(57)【要約】【課題】運転時のモータ効率を高めつつ、モータの起動を円滑に行うことができるモータの起動制御装置を提供する。【解決手段】このモータの起動制御装置は、回転子と固定子と回転位置検出センサとを備えたブラシレスモータの起動を制御する。モータ起動時には正転方向の通電相に通電する。正転方向に回転子が回転しないときには、回転子が９０度逆転するまで、異なる通電相としての逆転方向の通電相に通電した後に、正転方向の通電相に通電してモータを起動させる。【選択図】図１３
2015065730.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の磁極部が設けられ被駆動部材を駆動する回転子と、複数の巻線が前記回転子に対向して設けられハウジングに取り付けられる固定子と、を備えたモータの起動制御装置であって、
前記回転子の前記固定子に対する回転位置を検出する回転位置検出センサと、
前記回転子の回転位置に応じて、複数の前記巻線のうち電流が供給されて通電相となる巻線に対する通電タイミングを制御するモータ制御回路と、を有し、
前記モータ制御回路は、モータ起動時に前記回転子の回転が検出されないときには、モータ起動時の通電相とは異なる通電相に通電する、モータの起動制御装置。
【請求項２】
正転方向へのモータ起動時に前記回転子の回転が検出されないときには、前記回転子を逆転させる逆転方向の通電相に通電した後に、正転方向の通電相に通電して前記回転子を回転する、請求項１記載のモータの起動制御装置。
【請求項３】
前記回転子が９０度以下の所定角度逆転するまで逆転方向の通電相に通電する、請求項２記載のモータの起動制御装置。
【請求項４】
逆転方向の通電相に通電した後に前記回転子に加わる負荷が所定の判定負荷以上と判定されたときに、正転方向の通電相に通電して前記回転子を回転する、請求項２記載のモータの起動制御装置。
【請求項５】
逆転方向の通電相に通電した後に前記回転子に加わる負荷が所定の判定負荷に到達しないときには、前記回転子が９０度以下の所定角度逆転するまで逆転方向の通電相に通電する、請求項４記載のモータの起動制御装置。
【請求項６】
逆方向の通電相に通電を開始してから所定の判定時間において前記回転子の回転が検出されないときには、通電を停止してロック保護を行う、請求項２〜５のいずれか１項に記載のモータの起動制御装置。
【請求項７】
前記回転位置検出センサからの信号に基づいて前記固定子の基準位置よりも前記回転子が回転方向前方側となっているときに通電タイミングを進める進角制御部を有する、請求項１記載のモータの起動制御装置。
【請求項８】
前記回転子を起動させるまでの起動処理時には、前記回転子が通常運転となったときに前記通電相の巻線に供給される電圧よりも低い始動電圧とする、請求項１〜７のいずれか１項に記載のモータの起動制御装置。
【請求項９】
前記モータ制御回路は、スイッチング素子を有するインバータ回路を有し、前記スイッチング素子をＰＷＭ制御することにより、前記巻線に供給される電圧を調整する、請求項１〜８のいずれか１項に記載のモータの起動制御装置。
【請求項１０】
前記回転位置検出センサは、前記回転子の磁束を検出する磁界検出素子であり、該磁界検出素子が前記回転子の回転位置に対応する磁束を検出することにより前記回転子の位置を検出する、請求項１〜９のいずれか１項に記載のモータの起動制御装置。
【請求項１１】
前記固定子は、３相の前記巻線を有し、
前記モータ制御回路は、それぞれの前記巻線に接続されるハイサイド側の３つのスイッチング素子と、ロウサイド側の３つのスイッチング素子とが設けられたインバータ回路を有し、
前記ハイサイド側の１つのスイッチング素子と、前記ロウサイド側の１つのスイッチング素子とに通電して前記通電相を設定し、
前記通電相を前記回転位置検出センサにより検出される前記回転子の回転位置により前記通電相を切り替えて、前記回転子を駆動する、請求項１〜１０のいずれか１項に記載のモータの起動制御装置。
【請求項１２】
前記モータと、前記被駆動部材としての圧縮空気生成部と、当該圧縮空気生成部により生成された圧縮空気を貯溜する空気タンクと、請求項１〜１１のいずれか１項に記載のモータ起動制御装置とを有する空気圧縮機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、モータを始動させる際におけるモータの起動制御装置およびモータの起動装置が設けられた空気圧縮機に関する。
【背景技術】
【０００２】
モータや圧縮空気を駆動エネルギーとした動力工具としては、ねじやボルト等の締め付け作業を行うためのインパクトドライバ等がある。インパクトドライバには、モータを駆動エネルギーとして被駆動部材である先端工具を駆動するようにしたタイプと、圧縮空気の膨張する力を駆動エネルギーとして先端工具を駆動するようにしたタイプとがある。圧縮空気を駆動源としたものはエアインパクトドライバと言われる。このエアインパクトドライバや釘打機等のように、圧縮空気を駆動源とする空気工具には、空気圧縮機から圧縮空気が供給される。空気圧縮機はモータにより駆動される圧縮空気生成部を有している。空気釘打機などの空気工具に用いられる圧縮空気を生成するために、例えば、特許文献１に記載されるような往復動式の空気圧縮機が使用されている。
【０００３】
