JP5182539B2 - 多軸モータ駆動装置及び多軸モータ駆動システム - Google Patents

多軸モータ駆動装置及び多軸モータ駆動システム Download PDF

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Description

本発明は、多軸モータ駆動装置及びこれを備えた多軸モータ駆動システムに関する。
従来、複数のモータを駆動する多軸モータ駆動装置が知られている(例えば、特許文献1参照)。この従来技術の多軸モータ駆動装置(サーボアンプ)は、ベース基板と、これに対して着脱可能に組み込まれる複数のサブ基板とから構成されている。サブ基板は、複数のモータに対するサーボ制御部及びアンプモジュール(駆動回路部)等が同一基板上に配置された構成となっている。ベース基板には、サーボ制御部との信号授受に使用される低い電圧系統と、アンプモジュールに供給する高い電圧系統とが混在している。
特開2008−091684号公報(第5図)
上記従来技術では、高い電圧系統と低い電圧系統とが同一のベース基板上に混在しており、絶縁又はノイズ等の信頼性について改善すべき余地があった。また、高い電圧系統では、低い電圧系統に比べて、配線パターン及び実装部品間により大きな絶縁距離及び沿面距離を確保する必要があるため、これらを混在させると基板が必要以上に大きくなり、装置の大型化を招くおそれがあった。
本発明の目的は、信頼性を向上すると共に小型化を図ることができる多軸モータ駆動装置及び多軸モータ駆動システムを提供することにある。
上記課題を解決するため、本発明の一の観点によれば、少なくとも1つのモータを駆動する多軸モータ駆動装置であって、前記モータに電力を供給する少なくとも1つのアンプモジュールと、前記アンプモジュールと接続され、上位制御装置からのモータ制御指令に基づき前記アンプモジュールが有するスイッチング素子を制御するための信号線が配置された制御基板と、前記アンプモジュールと接続され、当該アンプモジュールに対して電力を供給するための動力線が配置された、前記制御基板とは別基板として構成された動力基板と、前記制御基板の一部と前記動力基板の一部とが互いに重なり合うように前記制御基板及び前記動力基板の相対位置を位置決めする、当該重なり合う部位に設けられた位置決め部と、を備え多軸モータ駆動装置が適用される。
また、本発明の別の観点によれば、少なくとも1つのモータと、モータ制御指令を出力する上位制御装置と、前記モータ制御指令に応じて、前記モータを駆動する多軸モータ駆動装置と、を備え、前記多軸モータ駆動装置は、前記モータに電力を供給する少なくとも1つのアンプモジュールと、前記アンプモジュールと接続され、上位制御装置からのモータ制御指令に基づき前記アンプモジュールが有するスイッチング素子を制御するための信号線が配置された制御基板と、前記アンプモジュールと接続され、当該アンプモジュールに対して電力を供給するための動力線が配置された動力基板と、を備え、前記制御基板と前記動力基板とは、分離されている多軸モータ駆動システムが適用される。
本発明によれば、信頼性を向上すると共に小型化を図ることができる。
一実施の形態の多軸モータ駆動システムの全体構成を概念的に表すシステム構成図である。 マウントベースに配置された制御基板及び動力基板の構成を概念的に表す説明図である。 図2中III−III断面による横断面図である。 制御演算部をマウントベースに接触配置する変形例における、制御演算部の配置位置を説明する説明図である。 アンプモジュールにガイドを設ける変形例における、制御基板及び動力基板に対してアンプモジュールを接続する方法を説明する説明図である。
以下、一実施の形態について図面を参照して説明する。
図1に示すように、本実施形態の多軸モータ駆動システム1は、回転力を出力する8つのモータ100と、モータ制御指令を出力するコントローラ200(上位制御装置)と、コントローラ200のモータ制御指令に応じて、各モータ100を駆動する多軸モータ駆動装置300とを備えている。
各モータ100は、それぞれ、回転軸101等の回転体の回転角度を検出して位置検出信号を出力するエンコーダ102を有している。
多軸モータ駆動装置300は、その外郭を構成する筐体(図示省略)を備えると共に、この筐体内に、中継基板306と、コンバータモジュール307と、コンデンサモジュール308と、制御モジュール301と、モータ100に電力を供給してモータ100を駆動する1乃至8台のアンプモジュール302と、制御基板303と、制御基板303とは別の基板である動力基板304と、制御基板303及び動力基板304が分離されて配置される共通のマウントベース305とを備えている。
