(57)【要約】【課題】電動工具において、目標速度に対するモータの回転速度の追従性を確保しつつ、回転速度の計測値が安定せずとも、回転速度を目標速度で安定させることを可能にする技術を提供する。【解決手段】電動工具１では、算出した駆動モータＭ１の回転速度と、目標速度との偏差ｅ（ｔ）が、不感帯外の値であれば、比例制御と積分制御との双方を有効とし、偏差ｅ（ｔ）が、不感帯内の値であれば、比例制御を無効にし、積分制御を有効にする（Ｓ１０〜Ｓ７０）。【選択図】図４
2011156629.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電動工具に搭載されたモータの回転速度の目標値を設定する目標値設定手段と、
前記回転速度を計測する計測手段と、
前記目標値設定手段によって設定された前記目標値と、前記計測手段によって計測された前記回転速度の計測値との偏差を算出する偏差算出手段と、
該偏差算出手段によって算出された前記偏差がゼロとなるように、前記回転速度を比例制御する比例制御手段と、
前記偏差を時間で積分して得られる積分値がゼロになるように、前記回転速度を積分制御する積分制御手段と、
前記偏差算出手段によって算出された前記偏差が指定範囲内の値であるときに、前記比例制御手段による前記比例制御を無効にする無効手段と
を備えることを特徴とするモータ制御装置。
【請求項２】
請求項１に記載のモータ制御装置であって、
前記無効手段は、想定される前記目標値に対応づけて予め設定された複数の範囲のなかから前記目標値設定手段によって設定された前記目標値に対応する範囲を前記指定範囲として選択し、前記偏差算出手段によって算出された前記偏差が前記指定範囲内の値であるときに、前記比例制御手段による前記比例制御を無効にする
ことを特徴とするモータ制御装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載のモータ制御装置であって、
前記無効手段は、前記比例制御手段による前記比例制御の操作量をゼロに設定することで、該比例制御を無効にする
ことを特徴とするモータ制御装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載のモータ制御装置であって、
前記モータは、ロータと、該ロータを回転させるための複数のコイルとを含むブラシレス直流モータであり、
前記計測手段は、
前記複数のコイルの各々に誘起する誘起電力を検出する誘起電力検出手段と、
該誘起電力検出手段の検出結果に基づいて、前記回転速度を算出する回転速度算出手段と
を備えることを特徴とするモータ制御装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載のモータ制御装置を備える電動工具。
【請求項６】
コンピュータを、請求項１〜４のいずれかに記載のモータ制御装置における、計測手段と、偏差算出手段と、比例制御手段と、積分制御手段と、無効手段として機能させるためのプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電動工具に搭載されたモータの回転速度の制御に関する。
【背景技術】
【０００２】
ブラシレス直流モータを搭載した従来の電動工具の一種では、モータのロータを回転させるために、モータに具備された複数のコイルの各々に誘起する誘起電力に基づいて、ロータの回転位置が検出される。そして、検出された回転位置の変化に基づいて、モータの回転速度が算出され、算出された回転速度が目標速度に到達するように、モータの回転速度が比例積分（ＰＩ）制御される。
【０００３】
このような電動工具では、ロータの回転位置が直接検出されていないので、ロータの回転位置の検出精度が低い。このため、実際には、モータの回転速度が目標速度で安定しているにもかかわらず、算出された回転速度が変動することがある。そして、変動する、算出された回転速度に基づいてモータが制御されることにより、モータの回転が不安定になり、ハンチングや、モータから駆動力を印加されるギアの唸り音などが生じることがあった。
