JP4581892B2 - ロボット制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、モータの駆動回路を備えたロボット制御装置に関する。

ロボットに具備されたモータ例えばブラシレスモータは、ロボット制御装置に搭載されたインバータにより駆動される。モータ駆動中にシステム異常が生じると、モータを直ちに停止させる必要がある。特許文献１には、同期モータの緊急停止を速やかに行うための同期モータ制御回路が示されている。この同期モータ制御回路は、同期モータを緊急停止する場合、インバータを構成する全てのスイッチング素子をオフするとともに、直流電源線間に回生抵抗を介して接続されたスイッチング素子をオンし、同期モータからの回生電力を直流電源線側にバイパスして回生抵抗で消費させるように制御する。
特開２００１−２０４１８４号公報

上記同期モータ制御回路は、回生抵抗での電力消費を利用した停止制御を行っているが、停止までに比較的長い時間を要するという欠点がある。そこで、ロボット制御装置においては、より短い時間でモータを停止させるため、インバータの上アーム側のスイッチング素子を全てオフするとともに下アーム側のスイッチング素子を全てオンすることによりモータの各端子間を電気的に短絡する手段が用いられている。

図４は、このロボット制御装置におけるモータ駆動回路の構成を示している。ロボット制御装置がモータを駆動する場合、三相の交流電源１からパワーリレー２の接点２Ｒ、２Ｓ、２Ｔとコンバータ３とを介して直流電源線４、５間に直流電圧ＶDCが出力され、インバータ６からモータ７に交流電圧が出力される。直流電源線４、５間には、平滑用のコンデンサ８、回生抵抗９とトランジスタ１０（スイッチの記号で示す）とからなる回生回路１１、および短絡用のスイッチとして機能するリレー接点１２が並列に接続されており、モータ駆動状態においてトランジスタ１０とリレー接点１２はオフされている。

これに対し、ロボット制御装置が、システム異常として例えばＩＧＢＴＱ４〜Ｑ６の駆動用電圧の低下を検出してモータ７を緊急停止させる場合、制御回路１３は、図５に示すようにシステム異常検出信号に応じてリレー接点２Ｒ、２Ｓ、２Ｔをオフするとともに、ＩＧＢＴＱ１〜Ｑ３に対するオフ指令信号とＩＧＢＴＱ４〜Ｑ６に対するオン指令信号を出力する。そして、リレー接点２Ｒ、２Ｓ、２Ｔが確実にオフした後、リレー接点１２をオンする。その結果、ＩＧＢＴＱ４〜Ｑ６の駆動用電圧が低下してＩＧＢＴＱ４〜Ｑ６がオンできない場合でも、モータ７の端子からインバータ６のダイオードＤ１〜Ｄ６とリレー接点１２とを介した短絡回路が形成され、より短い時間でモータを停止させることができる。

しかしながら、このロボット制御装置においてリレー接点１２をオンすると、リレー接点１２にはコンデンサ８の短絡による過大な電流が流れるので、接点部の溶着などが生じ易いという問題があった。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、直流電源線間に接続された短絡用のスイッチの故障を防止しつつシステム異常時にモータを短時間で停止できるロボット制御装置を提供することにある。

請求項１に記載した手段によれば、システム異常が検出された時、コンバータによる電圧出力が停止するとともに、直流電源線間に回生抵抗を介して接続された第１のスイッチが閉じられる。これにより、直流電源線間に接続されたコンデンサから回生抵抗に電流が流れ、直流電圧が低下する。このとき、例えばインバータを電流還流モード（ブリッジ構成であれば上アームまたは下アームの素子を全てオンするモード）に切り替えると、回転しているモータからインバータの内部素子を経由して短絡電流が流れ、モータにダイナミックブレーキ（短絡ブレーキ）が作用する。

しかしながら、上記システム異常によってインバータを電流還流モードに切り替えることができない場合もある。この場合には、インバータの内部回路に短絡経路は形成されず、モータからインバータ内の還流ダイオード、直流電源線、回生抵抗および第１のスイッチを介した電流経路が形成され、モータに回生ブレーキが作用する。

こうしたブレーキが作用した状態で、直流電圧が第２のスイッチの耐量に応じて定められた所定のしきい値電圧以下にまで低下した時、直流電源線間に直接接続された第２のスイッチが閉じられる。この場合、既に上述のダイナミックブレーキが作用していればその作用が継続する。また、上述の回生ブレーキが作用していれば、モータからインバータ内の還流ダイオード、直流電源線および第２のスイッチを介した電流短絡経路が新たに形成され、モータにダイナミックブレーキが作用する。