コンバータモジュール307は、交流電源(例えばAC200V)を入力して、モータ駆動直流電源(例えばDC+300V)及び制御電源(例えばDC+5VやDC±12V)を生成し出力する。
コンデンサモジュール308は、コンデンサ3081を搭載している。コンデンサ3081は、コンバータモジュール307により生成されたモータ駆動直流電源を平滑化する。
中継基板306は、各モータ100のエンコーダ102からの位置検出信号を入力して、対応する信号を生成し制御モジュール301及び制御基板303に出力する。
制御モジュール301は、CPU3011を搭載している。CPU3011は、コントローラ200から出力されるモータ制御指令(位置・速度・トルクのいずれか1つの制御指令)を制御基板303の8つの制御演算部3031(後述)に分配して出力する。
各アンプモジュール302は、それぞれ、モータ100と接続するためのモータケーブルのコネクタ(図示省略)を挿抜可能に接続できるコネクタ3024を有しており、コネクタ3024に対してモータケーブルの一方側のコネクタが嵌合され、他方側のコネクタがモータ100のコネクタ103に嵌合されることにより、モータ100と接続されている。このとき、各アンプモジュール302に接続される各モータ100の容量(出力量)は、各々同一でもよいし、各々異なっていてもよく、各アンプモジュール302は、それぞれ、対応するモータ100の容量に係わらず略同一の外形寸法を有するように構成されている。
制御基板303は、多層(例えば10層)の積層構造を備えており、コンバータモジュール307からの制御電源を入力する。この制御基板303は、8つの制御演算部3031(制御IC)と、アンプモジュール302を並設して挿抜可能に接続できる8つのコネクタ3033と、アンプモジュール302に並設して制御モジュール301を挿抜可能に接続できるコネクタ3032とを有している。そして、各コネクタ3033に対して各アンプモジュール302のコネクタ3022が嵌合されることにより、各アンプモジュール302と接続され、コネクタ3032に対して制御モジュール301のコネクタ3012が嵌合されることにより、制御モジュール301と接続されている。
各制御演算部3031は、例えばICチップで構成されており、それぞれ1つのモータに対応する。これら各制御演算部3031は、制御モジュール301のCPU3011で分配され入力されるコントローラ200からのモータ制御指令、及び、各モータ100のエンコーダ102からの位置検出信号を入力して、入力したモータ制御指令に応じた制御演算(電流制御演算含む)を実行する。そして、この制御演算に基づいたスイッチング指令を、コネクタ3033を介して制御基板303に接続されたアンプモジュール302が有するスイッチング素子3021に対して出力する。
また、制御基板303には、コネクタ3032を介して接続された制御モジュール301のCPU3011で分配され入力されるコントローラ200からのモータ制御指令に基づき各コネクタ3033を介して接続された各アンプモジュール302のスイッチング素子3021を制御するための信号線(図示省略)が配置されている。すなわち、制御基板303には、各アンプモジュール302の制御用の信号授受に使用される低い電圧系統(例えばDC+5VやDC±12V等)の信号線が配置されている。
動力基板304は、多層(例えば4層)の積層構造を備えており、コンバータモジュール307からのモータ駆動直流電源を入力する。この動力基板304は、アンプモジュール302を並設して挿抜可能に接続できる8つのコネクタ3041を有しており、各コネクタ3041に対して各アンプモジュール302のコネクタ3023が嵌合されることにより、各アンプモジュール302と接続されている。また、動力基板304には、各コネクタ3041を介して接続された各アンプモジュール302に対して電力を供給するための動力線(図示省略)が配置されている。すなわち、動力基板304には、各アンプモジュール302に供給する高い電圧系統(例えばDC+300V等)の動力線が配置されている。
図2及び図3に示すように、マウントベース305は、平面視略長方形形状を備えており、その表面(図2中紙面手前側の面、図3中右側の面)には複数のピン3051が立設されている。また、制御基板303は、平面視略L字形状を備えており、その端部には複数の貫通孔3035(第1貫通孔)が設けられている(図3参照)。また、動力基板304は、平面視略長方形形状を備えており、その端部には複数の貫通孔3043(第2貫通孔)が設けられている(図3参照)。なお、動力基板304の端部には、平面視凹凸形状となった端部があり、この平面視凹凸形状となった端部に関しては、平面視凸形状となった部分に上記貫通孔3043が設けられている。
