WO2015173919A1

WO2015173919A1 - 制御ユニット

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Publication number: WO2015173919A1
Application number: PCT/JP2014/062885
Authority: WO
Inventors: 耕太郎杉澤
Original assignee: 三菱電機株式会社
Priority date: 2014-05-14
Filing date: 2014-05-14
Publication date: 2015-11-19
Also published as: DE112014006657B4; US9871464B2; CN106465531B; US20170054382A1; DE112014006657T5; JP6173575B2; CN106465531A; JPWO2015173919A1

Abstract

　制御ユニット（１）は、制御電圧（ＶＣ）を生成する制御電源回路（１１）が搭載された電源基板（１０）と、制御電圧（ＶＣ）に基づいて動作する制御回路（２１）が搭載された制御基板（２０）と、それら電源基板（１０）と制御基板（２０）との間を接続し制御電源回路（１１）から制御回路（２１）への制御電圧（ＶＣ）の供給に用いられる接続媒体（３０）と、を備える。制御電源回路（１１）のシグナルグラウンド（ＳＧ１）と制御回路（２１）のシグナルグラウンド（ＳＧ２）とは、接続媒体（３０）を介することなく、フレームグラウンド（ＦＧ）を介して互いに接続されている。

Description

制御ユニット

　本発明は、制御ユニットのグラウンド構造に関する。

　従来、回路のグラウンド構造として、次のようなものが知られている。

　特許文献１は、雑音抑制回路構造を開示している。その雑音抑制回路部は、電源ユニット部、ノイズフィルタ部、及び端子部を備えている。端子部は、電源ライン端子、外線フレームグラウンド端子、シグナルグラウンド端子、及び内線フレームグラウンド端子を有している。各部の筐体間は、板金により接続されている。また、電源ユニット部の接地電位の出力端子と端子部のシグナルグラウンド端子とは、ケーブルを介して接続されている。また、ノイズフィルタ部の接地端子と端子部の内線フレームグラウンド端子とが接続されている。

　特許文献２は、１ＭＨｚ以上の高周波信号と低周波信号とを使用する制御基板の接続方法を開示している。当該技術によれば、シグナルグラウンドは、フレームグラウンドに１点で接続される。それと共に、シグナルグラウンドは、コンデンサを介して、フレームグラウンドと多数点で接続される。

特開平１１－３５５０９１号公報特開平５－１０２６７６号公報

　産業用ロボット等の制御対象を制御する制御ユニットは、制御電圧を生成するための電源基板と、その制御電圧に基づいて制御対象を制御する制御基板と、を備える。産業用ロボットの場合、制御ユニットが駆動基板を備える場合もある。このような制御ユニットにおいて、電源基板上のノイズが制御基板における制御電圧に影響を与える可能性がある。制御基板の誤動作を防止して高信頼の制御を実現するためには、制御電圧へのノイズの影響を低減することが望まれる。

　本発明の１つの目的は、制御ユニットにおいて制御電圧へのノイズの影響を低減することができる技術を提供することにある。

　本発明の１つの観点において、制御ユニットが提供される。その制御ユニットは、制御電圧を生成する制御電源回路が搭載された電源基板と、制御電圧に基づいて動作する制御回路が搭載された制御基板と、それら電源基板と制御基板との間を接続し制御電源回路から制御回路への制御電圧の供給に用いられる接続媒体と、を備える。制御電源回路のシグナルグラウンドと制御回路のシグナルグラウンドとは、接続媒体を介することなく、フレームグラウンドを介して互いに接続されている。

　本発明によれば、制御ユニットにおいて制御電圧へのノイズの影響を低減することが可能となる。その結果、制御ユニットの動作信頼性が向上する。

図１は、本発明の実施の形態１に係る制御ユニットの構成例を概略的に示すブロック図である。図２は、本発明の実施の形態１に係る制御ユニットの他の構成例を示すブロック図である。図３は、比較例を概略的に示すブロック図である。図４は、本発明の実施の形態２に係る制御ユニットの構成例を概略的に示すブロック図である。図５は、本発明の実施の形態２に係る制御ユニットの制御基板の構成例を示す概略図である。図６は、本発明の実施の形態３に係る制御ユニットの構成例を概略的に示すブロック図である。図７は、本発明の効果を説明するためのグラフ図である。図８は、本発明の効果を説明するためのグラフ図である。

　添付図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。

実施の形態１．
　図１は、本発明の実施の形態１に係る制御ユニット１の構成例を概略的に示すブロック図である。制御ユニット１は、電源基板１０、制御基板２０、及び接続媒体３０を備えている。

