JP5471998B2 - ロボットシステム - Google Patents

Description

本発明は、ロボットの各軸を駆動するためのモータから減速動作時に回生するエネルギーを消費するための回生消費回路を備えたロボットシステムに関する。

ロボットの各関節（各軸）は、それぞれモータにより駆動されるようになっており、これらモータは、コントローラに内蔵されるモータアンプ（駆動手段）により駆動される。このモータアンプは、例えばインバータ回路を主体として構成されており、電源回路から一対の電源線を介して与えられる直流電圧（バス電圧）を所定の周波数を持つ交流電圧に変換してモータへの電力供給を行う。

このような構成において、モータを減速動作させる際にはモータ側からモータアンプ側にエネルギーが回生され、これに伴いバス電圧が上昇する。このため、コントローラには、電源線に接続される各回路素子（インバータ回路のスイッチング素子、電源線間に接続されるコンデンサなど）の定格を超えてバス電圧が上昇しないように、上記回生されたエネルギー（回生エネルギー）を熱エネルギーに変換して放出する回生消費回路が設けられている。

回生消費回路では、電源線間に直列に設けられた回生抵抗に回生電流を流すことで、回生エネルギーを熱エネルギーに変換している。つまり、回生エネルギーは、有効利用されることなく、回生消費回路により消費されていた。ロボットシステム全体としての省エネルギー化を図るため、上記回生エネルギーを有効に利用したいという要望がある。また、一方では、例えばモータの加速動作時など、高速運転時においても高いトルクを発生させたいという要望もある。高速運転時に高いトルクを発生するためには、それに見合うだけの高い電力をモータに供給する必要がある。

特許文献１には、高いトルクを必要とする力行時にインバータ部に供給する直流電圧を昇圧することで、高いトルクを発生するのに十分な電力をモータに供給する構成が開示されている。また、特許文献１には、回生時にバッテリおよびインバータ間の電力供給経路に直列に介在するスイッチをオンすることでモータ側から回生するエネルギーをバッテリにて回収する構成が開示されている。

特開２０１０−２２１５７号公報

特許文献１に記載された構成をロボットシステムに用いれば、高いトルクが必要な際に、そのトルクをモータが発生するのに十分な電力供給を行うことは可能となる。しかし、ロボットシステムにおいて、バス電圧を供給する電源線間には、バッテリと比べて容量の小さいコンデンサのみが接続されている。つまり、ロボットシステムにおいては、そもそもバッテリを設けること自体が想定されていない。このため、バッテリに回生エネルギーを回収するという上記従来技術をロボットシステムに適用することはできない。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、高トルク運転時にモータに対して十分な電力を供給することができるとともに、減速動作時にモータから生じる回生エネルギーを有効利用することができるロボットシステムを提供することにある。

請求項１に記載の手段によれば、ロボットの各軸を駆動するためのモータは、駆動手段によって駆動される。この駆動手段は、電源回路から出力電源線および基準電源線を介して与えられる出力電圧の供給を受けて動作する。そして、駆動制御手段は、モータの回転速度を回転速度指令に一致させるように駆動手段によるモータの駆動をフィードバック制御する。また、出力電源線および基準電源線間には、回生スイッチ手段および回生抵抗の直列回路からなる回生消費回路が設けられている。そして、回生制御手段は、上記出力電圧を検出する出力電圧検出手段の検出値が回生消費電圧値未満のときにあっては回生スイッチ手段をオフし、上記検出値が回生消費電圧値以上のときにあっては回生スイッチ手段をオンする。

このような構成において、減速動作時にモータから回生されるエネルギー（回生エネルギー）は、出力電源線および基準電源線間に接続されたコンデンサに静電エネルギーとして蓄積される。つまり、モータの減速動作時には、回生エネルギーによりコンデンサが充電され、コンデンサの端子間電圧である出力電圧が上昇する。そして、出力電圧（出力電圧検出手段の検出値）が回生消費電圧値以上になると、回生消費回路の回生抵抗に電流を流すことで回生エネルギーを熱エネルギーとして放出し、出力電圧が回生消費電圧値未満になるようにその電圧上昇が抑えられる。

電源回路は、昇圧動作、降圧動作および非昇降圧動作を選択的に実行可能に構成されたものであり、インダクタ、第１のスイッチ手段、第１のダイオード、第２のスイッチ手段、第２のダイオードおよび第３のスイッチ手段を備えている。第１のスイッチ手段は、入力電源線とインダクタの一方の端子との間に接続されている。第１のダイオードは、インダクタの一方の端子と基準電源線との間に、基準電源線側をアノードとして接続されている。第２のスイッチ手段は、インダクタの他方の端子と基準電源線との間に接続されている。第２のダイオードは、インダクタの他方の端子と出力電源線との間に、インダクタの他方の端子をアノードとして接続されている。第３のスイッチ手段は、インダクタの一方の端子と出力電源線との間に接続されている。

電源制御手段は、外部から与えられる動作指令および動作状態判断手段の判断結果に応じて、電源回路の動作を制御する。動作状態判断手段は、回転速度指令を用いてモータの動作状態を判断するものである。具体的には、電源制御手段は、昇圧動作の実行を指令する動作指令が与えられると、第１のスイッチ手段をオンするとともに第３のスイッチ手段をオフした状態で、出力電圧検出手段の検出値が昇圧値となるように第２のスイッチ手段をスイッチング（チョッパ）する。なお、昇圧値は、入力電圧の値よりも高い所定値である。これにより、電源回路は、入力電源線および基準電源線を介して与えられる入力電圧を昇圧して出力電源線および基準電源線を介して出力する昇圧コンバータとして機能する。また、電源制御手段は、降圧動作の実行を指令する動作指令が与えられると、第２および第３のスイッチ手段をオフした状態で、出力電圧検出手段の検出値が降圧値となるように第１のスイッチ手段をスイッチング（チョッパ）する。なお、降圧値は、入力電圧の値よりも低い所定値である。これにより、電源回路は、入力電圧を降圧して出力する降圧コンバータとして機能する。また、電源制御手段は、非昇降圧動作の実行を指令する動作指令が与えられると、第１のスイッチ手段をオンするとともに、第２および第３のスイッチ手段をオフする。これにより、電源回路は、入力電圧を昇圧および降圧のいずれもすることなく出力する。このときの出力電圧は、第１のスイッチ手段のオン状態での抵抗およびインダクタの等価直列抵抗による電圧降下分と、第２のダイオードの順方向電圧とを併せた分だけ入力電圧よりも低いものとなる。

電源回路が昇圧動作を実行する場合、入力電圧から昇圧値まで昇圧された出力電圧が駆動手段に供給される。このため、駆動手段は、比較的高い出力電圧の供給を受けてモータを駆動することができる。従って、電源回路が昇圧動作を実行することで、高いトルクを得るために十分な電力をモータに供給することが可能となる。これにより、例えばモータの高速回転状態のときにおいても高いトルクを出すことが可能になる。

電源回路が降圧動作を実行する場合、出力電圧は通常の電圧値（入力電圧の値にほぼ等しい電圧値）よりも低い降圧値まで降圧される。このため、モータの減速動作時、回生エネルギーにより上昇する出力電圧（コンデンサの端子間電圧）が回生消費電圧値に達するまでにコンデンサに蓄積可能なエネルギー量は、出力電圧を通常の電圧値にした場合（従来の構成）に比べると、通常の電圧値と降圧値との差に応じた量だけ多くなる。すなわち、コンデンサの空き容量を従来の構成に比べて増加させることで、減速動作時にコンデンサにより多くのエネルギーを蓄積することが可能となる。

このように、出力電圧を降圧値まで低下させることによって、減速動作時にコンデンサの端子間電圧が回生消費電圧値まで上昇しなければ、回生エネルギーを全て有効利用することができる。また、減速動作時にコンデンサの端子間電圧が回生消費電圧値まで上昇する場合でも、出力電圧を通常の電圧値にした場合に比べると、回生消費回路の動作時間を短くすることができるため、回生消費回路により消費されるエネルギー（無駄になるエネルギー）を低減し、残りの回生エネルギーを有効利用することが可能となる。

電源回路が非昇降圧動作を実行する場合、出力電圧は入力電圧にほぼ等しい電圧値となる。また、この場合、電源回路の第１および第２のスイッチ手段は、いずれもスイッチング動作しない。このため、電源回路の動作に伴う電力の消費量は極めて小さくなる。従って、駆動手段に供給する出力電圧が入力電圧とほぼ等しいものでよい場合、例えばモータの等速動作時などにおいて、電力の消費を抑えることが可能となる。

