JP7281699B2

JP7281699B2 - ブレーキ駆動制御回路とその故障検出方法

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Publication number: JP7281699B2
Application number: JP2022002446A
Authority: JP
Inventors: 秀行小田切
Original assignee: Nidec Corp
Current assignee: Nidec Corp
Priority date: 2017-12-11
Filing date: 2022-01-11
Publication date: 2023-05-26
Anticipated expiration: 2037-12-11
Also published as: JP2022068140A

Description

本発明は、モータなどに取り付けられる電磁ブレーキの駆動を制御するブレーキ駆動制御回路とその故障検出方法に関する。

ロボットでは、各軸を駆動するモータの動力が遮断されたときにロボットアームが移動したり落下したりすることを防いで安全を確保するために、モータ軸に対して電磁ブレーキを取り付けている。ロボットに設けられる電磁ブレーキは、一般に、無励磁作動型のものであって、電磁ブレーキに通電しているときはブレーキが解除（リリース）状態となり、通電が遮断するとブレーキが動作する、すなわちモータ軸をロックするように構成されている。また、ロボットに設けられる電磁ブレーキについては、ロボットに関する安全規格（ＵＬ１７４０、ＩＳＯ１０２１８）により、モータを駆動するための電源が失われている状態においてブレーキを解除できることが求められている。特許文献１には、電磁ブレーキに通電してブレーキを解除するためのモータブレーキ電源供給部を設け、モータブレーキ電源供給部内に設けられたスイッチに対する操作によってブレーキを解除できるようにした装置が開示されている。

ロボットに設けられる電磁ブレーキは、安全に関わる機構であり、高い信頼性が要求される。特許文献１に示されるように１つのスイッチだけで制御されるようにした場合、短絡するような形態でそのスイッチが故障した場合には、ブレーキが常に解除された状態となり、安全を確保できなくなるおそれがある。そこで特許文献２には、安全性を高めるために、電磁ブレーキの両端に、それぞれ電磁ブレーキに対して電気的に直列になるようにスイッチング制御手段を接続したブレーキ駆動制御回路が開示されている。スイッチング制御手段としては、スイッチングトラジスタが用いられる。特許文献２に記載されたブレーキ駆動制御回路は、電磁ブレーキの両端の電圧を検出することによって故障検出を行なう電圧検出手段も備えている。

特開２０００－２９６４９２号公報特開２００６－１２３１１８号公報

特許文献２のブレーキ駆動制御回路では、２つのスイッチング制御手段の一方は電磁ブレーキと接地電位との間に設けられるローサイドスイッチとなるが、他方は、電磁ブレーキとブレーキ駆動用の電源電圧との間に設けられるハイサイドスイッチとなる。ブレーキ駆動用の電源電圧が低い場合は問題は生じにくいが、この電源電圧が高くなった場合には、ローサイドスイッチ及びハイサイドスイッチの双方に耐圧の高いデバイスが必要となる。これに加えて電源電圧が高い場合には、ハイサイドスイッチとして用いるデバイスの種類に応じ、次のような課題を生じる。すなわち、ＮチャネルのＦＥＴ（電界効果トランジスタ）を用いた場合には、その駆動回路が大掛かりなものとなって部品点数が増大し、コストが高くなって実装面積も大きくなる。ＰチャネルのＦＥＴを用いた場合にはデバイスのサイズが大きくなるともにオン抵抗も大きくなって損失が大きくなり、またデバイスそのものについての選択肢が少ない。バイポーラトランジスタを用いる場合には、デバイスサイズが大きくなるとともに損失も大きい。

電磁ブレーキは、それを解除状態とするためにかなりの電流を要するので、ロボットの軸数が多くなって電磁ブレーキの数も多くなれば、電磁ブレーキ用の電源回路としても容量の大きなものを使用する必要がある。ロボットでは、そのモータの駆動のため大容量で比較的高い電圧の電源回路が用意されるが、モータ駆動用の電源回路をブレーキ駆動用の電源回路としても使用する場合には、ハイサイドスイッチに関わる上述した課題を解決することができない。ブレーキ駆動用に比較的低い電圧の電源回路を別個に用意する場合には、この別個に用意される電源回路にもある程度の容量が必要となるので、コストアップの要因などとなる。ロボットには、その制御回路のために比較的低い電圧の電源回路も用意されるが、制御回路はそれほど電力を消費しないため制御回路用の電源回路は比較的小容量であり、複数の軸を有するためにブレーキ解除用の電流が大きくなるロボットでは、制御回路用の小容量の電源回路をブレーキ駆動用の電源回路として用いることは現実的でない。

本発明の目的は、安全性を損なうことなく、ハイサイドスイッチとして用いられるスイッチング素子への印加電圧を比較的低い電圧とすることができ、かつ、大容量の別個の電源回路を設けることを不要とするブレーキ駆動制御回路と、そのようなブレーキ駆動制御回路の故障検出方法とを提供することにある。

