JP2014034097A - ロボットコントローラ - Google Patents
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Abstract
【課題】ロボットの動作を緊急停止する際、インバータ装置に対する電源供給を速やかに停止しつつ、直流電源装置からインバータ装置に至る電源供給経路に介在する接点の寿命低下を抑制する。
【解決手段】直流電源装置22は、交流電源21から与えられる交流を整流する整流回路27、整流回路27の出力を平滑する平滑コンデンサC1および平滑コンデンサC1に対して並列に接続されたブリーダ抵抗R1を備えている。制御部26は、ロボット2の動作を緊急停止する緊急停止動作を開始すると、モータM1〜M4の駆動を停止させるとともに、平滑コンデンサC1の端子間電圧の変化率を求める。制御部26は、端子間電圧の変化率が閾値以上である間は直流電源装置22からインバータ装置23a〜23dに至る電源供給経路に介在するリレー33の接点33a、33bを閉鎖状態に維持し、変化率が閾値未満になると接点33a、33bを開放する。
【選択図】図2
【解決手段】直流電源装置22は、交流電源21から与えられる交流を整流する整流回路27、整流回路27の出力を平滑する平滑コンデンサC1および平滑コンデンサC1に対して並列に接続されたブリーダ抵抗R1を備えている。制御部26は、ロボット2の動作を緊急停止する緊急停止動作を開始すると、モータM1〜M4の駆動を停止させるとともに、平滑コンデンサC1の端子間電圧の変化率を求める。制御部26は、端子間電圧の変化率が閾値以上である間は直流電源装置22からインバータ装置23a〜23dに至る電源供給経路に介在するリレー33の接点33a、33bを閉鎖状態に維持し、変化率が閾値未満になると接点33a、33bを開放する。
【選択図】図2
Description
本発明は、直流電源装置からインバータ装置に至る電源供給経路に介在する接点を開閉する開閉手段を備えたロボットコントローラに関する。
ロボットコントローラは、外部の交流電源から与えられる交流を整流し、内部の各装置に直流を供給する直流電源装置を備えている。その直流電源装置には、整流回路と平滑コンデンサからなる直流電源回路を2系統備えているものがある。この場合、一方の直流電源回路の出力は、ロボットの各軸を駆動するための複数のモータを駆動するインバータ装置などのパワー系に与えられ、他方の直流電源回路の出力は、ロボットコントローラ内部のマイクロコンピュータなどの制御系に与えられるようになっている。そして、パワー系電源回路の交流入力ラインにリレーを備え、その交流入力ラインを遮断するように構成されている。これにより、制御系の直流電源を遮断することなく、パワー系の直流電源のみを遮断できるようにしている。
このような構成によれば、例えばロボットが誤動作した場合、使用者による非常停止スイッチの操作などに応じて、ロボットコントローラは、モータの駆動を停止させつつ、交流入力ラインのリレーを開放してパワー系への電源供給を停止させることにより、ロボットの動作を確実に停止させることが可能となっている。
上記従来構成では、2つの直流電源回路を設ける必要があるため、装置の製造コストが高くなるという問題があった。そこで、直流電源回路を1つにし、その直流出力ラインにおいて、パワー系出力用と制御系出力用とに分岐させる構成が考えられる。この場合、分岐後のパワー系出力用の直流出力ラインにリレーを設けることにより、制御系への直流出力を遮断することなく、パワー系への直流出力のみを遮断できる。
しかしながら、このように直流ラインにリレーを設けると、交流ラインにリレーを設けた場合には存在しなかった以下のような問題が生じる。すなわち、ロボットが誤動作した場合、その動作を確実に且つ迅速に停止させるためにはパワー系への電源供給を速やかに停止させなければならない。そのため、モータへの通電を停止させると同時あるいはその直後にリレーを開放させる必要がある。しかし、モータへの通電を停止させると、パワー系への直流出力ラインにモータからの回生電流が流れ、その回生電流が流れている状態でリレーの接点を開放させることになる。その結果、リレーの接点にアークが発生し、リレーの寿命が低下してしまうという問題があった。
このような問題を解消するため、モータの駆動を停止した時点から所定の遅延時間だけ遅らせてリレーの開放動作を実行するといった方法を採用することが考えられる(例えば、特許文献1参照)。
上述したリレーの開放動作を単純に所定の遅延時間だけ遅らせるという方法では、その遅延時間の設定が非常に難しくなる。すなわち、遅延時間が短すぎると、回生電流が流れた状態で接点を開放してしまう可能性が高まり、リレーの接点寿命の低下を確実に防止できなくなるおそれがある。一方、遅延時間が長すぎると、リレーの接点が開放されるまでの時間がむやみに長くなり、パワー系への電源供給を速やかに停止できなくなるおそれがある。さらに、ロボットの場合、複数の軸を駆動するモータのうち、いずれのモータが駆動されるのかは、ロボットの動作状態に応じて刻一刻と変化する。そのため、ロボットを緊急停止する際に駆動されていたモータの数、その容量などの各条件により、モータの停止後に発生する回生電力(回生エネルギー)の大きさ、つまり回生電流が流れる期間の長さが変化する。そうすると、一定の遅延時間を設定するだけでは、相反する2つの目的(接点寿命の低下抑制、接点の迅速な開放)をクリアすることが、非常に困難になる。
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、ロボットの動作を緊急停止する際、インバータ装置に対する電源供給を速やかに停止しつつ、直流電源装置からインバータ装置に至る電源供給経路に介在する接点の寿命低下を抑制することができるロボットコントローラを提供することにある。
