JP2006121779A

JP2006121779A - コンバータおよびこれを用いたロボット用サーボ制御装置

Info

Publication number: JP2006121779A
Application number: JP2004304320A
Authority: JP
Inventors: Masayoshi Takahashi; 正悦高橋; Sumitoshi Sonoda; 澄利園田
Original assignee: Yaskawa Electric Corp
Current assignee: Yaskawa Electric Corp
Priority date: 2004-10-19
Filing date: 2004-10-19
Publication date: 2006-05-11

Abstract

【課題】入力電圧が低下した時モータを安全に停止し電源が復帰した時安全に動作復帰できると共に、その間のコンデンサに蓄えたエネルギーの消費を抑え、入力電源が復帰した際の過大な突入電流を防止するコンバータを提供する。
【解決手段】整流回路１３と、整流回路１３の直流側に設けられた平滑用コンデンサ１６と、平滑用コンデンサ１６の充電時の突入電流を防止するための抵抗１４と、抵抗１４を短絡するため抵抗１４に並列接続されたリレー１５と、コンデンサ１６の充電電圧を測定してリレー１５を開閉制御するリレー制御回路１７と、を備えたコンバータであって、さらに、リレー制御回路１７が、整流回路１３の交流側１１の入力電圧Ｖｉを測定して、その入力電圧Ｖｉが低下した時、抵抗１４を短絡するリレー１５を開放し、モータを減速させるようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、電源変動が変動した場合、停止後、復帰するロボット用サーボ制御装置に関し、特にそのコンバータに関する。

ロボットシステムに使用されているサーボ制御装置において、交流電源を直流電源に変換するコンバータは、その直流出力側にコンデンサを並列に接続するいわゆるコンデンサインプット型を用いるのが一般的である。そして、ロボットシステムに使用されるモータの容量に応じてそのコンデンサの容量は増大する。
一般的な公知のサーボ制御装置としては、例えば特許文献１記載のようなものがある。
特開２００２−２１８６７６号公報

図５は公知の一般的なサーボ制御装置のブロック図を示している。
図において、１１は入力（交流）電源、１２は電源スイッチ、１３は整流回路、１４は突入電流防止抵抗、１５は突入電流防止抵抗リレー、１６は主回路コンデンサ、１７はリレー制御回路、１８はサーボ制御回路、１９はサーボドライブ部である。
入力電源１１から供給される電源をスイッチ１２で投入した場合、そのまま電源を投入するとコンデンサ１６が無充電状態であるので突入電流が流れ、その後充電を完了するまで大電流が流れ、整流回路１３の整流素子等が熱破壊するおそれがある。それを軽減するために、突入電流を制限するための抵抗１４が電源回路中に入れられている。
ところが、使用される電力が小さい場合は、抵抗１４を入れっぱなしにしても抵抗損失はそれほど問題にはならなかったが、電力が大きくなると抵抗１４での抵抗損失が無視できなくなって、そのためにリレー１５等をコンデンサ１６に並列接続して、充電が完了してから所定時間後にリレー１５を閉じて抵抗１４を短絡してしまうようにしていた。
リレー１５を開放・短絡するためのリレー制御回路部１７はこのようにコンデンサ１６の充電電圧を監視し、充電電圧が所定の値まで上昇してから所定時間後にリレー１５を閉じて抵抗１４を短絡し、また充電電圧が所定の値以下となった時点で直ちにリレー１５を開くようにしている。
また、リレー制御回路部１７は充電電圧の状態をサーボ制御回路１８に送り、サーボが動作を開始できるかどうかを判断させることも行なっている。
また、入力電源１１の容量が小さい場合、瞬時的に大きな負荷がかかると一時的に入力電圧の低下が発生する(これを「ザグ」と呼んでいる)。特に、サーボアンプのようにコンデンサ１６の容量が大きな機器では、突入電流による瞬時的な負荷を発生させやすい。
そのため、コンデンサ１６の容量を増やさずに、ザグに対して強くする方法として、コンデンサ１６の充電電圧が低下した場合、ロボットを減速・停止させ、充電電圧が復帰した後、そこから動作を復帰させる方法を用いてきた。ロボットを減速させることにより使用するエネルギー量を減らして、充電電圧の低下を抑制するのである。しかもほとんどの場合、ロボットシステムは大きな慣性を持っているため、サーボアンプはブレーキ動作となって、コンデンサを充電する動作をする。

