JPWO2019163320A1 - 電動工具の制御回路 - Google Patents

Abstract

本発明に係る電動工具の制御回路は、永久磁石同期モータと、複数のスイッチング素子と、永久磁石同期モータを駆動するＰＷＭインバータ回路とを備えた電動工具の制御回路であって、制御回路は、ＰＷＭインバータ回路に流れる電流を検出する電流検出手段を備え、永久磁石同期モータの制動時において、永久磁石同期モータ及びＰＷＭインバータ回路の各スイッチング素子に流れる電流を所定の電流制限値に制限する。また同時に、ＰＷＭインバータ回路のローサイドまたはハイサイドのスイッチング素子をスイッチングさせることで、永久磁石同期モータの誘導起電圧を昇圧し、電池に回生する。

Description

本発明は、例えば永久磁石同期モータを用いた電動工具の制御回路及び制御方法、並びに電動工具に関する。

一般にドリルドライバ、インパクト工具等の電動工具は、停止時、制動を行うことで、操作性や応答性の改善を図っている。

その一例として、特許文献１では、三相ブラシレスモータを駆動源とする電動工具において、三相ブラシレスモータの回転を低下若しくは停止させる際には、三相ブラシレスモータの各端子間を短絡することで制動力を発生させる、所謂短絡ブレーキ（短絡制動）が提案されている。

また、特許文献２では、スイッチング素子に並列に設けられたダイオードを介して前記ブレーキ電流を流すことができ、しかも、前記スイッチング素子に流れるブレーキ電流が減少方向にあるタイミングで前記スイッチング素子をオン状態からオフ状態へ切り換えることを特徴とする電動工具の制動装置が提案されている。

特公平６−１０４０００号公報 特許第６１５５１７５号公報

しかしながら、上記の特許文献１及び２の方法では、下記のような問題点があった。
（１）制動時にスイッチング素子に流れる電流が制御できず、素子が壊れる。
（２）制動時に流れる最大電流に合わせて電流定格の大きな素子が必要である。
（３）工具回転時の慣性エネルギーを主にモータ巻線の電気抵抗のみで消費させるため制動に時間が掛かる。また、モータの発熱が大きい。
（４）制動力、制動時間等が制御できない。

本発明の目的は以上の問題点を解決し、従来技術と比較してより安価で信頼性の高い電動工具の制御回路及び制御方法、並びに電動工具を提供することにある。

第１の発明にかかる電動工具の制御回路は、永久磁石同期モータと、複数のスイッチング素子と、前記永久磁石同期モータを駆動するＰＷＭインバータ回路とを備えた電動工具の制御回路であって、
前記制御回路は、
前記ＰＷＭインバータ回路に流れる電流を検出する電流検出手段を備え、
前記永久磁石同期モータの制動時において、前記永久磁石同期モータ及び前記ＰＷＭインバータ回路に流れる電流を所定の電流制限値に制限することを特徴とする。

前記電動工具の制御回路において、前記ＰＷＭインバータ回路は前記永久磁石同期モータと電池との間に設けられ、
前記制御回路は、前記永久磁石同期モータの制動時において、前記ＰＷＭインバータ回路のローサイドまたはハイサイドのスイッチング素子をスイッチングさせることで、前記永久磁石同期モータの誘導起電圧を昇圧し、前記電池に回生することを特徴とする。

また、前記電動工具の制御回路において、前記制御回路は、前記電動工具の動作モードに応じて、前記電流制限値を変化させることを特徴とする。

第２の発明に係る電動工具の制御方法は、
永久磁石同期モータと、複数のスイッチング素子と、前記永久磁石同期モータを駆動するＰＷＭインバータ回路とを備えた電動工具の制御回路により実行される電動工具の制御方法であって、
前記制御回路が、前記ＰＷＭインバータ回路に流れる電流を検出する電流検出ステップと、前記制御回路が、前記永久磁石同期モータの制動時において、前記永久磁石同期モータ及び前記ＰＷＭインバータ回路に流れる電流を所定の電流制限値に制限する電流制限ステップとを含むことを特徴とする。