このように、被駆動部材としての先端工具を駆動するようにした電動工具の駆動源や、被駆動部材としての圧縮空気生成部を駆動するようにした空気圧縮機の駆動源としては、高効率であるブラシレスモータが用いられることがある。
【０００４】
ブラシレスモータには永久磁石同期モータやリラクタンスモータ等がある。永久磁石同期モータは、それぞれ磁極部を構成する複数の永久磁石が設けられたロータつまり回転子と、それぞれ巻線電流が供給される複数のコイルつまり界磁巻線が設けられたステータつまり固定子とを有しており、回転子の回転位置に応じた最適な駆動電流を巻線に印加することにより、駆動トルクが回転子に発生する。回転子は被駆動部材に連結されて、被駆動部材を駆動する。回転子が固定子に対向して固定子の内側に配置されるタイプはインナーロータ型であり、回転子が固定子に対向して固定子の外側に配置されるタイプはアウターロータ型である。回転子の回転位置を検出するために、ホール素子やホールＩＣ等の磁界検出素子が回転位置検出センサとして、回転子の近傍に位置させて固定子側に配置されている。
【０００５】
回転位置検出センサは、回転子の回転により変化する回転子周辺の磁束の変化を検出し、この検出信号に基づいて回転子の回転位置が検出される。それぞれの界磁巻線に最適な駆動電流を印加するために、それぞれの界磁巻線にはインバータが接続されている。インバータによりそれぞれの界磁巻線に対する駆動電流の印加タイミングつまり転流動作が制御される。回転位置検出センサにより検出された回転子の回転位置に応じた最適な駆動電流を巻線に印加することで回転子に駆動トルクが発生し、駆動トルクが発生することで回転位置が変化し、回転位置の変化に応じて駆動電流の通電パターンつまり通電相モードが切り換えられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第４００９９４９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
回転子の回転位置を検出するための回転位置検出センサは、回転方向に所定の間隔を隔てて複数個配置されており、それぞれの回転位置検出センサの検出値に基づいて回転位置を算出している。回転子が回転すると、それぞれの回転位置検出センサの検出値が変化するので、回転子の回転位置が検出される。回転位置検出センサの検出切り替わりのタイミングで、巻線への通電パターンを切り替えている方式が一般的である。したがって、最大トルクが発生する通電パターンの切り換えタイミングと回転位置検出センサの切り替わりタイミングとを一致させると、最大トルクでブラシレスモータを起動させることが可能となる。
【０００８】
これに対し、最大トルクが発生する通電パターンの切り替わりタイミングつまり転流タイミングよりも早く通電切替を行うように進角制御を行うと、モータ運転時の運転効率を最大とすることができる。上述のように、最大トルクが発生する通電パターンの切り換えタイミングと回転位置検出センサの切り替わりタイミングとを一致させた制御を電気進角０度とする。進角制御は、最大トルクが発生する通電パターンの切り替わりタイミングよりも、通電切替を回転子の回転方向前方側に所定の角度θだけ進めて行うことである。通電パターンの切り替わりタイミングを早く行って進角制御を行うために、回転位置検出センサの位置を、通電パターンの切り替わりタイミングを早く通電切替可能な位置に角度θだけ進角を進めることにより、進角制御が可能となる。このように回転位置検出センサの位置をずらした進角制御方式は、機械的進角制御である。ただし、進角を進めると、モータ運転時は高効率モータとなるが、モータ起動時には最大トルクが発生する通電パターンとは異なるため起動トルクが低下することになる。
【０００９】
例えば、往復動式の空気圧縮機を駆動するために使用されるモータにおいては、空気圧縮機の圧縮空気生成部はシリンダ内を往復動するピストンを有している。空気圧縮機を起動させるときには、ピストンとシリンダとの摩擦や、シリンダ内に残った空気の圧力による抵抗がモータに加わることになる。
【００１０】
したがって、進角を早めてモータ運転時のモータ効率を高めると、モータ起動時は最大トルクが発生する通電パターンとは異なる通電パターンとなるために、起動トルクが低下し、空気圧縮機の起動不良が発生することが考えられる。
【００１１】
また、進角制御をおこなわない場合でも、回転位置検出センサの検出値が変化する位置の付近にロータが停止していた場合には、モータ回転位置が微小な位置の違いによって誤検出され、モータ起動時に最大トルクが発生する通電パターンとは異なる通電パターンとなるために、起動トルクが低下し、空気圧縮機の起動不良が発生することが考えられる。
【００１２】
本発明の目的は、運転時のモータ効率を高めつつ、モータの起動を円滑に行うことができるモータの起動制御装置を提供することにある。
【００１３】
