JP2014034097A - ロボットコントローラ - Google Patents

Abstract

【課題】ロボットの動作を緊急停止する際、インバータ装置に対する電源供給を速やかに停止しつつ、直流電源装置からインバータ装置に至る電源供給経路に介在する接点の寿命低下を抑制する。
【解決手段】直流電源装置２２は、交流電源２１から与えられる交流を整流する整流回路２７、整流回路２７の出力を平滑する平滑コンデンサＣ１および平滑コンデンサＣ１に対して並列に接続されたブリーダ抵抗Ｒ１を備えている。制御部２６は、ロボット２の動作を緊急停止する緊急停止動作を開始すると、モータＭ１〜Ｍ４の駆動を停止させるとともに、平滑コンデンサＣ１の端子間電圧の変化率を求める。制御部２６は、端子間電圧の変化率が閾値以上である間は直流電源装置２２からインバータ装置２３ａ〜２３ｄに至る電源供給経路に介在するリレー３３の接点３３ａ、３３ｂを閉鎖状態に維持し、変化率が閾値未満になると接点３３ａ、３３ｂを開放する。
【選択図】図２

Description

本発明は、直流電源装置からインバータ装置に至る電源供給経路に介在する接点を開閉する開閉手段を備えたロボットコントローラに関する。

ロボットコントローラは、外部の交流電源から与えられる交流を整流し、内部の各装置に直流を供給する直流電源装置を備えている。その直流電源装置には、整流回路と平滑コンデンサからなる直流電源回路を２系統備えているものがある。この場合、一方の直流電源回路の出力は、ロボットの各軸を駆動するための複数のモータを駆動するインバータ装置などのパワー系に与えられ、他方の直流電源回路の出力は、ロボットコントローラ内部のマイクロコンピュータなどの制御系に与えられるようになっている。そして、パワー系電源回路の交流入力ラインにリレーを備え、その交流入力ラインを遮断するように構成されている。これにより、制御系の直流電源を遮断することなく、パワー系の直流電源のみを遮断できるようにしている。

このような構成によれば、例えばロボットが誤動作した場合、使用者による非常停止スイッチの操作などに応じて、ロボットコントローラは、モータの駆動を停止させつつ、交流入力ラインのリレーを開放してパワー系への電源供給を停止させることにより、ロボットの動作を確実に停止させることが可能となっている。

上記従来構成では、２つの直流電源回路を設ける必要があるため、装置の製造コストが高くなるという問題があった。そこで、直流電源回路を１つにし、その直流出力ラインにおいて、パワー系出力用と制御系出力用とに分岐させる構成が考えられる。この場合、分岐後のパワー系出力用の直流出力ラインにリレーを設けることにより、制御系への直流出力を遮断することなく、パワー系への直流出力のみを遮断できる。

しかしながら、このように直流ラインにリレーを設けると、交流ラインにリレーを設けた場合には存在しなかった以下のような問題が生じる。すなわち、ロボットが誤動作した場合、その動作を確実に且つ迅速に停止させるためにはパワー系への電源供給を速やかに停止させなければならない。そのため、モータへの通電を停止させると同時あるいはその直後にリレーを開放させる必要がある。しかし、モータへの通電を停止させると、パワー系への直流出力ラインにモータからの回生電流が流れ、その回生電流が流れている状態でリレーの接点を開放させることになる。その結果、リレーの接点にアークが発生し、リレーの寿命が低下してしまうという問題があった。

このような問題を解消するため、モータの駆動を停止した時点から所定の遅延時間だけ遅らせてリレーの開放動作を実行するといった方法を採用することが考えられる（例えば、特許文献１参照）。

特開平７−３９００２号公報

上述したリレーの開放動作を単純に所定の遅延時間だけ遅らせるという方法では、その遅延時間の設定が非常に難しくなる。すなわち、遅延時間が短すぎると、回生電流が流れた状態で接点を開放してしまう可能性が高まり、リレーの接点寿命の低下を確実に防止できなくなるおそれがある。一方、遅延時間が長すぎると、リレーの接点が開放されるまでの時間がむやみに長くなり、パワー系への電源供給を速やかに停止できなくなるおそれがある。さらに、ロボットの場合、複数の軸を駆動するモータのうち、いずれのモータが駆動されるのかは、ロボットの動作状態に応じて刻一刻と変化する。そのため、ロボットを緊急停止する際に駆動されていたモータの数、その容量などの各条件により、モータの停止後に発生する回生電力（回生エネルギー）の大きさ、つまり回生電流が流れる期間の長さが変化する。そうすると、一定の遅延時間を設定するだけでは、相反する２つの目的（接点寿命の低下抑制、接点の迅速な開放）をクリアすることが、非常に困難になる。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、ロボットの動作を緊急停止する際、インバータ装置に対する電源供給を速やかに停止しつつ、直流電源装置からインバータ装置に至る電源供給経路に介在する接点の寿命低下を抑制することができるロボットコントローラを提供することにある。

請求項１に記載の手段によれば、直流電源装置は、交流電源から与えられる交流電圧を整流および平滑した直流電圧を出力する。制御装置は、その直流電圧の供給を受けて動作するインバータ装置を制御し、ロボットの各軸を駆動するためのモータの駆動を制御する。また、制御装置は、直流電源装置からインバータ装置に至る電源供給経路に介在する接点を開閉する開閉手段の動作を制御する。このような構成によれば、例えばロボットが誤動作した場合、制御装置は、インバータ装置を制御してモータの駆動を停止させつつ、開閉手段の開放動作を行い、インバータ装置への電源供給経路を遮断することでロボットの動作を確実に停止させることが可能となる。

