CN103671649B - 检测开关元件的短路故障的制动器驱动控制装置 - Google Patents

检测开关元件的短路故障的制动器驱动控制装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种检测开关元件的短路故障的制动器驱动控制装置。第一开关元件，与制动器的一端连接，为了使制动器中流过制动器驱动电流，通过输入开关指令而从断开状态切换为接通状态。第二开关元件，与制动器的另一端连接，为了使制动器中流过制动器驱动电流，通过输入开关指令而从断开状态切换为接通状态。电压检测部检测在制动器上施加的制动电压。开关指令延迟部使输入到第一开关元件的开关指令延迟。短路故障判定部根据制动电压以及通过开关指令延迟部延迟后的开关指令，判定是否在一个开关元件中发生了短路故障。

Description

检测开关元件的短路故障的制动器驱动控制装置
技术领域
本发明涉及为了通过停止在对由电动机在重力轴方向驱动的被驱动体进行制动的制动器中流动的制动器驱动电流，把制动器的状态从释放状态变更为连结状态，驱动控制制动器的制动器驱动控制装置。
背景技术
在具有重力轴的工业用机器人等中，为了防止臂等被驱动体在电动机停止时落下，使用制动器驱动控制装置驱动控制对被驱动体进行制动的制动器。
在这样的制动器驱动控制装置中，例如在日本特许第4734581号公报（JP4734581B）中提出了具有与制动器的一端连接的开关元件以及与制动器的另一端连接的开关元件的制动器驱动控制装置。通过使用这样具有两个开关元件的制动器控制装置，即使在一方的开关元件发生了短路故障的情况下使另一方的开关元件成为断开状态，能够切断在制动器中流动的制动器驱动电流。因此，即使在一方的开关元件发生了短路故障的情况下，因为能够把制动器的状态从释放状态转变为连结状态，所以能够防止电动机停止时被驱动体落下。
在具有上述那样的两个开关元件的制动器控制装置中检测是否有开关元件的短路故障的情况下，需要进行把一方的开关元件接通同时把另一方的开关元件断开的动作和把一方的开关元件断开同时把另一方的开关元件接通的动作。也就是说，上述那样的具有两个开关元件的制动器控制装置，需要进行两次用于检测开关元件是否有短路故障的开关元件的接通断开动作，有为了检测开关元件是否有短路故障需要的时间变长这样的不良问题。
发明内容
作为本发明的一种方式，提供一种能够缩短为了检测开关元件是否有短路故障而需要的时间的制动器驱动控制装置。
根据本发明的一种方式，制动器驱动控制装置是为了通过停止在对由电动机在重力轴方向上驱动的被驱动体进行制动的制动器中流动的制动器驱动电流，把制动器的状态从释放状态变更为连结状态，而驱动控制制动器的制动器驱动控制装置，其特征在于，具有：第一开关元件，其与制动器的一端连接，为了使在制动器中流过制动器驱动电流，通过输入开关指令而从断开状态切换为接通状态；第二开关元件，其与制动器的另一端连接，为了使在制动器中流过制动器驱动电流，通过输入开关指令而从断开状态切换为接通状态；电压检测部，其检测在制动器上施加的制动电压；开关指令延迟部，其使输入到第一开关元件的开关指令延迟；和短路故障判定部，其根据制动电压以及通过开关指令延迟部延迟后的开关指令判定是否在第一开关元件中发了短路故障。
优选开关指令延迟部具有：比较器，其具有输入开关指令的反相输入部、与基准电位连接的非反相输入部以及输出部；以及“非”门，其具有与比较器的输出部连接的输入部以及与第一开关元件连接的输出部，短路故障判定部具有：逻辑积运算部，其具有与比较器的输出部连接的第一输入部、从电压检测部输入制动电压的第二输入部以及输出从比较器输出的反相后的开关指令的电平与制动电压的电平的逻辑积运算的结果的输出部。
根据本发明的一种实施方式，能够缩短为了检测开关元件是否有短路故障而需要的时间。
附图说明
通过以下关联附图的对实施方式的说明能够更加明了本发明的目的、特征以及优点。附图中：
图1是应用了本发明的制动器驱动控制装置的系统的框图，
图2A是用于说明图1表示的制动器驱动控制装置的一方的晶体管未发生短路故障时的动作的图，
图2B是用于说明图1表示的制动器驱动控制装置的一方的晶体管发生短路故障时的动作的图，
图3A是用于说明图1表示的制动器驱动控制装置的另一方的晶体管未发生短路故障时的动作的图，
