JP5113395B2

JP5113395B2 - モータのダイナミックブレーキ装置

Info

Publication number: JP5113395B2
Application number: JP2007014216A
Authority: JP
Inventors: 秀一高添; 美智代佐々木
Original assignee: Juki Corp
Current assignee: Juki Corp
Priority date: 2007-01-24
Filing date: 2007-01-24
Publication date: 2013-01-09
Anticipated expiration: 2027-01-24
Also published as: JP2008182821A

Description

本発明は、軸等を緊急停止させるためのモータのダイナミックブレーキ装置に関する。

特許文献１の第１図に記載されている従来のモータのダイナミックブレーキ装置の一例の構成を図１に示す。

この装置は、トランジスタからなるスイッチング素子２１〜２６及びフライホイールダイオード２７〜３２により構成されたインバータでなるトランジスタモジュール３３でサーボモータ３４を駆動制御するモータ駆動回路において、サーボモータ３４を停止させるものである。トランジスタモジュール３３は交流電源の出力がコンバータで直流に変換されて平滑用コンデンサ３５で平滑されたものが印加され、これを３相の交流電圧でＰＷＭ変調してサーボモータ３４に印加する。トランジスタモジュール３３においてトランジスタ２１〜２６は一対ずつ直列に接続されて、その直列回路が直流電源に（コンデンサ３５の両端に）並列に接続され、一対ずつのトランジスタ２１と２２、２３と２４、２５と２６が相互にオン／オフ、オフ／オンされて直流電源の出力をＰＷＭ変調する。この回路のダイナミックブレーキ装置は、ダイオード３５〜３７、エネルギ消費用抵抗３８、トランジスタ３９、抵抗４０、４１、発光ダイオード４２及びフォトトランジスタ４３からなるフォトカプラ４４により構成され、ダイオード３５〜３７は、フライホイールダイオード２８、３０、３２と共に３相全波整流回路を構成している。なお、この３相全波整流回路は、フライホイールダイオード２７、２９、３１を用いて構成するようにしてもよい。

このダイナミックブレーキ装置は、正常動作時には、ダイナミックブレーキ（ＤＢ）動作停止信号がフォトカプラ４４を介して入力されてトランジスタ３９がオフとなることにより、非動作状態になる。停電時又は非常時には、トランジスタモジュール３３のトランジスタ２１〜２６がオフされてＤＢ動作停止信号がオフとなり、サーボモータ３４が負荷４５の慣性力によって回転し続けて、サーボモータ３４の動力線Ａ、Ｂ、Ｃにサーボモータ３４の逆起電力によって電圧が発生する。この電圧は、ダイオード３５〜３７とフライホイールダイオード２８、３０、３２とにより構成されている３相全波整流回路で整流されて、エネルギ消費用抵抗３８により消費され、サーボモータ３４はダイナミックブレーキがかけられて停止する。

又、本発明に類似するものとして、特許文献２には、非常停止時に、所定の減速パターンによる減速から、ダイナミックブレーキによる減速に切換えるようにした多軸駆動装置が記載され、特許文献３には、１パス分の印刷が終了した時点で、ヘッドを主走査方向に移動するＣＲモータに対する制動電流の供給を開始し、ＣＲモータの回転速度が所定の速度まで減速されたときに、ＣＲモータへの制動電流の供給を停止し、ダイナミックブレーキに切換えると共に、紙送り用のＬＦモータへの駆動電流の供給を開始するようにした記録装置が記載されている。

特開平１−２０９９７３号公報（第１図）特開２００６−２１８７９５号公報特開平９−１８３２６２号公報

しかしながら、特許文献１に記載された従来のダイナミックブレーキ装置は、ダイナミックブレーキ電流をエネルギ消費用抵抗３８により抑えているため、ダイナミックブレーキ動作時にモータ３４に発生するブレーキトルクが小さくなりブレーキの効きが弱くなる。そのため、モータ３４が停止するまでの時間が長くなるという問題があった。

ダイナミックブレーキの効きを強めて停止時間を短縮するため、（１）エネルギ消費用抵抗３８及び抵抗４０を取り除き、それぞれ短絡させる、又は、（２）トランジスタ２７〜３２のベース電流でダイナミックブレーキを制御する場合、即ち電流を抑えなかった場合は、図２（実測波形）に矢印Ａで示すように、ダイナミックブレーキを働かせた直後にダイナミックブレーキ電流が過大になるという現象が発生する。これにより、パワー素子の破損、モータ磁石の減磁、過大なダイナミックブレーキ電流が流れることにより発生する過大トルクの衝撃による機械的ダメージの発生という問題があった。