　電源基板１０は、制御基板２０で用いられる制御電圧ＶＣを生成するための基板である。より詳細には、電源基板１０には、制御電圧ＶＣを生成する制御電源回路１１が搭載されている。例えば、制御電源回路１１は、外部交流電源から供給される交流電圧を直流の制御電圧ＶＣに変換する。

　制御基板２０は、制御対象を制御するための基板である。より詳細には、制御基板２０には、制御対象を制御する制御回路２１が搭載されている。この制御回路２１は、制御電源回路１１によって生成された制御電圧ＶＣに基づいて動作し、制御対象を制御する。このような制御回路２１として、ＣＰＵが例示される。

　接続媒体３０は、電源基板１０と制御基板２０との間を接続する媒体（例：ケーブル、コネクタ）である。この接続媒体３０は、制御電源回路１１から制御回路２１への制御電圧ＶＣの供給に用いられる。より詳細には、接続媒体３０は、制御電源回路１１から制御回路２１へ制御電圧ＶＣを伝送する電源信号線３１を備えている。

　次に、本実施の形態に係る制御ユニット１のグラウンド構造を説明する。

　電源基板１０の制御電源回路１１のシグナルグラウンドＳＧ１は、電源基板１０外部のフレームグラウンドＦＧに電気的に接続されている。また、制御基板２０の制御回路２１のシグナルグラウンドＳＧ２も、フレームグラウンドＦＧに電気的に接続されている。従って、制御電源回路１１のシグナルグラウンドＳＧ１と制御回路２１のシグナルグラウンドＳＧ２とは、フレームグラウンドＦＧを介して互いに電気的に接続される。その一方で、それらシグナルグラウンドＳＧ１とシグナルグラウンドＳＧ２との間の接続に、上記の接続媒体３０は使用されない。すなわち、本実施の形態によれば、制御電源回路１１のシグナルグラウンドＳＧ１と制御回路２１のシグナルグラウンドＳＧ２とは、接続媒体３０を介することなく、フレームグラウンドＦＧを介して互いに接続されている。

　典型的には、図２に示されるように、制御ユニット１は、電源基板１０、制御基板２０、及び接続媒体３０が収納される筐体４０を備える。この筐体４０が、フレームグラウンドＦＧに接続されたフレームグラウンド体である。そして、制御電源回路１１のシグナルグラウンドＳＧ１は、筐体４０に電気的に接続される。好適には、シグナルグラウンドＳＧ１は、筐体４０に一点接続される。例えば、シグナルグラウンドＳＧ１は、ネジ等によって、筐体４０に固定される。同様に、制御回路２１のシグナルグラウンドＳＧ２は、筐体４０に電気的に接続される。好適には、シグナルグラウンドＳＧ２は、筐体４０に一点接続される。例えば、シグナルグラウンドＳＧ２は、ネジ等によって、筐体４０に固定される。

　図３は、比較例を概略的に示すブロック図である。比較例では、制御電源回路１１のシグナルグラウンドＳＧ１と制御回路２１のシグナルグラウンドＳＧ２とが、接続媒体３０を介して接続されている。つまり、接続媒体３０は、シグナルグラウンドＳＧ１とシグナルグラウンドＳＧ２との間を接続するグラウンド信号線３２を備えている。

　この比較例の場合、電源基板１０においてシグナルグラウンドＳＧ１に混入したノイズが、接続媒体３０（グラウンド信号線３２）及びシグナルグラウンドＳＧ２を通して、制御基板２０に伝播する。つまり、電源基板１０上のノイズが接続媒体３０を通して制御基板２０に流入する。このようにして流入したノイズが、制御基板２０における制御電圧ＶＣに悪影響を及ぼす。

　一方、本実施の形態によれば、制御電源回路１１のシグナルグラウンドＳＧ１と制御回路２１のシグナルグラウンドＳＧ２とは、接続媒体３０を介することなく、フレームグラウンドＦＧを介して互いに接続されている。従って、電源基板１０においてシグナルグラウンドＳＧ１に混入したノイズが、接続媒体３０及びシグナルグラウンドＳＧ２を通して、制御基板２０に伝播することはない。

　その代わり、電源基板１０においてシグナルグラウンドＳＧ１に混入したノイズは、フレームグラウンドＦＧに逃がされ、フレームグラウンドＦＧに吸収される。例えば、ノイズは、筐体４０から電源フレームグラウンド線を通って、配電盤のフレームグラウンド（図示せず）に吸収される。尚、フレームグラウンドＦＧから制御基板２０のシグナルグラウンドＳＧ２へのインピーダンスは、フレームグラウンドＦＧから配電盤のフレームグラウンドへのインピーダンスより高いため、ノイズはフレームグラウンドＦＧからシグナルグラウンドＳＧ２へは伝わりにくい。

