JP2008220094A - モータ駆動システム - Google Patents

Abstract

【課題】電動モータ以外の周辺機器に電力を供給するための専用配線を減らすことが可能なモータ駆動システムを提供すること。
【解決手段】本発明にかかるモータ駆動システム１００は、電動モータ６と、電動モータ６と伝送路５を介して接続され、電動モータ６を駆動するための複数の駆動電圧を生成するドライバ回路４と、伝送路５を流れる複数の駆動電圧より電力を生成し、位置検出器７に対して電力を供給する電力供給回路８を備えている。電動モータの停止時に、少なくとも一組の駆動電圧には、位相差が生じるようにした。
【選択図】 図１

Description

本発明は、モータ駆動システムに関し、特に、電動モータ以外の周辺機器に対して供給する電力を生成する回路に関する。

様々な分野において用いられる電動モータの制御機器においては、電動モータの回転角度を検出するために位置検出器が設けられている。位置検出器には、電動モータを駆動するために必要な電力とは別に電源が必要であるため、従来は、位置検出器に対して専用の電源線を設ける必要があった。そのため、電動モータを制御するための配線が増え、小型化の妨げになっていた。特に、ロボットの各関節部に電動モータを設ける場合には、配線数を減らすことが強く求められる。

特許文献１では、制御アンプとエンコーダとを結ぶエンコーダ伝送線においてエンコーダへ供給する直流電力に伝送信号を重畳することによって情報伝送を行う技術が開示されている。これにより、信号線を少なくするという効果を達成できる。しかしながら、特許文献１に開示された従来技術においては、電動モータを駆動するためのモータ駆動線とは別に、エンコーダに対して電力を供給する配線が必要であった。
特開２００５−６２９５１号公報

上述の通り、従来の技術によれば、位置検出器等の、電動モータ以外の周辺機器に電力を供給するための専用配線が必要であり、電動モータを搭載した装置の小型化の妨げになっていた。

本発明は、かかる課題を解決するためになされたものであり、電動モータ以外の周辺機器に電力を供給するための専用配線を減らすことが可能なモータ駆動システムを提供することを目的とする。

本発明にかかるモータ駆動システムは、電動モータと、前記電動モータと伝送路を介して接続され、前記電動モータを駆動するための複数の駆動電圧を生成する駆動電圧生成手段と、前記駆動電圧生成手段から前記伝送路を介して複数の駆動電圧を入力し、当該複数の駆動電圧より電力を生成し、周辺機器に対して電力を供給する電力供給手段とを備え、前記駆動電圧生成手段は、前記電動モータへの駆動電流がゼロの時に、少なくとも一組の駆動電圧について位相差を発生させるものである。

ここで、前記一組の駆動電圧は、前記電動モータへの駆動電流がゼロの時に、同じパルス幅を有するものである。

また、前記複数の駆動電圧は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の駆動電圧であり、これらの駆動電圧のいずれか一つの駆動電圧が他の駆動電圧に対して位相差を有することが好ましい。

好適な実施の形態における電力供給手段は、前記伝送路に対して容量結合して接続された整流回路と、定電圧回路を備えるものである。

本発明にかかる他のモータ駆動システムは、電動モータと、前記電動モータと伝送路を介して接続され、前記電動モータを駆動するための複数の駆動電圧を生成する駆動電圧生成手段と、前記伝送路の前記駆動電圧生成手段側に設けられ、前記伝送路を流れる駆動電圧に対して高周波電圧を重畳させる高周波発生手段と、前記駆動電圧生成手段から前記伝送路を介して駆動電圧を入力し、当該駆動電圧の重畳された高周波電圧より電力を取り出し、周辺機器に対して電力を供給する電力供給手段とを備えたものである。

