JP5370724B2 - 安全停止回路を備えたモータ制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、ロボットシステムや工作機械装置等に用いられるモータ制御装置に関するものであって、高い安全性を実現するために備えられた安全停止回路の故障を検出するモータ制御装置に関する。

一般的にモータ制御装置は、回路等の何らかの要因による破損や故障によるモータの暴走を確実に抑止する必要があり、また、モータの暴走に伴うモータに締結された機械可動部の危険な動作から人を保護するような、機械のリスクを低減させて機械の安全化を図るという技術課題がある。
この一般的な技術課題を解決するために、第１の従来技術におけるモータ制御装置は、「機械の動力源に使用されるインバータ制御モータの安全装置に係り、特に、確実にモータの暴走を抑止できるインバータ制御モータの安全装置に関するもの」であって、「モータとそのモータに供給する電力を制御するインバータとの間にコンタクタを設け、前記モータをロックアウトするときに、このコンタクタを開放にして前記モータへの電力供給を遮断するコンタクタ制御手段を設けたことを特徴と」している（例えば、特許文献１）。
また、第２の従来技術におけるモータ制御装置は、「ロボット、工作機械、各種産業機械等におけるモータの非常停止装置に関し、特に、何らかの故障によって非常停止スイッチの接点間が短絡しても、またスイッチ、リレー等を結ぶケーブルに断線が発生した場合でも、モータの非常停止を確実に行う非常停止装置に関するもの」であって、「何らかの故障によって非常停止スイッチの接点間が短絡しても、また、スイッチ、リレー等を結ぶケーブルに断線が発生した場合でも、モータの非常停止が確実に行われ、故障等の異常が発生した場合は、二度と電源電圧がモータに印加されることがなく、さらには異常箇所をユーザに特定させることが可能なモータの非常停止装置を得ることを目的と」している（例えば、特許文献２）。

図４は、第１の従来技術におけるモータ制御装置の概略構成図である。図において、１００はインバータ、１０２は直流母線、１０３は平滑コンデンサ、１０４〜１０９はパワートランジスタ、１１０はコンタクタ、１１１はモータ、１１２はベース駆動回路、１１３はインバータオンオフ指令回路、１１４は電流指令器、１１５はインバータオンオフ要求信号合成回路、１１６は上位制御器、１１７はコンタクタ開閉信号生成回路である。
モータ１１１とインバータ１００の間にコンタクタ１１０が挿入されて、ロックアウトイッチからコンタクタへの開放要求があると、副インバータオンオフ要求信号をオフにして、インバータオンオフ要求信号をオフに変化させてインバータ１００をオフする。その後、コンタクタ駆動コイル駆動信号をオフにしてコンタクタ駆動コイル１１８を介してコンタクタ１１０を開きモータ電流を遮断し、フリーラン停止させている。

