JP5429181B2 - モータ制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、非常停止信号によってモータへの電力を遮断する非常停止機能を有したモータ制御装置に関する。

モータ制御装置は、一般的に、モータの速度や位置を制御する制御回路と、交流を直流に電力変換する整流回路と、駆動モータに電流を供給する駆動回路とにより構成されている。また、駆動回路のパワートランジスタがスイッチングすることで、モータに対する電力供給を行っている。

従来、非常停止機能を有したモータ制御装置では、例えば、非常停止信号が入力されると、駆動回路はパワートランジスタへのＯＮ／ＯＦＦ信号の出力を停止する。これにより、パワートランジスタからモータへの電力供給が停止するため、モータを非常停止させることができる。

一方、モータ制御装置を組み込んだロボット制御装置や設備機器にまで範囲を広げた場合、例えば、次のような非常停止の処理が行われる。すなわち、このような機器に対して非常停止信号が入力されると、まず、機器側の制御回路が非常停止信号を判断する処理を行う。そして、機器側の制御回路は、必要に応じてモータ制御装置に対し、動作指令を遮断することによりモータを非常停止させる。

また、従来、モータ制御装置内の非常停止回路の故障リスクを低減するような技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。このような従来の非常停止回路は、非常停止信号を２系統備えている。それぞれの非常停止信号は、個別のＣＰＵ（中央演算装置）に入力され、ＣＰＵ間で信号の整合性を確認する。非常停止回路は、この確認に基づいてゲートドライブの信号を遮断し、モータを非常停止する。このように、従来の非常停止回路は、非常停止信号を２系統備えた構成とすることにより、安全性の向上を図っていた。

しかしながら、上述した従来の非常停止回路のように、非常停止信号の伝達経路を２系統にしても、モータに対する遮断機能は１つだけである。このため、遮断機能自身に故障が発生すると、モータを非常停止できないおそれがあるという課題があった。

また、上述した従来の非常停止回路は、非常停止信号の伝達回路にＣＰＵが介在した構成であるため、複雑なソフトウエアの処理が必要となる。このため、ソフトウエアに問題がある場合、非常停止信号が入力されても正常に処理されない可能性があった。

さらに、上述した従来の非常停止回路は、ＣＰＵによるソフトウエア処理を介してモータ電力を遮断する構成であるため、ソフトウエアの設定による時間間隔での信号確認処理が必要となり、信号処理間隔の時間だけ対応が遅れることになる。

このように、従来、モータ制御装置内の非常停止機能に故障が発生した場合には、使用者の意図とは異なりモータが動作し続ける可能性があったため、モータ制御装置のさらなる安全性の向上が必要であった。

特開２００６−２６８１３０号公報

本発明のモータ制御装置は、少なくとも２つの非常停止信号を入力する入力ポートを備え、生成したＰＷＭ信号に基づきモータを駆動制御するモータ制御装置である。本モータ制御装置は、ＰＷＭ信号を生成するＬＳＩと、ＬＳＩで生成されたＰＷＭ信号を伝送するＰＷＭ信号伝送回路と、ＰＷＭ信号伝送回路により伝送されたＰＷＭ信号に基づきインバータ駆動信号を生成する駆動回路と、Ｐ側パワースイッチング素子およびＮ側パワースイッチング素子を有し、インバータ駆動信号に基づきモータの各相巻線に印加するモータ駆動信号を生成するインバータ回路とを備える。また、駆動回路は、Ｐ側パワースイッチング素子を駆動するＰ側駆動回路と、Ｎ側パワースイッチング素子を駆動するＮ側駆動回路とを有する。さらに、非常停止信号の１つは、Ｐ側駆動回路とＰＷＭ信号伝送回路とに入力され、非常停止信号の他の１つは、Ｎ側駆動回路とＰＷＭ信号伝送回路とに入力される。そして、ＰＷＭ信号伝送回路は、入力された非常停止信号に応答してＰＷＭ信号の伝送を停止するとともに、駆動回路は、入力された非常停止信号に応答してインバータ駆動信号の出力を停止する。

