JP7500388B2 - 電動作業機 - Google Patents
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Description
また、サージエネルギーのバラツキ要因は多々存在する。このため、サージキラーコンデンサの静電容量を、サージ吸収に必要な最小容量に対し十分なマージンを持った値としなければ、故障リスクを低減できないという制約がある。
モータは、バッテリから電力の供給を受けて駆動するように構成される。サージキラーコンデンサは、バッテリの正極からモータに至る電源ラインと、バッテリの負極からモータに至るグランドラインとの間で、モータに対して並列接続される。
電動作業機は、バッテリからモータへの通電を、所定のPWM周波数にてPWM制御するように構成された通電制御部と、電界効果トランジスタのオン状態とオフ状態とを切り替える切替制御を実行するように構成されたトランジスタ制御部とを備えてもよい。またトランジスタ制御部は、通電制御部がPWMデューティに従ってバッテリからモータへの通電を遮断するPWMオフ動作を実行する直前、または、PWMオフ動作の直後に、電界効果トランジスタをオン状態にしてもよい。またトランジスタ制御部は、通電制御部がPWMデューティに従ってバッテリからモータへ通電させるPWMオン動作を実行する前に、電界効果トランジスタをオフ状態にしてもよい。これにより、本開示の電動作業機は、サージ発生中にダイオードを短絡することができ、サージ電流によるダイオードの発熱を低減することができる。
ダイオードは、サージキラーコンデンサと、グランドラインとの間で、アノードがサージキラーコンデンサに接続されてもよいし、電源ラインと、サージキラーコンデンサとの間で、カソードがサージキラーコンデンサに接続されてもよい。
サージ電圧読込ポートは、電源ラインとグランドラインと間に生じるサージ電圧の大きさに応じた値のサージ電圧検出信号が入力されるように構成される。バッテリ電圧読込ポートは、バッテリの電圧であるバッテリ電圧の大きさに応じた値のバッテリ電圧検出信号が入力されるように構成される。
ポート異常判断部は、設定ポートの電圧レベルをハイレベルまたはローレベルに設定する前と後とで非設定ポートの電圧が変化した場合に、当該電動作業機で異常が発生していると判断するように構成される。設定ポートは、サージ電圧読込ポートおよびバッテリ電圧読込ポートのうち、出力設定部が電圧レベルをハイレベルまたはローレベルに設定したポートである。非設定ポートは、サージ電圧読込ポートおよびバッテリ電圧読込ポートのうち、出力設定部が電圧レベルをハイレベルまたはローレベルに設定しなかったポートである。
以下に本開示の例示的な第1実施形態を図面とともに説明する。
本実施形態の電動作業機1は、図1に示すように、被加工部材を切断するために使用されるマルノコである。
制御ユニット20は、モータドライバ21、制御回路22、レギュレータ23、電源ライン24、グランドライン25、サージキラーコンデンサC1、ダイオードD1,D2、抵抗器R1およびコンデンサC2を備える。
グランドライン25は、グランド端子20bからモータドライバ21を通ってモータ11に至る電流経路である。
サージキラーコンデンサC1は、バッテリ12の内部インダクタンスのエネルギーを吸収し、サージ電圧の上昇を抑制する。
ラインインダクタンスを1uH、ラインインダクタンスに流れる電流を100A、ラインインダクタンスに蓄えられたエネルギー全てが、サージキラーコンデンサC1に移送された時の、サージキラーコンデンサC1において許容される電圧上昇の最大値を20Vとすると、式(1)に示すように、サージキラーコンデンサC1の最小容量は25μFとなる。
ダイオードD1のカソードはグランドライン25に接続される。抵抗器R1は、ダイオードD1に対して並列に接続される。そして抵抗器R1の抵抗値は、サージキラーコンデンサC1と抵抗器R1とにより形成される回路のカットオフ周波数がモータドライバ21のPWM周波数より高くなるように設定される。
モータ電流は、モータ11の巻線(以下、モータ巻線)に流れる電流である。PWMオン動作期間にモータ巻線に流れた電流は、PWMオンからPWMオフへ変化しても、巻線インダクタンスとモータドライバ21内に形成される還流路により、PWMオフ動作期間も還流される。このため、モータ巻線には一定電流が流れ続ける。
