WO2023243362A1 - モータ駆動装置及び作業機 - Google Patents

Abstract

センサレス駆動方式において、安定してブラシレスモータを制御することができるモータ駆動装置及び作業機を提供する。制御部４１は、ＰＷＭキャリア信号の周期の１．５倍の周期で重畳電圧を制御指令電圧に重畳するよう構成される。具体的には、制御部４１は、ＰＷＭキャリア信号の所定の下降領域に対応する期間に重畳電圧を制御指令電圧に重畳し、その後に連続して続くＰＷＭキャリア信号の上昇領域及び下降領域に対応する期間には重畳電圧を制御指令電圧に重畳せず、更にその後に連続して続くＰＷＭキャリア信号の上昇領域に対応する期間に重畳電圧を制御指令電圧に重畳する。

Description

モータ駆動装置及び作業機

本発明は、モータ駆動装置及び作業機に関する。

電動工具等の作業機の駆動源として、ブラシレスモータが用いられる。インバータ回路を利用したブラシレスモータの制御方式として、センサレス駆動方式が知られている。

国際公開第２０１６／０６７８１１号

センサレス駆動方式では、一般的に、ステータの巻線に発生する誘起電圧に基づいてロータの回転位置を推定してブラシレスモータを制御する。ブラシレスモータの回転数が低い状態（低回転数域、例えばブラシレスモータの駆動開始時等）では、巻線に発生する誘起電圧が低いため、ロータの回転位置を推定しにくく、低回転数域でのブラシレスモータの制御が不安定になる可能性があった。

本発明の目的は、センサレス駆動方式において、安定してブラシレスモータを制御することができるモータ駆動装置及び作業機を提供することである。

本発明の他の目的は、センサレス駆動方式において、騒音及びトルクリプルの少なくとも一方を低減することができるモータ駆動装置及び作業機を提供することである。

本発明のある態様は、モータ駆動装置である。このモータ駆動装置は、ロータと、複数の巻線を有するステータと、を有するブラシレスモータと、スイッチング素子を有し、前記ブラシレスモータに接続される駆動部と、前記スイッチング素子の制御端子に対して、制御指令電圧及びＰＷＭ指令信号に基づいたＰＷＭ信号を出力する制御部と、を備えたモータ駆動装置であって、前記制御部は、前記ＰＷＭ指令信号の周期の１．５倍の周期で重畳電圧を前記制御指令電圧に重畳するよう構成される、ことを特徴とする。

本発明の別の態様は、作業機である。この作業機は、前記モータ駆動装置と、前記モータ駆動装置に電力を供給する電源部と、前記ブラシレスモータの起動及び停止を指示するスイッチと、を備えることを特徴とする。

本発明の「モータ駆動装置」は「モータ制御装置」等と表現されてもよく、また本発明の「作業機」は「電動作業機」や「電動工具」、「電気機器」等と表現されてもよく、そのように表現されたものも本発明の態様として有効である。

本発明によれば、センサレス駆動方式において、安定してブラシレスモータを制御することができるモータ駆動装置及び作業機を提供することができる。また、センサレス駆動方式において、騒音及びトルクリプルの少なくとも一方を低減することができるモータ駆動装置及び作業機を提供することができる。

本発明の実施の形態に係る作業機１の平面図。 作業機１の側断面図。 図２のモータ６を、ステータコイル３ｈを省略した状態で軸方向から見た図。 モータ６のステータ（固定子）を軸方向から見た図。 作業機１のモータ駆動装置４０の回路ブロック図。 ベクトル制御におけるｄｑ座標系の定義を示す模式図。 ｄｑ座標系における電流ベクトルＩdqの一例とその電流位相角βの説明図。 (Ａ)は、Ｕ、Ｖ、Ｗの各相の電流ベクトルＩu、Ｉv、Ｉwの一例とそれらを合成した電流ベクトルＩuvwを示す図。(Ｂ)は、電流ベクトルＩdq（＝Ｉuvw）及びそのｄ成分とｑ成分である電流ベクトルＩd、Ｉqを示す図。 ベクトル制御におけるスイッチング素子Ｑ１～Ｑ６のオンオフの組合せのパターン１～６及びそれぞれにおける出力電圧ベクトルの説明図。 ベクトル制御におけるスイッチング素子Ｑ１～Ｑ６のオンオフの組合せのパターン７～８及びそれぞれにおける出力電圧ベクトルの説明図。 (Ａ)は、ベクトル制御における目的電圧ベクトル及びその合成方法の一例を示す説明図。(Ｂ)は、当該目的電圧ベクトルを生成するためのスイッチング素子Ｑ１～Ｑ６のオンオフのタイムチャート。 図５の制御部４１の機能ブロック図であって、ＰＷＭ信号の生成、出力に係る部分の機能ブロック図。 ｄｑ座標系における制御指令電圧と重畳電圧の一例を示す図。 ｄｑ座標系における制御指令電圧と重畳電圧の別例を示す図。 重畳電圧が無い場合の定常状態での各信号のタイムチャート。 重畳電圧がある場合の定常状態での各信号のタイムチャート。 重畳電圧がある場合の起動から停止までの各信号のタイムチャート。 (Ａ)は、比較例１の制御におけるＰＷＭキャリア信号、重畳電圧、及び高調波電流のタイムチャート。(Ｂ)は、比較例２の制御におけるＰＷＭキャリア信号、重畳電圧、及び高調波電流のタイムチャート。(Ｃ)は、実施の形態の制御におけるＰＷＭキャリア信号、重畳電圧、及び高調波電流のタイムチャート (Ａ)は、比較例１の制御におけるＵ相の電流波形図。(Ｂ)は、図１９(Ａ)のＢ部拡大図。(Ｃ)は、図１９(Ａ)のＣ部拡大図。 (Ａ)は、実施の形態の制御におけるＵ相の電流波形図。(Ｂ)は、図２０(Ａ)のＢ部拡大図。(Ｃ)は、図２０(Ａ)のＣ部拡大図。 比較例１と実施の形態の高調波電流の波形同士を比較した図。 制御部４１の制御フローチャート。

