JP2021096622A

JP2021096622A - 制御装置及び制御方法

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Publication number: JP2021096622A
Application number: JP2019227173A
Authority: JP
Inventors: 匡宏西; Masahiro Nishi; 高宏増田; Takahiro Masuda
Original assignee: IAI Corp
Current assignee: IAI Corp
Priority date: 2019-12-17
Filing date: 2019-12-17
Publication date: 2021-06-24
Anticipated expiration: 2039-12-17
Also published as: JP7388697B2

Abstract

【課題】電流供給開始時の電圧降下を抑制するとともに装置の小型化を図る。【解決手段】制御装置において、ドライバユニット１１０ａは、制御回路１５１とＣＰＵ２００とを含んで構成される。制御ＩＣ１７２は、半導体スイッチ１７６をオンにする。半導体スイッチ１７６がオン状態になると、電源ライン１６０が導通して所定値の電流が継続して供給され、電解コンデンサ１６２が充電されるともに、モータ３００ａ１、３００ａ２に電流が供給される。制御ＩＣ１７２は、電流検出抵抗１７４の前段と後段の電位差と、既知である電流検出抵抗１７４の抵抗値とに基づいて、電源ライン１６０の電流を検出する。制御ＩＣ１７２は、電源ライン１６０の電流値が所定値以上となる時間が所定時間となり、且つ、コンデンサ１８２が満充電になったことを検知すると、半導体スイッチ１７６のゲートへの電流を遮断して半導体スイッチ１７６をオフにする。【選択図】図２

Description

本発明は、制御装置及び制御方法に関する。

ロボットの制御においては、当該ロボットに搭載されたモータに対する電流供給を制御することが行われている。例えば、複数のモータに対して電流が供給される。この際、電流供給の開始時に内部のコンデンサを充電すること等の理由により、突入電流が大きくなり、電圧降下を生じさせる場合があるため、突入電流を小さくする対策が行われることがある（例えば、特許文献１）。

特開２０１６−２１８６２５号公報

上述した突入電流を小さくする制御を定格電圧が高い制御装置に採用する場合、電流検出用の抵抗の面積が大きくなり、装置の大型化を招く。特に、定格電圧の異なる制御装置を複数用いる場合、定格電圧が低い制御装置が小型であるのに対して、定格電圧が高い制御装置が大型であるといったように制御装置の大きさが不揃いであると、複数の制御装置をユニット化して接続して用いることが困難となる。

本発明は、問題点に鑑みてなされたものであり、電流供給開始時の電圧降下を抑制するとともに装置の小型化を図ることを目的とする。

目的を達成するために、本発明の第１の観点に係る制御装置は、
モータを制御する制御部と、
電源と前記モータを接続する電源ラインと、
前記電源ラインにおいて、前記モータよりも前段に接続されるとともに、前段及び後段が制御部に接続される抵抗と、
前記電源ラインにおいて、前記モータよりも前段に接続されるとともに、前記制御部に接続される半導体スイッチと、
前記電源ラインにおいて、前記抵抗及び前記半導体スイッチよりも後段に接続されるコンデンサと、
を備え、
前記制御部は、前記半導体スイッチをオンにして前記電源ラインを導通させて前記電源からの電流を前記コンデンサに供給するとともに、前記抵抗に流れる電流が所定値以上である時間が所定時間となった場合に、前記半導体スイッチをオフにして前記電源ラインを非導通にして前記電源から前記コンデンサへの電流を遮断することを特徴とする。

前記半導体スイッチは、前記電源ラインにおいて、前記抵抗よりも前段に接続され、
前記制御部は、駆動用の電源に接続されるようにしてもよい。

前記所定時間を設定する第１の時間設定手段を備えるようにしてもよい。

前記半導体スイッチをオンにする間隔を設定する第２の時間設定手段を備えるようにしてもよい。

目的を達成するために、本発明の第２の観点に係る制御方法は、
モータを制御する制御部と、
電源と前記モータを接続する電源ラインと、
前記電源ラインにおいて、前記モータよりも前段に接続されるとともに、前段及び後段が制御部に接続される抵抗と、
前記電源ラインにおいて、前記モータよりも前段に接続されるとともに、前記制御部に接続される半導体スイッチと、
前記電源ラインにおいて、前記抵抗及び前記半導体スイッチよりも後段に接続されるコンデンサと、
を備える制御装置における制御方法であって、
前記制御部は、前記半導体スイッチをオンにして前記電源ラインを導通させて前記電源からの電流を前記コンデンサに供給するとともに、前記抵抗に流れる電流が所定値以上である時間が所定時間となった場合に、前記半導体スイッチをオフにして前記電源ラインを非導通にして前記電源から前記コンデンサへの電流を遮断することを特徴とする。

