KR20110128939A

KR20110128939A - 제어 장치 및 제어 방법

Info

Publication number: KR20110128939A
Application number: KR1020117024438A
Authority: KR
Inventors: 고이치 노구치
Original assignee: 히라따기꼬오 가부시키가이샤
Priority date: 2009-03-24
Filing date: 2010-03-09
Publication date: 2011-11-30
Also published as: CN102362423A; CN102362423B; WO2010109791A1; KR101292683B1; JP5192430B2; JP2010226897A

Abstract

본 발명의 제어 장치는 모터와 전자기 브레이크가 전기적으로 접속되고, 이들에 구동 전압을 출력하는 제어 장치로서, 상기 전자기 브레이크에 대해 미리 설정된 설정 전압에 기초하는 듀티비의 PWM 신호를 출력하는 PWM 신호 출력 수단; 상기 모터의 구동에 이용하는 직류 전압의 일부가 입력되고, 해당 직류 전압의 일부를 상기 PWM 신호 출력 수단으로부터 출력되는 상기 PWM 신호의 듀티비에 비례한 직류 전압으로 변환하여 상기 전자기 브레이크에 출력하는 전자기 브레이크 구동 수단;을 포함한다.

Description

제어 장치 및 제어 방법{Control device and control method}

본 발명은 모터 및 전자기(電磁) 브레이크의 제어 장치 및 제어 방법에 관한 것이다.

일반적으로 모터와 전자기 브레이크를 병용하는 경우, 모터의 사양 및 용도에 맞추어 전자기 브레이크가 선정된다. 그 때문에, 모터와 전자기 브레이크 모터가 반드시 같은 사양의 조합이라고는 할 수 없고, 모터와 전자기 브레이크에 각각 제어 유닛을 설치해야 하는 경우도 많다. 이들 제어 유닛은 예를 들면 특허문헌 1 및 2에 기재되는 바와 같이, 모터와 전자기 브레이크에 공통된 것이 되는 것이 바람직하지만, 종래의 공통 유닛에서는 모터의 사양 및 전자기 브레이크의 사양이 한정되어 버린다.

특허문헌 1: 특개평11-113295호 공보 특허문헌 2: 특개평11-215892호 공보

그러나, 예를 들면 모터의 구동 전원은 직류, 교류 쌍방이 있고, 또한 공급하는 전압도 다양하다. 또한, 전자기 브레이크에 공급하는 전압도 그 제조사나 사용 목적에 따라 바뀐다. 이 때문에, 모터와 전자기 브레이크의 사양이 한정되면, 제어 유닛의 범용성이 없어져 버린다. 그리고, 전자기 브레이크에 공급하는 구동 전압을 확보하기 위해 고유의 전원을 그때마다 준비하는 데는 시간이 걸리고, 또한 전원과 제어 유닛의 배선 작업도 필요하게 된다.

본 발명의 목적은 전자기 브레이크용 고유의 전원을 필요 없게 하면서 모터와 전자기 브레이크에서 구동 전압이 다른 경우에도 대응하는 것에 있다.

본 발명에 의하면, 모터와 전자기 브레이크가 전기적으로 접속되고, 이들에 구동 전압을 출력하는 제어 장치로서, 상기 전자기 브레이크에 대해 미리 설정된 설정 전압에 기초하는 듀티비의 PWM 신호를 출력하는 PWM 신호 출력 수단; 상기 모터의 구동에 이용하는 직류 전압의 일부가 입력되고, 해당 직류 전압의 일부를 상기 PWM 신호 출력 수단으로부터 출력되는 상기 PWM 신호의 듀티비에 비례한 직류 전압으로 변환하여 상기 전자기 브레이크에 출력하는 전자기 브레이크 구동 수단;을 포함한 것을 특징으로 하는 제어 장치가 제공된다.

또한, 본 발명에 의하면, 모터와 전자기 브레이크에 구동 전압을 출력하는 제어 방법으로서, 상기 전자기 브레이크에 대해 미리 설정된 설정 전압에 기초하는 듀티비의 PWM 신호를 출력하는 PWM 신호 출력 공정; 상기 모터의 구동에 이용하는 직류 전압의 일부를 상기 PWM 신호 출력 공정에서 출력되는 상기 PWM 신호의 듀티비에 비례한 직류 전압으로 변환하여 상기 전자기 브레이크에 출력하는 전자기 브레이크 구동 공정;을 포함한 것을 특징으로 하는 제어 방법이 제공된다.