すなわち、本手段によれば、最終的に直流電源線間が第２のスイッチを介して短絡されるので、システム異常によってインバータを電流還流モードに切り替えることができない場合であってもダイナミックブレーキを作用させることができ、回生ブレーキのみを用いた場合に比べて短い時間でモータを停止させることができる。そして、第２のスイッチは、直流電圧が所定のしきい値電圧以下にまで低下した時に閉じられるので、閉じられた時に第２のスイッチに流れる短絡電流あるいは発生損失は当該スイッチの耐量以下に制限され、過大な電流あるいは過大な損失による第２のスイッチの故障を確実に防止することができる。

請求項２に記載した手段によれば、インバータはブリッジ接続されたスイッチング素子により構成されており、このスイッチング素子の動作異常をシステム異常として検出する。つまり、システム異常が検出されると、多くの場合にはスイッチング素子を正常にオンすることができず、インバータにおいて上記電流還流モードは形成されない。従って、本手段によるシステム異常の検出方法を用いれば、第２のスイッチを短絡してダイナミックブレーキを作用させる上記短絡制御が特に有効に作用する。

請求項３に記載した手段によれば、第１および第２のスイッチを半導体素子により構成したので、小型化、制御性の向上、信頼性の向上が図られる。

以下、本発明の一実施形態について図１ないし図３を参照しながら説明する。
図１は、ロボット制御装置におけるモータ駆動回路の電気的構成図であり、従来構成を示す図４と同一部分には同一符号を付している。また、部分的に図４よりも詳細に示している。ロボット（図示せず）にはその可動部（関節）を動かすための複数のモータ７が設けられており、ロボット制御装置は、各モータ７を駆動するためのモータ駆動回路２１を備えている。モータ７はブラシレスモータであり、そのロータ位置を検出するためにロータリーエンコーダ２２が取り付けられている。

三相２００Ｖの交流電源１とコンバータ３との間には、パワーリレー２の接点２ａ（２Ｒ、２Ｓ、２Ｔ）が介在している。これらのリレー接点２ａ（２Ｒ、２Ｓ、２Ｔ）は、リレーコイル２ｂへの通電により閉じるようになっている。コンバータ３は、ダイオードを三相ブリッジ接続してなる周知の回路構成を備えており、インバータ６は、ＩＧＢＴＱ１〜Ｑ６とダイオードＤ１〜Ｄ６とを三相ブリッジ接続してなる周知の回路構成を備えている。

インバータ６とその駆動回路２３は、インテリジェントパワーモジュール（ＩＰＭ）として一体的に構成されている。駆動回路２３は、駆動用電源の供給を受けて動作し、制御回路２４から与えられるオン／オフ指令信号に従ってＩＧＢＴＱ１〜Ｑ６をオンオフ駆動するようになっている。また、インバータ６にアーム短絡が生じた時、過熱状態となった時および駆動用電源電圧が低下した時に、制御回路２４に対しエラー信号Ｆｏ（システム異常検出信号）を出力するようになっている。

直流電源線４、５間に接続された回生回路１１は、回生抵抗９とＭＯＳＦＥＴＱ７（図４に示すトランジスタ１０と等価）との直列回路により構成されている。また、直流電源線４、５間には、図３に示すリレー接点１２に替えてＭＯＳＦＥＴＱ８が接続されている。これらＭＯＳＦＥＴＱ７、Ｑ８は、それぞれ本発明でいう第１のスイッチ、第２のスイッチに相当する。駆動回路２５、２６は、それぞれ制御回路２４から与えられるオン／オフ指令信号に従ってＭＯＳＦＥＴＱ７、Ｑ８を駆動するようになっている。さらに、直流電源線４、５間の直流電圧ＶDCを検出する電圧検出回路２７（電圧検出手段に相当）が設けられている。

制御回路２４（制御手段に相当）は、ＣＰＵ、メモリ（ＲＡＭ、ＲＯＭ、電気的に書き換え可能な不揮発性メモリ）、Ｉ／Ｏ回路、ＰＷＭ信号生成回路、タイマ回路、Ａ／Ｄ変換回路、表示装置（ＬＥＤ、液晶表示パネル等）などを備えて構成されている。具体的には、Ｉ／Ｏ回路においてロータリーエンコーダ２２からの信号を入力し、該信号に基づいてモータ７のロータ位置を検出するようになっている。また、ＰＷＭ信号生成回路においてオン／オフ指令信号を生成しそれを駆動回路２３に対し出力するとともに、Ｉ／Ｏ回路を介して駆動回路２５、２６、リレーコイル２ｂに対して駆動信号を出力するようになっている。さらに、Ａ／Ｄ変換回路により直流電圧ＶDCをＡ／Ｄ変換して入力するようになっている。

次に、本実施形態の作用について図２および図３も参照しながら説明する。
制御回路２４は、位置フィードバック制御または速度フィードバック制御を行ってモータ７の回転位置または回転速度の追従制御を実行する。このモータ駆動中にシステム異常が発生すると、直ちにモータ７を停止させる必要がある。本実施形態では、インバータ６におけるアーム短絡と過熱状態および駆動回路２３における駆動用電源電圧の低下をシステム異常としており、制御回路２４は、駆動回路２３からのエラー信号Ｆｏによりシステム異常を検出することができる。

