JP2023084275A - モータ駆動制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】駆動電流とエンコーダ値とによる位置監視において許容誤差を小さくすることができ、安全性能を向上させることが可能なモータ駆動制御装置を提供する。【解決手段】本発明にかかるモータ駆動制御装置１００の代表的な構成は、駆動電流の情報に基づいてモータの推定位置を算出する位置推定部１２２と、推定位置とエンコーダ位置との差分が所定の閾値を越えた場合に停止信号を出力する異常検知部１２６と、を備え、サーボ制御回路１０２はモータの動作の状態に応じたステータス信号を異常検知部１２６に送信し、異常検知部１２６はステータス信号が特定の状態であるときに推定位置とエンコーダ位置との比較をキャンセルすることを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、駆動電流とエンコーダ値とによる位置監視によってモータの異常を検知するモータ駆動制御装置に関する。

近年、工場等の生産現場において、ロボットアームやマニピュレータ等の産業用ロボット（以下、ロボットと称する）が用いられている。ロボットアームは５軸や６軸などの関節を有し、モータによって動作させている。またロボットアームに限らずコンベアなどの搬送装置にもモータが使用されている。これらのモータには、適切な動作のため、および暴走や事故を防止するために、意図したとおりに動作していることを検出し、そうでない場合には停止や減速させることが求められている。

モータ制御の安全監視には様々な手法が提案されている。その１つとして、モータ情報を異なる二つの手法で取得するよう二重化されたものがある。特許文献１には、モータの駆動電流から速度推定値を求め、モータに備えられたエンコーダの信号から速度計測値を求め、速度推定値と速度計測値の乖離をもって異常と判断する電力変換装置が提案されている。特許文献１によれば、エンコーダの故障をリアルタイムに、かつ、高い信頼性で診断することができると述べている。

特開２０１６－２０８６５６号公報

特許文献１に記載された電力変換装置においては、駆動電流とエンコーダ値との２つからそれぞれ速度推定値と速度計測値とを求め、これらを照合してモータの正常・異常を診断している。しかしながら駆動電流は、実際のモータの動き（ロボットであればアームの動き）に対応しない（対比できない）場合がある。例えば、加速から減速に切り替わるときには駆動電流の位相が逆転する。速度が出ていても駆動電流が小さく、周波数を取得できない（サイン波形を再現できない）場合もある。また、モータを停止させようとしたとき、駆動電流は即座に停止するが、慣性によりモータのエンコード値はカウントが増加する。

上記のような場合には速度推定値と速度計測値とに乖離が生じてしまうが、モータの挙動としては正常であるため、異常を検出してしまうことを回避する必要がある。そのため、特許文献１の構成においては、比較の許容誤差（閾値）を緩いものとしなければならない。しかし、許容誤差を緩くすると実際に異常が発生したときに反応が遅れることになる。特許文献１はエンコーダの故障検出を目的としているため然程の感度（応答性の良さ）は必要としていないと考えられるが、安全監視として考えた場合は実用性を欠いてしまうという問題がある。

そこで本発明は、駆動電流とエンコーダ値とによる位置監視において許容誤差を小さくすることができ、安全性能を向上させることが可能なモータ駆動制御装置を提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明にかかるモータ駆動制御装置の代表的な構成は、モータの動作を制御するサーボ制御回路と、サーボ制御回路に駆動制御されてモータに駆動電流を供給する駆動回路と、駆動回路からモータに供給する駆動電流を検出する電流センサと、駆動電流の情報に基づいてモータの推定位置を算出する位置推定部と、モータの位置を検出するエンコーダと、推定位置とエンコーダ位置との差分が所定の閾値を越えた場合に停止信号を出力する異常検知部とを備え、サーボ制御回路は動作の状態に応じたステータス信号を異常検知部に送信し、異常検知部はステータス信号が特定の状態であるときに推定位置とエンコーダ位置との比較をキャンセルすることを特徴とする。

特定の状態とは位置推定値がエンコーダ位置との比較に適さない状態であり、位相反転、電流値小、モータ停止の少なくとも１つを含むことが好ましい。

本発明によれば、駆動電流とエンコーダ値とによる位置監視において許容誤差を小さくすることができ、安全性能を向上させることが可能なモータ駆動制御装置を提供することができる。

本実施形態にかかるモータ駆動制御装置のブロック図である。 モータ駆動制御装置の動作を説明するフローチャートである。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値などは、発明の理解を容易とするための例示に過ぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

図１は本実施形態にかかるモータ駆動制御装置１００のブロック図、図２はモータ駆動制御装置の動作を説明するフローチャートである。本実施形態においてモータ駆動制御装置１００は不図示の産業ロボットのアームを動作させるモータの駆動制御装置を想定する。１つの産業ロボットにはモータ駆動制御装置１００が複数備えられていて、全体を統括するロボット制御装置１０からの信号を受けて各モータ駆動制御装置１００が動作する。