본 발명에 의하면, 전자기 브레이크용 고유의 전원을 필요 없게 하면서 모터와 전자기 브레이크에서 구동 전압이 다른 경우에도 대응할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일실시형태에 관한 제어 장치(A)의 블록도이다.
도 2는 제어 회로(1O)의 예를 나타내는 블록도이다.
도 3a는 전자기 브레이크 제어 회로(20)의 예를 나타내는 회로도이다.
도 3b는 입력부(21)에 입력되는 전압을 나타내는 도면이다.
도 3c는 단자(2a)로부터 출력되는 전압을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시형태에 관한 제어 장치(B)의 블록도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시형태에 관한 제어 장치(C)의 블록도이다.

<제1 실시형태>

도 1은 본 발명의 일실시형태에 관한 제어 장치(A)의 블록도이다. 제어 장치(A)는 모터(M)가 전기적으로 접속되는 접속부(1)와, 전자기 브레이크(Bk)가 전기적으로 접속되는 접속부(2)를 포함한다. 모터(M)는 본 실시형태의 경우 교류 모터를 상정하고 있다. 전자기 브레이크(Bk)는 직류 전압에 의해 구동되는 것으로, 본 실시형태의 경우, 직류 전압의 공급 중에는 비제동 상태, 공급 차단시에 제동 상태로 작동하는 것을 상정한다. 이와는 반대로 직류 전압의 공급 중에 제동 상태, 공급 차단시에 비제동 상태가 되는 것이어도 된다.

전자기 브레이크(Bk)는 예를 들면 모터(M)의 구동축에 연결되어, 제동 상태에서는 모터(M)의 구동축의 회전을 정지시키는 접속부(1, 2)는 각각 모터(M), 전자기 브레이크(Bk)를 접속하는 데에 필요한 수의 단자를 가지고, 제어 장치(A)는 접속부(1, 2)로부터 각각 구동 전압을 출력하여 모터(M), 전자기 브레이크(Bk)를 구동한다. 교류 전원(100)은 예를 들면 200V의 상용 전원이다. 제어 장치(A)는 교류 전원(100)이 전기적으로 접속되는 접속부(3)를 가지고, 교류 전원(100)으로부터 출력되는 교류 전압이 제어 장치(A)에 입력된다. 제어 장치(A)는 외부 컴퓨터와의 통신 회선이 접속되는 접속부(4)를 포함한다. 접속부(4)에는 외부 컴퓨터로부터의 지시 등이 입력된다.

제어 장치(A)는 AC/DC 컨버터(5)를 포함한다. AC/DC 컨버터(5)는 접속부(3)에 입력된 교류 전압을 모터(M)의 구동에 이용하는 직류 전압(예를 들면, 280V)으로 변환하여 모선(bb)에 출력하는 정류기이다. 모선(bb)에는 모터 구동 회로(6) 및 전자기 브레이크 구동 회로(20)가 접속되어 있다. 즉, 모터 구동 회로(6) 및 전자기 브레이크 구동 회로(20)는 AC/DC 컨버터(5)에 대해 병렬로 접속되어 있고, 모선(bb) 상의 모터(M)의 구동에 이용하는 직류 전압의 일부(다시 말하면, 직류 전력 또는 직류 전류의 일부)가 전자기 브레이크 구동 회로(20)에 입력된다.

모터 구동 회로(6)는 본 실시형태의 경우, 모선(bb)을 개재하여 입력되는 직류 전압을 교류 전압으로 변환하여 모터(M)에 구동 전압으로서 출력하는 인버터이다. 본 실시형태의 경우, 모터 구동 회로(6)는 모터(M)의 구동에 이상이 생긴 경우에는 비상 정지를 요구하는 정지 신호를 제어 회로(10)에 출력한다. 또, 모터(M)로서 직류 모터를 채용하는 경우는, 모터 구동 회로(6)도 직류 전압을 출력하는 구동 회로를 채용한다. 그 때, 모선(bb)을 개재하여 입력되는 직류 전압과 다른 전압을 모터(M)에 출력하는 경우에는, 예를 들면 DC-DC 컨버터 등을 이용할 수 있다. 계측 회로(7)는 모선(bb) 상의 직류 전압을 항상 계측하고, 그 계측 결과를 제어 회로(10)에 피드백한다. 계측 회로(7)에 의해 모선(bb) 상의 직류 전압을 항상 계측함으로써, 모선(bb) 상의 전압 변동을 실시간으로 감시한다. 계측 회로(7)는 예를 들면 A/D 변환기이다.