本発明の他の目的は、モータの起動を円滑に行うことができるようにした空気圧縮機を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明のモータの起動制御装置は、複数の磁極部が設けられ被駆動部材を駆動する回転子と、複数の巻線が前記回転子に対向して設けられハウジングに取り付けられる固定子と、を備えたモータの起動制御装置であって、前記回転子の前記固定子に対する回転位置を検出する回転位置検出センサと、前記回転子の回転位置に応じて、複数の前記巻線のうち電流が供給されて通電相となる巻線に対する通電タイミングを制御するモータ制御回路と、を有し、前記モータ制御回路は、モータ起動時に前記回転子の回転が検出されないときには、モータ起動時の通電相とは異なる通電相に通電する。
【００１５】
本発明の空気圧縮機は、被駆動部材としての圧縮空気生成部と、当該圧縮空気生成部が設けられた空気圧縮機本体と、上記モータ起動制御装置とを有する。
【発明の効果】
【００１６】
モータ起動時に回転子の回転が検出されないときには、モータ起動時の通電相とは異なる通電相に通電することによって、モータを円滑に起動つまり始動させることができる。したがって、本発明のモータの起動制御装置は、運転時のモータ効率を高めつつ、モータの起動を円滑に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】モータにより駆動される空気圧縮機の外観を示す斜視図である。
【図２】図１の平面側の断面図である。
【図３】カバーを切り欠いた状態における図１の平面図である。
【図４】図２に示したモータの回転子と固定子とを示す断面図である。
【図５】モータ起動制御装置のモータ制御回路を示すブロック図である。
【図６】（Ａ）〜（Ｆ）は各巻線に対する転流動作によって巻線に電流が供給される通電相を示す。
【図７】回転位置検出センサとしてのホール素子のオンオフ信号と、モータ正転時および逆転時におけるモータの回転子位置情報との関係を示すタイムチャートである。
【図８】３つのホール素子の論理パターンと、モータ正転時および逆転時におけるモータの回転子位置情報の設定値との関係を示す論理表である。
【図９】図７および図８に示したモータ正転時および逆転時におけるモータの回転子位置情報と通電相との関係を示す論理表である。
【図１０】モータ正転時の回転子位置情報と転流設定情報とに基づいて設定される通電相を示すタイムチャートである。
【図１１】モータ逆転時の回転子位置情報と転流設定情報とに基づいて設定される通電相を示すタイムチャートである。
【図１２】回転子の回転に伴って回転子に加わる負荷トルクの変動例を示すタイムチャートである。
【図１３】モータ起動制御方式のアルゴリズムの１つの具体例を示すフローチャートである。
【図１４】モータ起動制御方式のアルゴリズムの他の具体例を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１〜図３に示される空気圧縮機１０は、平行となって基台１１に取り付けられる２つの空気タンク１２ａ，１２ｂを有している。それぞれの空気タンク１２ａ，１２ｂの両端部下面には、脚部１３が取り付けられており、空気圧縮機１０は脚部１３の部分で所定の設置箇所に配置される。基台１１の両端部にはハンドル部１４ａ，１４ｂが設けられており、空気圧縮機１０はハンドル部１４ａ，１４ｂを作業者が把持して持ち運ぶことができる。
【００１９】
基台１１には、図２に示されるように、駆動ボックス１５が取り付けられており、この駆動ボックス１５にはモータ１６が取り付けられている。このモータ１６は、ロータつまり回転子１８と円筒形のステータつまり固定子１９とを有している。回転子１８にはモータ回転軸１７が取り付けられ、モータ回転軸１７を介して被駆動部材としての圧縮空気生成部３０を駆動する。固定子１９には複数の界磁巻線つまり巻線が回転子１８に対向して設けられている。回転子１８は固定子１９の内部に組み込まれており、このモータ１６はインナーロータ型となっている。固定子１９はモータ１６を収容するハウジングとしての駆動ボックス１５に取り付けられる。
【００２０】
モータ回転軸１７は駆動ボックス１５に回転自在に支持されている。駆動ボックス１５には、モータ回転軸１７の回転方向に１８０度の位相をずらして２つのシリンダ２１ａ，２１ｂが取り付けられており、それぞれのシリンダ２１ａ，２１ｂにはピストン２２ａ，２２ｂが軸方向に往復動自在に組み込まれている。モータ回転軸１７の回転運動をピストン２２ａ，２２ｂの軸方向の往復運動に変換するために、それぞれのピストン２２ａ，２２ｂには、コネクティングロッド２３ａ，２３ｂの一端部がピン結合されている。コネクティングロッド２３ａ，２３ｂの他端部には、モータ回転軸１７に装着される偏心カム２４ａ，２４ｂが設けられており、それぞれの偏心カム２４ａ，２４ｂはピストン２２ａ，２２ｂの往復動方向に逆向きに偏心している。これにより、一方のピストン２２ａが駆動室２５ａ，２５ｂを圧縮する方向に駆動されると、他方のピストン２２ｂは駆動室２５ａ，２５ｂを膨張させる方向に駆動される。
【００２１】
それぞれのシリンダ２１ａ，２１ｂに設けられたシリンダヘッド２６ａ，２６ｂには、逆止弁２７ａ，２７ｂが設けられている。ピストン２２ａ，２２ｂが駆動室２５ａ，２５ｂを圧縮させる方向に駆動されると、吐出室２８ａ，２８ｂから配管２９ａ，２９ｂを介して空気タンク１２ａ，１２ｂに圧縮空気が供給される。ピストン２２ｂは外気を導入して圧縮する第１段目の低圧用のピストンであり、低圧用のピストン２２ｂにより圧縮された空気は第２段目の高圧用のピストン２２ａによりさらに圧縮される。上述したシリンダ２１ａ，２１ｂとピストン２２ａ，２２ｂ等は、圧縮空気生成部３０を構成しており、モータ１６の回転子１８はモータ回転軸１７を介して圧縮空気生成部３０に連結される。モータ１６により圧縮空気生成部３０が駆動されると、高圧用のピストン２２ａから吐出された圧縮空気が空気タンク１２ａ，１２ｂに貯溜される。
