JP5636707B2 - 生産機器の制御装置及び生産機器用モータの停止制御方法 - Google Patents
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Description
このような故障が発生するとサーボモータの制御を正確に行うことが不能になるため、ロボットの動作を緊急停止させる必要がある。従来、ロボットの動作を緊急停止させるには、サーボモータの逆起電力を利用するダイナミックブレーキ(発電制動,短絡制動)や(例えば特許文献1参照)、本来はロボット本体のアーム姿勢を重量に抗して保持するために用いる機械式ブレーキを作動させることが一般的である。
例えば特許文献2には、位置センサレス制御を行っているモータが脱調した場合でも、モータを目標位置で停止させることができるように、同期運転制御との連携を適切に行うようにした技術が開示されている。
TRB(n)=TRB(n−1)×Pc/Er(n)
で決定する。斯様に決定すれば、逆トルク制動の作用時間TRB(n)は、電気角の推定精度Pcと誤差量Er(n)との比に応じて、Pc<Er(n)であれば前回の時間TRB(n−1)よりも短く、Pc>Er(n)であれば前回の時間TRB(n−1)よりも長くなるように決定される。したがって、システム上必要とされる推定精度に応じて、作用時間TRB(n)を適切に決定できる。
以下、第1実施例について図1ないし図9を参照して説明する。図9は、ロボットシステムの構成を示す。このロボット本体(産業機器)1は、ベース(回転軸)2上に、この場合6軸のアームを有し、そのアームの先端には、図示しないハンド等のツールが取り付けられる。前記ベース2上には、第1関節J1を介して第1のアーム3が回転可能に連結されている。この第1のアーム3には、第2関節J2を介して上方に延びる第2のアーム4の下端部が回転可能に連結され、さらに、この第2のアーム4の先端部には、第3関節J3を介して第3のアーム5が回転可能に連結されている。
Iu={Vu−(N×dφu/dt+L×dIu/dt)}/R …(1.1)
Iv={Vv−(N×dφv/dt+L×dIv/dt)}/R …(1.2)
Iu={Vw−(N×dφw/dt+L×dIw/dt)}/R …(1.3)
但し、Vu,Vv,Vwは各相巻線への印加電圧(ダイナミックブレーキ中は0になる),φu,φv,φwは各相巻線と鎖交する界磁磁束,Nは巻線の巻回数,Rはここでは巻線の抵抗及びその他の配線等の外部抵抗である。
Iu=k×sin(θE+σθE) …(2.1)
Iv=k×sin(θE+σθE+2π/3) …(2.2)
Iw=k×sin(θE+σθE+4π/3) …(2.3)
尚、σθEは、巻線インダクタンスLにより発生する電流位相ずれであるが、回転速度の関数となるので予め求めることができる。図2は、電気角θEと各相電流Iu,Iv,Iwとの関係を示しており(但しσθE=0の場合)、図3は、各相電流の位相関係を単位円上で示したものである。
Iu2+Iv2+Iw2=1.5×k2 …(3)
(3)式から、係数kを求めることができる。係数kは、回転数やモータ及びインバータの特性から決まる値であり、予め係数kと回転数[rpm]との関係を求めておくことで(一般に線形になる)回転数;回転速度RVを正確に推定できる。そこで、ステップS7では(3)式に基づいて回転速度RVを算出する。例えばRV=α・kの関係にあるとすれば(αは比例係数)、回転速度RVは
RV=√{(Iu2+Iv2+Iw2)/1.5}/α …(4)
で求められる。但し√{}は括弧内の平方根である。
続くステップS8では(2.1)〜(2.3)式から逆三角関数を用いて(θE+σθE)を求める。すなわち、図2に示すように、三相電流の各振幅の比を満たす位相(θE+σθE)を一意に決定することができる。更に、続くステップS9では、電流位相ずれθEをステップS7で算出した回転速度RVの関数から求め、最終的に電気角θEを求める。
θE(t+Δt)≒θE(t)+RV×Δt …(5)
上記(5)式で近似できる。このようにして、時間経過に応じた推定電気角θEも用いながら相電流制御を継続する。
(1)逆トルク制動を作用させる条件
電気角θEの誤差が±90DEGを超えると逆トルク制動が作用しなくなり、逆に加速力を作用させる場合があるため、逆トルク制動を作用させるには、誤差を±90DEG未満とする必要がある。
(2)逆トルク制動で、ダイナミックブレーキよりも大きな制動力が得られる条件
図4に示すように、逆トルク制動では、一般的に定格トルクに対して3倍程度の制動力が得られる。一方、ダイナミックブレーキで得られる制動力は、最大でも定格トルクの2倍程度であり、高速領域ではより小さくなる。したがって、逆トルク制動における最大制動力の2/3程度であれば、ダイナミックブレーキよりも大きな制動力を得ることができる。この場合に必要な位相精度は±42DEG以下である。
(3)回転位置RPの推定に必要な精度
これについては、図7に示したように、予測位置が何れかの位置候補に近くなる程度の精度であれば良いから、±180DEG以下である。以上の3つの条件を考慮すると、結果として必要な推定精度は±42DEG以下となる。