このような構成により、複数の入力ポートを備えたことによる非常停止信号の複線化に加えて、モータに対する遮断機能に対しても複線化を図ることができる。すなわち、２つの非常停止信号は、Ｐ側駆動回路とＮ側駆動回路およびＰＷＭ信号伝達回路に分割して供給される。また、それぞれの回路は、非常停止信号に応じてモータへの電力供給を遮断するように動作する。このため、いずれか一方の非常停止信号により、いずれかの遮断機能によって、モータへの電力供給を遮断することができ、モータ制御装置の非常停止動作の機能不全リスクを低減することができる。したがって、本発明によれば、モータ制御装置内の非常停止機能の信頼性を高め、モータ制御装置の安全性を向上させることができる。

図１は、本発明の実施の形態１におけるモータ制御装置の構成を示すブロック図である。 図２は、本発明の実施の形態２におけるモータ制御装置の構成を示すブロック図である。

以下、本発明のモータ制御装置について図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１におけるモータ制御装置の構成を示すブロック図である。

図１に示すように、モータ制御装置１０は、制御回路１２と整流回路１３と駆動回路１４とで構成され、モータ１５に接続されている。モータ制御装置１０は、このような構成により、モータ１５を駆動し、その回転動作を制御する。制御回路１２は、モータ１５を駆動制御するために必要な信号を生成するとともに、モータ制御装置１０内の各種制御処理などを行う。整流回路１３は、電源１６から供給された交流電力を直流電力に変換し、駆動回路１４にその直流電力を供給する。駆動回路１４は、整流回路１３からの直流電力を用いて、制御回路１２からの信号に基づきモータ１５を回転駆動するためのモータ駆動信号を生成し、このモータ駆動信号をモータ１５に出力する。

本実施の形態では、モータ１５は、一般にＵ、Ｖ、Ｗ相と呼ばれるように３つの相に分割され、それぞれ相に対応する相巻線を有した一例を挙げて説明する。モータ１５は、各相に対応した波形のモータ駆動信号がそれぞれの相巻線に印加されることで回転する。各相のこのような波形は、例えば位相差１２０度というように、相間で所定の位相差をもっている。

また、モータ制御装置１０は、外部の機器などと信号の受渡しを行う入力ポートとしてのＩ／Ｆ（インターフェイス）コネクタ１１を備えている。Ｉ／Ｆコネクタ１１の各ピンは、そのピンに割り当てられた機能に応じて、制御回路１２の回路部品に接続されている。Ｉ／Ｆコネクタ１１には、例えば、回転速度や回転位置などの指令を示す指令信号とともに非常停止信号が外部から入力される。非常停止信号は、上述したように、モータ１５を非常停止させるための信号である。本実施の形態では、２つの非常停止信号が入力される一例を挙げて説明する。なお、非常停止信号は、少なくとも２つの非常停止信号であればよい。

制御回路１２は、ＬＳＩ（Ｌａｒｇｅ Ｓｃａｌｅ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔ）２１と、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）２２と、２つの非常停止伝達回路２３とを含む構成である。

それぞれの非常停止伝達回路２３は、Ｉ／Ｆコネクタ１１に入力された非常停止信号をバッファリングし、バッファリングされた非常停止信号をＣＰＵ２２および駆動回路１４に通知する。非常停止伝達回路２３は、フォトカプラとＣＲフィルタおよびバッファＩＣなどで構成される。本実施の形態では、非常停止信号をこのような非常停止伝達回路２３を介してモータ制御装置１０内部に供給するような構成としており、これによって、ノイズなどの影響を抑制し、非常停止信号の信頼性を高めている。

ＣＰＵ２２は、マイクロプロセッサなどであり、各信号の送受信やモータ制御装置１０の各回路のモニタリングなどを行うとともに、非常停止信号を監視する。

ＬＳＩ２１は、回路を集積した集積回路であり、モータ１５の速度や位置などの回転制御を行う。このような回転制御を行うため、モータ１５にはモータ１５の回転位置を検出するエンコーダ５１が配置されている。エンコーダ５１で検出された位置情報は、検出位置情報ＰｄとしてＬＳＩ２１に通知される。また、ＬＳＩ２１には、Ｉ／Ｆコネクタ１１に入力された位置指令信号に応じた位置指令ＰｓがＣＰＵ２２を介して通知される。ＬＳＩ２１は、検出位置情報ＰｄとＣＰＵ２２からの位置指令Ｐｓとに基づき、モータ１５の回転位置が位置指令Ｐｓに応じた位置となるようにフィードバック制御する。なお、フィードバック制御によりモータ１５の速度制御を行う構成であってもよい。