また、時刻t2および時刻t4でPWMオン動作からPWMオフ動作に切り替わると同時に、モータ電流と同じ大きさのコンデンサ充電電流が流れた後、急速に0Aに収束する。すなわち、時刻t2および時刻t4でPWMオン動作からPWMオフ動作に切り替わる直前にバッテリ電流として流れていたモータ電流は、PWMオフと同時にサージキラーコンデンサC1の充電電流として同じ大きさの電流がバッテリ電流として流れるため、バッテリ電流の急激な変化は発生せず、過大なサージ電圧は発生しない。換言すれば、サージエネルギーがサージキラーコンデンサC1に吸収(すなわち、充電)される。これにより、コンデンサ電圧が増加する。その後、ダイオードD1に対して並列に接続された抵抗器R1を介してサージキラーコンデンサC1が放電されるため、コンデンサ電圧が徐々に減少していく。なお、サージ電圧吸収により、コンデンサ電圧がバッテリ電圧より高くなるため、サージキラーコンデンサC1がバッテリ12から充電されることはない。
PWMオン動作と同時に発生するバッテリ電圧の瞬停を許容できれば、サージキラーコンデンサC1の静電容量によらず、サージキラーコンデンサC1に流れる充電電流をサージ電流だけに制限することができる。なお、制御回路22の電源はレギュレータ23とダイオードD2とコンデンサC2によりバックアップされており、バッテリ電圧の瞬停が発生しても、現実的な問題はない。
サージキラーコンデンサC10の静電容量は、サージキラーコンデンサとして十分な容量であり、数100μFである。
時刻t1および時刻t3でPWMオフ動作からPWMオン動作に切り替わると、バッテリ電流が0Aから増加する。但し、バッテリ電流の立ち上がり時間は、電動作業機1のバッテリ電流よりも遅い。また、PWMオンと同時に、モータ電流と同じ大きさのコンデンサ放電電流が流れ、その後、徐々に0Aに収束する。また、バッテリ電圧およびコンデンサ電圧は、瞬間的に減少する。
バッテリ電流は、PWMオフ動作およびPWMオン動作に関わらず、モータ電流より小さい一定電流値を維持する。
バッテリ電圧およびコンデンサ電圧は、PWMオフ動作およびPWMオン動作に関わらず、一定電圧値を維持する。
時刻t1および時刻t3でPWMオフ動作からPWMオン動作に切り替わると、バッテリ電流は、0Aからモータ電流の電流値を超えて急速に増加する。増加が止まると、バッテリ電流は、モータ電流の電流値に急速に収束する。
モータ11は、バッテリ12から電力の供給を受けて駆動する。サージキラーコンデンサC1は、バッテリ12の正極PEからモータ11に至る電源ライン24と、バッテリ12の負極NEからモータ11に至るグランドライン25との間で、モータ11に対して並列接続される。
以下に本開示の第2実施形態を図面とともに説明する。なお第2実施形態では、第1実施形態と異なる部分を説明する。共通する構成については同一の符号を付す。
コンデンサC3は、ダイオードD1に対して並列に接続される。コンデンサC3の静電容量は、サージキラーコンデンサC1の静電容量より小さい。
図11に示すように、時刻t1および時刻t3でPWMオフ動作からPWMオン動作に切り替わると、バッテリ電流が0Aから増加する。但し、バッテリ電流の立ち上がり時間は、ドライバ電流よりも遅い。
時刻t1および時刻t3でPWMオフ動作からPWMオン動作に切り替わると、バッテリ電圧およびコンデンサ電圧は、瞬間的に減少し、その後、PWMオフ動作からPWMオン動作に切り替わる前におけるバッテリ電圧の一定電圧値に収束する。このように、PWMオン動作と同時に、直列接続されたサージキラーコンデンサC1とコンデンサC3との合成コンデンサが放電し、コンデンサ電圧が減少する。なお、PWMオン動作時にモータドライバ21へ流れるラッシュ電流は合成コンデンサから供給されるので、瞬停するまでの電圧降下は発生しない。
時刻t2および時刻t4でPWMオン動作からPWMオフ動作に切り替わると同時に、モータ電流と同じ大きさのコンデンサ充電電流が流れた後、0Aに収束する。
コンデンサC3は、ダイオードD1に対して並列接続され、サージキラーコンデンサC1に蓄積された電荷を放出する。
[第3実施形態]
以下に本開示の第3実施形態を図面とともに説明する。なお第3実施形態では、第1実施形態と異なる部分を説明する。共通する構成については同一の符号を付す。
抵抗器R3の第2端は、サージキラーコンデンサC1の第2端に接続される。Nチャネル型電界効果トランジスタM1のソースは、サージキラーコンデンサC1の第2端、および、ツェナーダイオードZD1のアノードに接続される。Nチャネル型電界効果トランジスタM1のドレインはグランドライン25に接続される。