本発明のブレーキ駆動制御回路は、通電することによりブレーキを解除する電磁ブレーキを制御するブレーキ駆動制御回路であって、第１回路電圧の第１電源と前記電磁ブレーキの一方の端子との間に設けられた第１整流素子と、前記第１電源を動作させるために前記第１電源に電力を供給するラインに挿入された遮断スイッチと、前記電磁ブレーキの他方の端子と接地点との間に設けられた第１スイッチング素子と、前記第１回路電圧とは異なる第２回路電圧の第２電源と前記電磁ブレーキの前記一方の端子との間で直列に設けられた第２スイッチング素子及び第２整流素子と、を有し、前記第２回路電圧は前記第１回路電圧よりも低い。

本発明のブレーキ駆動制御回路は、通電することによりブレーキを解除する電磁ブレーキを制御するブレーキ駆動制御回路であって、第１回路電圧の第１電源と前記電磁ブレーキの一方の端子との間に設けられた第１整流素子と、前記第１電源を動作させるために前記第１電源に電力を供給するラインに挿入された遮断スイッチと、前記電磁ブレーキの他方の端子と接地点との間に設けられた第１スイッチング素子と、前記第１回路電圧とは異なる第２回路電圧の第２電源と前記電磁ブレーキの前記一方の端子との間で直列に設けられた第２スイッチング素子及び第２整流素子と、を有し、前記第１電源は前記電磁ブレーキによるブレーキ動作の対象であるモータを駆動する電源であり、前記遮断スイッチは前記モータに対する安全回路に設けられている。

前記モニタ手段は、前記電磁ブレーキの前記他方の端子と前記第１スイッチング素子との接続点の電圧を検出する第１モニタ回路と、前記第２スイッチング素子と前記第２整流素子との接続点の電圧を検出する第２モニタ回路と、を有する。

前記遮断スイッチが開放しかつ前記第１電源が非動作であるときに、ブレーキ解除スイッチの操作またはブレーキ解除コマンドの入力に基づき前記第１スイッチング素子及び前記第２スイッチング素子が動作状態とされて前記電磁ブレーキが解除される

このようなブレーキ駆動制御回路では、電磁ブレーキを挟んで遮断スイッチと第１スイッチング素子とが直列に接続されているので、一方が短絡モードの故障となっても他方によって電磁ブレーキへの通電を遮断でき、電磁ブレーキのロック状態を維持することができる。その一方で、第２電源と第２スイッチング素子とを用いることにより電磁ブレーキを解除することができるので、「モータを駆動するための電源が失われている状態においてブレーキを解除できる」という安全規格に基づく要求を満足することができる。第１スイッチング素子及び第２スイッチング素子としては、例えば、トランジスタなどの半導体素子を用いることができる。

本発明のブレーキ駆動制御回路では、第２回路電圧を第１回路電圧よりも低くすることができる。第２スイッチング素子はハイサイドスイッチに相当するものであるが、第２回路電圧が低いので、第１回路電圧と同じ電圧で動作させる場合に比べ、第２スイッチング素子として耐圧が低くて小型の半導体素子を使用することが可能となり、また、第２スイッチング素子に対する駆動回路も簡素化できる。

本発明のブレーキ駆動制御回路では、電磁ブレーキによるブレーキ動作の対象であるモータを駆動する電源を第１電源とし、モータに対する安全回路において一般的に設けられるスイッチを遮断スイッチとして用いることができる。モータに対する安全回路には高い信頼性が要求されており、安全回路においてモータ駆動用の電源を遮断するためのスイッチを本発明における遮断スイッチとして用いることにより、モータへの動力を遮断するとともにブレーキを確実に動作させるという安全規格に準拠した、信頼性が高いブレーキ駆動制御回路を構成することができる。

本発明のブレーキ駆動制御回路では、電磁ブレーキの一方の端子及び他方の端子の電圧を監視するモニタ手段を備えてもよい。このようなモニタ手段を設けることにより、スイッチング素子の故障を検出することができて安全性を高めることができる。このモニタ手段は、例えば、電磁ブレーキの他方の端子と第１スイッチング素子との接続点の電圧を検出する第１モニタ回路と、第２スイッチング素子と第２整流素子との接続点の電圧を検出する第２モニタ回路と、を備えている。このような第１モニタ回路及び第２モニタ回路を用いることにより、電磁ブレーキの両端のそれぞれの電圧を監視できて第１スイッチング素子の故障と第２スイッチング素子の故障を独立に検出することができる。

あるいは本発明のブレーキ駆動制御回路では、電磁ブレーキの両端間の電圧を監視する回路を有するモニタ手段を備えてもよい。このようなモニタ手段を設けることによっても、スイッチング素子の故障を検出することができて安全性を高めることができる。

本発明においてモニタ手段を設けるときは、モニタ手段での監視結果に基づいて故障検出信号を出力し、遮断スイッチを開放状態に維持させる故障検出回路をさらに設けることが好ましい。このような故障検出回路を設けることによって、スイッチング素子が故障しているときに第１電源が動作状態となることを防止できてブレーキが解除されることも防止でき、安全性をさらに高めることができる。故障検出信号の出力に基づいて遮断スイッチを開放とした場合、第１電源の出力にコンデンサが設けられているとすると第１電源の出力電圧が直ちにゼロなるとは限らない。そこで本発明では、故障検出信号が出力されたときに、例えばモータにＤ軸電流を流す、あるいは放電用抵抗を用いるなどして、第１電源の出力を強制的に放電させ、ブレーキが早期に作動するようにすることが好ましい。

