(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電動機の発電動作によりブレーキトルクを発生させるためのダイナミックブレーキ回路において、
ダイナミックブレーキ動作の開始時点における前記電動機の回転速度を検出して開始時点回転速度値を与える手段と、
前記ダイナミックブレーキ動作が開始したときから、前記電動機の回転速度が予め設定してある所定の回転速度に低下するまでの経過時間を計測してダイナミックブレーキ動作時間値を与える手段を設け、
前記開始時点回転速度検出値と前記ダイナミックブレーキ動作時間値の２種の値に基づいて、前記ダイナミックブレーキ回路の消費エネルギーを算出し、この算出結果に応じて当該ダイナミックブレーキ回路の保護動作を行なうように構成したことを特徴とするダイナミックブレーキ回路保護装置。
【請求項２】
電動機の発電動作によりブレーキトルクを発生させるためのダイナミックブレーキ回路において、
ダイナミックブレーキ動作が順次繰り返されたとき、各回のダイナミックブレーキ動作の開始時点毎にダイナミックブレーキ動作開始時点における前記電動機の回転速度を検出して、各回毎の開始時点回転速度値を与える手段と、
前記各回毎のダイナミックブレーキ動作が開始したときから、前記電動機の回転速度が予め設定してある所定の回転速度に低下するまでの経過時間を各回毎に計測して、各回目毎のダイナミックブレーキ動作時間値を与える手段と、
前記開始時点回転速度検出値と前記ダイナミックブレーキ動作時間値の２種の値に基づいて、前記ダイナミックブレーキ回路の消費エネルギーの値を前記各回毎に算出する消費エネルギー値算出手段と、
前記各回毎に算出される消費エネルギーの値に基づいて、前記ダイナミックブレーキ回路の蓄積消費エネルギーの値を算出する手段を設け、
前記各回毎の消費エネルギー値に応じて当該ダイナミックブレーキ回路の保護動作を行ない、
２回目以降のダイナミックブレーキ動作時には、前記消費エネルギー値算出手段による消費エネルギー値の算出に、前記蓄積消費エネルギーの値が加算されるように構成されていることを特徴とするダイナミックブレーキ回路保護装置。
【請求項３】
請求項２に記載の発明において、
前記消費エネルギーが予め設定してある過負荷異常基準値以上になったとき、ダイナミックブレーキ過負荷異常を検出し、前記蓄積消費エネルギーが予め設定してあるダイナミックブレーキ動作許容基準値以下になるまでダイナミックブレーキ過負荷異常の解除が禁止されるように構成されていることを特徴とするダイナミックブレーキ回路保護装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ダイナミックブレーキ回路の保護装置に係り、特にサーボモータ駆動装置に好適なダイナミックブレーキ回路保護装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
加工・製造ラインや工作機械など駆動機構を備えたシステムでは、異常発生時に可動部分を緊急停止させる必要があり、これにより安全性の確保や被加工物の破損防止が図れるようになっている。
【０００３】
ここで、このような加工・製造ラインなどのシステムでは、その駆動装置として、永久磁石回転磁界形ＡＣサーボモータやブラシレスＤＣモータなどのサーボモータによる駆動機構を用いることが多いが、この場合、サーボモータなどの電動機は、トルクを発生させるだけではなく、発電状態にしてトルクを吸収させ、ブレーキとして動作させることができる。
【０００４】
この場合のブレーキ動作が、いわゆるダイナミックブレーキ(以下、ＤＢという)と呼ばれるもので、上記した加工・製造ラインや工作機械などにおいて、異常発生に際してサーボモータなど電動機の駆動対象となっている可動部分を緊急停止させる場合に多用されている。
【０００５】
