JP2007143311A - モータ制御装置および電磁ブレーキ付モータ - Google Patents

Abstract

【課題】モータの小型化が可能で、かつ簡単にモータ温度の推定ができるブレーキ付きモータようにのモータ制御装置装置を提供する。
【解決手段】モータ温度が上昇して電磁ブレーキコイル温度と熱平衡状態に達した場合、制御部４２１が電流検出回路４２３の検出した現在の電流値とＰＷＭ回路４２２の作る電磁ブレーキコイル印加電圧とよりオームの法則より電磁ブレーキコイルの現在の抵抗値Ｒを算出し、当該抵抗値Ｒと既知の温度Ｔｋ［℃］における抵抗値Ｒｋとを用いて前記電磁ブレーキコイル温度Ｔｂ［℃］を、Ｔｂ＝｛（２３４．５＋Ｔｋ）Ｒ−２３４．５×Ｒｋ｝／Ｒｋ（２３４．５は軟銅線の抵抗温度係数）から求め、この電磁ブレーキコイル温度に基づいて電磁ブレーキ付モータ内の温度Ｔｍ［℃］をＴｍ＝ｋＴｂ（ただし、ｋは比例関係の係数）、から推定する。
【選択図】図２

Description

本発明は、電磁ブレーキを備えているブレーキ付モータに関し、特にそのモータ温度を簡単かつ正確に推定することのできるモータ制御装置に関するものである。

本発明が対象としているモータは、電磁ブレーキがモータ部の反負荷側に取り付けられた電磁ブレーキ付モータである。図３は電磁ブレーキの縦断面図である。
図において、２０はモータ、２１はシャフト、２２はロータ、２３はステータである。３０はモータ２０の反出力軸側に固定されている電磁ブレーキで、電磁コイル３１、固定鉄心３２、可動鉄心３３、制動板３４、固定板３５、ばね３６から構成されている。制動板３４はシャフト２１にキー接続されていて、シャフトの軸（長さ）方向に移動可能でかつ周方向には移動不可となっている。ばね３６が可動鉄心３３を固定板３５側に押すと、制動板３４も固定板３５側に押されてシャフト２１の軸方向に移動して、最終的に固定板３５に接触し押圧・摩擦によってシャフト２１が回転を阻止されることになる。とこころが電磁コイル３１を励磁すると固定鉄心３２が電磁石となり、可動鉄心３３に吸引力が働く。この吸引力はばね３６の押圧力よりも大きく設定されているので、可動鉄心３３はばね力に逆らって固定鉄心３２に吸引される。これによって制動板３４は軸方向にフリーとなるので、シャフト２１はブレーキ解除となり回転可能となる。
通常、電磁ブレーキ３０は、電源ＯＦＦ時にばね３６が可動鉄心３３を介して制動板３４を固定板３５に押圧して制動状態となっている（図４はこの状態を示している。）。
そして電源ＯＮ時には、ＤＣ２４ＶやＤＣ９０Ｖ等の電源から直接、電磁コイル３１に通電して固定鉄心３２を励磁し、ばね３６に打ち勝って可動鉄心３３を吸引することで制動板３４が解放され、制動状態が解かれる。

ところが、従来の電磁ブレーキ付モータは、直接電磁ブレーキに電圧をかけて電磁ブレーキを開放するだけで、温度を検出する機能などは備えておらず、モータの異常温度上昇には対応できなかった。
また、特許文献１記載のように、電磁ブレーキの消費電力を低減して発熱量を抑制するため、コントローラとモータの電磁ブレーキとの間に電磁ブレーキ制御回路を接続し、この電磁ブレーキ制御回路を、電磁ブレーキと直列に接続した抵抗器と、この抵抗器に並列接続した開閉器と、この開閉器を制御する制御部で構成して成る電磁ブレーキ制御装置を使用して電磁ブレーキを制御するものもあるが、温度検出などの機能は備わっていなかった。
また、温度センサを設けることなく、発熱源であるモータコイルの温度を直接検出することのできるものとして特許文献２記載の発明がある。これは、モータコイルに電圧が印加されたときに流れる電流を電流測定用抵抗の両端に発生する電位差を電流検出回路によって検出し、一方、モータコイルに印加される電圧を電圧測定回路によって測定し、測定された電流と電圧をモータコイル温度検出回路に入力し、モータコイル温度検出回路でモータコイルの抵抗を求め、この抵抗値よりモータコイルの温度Ｔを求めるものである。
しかしながら、これらの値からモータの温度を推定する方法は、モータコイルに流れる電流が変化するため、抵抗検出回路が複雑になるという問題があった。
特開平１０−２４８２８２号公報 特開２００４−２０８４５３号公報

