ロボットシステム
【課題】モータの駆動を制御する駆動制御手段の制御内容を変更することなく、高トルク運転時にモータに対して十分な電力を供給することができるとともに、減速動作時にモータから生じる回生エネルギーを有効利用することを可能とする。
【解決手段】昇降圧回路２９は、入力電圧を昇圧して出力する昇圧動作、入力電圧を降圧して出力する降圧動作、入力電圧の供給が遮断する電源遮断動作などを実行する。電源制御部２６は、バス電圧の検出値に基づいて、モータＭが加速動作状態であると判断される期間には昇圧動作を実行し、減速動作状態であると判断される期間には電源遮断動作を実行し、それらの期間を除く期間には降圧動作を実行するように昇降圧回路２９の動作を制御する。
【解決手段】昇降圧回路２９は、入力電圧を昇圧して出力する昇圧動作、入力電圧を降圧して出力する降圧動作、入力電圧の供給が遮断する電源遮断動作などを実行する。電源制御部２６は、バス電圧の検出値に基づいて、モータＭが加速動作状態であると判断される期間には昇圧動作を実行し、減速動作状態であると判断される期間には電源遮断動作を実行し、それらの期間を除く期間には降圧動作を実行するように昇降圧回路２９の動作を制御する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ロボットの各軸を駆動するためのモータから減速動作時に回生するエネルギーを消費するための回生消費回路を備えたロボットシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
ロボットの各関節（各軸）は、それぞれモータにより駆動されるようになっており、これらモータは、コントローラに内蔵されるモータアンプ（駆動手段）により駆動される。このモータアンプは、例えばインバータ回路を主体として構成されており、電源回路から一対の電源線を介して与えられる直流電圧（バス電圧）を所定の周波数を持つ交流電圧に変換してモータへの電力供給を行う。
【０００３】
このような構成において、モータを減速動作させる際にはモータ側からモータアンプ側にエネルギーが回生され、これに伴いバス電圧が上昇する。このため、コントローラには、電源線に接続される各回路素子（インバータ回路のスイッチング素子、電源線間に接続されるコンデンサなど）の定格を超えてバス電圧が上昇しないように、上記回生されたエネルギー（回生エネルギー）を熱エネルギーに変換して放出する回生消費回路が設けられている。
【０００４】
回生消費回路では、電源線間に直列に設けられた回生抵抗に回生電流を流すことで、回生エネルギーを熱エネルギーに変換している。つまり、回生エネルギーは、有効利用されることなく、回生消費回路により消費されていた。ロボットシステム全体としての省エネルギー化を図るため、上記回生エネルギーを有効に利用したいという要望がある。また、一方では、例えばモータの加速動作時など、高速運転時においても高いトルクを発生させたいという要望もある。高速運転時に高いトルクを発生するためには、それに見合うだけの高い電力をモータに供給する必要がある。
【０００５】
特許文献１には、モータの加速時の手前の時点で出力電圧を上げ、モータの減速時の手前の時点で出力電圧を下げるコンバータ回路を備えたインバータ装置が開示されている。上記出力電圧の上昇および下降のタイミングについては、モータを制御するプログラムまたはパラメータにより指定される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第３９７４８９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１に記載された構成をロボットシステムに用いる場合、次のような問題が生じる。すなわち、ロボットシステムでは、各軸に対応する複数のモータの駆動を制御する駆動制御手段が設けられる。その駆動制御手段による制御（メイン制御）により、ロボットの手先位置が高精度に制御される。特許文献１記載の技術をロボットシステムに適用することを考える場合、出力電圧の上昇および下降（昇圧および降圧）のタイミングを決定するため、上記駆動制御手段によるメイン制御の内容を変更する必要が生じる。
【０００８】
このようなモータの駆動制御に関するメイン制御の内容を変更することは、非常に煩雑な作業を伴うことになり、開発コストの増加に繋がる。また、その変更作業が行われる際に、変更に伴うミスが原因で上記手先位置の制御に誤差が生じる可能性もある。このような理由から、上記特許文献１記載の技術をロボットシステムに適用することは難しい。
【０００９】
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、モータの駆動を制御する駆動制御手段の制御内容を変更することなく、高トルク運転時にモータに対して十分な電力を供給することができるとともに、減速動作時にモータから生じる回生エネルギーを有効利用することができるロボットシステムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
請求項１に記載の手段によれば、ロボットの各軸を駆動するためのモータは、駆動手段によって駆動される。この駆動手段は、電源回路から出力電源線および基準電源線を介して与えられる出力電圧の供給を受けて動作する。そして、駆動制御手段は、モータの回転速度を回転速度指令に一致させるように駆動手段によるモータの駆動をフィードバック制御する。また、出力電源線および基準電源線間には、回生スイッチ手段および回生抵抗の直列回路からなる回生消費回路が設けられている。そして、回生制御手段は、上記出力電圧を検出する出力電圧検出手段の検出値が回生消費電圧値未満のときにあっては回生スイッチ手段をオフし、上記検出値が回生消費電圧値以上のときにあっては回生スイッチ手段をオンする。
【００１１】
このような構成において、減速動作時にモータから回生されるエネルギー（回生エネルギー）は、出力電源線および基準電源線間に接続されたコンデンサに静電エネルギーとして蓄積される。つまり、モータの減速動作時には、回生エネルギーによりコンデンサが充電され、コンデンサの端子間電圧である出力電圧が上昇する。そして、出力電圧（出力電圧検出手段の検出値）が回生消費電圧値以上になると、回生消費回路の回生抵抗に電流を流すことで回生エネルギーを熱エネルギーとして放出し、出力電圧が回生消費電圧値未満になるようにその電圧上昇が抑えられる。
【００１２】
電源回路は、昇圧動作、降圧動作および電源遮断動作を選択的に実行するものであり、インダクタ、第１のスイッチ手段、第１のダイオード、第２のスイッチ手段、および第２のダイオードを備えている。第１のスイッチ手段は、入力電源線とインダクタの一方の端子との間に接続されている。第１のダイオードは、インダクタの一方の端子と基準電源線との間に、基準電源線側をアノードとして接続されている。第２のスイッチ手段は、インダクタの他方の端子と基準電源線との間に接続されている。第２のダイオードは、インダクタの他方の端子と出力電源線との間に、インダクタの他方の端子をアノードとして接続されている。
【００１３】
電源回路が昇圧動作を実行する際には、電源制御手段により、第１のスイッチ手段がオンされた状態で、第２のスイッチ手段がスイッチング（チョッパ）される。これにより、電源回路は、入力電源線および基準電源線を介して与えられる入力電圧を昇圧して出力電源線および基準電源線を介して出力する昇圧コンバータとして機能する。電源回路が降圧動作を実行する際には、電源制御手段により、第２のスイッチ手段がオフされた状態で、出力電圧検出手段の検出値が降圧値となるように第１のスイッチ手段がスイッチング（チョッパ）される。なお、降圧値は、入力電圧の値よりも低い所定値である。これにより、電源回路は、入力電圧を降圧して出力する降圧コンバータとして機能する。電源回路が電源遮断動作を実行する際には、第１のスイッチ手段および第２のスイッチ手段がオフされる。これにより、電源回路に対する入力電圧の供給が遮断された状態となり、その出力電圧の供給先である駆動手段に対する新たな電力供給は停止される。
【００１４】
電源制御手段は、出力電圧検出手段の検出値に応じて電源回路の動作を制御する。具体的には、電源制御手段は、最初に降圧動作を実行するように電源回路の動作を制御する。電源回路が降圧動作を実行する場合、出力電圧は通常の電圧値（入力電圧の値にほぼ等しい電圧値）よりも低い降圧値まで降圧される。
【００１５】
さて、モータの加速動作が開始されると、モータにおける電力消費が多くなるため、出力電圧（出力電圧検出手段の検出値）は、定常値（この場合、降圧値）から次第に低下する。そして、モータの加速動作が終了すると、モータにおける電力消費が少なくなるため、出力電圧の低下は収まる。本手段では、このようなモータの動作状態と出力電圧との関係に着目し、以下のように、加速動作期間と、それ以外の期間（非動作期間、等速動作期間、減速動作期間）とにおいて、電源回路の動作状態を切り替える。
【００１６】
すなわち、電源制御手段は、降圧動作の実行中、出力電圧検出手段の検出値が降圧値より低い所定の加速開始判定値を下回ると、昇圧動作を実行するように電源回路の動作を制御する。なお、昇圧動作は、降圧動作が再開される時点（後述する）までの期間だけ実行されることになる。これにより、加速動作が開始されたと考えられる時点から電源回路が昇圧動作を実行する。電源回路が昇圧動作を実行する場合、入力電圧を昇圧した出力電圧が駆動手段に供給される。このため、駆動手段は、比較的高い出力電圧の供給を受けてモータを駆動することができる。従って、電源回路が昇圧動作を実行することで、高いトルクを得るために十分な電力をモータに供給することが可能となる。これにより、例えばモータの高速回転状態のときにおいても高いトルクを出すことが可能になる。
【００１７】
このとき、電源回路から出力される出力電圧は、昇圧動作により昇圧されるものの、モータの加速動作に伴う電力消費が多いため、その上昇の傾きは非常に緩やかなものとなる。その後、モータの加速動作が終了すると、モータにおける電力消費が少なくなるため、出力電圧は昇圧動作により急激に上昇する。このようなことを踏まえ、電源制御手段は、昇圧動作の実行中、出力電圧検出手段の検出値が入力電圧の値より高い所定の加速終了判定値を上回ると、降圧動作を実行するように電源回路の動作を制御する。これにより、加速動作が終了されたと考えられる時点から電源回路が再び降圧動作を実行する。
【００１８】