제어 회로(10)는 모터 구동 회로(6)에 대해 모터(M)의 제어에 관한 제어 신호를 출력한다. 예를 들면, 모터(M)의 회전수를 제어하는 경우, 제어 회로(10)로부터 제어 신호로서 PWM 신호를 모터 구동 회로(6)에 출력한다. 모터 구동 회로(6)는 입력된 PWM 신호의 듀티비에 비례한 주파수의 구동 전압을 모터(M)에 출력함으로써 모터(M)의 속도를 변경한다. 또한, 제어 회로(10)는 전자기 브레이크(Bk)에 대해 미리 설정된 설정 전압에 기초하여 연산된 듀티비의 PWM 신호를 전자기 브레이크 구동 회로(20)에 출력한다.

도 2는 제어 회로(10)의 예를 나타내는 블록도이다. 제어 회로(10)는 CPU(11), RAM(12), ROM(13), I/F(인터페이스)(14) 및 콘트롤러(15)를 포함한다. CPU(11)는 ROM(13)에 기억된 프로그램을 실행한다. RAM(12)에는 일시적인 데이터가 저장되고, ROM(13)에는 고정적인 데이터 및 프로그램이 저장된다. 이들은 다른 종류의 기억 수단이어도 된다. I/F(14)에는 접속부(4)를 개재하여 외부 컴퓨터와 CPU(11)를 접속하는 통신 인터페이스나, 계측 회로(7) 등과 CPU(11)를 접속하는 I/0인터페이스가 포함된다. 또, CPU(11) 등에는 도시하지 않은 DC전원에 의해 전력이 공급된다.

콘트롤러(15)는 예를 들면 FPGA(Field Program Gate Array)이다. 본 실시형태의 경우, 콘트롤러(15)는 우선 CPU(11)로부터의 지시에 따라 모터 구동 회로(6)에 대한 제어 신호를 출력한다. 또한, CPU(11)로부터의 지시에 따라 전자기 브레이크 구동 회로(20)에 대해 PWM 신호를 출력한다. 또, 모터 구동 회로(6)로부터 정지 신호가 콘트롤러(15)에 출력된 경우, 콘트롤러(15)는 CPU(11)를 개재하지 않고 모터(M) 및 전자기 브레이크(Bk)에 대한 전력 공급을 차단시킨다. 이에 의해 모터(M)의 구동이 정지하고, 전자기 브레이크(Bk)는 제동 상태가 된다. 콘트롤러(15)가 모터(M) 및 전자기 브레이크(Bk)의 쌍방의 제어를 행하면서 CPU(11)를 개재하지 않음으로써, 긴급시에 타임 러그를 최소로 하여 모터(M)의 구동을 정지하고, 브레이크(Bk)를 제동 상태로 할 수 있다. 또, 이러한 긴급 정지를 실행하는 긴급 정지 조건으로서는, 모터 구동 회로(6)로부터 정지 신호가 출력된 경우 이외에 예를 들면 CPU(11)를 개재하여 외부 컴퓨터로부터 긴급 정지 지시를 받은 경우를 들 수 있다.

전자기 브레이크 구동 회로(20)에 대해 출력하는 PWM 신호의 듀티비는 본 실시형태의 경우 CPU(11)가 연산한다. CPU(11)는 전자기 브레이크(Bk)에 대해 미리 설정된 설정 전압과 모선(bb) 상의 직류 전압으로부터 듀티비를 연산한다. 설정 전압은 전자기 브레이크(Bk)에 인가하는 목표 구동 전압으로, 전자기 브레이크(Bk)의 종류에 따르는데, 예를 들면 24V나 90V 등이다. 설정 전압은 예를 들면 접속부(4)를 개재하여 외부 컴퓨터로부터 입력되어 RAM(12)에 저장된다. 또는 ROM(13)에 전자기 브레이크(Bk)의 종류와 각 설정 전압을 기억해 두고, 접속부(4)를 개재하여 외부 컴퓨터로부터 전자기 브레이크(Bk)의 종류가 입력된 경우에 대응하는 설정 전압을 ROM(13)으로부터 독출하도록 해도 된다.

