JP7103280B2 - 電源遮断装置 - Google Patents

Description

本発明は、電源遮断装置に関し、例えば、モータの電源遮断回路の故障を検出する電源遮断装置に関する。

特許文献１には、モータに異常が発生した際に、モータに電力供給する電源を遮断するための電源遮断回路が故障している否かを検知する故障検出装置が開示されている。特許文献１の故障検出装置は、モータが回転していない期間に、電源遮断回路を機能させ、モータとの間の電圧を見ることによって、電源遮断回路の故障を検出する。

特開２０１３－０７９０２７号公報

モータが回転中であっても、電源遮断回路の故障を検出できる装置が求められている。

本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、モータ回転中であっても、電源遮断回路の故障を検出することができる電源遮断装置を提供する。

本発明の一態様に係る電源遮断装置は、モータに異常が発生した際に、電源から前記モータへ供給される電力を遮断する電源遮断回路と、前記電源遮断回路の故障を検出する制御部と、前記電源遮断回路の入力側及び出力側の電圧を検出する一対の電圧センサと、を備える電源遮断装置であって、前記制御部は、（１）前記モータが力行状態である、かつ、（２）前記電源遮断回路が遮断された後所定期間経過したときの前記電源遮断回路の入力側及び出力側間の電圧差が所定電圧以下である、場合に、前記電源遮断回路の故障を検出する、ことを特徴とする。このような構成とすることにより、モータ回転中であっても、電源遮断回路の故障を検出することができる。

本発明により、モータ回転中であっても、電源遮断回路の故障を検出することができる電源遮断装置を提供する。

比較例に係る故障検出装置を含むモータ駆動システムを例示したブロック図である。 比較例に係る故障検出装置の概略的なシステム構成を例示したブロック図である。 マップ情報を例示した図である。 比較例に係る故障検出方法を例示したフローチャート図である。 実施形態に係る電源遮断装置の産業用ロボット向け構成を例示したブロック図である。 実施形態に係る電源遮断装置の電源遮断スイッチに接続された回路を例示した図である。 実施形態に係る電源遮断装置の電源遮断スイッチをオンからオフにした時の電源遮断スイッチの出力側の電圧の変化を例示したグラフであり、横軸は時間を示し、縦軸は電圧を示す。 実施形態に係る電源遮断装置の産業用ロボット向けの場合の動作を例示したフローチャート図である。 実施形態に係る電源遮断装置の産業用ロボット向けの場合の動作を例示したグラフであり、横軸は時間を示し、縦軸は、速度を示す。 実施形態に係る電源遮断装置のモビリティ向け構成を例示したブロック図である。 実施形態に係る電源遮断装置のモビリティ向けの場合の動作を例示したフローチャート図である。 実施形態に係る電源遮断装置のヒューマノイド／介護ロボット向け構成を例示したブロック図である。 実施形態に係る電源遮断装置のヒューマノイド／介護ロボット向けの場合の動作を例示したフローチャート図である。 実施形態に係る電源遮断装置のヒューマノイド／介護ロボット向けの場合のｑ軸電流及びｄ軸電流の関係を例示したグラフであり、横軸は、ｑ軸電流Ｉｑを示し、縦軸は、ｄ軸電流Ｉｄを示す。 実施形態に係る電源遮断装置の探索・災害対応ロボット向け構成を例示したブロック図である。 実施形態に係る電源遮断装置の探索・災害対応ロボット向けの場合の動作を例示したフローチャート図である。 実施形態に係る電源遮断装置の探索・災害対応ロボット向けの場合の容量補正率を例示したグラフであり、横軸は、温度センサ値を示し、縦軸は、容量補正率を示す。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、添付図面を参照しながら説明する。但し、本発明が以下の実施の形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするため、以下の記載及び図面は、適宜、簡略化されている。

（比較例）
まず、比較例に係るモータ駆動システム及び故障検出装置を説明する。比較例を説明した後で、実施形態に係る電源遮断装置を説明する。これにより、実施形態をより明確にする。

図１は、比較例に係る故障検出装置を含むモータ駆動システムを例示したブロック図である。図２は、比較例に係る故障検出装置の概略的なシステム構成を例示したブロック図である。図１及び図２に示すように、モータ駆動システムは、故障検出装置１０１、制御部１１０、モータドライバ１１１、モータ１１２、電源１１３、及び、電源遮断回路１１４を備えている。故障検出装置１０１は、第１電圧センサ１０２、第２電圧センサ１０３、領域判定部１０４、故障検出部１０５、トルクセンサ１１５、及び、速度センサ１１６を備えている。

制御部１１０は、モータドライバ１１１にモータ制御信号を送信することで、モータドライバ１１１を介してモータ１１２を制御する。

電源１１３は、モータドライバ１１１を介して、モータ１１２に電力を供給する。電源遮断回路１１４は、電源１１３とモータドライバ１１１との間に設けられている。電源遮断回路１１４は、電源１１３からモータドライバ１１１を介してモータ１１２に供給される電力を遮断する。制御部１１０は、電源遮断回路１１４に対して電源遮断制御信号を送信することで、電源遮断回路１１４を遮断する。