このＤＢでは、電動機から回収される電力をＤＢ回路により熱エネルギーに変換して吸収するようになっているものであるが、このＤＢ回路は、通常、所定の容量の抵抗器からなり、電力をジュール熱に変換して大気などの雰囲気中に放散することにり、電力を吸収するようになっている。
【０００６】
ここで、近年におけるモータ駆動装置の小型化のすう勢の中で、ＤＢ回路も例外ではなく、小型化した場合、ＤＢ動作に際して発生する熱エネルギー量を管理し、ＤＢ回路の過熱による破損から確実に保護する必要がある。
【０００７】
ここで、ＤＢ回路の保護とは、ＤＢ動作が要求されたときでも、それを禁止することにより与えられ、ＤＢ回路の通電が止まることから温度上昇が抑えられ、この結果、破損の虞れが無くなり、保護が得られるのである。なお、この結果、ＤＢ回路の保護時は、一定時間、モータ運転不可状態となる。
【０００８】
そこで、例えば特開平６−３１５２８７号公報では、エンコーダによるモータ軸角速度の検出値からモータ惰走角を算出し、許容モータ惰走角を超えたとき保護を働かせる方式について開示し、特開平８−０３３１９５号公報では、電流検出器によるＤＢ電流検出値からＤＢ回路の消費電力を求め、これが、許容電力を超えたときは、ＤＢ電流検出値が許容電流を超えないときでも保護を働かせる方式について開示している。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術は、ＤＢ回路で消費されるエネルギー量の管理精度に配慮がされておらず、ＤＢ回路の的確な保護に問題があった。
また、従来技術では、消費電力の算定に積分処理を要するため、演算が複雑になり、マイコンの負荷が多くなってしまう点にも問題があった。
【００１０】
本発明の目的は、ＤＢ回路で消費されるエネルギー量が専用検出器を新たに追加することなく管理でき、ＤＢ回路の機能が充分に活用されるようにしたダイナミックブレーキ回路保護装置を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、電動機の発電動作によりブレーキトルクを発生させるためのＤＢ回路において、ＤＢ動作の開始時点における前記電動機の回転速度を検出して開始時点回転速度値を与える手段と、前記ＤＢ動作が開始したときから、前記電動機の回転速度が予め設定してある所定の回転速度に低下するまでの経過時間を計測してＤＢ動作時間値を与える手段を設け、前記開始時点回転速度検出値と前記ＤＢ動作時間値の２種の値に基づいて、前記ＤＢ回路の消費エネルギーを算出し、この算出結果に応じて当該ＤＢ回路の保護動作を行なうようにして達成される。
【００１２】
同じく上記目的は、電動機の発電動作によりブレーキトルクを発生させるためのＤＢ回路において、ＤＢ動作が順次繰り返されたとき、各回のＤＢ動作の開始時点毎にＤＢ動作開始時点における前記電動機の回転速度を検出して、各回毎の開始時点回転速度値を与える手段と、前記各回毎のＤＢ動作が開始したときから、前記電動機の回転速度が予め設定してある所定の回転速度に低下するまでの経過時間を各回毎に計測して、各回目毎のＤＢ動作時間値を与える手段と、前記開始時点回転速度検出値と前記ＤＢ動作時間値の２種の値に基づいて、前記ＤＢ回路の消費エネルギーの値を前記各回毎に算出する消費エネルギー値算出手段と、前記各回毎に算出される消費エネルギーの値に基づいて、前記ＤＢ回路の蓄積消費エネルギーの値を算出する手段を設け、前記各回毎の消費エネルギー値に応じて当該ＤＢ回路の保護動作を行ない、２回目以降のＤＢ動作時には、前記消費エネルギー値算出手段による消費エネルギー値の算出に、前記蓄積消費エネルギーの値が加算されるようにして達成される。
【００１３】
このとき、前記消費エネルギーが予め設定してある過負荷異常基準値以上になったとき、ＤＢ過負荷異常を検出し、前記蓄積消費エネルギーが予め設定してあるＤＢ動作許容基準値以下になるまでＤＢ過負荷異常の解除が禁止されるようにしても上記目的を達成することができる。