图3B是用于说明图1表示的制动器驱动控制装置的另一方的晶体管发生短路故障时的动作的图。
具体实施方式
参照附图说明本发明的制动器驱动控制装置的实施方式。
参照附图，图1是应用了本发明的制动器驱动控制装置的系统的框图。图1表示的系统，被用于工业用机器人中，具有作为交流电源的三相交流电源1、变换器2、作为DC链接部的平滑用电容器3、逆变器4、在工业用机器人5中包含的重力轴用伺服电动机6、制动器7、旋转位置检测器8、逆变器控制装置9、制动器驱动控制装置10、机器人控制器11和监视器12。
变换器2例如由多个（在三相交流的情况下是6个）整流二极管构成，把从三相交流电源供给的交流电变换为直流电。平滑用电容器3，为了对通过变换器2的整流二极管整流后的电压进行平滑化而与变换器2并联连接。逆变器4与平滑用电容器3并联连接，例如由多个（在三相交流的情况下是6个）晶体管构成，通过基于后面要说明的PWM信号VPWM进行晶体管的导通截止动作，把通过变换器2变换的直流电变换为交流电。
工业用机器人5具有为了明了起见未图示的多个臂。重力轴用伺服电动机6为了在重力轴方向（Z轴方向）驱动工业用机器人5的多个臂中的一个臂，而用在平滑用电容器3中积蓄的电力驱动。
制动器7为了在重力轴方向上驱动与重力轴用伺服电动机6的驱动时对应的臂而使制动器驱动电流流过，由此，把制动器7的状态从连结状态变更为释放状态。另外，制动器7为了对与重力轴用伺服电动机6停止时对应的臂进行制动来防止对应的臂的落下而通过停止在制动器中流动的制动器驱动电流，把制动器7的状态从释放状态变更为连结状态。因此，制动器7具有使制动器驱动电流流过的制动器线圈7a。
旋转位置检测器8由将重力轴用伺服电动机6的旋转角度θ作为电动机的位置或者速度来检测的旋转编码器构成。
逆变器控制装置9，为了控制逆变器4，将通过在逆变器4的输出线上设置的电流检测器4u、4v、4w检测出的三相的U相电流Iu、V相电流Iv以及W相电流Iw的电流值作为重力轴用伺服电动机6的电流值数据来采样，将旋转角度θ作为电动机的位置或者速度数据分别进行采样。
然后，逆变器控制装置9，根据采样的电流值数据以及电动机的位置或者速度数据、来自为明了起见未图示的上位控制装置的电动机的位置或者速度指令数据，生成用于驱动重力轴用伺服电动机7的PWM信号VPWM。
这里，电流检测器4u、4v、4w例如分别由霍尔元件构成，未图示的上位控制装置，例如由CNC（数值控制装置）构成。
制动器驱动控制装置10，为通过使制动器线圈7a中流过制动器驱动电流，把制动器7的状态从连结状态变更为释放状态，或者通过停止在制动器线圈7a中流动的制动器驱动电流，把制动器7的状态从释放状态变更为连结状态，而驱动控制制动器7。因此，制动器驱动控制装置10具有作为第一开关元件的NPN型晶体管21、作为第二开关元件的NPN型晶体管22、电压检测部23、开关指令延迟部24和短路故障判定部25。
NPN型晶体管21具有把用于使制动器线圈7a中流过制动器驱动电流的开关指令S经由开关指令延迟部24从机器人控制器11输入的基极、在第一电位（在这种情况下是电源电压）的连接点A上连接的集电极和在制动器线圈7a的一端上连接的发射极。因此，NPN型晶体管21，通过在NPN型晶体管21的基极上输入开关指令S而从截止状态切换到导通状态。另外，在NPN型晶体管21的基极上，从机器人控制器11直接也就是说不经由开关指令延迟部24地输入用于判定是否在NPN型晶体管21中发生短路故障的开关指令S’。因此，NPN型晶体管21通过在NPN型晶体管21的基极上输入开关指令S’而从截止状态切换到导通状态。
NPN型晶体管22，具有从机器人控制器11直接输入用于使制动器线圈7a中流过制动器驱动电流的开关指令S的基极、在制动器线圈7a的另一端上连接的集电极和在第二电位（在这种情况下是0V）的连接点B上连接的发射极，因此，NPN型晶体管22通过在NPN型晶体管22的基极上输入开关指令S而从截止状态切换到导通状态。
电压检测部23检测在制动器线圈7a上施加的制动电压。因此，电压检测部23具有与制动器线圈7a的一端连接的非反相输入部、与制动器线圈7a的另一端连接的反相输入部以及与短路故障判定部25连接的输出部。
