JP4053557B2 - サーボモータ停止制御方法及びサーボモータ制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えば産業用ロボット、工作機械、位置決め装置等のサーボモータを用いたシステムに適用され、機械の可動部の相対移動を阻止するブレーキを有するサーボモータの回転を、サーボモータの出力検出器で検出された出力信号に基づいて速度制御により減速し停止するサーボモータ停止制御方法及びサーボモータ制御装置に関する。

従来、サーボモータを備えた各種のシステムでは、非常停止の際にサーボモータを可能な限り短い時間で、かつ、安全に停止させるために、サーボモータの回生エネルギを利用したダイナミックブレーキと電磁ブレーキを用いて減速・停止させ、サーボモータの停止後は電磁ブレーキにより可動部の停止状態を保持していた。図４は、この従来のサーボモータの非常停止時の挙動を、ブレーキを有効とするタイミングと併せてサーボモータの回転速度と時間の関係で示したものである。

図４に示すように、非常停止の際にダイナミックブレーキと、電磁ブレーキを有効にすると停止時間Ｔを短くすることができるものの、一方で非常停止直後の制動トルクが大きくなりすぎるため、減速中に振動や衝撃が生じるという問題があった。振動や衝撃が生じた部分は、減速特性を示す曲線の乱れた部分に対応している。

上記問題の解決を図るため、ダイナミックブレーキに代えて速度制御によりサーボモータの減速処理を行った一例を図５に示す。この図５は、非常停止時に速度制御による減速処理が行われ、サーボモータの回転が停止した後に電磁ブレーキが有効とされるものである。図５から明らかなように、この場合、モータの減速中に振動や衝撃が生じず、減速特性を示す曲線が滑らかとなるものの、サーボモータの停止時間Ｔは長くなる。さらに、このような滑らかな曲線が得られるのは、サーボモータの負荷（回転数）が低い状態から非常停止される場合に限られており、サーボモータの速度や負荷が高い状態から非常停止された場合は、図６に示すように曲線が乱れることが判明している。

図６には、電磁ブレーキを有効とするタイミングと併せて、モータのトルク特性及びモータの減速特性が示されている。減速特性を示す曲線が波状に乱れるのは、サーボモータのトルク不足に起因し、速度制御によりサーボモータを減速制御させたときの制動トルクが、個々のサーボモータが有する固有の許容最大トルクに到達し（制動トルクの飽和）、サーボモータが制御不能の状態に陥るためである。図６において、点線で速度指令が示され、実線で実際の速度結果が示されているように、速度結果が乱れ、さらに停止時間が遅れることがわかる。

上述したように、サーボモータを速度制御することにより、サーボモータを滑らかに停止させることは可能であるが、サーボモータの速度や負荷が高い状態からサーボモータを急停止させた場合は、制動トルクが飽和し、制御不能状態となり、振動や制御指令に対する遅れを生じるという問題があった。すなわち、非常停止時のサーボモータの回転速度や負荷が低い場合は短い時間での速度制御による停止は可能であるが、最高速度で最大負荷に近い条件においては、サーボモータのトルク不足を露呈し、振動や制御指令に対する遅れが発生してしまうという問題があった。

本発明は、上記事情に鑑み、非常停止時に、より短い時間・短い停止距離で、スムーズに停止することができるサーボモータ停止制御方法及びサーボモータ制御装置を提供することを目的とする。

上記問題を解決するために、本願の請求項１のサーボモータ停止制御方法の発明は、機械の可動部の相対移動を阻止するブレーキを有するサーボモータの回転を、該サーボモータの出力検出器で検出された出力信号に基づいて速度制御により減速し停止するサーボモータ停止制御方法において、前記速度制御による前記サーボモータの減速中に、該サーボモータの制動トルクと、モータ制御部により前記サーボモータの許容最大トルクに等しいか低めに設定された設定値とを比較し、前記制動トルクが前記設定値を超えたときに、前記ブレーキを有効にし、前記速度制御による制動と前記ブレーキによる制動とを併用し、前記サーボモータを停止させることを特徴とする。