上記問題を解決するため、本発明は、次のようにしたのである。
請求項１に記載の発明は、外部の上位装置からのモータ駆動指令に応じて直流を交流に変換するインバータ部を駆動するゲート駆動回路と、前記ゲート駆動回路に与えるＰＷＭ信号を生成するＰＷＭ発生回路と、前記ゲート駆動回路と前記ＰＷＭ発生回路の間に介在させる安全停止回路を備えたモータ制御装置であって、前記安全停止回路が、外部の複数のモータ停止スイッチと、前記複数のモータ停止スイッチと連動して前記ＰＷＭ信号を遮断する複数の３ステートバッファと、前記上位装置が前記安全装置自体の異常を１つの出力信号で判断できるように構成した監視回路と、を備えたことを特徴とするものである。
また、請求項２に記載の発明は、請求項１記載の発明における前記監視回路が、前記複数の３ステートバッファそれぞれの、少なくとも１つの出力信号を入力する１つの論理回路と、前記１つの論理回路の出力信号を入力して該出力信号に基づいてオンオフ動作する１つの半導体素子と、を備え、前記上位装置が、モータ制御装置を駆動する前に、前記１つの半導体素子の１つの出力信号に基づいて前記安全装置自体の異常を判断できるようにしたことを特徴とするものである。
また、請求項３に記載の発明は、請求項１記載の発明における前記上位装置が、前記複数のモータ停止スイッチのオンオフ状態と、前記監視回路の１つの出力信号のオンオフ状態との組み合わせに基づいて、前記安全装置自体の異常を判断できるようにしたことを特徴とするものである。
また、請求項４に記載の発明は、請求項１記載の発明における前記安全停止回路が、前記複数のモータ停止スイッチが開になった状態を保持できることを特徴とするものである。
また、請求項５に記載の発明は、請求項１記載の発明における前記安全停止回路が、前記３ステートバッファを２個直列と、前記モータ停止スイッチを２個とを備え、前記３ステートバッファと前記モータ停止スイッチとをそれぞれ接続して、前記モータ停止スイッチが共に閉状態の場合、前記ＰＷＭ信号を通過させることを特徴とするものである。
また、請求項６に記載の発明は、請求項１記載の発明における前記安全停止回路が、前記モータ停止スイッチが開の場合、当該モータ停止スイッチに連動する前記３ステートバッファのイネーブル端子をＨｉｇｈとして出力状態をハイインピーダンスとし、前記ＰＷＭ信号を遮断することを特徴とするものである。

しかしながら、第１および２の従来技術におけるモータ制御装置は、コンタクタなどの機械接点スイッチを用いていたため、コンタククの設置スペースを必要し、省スペース化が図れず、また、大容量になるほど、ひとつひとつの部材が高価となってコストを削減することができないため、設備費用が高くなるという問題があった。更に、機械接点であるため、寿命による接触不良や接点の溶着というような問題もあった。
このような問題点に鑑みて、本出願人は、コンタクタを省略できるとともに省スペース化を実現し、システムトータルコスト削減を図ることができる安全停止回路を備えたモータ制御装置を提供することを目的とした提案を行なった（出願番号：ＰＣＴ／ＪＰ２００８／０５６８８１）。本出願人の提案（以下、第３の従来技術におけるモータ制御装置という）は、「直流を交流に変換するインバータ部を駆動するゲート駆動回路と該ゲート駆動回路に与えるＰＷＭ信号を生成するＰＷＭ発生回路との間に介在される安全停止回路を備えた電力変換装置において、外部電力遮断用端子と該外部電力遮断用端子と連動して前記ＰＷＭ信号を遮断するＰＷＭ信号遮断回路とで構成し、前記外部電力遮断用端子が開状態のときに前記ＰＷＭ信号遮断回路が遮断することで前記ゲート駆動回路へのＰＷＭ信号を遮断することを特徴とする電力変換装置。」であって、ソフトウェアを介さずにハードウェアにて外部端子からインバータへのゲート駆動信号を遮断できるような安全停止回路を備えた構成としているものである。（例えば、特許文献３参照）。

