专利名称：电动机控制装置及使用该电动机控制装置的电动工具的制作方法
技术领域：
本发明涉及电动机的控制装置。尤其涉及通过自举式的驱动电路来驱动用来导通 /关断无刷电动机和直流电源的开关元件的控制装置。
背景技术：
本申请主张基于2008年1月8日提出的日本国专利申请第2008-000977号的优 先权。该申请的全部内容被加入到本申请说明书中用于参考。在日本特开2004-201453.号公报中公开了无刷电动机的控制装置。该控制装置 具备位置检测传感器，其检测电动机的旋转位置；栅极驱动型的上臂侧开关元件，其将电 动机的各端子与直流电源的正极导通/关断；栅极驱动型的下臂侧开关元件，其将电动机 的各端子与直流电源的负极导通/关断；处理电路，其向上臂侧开关元件和下臂侧开关元 件选择性地输出接通信号；上臂侧栅极驱动电路，其对处理电路输出的针对上臂侧开关元 件的接通信号进行电平移动，向所述上臂侧开关元件的栅极施加驱动电压；下臂侧栅极驱 动电路，其对处理电路输出的针对下臂侧开关元件的接通信号进行电平移动，向所述下臂 侧开关元件的栅极施加驱动电压；以及自举电容器，其在上臂侧开关元件断开时被充电，在 上臂侧开关元件接通时作为上臂侧栅极驱动电路的电压源发挥作用。另外，所述的处理电 路具备根据指示的电动机的目标旋转速度设定占空比的处理部和根据设定的占空比对输 出的接通信号进行脉宽调制的处理部，来调节电动机的旋转速度。在上述的电动机的控制装置中，在电动机因机械式锁定或过负载等而锁定的情况 下，上臂侧开关元件持续接通，所以自举电容器的放电继续下去导致其电压降低。若自举电 容器的电压降低，则不能对上臂侧开关元件施加足够的驱动电压。该情况下，上臂侧开关元 件的接通电阻急剧上升，存在上臂侧开关元件因自身的发热而导致烧损的情况。
发明内容
本发明鉴于上述问题，提供一种即使在电动机锁定的情况下也可防止开关元件的 烧损的电动机控制装置。通过本发明而具体化的电动机控制装置，具备位置检测传感器，其检测电动机的 旋转位置；栅极驱动型的上臂侧开关元件，其将电动机的各端子与直流电源的正极导通/ 关断；栅极驱动型的下臂侧开关元件，其将电动机的各端子与直流电源的负极导通/关断； 处理电路，其根据由所述位置检测传感器检测出的电动机的旋转位置，向所述上臂侧开关 元件以及所述下臂侧开关元件选择性地输出接通信号；上臂侧栅极驱动电路，其对所述处 理电路输出的针对上臂侧开关元件的接通信号进行电平移动，向所述上臂侧开关元件的栅 极施加驱动电压；下臂侧栅极驱动电路，其对所述处理电路输出的针对下臂侧开关元件的 接通信号进行电平移动，向所述下臂侧开关元件的栅极施加驱动电压；以及自举电容器，其 在所述上臂侧开关元件断开时被充电，在所述上臂侧开关元件接通时作为所述上臂侧栅极 驱动电路的电压源发挥作用。
处理电路具有设定处理部，其根据指示的电动机的目标旋转速度来设定占空比； PWM处理部，其根据设定的占空比对所述接通信号进行脉宽调制；以及计时处理部，其对位 置检测传感器的对检测位置进行更新的更新时间进行计时。设定处理部在占空比的设定值 在规定值(例如80%)以上、计时处理部的计时时间超过第一规定时间时，执行使该占空比 的设定值降低的处理。根据该控制装置，例如在电动机因机械式锁定或过负载等锁定了的情况下，即使 在目标旋转速度被设定为最大的情况下，也断续地使上臂侧开关元件断开。通过断续地使 上臂侧开关元件断开，从而可防止自举电容器因放电引起的电压降低，对上臂侧开关元件 持续施加足够的驱动电压。由此，防止上臂侧开关元件的烧损。处理电路的设定处理部优选在所述的使占空比的设定值降低的处理中，使占空比 的设定值降低10%到50%的幅度。由此，不用无用地过度降低电动机的输出，能防止自举电容器因放电引起的电压 降低。处理电路的设定处理部优选在执行所述的使占空比的设定值降低的处理后，在计 时处理部的计时时间小于第一规定时间时，根据指示的电动机的目标旋转速度再次设定占空比。根据该电动机控制装置，在除去了机械式的锁定或过负载等电动机再次开始旋转 的情况下，可以使电动机的旋转速度快速恢复到目标旋转速度。处理电路的设定处理部优选在执行使占空比的设定值降低的处理后，在计时处理 部的计时时间超过比第一规定时间长的第二规定时间时，将占空比的设定值设为0%。由此，能够避免对因机械式锁定或过负载等而不能旋转的电动机，持续无用地供 给电力。发明效果根据本发明，实现了一种即使在电动机锁定的情况下，也能防止开关元件的烧损 的电动机控制装置。
