JP2010226897A - 制御装置及び制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電磁ブレーキ用の固有の電源を不要としながら、モータと電磁ブレーキとで駆動電圧が異なる場合にも対応すること。
【解決手段】モータと電磁ブレーキとが電気的に接続され、これらに駆動電圧を出力する制御装置であって、前記電磁ブレーキについて予め設定された設定電圧に基づくデューティ比のＰＷＭ信号を出力するＰＷＭ信号出力手段と、前記モータの駆動に用いる直流電圧の一部が入力され、該直流電圧の一部を前記ＰＷＭ信号出力手段から出力される前記ＰＷＭ信号のデューティ比に比例した直流電圧に変換して前記電磁ブレーキへ出力する電磁ブレーキ駆動手段と、を備えたことを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、モータ及び電磁ブレーキの制御装置及び制御方法に関する。

一般に、モータと電磁ブレーキを併用する場合、モータの仕様及び用途に合わせて電磁ブレーキが選定される。その為、モータと電磁ブレーキモータとが必ずしも同じ仕様の組合せであるとは限らず、モータと電磁ブレーキとにそれぞれ制御ユニットを設けなければならないことも多い。これらの制御ユニットは、例えば、特許文献１及び２に記載されるように、モータと電磁ブレーキとに共通のものとされることが望ましいが、従来の共通のユニットでは、モータの仕様及び電磁ブレーキの仕様が限定されてしまう。

特開平１１−１１３２９５号公報 特開平１１−２１５８９２号公報

しかし、例えば、モータの駆動電源は直流、交流の双方があり、且つ、供給する電圧も様々である。また電磁ブレーキに供給する電圧も、そのメーカーや使用目的によって変わってくる。このため、モータと電磁ブレーキの仕様が限定されると、制御ユニットの汎用性がなくなってしまう。そして、電磁ブレーキに供給する駆動電圧を確保するために、固有の電源をその都度用意するのは手間がかかり、また、電源と制御ユニットとの配線作業も必要となる。

本発明の目的は、電磁ブレーキ用の固有の電源を不要としながら、モータと電磁ブレーキとで駆動電圧が異なる場合にも対応することにある。

本発明によれば、モータと電磁ブレーキとが電気的に接続され、これらに駆動電圧を出力する制御装置であって、前記電磁ブレーキについて予め設定された設定電圧に基づくデューティ比のＰＷＭ信号を出力するＰＷＭ信号出力手段と、前記モータの駆動に用いる直流電圧の一部が入力され、該直流電圧の一部を前記ＰＷＭ信号出力手段から出力される前記ＰＷＭ信号のデューティ比に比例した直流電圧に変換して前記電磁ブレーキへ出力する電磁ブレーキ駆動手段と、を備えたことを特徴とする制御装置が提供される。

また、本発明によれば、モータと電磁ブレーキとに駆動電圧を出力する制御方法であって、前記電磁ブレーキについて予め設定された設定電圧に基づくデューティ比のＰＷＭ信号を出力するＰＷＭ信号出力工程と、前記モータの駆動に用いる直流電圧の一部を前記ＰＷＭ信号出力工程で出力される前記ＰＷＭ信号のデューティ比に比例した直流電圧に変換して前記電磁ブレーキへ出力する電磁ブレーキ駆動工程と、を備えたことを特徴とする制御方法が提供される。

本発明によれば、電磁ブレーキ用の固有の電源を不要としながら、モータと電磁ブレーキとで駆動電圧が異なる場合にも対応することができる。

本発明の一実施形態に係る制御装置Ａのブロック図である。 制御回路１０の例を示すブロック図である。 （ａ）は電磁ブレーキ制御回路２０の例を示す回路図、（ｂ）は入力部２１に入力される電圧を示す図、（ｃ）は端子２ａから出力される電圧を示す図である。 本発明の他の実施形態に係る制御装置Ｂのブロック図である。 本発明の他の実施形態に係る制御装置Ｃのブロック図である。