本発明によれば、電流供給開始時の電圧降下を抑制するとともに装置の小型化を図ることが可能となる。

実施形態に係るロボット制御ユニットの構成を示す図である。実施形態に係るドライバユニットの詳細構成を示す図である。（Ａ）は従来における電圧の時間経過を示す図であり、（Ｂ）は実施形態における電圧の時間経過を示す図である。（Ａ）は実施形態における電流の時間経過を示す図であり、（Ｂ）は実施形態における電圧の時間経過を示す図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、実施形態に係るロボット制御ユニットの概略構成を示す図である。図１に示す制御装置としてのロボット制御ユニット１００は、アクチュエータ等に搭載されるモータ３００ａ１、３００ａ２、３００ｂ１、３００ｂ２、３００ｃ１、３００ｃ２、３００ｄ１、３００ｄ２を制御するものである。ロボット制御ユニット１００は、基板であるベースボード１０２、電源ユニット１０４、ドライバユニット１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃ、１１０ｄ、及び、ゲートウェイユニット１２２を含んで構成される。

ベースボード１０２には、電源ユニット１０４、ドライバユニット１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃ、１１０ｄ、及び、ゲートウェイユニット１２２が取り付けられる。ドライバユニット１１０ａは、モータ３００ａ１、３００ａ２を接続し、当該モータ３００ａ１、３００ａ２の制御を行う。同様にドライバユニット１１０ｂは、モータ３００ｂ１、３００ｂ２を接続し、当該モータ３００ｂ１、３００ｂ２の制御を行い、ドライバユニット１１０ｃは、モータ３００ｃ１、３００ｃ２を接続し、当該モータ３００ｃ１、３００ｃ２の制御を行い、ドライバユニット１１０ｄは、モータ３００ｄ１、３００ｄ２を接続し、当該モータ３００ｄ１、３００ｄ２の制御を行う。

ゲートウェイユニット１２２は、ロボット制御ユニット１００の全体を制御するＣＰＵ（Central Processing Unit）を含んで構成される。

本実施形態では、モータ３００ａ１、３００ａ２の定格電圧は他のモータ３００ｂ１等の定格電圧よりも高い。例えば、モータ３００ａ１、３００ａ２は定格電圧が２８０［Ｖ］であるのに対して、他のモータ３００ｂ１等の定格電圧は２０［Ｖ］である。このため、ドライバユニット１１０ａの定格電圧は他のドライバユニット１１０ｂ等の定格電圧より高くする必要がある。

このような場合、ドライバユニット１１０ａの内部の電流検出抵抗の抵抗値を他のドライバユニット１１０ｂ等の内部の電流検出抵抗の抵抗値よりも大きくすると、ドライバユニット１１０ａが他のドライバユニット１１０ｂ等よりも大型になってしまい、不揃いとなるために汎用性が低下し、図１のように複数のドライバユニット１１０ａ等を接続することが困難となる。本実施形態では、このような問題の対策を行う。

図２は、実施形態に係るドライバユニット１１０ａの詳細構成を示す図である。図２に示すドライバユニット１１０ａは、制御回路１５１とＣＰＵ２００とを含んで構成される。

制御回路１５１は、電源ユニット１０４を介して入力電源に接続され、当該入力電源からの電流を、ドライバユニット１１０ａに接続されるモータ３００ａ１、３００ａ２へ供給する制御を行う。また、制御回路１５１は、入力電源からの電流を、内部の電解コンデンサ１６２に供給し、充電させる制御を行う。

制御回路１５１は、制御ＩＣ（Integrated Circuit）１７２、電流検出抵抗（シャント抵抗）１７４、半導体スイッチ１７６、コンデンサ１８２、１８４、抵抗１８６、出力部１９０及び入力部１９４を含んで構成される。また、制御回路１５１内には、入力電源とモータ３００ａ１、３００ａ２とを接続する電源ライン１６０が配置されている。以下においては、電源ライン１６０における入力電源の側を前段と称し、モータ３００ａ１、３００ａ２の側を後段と称する。