第３の発明に係る電動工具は、
電池と、永久磁石同期モータと、複数のスイッチング素子と、前記永久磁石同期モータを駆動するＰＷＭインバータ回路を備えた電動工具であって、
前記電動工具の制御回路を備えたことを特徴とする。

従って、本発明に係る電動工具の制御回路及び制御方法等によれば、制動時に素子電流を制限するように制御することで、素子コストの軽減と工具の信頼性向上が図れる。また、慣性エネルギーを充電池５に回生することで、制動時間を短縮できる。加えて、モータの発熱の軽減が図れ、工具の連続使用時間も延ばせる。

本発明の一実施形態にかかる電動工具の構成例を示すブロック図である。 図１のＰＷＭインバータ回路２の詳細構成例１を示すブロック図である。 図１のＰＷＭインバータ回路２の詳細構成例２を示すブロック図である。 図１のモータ制御装置１０による通常動作モード及び制動動作モードにおけるＰＷＭインバータ回路２に対する転流パターン例１を示す表である。 図１のモータ制御装置１０による通常動作モード及び制動動作モードにおけるＰＷＭインバータ回路２に対する転流パターン例２を示す表である。 図１の電動工具のシミュレーション結果であって、（ａ）ゲート制御信号、（ｂ）モータ回転数、（ｃ）モータ電流の検出値Ｉｍｖａｌ及び電池回生電流Ｉｂ、（ｄ）モータ電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗ、並びに（ｅ）電池電圧Ｖｄｃのタイミングチャートである。

図１は本発明の一実施形態にかかる電動工具の構成例を示すブロック図である。図１において、実施形態にかかる電動工具は、例えば永久磁石同期モータであるモータ１と、ＰＷＭインバータ回路２と、ギア３と、チャック４と、充電池５と、キャパシタ６と、モータ制御装置１０とを備えて構成する。ここで、モータ制御装置１０は、電流検出部１１と、電流計算部１２と、過電流検出部５１と、速度制御部５２と、電流制御部５３と、ゲート制御部２０とを備えて構成する。

図２は図１のＰＷＭインバータ回路２の詳細構成例１を示すブロック図である。図２において、ＰＷＭインバータ回路２は、例えば、ＭＯＳＦＥＴ等のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６、６個と、電流検出抵抗７Ａ，７Ｂ，７Ｃ（抵抗値Ｒｘ，Ｒｙ，Ｒｚを有する）３個で構成される。電流検出抵抗７Ａ，７Ｂ，７Ｃの電圧は図１の電流検出部１１に入力され、ＰＷＭインバータ回路各相に流れる電流値に変換される。また、各スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６のゲートには、図１のゲート制御部２０からのゲート制御信号Ｇ１〜Ｇ６が印加される。各スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６に逆並列に接続されているダイオードＤ１〜Ｄ６は各スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６の寄生ダイオード等である。

なお、図２のＰＷＭインバータ回路２の実施形態は所謂３シャントの三相ＰＷＭブリッジであるが、本発明はこれに限らず、図３に示すような電流検出抵抗１個で直流側の電流を検出する１シャントの三相ＰＷＭブリッジのＰＷＭインバータ回路２であっても適用可能である。図３の詳細構成例２においては、電流検出抵抗７Ａに流れる電流のピーク値を検出するとスイッチング素子の素子電流が、電流検出抵抗７Ａに流れる電流の平均値を検出すると電池電流を得ることができる。

本実施形態にかかるモータ制御装置１０では、ＰＷＭインバータ回路２に供給される電流の瞬時電流と所定の計算電流を検出して、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６と回路及び充電池５の保護を行う。具体的には詳細後述する。

図１において、充電池５からのＤＣ電圧はキャパシタ６を介してＰＷＭインバータ回路２に供給される。ＰＷＭインバータ回路２は、供給されるＤＣ電圧を、ゲート制御部２０からの６個のゲート駆動信号Ｇ１〜Ｇ６でＰＷＭ変調し、交流の電圧に変換してモータ１に出力する。ここで、モータ１の回転はギア３を介して電動工具のチャック４に対して伝達される。ゲート制御部２０は、モータ１に設けられたホール素子４１〜４３からのモータ回転位置信号Ｈｕ，Ｈｖ，Ｈｗと、電流制御部５３からのＰＷＭ信号、及び、過電流検出部５１からのゲートブロック信号に基づいて、速度検出値とゲート駆動信号Ｇ１〜Ｇ６を生成する。

