JP2014050912A - スイッチング素子の短絡故障を検出するブレーキ駆動制御回路 - Google Patents

スイッチング素子の短絡故障を検出するブレーキ駆動制御回路 Download PDF

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Abstract

【課題】スイッチング素子の短絡故障があるか否かを検出するために要する時間を短縮することができるブレーキ駆動制御装置を提供する。
【解決手段】ブレーキコイル７ａの一端に接続されたＮＰＮ型トランジスタ２１及びブレーキコイル７ａの他端に接続されたＮＰＮ型トランジスタ２２は、ブレーキコイル７ａにブレーキ駆動電流を流すために、スイッチ指令Ｓが入力されることによってオフ状態からオン状態に切り替わる。短絡故障判定部２５は、電圧検出部２３によって検出されたブレーキ電圧及びスイッチ指令遅延部２４によって遅延されたスイッチ指令Ｓに基づいて、ＮＰＮ型トランジスタ２１に短絡故障が生じているか否かを判定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、モータによって重力軸方向に駆動される被駆動体を制動するブレーキに流れるブレーキ駆動電流を停止することによってブレーキの状態を解放状態から締結状態に変更するために、ブレーキを駆動制御するブレーキ駆動制御装置に関する。
重力軸を有する産業用ロボット等において、アーム等の被駆動体がモータの停止時に落下するのを防止するために、被駆動体を制動するブレーキを駆動制御するブレーキ駆動制御装置が用いられる。
このようなブレーキ駆動制御装置において、ブレーキの一端に接続されたスイッチング素子及びブレーキの他端に接続されたスイッチング素子を有するブレーキ駆動制御装置が提案されている（例えば、特許文献１）。このように２個のスイッチング素子を有するブレーキ制御装置を用いることによって、一方のスイッチング素子が短絡故障した場合でも他方のスイッチング素子をオフ状態にしてブレーキに流れるブレーキ駆動電流を遮断することができる。したがって、一方のスイッチング素子が短絡故障した場合でも、ブレーキの状態を解放状態から締結状態することができるので、モータの停止時に被駆動体が落下するのを防止することができる。
特許第４７３４５８１号公報
上述したような２個のスイッチング素子を有するブレーキ制御装置においてスイッチング素子の短絡故障があるか否かを検出する場合、一方のスイッチング素子をオンにするとともに他方のスイッチング素子をオフにする動作と、一方のスイッチング素子をオフにするとともに他方のスイッチング素子をオンにする動作と、を必要とする。すなわち、上述したような２個のスイッチング素子を有するブレーキ制御装置は、スイッチング素子の短絡故障があるか否かを検出するためのスイッチング素子のオンオフ動作を２回行う必要があり、スイッチング素子の短絡故障があるか否かを検出するために要する時間が長くなるという不都合がある。
本発明の目的は、スイッチング素子の短絡故障があるか否かを検出するために要する時間を短縮することができるブレーキ駆動制御装置を提供することである。
本発明によるブレーキ駆動制御装置は、モータによって重力軸方向に駆動される被駆動体を制動するブレーキに流れるブレーキ駆動電流を停止することによってブレーキの状態を解放状態から締結状態に変更するために、ブレーキを駆動制御するブレーキ駆動制御装置であって、ブレーキの一端に接続され、ブレーキにブレーキ駆動電流を流すために、スイッチ指令が入力されることによってオフ状態からオン状態に切り替わる第１のスイッチング素子と、ブレーキの他端に接続され、ブレーキにブレーキ駆動電流を流すために、スイッチ指令が入力されることによってオフ状態からオン状態に切り替わる第２のスイッチング素子と、ブレーキに印加されているブレーキ電圧を検出する電圧検出部と、第１のスイッチング素子に入力されるスイッチ指令を遅延させるスイッチ指令遅延部と、ブレーキ電圧及びスイッチ指令遅延部によって遅延されたスイッチ指令に基づいて、第１のスイッチング素子に短絡故障が生じているか否かを判定する短絡故障判定部と、を有することを特徴とする。