制御回路22のCPU22aは、PWMタイマ割込処理を実行する。PWMタイマ割込処理は、後述するPWMタイマに設定された時間が経過したときに実行される。
またS30にて、M1FETオン動作フラグがクリアされている場合には、CPU22aは、S90にて、現時点のPWMデューティをRAM22cから読み込む。そしてCPU22aは、S100にて、読み込んだPWMデューティに基づいてオン動作時間を算出し、算出されたオン動作時間をPWMタイマに設定する。これにより、オン動作時間が経過するとPWMタイマ割込が発生する。
また制御回路22のCPU22aは、M1FETタイマ割込処理を実行する。M1FETタイマ割込処理は、M1FETタイマに設定された時間が経過してM1FETタイマ割込が発生したときに実行される。
そしてCPU22aは、S340にて、S310で読み込んだバッテリ電圧検出信号の電圧に基づいて算出したバッテリ電圧値、または、S320で読み込んだサージ電圧検出信号の電圧に基づいて算出したサージ電圧値が0.5V以下であるか否かを判断する。すなわち、CPU22aは、S340にて、地絡故障チェックを行う。ここで、0.5Vは通常のバッテリではとり得ることのない電圧値である。
また制御回路22のCPU22aは、第2バッテリ電圧チェック処理を実行する。第2バッテリ電圧チェック処理は、モータ11が駆動しているときに繰り返し実行される処理である。
図17に示すように、時刻t1および時刻t3でPWMオフ動作からPWMオン動作に切り替わると、バッテリ電流が0Aから増加する。但し、バッテリ電流の立ち上がり時間は、ドライバ電流よりも遅い。
時刻t2および時刻t4でオン動作からオフ動作に切り替わると、バッテリ電流が0Aまで減少する。但し、バッテリ電流の立ち下がり時間は、ドライバ電流よりも遅い。
時刻t2および時刻t4でPWMオン動作からPWMオフ動作に切り替わると、バッテリ電圧は、瞬間的に増加する。このときにNチャネル型電界効果トランジスタM1がオン状態になっているため、PWMオフ動作と同時に発生するサージ電流は、Nチャネル型電界効果トランジスタM1の寄生ダイオードPD1には流れず、ダイオード損失は発生しない。
また、S370は本開示における出力設定部の一例としての処理に相当し、S390は本開示における異常判断部の一例としての処理に相当し、バッテリ電圧読込ポートP1は本開示における設定ポートの一例に相当し、サージ電圧読込ポートP2は本開示における非設定ポートの一例に相当する。
例えば上記実施形態では、PWMオン動作を実行する前にNチャネル型電界効果トランジスタM1をオン状態にする形態を示した。しかし、PWMオン動作の実行と同時に、Nチャネル型電界効果トランジスタM1をオン状態にしてもよい。
Claims (11)
- 電動作業機であって、
バッテリから電力の供給を受けて駆動するように構成されたモータと、
前記バッテリの正極から前記モータに至る電源ラインと、前記バッテリの負極から前記モータに至るグランドラインとの間で、前記モータに対して並列接続されるサージキラーコンデンサと、
前記サージキラーコンデンサに対して直列接続されるダイオードと、
前記ダイオードに対して並列接続され、前記サージキラーコンデンサに蓄積された電荷を放出するように構成された放電路と
を備え、
前記ダイオードが前記サージキラーコンデンサと前記グランドラインとの間で直列接続される場合には、前記ダイオードのアノードが前記サージキラーコンデンサに接続され、
前記ダイオードが前記電源ラインと前記サージキラーコンデンサとの間で直列接続される場合には、前記ダイオードのカソードが前記サージキラーコンデンサに接続される電動作業機。 - 請求項1に記載の電動作業機であって、
前記放電路は抵抗器を含む電動作業機。 - 請求項1に記載の電動作業機であって、
前記放電路はコンデンサを含む電動作業機。 - 請求項1に記載の電動作業機であって、
前記ダイオードおよび前記放電路が電界効果トランジスタにより形成され、
前記ダイオードは、前記電界効果トランジスタの寄生ダイオードであり、
前記寄生ダイオードが前記サージキラーコンデンサと前記グランドラインとの間で直列接続される場合には、前記寄生ダイオードのアノードが前記サージキラーコンデンサに接続されるようにして、前記電界効果トランジスタが前記サージキラーコンデンサに対して直列接続され、
前記寄生ダイオードが前記電源ラインと前記サージキラーコンデンサとの間で直列接続される場合には、前記寄生ダイオードのカソードが前記サージキラーコンデンサに接続されるようにして、前記電界効果トランジスタが前記サージキラーコンデンサに対して直列接続され、