図３は、第３の従来技術におけるモータ制御装置の概略構成図である。図において、５０は安全停止回路、１はＰＷＭ発生回路、２はＰＷＭ信号a、３はＰＷＭ信号ｂ、４はＰＷＭ信号ｃ、５は２のＰＷＭ信号ａを遮断するための遮断回路として機能する３ステートバッファ、６は３のＰＷＭ信号ｂを遮断するための遮断回路として機能するための３ステートバッファ、５１及び５２は３ステートバッファ５の２つのイネーブル端子、６１及び６２は３ステートバッファ６の２つのイネーブル端子、７および８はモータ停止スイッチ、９及び１０はフォトトランジスタ、１１はゲート駆動回路、１２はインバータ部(３相インバータ回路)、ＩＰ５は５Ｖ電源、ＩＰ２４は２４Ｖ電源である。
なお、モータ停止スイッチ７，８は、モータ制御装置外部に設けられるものであり、また互いに連動して開閉動作するものである。
ＰＷＭ発生回路１は図示しない搬送波信号であるキャリヤとの比較等により、モータ駆動用ＰＷＭ信号ａ（２）が生成され出力される。ＰＷＭ発生回路１とゲート駆動回路１１との間に２つの３ステートバッファ５、６が設けられている。この３ステートバッファ５、６はそれぞれ２つのイネーブル端子５１と５２、および６１と６２を持っており、両端子５１と５２、および６１と６２の信号レベルが共にロウ（Ｌ）のときにのみ、入力されたＰＷＭ信号ａ（２）を出力できるようになっている。この２つの３ステートバッファ５、６のゲートの開閉はモータ停止スイッチ７、８と連動して構成されている。なお、第３の従来技術におけるモータ制御装置が第１または２の従来技術におけるモータ制御装置と異なる部分は、電力変換装置の外部にコンタクタを装備しなくてもモータ動力源を電力変換装置ソフトウェアを介在させずに遮断することを可能とした、入力ＰＷＭ信号をモータ停止スイッチ７、８からの開閉信号を制御信号としてスイッチング出力するロジックで動作する２重３ステートバッファ５、６と、それぞれフォトトランジスタ９、１０を介して開閉信号を、３ステートバッファ５、６に入力するモータ停止スイッチ７、８によるスイッチングハードウェア回路と、その状態を保持できる回路を備えた部分である。

次に、第３の従来技術におけるモータ制御装置の安全停止回路５０の動作について説明する。先ず、モータ停止スイッチ７または８が開となった場合、フォトトランジスタ９または１０からの信号が切れ、３ステートバッファ５または６のイネーブル( Ｅｎａｂｌｅ) 端子５１または６１がハイ（Ｈｉｇｈ）となり、ゲートが閉じて３ステートバッファ５または６の出力状態がハイインピーダンスとなり、ＰＷＭ発生回路１から入力されたＰＷＭ信号a（２）、または３ステートバッッファ５から入力されたＰＷＭ信号ｂ（３）を遮断することが出来る。また、３ステートバッファ５、６の状態をＣＰＵで監視して、異常が検出されたらＰＷＭ信号a（２）の出力を停止するなどの処理を行うことができるのである。
特開２００１−２５１８６７号公報（第２−４頁、図１） 特許第３５０６５９０号公報（第５−６頁、図１） 特願２００８−０５６８８１号公報（第５−７頁、図１）

第３の従来技術におけるモータ制御装置は安全停止回路５０を備え、第１または２の従来技術におけるモータ制御装置における問題点を解決できるものではあるが、安全停止回路自体の異常状態をモータ制御装置内のＣＰＵにて監視することによって異常を検出し、ＰＷＭ信号を停止するなどの処理を行っており、モータ制御装置外部の上位装置にて安全停止回路自体の異常状態を、モータ制御装置を駆動する前に、直接検出することができなかった。モータ制御装置を使用する上で、いち早く、モータ制御装置の異常を検出するためには、モータ制御装置のユーザー側である上位装置にて検出できることが望まれるのである。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、安全停止回路を備えたモータ制御装置において、モータ制御装置を駆動する前に、安全停止回路自体の異常状態をモータ制御装置外部の上位装置がより早く確実に検出することができ、安全性を高めることができる安全停止回路を備えたモータ制御装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、次のように構成したのである。
本発明の一の観点によるモータ制御装置は、外部の上位装置からのモータ駆動指令に応じて直流を交流に変換するインバータ部を駆動するゲート駆動回路と、前記ゲート駆動回路に与えるＰＷＭ信号を生成するＰＷＭ発生回路と、前記ゲート駆動回路と前記ＰＷＭ発生回路の間に介在させる安全停止回路を備えたモータ制御装置であって、
前記安全停止回路が、外部のモータ停止スイッチと、前記モータ停止スイッチと連動して前記ＰＷＭ信号を遮断する複数の３ステートバッファと、前記上位装置が前記安全装置自体の異常を判断できるように構成した監視回路と、を備えたモータ制御装置が適用される。