このような電源回路の動作状態を、ロボットの一連の動作に合わせて適宜切り替えることにより、加速動作時における高トルク出力、等速動作時における電力消費の低減および減速動作時における回生エネルギーの回収といった機能を実現することが可能となる。つまり、本手段によれば、電源回路の動作状態を適宜変更することにより、高トルク運転時にモータに対して十分な電力を供給することができるとともに、減速動作時にモータから生じる回生エネルギーを有効利用することができる。

また、電源制御手段は、動作状態判断手段によりモータが減速動作中であると判断された場合において、出力電圧検出手段の検出値が回生経路切替値に達すると、そのときの電源回路の動作状態にかかわらず、第１のスイッチ手段をオフするとともに第２のスイッチ手段をオンする。また、このとき、電源制御手段は、第３のスイッチ手段をオンする。回生経路切替値は、昇圧値よりも高く且つ回生消費電圧値より低い値に設定される。すなわち、回生経路切替値は、出力電圧の定常値（降圧動作時の降圧値〜昇圧動作時の昇圧値）よりも高く且つ回生消費電圧値よりも低い値に設定される。

このような構成により、モータの減速動作時において出力電圧検出手段の検出値が回生経路切替値に達した後は、出力電源線から第３のスイッチ手段、インダクタおよび第２のスイッチ手段を介して基準電源線に至る通電経路が形成され、モータ側から回生するエネルギーがインダクタに電磁エネルギーとして蓄積されるようになる。このようにして回生エネルギーがインダクタに蓄積される期間は、コンデンサに対する更なるエネルギーの蓄積は行われないため、その端子間電圧は上昇しない。このため、減速動作時に出力電圧が回生消費電圧値に達するタイミングが上記期間だけ遅くなることで回生消費回路の動作時間が短くなり、その分だけ無駄に消費されるエネルギー量が低減される。

そして、電源制御手段は、動作状態判断手段によりモータの減速動作が終了したと判断されると、第１〜第３のスイッチ手段のオンオフ状態を電源回路の動作状態に応じた状態に戻す。これにより、上記減速動作時にインダクタに蓄えられたエネルギーは、その減速動作の終了後に実行される加速動作などにおいて使用されることになる。すなわち、本手段によれば、減速動作時の回生エネルギーをさらに有効利用することが可能となる。

また、電源制御手段は、異常検出手段によりモータの異常が検出されると、または、外部から緊急停止を指令する緊急停止指令が与えられると、以下のようにしてモータに対してダイナミックブレーキをかける。すなわち、電源制御手段は、そのときの電源回路の動作状態にかかわらず、第１のスイッチ手段をオフするとともに第２のスイッチ手段をオンし、さらに第３のスイッチ手段をオンする。これにより、モータの相間が第３のスイッチ手段、インダクタおよび第２のスイッチ手段を介して短絡された状態になる。また、一般に、スイッチ手段はオンの状態であっても抵抗値がゼロであることはなく、所定の抵抗（オン抵抗）を有しており、インダクタは所定の等価直列抵抗を有している。

すなわち、モータの相間が所定の抵抗を介して短絡された状態になり、モータに対してダイナミックブレーキがかけられた状態となる。通常、ダイナミックブレーキをかけるためには、出力電源線および基準電源線間に、ダイナミックブレーキ専用のスイッチ手段および抵抗を直列に設ける必要がある。本手段によれば、電源回路の各スイッチ手段およびインダクタを用いて、ダイナミックブレーキをかけることが可能となるため、ダイナミックブレーキ専用のスイッチ手段および抵抗を設ける必要がなくなり、その分だけ回路構成を簡単化し、コスト低減を図ることが可能となる。

請求項２に記載した手段によれば、電源制御手段は、自動モードの実行を指令する動作指令が与えられると、動作状態判断手段の判断結果に応じて電源回路の動作状態を自動的に切り替える。具体的には、電源制御手段は、動作状態判断手段によりモータが加速動作中であると判断されるとき、昇圧動作を実行するように電源回路の動作を制御する。また、電源制御手段は、動作状態判断手段によりモータが等速動作中であると判断されるとき、非昇降圧動作を実行するように電源回路の動作を制御する。さらに、電源制御手段は、動作状態判断手段によりモータが減速動作中であると判断されるとき、降圧動作を実行するように電源回路の動作を制御する。すなわち、電源制御手段は、モータの加速動作時に昇圧動作を実行し、等速動作時に非昇降圧動作を実行し、減速動作時に降圧動作を実行するように、電源回路の動作状態を自動的に切り替える。

このように電源回路の動作状態を自動的に切り替えることにより、モータの加速動作時には入力電圧から昇圧値まで昇圧された出力電圧が駆動手段に供給される。このため、高いトルクを出すことが本来的に必要となる加速動作時において、その高いトルクを得るために十分な電力をモータに供給することが可能となる。また、モータの等速動作時には入力電圧にほぼ等しい出力電圧が駆動手段に供給される。この等速動作時には、加速動作時に比べて必要となるトルクが低い上、減速動作時のようにモータ側からエネルギーが回生されることもない。従って、電源回路の出力電圧としては入力電圧にほぼ等しいものでよい。このようなことから、等速動作時には電源回路に昇圧動作および降圧動作のいずれもさせない。これにより、昇圧動作および降圧動作の実行に伴って生じる電力の消費を抑えることができる。

また、モータの減速動作時には出力電圧を通常の電圧値（入力電圧の値にほぼ等しい電圧値）よりも低い降圧値まで降圧する。これにより、出力電圧を通常の電圧値にした場合に比べ、コンデンサの空き容量が増加するので、減速動作時にコンデンサにより多くのエネルギーを蓄積することが可能となる。このように電源回路の動作状態を自動的に切り替えることにより、ロボットの一連の動作に応じて必要とされる機能、すなわち加速動作時における高トルク出力、等速動作時における電力消費の低減および減速動作時における回生エネルギーの回収といった機能を自動的に実現することが可能となる。

請求項３に記載した手段によれば、電源制御手段は、高トルクモードの実行を指令する動作指令が与えられると、動作状態判断手段の判断結果にかかわらず、昇圧動作を実行するように電源回路の動作を制御する。このようにすれば、モータの動作状態にかかわらず、入力電圧から昇圧値まで昇圧された出力電圧が駆動手段に供給される。このため、高トルク出力のみを必要とする用途において、その機能を確実に実現することが可能となる。

請求項４に記載した手段によれば、電源制御手段は、省エネモードの実行を指令する動作指令が与えられると、動作状態判断手段の判断結果にかかわらず、降圧動作を実行するように電源回路の動作を制御する。このようにすれば、モータの動作状態にかかわらず、出力電圧を通常の電圧値よりも低い降圧値まで降圧することが可能となる。このため、回生エネルギーの回収のみを必要とする用途において、その機能を確実に実現することが可能となる。

本発明の一実施形態を示すロボットシステムの電気構成図 モータ制御の内容を等価的に示すブロック図 ロボットシステムの構成を概略的に示す図 回生消費回路の動作制御の内容を示すフローチャート 一連の動作を行う際の回転速度およびバス電圧を示す図 モータの動作状態を判断する制御の内容を示すフローチャート モータの速度指令および加速度指令を示す図 初期制御の内容を示すフローチャート 通常モード設定時の回転速度、バス電圧および各スイッチの状態を示す図 高トルクモード設定時の図９相当図 省エネモード設定時の図９相当図 電源自動切替制御の内容を示すフローチャート 自動モード設定時の回転速度およびバス電圧を示す図 回生経路切替制御の内容を示すフローチャート 回生経路切替制御が実行される際の図９相当図 ダイナミックブレーキ制御が実行される際の図９相当図

以下、本発明の一実施形態について図面を参照しながら説明する。
図３は、一般的な産業用ロボットのシステム構成を示している。図３に示すロボットシステム１は、ロボット２と、ロボット２を制御するコントローラ３と、コントローラ３に接続されたティーチングペンダント４とから構成されている。
ロボット２は、例えば６軸の垂直多関節型ロボットとして構成されている。ロボット２は、ベース５と、ベース５に水平方向に回転可能に支持されたショルダ部６と、ショルダ部６に上下方向に回転可能に支持された下アーム７と、下アーム７に上下方向に回転可能に支持された第１の上アーム８と、第１の上アーム８に捻り回転可能に支持された第２の上アーム９と、第２の上アーム９に上下方向に回転可能に支持された手首１０と、手首１０に捻り回転可能に支持されたフランジ１１とから構成されている。