ＬＳＩ２１は、このようなフィードバック制御を行うため、モータ１５の各相巻線へ印加する波形を有した波形信号を生成し、この波形信号をパルス幅変調（ＰＷＭ）したＰＷＭ信号を生成する。また、ＬＳＩ２１は、ＰＷＭ信号を３つの相に対応づけて区分し、以下で説明するようにＰ側とＮ側とにさらに２つに区分し、合計６つとなるＰＷＭ信号を生成する。ＬＳＩ２１は、このように生成した６つのＰＷＭ信号を駆動回路１４に供給する。

また、ＣＰＵ２２は、上述のように２つの非常停止信号を監視する非常停止監視部としての機能も備えている。ＣＰＵ２２は、非常停止信号において非常停止が通知されたとき、これに応答して、ＰＷＭ信号の生成を停止するようＬＳＩ２１を制御する。

次に、駆動回路１４は、ＰＷＭ信号伝送回路４１とインバータ駆動回路４２とインバータ回路４４とを含む構成である。

インバータ回路４４は、ＰＷＭ信号に基づく３相分のモータ駆動信号を生成し、このモータ駆動信号によりモータ１５を回転駆動する。インバータ回路４４は、このようなモータ駆動信号を生成するため、正極と負極との２つをペアとした３相分、すなわち６つのパワースイッチング素子を備えている。図１では、整流回路１３からの直流電力の正極側（Ｐ側）に接続された３つのＰ側パワースイッチング素子４ｐ、および直流電力の負極側（Ｎ側）に接続された３つのＮ側パワースイッチング素子４ｎを示している。各パワースイッチング素子４ｐ、４ｎがＰＷＭ信号に基づいて順次スイッチング動作することでモータ駆動信号が生成され、このモータ駆動信号に応じてモータ１５が回転動作する。また、パワースイッチング素子４ｐ、４ｎをスイッチング動作させるため、ＬＳＩ２１で生成されたＰＷＭ信号がＰＷＭ信号伝送回路４１およびインバータ駆動回路４２を介してインバータ回路４４に伝送される。伝送されたＰＷＭ信号は、インバータ駆動信号として、インバータ駆動回路４２からパワースイッチング素子４ｐ、４ｎに供給される。

ＰＷＭ信号伝送回路４１は、ＬＳＩ２１から供給されたＰＷＭ信号をインバータ駆動回路４２に伝送する。また、特に、ＰＷＭ信号伝送回路４１には、非常停止伝達回路２３それぞれから、非常停止信号が供給されている。そして、ＰＷＭ信号伝送回路４１は、このように供給された２系統の非常停止信号の少なくともいずれか一方において非常停止が通知されたとき、これに応答して、インバータ駆動回路４２へのＰＷＭ信号の伝送を停止する。

インバータ駆動回路４２は、ＬＳＩ２１からのＰＷＭ信号に基づき、パワースイッチング素子４ｐ、４ｎをスイッチング動作させるインバータ駆動信号を生成する。インバータ駆動回路４２は、３つのＰ側パワースイッチング素子４ｐを駆動するためのＰ側駆動回路４３ｐと、３つのＮ側パワースイッチング素子４ｎを駆動するためのＮ側駆動回路４３ｎとで構成される。そして、非常停止伝達回路２３それぞれから、Ｐ側駆動回路４３ｐには２つの非常停止信号のうち一方、またＮ側駆動回路４３ｎには他方の非常停止信号が供給される。Ｐ側駆動回路４３ｐおよびＮ側駆動回路４３ｎは、非常停止信号により非常停止が通知されたとき、これに応答して、インバータ駆動信号の生成を停止する。