【００２２】
モータ回転軸１７の一端部には、モータ１６の外側に位置させて冷却ファン３１ａが取り付けられており、モータ回転軸１７の他端部には冷却ファン３１ｂが取り付けられている。冷却ファン３１ｂの外側には制御基盤３２が配置されている。冷却ファン３１ａにより生成される冷却風はモータ１６に吹き付けられ、冷却ファン３１ｂにより生成される冷却風は制御基盤３２に吹き付けられる。基台１１にはカバー３３が装着されており、上述した圧縮空気生成部３０はカバー３３により覆われている。
【００２３】
それぞれの空気タンク１２ａ，１２ｂに貯溜された圧縮空気を外部に供給するために、図１に示されるように、空気タンク１２ａ，１２ｂの端部上方にはカプラ３４ａ，３４ｂが設けられている。それぞれのカプラ３４ａ，３４ｂから外部に排出される圧縮空気の圧力を調整するために、減圧弁３５ａ，３５ｂが空気タンク１２ａ，１２ｂに設けられており、減圧された空気の圧力は圧力計３６ａ，３６ｂに表示される。
【００２４】
カバー３３には操作パネル３７が設けられており、この操作パネル３７に設けられた図示しない操作部を操作することにより、モータ１６の起動指令やモータ回転数が入力される。
【００２５】
図４は、図２に示したモータ１６の回転子１８と固定子１９とを示す断面図である。このモータ１６は、永久磁石型の４極の３相ブラシレスモータであり、回転子１８には円周方向に間隔を置いて４つの永久磁石４１が設けられており、永久磁石４１により磁極部が形成されている。回転子１８の回転方向に隣り合う永久磁石４１の極性は相互に逆極性となっている。固定子１９は、円筒形状の基部４２と、円周方向に６０度置きに径方向内方に突出する６つのティース部つまりアーム部４３とを有し、アーム部４３の間に６つのスロットが設けられた６スロット形である。それぞれのアーム部４３には、コイルつまり巻線４４が巻き付けられている。なお、図４においては、巻線４４は便宜的にそれぞれのアーム部４３に１層分のみ示されている。円周方向に１８０度ずれた位置のアーム部４３に巻き付けられた巻線は、相互に直列に接続されて同位相となっている。つまり、巻線Ｕ１と巻線Ｕ２によりＵ相の巻線が形成される。同様に巻線Ｖ１と巻線Ｖ２によりＶ相の巻線が形成され、巻線Ｗ１と巻線Ｗ２によりＷ相の巻線が形成される。このように、固定子１９にはＵ相、Ｖ相、Ｗ相の３相の巻線４４が巻き付けられており、図示するモータ１６は３相ブラシレスモータとなっている。このモータ１６を１２０度通電制御方式で駆動する場合には、それぞれの相の巻線に、誘起電圧が最大となる点を挟んだ前後の通電角６０度区間の１２０度の通電区間において通電する。この通電区間は、起動トルクが最大となる区間である。
【００２６】
固定子１９に対する回転子１８の回転位置を検出するために、図４に示されるように、回転位置検出センサとして、３相の巻線に対応させて３つのホール素子Ｓ１〜Ｓ３が固定子１９側に配置されている。ホール素子Ｓ３は、ホール素子Ｓ１よりも回転子１８の回転方向に６０度ずれており、ホール素子Ｓ２はホール素子Ｓ３よりも回転子１８の回転方向に６０度ずれている。それぞれのホール素子Ｓ１〜Ｓ３は、磁束を検出することにより、回転子１８の磁極部の極性がＮ極とＳ極の中性点となったときに検出信号を出力する磁界検出素子であり、ホール素子Ｓ１〜Ｓ３からの検出信号に基づいて回転子１８の位置を検出し、それぞれの巻線に対する転流動作つまり巻線に対する通電切替動作が行われる。回転位置検出センサとしては、ホール素子のみに限られず、コンパレータの機能を有する電子回路とホール素子をワンチップ化したホールＩＣを用いるようにしても良い。
【００２７】
回転位置検出センサとしてのホール素子Ｓ１〜Ｓ３を、図４において符号Ｓ１a、Ｓ３a、Ｓ２aで示すように、スロットの中心に配置すると、電気進角が０度となり、起動トルクが最大となる通電区間の切り替わりタイミングでホール素子Ｓ１〜Ｓ１の検出信号も切り替わる。したがって、ホール素子Ｓ１〜Ｓ３の信号が切り替わるタイミングで各相の巻線に対する転流動作を行って、通電を切り替えると、常に起動トルクが最大となる状態でモータ１６を駆動することが可能となる。符号Ｓ１a、Ｓ３a、Ｓ２aで示すようにホール素子Ｓ１〜Ｓ３をスロットの中心に配置したときを、回転位置検出センサの基準位置とすると、この位置は、最大トルクが発生する通電パターンの切り換えタイミングと、回転位置検出センサの切り替わりタイミングとを一致させた制御、つまり電気進角０度の制御となる。
【００２８】
これに対し、進角制御を行って、起動トルクが最大となる通電タイミングよりも電気進角を角度θだけ早く転流動作を行うと、モータ１６が起動された後のモータ運転時つまりモータ定常運転時には、モータ定常運転時のモータ効率を向上させることが可能となる。そこで、モータ効率を向上させるために、図４に示されるように、それぞれのホール素子Ｓ１〜Ｓ３は、基準位置つまり電気進角０度の位置よりも回転子１８の回転方向前方側に角度θだけずらして配置されている。これにより、各相の巻線に対しては、進角制御されて転流動作が行われる。図４においては、角度θは約１２度となっており、回転子１８の中性点が基準位置よりも角度θだけ早く転流動作が行われる。この角度θは、モータ定常運転時のモータ効率を考慮して、任意の角度に設定される。