ベース５、ショルダ部６、下アーム７、第１の上アーム８、第２の上アーム９、手首１０およびフランジ１１は、ロボット２のアームとして機能し、アーム先端であるフランジ１１には、図示はしないが、エンドエフェクタ（手先）が取り付けられる。ベース５、ショルダ部６、下アーム７、第１の上アーム８、第２の上アーム９、手首１０およびフランジ１１は、ロボット２のアームとして機能する。ロボット２の各アーム（複数の軸）はそれぞれに対応して設けられるモータ（図１に符号Ｍを付して示す）により駆動される。各モータの近傍には、それぞれの回転軸の回転位置を検出するための位置検出器（図示せず）が設けられている。

ティーチングペンダント４は、例えば使用者が携帯あるいは手に所持して操作可能な程度の大きさで、例えば薄型の略矩形箱状に形成されている。ティーチングペンダント４には、各種のキースイッチ１２が設けられており、使用者は、キースイッチ１２により種々の入力操作を行う。ティーチングペンダント４は、ケーブルを経由してコントローラ３に接続され、通信インターフェイスを経由してコントローラ３との間で高速のデータ転送を実行するようになっており、キースイッチ１２の操作により入力された操作信号等の情報はティーチングペンダント４からコントローラ３へ送信される。

図１は、ロボットシステムの電気構成を概略的に示すブロック図である。ロボット２には、各軸をそれぞれ駆動するための複数のモータＭ（図１では１つのみ示す）が設けられている。モータＭは例えばブラシレスＤＣモータである。コントローラ３には、交流電源２１より供給される交流を整流および平滑して出力する直流電源回路２２、回生消費回路２３、モータＭを駆動するインバータ装置２４、電流検出部２５、位置検出部２６およびこれら各装置の制御などを行う制御部２７が設けられている。

直流電源回路２２は、整流回路２８、昇降圧回路２９および平滑用のコンデンサ３０から構成されている。整流回路２８は、ダイオードをブリッジの形態に接続してなる周知構成のものである。例えば３相２００Ｖの交流電源２１の各相出力は、整流回路２８の交流入力端子に接続されている。整流回路２８の直流出力端子は、それぞれ入力電源線３１および基準電源線３２に接続されている。

昇降圧回路２９（電源回路に相当）は、トランジスタＱ１、Ｑ２、インダクタＬ１、ダイオードＤ１、Ｄ２およびスイッチＳＷ１を備えている。トランジスタＱ１（第１のスイッチ手段に相当）は、Ｎチャネル型のパワーＭＯＳＦＥＴであり、そのドレインは入力電源線３１に接続され、そのソースはインダクタＬ１の一方の端子に接続されている。ダイオードＤ１（第１のダイオードに相当）は、インダクタＬ１の一方の端子と基準電源線３２との間に、基準電源線３２側をアノードとして接続されている。トランジスタＱ２（第２のスイッチ手段に相当）は、Ｎチャネル型のパワーＭＯＳＦＥＴであり、そのドレインはインダクタＬ１の他方の端子に接続され、そのソースは基準電源線３２に接続されている。

ダイオードＤ２（第２のダイオードに相当）は、インダクタＬ１の他方の端子と出力電源線３３との間に、インダクタＬ１の他方の端子側をアノードとして接続されている。スイッチＳＷ１（第３のスイッチ手段に相当）は、例えばリレーなどの機械式のスイッチであり、インダクタＬ１の一方の端子と出力電源線３３との間に接続されている。なお、スイッチＳＷ１は、例えばパワーＭＯＳＦＥＴやバイポーラトランジスタなど、半導体スイッチング素子により構成してもよい。出力電源線３３および基準電源線３２の間には、コンデンサ３０が接続されている。

昇降圧回路２９は、昇圧動作、降圧動作および非昇降圧動作のうち、いずれかの動作を実行するようになっている。昇圧動作は、入力電源線３１および基準電源線３２を介して与えられる入力電圧（整流回路２８から出力される直流電圧）を昇圧して出力電源線３３および基準電源線３２を介して出力するものである。降圧動作は、入力電圧を降圧して出力電源線３３および基準電源線３２を介して出力するものである。非昇降圧動作は、入力電圧を昇圧および降圧のいずれもすることなく出力電源線３３および基準電源線３２を介して出力するものである。

昇降圧回路２９による上記各動作は、トランジスタＱ１、Ｑ２の駆動状態およびスイッチＳＷ１の開閉状態に応じて切り替えられる。トランジスタＱ１、Ｑ２の駆動およびスイッチＳＷ１の開閉は、制御部２７により制御される。すなわち、本実施形態では、制御部２７が、昇降圧回路２９の動作を制御する電源制御手段に相当する。制御部２７は、出力電源線３３および基準電源線３２間のバス電圧ＢＶ（出力電圧）の値を検出する出力電圧検出手段としての機能およびモータＭの動作状態を判断する動作状態判断手段としての機能（後述する）を備えている。このような機能を備えた制御部２７は、後述するモード選択フラグおよびモータＭの動作状態の判断結果に応じて、昇降圧回路２９の動作を制御する。

制御部２７は、昇圧動作を実行する場合、スイッチＳＷ１をオフするとともにトランジスタＱ１をオンした状態で、バス電圧ＢＶの検出値が昇圧値ＢＶ_HとなるようにトランジスタＱ２をスイッチング（チョッパ）する。なお、昇圧値ＢＶ_Hは、入力電圧の値（例えば、約２８２Ｖ）よりも高い所定値とする。これにより、昇降圧回路２９は、入力電圧を昇圧して出力する昇圧コンバータとして機能する。

制御部２７は、降圧動作の実行する場合、スイッチＳＷ１およびトランジスタＱ２をオフした状態で、バス電圧ＢＶの検出値が降圧値ＢＶ_LとなるようにトランジスタＱ１をスイッチング（チョッパ）する。なお、降圧値ＢＶ_Lは、入力電圧の値よりも低く、且つモータＭを駆動するために最低限必要な電圧値であればよく、直流電源回路２２、モータＭ、インバータ装置２４などの仕様に応じて適宜変更すればよい。これにより、昇降圧回路２９は、入力電圧を降圧して出力する降圧コンバータとして機能する。ただし、昇降圧回路２９が上記降圧動作を実行している期間であっても、後述する回生エネルギーが生じる期間では、バス電圧ＢＶは降圧値ＢＶ_Lより上昇する。

制御部２７は、非昇降圧動作の実行をする場合、スイッチＳＷ１およびトランジスタＱ２をオフするとともにトランジスタＱ１をオンする。これにより、昇降圧回路２９は、入力電圧を昇圧および降圧のいずれもすることなく出力する。このときの出力電圧（バス電圧ＢＶ）は、トランジスタＱ１のオン抵抗（オン状態での抵抗）およびインダクタＬ１の等価直列抵抗による電圧降下分と、ダイオードＤ２の順方向電圧とを合わせた分だけ入力電圧よりも低い値である通常値ＢＶ_Mとなる。

回生消費回路２３は、出力電源線３３および基準電源線３２間に回生抵抗Ｒ１およびトランジスタＱ３（回生スイッチ手段に相当）の直列回路を接続して構成されている。トランジスタＱ３は、Ｎチャネル型のパワーＭＯＳＦＥＴであり、そのオン、オフは、制御部２７により制御される。すなわち、本実施形態では、制御部２７は、回生消費回路２３の動作を制御する回生制御手段に相当する。

図４は、制御部２７による回生消費回路２３の動作制御の内容を示している。なお、制御部２７は、図４に示す回生消費回路２３の動作制御を所定周期毎に実行するようになっている。まず、制御部２７は、その時点におけるバス電圧ＢＶ（の検出値）を参照する（ステップＡ１）。続いて、制御部２７は、参照したバス電圧ＢＶが回生消費電圧値ＢＶ_R以上であるか否かを判断する（ステップＡ２）。バス電圧ＢＶが回生消費電圧値ＢＶ_R以上である場合（ＹＥＳ）には、トランジスタＱ３をオン駆動し（ステップＡ３）、制御を終了する。一方、バス電圧ＢＶが回生消費電圧値ＢＶ_R未満である場合（ＮＯ）には、トランジスタＱ３をオフ駆動し（ステップＡ４）、制御を終了する。なお、ステップＡ３またはＡ４において、既にトランジスタＱ３がオンまたはオフされている場合には、その状態を維持したまま制御を終了する。