比較例に係る故障検出装置１０１は、モータ１１２に異常が発生した際に、電源１１３からモータドライバ１１１を介してモータ１１２へ供給される電力を遮断する電源遮断回路１１４の故障を検出するものである。

故障検出装置１０１は、電源遮断回路１１４の入力側及び出力側の電圧を検出する一対の第１及び第２電圧センサ１０２、１０３と、モータ１１２が安定回生領域内にあるかを判定する領域判定部１０４と、電源遮断回路１１４の故障を検出する故障検出部１０５と、トルクセンサ１１５と、速度センサ１１６と、を備えている。

なお、故障検出装置１０１は、例えば、演算処理等と行うＣＰＵ（Central Processing Unit）１０１ａ、ＣＰＵ１０１ａによって実行される演算プログラム等や各種のデータを記憶するメモリ１０１ｂ、外部と信号の入出力を行うインターフェイス部（Ｉ／Ｆ）１０１ｃ、などからなるマイクロコンピュータを中心にして、ハードウェア構成されている。ＣＰＵ１０１ａ、メモリ１０１ｂ及びインターフェイス部１０１ｃは、データバスなどを介して相互に接続されている。

第１電圧センサ１０２は、電源遮断回路１１４の入力側に設けられ、入力側の電圧Ｖ１を検出する。第１電圧センサ１０２は、検出した入力側の電圧Ｖ１を故障検出部１０５に出力する。第２電圧センサ１０３は、電源遮断回路１１４の出力側に設けられ、出力側の電圧Ｖ２を検出する。第２電圧センサ１０３は、検出した出力側の電圧Ｖ２を故障検出部１０５に出力する。

領域判定部１０４は、トルクセンサ１１５により検出されたモータ１１２のトルクと、速度センサ１１６により検出されたモータ１１２の速度と、に基づいて、マップ情報において、モータ１１２のトルク及び速度が安定回生領域内にあるかを判定する。トルクセンサ１１５は、モータ１１２の駆動軸などに設けられている。速度センサ１１６は、モータ１１２の駆動軸などに設けられている。

マップ情報は、予めメモリ１０１ｂなどに設定されている。図３は、マップ情報を例示した図である。マップ情報は、横軸をモータ１１２のトルク、縦軸をモータ１１２の速度とした２次元座標系である。マップ情報には、予め、安定回生領域、不安定回生領域、力行領域、が設定されている。

安定回生領域は、電源遮断がモータ１１２の制御性に影響しない、安定した回生状態の領域である。安定回生領域は、モータ１１２が正転あるいは逆転で回生状態にある領域である。さらに、安定回生領域は、モータ１１２のトルクが正値で所定トルク以上かつモータ１１２の速度が負値でその速度の絶対値が所定速度以上となる領域である。あるいは、安定回生領域は、モータ１１２のトルクが負値でそのトルクの絶対値が所定トルク以上かつモータ１１２の速度が正値で所定速度以上、となる領域である。

所定トルクは、例えば、モータ１１２のトルク時定数ＭＴに故障検出時間Ｔを乗算することで算出される。所定速度は、例えば、モータ１１２の速度時定数ＭＶに故障検出時間Ｔを乗算することで算出される。故障検出時間Ｔは、電源遮断回路１１４の故障を検出するのに必要な時間であり、後述の如く、電源遮断回路１１４が遮断された後、電源遮断回路１１４の入力側及び出力側の間の電圧差を算出するまでの時間である。トルク時定数ＭＴ、速度時定数ＭＶ、故障検出時間Ｔは、予めメモリ１０１ｂなどに設定されているが、ユーザによって任意に設定変更可能である。

不安定回生領域は、電源遮断がモータ１１２の制御性に影響しないが、故障検出時間Ｔ以内に力行領域に入る可能性がある、不安定な回生状態の領域である。不安定回生領域は、モータ１１２が正転あるいは逆転で回生状態にある領域である。さらに、不安定回生領域は、モータ１１２のトルクが正値で所定トルク未満となる領域、および、モータ１１２の速度が負値でその速度の絶対値が所定速度未満となる領域である。あるいは、不安定回生領域は、モータ１１２のトルクが負値でそのトルクの絶対値が所定トルク未満となる領域、および、モータ１１２の速度が正値で所定速度未満、となる領域である。

力行領域は、電源遮断がモータ１１２の制御性に影響する領域である。具体的には、力行領域は、モータ１１２のトルクが正値及びモータ１１２の速度が正値となる領域である。あるいは、力行領域は、モータ１１２のトルクが負値及びモータ１１２の速度が負値となる領域である。

領域判定部１０４は、モータ１１２のトルク及び速度（トルク、速度）の座標が、メモリ１０１ｂのマップ情報において、安定回生領域内にあり、モータ１１２が安定回生状態にあるか否かを判定する。領域判定部１０４は、モータ１１２が安定回生状態にあると判定した場合に、その判定結果を故障検出部１０５に出力する。