好適には、スイッチング指令遅延部は、スイッチ指令が入力される反転入力部、基準電位に接続された非反転入力部及び出力部を有するコンパレータと、コンパレータの出力部に接続された入力部及び第１のスイッチング素子に接続された出力部を有するＮＯＴゲートと、を有し、短絡故障反転部は、コンパレータの出力部に接続された第１の入力部、電圧検出部からブレーキ電圧が入力される第２の入力部及びコンパレータから出力される反転されたスイッチ指令のレベルとブレーキ電圧のレベルとの論理積演算の結果を出力する出力部を有する論理積演算部を有する。
本発明によれば、スイッチング素子の短絡故障があるか否かを検出するために要する時間を短縮することができる。
本発明によるブレーキ駆動制御装置を適用したシステムのブロック図である。 図２Ａは、図１に示すブレーキ駆動制御装置の一方のトランジスタが短絡故障していないときの動作を説明するための図であり、図２Ｂは、図１に示すブレーキ駆動制御装置の一方のトランジスタが短絡故障しているときの動作を説明するための図である。 図３Ａは、図１に示すブレーキ駆動制御装置の他方のトランジスタが短絡故障していないときの動作を説明するための図であり、図３Ｂは、図１に示すブレーキ駆動制御装置の他方のトランジスタが短絡故障しているときの動作を説明するための図である。
本発明によるブレーキ駆動制御装置の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明によるブレーキ駆動制御装置を適用したシステムのブロック図である。図１に示すシステムは、産業用ロボットにおいて使用され、交流電源としての三相交流電源１と、コンバータ２と、ＤＣリンク部としての平滑用コンデンサ３と、インバータ４と、産業用ロボット５に含まれる重力軸用サーボモータ６、ブレーキ７及び回転位置検出器８と、インバータ制御装置９と、ブレーキ駆動制御装置１０と、ロボットコントローラ１１と、モニタ１２と、を有する。
コンバータ２は、例えば、複数（３相交流の場合は６個）の整流ダイオードによって構成され、三相交流電源１から供給される交流電力を直流電力に変換する。平滑用コンデンサ３は、コンバータ２の整流ダイオードによって整流された電圧を平滑化するためにコンバータ２に並列に接続される。インバータ４は、平滑用コンデンサ３に並列に接続され、例えば、複数（３相交流の場合は６個）のトランジスタによって構成され、後に説明するＰＷＭ信号ＶPWMに基づいてトランジスタのオンオフ動作を行うことによって、コンバータ２によって変換された直流電力を交流電力に変換する。
産業用ロボット５は、明瞭のために図示しない複数のアームを有する。重力軸用サーボモータ６は、産業用ロボット５の複数のアームのうちの一つのアームを重力軸方向（Ｚ軸方向）に駆動するために、平滑用コンデンサ３に蓄積されている電力で駆動される。
ブレーキ７は、重力軸用サーボモータ６の駆動時に対応するアームを重力軸方向に駆動するためにブレーキ駆動電流を流すことによって、ブレーキ７の状態を締結状態から解放状態に変更する。また、ブレーキ７は、重力軸用サーボモータ６の停止時に対応するアームを制動して対応するアームの落下を防止するためにブレーキに流れているブレーキ駆動電流を停止することによって、ブレーキ７の状態を解放状態から締結状態に変更する。このために、ブレーキ７は、ブレーキ駆動電流を流すブレーキコイル７ａを有する。
