JP7464617B2

JP7464617B2 - モータ駆動装置を備えた部品実装機

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Publication number: JP7464617B2
Application number: JP2021550891A
Authority: JP
Inventors: 壮志野村
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2019-10-03
Filing date: 2019-10-03
Publication date: 2024-04-09
Anticipated expiration: 2039-10-03
Also published as: WO2021064951A1; JPWO2021064951A1

Description

本明細書に開示の技術は、モータ駆動装置に関する。

複数のモータを駆動するモータ駆動装置が知られている。この種の駆動装置では、モータごとに、当該モータに印加する電圧値を指令する指令信号と、キャリア信号と、に基づいてＰＷＭ制御信号を生成し、当該ＰＷＭ制御信号に基づいてスイッチング素子をスイッチングさせる。これにより、モータに供給する駆動信号を生成し、モータに供給する電力を制御することができる。

上記のようなモータ駆動装置では、各モータにおけるスイッチングのタイミングが一致すると、動力線の一部に瞬間的に大電流が流れ、大きなノイズが生じる。このようなノイズが生じると、モータ駆動装置の周囲に配置された他の装置に悪影響が生じる。

特表２０１６－０５１７４０号公報には、２つのモータを駆動するモータ駆動装置が開示されている。この駆動装置では、指令信号に重畳信号を重畳した上で、重畳後の指令信号とキャリア信号とに基づいてＰＷＭ制御信号を生成する。特表２０１６－０５１７４０号公報の技術では、指令信号に重畳させる重畳信号を、モータごとに異なるパラメータを有する信号（例えば、周波数、位相、振幅、電位等が異なる信号）とすることにより、各モータにおけるＰＷＭ制御信号のタイミング（すなわち、スイッチングのタイミング）が重ならないように制御する。これにより、動力線に瞬間的に大電流が流れることが抑制され、大きなノイズが生じることが抑制される。

特表２０１６－０５１７４０号公報の技術では、モータごとに異なるパラメータを有する重畳信号を生成する必要があるため、制御が複雑化するという問題がある。本明細書では、複数のモータを駆動するモータ駆動装置において、より簡易な構成により、複数のモータにおけるＰＷＭ制御信号のタイミングが一致することによるノイズの発生を抑制することができる技術を提供する。

本明細書に開示するモータ駆動装置は、複数のモータを駆動する。前記モータ駆動装置は、タイミング設定部と、前記複数のモータのそれぞれに対して設けられたモータ制御ユニットと、を備える。複数のモータ制御ユニットのそれぞれは、キャリア信号生成部と、制御する前記モータに印加する電圧値を指令する指令信号を生成する指令信号生成部と、前記キャリア信号生成部からキャリア信号が入力され、前記指令信号生成部から前記指令信号が入力され、入力された前記キャリア信号と前記指令信号に基づいてＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御信号を生成するＰＷＭ信号生成部と、前記ＰＷＭ信号生成部から前記ＰＷＭ制御信号が入力され、前記ＰＷＭ制御信号に基づいて前記モータを駆動するための信号を生成する駆動回路と、を備える。キャリア信号生成部は、前記タイミング設定部から設定信号が入力され、入力された前記設定信号に基づいてキャリア信号を生成する。前記設定信号は、各キャリア信号生成部で生成される前記キャリア信号それぞれの各周期の開始タイミングを設定する信号であって、前記複数のキャリア信号の各周期の開始タイミングのそれぞれが、前記複数のモータの間で重ならないように設定する信号である。

上記のモータ駆動装置では、各キャリア信号生成部に、タイミング設定部から設定信号が入力される。この設定信号は、各キャリア信号の各周期の開始タイミングを設定する信号であって、複数のキャリア信号の各周期の開始タイミングのそれぞれが、複数のモータの間で重ならないように設定する信号である。すなわち、各キャリア信号生成部には、タイミング設定部からモータごとに異なる設定信号が入力される。このため、各キャリア信号生成部により生成される複数のキャリア信号は、複数のモータの間で各周期の開始タイミングがずれた信号となる。これにより、各ＰＷＭ信号生成部により生成されるＰＷＭ制御信号それぞれの開始タイミングがずれ、瞬間的に大電流が流れることが抑制される。したがって、上記のモータ駆動装置によれば、ノイズの発生を抑制することができる。

