阅读说明：本技术 电动工具 (Electric tool ) 是由 米田文生 于 2018-04-17 设计创作，主要内容包括：一种电动工具,具备：永磁同步电动机；以及控制部,其控制所述永磁同步电动机的动作,其中,所述控制部具备限制单元,所述限制单元基于规定的紧固扭矩,以规定的最大设定值限制有助于所述永磁同步电动机的扭矩产生的电流。所述控制部利用所述永磁同步电动机的转速或者角速度来校正并运算有助于所述扭矩产生的电流的最大设定值。另外,所述控制部使用下式来运算有助于所述扭矩产生的电流的最大设定值i<Sub>δ</Sub>*<Sub>max</Sub>。i<Sub>δ</Sub>*<Sub>max</Sub>＝K(T-J·dω/dt+T0)。在此,K、J为常数,dω/dt为所述永磁同步电动机的角速度的微分值,T为规定的目标紧固扭矩,T0为规定的损失扭矩。(An electric power tool is provided with: a permanent magnet synchronous motor; and a control unit that controls an operation of the permanent magnet synchronous motor, wherein the control unit includes a limiting means that limits a current contributing to torque generation of the permanent magnet synchronous motor at a predetermined maximum set value based on a predetermined tightening torque. The control unit corrects and calculates a maximum set value of a current contributing to the torque generation using the rotational speed or the angular velocity of the permanent magnet synchronous motor. The control unit calculates a maximum set value i of a current contributing to the torque generation using the following equation δ * max 。i δ * max K (T-J · d ω/dt + T0). Here, K, J is a constant, dω/dt is a differential value of the angular velocity of the permanent magnet synchronous motor, T is a predetermined target tightening torque, and T0 is a predetermined loss torque.)

电动工具

技术领域

本公开涉及一种例如具备控制电动机的电动机控制部的电动工具。

背景技术

钻孔机等电动工具一般通过机械性的卡盘机构来进行扭矩设定。但是近年，正在进行将其电子化的尝试。作为该尝试一例，例如在专利文献1中提出了一种电动工具，该电动工具的特征在于，根据电动机驱动电流、电动机转速计算紧固扭矩，如果成为预先设定的紧固扭矩以上则使电动机停止。

另外，例如在专利文献2中，公开了以下一种电动螺丝刀的控制装置：检测螺钉紧固扭矩，基于该检测出的扭矩，来对卡盘断续地供给驱动扭矩直到检测到紧固完成为止。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利第5182562号公报

专利文献2：日本专利第3663638号公报

专利文献3：日本专利第4480696号公报

专利文献4：日本专利第4198162号公报

发明内容

发明要解决的问题

然而，在上述的专利文献1所涉及的方法中，存在以下等问题点导致无法准确地设定紧固扭矩：

(1)电动机驱动电流包含无助于旋转扭矩的电动机的励磁电流，

(2)未考虑到旋转体的惯性能量等。

本公开的目的在于解决以上的问题点，并提供一种仅通过电动机控制就能够更准确地设定紧固扭矩、由此能够省略或者简化机械性的卡盘结构的电动工具。

用于解决问题的方案

本公开的一个方式所涉及的电动工具具备：

永磁同步电动机；以及

控制部，其控制所述永磁同步电动机的动作，

其中，所述控制部具备限制单元，所述限制单元基于规定的紧固扭矩，以规定的最大设定值限制有助于所述永磁同步电动机的扭矩产生的电流。

发明的效果

通过以上叙述的手段，仅利用有助于扭矩产生的电流就能够控制电动机的产生扭矩。除此之外，能够动态地以将旋转体的惯性能量等的影响考虑在内的最大值对有助于该产生扭矩的电流值进行限制。