本発明のブレーキ駆動制御回路では、遮断スイッチが開放しかつ第１電源が非動作であるときに、ブレーキ解除スイッチの操作またはブレーキ解除コマンドの入力に基づき第１スイッチング素子及び第２スイッチング素子が動作状態とされて電磁ブレーキが解除されるように構成することができる。ロボットの各軸ごとに設けられるブレーキ解除スイッチやロボット教示用のペンダントからのブレーキ解除コマンドの入力により、緊急時に確実に電磁ブレーキを解除できるようになる。

本発明のブレーキ駆動制御回路では、電磁ブレーキの解除状態を維持するときに電磁ブレーキに加わる電圧が電磁ブレーキを解除状態に移行させるときに電磁ブレーキに加わる電圧よりも低くなるように、第１スイッチング素子をＰＷＭ駆動することが好ましい。電磁ブレーキの解除動作と解除状態の維持に必要な電圧を変えることで省電力化することができ、ＰＷＭ駆動を行なうことにより、さらなる省電力化を図ることができる。特に、ロボットなどが通常動作を行なっているときは、電磁ブレーキの解除状態を維持しなければならない時間が長くなるので、状態に応じた電圧とＰＷＭ駆動を行なうことにより、より一層の省電力化が可能である。

本発明の故障検出方法は、第１回路電圧の第１電源と電磁ブレーキの一方の端子との間に設けられた第１整流素子と、電磁ブレーキの他方の端子と接地点との間に設けられた第１スイッチング素子と、第１回路電圧とは異なる第２回路電圧の第２電源と電磁ブレーキの一方の端子との間で直列に設けられた第２スイッチング素子及び第２整流素子と、を有し、通電することによりブレーキを解除する電磁ブレーキを制御するブレーキ駆動制御回路における故障検出方法であって、第１電源が非動作であるときに電磁ブレーキが応答しない長さのパルスを用いて第２スイッチング素子を駆動し、電磁ブレーキの他方の端子と第１スイッチング素子との接続点の電圧と、第２スイッチング素子と第２整流素子との接続点の電圧とを監視する。

本発明の故障検出方法によれば、第１スイッチング素子の故障と第２スイッチング素子の故障とを別個の検出することができるともに、さらに、電圧を監視するための回路や電磁ブレーキの断線（あるいは未接続）といった故障の検出も可能になる。

本発明の故障検出方法においては、さらに、電磁ブレーキを解除しているときに第１スイッチング素子をＰＷＭ駆動し、ＰＷＭ駆動に同期して電磁ブレーキの他方の端子と第１スイッチング素子との接続点の電圧を監視してもよい。このような監視を行なうことで、電磁ブレーキに通電してブレーキを解除しているときにおいても、第１スイッチング素子の故障や電磁ブレーキの断線を検出することが可能になる。

本発明によれば、ブレーキ駆動制御回路において、安全性を損なうことなく、ハイサイドスイッチとして用いられるスイッチング素子への印加電圧を比較的低い電圧とすることができ、かつ、大容量の別個の電源回路を設けることを不要とすることができる。またこのようなブレーキ駆動制御回路におけるスイッチング素子等の故障を確実に検出できる故障検出方法が提供される。

本発明の実施の一形態のブレーキ駆動制御回路を説明する回路図である。図１に示すブレーキ駆動制御回路の動作を示す状態遷移図である。電磁ブレーキに流れる電流を説明する図である。本発明の実施の一形態のブレーキ駆動制御回路を説明する回路図である。

次に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は、本発明の実施の一形態のブレーキ駆動制御回路を説明する図であって、ロボットの中にこのブレーキ駆動制御回路を組み込んだ状態を示している。ロボットには、ロボットコントローラによってサーボ制御される複数のモータ１３が設けられるが、図では、ロボットにおける１軸分のモータ１３、電磁ブレーキ３１及びブレーキ駆動制御回路が示されている。

図示二重線で示すように、モータ１３の回転軸に対して電磁ブレーキ３１が機械的に接続している。電磁ブレーキ３１のソレノイド（コイル）には、ソレノイドへの電流を遮断したときに発生する大きな逆起電力を吸収するためのサージアブソーバ３２が並列に設けられている。サージアブソーバ３２としては、例えば、バリスタ、ダイオードなどが使用される。各軸のモータ１３にはそれぞれドライバ１２が設けられている。そして各軸に共通に、交流であるモータ用電源を直流に変換するモータ駆動電源１１が設けられており、各ドライバは、モータ駆動電源１１から直流電力の供給を受け、ロボットコントローラからの指令に基づいて対応するモータ１３を駆動する。

モータ用電源とモータ駆動電源１１との間には、安全回路２０が設けられている。この安全回路２０は、ロボットの安全な動作を保証するためにロボットに一般的に設けられるものであり、モータ用電源からモータ駆動電源１１に電力を供給するラインに設けられてこの電力の供給を遮断する遮断スイッチ２１と、遮断スイッチ２１を制御する安全制御部２２を備えている。安全回路２０は、ロボットが安全であると確認できるときにのみモータ駆動電源１１に電力を供給するように構成されている。安全制御部２２には、操作スイッチからの信号や異常時遮断信号が入力している。安全制御部２２は、操作スイッチによってロボットの動作が指示されたときに遮断スイッチ２１を閉じてモータ駆動電源に電力を供給するとともに、緊急時遮断信号が入力したときには即時に遮断スイッチ２１を開放してモータ駆動電源１１への電力の供給を停止し、全軸のモータ１３を停止させる。さらに安全制御部２２は、安全回路２０の状態を示す安全回路モニタ信号を外部に出力する。モータ駆動電源２０及び安全回路２０は、ロボットに接続してロボットを制御するロボットコントローラの内部に設けられている。

