JP2008118771A - 移動体の緊急停止装置 - Google Patents

Abstract

【課題】サーボモータ２０８を使用して移動体（移動テーブル３０２）をμｍ単位で位置制御して精密に位置決めする位置決め装置３００において、移動体（３０２）の衝突を避け、しかも、ブレーキのトルクによる衝撃を緩和する。
【解決手段】モータ（２０８）で駆動される移動体（３０２）を非常時に急停止させるための緊急停止装置において、移動体（３０２）の位置範囲をもとに、機械リミット３０６Ａ、３０６Ｂに近い位置範囲（急減速範囲Ａ、Ｃ）では制動力を強め、機械リミット３０６Ａ、３０６Ｂから遠い位置範囲（通常減速範囲Ｂ）では制動力を弱める制御を行なう。
【選択図】図２

Description

本発明は、移動体の緊急停止装置に係り、特に、サーボモータを使用して軸等を駆動し、移動テーブルや移動ヘッドをμｍ単位で位置制御して精密に位置決めする位置決め装置に用いるのに好適な、モータで駆動される移動体を非常時に急停止させるための緊急停止装置に関する。

サーボモータを使用して軸等を駆動し、移動テーブルや移動ヘッドをμｍ単位で位置制御して精密に位置決めする位置決め装置では、位置決め装置各部に機械的なゆがみ等が発生すると、所望の位置精度を維持できなくなるが、移動テーブルの衝突や、ダイナミックブレーキのブレーキトルクによる衝撃は、位置決め装置各部に機械的ゆがみを発生させる原因となる。

そこで出願人は、特許文献１で、電子部品搭載装置の搭載ヘッド同士が衝突すると判断した場合に、暴走している搭載ヘッドのモータ電源を切って、この暴走している搭載ヘッドをダイナミックブレーキにより制動・停止させるように制御すると共に、正常に作動している搭載ヘッドのモータ電源を切って、この正常に作動している搭載ヘッドを制動・停止させるように制御することを提案している。

一方、同期電動機の非常停止回路として、特許文献２には、図１に示すような従来例が記載されている。図において、１００はダイオードブリッジ、１０１は平滑用コンデンサ、１０２はトランジスタモジュール（パワーモジュールとも称する）、１０３は三相モータ（Ｍ）、１０４はモータ制御回路、１０５は異常検出回路、１０６はリレー、１０７はリレー駆動回路、１０８は抵抗器、１０９は電流検出回路、１１０は電流検出器である。

この非常停止回路は、三相モータ１０３を駆動中に異常検出回路１０５で例えば過電圧等を検出した場合に、異常検出回路１０５から出力されるダイナミックブレーキ動作信号によりモータ制御回路１０４を制御し、トランジスタモジュール１０２の正側又は負側のトランジスタを同時にオンし、三相モータ１０３に発生する誘起電圧を使用してダイナミックブレーキを動作させ、三相モータ１０３を減速する。

又、上記ダイナミックブレーキ動作中に三相モータ１０３を流れるダイナミックブレーキ電流を電流検出器１１０で検出し、電流検出回路１０９では予め設定された電流値になると、リレー駆動回路１０７及びモータ制御回路１０４に動作信号を出力し、モータ制御回路１０４ではトランジスタモジュール１０２の正側又は負側をオフし、リレー駆動回路１０７は、リレー１０６の接点を閉成し、三相モータ１０３の電力線Ｕ、Ｖ、Ｗを、抵抗器１０８を介して短絡する。以上のような構成にすることで、非常停止時の減速時間を短縮できる。

又、トランジスタモジュール１０２の正側又は負側のトランジスタをスイッチング制御することで、ダイナミックブレーキ時のモータ電流を制御でき、モータに接続される機械の用途に合わせて減速時間を制御できる。

上記従来例では、トランジスタモジュール１０２のトランジスタ制御によるダイナミックブレーキ及び抵抗器１０８を介したダイナミックブレーキを複合的に組合せた構成で示しているが、それぞれ単独にダイナミックブレーキ制御装置として構成されることもある。