図５は、ロボットが加速、等速、減速という一連の動作を行う際におけるモータＭの回転速度とバス電圧とを示している。図５に示すように、減速動作時にはモータＭから回生されるエネルギー（回生エネルギー）に起因してバス電圧ＢＶが上昇する。そして、バス電圧ＢＶが回生消費電圧値ＢＶ_Rを超えようとすると、回生抵抗Ｒ１に電流が流れることで回生エネルギーが熱エネルギーとして放出され、バス電圧ＢＶが回生消費電圧値ＢＶ_R未満となるようにその電圧上昇が抑えられる。

回生消費電圧値ＢＶ_Rは、出力電源線３３および基準電源線３２に接続される各回路素子（インバータ装置２４のスイッチング素子、直流電源回路２２のコンデンサ３０など）の定格を超えてバス電圧ＢＶが上昇しないような値に設定すればよい。また、回生消費電圧値ＢＶ_R、昇圧値ＢＶ_H、通常値ＢＶ_Mおよび降圧値ＢＶ_Lは、下記（１）式の関係を満たすように設定すればよい。
ＢＶ_R＞ＢＶ_H≧ＢＶ_M≧ＢＶ_L …（１）
なお、回生スイッチ手段としてのトランジスタＱ３は、パワーＭＯＳＦＥＴに限らずともよく、例えばバイポーラトランジスタなどの他の半導体スイッチング素子により構成してもよい。また、回生スイッチ手段としては、例えばリレーなどの機械式のスイッチで構成してもよい。

インバータ装置２４（駆動手段に相当）は、出力電源線３３および基準電源線３２間に６つのスイッチング素子例えばＩＧＢＴ（図１には２つのみ示す）を三相フルブリッジ接続して構成されたインバータ主回路と、その駆動回路とを６組備えている（図１には１組のみ示す）。ＩＧＢＴのコレクタ・エミッタ間には還流ダイオードが接続されている。また、ＩＧＢＴのゲートには、駆動回路からゲート信号が与えられている。駆動回路は、制御部２７から与えられる指令信号（通電指令Ｓｃ）に基づいてパルス幅変調されたゲート信号（ＰＷＭ信号）を出力して各ＩＧＢＴを駆動する。

制御部２７（駆動制御手段に相当）は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ｉ／Ｏなどを備えたマイクロコンピュータを主体として構成されている。電流検出部２５は、モータＭに流れる電流を検出する電流検出器（図示せず）からの検出信号を制御部２７に入力可能なデータに変換して出力する。位置検出部２６は、モータＭの回転位置を検出する位置検出器（図示せず）からの検出信号を制御部２７に入力可能なデータに変換して出力する。制御部２７は、電流検出部２５から出力されるデータを元にモータＭに流れる電流の値を取得するとともに、位置検出部２６から出力されるデータを元にモータＭの回転位置および回転速度を取得する。詳細は後述するが、制御部２７は、このようにして取得した電流値、回転位置および回転速度を用いてインバータ装置２４によるモータＭの駆動をフィードバック制御する。

図２は、ロボットシステム１におけるモータ制御の内容を等価的に示したブロック図である。図２に示すように、制御部２７は、位置制御部４１、速度制御部４２、電流制御部４３および動作状態判断部４４を備えている。なお、図２では、１つのモータＭの制御に係る構成のみを示しているが、実際には全てのモータＭのそれぞれに対応して同様の構成が設けられている。さて、一般に産業用のロボットは、予めティーチングなどを実施することにより作成される所定の動作プログラムに従って動作するようになっている。図示しない上位制御部は、その動作プログラムを解釈し、ロボット２に動作プログラムに従った動作を行わせるように各モータＭを制御するための指令値（位置指令ｐref）を位置制御部４１に出力する。

位置制御部４１は、上位制御部から与えられる位置指令ｐrefに対する現在の回転位置ｐ＊の偏差を求める減算器４５と、減算器４５の出力（偏差）をゼロに近づけるように速度指令ｖref（回転速度指令に相当）を出力する位置制御アンプ４６とから構成されている。位置制御アンプ４６のゲインはＫｐとなっている。速度制御部４２は、微分器４７、減算器４８および速度制御アンプ４９により構成されている。微分器４７は、現在の回転位置ｐ＊を微分して現在の回転速度ｖ＊に変換する。減算器４８は、速度指令ｖrefに対する現在の回転速度ｖ＊の偏差を求める。速度制御アンプ４９は、減算器４８の出力（偏差）をゼロに近づけるように電流指令ｉrefを出力する。速度制御アンプ４９のゲインはＫｖとなっている。

電流制御部４３は、電流指令ｉrefに対する現在のモータＭに流れる電流ｉ＊の偏差を求める減算器５０と、減算器５０の出力（偏差）をゼロに近づけるようにインバータ装置２４に対する指令信号（通電指令Ｓｃ）を出力する電流制御アンプ５１とから構成されている。電流制御アンプ５１のゲインはＫｉとなっている。このような構成により、制御部２７は、電流フィードバック制御、速度フィードバック制御および位置フィードバック制御を行い、モータＭの駆動をフィードバック制御してロボット２のアームの動作制御を行う。

動作状態判断部４４（動作状態判断手段に相当）は、モータＭの速度指令ｖrefを用いてモータＭ（ロボット２）の動作状態を判断する。図６は、動作状態判断部４４によるモータＭの動作状態判断制御の内容を示している。まず、動作状態判断部４４は、その時点における速度指令ｖref(t)およびその時点より１サンプリング前の速度指令ｖref(t-1)を参照する（ステップＢ１）。続いて、動作状態判断部４４は、参照した速度指令ｖref(t)から速度指令ｖref(t-1)を減算することにより、その時点の加速度指令Ａref(t)を求める（ステップＢ２）。すなわち、動作状態判断部４４は、速度指令ｖrefを微分することにより加速度指令Ａrefを求める。

その後、動作状態判断部４４は、加速度指令Ａrefの絶対値（｜Ａref｜）が所定の加速度しきい値Ａｓ未満であるか否かを判断する（ステップＢ３）。なお、加速度しきい値Ａｓは「０」に近い微小な値に設定している。絶対値｜Ａref｜が加速度しきい値Ａｓ未満である場合（ＹＥＳ）、回転速度を一定値に維持するようにモータＭを駆動している状態であるため、等速動作状態であると判断する（ステップＢ４）。

一方、絶対値｜Ａref｜が加速度しきい値Ａｓ以上である場合（ＮＯ）、回転速度を上昇または低下させるようにモータＭを駆動している状態であるため、加速動作状態または減速動作状態であると判断してステップＢ５に進む。ステップＢ５において、動作状態判断部４４は、速度指令ｖrefと加速度指令Ａrefとの乗算結果（＝ｖref・Ａref）に基づいて、さらなる動作状態の判別を行う。具体的には、動作状態判断部４４は、上記乗算結果が正の値になる場合（ＹＥＳ）には、加速動作状態であると判断し（ステップＢ６）、負の値である場合（ＮＯ）には減速動作状態であると判断する（ステップＢ７）。

速度指令ｖrefと加速度指令Ａrefとの乗算結果の符号に基づいて、動作状態の判別を行う理由は以下のとおりである。図７は、一連の動作パターンに基づいてモータＭを動作させる際の速度指令ｖrefおよび加速度指令Ａrefの推移を示している。図７の縦軸において、正側（０より上側）は所定の第１方向への回転についての速度指令ｖrefおよび加速度指令Ａrefを表し、負側（０より下側）は第１方向とは反対の第２方向への回転についての速度指令ｖrefおよび加速度指令Ａrefを表している。

図７に示すように、時刻ｔ０〜ｔ１の期間、モータＭは第１方向に回転する加速動作状態であり、速度指令ｖrefおよび加速度指令Ａrefは、いずれも正の値である。この場合、本実施形態の判別方法によれば、上記乗算結果が正の値になるため、加速動作状態であるという正しい判断がなされる。ただし、単純に加速度指令Ａrefの符号のみで動作状態を判別する方法であっても、加速度指令Ａrefが正の値であるため、加速動作状態であるという正しい判断がなされる。

また、時刻ｔ２〜ｔ３の期間、モータＭは第１方向に回転する減速動作状態であり、速度指令ｖrefは正の値であり、加速度指令Ａrefは負の値である。この場合、本実施形態の判別方法によれば、上記乗算結果が負の値になるため、減速動作状態であるという正しい判断がなされる。ただし、加速度指令Ａrefの符号のみで動作状態を判別する方法であっても、加速度指令Ａrefの符号が負の値であるため、減速動作状態であるという正しい判断がなされる。