電源回路が降圧動作を実行した状態において、モータの減速動作が行われると、回生エネルギーにより上昇する出力電圧（コンデンサの端子間電圧）が回生消費電圧値に達するまでにコンデンサに蓄積可能なエネルギー量は、出力電圧を通常の電圧値にした場合（従来の構成）に比べると、通常の電圧値と降圧値との差に応じた量だけ多くなる。すなわち、コンデンサの空き容量を従来の構成に比べて増加させることで、減速動作時にコンデンサにより多くのエネルギーを蓄積することが可能となる。
【００１９】
このように、出力電圧を降圧値まで低下させることによって、減速動作時にコンデンサの端子間電圧が回生消費電圧値まで上昇しなければ、回生エネルギーを全て有効利用することができる。また、減速動作時にコンデンサの端子間電圧が回生消費電圧値まで上昇する場合でも、出力電圧を通常の電圧値にした場合に比べると、回生消費回路の動作時間を短くすることができるため、回生消費回路により消費されるエネルギー（無駄になるエネルギー）を低減し、残りの回生エネルギーを有効利用することが可能となる。
【００２０】
さて、モータの減速動作が開始されると、モータからの回生エネルギーに起因してコンデンサの端子間電圧である出力電圧は、定常値（降圧値）から上昇する。そして、モータの減速動作が終了すると、回生エネルギーが無くなるため、出力電圧の上昇は収まる。本手段では、このようなモータの動作状態と出力電圧との関係に着目し、以下のように、減速動作期間において電源回路の動作状態を切り替える。
【００２１】
すなわち、電源制御手段は、降圧動作の実行中、出力電圧検出手段の検出値が上昇すると、電源遮断動作を実行するように電源回路の動作を制御する。これにより、減速動作が開始されたと考えられる時点から電源回路が電源遮断動作を実行する。電源回路が電源遮断動作を実行すると、駆動手段に対する新たな電力供給が停止されるため、出力電圧の上昇が緩和される。これにより、上記した回生エネルギーを有効利用するという効果が一層高まる。その後、モータの減速動作が終了すると、回生エネルギーが無くなるため、出力電圧は低下に転じる。このようなことを踏まえ、電源制御手段は、電源遮断動作の実行中、出力電圧検出手段の検出値が低下すると、降圧動作を実行するように電源回路の動作を制御する。これにより、減速動作が終了されたと考えられる時点から電源回路が再び降圧動作を実行する。
【００２２】
上記したように、電源制御手段は、定常時（加速動作中であると考えられる期間を除く期間）において、出力電圧を通常の電圧値（入力電圧の値にほぼ等しい電圧値）よりも低い降圧値まで降圧するように電源回路の動作を制御する。これにより、出力電圧を通常の電圧値にした場合に比べ、コンデンサの空き容量が増加するので、減速動作時にコンデンサにより多くのエネルギーを蓄積することが可能となる。また、電源制御手段は、出力電圧検出手段の検出値に基づいて、モータが減速動作する期間中に電源回路に対する入力電圧の供給を遮断するように制御する。これにより、減速動作中、駆動手段（ひいてはモータ）に対する新たな電力供給が停止されて出力電圧の上昇が緩和されるため、回生エネルギーを有効利用する効果が一層高まる。
【００２３】
さらに、電源制御手段は、出力電圧検出手段の検出値に基づいて、モータが加速動作する期間中に出力電圧を昇圧するように電源回路の動作を制御する。これにより、モータの加速動作時に入力電圧を昇圧した出力電圧が駆動手段に供給され、高いトルクを出すことが本来的に必要となる加速動作時において、その高いトルクを得るために十分な電力をモータに供給することが可能となる。
【００２４】
このように、本手段によれば、直接的にモータの動作状態を判断することなく、出力電圧の検出値から間接的にモータの動作状態を判断し、その判断結果に基づいて、電源回路の動作状態を上記したように自動的に切り替える。そのため、本手段によれば、モータの駆動を制御する駆動制御手段の制御内容を変更することなく、高トルク運転時にモータに対して十分な電力を供給することができるとともに、減速動作時にモータから生じる回生エネルギーを有効利用することができる。
【００２５】
請求項２に記載の手段によれば、モータの異常を検出する異常検出手段を備えている。また、電源回路は、インダクタの一方の端子と出力電源線との間に接続される第３のスイッチ手段を備えている。電源制御手段は、異常検出手段によりモータの異常が検出されると、または、外部から緊急停止を指令する緊急停止指令が与えられると、以下のようにしてモータに対してダイナミックブレーキをかける。すなわち、電源制御手段は、そのときの電源回路の動作状態にかかわらず、第１のスイッチ手段をオフするとともに第２のスイッチ手段をオンし、さらに第３のスイッチ手段をオンする。これにより、モータの相間が第３のスイッチ手段、インダクタおよび第２のスイッチ手段を介して短絡された状態になる。また、一般に、スイッチ手段はオンの状態であっても抵抗値がゼロであることはなく、所定の抵抗（オン抵抗）を有しており、インダクタは所定の等価直列抵抗を有している。
【００２６】
すなわち、モータの相間が所定の抵抗を介して短絡された状態になり、モータに対してダイナミックブレーキがかけられた状態となる。通常、ダイナミックブレーキをかけるためには、出力電源線および基準電源線間に、ダイナミックブレーキ専用のスイッチ手段および抵抗を直列に設ける必要がある。本手段によれば、電源回路の各スイッチ手段およびインダクタを用いて、ダイナミックブレーキをかけることが可能となるため、ダイナミックブレーキ専用のスイッチ手段および抵抗を設ける必要がなくなり、その分だけ回路構成を簡単化し、コスト低減を図ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の一実施形態を示すロボットシステムの電気構成図
【図２】ロボットシステムの構成を概略的に示す図
【図３】回生消費回路の動作制御の内容を示すフローチャート
【図４】一連の動作を行う際の回転速度およびバス電圧を示す図
【図５】モータ制御の内容を等価的に示すブロック図
【図６】電源制御部の制御内容を示すフローチャート
【図７】一連の動作を行う際のバス電圧および各スイッチの状態を示す図
【図８】ダイナミックブレーキ制御が実行される際の図７相当図
【発明を実施するための形態】
【００２８】
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２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２に示すロボットシステム１は、ロボット２と、ロボット２を制御するコントローラ３と、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とから構成されている。
【００２９】
ロボット２は、例えば６軸の垂直多関節型ロボットとして構成されている。ロボット２は、ベース５と、ベース５に水平方向に回転可能に支持されたショルダ部６と、ショルダ部６に上下方向に回転可能に支持された下アーム７と、下アーム７に上下方向に回転可能に支持された第１の上アーム８と、第１の上アーム８に捻り回転可能に支持された第２の上アーム９と、第２の上アーム９に上下方向に回転可能に支持された手首１０と、手首１０に捻り回転可能に支持されたフランジ１１とから構成されている。
【００３０】
ベース５、ショルダ部６、下アーム７、第１の上アーム８、第２の上アーム９、手首１０およびフランジ１１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１１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。ベース５、ショルダ部６、下アーム７、第１の上アーム８、第２の上アーム９、手首１０およびフランジ１１は、ロボット２のアームとして機能する。ロボット２の各アーム（複数の軸）はそれぞれに対応して設けられるモータ（図１に符号Ｍを付して示す）により駆動される。各モータの近傍には、それぞれの回転軸の回転位置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。
【００３１】
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には、各種のキースイッチ１２が設けられており、使用者は、キースイッチ１２により種々の入力操作を行う。ティーチングペンダント４は、ケーブルを経由してコントローラ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１２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からコントローラ３へ送信される。
【００３２】
図１は、ロボットシステム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には、各軸をそれぞれ駆動するための複数のモータＭ（図１では１つのみ示す）が設けられている。モータＭは例えばブラシレスＤＣモータである。コントローラ３には、交流電源２０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回路２１、回生消費回路２２、モータＭを駆動するインバータ装置２３、電流検出部２４、位置検出部２５、直流電源回路２１の動作を制御する電源制御部２６およびこれら各装置の制御などを行うメイン制御部２７が設けられている。
【００３３】
直流電源回路２１は、整流回路２８、昇降圧回路２９および平滑用のコンデンサ３０から構成されている。整流回路２８は、ダイオードをブリッジの形態に接続してなる周知構成のものである。整流回路２８の交流入力端子には、例えば３相２００Ｖの交流電源２０の各相出力が与えられる。整流回路２８の直流出力端子は、それぞれ入力電源線３１および基準電源線３２に接続されている。
【００３４】
昇降圧回路２９（電源回路に相当）は、トランジスタＱ１、Ｑ２、インダクタＬ１、ダイオードＤ１、Ｄ２およびスイッチＳＷ１を備えている。トランジスタＱ１（第１のスイッチ手段に相当）は、Ｎチャネル型のパワーＭＯＳＦＥＴであり、そのドレインは入力電源線３１に接続され、そのソースはインダクタＬ１の一方の端子に接続されている。ダイオードＤ１（第１のダイオードに相当）は、インダクタＬ１の一方の端子と基準電源線３２との間に、基準電源線３２側をアノードとして接続されている。トランジスタＱ２（第２のスイッチ手段に相当）は、Ｎチャネル型のパワーＭＯＳＦＥＴであり、そのドレインはインダクタＬ１の他方の端子に接続され、そのソースは基準電源線３２に接続されている。