次に、以上のように構成されたモータ制御装置１０の動作について、特に非常停止機能を中心に説明する。

まず、Ｉ／Ｆコネクタ１１は、２ピンを非常停止信号の入力ポートとして割り当てている。Ｉ／Ｆコネクタ１１に供給された２系統の非常停止信号は、非常停止伝達回路２３を介し、独立して駆動回路１４に伝達される。これ加えて、ＣＰＵ２２が、それぞれの非常停止信号による非常停止の通知の有無を監視している。

一方、２系統の非常停止信号は、駆動回路１４のＰＷＭ信号伝送回路４１に設けた専用端子と個別に接続されている。また、この２系統の非常停止信号の一方がＰ側駆動回路４３ｐに接続、他方がＮ側駆動回路４３ｎに接続されている。

このように、モータ制御装置１０は、非常停止信号の１つがＰ側駆動回路４３ｐとＰＷＭ信号伝送回路４１とに入力され、非常停止信号の他の１つが、Ｎ側駆動回路４３ｎとＰＷＭ信号伝送回路４１とに入力される構成を有している。さらに、ＣＰＵ２２は、２つの非常停止信号を監視しており、非常停止信号に応答してＰＷＭ信号の生成を停止するようＬＳＩ２１を制御する。

ここで、Ｉ／Ｆコネクタ１１の２系統の入力ポートに非常停止信号が入力されると、ＰＷＭ信号伝送回路４１とＰ側駆動回路４３ｐおよびＮ側駆動回路４３ｎとに非常停止が通知される。この通知に応答して、Ｐ側駆動回路４３ｐおよびＮ側駆動回路４３ｎの少なくとも一方は、インバータ駆動信号の生成を停止する。そして、インバータ駆動信号の生成を停止することで、インバータ駆動信号の出力も停止する。特に、３相のＰＷＭ制御でモータ１５を駆動するインバータ回路４４は、Ｐ側パワースイッチング素子４ｐとＮ側パワースイッチング素子４ｎとの少なくともどちらかのスイッチングが停止すると、モータ１５へ通電しなくなる。すなわち、Ｐ側駆動回路４３ｐおよびＮ側駆動回路４３ｎの少なくとも一方でインバータ駆動信号の生成が停止すると、これに対応してインバータ回路４４のスイッチングも停止する。そして、モータ１５への通電も停止するため、このような動作がモータ１５に対する遮断機能として作用し、モータ１５の回転が停止することになる。

また、ＰＷＭ信号伝送回路４１は、非常停止の通知に応答してＰＷＭ信号の伝送を停止する。ＰＷＭ信号伝送回路４１がＰＷＭ信号の伝送を停止すると、インバータ駆動回路４２からインバータ駆動信号が出力されなくなる。そして、インバータ回路４４のスイッチングも停止する。このため、これによっても、モータ１５への通電が停止し、モータ１５に対する遮断機能として作用して、モータ１５の回転も停止することになる。

さらに、ＣＰＵ２２は、ＬＳＩ２１に対してＰＷＭ信号の生成を停止させる。ＬＳＩ２１がＰＷＭ信号の生成を停止すると、インバータ駆動回路４２にはＰＷＭ信号が伝送されなくなるため、インバータ駆動回路４２からインバータ駆動信号が出力されなくなる。そして、インバータ回路４４のスイッチングも停止する。このため、これによっても、モータ１５への通電が停止し、モータ１５に対する遮断機能として作用して、モータ１５の回転も停止することになる。

このように、本実施の形態では、非常停止信号の伝達経路を２系統とし、２系統の非常停止信号のいずれかが有効であれば、モータを非常停止させることができる。さらに、本実施の形態では、２系統の非常停止信号に基づき、ＬＳＩ２１でのＰＷＭ信号生成の停止、ＰＷＭ信号伝送回路４１でのＰＷＭ信号伝送の停止、およびインバータ駆動回路４２でのインバータ駆動信号生成の停止の少なくともいずれかによって、モータ１５を非常停止させることができる。このように、本実施の形態は、モータ１５に対する遮断機能に対しても複線化を図っている。すなわち、このような遮断機能の複線化によって、いずれか遮断機能に故障が発生しても、他の遮断機能によりモータを非常停止させることができる。このため、モータ制御装置の非常停止動作の機能不全リスクを低減することができる。さらに、複数の遮断機能のうち最も応答の早い遮断機能によってモータ１５を非常停止させることができるため、非常停止機能の応答性も高めることができる。