モータ駆動制御装置１００において、サーボ制御回路１０２はモータの動作を制御する。ロボット制御装置１０からサーボ制御回路１０２には、不図示のアームの移動先の位置を指示する位置指令値が送信される。サーボ制御回路１０２は現在地から移動先の位置までの移動距離をパルス数に変換して、制御パルスを駆動回路１０４に送信する。また後述するように、サーボ制御回路１０２は動作の状態に応じたステータス信号を異常検知部１２６に送信する。

駆動回路１０４はサーボ制御回路１０２に制御されて、制御パルスに応じた駆動電流をモータ１０８に供給してモータ１０８を動作させる。

駆動回路１０４からモータ１０８に駆動電流を供給するラインには電流センサ１０６が配置されていて、検出した駆動電流の電流値をサーボ制御回路１０２にフィードバックする。またモータ１０８には回転量を検出するエンコーダ１１０が備えられていて、検出したエンコーダ位置をサーボ制御回路１０２にフィードバックする。サーボ制御回路１０２はこれらのフィードバック値を用いて適切な移動量と速度とでモータ１０８を駆動させる。

安全監視装置１２０の構成および動作について、図１と図２を参照しながら説明する。

安全監視装置１２０において位置推定部１２２は、電流センサ１０６からサーボ制御回路１０２に送られる駆動信号の電流値を、傍聴（横取り）する形で取得する（Ｓ２００）。そして位置推定部１２２は、駆動電流の周波数に基づいてモータの位置推定値を算出する（Ｓ２０４）。

異常検知部１２６は、エンコーダ１１０からサーボ制御回路１０２に送られるエンコーダ位置を、傍聴（横取り）する形で取得する（Ｓ２０６）。

そして異常検知部１２６は、位置推定部１２２が算出した位置推定値とエンコーダ１１０から得たエンコーダ値とを比較する（Ｓ２１２）。そして、これらの位置の差分が所定の閾値を越えた場合に（Ｓ２１２のＹＥＳ）、異常検知部１２６から駆動回路１０４に停止信号を出力する（Ｓ２１４）。位置の差分が所定の閾値を越えない場合には（Ｓ２１２のＮＯ）、Ｓ２００に戻って上記一連の動作を繰り返す。

ここで、サーボ制御回路１０２は動作の状態に応じたステータス信号を異常検知部１２６に随時送信する。ステータス信号とは、例えば移動開始、位相反転、電流値小、モータ停止などを示す信号である。サーボ制御回路１０２は、例えば駆動電流のデータの大きさ（振幅）が小さい場合は電流値小、大きさ（振幅）が０の場合はモータ停止、電流の変化が不連続な場合は位相反転というように、電流の状態からステータスを認識・識別することができる。なおステータス信号としては、ここに例示した動作の状態の一部であってもよいし、ここに挙げていない動作の状態を含んでいてもよい。

異常検知部１２６はステータス信号を継続的に監視し、ステータス信号が特定の状態であるか否かを判定する（Ｓ２２０）。特定の状態とは、「位置推定値とエンコーダ位置とが比較に適さないとわかっている状態」である。そして異常検知部１２６は、ステータス信号が特定の状態である場合には（Ｓ２２０のＹＥＳ）、位置推定値とエンコーダ位置との比較をキャンセルしてＳ２００に戻る。ステータス信号が特定の状態でない場合には（Ｓ２２０のＮＯ）、通常通り位置比較を行う（Ｓ２１２）。

また異常検知部１２６は、ステータス信号が特定の状態である場合において、ステータス信号が特定の状態であることが異常か適切かを判定する（Ｓ２２２）。ステータス信号の異常判定は、動作の状態ごとに個別具体的である。

特定の状態の例について説明する。

＜位相逆転＞
モータ１０８が三相交流モータであるとき、電流センサ１０６はＵ相とＶ相の電流値を検出する。そしてモータ１０８が加速と減速を切り替えるとき、Ｕ相とＶ相との位相が逆転する。しかしモータ１０８の回転方向（アームの移動方向）は変わらないため、位置推定値とエンコーダ位置とに乖離が生じてしまう。したがってこの場合には、位相逆転のステータス信号をサーボ制御回路１０２から異常検知部１２６に送信して、位置の比較をキャンセルする（Ｓ２２０）。

ただし、位相逆転の状態は長く継続するものではない。そこで、所定時間以上位相逆転のステータス信号が継続する場合には（例えば１００ｍｓｅｃ）、異常状態と判定する（Ｓ２２２）。

＜電流値小＞
アームを下降させる場合、重力が加わることから、モータ１０８に供給する駆動電圧が極端に小さくなる場合がある。このような場合にはアームが動いているからエンコーダ位置は出力されるが、駆動電流が小さく、周波数を取得できないため（サイン波形を再現できないため）、位置推定値とエンコーダ位置とに乖離が生じてしまう。したがってこの場合には、電流値小のステータス信号をサーボ制御回路１０２から異常検知部１２６に送信して、位置の比較をキャンセルする（Ｓ２２０）。