回転位置検出器８は、重力軸用サーボモータ６の回転角度θをモータの位置又は速度として検出するロータリーエンコーダによって構成される。
インバータ制御装置９は、インバータ４を制御するために、インバータ４の出力線に設けられた電流検出器４ｕ，４ｖ，４ｗによって検出した三相のＵ相電流Ｉu，Ｖ相電流ＩV及びＷ相電流ＩWの電流値を、重力軸用サーボモータ６の電流値データとしてサンプリングし、回転角度θをモータの位置又は速度データとしてそれぞれサンプリングする。
そして、インバータ制御装置９は、重力軸用サーボモータ７を駆動するためのＰＷＭ信号ＶPWMを、サンプリングした電流値データ及びモータの位置又は速度データと、明瞭のために図示しない上位制御装置からのモータの位置又は速度指令データとに基づいて生成する。
ここで、電流検出器４ｕ，４ｖ，４ｗはそれぞれ、例えばホール素子によって構成され、図示しない上位制御装置は、例えば、ＣＮＣ（数値制御装置）によって構成される。
ブレーキ駆動制御装置１０は、ブレーキコイル７ａにブレーキ駆動電流を流すことによってブレーキ７の状態を締結状態から解放状態に変更し又はブレーキコイル７ａに流れるブレーキ駆動電流を停止することによってブレーキ７の状態を解放状態から締結状態に変更するために、ブレーキ７を駆動制御する。このために、ブレーキ駆動制御装置１０は、第１のスイッチング素子としてのＮＰＮ型トランジスタ２１と、第２のスイッチング素子としてのＮＰＮ型トランジスタ２２と、電圧検出部２３と、スイッチ指令遅延部２４と、短絡故障判定部２５と、を有する。
ＮＰＮ型トランジスタ２１は、ブレーキコイル７ａにブレーキ駆動電流を流すためのスイッチ指令Ｓがスイッチ指令遅延部２４を介してロボットコントローラ１１から入力されるベースと、第１の電位（この場合、電源電圧）の接続点Ａに接続されたコレクタと、ブレーキコイル７ａの一端に接続されたエミッタと、を有する。したがって、ＮＰＮ型トランジスタ２１は、スイッチ指令ＳがＮＰＮ型トランジスタ２１のベースに入力されることによってオフ状態からオン状態に切り替わる。また、ＮＰＮ型トランジスタ２１のゲートには、ＮＰＮ型トランジスタ２２に短絡故障が生じているか否かを判定するためのスイッチ指令Ｓ’がロボットコントローラ１１から直接、すなわち、スイッチ指令遅延部２４を介することなく入力される。したがって、ＮＰＮ型トランジスタ２１は、スイッチ指令Ｓ’がＮＰＮ型トランジスタ２１のベースに入力されることによってオフ状態からオン状態に切り替わる。
ＮＰＮ型トランジスタ２２は、ブレーキコイル７ａにブレーキ駆動電流を流すためのスイッチ指令Ｓがロボットコントローラ１１から直接入力されるベースと、ブレーキコイル７ａの他端に接続されたコレクタと、第２の電位（この場合、０Ｖ）の接続点Ｂに接続したエミッタと、を有する。したがって、ＮＰＮ型トランジスタ２２は、スイッチ指令ＳがＮＰＮ型トランジスタ２１のベースに入力されることによってオフ状態からオン状態に切り替わる。
電圧検出部２３は、ブレーキコイル７ａに印加されているブレーキ電圧を検出する。このために、電圧検出部２３は、ブレーキコイル７ａの一端に接続された非反転入力部、ブレーキコイル７ａの他端に接続された反転入力部および短絡故障判定部２５に接続された出力部と、を有する。
スイッチ指令遅延部２４は、ＮＰＮ型トランジスタ２１に入力されるスイッチ指令Ｓを時間Ｔだけ遅延させる。このために、スイッチ指令遅延部２４は、ＲＣ回路を含むコンパレータ２４ａと、ＮＯＴゲート２４ｂと、を有する。コンパレータ２４ａは、スイッチ指令Ｓが入力される反転入力部、基準電位に接続した非反転入力部並びにＮＯＴゲート２４ｂの入力部及び短絡故障判定部２５に接続された出力部を有する。ＮＯＴゲート２４ｂは、コンパレータ２４ａの出力部に接続された入力部及びＮＰＮ型トランジスタ２１のゲートに接続された出力部を有する。