【００１４】
本発明では、ＤＢ動作時のＤＢトルクが一定であると近似することにより、消費エネルギー演算時に必要な検出値をエンコーダによるＤＢ開始時のモータ回転数(回転速度)とマイコンによるＤＢ動作時間のみで可能にし、同時に複数回のＤＢ動作による消費エネルギーの加減算を行うことにより、複数回のＤＢ動作による蓄積消費エネルギーを算出し、この蓄積消費エネルギーが許容消費エネルギーを超えるとＤＢ過負荷異常を検出する。
【００１５】
また、このＤＢ過負荷異常は、ＤＢ過負荷異常解除許容消費エネルギーに達するまで、モータの運転は許可しないことにより、高頻度なＤＢ動作による更なるＤＢ回路発熱を抑制する。
本発明によれば、ＤＢ動作中、ＤＢ回路で消費された蓄積エネルギーを確認しているので、繰り返しＤＢ動作におけるＤＢ回路の過負荷による破壊等を防ぐことができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明によるダイナミックブレーキ回路保護装置について、図示の実施の形態により詳細に説明する。
図１は、本発明によるダイナミックブレーキ回路保護装置が適用されたサーボモータ駆動装置の一例で、この図において、１はインバータ回路で、６個のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６と、同じく６個のフライホイールダイオードＤ１〜Ｄ６からなる３相交流インバータ回路で構成されている。
【００１７】
そし、このインバータ回路１は、後述する制御回路３からベースドライブ回路２を介して供給されるゲート駆動信号によりスイッチング動作し、ＰＬ線とＮＬ線の間の直流電圧を３相交流電力に変換し、ＵＬ線とＶＬ線、ＷＬ線の間に３相交流電圧を出力する働きをする。
このため、ベースドライブ回路２と制御回路３は線路ＣＳ１を介して相互に所定の信号の授受が得られるように構成されている。
【００１８】
５はリレー駆動用のトランジスタで、制御回路３から線路ＣＳ３を介して供給される制御信号によりオンオフ制御され、オンされたときリレーのコイル８に電流を供給する働きをする。
ここで、このリレーの接点７は、いわゆるｂ接点(常閉接点：ＮＣ)で、従ってトランジスタ５がオフされたとき閉じるようになっている。
【００１９】
６はＤＢ抵抗で、図示のように、Ｙ結線された３個の所定の電力容量を持った抵抗器で構成され、リレーの接点７が閉じたとき線路ＵＤＹ、ＶＤＹ、ＷＤＹを介してＵＬ線、ＶＬ線、ＷＬ線の間に接続され、ＤＢ回路として働く。
【００２０】
９はサーボモータで、図示してないトルク伝達系を介して、同じく図示してない被駆動部に連結され、インバータ回路１から供給される３相交流電力に応じて所定の方向に、所定のトルクで、所定の回転速度で回転し、加工製造ラインなどの駆動機構を所定の速度と所定の力で動かし、位置決めする働きをする。
【００２１】
このとき、このサーボモータ９の回転速度と回転位置はサーボモータ内蔵のエンコーダ１０により検出され、線路ＣＳ４を介して制御回路３にフィードバックされる。また、このとき、電流検出器４によりＵＬ線とＷＬ線の電流が検出され、電流検出値が線路ＣＳ２を介して制御回路３にフィードバックされ、インバータ回路１の制御に反映されるようになっている。
【００２２】
異常時のＤＢによる停止制御は、制御回路３によりインバータ回路１のスイッチング動作を停止させ、その直後にリレー駆動用トランジスタ５を、それまでのオン状態からオフにし、リレーコイル８に供給されていた励磁電流を遮断して接点７を閉じることにより実行され、緊急停止される。
【００２３】
ここで、リレーの接点７が閉じたことにより、サーボモータ９の誘起電圧による電流がＤＢ抵抗６に流れるようになり、ジュール熱として消費される結果、ＤＢが働き、緊急停止が得られることになる。なお、リレーの代りにＳＣＲ(シリコン制御整流素子)を用いてもよい。
