JP2019002471A

JP2019002471A - 電磁ブレーキの摩耗検出装置

Info

Publication number: JP2019002471A
Application number: JP2017117275A
Authority: JP
Inventors: 駿佐藤; Shun Sato
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2017-06-14
Filing date: 2017-06-14
Publication date: 2019-01-10
Anticipated expiration: 2037-06-14
Also published as: JP6879069B2

Abstract

【課題】電磁ブレーキの摩耗検出装置の構成の複雑化およびコスト増加を抑制できる技術を提供する。【解決手段】摩擦力を用いてモータ１０にブレーキをかける電磁ブレーキ３０の摩耗検出装置５０において、算出部５２は、モータ１０の回転軸に取り付けられた部材の重量によりトルクが加えられたモータ１０が回転角度を保持するように制御されている状態で、モータ１０にブレーキをかけている電磁ブレーキ３０にブレーキ解除を指示するブレーキ制御信号が検出されたタイミングから、モータ１０の回転角度を検出する回転角度センサの回転角度検出値が変化するタイミングまでのブレーキ解除時間を算出する。検出部５４は、ブレーキ解除時間に基づいて、電磁ブレーキ３０が摩耗していることを検出する。【選択図】図１

Description

本発明は、電磁ブレーキの摩耗検出装置に関する。

摩擦力を用いてブレーキをかける電磁ブレーキの摩耗を検出する装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。この装置は、磁気回路を形成するヨークと、ヨークに巻かれたコイルとを備える。ブレーキ作動時にコイルに発生する電圧は、電磁ブレーキの摩耗状態に応じて変化する。そこで、コイルの電圧が閾値を超えた場合に、電磁ブレーキが摩耗していることを検出する。

特開２００８−１４４８５３号公報

上記技術では、電磁ブレーキにコイルなどを追加する必要があるため、構成の複雑化およびコスト増加が生じる。

本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、電磁ブレーキの摩耗検出装置の構成の複雑化およびコスト増加を抑制できる技術を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある態様の電磁ブレーキの摩耗検出装置は、摩擦力を用いてモータにブレーキをかける電磁ブレーキの摩耗検出装置であって、前記モータの回転軸に取り付けられた部材の重量によりトルクが加えられた前記モータが回転角度を保持するように制御されている状態で、前記モータにブレーキをかけている前記電磁ブレーキにブレーキ解除を指示するブレーキ制御信号が検出されたタイミングから、前記モータの回転角度を検出する回転角度センサの回転角度検出値が変化するタイミングまでのブレーキ解除時間を算出する算出部と、前記ブレーキ解除時間に基づいて、前記電磁ブレーキが摩耗していることを検出する検出部と、を備える。

この態様によると、電磁ブレーキおよびモータの制御に必要なブレーキ制御信号と回転角度検出値とを摩耗検出に共用しているので、摩耗検出専用の信号を生成する部品を新たに追加する必要がない。従って、電磁ブレーキの摩耗検出装置の構成の複雑化およびコスト増加を抑制できる。

本発明によれば、電磁ブレーキの摩耗検出装置の構成の複雑化およびコスト増加を抑制できる。

一実施形態に係る電磁ブレーキの摩耗検出装置を備えるモータシステムのブロック図である。図１のモータシステムのブレーキ制御信号と回転角度検出値の時間変化を示す図である。図１のモータシステムのブレーキ解除時間とばらつき推定範囲の推移の一例を示す図である。図１のモータシステムにおける摩耗検出動作を示すフローチャートである。

図１は、一実施形態に係る電磁ブレーキ３０の摩耗検出装置（以下、単に摩耗検出装置と称す）５０を備えるモータシステム１のブロック図である。モータシステム１は、例えば工場の生産ラインなどで用いられる。図１に示すように、モータシステム１は、モータ１０と、エンコーダ２０と、電磁ブレーキ３０と、モータ制御装置４０と、摩耗検出装置５０と、を備える。

モータ１０は、その回転軸に取り付けられた負荷であるロボットアームなどの部材（図示せず）を駆動する。モータ１０には、回転軸に取り付けられた部材の重量によりトルクが加えられる。