しかし、モータの駆動を停止すると回生電力が発生し、モータからインバータ装置を介して直流電源装置へと回生電流が流れる。すなわち、モータの駆動停止後、電源供給経路および開閉手段の接点に回生電流が流れることになり、このような状態で接点を開放すると、アークが発生して接点の寿命が低下するおそれがある。回生電流は、モータの回転速度の低下などに伴って減少する。そのため、制御装置による接点の開放動作を十分に遅延すれば、上記寿命低下の問題は解決可能である。ただし、従来技術の欄でも述べたように、安全性を考慮すると、出来る限り迅速に接点を開放することが望ましい。このようなことから、ロボットの動作を緊急停止する際において、接点を開放するタイミングの設定が非常に重要となる。

さて、上述したようにしてモータの駆動が停止されると、直流電源装置の平滑コンデンサの端子間電圧が次のように変化する。すなわち、平滑コンデンサは、回生電流が流れている期間、その回生電流により充電され、その端子間電圧が上昇する。このときの端子間電圧の上昇の具合（変化率）は、発生する回生電力の大きさにもよるが比較的急峻なものとなる。このような端子間電圧の変化（上昇）は、回生電流が流れなくなるまで継続する。回生電流が流れなくなると、平滑コンデンサは、並列接続されたブリーダ抵抗を介して放電され、その端子間電圧が低下に転じる。このときの端子間電圧の低下の具合（変化率）は、回生電流に起因した端子間電圧の上昇の具合に比べ、非常に緩やかなものとなる。

この理由は、次のとおりである。すなわち、ブリーダ抵抗として抵抗値の小さいものを用いると、定常動作時において多大な電力損失が生じるため、通常、ブリーダ抵抗には抵抗値の大きいものが用いられる。平滑コンデンサの放電時間は、その静電容量およびブリーダ抵抗の抵抗値により定まる時定数に依存する。このようなことから、ブリーダ抵抗を介した放電による端子間電圧の低下は、非常に緩やかなものとなるのが一般的である。

このような点を考慮し、本手段では、平滑コンデンサの端子間電圧の変化に基づいて回生電流の有無を判断することで、回生電力の発生が収まった後、速やかに開閉手段の接点を開放することを可能にしている。すなわち、制御装置は、ロボットの動作を緊急停止する緊急停止動作を開始すると、モータの駆動を停止させるとともに、平滑コンデンサの端子間電圧を検出する電圧検出手段の検出値から、上記端子間電圧の変化率を求める。

前述した理由から、モータの駆動停止後に端子間電圧の変化率が大きい期間は、回生電流が流れている期間であると考えられる。従って、制御装置は、端子間電圧の変化率が所定の閾値以上である間は開閉手段の接点を閉鎖状態に維持する。これにより、回生電流が流れている期間に接点が開放されることが防止される。また、モータの駆動停止後に端子間電圧の変化率が小さい期間は、回生電流が流れていない期間であると考えられる。従って、制御装置は、端子間電圧の変化率が閾値未満になると、開閉手段の接点を開放する。これにより、回生電流が収まると速やかに接点が開放されることになる。

ロボットが緊急停止される際、駆動されていたモータの数、その容量（モータサイズ）などの各条件により発生する回生電力の大きさは変化する。しかし、各モータからの回生電流は、いずれも同一の直流電源装置の平滑コンデンサに流れる。従って、上記各条件がどのように変化した場合でも、その平滑コンデンサの端子間電圧の変化率を確認することで、回生電流の有無を判断することが可能となる。そのため、緊急停止する時点で駆動されていたモータの数やモータサイズが互いに異なる様々な条件のいずれにおいても、接点を開放するタイミング（遅延時間）を常に最適にすることができる。すなわち、本手段によれば、刻一刻と変化するロボットの動作状態に応じて、緊急停止時における接点の開放タイミングが最適化される。このように、本手段によれば、ロボットが緊急停止される際に駆動されていたモータの数や容量などの各条件に関係なく、緊急停止時においてインバータ装置に対する電源供給を速やかに停止しつつ、直流電源装置からインバータ装置に至る電源供給経路に介在する接点の寿命低下を抑制することができる。

また、上記したとおり、回生電流に起因した平滑コンデンサの端子間電圧の上昇具合は、ブリーダ抵抗を介した放電による端子間電圧の低下具合に比べると、非常に大きくなることが一般的である。そのため、平滑コンデンサの端子間電圧の変化率に基づいて回生電流の有無を判断するための上記閾値の設定に、かなりの余裕が生まれることになる。つまり、詳細な調整作業などを行うことなく、閾値の設定を容易に実施することが可能になる。従って、本手段によれば、装置を生産する際の製造工程における作業性が向上する。

本発明の一実施形態を示すロボットシステムの構成を概略的に示す図 ロボットシステムの電気構成図 全軸動作中に緊急停止動作が実行される際における各部の波形図 最小軸動作中に緊急停止動作が実行される際における図３相当図 中間軸動作中に緊急停止動作が実行される際における図３相当図

以下、本発明の一実施形態について図面を参照しながら説明する。
図１は、一般的な産業用ロボットのシステム構成を示している。図１に示すロボットシステム１は、ロボット２、ロボット２を制御するロボットコントローラ３およびロボットコントローラ３に接続されたティーチングペンダント４を備えている。