本発明はこのような問題点を解決するためになされたもので、モータの小型化に影響を与えない、かつ検出回路が複雑にならないようにして、モータ温度の推定ができるモータ制御装置装置を提供することを目的としている。

上記問題を解決するため、請求項１記載の発明は、モータ制御装置に係り、モータと電磁ブレーキが一体的に設けられた電磁ブレーキ付モータの前記電磁ブレーキをコントロールするＰＷＭアンプと、前記電磁ブレーキ付モータおよび前記ＰＷＭアンプを制御するコントロールユニットと、を具備したモータ制御装置において、モータ温度が上昇して前記電磁ブレーキの電磁ブレーキコイル温度と熱平衡状態に達した場合、前記ＰＷＭアンプが前記電磁ブレーキの現在の電磁ブレーキコイル温度Ｔｂを求め、前記電磁ブレーキコイル温度Ｔｂ［℃］に基づいて前記電磁ブレーキ付モータ内の温度Ｔｍ［℃］を、次式、Ｔｍ＝ｋＴｂ（ただし、ｋは比例関係の係数）から推定することを特徴としている。
また、請求項２記載の発明は、請求項１記載のモータ制御装置において、前記ＰＷＭアンプが、前記電磁ブレーキコイルに印加する電圧のデューティを作り出すＰＷＭ回路と前記電磁ブレーキコイルに流れる電流を検出する電流検出回路と前記両回路を制御する制御部とを備え、前記制御部が前記電流検出回路の検出した現在の電流値と前記ＰＷＭ回路の作る電磁ブレーキコイル印加電圧とより前記電磁ブレーキコイルの抵抗値Ｒを算出し、当該抵抗値Ｒと既知の温度Ｔｋ［℃］における抵抗値Ｒｋとを用いて前記電磁ブレーキコイル温度Ｔｂ［℃］を次式、
Ｔｂ＝｛（２３４．５＋Ｔｋ）Ｒ−２３４．５×Ｒｋ｝／Ｒｋ から求めることを特徴としている。
また、請求項３記載の発明は、請求項１または２記載のモータ制御装置において、前記電磁ブレーキコイルの温度が所定値以上になった場合に、前記ＰＷＭアンプが前記コントロールユニットに異常を知らせることを特徴としている。
さらに、請求項４記載の発明は、請求項１又は２記載のモータ制御装置において、表示装置を有し、前記電磁ブレーキコイルの温度が所定値以上になった場合に、前記ＰＷＭアンプが前記表示装置に異常状態を表示することを特徴としている。
そして、請求項５記載の発明は、モータと電磁ブレーキが一体的に設けられた電磁ブレーキ付モータにおいて、請求項１〜３のいずれか１項記載のモータ制御装置を設け、前記モータ制御装置の前記ＰＷＭアンプと前記電磁ブレーキとを接続し、前記コントロールユニットと前記モータとを接続して成ることを特徴としている。

請求項１〜４に記載の発明によると、電磁ブレーキを制御するのに前記ＰＷＭアンプを使用するだけで、温度センサを使用せず、モータコイル抵抗を複雑な検出回路なしで、モータコイル温度が推定可能となる。
請求項１記載の発明によれば、モータ温度が上昇して電磁ブレーキの電磁ブレーキコイル温度と熱平衡状態に達した場合、現在の電磁ブレーキコイル温度Ｔｂが判れば、電磁ブレーキ付モータ内の温度Ｔｍは比例式から求まるので、モータコイルに流れる電流を検出することなくモータコイル温度Ｔｍが推定可能となる。
また、請求項２記載の発明によれば、電磁ブレーキコイルに流れる電流と印加電圧とより、最終的に電磁ブレーキ付モータ内の温度Ｔｍが求まるので、温度センサを使用せず、またモータコイルに流れる電流を検出することなくモータコイル温度Ｔｍが推定可能となる。
また、請求項３記載の発明によれば、ＰＷＭアンプがコントロールユニットに異常を知らせるので、コントロールユニットが回路保護、警報報知の方策を講じることが可能となる。
また、請求項４記載の発明によれば、電磁ブレーキコイルの温度が所定値以上になった場合に、ＰＷＭアンプが表示装置に異常状態を表示するので、オペレータは速やかに適切な措置を講じることが可能となる。
また、請求項５記載の発明によれば、電磁ブレーキ付モータにこのようなモータ制御装置を設けたので、温度センサを使用せずに、モータ内の温度Ｔｍが正確にかつ簡単に求まるので、電磁ブレーキ付モータの適切な保護が可能となる。
また、モータコイルに流れる電流を検出することなくモータコイル温度Ｔｍが推定可能となる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について図を参照して説明する。
図１は本発明が対象としている電磁ブレーキ付モータの縦断面図である。
図において、１０は電磁ブレーキ付モータで、電磁ブレーキ付モータ１０はモータ２０と電磁ブレーキ３０とから成る。モータ２０は、シャフト２１、ロータ２２、ステータ２３から成る。シャフト２１の端部にはエンコーダ２４が設けられて、ロータ２２の位置検出を行っている。電磁ブレーキ３０は図３で説明したものと同じであるので、電磁ブレーキコイル３１だけ示し、他の重複図示は省略する。
図から判るように、電磁ブレーキ付モータの電磁ブレーキ３０は、モータ２０内でロータ２２とステータ２３に非常に近接しているので、モータ温度からの影響を受けやすい状態にある。そのため、モータ駆動によりモータ温度が上昇して、熱平衡状態に達すれば、温度分布は損失に比例すると考えられることから、電磁ブレーキコイル３１の温度を推定することによって、モータコイルの温度を正確に推定することができるはずである、という発想に本発明は基づいている。