図２は、システム異常が生じた時の制御回路２４の処理内容を示すフローチャートであり、図３は、システム異常が生じた時の各信号および直流電圧ＶDCの波形図である。図３に示す波形は、上から順にエラー信号Ｆｏ、リレー接点２ａ（２Ｒ、２Ｓ、２Ｔ）、上アーム側ＩＧＢＴＱ１〜Ｑ３の指令信号、下アーム側ＩＧＢＴＱ４〜Ｑ６の指令信号、ＭＯＳＦＥＴＱ７の指令信号、ＭＯＳＦＥＴＱ８の指令信号および直流電圧ＶDCである。

制御回路２４は、図２に示すステップＳ１において、システム異常が生じたか否か、すなわちエラー信号ＦｏがＨレベルになったか否かを判断する。ここで、システム異常が生じた（ＹＥＳ）と判断すると、ステップＳ２に移行して表示装置（図示せず）にエラー表示を行い、ロボット制御装置の使用者（操作者）にモータ７が停止した原因を報知する。一方、システム異常が生じていない（ＮＯ）と判断すると、再びステップＳ１の判断処理を実行する。なお、エラー信号Ｆｏは割り込みにより入力してもよい。

制御回路２４は、システム異常を検出すると、ステップＳ３においてリレーコイル２ｂへの通電を遮断してリレー接点２ａ（２Ｒ、２Ｓ、２Ｔ）を開く。これとともに、インバータ６が電流還流モードになるように、ステップＳ４においてインバータ６の上アーム側のＩＧＢＴＱ１〜Ｑ３に対しオフ指令信号を出力し、下アーム側のＩＧＢＴＱ４〜Ｑ６に対しオン指令信号を出力する。この電流還流モードとは、モータ７の各相の端子が、下アーム側の素子（ＩＧＢＴＱ４〜Ｑ６とダイオードＤ４〜Ｄ６）を介して短絡されるモードをいう。ただし、駆動回路２３からエラー信号Ｆｏが出力されているので、実際には過熱あるいは駆動用電源電圧の低下によりＩＧＢＴＱ４〜Ｑ６がオンできない状態となっている場合が多い。さらに、制御回路２４は、ステップＳ５に移行して、回生回路１１のＭＯＳＦＥＴＱ７のオン指令信号を出力する。以上のステップＳ３からＳ５の処理は、システム異常を検出した後直ちに実行することが望ましい（図３における時刻ｔ１）。

上記処理の結果、インバータ６が電流還流モードに移行した場合には、回転しているモータ７からインバータ６の下アーム側素子を経由して短絡電流が流れ、モータ７にいわゆるダイナミックブレーキ（短絡ブレーキ）が作用する。一方、上述したようにＩＧＢＴＱ４〜Ｑ６がオンできず電流還流モードに移行できない場合には、モータ７からインバータ６のダイオードＤ１〜Ｄ３、直流電源線４、回生抵抗９、ＭＯＳＦＥＴＱ７、直流電源線５、インバータ６のダイオードＤ４〜Ｄ６を介して電流が流れ、モータ７にいわゆる回生ブレーキが作用する。図３は、回生ブレーキが作用する場合を示している。

ＭＯＳＦＥＴＱ７がオンすると、コンデンサ８から回生抵抗９とＭＯＳＦＥＴＱ７を介して電流が流れ、図３に示すように直流電源線４、５間の直流電圧ＶDCが徐々に低下する。制御回路２４は、ステップＳ６において電圧検出回路２７から直流電圧ＶDCを入力し、ステップＳ７において、直流電圧ＶDCがＭＯＳＦＥＴＱ８の耐量に応じて定められた所定のしきい値電圧例えば６０Ｖ以下に低下したか否かを判断する。このＭＯＳＦＥＴＱ８の耐量とは、ＭＯＳＦＥＴＱ８に流れる電流の耐量、電圧の耐量、コレクタ損失の耐量などである。直流電圧ＶDCが６０Ｖ以下に低下するまでの間、上記ステップＳ６とＳ７を繰り返し実行する。そして、直流電圧ＶDCが６０Ｖ以下に低下すると「ＹＥＳ」と判断してステップＳ８に移行し、ＭＯＳＦＥＴＱ８に対するオン指令信号を出力する（図３における時刻ｔ２）。

