JP2008295217A - Ａｃ／ｄｃ電源ユニットおよびサーボシステム - Google Patents

Abstract

【課題】 サーボドライバのコンパクト化、共通化、コスト低減、システムの省スペース化の可能なサーボシステムを提供すること。
【解決手段】 サーボシステム１１０は、ＡＣ／ＤＣ電源ユニット１１が接続可能かつＡＣ／ＤＣ変換回路またはＡＣ／ＤＣ電源のいずれも内蔵しないＤＣ電源入力仕様であるサーボドライバ１２Ａ、１２Ｂ、・・・が備えられた構成とする。サーボドライバは１２Ａ、１２Ｂ、・・・のように任意の複数個を設けることが可能である。ＡＣ／ＤＣ電源ユニット１１には回生回路が内蔵され、またネットワークを介して、上位機器による電圧、温度等の状態監視および制御が可能である。
【選択図】 図２

Description

本発明はＡＣ／ＤＣ電源ユニットおよびサーボシステムに係り、特に、ＡＣサーボモータあるいはその他のモータを用いてサーボシステムを構成する際、サーボドライバのコンパクト化・共通化・コスト低減を実現し、また、システムの安定性向上にも資する、ＡＣ／ＤＣ電源ユニットおよびサーボシステムに関する。

従来、ＡＣサーボモータ等のサーボシステムは、商用電源用として構成され、使用されることが大半である。そのため、サーボドライバ自身がＡＣ／ＤＣ電源を内蔵しており、通常、別途駆動用電源を設ける構成はなされていない。一方、バッテリ電源などＤＣ電源駆動の場合は、専用のドライバを必要としたり、ＡＣ／ＤＣ回路を搭載した状態でシステムが構成されている。

サーボモータシステムにおいて種々なされている技術的提案の中には、たとえば後掲特許文献１のようにコスト低減を課題とするものもある。なおこの技術は、サーボドライバ−サーボモータ間の接続構成を簡略化するというものであり、具体的には、動力用ケーブルとエンコーダ用ケーブルとを一体化して１本のケーブルとするというものである。

特開２００２−３１３１４４「サーボモータシステム」

さて、上記特許文献開示技術は、ドライバ−モータ間接続構成に着眼してシステムの経済性改善を図ったものであるが、ＡＣ／ＤＣ電源を通常内蔵しているというドライバ自身の構成、および電源自体の構成方法に着眼した技術提案は、従来特になされていない。

商用電源（交流）から、ＡＣサーボモータを駆動するためのＤＣ電源を得るためには、ＡＣ／ＤＣ変換をどこかで行う必要がある。そして通常回路においては、変換した電圧を平滑させるために、サイズの大きい電解コンデンサを使用しなくてはならない。従来は通常、かかる機能が各サーボドライバに内蔵されていたため、サーボシステム構成においては、個々のサーボドライバをそのような構成を備えたものとしなくてはならず、また、個々のサーボドライバは必然的に相当のサイズとならざるを得ず、したがってシステムとしても設置スペースを大きくとることとなり、接続モータ数などシステム構成の拡張にも限界があった。

また、ＡＣサーボモータで発生する減速時の回生エネルギーを消費するための回生回路を電源自体に内蔵することができれば、過電圧異常や電源パンク（電解コンデンサのパンク）を防止して、システムを安定的に機能させることができる上、回生エネルギーを有効利用できる可能性もある。
さらにまた、電源自体の状態を、モータコントローラ等の上位の制御機能により管理できれば、異常の未然防止に有効である。

本発明が解決しようとする課題は、上記従来技術の問題点や状況を踏まえ、ＡＣサーボモータあるいはその他のモータを用いてサーボシステムを構成する際、サーボドライバのコンパクト化・共通化・コスト低減を実現し、また、システムの省スペース化および安定性向上にも資することのできる、ＡＣ／ＤＣ電源ユニットおよびサーボシステムを提供することである。

また本発明の課題は、接続モータ数など自由度の大きいシステム構成を実現できるＡＣ／ＤＣ電源ユニットおよびサーボシステムを提供すること、また、モータで発生する回生エネルギーを消費・有効利用可能で、過電圧異常や電源パンクを防止してシステムの安定性を高めることのできるＡＣ／ＤＣ電源ユニットおよびサーボシステムを提供すること、さらにまた、電源の状態を上位の制御機能により管理、制御し、異常の未然防止を可能とするＡＣ／ＤＣ電源ユニットおよびサーボシステムを提供することである。