本実施の形態は、作業機１に関する。図１により、作業機１における互いに直交する前後、上下、左右方向を定義する。作業機１は、電動工具の一例であるＡＣ駆動のグラインダ（ディスクグラインダ）であり、外部の交流電源６０（図５）からの供給電力で動作する。作業機１は、回転具としての砥石２を備え、研削作業や切断作業等に用いられる。作業機１は、ハウジング３と、ギヤケース４と、を備える。

ハウジング３は、全体として略円筒形状を成す例えば樹脂成形体である。ハウジング３の後端部から、交流電源６０（図５）に接続するための電源コード６２が延びる。ギヤケース４は、例えばアルミ合金等の金属製のケース本体１０と、ケース本体１０の開口部を塞ぐパッキングランド１１と、を有する。ケース本体１０は、ハウジング３の前端部に取り付けられる。

作業機１は、ハウジング３の内部に、モータ６及びファン８を備える。ファン８は、モータ６等の冷却用であって、モータ６の出力軸６ａに設けられ、出力軸６ａと一体に回転する。ファン８は、モータ６の前方に位置する。出力軸６ａの前端部に、第１ベベルギヤ２１が設けられる。

ギヤケース４の内部には、２つの軸受（ニードルベアリング１２及びボールベアリング１３）が設けられ、これら軸受によってスピンドル２０が回転自在に保持される。スピンドル２０は、モータ６の出力軸６ａと直交する。スピンドル２０の一端は、パッキングランド１１を貫通して外部に突出する。スピンドル２０の他端は、ギヤケース４内に位置する。

スピンドル２０の他端には第２ベベルギヤ２２が設けられる。第２ベベルギヤ２２は、第１ベベルギヤ２１と噛み合う。モータ６の回転は、第１ベベルギヤ２１及び第２ベベルギヤ２２によって回転方向が９０度変換されるとともに、回転速度が減速されてスピンドル２０に伝達される。すなわち、スピンドル２０はモータ６によって回転駆動される。

砥石２は、ホイルワッシャ及びロックナットによってスピンドル２０に固定され、スピンドル２０と一体的に回転する。ホイルガード１４は、パッキングランド１１に取り付けられて砥石２の約半分を覆い、研削作業時に発生する切削粉や火花等の飛散を防止する。スピンドル２０及び砥石２は、出力部の例示である。

作業機１は、モータ６の起動及び停止をユーザが指示するための操作部としてのスイッチ５を備える。スイッチ５は、ハウジング３の左部側面に露出する。ユーザがスイッチ５を操作すると、交流電源６０（図３）からモータ６に電力が供給され、モータ６の出力軸６ａが回転する。出力軸６ａの回転により、第１ベベルギヤ２１及び第２ベベルギヤ２２によって出力軸６ａに連結されているスピンドル２０が回転し、スピンドル２０に固定されている砥石２が回転する。

作業機１は、ハウジング３内に、基板９を備える。基板９は、モータ６の後方に位置する。基板９は、後述のインバータ回路４２（図５）を成す複数のスイッチング素子１５を搭載する。複数のスイッチング素子１５は、図５に示すスイッチング素子Ｑ１～Ｑ６に対応する。基板９は、図５に示すモータ駆動装置４０のうちモータ６を除く各部材を搭載する。

モータ６は、インナーロータ型のブラシレスモータであり、出力軸６ａの周囲に設けられて出力軸６ａと一体に回転するロータコア６ｂ、ロータコア６ｂに挿入保持された複数のロータマグネット（永久磁石）６ｃ、ロータコア６ｂの外周を囲むように設けられたステータコア６ｅ、及び、ステータコア６ｅに設けられた複数のステータコイル６ｈ（巻線）を含む。ロータコア６ｂとロータマグネット６ｃは、モータ６のロータ（以下「ロータ」）を構成する。ステータコア６ｅとステータコイル６ｈは、モータ６のステータを構成する。モータ６は、ここでは４極６スロット構成であり、ロータマグネット６ｃは４個、ステータコイル６ｈは６個である。

ステータコア６ｅは、図３に示すように、円筒状（環状）のヨーク部６ｆと、ヨーク部６ｆから径方向内側に突出する複数の突極部（ティース部）６ｇと、を含む。各突極部６ｇに、ステータコイル６ｈが設けられる。図４に示すように、ステータコイル６ｈは、Ｕ相コイルＵ１、Ｕ２、Ｖ相コイルＶ１、Ｖ２、及びＷ相コイルＷ１、Ｗ２を有する。ステータコイル６ｈは、モータ６の軸周り方向において、Ｖ相コイルＶ２、Ｕ相コイルＵ１、Ｗ相コイルＷ２、Ｖ相コイルＶ１、Ｕ相コイルＵ２、Ｗ相コイルＷ１の順に設けられている。各相のステータコイル６ｈは、図５に示すようにＹ結線（スター結線）される。

図５は、作業機１のモータ駆動装置４０の回路ブロック図である。図５では、モータ６の各相に２つずつ存在するステータコイル６ｈを簡略的に１つで示している。モータ駆動装置４０は、制御部４１、駆動部としてのインバータ回路４２、電圧検出回路４３、増幅回路４４、及び電源部としての整流回路６１を有する。