請求項1に記載の手段によれば、直流電源装置は、交流電源から与えられる交流電圧を整流および平滑した直流電圧を出力する。制御装置は、その直流電圧の供給を受けて動作するインバータ装置を制御し、ロボットの各軸を駆動するためのモータの駆動を制御する。また、制御装置は、直流電源装置からインバータ装置に至る電源供給経路に介在する接点を開閉する開閉手段の動作を制御する。このような構成によれば、例えばロボットが誤動作した場合、制御装置は、インバータ装置を制御してモータの駆動を停止させつつ、開閉手段の開放動作を行い、インバータ装置への電源供給経路を遮断することでロボットの動作を確実に停止させることが可能となる。
しかし、モータの駆動を停止すると回生電力が発生し、モータからインバータ装置を介して直流電源装置へと回生電流が流れる。すなわち、モータの駆動停止後、電源供給経路および開閉手段の接点に回生電流が流れることになり、このような状態で接点を開放すると、アークが発生して接点の寿命が低下するおそれがある。回生電流は、モータの回転速度の低下などに伴って減少する。そのため、制御装置による接点の開放動作を十分に遅延すれば、上記寿命低下の問題は解決可能である。ただし、従来技術の欄でも述べたように、安全性を考慮すると、出来る限り迅速に接点を開放することが望ましい。このようなことから、ロボットの動作を緊急停止する際において、接点を開放するタイミングの設定が非常に重要となる。
さて、上述したようにしてモータの駆動が停止されると、直流電源装置の平滑コンデンサの端子間電圧が次のように変化する。すなわち、平滑コンデンサは、回生電流が流れている期間、その回生電流により充電され、その端子間電圧が上昇する。このときの端子間電圧の上昇の具合(変化率)は、発生する回生電力の大きさにもよるが比較的急峻なものとなる。このような端子間電圧の変化(上昇)は、回生電流が流れなくなるまで継続する。回生電流が流れなくなると、平滑コンデンサは、並列接続されたブリーダ抵抗を介して放電され、その端子間電圧が低下に転じる。このときの端子間電圧の低下の具合(変化率)は、回生電流に起因した端子間電圧の上昇の具合に比べ、非常に緩やかなものとなる。
この理由は、次のとおりである。すなわち、ブリーダ抵抗として抵抗値の小さいものを用いると、定常動作時において多大な電力損失が生じるため、通常、ブリーダ抵抗には抵抗値の大きいものが用いられる。平滑コンデンサの放電時間は、その静電容量およびブリーダ抵抗の抵抗値により定まる時定数に依存する。このようなことから、ブリーダ抵抗を介した放電による端子間電圧の低下は、非常に緩やかなものとなるのが一般的である。
このような点を考慮し、本手段では、平滑コンデンサの端子間電圧の変化に基づいて回生電流の有無を判断することで、回生電力の発生が収まった後、速やかに開閉手段の接点を開放することを可能にしている。すなわち、制御装置は、ロボットの動作を緊急停止する緊急停止動作を開始すると、モータの駆動を停止させるとともに、平滑コンデンサの端子間電圧を検出する電圧検出手段の検出値から、上記端子間電圧の変化率を求める。
前述した理由から、モータの駆動停止後に端子間電圧の変化率が大きい期間は、回生電流が流れている期間であると考えられる。従って、制御装置は、端子間電圧の変化率が所定の閾値以上である間は開閉手段の接点を閉鎖状態に維持する。これにより、回生電流が流れている期間に接点が開放されることが防止される。また、モータの駆動停止後に端子間電圧の変化率が小さい期間は、回生電流が流れていない期間であると考えられる。従って、制御装置は、端子間電圧の変化率が閾値未満になると、開閉手段の接点を開放する。これにより、回生電流が収まると速やかに接点が開放されることになる。
ロボットが緊急停止される際、駆動されていたモータの数、その容量(モータサイズ)などの各条件により発生する回生電力の大きさは変化する。しかし、各モータからの回生電流は、いずれも同一の直流電源装置の平滑コンデンサに流れる。従って、上記各条件がどのように変化した場合でも、その平滑コンデンサの端子間電圧の変化率を確認することで、回生電流の有無を判断することが可能となる。そのため、緊急停止する時点で駆動されていたモータの数やモータサイズが互いに異なる様々な条件のいずれにおいても、接点を開放するタイミング(遅延時間)を常に最適にすることができる。すなわち、本手段によれば、刻一刻と変化するロボットの動作状態に応じて、緊急停止時における接点の開放タイミングが最適化される。このように、本手段によれば、ロボットが緊急停止される際に駆動されていたモータの数や容量などの各条件に関係なく、緊急停止時においてインバータ装置に対する電源供給を速やかに停止しつつ、直流電源装置からインバータ装置に至る電源供給経路に介在する接点の寿命低下を抑制することができる。
また、上記したとおり、回生電流に起因した平滑コンデンサの端子間電圧の上昇具合は、ブリーダ抵抗を介した放電による端子間電圧の低下具合に比べると、非常に大きくなることが一般的である。そのため、平滑コンデンサの端子間電圧の変化率に基づいて回生電流の有無を判断するための上記閾値の設定に、かなりの余裕が生まれることになる。つまり、詳細な調整作業などを行うことなく、閾値の設定を容易に実施することが可能になる。従って、本手段によれば、装置を生産する際の製造工程における作業性が向上する。
以下、本発明の一実施形態について図面を参照しながら説明する。
図1は、一般的な産業用ロボットのシステム構成を示している。図1に示すロボットシステム1は、ロボット2、ロボット2を制御するロボットコントローラ3およびロボットコントローラ3に接続されたティーチングペンダント4を備えている。