本願発明者は上記課題について検討した結果、新たに回生回路内蔵のＡＣ／ＤＣ電源ユニットをサーボシステム用の電源として設けることとし、あるいはまたこれに加えて該電源を、ネットワーク等により上位の制御機能と通信可能に構成することによって上記課題の解決が可能であることを見出し、本発明に至った。すなわち、上記課題を解決するための手段として本願で特許請求される発明、もしくは少なくとも開示される発明は、以下の通りである。

（１） ＡＣ／ＤＣ変換回路またはＡＣ／ＤＣ電源のいずれも内蔵せずかつＣ電源入力仕様であるサーボドライバ複数に対して電源供給可能に構成され、かつ、回生回路を内蔵していることを特徴とする、サーボドライバ駆動用ＡＣ／ＤＣ電源ユニット。
（２） ディジタル・シグナル・プロセッサ（ＤＳＰ）を搭載し、かつネットワーク接続するためのネットワークＩＤが設定され具備されていることを特徴とする、（１）に記載のサーボドライバ駆動用ＡＣ／ＤＣ電源ユニット。
（３） （１）または（２）に記載のＡＣ／ＤＣ電源ユニットが接続可能であり、かつＡＣ／ＤＣ変換回路またはＡＣ／ＤＣ電源のいずれも内蔵せずかつＤＣ電源入力仕様であるサーボドライバが一または複数備えられていることを特徴とする、サーボシステム。
（４） 前記ＡＣ／ＤＣ電源ユニットが接続可能であり、かつＡＣ／ＤＣ変換回路またはＡＣ／ＤＣ電源のいずれも内蔵せずかつＤＣ電源入力仕様であるサーボドライバを一または複数と、（１）に記載のＡＣ／ＤＣ電源ユニットとが備えられていることを特徴とする、サーボシステム。
（５） 前記ＡＣ／ＤＣ電源ユニットが接続可能であり、かつＡＣ／ＤＣ変換回路またはＡＣ／ＤＣ電源のいずれも内蔵せずかつＤＣ電源入力仕様であるサーボドライバを一または複数と、（２）に記載のＡＣ／ＤＣ電源ユニットとが備えられていることを特徴とする、サーボシステム。
（６） ネットワークによりモータコントローラと通信可能に接続し、前記ＡＣ／ＤＣ電源ユニットの状態を該モータコントローラにおいて制御可能であることを特徴とする、（５）に記載のサーボシステム。
（７） 前記サーボドライバはＡＣサーボモータを駆動するものであることを特徴とする、（３）ないし（６）のいずれかに記載のサーボシステム。

本発明のＡＣ／ＤＣ電源ユニットおよびサーボシステムは上述のように構成されるため、これによれば、ＡＣサーボモータあるいはその他のモータを用いたサーボシステムの構成において、個々のサーボドライバについてコンパクト化・共通化・コスト低減することができる。また、別途独立した電源ユニットを１基使用するだけで、多軸構成の場合であっても複数のサーボドライバ分について一括してＡＣ／ＤＣ変換を行って電力供給することができる。しかも個々のサーボドライバはコンパクト化できるため、サーボシステム全体を省スペース化することができる。

また、本発明のＡＣ／ＤＣ電源ユニットおよびサーボシステムによれば、電源ユニットの容量内であれば、任意の軸数分サーボドライバを接続することができ、多軸構成のシステムを容易かつ自由自在に構成することができ、接続可能モータ数においても自由度の大きいシステム構成を実現することができる。さらにまた、電源ユニットに内蔵する回生回路により、モータで発生する回生エネルギーを消費して熱エネルギーに変換したり、あるいは他の軸の動力源として有効利用することができ、過電圧異常や電源パンクを防止してシステムの安定性を高めることができる。そして、ネットワーク等により上位機能と通信可能な構成にすることによって、電源の状態を管理、制御でき、異常の未然防止効果を高めることができる。