そして、マウントベース305に立設された各ピン3051が、制御基板303の端部と動力基板304の端部とが一部重ね合わされた状態、詳細には、制御基板303の端部に設けられた貫通孔3035と、動力基板304の平面視凸形状となった端部に設けられた貫通孔3043とが重ね合わされた状態で、各貫通孔3035,3043に挿通されることにより、制御基板303及び動力基板304が、位置決めされてマウントベース305に分離された状態で配置されている。なお、制御基板303と動力基板304とを重ね合わせない状態で、位置決めしてマウントベース305に分離された状態で配置するようにしてもよい。さらに、各貫通孔3035,3043に挿通された各ピン3051の先端が各貫通孔3035,3043より突出して、それら突出した各ピン3051の先端にキャップCが各々取り付けられることにより、制御基板303及び動力基板304が、マウントベース305に固定されている(但し、図2中では各キャップCを省略した状態を図示している)。なお、各貫通孔3035,3043に挿通された各ピン3051の先端を各貫通孔3035,3043より突出しないようにすると共に、それら各ピン3051の先端側に雌ネジを設けて、それら各雌ネジに対して雄ネジを螺合させることにより、制御基板303及び動力基板304をマウントベース305に固定するようにしてもよい。
すなわち、マウントベース305に立設された複数のピン3051のうち、制御基板303及び動力基板304をマウントベース305に配置する際に、上記のように貫通孔3035,3043が重ね合わされた状態で、それら貫通孔3035,3043に挿通されるピン3051が、制御基板303と動力基板304との相対位置を位置決めしていると言える。したがって、マウントベース305に立設された複数のピン3051のうち、制御基板303及び動力基板304をマウントベース305に配置する際に、上記のように貫通孔3035,3043が重ね合わされた状態で、それら貫通孔3035,3043に挿通されるピン3051が、特許請求の範囲に記載の、第1突起部に相当すると共に、位置決め部に相当する。
上記のように制御基板303と動力基板304とが位置決めされた状態でマウントベース305に固定されることにより、制御基板303のコネクタ3033及び動力基板304のコネクタ3041に対して、アンプモジュール302のコネクタ3022,3023を各々嵌合でき、アンプモジュール302を制御基板303及び動力基板304に接続できるようになっている。なお、図2中では、制御基板303及び動力基板304に接続された1乃至8台のアンプモジュール302、及び、制御基板303に接続された制御モジュール301を想像線(破線部)で示している。なお、図2中では、図1に示した部品の図示を一部省略している。
また、図2に示すように、動力基板304は、8つのコネクタ3041を介して接続される1乃至8台のアンプモジュール302の各々に対応する共通のFG(Frame Ground)端子3042を備えており、このFG端子3042を介して接地されている。したがって、1乃至8台のアンプモジュール302の各々からFG配線を引き出して各々接地させることなく、動力基板304のFG端子3042の1ヶ所で集中して接地させることにより、省配線化が可能となる。また、制御基板303は、上記動力基板304側のFG端子3042とは分離されたFG端子3034を備えており、このFG端子3034を介して接地されている。制御基板303のFG端子3034を動力基板304のFG端子3042と分離して、各々独立して配置することにより、制御基板303の信号線が動力基板304の動力線から受けるノイズの影響を低減することができる。
さらに、制御基板303に備えられた各制御演算部3031は、それぞれ、制御基板303のマウントベース305側とは反対側の面、すなわち制御基板303の表面(図2中紙面手前側の面、図3中右側の面)に、設けられている。