請求項２の発明は、機械の可動部の相対移動を阻止するブレーキ付きのサーボモータと、該サーボモータを制御するモータ制御部とを備えたサーボモータ制御装置において、前記モータ制御部は、前記サーボモータの回転速度を加減速するために速度指令を出力する速度指令手段と、前記ブレーキをスイッチングするブレーキ回路に対してスイッチ指令を出力するブレーキスイッチ手段と、前記サーボモータの減速中の制動トルクが、前記モータ制御部により前記サーボモータの許容最大トルクに等しいか低めに設定された設定値を越えたことを監視する監視手段と、を備え、前記速度指令手段による前記サーボモータの減速中に、前記監視手段により前記制動トルクが前記設定値を超えたことを検出すると、前記ブレーキスイッチ手段により前記ブレーキを有効にし、前記速度指令手段による制動と前記ブレーキによる制動とを併用し、前記サーボモータを停止させることを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項２記載のサーボモータ制御装置において、前記ブレーキによる制動補助によって前記制動トルクが前記設定値より小さくなった後に、前記ブレーキスイッチ手段により前記ブレーキを無効にし、前記速度指令手段による制動だけで前記サーボモータを停止することを特徴とする。

請求項４の発明は、機械の可動部の相対移動を阻止するブレーキ付きのサーボモータと、該サーボモータを制御するモータ制御部とを備えたサーボモータ制御装置において、前記モータ制御部は、前記サーボモータの回転速度を加減速するために速度指令を出力する速度指令手段と、前記ブレーキをスイッチングするブレーキ回路に対してスイッチ指令を出力するブレーキスイッチ手段と、前記速度指令手段による前記サーボモータの減速中に、前記速度指令手段による速度指令値と前記サーボモータの実際の速度との誤差を監視する監視手段と、を備え、前記速度指令手段による前記サーボモータの減速中に、前記誤差が設定値より大きくなったときに、前記ブレーキスイッチ手段により前記ブレーキを有効にし、前記速度指令手段による制動と前記ブレーキによる制動とを併用し、前記サーボモータを停止させ、前記ブレーキによる制動補助によって前記誤差が前記設定値より小さくなったときに、前記ブレーキスイッチ手段により前記ブレーキを無効にし、前記速度指令手段による制動だけで前記サーボモータを停止することを特徴とする。

請求項５の発明は、機械の可動部の相対移動を阻止するブレーキ付きのサーボモータと、該サーボモータを制御するモータ制御部とを備えたサーボモータ制御装置において、前記モータ制御部は、前記サーボモータの回転速度を加減速するために速度指令を出力する速度指令手段と、前記ブレーキをスイッチングするブレーキ回路に対してスイッチ指令を出力するブレーキスイッチ手段と、前記速度指令手段による前記サーボモータの減速中に、前記速度指令手段による速度指令値を積分することにより得られる位置指令値と前記サーボモータの実際の位置との誤差を監視する監視手段と、を備え、前記速度指令手段による前記サーボモータの減速中に、前記誤差が設定値より大きくなったときに、前記ブレーキスイッチ手段により前記ブレーキを有効にし、前記速度指令手段による制動と前記ブレーキによる制動とを併用し、前記サーボモータを停止させ、前記ブレーキによる制動補助によって前記誤差が前記設定値より小さくなったときに、前記ブレーキスイッチ手段により前記ブレーキを無効にし、前記速度指令手段による制動だけで前記サーボモータを停止することを特徴とする。

本願の請求項１記載の発明によれば、サーボモータの減速中にブレーキを有効にし、速度制御による制動とブレーキによる制動とを併用することで、サーボモータの負荷が軽減され、サーボモータの速度制御による制動トルクが許容最大トルクによって制限を受けることが回避され、短い時間でサーボモータを非常停止することが可能となる。サーボモータの制動トルクが、サーボモータの許容最大トルクに等しいか低めに設定された設定値を超えるまでは速度制御による減速制御が行われ、制動トルクが設定値を超えた後はブレーキによる制動補助によりサーボモータの負荷が軽減されることで、終始サーボモータの挙動を安定させた状態で停止制御を行うことができる。