図1は、一般的な産業用ロボットのシステム構成を示している。図1に示すロボットシステム1は、ロボット2、ロボット2を制御するロボットコントローラ3およびロボットコントローラ3に接続されたティーチングペンダント4を備えている。
ロボット2は、例えば4軸の水平多関節型ロボットとして構成されている。ロボット2は、設置面に固定されるベース5と、ベース5上に垂直軸(第1軸J1)を中心に旋回可能に連結された第1のアーム6と、第1のアーム6の先端部上に垂直軸(第2軸J2)を中心に旋回可能に連結された第2のアーム7と、第2のアーム7の先端部に上下動可能で且つ回転可能に設けられたシャフト8とから構成されている。なお、シャフト8を上下動させる際の軸が第3軸J3に相当し、回転させる際の軸が第4軸J4に相当する。シャフト8の先端部(下端部)には、フランジ9が位置決めされて着脱可能に取り付けられる。
ベース5、第1のアーム6、第2のアーム7、シャフト8およびフランジ9は、ロボット2のアームとして機能し、アーム先端であるフランジ9には、図示はしないが、エンドエフェクタ(手先)が取り付けられる。ロボット2に設けられる複数の軸J1〜J4は、それぞれに対応して設けられるモータ(図2に符号M1〜M4を付して示す)により駆動される。モータM1〜M4の近傍には、それぞれの回転軸の回転角度を検出するための位置検出器(図示せず)が設けられている。モータM1〜M4の容量は、下記(1)式に示すような関係となっている。ただし、モータM1〜M4の容量をそのままM1〜M4で示している。
M1>M2>M3>M4 …(1)
M1>M2>M3>M4 …(1)
上記(1)式に示すように、モータM1〜M4は、ベース5に近い側の軸を駆動するものほど容量が大きく、手先に近い側の軸を駆動するものほど容量が小さくなっている。本実施形態では、第1軸J1を駆動するモータM1の容量は1000W、第2軸J2を駆動するモータM2の容量は750W、第3軸J3を駆動するモータM3の容量は200W、第4軸J4を駆動するモータM4の容量は100Wとなっている。
ティーチングペンダント4は、例えば使用者が携帯あるいは手に所持して操作可能な程度の大きさで、例えば薄型の略矩形箱状に形成されている。ティーチングペンダント4は、表面部の中央部に例えば液晶ディスプレイからなる表示部10を有している。表示部10には、各種の画面が表示される。表示部10は、タッチパネルで構成されている。またティーチングペンダント4には、表示部10の周囲に各種のキースイッチ11が設けられており、使用者は、キースイッチ11や上記タッチパネルに設けられるタッチスイッチによって種々の入力操作を行う。キースイッチ11または上記タッチスイッチには、後述する緊急停止動作の実行を指示する非常停止スイッチが含まれている。
ティーチングペンダント4は、ケーブルを経由してロボットコントローラ3に接続され、通信インターフェイスを経由してロボットコントローラ3との間で高速のデータ転送を実行するようになっており、キースイッチ11等の操作により入力された操作信号等の情報はティーチングペンダント4からロボットコントローラ3へ送信される。
図2は、ロボットシステム1の電気構成を概略的に示すブロック図である。ロボット2は、第1軸J1〜第4軸J4をそれぞれ駆動するための4つのモータM1〜M4を備えている。モータM1〜M4は、例えばブラシレスDCモータである。ロボットコントローラ3は、交流電源21より供給される交流を整流および平滑して出力する直流電源装置22、モータM1〜M4をそれぞれ駆動するインバータ装置23a〜23d、直流電源装置22からインバータ装置23a〜23dへの電源供給経路を開閉する開閉装置24、モータM1〜M4から回生される電力の一部を消費させる回生消費回路25、上記各装置および各回路の制御を行う制御部26を備えている。
直流電源装置22は、整流回路27、平滑コンデンサC1およびブリーダ抵抗R1を備えている。整流回路27は、ダイオードを三相ブリッジ形に接続してなる周知構成のものである。例えば三相200Vの交流電源21のR、S、Tの各相出力は、交流電源線28r、28s、28tを介して整流回路27の交流入力端子に接続されている。整流回路27の直流出力端子は、一対の直流電源線29a、29bに接続されている。直流電源線29a、29b間には、平滑コンデンサC1が接続されている。
平滑コンデンサC1の端子間には、ブリーダ抵抗R1が接続されている。ブリーダ抵抗R1は、モータM1〜M4の駆動が停止された後、平滑コンデンサC1に蓄えられた電荷を放電するために設けられている。なお、本実施形態では、平滑コンデンサC1の静電容量を4000μFとし、ブリーダ抵抗R1の抵抗値を100kΩとしている。
回生消費回路25は、回生用スイッチング素子T1および回生用抵抗R2の直列回路と、駆動回路30とを備えている。上記直列回路は、直流電源線29a、29b間に接続されている。回生用スイッチング素子T1は、例えば、Nチャネル型のMOSトランジスタである。回生用抵抗R2としては、ブリーダ抵抗R1の抵抗値(100kΩ)に比べて極めて小さい抵抗値(例えば20Ω)のものが用いられている。駆動回路30は、制御部26から与えられる指令信号Saに基づいて、回生用スイッチング素子T1をオンまたはオフする。
制御部26(制御装置に相当)は、CPU、ROM、RAM、I/Oなどを備えたマイクロコンピュータを主体として構成されている。制御部26は、電源線31、32から電源電圧Vd1(例えば+5V)の供給を受けて動作する。なお、電源電圧Vd1は、例えば、直流電源線29a、29bにおける直流電圧(以下、バス電圧とも称す)を図示しない電源回路により降圧することにより生成されている。制御部26は、直流電源線29a、29b間のバス電圧、つまり平滑コンデンサC1の端子間電圧の値を検出する機能(電圧検出手段に相当)を備えている。