故障検出部１０５は、領域判定部１０４からの判定結果と、第１電圧センサ１０２からの入力側の電圧Ｖ１と、第２電圧センサ１０３からの出力側の電圧Ｖ２と、に基づいて、例えば、電源遮断回路１１４のショート故障を検出する。

ところで、例えば、モータ制御用回路において、異常が発生した際に電源遮断回路を用いてモータを停止させる。このとき、電源遮断回路が故障しているとモータを停止させることができないため、電源遮断回路自体の故障も検出する必要がある。従来、モータの回転中に電源遮断回路の故障を検出することができない。このため、次回モータが停止するまでに電源遮断回路が故障しても、モータを停止できないという問題が生じていた。

これに対し、比較例に係る故障検出装置１０１は、モータ１１２による回生動作の特性を利用することで、モータ１１２回転中でも電源遮断回路１１４の故障を検出できる。具体的には、故障検出部１０５は、（１）モータ１１２のトルクが正値で所定トルク以上かつ速度が負値で該速度の絶対値が所定速度以上、あるいは、モータ１１２のトルクが負値で該トルクの絶対値が所定トルク以上かつ速度が正値で所定速度以上、である、（２）モータ１１２が回生状態である、かつ、（３）電源遮断回路１１４が遮断された後所定時間経過したときの電源遮断回路１１４の入力側及び出力側間電圧差が所定電圧以下である、場合に、電源遮断回路１１４の故障を検出する。

これにより、モータ１１２が、電源遮断によりモータ制御性に影響しない安定した安定回生状態にあるときに、電源遮断回路１１４の遮断を行うことができる。したがって、モータ１１２回転中でも電源遮断回路１１４の故障を検出できる。

したがって、比較例においては、電源遮断回路１１４の故障の検出にかかる故障検出時間Ｔと、モータ１１２のトルク時定数ＭＴと、モータ１１２の速度時定数ＭＶと、に基づいて、故障検出時間Ｔ内に回生状態から力行状態に復帰しない安定回生領域を定義し、この安定回生領域内にあるときに電源遮断回路１１４の遮断を行っている。これにより、確実に、モータ制御性に影響を与えることなく、電源遮断回路１１４の遮断を行うことができる。

故障検出部１０５は、領域判定部１０４からのモータ１１２が安定回生状態にある旨の判定結果を受けると、電源遮断回路１１４が遮断された後所定時間（故障検出時間）Ｔ経過したときの第１電圧センサ１０２からの入力側の電圧Ｖ１と、第２電圧センサ１０３からの出力側の電圧Ｖ２と、の間の電圧差Ｖｃａｌ（Ｖｃａｌ＝Ｖ２－Ｖ１）を算出する。

そして、故障検出部１０５は、算出した電圧差Ｖｃａｌが所定電圧Ｖｃｈ以下であるか否かを判定する。所定電圧Ｖｃｈは、例えば、電源遮断回路１１４がショート故障したときの電圧差が予め実験的に求められ、その値がメモリ１０１ｂなどに設定されている。故障検出部１０５は、算出した電圧差Ｖｃａｌが所定電圧Ｖｃｈ以下であると判定した場合に、電源遮断回路１１４のショート故障を検出する。

図４は、比較例に係る故障検出方法を例示したフローチャート図である。図４に示す処理は、例えば、所定時間毎に繰返し実行される。

まず、ステップＳ１０１に示すように、領域判定部１０４は、メモリ１０１ｂのトルク時定数ＭＴ、速度時定数ＭＶ、及び、故障検出時間Ｔに基づいて、マップ情報に安定回生領域を設定する。

次に、ステップＳ１０２に示すように、領域判定部１０４は、モータ１１２のトルク及び速度と、に基づいて、マップ情報において、モータ１１２のトルク及び速度が安定回生領域内にあるかを判定する。

ステップＳ１０２において、領域判定部１０４は、モータ１１２のトルク及び速度が安定回生領域内にあると判定した場合には、ステップＳ１０３に示すように、電源遮断回路１１４を遮断する。一方、ステップＳ１０２において、領域判定部１０４は、モータ１１２のトルク及び速度が安定回生領域内にないと判定した場合には、本処理を終了する。

次に、ステップＳ１０４に示すように、故障検出部１０５は、電源遮断回路１１４が遮断された後所定時間Ｔ経過したときの第１電圧センサ１０２の入力側の電圧Ｖ１と、第２電圧センサ１０３の出力側の電圧Ｖ２と、を取得する。

次に、ステップＳ１０５に示すように、故障検出部１０５は、第１電圧センサ１０２からの入力側の電圧Ｖ１と、第２電圧センサ１０３からの出力側の電圧Ｖ２と、間の電圧差Ｖｃａｌを算出する。