整流回路６１は、例えばダイオードブリッジ及び平滑コンデンサを含み、交流電源６０から供給される交流を直流に変換する。電圧検出回路４３は、整流回路６１の出力電圧（インバータ回路４２の入力側の電圧）を検出し、制御部４１に送信する。インバータ回路４２は、整流回路６１の出力する直流電力を、モータ６の駆動電力に変換し、モータ６に供給する（ステータコイル６ｈに駆動信号を出力する）。インバータ回路４２は、三相ブリッジ接続されたスイッチング素子Ｑ１～Ｑ６を含む。スイッチング素子Ｑ１～Ｑ３は上側スイッチング素子であり、スイッチング素子Ｑ４～Ｑ６は下側スイッチング素子である。

スイッチング素子Ｑ１、Ｑ４は、Ｕ相コイルの一端に接続される。スイッチング素子Ｑ１はＵ相上側スイッチング素子であり、スイッチング素子Ｑ４はＵ相下側スイッチング素子である。スイッチング素子Ｑ２、Ｑ５は、Ｖ相コイルの一端に接続される。スイッチング素子Ｑ２はＶ相上側スイッチング素子であり、スイッチング素子Ｑ５はＶ相下側スイッチング素子である。スイッチング素子Ｑ３、Ｑ６は、Ｗ相コイルの一端に接続される。スイッチング素子Ｑ３はＷ相上側スイッチング素子であり、スイッチング素子Ｑ６はＷ相下側スイッチング素子である。

シャント抵抗Ｒｕ、Ｒｖ、Ｒｗは、電流検出部の例示であり、それぞれＵ、Ｖ、Ｗの各相のステータコイル６ｈに流れる電流（各相の電流）の経路の低電位側に設けられ、各相の電流を電圧に変換する（各相の電流を検出する）。増幅回路４４は、シャント抵抗Ｒｕ、Ｒｖ、Ｒｗの各両端の電圧を増幅し、Ｕ、Ｖ、Ｗの各相の電流検出信号として制御部４１に送信する。

制御部４１は、例えばマイクロコントローラやドライバＩＣを含み、ユーザによるスイッチ５の操作に応じて、整流回路６１の出力電圧及び各相の電流を監視しながら、インバータ回路４２の制御、すなわちスイッチング素子Ｑ１～Ｑ６のオンオフの制御を通じて、モータ６の駆動を制御する。

制御部４１は、ロータの回転位置（以下「ロータ位置」）及びロータの角速度（以下「ロータ角速度」）を、インバータ回路４２の入力側の電圧と各相の電流に基づき、センサレスで検出する。制御部４１は、ロータ角速度により、モータ６の回転数（以下「モータ回転数」）を特定できる。

制御部４１によるモータ６の駆動制御は、例えばベクトル制御である。ベクトル制御は、空間ベクトルパルス幅変調（ＳＶＰＷＭ：Space Vector Pulse Width Modulation）とも呼ばれる。

図６は、ベクトル制御におけるｄｑ座標系の定義を示す模式図である。図７は、ｄｑ座標系における電流ベクトルＩdqの一例とその電流位相角βの説明図である。なお、ベクトル制御の説明には電気角を用いる。モータ６は４極６スロット構成のため、モータ６の機械角１８０度は電気角３６０度に対応する。図６では、モータ６の機械角１８０度分の構成を３６０度に展開した模式図で示している。図６におけるモータ６の１周（電気角３６０度分の回転）は、モータ６の機械的な半周（機械角１８０度）に対応する。

モータ６は、ロータマグネット６ｃが作る磁束の方向をｄ軸、それと磁気的に直交する方向をｑ軸としたｄｑ座標系（図６）における、電流ベクトルＩdqの方向（図７に示す電流位相角β）によって、トルクや回転数の特性が変化する。トルクや回転数の特性が適切になるように電流ベクトルＩdqを制御することができれば、モータ６を高効率で駆動することが可能となる。ベクトル制御は、電流ベクトルＩdqを制御することである。

ｄｑ座標系における電流ベクトルＩdqは、図８(Ａ)に示す、インバータ回路４２のＵ、Ｖ、Ｗの各相のステータコイル６ｈの中心軸（ｕ軸、ｖ軸、ｗ軸）を三軸とするｕｖｗ座標系上で各相の電流ベクトルＩu、Ｉv、Ｉwを合成した電流ベクトルＩuvwを、図８(Ｂ)に示すようにｄｑ座標系へ変換した電流ベクトルを指す。このため、ベクトル制御を行うためには、Ｕ、Ｖ、Ｗの各相の電流の制御が必要である。Ｕ、Ｖ、Ｗの各相の電流を制御するには、ｕｖｗ座標系上で任意方向の電圧ベクトルをモータ６（ステータコイル６ｈ）に印加できるように、インバータ回路４２（スイッチング素子Ｑ１～Ｑ６）のスイッチング制御を行う必要がある。

インバータ回路４２の通電パターンには、図９(Ａ)～(Ｆ)及び図１０(Ａ)～(Ｂ)に示すように、Ｕ、Ｖ、Ｗの各相の上側（ハイサイド）、下側（ローサイド）のどちらのスイッチング素子を通電させるかによって、８つの通電パターンが存在する。図９(Ａ),(Ｂ)では、最終的な電圧ベクトルの元になった各相の電圧成分を併せて示している。

図９(Ａ)に示す通電パターン１では、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ５、Ｑ６がオンで、それ以外はオフである。この場合、各相の電圧ベクトルを合成するとＵ軸のプラス方向（Ｕ方向）を向いた電圧ベクトルが得られる。

図９(Ｂ)に示す通電パターン２では、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２、Ｑ６がオンで、それ以外はオフである。この場合、各相の電圧ベクトルを合成するとＷ軸のマイナス方向（Ｗ－方向）を向いた電圧ベクトルが得られる。