請求項１乃至７に記載の発明によると、モータ制御装置を駆動する前に、安全停止回路自体の異常状態をモータ制御装置外部の上位装置がより早く確実に検出することができ、安全性を高めることができる。更に、モータ制御装置を使用するシステム全体の信頼性を向上させることができる。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

図１は、本発明に係る安全停止回路を備えたモータ制御装置の概略構成図である。図において、図３と同一の符号が付された構成は同一の効果を奏するものであるため、詳細な説明は省略する。１５０は安全停止回路、５３は３ステートバッファ５のＰＷＭ信号３で使用していない端子、６３は３ステートバッファ６のＰＷＭ信号４で使用していない端子、１５２は使用していない端子５３、６３の出力を論理演算する論理回路、１５１は論理回路１５２の出力によってオンオフ動作するフォトトランジスタ、である。なお、９，１０，１５１はフォトトランジスタを例に挙げたが、フォトカプラであってもよい。
本発明が図３における第３の従来技術のモータ制御装置と異なる部分は、論理回路１５２とフォトトランジスタ１５１とを備え、３ステートバッファ５、６の使用していない端子５３、６３を使用すると共に、その出力信号を論理回路１５２を介してフォトトランジスタ１５１をオンオフさせ、フォトトランジスタ１５１の出力をモータ制御装置の外部に出力するようにした部分である。その他の部分は、第３の従来技術のモータ制御装置と同様な回路動作を行ない、それに伴う同一の作用効果を有するものである。

次に、図１に示す安全停止回路の動作について説明する。
モータ停止スイッチ７および８が開（ＯＰＥＮ）の状態の場合、安全停止回路１５０が定常状態（正常）であれば、フォトトランジスタ９および１０からの信号が切れ、３ステートバッファ５および６のイネーブル端子（Ｅｎａｂｌｅ）５１および６１がハイ（Ｈｉｇｈ）となり、ゲートが閉じて３ステートバッファ５および６の出力状態がハイインピーダンスとなり、ＰＷＭ発生回路１からの入力されたＰＷＭ信号a（２）、および３ステートバッッファ５から入力されたＰＷＭ信号ｂ（３）を遮断することが出来る。この場合、３ステートバッファ５の端子５３及び３ステートバッファ６の端子６３の出力は共にハイ（Ｈｉｇｈ）出力となり、論理回路１５２の出力はハイ（Ｈｉｇｈ）出力となり、フォトトランジスタ１５１がオン状態、すなわち、後述する動作表に基づき、モータ制御装置外部の上位装置は、安全停止回路１５０が定常状態（正常）であることを検知することができる。

また同様に、モータ停止スイッチ７および８が閉（ＣＬＯＳＥ）の状態の場合、安全停止回路１５０が定常状態（正常）であれば、フォトトランジスタ９および１０からの信号がオンし、３ステートバッファ５および６のイネーブル端子（Ｅｎａｂｌｅ）５１および６１がロー（Ｌｏｗ）となり、ゲートが開いて３ステートバッファ５および６から、ＰＷＭ発生回路１からの入力されたＰＷＭ信号a（２）、および３ステートバッッファ５から入力されたＰＷＭ信号ｂ（３）を出力することが出来る。

ここで、フォトトランジスタ９がｓｈｏｒｔ状態での異常状態（フォトトランジスタ１０は正常とする）のとき、モータ停止スイッチ７が開（ＯＰＥＮ）の状態であっても、イネーブル端子５１がロー（Ｌｏｗ）となりゲートが開いて３ステートバッファ５の端子５３はロー（Ｌｏｗ）出力となる。論理回路１５２の出力は端子５３がロー（Ｌｏｗ）出力となるためロー（Ｌｏｗ）出力となり、フォトトランジスタ１５１がオフ状態、すなわち、後述する動作表に基づき、モータ制御装置外部の上位装置は、安全停止回路１５０が異常状態であることを検知することができる。

