CN105743409A - 伺服电动机控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种能够在PWM控制过程中即伺服电动机动作过程中周期性地进行动力切断电路的测试的伺服电动机控制装置。本发明的伺服电动机控制装置的特征在于，具有：对伺服电动机进行驱动的逆变换电路；向逆变换电路输出PWM信号的PWM电路；切断电路，被输入安全信号和PWM信号，在安全信号为ON时将PWM信号输出到逆变换电路，在安全信号为OFF时不输出PWM信号；伺服电动机控制电路，将安全信号输出到切断电路，被输入从切断电路输出的监视信号，伺服电动机控制电路在伺服电动机驱动过程中，使向PWM信号为OFF的切断电路输入的安全信号在PWM信号的一个周期时间内成为OFF，在通过监视信号无法检测出OFF的情况下检测出异常。

Description

伺服电动机控制装置

技术领域

本发明涉及一种伺服电动机控制装置，特别涉及一种能够在伺服电动机动作过程中周期性地进行动力切断电路的测试的伺服电动机控制装置。

背景技术

对于设置于伺服电动机控制装置的紧急停止电路，为了提高安全性而使用双重化的电路(例如日本专利公开公报特开2004-237416号)。然而，即使是双重化的电路，在长时间的连续运转中，也存在发生单一故障之后进一步多重故障化的危险性。特别是，在包括半导体元件的紧急停止电路中，由于暂时的过电压、短路等事故或者偶发性的部件缺陷而发生输出的短路故障的可能性高，因此需要在短期间内周期性地检查紧急停止电路。

因此，使用如下方法：在包括半导体元件的紧急停止电路中，在双重化的基础上，进一步使用测试脉冲在短时间内周期性地确认紧急停止电路是否正在正常地动作。在该情况下，能够早期地检测紧急停止电路的单一故障，从而能够在多重故障化之前，使用未发生故障的电路来安全地停止。

另一方面，提出了使用伺服放大器的电动机动力信号用的半导体元件来安全地进行伺服放大器的动力切断的方法。在图1中示出以往的动力切断电路。以往的动力切断电路具备：输出安全信号A的第一光电耦合器pa；输出安全信号B的第二光电耦合器pb；接收监视信号的第三光电耦合器pm；向第三光电耦合器pm发送监视信号的CPU1001；接收安全信号A及B的LSI(大规模集成电路)1002；第一开关SW1；第二开关SW2；对伺服电动机200进行驱动的逆变换电路1010；用于对逆变换电路1010的上段的半导体元件1011进行控制的第四光电耦合器p1；以及用于对逆变换电路1010的下段的半导体元件1012进行控制的第五光电耦合器p2。1003～1006是电阻。另外，在各光电耦合器中，pa1、pm1、pb1、p11、p21分别是发光元件，pa2、pm2、pb2、p13、p23分别是受光元件。另外，第四光电耦合器p1具备二极管p12，第五光电耦合器p2具备二极管p22。

在该方法中，安全信号A及B不是脉冲信号，并且作为与PWM(脉宽调制)控制不同步的外部信号被输入。因此，需要在关闭PWM控制的状态下、即伺服电动机200停止中进行动力切断。

如果能够在伺服电动机动作过程中进行动力切断电路的测试，则能够早期地检测动力切断电路的故障，降低多重故障化的风险，提高包括半导体元件的动力切断电路的可靠性。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种能够在PWM控制过程中即伺服电动机动作过程中周期性地进行动力切断电路的测试的伺服电动机控制装置。

本发明的一个实施例所涉及的伺服电动机控制装置的特征在于，具有：逆变换电路，其将直流变换为交流，将变换出的交流供给到伺服电动机，由此对伺服电动机进行驱动；脉宽调制电路，其对逆变换电路输出脉宽调制信号；切断电路，其被输入安全信号和脉宽调制信号，在安全信号为ON时，该切断电路将脉宽调制信号输出到逆变换电路，在安全信号为OFF时，该切断电路不将脉宽调制信号输出到逆变换电路；以及伺服电动机控制电路，其将安全信号输出到切断电路，被输入从切断电路输出的监视信号，其中，伺服电动机控制电路在伺服电动机驱动过程中，使向脉宽调制信号为OFF的切断电路输入的安全信号在脉宽调制信号的一个周期时间内成为OFF，在通过监视信号无法检测出OFF的情况下，检测出异常。