以上説明したように、本実施形態の多軸モータ駆動システム1は、8つのモータ100と、コントローラ200と、多軸モータ駆動装置300とを備えている。多軸モータ駆動装置300は、制御モジュール301と、1乃至8台のアンプモジュール302と、制御基板303と、動力基板304とを備えている。制御基板303には、制御用の信号授受に使用される低い電圧系統の信号線が配置され、動力基板304には、各アンプモジュール302に供給する高い電圧系統の動力線が配置されている。そして、制御基板303と動力基板304とが分離された構成となっている。これにより、高い電圧系統の動力線と低い電圧系統の信号線とを異なる基板に分離して配置することできるので、1つの基板上に異なる電圧系統の配線が混在するのを回避することができる。その結果、絶縁またはノイズ等に対する信頼性を向上できる。
また、高い電圧系統では、低い電圧系統に比べて、配線パターン及び実装部品間により大きな絶縁距離及び沿面距離を確保する必要があるため、これらを混在させると基板が必要以上に大きくなり、多軸モータ駆動装置300の大型化を招く。これに対し、本実施形態では、高い電圧系統と低い電圧系統を異なる基板に分離配置するため、動力基板304における所定の絶縁距離及び沿面距離を容易に確保しつつ、制御基板303及び動力基板304の回路配置や基板の面積等を考慮して基板の積層数を適宜に設定することにより、多軸モータ駆動装置300全体の小型化を図ることが可能となる。さらに、制御基板303と動力基板304とを分離するので、各々の基板に対し軸数又は基板の面積に適した積層数を個別に設計することが可能となり、設計の自由度を向上できる。
また、本実施形態では特に、次のような効果を得ることができる。すなわち、一般に、アンプモジュール302のスイッチング素子3021は、モータ100の駆動時に熱及びスイッチングノイズ(放射ノイズ)を発生することが知られており、これらの熱やノイズは、制御ICの誤動作の要因となる。そこで本実施形態においては、制御基板303が制御演算部3031を有する構成とする。これにより、制御演算部3031と、アンプモジュール302とを、離間して配置することができる。その結果、制御演算部3031がアンプモジュール302で発生する熱及びノイズの影響を受けることを抑制できるので、動作安定性を向上し、多軸モータ駆動装置300の信頼性を向上することができる。
また、本実施形態では特に、制御基板303及び動力基板304は、アンプモジュール302を並設して挿抜可能に接続できるコネクタ3033,3041を各々有しており、コネクタ3033,3041を介してアンプモジュール302と接続されている。制御基板303及び動力基板304が、アンプモジュール302を並設して挿抜可能に接続できるコネクタ3033,3041を各々有することにより、使用されるモータ100の数に応じてアンプモジュール302を着脱させ、その数を容易に増減することができる。
また、本実施形態では特に、多軸モータ駆動装置300が制御基板303及び動力基板304が配置される共通のマウントベース305を備え、マウントベース305は、制御基板303と動力基板304との相対位置を位置決めするピン3051を有する。マウントベース305がピン3051を有することにより、制御基板303及び動力基板304をマウントベース305に配置する際に、各々の基板のアンプモジュール301接続用のコネクタ3033,3041が対応する位置となるように、制御基板303と動力基板304を容易に位置決めすることができる。
また、本実施形態では特に、制御基板303の端部に貫通孔3035が設けられると共に、動力基板304の端部に貫通孔3043が設けられており、マウントベース305に立設されたピン3051が、重ね合わされた状態の貫通孔3035,3043に挿通されることにより、制御基板303と動力基板304とが位置決めされる。これにより、コネクタ3033,3041が対応する位置となるように制御基板303と動力基板304とを容易に精度良く位置決めすることができる。
また、本実施形態では特に、アンプモジュール302は、対応するモータ100の容量に係わらず略同一の外径寸法を有するように、構成されている。これにより、モータ容量の異なる複数のモータ100を使用する場合でも、多軸モータ駆動装置300においては1台の筐体及びマウントベース305により対応することができる。したがって、省スペース化及び省コスト化を図ることができる。
なお、実施の形態は、上記内容に限られるものではなく、その趣旨及び技術的思想を逸脱しない範囲内で種々の変形が可能である。以下、そのような変形例を順を追って説明する。
(1)制御演算部をマウントベースに接触配置する場合
上記実施形態では、制御基板303に備えられた各制御演算部3031を、それぞれ、制御基板303のマウントベース305側とは反対側の面に設けていたが、これに限られない。すなわち、図4に示すように、制御基板303に備えられた各制御演算部3031を、それぞれ、制御基板303のマウントベース305側の面、すなわち制御基板303の裏面(図4中左側の面)に、マウントベース305に接触するように設けてもよい。