图1是电动改锥的侧截面图。图2是表示电动改锥的电结构的图。图3是表示微型计算机的功能结构的框图。图4是表示霍尔信号(hall signal)和接通信号之间的关系的时间表(占空比 100% )。图5是表示霍尔信号和接通信号之间的关系的时间表(占空比50% )。图6是表示设定占空比的处理的流程图。图7是表示在时刻P2使占空比降低，在时刻P3使电动机停止时的接通信号的时 间图。图8是表示在时刻P2使占空比降低，在时刻P4再次设定占空比时的接通信号的 时间图。
具体实施例方式首先，列举本发明的优选实施方式。(方式1)作为控制对象的电动机优选是DC三相无刷电动机。(方式2)开关元件优选采用η沟道型的绝缘栅极型场效应晶体管(n-MOSFET)或 绝缘栅极型双极型晶体管(IGBT)。(方式3)电动机控制装置中优选设置有设定目标旋转速度的机构。实施例参照附图对实施了本发明的电动改锥10进行说明。电动改锥10是电动工具的一 种，用于螺钉类的紧固作业。本实施例的电动改锥10是冲击方式的电动改锥(电动冲击改 锥)。图1是表示电动改锥10的结构的侧截面图。如图1所示，电动改锥10具备主体 12和可拆装地安装于主体12的电池组件50。主体12大致包括近似圆柱形的机体部14和 向机体部14的侧方伸出的把手部16。电池组件50安装在把手部16的前端。在主体12的机体部14，内置有能旋转地被支承的工具卡盘22、与工具卡盘22连 接的冲击机构24、与冲击机构24连接的减速机26和与减速机26连接的电动机32。工具 卡盘22从机体部14的一端(图1中的右侧)突出，能拆装改锥刀头(省略图示)。电动机 32经由减速机26和冲击机构24与工具卡盘22连接，使安装有改锥刀头的工具卡盘22旋 转。此时，电动机32的旋转转矩通过减速机26放大。电动机32是DC三相无刷电动机。在主体12的机体部14，设置有检测电动机32的旋转位置的位置检测传感器34。 位置检测传感器34具备固定于电动机32的多个磁体34a ；和固定于主体12侧的传感器 基板34b。在传感器基板34b，设有检测磁体34a的接近/离开的多个霍尔元件。随着电动 机32旋转，磁体34a反复与传感器基板34b的各霍尔元件接近/离开。每当电动机32旋 转规定的旋转角，位置传感器34更新并输出表示电动机32的旋转位置的检测信号(以下 称为霍尔信号HS)。在主体12的把手部16设有利用者操作所用的触发开关28 ；和根据施加到触发 开关28的操作来控制电动机32的动作的控制装置100。触发开关28是用于起动/停止电 动机32的操作部，并且也是用于调节电动机32的旋转速度的操作部。若利用者操作了触 发开关28的触发部件28a，电动机32开始旋转，若利用者使触发部件28a返回，电动机32 的旋转被中止。另外，若利用者大幅度操作触发部件28a，电动机32则以高速旋转，若利用 者小幅操作触发部件28a，电动机32则以低速旋转。图2是表示电动改锥10的电结构。如图2所示，在电动改锥10中，经由控制装置 100连接电动机32和电池组件50。控制装置100具备电连接电动机32和电池组件50的电动机驱动电路110。电动 机驱动电路110具备第一开关元件111，其导通/关断电动机32的U相端子32u和电池 组件50的正极50a ；第二开关元件112，其导通/关断电动机32的V相端子32v和电池组 件50的正极50a ；第三开关元件113，其导通/关断电动机32的W相端子32w和电池组件 50的正极50a ；第四开关元件114，其导通/关断电动机32的U相端子32u和电池组件50 的负极50b ；第五开关元件115，其导通/关断电动机32的V相端子32v和电池组件50的 负极50b ；以及第六开关元件116，其导通/关断电动机32的W相端子32w和电池组件50的负极50b。这些开关元件111-116是η沟道型的绝缘栅极型场效应晶体管(MOSFET)。其 中，开关元件111-116例如也可以使用绝缘栅极型双极型晶体管(IGBT)等其他的栅极驱动 型的半导体开关元件。在本说明书中，将导通/关断电动机32的各端子32u、32v、32w和电池组件50的 正极的第一开关元件111、第二开关元件112以及第三开关元件113统称为上臂侧开关元件 111-113，将导通/关断电动机32的各端子32u、32v、32w和电池组件50的负极的第四开关 元件114、第五开关元件115以及第六开关元件116统称为下臂侧开关元件114-116。