ここで、前記高周波発生手段は、一組の駆動電圧の相間に対して、高周波電圧を重畳させる。

また、前記駆動電圧生成手段の出力端と、前記高周波発生手段と伝送路の接続点の間に、高周波電圧の駆動電圧生成手段側への漏れを抑制するコアを設けるとよい。

上述の周辺機器は、典型的には、位置検出器である。また、電動モータがロボットの関節部に設けられている場合に好適である。

本発明によれば、電動モータ以外の周辺機器に電力を供給するための配線を減らすことが可能なモータ駆動システムを提供することができる。

発明の実施の形態１．
本実施の形態１にかかるモータ駆動システムの構成について、図１に示すブロック図を用いて説明する。本例にかかるモータ駆動システムは、軽量化及び小型化の要求が高い自律型歩行ロボット等のロボットの関節部に設けられた電動モータを駆動するものである。

図１に示されるように、当該モータ駆動システム１００は、制御部１、三角波発生回路２、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）発生回路３、モータドライバ回路４、伝送路５、電動モータ６、位置検出器７、電力供給回路８を備えている。このうち、制御部１、三角波発生回路２、ＰＷＭ発生回路３、モータドライバ回路４は、ロボットの胴体部に設けられ、電動モータ６、位置検出器７、電力供給回路８は、各関節部に設けられる。

制御部１は、電動モータ６の駆動電流指令信号を生成し、ＰＷＭ発生回路３に対して出力する機能を有し、例えば、コントローラにより構成される。

三角波発生回路２は、三角波信号を発生し、ＰＷＭ発生回路３に対して出力する。

ＰＷＭ発生回路３は、三角波発生回路２より入力された三角波信号と、制御部１より入力された駆動電流指令信号をコンパレータ等により比較することによって、駆動電流指令信号に応じたパルス幅を有するＰＷＭ信号をＵ相、Ｖ相、Ｗ相のそれぞれについて生成し、出力する。電動モータ６への電力を供給しない場合、従来技術のモータ駆動システムでは、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各ＰＷＭ信号の位相、パルス幅は完全に一致し、各相の電圧は同じ状態になる。これに対して、本実施の形態にかかるＰＷＭ発生回路３は、位置検出器７に対して供給する電力を生成するために、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の駆動電圧のうちのいずれか一組の駆動電圧について位相差が発生するよう制御するＰＷＭ信号を生成する。

モータドライバ回路４は、ＰＷＭ発生回路３からＰＷＭ信号を入力し、ＰＷＭ信号に応じてＵ相、Ｖ相、Ｗ相の各駆動電圧を生成して出力する。本実施の形態においては、電動モータ６への駆動電流＝０の時であっても、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各駆動電圧の間に位相差が生じている。モータドライバ回路４は、具体的には、複数のトランジスタ及びダイオードにより構成される。

伝送路５は、モータドライバ回路４から出力されたＵ相、Ｖ相、Ｗ相の各駆動電圧を電動モータ６に対して伝達する３本のモータケーブルより構成された３相電力線である。

電動モータ６は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各駆動電圧を入力し、各駆動電圧信に応じて回転軸を回転させる永久磁石モータ（サーボモータ）である。即ち、本例にかかる電動モータ６は３相モータである。

位置検出器７は、電動モータ６の回転軸の回転角を検出するエンコーダである。

電力供給回路８は、伝送路５を流れる駆動電圧に基づき電力を生成し、位置検出器７に対して供給する回路である。この電力供給回路８は、伝送路５に含まれる３本のモータケーブルのうち、２本のモータケーブルに接続されるとともに、位置検出器７の電源端子に接続されている。

電力供給回路８は、コンデンサ８１ａ，８１ｂ、抵抗８２、整流器８３、コンデンサ８４、定電圧回路８５より構成されている。コンデンサ８１ａは、Ｗ相の駆動電圧のモータケーブルに接続された配線に対して直列に設けられている。コンデンサ８１ｂは、Ｖ相の駆動電圧のモータケーブルに接続された配線に対して直列に設けられている。コンデンサ８１ａ，８１ｂは、伝送路５に対して直流的に分離するために設けられている。特に、これらコンデンサ８１ａ，８１ｂに安全規格品を用いることにより、モータ駆動電圧が制御電源に回り込むことによる感電等の事故を防止できる。