【００２９】
進角制御は、ホール素子Ｓ１〜Ｓ３の位置を符号Ｓ１a、Ｓ３a、Ｓ２aで示す基準位置に配置して機械的進角制御を行うことなく、電気的進角制御を行うようにしても良い。その場合には、ホール素子Ｓ１〜Ｓ３を基準位置に配置して、回転子１８の回転角度を検出することによって、転流動作を進角制御する。
【００３０】
図５はモータ起動制御装置のモータ制御回路を示すブロック図である。この制御回路は、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の各巻線に対する駆動電流を制御するためのインバータ回路５１を有している。インバータ回路５１には、商用電源５２の交流を直流に整流するための整流回路５４と、整流された直流電圧を昇圧してインバータ回路５１に供給するための力率改善回路（ＰＦＣ）５５とを介して電力が供給される。力率改善回路５５は、ＭＯＳＦＥＴからなるトランジスタＴrにＰＷＭ制御信号を出力するＩＣ５６を有しており、インバータ回路５１のスイッチング素子で発生する高調波電流を制限値以下に抑える。なお、電源５２と整流回路５４との間には、インバータ回路５１等で生じたノイズを電源側に伝えないようにするために、雑音対策回路５３が設けられている。
【００３１】
インバータ回路５１は、３相フルブリッジインバータ回路であり、それぞれ直列に接続された２つのスイッチング素子Ｔr1、Ｔr2と、２つのスイッチング素子Ｔr3、Ｔr4と、２つのスイッチング素子Ｔr5、Ｔr6とを有し、それぞれは、力率改善回路５５の正極と負極の出力端子に接続される。正極側に接続される３つのスイッチング素子Ｔr1、Ｔr3、Ｔr5は、ハイサイド側となっており、負極側に接続される３つのスイッチング素子Ｔr2、Ｔr4、Ｔr6は、ロウサイド側となっている。２つのスイッチング素子Ｔr1、Ｔr2の間には、Ｕ相の巻線の一方の接続端子が接続される。２つのスイッチング素子Ｔr3、Ｔr4の間には、Ｖ相の巻線の一方の接続端子が接続される。２つのスイッチング素子Ｔr5、Ｔr6の間には、Ｗ相の巻線の一方の接続端子が接続される。Ｕ相、Ｖ相およびＷ相のそれぞれの巻線の他方の接続端子は、相互に接続されており、各巻線はスター結線となっている。なお、結線方式としては、デルタ結線としても良い。それぞれのスイッチング素子Ｔr1〜Ｔr6としては、ＭＯＳＦＥＴが使用されている。
【００３２】
例えば、ハイサイド側のスイッチング素子Ｔr1と、ロウサイド側のスイッチング素子Ｔr4のゲートに制御信号が通電されると、Ｕ相とＶ相の巻線に電流が供給される。それぞれのスイッチング素子に供給される制御信号のタイミングを調整することにより、各巻線に対する転流動作が制御される。
【００３３】
インバータ回路５１に制御信号を演算して出力するモータ制御ユニット６１は、コントローラ６２を有しており、コントローラ６２は図２に示した制御基盤３２に設けられている。コントローラ６２からは制御信号出力回路６３を介してインバータ回路５１に制御信号が送られる。図１に示した操作パネル３７に設けられた操作スイッチ６４を作業者が操作することにより、モータのオンオフとモータ回転数の信号が操作スイッチ検出回路６５を介してコントローラ６２に送られる。回転位置検出センサとしてのホール素子Ｓ１〜Ｓ３の検出信号は、回転子位置検出回路６６に送られる。回転子位置検出回路６６からはモータ回転数検出回路６７に信号が送られ、モータ回転数検出回路６７からはコントローラ６２にモータ回転数に応じた信号が出力される。モータ１６に流れる電流を検出するためのモータ電流検出回路６８からは、コントローラ６２にモータ電流に応じた検出信号が送られる。コントローラ６２は、制御信号を演算するマイクロプロセッサと、制御プログラム、演算式およびデータなどが格納されるメモリとを有しており、コントローラ６２は、巻線に対する通電タイミングを制御する通電相切替制御部と、ホール素子Ｓ１〜Ｓ３の検出信号に基づいて通電タイミングを進めるための進角制御部とを構成している。
【００３４】
モータ回転数は各巻線に供給される実効電圧を調整することにより制御される。巻線に対する実効電圧制御は、例えば、スイッチング素子をＰＷＭ制御することによって、インバータ回路５１の各スイッチング素子Ｔr1〜Ｔr6のゲートに印加されるオン信号のデューティ比を調整することにより行われる。例えば、デューティ比を１０％に設定すると、力率改善回路５５からの出力電圧の１０％の電圧が各巻線に供給され、デューティ比を１００％に設定すると、モータ回転数は最大回転数となる。このように、コントローラ６２は電圧制御部を構成している。
【００３５】
図６はインバータによる各巻線に対する転流動作によって、巻線に電流が供給された通電相を示す。通電相つまり通電モードは、１２０度通電制御方式の３相モータの場合には、図６に示されるように、６つのパターンを有している。例えば、図６（Ａ）に示すように、Ｕ相側をハイサイド側とし、Ｗ相側をロウサイド側として、Ｕ相巻線側からＷ相巻線側に電流が供給されたときは「Ｕ＋相・Ｗ−相」となり、図６（Ｂ）に示すように、Ｕ相巻線側からＶ相巻線側に電流が供給されたときは「Ｕ＋相・Ｖ−相」となる。他の通電相は、図６（Ｃ）〜図６（Ｆ）に示すようになる。