ロボット２は、例えば４軸の水平多関節型ロボットとして構成されている。ロボット２は、設置面に固定されるベース５と、ベース５上に垂直軸（第１軸Ｊ１）を中心に旋回可能に連結された第１のアーム６と、第１のアーム６の先端部上に垂直軸（第２軸Ｊ２）を中心に旋回可能に連結された第２のアーム７と、第２のアーム７の先端部に上下動可能で且つ回転可能に設けられたシャフト８とから構成されている。なお、シャフト８を上下動させる際の軸が第３軸Ｊ３に相当し、回転させる際の軸が第４軸Ｊ４に相当する。シャフト８の先端部（下端部）には、フランジ９が位置決めされて着脱可能に取り付けられる。

ベース５、第１のアーム６、第２のアーム７、シャフト８およびフランジ９は、ロボット２のアームとして機能し、アーム先端であるフランジ９には、図示はしないが、エンドエフェクタ（手先）が取り付けられる。ロボット２に設けられる複数の軸Ｊ１〜Ｊ４は、それぞれに対応して設けられるモータ（図２に符号Ｍ１〜Ｍ４を付して示す）により駆動される。モータＭ１〜Ｍ４の近傍には、それぞれの回転軸の回転角度を検出するための位置検出器（図示せず）が設けられている。モータＭ１〜Ｍ４の容量は、下記（１）式に示すような関係となっている。ただし、モータＭ１〜Ｍ４の容量をそのままＭ１〜Ｍ４で示している。
Ｍ１＞Ｍ２＞Ｍ３＞Ｍ４ …（１）

上記（１）式に示すように、モータＭ１〜Ｍ４は、ベース５に近い側の軸を駆動するものほど容量が大きく、手先に近い側の軸を駆動するものほど容量が小さくなっている。本実施形態では、第１軸Ｊ１を駆動するモータＭ１の容量は１０００Ｗ、第２軸Ｊ２を駆動するモータＭ２の容量は７５０Ｗ、第３軸Ｊ３を駆動するモータＭ３の容量は２００Ｗ、第４軸Ｊ４を駆動するモータＭ４の容量は１００Ｗとなっている。

ティーチングペンダント４は、例えば使用者が携帯あるいは手に所持して操作可能な程度の大きさで、例えば薄型の略矩形箱状に形成されている。ティーチングペンダント４は、表面部の中央部に例えば液晶ディスプレイからなる表示部１０を有している。表示部１０には、各種の画面が表示される。表示部１０は、タッチパネルで構成されている。またティーチングペンダント４には、表示部１０の周囲に各種のキースイッチ１１が設けられており、使用者は、キースイッチ１１や上記タッチパネルに設けられるタッチスイッチによって種々の入力操作を行う。キースイッチ１１または上記タッチスイッチには、後述する緊急停止動作の実行を指示する非常停止スイッチが含まれている。

ティーチングペンダント４は、ケーブルを経由してロボットコントローラ３に接続され、通信インターフェイスを経由してロボットコントローラ３との間で高速のデータ転送を実行するようになっており、キースイッチ１１等の操作により入力された操作信号等の情報はティーチングペンダント４からロボットコントローラ３へ送信される。

図２は、ロボットシステム１の電気構成を概略的に示すブロック図である。ロボット２は、第１軸Ｊ１〜第４軸Ｊ４をそれぞれ駆動するための４つのモータＭ１〜Ｍ４を備えている。モータＭ１〜Ｍ４は、例えばブラシレスＤＣモータである。ロボットコントローラ３は、交流電源２１より供給される交流を整流および平滑して出力する直流電源装置２２、モータＭ１〜Ｍ４をそれぞれ駆動するインバータ装置２３ａ〜２３ｄ、直流電源装置２２からインバータ装置２３ａ〜２３ｄへの電源供給経路を開閉する開閉装置２４、モータＭ１〜Ｍ４から回生される電力の一部を消費させる回生消費回路２５、上記各装置および各回路の制御を行う制御部２６を備えている。

直流電源装置２２は、整流回路２７、平滑コンデンサＣ１およびブリーダ抵抗Ｒ１を備えている。整流回路２７は、ダイオードを三相ブリッジ形に接続してなる周知構成のものである。例えば三相２００Ｖの交流電源２１のＲ、Ｓ、Ｔの各相出力は、交流電源線２８ｒ、２８ｓ、２８ｔを介して整流回路２７の交流入力端子に接続されている。整流回路２７の直流出力端子は、一対の直流電源線２９ａ、２９ｂに接続されている。直流電源線２９ａ、２９ｂ間には、平滑コンデンサＣ１が接続されている。

平滑コンデンサＣ１の端子間には、ブリーダ抵抗Ｒ１が接続されている。ブリーダ抵抗Ｒ１は、モータＭ１〜Ｍ４の駆動が停止された後、平滑コンデンサＣ１に蓄えられた電荷を放電するために設けられている。なお、本実施形態では、平滑コンデンサＣ１の静電容量を４０００μＦとし、ブリーダ抵抗Ｒ１の抵抗値を１００ｋΩとしている。

回生消費回路２５は、回生用スイッチング素子Ｔ１および回生用抵抗Ｒ２の直列回路と、駆動回路３０とを備えている。上記直列回路は、直流電源線２９ａ、２９ｂ間に接続されている。回生用スイッチング素子Ｔ１は、例えば、Ｎチャネル型のＭＯＳトランジスタである。回生用抵抗Ｒ２としては、ブリーダ抵抗Ｒ１の抵抗値（１００ｋΩ）に比べて極めて小さい抵抗値（例えば２０Ω）のものが用いられている。駆動回路３０は、制御部２６から与えられる指令信号Ｓａに基づいて、回生用スイッチング素子Ｔ１をオンまたはオフする。

