JP5813746B2 - ロボット制御システム - Google Patents

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Description

本発明は、サーボモータを備えたロボットを制御するためのロボット制御システムに関する。
従来、工作機械などにおいては、その可動部の回転軸を駆動するサーボモータの減速時に生じる回生エネルギーを処理するために、回生抵抗において回生エネルギーを消費する抵抗回生機能と、回生エネルギーを交流電源側に回生する電源回生機能とを兼備したシステムが知られている（特許文献１）。
一方、産業用ロボットにおいては、ロボットアーム等の可動部の回転軸に接続されたサーボモータの減速時に生じる回生エネルギーは、通常、工作機械などの可動部の回転軸を駆動するサーボモータの減速時に生じる回生エネルギーよりも小さい。このため、ロボットの動作負荷率の上昇に伴って回生エネルギーが増加することが予想される場合、電源回生機能を追加するよりも、抵抗回生機能を増強することが一般的であった。
しかしながら、産業用ロボットにおいても、極めて高い動作負荷率（起動・停止を頻繁に繰り返す）である動作を行う場合には、サーボモータにおいて発生する回生エネルギーが非常に大きくなるので、回生抵抗によって回生エネルギーを消費する抵抗回生機能に加えて、電力を電源に回生する電源回生機能を備えることが望ましい。
特開２０１１−１０１４７３号公報 特開２０１３−２０２７６２号公報
ところで、産業用ロボットにおいて、ユーザーが要求する作業内容に応じて、必要な機能を追加、削除する場合、ロボット本体を駆動する基本的な要素をユーザー毎に変更する必要があり、開発コストが増大してしまう。
産業用ロボットに電源回生機能を追加するとした場合も、この例外では無く、ロボット制御システムに電源回生機能を付加するために、電源回生専用の制御部を設計してロボット制御システムに組み込む必要があり、開発コストが高騰するという問題がある。
本発明は、上述した従来技術の問題点に鑑みてなされたものであって、開発コストの高騰を抑制し、電源回生機能を付加することができるロボット制御システム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、本発明によるロボット制御システムは、交流電源からの交流電流を直流電流に変換するためのコンバータと、前記コンバータから供給された直流電力を交流電力に変換するためのインバータと、サーボモータに付設されたモータセンサからの信号に基づいて前記サーボモータの駆動を制御するためのサーボ制御装置と、前記サーボモータにおいて発生した回生エネルギーを消費するための抵抗回生回路と、を備え、前記サーボ制御装置は、複数の前記サーボモータを制御可能とするための複数のモータ制御部と、前記複数のモータ制御部に対応する複数の制御ポート部と、を有し、前記複数のモータ制御部のうちの少なくとも１つが、電源回生回路を制御するための電源回生制御機能部を有すると共に、前記電源回生制御機能部と前記サーボモータの制御機能部とを切替え可能に構成されている、ことを特徴とする。
また、好ましくは、複数の前記モータ制御部のすべてが、前記電源回生制御機能部を有する。
また、好ましくは、前記電源回生回路は、前記サーボモータ用の前記インバータと共通の構成を有するインバータを含む。
また、好ましくは、前記電源回生回路をさらに備える。
また、好ましくは、前記電源回生回路は、前記交流電源に接続されたリアクトルと、前記リアクトルと前記交流電源とを接続する配線に接続され、一次電圧を検出するための一次電圧センサ部と、を有する。
また、好ましくは、前記インバータは、複数の整流素子と、前記複数の整流素子のそれぞれに並列に接続された複数のスイッチング素子を有する。
本発明によれば、開発コストの高騰を抑制し、電源回生機能を付加できるロボット制御システムを提供することができる。
本発明の一実施形態によるロボット制御システムを示したブロック図。 従来のロボット制御システムの一例を示したブロック図。
以下、本発明の一実施形態によるロボット制御システムについて、図１を参照して説明する。
図１に示したロボット制御システム１においては、三相交流電源２からの交流電流が、複数（本例では６個）のダイオード（整流素子）３を有するコンバータ４に供給され、コンバータ４において交流電流が直流電流に変換される。コンバータ４で生成された直流電流は、複数（本例ではＮ個）のインバータ（直流−交流切替装置）５（５Ａ、５Ｎ）に供給される。