エンコーダ２０は、回転角度センサとして機能し、モータ１０の回転角度を検出して、回転角度を表す回転角度検出値ＡＳをモータ制御装置４０に出力する。

電磁ブレーキ３０は、周知の無励磁作動形のブレーキである。図示は省略するが、電磁ブレーキ３０は、モータ１０の筐体に固定された固定板と、モータ１０の回転軸方向において固定板に向かい合う摩擦板と、固定板との間に摩擦板を挟んでモータ１０の回転軸に固定されたアーマチュアと、電磁石と、バネとを有する。電磁ブレーキ３０は、電磁石が通電されていない場合に、バネの反発力によりアーマチュアが摩擦板を固定板に押し付けることで発生する摩擦力を用いてモータ１０にブレーキをかける。また電磁ブレーキ３０は、電磁石が通電されている場合に、電磁石の磁力によりアーマチュアが電磁石に吸引されて摩擦板が解放されることでブレーキを解除する。

モータ制御装置４０は、モータ１０と電磁ブレーキ３０を制御する。モータ制御装置４０は、モータ制御部４２と、ブレーキ制御部４４とを有する。

モータ制御部４２は、エンコーダ２０からの回転角度検出値ＡＳに基づいて、モータ１０の回転角度（回転位置）が所望の角度になるように、モータ１０に電流（指令電流）Ｉｍを供給する。所望の角度は、プログラムや外部からの信号などにより設定される。つまりモータ制御部４２は、モータ１０が回転角度を所望の角度で保持するように、電流Ｉｍを制御する。モータ制御部４２は、モータ１０の回転軸に負荷から加えられるトルクが大きいほど、大きい電流Ｉｍをモータ１０に供給する。また、モータ制御部４２は、エンコーダ２０からの回転角度検出値ＡＳを摩耗検出装置５０に供給する。

ブレーキ制御部４４は、電磁ブレーキ３０を制御するブレーキ制御信号ＢＳを電磁ブレーキ３０に供給する。電磁ブレーキ３０は、ブレーキ制御信号ＢＳに応じて、ブレーキをかけるか、ブレーキを解除するかを切り替える。電磁ブレーキ３０は、ブレーキ制御信号ＢＳがローレベル（接地電圧）の場合にブレーキをかけ、ブレーキ制御信号ＢＳがハイレベルの場合にブレーキを解除する。ブレーキ制御信号ＢＳは、摩耗検出装置５０にも供給される。

摩耗検出装置５０は、ブレーキ制御信号ＢＳと回転角度検出値ＡＳに基づいて、電磁ブレーキ３０が一定以上摩耗していることを検出する。摩耗検出装置５０は、ハードウェア資源とソフトウェア資源の協働、またはハードウェア資源のみにより実現できる。ハードウェア資源としてアナログ素子、マイクロコンピュータ、ＤＳＰ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＦＰＧＡ、その他のＬＳＩを利用できる。ソフトウェア資源としてファームウェア等のプログラムを利用できる。摩耗検出装置５０は、モータ制御装置４０内に設けられてもよい。

摩耗検出装置５０は、算出部５２と、検出部５４とを有する。算出部５２は、モータ１０が回転角度を保持するようにモータ１０に供給される電流Ｉｍが制御されている状態で、ブレーキをかけている電磁ブレーキ３０にブレーキ解除を指示するブレーキ制御信号ＢＳが検出されたタイミングから、回転角度検出値ＡＳが変化するタイミングまでのブレーキ解除時間Ｔｒを算出する。例えば、回転角度検出値ＡＳが変化するタイミングは、回転角度検出値ＡＳの変化量が所定値を超えるタイミングであってもよい。

検出部５４は、ブレーキ解除時間Ｔｒに基づいて、ブレーキ解除時間Ｔｒが予め定められた閾値より大きい場合に、電磁ブレーキ３０が一定以上摩耗していることを検出し、ブレーキ交換指示をディスプレイなどのユーザインターフェイス（図示せず）に出力する。検出部５４は、ブレーキ解除時間Ｔｒが閾値以下の場合に、電磁ブレーキ３０が一定以上摩耗していることを検出しない。閾値は、実験などによって適宜定めることができる。

次に、電磁ブレーキ３０の摩耗検出動作を説明する。摩耗検出は、モータシステム１の通常動作時に、モータシステム１の電源がオフからオンになる毎に行われる。摩耗検出のためだけに電磁ブレーキ３０を動作させる必要はない。まず、モータシステム１の電源がオフになった場合、電流Ｉｍがゼロになり、モータ制御部４２によるモータ１０の回転角度を保持する制御が停止される。また、ブレーキ制御信号ＢＳはローレベルになるので、電磁ブレーキ３０はモータ１０にブレーキをかける。これにより、電源オフ中に負荷の重量でモータ１０の回転軸が回転することを防止でき、負荷を静止させ続けることができる。