請求項２記載の発明によれば、モータ制御部が、速度指令手段とブレーキスイッチ手段とを備えているから、サーボモータの回転速度を速度制御により減速処理することができると共に、減速中にブレーキを有効にすることで、速度制御による制動とブレーキによる制動とを併用でき、より短い時間・短い停止距離でスムーズにサーボモータを停止することができる。モータ制御部は、サーボモータの減速中の制動トルクが、モータ制御部によりサーボモータの許容最大トルクに等しいか低めに設定された設定値を越えたことを監視する監視手段をさらに備えているから、制動トルクが設定値を超えるまでは速度制御だけによる減速制御が行われ、制動トルクが設定値を超えた後は、ブレーキによる制動補助が加わり、サーボモータの負荷が軽減された状態で減速制御が行われる。したがって、サーボモータのトルク不足が解消され、終始サーボモータの挙動を安定させた状態で停止制御を行うことができる。

請求項３記載の発明によれば、ブレーキによる制動補助によって制動トルクが許容最大トルクに等しいか低めに設定された設定値より小さくなった後に、ブレーキを無効にすることで、サーボモータのブレーキの利きすぎ（外乱）に対してそれを打ち消す余分な制御を行う必要がなくなり、サーボモータの停止制御を容易に行うことができる。

請求項４記載の発明によれば、モータ制御部が、速度指令手段とブレーキスイッチ手段とを備えているから、サーボモータの回転速度を速度制御により減速処理することができると共に、減速中にブレーキを有効にすることで、速度制御による制動とブレーキによる制動とを併用でき、より短い時間・短い停止距離でスムーズにサーボモータを停止することができる。モータ制御部が、速度指令手段による速度指令値とサーボモータの実際の回転速度との誤差を監視する監視手段を備えることで、誤差の大小に応じてサーボモータの停止制御を任意に調整することができる。したがって、この停止制御装置の適用範囲を広げることができる。ブレーキによる制動補助によって誤差が所定値より小さくなった後にブレーキを無効にすることで、サーボモータのブレーキの利きすぎに対してそれを打ち消す余分な制御を行う必要がなくなり、サーボモータの停止制御を容易に行うことができる。

請求項５記載の発明によれば、モータ制御部が、速度指令手段とブレーキスイッチ手段とを備えているから、サーボモータの回転速度を速度制御により減速処理することができると共に、減速中にブレーキを有効にすることで、速度制御による制動とブレーキによる制動とを併用でき、より短い時間・短い停止距離でスムーズにサーボモータを停止することができる。モータ制御部が、速度指令手段による速度指令値を積分することにより得られる位置指令値とサーボモータの実際の位置との誤差を監視する監視手段を備えることで、誤差の大小に応じてサーボモータの停止制御を任意に調整することができる。したがって、この停止制御装置の適用範囲を広げることができる。ブレーキによる制動補助によって誤差が所定値より小さくなった後にブレーキを無効にすることで、サーボモータのブレーキの利きすぎに対してそれを打ち消す余分な制御を行う必要がなくなり、サーボモータの停止制御を容易に行うことができる。

以下に本発明の実施の形態の具体例を図面を用いて詳細に説明する。図１は、本発明に係るサーボモータ制御装置の構成図を示したものである。

本実施形態のサーボモータ制御装置１は、図示しない多関節型産業用ロボットの関節部を回転駆動するサーボモータ２と、サーボモータ２に制御された電流を供給するサーボアンプ３と、サーボアンプ３を介してサーボモータ２に電気的に相互接続するモータ制御部４と、モータ制御部４により制御されて電磁ブレーキ（ブレーキ）９をＯＮ／ＯＦＦするブレーキ回路５とから構成されている。