図10は本発明の第2実施例であり、第1実施例と同一部分には同一符号を付して説明を省略し、以下異なる部分について説明する。第2実施例の構成は第1実施例と同様であり、制御装置11により行われる制御内容が若干相違している。すなわち、ステップS11で「NO」と判断すると、ステップS13〜S16を実行するようになっている。
Er(n)=θEB(B)−θEA …(6)
とする。そして、その誤差に基づき、ステップS15で逆トルク制動を作用させる時間(所定時間)を算出する(ステップS14)。ここでの作用時間TRBの算出は、例えば以下のようにして行う。今回求める作用時間をTRB(n),前回の作用時間をTRB(n−1),第1実施例で検討した電気角θEの必要推定精度をPcとすると、
TRB(n)=TRB(n−1)×Pc/{Er(n)+β} …(7)
で作用時間TRB(n)(期間Aの長さに相当)を求める。尚、βは余裕度であり、実際の制御・駆動系に応じてあらかじめ決定しておく。前回の作用時間TRB(n−1)についても初期値を設定しておく。作用時間TRB(n)を求めると、次回の演算用に、当該時間TRB(n)を前回値時間TRB(n−1)として記憶する(ステップS15)。
図11は第3実施例であり、第2実施例と異なる部分について説明する。第3実施例では、第2実施例のように作用時間TRB(n)の学習機能を実現する場合に、電気角θEの推定精度が向上しない状況にあると推定される場合は、逆トルク制動を中止するように制御する。図11は、図10の一部相当図であり、ステップS11で「NO」と判断すると、後述するステップS27でセットされるRBストップフラグがセットされているか否かを判断する(ステップS21)。初期状態(例えば、ステップS1:YESの時点)ではRBストップフラグがクリアされているので(NO)次のステップS22に移行する。
ステップS25では、例えばステップS4の実行後に計時動作を開始させた監視タイマが、予め定めた監視時間相当する時間をカウントアップしたか否かを判断し、カウントアップしていなければ(NO)ステップS14に移行し、カウントアップした場合は(YES)ステップS26に移行する。ステップS26では、Erカウンタの値が所定値以上となったか否かを判断する。
監視時間内において、誤差量Erが推定精度Pcを超えた比率が所定値以上か否かを判断することに対応する。ステップS13で求められる誤差量Erが推定精度Pc以下となる比率が高い場合は、Erカウンタ値はゼロ若しくはゼロ付近の値になり、ステップS16で作用させる逆トルク制動の制動力を十分に得ることができると判断される。したがって、「NO」と判断するとErカウンタをクリアする(ステップS28)。
ステップS4を削除して、最初にダイナミックブレーキを作用させても良い。
また、ダイナミックブレーキと逆トルク制動とをそれぞれ1回ずつ行っても良い。
推定したサーボモータ9の回転速度に応じて、逆トルク制動の作用力を調整しても良い。例えば、回転速度が閾値以上であれば制動力を最大にするが、回転速度が閾値未満であれば、その回転速度に応じて制動力を弱めるようにしても良い。
必要とする電気角θEの推定精度については、±42DEGより小さい値に設定しても良い。
第2,第3実施例において、(7)式の余裕度βについては必要に応じて設定すれば良い。
位置検出器としては、絶対的な回転回数の情報を出力するものや、回転回数の情報を出力せず、例えばA・B相の二相パルスだけを出力するものを用いても良い。後者の場合は、出力されるパルスを積算することで相対的な回転回数を求めても良い。
また、位置検出器には、その他例えばレゾルバ等を用いても良い。
第3実施例において監視タイマの計時を開始する時点は、ステップS4の実行後に限らない。例えば最初にステップS11やS21で「NO」と判断した時点から計時を開始しても良い。
産業機器はロボットに限ることなく、その他工作機械などにも適用することが可能である。
Claims (12)
- 生産機器に使用されるモータを制御する制御装置において、
前記モータの巻線に通電される電流を検出する電流検出手段と、
前記モータに配置されている位置検出器より出力される位置検出信号から、若しくは前記位置検出信号の出力状態から前記位置検出器の異常を判定する異常判定手段と、
この異常判定手段が前記異常を判定した場合に、前記モータの停止制御を行う停止制御手段とを備え、
前記停止制御手段は、
発電制動を開始させると、その制動期間中に検出される前記モータの各相電流の比から前記モータの現在の電気角を推定し、
前記発電制動を解除すると、前記推定した電気角に応じて、前記モータの回転方向とは逆方向にトルクを発生させる逆トルク制動を行い、
前記発電制動を開始させると、前記各相電流の2乗和と前記モータの定数及び回転速度に応じて決まる係数との関係から前記モータの回転速度を推定し、
前記逆トルク制動を行っている期間に、前記推定した電気角及び前記推定した回転速度から所定時間経過後の回転回数及び電気角を予測し(次回予測回転位置と称す)、