본 실시형태의 경우, 모선(bb) 상의 직류 전압은 계측 회로(7)의 계측 결과로 한다. 또, 계측 회로(7)를 설치하지 않은 경우는 AC/DC 컨버터(5)로부터 출력되는 사양 상의 직류 전압을 ROM(13)에 기억해 두고, 이를 모선(bb) 상의 직류 전압으로 간주해도 된다. 그리고, PWM 신호의 듀티비(D)는 D=(설정 전압)/(모선(bb) 상의 직류 전압)으로부터 연산할 수 있다. CPU(11)는 연산한 듀티비를 나타내는 정보를 콘트롤러(15)에 출력하고, 콘트롤러(15)는 해당 정보가 나타내는 듀티비의 PWM 신호를 전자기 브레이크 구동 회로(20)에 출력한다.

본 실시형태와 같이, 모선(bb) 상의 직류 전압을 계측 회로(7)의 계측 결과로 하면, CPU(11)가 실시간으로 듀티비를 연산하여 콘트롤러(51)에 듀티비를 지시함으로써 모터(M)가 회생 전압을 일으키거나, 잡음의 혼입에 의해 모선(bb) 상에 전압 변동이 생겨도 전압 변동에 따라 듀티비가 조정되어 전자기 브레이크(Bk)에 공급하는 직류 전압을 안정시킬 수 있다.

다음에, 전자기 브레이크 구동 회로(20)에 대해 설명한다. 도 3a는 전자기 브레이크 제어 회로(20)의 예를 나타내는 회로도이다. 전자기 브레이크 제어 회로는 모선(bb)과 접속되어 모선(bb) 상의 직류 전압이 입력되는 입력부(21)와, 콘트롤러(15)로부터의 PWM 신호가 입력되는 입력부(22)를 가진다. 도면 중에서 R은 저항기이다. 전자기 브레이크 구동 회로(20)는 스위칭 소자(23, 24)를 포함한다.

스위칭 소자(24)는 본 실시형태의 경우 FET이고, 그 드레인은 접속부(2)를 구성하는 한쪽의 단자(2b)에 접속되어 있다. 접속부(2)를 구성하는 다른 쪽의 단자(2a)는 입력부(21)에 접속되어 있다. 단자(2a, 2b)에는 전자기 브레이크(Bk)가 접속되어 있고, 단자(2a, 2b) 간에는 서지 흡수용 다이오드(25)가 접속되어 있다. 그런데, 스위칭 소자(24)가 ON인 경우에 전자기 브레이크(Bk)에 모선(bb) 상의 직류 전압이 출력되고, OFF인 경우에는 해당 직류 전압이 차단된다. 따라서, 스위칭 소자(24)의 ON·OFF에 의해 전자기 브레이크(Bk)에의 구동 전압의 출력·차단을 절환할 수 있다.

스위칭 소자(23)는 본 실시형태의 경우 입력-출력 간이 절연된 광전 소자(예를 들면, 포토 커플러)로서, 발광 소자(본 실시형태에서는 LED)(23a)와 수광 소자(본 실시형태에서는 포토 트랜지스터)(23b)를 포함한다. 스위칭 소자(23)로서 입력-출력 간이 절연된 포토 커플러를 이용함으로써, 제어 회로(10)가 예를 들면 모선(bb) 상의 잡음 등 구동 회로측의 잡음의 영향을 받지 않도록 할 수 있고, 또한 고장에 의해 제어 회로(10) 측에 구동 전압이 인가되는 사태를 회피할 수 있다. 콘트롤러(15)로부터의 PWM 신호는 LED(23a)에 입력되어 LED(23a)를 점멸시킨다. 포토 트랜지스터(23b)는 그 컬렉터가 도시하지 않은 DC전원에 접속되고, LED(23a)의 점멸에 의해 ON·OFF하여 스위칭 소자(24)를 ON·0FF한다. 이렇게 하여 콘트롤러(15)로부터의 PWM 신호에 의해 전자기 브레이크(Bk)에의 구동 전압의 출력·차단을 절환할 수 있다.