電流検出抵抗７Ａ，７Ｂ，７Ｃで検出された電圧は電流検出部１１に出力され、電流検出部１１は当該電圧を、対応する電流値に変換して比較器１３の非反転入力端子及び電流計算部１２に出力する。電流計算部１２では、例えば、ＰＷＭインバータ回路の各相に流れる電流Ｉｘ，Ｉｙ，Ｉｚのピーク値付近を平滑して、減算器２５に出力する。

過電流検出部５１は、比較器１３と、最大電流信号発生器１４とを備えて構成する。比較器１３は、電流検出部１１からの瞬時電流信号と、最大電流信号発生器１４からの最大電流値とを比較し、その比較結果からゲートブロック信号を発生させて、ゲート制御部２０に出力する。ゲート制御部２０は、瞬時電流が最大電流値を超える場合、ＰＷＭインバータ回路２の駆動を直ちに停止させ、スイッチング素子を保護する。

速度制御部５２は、絶対値演算器３０と、速度目標値発生器２１と、減算器２２と、モータ速度に対して比例積分制御を行うＰＩ制御器２３と、電流リミッタ２４とを備えて構成する。絶対値演算器３０は、ゲート制御部２０からの速度検出値の絶対値を演算して減算器２２に出力する。減算器２２は、速度目標値発生器２１からの速度目標値から速度検出値の絶対値を減算し、その減算結果をＰＩ制御器２３に出力する。ＰＩ制御器２３は、入力される減算結果に基づいて、モータ速度に対して比例積分制御を行って、その制御のための電流目標値を、電流リミッタ２４を介して減算器２５に出力する。ここで、電流リミッタ２４は、速度目標値に対応する電流目標値を所定値以内に制限することで、過電流を事前に予防し、回路及び充電池５を保護する。

電流制御部５３は、減算器２５と、ＰＩ制御器２６と、リミッタ２７と、比較器２８と、三角波発生器２９とを備えて構成する。減算器２５は、電流目標値を示す電流目標値信号から電流計算部１２からの平均電流信号を減算することで、減算結果の電流制御値の信号をＰＩ制御器２６に出力する。ＰＩ制御器２６は、電流制御値に対して比例積分制御を行って、その制御信号をリミッタ２７を介して比較器２８の非反転入力端子に出力する。ここで、リミッタ２７は、比較器２８が出力するＰＷＭ信号の振幅値を所定値以内に制御する。比較器２８は、リミッタ２７からの制御信号と、三角波発生器２９からの三角波とを比較することで、モータ１をＰＷＭ変調で駆動するためのＰＷＭ信号を発生してゲート制御部２０に出力する。

ゲート制御部２０は、ホール素子からのモータ回転位置信号と、ＰＷＭ信号、ゲートブロック信号に基づいて、６個のゲート駆動信号Ｇ１〜Ｇ６を発生してＰＷＭインバータ回路２に出力することでＰＷＭインバータ回路２の動作を制御する。

図４は図１のモータ制御装置１０による通常動作モード及び制動動作モードにおけるＰＷＭインバータ回路２に対する転流パターン例１を示す表である。

図４において、通常動作モードにおいては、ゲート制御部２０は、スイッチング素子Ｑ２，Ｑ４，Ｑ６を順次選択的にオンしながら、それに同期して半周期遅れでスイッチング素子Ｑ１，Ｑ３，Ｑ５へのゲート制御信号Ｇ１，Ｇ３，Ｇ５をＰＷＭ変調することで、モータ１を所定の速度で回転させる。