特開２００４−１８６５４５号公報 特許第３２７９１０２号（図１）

しかしながら従来のダイナミックブレーキ制御装置は、モータに接続される機械の移動位置を加味したダイナミックブレーキ制御が行なえていないため、ダイナミックブレーキトルクによる機械に対する衝撃を和らげるためにダイナミックブレーキの減速時間を長く設定したとき、機械的リミット付近で異常又は非常停止信号等のダイナミックブレーキ動作が必要な事象が検知された場合に衝突が発生し、機械自体を破損してしまう可能性がある。逆に、衝突を避けるためにダイナミックブレーキを最大限にかけるようなダイナミックブレーキ制御装置の構成にしてしまうと、機械的リミットまで距離に余裕が有る場合にも最大限にダイナミックブレーキがかかってしまい、ダイナミックブレーキ自体のブレーキトルクの衝撃により、機械にダメージを与えてしまう可能性があるという問題があった。

本発明は、前記従来の問題点を解決するべくなされたもので、移動体の機械リミットへの衝突を避け、しかも、ブレーキトルクによる衝撃を緩和することが可能な緊急停止装置を提供することを課題とする。

本発明は、モータで駆動される移動体を非常時に急停止させるための緊急停止装置において、移動体の位置範囲をもとに、機械リミットに近い位置範囲では制動力を強め、機械リミットから遠い位置範囲では制動力を弱める制御を行なうようにして、前記課題を解決したものである。

ここで、減速パターンを変更可能とすることができる。

又、前記位置範囲を可変とすることができる。

本発明によれば、移動体の位置により、異常時又は非常停止時の減速トルクを制御するため、移動体にダメージを与えることなく緊急停止が可能となる。

特に、減速パターンを変更可能とした場合には、一律に減速パターンを固定できない負荷が変化する移動体であっても、移動体に対するダメージを軽減できる緊急停止が可能となる。

以下図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。

図２に、インバータ回路でなる駆動回路２００及び位置決め装置３００を含む本発明の緊急停止装置の実施形態を示す。

図において、２０２はダイオードブリッジ、２０４は平滑用コンデンサ、２０６はトランジスタモジュール、２０８はサーボモータ（Ｍ）、２１０はモータ制御回路、２１２は異常検出回路、２１４は電流検出回路、２１６は電流検出器、２１８は減速パターンテーブル、２２０はセレクタ、２２２は、モータ２０８に付設されたロータリエンコーダでなるモータエンコーダ（Ｅ）、２２４は非常停止スイッチ（ＳＷ）、２２６はコントローラ、３０２は移動テーブル、３０４は、該移動テーブル３０２を移動するための、前記モータ２０８により駆動されるボールねじ、３０６Ａは機械リミットＡ、３０６Ｂは機械リミットＢ、３０８Ａは、機械リミット３０６Ａ側の急減速範囲Ａと通常減速範囲Ｂの境界に配設されたセンサＡ、３０８Ｂは、通常減速範囲Ｂと機械リミット３０６Ｂ側の急減速範囲Ｃの境界に配設されたセンサＢである。

以上の構成において、移動テーブル３０２の位置の検出に、直動部に取り付けられたセンサＡ３０８Ａ、センサＢ３０８Ｂを用いる。このセンサ３０８Ａ、３０８Ｂは近接センサ等で構成され、移動テーブル３０２が最大移動速度で移動しても、機械リミットＡ、Ｂに衝突しない位置に急減速範囲Ａ、Ｃを設定するよう配設される。

前記異常検出回路２１２又は非常停止スイッチ２２４からの信号を検知すると、ダイナミックブレーキ制御回路の動作は、移動テーブル３０２の位置により動作が異なる。

移動テーブル３０２が、図２の通常減速範囲Ｂにある場合に、異常検出回路２１２又は非常停止スイッチ２２４からの信号を検知すると、減速パターンテーブル２１８に予め記憶された、図３に例示するような、通常の減速パターンａが、セレクタ２２０により選択され、モータ制御回路２１０に出力される。通常減速パターンａは、ダイナミックブレーキトルクを弱め、位置決め装置３００のダイナミックブレーキによる衝撃を和らげるようなパターンに設定されている。