短絡故障判定部２５は、オペアンプ２３ａの出力部の電位に相当するブレーキ電圧のレベル及びスイッチ指令遅延部２４によって遅延されたスイッチ指令Ｓのレベルに基づいて、ＮＰＮ型トランジスタ２１に短絡故障が生じているか否かを判定する。このために、短絡故障判定部２５は、論理積演算部２５ａを有する。論理積演算部２５ａは、コンパレータ２４ａの出力部に接続された第１の入力部、オペアンプ２３ａからブレーキ電圧が入力される第２の入力部及びコンパレータ２４ａの出力部から出力される反転されたスイッチ指令Ｓのレベルとブレーキ電圧のレベルとの論理積演算の結果（電位のレベル）を出力する出力部を有する。
モニタ１２は、論理積演算の結果が論理積演算部２５ａから入力され、ＮＰＮ型トランジスタ２１が短絡故障しているか否かを判定できるようにするために論理積演算の結果（論理積演算部２５ａの出力部の電位のレベル）を表示する。
図２Ａは、図１に示すブレーキ駆動制御装置１０のＮＰＮ型トランジスタ２１が短絡故障していないときの動作を説明するための図である。ＮＰＮ型トランジスタ２１が短絡故障していない場合、時間ｔ１においてロボットコントローラ１１がスイッチ指令Ｓを出力すると、スイッチ指令遅延部２４の入力部の電位は、時間ｔ１でロー（Ｌ）レベルからハイ（Ｈ）レベルに切り替わり、コンパレータ２４ａの出力部の電位は、時間ｔ１から時間Ｔ経過した時間ｔ２でハイレベルからローレベルに切り替わり、オペアンプ２３ａの電位は、時間ｔ２でローレベルからハイレベルに切り替わる。時間ｔ２より前の時間ではコンパレータ２４ａの電位及びオペアンプ２３ａの電位はそれぞれハイレベル及びローレベルであり、時間ｔ２でコンパレータ２４ａの電位がハイレベルからローレベルに切り替わるとともにオペアンプ２３ａの電位がローレベルからハイレベルに切り替わり、時間ｔ２以後の時間ではコンパレータ２４ａの電位及びオペアンプ２３ａの電位はそれぞれローレベル及びハイレベルである。したがって、論理積演算部２５ａの出力部の電位は常にローレベルである。ロボットコントローラ１１がスイッチ指令Ｓを出力したときに常にローレベルである論理積演算部２５ａの出力部の電位がモニタ１２に表示された場合、ＮＰＮ型トランジスタ２１が短絡故障していないことがわかる。
図２Ｂは、図１に示すブレーキ駆動制御装置１０のＮＰＮ型トランジスタ２１が短絡故障しているときの動作を説明するための図である。ＮＰＮ型トランジスタ２１が短絡故障している場合、時間ｔ１においてロボットコントローラ１１がスイッチ指令Ｓを出力すると、スイッチ指令遅延部２４の入力部の電位は、時間ｔ１でローレベルからハイレベルに切り替わり、コンパレータ２４ａの出力部の電位は、時間ｔ２でハイレベルからローレベルに切り替わる。ＮＰＮ型トランジスタ２１が短絡故障している場合には、ロボットコントローラ１１がスイッチＳを出力してから時間Ｔ’経過した時間ｔ３においてＮＰＮ型トランジスタ２２がオン状態になるとモータコイル７ａに電流が流れるので、オペアンプ２３ａの電位は、時間ｔ３でローレベルからハイレベルに切り替わる。時間ｔ３以前の時間ではコンパレータ２４ａの電位及びオペアンプ２３ａの電位はそれぞれハイレベル及びローレベルであり、時間ｔ３でオペアンプ２３ａの電位がローレベルからハイレベルに切り替わり、時間ｔ２でコンパレータ２４ａのレベルがハイレベルからローレベルに切り替わり、時間ｔ２以後の時間ではコンパレータ２４ａの電位及びオペアンプ２３ａの電位はそれぞれローレベル及びハイレベルである。したがって、時間ｔ３以前及び時間ｔ２以後の時間では、論理積演算部２５ａの出力部の電位はローレベルになる。一方、時間ｔ３と時間ｔ２の間では、論理積演算部２５ａの出力部の電位はハイレベルになる。ロボットコントローラ１１がスイッチ指令Ｓを出力したときに時間ｔ３と時間ｔ２との間でハイレベルである論理積演算部２５ａの出力部の電位がモニタ１２に表示された場合、ＮＰＮ型トランジスタ２１が短絡故障していることがわかる。
