々な特徴、ならびに、特許請求の範囲に記載されるものの様々な特徴は、本発明の追加的かつ有用な実施形態を提供するにあたって、ここに記載される具体例のとおりに、あるいは列挙された順番のとおりに組合せなければならないものではない。
本明細書及び／又は特許請求の範囲に記載された全ての特徴は、実施例及び／又は特許請求の範囲に記載された特徴の構成とは別に、出願当初の開示ならびに特許請求の範囲に記載された特定事項に対する限定として、個別に、かつ互いに独立して開示されることを意図するものである。さらに、全ての数値範囲及びグループ又は集団に関する記載は、出願当初の開示ならびに特許請求の範囲に記載された特定事項に対する限定として、それらの中間の構成を開示する意図を持ってなされている。
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

Claims (7)

  1. モータに関連する状態量を推定する装置であって、
    モータの特性を反映したモータモデルであって、モータに関連する第１状態量および第２状態量についての入力と、モータに関連する第３状態量についての出力を少なくとも有するモータモデルと、
    実際のモータにおける第３状態量と、前記モータモデルから出力される第３状態量の間の差分を算出する比較器と、
    前記比較器の出力を所定のゲインで増幅する増幅器を備えており、
    前記実際のモータにおける第１状態量が、前記モータモデルに第１状態量として入力され、
    前記増幅器の出力が、前記モータモデルに第２状態量として入力され、
    前記増幅器の出力を、前記実際のモータにおける第２状態量の推定値とし、
    前記第１状態量がモータに印加される電圧であり、前記第２状態量がモータに作用するトルクであり、前記第３状態量がモータを流れる電流であることを特徴とする装置。
  2. モータに関連する状態量を推定する装置であって、
    モータの特性を反映したモータモデルであって、モータに関連する第１状態量および第２状態量についての入力と、モータに関連する第３状態量および第４状態量についての出力を少なくとも有するモータモデルと、
    実際のモータにおける第３状態量と、前記モータモデルから出力される第３状態量の間の差分を算出する比較器と、
    前記比較器の出力を所定のゲインで増幅する増幅器を備えており、
    前記実際のモータにおける第１状態量が、前記モータモデルに第１状態量として入力され、
    前記増幅器の出力が、前記モータモデルに第２状態量として入力され、
    前記増幅器の出力を、前記実際のモータにおける第２状態量の推定値とし、
    前記モータモデルから出力される第４状態量を、前記実際のモータにおける第４状態量の推定値とし、
    前記第１状態量がモータに印加される電圧であり、前記第２状態量がモータに作用するトルクであり、前記第３状態量がモータを流れる電流であり、前記第４状態量がモータの回転数であることを特徴とする装置。
  3. モータに関連する状態量を推定する装置であって、
    モータの特性を反映したモータモデルであって、モータに関連する第１状態量および第２状態量についての入力と、モータに関連する第３状態量および第４状態量についての出力を少なくとも有するモータモデルと、
    実際のモータにおける第３状態量と、前記モータモデルから出力される第３状態量の間の差分を算出する比較器と、
    前記比較器の出力を所定のゲインで増幅する増幅器を備えており、
    前記実際のモータにおける第１状態量が、前記モータモデルに第１状態量として入力され、
    前記増幅器の出力が、前記モータモデルに第２状態量として入力され、
    前記増幅器の出力を、前記実際のモータにおける第２状態量の推定値とし、
    前記モータモデルから出力される第４状態量を、前記実際のモータにおける第４状態量の推定値とし、
    前記第１状態量がモータに印加される電圧であり、前記第２状態量がモータに作用するトルクであり、前記第３状態量がモータの回転数であり、前記第４状態量がモータを流れる電流であることを特徴とする装置。
  4. 前記モータが、電流を断続的に流して制御されており、
    前記モータモデルが、モータに印加される電圧についての出力をさらに有しており、
    前記実際のモータにおけるモータに印加される電圧と、前記モータモデルから出力されるモータに印加される電圧の間の差分を算出する第２比較器と、
    前記第２比較器の出力を所定のゲインで増幅する第２増幅器をさらに備えており、
    前記増幅器の出力が、前記第２増幅器の出力と加算されてから前記モータモデルにモータに作用するトルクとして入力され、
    前記増幅器の出力に前記第２増幅器の出力を加算した値を、前記実際のモータに作用するトルクの推定値とすることを特徴とする請求項１から３の何れか一項の装置。
  5. 少なくとも高周波成分を除去する第１フィルタと、
    前記第１フィルタと同じ特性を有する第２フィルタをさらに備えており、
    前記モータが、電流を断続的に流して制御されており、
    前記実際のモータにおけるモータを流れる電流が、前記第１フィルタを介して、前記比較器に入力され、
    前記実際のモータにおけるモータに印加される電圧が、前記第２フィルタを介して、前記モータモデルに入力されることを特徴とする請求項１または２の装置。
  6. 前記モータが、工具部と、モータの回転を工具部に伝達する動力伝達部を備える電動工具に搭載されており、
    前記動力伝達部の特性を反映した動力伝達部モデルであって、工具部から動力伝達部に作用するトルクを入力とし、動力伝達部からモータに作用するトルクを出力とする動力伝達部モデルをさらに備えており、
    前記増幅器の出力が、前記動力伝達部モデルを介して前記モータモデルにモータに作用するトルクとして入力され、
    前記増幅器の出力を、前記実際のモータに作用するトルクの推定値とする代わりに、実際の工具部に作用するトルクの推定値とすることを特徴とする請求項１から５の何れか一項の装置。
  7. 請求項１から６の何れか一項の装置を備える電動工具。
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