本実施例のモータ駆動装置を含むモータ駆動システムの概略構成を示す図。部品実装機の概略構成を示す図。本実施例のモータ駆動装置における各信号の波形の一例を示す図。本実施例のモータ駆動装置における各信号の波形の他の一例を示す図。

本技術の一実施形態では、前記モータ駆動装置は、ｎ個の前記モータ制御ユニットを有してもよい。前記ｎ個のモータ制御ユニットの各キャリア信号生成部が生成する前記キャリア信号のそれぞれは、周期が同一であってもよい。前記各キャリア信号の周期をＴ_Ｃ、１番目のモータにおける前記キャリア信号の開始タイミングをＴ_Ｊ１としたときに、前記タイミング設定部は、ｋ番目のモータにおける前記キャリア信号の開始タイミングＴ_Ｊｋが、以下の式：Ｔ_Ｊｋ＝Ｔ_Ｊ１＋Ｔ_Ｃ（ｋ－１）／ｎ＋Ｔ_{ｃｏｎｓｔ}（式中、Ｔ_{ｃｏｎｓｔ}は０以上の定数）を満たすように、前記複数の設定信号を生成してもよい。

本技術の一実施形態では、部品実装機が開示される。前記部品実装機は、上記したモータ駆動装置と、前記モータ駆動装置によって駆動される前記複数のモータと、前記複数のモータのそれぞれが駆動する複数の駆動軸を備え、前記複数の駆動軸を駆動することで基板に部品を実装する部品実装部と、を備えてもよい。

（実施例）
図面を参照して、本実施例のモータ駆動装置１０を備えるモータ駆動システム５０について説明する。図１に示すように、モータ駆動装置１０は、タイミング設定部１２と、複数のモータ制御ユニット（以下、単に制御ユニットという。）２０を備える。本実施例のモータ駆動装置１０は、それぞれの制御ユニット２０によって駆動が制御される複数のモータ３０とともに、例えば、部品４を基板２に実装する部品実装機１００（図２参照）に用いられる。部品実装機１００は、部品実装部１１０（例えば、吸着ノズル１１６を装着可能なヘッド１１２、基板２を搬送するコンベア１１４等）を有している。部品実装部１１０は、各モータ３０のそれぞれが駆動する複数の駆動軸を駆動することで基板２に部品４を実装する。

モータ駆動システム５０は、例えばコンピュータによって構成された上位装置５２をさらに備えている。上位装置５２は、モータ駆動装置１０に対して、モータ駆動装置１０を制御するための指令を出力する。モータ駆動装置１０は、上位装置５２から入力された指令に従って動作し、各モータ３０を駆動する。

各制御ユニット２０は、複数のモータ３０（本実施例では、３つ）のそれぞれに対して設けられている。すなわち、制御ユニット２０ａがモータ３０ａの駆動を制御し、制御ユニット２０ｂがモータ３０ｂの駆動を制御し、制御ユニット２０ｃがモータ３０ｃの駆動を制御する。各制御ユニット２０には、電源３２から共通の電源電圧が供給される。各制御ユニット２０は、電源３２から供給される電源電圧を利用して、制御ユニット２０が備える各部を動作させることにより、モータ３０を駆動する。各制御ユニット２０は、制御部２２、指令信号生成部２４、キャリア信号生成部２６、ＰＷＭ信号生成部２８、及び駆動回路２９を備えている。