因此，根据本公开所涉及的电动工具，能够仅通过电动机控制来更准确地设定紧固扭矩，能够省略或者简化机械性的卡盘机构。

附图说明

图1是示出本公开的实施方式1所涉及的电动工具的结构例的框图。

图2是图1的电动工具的电动机1的解析模型图。

图3是示出图1的电动工具的详细结构例的框图。

图4是示出图3的速度控制部17的详细结构例的框图。

图5是示出图1的电动工具的螺钉拧紧时的动作例的时序图。

具体实施方式

以下，参照附图来具体地说明本公开的实施方式。在所参照的各图中，对相同的部分标注相同的附图标记，原则上省略与相同的部分有关的重复的说明。另外，在所参照的各图中，标注有相同的符号(θ、ω等)的要素相同。另外，为了简化说明，有时仅用符号来标记状态量等。也就是说，例如有时将“估计电动机速度ω_e”仅记为“ω_e”，但两者的含义相同。

图1是示出本公开的实施方式1所涉及的电动工具的结构例的框图。在图1中，实施方式1所涉及的电动工具例如是电动螺丝刀等，构成为具备电动机1、逆变器电路部2、电动机控制部3、齿轮4、卡盘5以及用户接口部(UI部)6。

在图1中，电动机1例如由在转子(未图示)设置有永磁体、在定子(未图示)设置有电枢绕组的三相永磁同步电动机构成。在以下的说明中，在简称为电枢绕组和转子的情况下，它们分别指设置于电动机1的定子的电枢绕组和电动机1的转子。电动机1例如是以嵌入磁体型同步电动机(IPMSM)为代表的凸极机(具有凸极性的电动机)，但也可以是非凸极机。在此，电动机1例如经由齿轮4以能够旋转的方式连结于用于安装螺钉旋转用钻头(bit)的卡盘5。

逆变器电路部2根据电动机1的转子位置向电动机1的电枢绕组供给由U相、V相以及W相构成的三相交流电压。将被供给到电动机1的电枢绕组的电压设为电动机电压(电枢电压)V_a，将从逆变器电路部2供给到电动机1的电枢绕组的电流设为电动机电流(电枢电流)I_a。

电动机控制部3例如具有无位置传感器控制功能，使用电动机电流I_a来估计电动机1的转子位置、转速等，从而将用于使电动机1以期望的转速和目标紧固扭矩进行动作的信号提供给逆变器电路部2。

此外，在用户接口部6预先设定该期望的转速和目标紧固扭矩，与用户操作的触发开关(trigger switch)(未图示)连动地向电动机控制部3分别输出该期望的转速和目标紧固扭矩，来作为电动机速度指令值ω^*、目标紧固扭矩T^*。

图2是图1的电动工具的电动机1的解析模型图。在图2中示出了U相、V相、W相的电枢绕组固定轴。在以与构成电动机1的转子的永磁体1a所产生的磁通相同的速度旋转的旋转坐标系中，将永磁体1a所产生的磁通的方向设为d轴，将与d轴对应的控制上的估计轴设为γ轴。另外，虽然未图示，但将从d轴起超前了90度电角的相位设为q轴，将从γ轴起超前了90度电角的相位设为估计轴、即δ轴。将选择d轴和q轴来作为坐标轴的旋转坐标系的坐标轴称为d-q轴(实轴)。控制上的旋转坐标系(估计旋转坐标系)是选择γ轴和δ轴作为坐标轴的坐标系，将该坐标轴称为γ-δ轴。

d-q轴进行旋转，将其转速(即，电动机1的转子的转速)称为实际电动机速度ω。γ-δ轴也进行旋转，将其转速称为估计电动机速度ω_e。另外，在某个瞬间正在旋转的d-q轴中，以U相的电枢绕组固定轴为基准，利用θ(实际转子位置θ)表示d轴的相位。同样地，在某个瞬间正在旋转的γ-δ轴中，以U相的电枢绕组固定轴为基准，利用θ_e(估计转子位置θ_e)表示γ轴的相位。于是，d轴与γ轴的轴误差Δθ(d-q轴与γ-δ轴的轴误差Δθ)用Δθ＝θ-θ_e表示。另外，参数ω^*、ω以及ω_e用电角速度表示。