次に、ステップＳ１０６に示すように、故障検出部１０５は、算出した電圧差Ｖｃａｌが所定電圧Ｖｃｈ以下であるか否かを判定する。

ステップＳ１０６において、故障検出部１０５は、算出した電圧差Ｖｃａｌが所定電圧Ｖｃｈ以下であると判定した場合には、ステップＳ１０７に示すように、電源遮断回路１１４のショート故障を検出する。

一方、ステップＳ１０６において、故障検出部１０５は、算出した電圧差Ｖｃａｌが所定電圧Ｖｃｈ以下でないと判定した場合には、ステップＳ１０８に示すように、電源遮断回路１１４の遮断を解除する。そして、ステップＳ１０９に示すように、制御部１１０は、モータドライバ１１１を介してモータ１１２の制御を継続する。

以上、比較例において、（１）モータ１１２のトルクが正値で所定トルク以上かつ速度が負値で該速度の絶対値が所定速度以上、あるいは、モータ１１２のトルクが負値で該トルクの絶対値が所定トルク以上かつ速度が正値で所定速度以上、である、（２）モータ１１２が回生状態である、かつ、（３）電源遮断回路１１４が遮断された後所定時間経過したときの電源遮断回路１１４の入力側及び出力側間電圧差が所定電圧以下である、場合に、電源遮断回路１１４の故障を検出する。これにより、モータ１１２が、電源遮断によりモータ制御性に影響しない安定した安定回生状態にあるときに、電源遮断回路１１４の遮断を行うことができる。したがって、モータ１１２回転中でも電源遮断回路１１４の故障を検出できる。

比較例において、安定回生領域では、モータの動作により、第２電圧センサ側の電圧値が上昇する。電源遮断回路が正常であれば、第１電圧センサ側の電圧値は、電源電圧と等しいため、第１及び第２電圧センサの電圧値を比較することで、故障を検出することができる。

しかしながら、比較例においては、安定回生領城以外の領域で故障を検出することができない。産業用ロボットなどの固定動作を行う機器では、殆ど、力行領域で使用されるため、力行領域での故障検出を行う必要がある。以下の実施形態では、力行領域における故障を検出する。

（実施形態）
次に、実施形態に係る電源遮断装置を説明する。一般に、モータの回転中に電源遮断スイッチをオフにしてしまうと、モータドライバへの電源供給が遮断されてしまい、モータが停止してしまう。一方、モータドライバにはフィルタやスイッチング素子のもつ容量成分が存在し、微小な時間はその容量成分によってモータを駆動することが可能である。以下の実施形態では、その容量成分に着目し、モータが駆動できる範囲内で電源遮断スイッチをオン／オフすることで、モータ駆動中でも電源遮断スイッチの故障を検出する。以下で、＜産業用ロボット向け構成・手法＞、＜モビリティ向け構成・手法＞、＜ヒューマノイド／介護ロボット向け構成・手法＞、＜探索・災害対応ロボット向け構成・手法＞に分けて説明する。

＜産業用ロボット向け構成・手法＞
産業用ロボット等のように、動作パターンが一定のロボットでは、力行領域での動作が殆どである。本例では、力行領域に限定し、ロボットの最小構成で故障検出を行う手法を説明する。本例では、安定回生領域及び力行領域の状態判定は行わないため、電流センサを有さず、動作パターンが一定である。このため、回転角センサも搭載しない。

図５は、実施形態に係る電源遮断装置の産業用ロボット向け構成を例示したブロック図である。図５に示すように、電源遮断装置１０は、電源１と、電源遮断スイッチ２と、第１電圧センサ３と、第２電圧センサ４と、制御部５と、モータドライバ６と、モータ７とを備えている。

電源１は、モータドライバ６を介して、モータ７に電力を供給する。電源遮断スイッチ２は、電源１とモータドライバ６との間に設けられている。電源遮断スイッチ２は、電源１からモータドライバ６を介してモータ７に供給される電力を遮断する。モータドライバ６には、フィルタやスイッチング素子のもつ容量成分Ｃが存在し、微小な時間はその容量成分Ｃによってモータ７を駆動することが可能である。なお、電源遮断スイッチ２を、比較例と同様に、電源遮断回路とも呼ぶ。

制御部５は、電源遮断スイッチ２に対して電源遮断制御信号を送信することで、電源遮断スイッチ２を遮断する。制御部５は、演算処理等と行うＣＰＵ（Central Processing Unit）及びＣＰＵによって実行される演算プログラム等や各種のデータを記憶するメモリを含んでいる。制御部５は、比較例における制御部１１０及び故障検出装置１０１を含んだ構成としてもよい。よって、制御部５は、モータ７に異常が発生した際に、電源１からモータ７へ供給される電力を遮断する電源遮断スイッチ２の故障を検出する。