図６は一般的に行われているザグ対策の減速動作のタイムチャートを示す。
（ａ）で、入力電圧Ｖｉが時刻ｔ０で正常電圧Ｖｉ１から低電圧Ｖｉ２へ低下すると、（ｂ）のコンデンサ１６の充電電圧Ｖｃもこれに追随して電圧Ｖｃ１から電圧Ｖｃ２へ低下し始め、コンデンサ１６の充電電圧Ｖｃ２が時刻ｔ１でリレー制御回路１７の検出電圧Ｖｄを下回ると、（ｃ）のリレー制御回路１７は同じく時刻ｔ１でリレーをそれまでのＯＮ（抵抗１４の短絡状態）からＯＦＦ（抵抗１４の短絡解除）にする。さらに、これと同時にリレー制御回路１７はこの信号をサーボ制御回路１８に送り、これによって（ｄ）のサーボ制御回路１８は時刻ｔ１でモータの減速を開始し、最終的に時刻ｔ２で停止させる。その結果、コンデンサ１６の充電電圧Ｖｃの減少率は低下し、コンデンサ１６の充電電圧Ｖｃは入力電源Ｖｃ２と釣り合う電圧まで減少する。
また、（ａ）で、入力電源Ｖｉが時刻ｔ３で低電圧Ｖｉ２から正常電圧Ｖｉ１へ復帰すると、（ｂ）のコンデンサ１６は、（ｃ）のリレーがまだオープン状態であるので抵抗１５を通して（すなわち、突入電流を回避して）充電され始め、充電電圧Ｖｃは電圧Ｖｃ２から電圧Ｖｃ１へ向けて上昇してゆく。そして、コンデンサ１６の充電電圧Ｖｃ２が時刻ｔ４でリレー制御回路１７の検出電圧Ｖｄを上回ると、その時点からＯＮディレータイマーが作動開始し、所定時間Δｔ４後の時刻ｔ５に（ｃ）のリレー制御回路１７はリレーをそれまでのＯＦＦからＯＮにする。さらに、これと同時にリレー制御回路１７はこの信号をサーボ制御回路１８に送り、これによって（ｄ）のサーボ制御回路１８は時刻ｔ５でモータＭの動作を再開させ加速していく。

ところが、充電電圧のみを監視する従来方法の場合、入力電圧低下に対して、充電電圧低下には時間的なずれが発生するため、十分な減速時間が得られない場合が発生する。また、一部の負荷では、コンデンサを充電する動作とならない場合がある。その場合、ロボットは減速時に滑らかな動作ができなくなってしまう。そこで、このような場合の動作も保証するためには、やはり、コンデンサの容量を増加させる必要がある。
また、従来方法では、図７に示すように、突入防止抵抗１４がリレー１５で短絡されている時に、（ａ）で入力電圧Ｖｉが時刻ｔ０で正常電圧Ｖｉ１から低電圧Ｖｉ２へ低下すると、（ｂ）のコンデンサ１６の充電電圧Ｖｃもこれに追随して時刻ｔ０で電圧Ｖｃ１から電圧Ｖｃ２へ低下し始めるが（図６では充電電圧Ｖｃ２がリレー制御回路１７の検出電圧Ｖｄを下回ってリレーが動作するのであるが、図７では、）（ａ）で入力電源Ｖｉが早い時刻ｔ３で低電圧Ｖｉ２から正常電圧Ｖｉ１へ復帰してしまうので、電圧Ｖｃ２が検出電圧Ｖｄまで下がらず（したがって、（ｃ）でリレーもオープンにならず）、（ｂ）のコンデンサ１６は短絡のリレー１５を介して大きな突入電流が流れ、ザグを発生させてしまった。
また、ザグが電源容量不足でなかった場合には、その突入電流が整流回路１３内のダイオードの許容電流を超えてしまい、信頼性を著しく低下させる場合もあった。