　本願発明者は、ノイズをフレームグラウンドＦＧに吸収させることによるノイズ除去効果が、グラウンド信号線３２を取り除くことによる欠点を上回ることを初めて見出したと言える。

　以上に説明されたように、本実施の形態の制御ユニット１によれば、電源基板１０上のノイズが接続媒体３０を通して制御基板２０に流入することが抑制される。従って、制御基板２０において用いられる制御電圧ＶＣへのノイズの影響が低減される。その結果、制御ユニット１の動作信頼性が向上する。

実施の形態２．
　図４は、本発明の実施の形態２に係る制御ユニット１の構成例を概略的に示すブロック図である。上述の実施の形態１と重複する説明は適宜省略する。

　本実施の形態によれば、制御回路２１のシグナルグラウンドＳＧ２は、フィルタ素子２２を介してフレームグラウンドＦＧに接続されている。例えば、フィルタ素子２２は、制御基板２０上に設けられる。フィルタ素子２２としては、例えばインダクタを用いることができる。あるいは、フィルタ素子２２として、シグナルグラウンドＳＧ２とフレームグラウンドＦＧが同一とみなせる程度の微小抵抗を用いることもできる。

　図５は、本実施の形態における制御基板２０の構成例を示す概略図である。制御基板２０上には、シグナルグラウンドＳＧ２のパターンとフィルタ素子２２が形成されている。フィルタ素子２２の一端は、シグナルグラウンドＳＧ２のパターンと接続されており、その他端は、ねじ２３を通して筐体４０（フレームグラウンド体）に接続されている。

　以上に説明されたように、本実施の形態によれば、シグナルグラウンドＳＧ２は、フィルタ素子２２を介してフレームグラウンドＦＧに接続される。これにより、フレームグラウンドＦＧからシグナルグラウンドＳＧ２へ流入するノイズが更に低減される。すなわち、制御基板２０において用いられる制御電圧ＶＣへのノイズの影響が更に低減され、好適である。

実施の形態３．
　図６は、本発明の実施の形態３に係る制御ユニット１の構成例を概略的に示すブロック図である。本実施の形態では、１つの適用例として、制御ユニット１がサーボアンプに適用される場合を説明する。尚、上述の実施の形態１と重複する説明は適宜省略する。

　サーボアンプとしての制御ユニット１は、サーボモータ１００の駆動制御を行う。具体的には、制御ユニット１は、上述の制御電源回路１１と制御回路２１に加えて、スイッチ回路５０及び駆動回路５１を備えている。

　制御電源回路１１は、外部交流電源から供給される交流電圧を直流の制御電圧ＶＣに変換する。より詳細には、制御電源回路１１は、電力変換回路１２（内部電源）及び出力回路１４を備えている。電力変換回路１２の入力は外部交流電源に接続されており、その出力はＰ側電力線ＰＡとＮ側電力線ＮＡに接続されている。尚、Ｎ側電力線ＮＡは接地されている。電力変換回路１２は、外部交流電源から供給される交流電圧を直流電圧に変換する。出力回路１４は、その直流電圧に基づいて制御電圧ＶＣを出力する。本例では、制御電圧ＶＣとして、ＤＣ５ＶとＤＣ３．３Ｖの２種類が用いられる。

　制御回路２１は、制御電源回路１１によって生成される制御電圧ＶＣに基づいて動作する。具体的には、制御回路２１は、外部指令（図示せず）に従って、スイッチ回路５０と駆動回路５１の動作を制御する。この制御において、サーボモータ１００に取り付けられたエンコーダ１０１によって検出される位置情報が用いられてもよい。

　スイッチ回路５０は、外部交流電源と駆動回路５１との間に設けられている。このスイッチ回路５０は、外部交流電源から駆動回路５１への交流電圧（交流電流）の供給をＯＮ／ＯＦＦするように、制御回路２１によってＯＮ／ＯＦＦ制御される。スイッチ回路５０は、例えばリレーである。

　駆動回路５１は、制御回路２１による制御に従って、負荷であるサーボモータ１００を駆動する。より詳細には、駆動回路５１は、コンバータ５２及びインバータ５４を備えている。コンバータ５２の入力はスイッチ回路５０に接続されており、その出力はＰ側電力線ＰＢとＮ側電力線ＮＢに接続されている。尚、Ｎ側電力線ＮＢは接地されている。コンバータ５２は、スイッチ回路５０を介して供給される交流電圧を直流電圧に変換する。インバータ５４は、その直流電圧を交流電圧に変換し、サーボモータ１００に出力する。

　このような構成において、例えばスイッチ回路５０のスイッチング（ＯＮ／ＯＦＦ切り換え）時にノイズが発生する。発生したノイズは、駆動回路５１のＮ側電力線ＮＢから、制御電源回路１１のＮ側電力線ＮＡに伝わり、制御電圧ＶＣに影響を与える可能性がある。そのようなノイズによる制御回路２１における制御電圧ＶＣへの影響を抑制するために、本発明を適用することが考えられる。

