Brake drive controlling device for quickly changing state of brake from released state to fastened state

本発明は、モータによって重力軸方向に駆動される被駆動体を制動するブレーキに流れるブレーキ駆動電流を停止することによってブレーキの状態を解放状態から締結状態に変更するために、コンバータを介して交流電源に接続したＤＣリンク部に蓄積されている電力でブレーキを駆動制御するブレーキ駆動制御装置に関する。

重力軸を有する産業用ロボット等において、アーム等の被駆動体がモータの停止時に落下するのを防止するために、被駆動体を制動するブレーキを駆動制御するブレーキ駆動制御装置が用いられる。

このようなブレーキ駆動制御装置において、コンバータを介して交流電源に接続したＤＣリンク部に蓄積されている電力でブレーキを駆動制御するブレーキ駆動制御装置が提案されている（例えば、特許文献１）。

しかしながら、コンバータを介して交流電源に接続したＤＣリンク部に蓄積されている電力でブレーキを駆動制御するブレーキ駆動制御装置を用いる場合、ブレーキに蓄積されたエネルギーの影響とモータの加減速等に起因するＤＣリンク部の電圧の変動によるブレーキの両端間の電圧の変動の影響の少なくとも一方により、ブレーキの状態を解放状態から締結状態に迅速に変更できない場合がある。

本発明の目的は、ブレーキの状態を解放状態から締結状態に迅速に変更することができるブレーキ駆動制御装置を提供することである。

本発明によるブレーキ駆動制御装置は、モータによって重力軸方向に駆動される被駆動体を制動するブレーキに流れるブレーキ駆動電流を停止することによってブレーキの状態を解放状態から締結状態に変更するために、コンバータを介して交流電源に接続したＤＣリンク部に蓄積されている電力でブレーキを駆動制御するブレーキ駆動制御装置であって、ブレーキの一端に接続され、ブレーキにブレーキ駆動電流を流すために、スイッチ指令が入力されることによってオフ状態からオン状態に切り替わる第１のスイッチング素子と、ブレーキの他端に接続され、ブレーキにブレーキ駆動電流を流すために、スイッチ指令が入力されることによってオフ状態からオン状態に切り替わる第２のスイッチング素子と、第１のスイッチング素子と第２のスイッチング素子のうちの少なくとも一方がオン状態のときにブレーキに蓄積されたエネルギーを、第１のスイッチング素子及び第２のスイッチング素子がオフ状態のときにＤＣリンク部に戻すために、一端がブレーキの他端に接続されるとともに他端がＤＣリンク部の一端に接続された第１の整流素子と、第１のスイッチング素子と第２のスイッチング素子のうちの少なくとも一方がオン状態のときにブレーキに蓄積されたエネルギーを、第１のスイッチング素子及び第２のスイッチング素子がオフ状態のときにＤＣリンク部に戻すために、一端がＤＣリンク部の他端に接続されるとともに他端がブレーキの一端に接続された第２の整流素子と、を有することを特徴とする。

好適には、ブレーキに印加されているブレーキ電圧を検出する電圧検出部と、ブレーキ電圧がＤＣリンク部の電圧の変動に応じて変動しないようにブレーキ電圧を制御する電圧制御部と、を更に有する。

好適には、ブレーキの逆起電力と当該ブレーキに並列に接続された少なくとも一つの他のブレーキの逆起電力との間の違いによるブレーキ間のエネルギーの流れを防止する第３の整流素子を更に有する。

本発明によれば、ブレーキの状態を解放状態から締結状態に迅速に変更することができる。

本発明によるブレーキ駆動制御装置を適用したシステムのブロック図である。

図１の電圧制御部の動作を説明するための図である。

本発明によるブレーキ駆動制御装置の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明によるブレーキ駆動制御装置を適用したシステムのブロック図である。 図１に示すシステムは、産業用ロボットにおいて使用され、交流電源としての三相交流電源１と、コンバータ２と、ＤＣリンク部としての平滑用コンデンサ３と、インバータ４，４'と、産業用ロボット５に含まれる重力軸用サーボモータ６，６'、ブレーキ７，７'及び回転位置検出器８，８'と、インバータ制御装置９，９'と、ブレーキ駆動制御装置１０と、ロボットコントローラ１１と、を有する。