制御部２６（制御装置に相当）は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ｉ／Ｏなどを備えたマイクロコンピュータを主体として構成されている。制御部２６は、電源線３１、３２から電源電圧Ｖｄ１（例えば＋５Ｖ）の供給を受けて動作する。なお、電源電圧Ｖｄ１は、例えば、直流電源線２９ａ、２９ｂにおける直流電圧（以下、バス電圧とも称す）を図示しない電源回路により降圧することにより生成されている。制御部２６は、直流電源線２９ａ、２９ｂ間のバス電圧、つまり平滑コンデンサＣ１の端子間電圧の値を検出する機能（電圧検出手段に相当）を備えている。

開閉装置２４（開閉手段に相当）は、リレー３３、フォトカプラ３４および抵抗Ｒ３を備えている。リレー３３は、接点３３ａ、３３ｂおよびコイル３３ｃを備えている。リレー３３は、コイル３３ｃへの通電が行われると接点３３ａ、３３ｂが閉鎖し、コイル３３ｃへの通電が停止されると接点３３ａ、３３ｂが開放するように構成されている。接点３３ａ、３３ｂのそれぞれの一方の端子は直流電源線２９ａ、２９ｂに接続されており、それぞれの他方の端子は直流電源線３５ａ、３５ｂに接続されている。すなわち、リレー３３の接点３３ａ、３３ｂは、直流電源装置２２からインバータ装置２３ａ〜２３ｄに至る電源供給経路に介在する。

フォトカプラ３４の入力側のダイオードＤ１のカソードには、制御部２６から出力される開閉指令信号Ｓｃが与えられる。開閉指令信号Ｓｃは、Ｈレベル（＋５Ｖ）およびＬレベル（０Ｖ）の２値レベルの信号である。Ｌレベルの開閉指令信号Ｓｃは、接点３３ａ、３３ｂの閉鎖を指令する閉鎖指令信号に相当する。Ｈレベルの開閉指令信号Ｓｃは、接点３３ａ、３３ｂの開放を指令する開放指令信号に相当する。

ダイオードＤ１のアノードは、抵抗Ｒ３を介して電源線３１に接続されている。フォトカプラ３４の出力側のトランジスタＴ２のコレクタには、電源線３６を介してコイル３３ｃに通電するための駆動電圧Ｖｄ２（例えば＋２４Ｖ）が与えられている。なお、駆動電圧Ｖｄ２は、電源電圧Ｖｄ１と同様に、直流電源線２９ａ、２９ｂにおける直流電圧を図示しない電源回路により降圧して生成されている。

トランジスタＴ２のエミッタは、コイル３３ｃの一方の端子に接続されている。コイル３３ｃの他方の端子は、電源線３２（グランド電位＝０Ｖ）に接続されている。このような構成により、制御部２６からの開閉指令信号Ｓｃの電圧レベルの変化に基づいてフォトカプラ３４がオンまたはオフされ、コイル３３ｃへの通断電が行われる。

４つのインバータ装置２３ａ〜２３ｄは、いずれも同様の構成であり、直流電源線３５ａ、３５ｂ間に６つのスイッチング素子例えばＩＧＢＴ（図２では２つのみ示す）を三相フルブリッジ接続して構成されたインバータ主回路と、その駆動回路とを備えている。ＩＧＢＴのコレクタ−エミッタ間には還流ダイオードが接続されている。また、ＩＧＢＴのゲートには、駆動回路からゲート信号が与えられている。駆動回路は、制御部２６から与えられる指令信号Ｓｂ１〜Ｓｂ４に基づいてゲート信号を出力し各ＩＧＢＴを駆動する。

制御部２６は、各モータＭ１〜Ｍ４の駆動制御に先立って、Ｌレベルの開閉指令信号Ｓｃを出力する。これにより、フォトカプラ３４のダイオードＤ１がオンし、コイル３３ｃの両端子にトランジスタＴ２を介して駆動電圧Ｖｄ２が印加され、コイル３３ｃが通電される。コイル３３ｃが通電されると、接点３３ａ、３３ｂが閉鎖され、直流電源装置２２からインバータ装置２３ａ〜２３ｄへの電源供給が開始される。その後、制御部２６は、指令信号Ｓｂ１〜Ｓｂ４を出力して４つのインバータ装置２３ａ〜２３ｄを制御し、４つのモータＭ１〜Ｍ４の駆動を制御する。

制御部２６は、モータＭ１〜Ｍ４の駆動を停止させる際、バス電圧の検出値に基づいて回生用スイッチング素子Ｔ１をオンまたはオフする。具体的には、制御部２６は、バス電圧の検出値が、回生消費電圧値未満であるときには、回生用スイッチング素子Ｔ１をオフし、回生消費電圧値以上であるときには回生用スイッチング素子Ｔ１をオンする。このような構成により、減速動作時にモータＭ１〜Ｍ４から回生される電流（回生電流）に起因してバス電圧が上昇して回生消費電圧値以上になった場合には回生用抵抗Ｒ２に電流が流れる。これにより、回生電流（回生エネルギー）の一部が熱エネルギーとして放出され、バス電圧が回生消費電圧値未満となるようにその電圧上昇が抑えられる。