一方、時刻ｔ４〜ｔ５の期間、モータＭは第２方向に回転する加速動作状態であり、速度指令ｖrefおよび加速度指令Ａrefは、いずれも負の値である。この場合、本実施形態の判別方法によれば、上記乗算結果が正の値になるため、加速動作状態であるという正しい判断がなされる。これに対し、加速度指令Ａrefの符号のみで動作状態を判別する方法では、加速度指令Ａrefの符号が負の値であるため、減速動作状態であるという誤った判断がなされる。

また、時刻ｔ６〜ｔ７の期間、モータＭは第２方向に回転する減速動作状態であり、速度指令ｖrefは負の値であり、加速度指令Ａrefは正の値である。この場合、本実施形態の判別方法によれば、上記乗算結果が負の値になるため、減速動作状態であるという正しい判断がなされる。これに対し、加速度指令Ａrefの符号のみで動作状態を判別する方法では、加速度指令Ａrefの符号が正の値であるため、加速動作状態であるという誤った判断がなされる。

このように、単純に加速度指令Ａrefの符号に基づいて、加速動作状態および減速動作状態の判別を行う方法では、誤った判断をするケースが存在する。これに対し、速度指令ｖrefと加速度指令Ａrefとの乗算結果の符号に基づいて、加速動作状態および減速動作状態の判別を行う本実施形態の方法によれば、確実に動作状態の判別を行うことが可能となる。

さて、制御部２７は、昇降圧回路２９の動作制御に関する４つの制御モード（自動モード、高トルクモード、省エネモードおよび通常モード）を有している。制御部２７は、モード選択フラグｆｍの状態に応じて、上記各制御モードのうち、いずれかの制御モードに設定される。本実施形態において、モード選択フラグｆｍは、例えばユーザがティーチングペンダント４のキースイッチ１２を操作することでコントローラ３に与えられる動作指令に応じて設定されるようになっている。なお、モード選択フラグｆｍは、図示しない上位の制御機器とコントローラ３との通信により設定されるものでもよい。また、モード選択フラグｆｍは、例えば２ビットとしている。

モード選択フラグｆｍが「００」である場合、制御部２７は自動モードに設定される。自動モードに設定されると、制御部２７は、モータＭの動作状態に応じて昇降圧回路２９の動作状態を自動的に切り替える。すなわち、制御部２７は、モータＭが加速動作状態であると判断すると、昇圧動作を実行するように昇降圧回路２９の動作を制御する。また、制御部２７は、モータＭが等速動作状態であると判断すると、非昇降圧動作を実行するように昇降圧回路２９の動作を制御する。さらに、制御部２７は、モータＭが減速動作状態であると判断すると、降圧動作を実行するように昇降圧回路２９の動作を制御する。

モード選択フラグが「０１」である場合、制御部２７は高トルクモードに設定される。高トルクモードに設定されると、制御部２７は、モータＭの動作状態にかかわらず、昇圧動作を実行するように昇降圧回路２９の動作を制御する。モード選択フラグが「１０」である場合、制御部２７は省エネモードに設定される。省エネモードに設定されると、制御部２７は、モータＭの動作状態にかかわらず、降圧動作を実行するように昇降圧回路２９の動作を制御する。モード選択フラグが「１１」である場合、制御部２７は通常モードに設定される。通常モードに設定されると、制御部２７は、モータＭの動作状態にかかわらず、非昇降圧動作を実行するように昇降圧回路２９の動作を制御する。

また、制御部２７は、回生エネルギーをインダクタＬ１に蓄積可能な状態となるように昇降圧回路２９の動作を制御する機能（回生経路切替制御）を有している。制御部２７は、モータＭが減速動作状態であると判断した場合において、バス電圧ＢＶの検出値が回生経路切替値ＢＶ_Cに達すると、そのときに設定されている制御モードにかかわらず、以下のように昇降圧回路２９の動作を制御する。すなわち、制御部２７は、上記条件を満たす状態になると、トランジスタＱ１をオフ駆動するとともに、トランジスタＱ２をオン駆動し、さらにスイッチＳＷ１をオンする。回生経路切替値ＢＶ_Cは、バス電圧の定常値（降圧値ＢＶ_L〜昇圧値ＢＶ_Hの範囲の値）よりも高く、且つ、回生消費電圧値ＢＶ_Rよりも低い値に設定される。

詳細は後述するが、このような制御により、モータ側から回生されるエネルギーがインダクタＬ１に電磁エネルギーとして蓄積されるようになる。その後、制御部２７は、モータＭの減速動作が終了したと判断されると、トランジスタＱ１、Ｑ２の駆動状態およびスイッチＳＷ１の開閉状態を、設定された制御モードに応じた状態に戻す。

また、制御部２７は、モータＭに対するダイナミックブレーキをかけるように昇降圧回路２９の動作を制御する機能（ダイナミックブレーキ制御）を有している。制御部２７は、外部よりモータＭの緊急停止を指令する緊急停止指令が与えられると、以下のように昇降圧回路２９の動作を制御する。すなわち、制御部２７は、そのときに設定されている制御モードにかかわらず、トランジスタＱ１をオフ駆動するとともに、トランジスタＱ２をオン駆動し、さらにスイッチＳＷ１をオンする。

詳細は後述するが、このような制御により、モータＭに対してダイナミックブレーキがかけられる。なお、コントローラ３がモータＭの異常を検出する異常検出手段（図示せず）を備えた構成である場合には、制御部２７は、その異常検出手段によりモータＭの異常が検出されると、上記した制御を実行してモータＭに対するダイナミックブレーキをかけるように構成してもよい。

次に、本実施形態の作用および効果について説明する。
コントローラ３に電源が投入されると、制御部２７は、図８に示す内容の初期制御を実行する。まず、ステップＳ１において、トランジスタＱ１、Ｑ２をオフ駆動するとともに、スイッチＳＷ１をオフする初期設定が実行される。従って、この段階では、昇降圧回路２９には、入力電圧が未だ供給されていない。続いて、ステップＳ２において、モード選択フラグｆｍの状態が確認される。そして、モード選択フラグｆｍが「００」であれば自動モードに設定され（ステップＳ３）、「０１」であれば高トルクモードに設定され（ステップＳ４）、「１０」であれば省エネモードに設定され（ステップＳ５）、「１１」であれば通常モードに設定される（ステップＳ６）。

制御部２７は、上記初期制御において設定された制御モードに応じて昇降圧回路２９の動作を以下のように制御する。なお、制御部２７は、以下のように昇降圧回路２９の動作制御を行う際、図４に示した回生消費回路２３の動作制御および図６に示したモータＭの動作状態の判断制御についても所定の周期毎に実行している。

＜通常モードに設定された場合＞
制御部２７は、初期制御において通常モードに設定されると、モータＭの動作状態を判断することなく、非昇降圧動作を実行するように昇降圧回路２９の動作を制御する。図９は、通常モードに設定された場合におけるモータＭの回転速度、バス電圧、トランジスタＱ１、Ｑ２の駆動状態およびスイッチＳＷ１の開閉状態を示している。

図９に示すように、通常モードに設定されると、制御部２７は、トランジスタＱ１をオン駆動する（図９の時刻ｔａ）。これにより、昇降圧回路２９から出力されるバス電圧ＢＶは、通常値ＢＶ_Mに向けて上昇する。そして、バス電圧ＢＶが通常値ＢＶ_Mまで達した時点（図９の時刻ｔｂ）以降において、バス電圧ＢＶの供給を受けたインバータ装置２４によりモータＭが駆動され、加速、等速、減速という一連の動作が行われる。従って、通常モードに設定された場合、インバータ装置２４は、従来と同様のバス電圧ＢＶの供給を受けてモータＭを駆動することになる。

この場合、トランジスタＱ１、Ｑ２は、いずれもスイッチング動作しない。このため、昇降圧回路２９の動作に伴う電力の消費量は極めて小さくなる。従って、後述する高トルク出力や回生エネルギーの回収などを必要としない用途においては、制御部２７を常に通常モードに設定しておけば、昇降圧回路２９の動作に伴う電力消費を低減するという効果が得られる。

＜高トルクモードに設定された場合＞
制御部２７は、初期制御において高トルクモードに設定されると、モータＭの動作状態を判断することなく、昇圧動作を実行するように昇降圧回路２９の動作を制御する。図１０は、高トルクモードに設定された場合における図９相当図である。図１０に示すように、高トルクモードに設定されると、制御部２７は、トランジスタＱ１をオン駆動する（図１０の時刻ｔａ）。これにより、昇降圧回路２９から出力されるバス電圧ＢＶは、通常値ＢＶ_Mに向けて上昇する。