また同様に、フォトトランジスタ１０がｓｈｏｒｔ状態での異常状態（フォトトランジスタ９は正常とする）のとき、モータ停止スイッチ８が開（ＯＰＥＮ）の状態であっても、イネーブル端子６１がロー（Ｌｏｗ）となりゲートが開いて３ステートバッファ６の端子６３はロー（Ｌｏｗ）出力なる。論理回路１５２の出力は端子６３がロー（Ｌｏｗ）出力となるためロー（Ｌｏｗ）出力となり、フォトトランジスタ１５１がオフ状態、すなわち、後述する動作表に基づき、モータ制御装置外部の上位装置は、安全停止回路１５０が異常状態であることを検知することができる。

更に、フォトトランジスタ９がｏｐｅｎ状態での異常状態（フォトトランジスタ１０は正常とする）のとき、安全停止スイッチ１３が閉（ＣＬＯＳＥ）の状態であっても、イネーブル端子５１がハイ（Ｈｉｇｈ）となりゲートが閉じて３ステートバッファ５の出力状態がハイインピーダンスとなり、ＰＷＭ発生回路１からの入力されたＰＷＭ信号ａ（２）を遮断することが出来る。

また同様に、フォトトランジスタ１０がｏｐｅｎ状態（フォトトランジスタ９は正常とする）での異常状態のとき、安全停止スイッチ１３が閉（ＣＬＯＳＥ）の状態であっても、イネーブル端子６１がハイ（Ｈｉｇｈ）となりゲートが閉じて３ステートバッファ６の出力状態がハイインピーダンスとなり、ＰＷＭ発生回路１からの入力されたＰＷＭ信号ｂ（３）を遮断することが出来る。

図２は、安全停止回路１５０の正常／異常状態におけるフォトトランジスタ１５１のオンオフ状態を表した動作表であって、モータ停止スイッチ状態と、フォトトランジスタ１５１のオンオフ状態と、モータ通電状態信号の組み合せによって、安全停止回路１５０の正常／異常状態をモータ制御装置外部の上位装置が検知することができることを表したものである。
なお、モータ通電状態信号は、モータ制御装置が従来もつものであって、別途設けられた構成により、モータ制御装置がモータに通電できる状態であることを上位装置に示す信号である。具体的には、主回路（パワー部）の電源がオンであって、何らエラー出力がされていない場合、モータ制御装置はモータに通電できる状態とするものである。
先ず、モータ制御装置を駆動する前に、モータ停止スイッチ７および８を開状態（ＯＰＥＮ，ＯＮ）にした場合、フォトトランジスタ１５１のオンオフ状態をモータ制御装置外部の上位装置が監視することで、図２に示した通りのフォトトランジスタ１５１がオン状態であれば、安全停止回路が定常状態（正常）、すなわちフォトトランジスタ９および１０が正常状態、あるいはフォトトランジスタ１５１がオフ状態であれば、安全停止回路が異常状態、すなわちフォトトランジスタ９または１０がｓｈｏｒｔ状態での異常状態、であることをモータ制御装置外部の上位装置は検知することができるのである。

次に、モータ制御装置を駆動する前に、モータ停止スイッチ７および８を閉状態（ＣＬＯＳＥ，ＯＦＦ）にした場合、モータ通電状態信号をモータ制御装置外部の上位装置が監視することで、図２に示した通りのモータ通電状態信号がオン状態であれば、安全停止回路が定常状態（正常）、すなわちフォトトランジスタ９および１０が正常状態、あるいはモータ通電状態信号がオフ状態であれば、安全停止回路が異常状態、すなわちフォトトランジスタ９または１０がｏｐｅｎ状態での異常状態、であることをモータ制御装置外部の上位装置は検知することができるのである。