附图说明

本发明的目的、特征以及优点通过与附图相关联的以下的实施方式的说明会变得更明确。在该附图中，

图1是以往的动力切断电路的结构图，

图2是本发明的实施例1所涉及的伺服电动机控制装置的结构图，

图3A是本发明的实施例1所涉及的伺服电动机控制装置中所使用的逆变换电路的结构图，

图3B是本发明的实施例1所涉及的伺服电动机控制装置中所使用的U相、V相、W相的电压波形，

图3C是用于说明本发明的实施例1所涉及的伺服电动机控制装置中所使用的逆变换电路的功率元件的动作的图，

图4是表示本发明的实施例1所涉及的伺服电动机控制装置中的正常时的测试时序的图，

图5是表示本发明的实施例1所涉及的伺服电动机控制装置中的故障时的测试时序的图，

图6是表示本发明的实施例1所涉及的伺服电动机控制装置中的紧急停止时序的图，

图7是本发明的实施例2所涉及的伺服电动机控制装置的结构图，

图8是本发明的实施例3所涉及的伺服电动机控制装置的结构图，以及

图9是本发明的实施例4所涉及的伺服电动机控制装置的结构图。

具体实施方式

下面，参照附图来说明本发明所涉及的伺服电动机控制装置。

[实施例1]

首先，说明本发明的实施例1所涉及的伺服电动机控制装置。图2是本发明的实施例1所涉及的伺服电动机控制装置的结构图。本发明的实施例1所涉及的伺服电动机控制装置101的特征在于，具有：逆变换电路1，其将直流变换为交流，将变换出的交流供给到伺服电动机200，由此对伺服电动机进行驱动；脉宽调制电路2a、2b，其对逆变换电路1输出脉宽调制信号；切断电路3a、3b，其被输入安全信号和脉宽调制信号，在安全信号为ON时，将脉宽调制信号输出到逆变换电路1，在安全信号为OFF时，不将脉宽调制信号输出到逆变换电路1；以及伺服电动机控制电路4，其将安全信号输出到切断电路，被输入从切断电路输出的监视信号，其中，伺服电动机控制电路4在伺服电动机200的驱动过程中，使向脉宽调制信号为OFF的切断电路输入的安全信号在脉宽调制信号的一个周期时间内成为OFF，在通过监视信号无法检测出OFF的情况下，检测出异常。

并且，也可以是，具有多个切断电路3a、3b，具有分别输入到多个切断电路的多个安全信号、分别输入到多个切断电路的多个脉宽调制信号以及分别从多个切断电路输出的多个监视信号，在伺服电动机控制电路4检测出异常的情况下，通过使向全部切断电路3a、3b的安全信号的输出断开，来停止伺服电动机200。

逆变换电路1具备U相上臂半导体元件Tu1、U相下臂半导体元件Tu2、V相上臂半导体元件Tv1、V相下臂半导体元件Tv2、W相上臂半导体元件Tw1、W相下臂半导体元件Tw2。

在第一切断电路3a中设置有用于检测逆变换电路1的上段(上臂)的半导体元件Tu1、Tv1、Tw1是否正在正常地动作的光电耦合器Pu1、Pv1、Pw1。另外，在各光电耦合器中设置有发光元件Dpu1、Dpv1、Dpw1。并且，在第一切断电路3a中设置有半导体元件312、317、放大器311、313、316以及电阻314、315。

在第二切断电路3b中设置有用于检测逆变换电路1的下段(下臂)的半导体元件Tu2、Tv2、Tw2是否正在正常地动作的光电耦合器Pu2、Pv2、Pw2。另外，在各光电耦合器中设置有发光元件Dpu2、Dpv2、Dpw2。并且，在第二切断电路3b中设置有半导体元件322、327、放大器321、323、326以及电阻324、325。

伺服电动机控制电路4具备第一伺服电动机控制电路4a和第二伺服电动机控制电路4b。第一伺服电动机控制电路4a将U相、V相、W相的第一安全信号U1_DO、V1_DO、W1_DO发送到第一切断电路3a，从第一切断电路3a接收U相、V相、W相的第一监视信号U1_DI、V1_DI、W1_DI。第二伺服电动机控制电路4b将U相、V相、W相的第二安全信号U2_DO、V2_DO、W2_DO发送到第二切断电路3b，从第二切断电路3b接收U相、V相、W相的第二监视信号U2_DI、V2_DI、W2_DI。

