(57)【要約】  永久磁石同期モータと、前記永久磁石同期モータの動作を制御する制御部を備えた電動工具において、前記制御部は、所定の締め付けトルクに基づいて、前記永久磁石同期モータのトルク発生に寄与する電流を、所定の最大設定値で制限する制限手段を備える。前記制御部は、前記トルク発生に寄与する電流の最大設定値を前記永久磁石同期モータの回転数、あるいは角速度で補正して演算する。また、前記制御部は次式を用いて前記トルク発生に寄与する電流の最大設定値ｉδ＊ｍａｘを演算する。ｉδ＊ｍａｘ＝Ｋ（Ｔ−Ｊ・ｄω／ｄｔ＋Ｔ０）。ここで、Ｋ、Ｊは定数であり、ｄω／ｄｔは前記永久磁石同期モータの角速度の微分値であり、Ｔは所定の目標の締め付けトルクであり、Ｔ０は所定の損失トルクである。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
永久磁石同期モータと、前記永久磁石同期モータの動作を制御する制御部を備えた電動工具において、
前記制御部は、所定の締め付けトルクに基づいて、前記永久磁石同期モータのトルク発生に寄与する電流を、所定の最大設定値で制限する制限手段を備えたことを特徴とする電動工具。
【請求項２】
前記制御部は、前記トルク発生に寄与する電流の最大設定値を、前記永久磁石同期モータの回転数、あるいは角速度で補正して演算することを特徴とする請求項１記載の電動工具。
【請求項３】
前記制御部は、次式を用いて前記トルク発生に寄与する電流の最大設定値ｉδ＊ｍａｘを演算し、
ｉδ＊ｍａｘ＝Ｋ（Ｔ−Ｊ・ｄω／ｄｔ＋Ｔ０）
ここで、Ｋ、Ｊは定数であり、ｄω／ｄｔは前記永久磁石同期モータの角速度の微分値であり、Ｔは所定の目標の締め付けトルクであり、Ｔ０は所定の損失トルクであることを特徴とする請求項２記載の電動工具。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、例えばモータを制御するモータ制御部を備えた電動工具に関する。
【背景技術】
【０００２】
ドリルドライバ等の電動工具は、一般的に機械的なクラッチ機構でトルク設定を行っている。しかし近年、それを電子化する試みが行われている。その一例として、例えば特許文献１では、モータ駆動電流やモータ回転数から締め付けトルクを算出し、予め設定した締め付けトルク以上となったらモータを停止させることを特徴とする電動工具が提案されている。【０００３】
また、例えば特許文献２では、電動ドライバにおいて、ネジ締め付けトルクを検出して、その検出されたトルクに基づいて、締め付け完了検出まで駆動トルクを断続的にチャックに供給する電動ドライバの制御装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第５１８２５６２号公報
【特許文献２】特許第３６６３６３８号公報
【特許文献３】特許第４４８０６９６号公報
【特許文献４】特許第４１９８１６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記の特許文献１にかかる方法では、
（１）モータ駆動電流に回転トルクに寄与しないモータの励磁電流が含まれてしまう、
（２）回転体の慣性エネルギー等が考慮されていない、
等の問題点があり、正確な締め付けトルクが設定できなかった。【０００６】
本開示の目的は以上の問題点を解決し、モータ制御だけでより正確な締め付けトルク設定を可能にすることで、機械的なクラッチ機構の省略もしくは簡略化が可能な電動工具を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本開示の一態様にかかる電動工具は、
永久磁石同期モータと、前記永久磁石同期モータの動作を制御する制御部を備えた電動工具において、
前記制御部は、所定の締め付けトルクに基づいて、前記永久磁石同期モータのトルク発生に寄与する電流を、所定の最大設定値で制限する制限手段を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
以上で述べた手段により、トルク発生に寄与する電流のみで、モータの発生トルクが制御できる。加えて、その発生トルクに寄与する電流値を動的に回転体の慣性エネルギー等の影響も加味した最大値で制限できる。
そのため、本開示に係る電動工具によれば、モータ制御だけでより正確な締め付けトルクの設定が可能になり、機械的なクラッチ機構の省略もしくは簡略化ができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本開示の実施形態１にかかる電動工具の構成例を示すブロック図である。