【００３５】
ダイオードＤ２（第２のダイオードに相当）は、インダクタＬ１の他方の端子と出力電源線３３との間に、インダクタＬ１の他方の端子側をアノードとして接続されている。スイッチＳＷ１（第３のスイッチ手段に相当）は、例えばリレーなどの機械式のスイッチであり、インダクタＬ１の一方の端子と出力電源線３３との間に接続されている。なお、スイッチＳＷ１は、例えばパワーＭＯＳＦＥＴやバイポーラトランジスタなど、半導体スイッチング素子により構成してもよい。出力電源線３３および基準電源線３２の間には、コンデンサ３０が接続されている。
【００３６】
昇降圧回路２９は、昇圧動作、降圧動作および非昇降圧動作のうち、いずれかの動作を実行するようになっている。昇圧動作は、入力電源線３１および基準電源線３２を介して与えられる入力電圧（整流回路２８から出力される直流電圧）を昇圧して出力電源線３３および基準電源線３２を介して出力するものである。降圧動作は、入力電圧を降圧して出力電源線３３および基準電源線３２を介して出力するものである。非昇降圧動作は、入力電圧を昇圧および降圧のいずれもすることなく出力電源線３３および基準電源線３２を介して出力するものである。また、昇降圧回路２９は、入力電圧の供給が遮断された電源遮断状態にすることが可能となっている（電源遮断動作）。
【００３７】
昇降圧回路２９による上記各動作は、トランジスタＱ１、Ｑ２の駆動状態およびスイッチＳＷ１の開閉状態に応じて切り替えられる。トランジスタＱ１、Ｑ２の駆動およびスイッチＳＷ１の開閉は、電源制御部２６により制御される。すなわち、本実施形態では、電源制御部２６が、昇降圧回路２９の動作を制御する電源制御手段に相当する。
【００３８】
電源制御部２６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。電源制御部２６は、出力電源線３３および基準電源線３２間のバス電圧ＢＶ（出力電圧）の値を検出する出力電圧検出手段としての機能を備えている。このような機能を備えた電源制御部２６は、メイン制御部２７から与えられる指令信号およびバス電圧ＢＶの検出値に応じて、昇降圧回路２９の動作を制御する。
【００３９】
電源制御部２６は、昇圧動作を実行する場合、スイッチＳＷ１をオフするとともにトランジスタＱ１をオンした状態で、バス電圧ＢＶの検出値が昇圧値ＢＶHとなるようにトランジスタＱ２をスイッチング（チョッパ）する。なお、昇圧値ＢＶHは、入力電圧の値（例えば、約２８２Ｖ）よりも高い所定値とする。これにより、昇降圧回路２９は、入力電圧を昇圧して出力する昇圧コンバータとして機能する。ただし、昇降圧回路２９が上記昇圧動作を実行している期間であっても、後述するモータＭの加速動作期間では、バス電圧ＢＶは昇圧値ＢＶHより低くなる。
【００４０】
電源制御部２６は、降圧動作を実行する場合、スイッチＳＷ１およびトランジスタＱ２をオフした状態で、バス電圧ＢＶの検出値が降圧値ＢＶLとなるようにトランジスタＱ１をスイッチング（チョッパ）する。なお、降圧値ＢＶLは、入力電圧の値よりも低く、且つモータＭを駆動するために最低限必要な電圧値であればよく、直流電源回路２１、モータＭ、インバータ装置２３などの仕様に応じて適宜変更すればよい。これにより、昇降圧回路２９は、入力電圧を降圧して出力する降圧コンバータとして機能する。ただし、昇降圧回路２９が上記降圧動作を実行している期間であっても、後述する回生エネルギーが生じる期間では、バス電圧ＢＶは降圧値ＢＶLより上昇する。
【００４１】
電源制御部２６は、非昇降圧動作の実行をする場合、スイッチＳＷ１およびトランジスタＱ２をオフするとともにトランジスタＱ１をオンする。これにより、昇降圧回路２９は、入力電圧を昇圧および降圧のいずれもすることなく出力する。このときの出力電圧（バス電圧ＢＶ）は、トランジスタＱ１のオン抵抗（オン状態での抵抗）およびインダクタＬ１の等価直列抵抗による電圧降下分と、ダイオードＤ２の順方向電圧とを合わせた分だけ入力電圧よりも低い値である通常値ＢＶMとなる。
【００４２】
電源制御部２６は、昇降圧回路２９を電源遮断状態にする（電源遮断動作を実行する）場合、スイッチＳＷ１およびトランジスタＱ１、Ｑ２をいずれもオフする。これにより、昇降圧回路２９に対する入力電圧の供給が遮断された状態となり、その出力電圧（バス電圧ＢＶ）の供給先であるインバータ装置２３に対する新たな電力供給は停止される。
【００４３】
電源制御部２６は、バス電圧ＢＶの検出値に基づいて昇降圧回路２９の上記各動作状態を自動的に切り替える。すなわち、電源制御部２６は、バス電圧ＢＶの検出値に基づいて、モータＭが加速動作状態であると判断される期間には昇圧動作を実行し、減速動作状態であると判断される期間には電源遮断動作を実行し、それらの期間を除く期間には概ね降圧動作を実行するように昇降圧回路２９の動作を制御する（詳細は後述する）。
【００４４】
また、電源制御部２６は、モータＭに対するダイナミックブレーキをかけるように昇降圧回路２９の動作を制御する機能（ダイナミックブレーキ制御）を有している。外部よりモータＭの緊急停止を指令する緊急停止指令が与えられると、メイン制御部２７から電源制御部２６に対し、ダイナミックブレーキをオンする旨を示す指令が与えられる。これを受けて、電源制御部２６は、以下のように昇降圧回路２９の動作を制御する。すなわち、電源制御部２６は、そのときに設定されている制御モードにかかわらず、トランジスタＱ１をオフ駆動するとともに、トランジスタＱ２をオン駆動し、さらにスイッチＳＷ１をオンする。
【００４５】
詳細は後述するが、このような制御により、モータＭに対してダイナミックブレーキがかけられる。なお、コントローラ３がモータＭの異常を検出する異常検出手段（図示せず）を備えた構成である場合には、その異常検出手段によりモータＭの異常が検出されると、メイン制御部２７から電源制御部２６に対して上記指令が与えられて、上記した制御を実行してモータＭに対するダイナミックブレーキをかけるように構成してもよい。
【００４６】
回生消費回路２２は、出力電源線３３および基準電源線３２間に回生抵抗Ｒ１およびトランジスタＱ３（回生スイッチ手段に相当）の直列回路を接続して構成されている。トランジスタＱ３は、Ｎチャネル型のパワーＭＯＳＦＥＴであり、そのオン、オフは、電源制御部２６により制御される。すなわち、本実施形態において、電源制御部２６は、回生消費回路２２の動作を制御する回生制御手段に相当する。
【００４７】
図３は、電源制御部２６による回生消費回路２２の動作制御の内容を示している。なお、電源制御部２６は、図３に示す制御を所定周期毎に実行するようになっている。まず、電源制御部２６は、その時点におけるバス電圧ＢＶ（の検出値）を参照する（ステップＡ１）。続いて、電源制御部２６は、参照したバス電圧ＢＶが回生消費電圧値ＢＶR以上であるか否かを判断する（ステップＡ２）。バス電圧ＢＶが回生消費電圧値ＢＶR以上である場合（ＹＥＳ）には、トランジスタＱ３をオン駆動し（ステップＡ３）、制御を終了する。一方、バス電圧ＢＶが回生消費電圧値ＢＶR未満である場合（ＮＯ）には、トランジスタＱ３をオフ駆動し（ステップＡ４）、制御を終了する。なお、ステップＡ３またはＡ４において、既にトランジスタＱ３がオンまたはオフされている場合には、その状態を維持したまま制御を終了する。
【００４８】
図４は、ロボットが加速、等速、減速という一連の動作を行う際におけるモータＭの回転速度とバス電圧とを示している。図４に示すように、減速動作時にはモータＭから回生されるエネルギー（回生エネルギー）に起因してバス電圧ＢＶが上昇する。そして、バス電圧ＢＶが回生消費電圧値ＢＶRを超えようとすると、回生抵抗Ｒ１に電流が流れることで回生エネルギーが熱エネルギーとして放出され、バス電圧ＢＶが回生消費電圧値ＢＶR未満となるようにその電圧上昇が抑えられる。
【００４９】
回生消費電圧値ＢＶRは、出力電源線３３および基準電源線３２に接続される各回路素子（インバータ装置２３のスイッチング素子、直流電源回路２１のコンデンサ３０など）の定格を超えてバス電圧ＢＶが上昇しないような値に設定すればよい。また、回生消費電圧値ＢＶR、昇圧値ＢＶH、通常値ＢＶMおよび降圧値ＢＶLは、下記（１）式の関係を満たすように設定すればよい。
ＢＶR＞ＢＶH＞ＢＶM＞ＢＶL …（１）
【００５０】
なお、回生スイッチ手段としてのトランジスタＱ３は、パワーＭＯＳＦＥＴに限らずともよく、例えばバイポーラトランジスタなどの他の半導体スイッチング素子により構成してもよい。また、回生スイッチ手段としては、例えばリレーなどの機械式のスイッチで構成してもよい。
【００５１】
インバータ装置２３（駆動手段に相当）は、出力電源線３３および基準電源線３２間に６つのスイッチング素子例えばＩＧＢＴ（図１には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６組備えている（図１には１組のみ示す）。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、メイン制御部２７から与えられる指令信号（通電指令Ｓｃ）に基づいてパルス幅変調されたゲート信号（ＰＷＭ信号）を出力して各ＩＧＢＴを駆動する。
【００５２】
メイン制御部２７（駆動制御手段に相当）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。電流検出部２４は、モータＭに流れる電流を検出する電流検出器（図示せず）からの検出信号をメイン制御部２７に入力可能なデータに変換して出力する。位置検出部２５は、モータＭの回転位置を検出する位置検出器（図示せず）からの検出信号をメイン制御部２７に入力可能なデータに変換して出力する。メイン制御部２７は、電流検出部２４から出力されるデータを元にモータＭに流れる電流の値を取得するとともに、位置検出部２５から出力されるデータを元にモータＭの回転位置および回転速度を取得する。詳細は後述するが、メイン制御部２７は、このようにして取得した電流値、回転位置および回転速度を用いてインバータ装置２３によるモータＭの駆動をフィードバック制御する。また、メイン制御部２７は、電源制御部２６に対し、各種の指令信号を出力する。
【００５３】