コンバータ２は、例えば、複数（３相交流の場合は６個）の整流ダイオードによって構成され、三相交流電源１から供給される交流電力を直流電力に変換する。 平滑用コンデンサ３は、コンバータ２の整流ダイオードによって整流された電圧を平滑化するためにコンバータ２に並列に接続される。 インバータ４は、平滑用コンデンサ３に並列に接続され、例えば、複数（３相交流の場合は６個）のトランジスタによって構成され、後に説明するＰＷＭ信号Ｖ _PWMに基づいてトランジスタのオンオフ動作を行うことによって、コンバータ２によって変換された直流電力を交流電力に変換する。 インバータ４'は、平滑用コンデンサ３に並列に接続され、例えば、複数（３相交流の場合は６個）のトランジスタによって構成され、後に説明するＰＷＭ信号Ｖ _PWM 'に基づいてトランジスタのオンオフ動作を行うことによって、コンバータ２によって変換された直流電力を交流電力に変換する。

産業用ロボット５は、明瞭のために図示しない複数のアームを有する。 重力軸用サーボモータ６は、産業用ロボット５の複数のアームのうちの一つのアームを重力軸方向（Ｚ軸方向）に駆動するために、平滑用コンデンサ３に蓄積されている電力で駆動される。 重力軸用サーボモータ６'は、産業用ロボット５の複数のアームのうちの重力軸要サーボモータ６によって駆動される一つのアーム以外の一つのアームを重力軸方向（Ｚ軸方向）に駆動するために、平滑用コンデンサ３に蓄積されている電力で駆動される。

ブレーキ７は、重力軸用サーボモータ６の駆動時に対応するアームを重力軸方向に駆動するためにブレーキ駆動電流を流すことによって、ブレーキ７の状態を締結状態から解放状態に変更する。 また、ブレーキ７は、重力軸用サーボモータ６の停止時に対応するアームを制動して対応するアームの落下を防止するためにブレーキ７に流れているブレーキ駆動電流を停止することによって、ブレーキ７の状態を解放状態から締結状態に変更する。 このために、ブレーキ７は、ブレーキ駆動電流を流すブレーキコイル７ａを有する。

ブレーキ７'は、重力軸用サーボモータ６'の駆動時に対応するアームを重力軸方向に駆動するためにブレーキ駆動電流を流すことによって、ブレーキ７'の状態を締結状態から解放状態に変更する。 また、ブレーキ７'は、重力軸用サーボモータ６'の停止時に対応するアームを制動して対応するアームの落下を防止するためにブレーキ７'に流れているブレーキ駆動電流を停止することによって、ブレーキ７'の状態を解放状態から締結状態に変更する。 このために、ブレーキ７'は、ブレーキ駆動電流を流すブレーキコイル７ａ'を有する。

回転位置検出器８は、重力軸用サーボモータ６の回転角度θをモータの位置又は速度として検出するロータリーエンコーダによって構成される。 回転位置検出器８'は、重力軸用サーボモータ６'の回転角度θ'をモータの位置又は速度として検出するロータリーエンコーダによって構成される。

インバータ制御装置９は、インバータ４を制御するために、インバータ４の出力線に設けられた電流検出器４Ｕ，４Ｖ，４Ｗによって検出した三相のＵ相電流Ｉ _U ，Ｖ相電流Ｉ _V及びＷ相電流Ｉ _Wの電流値を、重力軸用サーボモータ６の電流値データとしてサンプリングし、回転角度θをモータの位置又は速度データとしてそれぞれサンプリングする。

そして、インバータ制御装置９は、重力軸用サーボモータ６を駆動するためのＰＷＭ信号Ｖ _PWMを、サンプリングした電流値データ及びモータの位置又は速度データと、明瞭のために図示しない上位制御装置からのモータの位置又は速度指令データとに基づいて生成する。