ここで、上記ダイナミックブレーキを働かせた直後に発生する過大な電流について説明する。ダイナミックブレーキを働かせた直後の過大な電流が流れた時の電流波形（図３）と過大な電流が流れていない時（ダイナミックブレーキを働かせてから一定時間経過後の定常状態）の電流波形（図４）とを比較すると、１／２周期（図３中Ｔ／２）経過した時点ｔ_２では、ダイナミックブレーキを働かせた直後の過大な電流Ｃの大きさｉ_１は、過大な電流が流れていない時の電流Ｅの大きさｉ_２に比較し約２倍の大きさになることが分かる。通常、モータ等のコイル負荷では、図４に示した如く、電圧（Ｖ）の位相に対し、電流（Ｉ）の位相は９０°遅れることになる。しかし、図３に示した如く、ダイナミックブレーキを働かせた直後のモータ電流は０であり、通常の電圧と電流の位相差の関係が崩れている。このことにより一時的にコイルに過大な電圧が加わり、その結果、過大な電流ｉ_２が一時的に流れることとなる。

具体的には、Ｒ≪ωＬとして、次式を用いることで、図３と図４の電圧（Ｖ）の斜線部Ｂ、Ｄ（モータの誘起電圧）から、この電流を求めることができる。
Δｉ＝｛ｅ（平均値）×Δｔ｝／Ｌ（相） …（１）
ここで、Δｉ：斜線部Ｃ、Ｅの電流［Ａ］
ｅ：斜線部Ｂ、Ｄの平均電圧［Ｖ］（ｅ＝２√２Ｖｅ／π）
Δｔ：斜線部Ｂ、Ｄの周期
Ｌ：インダクタンス［ｍＨ］

ここで、Ｌとｅの値をＬ＝３．１［ｍＨ］、ｅ＝１３３［Ｖ］とし、（１）式を用いてダイナミックブレーキを働かせた直後の電流ｉ_１と過大な電流が流れていない時（ダイナミックブレーキを働かせてから一定時間経過後の定常状態）の電流ｉ_２を計算すると、ｉ_１は４５．６［Ａ］、ｉ_２は２３．２［Ａ］となる。

電流が大きくなることにより、図５に示すようにダイナミックブレーキを働かせた直後のダイナミックブレーキトルクも増加し、過大トルクの衝撃による機械的ダメージの発生等の悪影響を及ぼす。

なお、特許文献２に記載の技術は、所定の減速パターンによる減速から、途中でダイナミックブレーキによる減速に切り換えるものであり、特許文献３に記載の技術は、制動電流の供給による減速から、ダイナミックブレーキによる減速へ切換えるタイミングに関するものであって、いずれも、ダイナミックブレーキ電流の切換えに関するものではなかった。

本発明は、前記従来の問題点を解消するべくなされたもので、ダイナミックブレーキ停止時間を必要以上に長めることなく、パワー素子破壊、モータ磁石の減磁、過大トルクの衝撃による機械的ダメージ等を回避することを課題とする。

本発明は、モータを緊急停止させるダイナミックブレーキ装置において、ダイナミックブレーキを作動開始させてから所定時間は、ブレーキ電流を制御するためのスイッチング素子の少なくとも一部のオンオフを繰返すＰＷＭ制御でブレーキをかけてダイナミックブレーキ電流を弱めるように制御し、所定時間経過後は、ＰＷＭ制御を行わずに全部のスイッチング素子を常時オン又はオフに固定して本来流れるべきダイナミックブレーキ電流を流すように制御するようにして、前記課題を解決したものである。

本発明によれば、ダイナミックブレーキを作動開始させてから所定時間は、ダイナミックブレーキ電流を弱めて、過大なダイナミックブレーキ電流が流れるのを防ぐようにしたので、ダイナミックブレーキ停止時間を必要以上に長めることなく、過大なダイナミックブレーキ電流が流れることにより発生するパワー素子破壊、モータ磁石の減磁、過大トルクの衝撃による機械的ダメージ等を回避することが可能となる。