図５は、ロボットシステム１におけるモータ制御の内容を等価的に示したブロック図である。図５に示すように、メイン制御部２７は、位置制御部４１、速度制御部４２および電流制御部４３を備えている。なお、図５では、１つのモータＭの制御に係る構成のみを示しているが、実際には全てのモータＭのそれぞれに対応して同様の構成が設けられている。さて、一般に産業用のロボットは、予めティーチングなどを実施することにより作成される所定の動作プログラムに従って動作するようになっている。図示しない上位制御部は、その動作プログラムを解釈し、ロボット２に動作プログラムに従った動作を行わせるように各モータＭを制御するための指令値（位置指令ｐref）を位置制御部４１に出力する。
【００５４】
位置制御部４１は、上位制御部から与えられる位置指令ｐrefに対する現在の回転位置ｐ＊の偏差を求める減算器４５と、減算器４５の出力（偏差）をゼロに近づけるように速度指令ｖref（回転速度指令に相当）を出力する位置制御アンプ４６とから構成されている。位置制御アンプ４６のゲインはＫｐとなっている。速度制御部４２は、微分器４７、減算器４８および速度制御アンプ４９により構成されている。微分器４７は、現在の回転位置ｐ＊を微分して現在の回転速度ｖ＊に変換する。減算器４８は、速度指令ｖrefに対する現在の回転速度ｖ＊の偏差を求める。速度制御アンプ４９は、減算器４８の出力（偏差）をゼロに近づけるように電流指令ｉrefを出力する。速度制御アンプ４９のゲインはＫｖとなっている。
【００５５】
電流制御部４３は、電流指令ｉrefに対する現在のモータＭに流れる電流ｉ＊の偏差を求める減算器５０と、減算器５０の出力（偏差）をゼロに近づけるようにインバータ装置２３に対する指令信号（通電指令Ｓｃ）を出力する電流制御アンプ５１とから構成されている。電流制御アンプ５１のゲインはＫｉとなっている。このような構成により、メイン制御部２７は、電流フィードバック制御、速度フィードバック制御および位置フィードバック制御を行い、モータＭの駆動をフィードバック制御してロボット２のアームの動作制御を行う。
【００５６】
次に、本実施形態の作用および効果について説明する。
電源制御部２６は、バス電圧ＢＶの検出値に基づいてモータＭの動作状態（加速動作状態、減速動作状態）を間接的に判断する。なお、ここでは全てのモータＭの加速動作期間および減速動作期間が互いに概ね一致するという前提が成立するものとしている。ただし、通常はこのような前提が成立しない場合のほうが多い。その場合、全てのモータＭのうち、最も高い加速度で動作するモータＭの動作状態について判断すればよい。
【００５７】
図６は、電源制御部２６の制御内容を示すフローチャートである。また、図７は、ロボット２の一連の動作（加速、等速、減速）が行われる際におけるモータＭの回転速度、バス電圧、トランジスタＱ１、Ｑ２の駆動状態およびスイッチＳＷ１の開閉状態を示している。電源制御部２６は、図６に示す昇降圧回路２９の動作制御を行う際、図３に示した回生消費回路２２の動作制御についても所定の周期毎に実行している。
【００５８】
コントローラ３に電源が投入されると、電源制御部２６は、昇降圧回路２９を電源遮断状態にする初期設定を行う（ステップＳ１）。つまり、トランジスタＱ１、Ｑ２がオフ駆動されるとともに、スイッチＳＷ１がオフされる。従って、この段階では、昇降圧回路２９には、入力電圧が未だ供給されていない（電源遮断状態）。
【００５９】
続くステップＳ２では、トランジスタＱ１がオン駆動される（図７の時刻ｔａ）。これにより、昇降圧回路２９から出力されるバス電圧ＢＶは、通常値ＢＶMに向けて上昇する。なお、トランジスタＱ１がオンされた瞬間、交流電源２０から直流電源回路２１に対して突入電流が流れるが、その突入電流はトランジスタＱ１のオン抵抗およびインダクタＬ１の等価直列抵抗により制限される。
【００６０】
その後、所定時間が経過すると（ステップＳ３で「ＹＥＳ」）、その時点（図７の時刻ｔｂ）から、バス電圧ＢＶの検出値が降圧値ＢＶLとなるようにトランジスタＱ１がスイッチングされる（ステップＳ４）。これにより、昇降圧回路２９から出力されるバス電圧ＢＶが通常値ＢＶMから降圧値ＢＶLまで降圧される。そして、バス電圧ＢＶが降圧値ＢＶLに達した時点以降において、モータＭの加速動作が開始される。
【００６１】
さて、モータＭの加速動作が開始されると、モータＭにおける電力消費が多くなるため、バス電圧ＢＶは、定常値（この場合、降圧値ＢＶL）からら次第に低下する。その後、モータＭの加速動作が終了すると、通常は等速動作に移行するため、モータＭにおける電力消費が少なくなり、バス電圧ＢＶの低下が収まる。本実施形態では、このようなモータＭの動作状態とバス電圧ＢＶとの関係に着目し、次のように、バス電圧ＢＶの検出値に基づいてモータＭの加速動作期間を判断する。
【００６２】
すなわち、ステップＳ５では、バス電圧ＢＶの検出値が加速開始判定値ＶAS未満であるか否かが判断される。なお、ステップＳ５では、バス電圧ＢＶがノイズなどの影響により変動した際に誤判断してしまう事態を防止するため、バス電圧ＢＶの検出値が所定回数（または所定時間）連続して加速開始判定値ＶAS未満である場合に「ＹＥＳ」と判断する。
【００６３】
加速開始判定値ＶASは、降圧値ＢＶLより低い値であれば適宜変更可能である。なお、加速開始判定値ＶASを高く設定するほど、実際に加速動作が開始された時点（図７の時刻ｔｃ）からステップＳ５で「ＹＥＳ」と判断される時点（図７の時刻ｔｄ）までの遅延時間Ｔａが短くなる。つまり、加速開始判定値ＶASを高く設定するほど、モータＭの加速動作開始時点の判定精度が高まる。ただし、この場合、ノイズなどにより誤判断する可能性が高まる。これに対し、加速開始判定値ＶASを低く設定するほど、上記遅延時間が長くなる。つまり、加速開始判定値ＶASを低く設定するほど、モータＭの加速動作開始時点の判定精度が低くなる。ただし、この場合、ノイズなどにより誤判断する可能性が低くなる。
【００６４】
バス電圧ＢＶの検出値が加速開始判定値ＶAS未満であると判断されると（ステップＳ５で「ＹＥＳ」、図７の時刻ｔｄ）、ステップＳ６に進む。ステップＳ６に進むと、トランジスタＱ１がオン駆動された状態で、バス電圧ＢＶの検出値が昇圧値ＢＶHとなるようにトランジスタＱ２がスイッチングされる。これにより、昇降圧回路２９から出力されるバス電圧ＢＶが降圧値ＢＶLから昇圧値ＢＶHに向けて昇圧される。そのため、インバータ装置２３は、整流回路２８から出力される電圧がそのままインバータ装置に供給されていた従来の構成に対し、比較的高いバス電圧ＢＶの供給を受けてモータＭを駆動することになる。従って、インバータ装置２３は、加速動作期間において、高いトルクを得るために十分な電力をモータＭに供給することができる。これにより、例えばモータＭの高速回転状態のときにおいても高いトルクを出すことが可能になる。
【００６５】
このとき、昇降圧回路２９から出力されるバス電圧ＢＶは、昇圧動作により昇圧されるものの、モータＭの加速動作に伴う電力消費の増加により、その上昇の傾きは非常に緩やかなものとなる（図７の時刻ｔｄ〜ｔｅ）。そのため、モータＭの加速動作期間において、バス電圧ＢＶが昇圧値ＢＶHまで上昇することはない。逆に言えば、昇圧値ＢＶHは、装置の仕様を考慮した上で、このような条件を満たす値に設定しておくことが必要である。
【００６６】
その後、モータＭの加速動作が終了すると、等速動作に移行するため、モータＭにおける電力消費が少なくなる（図７の時刻ｔｅ）。これにより、バス電圧ＢＶは、昇圧動作により急激に上昇する。そこで、ステップＳ７では、バス電圧ＢＶの検出値が昇圧値ＢＶHに達したか否かが判断される。本実施形態では、昇圧値ＢＶHが加速動作の終了時点を判定する加速終了判定値に相当する。バス電圧ＢＶの検出値が昇圧値ＢＶHに達したと判断されると（ステップＳ７で「ＹＥＳ」、図７の時刻ｔｆ）、ステップＳ８に進む。ステップＳ８に進むと、トランジスタＱ２がオフ駆動された状態で、バス電圧ＢＶの検出値が降圧値ＢＶLとなるようにトランジスタＱ１がスイッチングされる。これにより、加速動作が終了したと考えられる時点から昇降圧回路２９が再び降圧動作を実行することになり、バス電圧ＢＶは、降圧値ＢＶLに向けて低下する。
【００６７】
なお、ステップＳ８が実行される際、最初にトランジスタＱ２をオフ駆動してから、トランジスタＱ１のスイッチングが開始されるようにしている。その理由は、先にトランジスタＱ１のスイッチングを開始した場合、トランジスタＱ１、Ｑ２が同時にオンする可能性がある。そうすると、トランジスタＱ１、Ｑ２および整流回路２８を介して入力電源線３１と基準電源線３２とを短絡するような通電経路が形成されてしまう。このような場合、トランジスタＱ１、Ｑ２および整流回路２８に過大な電流が流れ、最悪の場合には故障に至ることも考えられる。このような事態を未然に防止するため、上記したようにトランジスタＱ２を確実にオフ駆動してから、トランジスタＱ１のスイッチングを開始するようにしている。
【００６８】
このように昇降圧回路２９が降圧動作を実行した状態で、モータＭの等速動作が行われ、その後、減速動作が実行される。減速動作が開始される際、バス電圧ＢＶは通常値ＢＶMよりも低い降圧値ＢＶLまで降圧されている。そのため、モータＭの減速動作時、回生エネルギーにより上昇するバス電圧ＢＶ（コンデンサ３０の端子間電圧）が回生消費電圧値ＢＶRに達するまでにコンデンサ３０に蓄積可能なエネルギー量は、バス電圧ＢＶが通常値ＢＶMである場合（従来構成の場合）に比べると、下記（２）式に示すエネルギー量ＪCだけ多くなる。
ＪC＝｛（１／２）・Ｃ・ＢＶM2｝−｛（１／２）・Ｃ・ＢＶL2｝
＝（１／２）・Ｃ・（ＢＶM2−ＢＶL2） …（２）
【００６９】
上記（２）式に示すように、コンデンサ３０に蓄積可能なエネルギー量は、通常値ＢＶMと降圧値ＢＶLとの差に応じた量ＪCだけ多くなる。すなわち、コンデンサ３０の空き容量を従来構成の場合に比べて増加させることで、減速動作時にコンデンサ３０に一層多くのエネルギーを蓄積することが可能になる。
【００７０】
このように、バス電圧ＢＶを降圧値ＢＶLまで低下させることによって、減速動作時にコンデンサ３０の端子間電圧が回生消費電圧値ＢＶRまで上昇しなければ、回生エネルギーを全て有効利用することができる。また、減速動作時にコンデンサ３０の端子間電圧が回生消費電圧値ＢＶRまで上昇する場合でも、バス電圧ＢＶが通常値ＢＶMである従来構成の場合と比べると、回生消費回路２２の動作時間を短くすることができるため、回生消費回路２２により消費されるエネルギー（無駄になるエネルギー）を低減し、残りの回生エネルギーを有効利用することが可能となる。
【００７１】