本発明に係る安全停止回路を備えたモータ制御装置の概略構成図 安全停止回路の正常／異常状態におけるフォトトランジスタのオンオフ状態を表した動作表 第３の従来技術におけるモータ制御装置の概略構成図 第１の従来技術におけるモータ制御装置の概略構成図 第２の従来技術におけるモータ制御装置の概略構成図

符号の説明

１ ＰＷＭ発生回路
２ ＰＷＭ信号a
３ ＰＷＭ信号ｂ
４ ＰＷＭ信号ｃ
５ ＰＷＭ信号ａを遮断するための３ステートバッファ
６ ＰＷＭ信号ｂを遮断するための３ステートバッファ
７、８ モータ停止スイッチ
９、１０、１５１ フォトトランジスタ
１１ ゲート駆動回路
１２ インバータ部（３相インバータ回路）
１５２ 論理回路
１６ 安全回路異常検出信号
５１、５２ ３ステートバッファ５のイネーブル端子
５３ ３ステートバッファ５で使用していない信号
６１、６２ ３ステートバッファ６のイネーブル端子
６３ ３ステートバッファ６で使用していない信号
１５０ 安全停止回路
ＩＰ５ ５Ｖ電源
ＩＰ２４ ２４Ｖ電源

Claims (6)

1. 外部の上位装置からのモータ駆動指令に応じて直流を交流に変換するインバータ部を駆動するゲート駆動回路と、前記ゲート駆動回路に与えるＰＷＭ信号を生成するＰＷＭ発生回路と、前記ゲート駆動回路と前記ＰＷＭ発生回路の間に介在させる安全停止回路を備えたモータ制御装置であって、
   前記安全停止回路が、外部の複数のモータ停止スイッチと、前記複数のモータ停止スイッチと連動して前記ＰＷＭ信号を遮断する複数の３ステートバッファと、前記上位装置が前記安全装置自体の異常を１つの出力信号で判断できるように構成した監視回路と、を備えたことを特徴とする安全停止回路を備えたモータ制御装置。
2. 前記監視回路が、前記複数の３ステートバッファそれぞれの、少なくとも１つの出力信号を入力する１つの論理回路と、前記１つの論理回路の出力信号を入力して該出力信号に基づいてオンオフ動作する１つの半導体素子と、を備え、
   前記上位装置が、モータ制御装置を駆動する前に、前記１つの半導体素子の１つの出力信号に基づいて前記安全装置自体の異常を判断できるようにしたことを特徴とする請求項１に記載の安全停止回路を備えたモータ制御装置。
3. 前記上位装置が、前記複数のモータ停止スイッチのオンオフ状態と、前記監視回路の１つの出力信号のオンオフ状態との組み合わせに基づいて、前記安全装置自体の異常を判断できるようにしたことを特徴とする請求項１または２に記載の安全停止回路を備えたモータ制御装置。
4. 前記安全停止回路が、前記複数のモータ停止スイッチが開になった状態を保持できることを特徴とする請求項１−３のいずれか１項に記載の安全停止回路を備えたモータ制御装置。
5. 前記安全停止回路が、前記３ステートバッファを２個直列と、前記モータ停止スイッチを２個とを備え、前記３ステートバッファと前記モータ停止スイッチとをそれぞれ接続して、前記モータ停止スイッチが共に閉状態の場合、前記ＰＷＭ信号を通過させることを特徴とする請求項１−４のいずれか１項に記載の安全停止回路を備えたモータ制御装置。
6. 前記安全停止回路が、前記モータ停止スイッチが開の場合、当該モータ停止スイッチに連動する前記３ステートバッファのイネーブル端子をＨｉｇｈとして出力状態をハイインピーダンスとし、前記ＰＷＭ信号を遮断することを特徴とする請求項１−５のいずれか１項に記載の安全停止回路を備えたモータ制御装置。
   

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