JP5509752B2 - ダイナミックブレーキ回路保護装置 - Google Patents

Description

本発明は、モータ制御装置に設けられたダイナミックブレーキ（以下ＤＢと称す）回路に関し、ＤＢ回路の異常を検出し、モータを緊急に停止することができなくなる課題を未然に防止する保護装置に関する。

従来、半導体製造装置やロボット、各種工作機械などのＦＡシステム装置にはサーボモータがよく利用されている。これらＦＡ分野では異常発生時に装置の破壊や安全のために可動部を緊急停止する必要があり、一般的にサーボモータ制御装置にはＤＢ回路を内蔵している。

図５にＤＢ回路を内蔵したサーボモータ制御装置の構成図を示す。ＤＢ回路１６はリレー９、ＤＢ抵抗１０で構成され、サーボモータ５が回転時に発生する逆起電力を、リレー９を介してＤＢ抵抗１０を導通させることでブレーキトルクを発生させ、逆起電力のエネルギーをＤＢ抵抗１０で熱エネルギーに変換し消費させ停止させる。また、ＤＢ回路１６に使用されるリレー９を無励磁時に導通するＢ接点タイプを使用することで、停電などで電源が遮断された場合でも緊急停止することができる。

ＤＢ回路１６の能力はリレー９の電流容量、ＤＢ抵抗１０の許容電力で制限されるが、消費電力や電流値を監視してＤＢ回路１６が破壊しないように保護する方法が考案されている（例えば、特許文献１および特許文献２参照）。

特開２００２−３６９５６４号公報 特開平８−３３１９５号公報

しかし、モータ制御装置に電源が供給されておらず、外部よりサーボモータが回されているような異常な状態では、リレー９は導通状態であるためにＤＢ抵抗１０はサーボモータ５が発生するエネルギーを消費し続けてＤＢ抵抗１０が異常発熱し、周辺回路は過熱による破損状態となる。このような異常状態では上述した保護回路は動作せず、ＤＢ回路１６を保護することはできなかった。

本発明は上記従来の課題を解決するものであり、電源がＯＦＦ状態で、外力によりモータが回されているような異常な状態においてもＤＢ回路１６が異常発熱を検出し、周辺回路を過熱による破損から保護することができるダイナミックブレーキ回路保護装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために請求項１に記載のダイナミックブレーキ回路保護装置は、モータの出力端子間をダイナミックブレーキ抵抗を介して短絡し、モータを緊急停止させるダイナミックブレーキ回路において、ダイナミックブレーキ抵抗の温度を検出する温度開閉器をダイナミックブレーキ抵抗と直列に接続し、ダイナミックブレーキ抵抗が異常発熱した際に温度開閉器を開放する。

また、請求項２に記載のダイナミックブレーキ回路保護装置は、モータの出力端子間をダイナミックブレーキ抵抗を介して短絡し、モータを緊急停止させるダイナミックブレーキ回路において、ダイナミックブレーキ抵抗の温度を検出する温度開閉器をダイナミックブレーキ抵抗と直列に接続し、ダイナミックブレーキ抵抗に隣接しダイナミックブレーキ抵抗の温度を検出する温度センサと、温度センサからの温度情報でダイナミックブレーキ抵抗の異常発熱を検出する異常検出回路を備え、前記異常検出回路で異常発熱を検出した場合、モータの駆動を禁止する。

また、請求項３に記載のダイナミックブレーキ回路保護装置は、前記温度検出器は異常発熱を検出する温度に差を設ける。

本発明のダイナミックブレーキ回路保護装置によれば、ＤＢ回路を連続的に使用するような異常な使用状態においても、温度開閉器はＤＢ抵抗の発熱を検出し、ＤＢ抵抗への通電を遮断するため、異常発熱による周辺回路の破損を保護することができる。また、温度開閉器に外部電源が不要な温度ヒューズやサーモスタットを使用することで、電源ＯＦＦ状態で、外力によりモータが回されているような異常な状態においても、温度開閉器はＤＢ抵抗の発熱を検出し、ＤＢ抵抗への通電を遮断することができるため、異常発熱による周辺回路の破損を保護することができる。