電流検出抵抗１７４は、電源ライン１６０上に設けられ、一端が半導体スイッチ１７６の側（前段側）に接続され、他端がモータ３００ａ１、３００ａ２の側、及び、電解コンデンサ１６２の＋端子の側（後段側）に接続される。また、電流検出抵抗１７４の両端はそれぞれ制御ＩＣ１７２に接続される。電流検出抵抗１７４の抵抗値は、他のドライバユニット１１０ｂ等の内部の電流検出抵抗の抵抗値と同一であるか若干大きい程度であり、例えば３［ＭΩ］である。

半導体スイッチ１７６は、電源ライン１６０上に設けられ、一端が入力電源側（前段側）に接続され、他端が電流検出抵抗１７４の一端側（後段側）に接続される。本実施形態において、半導体スイッチ１７６は電界効果トランジスタ（Field Effect Transistor：ＦＥＴ）であり、ゲート（Ｇ）が抵抗１８６を介して制御ＩＣ１７２に接続され、ドレイン（Ｄ）が電源ライン１６０における入力電源側（前段側）に接続され、ソース（Ｓ）が電源ライン１６０におけるモータ３００ａ１、３００ａ２の側（後段側）に接続される。

半導体スイッチ１７６は、電源ライン１６０の導通と遮断を制御するものであり、オン状態では、電源ライン１６０が導通して電解コンデンサ１６２に電流が供給されるとともに、ドライバユニット１１０ａを介してモータ３００ａ１、３００ａ２に電流が供給可能となり、オフ状態では電源ライン１６０が非導通となって電解コンデンサ１６２やモータ３００ａ１、３００ａ２に電流が供給されない。

電解コンデンサ１６２は、電源ライン１６０に接続されている。電解コンデンサ１６２は、＋端子の側が電流検出抵抗１７４の他端と、モータ３００ａ１、３００ａ２の側とに接続され、−端子の側が接地されている。

制御ＩＣ１７２は、電流検出抵抗１７４の一端と直接に接続される。また、制御ＩＣ１７２は、電流検出抵抗１７４の他端、電解コンデンサ１６２の＋端子の側、モータ３００ａ１、３００ａ２の側と直接に接続される。また、制御ＩＣ１７２は、フローティンググランド（ＦＬＯ−ＧＮＤ）と直接に接続される。また、制御ＩＣ１７２は、コンデンサ１８２の一端と接続される。また、制御ＩＣ１７２は、コンデンサ１８４の一端と接続されるとともに、当該制御ＩＣ１７２の駆動用の電源であるフローティング電源（ＦＬＯ電源）と接続される。ＦＬＯ電源は例えば１５［Ｖ］である。

コンデンサ１８２は、一端が制御ＩＣ１７２に接続されるとともに、他端が電流検出抵抗１７４の他端、電解コンデンサ１６２の＋端子の側、モータ３００ａ１、３００ａ２の側、及び、ＦＬＯ−ＧＮＤに接続される。コンデンサ１８４は、一端が、制御ＩＣ１７２及びＦＬＯ電源に接続されるとともに、他端が、電流検出抵抗１７４の他端、電解コンデンサ１６２の＋端子の側、モータ３００ａ１、３００ａ２の側、及び、ＦＬＯ−ＧＮＤに接続される。

制御ＩＣ１７２は、入力部１９４を介して、ＣＰＵ２００から、半導体スイッチ１７６をオンにする旨の信号（オン信号）を受ける。制御ＩＣ１７２は、オン信号を受けた場合、半導体スイッチ１７６のゲートに電流を供給して当該半導体スイッチ１７６をオンにする。

半導体スイッチ１７６がオン状態になると、電源ライン１６０が導通して所定値の電流（例えば２５［ｍＡ］）が継続して供給され、電解コンデンサ１６２が充電されるともに、モータ３００ａ１、３００ａ２に電流が供給される。また、電源ライン１６０が導通すると、コンデンサ１８２が充電される。このとき、制御ＩＣ１７２において、入力電圧は入力電源の電圧にＦＬＯ電源の電圧を加えた値となり、出力電圧は入力電源の電圧となる。すなわち、制御ＩＣ１７２において入力と出力との電位差はＦＬＯ電源の電圧の値となる。