さて、モータＭの減速動作が開始されると、モータＭからの回生エネルギーに起因してコンデンサ３０の端子間電圧であるバス電圧ＢＶは、降圧値ＢＶLから上昇する。そしてて、モータＭの減速動作が終了すると、モータＭからのエネルギーの回生が収まるため、バス電圧ＢＶの上昇が収まる。本実施形態では、このようなモータＭの動作状態とバス電圧ＢＶとの関係に着目し、次のように、バス電圧ＢＶの検出値に基づいてモータＭの減速動作期間を判断する。
【００７２】
すなわち、ステップＳ９では、バス電圧ＢＶの検出値が上昇傾向であるか否かが判断される。ここでは、例えば、バス電圧ＢＶの検出値が前回参照した値よりも今回参照した値のほうが高いという判定がＮ回（Ｎは整数）連続した場合に、バス電圧ＢＶが上昇傾向であると判断するようにしている。Ｎの値は適宜変更可能であるが、その値を小さくするほど、実際に減速動作が開始された時点（図７の時刻ｔｇ）からステップＳ９で「ＹＥＳ」と判断される時点（図７の時刻ｔｈ）までの遅延時間Ｔｂが短くなる。つまり、Ｎの値を小さくするほど、モータＭの減速動作開始時点の判定精度が高まる。ただし、この場合、ノイズなどにより誤判断する可能性が高まる。これに対し、Ｎの値を大きくするほど、モータＭの減速動作開始時点の判定精度が低くなる。ただし、この場合、ノイズなどにより誤判断する可能性が低くなる。
【００７３】
バス電圧ＢＶの検出値が上昇傾向であると判断されると（ステップＳ９で「ＹＥＳ」、図７の時刻ｔｈ）、ステップＳ１０に進む。ステップＳ１０に進むと、トランジスタＱ１がオフ駆動される。これにより、減速動作が開始されたと考えられる時点から昇降圧回路２９が電源遮断状態となる。そのため、インバータ装置２３に対する新たな電力供給が停止され、バス電圧ＢＶの上昇が緩和される。つまり、バス電圧ＢＶの上昇の傾きが緩やかになるため、減速動作期間におけるバス電圧ＢＶのピーク値が低く抑えられる。このようにすることで、上記した回生エネルギーを有効利用するという効果が一層高まる。
【００７４】
その後、モータＭの減速動作が終了すると、モータＭからのエネルギーの回生が収まるため、バス電圧ＢＶは低下に転じる（図７の時刻ｔｉ）。そこで、ステップＳ１１では、バス電圧ＢＶの検出値が減少傾向であるか否かが判断される。このステップＳ１１における減少傾向の判断は、例えばステップＳ９における上昇傾向の判断と同様の手法により行うことができる。
【００７５】
バス電圧ＢＶの検出値が減少傾向であると判断されると（ステップＳ１１で「ＹＥＳ」図７の時刻ｔｊ）、ステップＳ１２に進む。ステップＳ１２に進むと、バス電圧ＢＶの検出値が降圧値ＢＶLとなるようにトランジスタＱ１がスイッチングされる。これにより、減速動作が終了したと考えられる時点から昇降圧回路２９が再び降圧動作を開始する。ステップＳ１２の実行後は、ステップＳ５に戻り、次の加速動作が開始されると判断されるまでの間（ステップＳ５で「ＮＯ」の間）、降圧動作が継続される。
【００７６】
以上説明したように、電源制御部２６は、定常時（加速動作期間および減速動作期間であると考えられる期間を除く期間）において、バス電圧ＢＶを通常の通常値ＢＶMよりも低い降圧値ＢＶLまで降圧する降圧動作を実行するように昇降圧回路２９の動作を制御する。これにより、バス電圧ＢＶを通常値ＢＶMにした場合（従来の構成）に比べ、コンデンサ３０に蓄積可能なエネルギー量が、上記（２）式に示した量だけ多くなる。すなわち、従来構成の場合に比べ、コンデンサ３０の空き容量が増加するので、モータＭの減速動作時にコンデンサ３０に一層多くのエネルギーを静電エネルギーとして蓄積することが可能となる。また、電源制御部２６は、バス電圧ＢＶの検出値に基づいてモータＭの減速動作期間を判断し、その期間には、電源遮断状態となるように昇降圧回路２９の動作を制御する。これにより、モータＭの減速動作期間において、インバータ装置２３（ひいてはモータＭ）に対する新たな電力供給が停止されてバス電圧ＢＶの上昇が緩和されるため、回生エネルギーを有効利用する効果が一層高まる。
【００７７】
さらに、電源制御部２６は、バス電圧ＢＶの検出値に基づいてモータＭの加速動作期間を判断し、その期間には、バス電圧ＢＶを昇圧する昇圧動作を実行するように昇降圧回路２９の動作を制御する。これにより、モータＭの加速動作時に昇圧されたバス電圧ＢＶがインバータ装置２３に供給され、高いトルクを出すことが本来的に必要となる加速動作時において、その高いトルクを得るために十分な電力をモータＭに供給することが可能となる。
【００７８】
このように、本実施形態によれば、直接的にモータＭの動作状態を判断することなく、バス電圧ＢＶの検出値から間接的にモータＭの動作状態（加速動作状態、減速動作状態）を判断し、その判断結果に基づいて、昇降圧回路２９の動作状態を上記したように自動的に切り替えるようにしている。そのため、電源制御部２６の制御内容を単純化することができる。また、モータＭの駆動を制御するメイン制御部２７の制御内容を変更することなく、上記した作用および効果を得ることができる。
【００７９】
一般に、電源に関する制御を行う電源制御部２６と、モータＭの駆動に関する制御を行うメイン制御部２７とは、互いに異なる担当者（担当グループ）により開発される。本実施形態によれば、メイン制御部２７の制御内容を変更することなく電源制御部２６の制御内容を変更すればよいため、従来構成からの制御（ソフトウエア）に関する改良部分が少なくなる。したがって、ソフトウエア開発が容易になり、その開発コストを抑えることができるという効果が得られる。
【００８０】
また、電源回路には、電源投入時における突入電流を制限するため、電源の入力ラインに直列に介在するように突入電流制限用の抵抗が設けられるとともに、その抵抗の端子間を短絡するスイッチ手段（例えば機械式のリレーなど）が設けられることが一般的である。これに対し、本実施形態によれば、昇降圧回路２９が昇降圧動作を実行するために本来的に必要となる構成（トランジスタＱ１、インダクタＬ１）により突入電流が制限される。このため、突入電流制限用の抵抗およびスイッチ手段を設ける必要がなくなり、その分だけ回路構成を簡単化し、製造コストの低減を図ることができる。
【００８１】
さらに、電源回路には、電源供給を遮断可能にするため、交流電源から直流電源回路に対する電源供給経路に直列に介在するように電磁接触器（コンタクタ）などが設けられることが一般的である。本実施形態では、昇降圧回路２９に対する入力電圧の供給を遮断する電源遮断状態に設定することができるため、その電磁接触器を省略することが可能である。電磁接触器などが省略されれば、その分だけ回路構成を簡単化し、製造コストの低減を図ることができる。
【００８２】
続いて、電源制御部２６によるダイナミックブレーキ制御について説明する。図８は、ダイナミックブレーキ制御が実行される場合におけるモータＭの回転速度、バス電圧、トランジスタＱ１、Ｑ２の駆動状態、スイッチＳＷ１の開閉状態を示している。なお、ここでは、モータＭが等速動作している期間にダイナミックブレーキ制御が行われる場合について説明する。
【００８３】
電源制御部２６は、図８の時刻ｔａの時点において緊急停止指令が与えられると、そのときに設定されている制御モードにかかわらず、トランジスタＱ１をオフ駆動するとともに、トランジスタＱ２をオン駆動し、さらにスイッチＳＷ１をオンする。これにより、モータＭの相間がスイッチＳＷ１、インダクタＬ１、トランジスタＱ２を介して短絡された状態になる。
【００８４】
スイッチＳＷ１は、オン状態であっても所定の抵抗値を有している。また、インダクタＬ１は、所定の等価直列抵抗を有している。さらに、パワーＭＯＳＦＥＴであるトランジスタＱ２は、所定のオン抵抗を有している。このようなことから、モータＭの相間が、スイッチＳＷ１のオン時の抵抗、インダクタＬ１の等価直列抵抗およびトランジスタＱ２のオン抵抗を介して短絡され、モータＭに対してダイナミックブレーキがかけられる。これにより、モータＭは、その回転速度が急激に低下し、図８の時刻ｔｂの時点において停止する。また、この際、トランジスタＱ１がオフされているため、バス電圧ＢＶも回転速度と同様に急激に低下し、時刻ｔｂの時点においてゼロになる。
【００８５】
通常、ダイナミックブレーキをかけるためには、バス電圧ＢＶを供給する電源線間（出力電源線３３および基準電源線３２間）に、ダイナミックブレーキ専用のスイッチ手段および抵抗を直列に設ける必要がある。これに対し、本実施形態によれば、電源制御部２６が上記したダイナミックブレーキ制御を行うことにより、昇降圧回路２９のスイッチＳＷ１、インダクタＬ１およびトランジスタＱ２を用いて、ダイナミックブレーキをかけることが可能となる。このため、ダイナミックブレーキ専用のスイッチ手段および抵抗を設ける必要がなくなり、その分だけ回路構成を簡単化し、製造コストの低減を図ることができる。
【００８６】
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。
電源制御部２６によるダイナミックブレーキ制御については、必要に応じて設ければよい。ダイナミックブレーキ制御を設けない場合、スイッチＳＷ１を省略できる。
電源制御部２６は、非昇降圧動作を実行する場合、トランジスタＱ１およびスイッチＳＷ１をオンするとともに、トランジスタＱ２をオフするように構成してもよい。このようにすれば、非昇降圧動作時における出力電圧（バス電圧ＢＶ）が、スイッチＳＷ１のオン時の抵抗による電圧降下分だけ入力電圧より低い値になる。そして、インダクタＬ１、ダイオードＤ２による電力損失を低減するという効果が得られる。
【００８７】
本発明は、モータＭとしてＤＣブラシレスモータを用いた構成に限らず、例えば直流モータ、交流モータなど各種のモータを用いた構成にも適用可能である。なお、モータＭとして直流モータを用いる場合には、モータＭを駆動する駆動手段として、インバータ装置２３に代えて、例えばＨブリッジ回路を主体として構成された駆動回路を用いればよい。
上記実施形態では、本発明を６軸の垂直多関節型のロボット２に適用した例を説明したが、本発明は、各軸をモータにより駆動する構成のロボット全般に適用可能である。
【符号の説明】
【００８８】
図面中、１はロボットシステム、２はロボット、２２は回生消費回路、２３はインバータ装置（駆動手段）、２６は電源制御部（出力電圧検出手段、回生制御手段、電源制御手段）、２７はメイン制御部（駆動制御手段）、２９は昇降圧回路（電源回路）、３０はコンデンサ、３１は入力電源線、３２は基準電源線、３３は出力電源線、Ｄ１は第１のダイオード、Ｄ２は第２のダイオード、Ｌ１はインダクタ、Ｍはモータ、Ｑ１はトランジスタ（第１のスイッチ手段）、Ｑ２はトランジスタ（第２のスイッチ手段）、Ｑ３はトランジスタ（回生スイッチ手段）、Ｒ１は回生抵抗、ＳＷ１はスイッチ（第３のスイッチ手段）を示す。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ロボットの各軸を駆動するためのモータから減速動作時に回生するエネルギーを消費するための回生消費回路を備えたロボットシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