第１電圧センサ３は、電源遮断スイッチ２の入力側に設けられ、入力側の電圧Ｖ１を検出する。第１電圧センサ３は、検出した入力側の電圧Ｖ１を制御部５に出力する。第２電圧センサ４は、電源遮断スイッチ２の出力側に設けられ、出力側の電圧Ｖ２を検出する。第２電圧センサ４は、検出した出力側の電圧Ｖ２を制御部５に出力する。このように、電源遮断装置１０は、電源遮断スイッチ２の入力側及び出力側の電圧を検出する一対の電圧センサを備えている。第１電圧センサ３が検出した入力側の電圧Ｖ１を、第１電圧センサ値Ｖ１とも呼ぶ。第２電圧センサ４が検出した出力側の電圧Ｖ２を、第２電圧センサ値Ｖ２とも呼ぶ。

制御部５は、図示しないトルクセンサにより検出されたモータ７のトルクと、図示しない速度センサにより検出されたモータの速度と、に基づいたマップ情報において、モータ７のトルク及び速度が回生領域内にあるか、または、力行領域内にあるかを判定することができる。

次に、本実施形態に係る電源遮断装置１０の動作として、故障検出方法を説明する。
図６は、実施形態に係る電源遮断装置１０の電源遮断スイッチ２に接続された回路を例示した図である。図６に示すように、第１電圧センサ３は、電源遮断スイッチ２の入力側に設けられ、入力側の第１電圧センサ値Ｖ１を検出する。第２電圧センサ４は、電源遮断スイッチ２の出力側に設けられ、出力側の第２電圧センサ値Ｖ２を検出する。電源遮断スイッチ２の出力側は、モータドライバ６を介してモータ７へ接続されている。モータドライバ６は、容量Ｃを介して接地されている。モータドライバ６を介してモータ７へ流れる電流を電流Ｉとする。

図７は、実施形態に係る電源遮断装置１０の電源遮断スイッチ２をオンからオフにした時の電源遮断スイッチ２の出力側の電圧の変化を例示したグラフであり、横軸は時間を示し、縦軸は電圧を示す。電源遮断スイッチ２をオフにすると、第２電圧センサ４が示す第２電圧センサ値Ｖ２は、低下し始める。その低下の速度は、容量Ｃに蓄積される電荷を電荷Ｑとして、以下の（１）式で求められる。

Ｑ＝ＣＶ （１）

ここで、Δｔ時間における電圧変化をΔＶとし、Δｔ時間における電荷の変化をΔＱとすると、（１）式は（２）式になる。

（ΔＱ／Δｔ）＝Ｃ（ΔＶ／Δｔ） （２）

電流Ｉは、（ΔＱ／Δｔ）であるから、（３）式になる。

Ｉ＝Ｃ（ΔＶ／Δｔ） （３）

モータ制御に影響のない降下電圧として、降下電圧Ｖ_Ｔを規定する。電圧変化ΔＶ＝Ｖ２－Ｖ１＝Ｖ_Ｔとすると、降下電圧Ｖ_Ｔとなる時間Δｔは、（４）式になる。

Δｔ＝Ｃ（Ｖ_Ｔ／Ｉ） （４）

したがって、Δｔ時間だけ、電源遮断スイッチ２をオフした際の降下電圧Ｖ_Ｔにより故障検出を行うことができる。

図８は、実施形態に係る電源遮断装置の産業用ロボット向けの場合の動作を例示したフローチャート図である。

図８のステップＳ１に示すように、制御部５は、モータ７の制御を開始する。次に、ステップＳ２に示すように、制御部５は、電源遮断スイッチ２を遮断する。次に、ステップＳ３に示すように、電源遮断スイッチ２を遮断してからΔｔ時間［ｓｅｃ］経過後に、制御部５は、第１電圧センサ値Ｖ１及び第２電圧センサ値Ｖ２を取得する。具体的には、制御部５は、第１電圧センサ値Ｖ１を第１電圧センサ３から取得し、第２電圧センサ値Ｖ２を、Δｔ時間経過後の第２電圧センサ４から取得する。

次に、ステップＳ４に示すように、制御部５は、電源遮断スイッチ２の遮断を解除する。そして、ステップＳ５に示すように、制御部５は、第１電圧センサ値Ｖ１－第２電圧センサ値Ｖ２が降下電圧Ｖ_Ｔより大きいか判断する。ステップＳ５において、第１電圧センサ値Ｖ１－第２電圧センサ値Ｖ２が降下電圧Ｖ_Ｔ以下の場合には、電源遮断スイッチ２は故障している場合である。よって、ステップＳ６に示すように、制御部５は、電源遮断スイッチ２のショート故障を検出する。したがって、ステップＳ７に示すように、モータ制御を停止する。このように、制御部５は、モータ７が力行状態で、かつ、電源遮断スイッチ２が遮断された後所定期間経過したときの電源遮断スイッチ２の入力側及び出力側間の電圧差が所定電圧以下である場合に、電源遮断スイッチ２の故障を検出する。

一方、ステップＳ５において、第１電圧センサ値Ｖ１－第２電圧センサ値Ｖ２が降下電圧Ｖ_Ｔより大きい場合には、電源遮断スイッチ２は故障していない。よって、ステップＳ８に示すように、制御部５は、モータ制御を継続する。