安全回路２０はロボットの安全に直結する回路なので、各種の安全規格に準拠した信頼性の高い回路である。また、モータ１３への電力が遮断されたときは、各軸の電磁ブレーキ３１はモータ軸をロックするように動作しなければならない。そこで、本実施形態では、特許文献２に示すような従来のブレーキ駆動制御回路でのハイサイドスイッチの代わりに安全回路２０内の遮断スイッチ２１を使用する。このことは、モータ駆動電源１１を電磁ブレーキ３１の電源として使用することを意味し、モータ駆動電源１１が不動作となってモータ１３が非駆動状態となったときに、電磁ブレーキ３１はモータ軸を確実にロックすることができる。しかしながら、モータ駆動電源１１を電磁ブレーキ３１の駆動電源として用いただけでは、安全規格に定められた「モータを駆動するための電源が失われている状態においてもブレーキを解除できる」という要件を満たすことができない。そこで本実施形態では、モータ１３を駆動するための電源が失われているときであっても電磁ブレーキ３１を解除できるようにするため、モータ駆動電源１１とは別個にブレーキ用電源を用意する。モータを駆動するための電源が失われているときに電磁ブレーキ３１を解除するのは緊急時であり、その場合、ロボットに設けられている全ての軸の電磁ブレーキ３１を同時に解除することはなく、ブレーキ解除が必要な軸について、１軸ずつ電磁ブレーキ３１を解除することになる。したがって、ブレーキ用電源に求められる容量は、高々１軸の電磁ブレーキ３１を解除できるだけの容量であり、このため、ブレーキ用電源としては、ロボットコントローラ内の制御回路（不図示）のためにモータ駆動電源１１とは別個に設けられる電源を使用することができる。

ブレーキ用電源で電磁ブレーキ３１を駆動するときは、安全回路２０内の遮断スイッチ２１をハイサイドスイッチの代わりに使用することはできないから、特許文献２に示す回路と同様に、モータ１３ごとに独立したハイサイドスイッチを設ける必要がある。また、モータ駆動電源１１と
ブレーキ用電源とは分離されなければならない。そこで、本実施形態のブレーキ駆動制御回路は、電磁ブレーキ３１の両端をそれぞれ接続点３３，３４として、接続点３４と接地点との間にローサイドスイッチとして設けられるトランジスタＴｒ１と、ブレーキ用電源に接続するハイサイドスイッチとして設けられるトランジスタＴｒ２と、モータ駆動電源１１と接続点３３との間に設けられる逆電圧阻止用のダイオードＤ１と、トランジスタＴｒ２と接続点３３との間に設けられる逆電圧阻止用のダイオードＤ２と、から構成される。このブレーキ駆動制御回路の構成では、遮断スイッチ２１はロボット内の全ての電磁ブレーキ３１に共通に設けられるが、トランジスタＴｒ１，Ｔｒ２及びダイオードＤ１，Ｄ２は電磁ブレーキ３１ごとに設けられることになる。トランジスタＴｒ１は例えばＮチャネルのＦＥＴであって、そのゲートにはブレーキ信号が供給され、トランジスタＴｒ２は例えばＰチャネルのＦＥＴであって、そのゲートには緊急時ブレーキ信号が供給される。ここでモータ駆動電源１１は第１電源に相当し、ブレーキ用電源は第２電源に相当し、トランジスタＴｒ１は第１スイッチング素子に相当し、トランジスタＴｒ２は第２スイッチング素子に相当し、ダイオードＤ１は第１整流素子に相当し、ダイオードＤ２は第２整流素子に相当する。ここでは第１及び第２スイッチング素子としてそれぞれＮチャネル及びＰチャネルのＦＥＴを使用しているが、各スイッチング素子に使用されるデバイスはこれに限定されるものではない。

本実施形態の回路では、モータ１３の駆動に伴って電磁ブレーキ３１を解除する場合には、ロボットの軸の数に比例した電流を供給する必要があり、そのため、一般的に大容量であるモータ駆動電源１１を使用する。モータ１３が駆動されない状態で緊急時に電磁ブレーキ３１を解除するときには、１軸分の電磁ブレーキ３１の解除に必要な容量たけを有していればよい。モータ駆動電源１１の電圧を第１回路電圧とし、ブレーキ用電源の電圧Ｖｃｃを第２回路電圧とすれば、第１回路電圧と第２回路電圧とは異なっており、第２回路電圧は第１回路電圧よりも低い電圧とすることができる。第２回路電圧が第１回路電圧よりも低く、かつ、トランジスタＴｒ２を流れる必要がある電流は１軸分の電磁ブレーキ３１を駆動するために電流であるから、ハイサイドスイッチであるトランジスタＴｒ２として、耐電圧が低くかつ小型であるデバイスを使用することができ、その駆動回路も小型のものとすることができる。