一方、例えばユーザがトリガーレバーを戻す等の操作でモータを通常停止させる場合において、トリガーレバー６０からゲート制御部２０に停止信号が出力される。このとき、ゲート制御部２０は、即座に通常動作モードから制動動作モードに移行し、ハイサイドのスイッチング素子Ｑ１，Ｑ３，Ｑ５をオフ、ローサイドのスイッチング素子Ｑ２，Ｑ４，Ｑ６へのゲート制御信号Ｇ２，Ｇ４，Ｇ６をＰＷＭ変調することで、モータ１を制動させながら所定の速度で減速、停止させる。また同時にモータ１及びスイッチング素子Ｑ２，Ｑ４，Ｑ６に流れる電流を所定の制限値に制限するようにローサイドのスイッチング素子Ｑ２，Ｑ４，Ｑ６へのゲート制御信号Ｇ２，Ｇ４，Ｇ６をＰＷＭ変調することにより、制動時にスイッチング素子に流れる電流を抑制できる。

本実施形態では、ＰＷＭインバータ回路２のローサイドの各スイッチング素子Ｑ２，Ｑ４，Ｑ６の電流を検出して、制動時にモータ１とスイッチング素子Ｑ２，Ｑ４，Ｑ６を流れる電流を所定の制限電流値に制限するように制御する。制動時には、ローサイドの各スイッチング素子Ｑ２，Ｑ４，Ｑ６をスイッチングさせることで、モータ１の誘導起電圧を昇圧し、充電池５に回生する。従って、図４に示すように、電動工具の使用状況に応じて、スイッチング素子の転流パターンを切り替える。
なお、図４に示す転流パターンは１例であり、本発明はこれに限らず、例えば、図５に示す転流パターン例２のように、ローサイドとハイサイドのスイッチング素子の転流パターンを入れ替えて、制動動作モードにローサイドのスイッチング素子をオフし、ハイサイドのスイッチング素子をＰＷＭ制御しても構わない。

図６は図１の電動工具のシミュレーション結果であって、（ａ）ゲート制御信号、（ｂ）モータ回転数、（ｃ）モータ電流の検出値Ｉｍｖａｌ及び電池回生電流Ｉｂ、（ｄ）モータ電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗ、並びに（ｅ）電池電圧Ｖｄｃのタイミングチャートである。図６において、図示の便宜上、波形が複雑に変化する部分をハッチングで表すものとする。

図６から明らかなように、通常動作時に一定回転しているモータ１が制動時は一定速度で減速し停止すること。モータ電流の検出値Ｉｍｖａｌが制動時は所定の電流制限値Ｉｍｒｅｆに制限されること。電池電圧Ｖｄｃが制動時に上昇し、充電池５に回生電流Ｉｂが流れて、慣性エネルギーが回生されていることがわかる。

以上説明したように、本実施形態によれば、以下の特有の効果を有する。
（１）スイッチング素子の電流を制御して制限することで、素子コストの軽減と工具の信頼性向上が図れる。
（２）慣性エネルギーを充電池５に回生することで、制動時間を短縮できる。また、モータ１の発熱の軽減が図れ、さらには工具の連続使用時間も延ばせる。
（３）電流制限値Ｉｍｒｅｆを電動工具の動作状況に応じて変化させることで、工具保護と操作性改善が図れる。

以上の実施形態においては、例えばドリルドライバの回転式電動工具について説明しているが、本発明はこれに限らず、インパクト式電動工具にも適用することができる。

以上の実施形態においては、モータ制御装置１０は、ハードウェアを主体に構成されたものであっても、ソフトウェアを主体に構成されたものであってもよい。

１ モータ
２ ＰＷＭインバータ回路
３ ギア
４ チャック
５ 充電池
６ キャパシタ
７Ａ，７Ｂ，７Ｃ 電流検出抵抗
１０ モータ制御装置
１１ 電流検出部
１２ 電流計算部
１３ 比較器
１４ 最大電流信号発生器
２０ ゲート制御部
２１ 速度目標値発生器
２２ 減算器
２３ ＰＩ制御器
２４ 電流リミッタ
２５ 減算器
２６ ＰＩ制御器
２７ リミッタ
２８ 比較器
２９ 三角波発生器
３０ 絶対値演算器
４１〜４３ ホール素子
５１ 過電流検出部
５２ 速度制御部
５３ 電流制御部
６０ トリガーレバー
Ｄ１〜Ｄ６ 逆流阻止用ダイオード
Ｇ１〜Ｇ６ ゲート制御信号
Ｉｘ，Ｉｙ，Ｉｚ 検出電流値
Ｑ１〜Ｑ６ スイッチング素子