また、温度開閉器に温度ヒューズ等、非復帰素子を使用した場合に、ＤＢ回路の異常を検出することができるため、モータが駆動されることなく、緊急停止ができないという問題が発生しない。

また、温度開閉器の異常温度検出に温度差があるため、ＤＢ抵抗の異常温度を検出して１つの温度開閉器が開放となった場合でも制動力は直ぐになくなることなく、ＤＢ抵抗による発熱を抑えながら緊急停止を継続することができる。

したがって、ＤＢ回路の異常発熱の防止と、ＤＢ回路の異常を検出し、モータを緊急に停止することができなくなる不具合を未然に防止することができるダイナミックブレーキ回路保護装置を提供することができる。

本発明の実施例１におけるダイナミックブレーキ回路保護装置のブロック図 実施例１のダイナミックブレーキ回路保護装置２のブロック図 実施例２のダイナミックブレーキ回路保護装置のブロック図 実施例２のダイナミックブレーキ回路保護装置２のブロック図 従来例におけるダイナミックブレーキ回路保護装置のブロック図

（実施例１）
本発明によるダイナミックブレーキ回路保護装置について、図１と図２を用いて説明する。図１は実施例１におけるダイナミックブレーキ回路保護装置を内蔵したモータ制御装置の構成図であり、電源１とモータ制御装置１５、モータ５で構成されている。モータ制御装置の動作について以下に説明する。

１はモータ制御装置１５に入力する交流電源であり、単相あるいは３相で構成され、電圧仕様は１００Ｖ、２００Ｖや４００Ｖ等がある。２は整流回路であり、交流電源１の交流電圧を直流電圧に変換する。３は電解コンデンサであり、整流回路２で直流変換された
電圧を平滑するために用いられる。ＤＣ２４Ｖ入力等の低電圧の直流電圧仕様のモータ制御装置もあり、この場合整流回路２は不要である。４はＰＷＭインバータ回路であり、３相のフルブリッジ回路からなり、６つのＩＧＢＴ等のパワーデバイスで構成されている。５はサーボモータであり、永久磁石型ＡＣサーボモータが一般的で、各巻線はＰＷＭインバータ回路４と接続され、ＰＷＭ制御（Ｐｕｌｓｅ ｗｉｄｔｈ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）によって各巻線に電圧が印加される。３１は位置／速度指令値で、モータ５を駆動するための指令信号であり、上位の制御システムからパルス信号やアナログ電圧が与えられる。サーボモータでは位置指令はパルスで与えられるものが多く、モータ５を１回転させるためのパルス数がパラメータで設定され、位置／速度指令値３１に入力されるパルス数で位置の制御が可能である。また、速度指令の場合はアナログ値で入力されるものもあり、パラメータで速度とアナログ入力電圧値との関係が設定され、入力されたアナログ電圧値が速度指令となる。５は制御回路であり、位置／速度指令値３１の指令値とモータの位置や速度が合致するように制御され、電圧指令値３２を出力する。７はゲート駆動回路であり、制御回路から出力された電圧指令値３２をＰＷＭインバータ回路４のＩＧＢＴを駆動するゲート駆動信号を生成する。以上がモータ制御装置１５でモータ５が駆動する動作の説明である。次に緊急停止を行うＤＢ回路の動作について説明する。