以下、本発明を図面により詳細に説明する。
図１は、本発明のサーボシステムの基本構成を示す説明図である。図示するように本サーボシステム１０は、別個の要素として設けられたＡＣ／ＤＣ電源ユニット１が接続可能であるとともに、ＡＣ／ＤＣ変換回路またはＡＣ／ＤＣ電源のいずれも内蔵せずかつＤＣ電源入力仕様であるサーボドライバ２Ａ、２Ｂ、・・・が、備えられていることを主たる構成とする。図の下段に示すように、備えられるサーボドライバは２Ｂ、２Ｃ、・・・のように任意の複数個を設けることが可能な構成とするが、上段に示すように、結果的に１基のサーボドライバ２Ａのみを設けた構成としてもよい。図中、３Ａ、３Ｂ、・・・は、各サーボドライバ２Ａ、２Ｂ、・・・に接続されるモータを示す。

図において、サーボドライバ２Ｃには３基のモータ３Ｃ１、３Ｃ２および３Ｃ３が接続されているが、これは単一の３軸ドライバ２Ｃにより、３基のモータを駆動することを示す。もちろん軸数は例示であり、構成任意である。

かかる構成により本発明のサーボシステム１０では、サーボドライバ２Ａ、２Ｂ等にはＡＣ／ＤＣ電源機能を設けないため、平滑のための電解コンデンサも具備不要であり、その結果サーボドライバ２Ａ、２Ｂ等自体の小サイズ化が可能となる。またサーボドライバとしては、電源仕様に関してはＤＣ電源入力可能な共通仕様とすればよいため、構成を簡素化できる。

しかも１基の電源ユニット１があれば、その容量内である限り、サーボドライバおよびモータを任意の軸数分、任意仕様・構成にて接続することができる。つまり、サーボドライバ２Ａ、２Ｂ等において電源を共通化することができる。そして、サーボシステム１０全体の設置に際しては省スペース化することができる。

また、図において、本サーボシステム１０に対して接続可能なＡＣ／ＤＣ電源ユニット１は回生回路を内蔵しており、上記「ＡＣ／ＤＣ変換回路またはＡＣ／ＤＣ電源のいずれも内蔵しないＤＣ電源入力仕様である複数のサーボドライバ」２Ａ、２Ｂ等に対して、一度に電源供給可能なように構成されている。本願では、この電源ユニット１も特許請求される発明である。

ＡＣ／ＤＣ電源ユニット１は上述の通り構成されるため、本システム１０がこれに接続された場合、モータ３Ａ、３Ｂ等で減速時に発生する回生エネルギーが問題なく安全に消費され得るため、過電圧異常や電源パンクを有効に防止することができる。また回生機能によって、モータ３Ｂ等が複数接続された構成である場合に、一つの軸において発生する回生エネルギーを他の軸の動力源として活用することもできる。

ＡＣ／ＤＣ電源ユニットは、後述する別のサーボシステムの説明でも述べる通り、ディジタル・シグナル・プロセッサ（ＤＳＰ）を搭載し、かつネットワーク接続するためのネットワークＩＤが設定され具備された構成とすることもできる。

かかる構成によれば、通信によって、コントローラ等の上位機能はＡＣ／ＤＣ電源ユニットの状態を管理、制御することができるため、サーボシステムにおける異常発生を未然に防止して、システムを適正な状態に維持することができる。

図２は、ＡＣ／ＤＣ電源ユニットを要素として含む本発明のサーボシステムの構成例を示す説明図である。図示するように本サーボシステム１１０は、ＡＣ／ＤＣ電源ユニット１１が接続可能であるとともに、ＡＣ／ＤＣ変換回路またはＡＣ／ＤＣ電源のいずれも内蔵せずかつＤＣ電源入力仕様であるサーボドライバ１２Ａ、１２Ｂ、・・・が、備えられていることを主たる構成とする。図に示すように、備えられるサーボドライバは１２Ａ、１２Ｂ、・・・のように任意の複数個を設けることが可能な構成とするが、結果的に１基のサーボドライバのみが接続されている構成であっても、本発明の範囲内である。図中、１３Ａ、１３Ｂ１、・・・は、各サーボドライバ１２Ａ、１２Ｂ、・・・に接続されるモータを示す。