本発明の目的は、上記の問題を解決するためになされたもので、入力電圧の大きな低下に対して素速く反応してモータが十分な減速時間が得られるようにできるロボット用サーボ制御装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、請求項１記載の発明は、整流回路と、該整流回路の直流側に設けられた平滑用コンデンサと、該平滑用コンデンサの充電時の突入電流を防止するための抵抗と、該抵抗を短絡するため該抵抗に並列接続されたリレーと、該コンデンサの充電電圧を測定して前記リレーを開閉制御するリレー制御回路と、を備えたコンバータであって、さらに、前記リレー制御回路が、前記整流回路の交流側の入力電圧を測定して、その入力電圧が著しく低下した時、前記突入電流防止抵抗を短絡するリレーを開放するようにしたことを特徴としている。
請求項２記載の発明は、請求項１記載のコンバータにおいて、前記リレー制御回路が、前記コンデンサの充電電圧が検出電圧に復帰した後所定時間後に前記突入電流防止抵抗をリレーで短絡するようにしたことを特徴としている。
請求項３記載の発明は、請求項１又は２記載のコンバータにおいて、前記リレー制御回路に替えてマイコンが前記リレーを開閉制御するようにしたことを特徴としている。
請求項４記載の発明は、請求項３記載のコンバータにおいて、前記マイコンが前記整流回路の交流側の入力電圧および前記コンデンサの充電電圧をそれぞれ分圧抵抗を介して入力されることを特徴としている。
請求項５記載の発明は、請求項４記載のコンバータにおいて、前記マイコンが前記整流回路の交流側の入力電圧を前記分圧抵抗に替えて降圧トランスを介して入力されることを特徴としている。
請求項６記載の発明は、請求項１〜５記載のいずれか１項記載のコンバータと、前記コンバータの出力側に接続されてモータを駆動するサーボドライブ部と、前記交流電圧が著しく低下した時にサーボドライブ部に運転速度を低下させる制御を行うサーボ制御回路と、を有するロボット用サーボ制御装置であって、前記リレー制御回路又は前記マイコンが、前記整流回路の交流側の入力電圧を測定して、その入力電圧が著しく低下した時、前記突入電流防止抵抗を短絡するリレーを開放するようにすると共に、前記サーボ制御回路対して入力電圧低下を通知するようにしたことを特徴としている。

本発明により、サーボは入力電圧が低下したらすぐに減速を開始でき、コンデンサに蓄えたエネルギーの消費を抑えられる。また、入力電源が復帰した際にも、確実に突入電流防止抵抗を通して充電するため、大きな突入電流を流し、自分が、ザグの原因となることはない。
そのため、コンデンサの容量は電源変動に考慮する必要がなく、本来の運転に必要なコンデンサ容量のみ搭載すればよくなるため、小型、軽量にすることができる。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