サーボモータ２は、モータ本体７と、モータの位置情報を検出する位置検出器としてのエンコーダ８と、摩擦ブレーキ及びストッパとして機能する電磁式の電磁ブレーキ９を備えている。可動部としての関節部は、サーボモータの回転数を減速して出力トルクを高めるための図示しない減速器を介してサーボモータ２により駆動されるようになっている。

電磁ブレーキは、主としてサーボモータ２の回転が停止した後に有効とされるものであって、いわゆるストッパとして機能するものであるが、本発明ではサーボモータ２の減速中に摩擦ブレーキとしても機能するように使われている。また、摩擦ブレーキとして使用した場合の制動トルクは、モータの許容最大トルクと同等か、それより小さい場合を前提としている。

なお、本実施形態のサーボモータ２は、産業用ロボットに適用されるものとして記載されているが、リニアモータを用いた水平軸移動装置、サーボモータと減速機からなる位置決め装置、工作機械のボールネジ及びナットからなる送り軸を駆動するために適用することもできる。

サーボアンプ２は、トランジスタインバータなどで構成され、モータ制御部４からの速度指令に基づいて、サーボモータ２を加減速及び停止させる動力源である。減速・停止させる場合は、例えば速度指令を「０」とし、サーボモータ２を減速制御させることによって行われる。

モータ制御部４は、図示しないコントローラと、図示しない共有メモリと、デジタルサーボ回路６とを備えている。コントローラからの移動指令などは共有メモリを介してデジタルサーボ回路６に送信される。逆に、デジタルサーボ回路６からの異常信号などは共有メモリを介してコントローラに送信される。すなわち、コントローラとデジタルサーボ回路６は、共有メモリを介して双方向に送受信可能になっている。

デジタルサーボ回路６は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭなどの電子部品がマウントされた入出力回路を有し、これらと制御プログラムとにより、速度指令手段１１、ブレーキスイッチ手段１２、監視手段１３が構成されるようになっている。ＣＰＵにはエンコーダ８からの位置データが入力され、位置データを微分することによりサーボモータ２の速度データが得られるようになっている。また、ＣＰＵには、サーボアンプ３からのモータ電流値が入力され、この電流値をもとに、モータ２のトルクデータが得られるようになっている。

速度指令手段１１は、速度フィードバック回路を構成するものであり、位置データ、速度データ、トルクデータをもとに、モータ２への速度指令値を計算し、サーボアンプ３経由でサーボモータ２を制御する。サーボモータ２に供給される電流は、ソフトウェアによって許容最大電流が規定されている。モータ電流指令値が許容最大電流を超えるような場合は、モータ電流値が許容最大電流を超えないようにクランプする機能を有し、この機能が働いた場合はトルクが飽和したと判断されるようになっている。

例えば、サーボモータ２を停止制御する際は、速度指令が「０」にされることで、フィードバック処理で算出されるトルク指令（電流指令）はサーボモータ２を逆方向に駆動する指令となり、所定の制動トルクでサーボモータ２が減速され、停止することとなる。サーボモータ２が最大の負荷で回転していた状態から非常停止する場合は、トルク指令の指令値（制動トルク）が許容最大トルクと一致してクランプされることとなるが、本発明はクランプされたタイミングで電磁ブレーキ９が有効となり（図２）、トルクを低下させて減速中に振動や衝撃が生じないようになっている。

電磁ブレーキ９は、監視手段１３により監視されたトルク指令値に基づいてブレーキスイッチ手段１２でブレーキ回路をＯＮ／ＯＦＦすることで、電磁ブレーキ９の有効／無効が切り替えられるようになっている。

上述の監視手段１３は、サーボモータ２の減速中のトルク指令値が、サーボモータの許容最大トルクに等しいか低めに予め設定された設定値を超えたかを監視する手段である。モータ制御部に設定される設定値は、モータの許容最大トルクを元に設定されるが、許容最大トルクより小さい値にすることにより、ブレーキを早く利かせることも可能である。この値は、非常停止時の停止距離や制御の安定性をもとに調整により決定される。