インバータ制御装置９'は、インバータ４'を制御するために、インバータ４'の出力線に設けられた電流検出器４Ｕ'，４Ｖ'，４Ｗ'によって検出した三相のＵ相電流Ｉ _U '，Ｖ相電流Ｉ _V '及びＷ相電流Ｉ _W 'の電流値を、重力軸用サーボモータ６'の電流値データとしてサンプリングし、回転角度θ'をモータの位置又は速度データとしてそれぞれサンプリングする。

そして、インバータ制御装置９'は、重力軸用サーボモータ６'を駆動するためのＰＷＭ信号Ｖ _PWM 'を、サンプリングした電流値データ及びモータの位置又は速度データと、明瞭のために図示しない上位制御装置からのモータの位置又は速度指令データとに基づいて生成する。

ここで、電流検出器４Ｕ，４Ｕ'，４Ｖ，４Ｖ'，４Ｗ、４Ｗ'はそれぞれ、例えばホール素子によって構成され、図示しない上位制御装置は、例えば、ＣＮＣ（数値制御装置）によって構成される。

ブレーキ駆動制御装置１０は、ブレーキコイル７ａ，７ａ'にブレーキ駆動電流を流すことによってブレーキ７，７'の状態を締結状態から解放状態に変更し又はブレーキコイル７ａ，７ａ'に流れるブレーキ駆動電流を停止することによってブレーキ７，７'の状態を解放状態から締結状態に変更するために、ブレーキ７，７'を駆動制御する。 このために、ブレーキ駆動制御装置１０は、第１のスイッチング素子としてのＮＰＮ型トランジスタ２１と、第２のスイッチング素子としてのＮＰＮ型トランジスタ２２と、第１の整流素子としてのダイオード２３と、第２の整流素子としてのダイオード２４と、電圧検出部２５と、電圧制御部２６と、第３の整流素子としてのダイオード２７，２８と、を有する。

ＮＰＮ型トランジスタ２１は、ブレーキコイル７ａ，７ａ'にブレーキ駆動電流を流すためのスイッチ指令Ｓがロボットコントローラ１１から直接入力されるベースと、第１の電位（この場合、電源電圧）の接続点Ａに接続されたコレクタと、ブレーキコイル７ａ，７ａ'の一端に接続されたエミッタと、を有する。 したがって、ＮＰＮ型トランジスタ２１は、スイッチ指令ＳがＮＰＮ型トランジスタ２１のベースに入力されることによってオフ状態からオン状態に切り替わる。

ＮＰＮ型トランジスタ２２は、ブレーキコイル７ａ，７ａ'にブレーキ駆動電流を流すためのスイッチ指令Ｓが電圧制御部２６を介してロボットコントローラ１１から入力されるベースと、ブレーキコイル７ａ，７ａ'の他端に接続されたコレクタと、第２の電位（この場合、０Ｖ）の接続点Ｂに接続したエミッタと、を有する。 したがって、ＮＰＮ型トランジスタ２２は、スイッチ指令ＳがＮＰＮ型トランジスタ２２のベースに入力されることによってオフ状態からオン状態に切り替わる。

ダイオード２３は、ブレーキコイル７ａ，７ａ'の他端に接続されたアノード及び平滑用コンデンサ３の一端（＋側）に接続したカソードを有する。 ダイオード２４は、平滑用コンデンサ３の他端（−側）に接続したアノード及びブレーキコイル７ａ，７ａ'の一端に接続されたカソードを有する。

本実施の形態によれば、ダイオード２３，２４を設けることによって、ＮＰＮ型トランジスタ２１とＮＰＮ型トランジスタ２２のうちの少なくとも一方がオン状態のときにブレーキコイル７ａ，７ａ'に蓄積されたエネルギーは、ＮＰＮ型トランジスタ２１，２２がオフ状態のときに平滑用コンデンサ３に戻される。 したがって、ブレーキ７，７'の状態を解放状態から締結状態に変更する際にブレーキコイル７ａ，７ａ'に蓄積されたエネルギーの影響が軽減され、ブレーキ７，７'の状態を解放状態から締結状態に迅速に変更できるようになる。 また、ブレーキコイル７ａ，７ａ'に蓄積されたエネルギーが平滑用コンデンサ３に戻されるので、消費電力を低減することができる。