インバータ５の設置数Ｎは、ロボットの駆動軸および外部軸の数に応じて決まる。例えば、６軸多関節ロボットが３つの外部軸を有する場合、インバータ５の設置数Ｎは６＋３＝９となる。
各インバータ５は、複数（本例では６個）のダイオード６と、複数のダイオード６のそれぞれに並列に接続された複数（本例では６個）のスイッチング素子７を有する。各インバータ５は、コンバータ４から供給された直流電力を交流電力に変換し、各サーボモータ８（８Ａ、８Ｎ）に供給する。各サーボモータ８には、各モータセンサ（エンコーダ）９（９Ａ、９Ｎ）が付設されている。
コンバータ４とインバータ５との間には、抵抗回生回路１０が設けられている。抵抗回生回路１０は、回生抵抗１１とスイッチング素子１２とを直列に接続して構成されている。
本実施形態によるロボット制御システム１は、さらに、サーボモータ８の駆動を制御するためのサーボ制御装置（サーボボード）１３を備えている。サーボ制御装置１３は、複数のサーボモータ８のそれぞれを制御するための複数（本例ではＮ個）のモータ制御部１４（１４Ａ、１４Ｎ）と、複数のモータ制御部１４に対応する複数（本例ではＮ個）の制御ポート部１５（１５Ａ、１５Ｎ）とを有する。各モータ制御部１４は、各サーボモータ８に付設された各モータセンサ９からの信号に基づいて各サーボモータ８の駆動を制御する。
そして、複数のモータ制御部１４のそれぞれが、電源回生回路を制御するための電源回生制御機能部１６（１６Ａ、１６Ｎ）を含むと共に、電源回生制御機能部１６とサーボモータの制御機能部１７（１７Ａ、１７Ｎ）とを切替え可能に構成されている。電源回生制御機能部１６とサーボモータ８の制御機能部１７との切り替えは、設定を変更することで行っても良いし、自動検出で行うこともできる。
以下、本実施形態によるロボット制御システム１において、Ｎ軸（外部軸）用のモータ制御部１４Ｎを電源回生に使用する例について説明する。
まず、Ｎ軸用のモータ制御部１４Ｎを、電源回生ではなく、Ｎ軸のサーボモータ８Ｎの駆動制御に用いる場合には、Ｎ軸のサーボモータ９Ｎのコネクタ１８ＮをＮ軸用のインバータ５Ｎのコネクタ１９Ｎに接続すると共に、Ｎ軸用のインバータ５ＮをＮ軸用の制御ポート部１５ＮのＰＷＭ用ポート２０Ｎに接続する。また、Ｎ軸のサーボモータ８Ｎに付設されたモータセンサ９Ｎのコネクタ２１Ｎを、Ｎ軸用の制御ポート部１４Ｎのセンサ通信用ポート２２Ｎにセンサ通信用配線２３Ｎを介して接続する。
これに対して、Ｎ軸用のモータ制御部１４Ｎを、Ｎ軸のサーボモータ８Ｎの駆動制御ではなく、電源回生に使用する場合には、三相交流電源２にリアクトル２４を接続すると共に、リアクトル２４と三相交流電源２とを接続する配線２５に、一次電圧を検出するための一次電圧センサ部（位相検出部）２６を設ける。
そして、一次電圧センサ部２６のコネクタ２７を、Ｎ軸用の制御ポート部１４Ｎのセンサ通信用ポート２２Ｎに接続する。さらに、リアクトル２４のコネクタ２８を、Ｎ軸用のインバータ５Ｎのコネクタ１９Ｎに接続する。ここで、Ｎ軸のサーボモータ８Ｎ用のインバータ５Ｎは、電源回生回路を構成するインバータと共通の構成を備えており、両者は兼用可能である。
なお、モータ制御（エンコーダ）用の通信フォーマット（プロトコル）と、電源回生（一次電圧センサ部）用の通信フォーマット（プロトコル）とが共通化されている。
このようにＮ軸用のモータ制御部１４Ｎを電源回生に使用する際には、設定の変更、或いは自動検出により、Ｎ軸のサーボモータ８Ｎの制御機能部１７Ｎから電源回生機能部１６Ｎに切り替えられる。
上記実施形態によるロボット制御システム１においては、抵抗回生回路１０とインバータ５との間に設けられたＰＮの平滑コンデンサー２９のレベルが所定値を下回っている場合には、Ｎ軸用のインバータ５Ｎ、リアクトル２４、および一次電圧センサ部２６を含む電源回生回路による電源回生機能が働き、ＰＮの平滑コンデンサー２９のレベルが所定値以上になると、抵抗回生回路１０において回生エネルギーが消費される。
以上述べたように、本実施形態によるロボット制御システム１によれば、サーボモータ８の駆動を制御するサーボ制御装置１３に電源回生制御機能部１６を標準的に実装し、サーボ制御装置１３に予め用意された複数の制御ポート１５のうちの１つを流用して、設定の切り換えや自動判別機能により、当該ポートをモータ制御ポートに用いるか或いは電源回生ポートに用いるかを切り換え、適宜選択できるようにしたので、ユーザーの要求に応じて電源回生機能を付加する場合でも、電源回生制御用の制御部を新たに設ける必要が無い。これにより、電源回生機能の追加による開発コストの高騰を抑制することができる。