以下図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。

インバータ回路を含む本発明のダイナミックブレーキ装置の実施形態を図６に示す。図において、２００はダイオードブリッジ、２０１は平滑用コンデンサ、２０２はインバータ回路でなるトランジスタモジュール、２０３はサーボモータ、２０４はモータ制御回路、２０５は異常検出回路、２０６は電流検知回路、２０７は電流検出器、２０８は減速パターンテーブル、２０９はセレクタ、２１０はモータエンコーダ、２１１は非常停止スイッチ、２１２は上位コントローラである。

以上の構成において、異常検出回路２０５、又は、非常停止スイッチ２１１からの信号を検知すると、減速パターンテーブル２０８に予め記憶された減速パターンａがセレクタ２０９により選択され、モータ制御回路２０４に出力される。減速パターンａが選択される区間は、図５に示した区間Ａで、この区間Ａは、斜線部分のところで電流が急激に増加するため、減速パターンａはダイナミックブレーキ電流を弱めるパターンに設定されている。電流を弱めることで、図７に示す如く、図５斜線部のトルクも抑えることが可能となる。しかし、この減速パターンａを続けると、本来流れるべきダイナミックブレーキ電流（誘起電圧をモータのインピーダンスで割った値）も弱めてしまうため、ある一定時間（区間Ａ）経過した後の区間Ｂでは、予め記憶された減速パターンｂがセレクタ２０９により選択され、モータ制御回路２０４に出力される。この区間Ｂでは、本来流れるべきダイナミックブレーキ電流を流す必要があるため、減速パターンｂは、ダイナミックブレーキ電流を弱めないパターンに設定されている。本発明を実施したときのトルクの様子を図７に示す。

ここで、減速パターンａ、ｂは、具体的には、トランジスタモジュール２０２を駆動するＰＷＭパターンであり、区間Ａでは、過大な電流を抑えるため、図６の上側３つのトランジスタは常時オフ、下側３つのトランジスタはオン・オフを繰返してＰＷＭ制御でブレーキをかける減速パターンａとすることができる。一方、区間Ｂでは、電流が区間Ａの時より減少しているので、（１）図６の上側３つのトランジスタを常時オフ、下側３つのトランジスタを常時オン、若しくは、（２）下側３つのトランジスタを常時オフ、上側３つのトランジスタを常時オンして、ＰＷＭ制御を行なわずに本来のダイナミックブレーキをかける減速パターンｂとすることができる。

なお、区間Ａの時間設定及び減速パターンａは、実験的に求めて設定することができる。例えば減速パターンａを上位コントローラ２１２から変更可能とすることにより、例えばモータ回転数に応じて、モータ回転数が高い時にはダイナミックブレーキの効きを強くし、モータ回転数が低い時にはダイナミックブレーキの効きを弱くするように、ダイナミックブレーキ電流に対応した最適な設定を行なうこともできる。

又、区間Ａのパターンａは１つだけでなく、区間Ａ内で２以上の複数の減速パターンを切換えることもできる。

特許文献１に記載された従来のモータのダイナミックブレーキ装置の構成例を示す回路図従来の問題点を説明するための、ダイナミックブレーキ時の過大電流を示す図同じくダイナミックブレーキを働かせた直後に過大な電流が流れた時の電流波形を示す図同じく過大な電流が流れていない時の電流波形を示す図同じくダイナミックブレーキを働かせた直後の過大なブレーキトルクを示す図本発明の実施形態の構成を示す回路図前記実施形態におけるダイナミックブレーキのトルク変化の一例を示す図

符号の説明

２０２…トランジスタモジュール
２０３…サーボモータ
２０４…モータ制御回路
２０５…異常検出回路
２０８…テーブル
２０９…セレクタ
２１１…非常停止スイッチ

Claims

モータを緊急停止させるダイナミックブレーキ装置において、
ダイナミックブレーキを作動開始させてから所定時間は、ブレーキ電流を制御するためのスイッチング素子の少なくとも一部のオンオフを繰返すＰＷＭ制御でブレーキをかけてダイナミックブレーキ電流を弱めるように制御し、
所定時間経過後は、ＰＷＭ制御を行わずに全部のスイッチング素子を常時オン又はオフに固定して本来流れるべきダイナミックブレーキ電流を流すように制御することを特徴とするモータのダイナミックブレーキ装置。