バス電圧ＢＶが通常値ＢＶ_Mまで達した後の時点（図１０の時刻ｔｂ）以降、制御部２７は、バス電圧ＢＶの検出値が昇圧値ＢＶ_HとなるようにトランジスタＱ２をスイッチングする。これにより、昇降圧回路２９から出力されるバス電圧ＢＶが昇圧値ＢＶ_Hまで昇圧される。そして、バス電圧ＢＶが昇圧値ＢＶ_Hに達した時点以降において、バス電圧ＢＶの供給を受けたインバータ装置２４によりモータＭが駆動され、一連の動作が行われる。

このため、インバータ装置２４は、整流回路２８から出力される電圧がそのままインバータ装置に供給されていた従来の構成に対し、比較的高いバス電圧ＢＶの供給を受けてモータＭを駆動することになる。従って、高トルクモードに設定された場合、インバータ装置２４は、高いトルクを得るために十分な電力をモータＭに供給することが可能になる。これにより、例えば、モータＭの高速回転状態のときにおいても高いトルクを出すことが可能になる。従って、高いトルク出力のみを必要とする用途においては、制御部２７を常に高トルクモードに設定しておけば、上記効果を確実に得ることが可能となる。

＜省エネモードに設定された場合＞
制御部２７は、初期制御において省エネモードに設定されると、モータＭの動作状態を判断することなく、降圧動作を実行するように昇降圧回路２９の動作を制御する。図１１は、省エネモードに設定された場合における図９相当図である。図１１に示すように、省エネモードに設定されると、制御部２７は、トランジスタＱ１をオン駆動する（図１１の時刻ｔａ）。これにより、昇降圧回路２９から出力されるバス電圧ＢＶは、通常値ＢＶ_Mに向けて上昇する。

バス電圧ＢＶが通常値ＢＶ_Mまで達した後の時点（図１１の時刻ｔｂ）以降、制御部２７は、バス電圧ＢＶの検出値が降圧値ＢＶ_LとなるようにトランジスタＱ１をスイッチングする。これにより、昇降圧回路２９から出力されるバス電圧ＢＶが降圧値ＢＶ_Lまで降圧される。そして、バス電圧ＢＶが降圧値ＢＶ_Lに達した時点以降において、バス電圧ＢＶの供給を受けたインバータ装置２４によりモータＭが駆動され、一連の動作が行われる。

上記したように省エネモードに設定された場合、バス電圧ＢＶは通常値ＢＶ_Mよりも低い降圧値ＢＶ_Lまで降圧される。このため、モータＭの減速動作時、回生エネルギーにより上昇するバス電圧ＢＶ（コンデンサ３０の端子間電圧）が回生消費電圧値ＢＶ_Rに達するまでにコンデンサ３０に蓄積可能なエネルギー量は、バス電圧ＢＶが通常値ＢＶ_Mである場合（従来構成の場合）に比べると、下記（２）式に示すエネルギー量Ｊ_Cだけ多くなる。
Ｊ_C＝｛（１／２）・Ｃ・ＢＶ_M ²｝−｛（１／２）・Ｃ・ＢＶ_L ²｝
＝（１／２）・Ｃ・（ＢＶ_M ²−ＢＶ_L ²） …（２）
上記（２）式に示すように、コンデンサ３０に蓄積可能なエネルギー量は、通常値ＢＶ_Mと降圧値ＢＶ_Lとの差に応じた量Ｊ_Cだけ多くなる。すなわち、コンデンサ３０の空き容量を従来構成の場合に比べて増加させることで、減速動作時にコンデンサ３０に一層多くのエネルギーを蓄積することが可能になる。

このように、バス電圧ＢＶを降圧値ＢＶ_Lまで低下させることによって、減速動作時にコンデンサ３０の端子間電圧が回生消費電圧値ＢＶ_Rまで上昇しなければ、回生エネルギーを全て有効利用することができる。また、減速動作時にコンデンサ３０の端子間電圧が回生消費電圧値ＢＶ_Rまで上昇する場合でも、バス電圧ＢＶが通常値ＢＶ_Mである従来構成の場合と比べると、回生消費回路２３の動作時間を短くすることができるため、回生消費回路２３により消費されるエネルギー（無駄になるエネルギー）を低減し、残りの回生エネルギーを有効利用することが可能となる。従って、回生エネルギーの回収のみを必要とする用途においては、制御部２７を常に省エネモードに設定しておけば、上記効果を確実に得ることが可能となる。

＜自動モードに設定された場合＞
制御部２７は、初期制御において自動モードに設定されると、図１２に示す内容の電源自動切替制御を実行する。まず、制御部２７は、動作状態判断部４４の判断結果を参照する（ステップＵ１）。なお、ここでは全てのモータＭの動作状態（加速、等速、減速）が互いに概ね一致するという前提が成立するものとしている。このような前提が成立しない場合には、全てのモータＭのうち、最も高い加速度で動作するモータＭの動作状態の判断結果を参照すればよい。参照した判断結果が加速動作状態であるという結果の場合、ステップＵ２を実行する。すなわち、制御部２７は、モータＭが加速動作状態である期間には、昇圧動作を実行するように昇降圧回路２９の動作を制御する。

図１３は、制御部２７が自動モードに設定された場合におけるモータＭの回転速度およびバス電圧を示している。なお、図１３では、加速、等速、減速という一連の動作パターンに基づいてモータＭが駆動されるものとしている。また、図１３では、各期間Ｔａ、Ｔｂ、Ｔｃの切り替わり部分におけるバス電圧ＢＶの推移を省略しているが、実際には所定の傾きを持って変化している。図１３に示すように、モータＭが加速動作状態である期間Ｔａでは、昇降圧回路２９が昇圧動作を実行することにより、バス電圧ＢＶは昇圧値ＢＶ_Hまで昇圧されている。

参照した判断結果が等速動作状態であるという判断結果の場合、ステップＵ３を実行する。すなわち、制御部２７は、モータＭが等速動作状態である期間には、非昇降圧動作を実行するように昇降圧回路２９の動作を制御する。図１３に示すように、モータＭが等速動作状態である期間Ｔｂでは、昇降圧回路２９が非昇降圧動作を実行することにより、バス電圧ＢＶは通常値ＢＶ_Mとなっている。

なお、ステップＵ３を実行する際、制御部２７は、最初にトランジスタＱ２をオフ駆動し、その後にトランジスタＱ１をオン駆動するようにしている。その理由は、以下のとおりである。前回の動作制御において、トランジスタＱ２をオン駆動していた場合（モータＭが加速動作状態である場合など）、その状態のまま、先にトランジスタＱ１をオン駆動すると、トランジスタＱ２をオフ駆動するまでの間、トランジスタＱ１、Ｑ２および整流回路２８を介して入力電源線３１と基準電源線３２とを短絡するような通電経路が形成されてしまう。このような場合、トランジスタＱ１、Ｑ２および整流回路２８に過電流が流れてしまい、最悪の場合には故障に至ることも考えられる。このような事態を未然に防止するため、上記したようにトランジスタＱ２を確実にオフ駆動してから、トランジスタＱ１をオン駆動するようにしている。

参照した判断結果が減速動作状態であるという判断結果の場合、ステップＵ４を実行する。すなわち、制御部２７は、モータＭが減速動作状態である期間には、降圧動作を実行するように昇降圧回路２９の動作を制御する。図１３に示すように、モータＭが減速動作状態である期間Ｔｃでは、昇降圧回路２９が降圧動作を実行することにより、バス電圧ＢＶは降圧値ＢＶ_Lまで降圧されている。

このように、モータＭの動作状態に応じて昇降圧回路２９の動作状態を自動的に切り替えることにより、モータＭの加速動作時には昇圧値ＢＶ_Hまで昇圧されたバス電圧ＢＶがインバータ装置２４に供給される。このため、高いトルクを出すことが本来的に必要となる加速動作時において、その高いトルクを得るために十分な電力をモータＭに供給することが可能となる。また、モータＭの等速動作時には通常値ＢＶ_Mのバス電圧ＢＶがインバータ装置２４に供給される。この等速動作時には、加速動作時に比べて必要となるトルクが低い上、減速動作時のようにモータＭ側からエネルギーが回生されることもない。従って、バス電圧ＢＶとして入力電圧にほぼ等しい通常値ＢＶ_Mで問題ない。これにより、等速動作時には、昇降圧回路２９による電力消費を抑えることができる。