ＭＯＳＦＥＴＱ８がオンすると、直流電源線４、５間が短絡された状態となる。この時、既に上述のダイナミックブレーキが作用していればその作用が継続する。一方、ＩＧＢＴＱ４〜Ｑ６がオンできずに上述の回生ブレーキが作用している場合には、モータ７から回生回路１１を介して流れていた回生電流に替わって、モータ７からインバータ６のダイオードＤ１〜Ｄ３、直流電源線４、ＭＯＳＦＥＴＱ８、直流電源線５、インバータ６のダイオードＤ４〜Ｄ６を介して短絡電流が流れる。これにより、モータ７には回生ブレーキに替わってダイナミックブレーキが作用するようになる。また、直流電源線４、５間が短絡されるので、直流電圧ＶDCは急激に低下する。

このように、本実施形態のモータ駆動回路２１は、直流電源線４、５間に回生回路１１と短絡用のＭＯＳＦＥＴＱ８とを並列に備え、システム異常を検出すると回生回路１１をオンとし、続いてＭＯＳＦＥＴＱ８をオンとする。従って、インバータ６または駆動回路２３に関するシステム異常によりＩＧＢＴＱ４〜Ｑ６がオンできない場合であっても、ＭＯＳＦＥＴＱ８を介して短絡電流を流すことにより最終的にモータ７にダイナミックブレーキを作用させることができ、回生ブレーキのみを用いた場合に比べて短い時間でモータ７を停止させることができる。

ＭＯＳＦＥＴＱ８は、直流電圧ＶDCがＭＯＳＦＥＴＱ８の耐量に応じて定められた所定のしきい値電圧（６０Ｖ）以下に低下した時に閉じられるので、閉じられた時にＭＯＳＦＥＴＱ８に流れる短絡電流、印加される電圧およびコレクタ損失はＭＯＳＦＥＴＱ８の耐量以下に制限され、ＭＯＳＦＥＴＱ８の故障を防止することができる。

本実施形態では、アーム短絡が生じた時、過熱状態の時または駆動用電源電圧が低下した時に駆動回路２３から出力されるエラー信号Ｆｏをシステム異常検出信号として用いたので、システム異常時にＩＧＢＴＱ４〜Ｑ６がオンできない場合が多い。従って、上述した２段階のブレーキ制御が特に有効に作用する。

本実施形態によれば、従来構成とは異なり、第２のスイッチを半導体素子であるＭＯＳＦＥＴにより構成することができるので、小型化、制御性の向上、信頼性の向上が図られる。また、半導体素子を用いることにより、ロボット制御装置に衝撃が加えられた場合であっても、誤ってオンオフ状態が切り替わることもない。

なお、本発明は上記し且つ図面に示す実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のように変形または拡張が可能である。
システム異常は、インバータ６および駆動回路２３の異常に限られない。
第１のスイッチと第２のスイッチは必ずしも半導体素子である必要はなく、従来構成と同様にリレー接点等であってもよい。ただし、半導体素子を採用することにより、上述した特有の効果が得られる。また、これらのスイッチはＭＯＳＦＥＴに限られず、バイポーラトランジスタ、ＩＧＢＴなどでもよい。

本発明の一実施形態を示すロボット制御装置に設けられたモータ駆動回路の電気的構成図 システム異常が生じた時の制御回路の処理内容を示すフローチャート システム異常が生じた時の各信号および直流電圧の波形図 従来技術を示す図１相当図 図３相当図

符号の説明

図面中、３はコンバータ、４、５は直流電源線、６はインバータ、７はモータ、９は回生抵抗、２４は制御回路（制御手段）、２７は電圧検出回路（電圧検出手段）、Ｑ１〜Ｑ６はＩＧＢＴ（スイッチング素子）、Ｑ７はＭＯＳＦＥＴ（第１のスイッチ、半導体素子）、Ｑ８はＭＯＳＦＥＴ（第２のスイッチ、半導体素子）である。

Claims (3)

1. 交流電圧を整流して直流電源線間に直流電圧を出力するコンバータと、
   前記直流電源線間の直流電圧を入力してモータに対し交流電圧を出力するインバータと、
   前記直流電源線間に回生抵抗を介して接続された第１のスイッチと、
   前記直流電源線間に直接接続された第２のスイッチと、
   前記直流電源線間の直流電圧を検出する電圧検出手段と、
   システム異常を検出した時、前記コンバータの電圧出力を停止するとともに前記第１のスイッチを閉じ、その後前記電圧検出手段により検出された直流電圧が前記第２のスイッチの耐量に応じて定められた所定のしきい値電圧以下となった時に前記第２のスイッチを閉じるように制御する制御手段とを備えたことを特徴とするロボット制御装置。
2. 前記インバータは、ブリッジ接続されたスイッチング素子により構成されており、
   前記制御手段は、前記スイッチング素子の動作異常をシステム異常として検出することを特徴とする請求項１記載のロボット制御装置。
3. 前記第１および第２のスイッチは、半導体素子により構成されていることを特徴とする請求項１または２記載のロボット制御装置。
   
   

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