上述のブレーキスイッチ手段１２は、電磁ブレーキ９をスイッチングするブレーキ回路５に対してスイッチ指令を出力する手段である。ブレーキ回路５の一例として、トランジスタを有する電気回路、リレーを有する電気回路を挙げることができる。

次に、図３に基づいてサーボモータ停止制御装置の非常停止時のフローについて説明する。サーボモータ停止制御装置１は、ステップＳ１で非常停止入力が入った場合に停止制御を行なうものである。非常停止時のサーボモータ２の速度が遅い場合、すなわちサーボモータ２が低負荷で回転していた場合は、ステップＳ２の停止制御によりサーボモータの制動トルクは飽和せず、電磁ブレーキが無効のままでも、振動や衝撃が生じることなく短時間でサーボモータを停止することができる。なお、停止後も電磁ブレーキを有効にすることにより、停止時の振動や衝撃を無くすことができると共に、停止状態を保持することができる。

一方、非常停止時のモータの速度が早い場合、すなわちサーボモータ２が高負荷で回転していた場合は、ステップＳ３でサーボモータ２の制動トルクの飽和が検出され（図２）、ステップＳ４で飽和したタイミングにおいて電磁ブレーキ９が有効とされ、制動トルクの飽和状態が解消され、ステップＳ５で停止完了が判断され、停止の場合はステップＳ６で電磁ブレーキ９が有効のままでモータ動力が遮断される。したがって、非常停止時のモータの速度が早い場合には、制動トルクの飽和状態が、電磁ブレーキ９の制動補助により回避され、スムーズに短時間でサーボモータを停止することが可能となる。

以上のように、本実施形態によれば、サーボモータ２の減速中に電磁ブレーキ９を有効にすることで、速度制御による制動と電磁ブレーキ９による制動とを併用でき、サーボモータ２の制動力を高めることができ、サーボモータ２の許容最大トルクの範囲内でサーボモータ２を停止させることができる。したがって、非常停止時に、振動や衝撃を生じることなく、停止するタイミングを早めることが可能となる。

なお、本発明は本実施形態に限定されるものでは、種々変形した形で実施することが可能である。例えば、サーボモータ２の減速中の制度トルクを監視する手段に代えて、速度指令手段による速度指令値とサーボモータ２の実際の回転速度との誤差を監視する監視手段を備えたり、速度指令手段による速度指令値を積分することにより得られる位置指令値とサーボモータ２の実際の位置との誤差を監視する監視手段を備えたりすることも可能である。

また、サーボモータ２の減速中に電磁ブレーキを有効とし、モータの負荷が軽減されてトルクが小さくなった後に、電磁ブレーキを無効とし、速度制御による制動だけでサーボモータを停止し、停止後に再び電磁ブレーキを有効にすることも可能である。これにより、ブレーキの利きすぎを打ち消すために必要とされる制御を不要とすることができる。

本発明に係るサーボモータ制御装置の一実施形態を示す構成図である。 電磁ブレーキを有効とするタイミングと併せて、モータのトルク特性、モータの減速特性を示す図である。 サーボモータ制御装置による停止制御のフローチャートである。 従来のサーボモータ制御装置において、ダイナミックブレーキ及び電磁ブレーキを有効とするタイミングと併せてモータの減速特性を示す一例である。 従来のサーボモータ制御装置において、電磁ブレーキを有効とするタイミングと併せてモータの減速特性を示す他の一例である。 従来のサーボモータ制御装置において、電磁ブレーキを有効とするタイミングと併せて、モータのトルク特性、モータの減速特性を示す図である。

符号の説明

１ サーボモータ制御装置
２ サーボモータ
４ モータ制御部
５ ブレーキ回路
６ デジタルサーボ回路
９ 電磁ブレーキ（ブレーキ）
１１ 速度指令手段
１２ ブレーキスイッチ手段
１３ 監視手段

Claims (5)