开关指令延迟部24使输入到NPN型晶体管21的开关指令S延迟时间T。因此，开关指令延迟部24具有包含RC电路的比较器24a和“非”门24b。比较器24a具有输入开关指令S的反相输入部、在基准电位上连接的非反相输入部以及与“非”门24b的输入部以及短路故障判定部25连接的输出部。“非”门24b具有在比较器24a的输出部上连接的输入部以及在NPN型晶体管21的基极上连接的输出部。
短路故障判定部25，根据与运算放大器23a的输出部的电位相当的制动电压的电平以及通过开关指令延迟部24延迟的开关指令S的电平，判定是否在NPN型晶体管21内发生短路故障。因此，短路故障判定部25具有逻辑积运算部25a。逻辑积运算部25a具有在比较器24a的输出部上连接的第一输入部、从运算放大器23a输入制动电压的第二输入部以及输出从比较器24a的输出部输出的反相的指令S的电平与制动电压的电平的逻辑积运算的结果（电位的电平）的输出部。
监视器12，被从逻辑积运算部25a输入逻辑积运算的结果，为使能够判定NPN型晶体管21是否发生短路故障而显示逻辑积运算的结果（逻辑积运算部25a的输出部的电位的电平）。
图2A是用于说明图1表示的制动器驱动控制装置10的NPN型晶体管21未发生短路故障时的动作的图。在NPN型晶体管21未发生短路故障的情况下，当在时间t1机器人控制器11输出开关指令S时，开关指令延迟部24的输入部的电位，在时间t1从低（L）电平切换为高（H）电平，比较器24a的输出部的电位在从时间t1起经过时间T后的时间t2从高电平切换为低电平，运算放大器23a的电位在时间t2从低电平切换为高电平。在时间t2以前的时间比较器24a的电位以及运算放大器23a的电位分别是高电平以及低电平，在时间t2比较器24a的电位从高电平切换为低电平，同时运算放大器23a的电位从低电平切换为高电平，在时间t2以后的时间比较器24a的电位以及运算放大器23a的电位分别是低电平以及高电平。因此，逻辑积运算部25a的输出部的电位始终是低电平。在机器人控制器11输出开关指令S时始终是低电平的逻辑积运算部25a的输出部的电位被显示在监视器21上的情况下，可知NPN型晶体管21未发生短路故障。
图2B是用于说明图1表示的制动器驱动控制装置10的NPN型晶体管21发生短路故障时的动作的图。在NPN型晶体管21发生短路故障的情况下，当在时间t1机器人控制器11输出开关指令S时，开关指令延迟部24的输入部的电位，在时间t1从低电平切换为高电平，比较器24a的输出部的电位在时间t2从高电平切换为低电平。在NPN型晶体管21发生短路故障的情况下，在从机器人控制器11输出开关指令S起经过时间T’的时间t3，NPN型晶体管22成为导通状态时监视器线圈7a中流过电流，所以运算放大器23a的电位在时间t3从低电平切换为高电平。在时间t3以前的时间比较器24a的电位以及运算放大器23a的电位分别是高电平以及低电平，在时间t3运算放大器23a的电位从低电平切换为高电平，在时间t2比较器24a的电位从高电平切换为低电平，在时间t2以后的时间比较器24a的电位以及运算放大器23a的电位分别是低电平以及高电平。因此，在时间t3以前以及时间t2以后的时间，逻辑积运算部25a的输出部的电位成为低电平。另一方面，在时间t3和时间t2之间，逻辑积运算部25a的输出部的电位成为高电平。在机器人控制器11输出开关指令S时在时间t3和时间t2之间成为高电平的逻辑积运算部25a的输出部的电位被显示在监视器21上的情况下，可知NPN型晶体管21发生了短路故障。
图3A是用于说明图1表示的制动器驱动控制装置10的NPN型晶体管22未发生短路故障时的动作的图。在NPN型晶体管22未发生短路故障的情况下，当在时间t1机器人控制器11输出开关指令S’时，开关指令延迟部24的输入部的电位，在时间t1从低电平切换为高电平。在NPN型晶体管22未发生短路故障的情况下，即使NPN型晶体管21成为导通状态，NPN型晶体管22也是截止状态，所以在监视器线圈7a中没有电流流动。因此，比较器24a的输出部的电位始终是高电平，运算放大器23a的电位始终是低电平，逻辑积运算部25a的输出部的电位保持低电平不变。在机器人控制器11输出开关指令S’时，始终是低电平的逻辑积运算部25a的输出部的电位被显示在监视器21上的情况下，可知NPN型晶体管22未发生短路故障。