図２は本発明に係るモータ制御装置で、モータ温度を推定できる構成図を示している。図において、４０は本発明に係るモータ制御装置で、コントロールユニット４１とＰＷＭアンプ４２とで構成されている。
コントロールユニット４１は、ＰＷＭアンプ４２に電源を供給し、ＰＷＭアンプ４２を介して電磁ブレーキ３０に駆動指令を与えていると共に、直接、電磁ブレーキ付モータ２０を駆動・制御している。
ＰＷＭアンプ４２は、コントロールユニット４１から電源を供給してもらい、駆動指令がある時のみ電磁ブレーキ３０を開閉させる。
電磁ブレーキコイル３１（図１）の温度が所定値以上の場合は、ＰＷＭアンプ４２からコントロールユニット４１への通信手段を用いることよって、コントロールユニット４１がモータコイル温度状況を把握できるように構成されている。
ＰＷＭアンプ４２の内部構成は、制御部４２１とＰＷＭ回路４２２と電流検出回路４２３とで構成されている。ＰＷＭアンプ４２は、電磁ブレーキ３０を定電流で制御している。そのため、電磁ブレーキコイル３１に印加する電圧を制御しているＰＷＭ回路９と電磁ブレーキコイル３１に流れる電流を検出する電流検出回路４２３と各回路を制御する制御部４２１を備えている。制御部４２１は、電磁ブレーキコイル３１に流れる電流を一定にするために、ＰＷＭ回路４２２のデューティを制御している。

このように、電磁ブレーキ３０に流れる電流値Ｉ［Ａ］と電圧値Ｅ［Ｖ］が把握できるため、電磁ブレーキコイル３１の抵抗Ｒ［Ω］は、
Ｒ＝Ｅ／Ｉ
といて求めることができる。
算出した電磁ブレーキコイル３１の抵抗Ｒ［Ω］と冷却時（２０℃）の電磁ブレーキコイル３１の抵抗Ｒ０［Ω］の関係は、電磁ブレーキコイルに用いられる軟銅線の抵抗温度係数を２３４．５とした時に、
Ｒ／Ｒ０＝（２３４．５＋Ｔｂ）／（２３４．５＋２０）
となるので、現在の電磁ブレーキコイル３１の温度Ｔｂ［℃］は、
Ｔｂ＝｛（２３４．５＋２０）Ｒ−２３４．５Ｒ０｝／Ｒ０
として求めることができる。
これにより、モータコイルの温度を推定するには、先述したように、モータ駆動により、モータ温度が上昇し熱平衡状態に達すれば、電磁ブレーキコイル３１の温度Ｔｂ［℃］とモータコイルの温度Ｔｍ［℃］の関係が比例関係となることから、
Ｔｍ＝ｋＴｂ
として求めることができる。ここで、ｋは比例関係の係数である。

モータコイル温度が所定値以上になった場合に、ＰＷＭアンプ４２からコントロールユニット４１に状況を伝え、コントロールユニット４１が適切な保護（モータ回転減速・停止、使用者への警報表示・報知等）を行うようにすると良い。
さらに、ＰＷＭアンプ４２自身にＬＥＤ等の表示装置を備えることによって、ＰＷＭアンプ４２が使用者に直接状況を把握できるようにするのも良い。
ロボット装置で、過度の動作によってロボットの軸に使用しているモータが、モータ焼損などモータコイル温度が異常上昇したことによる故障が発生するが、本発明のモータ温度推定装置を適用した場合、過度の動作によってモータコイル温度が所定値以上になれば、各軸の電磁ブレーキ付モータと接続されているＰＷＭアンプがコントロールユニットに状況を伝え、発熱を回避する制御をすることができる。さらに、所定値以下に下がれば、通常制御で動作し続けることができるようになる。