図９(Ｃ)に示す通電パターン３では、スイッチング素子Ｑ２、Ｑ４、Ｑ６がオンで、それ以外はオフである。この場合、各相の電圧ベクトルを合成するとＶ軸のプラス方向（Ｖ方向）を向いた電圧ベクトルが得られる。

図９(Ｄ)に示す通電パターン４では、スイッチング素子Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４がオンで、それ以外はオフである。この場合、各相の電圧ベクトルを合成するとＵ軸のマイナス方向（Ｕ－方向）を向いた電圧ベクトルが得られる。

図９(Ｅ)に示す通電パターン５では、スイッチング素子Ｑ３、Ｑ４、Ｑ５がオンで、それ以外はオフである。この場合、各相の電圧ベクトルを合成するとＷ軸のプラス方向（Ｗ方向）を向いた電圧ベクトルが得られる。

図９(Ｆ)に示す通電パターン６では、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ３、Ｑ５がオンで、それ以外はオフである。この場合、各相の電圧ベクトルを合成するとＶ軸のマイナス方向（Ｖ－方向）を向いた電圧ベクトルが得られる。

このように、通電パターン１～６では、６０度間隔で向きが異なる電圧ベクトルがモータ６（ステータコイル６ｈ）に印加される。

図１０(Ａ)に示す通電パターン７では、下側のスイッチング素子Ｑ４、Ｑ５、Ｑ６がオンで、それ以外はオフである。図１０(Ｂ)に示す通電パターン８では、上側のスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３がオンで、それ以外はオフである。通電パターン７、８では、０ベクトルがモータ６（ステータコイル６ｈ）に印加される。通電パターン７、８の一方が第１状態、他方が第２状態に対応する。

以下、通電パターン１～８の各々による電圧ベクトルを「基底ベクトル」と呼ぶ。単一の通電パターンで印加できる電圧ベクトルは基底ベクトルの方向に限られるため、任意方向の電圧ベクトルを印加するには、２つ以上の基底ベクトルを合成して出力する必要がある。

図１１(Ａ)は、基底ベクトルの合成による目的電圧ベクトルの生成方法の一例を示す。この例では、目的電圧ベクトルは、Ｕ方向の基底ベクトル（通電パターン１）、Ｗ－方向の基底ベクトル（通電パターン２）、及び０ベクトルの基底ベクトル（通電パターン７、８）に分解できる。このため、インバータ回路４２の通電パターン１、２、７、８を、それぞれの基底ベクトルの長さの割合に応じた時間（ｔ１、ｔ２、ｔ７、ｔ８）だけ持続すれば、目的電圧ベクトルを出力することができる。０ベクトルの基底ベクトルは、電圧ベクトルの絶対値（長さ）の調整のために必要となる。

図１１(Ｂ)は、図１１(Ａ)に示す目的電圧ベクトルを生成するためのスイッチング素子Ｑ１～Ｑ６のオンオフのタイムチャートである。

ベクトル制御においては、図１１(Ｂ)の左端の時点（すなわち１回目の通電パターン７の時点）において、Ｕ、Ｖ、Ｗの各相の電流を検出してロータ位置及びロータ角速度を特定する。そして特定されたロータ位置及びロータ角速度に応じて、モータ６（ステータコイル６ｈ）に印加すべき電圧ベクトルを設定する。電圧ベクトルは、Ｕ、Ｖ、Ｗの各相に印加される電圧をそれぞれパルス幅変調（ＰＷＭ：Pulse Width Modulation）することにより設定される。

そして図１１(Ｂ)の右端の時点（すなわち２回目の通電パターン７の時点）において、再びＵ、Ｖ、Ｗの各相の電流を検出してロータ位置及びロータ角速度を特定し、特定されたロータ位置及びロータ角速度に応じて、モータ６（ステータコイル６ｈ）に印加すべき電圧ベクトルを設定しなおす。

よって、図１１(Ｂ)の左端の時点から図１１(Ｂ)の右端の時点までがパルス幅変調（ＰＷＭ）の１周期であり、空間ベクトルパルス幅変調（ＳＶＰＷＭ）の１周期となる。Ｕ、Ｖ、Ｗの各相をＰＷＭで駆動する場合、図１１(Ｂ)のようにＰＷＭの１周期内の各通電パターンの時間の比率がｔ１：ｔ２：ｔ７：ｔ８となるように各相のデューティ比（スイッチング素子Ｑ１～Ｑ６の各制御端子に印加するＰＷＭ信号のデューティ比）を設定すれば、図１１(Ａ)に示す目的電圧ベクトルを出力できる。ＳＶＰＷＭでは、このようにして任意の目的電圧ベクトルを出力する。

モータ駆動装置４０はセンサレス駆動方式でモータ６を駆動する。すなわち制御部４１は、前述のように、ロータ位置及びロータ角速度を、インバータ回路４２の入力側の電圧と各相の電流に基づき、センサレスで検出する。ここで、モータ６の回転数が低い低回転数域では、ステータコイル６ｈに発生する誘起電圧が低いため、ロータ位置を推定しにくい。この対策として、ｄｑ座標系で制御指令電圧に高周波で重畳電圧を重畳し、その電流応答からロータ位置を推定することが有効である。

しかし、重畳電圧は、騒音やトルクリプルの原因となる。騒音やトルクリプルは、重畳の周波数が高いほど低減される一方、ステータコイル６ｈのインダクタンスが低いほど増大する傾向がある。ステータコイル６ｈのインダクタンスは、作業機１の設計上、低くすることを要する場合が多い。このため、重畳の周波数はできるだけ高いことが望ましい。一方、制御部４１を構成するマイクロコントローラの小型化や低コスト化の観点から、各相の電流検出のタイミングは限られる。

こうした状況のもと、本実施の形態では、ＰＷＭキャリア信号（ＰＷＭ指令信号）の周期の１．５倍の周期（ＰＷＭキャリア信号の周波数の３分の２倍の周波数）で重畳電圧を制御指令電圧に重畳する構成とする。以下、詳細に説明する。