ロボットの各関節（各軸）は、それぞれモータにより駆動されるようになっており、これらモータは、コントローラに内蔵されるモータアンプ（駆動手段）により駆動される。このモータアンプは、例えばインバータ回路を主体として構成されており、電源回路から一対の電源線を介して与えられる直流電圧（バス電圧）を所定の周波数を持つ交流電圧に変換してモータへの電力供給を行う。
【０００３】
このような構成において、モータを減速動作させる際にはモータ側からモータアンプ側にエネルギーが回生され、これに伴いバス電圧が上昇する。このため、コントローラには、電源線に接続される各回路素子（インバータ回路のスイッチング素子、電源線間に接続されるコンデンサなど）の定格を超えてバス電圧が上昇しないように、上記回生されたエネルギー（回生エネルギー）を熱エネルギーに変換して放出する回生消費回路が設けられている。
【０００４】
回生消費回路では、電源線間に直列に設けられた回生抵抗に回生電流を流すことで、回生エネルギーを熱エネルギーに変換している。つまり、回生エネルギーは、有効利用されることなく、回生消費回路により消費されていた。ロボットシステム全体としての省エネルギー化を図るため、上記回生エネルギーを有効に利用したいという要望がある。また、一方では、例えばモータの加速動作時など、高速運転時においても高いトルクを発生させたいという要望もある。高速運転時に高いトルクを発生するためには、それに見合うだけの高い電力をモータに供給する必要がある。
【０００５】
特許文献１には、モータの加速時の手前の時点で出力電圧を上げ、モータの減速時の手前の時点で出力電圧を下げるコンバータ回路を備えたインバータ装置が開示されている。上記出力電圧の上昇および下降のタイミングについては、モータを制御するプログラムまたはパラメータにより指定される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第３９７４８９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１に記載された構成をロボットシステムに用いる場合、次のような問題が生じる。すなわち、ロボットシステムでは、各軸に対応する複数のモータの駆動を制御する駆動制御手段が設けられる。その駆動制御手段による制御（メイン制御）により、ロボットの手先位置が高精度に制御される。特許文献１記載の技術をロボットシステムに適用することを考える場合、出力電圧の上昇および下降（昇圧および降圧）のタイミングを決定するため、上記駆動制御手段によるメイン制御の内容を変更する必要が生じる。
【０００８】
このようなモータの駆動制御に関するメイン制御の内容を変更することは、非常に煩雑な作業を伴うことになり、開発コストの増加に繋がる。また、その変更作業が行われる際に、変更に伴うミスが原因で上記手先位置の制御に誤差が生じる可能性もある。このような理由から、上記特許文献１記載の技術をロボットシステムに適用することは難しい。
【０００９】
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、モータの駆動を制御する駆動制御手段の制御内容を変更することなく、高トルク運転時にモータに対して十分な電力を供給することができるとともに、減速動作時にモータから生じる回生エネルギーを有効利用することができるロボットシステムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
請求項１に記載の手段によれば、ロボットの各軸を駆動するためのモータは、駆動手段によって駆動される。この駆動手段は、電源回路から出力電源線および基準電源線を介して与えられる出力電圧の供給を受けて動作する。そして、駆動制御手段は、モータの回転速度を回転速度指令に一致させるように駆動手段によるモータの駆動をフィードバック制御する。また、出力電源線および基準電源線間には、回生スイッチ手段および回生抵抗の直列回路からなる回生消費回路が設けられている。そして、回生制御手段は、上記出力電圧を検出する出力電圧検出手段の検出値が回生消費電圧値未満のときにあっては回生スイッチ手段をオフし、上記検出値が回生消費電圧値以上のときにあっては回生スイッチ手段をオンする。
【００１１】
このような構成において、減速動作時にモータから回生されるエネルギー（回生エネルギー）は、出力電源線および基準電源線間に接続されたコンデンサに静電エネルギーとして蓄積される。つまり、モータの減速動作時には、回生エネルギーによりコンデンサが充電され、コンデンサの端子間電圧である出力電圧が上昇する。そして、出力電圧（出力電圧検出手段の検出値）が回生消費電圧値以上になると、回生消費回路の回生抵抗に電流を流すことで回生エネルギーを熱エネルギーとして放出し、出力電圧が回生消費電圧値未満になるようにその電圧上昇が抑えられる。
【００１２】
電源回路は、昇圧動作、降圧動作および電源遮断動作を選択的に実行するものであり、インダクタ、第１のスイッチ手段、第１のダイオード、第２のスイッチ手段、および第２のダイオードを備えている。第１のスイッチ手段は、入力電源線とインダクタの一方の端子との間に接続されている。第１のダイオードは、インダクタの一方の端子と基準電源線との間に、基準電源線側をアノードとして接続されている。第２のスイッチ手段は、インダクタの他方の端子と基準電源線との間に接続されている。第２のダイオードは、インダクタの他方の端子と出力電源線との間に、インダクタの他方の端子をアノードとして接続されている。
【００１３】
電源回路が昇圧動作を実行する際には、電源制御手段により、第１のスイッチ手段がオンされた状態で、第２のスイッチ手段がスイッチング（チョッパ）される。これにより、電源回路は、入力電源線および基準電源線を介して与えられる入力電圧を昇圧して出力電源線および基準電源線を介して出力する昇圧コンバータとして機能する。電源回路が降圧動作を実行する際には、電源制御手段により、第２のスイッチ手段がオフされた状態で、出力電圧検出手段の検出値が降圧値となるように第１のスイッチ手段がスイッチング（チョッパ）される。なお、降圧値は、入力電圧の値よりも低い所定値である。これにより、電源回路は、入力電圧を降圧して出力する降圧コンバータとして機能する。電源回路が電源遮断動作を実行する際には、第１のスイッチ手段および第２のスイッチ手段がオフされる。これにより、電源回路に対する入力電圧の供給が遮断された状態となり、その出力電圧の供給先である駆動手段に対する新たな電力供給は停止される。
【００１４】
電源制御手段は、出力電圧検出手段の検出値に応じて電源回路の動作を制御する。具体的には、電源制御手段は、最初に降圧動作を実行するように電源回路の動作を制御する。電源回路が降圧動作を実行する場合、出力電圧は通常の電圧値（入力電圧の値にほぼ等しい電圧値）よりも低い降圧値まで降圧される。
【００１５】
さて、モータの加速動作が開始されると、モータにおける電力消費が多くなるため、出力電圧（出力電圧検出手段の検出値）は、定常値（この場合、降圧値）から次第に低下する。そして、モータの加速動作が終了すると、モータにおける電力消費が少なくなるため、出力電圧の低下は収まる。本手段では、このようなモータの動作状態と出力電圧との関係に着目し、以下のように、加速動作期間と、それ以外の期間（非動作期間、等速動作期間、減速動作期間）とにおいて、電源回路の動作状態を切り替える。
【００１６】
すなわち、電源制御手段は、降圧動作の実行中、出力電圧検出手段の検出値が降圧値より低い所定の加速開始判定値を下回ると、昇圧動作を実行するように電源回路の動作を制御する。なお、昇圧動作は、降圧動作が再開される時点（後述する）までの期間だけ実行されることになる。これにより、加速動作が開始されたと考えられる時点から電源回路が昇圧動作を実行する。電源回路が昇圧動作を実行する場合、入力電圧を昇圧した出力電圧が駆動手段に供給される。このため、駆動手段は、比較的高い出力電圧の供給を受けてモータを駆動することができる。従って、電源回路が昇圧動作を実行することで、高いトルクを得るために十分な電力をモータに供給することが可能となる。これにより、例えばモータの高速回転状態のときにおいても高いトルクを出すことが可能になる。
【００１７】
このとき、電源回路から出力される出力電圧は、昇圧動作により昇圧されるものの、モータの加速動作に伴う電力消費が多いため、その上昇の傾きは非常に緩やかなものとなる。その後、モータの加速動作が終了すると、モータにおける電力消費が少なくなるため、出力電圧は昇圧動作により急激に上昇する。このようなことを踏まえ、電源制御手段は、昇圧動作の実行中、出力電圧検出手段の検出値が入力電圧の値より高い所定の加速終了判定値を上回ると、降圧動作を実行するように電源回路の動作を制御する。これにより、加速動作が終了されたと考えられる時点から電源回路が再び降圧動作を実行する。
【００１８】
電源回路が降圧動作を実行した状態において、モータの減速動作が行われると、回生エネルギーにより上昇する出力電圧（コンデンサの端子間電圧）が回生消費電圧値に達するまでにコンデンサに蓄積可能なエネルギー量は、出力電圧を通常の電圧値にした場合（従来の構成）に比べると、通常の電圧値と降圧値との差に応じた量だけ多くなる。すなわち、コンデンサの空き容量を従来の構成に比べて増加させることで、減速動作時にコンデンサにより多くのエネルギーを蓄積することが可能となる。
【００１９】
このように、出力電圧を降圧値まで低下させることによって、減速動作時にコンデンサの端子間電圧が回生消費電圧値まで上昇しなければ、回生エネルギーを全て有効利用することができる。また、減速動作時にコンデンサの端子間電圧が回生消費電圧値まで上昇する場合でも、出力電圧を通常の電圧値にした場合に比べると、回生消費回路の動作時間を短くすることができるため、回生消費回路により消費されるエネルギー（無駄になるエネルギー）を低減し、残りの回生エネルギーを有効利用することが可能となる。
【００２０】