도 3b는 입력부(21)에 입력되는 전압을 나타내는 도면으로, 모선(bb) 상의 직류 전압(V)을 나타낸다. 도 3c는 단자(2a)로부터 출력되는 전압을 나타내고, 전자기 브레이크(Bk)에의 구동 전압이다. 도 3c에 나타내는 바와 같이, 전자기 브레이크(Bk)에의 구동 전압은 PWM 신호의 듀티비에 따른 펄스 신호가 되어 있고, 따라서 펄스 폭을 조정함으로써 t₀-t간의 단위시간당 평균 전압을 제어할 수 있다. 이 때문에, 모선(bb) 상의 직류 전압을 설정 전압으로 변환할 수 있다.

이와 같이 본 실시형태에서는, 모터(M)의 구동에 이용하는 직류 전압을 부분적으로 이용하고, 이를 전자기 브레이크(Bk)의 구동에 적합한 전압으로 조정하여 전자기 브레이크(Bk)에 공급함으로써, 전자기 브레이크(Bk)용 고유의 전원을 필요 없게 하면서 모터(M)와 전자기 브레이크(Bk)에서 구동 전압이 다른 경우에도 대응할 수 있다.

<제2 실시형태>

상기 제1 실시형태에서는 제어 장치(A)가 AC/DC 컨버터(5)를 포함하는 구성으로 하였지만, 이를 포함하지 않는 구성도 채용 가능하다. 도 4는 본 발명의 다른 실시형태에 관한 제어 장치(B)의 블록도이다. 동 도면에서 제어 장치(A)와 같은 구성에 대해서는 같은 부호를 부여하여 설명을 생략하고, 이하 다른 구성에 대해서만 설명한다.

제어 장치(B)는 제어 장치(A)와 같이 AC/DC 컨버터(5)를 포함하지 않고, AC/DC 컨버터(5)는 제어 장치(B)의 외부 구성이 되어 있다. 그리고, 접속부(3)에는 AC/DC 컨버터(5)로부터 출력되는 직류 전압이 입력되고, 모선(bb)이 접속부(3)에 접속되어 있다.

<제3 실시형태>

상기 제1 실시형태에서는 전자기 브레이크(Bk)의 구동 전압의 생성에 모터(M)의 구동에 이용하는 직류 전압으로서 모터(M)의 구동 전압을 생성하는 과정에서 생기는 직류 전압을 이용하였지만, 모터(M)의 구동 전압을 이용해도 된다. 도 5는 본 발명의 다른 실시형태에 관한 제어 장치(C)의 블록도이다. 동 도면에서 제어 장치(A)와 같은 구성에 대해서는 같은 부호를 부여하여 설명을 생략하고, 이하 다른 구성에 대해서만 설명한다.

제어 장치(C)는 제어 장치(A)와 같이 AC/DC 컨버터(5)를 포함하지 않고, AC/DC 컨버터(5)는 제어 장치(C)의 외부 구성이 되어 있다. 그리고, 접속부(3)에는 AC/DC 컨버터(5)로부터 출력되는 직류 전압이 입력되고, 모선(bb)이 접속부(3)에 접속되어 있다. 모터(M)는 직류 모터이고, 제어 장치(C)는 제어 장치(A)와 같이 모터 구동 회로(6)를 가지지 않는다. 즉, 모터(M)의 구동에 관해, 제어 장치(C)는 AC/DC 컨버터(5)로부터 출력되는 전압을 그대로 모터(M)에 공급하는 것일 뿐이다.