図１２は、図５の制御部４１の機能ブロック図であり、ＰＷＭ信号の出力、生成に係る部分の機能ブロック図である。制御部４１は、キャリア信号生成器５０、制御指令電圧演算部５１、重畳電圧演算部５２、基準信号演算部５３、uvw/dq変換部５４、比較器５５、ＰＷＭ信号出力部５６を含む。

キャリア信号生成器５０は、ＰＷＭキャリア信号を生成する。制御指令電圧演算部５１は、ｄｑ座標系における制御指令電圧を演算する。図１１(Ａ)に示した目的電圧ベクトルは、制御指令電圧の一例である。重畳電圧演算部５２は、キャリア信号生成器５０からの周期信号に応じてｄｑ座標系における重畳電圧を演算する。基準信号演算部５３は、制御指令電圧と重畳電圧をｄｑ座標系で加算する。

uvw/dq変換部５４は、ｄｑ座標系における制御指令電圧と重畳電圧の加算結果をｕｖｗ座標系に変換し、Ｕ相基準信号、Ｖ相基準信号、Ｗ相基準信号を出力する。比較器５５は、Ｕ相基準信号、Ｖ相基準信号、Ｗ相基準信号の各々をＰＷＭキャリア信号比較し、Ｕ相出力基準信号、Ｖ相出力基準信号、Ｗ相出力基準信号を出力する。ＰＷＭ信号出力部５６は、Ｕ相出力基準信号、Ｖ相出力基準信号、Ｗ相出力基準信号を基に、スイッチング素子Ｑ１～Ｑ６の各々の制御端子にＰＷＭ信号を出力（印加）する。

図１３、図１４は、それぞれｄｑ座標系における制御指令電圧と重畳電圧の例を示す。制御指令電圧と重畳電圧は、共にｄｑ座標系での電圧ベクトルであり、互いに同方向である。Ｕ相成分に着目すると、図１３の例では重畳電圧はＵ相の＋方向に重畳され、図１４の例では重畳電圧はＵ相の＋方向に重畳される。

図１５は、重畳電圧が無い場合の定常状態での各信号のタイムチャートである。図１６は、重畳電圧がある場合の定常状態での各信号のタイムチャートである。図１５及び図１６では図示を省略するが、Ｖ相、Ｗ相の信号は、Ｕ相の信号の位相を電気角でそれぞれ１２０度、２４０度シフトしたものとなる。

ＰＷＭキャリア信号は、徐々に上昇する上昇領域と、上昇領域と連続し徐々に下降する下降領域と、を連続して繰り返す三角波である。上昇領域とそれに続く下降領域との合計期間が、ＰＷＭキャリア信号の１周期、すなわちＳＶＰＷＭの１周期を構成する。各周期の最初、すなわちＰＷＭキャリア信号の谷の部分が、Ｕ、Ｖ、Ｗの各相の電流サンプリング（電流検出）のタイミングとなる。ＰＷＭキャリア信号の周波数（以下「キャリア周波数」）は好ましくは20kHz以下である。

図１５の場合、Ｕ相基準信号は、モータ回転数に応じた周波数の正弦波である。図１６の場合、Ｕ相基準信号は、Ｕ相基本波に重畳電圧を加算したものである。Ｕ相基本波は、重畳電圧が無い場合のＵ相基準信号、すなわち図１５のＵ相基準信号に対応し、制御指令電圧のＵ相成分に対応する。

Ｕ相出力基準信号は、ＰＷＭキャリア信号がＵ相基準信号よりも大きいときにハイレベル、小さいときにローレベルとなる二値信号である。Ｕ相ハイサイド信号は、スイッチング素子Ｑ１の制御端子に印加するＰＷＭ信号であり、Ｕ相出力基準信号と同様にレベル遷移する信号である。Ｕ相ローサイド信号は、スイッチング素子Ｑ４の制御端子に印加するＰＷＭ信号であり、Ｕ相出力基準信号の反転信号と同様にレベル遷移する信号である。

図１６に示す重畳電圧は、ＰＷＭキャリア信号の周期（以下「キャリア周期」）の１．５倍の周期の電圧信号である。前述のように重畳電圧はベクトル値であるが、ここでは向きは考慮せず、重畳する期間をハイレベル、重畳しない期間をローレベルで示している。

制御部４１は、キャリア周期の１．５倍の周期で重畳電圧を制御指令電圧に重畳するよう構成される。ＰＷＭキャリア信号の連続する上昇領域、下降領域、上昇領域の３領域の合計期間（例えば図１６の期間Ａ）と、その後に続くＰＷＭキャリア信号の連続する下降領域、上昇領域、下降領域の３領域の合計期間（例えば図１６の期間Ｂ）と、の各々が、キャリア周期の１．５倍の周期（以下「重畳周期」）を構成する。

制御部４１は、重畳周期を構成する３領域のうち１つの領域に対応する期間に重畳電圧を制御指令電圧に重畳し、重畳周期を構成する３領域のうち他の２つの領域に対応する期間には重畳電圧を制御指令電圧に重畳しない、よう構成される。

制御部４１は、ＰＷＭキャリア信号の所定の下降領域に対応する期間（例えば図１６の期間Ｄ）に重畳電圧を制御指令電圧に重畳し、その後に連続して続くＰＷＭキャリア信号の上昇領域及び下降領域に対応する期間（例えば図１６の期間Ｅ、Ｆ）には重畳電圧を制御指令電圧に重畳せず、更にその後に連続して続くＰＷＭキャリア信号の上昇領域（例えば図１６の期間Ｇ）に対応する期間に重畳電圧を制御指令電圧に重畳し、更にその後に連続して続くＰＷＭキャリア信号の下降領域及び上昇領域（例えば図１６の期間Ｈ、Ｉ）に対応する期間には重畳電圧を制御指令電圧に重畳しない、よう構成される。