　図７及び図８は、本発明を適用することにより得られる効果を説明するためのグラフ図である。より詳細には、図７及び図８は、スイッチ回路５０がＯＦＦからＯＮに切り換えられる時に制御回路２１における制御電圧ＶＣに発生するノイズを示している。図７は、上述の図３で示されたような、シグナルグラウンドＳＧ１とシグナルグラウンドＳＧ２とが接続媒体３０（グラウンド信号線３２）を介して接続されている比較例の場合を示している。一方、図８は、本発明が適用された場合を示している。

　図７及び図８において、縦軸は、制御回路２１における制御電圧ＶＣを表しており、横軸は、時間を表している。尚、縦軸のスケールは、図７と図８とで同じ１Ｖ／ｄｉｖであるが、横軸のスケールは、図７と図８とで異なっていることに留意されたい（図７では２μｓ／ｄｉｖ、図８では５００ｎｓ／ｄｉｖ）。また、図７及び図８の各々において、ＤＣ３．３Ｖ（Ｃ１）とＤＣ５Ｖ（Ｃ２）の両方が示されている。

　図７で示される比較例の場合、ＯＮスイッチング時のノイズの振れ幅は、次の通りである。ＤＣ３．３Ｖ（Ｃ１）では、ノイズ電圧の最大値と最小値は、それぞれ、６．２５Ｖと０．０４Ｖである。ＤＣ５Ｖ（Ｃ２）では、ノイズ電圧の最大値と最小値は、それぞれ、７．６７Ｖと１．７９Ｖである。

　一方、図８で示される本発明の場合、ＯＮスイッチング時のノイズの振れ幅は、次の通りである。ＤＣ３．３Ｖ（Ｃ１）では、ノイズ電圧の最大値と最小値は、それぞれ、５．７９Ｖと０．７Ｖである。ＤＣ５Ｖ（Ｃ２）では、ノイズ電圧の最大値と最小値は、それぞれ、７．１２Ｖと３．０４Ｖである。

　このように、本発明が適用されることによって、制御電圧ＶＣに発生するノイズの振れ幅が減少することが分かる。

　以上、本発明の実施の形態が添付の図面を参照することにより説明された。但し、本発明は、上述の実施の形態に限定されず、要旨を逸脱しない範囲で当業者により適宜変更され得る。

　１　制御ユニット、１０　電源基板、１１　制御電源回路、１２　電力変換回路、１４　出力回路、２０　制御基板、２１　制御回路、２２　フィルタ素子、２３　ねじ、３０　接続媒体、３１　電源信号線、３２　グラウンド信号線、４０　筐体、５０　スイッチ回路、５１　駆動回路、５２　コンバータ、５４　インバータ、１００　サーボモータ、１０１　エンコーダ、ＦＧ　フレームグラウンド、ＳＧ１　シグナルグラウンド、ＳＧ２　シグナルグラウンド、ＶＣ　制御電圧。

Claims

　制御電圧を生成する制御電源回路が搭載された電源基板と、
　前記制御電圧に基づいて動作する制御回路が搭載された制御基板と、
　前記電源基板と前記制御基板との間を接続し、前記制御電源回路から前記制御回路への前記制御電圧の供給に用いられる接続媒体と
　を備え、
　前記制御電源回路のシグナルグラウンドと前記制御回路のシグナルグラウンドとは、前記接続媒体を介することなく、フレームグラウンドを介して互いに接続されている
　制御ユニット。
　前記電源基板、前記制御基板、及び前記接続媒体が収納された筐体
　を更に備え、
　前記筐体は、前記フレームグラウンドに接続されており、
　前記制御電源回路の前記シグナルグラウンドと前記制御回路の前記シグナルグラウンドは、前記筐体に接続されている
　請求項１に記載の制御ユニット。
　前記制御回路の前記シグナルグラウンドは、フィルタ素子を介して前記フレームグラウンドに接続されている
　請求項１又は２に記載の制御ユニット。
　前記制御電圧は直流電圧であり、
　前記制御電源回路は、外部交流電源から供給される交流電圧を直流電圧に変換する電力変換回路を備える
　請求項１から３のいずれか一項に記載の制御ユニット。
　前記制御回路による制御に従って負荷を駆動する駆動回路と、
　前記駆動回路への前記交流電圧の供給をＯＮ／ＯＦＦするスイッチ回路と
　を更に備え、
　前記駆動回路は、前記交流電圧を直流電圧に変換するコンバータを備える
　請求項４に記載の制御ユニット。