Claims

모터와 전자기 브레이크가 전기적으로 접속되고, 이들에 구동 전압을 출력하는 제어 장치로서,
상기 전자기 브레이크에 대해 미리 설정된 설정 전압에 기초하는 듀티비의 PWM신호를 출력하는 PWM 신호 출력 수단;
상기 모터의 구동에 이용하는 직류 전압의 일부가 입력되고, 해당 직류 전압의 일부를 상기 PWM 신호 출력 수단으로부터 출력되는 상기 PWM 신호의 듀티비에 비례한 직류 전압으로 변환하여 상기 전자기 브레이크에 출력하는 전자기 브레이크 구동 수단을 포함한 것을 특징으로 하는 제어 장치.
제1항에 있어서,
교류 전압이 입력되고, 해당 교류 전압을 상기 모터의 구동에 이용하는 직류 전압으로 변환하는 교류-직류 변환 수단을 포함한 것을 특징으로 하는 제어 장치.
제1항에 있어서,
직류 전압이 입력되고, 모터에 구동 전압을 출력하는 모터 구동 수단을 포함하며,
상기 전자기 브레이크 구동 수단에는 상기 모터 구동 수단에 입력되는 상기 직류 전압의 일부가 입력되는 것을 특징으로 하는 제어 장치.
제3항에 있어서,
상기 모터 구동 수단이
입력된 직류 전압을 교류 전압으로 변환하여 상기 모터에 구동 전압으로서 출력하는 인버터인 것을 특징으로 하는 제어 장치.
제1항에 있어서,
상기 전자기 브레이크 구동 수단은,
상기 모터의 구동에 이용하는 직류 전압의 일부의 상기 전자기 브레이크에의 출력·차단을 전환하는 제1 스위칭 소자;
상기 PWM 신호 출력 수단으로부터 출력되는 상기 PWM 신호가 입력되고, 상기 PWM 신호에 따라 상기 제1 스위칭 소자를 ON·OFF하는 입력-출력 간이 절연된 제2 스위칭 소자;를 포함한 것을 특징으로 하는 제어 장치.
제5항에 있어서,
상기 제1 스위칭 소자가 FET이고,
상기 제2 스위칭 소자가 포토 커플러인 것을 특징으로 하는 제어 장치.
제1항에 있어서,
상기 PWM 신호 출력 수단은,
상기 설정 전압에 기초하여 상기 듀티비를 연산하고, 연산한 상기 듀티비를 나타내는 정보를 출력하는 연산 수단;
상기 연산 수단이 출력한 상기 정보에 기초하여 상기 전자기 브레이크 구동 수단에 상기 PWM 신호를 출력하는 콘트롤러를 포함한 것을 특징으로 하는 제어 장치.
제7항에 있어서,
상기 모터의 구동에 이용하는 직류 전압을 항상 계측하고, 계측 결과를 상기 연산 수단에 피드백하는 계측 수단을 포함하며,
상기 연산 수단은 상기 계측 수단의 계측 결과에 기초하여 상기 듀티비를 조정하는 것을 특징으로 하는 제어 장치.
제3항에 있어서,
상기 PWM 신호 출력 수단은
상기 설정 전압에 기초하여 상기 듀티비를 연산하고, 연산한 상기 듀티비를 나타내는 정보를 출력하는 연산 수단;
상기 연산 수단이 출력한 상기 정보에 기초하여 상기 전자기 브레이크 구동 수단에 상기 PWM 신호를 출력하는 FPGA를 포함하고,
상기 FPGA는
상기 모터 구동 수단에 제어 신호를 출력하는 반면, 미리 정한 긴급 정지 조건이 성립한 경우는 상기 모터를 정지시킴과 동시에 상기 전자기 브레이크를 작동시키는 것을 특징으로 하는 제어 장치.
모터와 전자기 브레이크에 구동 전압을 출력하는 제어 방법으로서,
상기 전자기 브레이크에 대해 미리 설정된 설정 전압에 기초하는 듀티비의 PWM 신호를 출력하는 PWM 신호 출력 공정;
상기 모터의 구동에 이용하는 직류 전압의 일부를 상기 PWM 신호 출력 공정에서 출력되는 상기 PWM 신호의 듀티비에 비례한 직류 전압으로 변환하여 상기 전자기 브레이크에 출력하는 전자기 브레이크 구동 공정을 포함한 것을 특징으로 하는 제어 방법.
제10항에 있어서,
상기 모터의 구동에 이용하는 직류 전압을 항상 계측하는 계측 공정;
상기 계측 공정의 계측 결과에 기초하여 상기 듀티비를 조정하는 공정;을 포함한 것을 특징으로 하는 제어 방법.