図２は図１のＰＷＭインバータ回路２の詳細構成例１を示すブロック図である。図２において、ＰＷＭインバータ回路２は、例えば、ＭＯＳＦＥＴ等の６個のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６と、３個の電流検出抵抗７Ａ，７Ｂ，７Ｃ（抵抗値Ｒｘ，Ｒｙ，Ｒｚを有する）で構成される。電流検出抵抗７Ａ，７Ｂ，７Ｃの電圧は図１の電流検出部１１に入力され、ＰＷＭインバータ回路２の各相に流れる電流値に変換される。また、各スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６のゲートには、図１のゲート制御部２０からのゲート制御信号Ｇ１〜Ｇ６が印加される。各スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６に逆並列に接続されているダイオードＤ１〜Ｄ６は各スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６の寄生ダイオード等である。

図１において、充電池５からのＤＣ電圧はキャパシタ６を介してＰＷＭインバータ回路２に供給される。ＰＷＭインバータ回路２は、供給されるＤＣ電圧を、ゲート制御部２０からの６個のゲート制御信号Ｇ１〜Ｇ６でＰＷＭ変調し、交流の電圧に変換してモータ１に出力する。ここで、モータ１の回転はギア３を介して電動工具のチャック４に対して伝達される。ゲート制御部２０は、モータ１に設けられたホール素子４１〜４３からのモータ回転位置信号Ｈｕ，Ｈｖ，Ｈｗと、電流制御部５３からのＰＷＭ信号、及び、過電流検出部５１からのゲートブロック信号に基づいて、速度検出値とゲート制御信号Ｇ１〜Ｇ６を生成する。

電流検出抵抗７Ａ，７Ｂ，７Ｃで検出された電圧は電流検出部１１に出力され、電流検出部１１は当該電圧を、対応する電流値Ｉｘ，Ｉｙ，Ｉｚに変換して比較器１３の非反転入力端子及び電流計算部１２に出力する。電流計算部１２では、例えば、ＰＷＭインバータ回路２の各相に流れる電流Ｉｘ，Ｉｙ，Ｉｚのピーク値付近を平滑して、減算器２５に出力する。

過電流検出部５１は、比較器１３と、最大電流信号発生器１４とを備えて構成する。比較器１３は、電流検出部１１からの瞬時電流信号と、最大電流信号発生器１４からの最大電流値とを比較し、その比較結果からゲートブロック信号を発生させて、ゲート制御部２０に出力する。ゲート制御部２０は、瞬時電流が最大電流値を超える場合、ＰＷＭインバータ回路２の駆動を直ちに停止させ、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６を保護する。

ゲート制御部２０は、ホール素子４１〜４３からのモータ回転位置信号と、ＰＷＭ信号、ゲートブロック信号に基づいて、６個のゲート制御信号Ｇ１〜Ｇ６を発生してＰＷＭインバータ回路２に出力することでＰＷＭインバータ回路２の動作を制御する。

一方、例えばユーザがトリガーレバー６０を戻す等の操作でモータ１を通常停止させる場合において、トリガーレバー６０からゲート制御部２０に停止信号が出力される。このとき、ゲート制御部２０は、即座に通常動作モードから制動動作モードに移行し、ハイサイドのスイッチング素子Ｑ１，Ｑ３，Ｑ５をオフ、ローサイドのスイッチング素子Ｑ２，Ｑ４，Ｑ６へのゲート制御信号Ｇ２，Ｇ４，Ｇ６をＰＷＭ変調することで、モータ１を制動させながら所定の速度で減速、停止させる。また同時にモータ１及びスイッチング素子Ｑ２，Ｑ４，Ｑ６に流れる電流を所定の制限値に制限するようにローサイドのスイッチング素子Ｑ２，Ｑ４，Ｑ６へのゲート制御信号Ｇ２，Ｇ４，Ｇ６をＰＷＭ変調することにより、制動時にスイッチング素子Ｑ２，Ｑ４，Ｑ６に流れる電流を抑制できる。