モータシステム１の電源が再びオンになった場合、電磁ブレーキ３０がブレーキをかけている状態で、モータ制御部４２は、サーボロックを開始して、モータ１０が現在の回転角度を保持するように電流Ｉｍを制御する。このとき、モータ１０には電磁ブレーキ３０によるブレーキがかかっているため、モータ１０の回転角度は一定に保たれ、回転角度検出値ＡＳも一定に保たれ、電流Ｉｍも小さい。この状態は、図２の時刻ｔ０付近に示される。

図２は、図１のモータシステム１のブレーキ制御信号ＢＳと回転角度検出値ＡＳの時間変化を示す図である。時刻ｔ０の後、時刻ｔ１において、ブレーキ制御部４４は、ブレーキ制御信号ＢＳを、ブレーキ解除を指示するハイレベルに切り替える。これにより、電磁ブレーキ３０の電磁石が磁力を発生し、摩擦板が解放されるまでの時間が経過した時刻ｔ２において、実際にブレーキが解除される。時刻ｔ１から時刻ｔ２までの時間は、ブレーキ解除時間Ｔｒである。ブレーキ解除時間Ｔｒは、吸引時間と呼ぶこともできる。電磁ブレーキ３０の摩擦板が摩耗して薄くなるほど、ブレーキをかけているときの電磁石とアーマチュアとの間の距離が長くなり、アーマチュアに対する電磁石の吸引力が低下するので、ブレーキ解除時間Ｔｒは長くなる。

ブレーキが解除されたモータ１０の回転軸には負荷の重量がかかっているので、時刻ｔ１の電流Ｉｍではモータ１０の回転角度を保持することができない。よって、時刻ｔ２において、モータ１０の回転角度が変化し、回転角度検出値ＡＳも変化する。回転角度検出値ＡＳが変化するタイミング（時刻ｔ２）は、実際にブレーキが解除されたタイミングとほぼ等しい。算出部５２は、ブレーキ解除を指示するブレーキ制御信号ＢＳが検出されたタイミング（時刻ｔ１）から、回転角度検出値ＡＳが変化するタイミング（時刻ｔ２）までのブレーキ解除時間Ｔｒを算出する。その後、モータ制御部４２は、モータ１０の回転角度が時刻ｔ０の角度に近づくように電流Ｉｍを増加させ、モータ１０の回転角度は時刻ｔ０の角度に戻っていく。このように、負荷は、電磁ブレーキ３０によるブレーキが解除された場合に回転角度検出値ＡＳが変化する程度の重量を有する。

以上の動作はモータシステム１の電源がオフからオンになる毎に行われるので、複数のブレーキ解除時間Ｔｒが得られる。

図３は、図１のモータシステム１のブレーキ解除時間Ｔｒとばらつき推定範囲ＶＲの推移の一例を示す図である。検出部５４は、一定期間内に算出された複数のブレーキ解除時間Ｔｒの標準偏差を用いて、ブレーキ解除時間Ｔｒのばらつき推定範囲ＶＲを算出する。図３では、一定期間は１日であり、９月９日のばらつき推定範囲ＶＲが算出されたタイミングを示している。

検出部５４は、算出されたばらつき推定範囲ＶＲを算出日毎に記憶しておき、記憶された複数のばらつき推定範囲ＶＲから、回帰分析などの周知の統計手法を用いて、所定期間後の将来のばらつき推定範囲ＶＲを予測する。図３では、９月９日に、９月５日から９日までのばらつき推定範囲ＶＲに基づいて、所定期間後のｄ１日のばらつき推定範囲ＶＲを予測している。

検出部５４は、予測された将来のばらつき推定範囲ＶＲが閾値より大きい場合、アラームとして、交換用ブレーキ手配指示をユーザインターフェイスに出力する。図３では、９月９日において、予測されたｄ１日のばらつき推定範囲ＶＲが閾値より大きいので、交換用ブレーキ手配指示が出力される。交換用ブレーキ手配指示を確認したユーザは、交換が必要になる前に交換用の電磁ブレーキ３０を手配することができる。

検出部５４は、将来のばらつき推定範囲ＶＲを予測せずに、ばらつき推定範囲ＶＲが算出される毎に、算出されたばらつき推定範囲ＶＲが閾値より大きい場合、交換用ブレーキ手配指示をユーザインターフェイスに出力してもよい。

検出部５４は、ブレーキ解除時間Ｔｒが閾値より大きい場合に、電磁ブレーキ３０が一定以上摩耗していることを検出する。図３では、９月９日の現在ではブレーキ解除時間Ｔｒが閾値以下であるが、この後、日付がｄ２日になったときブレーキ解除時間Ｔｒが閾値より大きくなる状況を示している。