抵抗８２は、コンデンサ８１ａが設けられた配線とコンデンサ８１ｂが設けられた配線の間に設けられている。整流器８３は、コンデンサ８１ａとコンデンサ８４（定電圧回路８５）の間において、アノードをコンデンサ８１ａに接続し、カソードをコンデンサ８４に接続して設けられたダイオードである。整流器８３は、伝送路５に対してコンデンサ結合している。コンデンサ８４は、コンデンサ８１ａが設けられた配線とコンデンサ８１ｂが設けられた配線の間に設けられ、平滑コンデンサとして機能する。定電圧回路８５は、位置検出器３に対して供給する電力の電圧を一定に保つ回路である。

図２に電動モータの停止時におけるＵ相、Ｖ相、Ｗ相の各駆動電圧の電圧波形図を示す。図２（ａ）は従来の電圧波形図、同図（ｂ）は本実施の形態における電圧波形図である。図２（ａ）に示されるように、従来のスイッチング方式では、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各駆動電圧は、電動モータへの駆動電流＝０の時には、同位相、同じパルス幅でスイッチングを行うため、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各間には電位差は発生しない。このため、各相間から電力を連続して得ることはできなかった。また、相間に発生する電位差から直接電力を得ようとすると、位置検出器が必要とする電圧は通常、数Ｖであるのに対して、電動モータの駆動電圧は通常数十Ｖ〜数百Ｖであるため、電圧変換回路を設けなければならないという問題があった。

そこで、これらの問題点を解決するために、本実施の形態では、図２（ｂ）に示すように、Ｖ相の位相をＵ相及びＷ相に対してわずかに進めるか又は遅らせることによって、Ｖ相とＵ相の間及びＶ相とＷ相との間に位相ずれを生じさせ、電圧変化（電圧差）が常に発生するようにしている。例えば、位相ずれは、約１０μ秒程度である。ここで、電動モータ６の励磁コイルは、大きなインダクタンスを有するため、位相差に伴う電流はほとんど流れない。

このとき、各相の駆動電圧のパルス幅を変えることによって、電圧差を生じさせる方式も可能であるが、この方式によれば、各相の駆動電圧間で電圧値の偏りが発生するため、電動モータ６に回転力を生じさせる可能性がある。これに対して、各相の駆動電圧のパルス幅（パルス周期）は従来の制御の状態から位相のみをずらす、本実施の形態による方式によれば、電圧値の偏りが発生しにくく、プラス成分とマイナス成分によって相殺されて平均はゼロとなるため、電動モータ６に回転力を発生させにくいという利点がある。

例えば、図２（ｂ）の例によれば、Ｖ相駆動電圧が、Ｕ相駆動電圧より位相差の時間だけ早くハイレベルからローレベルに変化し、この期間はＵ相駆動電圧の方がＶ相駆動電圧よりも高い電圧値となるが、その直後のＶ相駆動電圧の立ち上がりからＵ相駆動電圧の立ち上がりまでの時間は、逆にＶ相駆動電圧の方がＵ相駆動電圧よりも高い電圧値になるため、電動モータ６の駆動に関しては両者が打ち消す働きを発生することになる。従って、本実施の形態によれば、電動モータ６に回転力を発生させにくい。

なお、電動モータ６を回転駆動している場合、即ち、励磁コイルへの通電時は、制御特性が要求されるが、各相の立上り及び立下りにおいてタイミング差が発生するため、位相をシフトさせなくとも、電力を生成することが可能である。

図１に示す本実施の形態にかかるモータ駆動システム１００では、電力供給回路８が電圧差が発生するＶ相の駆動電圧とＷ相の駆動電圧を入力し、これらの駆動電圧に基づいて、電力を生成し、位置検出回路７に対して供給している。ここで、Ｖ相の駆動電圧とＷ相の駆動電圧ではなく、Ｖ相の駆動電圧とＵ相の駆動電圧に基づき電力を生成するようにしてもよく、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の全ての駆動電圧より電力を取得するようにしてもよい。