開閉装置24(開閉手段に相当)は、リレー33、フォトカプラ34および抵抗R3を備えている。リレー33は、接点33a、33bおよびコイル33cを備えている。リレー33は、コイル33cへの通電が行われると接点33a、33bが閉鎖し、コイル33cへの通電が停止されると接点33a、33bが開放するように構成されている。接点33a、33bのそれぞれの一方の端子は直流電源線29a、29bに接続されており、それぞれの他方の端子は直流電源線35a、35bに接続されている。すなわち、リレー33の接点33a、33bは、直流電源装置22からインバータ装置23a〜23dに至る電源供給経路に介在する。
フォトカプラ34の入力側のダイオードD1のカソードには、制御部26から出力される開閉指令信号Scが与えられる。開閉指令信号Scは、Hレベル(+5V)およびLレベル(0V)の2値レベルの信号である。Lレベルの開閉指令信号Scは、接点33a、33bの閉鎖を指令する閉鎖指令信号に相当する。Hレベルの開閉指令信号Scは、接点33a、33bの開放を指令する開放指令信号に相当する。
ダイオードD1のアノードは、抵抗R3を介して電源線31に接続されている。フォトカプラ34の出力側のトランジスタT2のコレクタには、電源線36を介してコイル33cに通電するための駆動電圧Vd2(例えば+24V)が与えられている。なお、駆動電圧Vd2は、電源電圧Vd1と同様に、直流電源線29a、29bにおける直流電圧を図示しない電源回路により降圧して生成されている。
トランジスタT2のエミッタは、コイル33cの一方の端子に接続されている。コイル33cの他方の端子は、電源線32(グランド電位=0V)に接続されている。このような構成により、制御部26からの開閉指令信号Scの電圧レベルの変化に基づいてフォトカプラ34がオンまたはオフされ、コイル33cへの通断電が行われる。
4つのインバータ装置23a〜23dは、いずれも同様の構成であり、直流電源線35a、35b間に6つのスイッチング素子例えばIGBT(図2では2つのみ示す)を三相フルブリッジ接続して構成されたインバータ主回路と、その駆動回路とを備えている。IGBTのコレクタ−エミッタ間には還流ダイオードが接続されている。また、IGBTのゲートには、駆動回路からゲート信号が与えられている。駆動回路は、制御部26から与えられる指令信号Sb1〜Sb4に基づいてゲート信号を出力し各IGBTを駆動する。
制御部26は、各モータM1〜M4の駆動制御に先立って、Lレベルの開閉指令信号Scを出力する。これにより、フォトカプラ34のダイオードD1がオンし、コイル33cの両端子にトランジスタT2を介して駆動電圧Vd2が印加され、コイル33cが通電される。コイル33cが通電されると、接点33a、33bが閉鎖され、直流電源装置22からインバータ装置23a〜23dへの電源供給が開始される。その後、制御部26は、指令信号Sb1〜Sb4を出力して4つのインバータ装置23a〜23dを制御し、4つのモータM1〜M4の駆動を制御する。
制御部26は、モータM1〜M4の駆動を停止させる際、バス電圧の検出値に基づいて回生用スイッチング素子T1をオンまたはオフする。具体的には、制御部26は、バス電圧の検出値が、回生消費電圧値未満であるときには、回生用スイッチング素子T1をオフし、回生消費電圧値以上であるときには回生用スイッチング素子T1をオンする。このような構成により、減速動作時にモータM1〜M4から回生される電流(回生電流)に起因してバス電圧が上昇して回生消費電圧値以上になった場合には回生用抵抗R2に電流が流れる。これにより、回生電流(回生エネルギー)の一部が熱エネルギーとして放出され、バス電圧が回生消費電圧値未満となるようにその電圧上昇が抑えられる。
なお、回生消費電圧値は、バス電圧が、直流電源線29a、29b間または直流電源線35a、35b間に接続される各回路素子(インバータ装置23a〜23dのスイッチング素子、直流電源装置22の平滑コンデンサC1など)の定格を超えて上昇しないような値に設定すればよい。また、回生用スイッチング素子T1のオン/オフ動作にヒステリシスを持たせてもよい。
制御部26には、ティーチングペンダント4に設けられた非常停止スイッチ(図示せず)からの非常停止信号が入力されるようになっている。上記非常停止スイッチは、ロボット2の誤動作などの異常が発生した場合に使用者により操作されるものである。制御部26は、モータM1〜M4の駆動中に、非常停止信号が入力された場合には、モータM1〜M4の駆動を直ちに停止させつつ、接点33a、33bの開放動作を行い、インバータ装置23a〜23dへの電源供給経路を遮断することでロボット2の動作を確実に停止させる(緊急停止動作)。
しかし、モータM1〜M4の駆動を停止すると回生電力(回生エネルギー)が発生し、モータM1〜M4からインバータ装置23a〜23dを介して直流電源装置22へと回生電流が流れる。すなわち、モータM1〜M4の駆動停止後、電源供給経路およびリレー33の接点33a、33bに回生電流が流れることになり、このような状態で接点33a、33bを開放すると、アークが発生して接点33a、33bの寿命が低下するおそれがある。回生電流は、モータM1〜M4の回転速度の低下、回生消費回路25の動作などに伴って減少する。そのため、制御部26による接点33a、33bの開放動作を十分に遅延すれば、接点33a、33bの寿命低下の問題は生じない。しかし、ロボット2の動作を確実に且つ迅速に停止するためには、モータM1〜M4の駆動停止後、出来る限り速やかに接点33a、33bを開放することが望ましい。このようなことから、緊急停止動作においては、接点33a、33bを開放するタイミングの設定が非常に重要となる。