制御部４１は、ＰＷＭキャリア信号の所定の連続する上昇領域及び下降領域の一方の領域に対応する期間（例えば図１６の期間Ｄ）に重畳電圧を制御指令電圧に重畳し、他方の領域に対応する期間（例えば図１６の期間Ｃ）には重畳電圧を制御指令電圧に重畳せず、その後に連続して続くＰＷＭキャリア信号の上昇領域及び下降領域に対応する期間（例えば図１６の期間Ｅ、Ｆ）には重畳電圧を制御指令電圧に重畳せず、更にその後に連続して続くＰＷＭキャリア信号の上昇領域及び下降領域の一方の領域に対応する期間（例えば図１６の期間Ｈ）には重畳電圧を制御指令電圧に重畳せず、他方の領域に対応する期間（例えば図１６の期間Ｇ）に重畳電圧を制御指令電圧に重畳する、よう構成される。

図１７は、重畳電圧がある場合の起動から停止までの各信号のタイムチャートである。

時刻ｔ１以前は、スイッチ５がオフであり、モータ６は停止状態である。このため、スイッチング素子Ｑ１～Ｑ６の制御端子へのＰＷＭ信号の印加は無く、重畳電圧の重畳も無い。

時刻ｔ１においてスイッチ５オンとなり、その後の時刻ｔ２までの期間は、モータ回転数が低い低速期間である。前述のように低速期間は、ステータコイル６ｈに発生する誘起電圧が低くロータ位置を推定しにくいため、重畳電圧をＵ相基本波に重畳する。

時刻ｔ２～ｔ３の期間は、モータ回転数が高い高速期間である。高速期間は、ステータコイル６ｈに発生する誘起電圧が高くロータ位置を推定しやすいため、重畳電圧をＵ相基本波に重畳しない。これにより不要な騒音やトルクリプルの発生を抑制する。

時刻ｔ３においてスイッチがオフとなり、その後はモータ６は停止状態となる。このため、スイッチング素子Ｑ１～Ｑ６の制御端子へのＰＷＭ信号の印加は無く、重畳電圧の重畳も無い。

図１８(Ａ)～(Ｃ)は、比較例１の制御、比較例２の制御、及び本実施の形態の制御の各々におけるＰＷＭキャリア信号、重畳電圧、及び高調波電流のタイムチャートである。高調波電流は、各相の電流のうち重畳電圧の印加によって生じる高調波成分（高周波成分）を抜き出したものである。

図１８(Ａ)に示す比較例１では、キャリア周期の２倍の周期（キャリア周波数の２分の１倍の周波数）で重畳電圧を制御指令電圧に重畳する。このため、高調波電流の周波数はキャリア周波数の２分の１となる。ＰＷＭキャリア信号の谷の部分でＵ、Ｖ、Ｗの各相の電流をサンプリングすれば、高調波電流の山と谷を検出できる。

図１８(Ｂ)に示す比較例２では、キャリア周期と同周期（ＰＷＭキャリア信号と同周波数）で重畳電圧を制御指令電圧に重畳する。このため、高調波電流の周波数はキャリア周波数と同じになる。しかし、ＰＷＭキャリア信号の谷の部分でＵ、Ｖ、Ｗの各相の電流をサンプリングしただけでは、高調波電流の山しか検出できず、実質的に高調波電流を検出できない。ＰＷＭキャリア信号の山の部分でもＵ、Ｖ、Ｗの各相の電流をサンプリングすれば高調波電流の山と谷を検出できるようになるが、制御部４１の大型化やコストアップ、電流検出用のシャント抵抗の追加等が必要となる。

図１８(Ｃ)に示す本実施の形態では、前述のとおりキャリア周期の１．５倍の周期（キャリア周波数の３分の２倍の周波数）で重畳電圧を制御指令電圧に重畳する。このため、高調波電流の周波数はキャリア周波数の３分の２倍となる。ＰＷＭキャリア信号の谷の部分でＵ、Ｖ、Ｗの各相の電流をサンプリングすれば、高調波電流の山、谷（及び山と谷の中間）を検出できる。

図１９(Ａ)～(Ｃ)は比較例１の制御におけるＵ相の電流波形を示し、図２０(Ａ)～(Ｃ)は本実施の形態の制御におけるＵ相の電流波形を示す。比較例１及び本実施の形態のいずれにおいても、Ｕ相の電流波形は、振幅の大きい正弦波状の低周波の電流波形（制御指令電圧に応じた電流波形）に、振幅の小さい三角波状の高周波の電流波形（重畳電圧に応じた電流波形）を重畳したものとなっている。一方、図２１での比較から明らかなように、本実施の形態の高調波電流のほうが比較例１の高調波電流よりも周波数が高く、具体的には周波数が３分の４倍となる（約３３％高くなる）。

図２２は、制御部４１の制御フローチャートである。図２２において、制御部４１の制御を、ＰＷＭ信号の演算に係る制御演算部の制御（左側）と、ＰＷＭ信号の出力に係るＰＷＭ出力制御部の制御（右側）と、に分けて示している。

制御演算部は、起動すると初期化処理を行う（Ｓ１）。制御演算部は、スイッチ５がオフの場合（Ｓ３のＮｏ）、ＰＷＭ出力制御部に出力停止指令を出し、スイッチ５がオンになるまで待機する。