１６ａはＤＢ回路であり、リレー駆動回路８とリレー９、ＤＢ抵抗１０、温度開閉器１１で構成されている。各部の役割について説明する。

リレー９はモータ５の各巻線を短絡／開放するように動作し、モータ５が回転している場合に短絡することによってモータ５を緊急停止することができる。停電時にも緊急停止できるように、電源が入っていない場合に短絡動作するように、リレー９はＢ接点のものが用いられる。リレー駆動回路８はリレー９を短絡／開放させる回路であり、トランジスタ等で構成される。リレー９の励磁用コイルに電流を流すことによってリレー９を開放する。モータ５の各巻線を短絡させる場合、図１のようにリレー９を２個使用すれば可能であるが、各巻線に１個ずつ（計３個）のリレーを使用してもよい。ＤＢ抵抗１０はリレー９を介して各巻線に接続され、リレー９を短絡してモータ５の回転エネルギーをＤＢ抵抗１０で消費するために用いられる。ＤＢ抵抗は大きいと消費電力が小さくなるため、数Ω程度のものが多い。温度開閉器１１は温度によって接点を開放するデバイスであり、ＤＢ抵抗１０の温度上昇を検出して接点を開放するように動作し、温度ヒューズやサーモスタットが用いられる。温度ヒューズは検出温度になると接点間が溶断し、接点を開放する。サーモスタットはバイメタル構造であり、検出温度で接点間が開放するが、温度が低下することで接点間が短絡するという特徴がある。以上がＤＢ回路１６ａの各部構成部品の役割である。ここで、緊急停止が連続して行われるような異常使用状態において、ＤＢ抵抗１０は異常発熱するが温度開閉器１１がＤＢ抵抗の異常発熱を検出して接点を開放する。モータ５の各巻線は短絡から開放状態になる。

以上のような構成とすることで、ＤＢ抵抗１０の異常発熱は抑えられ、異常発熱による周辺回路の破損を保護することができる。また、電源が入っていない状態で外部からモータが回されるような異常使用状態が続いた場合には、リレー９はＢ接点であるためにモータ５の各巻線は短絡状態にありＤＢ抵抗１０は異常発熱するが、温度開閉器１１がＤＢ抵抗１０の異常発熱を検出して接点を開放するため、異常発熱による周辺回路の破損を保護することができる。

また、温度開閉器１１に復帰動作可能なバイメタル（例えば、サーモスタット等）を用いることで、異常発熱による周辺回路の破損を保護するだけでなく温度低下時に接点間が復帰し短絡するため、安全な温度に下がった場合に通常動作を行うことができる。

また、図２のようにモータ５で発生した回転エネルギーをＤＢ整流回路１４で直流に変
換した構成としても同様の効果が得られる。

また、ＤＢ抵抗１０と温度開閉器１１を一体構造とすることで、ＤＢ抵抗１０の発熱を確実に温度開閉器１１で検出することが可能であり、異常温度検出誤差を小さくすることができる。

（実施例２）
図３、図４を用いて本発明の実施例２について説明する。実施例１と異なるのはＤＢ回路１６ｂの構成であり、ＤＢ回路１６ａに温度センサ１２と異常検出回路１３を設けた点である。これについて以下に説明する。

温度センサ１２はＤＢ抵抗１０の異常発熱を検出する検出器であり、温度ヒューズで構成され、異常温度検出時に開放状態を維持する。温度開閉器１１に温度ヒューズ等の非復帰素子を使用した場合、電源が入っていない状態で外部からモータが回されてＤＢ抵抗１０が異常発熱すれば、温度開閉器１１は溶断して開放となる。この時、温度センサ１２も開放状態を維持する。異常検出回路１３は温度センサ１２の状態を検出し、開放状態であれば制御回路６は電圧指令値３２を与えずにモータ５を駆動禁止とするように構成する。

以上のような構成とすることで、電源が入っていない状態で外部からモータ５を回されて温度開閉器１１が開放となり、ＤＢ回路が作用しない状態となった場合、異常検出回路１３で温度開閉器１１の開放状態を確認できるため、緊急停止不能となる前にモータ５の駆動を禁止し安全状態を維持することができる。

また、図４のようにモータ５で発生した回転エネルギーをＤＢ整流回路１４で直流に変換した構成としても同様の効果が得られる。

また、ＤＢ抵抗１０と温度開閉器１１、ＤＢ抵抗と温度センサ１２を一体構造とすることで、ＤＢ抵抗１０の発熱を確実に温度開閉器１１と温度センサ１２で検出することが可能であり、異常温度検出誤差を小さくすることができる。