図９は、実施形態に係る電源遮断装置の産業用ロボット向けの場合の動作を例示したグラフであり、横軸は時間を示し、縦軸は、速度を示す。図９に示すように、産業用ロボット等のように、動作パターンが一定のロボットでは、力行領域での動作が殆どである。例えば、時間ｔ０～ｔ１及び時間ｔ３～ｔ４において、モータ７は、力行領域の動作である。時間ｔ１～ｔ２及び時間ｔ４～ｔ５だけが回生領域の動作である。したがって、産業用ロボット向けの例では、力行領域に限定して、故障検出を行う。

本例に係る電源遮断装置１０によれば、産業用ロボット等のように、動作パターンが一定のロボットの場合には、力行領域の動作状態において、電源遮断スイッチ２の故障を検出することができる。すなわち、モータ７の回転中でも電源遮断スイッチ２の故障を検出できる。

＜モビリティ向け構成・手法＞
次に、モビリティ向け構成・手法を説明する。モビリティ等の動作パターンが不定なロボットでは、モータ７は、力行領域及び回生領域に渡って万遍なく動作する。さらに、様々な負荷で動作するため、一定時間、電源遮断スイッチ２をオフした場合の降下電圧Ｖ_Ｔが一定にならない。そこで、動作時の負荷電流Ｉに応じて、電源遮断スイッチ２をオフする時間を変化させる。これにより、負荷の大小にかかわらず、降下電圧Ｖ_Ｔが一定となるように制御し、電源遮断スイッチ２の故障検出を行う。力行・回生の状態判定を行うため、電源１側に電流センサを搭載する。

図１０は、実施形態に係る電源遮断装置のモビリティ向け構成を例示したブロック図である。図１０に示すように、電源遮断装置１１は、電源１、電源遮断スイッチ２、第１電圧センサ３、第２電圧センサ４、制御部５、モータドライバ６、モータ７の他に、電源側電流センサ８を備えている。

電源側電流センサ８は、電源遮断スイッチ２の電源１側に流れる電流Ｉを取得する。取得した電流Ｉを、上述した（４）式に代入する。よって、電源側電流センサ８で取得した電流Ｉに応じて、電源遮断スイッチ２をオフする時間Δｔを変化させる。電源側電流センサ８で取得した電流Ｉを、電流センサ値Ｉとも呼ぶ。

図１１は、実施形態に係る電源遮断装置のモビリティ向けの場合の動作を例示したフローチャート図である。

図１１のステップＳ１１に示すように、制御部５は、モータ７の制御を開始する。次に、ステップＳ１２に示すように、制御部５は、電流センサ値Ｉを取得する。具体的には、制御部５は、電源側電流センサ８から電源１側の電流センサ値Ｉを取得する。

次に、ステップＳ１３に示すように、制御部５は、モータ７の動作が回生領域か判定する。具体的には、制御部５は、図示しないトルクセンサにより検出されたモータ７のトルクと、図示しない速度センサにより検出されたモータ７の速度と、に基づいたマップ情報において、モータ７のトルク及び速度が回生領域内にあるかを判定する。

ステップＳ１３において、モータ７の動作が回生領域の場合には、ステップＳ１４に示すように、比較例に示した方法で故障を検出する。一方、ステップＳ１３において、モータ７の動作が回生領域ではない力行領域の場合には、ステップＳ１５に示すように、Δｔ［ｓｅｃ］を算出する。具体的には、制御部５は、ステップＳ１２で取得した電流センサ値Ｉを、（４）式に代入してΔｔを算出する。その後は、前述のステップＳ２～ステップＳ８と同様に電源遮断スイッチの故障を検出する。

本例に係る電源遮断装置１１によれば、モビリティ等の動作パターンが不定なロボットのように、一定時間、電源遮断スイッチ２をオフした場合の降下電圧Ｖ_Ｔが一定にならない場合でも、動作時の負荷電流Ｉに応じて、電源遮断スイッチ２をオフする時間を変化させる。これにより、負荷の大小にかかわらず、降下電圧Ｖ_Ｔが一定となるように制御し、電源遮断スイッチ２の故障検出を行うことができる。すなわち、モータ７の回転中でも電源遮断スイッチ２の故障を検出できる。

＜ヒューマノイド／介護ロボット向け構成・手法＞
次に、ヒューマノイド／介護ロボット向け構成・手法を説明する。ヒューマノイドや介護ロボット等の人に密着するロボットでは、故障時の安全を確保するため、高速な故障検出が必要である。さらに、モビリティ向けと同様に、動作パターシも不定であって、様々ある。このため、軽負荷時には、故障検出に長時間を要する場合がある。

そこで、動作時のｑ軸電流Ｉｑに応じて、モータ出力に影響のないｄ軸電流Ｉｄの電流値を変化させる。これにより、負荷の大小にかかわらず、電圧降下時間Δｔを一定となるように制御することで、故障検出を行う。本例の電源遮断装置では、力行・回生の状態判定及びベクトル制御を行うため、インバータ側に電流センサ及び回転角センサを搭載している。