なお、回生消費電圧値は、バス電圧が、直流電源線２９ａ、２９ｂ間または直流電源線３５ａ、３５ｂ間に接続される各回路素子（インバータ装置２３ａ〜２３ｄのスイッチング素子、直流電源装置２２の平滑コンデンサＣ１など）の定格を超えて上昇しないような値に設定すればよい。また、回生用スイッチング素子Ｔ１のオン／オフ動作にヒステリシスを持たせてもよい。

制御部２６には、ティーチングペンダント４に設けられた非常停止スイッチ（図示せず）からの非常停止信号が入力されるようになっている。上記非常停止スイッチは、ロボット２の誤動作などの異常が発生した場合に使用者により操作されるものである。制御部２６は、モータＭ１〜Ｍ４の駆動中に、非常停止信号が入力された場合には、モータＭ１〜Ｍ４の駆動を直ちに停止させつつ、接点３３ａ、３３ｂの開放動作を行い、インバータ装置２３ａ〜２３ｄへの電源供給経路を遮断することでロボット２の動作を確実に停止させる（緊急停止動作）。

しかし、モータＭ１〜Ｍ４の駆動を停止すると回生電力（回生エネルギー）が発生し、モータＭ１〜Ｍ４からインバータ装置２３ａ〜２３ｄを介して直流電源装置２２へと回生電流が流れる。すなわち、モータＭ１〜Ｍ４の駆動停止後、電源供給経路およびリレー３３の接点３３ａ、３３ｂに回生電流が流れることになり、このような状態で接点３３ａ、３３ｂを開放すると、アークが発生して接点３３ａ、３３ｂの寿命が低下するおそれがある。回生電流は、モータＭ１〜Ｍ４の回転速度の低下、回生消費回路２５の動作などに伴って減少する。そのため、制御部２６による接点３３ａ、３３ｂの開放動作を十分に遅延すれば、接点３３ａ、３３ｂの寿命低下の問題は生じない。しかし、ロボット２の動作を確実に且つ迅速に停止するためには、モータＭ１〜Ｍ４の駆動停止後、出来る限り速やかに接点３３ａ、３３ｂを開放することが望ましい。このようなことから、緊急停止動作においては、接点３３ａ、３３ｂを開放するタイミングの設定が非常に重要となる。

さて、上述したようにしてモータＭ１〜Ｍ４の駆動が停止されると、平滑コンデンサＣ１の端子間電圧が次のように変化する。すなわち、平滑コンデンサＣ１は、回生電流が流れている期間、その回生電流により充電され、その端子間電圧が上昇する。このときの端子間電圧の上昇の具合（変化率）は、発生する回生電力の大きさにも関係するものの、比較的急峻なものとなる。このような端子間電圧の変化（上昇）は、回生電流が流れなくなるまで継続する。回生電流が流れなくなると、平滑コンデンサＣ１は、並列接続されたブリーダ抵抗Ｒ１を通じて放電され、その端子間電圧が低下に転じる。このときの端子間電圧の低下の具合（変化率）は、回生電流に起因した端子間電圧の上昇の具合に比べ、非常に緩やかなものとなる。

この理由は、次のとおりである。すなわち、ブリーダ抵抗Ｒ１として抵抗値の小さいものを用いると、定常動作時において多大な電力損失が生じることになるため、通常、ブリーダ抵抗Ｒ１には抵抗値の大きいものが用いられる。また、平滑コンデンサＣ１の放電時間は、その静電容量およびブリーダ抵抗Ｒ１の抵抗値により定まる時定数に依存する。そのため、比較的大きい抵抗値（例えば、本実施形態では１００ｋΩ）のブリーダ抵抗Ｒ１を介した放電による端子間電圧の低下は、非常に緩やかなものとなるのが一般的である。

本実施形態では、このような点に着目した上で、以下のように、平滑コンデンサＣ１の端子間電圧の変化に基づいて回生電流の有無を判断し、回生電力の発生が収まった後、速やかにリレー３３の接点３３ａ、３３ｂを開放することを可能としている。すなわち、制御部２６は、モータＭ１〜Ｍ４の駆動中に非常停止信号が入力されると、モータＭ１〜Ｍ４の駆動を停止させるとともに、平滑コンデンサＣ１の端子間電圧の検出値をモニタする。制御部２６は、モニタした検出値から平滑コンデンサＣ１の端子間電圧の変化率（ｄｖ／ｄｔ）を求める。変化率の求め方としては、例えば、次のような方法を採用することができる。すなわち、制御部２６は、所定周期毎に端子間電圧の検出値を取得する（一時的に記憶する）。制御部２６は、今回の周期において取得した検出値と、その１つ前の周期において取得した検出値との差を求める。この差の絶対値が上記変化率に相当する。

前述した理由から、モータＭ１〜Ｍ４の駆動停止後に平滑コンデンサＣ１の端子間電圧の変化率が大きい期間は、回生電流が流れている期間であると考えられる。従って、制御部２６は、モータＭ１〜Ｍ４の駆動停止後に端子間電圧の変化率が所定の閾値以上である間はＬレベルの開閉指令信号Ｓｃを出力する。これにより、接点３３ａ、３３ｂが閉鎖状態に維持されるので、回生電流が流れている期間に接点３３ａ、３３ｂが開放されることが防止される。また、モータＭ１〜Ｍ４の駆動停止後に端子間電圧の変化率が小さい期間は、回生電流が流れていない期間であると考えられる。従って、制御部２６は、モータＭ１〜Ｍ４の駆動停止後に端子間電圧の変化率が閾値未満になると、Ｈレベルの開閉指令信号Ｓｃを出力する。これにより、接点３３ａ、３３ｂが開放されるので、回生電流が収まると直流電源装置２２からインバータ装置２３ａ〜２３ｄへの電源供給経路が速やかに遮断される。