電圧検出部２５は、ブレーキコイル７ａ，７ａ'に印加されているブレーキ電圧を検出する。 このために、電圧検出部２５は、ブレーキコイル７ａ，７ａ'の一端に接続された非反転入力部、ブレーキコイル７ａ，７ａ'の他端に接続された反転入力部及び電圧制御部２６に接続された出力部を有するオペアンプ２５ａを有する。

電圧制御部２６は、ブレーキ電圧が平滑用コンデンサ３の電圧の変動に応じて変動しないようにブレーキ電圧を制御する。 このために、電圧制御部２６は、ＲＣフィルタ２６ａ、三角波発振器２６ｂ及びコンパレータ２６ｃを有する。

ＲＣフィルタ２６ａは、一端がオペアンプ２５ａの出力部に接続された抵抗２６ａ'と、一端が抵抗２６ａ'の他端に接続されるとともに他端が基準電位に接続されたコンデンサ２６ａ”と、を有する。

三角波発振器２６ｂは、スイッチ指令Ｓが入力される入力部と、スイッチ指令Ｓに基づいて生成される三角波を出力する出力部と、を有する。 コンパレータ２６ｃは、抵抗２６ａ'の他端及びコンデンサ２６ａ”の一端に接続された反転入力部と、三角波発振器２６ｂの出力部に接続された非反転入力部と、ＮＰＮ型トランジスタ２４のゲートに接続された出力部と、を有する。

図２は、図１の電圧制御部の動作を説明するための図である。 平滑用コンデンサ３の電圧がＶ１である時間ｔ１においてロボットコントローラ１１がスイッチ指令Ｓを出力すると、三角波発振器２６ｂの入力部の電位は、時間ｔ１でロー（Ｌ）レベルからハイ（Ｈ）レベルに切り替わり、オペアンプ２５ａの出力部は、平滑用コンデンサ３の電圧がＶ１に維持される時間ｔ１から時間ｔ２の間に幅Ｗ１及び振幅Ａ１のパルスを間欠的に生成し、コンパレータ２６ｃの出力部は、平滑用コンデンサ３の電圧がＶ１に維持される時間ｔ１から時間ｔ２の間に幅Ｗ１'及び振幅Ａ１'のパルスを間欠的に生成する。

ロボットコントローラ１１がスイッチ指令Ｓを出力している間に時間ｔ２（ｔ２＞ｔ１）から時間ｔ３（ｔ３＞ｔ２）に亘って平滑用コンデンサ３の電圧がＶ１からＶ２に変動すると、オペアンプ２５ａの出力部は、幅Ｗ２（Ｗ２＜Ｗ１）及び振幅Ａ２（Ａ２＞Ａ１）のパルスを間欠的に生成し、コンパレータ２６ｃの出力部は、幅Ｗ２'（Ｗ２'＜Ｗ１'）及び振幅Ａ２'（Ａ２'＞Ａ１'）のパルスを間欠的に生成する。

ロボットコントローラ１１がスイッチ指令Ｓを出力している間に平滑用コンデンサの電圧がＶ２に維持される時間ｔ３以降では、オペアンプ２５ａの出力部は、幅Ｗ３（Ｗ３＜Ｗ２）及び振幅Ａ３（Ａ３＞Ａ２）のパルスを間欠的に生成し、コンパレータ２６ｃの出力部は、幅Ｗ３'（Ｗ３'＜Ｗ２'）及び振幅Ａ３'（Ａ３'＞Ａ２'）のパルスを間欠的に生成する。