一方、移動テーブル３０２が、図２の急減速範囲Ａ又はＣにある場合に、異常検出回路２１２又は非常停止スイッチ２２４からの信号を検知すると、減速パターンテーブル２１８に予め記憶された、図３に例示するような、急減速パターンｂがセレクタ２２０により選択され、モータ制御回路２１０に出力される。急減速パターンｂは、ダイナミックブレーキトルクを強め、移動テーブル３０２を短時間で急減速する。

前記減速パターンａ、ｂは、ダイナミックブレーキ電流を、ある一定の値に制御するパターンであり、具体的にはパルス幅変調（ＰＷＭ）パターンである。又、減速パターンテーブル２１８は、コントローラ２２６から書き換え可能な揮発性又は不揮発性メモリとすることで、負荷に適した減速パターンｃ、ｄ、・・・を随時設定することが可能となる。

ここでは、減速パターンａはダイナミックブレーキトルクを弱め、位置決め装置３００のダイナミックブレーキによる衝撃を和らげるようなパターンに設定している。どの程度のダイナミックブレーキトルク（動作時にモータ２０８に流す電流に比例）に設定するかは、使用する位置決め装置３００に合わせて決定することができる。

ダイナミックブレーキ動作での移動テーブル３０２の停止距離は、ダイナミックブレーキが動作したときの移動テーブル３０２の移動速度、即ちモータ回転数と減速パターンで決まる。減速パターンａでのダイナミックブレーキ動作が、センサＡ３０８Ａ又はセンサＢ３０８Ｂの極く付近で発生した場合、機械リミットＡ３０６Ａ又は機械リミットＢ３０６Ｂに衝突しないように、センサＡ３０８Ａと機械リミットＡ３０６Ａ間の距離、及び、センサＢ３０８Ｂと機械リミットＢ３０６Ｂ間の距離を設定しなければならない。

次式により、ダイナミックブレーキ時の移動距離を算出し、機械リミットＡ、ＢとセンサＡ、Ｂの設定距離を決定する。

ｆ＝（Ｎ／６０）×（Ｐ／２） …（１）
Ｚ＝√｛Ｒａ^２＋（２πｆＬａ）^２｝ …（２）
Ｖｍ＝ＫｅＮ／１０００ …（３）
Ｉｍ＝Ｖｍ／Ｚ
＝（Ｋｅ×Ｎ）／√〔Ｒａ^２＋｛（π×Ｎ×Ｐ×Ｌａ）／６０｝^２〕 …（４）
Ｔｍ＝Ｋｔ×Ｉｍ …（５）
ｔ＝｛（Ｊｍ＋Ｊｌ）／（Ｋｔ×Ｉｍ）｝×｛（２π×Ｎ）／６０｝×１０００
…（６）
ここで、ｆ：転流周波数［Ｈｚ］
Ｎ：モータ回転数［ｒｐｍ］
Ｐ：モータポール数［極］
Ｒａ：モータ相間抵抗［Ω］
Ｌａ：モータ相間インダクタンス［ｍＨ］
Ｚ：モータの相間インピーダンス［Ω］
Ｋｅ：モータ相間誘起電圧定数［Ｖ／ｋrpm］
Ｖｍ：相間電圧［Ｖrms］
Ｉｍ：モータ相電流［Ａrms］
Ｋｔ：モータトルク定数［Ｎ・ｍ／Ａ］
Ｔｍ：モータトルク［Ｎ・ｍ］
Ｊｍ：モータイナーシャ［ｋｇ・ｍ^２］
Ｊｌ：負荷イナーシャ［ｋｇ・ｍ^２］
Ｖmax：負荷最大移動速度［ｍｍ／ｓ］
ｔ：モータ減速時間［ｍｓ］
Ｎmax：負荷最大移動速度時のモータ回転数［rpm］
Ｖmax：負荷最大移動速度［ｍｍ／ｓ］