さらに図１に示すブレーキ駆動制御回路は、電磁ブレーキ３１の駆動電圧をモニタしてトランジスタＴｒ１，Ｔｒ２の故障検出を行なうために、モニタ回路４１，４２と故障検出回路４５とを備えている。モニタ回路４１は、トランジスタＴｒ１と電磁ブレーキ３１との接続点である接続点３４に接続してＴｒ１モニタ信号を出力し、モニタ回路４２は、トランジスタＴｒ２とダイオードＤ２の接続点３５に接続してＴｒ２モニタ信号を出力する。モニタ回路４１，４２は、例えば、抵抗分圧回路、レベルシフト回路、フォトカプラなどで構成することができる。図示したものでは、モニタ回路４１，４２の各々は、２本の抵抗を直列に接続しその中点からモニタ信号を出力する抵抗分圧回路によって構成されている。Ｔｒ１モニタ信号とＴｒ２モニタ信号は、故障検出回路４５に入力する。

次に、図１に示したブレーキ駆動制御回路の動作について、図２に示す状態遷移図を用いて説明する。ここでスタンバイ状態とは、ロボットコントローラ内の制御回路（不図示）にのみ通電されてモータ駆動電源１１には電力が供給されていない状態であり、モータ１３はフリー状態あるいはダイナミックブレーキ状態にある状態である。スタンバイ状態では、電磁ブレーキ３１には電流は供給されず、電磁ブレーキ３１によってモータ軸はロックされている。ローサイドスイッチであるトランジスタＴｒ１はＯｆｆ（オフ）状態（遮断状態）のままである。これに対し、サーボＯｎ（オン）状態とは、モータ駆動電源１１に電力が供給されてモータ１３がサーボ駆動される状態（サーボロック状態）であり、このとき、電磁ブレーキ３１は通電してブレーキ解除（リリース）状態となっている。

通常の動作において、スタンバイ状態では、モニタ回路４１，４２を用いてトランジスタＴｒ１，Ｔｒ２の故障検出を行なう。電磁ブレーキ３１は、非常に短いパルスを通電した場合には動作しないから、一定の周期（例えば１００ミリ秒）で非常に短いパルス（例えば０．５ミリ秒）を故障検出回路４５からトランジスタＴｒ２に印加してトランジスタＴｒ２を駆動し、故障を監視する。パルスの印加に対応してＴｒ１モニタ信号の電圧がパルス状にハイレベルに変化しなければ、トランジスタＴｒ１がＯｆｆ状態にならない、すなわち故障している、あるいはモニタ回路４１の故障と判断できる。一方、パルスの印加に対応してＴｒ２モニタ信号の電圧がパルス状にハイレベルに変化しなければ、トランジスタＴｒ２がＯｎ状態（導通状態）にならない、すなわち故障している、あるいはモニタ回路４２の故障と判断できる。いずれの故障が検出された場合であっても、故障検出回路４５は故障検出信号を出力し、故障検出信号は、緊急時遮断信号の１つとして安全回路２０に供給される。これにより、故障が検出された場合には、サーボＯｎ状態に遷移することが禁止され、エラー状態に移行する。

ユーザによってロボットの操作スイッチが操作されることにより、スタンバイ状態からサーボＯｎ状態への遷移が起こる。サーボＯｎ状態への遷移では、操作スイッチの操作により安全回路２０において遮断スイッチ２１が導通状態となり、モータ駆動電源１１に電力が供給される。この段階では、ブレーキ信号によってトランジスタＴｒ１はＯｆｆ状態のままとされる。また、スタンバイ状態で行なっていたトランジスタＴｒ１，Ｔｒ２の故障検出動作を停止する。ロボットコントローラ内の制御回路（不図示）は、安全回路も似た信号によってサーボＯｎ状態への遷移指令を検出する。なおこの段階で、Ｔｒ１モニタ信号がハイレベルとならなければ、トランジスタＴｒ１がＯｆｆ状態にならない故障である、電磁ブレーキ３１それ自体の未接続（あるいは断線）である、及び、モニタ回路４１が故障である、のいずれかであると判定され、故障検出回路４５は故障検出信号を送出する。

サーボＯｎ状態への遷移において、エラー（例えば故障検出回路４５による故障の検出）がなければ、ロボットはサーボＯｎ状態となる。サーボＯｎ状態では、電磁ブレーキ３１を解除するために、ブレーキ信号により、トランジスタＴｒ１をＯｎ状態に駆動する。このとき、トランジスタＴｒ１は、常時Ｏｎ状態となるように駆動してもよいが、省電力を達成するためにパルス幅変調（ＰＷＭ）で駆動することが好ましい。図３は、電磁ブレーキ３１に加わる電圧を説明する図である。電磁ブレーキ３１がモータ軸をロックしている状態をブレーキクランプ状態と呼ぶ。ブレーキクランプ状態からブレーキ解除状態に移行するためには、電磁ブレーキ３１のソレノイドに比較的大きな電圧を加えて電磁ブレーキ３１内のアクチュエータ（不図示）を動かす必要がある。これを吸引動作と呼ぶ。ひとたびアクチュエータがブレーキ解除状態での位置に動いた後にブレーキ解除状態を維持するためには、吸引動作のときよりも小さな電圧を加え続ければよい。これを保持動作と呼ぶ。そしてブレーキを動作させてブレーキクランプ状態とするためには、ブレーキ電圧をゼロにすればよい。実際には、トランジスタＴｒ１の故障判定などのために、ブレーキクランプ状態でも電磁ブレーキ３１が解除されないようなわずかな電流を流すようにする。本実施形態では、トランジスタＴｒ１をＰＷＭ駆動することにより、電磁ブレーキ３１に加わる平均電圧が吸引動作での値、保持動作での値、あるいはブレーキクランプ状態での値のいずれかになるようにして、電磁ブレーキ３１の動作及び解除を行なっている。省電力を目的としない場合であっても、電磁ブレーキ３１の定格電圧よりもモータ駆動電源１１の電圧の方が高い場合には、ＰＷＭ駆動を行なうようにする。なお故障検出のため、サーボＯｎ状態においてトランジスタＴｒ１を常時Ｏｎ状態とするときは、電磁ブレーキが応答しないような短いパルスであるテストパルスを交えてトランジスタＴｒ１を駆動する。