（実施例３）
本発明の実施例３について説明する。実施例１および２と異なるのは温度開閉器１１の異常検出値に温度差を設けた点であり、これについて以下に説明する。

ＤＢ回路が図１および図３のような構成の場合、温度開閉器１１は少なくとも２つ必要である。この２つの温度開閉器１１の異常検出温度に差をつける。モータ５の緊急停止が頻繁に発生し、ＤＢ抵抗１０の異常発熱が発生した場合に温度開閉器１１の１つ（異常検出温度を低く設定した方）が開放状態となる。この場合、モータ５とＤＢ抵抗１０は単相接続になるため、ＤＢ抵抗の消費電力は１／３に減少し制動力も１／３となる。

以上のような構成とすることで、ＤＢ抵抗１０の異常発熱によって制動力がなくなるという問題を回避し、かつＤＢ抵抗の発熱量が低減するため、同条件でも緊急停止を継続して行うことができる。

また、１つの温度開閉器１１が開放となったことは、緊急停止を開始してからモータが停止するまでの時間を測定することによって検出することができるため、上位の制御システムへ警告を出力して異常使用状態を知らせることができる。

また、温度開閉器１１の異常温度検出値を同じにし、ＤＢ抵抗１０からの距離に差をつける等、それぞれの温度開閉器１１とＤＢ抵抗１０の熱伝導に差をつけるような配置にす
ることで同等の効果が得られる。

本発明のダイナミックブレーキ回路保護装置は、モータの緊急停止が必要なサーボモータ分野で特に有効である。

１ 交流電源
２ 整流回路
３ 電解コンデンサ
４ ＰＷＭインバータ回路
５ モータ
６ 制御回路
７ ゲート駆動回路
８ リレー駆動回路
９ リレー
１０ ダイナミックブレーキ抵抗（ＤＢ抵抗）
１１ 温度開閉器
１２ 温度センサ
１３ 異常検出回路
１４ ＤＢ整流回路
１５ モータ制御装置
１６、１６ａ、１６ｂ ダイナミックブレーキ回路（ＤＢ回路）
３１ 位置／速度指令値
３２ 電圧指令値
３３ ゲート駆動信号
３４ リレー駆動信号
３５ 異常信号

Claims (5)

1. モータの出力端子間をダイナミックブレーキ抵抗を介して短絡し、前記モータを緊急停止させるダイナミックブレーキ回路において、このダイナミックブレーキ抵抗の温度を検出する温度開閉器をこのダイナミックブレーキ抵抗と直列に接続し、このダイナミックブレーキ抵抗が異常発熱した際に前記温度開閉器を開放し、この温度開閉器は異常発熱を検出する温度に差を設けたことを特徴とするダイナミックブレーキ回路保護装置。
2. 前記ダイナミックブレーキ抵抗に隣接しこのダイナミックブレーキ抵抗の温度を検出する温度センサと、この温度センサからの温度情報で前記ダイナミックブレーキ抵抗の異常発熱を検出する異常検出回路を備え、前記異常検出回路で異常発熱を検出した場合、前記モータの駆動を禁止することを特徴とする請求項１に記載のダイナミックブレーキ回路保護装置。
3. モータの出力端子間をダイナミックブレーキ抵抗を介して短絡し、前記モータを緊急停止させるダイナミックブレーキ回路において、前記ダイナミックブレーキ抵抗の温度を感知する温度ヒューズをこのダイナミックブレーキ抵抗と直列に接続し、ダイナミックブレーキ抵抗が異常発熱した際に前記温度ヒューズが切れることを特徴とするダイナミックブレーキ回路保護装置。
4. 前記ダイナミックブレーキ抵抗に隣接しこのダイナミックブレーキ抵抗の温度を検出する温度センサと、この温度センサからの温度情報で前記ダイナミックブレーキ抵抗の異常発熱を検出する異常検出回路を備え、前記異常検出回路で異常発熱を検出した場合、モータの駆動を禁止することを特徴とする請求項３に記載のダイナミックブレーキ回路保護装置。
5. 前記温度センサは温度ヒューズであることを特徴とする請求項４に記載のダイナミックブレーキ回路保護装置。