1. 機械の可動部の相対移動を阻止するブレーキを有するサーボモータの回転を、該サーボモータの出力検出器で検出された出力信号に基づいて速度制御により減速し停止するサーボモータ停止制御方法において、
   前記速度制御による前記サーボモータの減速中に、該サーボモータの制動トルクと、モータ制御部により前記サーボモータの許容最大トルクに等しいか低めに設定された設定値とを比較し、前記制動トルクが前記設定値を超えたときに、前記ブレーキを有効にし、前記速度制御による制動と前記ブレーキによる制動とを併用し、前記サーボモータを停止させることを特徴とするサーボモータ停止制御方法。
2. 機械の可動部の相対移動を阻止するブレーキ付きのサーボモータと、該サーボモータを制御するモータ制御部とを備えたサーボモータ制御装置において、
   前記モータ制御部は、
   前記サーボモータの回転速度を加減速するために速度指令を出力する速度指令手段と、
   前記ブレーキをスイッチングするブレーキ回路に対してスイッチ指令を出力するブレーキスイッチ手段と、
   前記サーボモータの減速中の制動トルクが、前記モータ制御部により前記サーボモータの許容最大トルクに等しいか低めに設定された設定値を越えたことを監視する監視手段と、を備え、前記速度指令手段による前記サーボモータの減速中に、前記監視手段により前記制動トルクが前記設定値を超えたことを検出すると、前記ブレーキスイッチ手段により前記ブレーキを有効にし、前記速度指令手段による制動と前記ブレーキによる制動とを併用し、前記サーボモータを停止させることを特徴とするサーボモータ制御装置。
3. 前記ブレーキによる制動補助によって前記制動トルクが前記設定値より小さくなった後に、前記ブレーキスイッチ手段により前記ブレーキを無効にし、前記速度指令手段による制動だけで前記サーボモータを停止することを特徴とする請求項２記載のサーボモータ制御装置。
4. 機械の可動部の相対移動を阻止するブレーキ付きのサーボモータと、該サーボモータを制御するモータ制御部とを備えたサーボモータ制御装置において、
   前記モータ制御部は、
   前記サーボモータの回転速度を加減速するために速度指令を出力する速度指令手段と、 前記ブレーキをスイッチングするブレーキ回路に対してスイッチ指令を出力するブレーキスイッチ手段と、
   前記速度指令手段による前記サーボモータの減速中に、前記速度指令手段による速度指令値と前記サーボモータの実際の速度との誤差を監視する監視手段と、を備え、
   前記速度指令手段による前記サーボモータの減速中に、前記誤差が設定値より大きくなったときに、前記ブレーキスイッチ手段により前記ブレーキを有効にし、前記速度指令手段による制動と前記ブレーキによる制動とを併用し、前記サーボモータを停止させ、前記ブレーキによる制動補助により前記誤差が前記設定値より小さくなったときに、前記ブレーキスイッチ手段により前記ブレーキを無効にし、前記速度指令手段による制動だけで前記サーボモータを停止することを特徴とするサーボモータ制御装置。
5. 機械の可動部の相対移動を阻止するブレーキ付きのサーボモータと、該サーボモータを制御するモータ制御部とを備えたサーボモータ制御装置において、
   前記モータ制御部は、
   前記サーボモータの回転速度を加減速するために速度指令を出力する速度指令手段と、 前記ブレーキをスイッチングするブレーキ回路に対してスイッチ指令を出力するブレーキスイッチ手段と、
   前記速度指令手段による前記サーボモータの減速中に、前記速度指令手段による速度指令値を積分することにより得られる位置指令値と前記サーボモータの実際の位置との誤差を監視する監視手段と、を備え、
   前記速度指令手段による前記サーボモータの減速中に、前記誤差が設定値より大きくなったときに、前記ブレーキスイッチ手段により前記ブレーキを有効にし、前記速度指令手段による制動と前記ブレーキによる制動とを併用し、前記サーボモータを停止させ、前記ブレーキによる制動補助によって前記誤差が前記設定値より小さくなったときに、前記ブレーキスイッチ手段により前記ブレーキを無効にし、前記速度指令手段による制動だけで前記サーボモータを停止することを特徴とするサーボモータ制御装置。

Images