故障検出回路４５は、トランジスタＴｒ１の駆動に同期してＴｒ１モニタ信号を監視する。このとき、トランジスタＴｒ１の駆動に同期してモニタ信号がハイレベルとならない場合には、故障検出回路４５は、トランジスタＴｒ１がＯｆｆ状態にならない故障である、電磁ブレーキ３１それ自体の未接続（あるいは断線）である、及び、モニタ回路４１が故障である、のいずれかであると判定し、故障検出信号を出力する。同様に、トランジスタＴｒ１の駆動に同期してモニタ信号がローレベルとならない場合には、故障検出回路４５は、トランジスタＴｒ１がＯｎ状態にならない故障であると判定し、故障検出信号を出力する。いずれの故障を検出した場合であっても、あるいはロボットコントローラに対して非常停止が指示された場合であっても、安全回路２０には異常時遮断信号が入力され、遮断スイッチ２１が遮断状態となり、エラー状態に移行する。エラー状態に移行したときは直ちに電磁ブレーキ３１を作動させる必要があるが、モータ駆動電源１１の出力側には一般に大容量のコンデンサが設けられているので、遮断スイッチ２１が遮断状態となってもモータ駆動電源１１の出力電圧が直ちにゼロになるとは限らない。このとき仮に故障のためにトランジスタＴｒ１がＯｆｆ状態に移行しないとすると電磁ブレーキ３１がモータ軸をロックしないこととなって危険である。そこで、サーボＯｎ状態からエラー状態に移行するときは、モータ１３にＤ軸電流を流す、あるいは回生電圧放電用抵抗を用いるなどして強制放電を行い、モータ駆動電源１１の出力電圧を強制的にゼロとし、ブレーキの作動を早めることができる。

エラーの発生がないまま、操作スイッチの操作などによってロボットの通常停止が指示されると、サーボＯｎ状態からスタンバイ状態への遷移が起こる。この遷移はサーボＯｆｆ状態への遷移である。サーボＯｆｆ状態への遷移では、操作スイッチの操作などによって遮断スイッチ２１がＯｆｆ状態とされ、ロボットコントローラ内の制御回路（不図示）は、安全回路２０からの安全回路モニタ信号によりスタンバイ状態への遷移指令を検出する。また、サーボＯｆｆ状態への遷移では、トランジスタＴｒ１がＯｆｆ状態にされ、テストパルスによるスタンバイ状態でのエラー検出を有効にして、スタンバイ状態に移行する。

次に、緊急時の動作について説明する。人や物が挟まれた状態でサーボ機構が故障した場合などを想定して、安全規格にも定められるように、モータ１３を駆動するための電源が失われている状態においても電磁ブレーキ３１を解除できる機能が設けられる。本発明のブレーキ駆動制御装置では、上述したように、ブレーキ用電源とトランジスタＴｒ２とを利用してこの機能を実現しており、ロボットコントローラに接続する操作ペンダント（不図示）からのブレーキ操作コマンドの入力、あるいはロボットの各軸ごとに設けられたブレーキ操作スイッチの操作によって、ブレーキ用電源からの電力によって電磁ブレーキ３１が解除される。この緊急時のブレーキ解除操作は、安全回路２０内の遮断スイッチ２１がＯｆｆ状態であり、かつ、モータ駆動電源がＯｆｆ状態のときに実行可能である。

図２の状態遷移図に示すように、ブレーキ解除スイッチ操作あるいはブレーキ解除コマンドＯｎによって、ブレーキ解除の準備の段階に移行する。この段階では、緊急時ブレーキ信号によって、ブレーキ用電源に接続するトランジスタＴｒ２がＯｎ状態にされる。次に、上述のサーボＯｎ状態のときと同様に、ＰＷＭ駆動によりトランジスタＴｒ１をＯｎ状態とし、あるいはテストパルスを交えてトランジスタＴｒ１をＯｎ状態とす
る。これにより電磁ブレーキ３１に電流が流れ、ブレーキが解除される。ブレーキ用電源の電圧Ｖｃｃはモータ駆動電源１１の出力電圧よりも低い場合には、トランジスタＴｒ１をＰＷＭ駆動とするか常時Ｏｎとするかは、電磁ブレーキ３１の仕様と電圧Ｖｃｃとに依存する。ＰＷＭ駆動を行なうときは、トランジスタＴｒ２をＰＷＭ駆動し、トランジスタＴｒ１を常時Ｏｎ状態としてもよい。故障検出回路４５は、上述と同様にトランジスタＴｒ１の駆動と同期してＴｒ１モニタ信号に基づいてトランジスタＴｒ１の故障を検出しており、故障を検出した場合にはロボットはエラー状態に遷移する。このエラー状態では、トランジスタＴｒ２がＯｆｆ状態とされてブレーキ解除操作が禁止される。