制御演算部は、スイッチ５がオンの場合（Ｓ３のＹｅｓ）、各相の電流をサンプリングし（Ｓ５）、ロータ位置及びモータ回転数をセンサレスで推定演算し（Ｓ７）、例えば回転数ＰＩ制御によりｄｑ座標系での目標となる電流ベクトルを計算する（Ｓ９）。制御演算部は、計算した電流ベクトルに応じた制御指令電圧を例えば電流ＰＩ制御により計算する（Ｓ１１）。一方、制御演算部は、ＰＷＭ出力制御部からのキャリア周期情報を基に重畳電圧を生成する（Ｓ１３）。

制御演算部は、ｄｑ座標系において制御指令電圧と重畳電圧を加算し（Ｓ１５）、それをｕｖｗ座標系に変換する（Ｕ相基準信号、Ｖ相基準信号、Ｗ相基準信号を導出する）（Ｓ１７）。制御演算部は、変換結果から特定される各相のデューティ設定情報（各相のデューティ比を指定する信号）をＰＷＭ出力制御部に送信する（Ｓ１９）。

ＰＷＭ出力制御部は、出力初期設定を行い、各相のハイサイド側（スイッチング素子Ｑ１～Ｑ３）をオフ（ローレベル）、各相のローサイド側（スイッチング素子Ｑ４～Ｑ６）をオン（ハイレベル）とする（Ｓ２１）。ＰＷＭ信号の出力の制御は相ごとに行うが、相によって後述の基準カウント（デューティ比に対応）が異なることを除けば制御内容は各相で共通なので、以下ではＵ相についてのみ説明する。

ＰＷＭ出力制御部は、ＰＷＭキャリア信号をカウントアップする（Ｓ２３）。ＰＷＭ出力制御部は、キャリア信号のカウント値がデューティ設定情報に応じた基準カウントを超えていない場合（Ｓ２５のＮｏ）、Ｓ２３に戻る。ＰＷＭ出力制御部は、キャリア信号のカウント値が基準カウントを超えると（Ｓ２５のＹｅｓ）、出力設定を切り替え、ハイサイド側（スイッチング素子Ｑ１）をオン（ハイレベル）、ローサイド側（スイッチング素子Ｑ４）をオフ（ローレベル）とする（Ｓ２７）。

ＰＷＭ出力制御部は、キャリア信号のカウント値が半周期カウントに到達していない場合（Ｓ２９のＮｏ）、Ｓ２３に戻る。ＰＷＭ出力制御部は、キャリア信号のカウント値が半周期カウントに到達すると（Ｓ２９のＹｅｓ）、ＰＷＭキャリア信号をカウントダウンする（Ｓ３１）。ＰＷＭ出力制御部は、キャリア信号のカウント値が基準カウント以上の場合（Ｓ３３のＮｏ）、Ｓ３１に戻る。ＰＷＭ出力制御部は、キャリア信号のカウント値が基準カウント未満になると（Ｓ３３のＹｅｓ）、出力設定を切り替え、ハイサイド側（スイッチング素子Ｑ１）をオフ（ローレベル）、ローサイド側（スイッチング素子Ｑ４）をオン（ハイレベル）とする（Ｓ３５）。

ＰＷＭ出力制御部は、キャリア信号のカウント値が０に到達していない場合（Ｓ３７のＮｏ）、Ｓ３１に戻る。ＰＷＭ出力制御部は、キャリア信号のカウント値が０に到達すると（Ｓ３７のＹｅｓ）、ＰＷＭキャリア信号の１周期が経過したことを示すキャリア周期情報を制御演算部に送信し、Ｓ２３に戻る。

本実施の形態によれば、下記の効果を奏することができる。

(1) 制御部４１は、キャリア周期の１．５倍の周期（キャリア周波数の３分の２倍の周波数）で重畳電圧を制御指令電圧に重畳するよう構成される。具体的には、制御部４１は、ＰＷＭキャリア信号の所定の下降領域に対応する期間に重畳電圧を制御指令電圧に重畳し、その後に連続して続くＰＷＭキャリア信号の上昇領域及び下降領域に対応する期間には重畳電圧を制御指令電圧に重畳せず、更にその後に連続して続くＰＷＭキャリア信号の上昇領域に対応する期間に重畳電圧を制御指令電圧に重畳する。このため、モータ６の回転数が低い低回転数域でも、重畳電圧に対する電流応答を基にロータ位置を好適に推定できる。また、制御部４１の大型化やコストアップ、電流検出用のシャント抵抗の追加等によらず、重畳電圧に起因する騒音やトルクリプルを抑制できる。

(2) キャリア周波数が20kHz以下のため、20kHzを超えてキャリア周波数を高める場合と比較して、コスト及びスイッチングロスを抑制できる。

以上、実施の形態を例に本発明を説明したが、実施の形態の各構成要素や各処理プロセスには請求項に記載の範囲で種々の変形が可能であることは当業者に理解されるところである。以下、変形例について触れる。

ステータコイル６ｈの結線方式は、Ｙ結線に替えて、デルタ結線としてもよい。デルタ結線の場合、Ｙ結線と比較して、図９(Ａ)～(Ｆ)及び図１０(Ａ)～(Ｂ)に示す各通電パターンによって生成される出力電圧ベクトルの方向が変わり、同じ出力電圧ベクトルを生成するための通電パターンの組み合わせは変わるが、同様の効果が得られる。

モータ６のロータの極数とステータのスロット数、すなわちロータマグネット６ｃの数とステータコイル６ｈの数は任意である。例えば、モータ６は、２極３スロット構成でもよい。シャント抵抗Ｒｕ、Ｒｖ、Ｒｗは、各相の電流経路の高電位側に設けてもよい。この場合、各相の電流は、図１０(Ｂ)に示す通電パターン８でスイッチング素子Ｑ１～Ｑ６を制御しているときに検出するとよい。