第一PWM电路2a向第一切断电路3a发送PWM信号，第二PWM电路2b向第二切断电路3b发送PWM信号。

伺服放大器(伺服电动机控制装置)通过逆变换电路1来向伺服电动机200供给动力。也就是说，通过切断逆变换电路1，能够实现伺服电动机200的动力切断。

在图3A～图3C中说明逆变换电路1的动作。图3A是本发明的实施例1所涉及的伺服电动机控制装置中所使用的逆变换电路的结构图，图3B是U相、V相、W相的电压波形，图3C是用于说明逆变换电路的半导体元件的动作的图。在逆变换电路1中，并联连接有三组串联连接于直流电源部的两个一组的半导体元件(Tu1和Tu2、Tv1和Tv2、Tw1和Tw2)，这两个半导体元件的连接部分成为向伺服电动机的动力信号的供给源，存在U相、V相、W相这三个相的输出信号。另外，在各半导体元件上连接有二极管Du1、Du2、Dv1、Dv2、Dw1、Dw2。

如图3C那样，在上侧的半导体元件Tu1(U1)、Tv1(V1)、Tw1(W1)导通时，下侧的半导体元件Tu2(U2)、Tv2(V2)、Tw2(W2)一定截止，如果下侧的半导体元件导通，则上侧的半导体元件一定截止。若上下同时导通，则直流电源部短路，因此不会有上下的半导体元件同时导通的情况。也就是说，当以PWM周期为单位来考虑时，在逆变换电路中存在多个一定截止的半导体元件。针对该截止的半导体元件，进行半导体元件的切断电路的测试。

图4表示正常时的测试时序。在图4中示出从U1_PWM到W2_PWM这六个PWM信号。U1_PWM、V1_PWM、W1_PWM是从第一PWM电路2a输出的，U2_PWM、V2_PWM、W2_PWM是从第二PWM电路2b输出的。其中，附有“○”的部分表示要被测试的半导体元件。例如，“V1测试”表示要测试V相上臂半导体元件Tv1。关于测试，对从U1_DO到W2_DO这六个安全信号中的一个PWM信号没有ON的半导体元件，输出在PWM的一个周期时间以内的宽度短的测试脉冲，根据在从U1_DI到W2_DI的监视信号中是否正确地反映测试脉冲来进行检查。

U1_DO、V1_DO、W1_DO这些第一安全信号和U1_DI、V1_DI、W1_DI这些第一监视信号被第一伺服电动机控制电路4a发送接收，U2_DO、V2_DO、W2_DO这些第二安全信号和U2_DI、V2_DI、W2_DI这些第二监视信号被第二伺服电动机控制电路4b发送接收(图2)。

在图4的测试时序中，第一伺服电动机控制电路4a与第二伺服电动机控制电路4b交替地进行测试，但是无需一定交替地进行。在图4中，在测试的一个循环中进行一个半导体元件的测试，但是也能够在同一周期内进行两个以上的半导体元件的测试。伺服电动机控制电路4从PWM电路得到PWM信息，以周期为单位来确定没有导通的半导体元件，来选择能够测试的半导体元件。

图5表示故障时的测试时序。当在监视信号中无法检测出测试脉冲时(图5)，判断为切断电路异常，立即使全部安全信号、PWM信号成为OFF，进行警报停止。

这样，伺服电动机控制电路4具有第一伺服电动机控制电路4a和第二伺服电动机控制电路4b，在判定为第一伺服电动机控制电路所输出的第一安全信号与第二伺服电动机控制电路所输出的第二安全信号在脉宽调制信号的一个周期的时间以上不一致时，使向全部切断电路的第一安全信号和第二安全信号的输出断开，由此停止伺服电动机。

图6表示紧急停止时的伺服电动机的动力切断的时序。与图5的产生警报时同样地，在紧急停止时，切断全部PWM信号、安全信号。

如以上所说明的那样，根据本发明的实施例1所涉及的伺服电动机控制装置，能够在伺服电动机动作过程中进行动力切断电路的测试，能够早期地检测动力切断电路的故障，从而能够降低多重故障化的风险，提高包括半导体元件的动力切断电路的可靠性。

[实施例2]

接着，说明本发明的实施例2所涉及的伺服电动机控制装置。在图7中示出本发明的实施例2所涉及的伺服电动机控制装置的结构图。本发明的实施例2所涉及的伺服电动机控制装置102的特征在于，具有：顺变换器5，其将交流变换为直流，将变换出的直流供给到逆变换电路1-1、…、1-n；以及电磁接触器6，其将向顺变换器5供给交流的电源100与顺变换器之间的连接切断，具有以机械方式与主接点连动的辅助接点，其中，伺服电动机控制电路4检测辅助接点的状态来判定电磁接触器6是否正常，当在切断电路3a、3b或电磁接触器6中检测出异常时，使向全部切断电路3a、3b的安全信号的输出断开，并且切断电磁接触器6。实施例2所涉及的伺服控制装置102的其它结构与实施例1所涉及的伺服控制装置101的结构相同，因此省略详细说明。

