JP5938583B2 - モータ制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、ダイナミックブレーキ機能を有するモータ制御装置に関する。

一般的に、半導体製造装置や搬送装置、工作機械などＦＡ（Ｆａｃｔｏｒｙ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ）関連装置の駆動にはサーボモータが用いられている。モータ制御装置は、サーボモータとセットで装置に組み込まれ、使用者の意図する動作となるようにサーボモータの動作を制御する。モータ制御装置には、異常時にモータを緊急停止させるためのダイナミックブレーキ回路が内蔵されている場合が多い。

図２は従来のダイナミックブレーキ機能を備えたモータ制御装置９５の説明図である。モータ制御装置９５は、モータ５を駆動するＰＷＭインバータ回路４と、外部装置から通知される指令値３１に基づきＰＷＭインバータ回路４を駆動制御する制御回路９６およびゲート駆動回路７と、ダイナミックブレーキ回路９１とを備えている。

図２に示すように、ダイナミックブレーキ回路９１は、制御回路９６からダイナミックブレーキ駆動回路８への指令３４に基づきダイナミックブレーキ切替スイッチ９を開閉することにより動作する。ダイナミックブレーキ回路９１は、ダイナミックブレーキ切替スイッチ９が閉じたとき、モータ５のモータ電力線１７をダイナミックブレーキ抵抗１０を介して導通させる。ダイナミックブレーキ回路９１は、このように、モータ５のエネルギーをダイナミックブレーキ抵抗１０で吸収してブレーキをかけるものが一般的である。ブレーキのオンとオフとを切り替えるダイナミックブレーキ切替スイッチ９としては、リレーやサイリスタなどが用いられている。従来、ダイナミックブレーキ回路の消費電力や電流値を監視して、ダイナミックブレーキ回路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）。

しかしながら、ダイナミックブレーキが動作している状態のまま、モータが外力により強制的に駆動されるような異常時には、上述したような従来の構成では安全性を十分に確保できないという課題があった。すなわち、ダイナミックブレーキが動作したままモータが強制駆動されると、ダイナミックブレーキ抵抗がモータで発生するエネルギーを消費し続ける。そして、ダイナミックブレーキ抵抗の温度が過度に上昇し、周囲部品に損傷を与えたり、最終的にはダイナミックブレーキ抵抗が断線したりして発火、発煙などの不安全動作に至るおそれがあった。

特開２００２−３６９５６４号公報 特開平８−３３１９５号公報

本発明のモータ制御装置は、モータのエネルギーを吸収してブレーキをかけるダイナミックブレーキ機能を備えたモータ制御装置である。本モータ制御装置は、ダイナミックブレーキ抵抗と、ダイナミックブレーキ抵抗近傍に配置した温度スイッチと、ダイナミックブレーキ抵抗近傍に配置し、ダイナミックブレーキ抵抗に直列接続した温度ヒューズと、温度スイッチの接点状態を検出する断線検出回路とを備える。そして、本モータ制御装置は、温度スイッチの動作温度を温度ヒューズの動作温度よりも低い値に設定した構成である。

これにより、ダイナミックブレーキが動作状態のままモータが強制的に駆動されるような異常時において、ダイナミックブレーキ抵抗が過度に温度上昇したとしても、断線検出回路が温度スイッチの接点状態に基づき異常検出する。そして、使用者に異常を伝達し、適切な処置を行えば抵抗の焼損を未然に防ぐことができる。また、異常検出後も引き続きモータが強制的に駆動させられた場合でも、温度ヒューズが断線することによって、抵抗が焼損する前に電力供給を遮断できる。このため、不安全動作を防止でき、安全性を高めることができる。

また、本発明のモータ制御装置は、温度スイッチの接点状態が復帰した後も、断線検出回路が断線検出状態を保持する構成である。

これにより、温度ヒューズが断線後、抵抗の温度が低下すると温度スイッチは復帰するが、断線検出回路は異常検出状態を保持し続ける。このため、使用者へ確実に異常を伝達することが可能であり、異常状態のまま誤ってモータ制御装置を使用することを防止でき、さらに安全性を高めることができる。

図１は、本発明の実施の形態におけるモータ制御装置を含むモータ制御システムのブロック図である。 図２は、従来のモータ制御装置の説明図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態）
図１は、本発明のモータ制御装置１５を含むモータ制御システムのブロック図である。本モータ制御システムは、半導体製造装置や搬送装置、工作機械のようなＦＡ関連装置などに用いられる。本モータ制御システムは、モータ制御装置１５と電源１およびモータ５とで構成されている。モータ制御装置１５には電源１から交流電力が供給され、モータ制御装置１５は、外部からの指令値３１に従ってモータ５の回転動作や動き動作を制御し、モータ５を駆動する。また、本実施の形態ではモータ５を３相駆動する一例を挙げている。