図１は、本発明の構成を表すブロック図である。
図において、リレー制御回路１７は、その入力として、図５ではコンデンサ１６の充電電圧Ｖｃだけを検出していたが、ここではさらに入力電源１１の交流電圧Ｖｉも検出するようにしているのが特徴である。その他の部品は図５と同じであるので、重複説明は省略する。
図２は本発明に係る図１の回路の動作シーケンスを説明するタイムチャートである。
（ａ）で、入力電圧Ｖｉが時刻ｔ０で正常電圧Ｖｉ１から低電圧Ｖｉ２へ低下すると、（ｂ）のコンデンサ１６の充電電圧Ｖｃもこれに追随して電圧Ｖｃ１から電圧Ｖｃ２へ低下し始める。これと同時に、（ｃ）のリレー制御回路１７は時刻ｔ０の入力電圧Ｖｉの低下で直ちに、リレーをそれまでのＯＮ（抵抗１４の短絡状態）からＯＦＦ（抵抗１４の短絡解除）に切り替えると共に、この信号をサーボ制御回路１８に送り、これによって（ｄ）でサーボ制御回路１８は時刻ｔ０でモータの減速を開始し、最終的に時刻ｔ２で停止させる。その結果、コンデンサ１６の充電電圧Ｖｃの減少率は低下し、コンデンサ１６の充電電圧Ｖｃは入力電源Ｖｃ２と釣り合う電圧まで減少する。
また、（ａ）で、入力電源Ｖｉが時刻ｔ３で低電圧Ｖｉ２から正常電圧Ｖｉ１へ復帰すると、（ｂ）のコンデンサ１６は（（ｃ）でリレーがまだオープン状態になっているので）突入電流防止抵抗１５を通して充電され始めるので、大きな突入電流が流れることは無くなる。
また、図７で起きたような、入力電圧Ｖｉが時刻ｔ０で正常電圧Ｖｉ１から低電圧Ｖｉ２へ低下してもリレー制御回路の検出電圧Ｖｄに達する前に正常電圧Ｖｉ１の回復したときの大きな突入電流が流れることは、本発明によれば、入力電圧Ｖｉの低下したｔｏの時点でで直ちに抵抗１４の短絡解除をしているので、起こりえない。
このように、実施例１によれば、入力電源電圧が低下すると即時にリレーが開放され、モータの減速が開始されるため、コンデンサに蓄えたエネルギーの消費を抑えられる。また、入力電源が復帰した際にも、確実に突入電流防止抵抗を通して充電し、その後短絡するので、大きな突入電流を流して自分がザグの原因となることはない。
そのため、コンデンサの容量は電源変動に考慮する必要がなく、本来の運転に必要なコンデンサ容量のみ搭載すればよくなるため、小型、軽量にすることができる。

図３は、本発明をマイコンを使って実現した構成を表すブロック図である。
図１と異なるところは、リレー制御回路１７に替えてマイコン２０を用いた点であり、その入力として、コンデンサ１６の充電電圧Ｖｃを分圧抵抗２１で分圧してマイコン２０のＡ／Ｄで処理できる電圧まで降下させた低電圧Ｖｃ’と、入力電源１１の交流電圧Ｖｉを分圧抵抗２１で分圧してマイコン２０のＡ／Ｄで処理できる電圧まで降下させた低電圧Ｖｉ’とをマイコン２０に入力し、中でＡ／Ｄ変換して、上記リレー制御回路１７が行っていたのと同じ制御を行うようにしている。入力電源電圧は、それぞれを、充電電圧のマイナス側の電位をコモンとして、マイコン内の演算により求めている。
その他の部品は図５と同じであるので、重複説明は省略する。
このようにして実施例２によれば、実施例１と同じく、入力電源電圧が低下すると即時にリレーが開放され、モータの減速が開始されるため、コンデンサに蓄えたエネルギーの消費を抑えられる。また、入力電源が復帰した際にも、確実に突入電流防止抵抗を通して充電し、その後短絡するので、大きな突入電流を流して自分がザグの原因となることはない。
そのため、コンデンサの容量は電源変動に考慮する必要がなく、本来の運転に必要なコンデンサ容量のみ搭載すればよくなるため、小型、軽量にすることができる。