また、モータＭの減速動作時にはバス電圧ＢＶを降圧値ＢＶ_Lまで降圧する。これにより、バス電圧ＢＶを通常値ＢＶ_Mにした従来構成の場合に比べ、コンデンサ３０に蓄積可能なエネルギー量が、上記（２）式に示した量だけ多くなる。すなわち、従来構成の場合に比べ、コンデンサ３０の空き容量が増加するので、減速動作時にコンデンサ３０に一層多くのエネルギーを静電エネルギーとして蓄積することが可能となる。

上記したように、制御部２７を自動モードに設定することによって、モータＭ（ロボット２）の一連の動作に応じて必要とされる機能、すなわち、加速動作時における高トルク出力、等速動作時における電力消費の低減、および、減速動作時における回生エネルギーの回収といった機能を自動的に実現することが可能となる。

続いて、制御部２７による回生経路切替制御について説明する。図１４は、回生経路切替制御の内容を示し、図１５は、回生経路切替制御が実行される場合におけるモータＭの回転速度、バス電圧、トランジスタＱ１、Ｑ２の駆動状態およびスイッチＳＷ１の開閉状態を示している。なお、以下では、図１５に示すように制御部２７が通常モードに設定された場合における回生経路切替制御について説明するが、その回生経路切替制御は、制御部２７が他の制御モードに設定された場合であっても同様に実行される。

図１４のフローチャートにおいて、ステップＶ１では、減速動作中であるか否かが判断される。減速動作中である場合（ＹＥＳ）にはステップＶ２に進む。一方、減速動作中でない場合（ＮＯ）にはステップＶ２に進むことなく制御が終了される。ステップＶ２では、バス電圧ＢＶ（の検出値）が回生経路切替値ＢＶ_C以上であるか否かが判断される。バス電圧ＢＶが回生経路切替値ＢＶ_C未満である場合（ＮＯ）、ステップＶ１に戻る。バス電圧ＢＶが回生経路切替値ＢＶ_C以上である場合（ＹＥＳ）、ステップＶ３に進む。

モータＭの減速動作中、バス電圧ＢＶが回生経路切替値ＢＶ_C以上にならない場合には、コンデンサ３０に全ての回生エネルギーを回収可能であると考えられる。このような場合には、インダクタＬ１に回生エネルギーを蓄積する必要はない。本実施形態では、上記ステップＶ１、Ｖ２の判断を行うことにより、コンデンサ３０のみで回生エネルギーを回収可能な場合、インダクタＬ１に回生エネルギーが蓄積されないようになっている。

ステップＶ３では、そのときに設定されている制御モードにかかわらず、トランジスタＱ１をオフ駆動するとともに、トランジスタＱ２をオン駆動し、さらにスイッチＳＷ１をオンする。すると、出力電源線３３からスイッチＳＷ１、インダクタＬ１およびトランジスタＱ２を介して基準電源線３２に至る通電経路が形成される。これにより、モータＭ側から回生するエネルギーがインダクタＬ１に電磁エネルギーとして蓄積される。

この場合、インダクタＬ１に蓄積可能なエネルギー量Ｊ_Lは、下記（３）式により表される。ただし、インダクタＬ１のインダクタンスをＬで表し、インダクタＬ１に流れる電流の最大値をＩ_Pで表している。
Ｊ_L＝（１／２）・Ｌ・Ｉ_P ² …（３）

ステップＶ４では、インダクタＬ１に上記（３）式で示すエネルギーが蓄積されたか否かが判断される。なお、その判断方法としては、インダクタＬ１に流れる電流を直接検出して電流が最大値になるタイミングを検出することにより判断する方法や、バス電圧ＢＶの値やトランジスタＱ２のオン時間などからインダクタＬ１に流れる電流が最大値になるタイミングを推測することにより判断する方法などが考えられる。また、インダクタＬ１に流れる電流を直接検出する場合、例えば、本制御により形成される通電経路上に直列に介在する部分（例えば、トランジスタＱ２のソースと基準電源線３２との間）シャント抵抗を設け、その端子間電圧を検出し、その検出値に基づいてインダクタＬ１に流れる電流の値を求めればよい。

ステップＶ４において、インダクタＬ１に上記（３）式で示すエネルギーが蓄積されていないと判断される場合（ＮＯ）、ステップＶ５に進む。ステップＶ５では、モータＭの減速動作が終了したか否かが判断される。モータＭの減速動作が継続中であると判断された場合（ＮＯ）、ステップＶ４に戻る。また、モータＭの減速動作が終了したと判断された場合（ＹＥＳ）、ステップＶ６に進む。一方、ステップＶ４において、インダクタＬ１に上記（３）式で示すエネルギーが蓄積されたと判断される場合（ＹＥＳ）にもステップＶ６に進む。

ステップＶ６では、トランジスタＱ１、Ｑ２の駆動状態およびスイッチＳＷ１の開閉状態を、設定された制御モードに応じた状態に戻す。これにより、上記通電経路は無くなり、インダクタＬ１への回生エネルギーの蓄積が終了される。要するに、インダクタＬ１に上記（３）式で示すエネルギーが蓄積されるという条件を満たすか、あるいは、モータＭの減速動作が終了されるという条件を満たすまでの間、回生エネルギーがインダクタＬ１に電磁エネルギーとして蓄積される。そして、上記条件のうち、いずれかを満たした場合には、インダクタＬ１への回生エネルギーの蓄積は終了されることになる。

図１５に示すように、回生エネルギーがインダクタＬ１に蓄積される期間（時刻ｔａ〜ｔｂ）は、コンデンサ３０に対する更なるエネルギーの蓄積が行われないため、その端子間電圧（バス電圧ＢＶ）は上昇しない。このため、減速動作時にバス電圧ＢＶが回生消費電圧値ＢＶ_Rに達するタイミングが上記期間だけ遅くなる。そして、上記期間に相当する時間だけ回生消費回路２３の動作時間が短くなり、その分だけ無駄に消費されるエネルギー量が低減される。そして、このようにしてインダクタＬ１に回生エネルギーを蓄積した減速動作が終了した後、インダクタＬ１に蓄積されたエネルギーは、その減速動作の終了後に実行される次の加速動作において使用される。すなわち、本実施形態によれば、減速動作時の回生エネルギーをさらに有効に利用することが可能となる。

なお、図１５では、減速動作が終了した時点（時刻ｔｂ）から次の加速動作が開始される時点（時刻ｔｃ）までの期間は、モータＭが駆動されない非動作の期間となっている。この期間においては、インダクタＬ１に蓄えられたエネルギーは、モータＭ側に供給されることなく、回生消費回路２３の動作により消費されることになる。

続いて、制御部２７によるダイナミックブレーキ制御について説明する。図１６は、ダイナミックブレーキ制御が実行される場合におけるモータＭの回転速度、バス電圧、トランジスタＱ１、Ｑ２の駆動状態、スイッチＳＷ１の開閉状態を示している。制御部２７は、図１６の時刻ｔａの時点において緊急停止指令が与えられると、そのときに設定されている制御モードにかかわらず、トランジスタＱ１をオフ駆動するとともに、トランジスタＱ２をオン駆動し、さらにスイッチＳＷ１をオンする。

これにより、モータＭの相間がスイッチＳＷ１、インダクタＬ１、トランジスタＱ２を介して短絡された状態になる。そして、スイッチＳＷ１は、オン状態であっても所定の抵抗値を有している。また、インダクタＬ１は、所定の等価直列抵抗を有している。さらに、パワーＭＯＳＦＥＴであるトランジスタＱ２は、所定のオン抵抗を有している。このようなことから、モータＭの相間が、スイッチＳＷ１のオン時の抵抗、インダクタＬ１の等価直列抵抗およびトランジスタＱ２のオン抵抗を介して短絡され、モータＭに対してダイナミックブレーキがかけられる。これにより、モータＭは、その回転速度が急激に低下し、図１６の時刻ｔｂの時点において停止する。また、この際、トランジスタＱ１がオフされているため、バス電圧ＢＶも回転速度と同様に急激に低下し、時刻ｔｂの時点においてゼロになる。