図３Ａは、図１に示すブレーキ駆動制御装置１０のＮＰＮ型トランジスタ２２が短絡故障していないときの動作を説明するための図である。ＮＰＮ型トランジスタ２２が短絡故障していない場合、時間ｔ１においてロボットコントローラ１１がスイッチ指令Ｓ’を出力すると、スイッチ指令遅延部２４の入力部の電位は、時間ｔ１でローレベルからハイレベルに切り替わる。ＮＰＮ型トランジスタ２２が短絡故障していない場合には、ＮＰＮ型トランジスタ２１がオン状態になってもＮＰＮ型トランジスタ２２はオフ状態であるのでモータコイル７ａに電流が流れない。したがって、コンパレータ２４ａの出力部の電位は、常にハイレベルであり、オペアンプ２３ａの電位は、常にローレベルであり、論理積演算部２５ａの出力部の電位はローレベルのままである。ロボットコントローラ１１がスイッチ指令Ｓ’を出力したときに常にローレベルである論理積演算部２５ａの出力部の電位がモニタ１２に表示された場合、ＮＰＮ型トランジスタ２２が短絡故障していないことがわかる。
図３Ｂは、図１に示すブレーキ駆動制御装置１０のＮＰＮ型トランジスタ２２が短絡故障しているときの動作を説明するための図である。ＮＰＮ型トランジスタ２２が短絡故障している場合、時間ｔ１においてロボットコントローラ１１がスイッチ指令Ｓ’を出力すると、スイッチ指令遅延部２４の入力部の電位は、時間ｔ１でローレベルからハイレベルに切り替わり、コンパレータ２４ａの出力部の電位は、常にハイレベルである。ＮＰＮ型トランジスタ２２が短絡故障している場合には、ロボットコントローラ１１がスイッチＳ’を出力してから時間Ｔ’経過した時間ｔ３においてＮＰＮ型トランジスタ２１がオン状態になるとモータコイル７ａに電流が流れるので、オペアンプ２３ａの電位は、時間ｔ３でローレベルからハイレベルに切り替わる。時間ｔ３以前の時間ではコンパレータ２４ａの電位及びオペアンプ２３ａの電位はそれぞれハイレベル及びローレベルであり、時間ｔ３でオペアンプ２３ａの電位がローレベルからハイレベルに切り替わる。したがって、時間ｔ３以後の時間では、論理積演算部２５ａの出力部の電位はハイレベルになる。ロボットコントローラ１１がスイッチ指令Ｓ’を出力したときに時間ｔ３以後の時間でハイレベルである論理積演算部２５ａの出力部の電位がモニタ１２に表示された場合、ＮＰＮ型トランジスタ２２が短絡故障していることがわかる。
本実施の形態によれば、ブレーキコイル７ａにブレーキ駆動電流を流すときにＮＰＮ型トランジスタ２１の短絡故障があるか否かを検出することができるので、ＮＰＮ型トランジスタ２１の短絡故障があるか否かを検出するためのＮＰＮ型トランジスタ２１のオンオフ動作を行う必要がなくなる。したがって、ＮＰＮ型トランジスタ２１，２２の短絡故障があるか否かを検出するために要する時間を短縮することができる。
本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、幾多の変更及び変形が可能である。例えば、本発明によるブレーキ駆動制御装置を、工作機械等において重力軸用サーボモータ等を用いるシステムに適用することができる。
また、上記実施の形態において、交流電源として三相交流電源１を用いたが、三相以外の多相交流電源を交流電源として用いることもできる。また、回転角度検出器８を、ロータリーエンコーダ以外の部品（例えば、ホール素子又はレゾルバ）によって構成することができる。また、Ｕ相電流、Ｖ相電流及びＷ相電流の全てを検出する代わりに、Ｕ相電流、Ｖ相電流及びＷ相電流のうちの２相の電流（例えば、Ｕ相電流及びＶ相電流）のみを検出してもよい。