【０００４】
このような問題に対して考えられる対策の１つは、算出された回転速度と、目標速度との偏差が予め指定された指定範囲から外れているときにのみ、比例ゲインを大きくする制御（特許文献１を参照）を電動工具で行うことである。
【０００５】
この場合、電動工具のモータが始動された直後などのように、偏差が大きいときには、モータの回転速度が急激に変化するものの、モータの回転速度が目標速度付近に達しているときなどのように、偏差が小さいときには、モータの回転速度の変化が小さくなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開昭６１−９４１０４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、このような制御では、偏差が小さいときには、モータの回転速度の変化が小さくなるものの、やはり算出された回転速度が変動すると、モータに対する操作量が過敏に変動し、ハンチングやギアの唸り音を十分に抑制することは困難であることが考えられる。
【０００８】
そこで、本発明は、電動工具において、目標速度に対するモータの回転速度の追従性を確保しつつ、回転速度の計測値が安定せずとも、回転速度を目標速度で安定させることを可能にする技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するためになされた、本発明の第１局面におけるモータ制御装置は、目標値設定手段と、計測手段と、偏差算出手段と、比例制御手段と、積分制御手段と、無効手段とを備える。
【００１０】
このモータ制御装置では、目標値設定手段が、電動工具に搭載されたモータの回転速度の目標値を設定し、計測手段が、回転速度を計測し、偏差算出手段が、計測手段によって計測された回転速度の計測値と、該回転速度の目標値との偏差を算出する。そして、比例制御手段が、偏差算出手段によって算出された偏差がゼロとなるように、回転速度を比例制御し、積分制御手段が、偏差を時間で積分して得られる積分値がゼロになるように、回転速度を積分制御する一方で、偏差算出手段によって算出された偏差が予め指定された指定範囲内の値であるときに、無効手段が、比例制御手段による比例制御を無効にする。
【００１１】
つまり、このモータ制御装置では、算出された偏差が指定範囲内の値であるときには、比例制御が無効となり、積分制御が有効となる。このため、偏差が指定範囲内の値であるときにたとえ回転速度の計測値が変動しても、モータに対する操作量の過敏な変動が抑制され、ひいては、回転速度が不安定になることが抑制される。
【００１２】
一方、偏差が指定範囲外の値であるときには、比例制御と積分制御との双方が有効となるため、目標速度に対する回転速度の追従性を確保することができる。
以上より、このモータ制御装置を具備した電動工具では、目標速度に対するモータの回転速度の追従性を確保しつつ、回転速度の計測値が安定せずとも、回転速度を目標速度で安定させることができる。
【００１３】
無効手段は、想定される目標値に対応づけて予め設定された複数の範囲のなかから目標値設定手段によって設定された目標値に対応する範囲を指定範囲として選択し、偏差算出手段によって算出された偏差が指定範囲内の値であるときに、比例制御手段による比例制御を無効にしてもよい。
【００１４】
この場合、想定される目標速度に応じて適切な範囲を予め設定しておけば、目標速度に応じて適切に比例制御を無効にすることができる。
ここで、無効手段は、比例制御を無効にするためにどのように構成されていてもよい。
【００１５】
例えば、無効手段は、比例制御手段による比例制御の操作量をゼロに設定することで、比例制御を無効にするように構成されていてもよい。
このように無効手段が構成されていれば、比例制御を確実に無効にすることができる。
【００１６】
また、モータは、供給された電力によってロータが回転する、どのような電気モータであってもよい。