图3B是用于说明图1表示的制动器驱动控制装置10的NPN型晶体管22发生短路故障时的动作的图。在NPN型晶体管22发生短路故障的情况下，当在时间t1机器人控制器11输出开关指令S’时，开关指令延迟部24的输入部的电位，在时间t1从低电平切换为高电平，比较器24a的输出部的电位始终是高电平。在NPN型晶体管22发生短路故障的情况下，当在从机器人控制器11输出开关指令S’起经过时间T’后的时间t3，NPN型晶体管21成为导通状态时，监视器线圈7a中电流流动，所以运算放大器23a的电位在时间t3从低电平切换为高电平。在时间t3以前的时间比较器24a的电位以及运算放大器23a的电位分别是高电平以及低电平，在时间t3运算放大器23a的电位从低电平切换为高电平。因此，在时间t3以后的时间，逻辑积运算部25a的输出部的电位成为高电平。在机器人控制器11输出开关指令S’时，在时间t3以后的时间成为高电平的逻辑积运算部25a的输出部的电位被显示在监视器12上的情况下，可知NPN型晶体管22发生短路故障。
根据本实施方式，因为在制动器线圈7a中流动制动器驱动电流时能够检测NPN型晶体管21是否有短路故障，所以不需要用于检测NPN型晶体管21是否有短路故障而进行NPN型晶体管21的导通截止动作。因此，能够缩短为检测NPN型晶体管21、22是否有短路故障所需要的时间。
本发明不限于上述实施方式，而可能进行若干变更以及变形。例如，本发明的制动器驱动控制装置可以应用于在机床等中使用重力轴伺服电动机等的系统中。
另外，在上述实施方式中，作为交流电源使用了三相交流电源1，但是也可以把三相以外的多相交流电源作为交流电源使用。另外，旋转位置检测器8可以通过旋转编码器以外的部件（例如霍尔元件或者分解器）构成。另外，代替检测U相电流、V相电流以及W相电流全部，也可以仅检测U相电流、V相电流以及W相电流中的两相的电流（例如U相电流以及V相电流）。
在上述实施方式中，说明了使用NPN型晶体管作为第一开关元件以及第二开关元件的情况，但是作为第一开关元件以及第二开关元件，可以使用PNP型晶体管、场效应晶体管（FET）、绝缘栅双极型晶体管（IGBT）、继电器等。
另外，在上述实施方式中，说明了电压检测部23具有运算放大器23a的情况，但是也可以通过光耦合器等构成电压检测部23。另外，在上述实施方式中，说明了开关指令延迟部24具有一个比较器24a以及一个“非”门24b的情况，但是开关指令延迟部24也可以具有3以上的奇数个比较器以及一个“非”门。
并且，说明了使向NPN型晶体管21的基极输入的开关指令S延迟的情况，但是也可以使输入到NPN型晶体管22的基极的开关指令S延迟。在这种情况下，NPN型晶体管22与第一开关元件对应，NPN型晶体管21与第二开关元件对应。
至此，关联本发明的优选的实施方式说明了本发明，但是本领域的技术人员理解，能够进行不脱离后述的权利要求公开的范围的各种各样的修正及变更。

Claims (2)

1.一种制动器驱动控制装置，为了通过停止在制动器中流动的制动器驱动电流，把制动器的状态从释放状态变更为连结状态，而驱动控制制动器，上述制动器对由电动机在重力轴方向上驱动的被驱动体进行制动，该制动器驱动控制装置的特征在于，具有：
第一开关元件，其与制动器的一端连接，为了使在制动器中流过制动器驱动电流，通过输入开关指令而从断开状态切换为接通状态；
第二开关元件，其与制动器的另一端连接，为了使在制动器中流过制动器驱动电流，通过输入上述开关指令而从断开状态切换为接通状态；
电压检测部，其检测在制动器上施加的制动电压；
开关指令延迟部，其具有比较器，并且使输入到上述第一开关元件的上述开关指令延迟；和
短路故障判定部，其根据上述制动电压的电平以及通过上述比较器输出的反相后的上述开关指令的电平，判定是否在上述第一开关元件中发生了短路故障。
2.根据权利要求1所述的制动器驱动控制装置，其特征在于，
上述比较器，其具有输入上述开关指令的反相输入部、与基准电位连接的非反相输入部以及输出部；
上述开关指令延迟部还具有：“非”门，其具有与上述比较器的输出部连接的输入部以及与上述第一开关元件连接的输出部，
上述短路故障判定部具有：逻辑积运算部，其具有与上述比较器的输出部连接的第一输入部、从上述电压检测部输入上述制动电压的第二输入部以及输出从上述比较器输出的反相后的上述开关指令的电平和上述制动电压的电平的逻辑积运算的结果的输出部。
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