図１において、電源１は、単相または３相交流電圧であり、電圧値としては１００Ｖや２００Ｖ、４００Ｖなどが用いられる。

モータ制御装置１５は、図１に示すように、電源回路２３とＰＷＭインバータ回路４と制御回路６とゲート駆動回路７とダイナミックブレーキ回路２１とを含む構成である。

電源１はモータ制御装置１５の電源回路２３へ入力される。電源回路２３は、交流電圧を整流する整流回路２と、整流回路２からの直流電圧が充電される電解コンデンサ３とを含む。

また、外部からの指令値３１がモータ制御装置１５の制御回路６に通知される。指令値３１は、上位制御装置（図示せず）から送信される指令信号であり、例えばモータ５を位置制御する場合には位置指令、モータ５を速度制御する場合は速度指令のような指令を含む。より具体的な例として、位置指令の場合はパルス信号、速度指令の場合はアナログ電圧により、指令値３１が制御回路６に入力される。パルス信号の場合は、モータ１回転あたりのパルス数があらかじめ設定されており、制御回路６が指令パルス数をカウントすることによってモータ５を適切な量だけ回転させ位置制御を実現する。また、アナログ電圧の場合は、入力される電圧値とモータ回転速度の関係とをあらかじめ設定しておき、入力された指令電圧を制御回路６が検出し、適切な速度でモータを回転させる。

制御回路６は、指令値３１に従って電圧指令値３２を生成し、その電圧指令値３２によりゲート駆動回路７を動作させる。ゲート駆動回路７は、電圧指令値３２に応じてパルス幅変調（ＰＷＭ、Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）されたパルス信号であるゲート駆動信号３３を生成し、そのゲート駆動信号３３をＰＷＭインバータ回路４に供給する。ＰＷＭインバータ回路４は、モータ５を３相駆動するためＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴなどのパワー半導体６個から構成されている。ＰＷＭインバータ回路４の各パワー半導体は、ゲート駆動回路７からのゲート駆動信号３３に応じてスイッチング動作する。このスイッチング動作に基づくモータ駆動電力は、各相に対応した３本のモータ電力線１７を介してモータ５に供給される。このような構成により、電圧指令値３２に応じたＰＷＭに基づきモータ５を駆動する。また、制御回路６は、ダイナミックブレーキ回路２１の制御もさらに行う。

本実施の形態のモータ制御装置１５は、上述したようなダイナミックブレーキ機能を実現するためにダイナミックブレーキ回路２１を有している。次に、ダイナミックブレーキの動作を行うダイナミックブレーキ回路２１について説明する。ダイナミックブレーキは、緊急時などにモータを停止させるための機能である。緊急時とは例えば、主電源が遮断されたときやモータ制御装置１５への指令値３１が異常となった場合、あるいはモータ制御装置１５が何らかの異常を検出した場合などである。制御回路６は、このような主電源遮断や異常状態を検出する機能を備えている。そして、このような緊急時に、制御回路６がダイナミックブレーキ駆動信号３４によりダイナミックブレーキ回路２１に指令を送る。

ダイナミックブレーキ回路２１は、ダイナミックブレーキ駆動回路（以下、駆動回路と呼ぶ）８とダイナミックブレーキ切替スイッチ（以下、切替スイッチと呼ぶ）９とダイナミックブレーキ抵抗（以下、ブレーキ抵抗と呼ぶ）１０とダイナミックブレーキ整流回路（以下、整流回路と呼ぶ）１４とに加えて、温度スイッチ１１と温度ヒューズ１２と断線検出回路１３とを備えている。

ダイナミックブレーキ回路２１には、モータ電力線１７が引き込まれている。モータ電力線１７には整流回路１４が接続され、整流回路１４の整流出力に、直列接続された切替スイッチ９とブレーキ抵抗１０とが接続されている。切替スイッチ９は、制御回路６からのダイナミックブレーキ駆動信号３４に基づき、駆動回路８によって開放と短絡とに切り替えられる。このような構成により、切替スイッチ９が動作し、ダイナミックブレーキの有効／無効を切り替えることができる。切替スイッチ９には、一般的にリレーやサイリスタなどが用いられる。本実施の形態では、モータ５が動作中は切替スイッチ９が開放となってブレーキが無効となる構成例を挙げている。また、制御回路６の指令に基づき切替スイッチ９が短絡すると、モータ５の３本のモータ電力線１７の電圧は、接続された整流回路１４により整流され、整流電流がブレーキ抵抗１０に流れ込む。そして、ブレーキ抵抗１０によってモータ５で発生するエネルギーを吸収し、ブレーキトルクが発生する。このような動作をさせることにより、モータ５を停止させている。ここで整流回路１４を使用せず、３本のモータ電力線１７のそれぞれの間に抵抗を挿入することによってブレーキトルクを発生させることもできる。