図３は、本実施の形態にかかるモータ駆動システム１００の回路構成例を示す回路図である。この回路図では、Ｕ相およびＶ相の配線のみを示している。図３において、Ｌ１が電動モータ６のコイル、Ｃ１がコンデンサ８１ａ、Ｃ３がコンデンサ８１ｂ、Ｒ２が抵抗８２、Ｄ７が整流器８３、Ｃ５がコンデンサ８４、Ｒ５・Ｃ２・Ｃ４が定電圧回路８５、Ｒ３が位置検出器３の負荷抵抗にそれぞれ相当する。

図４は、電動モータの停止時における、電動モータの励磁コイルの電圧値（実線）と、電力供給回路の出力端子における電圧値（点線）を示す。図において、縦軸は電圧（Ｖ）、横軸は時間を示す。図に示されるように、電動モータの停止時においては、電動モータの励磁コイル上の電圧値はほぼゼロであるため、励磁コイルには電流は流れない。これに対して、電力供給回路８は、Ｕ相とＶ相の電圧差に基づいて電力を発生させることが可能であるから、数Ｖの電圧値となる。

以上説明したように、本実施の形態１にかかるモータ駆動システムでは、モータの停止時であっても、駆動配線を増加させずに、かつ、電力変換回路を設けることなく、位置検出器７等の周辺機器に対して電動モータ６に対する駆動電圧に基づいて電力を発生させることができる。

なお、上述の例では、定常的に、駆動電圧に位相差を生じさせるように予め設定したが、制御部１により位相差が発生するように制御した場合にのみ、位相差を生じさせるようにしてもよい。

発明の実施の形態２．
図５に示されるように、本実施の形態２にかかるモータ駆動システム２００では、モータドライバ回路４の出力部に、高周波発生回路９及びフェライトコア１０を設けている。その他の構成については、発明の実施の形態１にかかるモータ駆動システム１００と同じであり、その説明を省略する。

高周波発生回路９は、発振器９１、コンデンサ９２、コイル９３を備え、数１０ＭＨｚ程度の高周波電圧を生成する。なお、ドライバ回路４によって生成される駆動電圧の周波数は、例えば、５〜２０ｋＨｚ程度であり、高周波発生回路９により生成される高周波電圧の周波数は、電動モータ６の回転駆動に影響を与えない範囲で選択される。好適な実施の形態において、高周波発生回路９の発生する高周波電圧の周波数は、駆動電圧の周波数の５倍以上である。

発振器９１は、高周波電圧を生成する。コンデンサ９２はＶ相、Ｗ相間の直流成分を阻止する。Ｗ相駆動電圧の伝送路５へは、Ｖ相駆動電圧の伝送路５に出力される高周波電圧に対して１８０度位相が異なる高周波電圧が出力される。高周波発生回路９の出力端は、Ｖ相駆動電圧の伝送路５及びＷ相駆動電圧の伝送路５のそれぞれに対して接続されているため、高周波発生回路９によって発生した高周波電圧は、Ｖ相駆動電圧及びＷ相駆動電圧のそれぞれに対して重畳される。

フェライトコア１０は、ドライバ回路４の出力端と、高周波発生回路と伝送路５の接続点の間に設けられている。このフェライトコア１０は、高周波発生回路９により発生した高周波電圧が、ドライバ回路４のトランジスタに対するスイッチングノイズとなることを防止するノイズ抑制コアとして機能する。

Ｖ相駆動電圧の伝送路５及びＷ相駆動電圧の伝送路５には、発明の実施の形態１と同様に、電力供給回路８が接続されているので、Ｖ相駆動電圧及びＷ相駆動電圧のそれぞれに対して重畳された高周波電圧のみコンデンサ８１ａ，８１ｂによって結合されることにより、電力供給回路８において取り出され、整流器８３で整流されて電力が生成される。