在以下的记述中，分别用γ轴电压v_γ、δ轴电压v_δ、d轴电压v_d以及q轴电压v_q表示电动机电压V_a的γ轴成分、δ轴成分、d轴成分以及q轴成分，分别用γ轴电流i_γ、δ轴电流i_δ、d轴电流i_d以及q轴电流i_q表示电动机电流I_a的γ轴成分、δ轴成分、d轴成分以及q轴成分。

另外，R_a是电动机电阻(电动机1的电枢绕组的电阻值)，L_d、L_q分别是d轴电感(电动机1的电枢绕组的电感的d轴成分)、q轴电感(电动机1的电枢绕组的电感的q轴成分)，Φ_a是由永磁体1a产生的电枢交链磁通。此外，L_d、L_q、R_a以及Φ_a是制造用于电动工具的电动机驱动系统时所确定的值，这些值在电动机控制部3的运算中使用。

图3是示出图1的电动工具的详细结构例的框图。在图3中，电动机控制部3构成为具备电流检测器11、坐标变换器12、减法器13、减法器14、电流控制部15、磁通控制部16、速度控制部17、坐标变换器18、位置速度估计部20以及失步检测部21。

电流检测器11例如由霍尔元件等构成，检测从逆变器电路部2向电动机1供给的电动机电流I_a的U相电流(流过U相的电枢绕组的电流)i_U和V相电流(流过V相的电枢绕组的电流)i_V。此外，也可以通过在逆变器电路部2中组装分流电阻等的各种现有的电流检测方式来检测这些电流。坐标变换器12接收来自电流检测器11的U相电流i_U和V相电流i_V的检测结果，基于来自位置速度估计部20的估计转子位置θ_e并通过下式(1)将它们变换为γ轴电流i_γ(控制电动机的磁通的电流)和δ轴电流i_δ(与电动机的供给扭矩成正比，直接有助于电动机的旋转扭矩的产生的电流)

【数1】

位置速度估计部20估计并输出估计转子位置θ_e和估计电动机速度ω_e。关于估计转子位置θ_e和估计电动机速度ωe的估计方法，例如能够使用在专利文献3中公开的方法。

速度控制部17从由用户接口部6提供的电动机速度指令值ω^*减去由位置速度估计部20提供的估计电动机速度ω_e，将该相减结果(ω^*-ω_e)输入到例如PI(ProportionalIntergral：比例积分)控制器51(图4)，由此生成δ轴电流指令值i_δ ^*。δ轴电流指令值i_δ ^*表示作为电动机电流I_a的δ轴成分的δ轴电流i_δ应追随的电流的值。磁通控制部16输出γ轴电流指令值i_γ ^*。此时，根据需要，参照δ轴电流指令值i_δ ^*和估计电动机速度ω_e。γ轴电流指令值i_γ ^*表示作为电动机电流I_a的γ轴成分的γ轴电流i_γ应该追随的电流的值。

减法器13从由磁通控制部16输出的γ轴电流指令值i_γ ^*减去由坐标变换器12输出的γ轴电流i_γ，来计算作为相减结果的电流误差(i_γ ^*-i_γ)。减法器14从由速度控制部17输出的δ轴电流指令值i_δ ^*减去由坐标变换器12输出的δ轴电流i_δ，来计算作为相减结果的电流误差(i_δ ^*-i_δ)。

电流控制部15接收由减法器13和14计算出的各电流误差，以使γ轴电流i_γ追随γ轴电流指令值i_γ ^*且使δ轴电流i_δ追随δ轴电流指令值i_δ ^*的方式计算γ轴电压指令值v_γ ^*和δ轴电压指令值v_δ ^*并输出。