さて、上述したようにしてモータM1〜M4の駆動が停止されると、平滑コンデンサC1の端子間電圧が次のように変化する。すなわち、平滑コンデンサC1は、回生電流が流れている期間、その回生電流により充電され、その端子間電圧が上昇する。このときの端子間電圧の上昇の具合(変化率)は、発生する回生電力の大きさにも関係するものの、比較的急峻なものとなる。このような端子間電圧の変化(上昇)は、回生電流が流れなくなるまで継続する。回生電流が流れなくなると、平滑コンデンサC1は、並列接続されたブリーダ抵抗R1を通じて放電され、その端子間電圧が低下に転じる。このときの端子間電圧の低下の具合(変化率)は、回生電流に起因した端子間電圧の上昇の具合に比べ、非常に緩やかなものとなる。
この理由は、次のとおりである。すなわち、ブリーダ抵抗R1として抵抗値の小さいものを用いると、定常動作時において多大な電力損失が生じることになるため、通常、ブリーダ抵抗R1には抵抗値の大きいものが用いられる。また、平滑コンデンサC1の放電時間は、その静電容量およびブリーダ抵抗R1の抵抗値により定まる時定数に依存する。そのため、比較的大きい抵抗値(例えば、本実施形態では100kΩ)のブリーダ抵抗R1を介した放電による端子間電圧の低下は、非常に緩やかなものとなるのが一般的である。
本実施形態では、このような点に着目した上で、以下のように、平滑コンデンサC1の端子間電圧の変化に基づいて回生電流の有無を判断し、回生電力の発生が収まった後、速やかにリレー33の接点33a、33bを開放することを可能としている。すなわち、制御部26は、モータM1〜M4の駆動中に非常停止信号が入力されると、モータM1〜M4の駆動を停止させるとともに、平滑コンデンサC1の端子間電圧の検出値をモニタする。制御部26は、モニタした検出値から平滑コンデンサC1の端子間電圧の変化率(dv/dt)を求める。変化率の求め方としては、例えば、次のような方法を採用することができる。すなわち、制御部26は、所定周期毎に端子間電圧の検出値を取得する(一時的に記憶する)。制御部26は、今回の周期において取得した検出値と、その1つ前の周期において取得した検出値との差を求める。この差の絶対値が上記変化率に相当する。
前述した理由から、モータM1〜M4の駆動停止後に平滑コンデンサC1の端子間電圧の変化率が大きい期間は、回生電流が流れている期間であると考えられる。従って、制御部26は、モータM1〜M4の駆動停止後に端子間電圧の変化率が所定の閾値以上である間はLレベルの開閉指令信号Scを出力する。これにより、接点33a、33bが閉鎖状態に維持されるので、回生電流が流れている期間に接点33a、33bが開放されることが防止される。また、モータM1〜M4の駆動停止後に端子間電圧の変化率が小さい期間は、回生電流が流れていない期間であると考えられる。従って、制御部26は、モータM1〜M4の駆動停止後に端子間電圧の変化率が閾値未満になると、Hレベルの開閉指令信号Scを出力する。これにより、接点33a、33bが開放されるので、回生電流が収まると直流電源装置22からインバータ装置23a〜23dへの電源供給経路が速やかに遮断される。
次に、本実施形態の作用について図3〜図5も参照しながら説明する。
ロボット2が緊急停止される際、駆動されていたモータM1〜M4の数、それらの合計の容量などの各条件により発生する回生電力の大きさは変化する。そこで、以下では、発生する回生電力が最も大きくなると考えられるケースA、最も小さくなると考えられるケースB、回生電力が中間くらいの値になると考えられるケースCのそれぞれにおける緊急停止動作について説明する。
ロボット2が緊急停止される際、駆動されていたモータM1〜M4の数、それらの合計の容量などの各条件により発生する回生電力の大きさは変化する。そこで、以下では、発生する回生電力が最も大きくなると考えられるケースA、最も小さくなると考えられるケースB、回生電力が中間くらいの値になると考えられるケースCのそれぞれにおける緊急停止動作について説明する。
図3〜図5において、(a)は各軸J1〜J4(各モータM1〜M4)の回転速度、(b)はバス電圧、(c)は電源供給経路に流れる電流(バス電流)、(d)は開閉指令信号Scを示している。ただし、バス電圧およびバス電流については、実際の波形を正確に示すものではなく、あくまでも概略的なものとなっている。
[1]ケースA(全軸動作中に緊急停止動作が実行されるケース)
この場合、全ての軸J1〜J4を動作させるため、全てのモータM1〜M4が駆動される。図3に示すように、モータM1〜M4が加速動作状態となる加速期間(時刻t1〜t2)には、バス電圧は定常値よりも低い値となる。このとき、バス電圧がある程度の値まで低下すると、交流電源21から平滑コンデンサC1に対する充電が行われる。そのため、交流電源21の周期に応じたタイミングでもってバス電圧が上昇および低下を繰り返している。このときのバス電流は、直流電源装置22側からインバータ装置23a〜23d側へと流れる力行電流である。モータM1〜M4が等速動作状態となる等速期間(時刻t2〜t3)には、低下したバス電圧が定常値まで戻り、その値が維持される。このときのバス電流も、直流電源装置22側からインバータ装置23a〜23d側へと流れる力行電流である。ただし、その電流の大きさは、加速期間に流れる電流に比べて小さい。
この場合、全ての軸J1〜J4を動作させるため、全てのモータM1〜M4が駆動される。図3に示すように、モータM1〜M4が加速動作状態となる加速期間(時刻t1〜t2)には、バス電圧は定常値よりも低い値となる。このとき、バス電圧がある程度の値まで低下すると、交流電源21から平滑コンデンサC1に対する充電が行われる。そのため、交流電源21の周期に応じたタイミングでもってバス電圧が上昇および低下を繰り返している。このときのバス電流は、直流電源装置22側からインバータ装置23a〜23d側へと流れる力行電流である。モータM1〜M4が等速動作状態となる等速期間(時刻t2〜t3)には、低下したバス電圧が定常値まで戻り、その値が維持される。このときのバス電流も、直流電源装置22側からインバータ装置23a〜23d側へと流れる力行電流である。ただし、その電流の大きさは、加速期間に流れる電流に比べて小さい。