例えば、モータが、ロータと、該ロータを回転させるための複数のコイルとを含むブラシレス直流モータである場合、計測手段は、誘起電力検出手段と、回転速度算出手段とを備えてもよい。
【００１７】
この場合、誘起電力検出手段が、複数のコイルの各々に誘起する誘起電力を検出し、回転速度算出手段が、誘起電力検出手段の検出結果に基づいて、回転速度を算出する。
このようなモータ制御装置によれば、ロータの回転位置を直接検出するためのセンサがモータもしくは電動工具に具備されていなくても、目標速度に対する回転速度の追従性を確保しつつ、モータの回転速度を目標速度で安定させることができる。
【００１８】
次に、本発明の第２局面における電動工具は、第１局面におけるモータ制御装置を備えている。
このような電動工具によれば、第１局面におけるモータ制御装置と同様の効果を発揮できる。
【００１９】
次に、本発明の第３局面におけるプログラムは、コンピュータを、第１局面におけるモータ制御装置における、計測手段と、偏差算出手段と、比例制御手段と、積分制御手段と、無効手段として機能させるためのプログラムである。
【００２０】
このプログラムによれば、コンピュータを第１局面のモータ制御装置として機能させることができる。
ここで、上述のコンピュータは、周知のコンピュータであってもよいし、電動工具に好適に構成されたコンピュータであってもよい。
【００２１】
また、上述のプログラムは、コンピュータに組み込まれるＲＯＭやバックアップＲＡＭに記憶され、これらＲＯＭやバックアップＲＡＭからコンピュータにロードされて用いられてもよいし、ネットワークを介してコンピュータにロードされて用いられてもよい。
【００２２】
また、上述のプログラムは、コンピュータにて読み取り可能な記録媒体に記録されて用いられてもよい。記録媒体としては、例えば、フレキシブルディスク（ＦＤ）や光ディスク（ＭＯ）、ＤＶＤ（登録商標）、ＣＤ−ＲＯＭ、Ｂｌｕ−Ｒａｙディスク（登録商標）、ＨＤ−ＤＶＤ（登録商標）、ハードディスク（登録商標）、持ち運び可能な半導体メモリ（例えばＵＳＢメモリ、メモリカード（登録商標）など）などが含まれる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明に係る電動工具の外観を示す斜視図である。
【図２】電動工具の電気的構成を示すブロック図である。
【図３】電動工具の制御系を示すブロック線図である。
【図４】電動工具におけるＣＰＵが実行する操作量算出処理の流れを示すフローチャートである。
【図５】本発明の作用の一例を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下に本発明の実施形態を図面と共に説明する。
図１に示すように、本実施形態の電動工具１は、所謂ハンマドリルとして構成されている。
【００２５】
より具体的には、電動工具１は、モータハウジング２と、モータハウジング２の上方に位置するギアハウジング３と、ギアハウジング３の前方に位置するドリルチャック４と、ギアハウジング３の後方に位置する操作部５とを備えている。
【００２６】
モータハウジング２は、ドリルチャック４を回転駆動させる駆動力を発生する駆動モータＭ１（図２参照）を収容している。
ギアハウジング３は、駆動モータＭ１の駆動力をドリルチャック４に伝達するギア機構（図示せず）を収容している。また、ギアハウジング３には、ドリルチャック４の回転動作のモード（例えば、回転（ドリル）モードや打撃（ハンマ）モードなど）を電動工具１の使用者が切替操作するための、モード切替スイッチ６が設けられている。
【００２７】
ドリルチャック４は、当該ドリルチャック４の前端部に工具ビット（図示せず）を着脱自在に装着する装着機構（図示せず）を備えている。ドリルチャック４とギアハウジング３との間には、電動工具１の下方向に向かって延出した棒状のグリップ部７が電動工具１から取り外し可能に取り付けられている。このグリップ部７は、使用者が当該グリップ部７を一方の手で把持可能に成形されている。