【図２】図１の電動工具のモータ１の解析モデル図である。
【図３】図１の電動工具の詳細構成例を示すブロック図である。
【図４】図３の速度制御部１７の詳細構成例を示すブロック図である。
【図５】図１の電動工具のネジ締め時の動作例を示すタイムチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本開示の実施形態につき、図面を参照して具体的に説明する。参照する各図において、同一の部分には同一の符号を付し、同一の部分に関する重複する説明を原則として省略する。また、参照する各図において、同一の記号（θ、ωなど）を付したものは同一のものである。また、説明の簡略化上、状態量などを記号のみにて表記する場合がある。つまり、例えば、「推定モータ速度ωｅ」を、単に「ωｅ」と記すことがあるが、両者は同一のものを意味する。
【００１１】
図１は本開示の実施形態１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１にかかる電動工具は例えば電動ドライバなどであって、モータ１と、インバータ回路部２と、モータ制御部３と、ギア４と、チャック５と、ユーザーインターフェース部（ＵＩ部）６を備えて構成する。
【００１２】
図１において、モータ１は、例えば永久磁石を回転子（図示せず）に、電機子巻線を固定子（図示せず）に設けた三相永久磁石同期モータで構成する。以下の説明において、単に、電機子巻線及び回転子といった場合、それらは、それぞれ、モータ１の固定子に設けられた電機子巻線及びモータ１の回転子を意味するものとする。モータ１は、例えば埋込磁石形同期モータ（ＩＰＭＳＭ）に代表される突極機（突極性を有するモータ）であるが、非突極機であっても構わない。ここで、モータ１は、例えばギア４を介して、ネジ回転用ビットを装着するチャック５に回転可能に連結されている。
【００１３】
インバータ回路部２は、モータ１の回転子位置に応じてモータ１の電機子巻線にＵ相、Ｖ相及びＷ相から成る三相交流電圧を供給する。モータ１の電機子巻線に供給される電圧をモータ電圧（電機子電圧）Ｖａとし、インバータ回路部２からモータ１の電機子巻線に供給される電流をモータ電流（電機子電流）Ｉａとする。
【００１４】
モータ制御部３は例えば位置センサレス制御機能を有し、モータ電流Ｉａを用いてモータ１の回転子位置や回転速度等を推定して、モータ１を所望の回転速度と目標の締め付けトルクで動作させるための信号をインバータ回路部２に与える。
なお、この所望の回転速度と目標の締め付けトルクは、ユーザーインターフェース部６で予め設定され、ユーザが操作するトリガスイッチ（図示せず）に連動して、モータ制御部３に、それぞれモータ速度指令値ω＊、目標締め付けトルクＴ＊として出力する。
【００１５】
図２は図１の電動工具のモータ１の解析モデル図である。図２において、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の電機子巻線固定軸が示されている。モータ１の回転子を構成する永久磁石１ａが発生する磁束と同じ速度で回転する回転座標系において、永久磁石１ａが発生する磁束の方向をｄ軸にとり、ｄ軸に対応する制御上の推定軸をγ軸とする。また、図示していないが、ｄ軸から電気角で９０度進んだ位相にｑ軸をとり、γ軸から電気角で９０度進んだ位相に推定軸であるδ軸をとる。ｄ軸とｑ軸を座標軸に選んだ回転座標系の座標軸をｄ−ｑ軸（実軸）と呼ぶ。制御上の回転座標系（推定回転座標系）はγ軸とδ軸を座標軸に選んだ座標系であり、その座標軸をγ−δ軸と呼ぶ。
【００１６】
ｄ−ｑ軸は回転しており、その回転速度（すなわち、モータ１の回転子の回転速度）を実モータ速度ωと呼ぶ。γ−δ軸も回転しており、その回転速度を推定モータ速度ωｅと呼ぶ。また、ある瞬間の回転しているｄ−ｑ軸において、ｄ軸の位相をＵ相の電機子巻線固定軸を基準としてθ（実回転子位置θ）により表す。同様に、ある瞬間の回転しているγ−δ軸において、γ軸の位相をＵ相の電機子巻線固定軸を基準としてθｅ（推定回転子位置θｅ）により表す。そうすると、ｄ軸とγ軸との軸誤差Δθ（ｄ−ｑ軸とγ−δ軸との軸誤差Δθ）は、Δθ＝θ―θｅで表される。また、パラメータω＊、ω及びωｅは、電気角速度にて表される。