前記所定時間の経過後に再度発電制動を行うと、当該発電制動期間に推定した電気角に応じて複数の予測位置候補を設定し、それら複数の予測位置候補のうち、前記次回予測回転位置に最も近い値のものを予測回転位置として確定し、
前記発電制動を解除すると再度逆トルク制動を行うことを特徴とする生産機器の制御装置。 - 前記停止制御手段は、前記モータが停止するまで、発電制動と逆トルク制動とを交互に繰り返し実行することを特徴とする請求項1記載の生産機器の制御装置。
- 前記停止制御手段は、
最初の発電制動を開始させる前に、前記異常判定手段が前記異常を判定する直前に、前記位置検出器より得られていた位置検出信号に基づいて逆トルク制動を一定時間行い、
前記逆トルク制動を行っている期間に、前記一定時間経過後の回転回数及び電気角を予測し(初回予測回転位置と称す)、
前記最初の発電制動を開始すると、当該発電制動期間に推定した電気角に応じて複数の予測位置候補を設定し、それら複数の予測位置候補のうち、前記初回予測回転位置に最も近い値のものを予測回転位置として確定することを特徴とする請求項1又は2記載の生産機器の制御装置。 - 前記停止制御手段は、逆トルク制動期間に予測した電気角と、発電制動期間に推定した電気角との誤差量Er(n)を求め、前記誤差量Er(n)が減少した場合は前記所定時間を長くし、前記誤差量Er(n)が増加した場合は前記所定時間を短くすることを特徴とする請求項1から3の何れかに一項に記載の生産機器の制御装置。
- 前記停止制御手段は、今回決定する所定時間をT RB (n),前回決定した所定時間をT RB (n−1),予め定めた電気角の推定精度をPcとすると、所定時間T RB (n)を
T RB (n)=T RB (n−1)×Pc/Er(n)
で決定することを特徴とする請求項4記載の生産機器の制御装置。 - 前記停止制御手段は、所定の監視時間内に、前記誤差量Erが前記推定精度Pcを超える比率が所定値以上になると、以降の逆トルク制動を禁止して発電制動のみを行うことを特徴とする請求項5記載の生産機器の制御装置。
- 生産機器に使用されるモータを停止制御する方法において、
前記モータの巻線に通電される電流を検出し、
前記モータに配置されている位置検出器より出力される位置検出信号から、若しくは前記位置検出信号の出力状態から前記位置検出器の異常を判定すると、
前記モータの発電制動を開始させ、その制動期間中に検出される前記モータの各相電流の比から前記モータの現在の電気角を推定し、前記各相電流の2乗和と前記モータの定数及び回転速度に応じて決まる係数との関係から前記モータの回転速度を推定し、
前記発電制動を解除すると、前記推定した電気角に応じて、前記モータの回転方向とは逆方向にトルクを発生させる逆トルク制動を行い、
前記逆トルク制動を行っている期間に、前記推定した電気角及び前記推定した回転速度から所定時間経過後の回転回数及び電気角を予測し(次回予測回転位置と称す)、
前記所定時間の経過後に再度発電制動を行うと、当該発電制動期間に推定した電気角に応じて複数の予測位置候補を設定し、それら複数の予測位置候補のうち、前記次回予測回転位置に最も近い値のものを予測回転位置として確定し、
前記発電制動を解除すると再度逆トルク制動を行うことを特徴とする生産機器用モータの停止制御方法。 - 前記モータが停止するまで、発電制動と逆トルク制動とを交互に繰り返し実行することを特徴とする請求項7記載の生産機器用モータの停止制御方法。
- 最初の発電制動を開始させる前に、前記異常を判定する直前に、前記位置検出器より得られていた位置検出信号に基づいて逆トルク制動を一定時間行い、
前記逆トルク制動を行っている期間に、前記一定時間経過後の回転回数及び電気角を予測し(初回予測回転位置と称す)、
前記最初の発電制動を開始すると、当該発電制動期間に推定した電気角に応じて複数の予測位置候補を設定し、それら複数の予測位置候補のうち、前記初回予測回転位置に最も近い値のものを予測回転位置として確定することを特徴とする請求項7又は8記載の生産機器用モータの停止制御方法。 - 逆トルク制動期間に予測した電気角と、発電制動期間に推定した電気角との誤差量Er(n)を求め、前記誤差量Er(n)が減少した場合は前記所定時間を長くし、前記誤差量Er(n)が増加した場合は前記所定時間を短くすることを特徴とする請求項7から9の何れか一項に記載の生産機器用モータの停止制御方法。
- 今回決定する所定時間をT RB (n),前回決定した所定時間をT RB (n−1),予め定めた電気角の推定精度をPcとすると、所定時間T RB (n)を
T RB (n)=T RB (n−1)×Pc/Er(n)
で決定することを特徴とする請求項10記載の生産機器用モータの停止制御方法。 - 所定の監視時間内に、前記誤差量Erが前記推定精度Pcを超える比率が所定値以上になると、以降の逆トルク制動を禁止して発電制動のみを行うことを特徴とする請求項11記載の生産機器用モータの停止制御方法。
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