このように全てのモータM1〜M4が駆動されている際、ロボット2が誤動作するなどして、使用者により非常停止スイッチが操作されると、制御部26は、緊急停止動作を開始する(時刻t3の時点)。制御部26は、緊急停止動作を開始すると、モータM1〜M4の駆動を停止させる。これにより、モータM1〜M4は減速動作状態となる(時刻t3〜t4)。モータM1〜M4が減速動作状態になると、モータM1〜M4からインバータ装置23a〜23dを介して直流電源装置22側へと回生電流が流れる(図3(c)参照)。
この回生電流により平滑コンデンサC1が充電されることにより、平滑コンデンサC1の端子間電圧、つまりバス電圧が急激に上昇する。従って、端子間電圧の変化率は閾値以上の高い値を示すことになる。そのため、制御部26は、Lレベルの開閉指令信号Scを出力し続け、接点33a、33bを閉鎖状態に維持する。その後もバス電圧が上昇を続けると、やがて回生消費回路25が動作を開始する。回生消費回路25が動作を開始すると、バス電圧は、回生消費電圧値付近で上昇および低下を繰り返す。このときの上昇および低下の具合(変化率)についても、ブリーダ抵抗R1を介した放電による端子間電圧の低下具合に比べると、非常に大きくなる。
これは、回生用抵抗R2の抵抗値がブリーダ抵抗R1の抵抗値に比べて非常に小さいためである。つまり、回生用スイッチング素子T1がオンされた際、極めて小さい抵抗値の回生用抵抗R2を介して直流電源線29a、29b間が短絡されることにより、バス電圧が低下する。そのため、回生消費回路25の動作によるバス電圧の低下具合は急峻なものとなる。また、回生用スイッチング素子T1がオフされた際のバス電圧の上昇は、前述した回生電流に起因するものであるため、同様に急峻なものとなる。
このように回生消費回路25の動作中にも、端子間電圧の変化率は閾値以上の高い値を示すことになる。そのため、制御部26は、Lレベルの開閉指令信号Scを出力し続け、接点33a、33bを閉鎖状態に維持する。その後、モータM1〜M4の回転速度の低下、回生消費回路25の動作などにより回生電流が低減し続け、やがて回生電流が流れなくなる(時刻t4の時点)。回生電流が流れなくなると、平滑コンデンサC1は、ブリーダ抵抗R1を通じて放電される。このときの端子間電圧の低下具合は、回生電流に起因した端子間電圧の上昇具合、回生消費回路25の動作に伴う端子間電圧の低下具合に比べ、非常に緩やかなものとなる。従って、端子間電圧の変化率が閾値未満となる。そのため、制御部26は、Hレベルの開閉指令信号Scを出力し、接点33a、33bを開放する。
[2]ケースB(最小軸動作中に緊急停止動作が実行されるケース)
この場合、最も手先に近い(容量が小さい)第4軸J4を動作させるため、モータM4だけが駆動される。図4に示すように、モータM4が加速動作状態となる加速期間(時刻t1〜t2)には、バス電圧は定常値よりも若干低い値となる。このときのバス電流は、直流電源装置22側からインバータ装置23d側へと流れる力行電流である。また、駆動するモータが1つだけであるため、ケースAに比べると、加速期間が短くなっている。モータM4が等速動作状態となる等速期間(時刻t2〜t3)には、低下したバス電圧が定常値まで戻り、その値が維持される。このときのバス電流も、直流電源装置22側からインバータ装置23d側へと流れる力行電流である。ただし、その電流の大きさは、加速期間に流れる電流に比べて小さい。
この場合、最も手先に近い(容量が小さい)第4軸J4を動作させるため、モータM4だけが駆動される。図4に示すように、モータM4が加速動作状態となる加速期間(時刻t1〜t2)には、バス電圧は定常値よりも若干低い値となる。このときのバス電流は、直流電源装置22側からインバータ装置23d側へと流れる力行電流である。また、駆動するモータが1つだけであるため、ケースAに比べると、加速期間が短くなっている。モータM4が等速動作状態となる等速期間(時刻t2〜t3)には、低下したバス電圧が定常値まで戻り、その値が維持される。このときのバス電流も、直流電源装置22側からインバータ装置23d側へと流れる力行電流である。ただし、その電流の大きさは、加速期間に流れる電流に比べて小さい。
このようにモータM4が駆動されている際、非常停止スイッチが操作されると、制御部26は、緊急停止動作を開始する(時刻t3の時点)。制御部26は、緊急停止動作を開始すると、モータM4の駆動を停止させる。これにより、モータM4は減速動作状態となる(時刻t3〜t4)。モータM4が減速動作状態になると、モータM4からインバータ装置23dを介して直流電源装置22側へと回生電流が流れる(図3(c)参照)。
この回生電流により平滑コンデンサC1が充電されることにより、平滑コンデンサC1の端子間電圧、つまりバス電圧が急激に上昇する。従って、端子間電圧の変化率は閾値以上の高い値を示すことになる。そのため、制御部26は、Lレベルの開閉指令信号Scを出力し続け、接点33a、33bを閉鎖状態に維持する。なお、この場合、駆動していたモータが1つだけであるため、ケースAに比べ、発生する回生電力は小さい。そのため、バス電圧が回生消費電圧値まで上昇せず、回生消費回路25は動作しない。その後、モータM4の回転速度の低下などにより回生電流が低減し続け、やがて回生電流が流れなくなる(時刻t4の時点)。回生電流が流れなくなると、平滑コンデンサC1は、ブリーダ抵抗R1を通じて放電される。このときの端子間電圧の低下具合は、回生電流に起因した端子間電圧の上昇具合、回生消費回路25の動作に伴う端子間電圧の低下具合に比べ、非常に緩やかなものとなる。従って、端子間電圧の変化率が閾値未満となる。そのため、制御部26は、Hレベルの開閉指令信号Scを出力し、接点33a、33bを開放する。