＜第１実施形態＞
図１は本発明の一実施形態に係る制御装置Ａのブロック図である。制御装置Ａは、モータＭが電気的に接続される接続部１と、電磁ブレーキＢｋが電気的に接続される接続部２と、を備える。モータＭは、本実施形態の場合、交流モータを想定している。電磁ブレーキＢｋは、直流電圧により駆動されるものであって、本実施形態の場合、直流電圧の供給中は非制動状態、供給遮断時に制動状態に作動するものを想定する。これとは逆に、直流電圧の供給中に制動状態、供給遮断時に非制動状態となるものであってもよい。

電磁ブレーキＢｋは、例えば、モータＭの駆動軸に連結されて、制動状態においてはモータＭの駆動軸の回転を停止させる接続部１、２は、それぞれ、モータＭ、電磁ブレーキＢｋを接続するのに必要な数の端子を有し、制御装置Ａは、接続部１、２からそれぞれ駆動電圧を出力し、モータＭ、電磁ブレーキＢｋを駆動する。交流電源１００は、例えば、２００Ｖの商用電源である。制御装置Ａは、交流電源１００が電気的に接続される接続部３を有し、交流電源１００から出力される交流電圧が制御装置Ａに入力される。制御装置Ａは、外部のコンピュータとの通信回線が接続される接続部４を備える。接続部４には、外部のコンピュータからの指示等が入力される。

制御装置Ａは、ＡＣ／ＤＣコンバータ５を備える。ＡＣ／ＤＣコンバータ５は、接続部３に入力された交流電圧を、モータＭの駆動に用いる直流電圧（例えば、２８０Ｖ）に変換して母線ｂｂへ出力する整流器である。母線ｂｂには、モータ駆動回路６及び電磁ブレーキ駆動回路２０が接続されている。つまり、モータ駆動回路６及び電磁ブレーキ駆動回路２０は、ＡＣ／ＤＣコンバータ５に対して並列に接続されており、母線ｂｂ上のモータＭの駆動に用いる直流電圧の一部（換言すれば、直流電力又は直流電流の一部）が電磁ブレーキ駆動回路２０に入力される。

モータ駆動回路６は、本実施形態の場合、母線ｂｂを介して入力される直流電圧を交流電圧に変換してモータＭに駆動電圧として出力するインバータである。本実施形態の場合、モータ駆動回路６は、モータＭの駆動に異常が生じた場合には非常停止を要求する停止信号を制御回路１０に出力する。なお、モータＭとして直流モータを採用する場合は、モータ駆動回路６も、直流電圧を出力する駆動回路を採用する。その際、母線ｂｂを介して入力される直流電圧と異なる電圧をモータＭに出力する場合には、例えば、ＤＣ−ＤＣコンバータ等を用いることができる。計測回路７は、母線ｂｂ上の直流電圧を常時計測し、その計測結果を制御回路１０にフィードバックする。計測回路７により母線ｂｂ上の直流電圧を常時計測することで、母線ｂｂ上の電圧変動をリアルタイムで監視する。計測回路７は例えばＡ／Ｄ変換器である。

制御回路１０は、モータ駆動回路６に対してモータＭの制御に関わる制御信号を出力する。例えば、モータＭの回転数を制御する場合、制御回路１０から制御信号としてＰＷＭ信号をモータ駆動回路６に出力する。モータ駆動回路６は、入力されたＰＷＭ信号のデューティ比に比例した周波数の駆動電圧をモータＭに出力することで、モータＭの速度を変更する。制御回路１０は、また、電磁ブレーキＢｋについて予め設定された設定電圧に基づいて演算されたデューティ比のＰＷＭ信号を電磁ブレーキ駆動回路２０に出力する。

図２は制御回路１０の例を示すブロック図である。制御回路１０は、ＣＰＵ１１、ＲＡＭ１２、ＲＯＭ１３、Ｉ／Ｆ（インタフェース）１４、及び、コントローラ１５を備える。ＣＰＵ１１は、ＲＯＭ１３に記憶されたプログラムを実行する。ＲＡＭ１２には一時的なデータが格納され、ＲＯＭ１３には固定的なデータ及びプログラムが格納される。これらは他の種類の記憶手段でもよい。Ｉ／Ｆ１４には、接続部４を介して外部コンピュータとＣＰＵ１１とを接続する通信インタフェースや、計測回路７等とＣＰＵ１１とを接続するＩ／Ｏインタフェースが含まれる。なお、ＣＰＵ１１等には不図示のＤＣ電源により電力が供給される。