ところで、ダイナミックブレーキはあくまで緊急時に動作する機能であるので、何度も連続して動作させたり、切替スイッチ９を短絡した状態で外部からモータ５を強制的に駆動させるなどの異常状態になった場合、ブレーキ抵抗１０はモータ５で発生するエネルギーを消費し続ける。このため、温度が過度に上昇して周囲回路を破損したり、抵抗が焼損したりするなどの不安全が発生する可能性がある。これに対し、本実施の形態では、ダイナミックブレーキ回路２１において、ブレーキ抵抗１０の近傍に温度スイッチ１１を設置し、温度スイッチ１１の接点状態を検出する断線検出回路１３を設け、さらにブレーキ抵抗１０と直列に接続した温度ヒューズ１２を設置することにより不安全を防止する構成としている。

温度スイッチ１１は、例えばサーモスタットに利用される温度感知機能を備えた機械式の接点スイッチである。温度スイッチ１１は、例えばバイメタルを利用して周囲温度に基づき開放と短絡とのいずれかの状態となる。具体的には、温度スイッチ１１は、所定の動作温度以下では短絡状態となっており、所定の動作温度を超えると開放状態となる。本実施の形態では、温度スイッチ１１を、サーモスタットに利用されるこのような温度スイッチとしている。そして、本実施の形態では、温度スイッチ１１がブレーキ抵抗１０の温度を感知して開閉動作するような位置に、温度スイッチ１１を設置している。

断線検出回路１３は、このような温度スイッチ１１の接点状態を検出する。また、断線検出回路１３は、ラッチ式リレー１６を有している。ラッチ式リレー１６は、一般にセット／リセットの２通りのコイルを備えており、一方のコイルを励磁して接点状態を変えた後、他方のコイルを励磁するまで接点状態を保持する機能を備えたリレーである。本実施の形態では、このラッチ式リレー１６を利用して、温度スイッチ１１の接点状態が、開放状態から短絡状態へと復帰した後も断線検出状態を保持する構成としている。断線検出回路１３は、温度スイッチ１１の接点状態に基づき生成した信号を断線検出信号３５として制御回路６に通知する。

温度ヒューズ１２は、温度感知機能を備えたヒューズである。温度ヒューズ１２は、周囲温度が所定の温度を越えると断線して開放状態となる。温度ヒューズ１２は、ブレーキ抵抗１０と直列接続されている。すなわち、図１に示すように、本実施の形態では、切替スイッチ９、ブレーキ抵抗１０および温度ヒューズ１２が直列接続されている。そして、本実施の形態では、温度ヒューズ１２がブレーキ抵抗１０の温度を感知し、所定の動作温度を越えると断線するような位置に、温度ヒューズ１２を設置している。なお、温度スイッチ１１の動作温度は、温度ヒューズ１２の動作温度よりも低い値に設定しておく。

さらに、断線検出回路１３では、ラッチ式リレー１６のセット／リセットのコイルをそれぞれ正常時／異常時とし、通常は温度スイッチ１１の接点が短絡状態でラッチ式リレー１６の接点を正常側としておく。そして、温度スイッチ１１の接点が開放すると、断線検出状態になったとして、ラッチ式リレー１６の異常側のコイルを励磁するように回路を構成している。すなわち、制御回路６が異常検出後に、温度スイッチ１１の接点が復帰して開放状態から短絡状態になっても、正常側のコイルを励磁しないかぎり、ラッチ式リレー１６の接点状態は変わらない仕様となっている。

以上のような構成において、緊急処置により切替スイッチ９を短絡した状態で、さらに外部からモータ５を強制的に駆動させるなどの異常状態になった場合、ブレーキ抵抗１０の温度が過度に上昇する。すると、温度スイッチ１１の接点が開放し、断線検出回路１３が動作して断線検出信号３５を制御回路６へ伝達する。このような動作により、モータ制御装置１５は、ダイナミックブレーキ異常検出信号３６を出力して外部に表示するなど使用者に異常を知らせる。ところが、例えば使用者がダイナミックブレーキの異常に気付かずにそのままモータ５を強制駆動させ続けた場合、異常状態が継続することになる。このような不具合をも防止するため、本実施の形態では温度ヒューズ１２を設けた構成としている。すなわち、異常状態が継続してブレーキ抵抗１０の温度がさらに上昇すると、温度ヒューズ１２が断線する。このような動作によって、ブレーキ抵抗１０への電力供給を遮断し、ブレーキ抵抗１０の焼損を防ぐことで、発火、発煙などの不安全を防止し、安全性を高めている。