控制装置100具备微型计算机150。在微型计算机150上连接有触发开关28和 位置检测传感器34，使得从触发开关28输入触发信号TG，从位置检测传感器34输入霍尔 信号HS。这里，触发信号TG是指从触发开关28输出的电压信号，根据触发部件28a的操 作量而变动。即，触发信号TG表示利用者所希望的电动机32的目标旋转速度。微型计算 机150根据触发信号TG以及霍尔信号HS，选择性地输出针对开关元件111-116的接通信号 UH、VH、WH、UL、VL、WL。关于微型计算机150将在后面详细说明。控制装置100具备分别对电动机驱动电路110的开关元件111-116进行驱动的六 个栅极驱动电路121-126。栅极驱动电路121-126分别对微型计算机150输出的针对开关 元件111-116的接通信号UH、VH、WH、UL、VL、WL进行电平移动，向开关元件111-116的栅 极施加驱动电压。所述这些六个栅极驱动电路121-126是具有相同构造的电平移动电路。 例如，第一开关元件111用的栅极驱动电路121从信号输入端子121c输入二值的电压信 号，从信号输出端子121d输出以第一电压输入端子121a和第二电压输入端子121b之间的 电压变动的二值的电压信号。如图2所示，第一电压输入端子121a与电池组件50的正极 50a连接，第二电压输入端子121b与第一开关元件111的源极连接。其他的栅极驱动电路 122-126也具有同样的结构和功能，同样地针对各开关元件112-126设置。如图2所示，在上臂侧开关元件111-113用的栅极驱动电路121-123分别设有自 举电路131-133。自举电路131-133分别具有自举电容器131a_133a和二极管131b_133b。 自举电容器131a-133a分别连接于栅极驱动电路121-123的第一电压输入端子121a_123a 和第二电压输入端子121b-123b之间。另外，二极管131b-133b分别介于自举电容器 131a-133a和电池组件50的正极50a之间。另外，二极管131b_133b设置在不介于自举电 容器131a-133a和栅极驱动电路121-123的第一电压输入端子121a_123a之间。各自举电 容器131a-133a在对应的上臂侧开关元件111-113断开时被充电，在对应的上臂侧开关元 件111-113接通时，作为所述栅极驱动电路121-123的电压源发挥作用。即，在上臂侧开关 元件111-113接通时，所述栅极驱动电路121-123的第一电压输入端子121a_123a的电压 升压为比电池组件50的正极50a高。由此，即使在上臂侧开关元件111-113接通时，也向 上臂侧开关元件111-113的栅极施加足够的驱动电压。接着，对微型计算机150进行说明。图3是表示微型计算机150的功能构成的框 图。如图3所示，微型计算机150功能性地具备接通信号生成部152、占空比设定部154和 计时器156。接通信号生成部152根据来自位置检测传感器34的霍尔信号HS，生成向开关元件 111-116输出的接通信号UH、VH、WH、UL、VL、WL。在图4中，例示了位置检测传感器34更新 霍尔信号HS的定时、和接通信号生成部152生成的接通信号UH、VH、WH、UL、VL、WL之间的关系。另外，如图5所示，接通信号生成部152根据由占空比设定部154设定的占空比，可 以对向上臂侧开关元件111-113输出的接通信号UH、VH、WH进行脉宽调制。由此，调节电动 机32的旋转速度。占空比设定部154根据来自触发开关28的触发信号TG，来设定所述的占空比。另 外，根据计时器156的计时时间，对设定的占空比进行增减调整。这里，计时器156输入从 位置检测传感器34输出的霍尔信号HS，对更新霍尔信号HS的时间间隔进行计时。电动机 32的旋转速度越慢，计时器156的计时时间越长。另外，在计时器156的计时时间非常长的 情况下，可以推定为电动机32因机械式锁定或过负载等而锁定。图6是表示占空比设定部154设定占空比的处理流程的流程图。占空比设定部 154在利用者操作触发开关28的期间，执行图6所示的处理流程。首先，在步骤SlO中，占空比设定部154从触发开关28输入触发信号TG。接着，在步骤S20中，占空比设定部154根据输入的触发信号TG设定占空比。