【００３６】
図７はホール素子のオンオフ信号と、モータ正転時および逆転時におけるモータの回転子位置情報との関係を示すタイムチャートである。図８は３つのホール素子の論理パターンと、モータ正転時および逆転時におけるモータの回転子位置情報の設定値との関係を示す論理表である。図９は図７および図８に示したモータ正転時および逆転時におけるモータの回転子位置情報と通電相との関係を示す論理表である。ホール素子のオンオフ信号に基づく回転子位置情報は、コントローラ６２により送られ、回転子位置情報に基づいて通電相が演算されて、所定の通電相の巻線に通電される。
【００３７】
モータ１６は正転モードと逆転モードとを有しており、回転子１８が図７において時計方向に回転するときを正転方向とし、反時計方向に回転するときを逆転方向とする。
【００３８】
図７〜図９に示されるように、ホール素子Ｓ１〜Ｓ３のオンオフ信号に基づいて回転子１８の位置情報が得られ、この回転子位置情報に基づく転流設定情報つまり通電相設定情報により通電モードつまり通電相が転流制御される。例えば、回転子１８を正転させる際に、ホール素子Ｓ１とホール素子Ｓ２とがオフつまりＬ信号を出力し、ホール素子Ｓ３がオンつまりＨ信号を出力しているときの回転子位置情報を「０」で表現すると、このときの位置情報つまり転流設定情報「０」に基づいて、上アーム部側は「Ｕ＋相」、下アーム部側は「Ｖ−相」となる。このときの通電相は、図６（Ｂ）に示すように、「Ｕ＋相・Ｖ−相」となり、この通電相の巻線に通電すると、回転子１８は正転方向に駆動される。
【００３９】
一方、回転子１８を逆転させる際に、ホール素子Ｓ１とホール素子Ｓ２とがオフつまりＬ信号を出力し、ホール素子Ｓ３がオンつまりＨ信号を出力しているときの回転子位置情報を「５」で表現すると、このときの位置情報つまり転流設定情報「５」に基づいて、上アーム部側は「Ｗ＋相」、下アーム部側は「Ｕ−相」となる。このときの通電相は、図６（Ｄ）に示すように、「Ｗ＋相・Ｕ−相」となり、この通電相の巻線に通電すると、回転子１８は逆転方向に駆動される。
【００４０】
図１０はモータ正転時の回転子位置情報と転流設定情報とに基づいて設定される通電相を示すタイムチャートである。図１１はモータ逆転時の回転子位置情報と転流設定情報とに基づいて設定される通電相を示すタイムチャートである。
【００４１】
図１０および図１１に示されるように、正転時および逆転時において、回転子位置情報が算出されると、その回転子位置情報に基づいて転流設定情報が決定されて転流動作が行われる。つまり、回転子位置情報に基づいて最適な通電相が決定され、モータ駆動制御が行われる。
【００４２】
ホール素子Ｓ１〜Ｓ３のオンオフの切り替わりタイミングを進角の角度分だけずらして検出するようにしているので、モータ１６は進角制御され、正転方向の定常運転時にはモータ１６を高効率で駆動することができる。しかし、進角を進めると、モータ起動時には最大トルクが発生する通電パターンとは異なり、起動トルクが低下することになる。
【００４３】
図１２は回転子の回転に伴って回転子に加わる負荷トルクの変動例を示すタイムチャートである。例えば、モータ１６を正転させて、駆動空気圧縮機１０の圧縮空気生成部３０を駆動するときには、ピストン２２ａ，２２ｂに加わる抵抗力がモータ回転軸１７に加わるので、モータ起動時にもモータ回転軸１７には負荷が加わっている。しかも、回転子１８の回転に伴って、図１２に示すように、回転子１８に加わる負荷トルクが変動する。このため、モータ起動時のトルクが不足すると、円滑にモータを起動できなくなる可能性がある。
【００４４】
モータ起動時には、通常運転時よりも低い電圧を巻線に印加することにより、いわゆるソフトスタート制御を行うようにしている。モータ起動時に巻線に印加される電圧を低くして、電圧をソフトスタート初期値つまり始動初期電圧の値に設定すると、発生トルクも小さくなるので、モータ回転軸１７に負荷が加わっていると、円滑にモータを起動させることができなくなる可能性がある。
【００４５】
図１２において、回転子１８が符号Ａで示す角度のときにモータ１６を正転方向に起動させると、回転子１８に加わる負荷トルクは、回転に伴って減少することになる。このように、負荷減少傾向のもとでモータを起動させるときには、低い起動トルクでモータ１８を正転方向に起動させることができる。これに対し、回転子１８が符号Ｂで示す角度のときにモータ１６を正転方向に起動させると、回転子１８に加わる負荷トルクは、回転に伴って増加することになる。このように、負荷増加傾向のもとでモータ１６を起動させるときには、回転子１８に加わる負荷トルクにより、モータ１６を円滑に起動させることができない場合がある。
【００４６】
そこで、所定の通電相の巻線に通電してモータ１６を起動させたにもかかわらず、回転子１８の回転が検出されないときには、モータ起動時の通電相とは異なる通電相に通電するようにしてモータを起動させる。ここで、回転子１８が１８０度に満たない角度だけ回転して、その後回転が検出されなくなった場合も、回転が検出されないときと同様に以下の制御をおこなうようにしても良い。