【００１７】
以下の記述において、モータ電圧Ｖａのγ軸成分、δ軸成分、ｄ軸成分及びｑ軸成分を、それぞれγ軸電圧ｖγ、δ軸電圧ｖδ、ｄ軸電圧ｖｄ及びｑ軸電圧ｖｑで表し、モータ電流Ｉａのγ軸成分、δ軸成分、ｄ軸成分及びｑ軸成分を、それぞれγ軸電流ｉγ、δ軸電流ｉδ、ｄ軸電流ｉｄ及びｑ軸電流ｉｑで表す。
【００１８】
また、Ｒａは、モータ抵抗（モータ１の電機子巻線の抵抗値）であり、Ｌｄ、Ｌｑはそれぞれｄ軸インダクタンス（モータ１の電機子巻線のインダクタンスのｄ軸成分）、ｑ軸インダクタンス（モータ１の電機子巻線のインダクタンスのｑ軸成分）であり、Φａは、永久磁石１ａによる電機子鎖交磁束である。なお、Ｌｄ、Ｌｑ、Ｒａ及びΦａは、電動工具のためのモータ駆動システムの製造時に定まる値であり、それらの値はモータ制御部３の演算にて使用する。
【００１９】
図３は図１の電動工具の詳細構成例を示すブロック図である。図３において、モータ制御部３は、電流検出器１１と、座標変換器１２、減算器１３、減算器１４、電流制御部１５、磁束制御部１６、速度制御部１７、座標変換器１８、位置・速度推定部２０、脱調検出部２１とを備えて構成する。
【００２０】
電流検出器１１は、例えばホール素子等から成り、インバータ回路部２からモータ１に供給されるモータ電流ＩａのＵ相電流（Ｕ相の電機子巻線に流れる電流）ｉｕ及びＶ相電流（Ｖ相の電機子巻線に流れる電流）ｉｖを検出する。なお、これらの電流は、インバータ回路部２にシャント抵抗等を組み込んだ各種既存の電流検出方式で検出しても構わない。座標変換器１２は、電流検出器１１からのＵ相電流ｉｕ及びＶ相電流ｉｖの検出結果を受信し、位置・速度推定部２０からの推定回転子位置θｅに基づいて、次式（１）により、γ軸電流ｉγ（モータの磁束を制御する電流）と、δ軸電流ｉδ（モータの供給トルクに正比例し、モータの回転トルクの発生に直接寄与する電流）とに変換する。
【００２１】
【数１】
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【００２２】
位置・速度推定部２０は、推定回転子位置θｅと推定モータ速度ωｅを推定して出力する。推定回転子位置θｅと推定モータ速度ωｅの推定手法については、例えば特許文献３で開示された方法を用いることができる。
【００２３】
速度制御部１７は、ユーザーインターフェース部６から与えられるモータ速度指令値ω＊から、位置・速度推定部２０から与えられる推定モータ速度ωｅを減算し、その減算結果（ω＊−ωｅ）を、例えばＰＩ（Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ  Ｉｎｔｅｒｇｒａｌ）制御器５１（図４）に入力することで、δ軸電流指令値ｉδ＊を生成する。δ軸電流指令値ｉδ＊は、モータ電流Ｉａのδ軸成分であるδ軸電流ｉδが追従すべき電流の値を表す。磁束制御部１６は、γ軸電流指令値ｉγ＊を出力する。この際、必要に応じて、δ軸電流指令値ｉδ＊及び推定モータ速度ωｅを参照する。γ軸電流指令値ｉγ＊は、モータ電流Ｉａのγ軸成分であるγ軸電流ｉγが追従すべき電流の値を表す。
【００２４】
減算器１３は、磁束制御部１６から出力されるγ軸電流指令値ｉγ＊から、座標変換器１２から出力されるγ軸電流ｉγを減算して、減算結果の電流誤差（ｉγ＊−ｉγ）を算出する。減算器１４は、速度制御部１７から出力されるδ軸電流指令値ｉδ＊から、座標変換器１２から出力されるδ軸電流ｉδを減算して、減算結果である電流誤差（ｉδ＊−ｉδ）を算出する。
【００２５】
電流制御部１５は、減算器１３及び１４で算出された各電流誤差を受信し、γ軸電流ｉγがγ軸電流指令値ｉγ＊に追従するように、かつδ軸電流ｉδがδ軸電流指令値ｉδ＊に追従するように、γ軸電圧指令値ｖγ＊とδ軸電圧指令値ｖδ＊を算出して出力する。
【００２６】
座標変換器１８は、位置・速度推定部２０から与えられた推定回転子位置θｅに基づいて、γ軸電圧指令値ｖγ＊及びδ軸電圧指令値ｖδ＊の逆変換を行い、モータ電圧ＶａのＵ相成分、Ｖ相成分及びＷ相成分を表すＵ相電圧指令値ｖｕ＊、Ｖ相電圧指令値ｖｖ＊及びＷ相電圧指令値ｖｗ＊から成る三相の電圧指令値を生成して、それらをインバータ回路部２に出力する。この逆変換には、次式（２）を用いる。
【００２７】
【数２】
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【００２８】