[3]ケースC(中間軸動作中に緊急停止動作が実行されるケース)
この場合、中間の第2軸J2を動作させるため、モータM2だけが駆動される。図5に示すように、モータM2が加速動作状態となる加速期間(時刻t1〜t2)には、バス電圧は定常値よりも若干低い値となる。このときのバス電流は、直流電源装置22側からインバータ装置23b側へと流れる力行電流である。また、駆動するモータが1つだけであるため、ケースAに比べると、加速期間が短くなっている。ただし、駆動するモータM2の容量がモータM4の容量よりも大きいため、ケースBに比べると、加速期間は長い。モータM2が等速動作状態となる等速期間(時刻t2〜t3)には、低下したバス電圧が定常値まで戻り、その値が維持される。このときのバス電流も、直流電源装置22側からインバータ装置23b側へと流れる力行電流である。ただし、その電流の大きさは、加速期間に流れる電流に比べて小さい。
この場合、中間の第2軸J2を動作させるため、モータM2だけが駆動される。図5に示すように、モータM2が加速動作状態となる加速期間(時刻t1〜t2)には、バス電圧は定常値よりも若干低い値となる。このときのバス電流は、直流電源装置22側からインバータ装置23b側へと流れる力行電流である。また、駆動するモータが1つだけであるため、ケースAに比べると、加速期間が短くなっている。ただし、駆動するモータM2の容量がモータM4の容量よりも大きいため、ケースBに比べると、加速期間は長い。モータM2が等速動作状態となる等速期間(時刻t2〜t3)には、低下したバス電圧が定常値まで戻り、その値が維持される。このときのバス電流も、直流電源装置22側からインバータ装置23b側へと流れる力行電流である。ただし、その電流の大きさは、加速期間に流れる電流に比べて小さい。
このようにモータM2が駆動されている際、非常停止スイッチが操作されると、制御部26は、緊急停止動作を開始する(時刻t3の時点)。制御部26は、緊急停止動作を開始すると、モータM2の駆動を停止させる。これにより、モータM2は減速動作状態となる(時刻t3〜t4)。モータM2が減速動作状態になると、モータM2からインバータ装置23bを介して直流電源装置22側へと回生電流が流れる(図3(c)参照)。
この回生電流により平滑コンデンサC1が充電されることにより、平滑コンデンサC1の端子間電圧、つまりバス電圧が急激に上昇する。従って、端子間電圧の変化率は閾値以上の高い値を示すことになる。そのため、制御部26は、Lレベルの開閉指令信号Scを出力し続け、接点33a、33bを閉鎖状態に維持する。なお、この場合も、ケースBと同様、駆動していたモータが1つだけであるため、ケースAに比べ、発生する回生電力は小さい。そのため、バス電圧が回生消費電圧値まで上昇せず、回生消費回路25は動作しない。その後、モータM2の回転速度の低下などにより回生電流が低減し続け、やがて回生電流が流れなくなる(時刻t4の時点)。回生電流が流れなくなると、平滑コンデンサC1は、ブリーダ抵抗R1を通じて放電される。このときの端子間電圧の低下具合は、回生電流に起因した端子間電圧の上昇具合、回生消費回路25の動作に伴う端子間電圧の低下具合に比べ、非常に緩やかなものとなる。従って、端子間電圧の変化率が閾値未満となる。そのため、制御部26は、Hレベルの開閉指令信号Scを出力し、接点33a、33bを開放する。
以上説明した本実施形態によれば、次のような効果が得られる。
制御部26は、ロボット2の動作を緊急停止する緊急停止動作を開始すると、モータM1〜M4の駆動を停止させるとともに、平滑コンデンサC1の端子間電圧の変化率を求める。そして、制御部26は、端子間電圧の変化率が閾値以上である間はリレー33の接点33a、33bを閉鎖状態に維持し、上記変化率が閾値未満になると接点33a、33bを開放する。これにより、回生電流が流れている期間に接点33a、33bが開放されることが防止されるとともに、その回生電流が収まると速やかに接点が開放される。そのため、ロボット2の動作を緊急停止する際、接点33a、33bにおけるアークの発生、接点33a、33bの溶着がなくなり、リレー33の寿命低下が抑制される。
制御部26は、ロボット2の動作を緊急停止する緊急停止動作を開始すると、モータM1〜M4の駆動を停止させるとともに、平滑コンデンサC1の端子間電圧の変化率を求める。そして、制御部26は、端子間電圧の変化率が閾値以上である間はリレー33の接点33a、33bを閉鎖状態に維持し、上記変化率が閾値未満になると接点33a、33bを開放する。これにより、回生電流が流れている期間に接点33a、33bが開放されることが防止されるとともに、その回生電流が収まると速やかに接点が開放される。そのため、ロボット2の動作を緊急停止する際、接点33a、33bにおけるアークの発生、接点33a、33bの溶着がなくなり、リレー33の寿命低下が抑制される。
ただし、ロボット2が緊急停止される際、駆動されていたモータM1〜M4の数、その容量(モータサイズ)などの各条件により発生する回生電力の大きさは変化する。しかし、各モータM1〜M4からの回生電流は、いずれも同一の直流電源装置22の平滑コンデンサC1に流れる。従って、上記各条件がどのように変化した場合でも、平滑コンデンサC1の端子間電圧の変化率を確認することで、回生電流の有無を判断することが可能となる。そのため、本実施形態によれば、緊急停止する時点で駆動されていたモータM1〜M4の数やモータサイズが互いに異なる様々な条件のいずれにおいても、リレー33を開放するタイミング(遅延時間)を常に最適にすることができる。すなわち、本実施形態によれば、刻一刻と変化するロボット2の動作状態に応じて、緊急停止時におけるリレー33の開放タイミングが最適化される。