接着，在步骤S30中，若占空比设定部154设定的占空比在80%以上，则进入步骤 S40的处理，若设定的占空比没有在80%以上，则返回步骤SlO的处理。S卩，若设定的占空 比没有在80%以上，则根据从触发开关28输入的触发信号TG反复执行占空比的设定。这 里，与80%以上的占空比相关的判定基准，作为能引起上臂侧开关元件111-113的烧损的 占空比的范围，预先存储于占空比设定部154中。与占空比相关的判定基准，并非限定于本 实施例那样的80%以上，可以根据电动工具10的结构适当设定。是作为阈值预先存储于占 空比设定部154中的值。另一方面，在进入了步骤S40的处理的情况下，占空比设定部154确认计时器156 的计时时间。然后，若计时器156的计时时间在第一规定时间Tl以上，则进入步骤S50的 处理，若没有超过第一规定时间Tl，则返回步骤SlO的处理。这里，在第一规定时间Tl以上 的判定基准，作为推定为电动机32停止的时间，预先存储于占空比设定部154中。第一规 定时间Tl例如可以设定为数十微秒左右。即，在该步骤S40中，通过占空比设定部154，判 断电动机是否停止。然后，在判断为电动机32停止的情况下，进入步骤S50的处理。在进入了步骤S50的处理的情况下，占空比设定部154将设定为80%以上的占空 比降低到70%。由此，如图7所示，针对上臂侧开关元件111-113的接通信号UH、VH、WH通 过脉宽调制被变更为脉冲信号列。这里，图7中的时刻Pl表示霍尔信号HS最后被更新的 时刻，时刻P2表示从时刻Pl经过了第一规定时间Tl后的时刻。这里，在步骤S50的处理中使占空比降低的幅度不限定于10%。只要不将电动机 的输出无用地过度降低，在能防止自举电容器因放电引起的电压降低的范围即可，具体而 言，设定在10%到50%的范围为好。另外，在电动改锥10这样的电动工具中，利用者立刻能感受到电动机的输出降低 了。由此，通过在步骤S50的处理中使占空比降低，从而可以向利用者通报对电动机32的 负载过大。但是，若使占空比过大降低，由于来自电动改锥10的反力急剧降低，所以也能引 起利用者失去平衡的情况。从这些观点出发，使占空比降低的幅度优选在10% -50%的范围。如图7所示，例如在100%的占空比下进行运转中因机械式锁定等使得电动机32 锁定的话，在上臂侧开关元件111_113(图7的情况下为两个上臂侧开关元件111、112)长时间持续接通。若该状态持续，自举电容器131a_133a会持续放电，自举电容器131a_133a 的电压降低。这样的放电引起的自举电容器131a_133a的电压降低并不限于占空比被设 定为100%的情况，在占空比被设定为80%以上比较高的值的情况下也能引起上述电压降 低。若自举电容器131a-133a的电压降低，则不能向上臂侧开关元件111-113施加足够的 驱动电压。在该情况下，会导致在上臂侧开关元件111-113的接通电阻急剧上升，上臂侧开 关元件111-113因自身的发热而烧损。对此，若在判断为电动机32停止的时刻(P2)使占 空比降低，使上臂侧开关元件111-113断续地断开，则自举电容器131a-133a被充电，维持 其电压。由此，可以防止上臂侧开关元件111-113的烧损。接着，在步骤S60中，占空比设定部154确认计时器156的计时时间。若计时器 156的计时时间在第一规定时间Tl以上，则进入步骤S70的处理，若没有超过第一规定时 间Tl，则返回步骤SlO的处理。另外，即使在步骤S70中，占空比设定部154也确认计时器 156的计时时间。然后，若计时器156的计时时间在第二规定时间T2以上，则进入步骤S80 的处理，若没有超过第一规定时间Tl，则返回步骤S60的处理。这里，第二规定时间T2被 设定为比第一规定时间Tl长。通过该步骤S60、S70的处理，占空比设定部154判断电动机 32是否还继续处于停止状态，还是电动机32再次开始旋转。在计时器156的计时时间在第二规定时间T2以上的情况下(在步骤S70的处理 中“是”)，判断为电动机32依然停止。此时，占空比设定部154进入步骤S80的处理，将占 空比设定为0%。由此，如图7所示，在从时刻Pl经过了第二个的时间T2后的时刻P3，强 制终止电动机32的运转。另一方面，在计时器156的计时时间小于第一规定时间Tl的情况下(在步骤S60 的处理中“是”)，判断为电动机32再次开始旋转。