在图7所示的结构图中，示出了实施例2所涉及的伺服放大器(伺服电动机控制装置)102控制n(n>1)台伺服电动机200-1～200-n的例子。另外，对顺变换器5设置有平滑电容器51。在伺服电动机控制电路4中设置有第一伺服电动机控制电路(第一CPU)4a和第二伺服电动机控制电路(第二CPU)4b。另外，在实施例2中示出将两个分开的PWM电路一体化成一个PWM电路2的例子。

第一伺服电动机200-1被第一逆变换电路1-1控制。第一逆变换电路1-1具备第(1-1)切断电路3a-1和第(2-1)切断电路3b-1。第(1-1)切断电路3a-1与第一CPU4a之间发送接收第一安全信号，与PWM电路2之间发送接收PWM信号。第(2-1)切断电路3b-1与第二CPU4b之间发送接收第二安全信号，与PWM电路2之间发送接收PWM信号。

第一逆变换电路1-1具备U相用的两个半导体元件Tu-1、V相用的两个半导体元件Tv-1、W相用的两个半导体元件Tw-1。

第n伺服电动机200-n被第n逆变换电路1-n控制。第n逆变换电路1-n具备第(1-n)切断电路3a-n和第(2-n)切断电路3b-n。第(1-n)切断电路3a-n与第一CPU4a之间发送接收第一安全信号，与PWM电路2之间发送接收PWM信号。第(2-n)切断电路3b-n与第二CPU4b之间发送接收第二安全信号，与PWM电路2之间发送接收PWM信号。

第n逆变换电路1-n具备U相用的两个半导体元件Tu-n、V相用的两个半导体元件Tv-n、W相用的两个半导体元件Tw-n。

在电源100与顺变换器5之间设置有电磁接触器6。

根据本发明的实施例2所涉及的伺服电动机控制装置，通过在电源供给源处设置电磁接触器6，在检测出警报时也同时切断电磁接触器，由此能够进一步提高可靠性。

[实施例3]

接着，说明本发明的实施例3所涉及的伺服电动机控制装置。在图8中示出本发明的实施例3所涉及的伺服电动机控制装置的结构图。本发明的实施例3所涉及的伺服电动机控制装置103的特征在于，具有：顺变换器5，其将交流变换为直流，将变换出的直流供给到逆变换电路；以及电源切断电路7，其将向顺变换器供给交流的电源100与顺变换器之间的连接切断，伺服电动机控制电路4检测顺变换器5的输出电压，基于检测结果来判定电源切断电路7是否正常，当在切断电路3a、3b或电源切断电路7中检测出异常时，使向全部切断电路3a、3b的安全信号的输出断开，并且切断电源切断电路7。实施例3所涉及的伺服控制装置的其它结构与实施例1所涉及的伺服控制装置的结构相同，因此省略详细说明。

在实施例3所涉及的伺服电动机控制装置103中，代替实施例2所涉及的伺服电动机控制装置102中的电磁接触器6而设置有电源切断电路7。

根据本发明的实施例3所涉及的伺服电动机控制装置，通过在电源供给源处设置电源切断电路7，在检测出警报时同时切断该电源切断电路，由此能够进一步提高可靠性。

[实施例4]

接着，说明本发明的实施例4所涉及的伺服电动机控制装置。在图9中示出本发明的实施例4所涉及的伺服电动机控制装置的结构图。本发明的实施例4所涉及的伺服电动机控制装置104的特征在于，还具有对停止伺服电动机(200-1、…、200-n)的再生制动器(8-1、…、8-n)或电磁制动器9进行控制的制动器控制电路10，伺服电动机控制电路4在使向全部切断电路的安全信号的输出断开的情况下，使再生制动器(8-1、…、8-n)或电磁制动器9有效，由此停止伺服电动机(200-1、…、200-n)。实施例4所涉及的伺服控制装置的其它结构与实施例1所涉及的伺服控制装置的结构相同，因此省略详细说明。