次に、本実施形態の作用について図３〜図５も参照しながら説明する。
ロボット２が緊急停止される際、駆動されていたモータＭ１〜Ｍ４の数、それらの合計の容量などの各条件により発生する回生電力の大きさは変化する。そこで、以下では、発生する回生電力が最も大きくなると考えられるケースＡ、最も小さくなると考えられるケースＢ、回生電力が中間くらいの値になると考えられるケースＣのそれぞれにおける緊急停止動作について説明する。

図３〜図５において、（ａ）は各軸Ｊ１〜Ｊ４（各モータＭ１〜Ｍ４）の回転速度、（ｂ）はバス電圧、（ｃ）は電源供給経路に流れる電流（バス電流）、（ｄ）は開閉指令信号Ｓｃを示している。ただし、バス電圧およびバス電流については、実際の波形を正確に示すものではなく、あくまでも概略的なものとなっている。

［１］ケースＡ（全軸動作中に緊急停止動作が実行されるケース）
この場合、全ての軸Ｊ１〜Ｊ４を動作させるため、全てのモータＭ１〜Ｍ４が駆動される。図３に示すように、モータＭ１〜Ｍ４が加速動作状態となる加速期間（時刻ｔ１〜ｔ２）には、バス電圧は定常値よりも低い値となる。このとき、バス電圧がある程度の値まで低下すると、交流電源２１から平滑コンデンサＣ１に対する充電が行われる。そのため、交流電源２１の周期に応じたタイミングでもってバス電圧が上昇および低下を繰り返している。このときのバス電流は、直流電源装置２２側からインバータ装置２３ａ〜２３ｄ側へと流れる力行電流である。モータＭ１〜Ｍ４が等速動作状態となる等速期間（時刻ｔ２〜ｔ３）には、低下したバス電圧が定常値まで戻り、その値が維持される。このときのバス電流も、直流電源装置２２側からインバータ装置２３ａ〜２３ｄ側へと流れる力行電流である。ただし、その電流の大きさは、加速期間に流れる電流に比べて小さい。

このように全てのモータＭ１〜Ｍ４が駆動されている際、ロボット２が誤動作するなどして、使用者により非常停止スイッチが操作されると、制御部２６は、緊急停止動作を開始する（時刻ｔ３の時点）。制御部２６は、緊急停止動作を開始すると、モータＭ１〜Ｍ４の駆動を停止させる。これにより、モータＭ１〜Ｍ４は減速動作状態となる（時刻ｔ３〜ｔ４）。モータＭ１〜Ｍ４が減速動作状態になると、モータＭ１〜Ｍ４からインバータ装置２３ａ〜２３ｄを介して直流電源装置２２側へと回生電流が流れる（図３（ｃ）参照）。

この回生電流により平滑コンデンサＣ１が充電されることにより、平滑コンデンサＣ１の端子間電圧、つまりバス電圧が急激に上昇する。従って、端子間電圧の変化率は閾値以上の高い値を示すことになる。そのため、制御部２６は、Ｌレベルの開閉指令信号Ｓｃを出力し続け、接点３３ａ、３３ｂを閉鎖状態に維持する。その後もバス電圧が上昇を続けると、やがて回生消費回路２５が動作を開始する。回生消費回路２５が動作を開始すると、バス電圧は、回生消費電圧値付近で上昇および低下を繰り返す。このときの上昇および低下の具合（変化率）についても、ブリーダ抵抗Ｒ１を介した放電による端子間電圧の低下具合に比べると、非常に大きくなる。

これは、回生用抵抗Ｒ２の抵抗値がブリーダ抵抗Ｒ１の抵抗値に比べて非常に小さいためである。つまり、回生用スイッチング素子Ｔ１がオンされた際、極めて小さい抵抗値の回生用抵抗Ｒ２を介して直流電源線２９ａ、２９ｂ間が短絡されることにより、バス電圧が低下する。そのため、回生消費回路２５の動作によるバス電圧の低下具合は急峻なものとなる。また、回生用スイッチング素子Ｔ１がオフされた際のバス電圧の上昇は、前述した回生電流に起因するものであるため、同様に急峻なものとなる。

このように回生消費回路２５の動作中にも、端子間電圧の変化率は閾値以上の高い値を示すことになる。そのため、制御部２６は、Ｌレベルの開閉指令信号Ｓｃを出力し続け、接点３３ａ、３３ｂを閉鎖状態に維持する。その後、モータＭ１〜Ｍ４の回転速度の低下、回生消費回路２５の動作などにより回生電流が低減し続け、やがて回生電流が流れなくなる（時刻ｔ４の時点）。回生電流が流れなくなると、平滑コンデンサＣ１は、ブリーダ抵抗Ｒ１を通じて放電される。このときの端子間電圧の低下具合は、回生電流に起因した端子間電圧の上昇具合、回生消費回路２５の動作に伴う端子間電圧の低下具合に比べ、非常に緩やかなものとなる。従って、端子間電圧の変化率が閾値未満となる。そのため、制御部２６は、Ｈレベルの開閉指令信号Ｓｃを出力し、接点３３ａ、３３ｂを開放する。