制御ＩＣ１７２は、電流検出抵抗１７４の前段と後段の電位差と、既知である電流検出抵抗１７４の抵抗値とに基づいて、電源ライン１６０の電流を検出する。入力電源からの電流の供給が開始されると、制御ＩＣ１７２が検出する電流値は上昇する。また、制御ＩＣ１７２は、コンデンサ１８２の充電状態を検知している。そして、制御ＩＣ１７２は、電源ライン１６０の電流値が所定値以上となる時間が所定時間となり、且つ、コンデンサ１８２が満充電になったことを検知すると、半導体スイッチ１７６のゲートへの電流を遮断して当該半導体スイッチ１７６をオフにする。あるいは、制御ＩＣ１７２は、電源ライン１６０の電流値が所定値以上であり、且つ、コンデンサ１８２が満充電になったことを検知すると、半導体スイッチ１７６のゲートへの電流を遮断して当該半導体スイッチ１７６をオフにする。

半導体スイッチ１７６がオフ状態になると、電源ライン１６０が非導通となって電解コンデンサ１６２の充電が停止するとともに、モータ３００ａ１、３００ａ２に電流が供給されなくなる。また、電源ライン１６０が非道通になると、コンデンサ１８２は放電する。このとき、制御ＩＣ１７２において、入力電圧はＦＬＯ電源の電圧となり、出力電圧は０になる。すなわち、制御ＩＣ１７２において入力と出力との電位差はＦＬＯ電源の電圧の値となり、制御ＩＣ１７２は駆動を継続する。

電圧が一定の下では、コンデンサ１８２が満充電になるまでの時間は当該コンデンサ１８２の静電容量によって決まる。従って、半導体スイッチ１７６がオン状態になって電源ライン１６０が導通してから、半導体スイッチ１７６がオフ状態になって電源ライン１６０が非導通となるまでの時間は、コンデンサ１８２の静電容量によって設定可能である。すなわち、コンデンサ１８２は、第１の時間設定手段に対応することになる。

また、制御ＩＣ１７２は、半導体スイッチ１７６をオフにして電源ライン１６０を非導通とすると、その旨の信号（オフ信号）を、出力部１９０を介して、ＣＰＵ２００へ出力する。ＣＰＵ２００は、オフ信号を受けると、前回オン信号を出力してから所定時間が経過した後に、再び、制御ＩＣ１７２に向けてオン信号を出力する。

制御ＩＣ１７２は、ＣＰＵ２００からオン信号を受けると、上述した、半導体スイッチ１７６のゲートに電流を供給して当該半導体スイッチ１７６をオンにする制御以降の制御が繰り返されて、電源ライン１６０が導通し、電解コンデンサ１６２が徐々に充電されることになる。

上述した実施形態における電流供給制御が行われることによって、ロボット制御ユニット１００を流れる突入電流を減少させ、更には、電圧降下を抑制することができる。具体的には、従来の電流供給制御では、図３（Ａ）に示すように、大きな突入電流が流れて、その結果、大きな電圧降下が生じる。

これに対し、上述した実施形態における電流供給制御が行われることによって、図３（Ｂ）に示すように、突入電流は小さくなる。また、図４（Ａ）に示すように、突入電流が小さくなると、図４（Ｂ）に示すように、徐々に電解コンデンサ１６２に対して電流が供給され、充電される（電圧が上昇する）ことになる。このため、電圧降下を抑制することができる。

更には、定格電圧が高いドライバユニット１１０ａを用いる場合でも、電流検出抵抗１７４の抵抗値を大きくすることなく上述した突入電流を小さくする対策が可能であるため、ドライバユニット１１０ａが他のドライバユニット１１０ｂ等よりも大型になってしまうことがなく、装置の小型化を図り、汎用性を確保することかできる。

また、電流検出抵抗１７４の抵抗値を大きくする必要がないため、発熱を抑制することができる。

更には、電源ライン１６０の導通制御のために半導体スイッチ１７６を用いることにより、リレー等の機械的な動作が伴うスイッチを用いる場合と比較して、寿命を長期化させることができる。

また、半導体スイッチ１７６を、電源ライン１６０において、電流検出抵抗１７４よりも前段に配置するとともに、制御ＩＣ１７２にＦＬＯ電源からの電圧を供給することにより、電源ライン１６０のオン、オフにかかわらず、制御ＩＣ１７２内部の電圧を一定に保って駆動させることができる。

また、制御ＩＣ１７２は、電源ライン１６０の電流値が所定値以上となる時間が所定時間となり、且つ、コンデンサ１８２が満充電になったことを検知すると、半導体スイッチ１７６のゲートへの電流を遮断して当該半導体スイッチ１７６をオフにする。従って、半導体スイッチ１７６がオン状態になって電源ライン１６０が導通してから、半導体スイッチ１７６がオフ状態になって電源ライン１６０が非導通となるまでの時間は、コンデンサ１８２の静電容量によって設定可能となり、利便性が向上する。