本実施形態では、ＰＷＭインバータ回路２のローサイドの各スイッチング素子Ｑ２，Ｑ４，Ｑ６の電流を検出して、制動時にモータ１とスイッチング素子Ｑ２，Ｑ４，Ｑ６を流れる電流を所定の制限電流値に制限するように制御する。制動時には、ローサイドの各スイッチング素子Ｑ２，Ｑ４，Ｑ６をスイッチングさせることで、モータ１の誘導起電圧を昇圧し、充電池５に回生する。従って、図４に示すように、電動工具の使用状況に応じて、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６の転流パターンを切り替える。
なお、図４に示す転流パターンは１例であり、本発明はこれに限らず、例えば、図５に示す転流パターン例２のように、ローサイドのスイッチング素子Ｑ２，Ｑ４，Ｑ６の転流パターンと、ハイサイドのスイッチング素子Ｑ１，Ｑ３，Ｑ５の転流パターンを入れ替えて、制動動作モードにローサイドのスイッチング素子Ｑ２，Ｑ４，Ｑ６をオフし、ハイサイドのスイッチング素子Ｑ１，Ｑ３，Ｑ５をＰＷＭ制御しても構わない。

図６から明らかなように、通常動作時に一定回転しているモータ１が制動時は一定速度で減速し停止することと、モータ電流の検出値Ｉｍｖａｌが制動時は所定の電流制限値Ｉｍｒｅｆに制限されることと、電池電圧Ｖｄｃが制動時に上昇し、充電池５に回生電流Ｉｂが流れて、慣性エネルギーが回生されていることとがわかる。

以上説明したように、本実施形態によれば、以下の特有の効果を有する。
（１）スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６の電流を制御して制限することで、素子コストの軽減と工具の信頼性向上が図れる。
（２）慣性エネルギーを充電池５に回生することで、制動時間を短縮できる。また、モータ１の発熱の軽減が図れ、さらには工具の連続使用時間も延ばせる。
（３）電流制限値Ｉｍｒｅｆを電動工具の動作状況に応じて変化させることで、工具保護と操作性改善が図れる。

Claims (5)

1. 永久磁石同期モータと、複数のスイッチング素子と、前記永久磁石同期モータを駆動するＰＷＭインバータ回路とを備えた電動工具の制御回路であって、
   前記制御回路は、
   前記ＰＷＭインバータ回路に流れる電流を検出する電流検出手段を備え、
   前記永久磁石同期モータの制動時において、前記永久磁石同期モータ及び前記ＰＷＭインバータ回路に流れる電流を所定の電流制限値に制限することを特徴とする電動工具の制御回路。
2. 前記ＰＷＭインバータ回路は前記永久磁石同期モータと電池との間に設けられ、
   前記制御回路は、前記永久磁石同期モータの制動時において、前記ＰＷＭインバータ回路のローサイドまたはハイサイドのスイッチング素子をスイッチングさせることで、前記永久磁石同期モータの誘導起電圧を昇圧し、前記電池に回生することを特徴とする請求項１記載の電動工具の制御回路。
3. 前記制御回路は、前記電動工具の動作モードに応じて、前記電流制限値を変化させることを特徴とする請求項１又は２記載の電動工具の制御回路。
4. 永久磁石同期モータと、複数のスイッチング素子と、前記永久磁石同期モータを駆動するＰＷＭインバータ回路を備えた電動工具の制御回路により実行される電動工具の制御方法であって、
   前記制御回路が、前記ＰＷＭインバータ回路に流れる電流を検出する電流検出ステップと、
   前記制御回路が、前記永久磁石同期モータの制動時において、前記永久磁石同期モータ及び前記ＰＷＭインバータ回路の各スイッチング素子に流れる電流を所定の電流制限値に制限する電流制限ステップとを含むことを特徴とする電動工具の制御方法。
5. 電池と、永久磁石同期モータと、複数のスイッチング素子と、前記永久磁石同期モータを駆動するＰＷＭインバータ回路とを備えた電動工具であって、
   請求項１〜３のうちのいずれか１つに記載の電動工具の制御回路を備えたことを特徴とする電動工具。

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