インバータ回路部２は、モータ１に印加されるべき電圧を表す三相の電圧指令値（ｖｕ＊、ｖｖ＊及びｖｗ＊）に基づいてパルス幅変調された信号を生成し、当該三相の電圧指令値（ｖｕ＊、ｖｖ＊及びｖｗ＊）に応じたモータ電流Ｉａをモータ１の電機子巻線に供給してモータ１を駆動する。
【００２９】
脱調検出部２１は、位置・速度推定部２０にて採用する回転子の回転速度の推定方式とは異なる推定方式（例えば、特許文献４参照）を用いて、回転子の回転速度を推定し、その差異が大きい場合に脱調と見なして、モータ１を強制停止させる。
【００３０】
図４は図３の速度制御部１７の詳細構成例を示すブロック図である。図４において、ＰＩ制御器５１の出力は、減算器５０の減算結果（ω＊−ωｅ）に基づいて、電流制限前のδ軸電流指令値ｉδ＊を生成し、リミッタ５２に出力する。リミッタ５２は、ＰＩ制御器５１の出力が、リミッタ５２の最大設定値ｉδ＊ｍａｘ以下では、ＰＩ制御器５１の出力をそのまま出力する。一方、ＰＩ制御器５１の出力が、リミッタ５２の最大設定値ｉδ＊ｍａｘを超えると、ｉδ＊をｉδ＊ｍａｘに制限した値を出力する。リミット値演算部５３は、リミッタ５２の前記最大設定値ｉδ＊ｍａｘを、次式（３）を用いて演算し、リミッタ５２の最大設定値ｉδ＊ｍａｘを逐次、更新する。
【００３１】
ｉδ＊ｍａｘ＝Ｋ（Ｔ−Ｊ・ｄω／ｄｔ＋Ｔ０）・・・（３）
【００３２】
ここで、Ｋ、Ｊは定数であり、ｄω／ｄｔはモータの角速度の微分値であり、Ｔは所定の目標の締め付けトルクである。また、Ｔ０は所定の損失トルクで、例えばモータの角速度ωの従属変数として、リミット値演算部５３の内部メモリに予めテーブル等で設定しておいてもよい。なお、モータの角速度ωは、推定モータ速度ωｅで代用することも可能である。
【００３３】
δ軸電流は、前述の通り、モータの供給トルクに正比例する電流であり、モータの回転トルクの発生に直接寄与しない励磁電流等を含まない。また、そのδ軸電流の指令値ｉδ＊は、上述の式（３）を用いて、動的に制限する。そのため、回転体の慣性エネルギー等を考慮した、より正確な締め付けトルクの制御が可能になる。
【００３４】
言い換えれば、電動工具の作業対象であるネジが着座して負荷トルクが急増すると、負荷トルクの増加により、δ軸電流が増加し、やがて、式（３）の最大設定値でδ軸電流が制限される。その時、同時にモータの回転数も低下するが、モータの回転数の低下に伴い、回転体の慣性エネルギーや損失トルクが減少する。そのため、式（３）の最大設定値（モータの供給トルクに比例する電流）は大きくなり、最終的にｉδ＊ｍａｘ＝Ｋ（Ｔ）で、δ軸電流が一定になる。その後、モータが停止する直前で脱調、もしくはモータ回転数が規定値以下（たとえば零）になり、それを検知してモータ１が停止する（図５）。
【００３５】
そのため、本実施形態によれば、電動工具の作業対象であるネジが着座して負荷トルクが急増すると、モータが減速して最後に停止するが、回転子の着座から締め付け完了まで、モータ回転数の低下に伴いモータ電流が徐々に増加し、その間、一定トルクでの締め付けができる。そのため、より正確な締め付けトルクの設定が可能になり、機械的なクラッチ機構の省略もしくは簡略化ができる。
【符号の説明】
【００３６】
１  モータ
２  インバータ回路部
３  モータ制御部
４  ギア
５  チャック
６  ユーザーインターフェース部（ＵＩ部）
１１  電流検出器
１２  座標変換器
１３，１４  減算器
１５  電流制御部
１６  磁束制御部
１７  速度制御部
１８  座標変換器
１９  減算器
２０  位置・速度推定部
２１  脱調検出部
５０  減算器
５１  ＰＩ制御器
５２  リミッタ
５３  リミット値演算部
【図１】
2018230140.tif 000005
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【手続補正書】
【提出日】令和1年11月29日(2019.11.29)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２２】
位置・速度推定部２０は、推定回転子位置θｅと推定モータ速度ωｅを推定して出力する。推定回転子位置θｅと推定モータ速度ωｅの推定手法については、例えば特許文献３で開示された方法を用いることができる。
【国際調査報告】
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