【００２４】
次に、ＤＢ動作について説明する。
ベースドライブ回路２は異常検出機能を備え、例えばインバータ回路１にスイッチング異常が生じたとき、線路ＣＳ１を介して、異常検出信号を制御回路３に出力する。
【００２５】
そこで制御回路３は、この異常検出信号に応じて、通常はオン状態にあるトランジスタ５をオフさせ、ＤＢ動作に入り、この後、エンコーダ１０の信号によりサーボモータ９の回転速度Ｎを調べ、それが予め設定してあるＤＢ動作解除許容回転速度ＮRS 以下になったとき、すなわち条件(Ｎ≦ＮRS)が満たされたとき、ＤＢ動作を終了させる。
【００２６】
ところで、このとき、ＤＢ抵抗６により消費される電力量に応じて発熱することにより、ＤＢ抵抗６の許容消費電力を越えると温度上昇が許容範囲を越え、上記したように低寿命化し、しいては破壊に至ってしまう。
【００２７】
そこで、この実施形態では、以下のようにしてＤＢ抵抗６による電力消費がに算定できるようにし、この結果に基づいて、ＤＢ回路が真に保護を必要とする状況になったか否かが判定できるようにしたもので、この結果、必要とするＤＢ動作に対する影響を最小限にとどめながら、充分な保護が与えられるようにしたものである。
【００２８】
以下、この実施形態において、制御装置３により実行されるＤＢ回路保護動作について、図２と図３のフローチャートにより説明する。
ここで、まず、この図２による処理は、装置が動作状態に立ち上げられた後、最初にＤＢ動作が発動されたとき開始される。
そして、まず処理ステップＳ１で、所定の初期設定条件を調べ、ＤＢ動作を行なうか否かを判定する。
【００２９】
ここで、まず判定結果がＮＯ(否定)、すなわちＤＢ動作しないことが初期設定されていたときは、このまま処理を終了することになり、この場合は、たとえ緊急異常が発生したとしてもサーボモータ９はＤＢ動作をせず、フリーラン状態で停止する。
なお、このようなステップが設けられているのは、顧客のニーズによるものである。
【００３０】
一方、処理ステップＳ１での判定結果がＹＥＳ(肯定)、すなわちＤＢ動作することが初期設定されていたときは処理ステップＳ２に進み、ここで、ＤＢ過負荷異常検出処理を実行する。
この処理ステップＳ２は、ここで後述するようにしてＤＢ過負荷異常が検出され、ＤＢ動作が禁止されるまで処理を続行する。
【００３１】
そして、処理ステップＳ２でＤＢ過負荷異常が検出され、ＤＢ動作が禁止されたら次の処理ステップＳ３以降の処理に進む。
すなわち、まず処理ステップＳ３ではサーボモータ９の回転速度Ｎを調べ、上記した条件(Ｎ≦ＮRS)を満たすまで、すなわちサーボモータ９の回転速度ＮがＤＢ動作解除許容回転速度ＮRS 以下になるまで待つ。
【００３２】
次に、処理ステップＳ４では、ＤＢ回路６での蓄積消費エネルギーＥ(後述)を調べ、それがＤＢ動作許容エネルギーＥRS (同じく後述)以下になるまで、すなわち条件(Ｅ≦ＥRS)が満たされるようになるまで待つ。
そして、この後、処理ステップＳ５で、ＤＢ動作の禁止を解除してから、再び処理ステップＳ１に戻る。なお、ここで、処理ステップＳ２ではなく、処理ステップＳ１に戻るのは、初期設定の変化に対応するためである。
【００３３】
次に、この図２における処理ステップＳ２における処理の詳細について、図３のフローチャートにより説明する。
ここで、この処理ステップＳ２に入る条件は、上記したように、装置が動作状態に立ち上げられた後、最初にＤＢ動作が発動されたときと、この後でＤＢ動作が禁止され、更にこの後、ＤＢ動作の禁止が解除されたときである。
【００３４】
そこで、この処理ステップＳ２に入ったときの最初のＤＢ動作を１回目のＤＢ動作とし、これ以降、ＤＢ過負荷異常が検出され、ＤＢ動作が禁止されるまでの間に現れるＤＢ動作をＭ回目のＤＢ動作とする。ここでＭ＝２、３、４、……、ｍ−１とする。