電磁ブレーキ付モータにこのようなモータ制御装置を設けることで、温度センサを使用せずに、モータ内の温度Ｔｍが正確にかつ簡単に求まるので、電磁ブレーキ付モータの適切な保護が可能となる。
このように温度センサやモータコイルの抵抗検出回路等を新たに取り付ける必要がないため、電磁ブレーキ付モータを小型化する場合に障害とならず、ロボット分野において、設計自由度を広げることができる。
モータコイルの電圧電流変化より、電磁ブレーキコイル３１の電圧電流変化が少ないため、簡単かつ正確にモータコイル温度を推定することができるため、モータコイルの温度的な制限を緻密に設定ができる。
現状の電磁ブレーキの制御部を定電流制御のＰＷＭアンプに置き換えるだけで、従来のシステムを利用することができるので、システムの改造をほとんどすることなく適用できる。
ロボット分野において、電磁ブレーキ付モータの発熱を回避する制御が可能となることから、モータの発熱による故障で緊急停止し、工場の生産ラインを長時間止めるような状況に陥ることをなくすことができる。

本発明が対象としている電磁ブレーキ付モータの縦断面図である。 本発明に係るモータ温度を推定できる構成を内蔵したモータ制御装置のブロック図である。 本発明が扱う電磁ブレーキの縦断面図である。

符号の説明

１０ 電磁ブレーキ付モータ
２０ モータ
２１ シャフト
２２ ロータ
２３ ステータ
２４ エンコーダ
３０ 電磁ブレーキ
３１ 電磁コイル
３２ 固定鉄心
３３ 可動鉄心
３４ 制動板
３５ 固定板
３６ ばね
４１ コントロールユニット
４２ ＰＷＭアンプ
４２１ 制御部
４２２ ＰＷＭ回路
４２３ 電流検出回路

Claims (5)

1. モータと電磁ブレーキが一体的に設けられた電磁ブレーキ付モータの前記電磁ブレーキをコントロールするＰＷＭアンプと、前記電磁ブレーキ付モータおよび前記ＰＷＭアンプを制御するコントロールユニットと、を具備したモータ制御装置において、
   モータ温度が上昇して前記電磁ブレーキの電磁ブレーキコイル温度と熱平衡状態に達した場合、前記ＰＷＭアンプが前記電磁ブレーキの現在の電磁ブレーキコイル温度Ｔｂを求め、前記電磁ブレーキコイル温度Ｔｂ［℃］に基づいて前記電磁ブレーキ付モータ内の温度Ｔｍ［℃］を次式、
   Ｔｍ＝ｋＴｂ （ただし、ｋは比例関係の係数）
   から推定することを特徴とするモータ制御装置。
2. 前記ＰＷＭアンプが、前記電磁ブレーキコイルに印加する電圧のデューティを作り出すＰＷＭ回路と前記電磁ブレーキコイルに流れる電流を検出する電流検出回路と前記両回路を制御する制御部とを備え、前記制御部が前記電流検出回路の検出した現在の電流値と前記ＰＷＭ回路の作る電磁ブレーキコイル印加電圧とより前記電磁ブレーキコイルの抵抗値Ｒを算出し、当該抵抗値Ｒと既知の温度Ｔｋ［℃］における抵抗値Ｒｋとを用いて前記電磁ブレーキコイル温度Ｔｂ［℃］を次式、
   Ｔｂ＝｛（２３４．５＋Ｔｋ）Ｒ−２３４．５×Ｒｋ｝／Ｒｋ
   から求めることを特徴とする請求項１記載のモータ制御装置。
3. 前記電磁ブレーキコイルの温度が所定値以上になった場合に、前記ＰＷＭアンプが前記コントロールユニットに異常を知らせることを特徴とする請求項１または２記載のモータ制御装置。
4. 表示装置を有し、前記電磁ブレーキコイルの温度が所定値以上になった場合に、前記ＰＷＭアンプが前記表示装置に異常状態を表示することを特徴とする請求項１又は２記載のモータ制御装置。
5. モータと電磁ブレーキが一体的に設けられた電磁ブレーキ付モータにおいて、請求項１〜３のいずれか１項記載のモータ制御装置を設け、前記モータ制御装置の前記ＰＷＭアンプと前記電磁ブレーキとを接続し、前記コントロールユニットと前記モータとを接続して成ることを特徴とする電磁ブレーキ付モータ。

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