此时，占空比设定部返回到步骤SlO的 处理。由此，如图8所示，在时刻P3以前的时刻P4，再次设定与触发信号TG对应的占空比。 例如，若利用者将触发开关28持续操作为最大，则占空比再次被设定为100%。若因过负载 等临时使电动机32锁定，则利用者不用重新操作触发开关28，可以继续作业。以上，根据本实施例的电动改锥10，例如在电动机32因机械式锁定或过负载等而 锁定的情况下，即使在触发开关28被最大操作的情况下，上臂侧开关元件111-113也被断 续地断开。通过使上臂侧开关元件111-113断续地断开，可以防止自举电容器131a-133a 的放电引起的电压降低，对上臂侧开关元件111-113持续施加足够的驱动电压。由此，可防 止上臂侧开关元件111-113的烧损。以上，对本发明的实施方式进行了说明，但这些只不过是例示，不会对权利要求书 造成限定。在权利要求书记载的技术中，包括对以上例示的具体例子进行了各种变形、变更 后的技术。在本说明书或附图中说明的技术要素根据单独或各种组合而发挥技术上的有用 性，并不限定于申请时的权利要求中记载的组合。在本说明书或附图例示的技术能同时达 到多个目的，对于达到其中一个目的自身也具有技术上的有用性。
权利要求
一种电动机控制装置，具备位置检测传感器，其检测电动机的旋转位置；栅极驱动型的上臂侧开关元件，其将电动机的各端子与直流电源的正极导通/关断；栅极驱动型的下臂侧开关元件，其将电动机的各端子与直流电源的负极导通/关断；处理电路，其根据由所述位置检测传感器检测出的电动机的旋转位置，向所述上臂侧开关元件以及所述下臂侧开关元件选择性地输出接通信号；上臂侧栅极驱动电路，其对所述处理电路输出的针对上臂侧开关元件的接通信号进行电平移动，向所述上臂侧开关元件的栅极施加驱动电压；下臂侧栅极驱动电路，其对所述处理电路输出的针对下臂侧开关元件的接通信号进行电平移动，向所述下臂侧开关元件的栅极施加驱动电压；以及自举电容器，其在所述上臂侧开关元件断开时被充电，在所述上臂侧开关元件接通时作为所述上臂侧栅极驱动电路的电压源发挥作用，所述处理电路具有设定处理部，其根据指示的电动机的目标旋转速度来设定占空比；PWM处理部，其根据该占空比的设定值对所述接通信号进行脉宽调制；以及计时处理部，其对由所述位置检测传感器检测的位置被更新的时间间隔进行计时，在占空比的设定值在规定值以上、所述计时处理的计时间隔超过第一规定时间时，所述设定处理部执行使该占空比的设定值降低的处理。
2.如权利要求1所述的电动机控制装置，其特征在于，在占空比的设定值在80%以上、所述计时处理的计时间隔超过第一规定时间时，所述 设定处理部使该占空比的设定值降低。
3.如权利要求1或2所述的电动机控制装置，其特征在于，所述设定处理部在所述的使占空比的设定值降低的处理中，使占空比的设定值降低 10%到50%的幅度。
4.如权利要求1 3中的任意一项所述的电动机控制装置，其特征在于，所述设定处理部在执行所述的使占空比的设定值降低的处理后，在所述计时处理部的 计时时间小于第一规定时间时，根据指示的电动机的目标旋转速度再次设定占空比。
5.如权利要求1 4中的任意一项所述的电动机控制装置，其特征在于，所述设定处理部在执行所述的使占空比的设定值降低的处理后，在所述计时处理的计 时时间超过比第一规定时间长的第二规定时间时，将占空比设定为0%。
6.一种电动工具，其特征在于，具备 驱动工具的电动机；以及控制该电动机的权利要求1 5中的任意一项所述的电动机控制装置。
全文摘要
一种电动机控制装置及使用该电动机控制装置的电动工具，电动机控制装置具备处理电路，其向上臂侧开关元件以及下臂侧开关元件选择性地输出接通信号；栅极驱动电路，其对处理电路输出的接通信号进行电平移动，向开关元件的栅极施加驱动电压；以及自举电容器，其在上臂侧开关元件断开时被充电，在上臂侧开关元件接通时作为所述栅极驱动电路的电压源发挥作用。处理电路在将占空比设定在规定值(例如80％)以上的状态下，在电动机的旋转位置经过第一规定时间没有变化的情况下，使占空比的设定值降低。根据该电动机控制装置，即使在电动机锁定的情况下，也能防止开关元件的烧损。
文档编号H02P6/24GK101911468SQ20088012340
公开日2010年12月8日 申请日期2008年12月1日 优先权日2008年1月8日
发明者草川卓也, 铃木次郎 申请人:株式会社牧田