［２］ケースＢ（最小軸動作中に緊急停止動作が実行されるケース）
この場合、最も手先に近い（容量が小さい）第４軸Ｊ４を動作させるため、モータＭ４だけが駆動される。図４に示すように、モータＭ４が加速動作状態となる加速期間（時刻ｔ１〜ｔ２）には、バス電圧は定常値よりも若干低い値となる。このときのバス電流は、直流電源装置２２側からインバータ装置２３ｄ側へと流れる力行電流である。また、駆動するモータが１つだけであるため、ケースＡに比べると、加速期間が短くなっている。モータＭ４が等速動作状態となる等速期間（時刻ｔ２〜ｔ３）には、低下したバス電圧が定常値まで戻り、その値が維持される。このときのバス電流も、直流電源装置２２側からインバータ装置２３ｄ側へと流れる力行電流である。ただし、その電流の大きさは、加速期間に流れる電流に比べて小さい。

このようにモータＭ４が駆動されている際、非常停止スイッチが操作されると、制御部２６は、緊急停止動作を開始する（時刻ｔ３の時点）。制御部２６は、緊急停止動作を開始すると、モータＭ４の駆動を停止させる。これにより、モータＭ４は減速動作状態となる（時刻ｔ３〜ｔ４）。モータＭ４が減速動作状態になると、モータＭ４からインバータ装置２３ｄを介して直流電源装置２２側へと回生電流が流れる（図３（ｃ）参照）。

この回生電流により平滑コンデンサＣ１が充電されることにより、平滑コンデンサＣ１の端子間電圧、つまりバス電圧が急激に上昇する。従って、端子間電圧の変化率は閾値以上の高い値を示すことになる。そのため、制御部２６は、Ｌレベルの開閉指令信号Ｓｃを出力し続け、接点３３ａ、３３ｂを閉鎖状態に維持する。なお、この場合、駆動していたモータが１つだけであるため、ケースＡに比べ、発生する回生電力は小さい。そのため、バス電圧が回生消費電圧値まで上昇せず、回生消費回路２５は動作しない。その後、モータＭ４の回転速度の低下などにより回生電流が低減し続け、やがて回生電流が流れなくなる（時刻ｔ４の時点）。回生電流が流れなくなると、平滑コンデンサＣ１は、ブリーダ抵抗Ｒ１を通じて放電される。このときの端子間電圧の低下具合は、回生電流に起因した端子間電圧の上昇具合、回生消費回路２５の動作に伴う端子間電圧の低下具合に比べ、非常に緩やかなものとなる。従って、端子間電圧の変化率が閾値未満となる。そのため、制御部２６は、Ｈレベルの開閉指令信号Ｓｃを出力し、接点３３ａ、３３ｂを開放する。

［３］ケースＣ（中間軸動作中に緊急停止動作が実行されるケース）
この場合、中間の第２軸Ｊ２を動作させるため、モータＭ２だけが駆動される。図５に示すように、モータＭ２が加速動作状態となる加速期間（時刻ｔ１〜ｔ２）には、バス電圧は定常値よりも若干低い値となる。このときのバス電流は、直流電源装置２２側からインバータ装置２３ｂ側へと流れる力行電流である。また、駆動するモータが１つだけであるため、ケースＡに比べると、加速期間が短くなっている。ただし、駆動するモータＭ２の容量がモータＭ４の容量よりも大きいため、ケースＢに比べると、加速期間は長い。モータＭ２が等速動作状態となる等速期間（時刻ｔ２〜ｔ３）には、低下したバス電圧が定常値まで戻り、その値が維持される。このときのバス電流も、直流電源装置２２側からインバータ装置２３ｂ側へと流れる力行電流である。ただし、その電流の大きさは、加速期間に流れる電流に比べて小さい。

このようにモータＭ２が駆動されている際、非常停止スイッチが操作されると、制御部２６は、緊急停止動作を開始する（時刻ｔ３の時点）。制御部２６は、緊急停止動作を開始すると、モータＭ２の駆動を停止させる。これにより、モータＭ２は減速動作状態となる（時刻ｔ３〜ｔ４）。モータＭ２が減速動作状態になると、モータＭ２からインバータ装置２３ｂを介して直流電源装置２２側へと回生電流が流れる（図３（ｃ）参照）。

この回生電流により平滑コンデンサＣ１が充電されることにより、平滑コンデンサＣ１の端子間電圧、つまりバス電圧が急激に上昇する。従って、端子間電圧の変化率は閾値以上の高い値を示すことになる。そのため、制御部２６は、Ｌレベルの開閉指令信号Ｓｃを出力し続け、接点３３ａ、３３ｂを閉鎖状態に維持する。なお、この場合も、ケースＢと同様、駆動していたモータが１つだけであるため、ケースＡに比べ、発生する回生電力は小さい。そのため、バス電圧が回生消費電圧値まで上昇せず、回生消費回路２５は動作しない。その後、モータＭ２の回転速度の低下などにより回生電流が低減し続け、やがて回生電流が流れなくなる（時刻ｔ４の時点）。回生電流が流れなくなると、平滑コンデンサＣ１は、ブリーダ抵抗Ｒ１を通じて放電される。このときの端子間電圧の低下具合は、回生電流に起因した端子間電圧の上昇具合、回生消費回路２５の動作に伴う端子間電圧の低下具合に比べ、非常に緩やかなものとなる。従って、端子間電圧の変化率が閾値未満となる。そのため、制御部２６は、Ｈレベルの開閉指令信号Ｓｃを出力し、接点３３ａ、３３ｂを開放する。