前記電界効果トランジスタがオン状態になることにより、前記放電路が形成される電動作業機。 - 請求項2に記載の電動作業機であって、
前記バッテリから前記モータへの通電を、所定のPWM周波数にてPWM制御するように構成された通電制御部を備え、
前記サージキラーコンデンサと前記抵抗器とにより形成される回路のカットオフ周波数は、前記PWM周波数より高い電動作業機。 - 請求項3に記載の電動作業機であって、
前記放電路として機能する前記コンデンサの静電容量は、前記サージキラーコンデンサの静電容量より小さい電動作業機。 - 請求項4に記載の電動作業機であって、
前記バッテリから前記モータへの通電を、所定のPWM周波数にてPWM制御するように構成された通電制御部と、
前記電界効果トランジスタのオン状態とオフ状態とを切り替える切替制御を実行するように構成されたトランジスタ制御部とを備え、
前記トランジスタ制御部は、
前記通電制御部がPWMデューティに従って前記バッテリから前記モータへの通電を遮断するPWMオフ動作を実行する直前、または、前記PWMオフ動作の直後に、前記電界効果トランジスタをオン状態にするように構成され、
前記通電制御部が前記PWMデューティに従って前記バッテリから前記モータへ通電させるPWMオン動作を実行する前に、前記電界効果トランジスタをオフ状態にするように構成される電動作業機。 - 請求項4に記載の電動作業機であって、
前記バッテリから前記モータへの通電を、所定のPWM周波数にてPWM制御するように構成された通電制御部と、
前記電界効果トランジスタのオン状態とオフ状態とを切り替える切替制御を実行するように構成されたトランジスタ制御部とを備え、
前記トランジスタ制御部は、
前記通電制御部がPWMデューティに従って前記バッテリから前記モータへ通電させるPWMオン動作を実行する前、または、前記PWMオン動作の実行と同時に、前記電界効果トランジスタをオン状態にするように構成され、
前記電界効果トランジスタをオン状態にした後に、前記電界効果トランジスタをオフ状態にするように構成される電動作業機。 - 請求項1~請求項8の何れか1項に記載の電動作業機であって、
前記モータが駆動を停止しているときに、前記電源ラインと前記グランドラインと間に生じるサージ電圧と、前記バッテリの電圧であるバッテリ電圧とを測定するように構成された停止時電圧測定部と、
前記停止時電圧測定部により測定された前記サージ電圧または前記バッテリ電圧が、予め設定された第1異常判断値以上であるか、前記第1異常判断値より小さくなるように設定された第2異常判断値以下である場合に、当該電動作業機で異常が発生していると判断するように構成された電圧異常判断部とを備える電動作業機。 - 請求項1~請求項9の何れか1項に記載の電動作業機であって、
前記モータが駆動しているときに、前記電源ラインと前記グランドラインと間に生じるサージ電圧と、前記バッテリの電圧であるバッテリ電圧とを測定するように構成された駆動時電圧測定部と、
前記駆動時電圧測定部により測定された前記サージ電圧と前記バッテリ電圧との電圧差が予め設定された許容範囲外である場合に、当該電動作業機で異常が発生していると判断するように構成された電圧差異常判断部とを備える電動作業機。 - 請求項1~請求項10の何れか1項に記載の電動作業機であって、
前記電源ラインと前記グランドラインと間に生じるサージ電圧の大きさに応じた値のサージ電圧検出信号が入力されるように構成されたサージ電圧読込ポートと、
前記バッテリの電圧であるバッテリ電圧の大きさに応じた値のバッテリ電圧検出信号が入力されるように構成されたバッテリ電圧読込ポートと、
前記サージ電圧読込ポートまたは前記バッテリ電圧読込ポートの電圧レベルをハイレベルまたはローレベルに設定するように構成された出力設定部と、
前記サージ電圧読込ポートおよび前記バッテリ電圧読込ポートのうち、前記出力設定部が前記電圧レベルをハイレベルまたはローレベルに設定したポートを設定ポートとし、前記出力設定部が前記電圧レベルをハイレベルまたはローレベルに設定しなかったポートを非設定ポートとして、前記設定ポートの前記電圧レベルをハイレベルまたはローレベルに設定する前と後とで前記非設定ポートの電圧が変化した場合に、当該電動作業機で異常が発生していると判断するように構成されたポート異常判断部とを備える電動作業機。
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