この場合も、上記実施形態と同様の効果を得ることができる。このような構成とすることにより、制御演算部3031のスイッチング動作によって発生する熱をマウントベース305に熱伝導させて効率良く放熱することができる。
(2)アンプモジュールにガイドを設ける場合
すなわち、アンプモジュール302に、制御基板303及び動力基板304のコネクタ3033,3041とアンプモジュール302のコネクタ3022,3023とをスムーズに嵌合させるためのガイドを設けてもよい。
図5に示すように、本変形例におけるマウントベース305の表面(図5中右側の面)の端部には、複数のガイド用ピン3052(第2突起部)が立設されている。各ガイド用ピン3052の先端側には、それぞれ、雌ネジ3053が設けられている。また、本変形例における各アンプモジュール302の上端部(図5中上端部)及び下端部(図5中下端部)には、それぞれ、貫通孔3025(第3貫通孔)が設けられ、当該貫通孔3025に対しガイド用ピン3052を挿通させた後、ガイド用ピン3052の雌ネジ3053に対して雄ネジSを螺合させてアンプモジュール302をマウントベース305に固定可能なガイド3024(ガイド部)が設けられている。そして、これらガイド用ピン3052及びガイド3024によりアンプモジュール302をマウントベース305に固定する。したがって、ガイド用ピン3052及びガイド3024が、特許請求の範囲に記載の固定部を構成する。
すなわち、制御基板303及び動力基板304に対してアンプモジュール302を接続する際には、制御基板303及び動力基板304のコネクタ3033,3041とアンプモジュール302のコネクタ3022,3023とをスムーズに嵌合させるために、まず、マウントベース305に立設された各ガイド用ピン3052と、アンプモジュール302に設けられた各ガイド3024の貫通孔3025とを嵌合させる。その後、制御基板303及び動力基板304のコネクタ3033,3041と、アンプモジュール302のコネクタ3022,3023とを嵌合させることにより、制御基板303及び動力基板304とアンプモジュール302とを接続させる。そして、各ガイド3024の貫通孔3025に挿通された各ガイド用ピン3052の雌ネジ3053に対して雄ネジSを螺合させることにより、アンプモジュール302がマウントベース305に固定される。なお、前述の実施形態のように、各ガイド3024の貫通孔3025に挿通された各ガイド用ピン3052の先端を各貫通孔3025より突出させて、それら突出した各ガイド用ピン3052の先端にキャップを各々取り付けることにより、アンプモジュール302をマウントベース305に固定するようにしてもよい。
本変形例においても、上記実施形態と同様の効果を得ることができる。また、ガイド用ピン3052及びガイド3024を用いてアンプモジュール302をマウントベース305に固定することにより、制御基板303及び動力基板304のコネクタ3033,3041とアンプモジュール302のコネクタ3022,3023とをスムーズに嵌合させることができる。さらに、ガイド3024の貫通孔3025に対しガイド用ピン3052を挿通させた後、ガイド用ピン3052の雌ネジ3053に対して雄ネジSを螺合させてアンプモジュール302をマウントベース305に固定することにより、アンプモジュール302をより確実にマウントベース305に固定することができる。
(3)その他
以上においては、多軸モータ駆動装置300が1乃至8台のアンプモジュール302を備えた場合を一例として説明したが、アンプモジュールの数はこれに限定されず、9台以上でもよい。
また、以上既に述べた以外にも、上記実施形態や各変形例による手法を適宜組み合わせて利用しても良い。
その他、一々例示はしないが、上記実施形態や各変形例は、その趣旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更が加えられて実施されるものである。
1 多軸モータ駆動システム
100 モータ
200 コントローラ(上位制御装置)
300 多軸モータ駆動装置
302 アンプモジュール
303 制御基板
304 動力基板
305 マウントベース
3021 スイッチング素子
3024 ガイド(ガイド部)
3025 貫通孔(第3貫通孔)
3031 制御演算部(制御IC)
3033 コネクタ
3035 貫通孔(第1貫通孔)
3041 コネクタ