図４は、図３のマイコンの入力電源電圧Ｖｉの検出に、前記分圧抵抗２１に替えて降圧トランス２２を用いた例である。降圧トランス２２を用いて入力電源電圧Ｖｉを２次電圧Ｖｉ’（Ｖｉ＞Ｖｉ’）に降圧してマイコン２０のＡ／Ｄで処理できる電圧まで降下させている。また、トランス２２を用いているのでマイコン２０を入力電源１１（図１）の電圧Ｖｉと電気的絶縁をすることができ、マイコン２０の保護ができる点が利点でもある。実施例３の回路の他の動作・効果は、図３のマイコンを使って実現した回路と同じであるので、重複説明は省略する。

以上のように、本発明によれば、入力電源電圧が低下すると即時にリレーが開放され、モータの減速が開始されるため、コンデンサに蓄えたエネルギーの消費を抑えられる。
また、入力電源が復帰した際にも、確実に突入電流防止抵抗を通して充電し、その後短絡するので、大きな突入電流を流して自分がザグの原因となることはない。
そのため、コンデンサの容量は電源変動に考慮する必要がなく、本来の運転に必要なコンデンサ容量のみ搭載すればよくなるため、小型、軽量にすることができる。

本発明の実施例１に係るロボット用サーボ制御装置のブロック図である。図１のロボット用サーボ制御装置の電源低下停止シーケンスタイミング図である。本発明の実施例２に係るマイコンを使って実現した時のブロック図である。図３の入力検出部をトランスで実現した図である。従来のロボット用サーボ制御装置のブロック図である。従来のロボット用サーボ制御装置の電源低下停止シーケンスタイミング図である。従来のロボット用サーボ制御装置の電源低下が小さかった時のシーケンスタイミング図である。

符号の説明

１１入力電源
１２電源スイッチ
１３整流回路
１４突入電流防止抵抗
１５突入電流防止抵抗リレー
１６主回路コンデンサ
１７リレー制御回路
１８サーボ制御回路
１９サーボドライブ部
２０マイコン
２１分圧抵抗
２２トランス

Claims

整流回路と、該整流回路の直流側に設けられた平滑用コンデンサと、該平滑用コンデンサの充電時の突入電流を防止するための抵抗と、該抵抗を短絡するため該抵抗に並列接続されたリレーと、該コンデンサの充電電圧を測定して前記リレーを開閉制御するリレー制御回路と、を備えたコンバータであって、
さらに、前記リレー制御回路が、前記整流回路の交流側の入力電圧を測定して、その入力電圧が著しく低下した時、前記突入電流防止抵抗を短絡するリレーを開放するようにしたことを特徴とするコンバータ。
前記リレー制御回路が、前記コンデンサの充電電圧が検出電圧に復帰した後所定時間後に前記突入電流防止抵抗をリレーで短絡するようにしたことを特徴とする請求項１記載のコンバータ。
前記リレー制御回路に替えてマイコンが前記リレーを開閉制御するようにしたことを特徴とする請求項１又は２記載のコンバータ。
前記マイコンが前記整流回路の交流側の入力電圧および前記コンデンサの充電電圧をそれぞれ分圧抵抗を介して入力されることを特徴とする請求項３記載のコンバータ。
前記マイコンが前記整流回路の交流側の入力電圧を前記分圧抵抗に替えて降圧トランスを介して入力されることを特徴とする請求項４記載のコンバータ。
請求項１〜５記載のいずれか１項記載のコンバータと、前記コンバータの出力側に接続されてモータを駆動するサーボドライブ部と、前記交流電圧が著しく低下した時にサーボドライブ部に運転速度を低下させる制御を行うサーボ制御回路と、を有するロボット用サーボ制御装置であって、
前記リレー制御回路又は前記マイコンが、前記整流回路の交流側の入力電圧を測定して、その入力電圧が著しく低下した時、前記突入電流防止抵抗を短絡するリレーを開放するようにすると共に、前記サーボ制御回路対して入力電圧低下を通知するようにしたことを特徴とするロボット用サーボ制御装置。