上記式をもとにモータ回転数Ｎを変化させて、モータ相電流Ｉｍ及びモータ減速時間ｔの計算を行なう。又、モータ回転数Ｎの変化毎に、次式により移動距離Ｄを求める。

ΔＤ＝ΔＮ×｛Ｖmax［ｍｍ／ｓ］／（Ｎmax／６０［rpm］）） …（７）
ここで、ΔＮ：微小時間に対する回転数変化分［rev］
ΔＤ：微小時間に対するブレーキ停止移動距離［ｍｍ］

上記式を用いて、あるダイナミックブレーキトルク（ダイナミックブレーキ電流）でダイナミックブレーキを動作させた場合のモータ回転数Ｎと移動距離Ｄの関係の一例を図４に示す。ここでは、ダイナミックブレーキ回路の抵抗及び負荷側摩擦の影響、トルク定数の非線形性などは無視している。必要に応じて考慮してもよい。

本実施形態では、ダイナミックブレーキを用いて、コントローラ２２６側からの指令を使用しない構成としたので、コントローラ２２６側の異常時にも停止可能である。なお、コントローラ２２６側が正常に動作している場合は、ダイナミックブレーキではなく、応答の速いサーボ制御により減速制御を行ない、図２の通常減速範囲Ｂでは緩やかな減速、急減速範囲Ａ、Ｃでは急峻な減速を与えることでも、同様な効果が得られる。更に、コントローラ２２６が正常な場合（例えば非常停止スイッチ２２４が動作したとき）は、コントローラ２２６でサーボ制御により減速制御し、コントローラ２２６が異常な場合は、コントローラ２２６が介在しないダイナミックブレーキによる減速制御をするような併用の構成も可能である。

なお、前記実施形態では、回転型モータ２０８を例に説明したが、リニアモータとリニアエンコーダを用いた装置であっても、同効果を得ることが可能である。

又、前記実施形態では、２個のセンサＡ、Ｂを用いて減速パターンを選択していたが、減速パターンを３個以上要求する位置決め装置では、センサを３個以上用いて、３個以上の減速パターンを選択することも可能である。

又、エンコーダの情報を元にセンサＡ、Ｂの代用とすることも可能である。この場合には、通常減速範囲Ｂの長さを可変とし、例えば通常減速範囲Ｂを高速では狭く、低速では広く設定することもできる。

又、制御対象も移動テーブルに限定されず、移動ヘッド等、他の移動体であっても良い。

特許第３２７９１０２号に記載された同期電動機の非常停止回路の要部構成を示す回路図 本発明の実施形態の構成を示す回路図 前記実施形態で用いられている減速パターンの例を示す線図 同じくモータ回転数とダイナミックブレーキの停止移動距離の関係の例を示す線図

符号の説明

２００…駆動回路
２０８…サーボモータ（Ｍ）
２１０…モータ制御回路
２１２…異常検出回路
２１４…電流検出回路
２１６…電流検出器
２１８…減速パターンテーブル
２２０…セレクタ
２２２…モータエンコーダ（Ｅ）
２２４…非常停止スイッチ
２２６…コントローラ
３００…位置決め装置
３０２…移動テーブル
３０４…ボールねじ
３０６Ａ、３０６Ｂ…機械リミット
３０８Ａ、３０８Ｂ…センサ

Claims (3)

1. モータで駆動される移動体を非常時に急停止させるための緊急停止装置において、
   移動体の位置範囲をもとに、機械リミットに近い位置範囲では制動力を強め、機械リミットから遠い位置範囲では制動力を弱める制御を行なうことを特徴とする移動体の緊急停止装置。
2. 減速パターンが変更可能とされている請求項１に記載の移動体の緊急停止装置。
3. 前記位置範囲が可変とされている請求項１に記載の移動体の緊急停止装置。

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