通常、ダイナミックブレーキをかけるためには、バス電圧ＢＶを供給する電源線間（出力電源線３３および基準電源線３２間）に、ダイナミックブレーキ専用のスイッチ手段および抵抗を直列に設ける必要がある。これに対し、本実施形態によれば、制御部２７が上記したダイナミックブレーキ制御を行うことにより、昇降圧回路２９のスイッチＳＷ１、インダクタＬ１およびトランジスタＱ２を用いて、ダイナミックブレーキをかけることが可能となる。このため、ダイナミックブレーキ専用のスイッチ手段および抵抗を設ける必要がなくなり、その分だけ回路構成を簡単化し、製造コストの低減を図ることができる。

なお、本発明は上記し且つ図面に記載した実施形態に限定されるものではなく、次のような変形または拡張が可能である。
制御部２７は、４つの制御モードを有する構成に限らずともよい。例えば、制御部２７は、自動モード、高トルクモードおよび省エネモードのうち、少なくともいずれか１つを有する構成でもよい。また、制御部２７は、各制御モードのいずれをも有することなく、外部から与えられる動作指令（昇圧動作の実行を指令する動作指令、降圧動作の実行を指令する動作指令、非昇降圧動作の実行を指令する動作指令）に基づいて、昇降圧回路２９の動作を制御する構成でもよい。このようにしても、ロボット２の一連の動作に合わせて昇降圧回路２９の動作状態を適宜切り替えるように動作指令を与えれば、加速動作時における高トルク出力、等速動作時における電力消費の低減および減速動作時における回生エネルギーの回収といった機能を実現することが可能となる。

制御部２７は、非昇降圧動作を実行する場合、トランジスタＱ１およびスイッチＳＷ１をオンするとともに、トランジスタＱ２をオフするように構成してもよい。このようにすれば、非昇降圧動作時における出力電圧（バス電圧ＢＶ）が、スイッチＳＷ１のオン時の抵抗による電圧降下分だけ入力電圧より低い値になる。そして、インダクタＬ１、ダイオードＤ２による電力損失を低減するという効果が得られる。

本発明は、モータＭとしてＤＣブラシレスモータを用いた構成に限らず、例えば直流モータ、交流モータなど各種のモータを用いた構成にも適用可能である。なお、モータＭとして直流モータを用いる場合には、モータＭを駆動する駆動手段として、インバータ装置２４に代えて、例えばＨブリッジ回路を主体として構成された駆動回路を用いればよい。
上記実施形態では、本発明を６軸の垂直多関節型のロボット２に適用した例を説明したが、本発明は、各軸をモータにより駆動する構成のロボット全般に適用可能である。

図面中、１はロボットシステム、２はロボット、２３は回生消費回路、２４はインバータ装置（駆動手段）、２７は制御部（駆動制御手段、出力電圧検出手段、回生制御手段、電源制御手段）、２９は昇降圧回路（電源回路）、３０はコンデンサ、３１は入力電源線、３２は基準電源線、３３は出力電源線、４４は動作状態判断部（動作状態判断手段）、Ｄ１は第１のダイオード、Ｄ２は第２のダイオード、Ｌ１はインダクタ、Ｍはモータ、Ｑ１はトランジスタ（第１のスイッチ手段）、Ｑ２はトランジスタ（第２のスイッチ手段）、Ｑ３はトランジスタ（回生スイッチ手段）、Ｒ１は回生抵抗、ＳＷ１はスイッチ（第３のスイッチ手段）を示す。

Claims (4)

1. ロボットの各軸を駆動するためのモータと、
   入力電源線および基準電源線を介して与えられる入力電圧を昇圧して出力電源線および前記基準電源線を介して出力する昇圧動作と、前記入力電圧を降圧して前記出力電源線および前記基準電源線を介して出力する降圧動作と、前記入力電圧を昇圧および降圧のいずれもすることなく前記出力電源線および前記基準電源線を介して出力する非昇降圧動作とを選択的に実行可能に構成された電源回路と、
   前記出力電源線および前記基準電源線間に接続されたコンデンサと、
   前記出力電源線および前記基準電源線を介して与えられる出力電圧の供給を受けて動作し、前記モータを駆動する駆動手段と、
   前記モータの回転速度を回転速度指令に一致させるように前記駆動手段による前記モータの駆動を制御する駆動制御手段と、
   前記出力電圧を検出する出力電圧検出手段と、
   前記出力電源線および前記基準電源線の間に直列に設けられた回生スイッチ手段および回生抵抗からなる回生消費回路と、
   前記出力電圧検出手段の検出値が回生消費電圧値未満のときにあっては前記回生スイッチ手段をオフし、当該検出値が回生消費電圧値以上のときにあっては前記回生スイッチ手段をオンする回生制御手段と、
   前記回転速度指令を用いて前記モータの動作状態を判断する動作状態判断手段と、
   外部から与えられる動作指令および前記動作状態判断手段の判断結果に応じて、前記電源回路の動作を制御する電源制御手段と、
   前記モータの異常を検出する異常検出手段と、
   を備え、
   前記電源回路は、
   インダクタと、
   前記入力電源線と前記インダクタの一方の端子との間に接続される第１のスイッチ手段と、
   前記インダクタの一方の端子と前記基準電源線との間に、前記基準電源線側をアノードとして接続される第１のダイオードと、
   前記インダクタの他方の端子と前記基準電源線との間に接続される第２のスイッチ手段と、
   前記インダクタの他方の端子と前記出力電源線との間に、前記インダクタの他方の端子側をアノードとして接続される第２のダイオードと、
   前記インダクタの一方の端子と前記出力電源線との間に接続される第３のスイッチ手段と、
   を備え、
   前記電源制御手段は、
   前記昇圧動作の実行を指令する前記動作指令が与えられると、前記第１のスイッチ手段をオンするとともに前記第３のスイッチ手段をオフした状態で、前記出力電圧検出手段の検出値が前記入力電圧の値より高い所定の昇圧値となるように前記第２のスイッチ手段をスイッチングし、
   前記降圧動作の実行を指令する前記動作指令が与えられると、前記第２のスイッチ手段および前記第３のスイッチ手段をオフした状態で、前記出力電圧検出手段の検出値が前記入力電圧の値より低い所定の降圧値となるように前記第１のスイッチ手段をスイッチングし、
   前記非昇降圧動作の実行を指令する前記動作指令が与えられると、前記第１のスイッチ手段をオンするとともに、前記第２のスイッチ手段および前記第３のスイッチ手段をオフし、
   前記動作状態判断手段により前記モータが減速動作中であると判断された場合において、前記出力電圧検出手段の検出値が、前記昇圧値より高く且つ前記回生消費電圧値より低い値である回生経路切替値に達すると、前記電源回路の動作状態にかかわらず前記第１のスイッチ手段をオフするとともに前記第２のスイッチ手段をオンし、さらに前記第３のスイッチ手段をオンすることにより、前記回生するエネルギーを前記インダクタに蓄積し、
   前記動作状態判断手段により前記モータの減速動作が終了したと判断されると、前記第１〜第３のスイッチ手段のオンオフ状態を前記電源回路の動作状態に応じた状態に戻し、
   前記異常検出手段により前記モータの異常が検出されると、または、外部から緊急停止を指令する緊急停止指令が与えられると、前記電源回路の動作状態にかかわらず前記第１のスイッチ手段をオフするとともに前記第２のスイッチ手段をオンし、さらに前記第３のスイッチ手段をオンすることにより、前記モータの相間を、前記第３のスイッチ手段、前記インダクタおよび前記第２のスイッチ手段を介して短絡することを特徴とするロボットシステム。
2. 前記電源制御手段は、
   自動モードの実行を指令する前記動作指令が与えられると、
   前記動作状態判断手段により前記モータが加速動作中であると判断されるとき、前記昇圧動作を実行するように前記電源回路の動作を制御し、
   前記動作状態判断手段により前記モータが等速動作中であると判断されるとき、前記非昇降圧動作を実行するように前記電源回路の動作を制御し、
   前記動作状態判断手段により前記モータが減速動作中であると判断されるとき、前記降圧動作を実行するように前記電源回路の動作を制御することを特徴とする請求項１に記載のロボットシステム。
3. 前記電源制御手段は、
   高トルクモードの実行を指令する前記動作指令が与えられると、
   前記動作状態判断手段の判断結果にかかわらず、前記昇圧動作を実行するように前記電源回路の動作を制御することを特徴とする請求項１または２に記載のロボットシステム。
4. 前記電源制御手段は、
   省エネモードの実行を指令する前記動作指令が与えられると、
   前記動作状態判断手段の判断結果にかかわらず、前記降圧動作を実行するように前記電源回路の動作を制御することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載のロボットシステム。

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