図において、サーボドライバ１２Ｂには４基のモータ１３Ｂ１、１３Ｂ２、１３Ｂ３および１３Ｂ４が接続されているが、これは単一の４軸ドライバ１２Ｂにより、４基のモータを駆動することを示す。もちろん軸数は例示であり、構成は任意である。

図において、サーボドライバ１２Ｃには４基のモータ１３Ｃ１、１３Ｃ２、１３Ｃ３および１３Ｃ４が接続されているが、これは単軸のドライバ１２Ｃ１、１２Ｃ２等４基からなる４軸一体ドライバ１２Ｃにより、４基のモータを駆動することを示す。もちろん軸数は例示であり、構成は任意である。また、各単軸ドライバ１２Ｃ１等、モータ１３Ｃ１等の仕様の具体的構成も任意である。

かかる構成により本発明のサーボシステム１１０では、図１に示したシステム同様に、サーボドライバ１２Ａ、１２Ｂ等自体の小サイズ化が可能となる。しかも１基の電源ユニット１１があれば、その容量内である限り、サーボドライバおよびモータを任意の軸数分、任意仕様・構成にて接続することができる。つまり、サーボドライバ１２Ａ、１２Ｂ等において電源を共通化することができる。そして、サーボシステム１１０全体の設置に際しては省スペース化することができる。

なおまた、図２においてはサーボシステム１１０の構成要素であるところのＡＣ／ＤＣ電源ユニット１１が、回生回路を備えることによる作用は、図１に示したシステムと同様である。

図２−２は、図２に示したサーボシステムの具体的構成例を示す説明図である。図示するように、サーボシステム２１０はＡＣサーボモータによるシステム構成例である。ＡＣ／ＤＣ電源ユニット２１はＡＣ２００→ＤＣ２８０Ｖ仕様であり、ＡＣ１００〜２００Ｖ商用電源から給電可能である。

電源ユニット２１には回生回路が内蔵され、またＤＳＰを搭載し、さらに適宜のネットワークＩＤを備えた構成とする。たとえば、車載用ネットワーク規格であるＣＡＮ（Ｃｏｔｒｏｌｌｅｒ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）のインターフェースおよびＩＤを搭載することも可能であり、電源ユニット２１自体、ネットワークのスレーブとなることができる。これにより、ネットワークの上位に設けられるコントローラ等において、電源ユニット２１の温度、電圧その他の状態を監視することができ、異常発生を早期に予測して防止することが可能となる。

図の例において、サーボドライバ２２Ａは単軸ＡＣサーボドライバであり、１基のＡＣサーボモータ２３Ａが接続されている。また、サーボドライバ２２Ｂは４軸ＡＣサーボドライバであり、４基のＡＣサーボモータ２３Ｂ１、２３Ｂ２、２３Ｂ３および２３Ｂ４が接続されている。また、サーボドライバ２２Ｃは単軸ドライバ２２Ｃ１、２２Ｃ２等４基からなる４軸一体ドライバ２２Ｃであり、４基のモータ１３Ｃ１、１３Ｃ２、１３Ｃ３および１３Ｃ４が接続されている。各単軸ドライバ１２Ｃ１等、ＡＣサーボモータ２３Ｃ１等の仕様は、ＡＣ／ＤＣ電源ユニット２１の容量の限度内で任意である。

本システム２１０において、ＡＣ／ＤＣ電源ユニット２１の出力を、たとえば５０００Ｗ、４系統 のように構成することができる。この場合、総Ｗ数５０００以下、系統数４以下で、適宜のシステム構成が可能である。たとえば、接続するサーボドライバを、４００Ｗドライバ１基、７００Ｗドライバ１基、１．５〜２ｋＷドライバ１基 の計３系統とした場合は、それぞれにサーボモータを、４軸、２軸、１軸接続して、別個に駆動することができる。

図において本例システム２１０では、商用電源システムから電源をとる通常のケースでは、ＡＣ／ＤＣ電源ユニット２１が通常通り機能する。一方、ＡＧＶ（自動搬送車）等のＤＣ電源システムから給電される場合は、ＡＣ／ＤＣ電源ユニット２１の川下位置においてＤＣ電源システムからの給電を受けるようにすればよい。この場合はＡＣ／ＤＣ電源ユニット２１は不要であるから、電源ユニット２１は状況に応じて適宜取り外しの可能な構成としておいてもよい。このように、本発明サーボシステムにおいては、その電源ユニットを供給電源の種類に合わせて使用・不使用選択することで対応可能であるため、サーボドライバは供給元がＡＣ、ＤＣいずれであっても、本発明構成に係る共通のものを使用することができる。