このように、本実施形態によれば、ロボット2が緊急停止される際に駆動されていたモータM1〜M4の数や容量などの各条件に関係なく、緊急停止時においてインバータ装置23a〜23dに対する電源供給を速やかに停止しつつ、直流電源装置22からインバータ装置23a〜23dに至る電源供給経路に介在するリレー33の接点33a、33bの寿命低下を抑制することができる。
制御部26の電源電圧Vd1(+5V)およびリレー33のコイル33cへ通電を行うための駆動電圧Vd2(+24)を、直流電源線13a、13bにおける直流電圧を図示しない電源回路により降圧して生成するようにした。このようにインバータ装置23a〜23dへの直流電源の供給を行うための直流電源装置22を利用して、ロボットコントローラ3内に設けられた他の回路および装置への直流電源の供給を行うので、装置の製造コストが高くなるのを抑制できる。
なお、本発明は上記し且つ図面に記載した実施形態に限定されるものではなく、次のような変形または拡張が可能である。
リレー33を用いて直流電源装置22からインバータ装置23a〜23dへの電源供給経路を開閉する構成としたが、コンタクタなど、他の電気回路を開閉する手段を用いてもよい。リレー33は、2つの接点33a、33bを備えたものを使用したが、1つの接点を備えたものを使用し、直流電源線29aと35aとの間および直流電源線29bと35bとの間のいずれか一方にのみ接点を設ける構成としてもよい。
リレー33を用いて直流電源装置22からインバータ装置23a〜23dへの電源供給経路を開閉する構成としたが、コンタクタなど、他の電気回路を開閉する手段を用いてもよい。リレー33は、2つの接点33a、33bを備えたものを使用したが、1つの接点を備えたものを使用し、直流電源線29aと35aとの間および直流電源線29bと35bとの間のいずれか一方にのみ接点を設ける構成としてもよい。
モータM1〜M4からの回生電流による平滑コンデンサC1の端子電圧の上昇が問題にならない構成であれば、回生消費回路25を設けなくてもよい。
上記実施形態では、本発明を4軸の水平多関節型ロボットであるロボット2の動作制御を行うロボットコントローラ3に適用した例を説明したが、本発明は、例えば6軸の垂直多関節型ロボットの動作制御を行うロボットコントローラなど、ロボットの動作制御を行うロボットロボットコントローラ全般に適用可能である。
上記実施形態では、本発明を4軸の水平多関節型ロボットであるロボット2の動作制御を行うロボットコントローラ3に適用した例を説明したが、本発明は、例えば6軸の垂直多関節型ロボットの動作制御を行うロボットコントローラなど、ロボットの動作制御を行うロボットロボットコントローラ全般に適用可能である。
図面中、2はロボット、3はロボットコントローラ、21は交流電源、22は直流電源装置、23a〜23dはインバータ装置、24は開閉装置(開閉手段)、26は制御部(制御装置、電圧検出手段)、27は整流回路、33a、33bは接点、C1は平滑コンデンサ、M1〜M4はモータ、R1はブリーダ抵抗を示す。
Claims (1)
- 交流電源から与えられる交流を整流する整流回路、前記整流回路の出力を平滑する平滑コンデンサおよび前記平滑コンデンサに対して並列に接続されたブリーダ抵抗を有する直流電源装置と、
前記直流電源装置から出力される直流電圧の供給を受けて動作し、ロボットの各軸を駆動するためのモータを駆動するインバータ装置と、
前記直流電源装置から前記インバータ装置に至る電源供給経路に介在する接点を開閉する開閉手段と、
前記インバータ装置を制御して前記モータを駆動するとともに、前記開閉手段の開閉を制御する制御装置と、
前記平滑コンデンサの端子間電圧を検出する電圧検出手段と、
を備え、
前記制御装置は、
前記ロボットの動作を緊急停止する緊急停止動作を開始すると、前記モータの駆動を停止させるとともに、前記電圧検出手段の検出値から前記平滑用コンデンサの端子間電圧の変化率を求め、
前記変化率が所定の閾値以上である間は前記開閉手段を閉鎖状態に維持し、
前記変化率が前記閾値未満になると前記開閉手段を開放することを特徴とするロボットコントローラ。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2012178224A JP2014034097A (ja) | 2012-08-10 | 2012-08-10 | ロボットコントローラ |
Applications Claiming Priority (1)
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ID=50283404
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Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2017064805A (ja) * | 2015-09-28 | 2017-04-06 | 株式会社ダイヘン | 制御システム |
JP2018164372A (ja) * | 2017-03-27 | 2018-10-18 | ファナック株式会社 | 電源制御装置、および、電源制御方法 |
JP2020108284A (ja) * | 2018-12-27 | 2020-07-09 | 工機ホールディングス株式会社 | 直流電源装置及び電動工具システム |
-
2012
- 2012-08-10 JP JP2012178224A patent/JP2014034097A/ja active Pending
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