図４は、図１のモータシステム１における摩耗検出動作を示すフローチャートである。この処理は、モータシステム１の電源がオフからオンになる毎に行われる。まず、モータ制御部４２は、サーボロックを開始する（Ｓ１０）。次に、モータ制御部４２は、モータ１０の角度変化があるか判定し（Ｓ１２）、角度変化がある場合（Ｓ１２のＹ）、ユーザインターフェイスに故障通知を行い（Ｓ１４）、処理を終了する。モータ１０の角度変化がある場合、電磁ブレーキ３０が故障している可能性があるためである。モータ１０の角度変化がない場合（Ｓ１２のＮ）、ブレーキ制御部４４は、ブレーキ制御信号ＢＳをターンオンして（Ｓ１６）、電磁ブレーキ３０のブレーキを解除する。

次に、算出部５２は、回転角度検出値ＡＳが変化したか判定し（Ｓ１８）、変化していない場合（Ｓ１８のＮ）、Ｓ１８に戻る。算出部５２は、回転角度検出値ＡＳが変化した場合（Ｓ１８のＹ）、ブレーキ解除時間Ｔｒを算出し（Ｓ２０）、検出部５４は、算出されたブレーキ解除時間Ｔｒを記憶する（Ｓ２２）。

次に、検出部５４は、ブレーキ解除時間Ｔｒのばらつき推定範囲ＶＲが閾値より大きいか判定し（Ｓ２４）、大きくない場合（Ｓ２４のＮ）、処理を終了し、大きい場合（Ｓ２４のＹ）、交換用ブレーキ手配指示をユーザインターフェイスに出力する（Ｓ２６）。

次に、検出部５４は、ブレーキ解除時間Ｔｒが閾値より大きいか判定し（Ｓ２８）、大きくない場合（Ｓ２８のＮ）、処理を終了し、大きい場合（Ｓ２８のＹ）、ブレーキ交換指示をユーザインターフェイスに出力し（Ｓ３０）、処理を終了する。

このように本実施形態によれば、ブレーキ解除を指示するブレーキ制御信号ＢＳが検出されたタイミングから、回転角度検出値ＡＳが変化するタイミングまでのブレーキ解除時間Ｔｒを算出し、このブレーキ解除時間Ｔｒに基づいて摩耗を検出している。つまり、電磁ブレーキ３０およびモータ１０の制御に必要なブレーキ制御信号ＢＳと回転角度検出値ＡＳとを摩耗検出に共用している。そのため、摩耗検出専用の信号を生成する部品を新たに追加する必要がない。従って、摩耗検出装置５０の構成の複雑化およびコスト増加を抑制できる。

また、摩耗検出は、モータシステム１の通常動作時に、モータシステム１の電源がオフからオンになる毎に行われ、摩耗検出のためだけに電磁ブレーキ３０を動作させる必要はない。そのため、摩耗検出により電磁ブレーキ３０の寿命を短くすることを抑制できる。また、摩耗検出のために通常動作とは異なる動作を行う必要はないので、安全性を低下させる可能性もない。

以上、実施形態をもとに本発明を説明した。実施形態はあくまでも例示であり、各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

例えば、電磁ブレーキ３０は、電磁石が通電されている場合にブレーキをかけ、電磁石が通電されていない場合にバネの反発力によりブレーキを解除する励磁作動形でもよい。この場合、電磁ブレーキ３０の摩擦板が摩耗して薄くなるほど、ブレーキをかけている間のバネの反発力が増加し、ブレーキ解除時間Ｔｒは短くなる。そこで検出部５４は、ブレーキ解除時間Ｔｒが閾値未満の場合に、電磁ブレーキが摩耗していることを検出する。このような構成でも、以上の実施形態と同様の効果が得られる。

１…モータシステム、１０…モータ、２０…エンコーダ、３０…電磁ブレーキ、４０…モータ制御装置、４２…モータ制御部、４４…ブレーキ制御部、５０…摩耗検出装置、５２…算出部、５４…検出部。

Claims

摩擦力を用いてモータにブレーキをかける電磁ブレーキの摩耗検出装置であって、
前記モータの回転軸に取り付けられた部材の重量によりトルクが加えられた前記モータが回転角度を保持するように制御されている状態で、前記モータにブレーキをかけている前記電磁ブレーキにブレーキ解除を指示するブレーキ制御信号が検出されたタイミングから、前記モータの回転角度を検出する回転角度センサの回転角度検出値が変化するタイミングまでのブレーキ解除時間を算出する算出部と、
前記ブレーキ解除時間に基づいて、前記電磁ブレーキが摩耗していることを検出する検出部と、
を備えることを特徴とする電磁ブレーキの摩耗検出装置。