タイミング設定部１２は、上位装置５２に接続されている。タイミング設定部１２は、上位装置５２から入力された指令に基づいて、複数の設定信号Ｓｓ（Ｓｓａ、Ｓｓｂ、Ｓｓｃ）を生成する。タイミング設定部１２は、生成した複数の設定信号Ｓｓのそれぞれを、対応するキャリア信号生成部２６に出力する。すなわち、各キャリア信号生成部２６には、異なる設定信号Ｓｓがそれぞれ入力される。設定信号Ｓｓについては、後述する。

キャリア信号生成部２６は、キャリア信号Ｓｃを生成する。キャリア信号Ｓｃは、パルス幅変調されたＰＷＭ制御信号Ｓｐの生成に用いられ、三角波の波形を有する信号である。本実施例では、キャリア信号生成部２６のそれぞれが生成する各キャリア信号Ｓｃは、周期が等しい。キャリア信号Ｓｃは、タイミング設定部１２から入力された設定信号Ｓｓに基づいて生成される。設定信号Ｓｓは、キャリア信号生成部２６で生成されるキャリア信号Ｓｃの各周期の開始タイミングを設定する信号である。また、設定信号Ｓｓは、複数のキャリア信号Ｓｃの各周期の開始タイミングのそれぞれが、複数のモータ３０の間で重ならないように設定されている。キャリア信号生成部２６は、生成したキャリア信号ＳｃをＰＷＭ信号生成部２８に出力する。

制御部２２は、上位装置５２に接続されている。制御部２２には、モータ３０の位置、速度、トルク等を指令する情報が上位装置５２から入力される。制御部２２は、当該情報に含まれる指令値を示す信号を指令信号生成部２４に出力する。

指令信号生成部２４は、制御部２２から入力された信号に基づいて、指令信号Ｓｄを生成する。本実施例では、Ｕ相、Ｖ相及びＷ相の三相分の指令信号Ｓｄが生成される。指令信号生成部２４で生成される各指令信号Ｓｄは、モータ３０に印加する電圧値を指令する信号である。具体的には、各指令信号Ｓｄは、モータ３０に要求される回転速度やトルク量に応じた正弦波の波形を有する信号であり、各相で互いに１２０度の位相差を有している。指令信号生成部２４は、生成した指令信号ＳｄをＰＷＭ信号生成部２８に出力する。なお、モータ３０のサーボロック時は、モータ３０の回転を停止させるため、指令信号Ｓｄの振幅は０となる。

ＰＷＭ信号生成部２８は、キャリア信号生成部２６から入力されたキャリア信号Ｓｃ、及び、指令信号生成部２４から入力された指令信号Ｓｄに基づいて、ＰＷＭ制御信号Ｓｐを生成する。ＰＷＭ信号生成部２８は、コンパレータにより構成されており、指令信号Ｓｄとキャリア信号Ｓｃの信号レベルを比較することによって、パルス幅変調されたパルス信号をＰＷＭ制御信号Ｓｐとして生成する。ＰＷＭ信号生成部２８は、生成したＰＷＭ制御信号Ｓｐを駆動回路２９に出力する。

駆動回路２９は、ＰＷＭ信号生成部２８から入力されたＰＷＭ制御信号Ｓｐに基づいて、スイッチング素子をスイッチングさせる。これにより、電源３２から供給された電力をモータ３０を駆動させるための電力に変換する。駆動回路２９は、生成した電力をＵ相、Ｖ相及びＷ相のモータ動力線を介してモータ３０に印加する。なお、図１では、１つの制御ユニット２０に対して一対のスイッチング素子のみを描いているが、実際には、三対のスイッチング素子が並列に接続されており、Ｕ相、Ｖ相及びＷ相の三相でモータ３０を駆動する。

以上の通り、各制御ユニット２０は、上位装置５２及びタイミング設定部１２からの指令に基づき、各モータ３０を駆動するための電力を生成する。そして、各制御ユニット２０は、生成した電力を各モータ３０に印加することにより、各モータ３０を駆動する。