温度スイッチ１１は、温度が低下すると接点が復帰し短絡状態となる。しかし、断線検出回路１３のラッチ式リレー１６により、断線検出信号３５の状態が保持されたままとなり、制御回路６はダイナミックブレーキ異常検出信号３６を出力し続ける。もしもモータ制御装置１５の電源を再起動した場合でも、ラッチ式リレー１６は状態を保持するため、制御回路６はダイナミックブレーキ異常検出信号３６を出力する。また、温度ヒューズ１２が断線した場合、ブレーキ抵抗１０の温度が低下して温度スイッチ１１は開放状態から短絡状態に復帰する。このような場合でも、ラッチ式リレー１６は状態を保持するため、制御回路６はダイナミックブレーキ異常検出信号３６を出力する。よって、このような断線検出回路１３を設けることにより、使用者に異常状態を確実に知らせることができ、不安全な状態でモータ制御装置１５を使用することを防ぐことが可能となり、さらに安全性を高めることができる。

また、本実施の形態では、ラッチ式リレー１６の正常時側のコイルを励磁できるように解除端子３７を設けており、この解除端子３７を短絡すれば断線検出信号３５を初期化できる。すなわち、使用者が異常状態を認識した後、改善や修理が行われ、正常であることが確認された場合に初期化し、ダイナミックブレーキ異常検出信号３６を解除できる。これにより、ダイナミックブレーキ回路２１の異常検出を解除するための操作が他のエラーなどと区別されるため、使用者が誤ってエラーを解除してしまうことを防ぐことができる。

以上説明したように、本発明のモータ制御装置は、ダイナミックブレーキ抵抗と、ダイナミックブレーキ抵抗近傍に配置した温度スイッチと、ダイナミックブレーキ抵抗近傍に配置し、ダイナミックブレーキ抵抗に直列接続した温度ヒューズと、温度スイッチの接点状態を検出する断線検出回路とを備える。そして、温度スイッチの動作温度を温度ヒューズの動作温度よりも低い値に設定した構成である。

これにより、ダイナミックブレーキが動作中にダイナミックブレーキ抵抗が過度に温度上昇するような異常が生じても、断線検出回路が温度スイッチの接点状態に基づき異常検出できる。そして、使用者に異常を伝達し、適切な処置を行えば抵抗の焼損を未然に防ぐことができる。また、異常検出後も引き続きモータが強制駆動されたとしても、温度ヒューズが断線することによって、抵抗が焼損する前に電力供給を遮断できる。このため、不安全動作を防止でき、安全性を高めることができる。

さらに、本発明のモータ制御装置は、温度スイッチの接点状態が復帰した後も、断線検出回路が断線検出状態を保持する構成である。

これにより、温度ヒューズが断線後、ダイナミックブレーキ抵抗の温度が低下すると温度スイッチは復帰するが、断線検出回路は異常検出状態を保持し続ける。このため、使用者へ確実に異常を伝達することが可能であり、異常状態のまま誤ってモータ制御装置を使用することを防止でき、さらに安全性を高めることができる。

本発明のモータ制御装置は、モータのダイナミックブレーキが必要なＦＡサーボ分野などに有用である。

１ 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
６，９６ 制御回路
７ ゲート駆動回路
８ ダイナミックブレーキ駆動回路
９ ダイナミックブレーキ切替スイッチ
１０ ダイナミックブレーキ抵抗
１１ 温度スイッチ
１２ 温度ヒューズ
１３ 断線検出回路
１４ ダイナミックブレーキ整流回路
１５，９５ モータ制御装置
１６ ラッチ式リレー
１７ モータ電力線
２１，９１ ダイナミックブレーキ回路
２３ 電源回路
３７ 解除端子

Claims (4)

1. モータのエネルギーを吸収してブレーキをかけるダイナミックブレーキ機能を備えたモータ制御装置であって、
   ダイナミックブレーキ抵抗と、
   前記ダイナミックブレーキ抵抗近傍に配置し、温度スイッチの周囲温度が前記温度スイッチの動作温度を越えると接点状態が変化する前記温度スイッチと、
   前記ダイナミックブレーキ抵抗近傍に配置し、前記ダイナミックブレーキ抵抗に直列接続、温度ヒューズの周囲温度が前記温度ヒューズの動作温度を越えると断線して開放状態となる前記温度ヒューズと、
   前記温度スイッチの接点状態を検出し、前記温度スイッチの接点状態の前記変化が発生した場合、断線検出状態になって異常を知らせる断線検出回路とを備え、
   前記温度スイッチの動作温度を、前記温度ヒューズの動作温度よりも低い値に設定したことを特徴とするモータ制御装置。
2. 前記断線検出回路は、前記温度スイッチの接点状態が復帰した後も前記断線検出状態を保持してい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. 前記断線検出回路は、ラッチ式リレーを用いて前記温度スイッチの接点状態を検出することを特徴とする請求項２に記載のモータ制御装置。
4. 前記ラッチ式リレーの接点状態を解除することで初期化するための解除端子を設けたことを特徴とする請求項３に記載のモータ制御装置。

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