以上説明したように、本実施の形態２にかかるモータ駆動システムでは、モータの停止時であっても、駆動配線を増加させずに、かつ、電力変換回路を設けることなく、位置検出器７等の周辺機器に対して電動モータ６に対する駆動電圧に基づいて電力を発生させることができる。

その他の実施の形態．
上述の例では、電力供給回路によって発生した電力を位置検出器に対して供給したが、これに限らず、圧力センサ、トルクセンサ、光電センサ、距離センサ等の、その他の周辺機器であるに供給するようにしてもよい。

なお、発明の実施の形態１にかかるモータ駆動システムにおいて、発明の実施の形態２にかかるモータ駆動システムに設けた高周波発生回路を設けることも可能である。

本発明の実施の形態１にかかるモータ駆動システムの構成を示すシステム構成図である。 従来例及び本発明の実施の形態１における各駆動電圧の電圧波形図である。 本発明の実施の形態１にかかるモータ駆動システムの回路構成例を示す回路図である。 図３に示す回路構成例における電動モータの励磁コイルと、電力発生回路の出力端子の電圧変化を示すグラフである。 本発明の実施の形態１にかかるモータ駆動システムの構成を示すシステム構成図である。

符号の説明

１ 制御部
２ 三角波発生回路
３ ＰＷＭ発生回路
４ ドライバ回路
５ 伝送路
６ 電動モータ
７ 位置検出器
８ 電力供給回路
９ 高周波発生回路
１０ フェライトコア
１００，２００ モータ駆動システム

Claims (9)

1. 電動モータと、
   前記電動モータと伝送路を介して接続され、前記電動モータを駆動するための複数の駆動電圧を生成する駆動電圧生成手段と、
   前記駆動電圧生成手段から前記伝送路を介して複数の駆動電圧を入力し、当該複数の駆動電圧より電力を生成し、周辺機器に対して電力を供給する電力供給手段とを備え、
   前記駆動電圧生成手段は、前記電動モータへの駆動電流がゼロの時に、少なくとも一組の駆動電圧について位相差を発生させるモータ駆動システム。
2. 前記一組の駆動電圧は、前記電動モータへの駆動電流がゼロの時に、同じパルス幅を有することを特徴とする請求項１記載のモータ駆動システム。
3. 前記複数の駆動電圧は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の駆動電圧であり、これらの駆動電圧のいずれか一つの駆動電圧が他の駆動電圧に対して位相差を有することを特徴する請求項１又は２記載のモータ駆動システム。
4. 前記電力供給手段は、前記伝送路に対して容量結合して接続された整流回路と、定電圧回路を備えることを特徴とする請求項１〜３いずれかに記載のモータ駆動システム。
5. 電動モータと、
   前記電動モータと伝送路を介して接続され、前記電動モータを駆動するための複数の駆動電圧を生成する駆動電圧生成手段と、
   前記伝送路の前記駆動電圧生成手段側に設けられ、前記伝送路を流れる駆動電圧に対して高周波電圧を重畳させる高周波発生手段と、
   前記駆動電圧生成手段から前記伝送路を介して駆動電圧を入力し、当該駆動電圧の重畳された高周波電圧より電力を取り出し、周辺機器に対して電力を供給する電力供給手段とを備えたモータ駆動システム。
6. 前記高周波発生手段は、一組の駆動電圧の相間に対して、高周波電圧を重畳させることを特徴とする請求項５記載のモータ駆動システム。
7. 前記駆動電圧生成手段の出力端と、前記高周波発生手段と伝送路の接続点の間に、高周波電圧の駆動電圧生成手段側への漏れを抑制するためのコアを設けたことを特徴とする請求項５又は６記載のモータ駆動システム。
8. 前記周辺機器は、位置検出器であることを特徴とする請求項１〜７いずれかに記載のモータ駆動システム。
9. 前記電動モータは、ロボットの関節部に設けられていることを特徴とする請求項１〜８いずれかに記載のモータ駆動システム。

Images