3043 貫通孔(第2貫通孔)
3051 ピン(第1突起部)
3052 ガイド用ピン(第2突起部)
3053 雌ネジ
S 雄ネジ

Claims (8)

  1. 少なくとも1つのモータ(100)を駆動する多軸モータ駆動装置(300)であって、
    前記モータ(100)に電力を供給する少なくとも1つのアンプモジュール(302)と、
    前記アンプモジュール(302)と接続され、上位制御装置(200)からのモータ制御指令に基づき前記アンプモジュール(302)が有するスイッチング素子(3021)を制御するための信号線が配置された制御基板(303)と、
    前記アンプモジュール(302)と接続され、当該アンプモジュール(302)に対して電力を供給するための動力線が配置された、前記制御基板(303)とは別基板として構成された動力基板(304)と、
    前記制御基板(303)の一部と前記動力基板(304)の一部とが互いに重なり合うように前記制御基板(303)及び前記動力基板(304)の相対位置を位置決めする、当該重なり合う部位に設けられた位置決め部(3051)と、
    を備え
    ことを特徴とする多軸モータ駆動装置。
  2. 前記制御基板(303)及び前記動力基板(304)は、
    前記アンプモジュール(302)を並設して挿抜可能に接続できるコネクタ(3033,3041)を各々有しており、
    前記コネクタ(3033,3041)は、
    前記制御基板(303)及び前記動力基板(304)が、前記位置決め部(3051)によって位置決めされた状態で一括して前記アンプモジュール(302)と接続可能となるように、前記制御基板(303)及び前記動力基板(304)の前記アンプモジュール(302)側となる位置に配置されている
    ことを特徴とする請求項1に記載の多軸モータ駆動装置。
  3. 前記制御基板(303)及び前記動力基板(304)が配置される共通のマウントベース(305)をさらに備え、
    前記位置決め部(3051)は、前記マウントベース(305)に設けられている
    ことを特徴とする請求項2に記載の多軸モータ駆動装置(300)。
  4. 前記位置決め部(3051)は、
    前記マウントベース(305)に立設され、前記制御基板(303)のうち前記動力基板(304)と重なる側の端部に設けられた第1貫通孔(3035)と前記動力基板(304)のうち前記制御基板(303)と重なる側の端部に設けられた第2貫通孔(3043)とが重ね合わされた状態で、それら第1及び第2貫通孔(3035,3043)に挿通される第1突起部(3051)である
    ことを特徴とする請求項3に記載の多軸モータ駆動装置(300)。
  5. 前記制御基板(303)に搭載された制御ICは、
    前記制御基板(303)の前記マウントベース(305)側の面に、前記マウントベース(305)に接触するように設けられている
    ことを特徴とする請求項3又は4に記載の多軸モータ駆動装置(300)。
  6. 前記アンプモジュール(302)を前記マウントベース(305)に固定する固定部(3052,3024)をさらに有し、
    前記固定部は、
    前記マウントベース(305)に立設され、雌ネジ(3053)が設けられた第2突起部(3052)と、
    第3貫通孔(3025)が設けられ、当該第3貫通孔(3025)に前記第2突起部(3052)を挿通させた後、前記雌ネジ(3053)に対して雄ネジ(S)を螺合させて前記アンプモジュール(302)を前記マウントベース(305)に固定可能な前記アンプモジュール(302)に設けられたガイド部(3024)と、を備える
    ことを特徴とする請求項3乃至5のいずれか1項に記載の多軸モータ駆動装置(300)。
  7. 前記アンプモジュール(302)は、
    対応する前記モータ(100)の容量に係わらず略同一の外径寸法を有するように、構成されている
    ことを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項に記載の多軸モータ駆動装置(300)。
  8. 少なくとも1つのモータ(100)と、
    モータ制御指令を出力する上位制御装置(200)と、
    前記モータ制御指令に応じて、前記モータ(100)を駆動する請求項1乃至7のいずれか1項に記載の多軸モータ駆動装置(300)と、を備えた
    ことを特徴とする多軸モータ駆動システム(1)。
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