以上説明した本実施形態によれば、次のような効果が得られる。
制御部２６は、ロボット２の動作を緊急停止する緊急停止動作を開始すると、モータＭ１〜Ｍ４の駆動を停止させるとともに、平滑コンデンサＣ１の端子間電圧の変化率を求める。そして、制御部２６は、端子間電圧の変化率が閾値以上である間はリレー３３の接点３３ａ、３３ｂを閉鎖状態に維持し、上記変化率が閾値未満になると接点３３ａ、３３ｂを開放する。これにより、回生電流が流れている期間に接点３３ａ、３３ｂが開放されることが防止されるとともに、その回生電流が収まると速やかに接点が開放される。そのため、ロボット２の動作を緊急停止する際、接点３３ａ、３３ｂにおけるアークの発生、接点３３ａ、３３ｂの溶着がなくなり、リレー３３の寿命低下が抑制される。

ただし、ロボット２が緊急停止される際、駆動されていたモータＭ１〜Ｍ４の数、その容量（モータサイズ）などの各条件により発生する回生電力の大きさは変化する。しかし、各モータＭ１〜Ｍ４からの回生電流は、いずれも同一の直流電源装置２２の平滑コンデンサＣ１に流れる。従って、上記各条件がどのように変化した場合でも、平滑コンデンサＣ１の端子間電圧の変化率を確認することで、回生電流の有無を判断することが可能となる。そのため、本実施形態によれば、緊急停止する時点で駆動されていたモータＭ１〜Ｍ４の数やモータサイズが互いに異なる様々な条件のいずれにおいても、リレー３３を開放するタイミング（遅延時間）を常に最適にすることができる。すなわち、本実施形態によれば、刻一刻と変化するロボット２の動作状態に応じて、緊急停止時におけるリレー３３の開放タイミングが最適化される。

このように、本実施形態によれば、ロボット２が緊急停止される際に駆動されていたモータＭ１〜Ｍ４の数や容量などの各条件に関係なく、緊急停止時においてインバータ装置２３ａ〜２３ｄに対する電源供給を速やかに停止しつつ、直流電源装置２２からインバータ装置２３ａ〜２３ｄに至る電源供給経路に介在するリレー３３の接点３３ａ、３３ｂの寿命低下を抑制することができる。

制御部２６の電源電圧Ｖｄ１（＋５Ｖ）およびリレー３３のコイル３３ｃへ通電を行うための駆動電圧Ｖｄ２（＋２４）を、直流電源線１３ａ、１３ｂにおける直流電圧を図示しない電源回路により降圧して生成するようにした。このようにインバータ装置２３ａ〜２３ｄへの直流電源の供給を行うための直流電源装置２２を利用して、ロボットコントローラ３内に設けられた他の回路および装置への直流電源の供給を行うので、装置の製造コストが高くなるのを抑制できる。

なお、本発明は上記し且つ図面に記載した実施形態に限定されるものではなく、次のような変形または拡張が可能である。
リレー３３を用いて直流電源装置２２からインバータ装置２３ａ〜２３ｄへの電源供給経路を開閉する構成としたが、コンタクタなど、他の電気回路を開閉する手段を用いてもよい。リレー３３は、２つの接点３３ａ、３３ｂを備えたものを使用したが、１つの接点を備えたものを使用し、直流電源線２９ａと３５ａとの間および直流電源線２９ｂと３５ｂとの間のいずれか一方にのみ接点を設ける構成としてもよい。

モータＭ１〜Ｍ４からの回生電流による平滑コンデンサＣ１の端子電圧の上昇が問題にならない構成であれば、回生消費回路２５を設けなくてもよい。
上記実施形態では、本発明を４軸の水平多関節型ロボットであるロボット２の動作制御を行うロボットコントローラ３に適用した例を説明したが、本発明は、例えば６軸の垂直多関節型ロボットの動作制御を行うロボットコントローラなど、ロボットの動作制御を行うロボットロボットコントローラ全般に適用可能である。

図面中、２はロボット、３はロボットコントローラ、２１は交流電源、２２は直流電源装置、２３ａ〜２３ｄはインバータ装置、２４は開閉装置（開閉手段）、２６は制御部（制御装置、電圧検出手段）、２７は整流回路、３３ａ、３３ｂは接点、Ｃ１は平滑コンデンサ、Ｍ１〜Ｍ４はモータ、Ｒ１はブリーダ抵抗を示す。

Claims (1)

1. 交流電源から与えられる交流を整流する整流回路、前記整流回路の出力を平滑する平滑コンデンサおよび前記平滑コンデンサに対して並列に接続されたブリーダ抵抗を有する直流電源装置と、
   前記直流電源装置から出力される直流電圧の供給を受けて動作し、ロボットの各軸を駆動するためのモータを駆動するインバータ装置と、
   前記直流電源装置から前記インバータ装置に至る電源供給経路に介在する接点を開閉する開閉手段と、
   前記インバータ装置を制御して前記モータを駆動するとともに、前記開閉手段の開閉を制御する制御装置と、
   前記平滑コンデンサの端子間電圧を検出する電圧検出手段と、
   を備え、
   前記制御装置は、
   前記ロボットの動作を緊急停止する緊急停止動作を開始すると、前記モータの駆動を停止させるとともに、前記電圧検出手段の検出値から前記平滑用コンデンサの端子間電圧の変化率を求め、
   前記変化率が所定の閾値以上である間は前記開閉手段を閉鎖状態に維持し、
   前記変化率が前記閾値未満になると前記開閉手段を開放することを特徴とするロボットコントローラ。

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