【００３５】
図２の処理ステップＳ１から図３の処理ステップ２に進んだら、まず処理ステップＳ２０で、１回目のＤＢ動作時でのＤＢ回路の消費エネルギーＥ1 を算出する。
このため、エンコーダ１０の信号によるモータ回転速度Ｎの検出と、クロックのカウントによる時間ｔの計測を開始する。なお、ここではサーボモータを単にモータと記している。
【００３６】
そして、このときのＤＢ動作開始時点でのモータ回転速度(開始時点回転速度値)Ｎ1 と、このＤＢ動作開始時からサーボモータ回転速度ＮがＤＢ動作解除許容回転速度ＮRS 以下になるまでに要したＤＢ動作時間ｔON1 により、１回目のＤＢ動作時の消費エネルギーＥ1 を式(1)において、ｍ＝１として算出する。
【００３７】
Ｅm＝Ｅm-1,m＋ＥS／（Ｎmax×ｔs）×Ｎm×ｔONm［Ｊ］……(1)
Ｅm：ｍ回目のＤＢ動作時の蓄積消費エネルギー
Ｅm-1,m：ｍ−１回目終了からｍ回目のＤＢ動作開始時の蓄積消費エネルギー（但し、Ｅ0,1＝０）
ＥS：モータの最高回転数Ｎmax からＤＢ動作解除許容回転速度ＮRSまで減速させたときに発生するモータ軸単体のイナーシャエネルギー
Ｎmax：モータの最高回転速度
ｔs：モータ軸単体で最高回転速度Ｎmax からＤＢ動作解除許容回転速度ＮRS まで減速するまでに要したＤＢ動作時間
Ｎm：ｍ回目のＤＢ動作開始時のモータ回転速度
ｔONm：ｍ回目のＤＢ動作開始時からモータ回転速度ＮがＤＢ動作解除許容回転速度ＮRS 以下になるまでに要した時間(ＤＢ動作時間)
ｔOFFm：ｍ−１回目のＤＢ動作終了後からｍ回目のＤＢ動作開始までのＤＢ動作解除時間
【００３８】
次に、処理ステップＳ２１で、１回目のＤＢ動作時の消費エネルギーＥ1 とＤＢ過負荷異常レベルＥTR と比較し、条件(Ｅ1≦ＥTR)が満たされているか否かを調べる。
そして、まず、判定結果がＮＯ、つまり１回目のＤＢ動作時の消費エネルギーＥ1 がＤＢ過負荷異常レベルＥTR を越えていたとき(＝Ｅ1＞ＥTR)は、ＤＢ過負荷異常が検出されたものとする。
【００３９】
そこで、このときは処理ステップＳ２２に進み、ここでＤＢ過負荷異常検出処理を行ない、ＤＢ動作を禁止する。
つまり、このＤＢ動作の禁止時間内はモータ運転不可能状態(サーボＯＦＦ状態)とし、異常解除によるＤＢ動作の繰り返しによる更なるＤＢ回路の発熱を回避する。
【００４０】
一方、処理ステップＳ２１での判定結果がＹＥＳ、つまり１回目のＤＢ動作時の消費エネルギーＥ1 がＤＢ過負荷異常レベルＥTR 以下のとき(＝Ｅ1≦ＥTR)となった場合は、まだＤＢ過負荷異常ではないとし、処理ステップＳ２３に進み、ＤＢ抵抗６の固有放熱時定数Ｔから式(2)において、ｍ＝１としてＤＢ動作停止期間ｔOFF1 でのＤＢ抵抗６の蓄積消費エネルギーＥm,m+1 を算出する。
【００４１】
Ｅm,m+1＝Ｅm ×ｅ-t/T［Ｊ］……    ……(2)
従って、この蓄積消費エネルギーＥm,m は、ＤＢ動作停止期間ｔOFF1 にＤＢ抵抗６から放散されるエネルギーを考慮したものとなる。
以後、２回目以降のＤＢ動作が開始される毎に、Ｍを順次２、３、４、……、ｍ−１にして、処理ステップＳ２４、２５、２６を実行し、これを処理ステップＳ２１と同じ判定Ｓ２５によりＤＢ過負荷異常が検出されるまで繰り返えす。
【００４２】
従って、この図３では、ＤＢ動作回数がｍ−１回になったときの処理ステップＳ２４〜処理ステップＳ２６までしか示されていないが、処理ステップＳ２５と同じ判定によりＤＢ過負荷異常が検出されるまで同じ処理が繰り返し実行されることになる。
【００４３】
なお、長期にわたってＤＢ過負荷異常が検出されない場合も想定されるが、この場合には、このダイナミックブレーキ回路保護装置が適用されたサーボモータ駆動装置の動作が停止されたとき、図３による処理が終了することになる。