コントローラ１５は、例えば、ＦＰＧＡ（Field Program Gate Array）である。本実施形態の場合、コントローラ１５は、まず、ＣＰＵ１１からの指示に従ってモータ駆動回路６に対する制御信号を出力する。また、ＣＰＵ１１からの指示に従って電磁ブレーキ駆動回路２０に対してＰＷＭ信号を出力する。更に、モータ駆動回路６から停止信号がコントローラ１５に出力された場合、コントローラ１５は、ＣＰＵ１１を介さずにモータＭ及び電磁ブレーキＢｋに対する電力供給を遮断させる。これによりモータＭの駆動が停止し、電磁ブレーキＢｋは制動状態となる。コントローラ１５がモータＭ及び電磁ブレーキＢｋの双方の制御を行い、かつ、ＣＰＵ１１を介さないことにより、緊急時にタイムラグを最小にしてモータＭの駆動を停止し、ブレーキＢｋを制動状態とすることができる。なお、このような緊急停止を実行する緊急停止条件としては、モータ駆動回路６から停止信号が出力された場合の他、例えば、ＣＰＵ１１を介して外部コンピュータから緊急停止指示を受けた場合が挙げられる。

電磁ブレーキ駆動回路２０に対して出力するＰＷＭ信号のデューティ比は、本実施形態の場合、ＣＰＵ１１が演算する。ＣＰＵ１１は、電磁ブレーキＢｋについて予め設定された設定電圧と、母線ｂｂ上の直流電圧と、からデューティ比を演算する。設定電圧は、電磁ブレーキＢｋに印加する目標駆動電圧であり、電磁ブレーキＢｋの種類によるが、例えば、２４Ｖや９０Ｖ等である。設定電圧は、例えば、接続部４を介して外部コンピュータから入力され、ＲＡＭ１２に格納される。或いは、ＲＯＭ１３に電磁ブレーキＢｋの種類と、各設定電圧とを記憶しておき、接続部４を介して外部コンピュータから電磁ブレーキＢｋの種類が入力された場合に、対応する設定電圧をＲＯＭ１３から読み出すようにしてもよい。

本実施形態の場合、母線ｂｂ上の直流電圧は計測回路７の計測結果とする。なお、計測回路７を設けない場合は、ＡＣ／ＤＣコンバータ５から出力される仕様上の直流電圧をＲＯＭ１３に記憶しておき、これを母線ｂｂ上の直流電圧とみなしてもよい。そして、ＰＷＭ信号のデューティ比Ｄは、Ｄ＝（設定電圧）／（母線ｂｂ上の直流電圧）から演算できる。ＣＰＵ１１は演算したデューティ比を示す情報をコントローラ１５に出力し、コントローラ１５は該情報が示すデューティ比のＰＷＭ信号を電磁ブレーキ駆動回路２０に出力する。

本実施形態のように、母線ｂｂ上の直流電圧を計測回路７の計測結果とすると、ＣＰＵ１１がリアルタイムでデューティ比を演算してコントローラ５１にデューティ比を指示することで、モータＭが回生電圧を生じたり、ノイズの混入により母線ｂｂ上に電圧変動が生じても、電圧変動に応じてデューティ比が調整され、電磁ブレーキＢｋに供給する直流電圧を安定させることができる。

次に、電磁ブレーキ駆動回路２０について説明する。図３（ａ）は電磁ブレーキ制御回路２０の例を示す回路図である。電磁ブレーキ制御回路は、母線ｂｂと接続されて母線ｂｂ上の直流電圧が入力される入力部２１と、コントローラ１５からのＰＷＭ信号が入力される入力部２２と、を有する。図中、Ｒは抵抗器である。電磁ブレーキ駆動回路２０はスイッチング素子２３、２４を備える。