【００４７】
このモータ起動方式としては、正転方向へのモータ起動時に回転子１８の正転方向への回転が検出されないときには、回転子１８を所定の逆転位置まで逆転させてから、回転子１８を正転方向に通電する。このときの回転子１８の逆転位置の判定は、回転子１８を一定の角度逆転させるようにしたり、巻線に一定時間通電したりすることにより行う。このモータ起動方式を、逆転位置判定方式とする。この逆転位置判定方式によると、例えば、図１２において符号Ｂで示す回転子１８の角度のもとで、回転子１８を正転させたが、回転子１８が符号Ｃの位置で停止し、正転方向へ回転させることができなかったときには、矢印Ｄで示す方向に回転子１８を逆転する。逆転により回転子１８に正転方向の負荷トルクが加わると、逆転後に回転子１８を正転させたときに、回転子１８には負荷トルクが正転方向に加わるので、確実に回転子１８を正転させることができる。
【００４８】
さらに、他のモータ起動方式としては、正転方向へのモータ起動時に回転子１８の正転方向への回転が検出されないときには、まず、回転子１８を逆転させ、次いで、逆転により回転子１８に判定負荷以上の負荷トルクが加わったときには、正転方向に回転子１８を駆動する。このモータ起動方式を、逆転負荷判定方式とする。この逆転負荷判定方式によると、例えば、図１２において符号Ｂで示す回転子１８の角度のもとで、回転子１８を正転させたが、回転子１８が符号Ｃの位置で停止し、正転方向へ回転させることができなかったときには、矢印Ｄで示す方向に回転子１８を逆転する。回転子１８が符号Ｅの位置まで逆転して回転子１８に判定負荷Ｆ以上の負荷トルクが加わったときには、正転方向に回転子１８を駆動する。この方式によっても、確実に回転子１８を正転させることができる。ただし、回転子１８を逆転させたときに、判定負荷以上の負荷が加わる前に、上述した逆転位置が判定されたときには、逆転位置判定方式を優先して逆転位置を決定する方式としても良い。回転子１８に加わる負荷は、モータ電流を検出することにより、求められる。
【００４９】
図１３はモータ起動制御方式のアルゴリズムの１つの具体例を示すフローチャートである。図１３に示されるように、ステップＳ１において電源スイッチのオンが判定されると、モータ回転方向を正転方向に設定し、回転子１８の固定子１９に対する回転角度に応じた所定の通電相の巻線に通電が開始される（ステップＳ２，Ｓ３）。例えば、モータ起動時における回転子位置情報が図１０に示す「０」であると判定されたときには、「Ｕ＋相・Ｗ−相」の通電相の巻線に電力が供給される。ステップＳ４において、通電開始によりモータの回転が検出されたら、起動処理が円滑に行われたことになり、ステップＳ５の通常運転が実行される。回転子１８の起動が完了するまでのモータ１６の起動処理には、ソフトスタートを行うために、ステップＳ３において、インバータ回路５１における各スイッチング素子のゲートに印加されるＰＷＭのデューティ比が１０〜２０％に設定される。つまり、モータ起動処理時つまり始動処理時には、巻線に最大電圧の１０〜２０％の始動電圧が供給される。ステップＳ５の通常運転となったとき始動電圧よりも高い電圧が供給されて、モータ回転軸１７の回転速度は高められる。これにより、空気圧縮機１０の圧縮空気生成部３０が駆動されて、空気タンク１２ａ，１２ｂには圧縮空気が溜められる。作業者により電源スイッチがオフされたら、モータ１６は停止される（ステップＳ６，Ｓ７）。
【００５０】
一方、ステップＳ８において、正転方向に通電してから所定の判定時間、例えば１秒程度経過してもモータ１６が正転していないと判定されたときには、モータ回転方向が逆転方向に設定され、異なる通電相である逆転方向の通電相に通電が開始される（ステップＳ９，Ｓ１０）。逆方向への通電開始により回転子１８が９０度逆方向に回転したことが検出されたら、モータ回転方向が正転方向に切り替えられて、通常運転が実行される。モータを逆転するときにおける巻線への印加電圧を、上述したモータ始動時の電圧よりも低い電圧としても良い。また、逆転した後に正転方向に駆動するときには、最初に正転させたときよりも印加電圧を高めるようにしても良い。モータ起動時の通電相とは異なる通電相に通電することによって、回転子１８を逆方向に回転して位置検出ができるため、起動時に回転子１８が停止していた位置によらず、正確な回転位置検出が可能になる。それにより、確実にモータ起動をおこなうことができる。また、回転子１８を逆回転させてから正回転させることで、回転子１８が正回転方向に負荷トルクのピークを超えるための回転区間をとることができるためより一層確実なモータ起動を実現している。
【００５１】
さらに、回転子１８の逆転する量は回転位置検出センサの検出結果に基づいて所定の回転位置までとすることができる。本実施例においては、図２に示すようにモータ回転軸１７にコネクティングロッド２３ａ，２３ｂが１８０度の位相差で取り付けられているため、回転子１８が逆転する角度を９０度以内の所定の角度とすることで、ピストン２２ａ，２２ｂの位相変化を９０度以下となる。従って、逆方向への回転時に負荷トルクのピークを超えない範囲で、回転子１８が正回転方向に負荷トルクのピークを超えるための回転区間をとることができる。
【００５２】