緊急時のブレーキ解除操作では、ブレーキ解除の状態が一定時間経過したら電磁ブレーキ３１への通電を終了することにより、ロボットの自重などにより軸が落下することを防止する。したがって、ブレーキ解除スイッチがＯｆｆにされたとき、ブレーキ解除コマンドがＯｆｆにされたとき、及び設定時間が経過したときに、ロボットはブレーキ解除状態から元のスタンバイ状態に戻る。

［本実施形態の効果］上述した本実施形態によれば、通常時にはハイサイドスイッチを介さずにモータ駆動電源１１からの電力により電磁ブレーキ３１を解除し、モータ１３の駆動のための電源が失われたときには比較低い電圧かつ小さな容量のブレーキ用電源からの電力で電磁ブレーキ３１を解除できるようにしたので、ハイサイドスイッチやそのための駆動回路を小規模かつ低耐圧のものとすることができて、安全性を損なうことなくコストを削減することができる。また、モニタ回路４１，４２及び故障検出回路４５を設けることにより、電磁ブレーキ３１の解除のためのスイッチング素子であるトランジスタＴｒ１，Ｔｒ２の故障を確実に検出でき、安全性をさらに高めることができる。

［発明の別の実施形態］図４は、本発明の別の実施形態のブレーキ駆動制御回路を示している。図４に示すブレーキ駆動制御回路は、図１に示す回路におけるモニタ回路４１，４２を取り除き、その代わりに抵抗Ｒとフォトカプラ４３を設けたものである。抵抗Ｒとフォトカプラ４３内の発光素子とが直列に接続し、この直列接続体の両端は、それぞれ、電磁ブレーキ３１の両端（接続点３３，３４）に接続している。フォトカプラ４３内の受光素子側からの検出信号が故障検出回路４５に入力している。この抵抗Ｒ及びフォトカプラ４３からなる構成は、特許文献２において故障検出に用いられる構成と同じものであり、トランジスタＴｒ１とトランジスタＴｒ２とを別個にＯｎ状態としたときと同時にＯｎ状態にしたときの検出信号の変化に基づいて故障検出を行なうものである。図４に示す構成では、図１に示す回路で説明したものと同様の手順によって故障検出を行なうが、ブレーキ解除状態におけるテストパルスによっては、トランジスタＴｒ１での故障の検出を行うことができない。ブレーキ解除に際してトランジスタＴｒ１をＰＷＭ駆動するのであれば、電磁ブレーキ３１における電流不連続の許容範囲及びフォトカプラ４３の動作点を適切に設定することによっては、ブレーキ解除中にトランジスタＴｒ１の故障を検出できる。

［本実施形態の効果］この実施形態においても、ハイサイドスイッチやそのための駆動回路を小規模かつ低耐圧のものとすることができて、安全性を損なうことなくコストを削減することができる。さらに本実施形態では、フォトカプラを用いるという簡素な構成により、電磁ブレーキ３１の解除のためのスイッチング素子であるトランジスタＴｒ１，Ｔｒ２の故障を検出でき、安全性をさらに高めることができる。

（参考例１）本願発明の他の実施例として、通電することによりブレーキを解除する電磁ブレーキを制御するブレーキ駆動制御回路であって、第１回路電圧の第１電源と前記電磁ブレーキの一方の端子との間に設けられた第１整流素子と、前記第１電源を動作させるために前記第１電源に電力を供給するラインに挿入された遮断スイッチと、前記電磁ブレーキの他方の端子と接地点との間に設けられた第１スイッチング素子と、前記第１回路電圧とは異なる第２回路電圧の第２電源と前記電磁ブレーキの前記一方の端子との間で直列に設けられた第２スイッチング素子及び第２整流素子と、を有するブレーキ駆動制御回路。

（参考例２）本願発明の他の実施例として、前記第２回路電圧は前記第１回路電圧よりも低い、請求項１に記載のブレーキ駆動制御回路。

（参考例３）前記第１電源は前記電磁ブレーキによるブレーキ動作の対象であるモータを駆動する電源であり、前記遮断スイッチは前記モータに対する安全回路に設けられている、参考例１または２に記載のブレーキ駆動制御回路。

（参考例４）前記電磁ブレーキの前記一方の端子及び前記他方の端子の電圧を監視するモニタ手段を備える、参考例１乃至３のいずれか１項に記載のブレーキ駆動制御回路。

（参考例５）前記モニタ手段は、前記電磁ブレーキの前記他方の端子と前記第１スイッチング素子との接続点の電圧を検出する第１モニタ回路と、前記第２スイッチング素子と前記第２整流素子との接続点の電圧を検出する第２モニタ回路と、を有する、参考例４に記載のブレーキ駆動制御回路。