続いて、各制御ユニット２０ａ、２０ｂ、２０ｃにより生成される各信号についてより詳細に説明する。以下の説明では、３つのモータ３０ａ～３０ｃの全てが、サーボロック状態（すなわち、無回転状態）である状況を想定する。

図３は、本実施例のモータ駆動装置１０において、指令信号生成部２４（２４ａ、２４ｂ、２４ｃ）が生成する各指令信号Ｓｄ（Ｓｄａ、Ｓｄｂ、Ｓｄｃ）、キャリア信号生成部２６（２６ａ、２６ｂ、２６ｃ）が生成する各キャリア信号Ｓｃ（Ｓｃａ、Ｓｃｂ、Ｓｃｃ）、及び、ＰＷＭ信号生成部２８（２８ａ、２８ｂ、２８ｃ）が生成する各ＰＷＭ制御信号Ｓｐ（Ｓｐａ、Ｓｐｂ、Ｓｐｃ）の波形図を示している。なお、サーボロック時には、Ｕ相、Ｖ相及びＷ相の各波形は等しいため、図３では、制御ユニット２０ａ～２０ｃそれぞれにおける１つの相の各波形のみを示す。上述したように、各モータ３０ａ～３０ｃはサーボロック状態であるため、指令信号生成部２４からＰＷＭ信号生成部２８に入力される各指令信号Ｓｄａ、Ｓｄｂ、Ｓｄｃの振幅は、いずれも０である。

キャリア信号生成部２６ａ～２６ｃのそれぞれは、タイミング設定部１２から入力される各設定信号Ｓｓａ、Ｓｓｂ、Ｓｓｃに基づいて各キャリア信号Ｓｃａ、Ｓｃｂ、Ｓｃｃを生成する。タイミング設定部１２は、制御ユニットの総数（すなわち、モータの総数）をｎ個、キャリア信号の周期をＴ_Ｃ、１番目のモータのキャリア信号の開始タイミングをＴ_Ｊ１としたときに、ｋ番目のモータのキャリア信号の開始タイミングＴ_Ｊｋが、以下の式：
Ｔ_Ｊｋ＝Ｔ_Ｊ１＋Ｔ_Ｃ（ｋ－１）／ｎ＋Ｔ_{ｃｏｎｓｔ} （式中、Ｔ_{ｃｏｎｓｔ}は０以上の定数）
を満たすように、各設定信号Ｓｓを生成する。図３に示すように、モータ３０ａ～３０ｃをこの順に、１番目、２番目及び３番目のモータとした場合、タイミング設定部１２は、モータ３０ａにおけるキャリア信号Ｓｃａの開始タイミングＴ_Ｊ１に対して、モータ３０ｂにおけるキャリア信号Ｓｃｂの開始タイミングＴ_Ｊ２がＴ_Ｊ１＋Ｔ_Ｃ／３＋Ｔ_{ｃｏｎｓｔ}となり、モータ３０ｃにおけるキャリア信号Ｓｃｃの開始タイミングＴ_Ｊ３がＴ_Ｊ１＋２Ｔ_Ｃ／３＋Ｔ_{ｃｏｎｓｔ}となるように、各設定信号Ｓｓを生成する。なお、図３では、Ｔ_{ｃｏｎｓｔ}が０である場合を示している。すなわち、キャリア信号ＳｃｂはＴ_Ｊ１に対して１／３周期だけ遅れて開始し、キャリア信号ＳｃｃはＴ_Ｊ１に対して２／３周期だけ遅れて開始する。このように、キャリア信号生成部２６のそれぞれに異なる設定信号Ｓｓが入力されることによって、その開始タイミングがモータ間で重ならないようにそれぞれのキャリア信号Ｓｃａ、Ｓｃｂ、Ｓｃｃが生成される。