また、本実施の形態では、２系統の非常停止信号の一方をＰ側駆動回路４３ｐに接続し、他方をＮ側駆動回路４３ｎに接続するよう構成している。すなわち、上述したように、インバータ回路４４のＰ側パワースイッチング素子４ｐとＮ側パワースイッチング素子４ｎとの少なくともどちらかのスイッチングを停止すればモータ１５への通電も停止する。このため、この構成により、Ｐ側駆動回路４３ｐとＮ側駆動回路４３ｎとのいずれか早い応答によりモータ１５を非常停止させることができ、これによっても非常停止機能の応答性を高めることができる。

以上、本実施の形態は、いずれか一方の非常停止信号により、いずれかの遮断機能によって、モータへの電力供給を遮断することができる。このため、非常停止機能の応答性を高めるとともに、モータ制御装置の非常停止動作の機能不全リスクを低減することができる。

（実施の形態２）
図２は、本発明の実施の形態２におけるモータ制御装置の構成を示すブロック図である。

本実施の形態のモータ制御装置１０は、実施の形態１との比較において、Ｐ側電源遮断回路４５ｐとＮ側電源遮断回路４５ｎをさらに備えた構成である。そして、Ｐ側電源遮断回路４５ｐにはＰ側駆動回路４７ｐが接続され、Ｎ側電源遮断回路４５ｎにはＮ側駆動回路４７ｎが接続される。なお、実施の形態１と同じ構成要素には同じ符号を付しており、これらの詳細な説明は省略する。

図２に示すように、Ｐ側電源遮断回路４５ｐは、トランジスタで構成され、Ｐ側駆動回路４７ｐへの電源供給をＯＮ／ＯＦＦする。Ｐ側電源遮断回路４５ｐには一方の非常停止信号が接続され、この非常停止信号によって非常停止が通知されると、Ｐ側電源遮断回路４５ｐは、Ｐ側駆動回路４７ｐへの電源供給を停止する。なお、Ｐ側駆動回路４７ｐは、実施の形態１で説明したＰ側駆動回路４３ｐと同様に、インバータ駆動信号を生成する機能を有している。ここで、Ｐ側電源遮断回路４５ｐによりＰ側駆動回路４７ｐへの電源供給を停止すると、Ｐ側駆動回路４７ｐは、インバータ駆動信号の生成を停止することになる。

また、同様に、Ｎ側電源遮断回路４５ｎは、トランジスタで構成され、Ｎ側駆動回路４７ｎへの電源供給をＯＮ／ＯＦＦする。Ｎ側電源遮断回路４５ｎには他方の非常停止信号が接続され、この非常停止信号によって非常停止が通知されると、Ｎ側電源遮断回路４５ｎは、Ｎ側駆動回路４７ｎへの電源供給を停止する。なお、Ｎ側駆動回路４７ｎは、実施の形態１で説明したＮ側駆動回路４３ｎと同様に、インバータ駆動信号を生成する機能を有している。ここで、Ｎ側電源遮断回路４５ｎによりＮ側駆動回路４７ｎへの電源供給を停止すると、Ｎ側駆動回路４７ｎは、インバータ駆動信号の生成を停止することになる。

このように、Ｐ側電源遮断回路４５ｐとＮ側電源遮断回路４５ｎとを使用することで、実施の形態１で説明したＰ側駆動回路４３ｐおよびＮ側駆動回路４３ｎのようにインバータ駆動信号の生成を停止する機能の搭載は必要ない。すなわち、このようなインバータ駆動信号の生成を停止する機能を実現するための素子などが不要となり、回路構成の自由度が向上する。