【００２８】
操作部５は、使用者が当該操作部５を他方の手で把持可能に成形されている。操作部５の前側には、使用者が駆動モータＭ１を駆動／停止させるためのトリガスイッチ８が設けられている。また、操作部５の上部には、駆動モータＭ１の回転方向（正転／逆転）を切り替えるための回転方向切替スイッチ９が設けられている。また、操作部５の下端部には、バッテリパック１０が電動工具１から離脱可能に装着されている。
【００２９】
図２に示すように、電動工具１内部には、バッテリセル１０１と、駆動モータＭ１と、インバータ回路１１と、位置検出回路１２と、速度指令回路１３と、制御回路１４とが設けられている。
【００３０】
バッテリセル１０１は、図２では、１つのセルとして描かれているが、複数のセルが直列接続されて構成されている。
駆動モータＭ１は、周知のブラシレス直流（ＤＣ）モータとして構成されている。より具体的には、駆動モータＭ１は、複数（例えば２つ）の図示しない永久磁石を含むロータＲＴと、ロータＲＴを回転させるための３つのコイルであって、各々の一端が互いに接続された（つまり、Ｙ結線された）コイルＵ，Ｖ，Ｗとを備えている。すなわち、駆動モータＭ１は、３相のブラシレスＤＣモータである。ただし、図２では、ロータＲＴがコイルＵ，Ｖ，Ｗの外側に描かれているが、図２は構造的な配置を示しているのではなく、単に電気的な接続関係を示している。
【００３１】
本実施形態の駆動モータＭ１は、ロータＲＴがコイルＵ，Ｖ，Ｗの内側に配置されたインナーロータ型のブラシレスＤＣモータである。また、本実施形態の駆動モータＭ１は、所謂センサレスモータとして構成されており、ロータＲＴの回転位置を直接検出するセンサ（例えばホール素子など）を備えていない。
【００３２】
インバータ回路１１は、スイッチング回路１１１と、駆動回路１１２とを備えている。
スイッチング回路１１１は、バッテリセル１０１から駆動モータＭ１におけるコイルＵ，Ｖ，Ｗへの電力供給経路をＯＮ／ＯＦＦするように構成されている。
【００３３】
より具体的には、スイッチング回路１１１は、６基のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６を備え、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６の各々は、周知のＦＥＴである。そして、直列接続されたスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２の組と、直列接続されたスイッチング素子Ｑ３，Ｑ４の組と、直列接続されたスイッチング素子Ｑ５，Ｑ６の組とがバッテリセル１０１の正極と負極との間に並列接続されている。
【００３４】
駆動モータＭ１のコイルＵの他端は、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２の間に接続され、駆動モータＭ１のコイルＶの他端は、スイッチング素子Ｑ３，Ｑ４の間に接続され、駆動モータＭ１のコイルＷの他端は、スイッチング素子Ｑ５，Ｑ６の間に接続されている。
【００３５】
駆動回路１１２は、制御回路１４から入力される操作量信号に応じたディーティ比を有する複数のＰＷＭ信号をこれらスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６のゲートにそれぞれ出力するように構成されている。
【００３６】
位置検出回路１２は、ロータＲＴが回転したときに、コイルＵ，Ｖ，Ｗの各々に誘起される誘起電力に基づいて、駆動モータＭ１のロータの回転位置を検出し、回転位置を示す回転位置信号を制御回路１４に出力するように構成されている。
【００３７】
速度指令回路１３は、トリガスイッチ８の操作量に応じた、駆動モータＭ１の回転速度の目標値（目標速度）を示す目標速度信号を制御回路１４に出力するように構成されている。
【００３８】