１…作業機、２…砥石（回転具）、３…ハウジング、４…ギヤケース、５…スイッチ（操作部）、６…モータ（ブラシレスモータ）、６ａ…出力軸、６ｂ…ロータコア、６ｃ…ロータマグネット、６ｅ…ステータコア、６ｈ…ステータコイル、６ｆ…ヨーク部、６ｇ…突極部（ティース部）、８…ファン、９…基板、１０…ケース本体、１１…パッキングランド、１２…ニードルベアリング、１３…ボールベアリング、１４…ホイルガード、１５…スイッチング素子、２０…スピンドル、２１…第１のベベルギヤ、２２…第２のベベルギヤ、４０…モータ駆動装置、４１…制御部（マイコン）、４２…インバータ回路（駆動回路）、４３…電圧検出回路、４４…増幅回路、５０…キャリア信号生成器、５１…制御指令電圧演算部、５２…重畳電圧演算部、５３…基準信号演算部、５４…変換部、５５…比較器、５６…ＰＷＭ信号出力部、６０…交流電源、６１…ダイオードブリッジ（全波整流回路）、６２…電源コード、Ｑ１～Ｑ６…スイッチング素子、Ｒｕ、Ｒｖ、Ｒｗ…シャント抵抗（電流検出部）。

Claims (9)

1. ロータと、複数の巻線を有するステータと、を有するブラシレスモータと、
   スイッチング素子を有し、前記ブラシレスモータに接続される駆動部と、
   前記スイッチング素子の制御端子に対して、制御指令電圧及びＰＷＭ指令信号に基づいたＰＷＭ信号を出力する制御部と、
   を備えたモータ駆動装置であって、
   前記制御部は、前記ＰＷＭ指令信号の周期の１．５倍の周期で重畳電圧を前記制御指令電圧に重畳するよう構成される、
   ことを特徴とするモータ駆動装置。
2. 請求項１に記載のモータ駆動装置であって、
   前記ＰＷＭ指令信号は、徐々に上昇する上昇領域と、前記上昇領域と連続し徐々に下降する下降領域と、を連続して繰り返す三角波であり、
   前記ＰＷＭ指令信号の連続する上昇領域、下降領域、上昇領域の３領域の合計期間と、その後に続く前記ＰＷＭ指令信号の連続する下降領域、上昇領域、下降領域の３領域の合計期間と、の各々が、前記ＰＷＭ指令信号の周期の前記１．５倍の周期を構成する、
   ことを特徴とするモータ駆動装置。
3. 請求項２に記載のモータ駆動装置であって、
   前記制御部は、
   前記ＰＷＭ指令信号の周期の前記１．５倍の周期を構成する３領域のうち１つの領域に対応する期間に前記重畳電圧を前記制御指令電圧に重畳し、
   前記ＰＷＭ指令信号の周期の前記１．５倍の周期を構成する３領域のうち他の２つの領域に対応する期間には前記重畳電圧を前記制御指令電圧に重畳しない、よう構成される、
   ことを特徴とするモータ駆動装置。
4. 請求項１に記載のモータ駆動装置であって、
   前記ＰＷＭ指令信号は、徐々に上昇する上昇領域と、前記上昇領域と連続し徐々に下降する下降領域と、を連続して繰り返す三角波であり、
   前記制御部は、
   前記ＰＷＭ指令信号の所定の下降領域に対応する期間に前記重畳電圧を前記制御指令電圧に重畳し、
   その後に連続して続く前記ＰＷＭ指令信号の上昇領域及び下降領域に対応する期間には前記重畳電圧を前記制御指令電圧に重畳せず、
   更にその後に連続して続く前記ＰＷＭ指令信号の上昇領域に対応する期間に前記重畳電圧を前記制御指令電圧に重畳する、よう構成される、
   ことを特徴とするモータ駆動装置。
5. 請求項４に記載のモータ駆動装置であって、
   前記制御部は、更にその後に連続して続く前記ＰＷＭ指令信号の下降領域及び上昇領域に対応する期間には前記重畳電圧を前記制御指令電圧に重畳しない、
   ことを特徴とするモータ駆動装置。
6. 請求項１に記載のモータ駆動装置であって、
   前記ＰＷＭ指令信号は、徐々に上昇する上昇領域と、前記上昇領域と連続し徐々に下降する下降領域と、を連続して繰り返す三角波であり、
   前記制御部は、
   前記ＰＷＭ指令信号の所定の連続する上昇領域及び下降領域の一方の領域に対応する期間に前記重畳電圧を前記制御指令電圧に重畳し、他方の領域に対応する期間には前記重畳電圧を前記制御指令電圧に重畳せず、
   その後に連続して続く前記ＰＷＭ指令信号の上昇領域及び下降領域に対応する期間には前記重畳電圧を前記制御指令電圧に重畳せず、
   更にその後に連続して続く前記ＰＷＭ指令信号の上昇領域及び下降領域の一方の領域に対応する期間には前記重畳電圧を前記制御指令電圧に重畳せず、他方の領域に対応する期間に前記重畳電圧を前記制御指令電圧に重畳する、よう構成される、
   ことを特徴とするモータ駆動装置。
7. 請求項１から６のいずれか一項に記載の駆動装置であって、
   前記駆動部はインバータ回路を有し、
   前記インバータ回路は、前記複数の巻線の夫々に流れる電流を検出する複数の電流検出部を有する、
   ことを特徴とするモータ駆動装置。
8. 請求項１から６のいずれか一項に記載の駆動装置であって、
   前記ＰＷＭ指令信号の周波数が20kHz以下である、
   ことを特徴とするモータ駆動装置。
9. 請求項１から６のいずれか一項に記載のモータ駆動装置と、
   前記モータ駆動装置に電力を供給する電源部と、
   前記ブラシレスモータの起動及び停止を指示するスイッチと、
   を備えることを特徴とする作業機。

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