さて、モータの減速動作が開始されると、モータからの回生エネルギーに起因してコンデンサの端子間電圧である出力電圧は、定常値（降圧値）から上昇する。そして、モータの減速動作が終了すると、回生エネルギーが無くなるため、出力電圧の上昇は収まる。本手段では、このようなモータの動作状態と出力電圧との関係に着目し、以下のように、減速動作期間において電源回路の動作状態を切り替える。
【００２１】
すなわち、電源制御手段は、降圧動作の実行中、出力電圧検出手段の検出値が上昇すると、電源遮断動作を実行するように電源回路の動作を制御する。これにより、減速動作が開始されたと考えられる時点から電源回路が電源遮断動作を実行する。電源回路が電源遮断動作を実行すると、駆動手段に対する新たな電力供給が停止されるため、出力電圧の上昇が緩和される。これにより、上記した回生エネルギーを有効利用するという効果が一層高まる。その後、モータの減速動作が終了すると、回生エネルギーが無くなるため、出力電圧は低下に転じる。このようなことを踏まえ、電源制御手段は、電源遮断動作の実行中、出力電圧検出手段の検出値が低下すると、降圧動作を実行するように電源回路の動作を制御する。これにより、減速動作が終了されたと考えられる時点から電源回路が再び降圧動作を実行する。
【００２２】
上記したように、電源制御手段は、定常時（加速動作中であると考えられる期間を除く期間）において、出力電圧を通常の電圧値（入力電圧の値にほぼ等しい電圧値）よりも低い降圧値まで降圧するように電源回路の動作を制御する。これにより、出力電圧を通常の電圧値にした場合に比べ、コンデンサの空き容量が増加するので、減速動作時にコンデンサにより多くのエネルギーを蓄積することが可能となる。また、電源制御手段は、出力電圧検出手段の検出値に基づいて、モータが減速動作する期間中に電源回路に対する入力電圧の供給を遮断するように制御する。これにより、減速動作中、駆動手段（ひいてはモータ）に対する新たな電力供給が停止されて出力電圧の上昇が緩和されるため、回生エネルギーを有効利用する効果が一層高まる。
【００２３】
さらに、電源制御手段は、出力電圧検出手段の検出値に基づいて、モータが加速動作する期間中に出力電圧を昇圧するように電源回路の動作を制御する。これにより、モータの加速動作時に入力電圧を昇圧した出力電圧が駆動手段に供給され、高いトルクを出すことが本来的に必要となる加速動作時において、その高いトルクを得るために十分な電力をモータに供給することが可能となる。
【００２４】
このように、本手段によれば、直接的にモータの動作状態を判断することなく、出力電圧の検出値から間接的にモータの動作状態を判断し、その判断結果に基づいて、電源回路の動作状態を上記したように自動的に切り替える。そのため、本手段によれば、モータの駆動を制御する駆動制御手段の制御内容を変更することなく、高トルク運転時にモータに対して十分な電力を供給することができるとともに、減速動作時にモータから生じる回生エネルギーを有効利用することができる。
【００２５】
請求項２に記載の手段によれば、モータの異常を検出する異常検出手段を備えている。また、電源回路は、インダクタの一方の端子と出力電源線との間に接続される第３のスイッチ手段を備えている。電源制御手段は、異常検出手段によりモータの異常が検出されると、または、外部から緊急停止を指令する緊急停止指令が与えられると、以下のようにしてモータに対してダイナミックブレーキをかける。すなわち、電源制御手段は、そのときの電源回路の動作状態にかかわらず、第１のスイッチ手段をオフするとともに第２のスイッチ手段をオンし、さらに第３のスイッチ手段をオンする。これにより、モータの相間が第３のスイッチ手段、インダクタおよび第２のスイッチ手段を介して短絡された状態になる。また、一般に、スイッチ手段はオンの状態であっても抵抗値がゼロであることはなく、所定の抵抗（オン抵抗）を有しており、インダクタは所定の等価直列抵抗を有している。
【００２６】
すなわち、モータの相間が所定の抵抗を介して短絡された状態になり、モータに対してダイナミックブレーキがかけられた状態となる。通常、ダイナミックブレーキをかけるためには、出力電源線および基準電源線間に、ダイナミックブレーキ専用のスイッチ手段および抵抗を直列に設ける必要がある。本手段によれば、電源回路の各スイッチ手段およびインダクタを用いて、ダイナミックブレーキをかけることが可能となるため、ダイナミックブレーキ専用のスイッチ手段および抵抗を設ける必要がなくなり、その分だけ回路構成を簡単化し、コスト低減を図ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の一実施形態を示すロボットシステムの電気構成図
【図２】ロボットシステムの構成を概略的に示す図
【図３】回生消費回路の動作制御の内容を示すフローチャート
【図４】一連の動作を行う際の回転速度およびバス電圧を示す図
【図５】モータ制御の内容を等価的に示すブロック図
【図６】電源制御部の制御内容を示すフローチャート
【図７】一連の動作を行う際のバス電圧および各スイッチの状態を示す図
【図８】ダイナミックブレーキ制御が実行される際の図７相当図
【発明を実施するための形態】
【００２８】
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２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２に示すロボットシステム１は、ロボット２と、ロボット２を制御するコントローラ３と、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とから構成されている。
【００２９】
ロボット２は、例えば６軸の垂直多関節型ロボットとして構成されている。ロボット２は、ベース５と、ベース５に水平方向に回転可能に支持されたショルダ部６と、ショルダ部６に上下方向に回転可能に支持された下アーム７と、下アーム７に上下方向に回転可能に支持された第１の上アーム８と、第１の上アーム８に捻り回転可能に支持された第２の上アーム９と、第２の上アーム９に上下方向に回転可能に支持された手首１０と、手首１０に捻り回転可能に支持されたフランジ１１とから構成されている。
【００３０】
ベース５、ショルダ部６、下アーム７、第１の上アーム８、第２の上アーム９、手首１０およびフランジ１１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１１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。ベース５、ショルダ部６、下アーム７、第１の上アーム８、第２の上アーム９、手首１０およびフランジ１１は、ロボット２のアームとして機能する。ロボット２の各アーム（複数の軸）はそれぞれに対応して設けられるモータ（図１に符号Ｍを付して示す）により駆動される。各モータの近傍には、それぞれの回転軸の回転位置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。
【００３１】
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には、各種のキースイッチ１２が設けられており、使用者は、キースイッチ１２により種々の入力操作を行う。ティーチングペンダント４は、ケーブルを経由してコントローラ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１２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からコントローラ３へ送信される。
【００３２】
図１は、ロボットシステム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には、各軸をそれぞれ駆動するための複数のモータＭ（図１では１つのみ示す）が設けられている。モータＭは例えばブラシレスＤＣモータである。コントローラ３には、交流電源２０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回路２１、回生消費回路２２、モータＭを駆動するインバータ装置２３、電流検出部２４、位置検出部２５、直流電源回路２１の動作を制御する電源制御部２６およびこれら各装置の制御などを行うメイン制御部２７が設けられている。
【００３３】
直流電源回路２１は、整流回路２８、昇降圧回路２９および平滑用のコンデンサ３０から構成されている。整流回路２８は、ダイオードをブリッジの形態に接続してなる周知構成のものである。整流回路２８の交流入力端子には、例えば３相２００Ｖの交流電源２０の各相出力が与えられる。整流回路２８の直流出力端子は、それぞれ入力電源線３１および基準電源線３２に接続されている。
【００３４】
昇降圧回路２９（電源回路に相当）は、トランジスタＱ１、Ｑ２、インダクタＬ１、ダイオードＤ１、Ｄ２およびスイッチＳＷ１を備えている。トランジスタＱ１（第１のスイッチ手段に相当）は、Ｎチャネル型のパワーＭＯＳＦＥＴであり、そのドレインは入力電源線３１に接続され、そのソースはインダクタＬ１の一方の端子に接続されている。ダイオードＤ１（第１のダイオードに相当）は、インダクタＬ１の一方の端子と基準電源線３２との間に、基準電源線３２側をアノードとして接続されている。トランジスタＱ２（第２のスイッチ手段に相当）は、Ｎチャネル型のパワーＭＯＳＦＥＴであり、そのドレインはインダクタＬ１の他方の端子に接続され、そのソースは基準電源線３２に接続されている。
【００３５】
ダイオードＤ２（第２のダイオードに相当）は、インダクタＬ１の他方の端子と出力電源線３３との間に、インダクタＬ１の他方の端子側をアノードとして接続されている。スイッチＳＷ１（第３のスイッチ手段に相当）は、例えばリレーなどの機械式のスイッチであり、インダクタＬ１の一方の端子と出力電源線３３との間に接続されている。なお、スイッチＳＷ１は、例えばパワーＭＯＳＦＥＴやバイポーラトランジスタなど、半導体スイッチング素子により構成してもよい。出力電源線３３および基準電源線３２の間には、コンデンサ３０が接続されている。
【００３６】
昇降圧回路２９は、昇圧動作、降圧動作および非昇降圧動作のうち、いずれかの動作を実行するようになっている。昇圧動作は、入力電源線３１および基準電源線３２を介して与えられる入力電圧（整流回路２８から出力される直流電圧）を昇圧して出力電源線３３および基準電源線３２を介して出力するものである。降圧動作は、入力電圧を降圧して出力電源線３３および基準電源線３２を介して出力するものである。非昇降圧動作は、入力電圧を昇圧および降圧のいずれもすることなく出力電源線３３および基準電源線３２を介して出力するものである。また、昇降圧回路２９は、入力電圧の供給が遮断された電源遮断状態にすることが可能となっている（電源遮断動作）。