坐标变换器18基于从位置速度估计部20提供的估计转子位置θ_e来进行γ轴电压指令值v_γ ^*和δ轴电压指令值v_δ ^*的逆变换，从而生成由表示电动机电压V_a的U相成分、V相成分以及W相成分的U相电压指令值v_u ^*、V相电压指令值v_v ^*以及W相电压指令值v_w ^*构成的三相的电压指令值，并将它们输出到逆变器电路部2。在该逆变换中使用下式(2)。

【数2】

逆变器电路部2基于表示要对电动机1施加的电压的三相的电压指令值(v_u ^*、v_v ^*以及v_w ^*)来生成被脉宽调制后的信号，将与该三相的电压指令值(v_u ^*、v_v ^*以及v_w ^*)相应的电动机电流I_a供给到电动机1的电枢绕组来驱动电动机1。

失步检测部21使用与由位置速度估计部20采用的转子的转速的估计方式不同的估计方式(例如参照专利文献4)，来估计转子的转速，在它们的差异大的情况下视为失步，从而使电动机1强制停止。

图4是示出图3的速度控制部17的详细结构例的框图。在图4中，关于PI控制器51的输出，基于减法器50的相减结果(ω^*-ω_e)，来生成电流限制前的δ轴电流指令值i_δ ^*并输出到限制器52。在PI控制器51的输出为限制器52的最大设定值i_δ ^* _max以下的情况下，限制器52直接输出PI控制器51的输出。另一方面，当PI控制器51的输出超过限制器52的最大设定值i_δ ^* _max时，输出将i_δ ^*限制为i_δ ^* _max所得到的值。界限值运算部53使用下式(3)来运算限制器52的所述最大设定值i_δ ^* _max，并逐次更新限制器52的最大设定值i_δ ^* _max。

i_δ ^* _max＝K(T-J·dω/dt+T0)···(3)

在此，K、J为常数，dω/dt为电动机的角速度的微分值，T为规定的目标紧固扭矩。另外，T0是规定的损失扭矩，例如也可以预先在界限值运算部53的内部存储器以表等形式设定T0，来作为电动机的角速度ω的从属变量。此外，也能够以估计电动机速度ω_e替代电动机的角速度ω来使用。

δ轴电流如前所述，是与电动机的供给扭矩成正比的电流，不包括不直接有助于电动机的旋转扭矩的产生的励磁电流等。另外，使用上述的式(3)来动态地对该δ轴电流的指令值i_δ ^*进行限制。因此，能够进行考虑到旋转体的惯性能量等的、更准确的紧固扭矩的控制。

换言之，当作为电动工具的作业对象的螺钉落位而负荷扭矩急剧增加时，由于负荷扭矩的增加，而δ轴电流增加，不久δ轴电流被限制在式(3)的最大设定值。此时，虽然电动机的转速也同时降低，但是伴随电动机的转速的降低，旋转体的惯性能量、损失扭矩减少。因此，式(3)的最大设定值(与电动机的供给扭矩成比例的电流)变大，最终通过i_δ ^* _max＝K(T)使δ轴电流成为固定。此后，在电动机即将停止之前失步、或者电动机转速成为规定值以下(例如零)，探测到该情况而使电动机1停止(图5)。

因此，根据本实施方式，当作为电动工具的作业对象的螺钉落位而负荷扭矩急剧增加时，虽然电动机减速而最后停止，但是从转子的落位到紧固完成为止，伴随电动机转速的降低而电动机电流逐渐增加，在此期间，能够以固定扭矩来进行紧固。因此，能够更准确地设定紧固扭矩，能够省略或者简化机械性的卡盘机构。

附图标记说明

1：电动机；2：逆变器电路部；3：电动机控制部；4：齿轮；5：卡盘；6：用户接口部(UI部)；11：电流检测器；12：坐标变换器；13，14：减法器；15：电流控制部；16：磁通控制部；17：速度控制部；18：坐标变换器；19：减法器；20：位置速度估计部；21：失步检测部；50：减法器；51：PI控制器；52：限制器；53：界限值运算部。