また、ロボット制御用のインバータ５を流用して電源回生機能を提供することができるので、電源回生用のインバータを別途新規に開発する必要が無く、電源回生機能の追加に伴う開発コストの高騰をさらに抑制することができる。
なお、上述した例においては、Ｎ軸用のモータ制御部１４Ｎを電源回生に使用する場合について説明したが、電源回生に使用するモータ制御部１４はＮ軸用に限られない。例えば、第１軸用のモータ制御部１４Ａを電源回生に使用することも可能であり、その場合には、第１軸用の制御ポート１５ＡのＰＷＭ用ポート２０Ａおよびセンサ通信用ポート２２Ａが電源回生に使用される。
図２は、従来のロボット制御システムにおいて回生機能を強化した場合の構成を示している。
図２に示したように従来のロボット制御システム１００においては、そのサーボ制御装置１０１のモータ制御部１０２が電源回生制御機能を備えていない。そのため、回生エネルギーの増大に対応するために、抵抗回生回路１０に回生抵抗１０３を追加していた。すなわち、標準装備の回生抵抗１１に対して並列に追加の回生抵抗１０３を設けていた。
上述の従来の方法では、回生エネルギーの大幅な増大に対処し難いばかりで無く、回生エネルギーの消費量が増えることになり、エネルギーの有効利用という観点からも問題があった。
これに対して本実施形態によるロボット制御システム１によれば、上記の通り電源回生機能を容易に付加することができるので、回生抵抗の追加による対応が不要となり、エネルギーの有効利用を図ることができる。
１ ロボット制御システム
２ 三相交流電源
３、６ ダイオード（整流素子）
４ コンバータ
５、５Ａ、５Ｎ インバータ
７、１２ スイッチング素子
８、８Ａ、８Ｎ サーボモータ
９、９Ａ、９Ｎ モータセンサ（エンコーダ）
１０ 抵抗回生回路
１１ 回生抵抗
１３ サーボ制御装置
１４、１４Ａ、１４Ｎ モータ制御部
１５、１５Ａ、１５Ｎ 制御ポート部
１６、１６Ａ、１６Ｎ 電源回生制御機能部
１７、１７Ａ、１７Ｎ サーボモータの制御機能部
１８Ｎ サーボモータのコネクタ
１９Ｎ インバータのコネクタ
２０Ａ、２０Ｎ ＰＷＭ用ポート
２１Ｎ モータセンサのコネクタ
２２Ａ、２２Ｎ センサ通信用ポート
２３Ｎ センサ通信用配線
２４ リアクトル
２５ リアクトルと三相交流電源を接続する配線
２６ 一次電圧センサ部（位相検出部）
２７ 一次電圧センサ部のコネクタ
２８ リアクトルのコネクタ
２９ 平滑コンデンサー

Claims (5)

  1. 交流電源からの交流電流を直流電流に変換するためのコンバータと、
    前記コンバータから供給された直流電力を交流電力に変換するためのインバータと、
    サーボモータに付設されたモータセンサからの信号に基づいて前記サーボモータの駆動を制御するためのサーボ制御装置と、
    前記サーボモータにおいて発生した回生エネルギーを消費するための抵抗回生回路と、を備え、
    前記サーボ制御装置は、複数の前記サーボモータを制御可能とするための複数のモータ制御部と、前記複数のモータ制御部に対応する複数の制御ポート部と、を有し、
    前記複数のモータ制御部のうちの少なくとも１つが、前記サーボモータ用の前記インバータと共通の構成を有するインバータを含む電源回生回路を制御するための電源回生制御機能部を有すると共に、前記制御ポート部への接続対象が前記電源回生回路であるか前記サーボモータであるかに応じて前記電源回生制御機能部と前記サーボモータの制御機能部とを切替え可能に構成されている、ロボット制御システム。
  2. 複数の前記モータ制御部のすべてが、前記電源回生制御機能部を有する、請求項１記載のロボット制御システム。
  3. 前記電源回生回路をさらに備えた請求項１または２に記載のロボット制御システム。
  4. 前記電源回生回路は、前記交流電源に接続されたリアクトルと、前記リアクトルと前記交流電源とを接続する配線に接続され、一次電圧を検出するための一次電圧センサ部と、を有する、請求項３記載のロボット制御システム。
  5. 前記インバータは、複数の整流素子と、前記複数の整流素子のそれぞれに並列に接続された複数のスイッチング素子を有する、請求項１乃至４のいずれか一項に記載のロボット制御システム。
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