以上、実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではない。

上述した実施形態では、ＣＰＵ２００が、制御ＩＣ１７２からのオフ信号を受けると、前回オン信号を出力してから所定時間が経過した後に、再び、制御ＩＣ１７２に向けてオン信号を出力することで、制御ＩＣ１７２が半導体スイッチ１７６をオンにする制御を行い、電源ライン１６０が導通し、電解コンデンサ１６２が徐々に充電されるようにした。

しかしながら、制御ＩＣ１７２がＣＰＵ２００の制御によらず、主体的に半導体スイッチ１７６をオンにする制御を行ってもよい。すなわち、制御ＩＣ１７２は、半導体スイッチ１７６をオフにした後に、前回オンにしてから所定時間が経過すると、再び、半導体スイッチ１７６をオンにする制御を行うようにしてもよい。この場合には、制御ＩＣ１７２は、第２の時間設定手段に対応する。

また、半導体スイッチ１７６がＦＥＴに限定されず、バイポーラトランジスタ等の他の半導体スイッチでもよい。

また、上述した実施形態では、ドライバユニット１１０ａ等には、それぞれ２つのモータ３００ａ１、３００ａ２等が接続されていたが、モータの数はこれに限定されず、１つあるいは３つ以上のモータが接続された構成であってもよい。

本発明は、本発明の広義の精神と範囲を逸脱することなく、様々な実施形態及び変形が可能とされるものである。上述した実施形態は、本発明を説明するためのものであり、本発明の範囲を限定するものではない。

１００ロボット制御ユニット
１０２ベースボード
１０４電源ユニット
１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃ、１１０ｄドライバユニット
１２２ゲートウェイユニット
１５１制御回路
１６０電源ライン
１６２電解コンデンサ
１７２制御ＩＣ
１７４電流検出抵抗
１７６半導体スイッチ
１８２、１８４コンデンサ
１８６抵抗
１９０出力部
１９４入力部
２００ＣＰＵ
３００ａ１、３００ａ２、３００ｂ１、３００ｂ２、３００ｃ１、３００ｃ２、３００ｄ１、３００ｄ２モータ

Claims

モータを制御する制御部と、
電源と前記モータを接続する電源ラインと、
前記電源ラインにおいて、前記モータよりも前段に接続されるとともに、前段及び後段が制御部に接続される抵抗と、
前記電源ラインにおいて、前記モータよりも前段に接続されるとともに、前記制御部に接続される半導体スイッチと、
前記電源ラインにおいて、前記抵抗及び前記半導体スイッチよりも後段に接続されるコンデンサと、
を備え、
前記制御部は、前記半導体スイッチをオンにして前記電源ラインを導通させて前記電源からの電流を前記コンデンサに供給するとともに、前記抵抗に流れる電流が所定値以上である時間が所定時間となった場合に、前記半導体スイッチをオフにして前記電源ラインを非導通にして前記電源から前記コンデンサへの電流を遮断することを特徴とする制御装置。
前記半導体スイッチは、前記電源ラインにおいて、前記抵抗よりも前段に接続され、
前記制御部は、駆動用の電源に接続されることを特徴とする請求項１に記載の制御装置。
前記所定時間を設定する第１の時間設定手段を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の制御装置。
前記半導体スイッチをオンにする間隔を設定する第２の時間設定手段を備えることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の制御装置。
モータを制御する制御部と、
電源と前記モータを接続する電源ラインと、
前記電源ラインにおいて、前記モータよりも前段に接続されるとともに、前段及び後段が制御部に接続される抵抗と、
前記電源ラインにおいて、前記モータよりも前段に接続されるとともに、前記制御部に接続される半導体スイッチと、
前記電源ラインにおいて、前記抵抗及び前記半導体スイッチよりも後段に接続されるコンデンサと、
を備える制御装置における制御方法であって、
前記制御部は、前記半導体スイッチをオンにして前記電源ラインを導通させて前記電源からの電流を前記コンデンサに供給するとともに、前記抵抗に流れる電流が所定値以上である時間が所定時間となった場合に、前記半導体スイッチをオフにして前記電源ラインを非導通にして前記電源から前記コンデンサへの電流を遮断することを特徴とする制御方法。