図１２は、実施形態に係る電源遮断装置のヒューマノイド／介護ロボット向け構成を例示したブロック図である。図１２に示すように、電源遮断装置１２は、電源１、電源遮断スイッチ２、第１電圧センサ３、第２電圧センサ４、制御部５、モータドライバ６、モータ７の他に、モータドライバ側電流センサ１８及び回転角センサ９を備えている。モータドライバ側電流センサ１８は、電源遮断スイッチ２のモータドライバ６側に流れる電流Ｉを取得する。回転角センサ９は、モータの回転角を取得する。

図１３は、実施形態に係る電源遮断装置のヒューマノイド／介護ロボット向けの場合の動作を例示したフローチャート図である。図１３のステップＳ２１に示すように、制御部５は、モータ７の制御を開始する。次に、ステップＳ２２に示すように、制御部５は、電源遮断スイッチ２のモータドライバ６側に流れる電流Ｉを取得する。具体的には、制御部５は、モータドライバ側電流センサ１８によって、モータドライバ６側に流れる電流Ｉを取得する。また、制御部５は、回転角センサ値θ［ｄｅｇ］を取得する。具体的には、制御部５は、回転角センサ９により、モータの回転角を取得する。そして、制御部５は、取得した電流Ｉ及び回転角センサ値θより、ｑ軸電流Ｉｑ［Ａ］を算出する。

次に、ステップＳ２３に示すように、制御部５は、モータ７の動作が回生領域か判定する。ステップＳ２３において、モータ７の動作が回生領域の場合には、ステップＳ２４に示すように、比較例に示した方法で故障を検出する。一方、ステップＳ２３において、モータ７の動作が回生領域ではない力行領域の場合には、ステップＳ２５に示すように、故障検出に必要な目標ｄ軸電流Ｉｄ－ｒｅｆ［Ａ］を出力する。

前述したように、ヒューマノイドや介護ロボット等の人に密着するロボットでは、故障時の安全を確保するため、高速な故障検出が必要である。さらに、モビリティ向けと同様に、動作パターシも不定であるため、軽負荷時には、故障検出に長時間を要する場合がある。そこで、時間Δｔを、故障検出に適した時間に設定する。そして、Δｔを満たすｄ軸電流Ｉｄを、ｑ軸電流Ｉｑに応じて以下に示すように計算する。なお、計算する代わりに、事前にｑ軸電流に対応するｄ軸電流Ｉｄをマップにして制御部５に記憶させてもよい。動作パターンに応じてｄ軸電流Ｉｄを変化させることで、負荷の大小、すなわち、ｑ軸電流Ｉｑの大小にかかわらず、一定時間で故障検出を可能とする。

図１４は、実施形態に係る電源遮断装置のヒューマノイド／介護ロボット向けの場合のｑ軸電流及びｄ軸電流の関係を例示したグラフであり、横軸は、ｑ軸電流Ｉｑを示し、縦軸は、ｄ軸電流Ｉｄを示す。図１４に示すように、電流Ｉは、ｑ軸電流Ｉｑ及びｄ軸電流Ｉｄを用いて、（５）式で表せる。

Ｉ＝√（Ｉｑ^２＋Ｉｄ^２） （５）

ここで、（４）式に電流Ｉを代入すると、（６）になる。

Δｔ＝ＣＶ_Ｔ／√（Ｉｑ^２＋Ｉｄ^２） （６）

したがって、Δｔが一定になるように、ｑ軸電流Ｉｑに合わせて、ｄ軸電流Ｉｄを変化させる。例えば、曲線または直線にフィッティングによりｑ軸電流Ｉｑに応じたｄ軸電流Ｉｄを決定してもよいし、テーブル参照によりｑ軸電流Ｉｑに応じたｄ軸電流Ｉｄを決定してもよい。その後は、前述のステップＳ２～ステップＳ８と同様に電源遮断スイッチの故障を検出する。

本例に係る電源遮断装置１２によれば、ヒューマノイドや介護ロボット等の人に密着するロボットのように、高速な故障検出が必要な場合でも、ｑ軸電流Ｉｑに応じたｄ軸電流Ｉｄを設定することにより、時間Δｔを一定とすることで、電源遮断スイッチ２の故障検出を行うことができる。すなわち、モータ７の回転中でも電源遮断スイッチ２の故障を検出できる。

＜探索・災害対応ロボット向け構成・手法＞
次に、探索・災害対応ロボット向け構成・手法を説明する。探索・災害対応ロボット等の屋外や特定の過酷な環境で動作するロボットでは、その周辺環境温度の変化が激しい。容量成分Ｃは、低温及び高温時に変化しやすいため、一定時間、電源遮断スイッチ２をオフにした場合の降下電圧Ｖ_Ｔは一定にならない。