制御回路１４は、マイクロコンピュータとして構成され、少なくとも、ＣＰＵ１４１と、ＲＯＭ１４２と、ＲＡＭ１４３と、入出力（Ｉ／Ｏ）インターフェイス１４４とを含んでいる。そして、制御回路１４では、ＣＰＵ１４１がＲＯＭ１４２に記憶された各種プログラムに基づいて、各種処理を実行して、電動工具１の各部を制御する。
【００３９】
上述のような回路構成により、電動工具１では、図３に示す制御系が実現されている。
図３に示すように、電動工具１の制御系では、次式に示すように、目標速度と、モータの回転速度との偏差に比例した比例操作量と、偏差を時間で積分した積分操作量とを加算した操作量ｕ（ｔ）が駆動モータＭ１に与えられる。
【００４０】
【数１】
2011156629.tif 000003
ここで、ＣＰＵ１４１が実行する本発明に係る処理を具体的に説明する。
【００４１】
ＣＰＵ１４１は、バッテリセル１０１から電力の供給を受けて起動すると、図４に示す操作量算出処理を繰り返し実行する。
図４に示すように、本処理では、まず、位置検出回路１２から入力される回転位置信号に基づいて、モータＭ１の回転速度を算出したのち（Ｓ１０）、算出した回転速度と、速度指令回路１３から入力される目標速度との偏差ｅ（ｔ）を算出する（Ｓ２０）。
【００４２】
次に、算出した偏差ｅ（ｔ）と、予め設定された比例ゲインＫPとに基づいて比例操作量を算出し（Ｓ３０）、算出した偏差ｅ（ｔ）と、予め設定された積分ゲインＫIとに基づいて積分操作量を算出する（Ｓ４０）。
【００４３】
そして、算出した偏差ｅ（ｔ）が、比例制御を無効にすべき予め指定された指定範囲（不感帯）内の値であるか否かを判定する（Ｓ５０）。尚、本実施形態では、想定される様々な目標速度に対応づけて、互いに異なる適切な複数の不感帯がＲＯＭ１４２に予め記憶されている。したがって、Ｓ５０において、ＣＰＵ１４１は、速度指令回路１３から入力される目標速度に対応する１つの不感帯を選択し、算出した偏差ｅ（ｔ）が、選択した不感帯内の値であるか否かを判定する。
【００４４】
ここで、偏差ｅ（ｔ）が不感帯外の値であれば（Ｓ５０：Ｎｏ）、後述のＳ７０へ直ちに移行する一方、算出した偏差ｅ（ｔ）が、不感帯内の値であれば（Ｓ５０：Ｙｅｓ）、比例操作量をゼロ（ＫP・ｅ（ｔ）＝０）に設定して（Ｓ６０）、比例制御を無効にする。そして、比例操作量と積分操作量とを加算して、操作量ｕ（ｔ）を算出し（Ｓ７０）、操作量ｕ（ｔ）を示す上述の操作量信号を駆動回路１１２に出力して、本処理を終了する。
【００４５】
ここで、操作量算出処理による作用を図５に示す。尚、図５では、駆動モータＭ１の目標速度（目標回転数）が５０００ｒｐｍに設定され、ＰＷＭ信号の初期デューティが５０％に設定され、ＰＷＭ信号の最大デューティー比及び最小デューティー比がそれぞれ、７５％と２５％とに設定されている。
【００４６】
図５に示すように、本実施形態のＰＷＭ信号のデューティ比は、偏差ｅ（ｔ）が不感帯外の値であるときには、比例制御が作用して比例的に変化する一方、偏差ｅ（ｔ）が不感帯内の値であるときには、比例制御が作用せずに（太字の破線）、初期デューティ比に設定される。
【００４７】
以上のように、本実施形態の電動工具１では、算出された偏差ｅ（ｔ）が不感帯内の値であるときには、比例制御の操作量がゼロに設定されて、比例制御が確実に無効となる。このため、偏差ｅ（ｔ）が不感帯内の値であるときにたとえ算出された回転速度が変動しても、駆動モータＭ１に対する操作量ｕ（ｔ）が過敏に変動することは抑制され、ひいては、駆動モータＭ１の実際の回転速度が不安定になることが抑制される。
【００４８】
一方、算出された偏差ｅ（ｔ）が不感帯外の値であるときには、比例制御が有効となるため、目標速度に対する回転速度の追従性が確保される。
したがって、電動工具１では、目標速度に対する駆動モータＭ１の回転速度の追従性を確保しつつ、算出された回転速度が安定せずとも、回転速度を目標速度で安定させることができる。
【００４９】
また、本実施形態の電動工具１では、想定される目標速度に対応づけて複数の不感帯が予め設定され、入力された目標速度に対応する不感帯を選択するため、目標速度に応じて適切に比例制御を無効にすることができる。