ブレーキ駆動制御装置１０が電圧検出部２５及び電圧制御部２６を有しない場合、ブレーキコイル７ａ又はブレーキコイル７ａ'の両端間の電圧（ブレーキ電圧）は、平滑用コンデンサ３の電圧の変動に応じて変動する。 それに対し、ブレーキ駆動制御装置１０が電圧検出部２５及び電圧制御部２６を有する場合、図２に示すように、最初のパルスの立下りエッジの出現以降の（ブレーキ電圧に対応する）コンパレータ２６ｃの反転入力部の電位は、電位Ｅ１と電位Ｅ２（Ｅ２＞Ｅ１）の間で線形的に遷移する。 このようなコンパレータ２６ｃの反転入力部の電位の線形的な遷移は、平滑用コンデンサ３の電圧が電圧Ｖ１から電圧Ｖ２に変動してもブレーキ電圧が変動しないことを意味する。 したがって、電圧検出部２５及び電圧制御部２６によって、ブレーキ７，７'の状態を解放状態から締結状態に変更する際に平滑用コンデンサ３の電圧の変動によるブレーキ電圧の変動の影響が軽減され、ブレーキ７，７'の状態を解放状態から締結状態に迅速に変更できるようになる。

ダイオード２７，２８は、ブレーキコイル７ａの逆起電力とブレーキコイル７ａ'の逆起電力との間の違いによるブレーキコイル７ａとブレーキコイル７ａ'との間のエネルギーの流れを防止する。 したがって、ブレーキコイル７ａの逆起電力がブレーキコイル７ａ'の逆起電力と異なる場合でも、ＮＰＮ型トランジスタ２１とＮＰＮ型トランジスタ２２のうちの少なくとも一方がオン状態のときにブレーキコイル７ａ，７ａ'に蓄積されたエネルギーを、ＮＰＮ型トランジスタ２１，２２がオフ状態のときに平滑用コンデンサ３に戻すことができる。

本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、幾多の変更及び変形が可能である。 例えば、本発明によるブレーキ駆動制御装置を、工作機械等において重力軸用サーボモータ等を用いるシステムに適用することができる。

また、上記実施の形態において、交流電源として三相交流電源１を用いたが、三相以外の多相交流電源を交流電源として用いることもできる。 また、回転角度検出器８を、ロータリーエンコーダ以外の部品（例えば、ホール素子又はレゾルバ）によって構成することができる。 また、Ｕ相電流、Ｖ相電流及びＷ相電流の全てを検出する代わりに、Ｕ相電流、Ｖ相電流及びＷ相電流のうちの２相の電流（例えば、Ｕ相電流及びＶ相電流）のみを検出してもよい。

上記実施の形態において、第１のスイッチング素子及び第２のスイッチング素子としてＮＰＮ型トランジスタを用いる場合について説明したが、第１のスイッチング素子及び第２のスイッチング素子として、ＰＮＰ型トランジスタ、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）、リレー等を用いることができる。

また、上記実施の形態において、電圧検出部２５がオペアンプ２５ａを有する場合について説明したが、電圧検出部２５をフォトカプラ等によって構成することもできる。 また、上記実施の形態において、電圧検出部２５及び電圧制御部２６とダイオード２７，２８のうちの少なくとも一方を省略することもできる。 さらに、上記実施の形態において、二つのブレーキ６，６'を駆動制御する場合について説明したが、一つ又は三つ以上のブレーキを駆動制御する場合についても本発明を適用することができる。

１ 三相交流電源 ２ コンバータ ３ 平滑用コンデンサ ４，４' インバータ ４Ｕ，４Ｖ，４Ｗ，４Ｕ'，４Ｖ'，４Ｗ' 電流検出器 ５ 産業用ロボット ６，６' 重力軸用サーボモータ ７，７' ブレーキ ７ａ，７ａ' ブレーキコイル ８，８' 回転位置検出器 ９，９' インバータ制御装置 １０ モータ駆動制御装置 １１ ロボットコントローラ ２１，２２ ＮＰＮ型トランジスタ ２３，２４，２７，２８ ダイオード ２５ 電圧検出部 ２５ａ オペアンプ ２６ 電圧制御部 ２６ａ ＲＣフィルタ ２６ａ' 抵抗 ２６ａ” コンデンサ ２６ｂ 三角波発振器 ２６ｃ コンパレータ Ａ，Ｂ 接続点 Ｉ _U ，Ｉ _U ' Ｕ相電流 Ｉ _V ，Ｉ _V ' Ｖ相電流 Ｉ _W ，Ｉ _W ' Ｗ相電流 Ｓ スイッチ指令 Ｖ _PWM ，Ｖ _PWM ' ＰＷＭ信号 θ，θ' 回転角度