スイッチング素子２４は、本実施形態の場合、ＦＥＴであり、そのドレインは接続部２を構成する一方の端子２ｂに接続されている。接続部２を構成する他方の端子２ａは入力部２１に接続されている。端子２ａ、２ｂには電磁ブレーキＢｋが接続されており、また、端子２ａ、２ｂ間にはサージ吸収用のダイオード２５が接続されている。しかして、スイッチング素子２４がＯＮの場合に、電磁ブレーキＢｋに母線ｂｂ上の直流電圧が出力され、ＯＦＦの場合には該直流電圧が遮断される。よって、スイッチング素子２４のＯＮ・ＯＦＦにより、電磁ブレーキＢｋへの駆動電圧の出力・遮断を切り替えることができる。

スイッチング素子２３は、本実施形態の場合、入力−出力間が絶縁された光電素子（例えばフォトカプラ）であり、発光素子（本実施形態ではＬＥＤ）２３ａと、受光素子（本実施形態ではフォトトランジスタ）２３ｂと、を備える。スイッチング素子２３として、入力−出力間が絶縁されたフォトカプラを用いることにより、制御回路１０が、例えば母線ｂｂ上のノイズ等、駆動回路側のノイズの影響を受けないようにすることができ、また、故障によって制御回路１０側に駆動電圧が印加される事態を回避できる。コントローラ１５からのＰＷＭ信号はＬＥＤ２３ａに入力されてＬＥＤ２３ａを点滅させる。フォトトランジスタ２３ｂは、そのコレクタが不図示のＤＣ電源に接続され、ＬＥＤ２３ａの点滅によってＯＮ・ＯＦＦし、スイッチング素子２４をＯＮ・ＯＦＦする。こうして、コントローラ１５からのＰＷＭ信号によって、電磁ブレーキＢｋへの駆動電圧の出力・遮断を切り替えることができる。

図３（ｂ）は入力部２１に入力される電圧を示す図であり、母線ｂｂ上の直流電圧Ｖを示している。図２（ｃ）は端子２ａから出力される電圧を示し、電磁ブレーキＢｋへの駆動電圧である。図３（ｃ）に示すように、電磁ブレーキＢｋへの駆動電圧は、ＰＷＭ信号のデューティ比に応じたパルス信号になっており、したがって、パルス幅を調整することで、ｔ₀−ｔ間の単位時間当たりの平均電圧を制御することができる。このため、母線ｂｂ上の直流電圧を設定電圧に変換できる。

このように本実施形態では、モータＭの駆動に用いる直流電圧を部分的に利用し、これを電磁ブレーキＢｋの駆動に適した電圧に調整して電磁ブレーキＢｋに供給することで、電磁ブレーキＢｋ用の固有の電源を不要としながら、モータＭと電磁ブレーキＢｋとで駆動電圧が異なる場合にも対応することができる。

＜第２実施形態＞
上記第１実施形態では、制御装置ＡがＡＣ／ＤＣコンバータ５を備える構成としたが、これを備えない構成も採用可能である。図４は本発明の他の実施形態に係る制御装置Ｂのブロック図である。同図において、制御装置Ａと同様の構成については同じ符号を付して説明を割愛し、以下、異なる構成についてのみ説明する。

制御装置Ｂは、制御装置ＡのようにＡＣ／ＤＣコンバータ５を備えておらず、ＡＣ／ＤＣコンバータ５は制御装置Ｂの外部の構成となっている。そして、接続部３には、ＡＣ／ＤＣコンバータ５から出力される直流電圧が入力され、母線ｂｂが接続部３に接続されている。

＜第３実施形態＞
上記第１実施形態では、電磁ブレーキＢｋの駆動電圧の生成に、モータＭの駆動に用いる直流電圧として、モータＭの駆動電圧を生成する過程で生じる直流電圧を利用したが、モータＭの駆動電圧を利用してもよい。図５は本発明の他の実施形態に係る制御装置Ｃのブロック図である。同図において、制御装置Ａと同様の構成については同じ符号を付して説明を割愛し、以下、異なる構成についてのみ説明する。

制御装置Ｃは、制御装置ＡのようにＡＣ／ＤＣコンバータ５を備えておらず、ＡＣ／ＤＣコンバータ５は制御装置Ｃの外部の構成となっている。そして、接続部３には、ＡＣ／ＤＣコンバータ５から出力される直流電圧が入力され、母線ｂｂが接続部３に接続されている。モータＭは直流モータであり、制御装置Ｃは制御装置Ａのようにモータ駆動回路６を有していない。つまり、モータＭの駆動に関して、制御装置ＣはＡＣ／ＤＣコンバータ５から出力される電圧を、そのままモータＭに供給しているだけのものである。