ＰＷＭ信号生成部２８は、このように生成されたキャリア信号Ｓｃを、指令信号Ｓｄと比較することによって、各ＰＷＭ制御信号Ｓｐを生成する。本実施例では、各キャリア信号Ｓｃの位相が互いにずれていることにより、サーボロック時において生成される各ＰＷＭ制御信号Ｓｐａ、Ｓｐｂ、Ｓｐｃも同様のずれ（すなわち、１／３周期ずつのずれ）を有する。すなわち、各制御ユニット２０のＰＷＭ制御信号Ｓｐの間で、信号レベルが変化するタイミングが重ならないように制御される。

以上に説明したように、本実施例のモータ駆動装置１０では、各キャリア信号生成部２６に、タイミング設定部１２から異なる設定信号Ｓｓがそれぞれ入力される。これにより、各キャリア信号生成部２６により生成される複数のキャリア信号Ｓｃは、各周期の開始タイミングがずれた信号となる。その結果、各ＰＷＭ信号生成部２８により生成されるＰＷＭ制御信号Ｓｐそれぞれの信号レベルが変化するタイミングがずれる。このように、本実施例では、各キャリア信号Ｓｃの開始タイミングのみをずらすための設定信号Ｓｓを制御ユニット２０ごとに生成するという簡易な制御によって、ＰＷＭ制御信号Ｓｐの信号レベルが変化するタイミングを異ならせることができる。これにより、本実施例のモータ駆動装置１０では、スイッチング素子がスイッチングするタイミングがモータ３０ａ～３０ｃの間で重ならず、モータ駆動装置１０に瞬間的に大電流が流れることが抑制される。したがって、ノイズの発生を抑制することができる。

なお、制御ユニット２０の数によっては、ＰＷＭ制御信号Ｓｐａの信号レベルが変化するタイミングと、ＰＷＭ制御信号Ｓｐｂの信号レベルが変化するタイミングが重なる場合がある。図４は、２つの制御ユニット２０ａ、２０ｂが設けられている場合を示している。この場合、上述した式により、キャリア信号Ｓｃｂは、Ｔ_Ｊ１に対して１／２周期だけ遅れて開始する。このような場合には、図４の上側２つの波形図に示すように、ＰＷＭ制御信号Ｓｐａの信号レベルが変化するタイミングとＰＷＭ制御信号Ｓｐｂの信号レベルが変化するタイミングが重なることが起こり得る（例えば、図４のタイミングＴ_Ｏ）。しかしながら、本実施例では、このような場合であっても、Ｔ_{ｃｏｎｓｔ}を０より大きい値（例えば、キャリア信号Ｓｃの周期Ｔ_Ｃと比較して極めて短い時間）に設定すればよい。これにより、図４の最も下側に示す波形図の通り、キャリア信号Ｓｃｂ’の開始タイミングＴ_Ｊ２’を開始タイミングＴ_Ｊ２からわずかに遅らせることで、ＰＷＭ制御信号Ｓｐａ及びＳｐｂ’の信号レベルが変化するタイミングが重ならないように制御することができる。

なお、例えば、モータ３０ｃのみが駆動中である場合（すなわち、指令信号Ｓｄｃが正弦波の波形を有する信号である場合）には、モータ３０ｃと他の２つのモータ３０ａ，３０ｂの間において、あるタイミングで各ＰＷＭ制御信号Ｓｐの信号レベルが変化するタイミングが重なり得る。しかしながら、このようなタイミングが生じる頻度は低いため、当該タイミングに起因するノイズはモータ駆動装置１０の動作や周囲に配置される他の装置にほとんど影響しない。

上述した実施例では、各キャリア信号Ｓｃａ、Ｓｃｂ、Ｓｃｃが上述した式に従った特定のタイミングで開始されるように各設定信号Ｓｓａ、Ｓｓｂ、Ｓｓｃが生成された。しかしながら、設定信号Ｓｓのそれぞれは、各キャリア信号Ｓｃの開始タイミングが重ならないような信号であれば、どのように設定されてもよい。