ただし、電流値小のステータス信号が継続しているのに、位置推定部１２２が正しく周波数を検出できる状態が所定時間以上継続する場合には、異常状態と判定する（Ｓ２２２）。

＜停止＞
アームを停止させるとき、モータ１０８の駆動電流を停止させると共にブレーキを駆動させる構成が一般的である。しかしながら、駆動電流は即座に停止するが、慣性によりアームは若干動き続けるため、モータのエンコード値はカウントが増加して、短時間ながら位置推定値とエンコーダ位置とに乖離が生じてしまう。したがってこの場合には、停止のステータス信号をサーボ制御回路１０２から異常検知部１２６に送信して、位置の比較をキャンセルする（Ｓ２２０）。

ただし、停止のステータス信号が出力されてから所定時間が経過しても位置推定値またはエンコーダ位置が出力されている場合には、異常状態と判定する（Ｓ２２２）。

以上説明したように、無条件に位置推定値とエンコーダ位置とを比較するのではなく、位置推定値とエンコーダ位置とが比較に適さないとわかっている状態を安全監視装置１２０に明示する事で、適さない状態での比較を回避することができる。これにより、駆動電流とエンコーダ値とによる位置監視において許容誤差を小さくすることができ、安全性能を向上させることが可能なモータ駆動制御装置を提供することができる。

また、ステータス信号に異常が発生したことで位置の比較が行われなくなってしまうことを防ぐため、ステータス信号とエンコーダ値や電流値の関係に異常が生じていないかも合わせて監視することで、さらに安全性能を向上させることができる。

モータ１０８の駆動電流を検出する電流センサ１０６も、モータ１０８のエンコーダ１１０も、サーボ制御のために元々設けられているものである。したがって本発明の実施のためには新たな部品を追加する必要がないため、安価に実現することが可能である。

なお、ロボット制御装置１０からサーボ制御回路１０２に送信される位置指令値を異常検知部１２６に伝達し、位置指令値とエンコーダ位置とから得られる位置とを比較することによって、位置の監視を合わせて行ってもよい。また位置指令値と停止のステータス信号によって停止監視を合わせて行ってもよい。

また、上記実施形態において異常検知部は、駆動電流の情報に基づいて推定した推定位置とエンコーダ位置との差分を比較していた。しかし本発明において、異常検知部は、推定位置とモータの位置を指示する位置指令値とを比較してもよい。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は斯かる例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

本発明は、駆動電流とエンコーダ値による位置監視によってモータの異常を検知するモータ駆動制御装置として利用することができる。

１０…ロボット制御装置、１００…モータ駆動制御装置、１０２…サーボ制御回路、１０４…駆動回路、１０６…電流センサ、１０８…モータ、１１０…エンコーダ、１２０…安全監視装置、１２２…位置推定部、１２６…異常検知部

Claims (3)

1. モータの動作を制御するサーボ制御回路と、
   前記サーボ制御回路に駆動制御されて前記モータに駆動電流を供給する駆動回路と、
   前記駆動回路から前記モータに供給する前記駆動電流を検出する電流センサと、
   前記駆動電流の情報に基づいて前記モータの推定位置を算出する位置推定部と、
   前記モータの位置を検出するエンコーダと、
   前記推定位置と前記エンコーダ位置との差分が所定の閾値を越えた場合に停止信号を出力する異常検知部と、
   を備え、
   前記サーボ制御回路は前記モータの動作の状態に応じたステータス信号を前記異常検知部に送信し、
   前記異常検知部は前記ステータス信号が特定の状態であるときに前記推定位置と前記エンコーダ位置との比較をキャンセルすることを特徴とするモータ駆動制御装置。
2. 前記特定の状態とは前記位置推定値が前記エンコーダ位置との比較に適さない状態であり、位相反転、電流値小、モータ停止の少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項１に記載のモータ駆動制御装置。
3. モータの位置を指示する位置指令値に基づいてモータの動作を制御するサーボ制御回路と、
   前記サーボ制御回路に駆動制御されて前記モータに駆動電流を供給する駆動回路と、
   前記駆動回路から前記モータに供給する前記駆動電流を検出する電流センサと、
   前記駆動電流の情報に基づいて前記モータの推定位置を算出する位置推定部と、
   前記位置指令値と前記推定位置との差分が所定の閾値を越えた場合に停止信号を出力する異常検知部と、
   を備え、
   前記サーボ制御回路は前記モータの動作の状態に応じたステータス信号を前記異常検知部に送信し、
   前記異常検知部は前記ステータス信号が特定の状態であるときに前記位置指令値と前記推定位置との比較をキャンセルすることを特徴とするモータ駆動制御装置。

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