ステップＳ１２において、判定時間が経過しても、モータが９０度逆転しないことが判定されたら、モータのロック保護のために、通電が停止される（ステップＳ１３）。ステップＳ１４において電源スイッチがオフされると、ステップＳ１に戻される。ステップＳ１３における判定時間も、１秒程度に設定されている。ただし、それぞれの判定時間としては、１秒に限られることはなく、判定時間を２秒またはそれ以上としても良い。
【００５３】
図１４はモータ起動制御方式のアルゴリズムの他の具体例を示すフローチャートである。図１４に示すモータ起動制御方式は、ステップＳ１０ａを有することを除いて、図１３に示したモータ起動方式と同様である。図１４においては、図１３における各処理と同一の処理を行うステップには、同一の符号が付されており、重複した説明を省略する。図１４に示されるモータ起動制御方式は、図１３に示した方式が上述した逆転位置判定方式であるのに対し、上述した逆転負荷判定方式である。
【００５４】
ステップＳ１０ａにおいては、逆転方向に通電を開始してから、逆転により回転子１８に判定負荷以上の負荷トルクが加わったことが検出されたら、ステップＳ５の通常運転が実行される。一方、逆転方向に通電を開始してから、回転子１８に加わる負荷が判定負荷に到達する前に、回転子１８が９０度逆転したことが、ステップＳ１１で判定されたら、ステップＳ５の通常運転が実行される。これにより、回転子１８は正転方向に駆動される。
【００５５】
このように、正転方向に回転子１８を始動させたにもかかわらず、モータを起動させることができなかったときには、回転子１８を逆転させて回転子１８に正転方向に加わる負荷トルクを回転子１８に蓄積した後に、回転子１８を正転方向に再度回転させる。このように、回転子１８に加わる負荷トルクを利用して正転方向に再起動させることにより、通常運転時よりも低い電圧で、モータ１６を確実に起動させることができる。
【００５６】
回転子１８に加わる負荷トルクを利用する形態としては、モータ起動時に正転させることなく、まず逆転させて負荷トルクを回転子１８に蓄積し、その後にモータを正転駆動するモータ起動方式もある。
【００５７】
いずれの起動方式においても、確実にモータ１６を起動させることができる。これにより、図１〜図３に示した空気圧縮機１０を円滑に起動させることができる。
【００５８】
空気圧縮機１０としては、図１〜図３に示したようにピストン２２ａ，２２ｂを往復動させるようにした往復式の空気圧縮機のみに限られない。例えば、径方向に移動自在のベーンが設けられたロータをモータ回転軸により駆動するようにしたベーン形のような回転式の空気圧縮機、および径方向にブレードが設けられた羽根車をモータ回転軸により駆動するようにした遠心式の空気圧縮機のモータの制御にも、この発明を適用することができる。
【００５９】
本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。例えば、この発明は空気圧縮機に搭載されるモータ１６の起動を制御するために適用されているが、インパクトドライバ等のように、モータを駆動源とする動力工具つまり電動工具に搭載されるモータの起動を制御するためにも適用することができる。また、モータ１６としては、永久磁石同期モータのみならず、リラクタンスモータをも使用することができる。上述したモータ１６は４極の３相ブラシレスモータであるが、極数や相数はこれに限られることはない。
【符号の説明】
【００６０】
１０…空気圧縮機、１１…基台、１２ａ，１２ｂ…空気タンク、１３…脚部、１４ａ，１４ｂ…ハンドル部、１５…駆動ボックス、１６…モータ、１７…モータ回転軸、１８…回転子、１９…固定子、２１ａ，２１ｂ…シリンダ、２２ａ，２２ｂ…ピストン、２３ａ，２３ｂ…コネクティングロッド、２４ａ，２４ｂ…偏心カム、２５ａ，２５ｂ…駆動室、２６ａ，２６ｂ…シリンダヘッド、２７ａ，２７ｂ…逆止弁、２８ａ，２８ｂ…吐出室、２９ａ，２９ｂ…配管、３０…圧縮空気生成部、３１ａ，３１ｂ…冷却ファン、３２…制御基盤、３３…カバー、３４ａ，３４ｂ…カプラ、３５ａ，３５ｂ…減圧弁、３７…操作パネル、４１…永久磁石、４２…基部、４３…アーム部、４４…巻線、５１…インバータ回路、５２…商用電源、５４…整流回路、５５…力率改善回路（ＰＦＣ）、６１…モータ制御ユニット、６２…コントローラ、６３…制御信号出力回路、６４…操作スイッチ、６５…操作スイッチ検出回路、６６…回転子位置検出回路、６７…モータ回転数検出回路、６８…モータ電流検出回路。
【図１】
2015065730.tif 000003
【図２】
2015065730.tif 000004
【図３】
2015065730.tif 000005
【図４】
2015065730.tif 000006
【図５】
2015065730.tif 000007
【図６】
2015065730.tif 000008
【図７】
2015065730.tif 000009
【図８】
2015065730.tif 000010
【図９】
2015065730.tif 000011
【図１０】
2015065730.tif 000012
【図１１】
2015065730.tif 000013
【図１２】
2015065730.tif 000014
【図１３】
2015065730.tif 000015
【図１４】
2015065730.tif 000016