Claims (11)

1. モータと電磁ブレーキとが電気的に接続され、これらに駆動電圧を出力する制御装置であって、
   前記電磁ブレーキについて予め設定された設定電圧に基づくデューティ比のＰＷＭ信号を出力するＰＷＭ信号出力手段と、
   前記モータの駆動に用いる直流電圧の一部が入力され、該直流電圧の一部を前記ＰＷＭ信号出力手段から出力される前記ＰＷＭ信号のデューティ比に比例した直流電圧に変換して前記電磁ブレーキへ出力する電磁ブレーキ駆動手段と、
   を備えたことを特徴とする制御装置。
2. 交流電圧が入力され、該交流電圧を前記モータの駆動に用いる直流電圧に変換する交流−直流変換手段を備えたことを特徴とする請求項１に記載の制御装置。
3. 直流電圧が入力され、モータに駆動電圧を出力するモータ駆動手段を備え、
   前記電磁ブレーキ駆動手段には、前記モータ駆動手段に入力される前記直流電圧の一部が入力されることを特徴とする請求項１又は２に記載の制御装置。
4. 前記モータ駆動手段が、
   入力された直流電圧を交流電圧に変換して前記モータに駆動電圧として出力するインバータであることを特徴とする請求項３に記載の制御装置。
5. 前記電磁ブレーキ駆動手段は、
   前記モータの駆動に用いる直流電圧の一部の、前記電磁ブレーキへの出力・遮断を切り替える第１スイッチング素子と、
   前記ＰＷＭ信号出力手段から出力される前記ＰＷＭ信号が入力され、前記ＰＷＭ信号に応じて前記第１スイッチング素子をＯＮ・ＯＦＦする、入力−出力間が絶縁された第２スイッチング素子と、
   を備えたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の制御装置。
6. 前記第１スイッチング素子がＦＥＴであり、
   前記第２スイッチング素子がフォトカプラであることを特徴とする請求項５に記載の制御装置。
7. 前記ＰＷＭ信号出力手段は、
   前記設定電圧に基づいて前記デューティ比を演算し、演算した前記デューティ比を示す情報を出力する演算手段と、
   前記演算出段が出力した前記情報に基づいて、前記電磁ブレーキ駆動手段に前記ＰＷＭ信号を出力するコントローラと、
   を備えたことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の制御装置。
8. 前記モータの駆動に用いる直流電圧を常時計測し、計測結果を前記演算手段にフィードバックする計測手段を備え、
   前記演算手段は、前記計測手段の計測結果に基づいて前記デューティ比を調整することを特徴とする請求項７に記載の制御装置。
9. 前記ＰＷＭ信号出力手段は、
   前記設定電圧に基づいて前記デューティ比を演算し、演算した前記デューティ比を示す情報を出力する演算手段と、
   前記演算出段が出力した前記情報に基づいて、前記電磁ブレーキ駆動手段に前記ＰＷＭ信号を出力するＦＰＧＡと、を備え、
   前記ＦＰＧＡは、
   前記モータ駆動手段に制御信号を出力する一方、予め定めた緊急停止条件が成立した場合は、前記モータを停止させると共に前記電磁ブレーキを作動させることを特徴とする請求項３又は４に記載の制御装置。
10. モータと電磁ブレーキとに駆動電圧を出力する制御方法であって、
    前記電磁ブレーキについて予め設定された設定電圧に基づくデューティ比のＰＷＭ信号を出力するＰＷＭ信号出力工程と、
    前記モータの駆動に用いる直流電圧の一部を前記ＰＷＭ信号出力工程で出力される前記ＰＷＭ信号のデューティ比に比例した直流電圧に変換して前記電磁ブレーキへ出力する電磁ブレーキ駆動工程と、
    を備えたことを特徴とする制御方法。
11. 前記モータの駆動に用いる直流電圧を常時計測する計測工程と、
    前記計測工程の計測結果に基づいて前記デューティ比を調整する工程と、
    を備えたことを特徴とする請求項１０に記載の制御方法。

Images