上記実施の形態において、第１のスイッチング素子及び第２のスイッチング素子としてＮＰＮ型トランジスタを用いる場合について説明したが、第１のスイッチング素子及び第２のスイッチング素子として、ＰＮＰ型トランジスタ、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）、リレー等を用いることができる。
また、上記実施の形態において、電圧検出部２３がオペアンプ２３ａを有する場合について説明したが、電圧検出部２３をフォトカプラ等によって構成することもできる。また、上記実施の形態において、スイッチ指令遅延部２４が１個のコンパレータ２４ａ及び１個のＮＯＴゲート２４ｂを有する場合について説明したが、スイッチ指令遅延部２４は、３以上の奇数個のコンパレータ及び１個のＮＯＴゲートを有してもよい。
さらに、ＮＰＮ型トランジスタ２１のゲートに入力されるスイッチ指令Ｓを遅延させる場合について説明したが、ＮＰＮ型トランジスタ２２のゲートに入力されるスイッチ指令Ｓを遅延させることもできる。この場合、ＮＰＮ型トランジスタ２２が第１のスイッチング素子に対応し、ＮＰＮ型トランジスタ２１が第２のスイッチング素子に対応する。
１ 三相交流電源
２ コンバータ
３ 平滑用コンデンサ
４ インバータ
４ｕ，４ｖ，４ｗ 電流検出器
５ 産業用ロボット
６ 重力軸用サーボモータ
７ ブレーキ
７ａ ブレーキコイル
８ 回転位置検出器
９ インバータ制御装置
１０ モータ駆動制御装置
１１ ロボットコントローラ
１２ モニタ
２１，２２ ＮＰＮ型トランジスタ
２３ 電圧検出部
２３ａ オペアンプ
２４ スイッチ指令遅延部
２４ａ コンパレータ
２４ｂ ＮＯＴゲート
２５ 短絡故障判定部
２５ａ 論理積演算部
Ａ，Ｂ，Ｃ 接続点
Ｉu Ｕ相電流
ＩVk Ｖ相電流
ＩW Ｗ相電流
Ｓ，Ｓ’ スイッチ指令
ＶPWM ＰＷＭ信号
θ 回転角度

Claims (2)

  1. モータによって重力軸方向に駆動される被駆動体を制動するブレーキに流れるブレーキ駆動電流を停止することによってブレーキの状態を解放状態から締結状態に変更するために、ブレーキを駆動制御するブレーキ駆動制御装置であって、
    ブレーキの一端に接続され、ブレーキにブレーキ駆動電流を流すために、スイッチ指令が入力されることによってオフ状態からオン状態に切り替わる第１のスイッチング素子と、
    ブレーキの他端に接続され、ブレーキにブレーキ駆動電流を流すために、前記スイッチ指令が入力されることによってオフ状態からオン状態に切り替わる第２のスイッチング素子と、
    ブレーキに印加されているブレーキ電圧を検出する電圧検出部と、
    前記第１のスイッチング素子に入力される前記スイッチ指令を遅延させるスイッチ指令遅延部と、
    前記ブレーキ電圧及び前記スイッチ指令遅延部によって遅延された前記スイッチ指令に基づいて、前記第１のスイッチング素子に短絡故障が生じているか否かを判定する短絡故障判定部と、
    を有することを特徴とするブレーキ駆動制御装置。
  2. 前記スイッチング指令遅延部は、前記スイッチ指令が入力される反転入力部、基準電位に接続された非反転入力部及び出力部を有するコンパレータと、前記コンパレータの出力部に接続された入力部及び前記第１のスイッチング素子に接続された出力部を有するＮＯＴゲートと、を有し、
    前記短絡故障反転部は、前記コンパレータの出力部に接続された第１の入力部、前記電圧検出部から前記ブレーキ電圧が入力される第２の入力部及び前記コンパレータから出力される反転された前記スイッチ指令のレベルと前記ブレーキ電圧のレベルとの論理積演算の結果を出力する出力部を有する論理積演算部を有する、請求項１に記載のブレーキ駆動制御装置。
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