【００４４】
次に、この処理の結果を図４に示す。
この図４は、４回目のＤＢ動作に際してＤＢ過負荷異常が検出された場合の状況を模式的に示したもので、このときの蓄積消費エネルギーＥは、モータから回生されたエネルギーがＤＢ抵抗６で全て熱に変換され、放散されているものとしており、横軸ｔは時間である。
【００４５】
この図４の場合、図示のように、蓄積消費エネルギーＥがＤＢ過負荷異常レベルＥTR 以上になった時点ｔTR においてＤＢ過負荷異常となり、図２の処理ステップＳ３に移行し、上記したように所定の期間、ＤＢ動作が禁止され、ＤＢ回路保護処理が実行される。
そして、この図４から、上記実施形態の場合、ＤＢ動作が繰り返された場合でも、蓄積消費エネルギーＥが精度良く算出できることが判る。
【００４６】
また、このときの蓄積消費エネルギーＥの算出に必要なデータの内の変数は、上記した式(1)、(2)から明らかなように、エンコーダ１０の信号から得られるモータ回転速度Ｎと経過時間ｔだけであり、しかも積分処理を必要としないので、演算処理が簡単に済むという利点がある。
また、蓄積消費エネルギーは１次遅れの減衰関数としているが、他の関数に置換えることも可能である。
【００４７】
次に、図５は、以上の演算をモータの最高回転速度Ｎmax からＤＢ動作を開始した場合のＤＢ動作回数と蓄積消費エネルギーの関係を示した図で、この図５から明らかなように、上記実施形態によれば、ＤＢ動作が頻繁に繰り返された場合でも、例えば図示のｔC ＝９０(Ｓ)の特性の場合のように、ＤＢ動作の状況によってはＤＢ過負荷異常とならない場合を正確に判定できることになる。
【００４８】
そして、この結果、この実施形態によれば、確実なＤＢ回路の保護を確保した上で、ＤＢ動作が禁止されてしまう状況の発現を最小限に抑え、緊急異常停止による安全性の確保を充分に得ることができることになり、信頼性の高いダイナミックブレーキ回路保護装置を容易に提供することができる。
【００４９】
なお、上記実施形態の場合、図１から明らかなように、電流検出回路４によりインバータ回路１の電流を検出しているので、仮に蓄積消費エネルギーによる機械的疲労などによりＤＢ回路が短絡状態になった場合でも、制御回路３によりインバータ回路１の動作(スイッチング動作)を停止させることができ、従って、この場合でも、サーボモータ制御装置の保護に問題が生じる虞れはない。
【００５０】
【発明の効果】
本発明によれば、ＤＢ動作中にＤＢ回路で消費された蓄積エネルギーが容易に算出できるので、ＤＢ回路に専用検出器を新たに追加することなく保護動作を的確に実行でき、この結果、コストアップ及び寸法増大に影響を及ぼさないで、過負荷によるＤＢ回路の破壊などを未然に防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるダイナミックブレーキ回路保護装置の一実施形態が適用されたサーボモータ駆動装置の構成図である。
【図２】本発明の一実施形態の動作を説明するためのフローチャートである。
【図３】本発明の一実施形態におけるＤＢ過負荷異常検出処理の詳細を示すフローチャートである。
【図４】本発明の一実施形態による動作例を示す説明図である。
【図５】本発明の一実施形態におけるＤＢ動作回数と蓄積消費エネルギーの関係を示す説明図である。
【符号の説明】
１  インバータ回路
２  ベースドライブ回路
３  制御回路
４  電流検出器
５  リレー駆動用のトランジスタ
６  ＤＢ抵抗(ＤＢ回路)
７  リレーの接点
８リレーのコイル
９  サーボモータ
１０  エンコーダ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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