図３は、モータコントローラを構成要素とする本発明サーボシステムの基本構成を示す説明図である。図示するように本システム３１０は、上述した各構成に加えてモータコントローラ３５を通信可能に接続し、ＡＣ／ＤＣ電源ユニット３１の状態をモータコントローラ３５において管理、制御可能な構成としたものである。

本発明のＡＣ／ＤＣ電源ユニットおよびサーボシステムは種々のモータに利用できるものだが、特にＡＣサーボモータ用として一層利用価値が高い。回生回路内蔵の電源ユニットとすることにより、ＡＣサーボモータで発生する減速時の回生エネルギーによる電圧上昇に対して自ら電圧上昇を検知して、ある値以上になったら抵抗に電流を流してやることでエネルギーを消費しつつ電圧を一定に保持することができる。

図４〜７は、本発明によるＡＣサーボシステムの各種構成例を示す説明図である。このうち、
図４は、単軸構成、ＡＣ入力−電源ユニット使用、高電圧仕様のサーボシステム、
図５は、単軸構成、ＤＣ入力、高電圧仕様のサーボシステム、
図６は、単軸構成、ＤＣ入力、低電圧仕様のサーボシステム、そして、
図７は、複数軸構成のサーボシステムの各例を示したものである。
図７中、ドライバ７２Ａ等における○付きの「制」、「駆」はそれぞれ、制御用電源の受電部、駆動用電源の受電部を示す。

各図に示すように、ドライバ４２等に供給される電源には、ネットワークを介してなされるコントローラ４５等からの指令に基づき、ドライバ４２等の制御に用いるための制御用電源と、本発明ＡＣ／ＤＣ電源ユニットやバッテリ・ＡＧＶ等のＤＣ電源により供給される駆動用電源とが別々に設けられる。

ＧＮＤ（グランド）は、高電圧仕様のシステム構成の場合は、ネットワークおよび制御用電源（ＤＣ２４Ｖ）では共通化し、これらと駆動用電源との間では絶縁される。一方、駆動電源がＤＣ６０Ｖ以下のような低電圧仕様のシステム構成の場合は、ネットワークおよび制御用電源（ＤＣ２４Ｖ）での共通化の他、制御電源と駆動電源でもＧＮＤを共通化可能である。また、駆動電圧をＤＣ２４Ｖとするのであれば、制御用、駆動用電源を共通化してもよい。

図７の複数軸構成のサーボシステム例では、低電圧仕様のサーボドライバ７２Ａには制御・駆動電源をＤＣ２４Ｖで共有し、高電圧仕様のサーボドライバ７２Ｂでは駆動用のＤＣ電源からの供給を受け、また高電圧仕様のサーボドライバ７２Ｃでは、ＡＣ／ＤＣ電源ユニット７１から電源供給を受ける構成であり、いずれのサーボドライバ７２Ａ、７２Ｂおよび７２Ｃとも制御用電源が共有され、またネットワークを介してコントローラ７５からの指令・制御を受ける構成である。

図４〜７は、本発明によるサーボシステム例のうち単軸仕様を中心とした例であるが、このようにシステム構成は自由自在である。

以上説明したように、本発明のＡＣ／ＤＣ電源ユニットおよびサーボシステムによれば、サーボドライバのコンパクト化・共通化・コスト低減、システムの安定性向上にも資することができ、ＡＣサーボモータを始め、広くモータを使用する産業分野において利用価値が高い発明である。