在第一逆变换电路1-1的第一输出处设置有第一再生制动器电路8-1，该第一再生制动器电路8-1被来自第一CPU4a或第二CPU4b的信号控制。

在第n逆变换电路1-n的第n输出处设置有第n再生制动器电路8-n，该第n再生制动器电路8-n被来自第一CPU4a或第二CPU4b的信号控制。

在第一伺服电动机200-1～第n伺服电动机200-n上连接有电磁制动器电路9，该电磁制动器电路9被来自第一CPU4a或第二CPU4b的信号控制。

根据本发明的实施例4所涉及的伺服电动机控制装置，在进行警报停止时，使全部逆变换电路1-1、…、1-n的输出断开，使再生制动器8-1、…、8-n、电磁制动器9有效，由此能够安全地停止伺服电动机200-1、…、200-n。

如以上所说明的那样，根据本发明的一个实施例所涉及的伺服电动机控制装置，能够提供一种能够在PWM控制过程中即伺服电动机动作过程中周期性地进行动力切断电路的测试的伺服电动机控制装置。

Claims (6)

1.一种伺服电动机控制装置，其特征在于，具有：

逆变换电路，其将直流变换为交流，将变换出的交流供给到伺服电动机，由此对伺服电动机进行驱动；

脉宽调制电路，其对上述逆变换电路输出脉宽调制信号；

切断电路，其被输入安全信号和上述脉宽调制信号，在上述安全信号为ON时，该切断电路将上述脉宽调制信号输出到上述逆变换电路，在上述安全信号为OFF时，该切断电路不将上述脉宽调制信号输出到上述逆变换电路；以及

伺服电动机控制电路，其将上述安全信号输出到上述切断电路，被输入从上述切断电路输出的监视信号，

其中，上述伺服电动机控制电路在伺服电动机驱动过程中，使向上述脉宽调制信号为OFF的上述切断电路输入的上述安全信号在上述脉宽调制信号的一个周期时间内成为OFF，在通过上述监视信号无法检测出OFF的情况下，检测出异常。

2.根据权利要求1所述的伺服电动机控制装置，其特征在于，

具有多个上述切断电路，具有分别输入到多个上述切断电路的多个上述安全信号、分别输入到多个上述切断电路的多个上述脉宽调制信号以及分别从多个上述切断电路输出的多个监视信号，

在上述伺服电动机控制电路检测出上述异常的情况下，通过使向全部上述切断电路的上述安全信号的输出断开，来停止伺服电动机。

3.根据权利要求1或2所述的伺服电动机控制装置，其特征在于，

上述伺服电动机控制电路具有第一伺服电动机控制电路和第二伺服电动机控制电路，

在判定为上述第一伺服电动机控制电路输出的第一安全信号与上述第二伺服电动机控制电路输出的第二安全信号在上述脉宽调制信号的一个周期时间以上不一致时，上述伺服电动机控制电路通过使向全部上述切断电路的上述第一安全信号和上述第二安全信号的输出断开来停止伺服电动机。

4.根据权利要求1至3中的任一项所述的伺服电动机控制装置，其特征在于，具有：

顺变换器，其将交流变换为直流，将变换出的直流供给到上述逆变换电路；以及

电磁接触器，其将向上述顺变换器供给交流的电源与上述顺变换器之间的连接切断，具备以机械方式与主接点连动的辅助接点，

其中，上述伺服电动机控制电路检测上述辅助接点的状态来判定上述电磁接触器是否正常，当在上述切断电路或上述电磁接触器中检测出异常时，上述伺服电动机控制电路使向全部上述切断电路的上述安全信号的输出断开并且切断上述电磁接触器。

5.根据权利要求1至3中的任一项所述的伺服电动机控制装置，其特征在于，具有：

顺变换器，其将交流变换为直流，将变换出的直流供给到上述逆变换电路；以及

电源切断电路，其将向上述顺变换器供给交流的电源与上述顺变换器之间的连接切断，

其中，上述伺服电动机控制电路检测上述顺变换器的输出电压，基于检测结果来判定上述电源切断电路是否正常，当在上述切断电路或上述电源切断电路中检测出异常时，上述伺服电动机控制电路使向全部上述切断电路的上述安全信号的输出断开并且切断上述电源切断电路。

6.根据权利要求1至3中的任一项所述的伺服电动机控制装置，其特征在于，还具有：

制动器控制电路，该制动器控制电路对停止上述伺服电动机的再生制动器或电磁制动器进行控制，

其中，上述伺服电动机控制电路在使向全部上述切断电路的上述安全信号的输出断开的情况下，使上述再生制动器或上述电磁制动器有效，由此停止伺服电动机。