以上説明したように、本発明のモータ制御装置は、非常停止信号の１つがＰ側駆動回路あるいはＰ側電源遮断回路とＰＷＭ信号伝送回路とに入力され、非常停止信号の他の１つが、Ｎ側駆動回路あるいはＮ側電源遮断回路とＰＷＭ信号伝送回路とに入力される構成を有している。さらに、ＣＰＵは、２つの非常停止信号を監視しており、非常停止信号に応答してＰＷＭ信号の生成を停止するようＬＳＩを制御する。このように、本発明のモータ制御装置は、複数の入力ポートを備えたことによる非常停止信号の複線化に加えて、モータに対する遮断機能に対しても複線化を図っている。

このため、本発明のモータ制御装置は、いずれか一方の非常停止信号により、いずれかの遮断機能によって、モータへの電力供給を遮断することができ、非常停止機能の応答性を高めるとともに、モータ制御装置の非常停止動作の機能不全リスクを低減することができる。したがって、本発明によれば、モータ制御装置内の非常停止機能の信頼性を高め、モータ制御装置の安全性を向上させることができる。

本発明は、モータ制御装置を搭載した機器の非常停止機能の信頼性向上と安全性向上を図れるため、例えば、安全性が重要となる産業用モータやその他のモータを制御するモータ制御装置に有用である。

４ｐ Ｐ側パワースイッチング素子
４ｎ Ｎ側パワースイッチング素子
１０ モータ制御装置
１１ Ｉ／Ｆコネクタ
１２ 制御回路
１３ 整流回路
１４ 駆動回路
１５ モータ
１６ 電源
２１ ＬＳＩ
２２ ＣＰＵ
２３ 非常停止伝達回路
４１ ＰＷＭ信号伝送回路
４２ インバータ駆動回路
４３ｐ，４７ｐ Ｐ側駆動回路
４３ｎ，４７ｎ Ｎ側駆動回路
４４ インバータ回路
４５ｐ Ｐ側電源遮断回路
４５ｎ Ｎ側電源遮断回路
５１ エンコーダ

Claims (3)

1. 少なくとも２つの非常停止信号を入力する入力ポートを備え、生成したＰＷＭ信号に基づきモータを駆動制御するモータ制御装置であって、
   前記ＰＷＭ信号を生成するＬＳＩと、
   前記ＬＳＩで生成された前記ＰＷＭ信号を伝送するＰＷＭ信号伝送回路と、
   前記ＰＷＭ信号伝送回路により伝送された前記ＰＷＭ信号に基づき、インバータ駆動信号を生成する駆動回路と、
   Ｐ側パワースイッチング素子およびＮ側パワースイッチング素子を有し、前記インバータ駆動信号に基づき、前記モータの各相巻線に印加するモータ駆動信号を生成するインバータ回路とを備え、
   前記駆動回路は、前記Ｐ側パワースイッチング素子を駆動するＰ側駆動回路と、前記Ｎ側パワースイッチング素子を駆動するＮ側駆動回路とを有し、
   前記非常停止信号の１つは、前記Ｐ側駆動回路と前記ＰＷＭ信号伝送回路とに入力され、前記非常停止信号の他の１つは、前記Ｎ側駆動回路と前記ＰＷＭ信号伝送回路とに入力され、
   前記ＰＷＭ信号伝送回路は、入力された前記非常停止信号に応答して前記ＰＷＭ信号の伝送を停止するとともに、前記駆動回路は、入力された前記非常停止信号に応答して前記インバータ駆動信号の出力を停止することを特徴とするモータ制御装置。
2. 前記非常停止信号を監視する非常停止監視部をさらに備え、
   前記非常停止監視部は、前記非常停止信号に応答して、前記ＰＷＭ信号の生成を停止するよう前記ＬＳＩを制御することを特徴とする請求項１に記載のモータ制御装置。
3. １つの前記非常停止信号に応答して、前記Ｐ側駆動回路への電源供給を遮断するＰ側電源遮断回路と、他の１つの前記非常停止信号に応答して、前記Ｎ側駆動回路への電源供給を遮断するＮ側電源遮断回路とをさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載のモータ制御装置。

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