（参考例６）前記電磁ブレーキの両端間の電圧を監視する回路を有するモニタ手段を備える、参考例１乃至３の記載のブレーキ駆動制御回路。

（参考例７）前記モニタ手段での監視結果に基づいて故障検出信号を出力し、前記遮断スイッチを開放状態に維持させる故障検出回路をさらに有する参考例４乃至６のいずれか１項に記載のブレーキ駆動制御回路。

（参考例８）前記故障検出信号が出力されたときに前記第１電源の出力を強制的に放電させる、参考例７に記載のブレーキ駆動制御回路。

（参考例９）前記遮断スイッチが開放しかつ前記第１電源が非動作であるときに、ブレーキ解除スイッチの操作またはブレーキ解除コマンドの入力に基づき前記第１スイッチング素子及び前記第２スイッチング素子が動作状態とされて前記電磁ブレーキが解除される、参考例１乃至８のいずれか１項に記載のブレーキ駆動制御回路。

（参考例１０）前記電磁ブレーキの解除状態を維持するときに前記電磁ブレーキに加わる電圧が前記電磁ブレーキを解除状態に移行させるときに前記電磁ブレーキに加わる電圧よりも低くなるように、前記第１スイッチング素子をＰＷＭ駆動する、参考例１乃至９のいずれか１項に記載のブレーキ駆動制御回路。

（参考例１１）第１回路電圧の第１電源と電磁ブレーキの一方の端子との間に設けられた第１整流素子と、前記電磁ブレーキの他方の端子と接地点との間に設けられた第１スイッチング素子と、前記第１回路電圧とは異なる第２回路電圧の第２電源と前記電磁ブレーキの前記一方の端子との間で直列に設けられた第２スイッチング素子及び第２整流素子と、を有し、通電することによりブレーキを解除する前記電磁ブレーキを制御するブレーキ駆動制御回路における故障検出方法であって、前記第１電源が非動作であるときに前記電磁ブレーキが応答しない長さのパルスを用いて前記第２スイッチング素子を駆動し、前記電磁ブレーキの前記他方の端子と前記第１スイッチング素子との接続点の電圧と、前記第２スイッチング素子と前記第２整流素子との接続点の電圧とを監視する、故障検出方法。

（参考例１２）前記電磁ブレーキを解除しているときに前記第１スイッチング素子をＰＷＭ駆動し、前記ＰＷＭ駆動に同期して前記電磁ブレーキの前記他方の端子と前記第１スイッチング素子との接続点の電圧を監視する、参考例１１に記載の故障検出方法。

１１…モータ駆動電源、１３…モータ、２０…安全回路、２１…遮断スイッチ、２２…安全制御部、４１，４２…モニタ回路、４３…フォトカプラ、４５…故障検出回路、Ｄ１，Ｄ２…ダイオード（整流素子）、Ｔｒ１，Ｔｒ２…トランジスタ。

Claims

通電することによりブレーキを解除する電磁ブレーキを制御するブレーキ駆動制御回路であって、
第１回路電圧の第１電源と前記電磁ブレーキの一方の端子との間に設けられた第１整流素子と、
前記第１電源を動作させるために前記第１電源に電力を供給するラインに挿入された遮断スイッチと、
前記電磁ブレーキの他方の端子と接地点との間に設けられた第１スイッチング素子と、前記第１回路電圧とは異なる第２回路電圧の第２電源と前記電磁ブレーキの前記一方の端子との間で直列に設けられた第２スイッチング素子及び第２整流素子と、を有し、
前記第２回路電圧は前記第１回路電圧よりも低い、ブレーキ駆動制御回路。
通電することによりブレーキを解除する電磁ブレーキを制御するブレーキ駆動制御回路であって、
第１回路電圧の第１電源と前記電磁ブレーキの一方の端子との間に設けられた第１整流素子と、
前記第１電源を動作させるために前記第１電源に電力を供給するラインに挿入された遮断スイッチと、
前記電磁ブレーキの他方の端子と接地点との間に設けられた第１スイッチング素子と、前記第１回路電圧とは異なる第２回路電圧の第２電源と前記電磁ブレーキの前記一方の端子との間で直列に設けられた第２スイッチング素子及び第２整流素子と、を有し、
前記第１電源は前記電磁ブレーキによるブレーキ動作の対象であるモータを駆動する電源であり、前記遮断スイッチは前記モータに対する安全回路に設けられている、ブレーキ駆動制御回路。
前記請求項１乃至２のいずれか１項に記載のブレーキ駆動制御回路は、
前記電磁ブレーキの前記他方の端子と前記第１スイッチング素子との接続点の電圧を検出する第１モニタ回路と、前記第２スイッチング素子と前記第２整流素子との接続点の電圧を検出する第２モニタ回路と、を備える、前記電磁ブレーキの前記一方の端子及び前記他方の端子の電圧を監視するモニタ手段を有する。
前記遮断スイッチが開放しかつ前記第１電源が非動作であるときに、ブレーキ解除スイッチの操作またはブレーキ解除コマンドの入力に基づき前記第１スイッチング素子及び前記第２スイッチング素子が動作状態とされて前記電磁ブレーキが解除される、請求項１乃至３のいずれか１項に記載のブレーキ駆動制御回路。