そこで、動作時のモータドライバ６におけるインバータ温度に応じて、電源遮断スイッチ２をオフする時間を変化させる。これにより、動作時のインバータ温度の高低にかかわらず、降下電圧Ｖ_Ｔが一定となるように制御することで、故障検出を行う。インバータ温度を監視するため、温度センサを搭載する。

図１５は、実施形態に係る電源遮断装置の探索・災害対応ロボット向け構成を例示したブロック図である。図１５に示すように、電源遮断装置１３は、電源１、電源遮断スイッチ２、第１電圧センサ３、第２電圧センサ４、制御部５、モータドライバ６、モータ７の他に、電源側電流センサ８及び温度センサ１９を備えている。電源側電流センサ８は、電源遮断スイッチ２の電源１側に流れる電流センサ値Ｉを取得する。温度センサ１９は、モータドライバ６におけるインバータの温度を取得する。

図１６は、実施形態に係る電源遮断装置の探索・災害対応ロボット向けの場合の動作を例示したフローチャート図である。図１６のステップＳ３１に示すように、制御部５は、モータ７の制御を開始する。次に、ステップＳ３２に示すように、制御部５は、電流センサ値Ｉ及び温度センサ値Ｔを取得する。具体的には、制御部５は、電源側電流センサ８から電流センサ値Ｉを取得する。また、制御部５は、温度センサ１９から温度センサ値Ｔを取得する。

次に、ステップＳ３３に示すように、制御部５は、モータ７の動作が回生領域か判定する。ステップＳ３３において、モータ７の動作が回生領域の場合には、ステップＳ３４に示すように、比較例に示した方法で故障を検出する。一方、ステップＳ３３において、モータ７の動作が回生領域ではない力行領域の場合には、ステップＳ３５に示すように、補正後容量Ｃを算出し、Δｔ［ｓｅｃ］を算出する。

前述したように、探索・災害対応ロボット等の屋外や特定の過酷な環境で動作するロボットでは、モータドライバ６の容量成分Ｃは、低温及び高温時に変化しやすいので、一定時間、電源遮断スイッチ２をオフにした場合の降下電圧Ｖ_Ｔは一定にならない。そこで、動作時のモータドライバ６におけるインバータ温度に応じて、電源遮断スイッチ２をオフする時間を変化させる。

図１７は、実施形態に係る電源遮断装置の探索・災害対応ロボット向けの場合の容量補正率を例示したグラフであり、横軸は、温度センサ値Ｔを示し、縦軸は、容量Ｃ補正率を示す。図１７に示すように、容量Ｃの補正率を温度センサ値Ｔに応じて測定しておく。例えば、温度センサ値Ｔ＝－５０［℃］の場合には、容量Ｃは、Ｃ×０．８である。そして、算出した補正後容量Ｃを（４）式に代入することにより、Δｔ［ｓｅｃ］を算出する。その後は、前述のステップＳ２～ステップＳ８と同様に電源遮断スイッチの故障を検出する。

本例に係る電源遮断装置１３によれば、探索・災害対応ロボット等の屋外や特定の過酷な環境で動作するロボットのように、容量成分Ｃが低温及び高温時に変化しやすい場合でも、インバータ温度に応じた容量Ｃ補正率を用いてΔｔを算出する。これにより、電源遮断スイッチ２の故障検出を行うことができる。すなわち、モータ７の回転中でも電源遮断スイッチ２の故障を検出できる。

以上、本発明に係る実施の形態を説明したが、上記の構成に限らず、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲で、変更することが可能である。

１ 電源
２ 電源遮断スイッチ
３ 第１電圧センサ
４ 第２電圧センサ
５ 制御部
６ モータドライバ
７ モータ
８ 電源側電流センサ
９ 回転角センサ
１０、１１、１２、１３ 電源遮断装置
１８ モータドライバ側電流センサ
１９ 温度センサ
１０１ 故障検出装置
１０１ａ ＣＰＵ
１０１ｂ メモリ
１０１ｃ インターフェイス部
１０２ 第１電圧センサ
１０３ 第２電圧センサ
１０４ 領域判定部
１０５ 故障検出部
１１０ 制御部
１１１ モータドライバ
１１２ モータ
１１３ 電源
１１４ 電源遮断回路
１１５ トルクセンサ
１１６ 速度センサ
ＭＴ トルク時定数
ＭＶ 速度時定数
Ｔ 故障検出時間

Claims (1)

1. モータに異常が発生した際に、電源から前記モータへ供給される電力を遮断する電源遮断回路と、
   前記電源遮断回路の故障を検出する制御部と、
   前記電源遮断回路の入力側及び出力側の電圧を検出する一対の電圧センサと、
   を備える電源遮断装置であって、
   前記制御部は、
   （１）前記モータが力行状態である、かつ、
   （２）前記電源遮断回路が遮断された後所定期間経過したときの前記電源遮断回路の入力側及び出力側間の電圧差が所定電圧以下である、
   場合に、前記電源遮断回路の故障を検出する、
   ことを特徴とする電源遮断装置。

Images