【００５０】
尚、本第実施形態では、速度指令回路１３が本発明における目標値設定手段に相当し、位置検出回路１２と操作量算出処理のＳ１０とが本発明における計測手段に相当し、Ｓ２０が本発明における偏差算出手段に相当し、Ｓ３０，Ｓ７０と、インバータ回路１１とが本発明における比例制御手段に相当し、Ｓ４０，Ｓ７０と、インバータ回路１１とが本発明における積分制御手段に相当し、Ｓ５０，Ｓ６０が本発明における無効手段に相当する。
【００５１】
また、本実施形態では、位置検出回路１２が本発明における誘起電力検出手段に相当し、Ｓ１０が本発明における回転速度算出手段に相当する。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に何ら限定されることはなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の形態をとり得ることはいうまでもない。
【００５２】
例えば、本発明は、ハンマドリル以外の電動工具に適用されてもよい。
また、駆動モータＭ１は、ブラシ付きＤＣモータや交流（ＡＣ）モータとして構成されてもよい。ただし、この場合、ブラシ付きＤＣモータやＡＣモータを駆動できるように駆動回路を変更する必要がある。具体的な変更内容については、当業者にとって周知であるので、ここでは説明しない。
【００５３】
また、駆動モータＭ１のコイルＵ，Ｖ，Ｗは、Δ結線されていてもよい。
また、駆動モータＭ１は、２相のブラシレスＤＣモータとして構成されていてもよいし、４相以上のブラシレスＤＣモータとして構成されていてもよい。
【００５４】
また、駆動モータＭ１は、ロータの内部に複数のコイルが配置されたアウターロータ型のブラシレスＤＣモータとして構成されてもよい。
また、駆動モータＭ１は、当該駆動モータＭ１のシャフトの回転位置を直接検出するセンサ（例えば、ホール素子など）を備えてもよい。
【００５５】
また、トランジスタＱ１〜Ｑ６は、ＦＥＴ以外のスイッチング素子（例えば、バイポーラトランジスタなど）であってもよい。
また、制御回路１４は、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuits）、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）などのプログラマブル・ロジック・デバイス、ディスクリート回路であってもよい。
【００５６】
また、操作量算出処理のプログラムは、ＣＰＵ１４１にて読み取り可能な記録媒体に記録されて用いられても良い。記録媒体としては、例えば、フレキシブルディスク（ＦＤ）や光ディスク（ＭＯ）、ＤＶＤ（登録商標）、ＣＤ−ＲＯＭ、Ｂｌｕ−Ｒａｙディスク（登録商標）、ＨＤ−ＤＶＤ（登録商標）、ハードディスク（登録商標）、持ち運び可能な半導体メモリ（例えばＵＳＢメモリ、メモリカード（登録商標）など）などが含まれる。
【００５７】
また、電動工具１では、比例微分積分（ＰＩＤ）制御が用いられていてもよい。
また、電動工具１では、様々な目標速度に対応づけて互いに異なる複数の不感帯が設定されていたが、１つの不感帯のみが設定されていてもよい。
【符号の説明】
【００５８】
１…電動工具、２…モータハウジング、３…ギアハウジング、４…ドリルチャック、５…操作部、６…モード切替スイッチ、７…グリップ部、８…トリガスイッチ、９…回転方向切替スイッチ、１０…バッテリパック、１１…インバータ回路、１２…位置検出回路、１３…速度指令回路、１４…制御回路、１０１…バッテリセル、１１１…スイッチング回路、１１２…駆動回路、１４１…ＣＰＵ、１４２…ＲＯＭ、１４３…ＲＡＭ、１４４…Ｉ／Ｏインターフェイス。
【図１】
2011156629.tif 000004
【図２】
2011156629.tif 000005
【図３】
2011156629.tif 000006
【図４】
2011156629.tif 000007
【図５】
2011156629.tif 000008