本発明のサーボシステムの基本構成を示す説明図である。 ＡＣ／ＤＣ電源ユニットを要素として含む本発明のサーボシステムの構成例を示す説明図である。 図２に示したサーボシステムの具体的構成例を示す説明図である。 モータコントローラを構成要素とする本発明サーボシステムの基本構成を示す説明図である。 本発明によるＡＣサーボシステムの各種構成例を示す説明図のうち、単軸構成、ＡＣ入力−電源ユニット使用、高電圧仕様のサーボシステムの例を示したものである。 本発明によるＡＣサーボシステムの各種構成例を示す説明図のうち、単軸構成、ＤＣ入力、高電圧仕様のサーボシステムの例を示したものである。 本発明によるＡＣサーボシステムの各種構成例を示す説明図のうち、単軸構成、ＤＣ入力、低電圧仕様のサーボシステムの例を示したものである。 本発明によるＡＣサーボシステムの各種構成例を示す説明図のうち、複数軸構成のサーボシステムの例を示したものである。

符号の説明

１、１１、２１、３１、４１、５１、７１…ＡＣ／ＤＣ電源ユニット
２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｘ、１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ、２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃ、３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｘ、４２、５２、６２、７２Ａ、７２Ｂ、７２Ｃ…サーボドライバ
３Ａ、３Ｂ、３Ｃ１、３Ｃ２、３Ｃ３、３Ｘ、１３Ａ、１３Ｂ１、１３Ｂ２、１３Ｂ３、１３Ｂ４、１３Ｃ１、１３Ｃ２、１３Ｃ３、１３Ｃ４、２３Ａ、２３Ｂ１、２３Ｂ２、２３Ｂ３、２３Ｂ４、２３Ｃ１、２３Ｃ２、２３Ｃ３、２３Ｃ４、３３Ａ、３３Ｂ１、３３Ｂ２、３３Ｂ３、３３Ｂ４、３３Ｘ、４３、５３、６３、７３Ａ、７３Ｂ、７３Ｃ…モータ
１０、１１０、２１０、３１０、４１０、５１０、６１０、７１０…サーボシステム
１２Ｃ１、１２Ｃ２、１２Ｃ３、１２Ｃ４、２２Ｃ１、２２Ｃ２、２２Ｃ３、２２Ｃ４、…単軸ドライバ
４４、５４、６４、７４Ａ、７４Ｂ、７４Ｃ…角度センサ
３５、４５、５５、６５、７５…モータコントローラ

Claims (7)

1. ＡＣ／ＤＣ変換回路またはＡＣ／ＤＣ電源のいずれも内蔵せずかつＣ電源入力仕様であるサーボドライバ複数に対して電源供給可能に構成され、かつ、回生回路を内蔵していることを特徴とする、サーボドライバ駆動用ＡＣ／ＤＣ電源ユニット。
2. ディジタル・シグナル・プロセッサ（ＤＳＰ）を搭載し、かつネットワーク接続するためのネットワークＩＤが設定され具備されていることを特徴とする、請求項１に記載のサーボドライバ駆動用ＡＣ／ＤＣ電源ユニット。
3. 請求項１または２に記載のＡＣ／ＤＣ電源ユニットが接続可能であり、かつＡＣ／ＤＣ変換回路またはＡＣ／ＤＣ電源のいずれも内蔵せずかつＤＣ電源入力仕様であるサーボドライバが一または複数備えられていることを特徴とする、サーボシステム。
4. 前記ＡＣ／ＤＣ電源ユニットが接続可能であり、かつＡＣ／ＤＣ変換回路またはＡＣ／ＤＣ電源のいずれも内蔵せずかつＤＣ電源入力仕様であるサーボドライバを一または複数と、請求項１に記載のＡＣ／ＤＣ電源ユニットとが備えられていることを特徴とする、サーボシステム。
5. 前記ＡＣ／ＤＣ電源ユニットが接続可能であり、かつＡＣ／ＤＣ変換回路またはＡＣ／ＤＣ電源のいずれも内蔵せずかつＤＣ電源入力仕様であるサーボドライバを一または複数と、請求項２に記載のＡＣ／ＤＣ電源ユニットとが備えられていることを特徴とする、サーボシステム。
6. ネットワークによりモータコントローラと通信可能に接続し、前記ＡＣ／ＤＣ電源ユニットの状態を該モータコントローラにおいて制御可能であることを特徴とする、請求項５に記載のサーボシステム。
7. 前記サーボドライバはＡＣサーボモータを駆動するものであることを特徴とする、請求項３ないし６のいずれかに記載のサーボシステム。
   

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