また、上述した実施例において、モータ３０ａ～３０ｃのそれぞれが、エンコーダを備えてもよい。本実施例のようなモータ駆動装置１０では、ＰＷＭ制御信号Ｓｐの各周期の開始タイミングにおいて、上位装置５２が、エンコーダの出力信号（すなわち、モータ３０の回転方向、回転位置、回転速度等）、及び、モータ３０を流れる電流値を取得してフィードバックすることにより、次の周期において指令すべき電圧値を算出することが行われる場合がある。本実施例では、制御ユニット２０間で、キャリア信号Ｓｃの各周期の開始タイミングが重ならないように制御されている。すなわち、制御ユニット２０間で、ＰＷＭ制御信号Ｓｐの各周期の開始タイミングがずれている。したがって、本実施例では、上位装置５２は、各制御ユニット２０におけるＰＷＭ制御信号Ｓｐの開始タイミングで上記の各処理を開始してもよい。すなわち、上位装置５２は、制御ユニット２０ごとに異なるタイミングでエンコーダの出力信号及び電流値の取得を開始し、次の周期において指令すべき電圧値を算出してもよい。このような制御を行うことで、より簡易に正確な指令値を算出することができる。

また、本実施例では、モータ駆動装置１０が部品実装機に用いられる例について説明した。しかしながら、本明細書に開示のモータ駆動装置１０は、例えば、工作機械や作業機等、モータを使用する他の機器に用いてもよい。

以上、本明細書に開示の技術の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、請求の範囲を限定するものではない。請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。

Claims

部品実装機であって、
複数のモータを駆動するモータ駆動装置であって、
タイミング設定部と、
前記複数のモータのそれぞれに対して設けられ、
前記タイミング設定部から設定信号が入力され、入力された前記設定信号に基づいてキャリア信号を生成するキャリア信号生成部であって、前記設定信号は、各キャリア信号生成部で生成される前記キャリア信号それぞれの各周期の開始タイミングを設定する信号であって、前記複数のキャリア信号の各周期の開始タイミングのそれぞれが、前記複数のモータの間で重ならないように設定する信号である、前記キャリア信号生成部と、
制御する前記モータに印加する電圧値を指令する指令信号を生成する指令信号生成部と、
前記キャリア信号生成部から前記キャリア信号が入力され、前記指令信号生成部から前記指令信号が入力され、入力された前記キャリア信号と前記指令信号に基づいてＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御信号を生成するＰＷＭ信号生成部と、
前記ＰＷＭ信号生成部から前記ＰＷＭ制御信号が入力され、前記ＰＷＭ制御信号に基づいて前記モータを駆動するための信号を生成する駆動回路と、を備えるｎ個（ｎは３以上）のモータ制御ユニットと、を備え、
前記ｎ個のモータ制御ユニットの各キャリア信号生成部が生成する前記キャリア信号のそれぞれは、周期が同一であり、
前記各キャリア信号の周期をＴ_Ｃ、１番目のモータにおける前記キャリア信号の開始タイミングをＴ_Ｊ１としたときに、
前記タイミング設定部は、ｋ番目のモータにおける前記キャリア信号の開始タイミングＴ_Ｊｋが、以下の式：
Ｔ_Ｊｋ＝Ｔ_Ｊ１＋Ｔ_Ｃ（ｋ－１）／ｎ＋Ｔ
（式中、ｋは２以上の整数、Ｔは０より大きくＴ_Ｃより小さい変数）
を満たすように、前記複数の設定信号を生成するとともに、前記各モータにおける前記ＰＷＭ制御信号の信号レベルが変化するタイミングが重ならないようにＴの値を設定する、
前記モータ駆動装置と、
吸着ノズルを装着可能であり、前記複数のモータの一部により駆動されるヘッドと、
基板を搬送し、前記複数のモータの他の一部により駆動されるコンベアと、
前記複数のモータのそれぞれが駆動する複数の駆動軸を備え、前記複数の駆動軸を駆動することで前記吸着ノズルにより前記基板に部品を実装する部品実装部と、を備える部品実装機。