【００３７】
昇降圧回路２９による上記各動作は、トランジスタＱ１、Ｑ２の駆動状態およびスイッチＳＷ１の開閉状態に応じて切り替えられる。トランジスタＱ１、Ｑ２の駆動およびスイッチＳＷ１の開閉は、電源制御部２６により制御される。すなわち、本実施形態では、電源制御部２６が、昇降圧回路２９の動作を制御する電源制御手段に相当する。
【００３８】
電源制御部２６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。電源制御部２６は、出力電源線３３および基準電源線３２間のバス電圧ＢＶ（出力電圧）の値を検出する出力電圧検出手段としての機能を備えている。このような機能を備えた電源制御部２６は、メイン制御部２７から与えられる指令信号およびバス電圧ＢＶの検出値に応じて、昇降圧回路２９の動作を制御する。
【００３９】
電源制御部２６は、昇圧動作を実行する場合、スイッチＳＷ１をオフするとともにトランジスタＱ１をオンした状態で、バス電圧ＢＶの検出値が昇圧値ＢＶHとなるようにトランジスタＱ２をスイッチング（チョッパ）する。なお、昇圧値ＢＶHは、入力電圧の値（例えば、約２８２Ｖ）よりも高い所定値とする。これにより、昇降圧回路２９は、入力電圧を昇圧して出力する昇圧コンバータとして機能する。ただし、昇降圧回路２９が上記昇圧動作を実行している期間であっても、後述するモータＭの加速動作期間では、バス電圧ＢＶは昇圧値ＢＶHより低くなる。
【００４０】
電源制御部２６は、降圧動作を実行する場合、スイッチＳＷ１およびトランジスタＱ２をオフした状態で、バス電圧ＢＶの検出値が降圧値ＢＶLとなるようにトランジスタＱ１をスイッチング（チョッパ）する。なお、降圧値ＢＶLは、入力電圧の値よりも低く、且つモータＭを駆動するために最低限必要な電圧値であればよく、直流電源回路２１、モータＭ、インバータ装置２３などの仕様に応じて適宜変更すればよい。これにより、昇降圧回路２９は、入力電圧を降圧して出力する降圧コンバータとして機能する。ただし、昇降圧回路２９が上記降圧動作を実行している期間であっても、後述する回生エネルギーが生じる期間では、バス電圧ＢＶは降圧値ＢＶLより上昇する。
【００４１】
電源制御部２６は、非昇降圧動作の実行をする場合、スイッチＳＷ１およびトランジスタＱ２をオフするとともにトランジスタＱ１をオンする。これにより、昇降圧回路２９は、入力電圧を昇圧および降圧のいずれもすることなく出力する。このときの出力電圧（バス電圧ＢＶ）は、トランジスタＱ１のオン抵抗（オン状態での抵抗）およびインダクタＬ１の等価直列抵抗による電圧降下分と、ダイオードＤ２の順方向電圧とを合わせた分だけ入力電圧よりも低い値である通常値ＢＶMとなる。
【００４２】
電源制御部２６は、昇降圧回路２９を電源遮断状態にする（電源遮断動作を実行する）場合、スイッチＳＷ１およびトランジスタＱ１、Ｑ２をいずれもオフする。これにより、昇降圧回路２９に対する入力電圧の供給が遮断された状態となり、その出力電圧（バス電圧ＢＶ）の供給先であるインバータ装置２３に対する新たな電力供給は停止される。
【００４３】
電源制御部２６は、バス電圧ＢＶの検出値に基づいて昇降圧回路２９の上記各動作状態を自動的に切り替える。すなわち、電源制御部２６は、バス電圧ＢＶの検出値に基づいて、モータＭが加速動作状態であると判断される期間には昇圧動作を実行し、減速動作状態であると判断される期間には電源遮断動作を実行し、それらの期間を除く期間には概ね降圧動作を実行するように昇降圧回路２９の動作を制御する（詳細は後述する）。
【００４４】
また、電源制御部２６は、モータＭに対するダイナミックブレーキをかけるように昇降圧回路２９の動作を制御する機能（ダイナミックブレーキ制御）を有している。外部よりモータＭの緊急停止を指令する緊急停止指令が与えられると、メイン制御部２７から電源制御部２６に対し、ダイナミックブレーキをオンする旨を示す指令が与えられる。これを受けて、電源制御部２６は、以下のように昇降圧回路２９の動作を制御する。すなわち、電源制御部２６は、そのときに設定されている制御モードにかかわらず、トランジスタＱ１をオフ駆動するとともに、トランジスタＱ２をオン駆動し、さらにスイッチＳＷ１をオンする。
【００４５】
詳細は後述するが、このような制御により、モータＭに対してダイナミックブレーキがかけられる。なお、コントローラ３がモータＭの異常を検出する異常検出手段（図示せず）を備えた構成である場合には、その異常検出手段によりモータＭの異常が検出されると、メイン制御部２７から電源制御部２６に対して上記指令が与えられて、上記した制御を実行してモータＭに対するダイナミックブレーキをかけるように構成してもよい。
【００４６】
回生消費回路２２は、出力電源線３３および基準電源線３２間に回生抵抗Ｒ１およびトランジスタＱ３（回生スイッチ手段に相当）の直列回路を接続して構成されている。トランジスタＱ３は、Ｎチャネル型のパワーＭＯＳＦＥＴであり、そのオン、オフは、電源制御部２６により制御される。すなわち、本実施形態において、電源制御部２６は、回生消費回路２２の動作を制御する回生制御手段に相当する。
【００４７】
図３は、電源制御部２６による回生消費回路２２の動作制御の内容を示している。なお、電源制御部２６は、図３に示す制御を所定周期毎に実行するようになっている。まず、電源制御部２６は、その時点におけるバス電圧ＢＶ（の検出値）を参照する（ステップＡ１）。続いて、電源制御部２６は、参照したバス電圧ＢＶが回生消費電圧値ＢＶR以上であるか否かを判断する（ステップＡ２）。バス電圧ＢＶが回生消費電圧値ＢＶR以上である場合（ＹＥＳ）には、トランジスタＱ３をオン駆動し（ステップＡ３）、制御を終了する。一方、バス電圧ＢＶが回生消費電圧値ＢＶR未満である場合（ＮＯ）には、トランジスタＱ３をオフ駆動し（ステップＡ４）、制御を終了する。なお、ステップＡ３またはＡ４において、既にトランジスタＱ３がオンまたはオフされている場合には、その状態を維持したまま制御を終了する。
【００４８】
図４は、ロボットが加速、等速、減速という一連の動作を行う際におけるモータＭの回転速度とバス電圧とを示している。図４に示すように、減速動作時にはモータＭから回生されるエネルギー（回生エネルギー）に起因してバス電圧ＢＶが上昇する。そして、バス電圧ＢＶが回生消費電圧値ＢＶRを超えようとすると、回生抵抗Ｒ１に電流が流れることで回生エネルギーが熱エネルギーとして放出され、バス電圧ＢＶが回生消費電圧値ＢＶR未満となるようにその電圧上昇が抑えられる。
【００４９】
回生消費電圧値ＢＶRは、出力電源線３３および基準電源線３２に接続される各回路素子（インバータ装置２３のスイッチング素子、直流電源回路２１のコンデンサ３０など）の定格を超えてバス電圧ＢＶが上昇しないような値に設定すればよい。また、回生消費電圧値ＢＶR、昇圧値ＢＶH、通常値ＢＶMおよび降圧値ＢＶLは、下記（１）式の関係を満たすように設定すればよい。
ＢＶR＞ＢＶH＞ＢＶM＞ＢＶL …（１）
【００５０】
なお、回生スイッチ手段としてのトランジスタＱ３は、パワーＭＯＳＦＥＴに限らずともよく、例えばバイポーラトランジスタなどの他の半導体スイッチング素子により構成してもよい。また、回生スイッチ手段としては、例えばリレーなどの機械式のスイッチで構成してもよい。
【００５１】
インバータ装置２３（駆動手段に相当）は、出力電源線３３および基準電源線３２間に６つのスイッチング素子例えばＩＧＢＴ（図１には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６組備えている（図１には１組のみ示す）。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、メイン制御部２７から与えられる指令信号（通電指令Ｓｃ）に基づいてパルス幅変調されたゲート信号（ＰＷＭ信号）を出力して各ＩＧＢＴを駆動する。
【００５２】
メイン制御部２７（駆動制御手段に相当）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。電流検出部２４は、モータＭに流れる電流を検出する電流検出器（図示せず）からの検出信号をメイン制御部２７に入力可能なデータに変換して出力する。位置検出部２５は、モータＭの回転位置を検出する位置検出器（図示せず）からの検出信号をメイン制御部２７に入力可能なデータに変換して出力する。メイン制御部２７は、電流検出部２４から出力されるデータを元にモータＭに流れる電流の値を取得するとともに、位置検出部２５から出力されるデータを元にモータＭの回転位置および回転速度を取得する。詳細は後述するが、メイン制御部２７は、このようにして取得した電流値、回転位置および回転速度を用いてインバータ装置２３によるモータＭの駆動をフィードバック制御する。また、メイン制御部２７は、電源制御部２６に対し、各種の指令信号を出力する。
【００５３】
図５は、ロボットシステム１におけるモータ制御の内容を等価的に示したブロック図である。図５に示すように、メイン制御部２７は、位置制御部４１、速度制御部４２および電流制御部４３を備えている。なお、図５では、１つのモータＭの制御に係る構成のみを示しているが、実際には全てのモータＭのそれぞれに対応して同様の構成が設けられている。さて、一般に産業用のロボットは、予めティーチングなどを実施することにより作成される所定の動作プログラムに従って動作するようになっている。図示しない上位制御部は、その動作プログラムを解釈し、ロボット２に動作プログラムに従った動作を行わせるように各モータＭを制御するための指令値（位置指令ｐref）を位置制御部４１に出力する。
【００５４】
位置制御部４１は、上位制御部から与えられる位置指令ｐrefに対する現在の回転位置ｐ＊の偏差を求める減算器４５と、減算器４５の出力（偏差）をゼロに近づけるように速度指令ｖref（回転速度指令に相当）を出力する位置制御アンプ４６とから構成されている。位置制御アンプ４６のゲインはＫｐとなっている。速度制御部４２は、微分器４７、減算器４８および速度制御アンプ４９により構成されている。微分器４７は、現在の回転位置ｐ＊を微分して現在の回転速度ｖ＊に変換する。減算器４８は、速度指令ｖrefに対する現在の回転速度ｖ＊の偏差を求める。速度制御アンプ４９は、減算器４８の出力（偏差）をゼロに近づけるように電流指令ｉrefを出力する。速度制御アンプ４９のゲインはＫｖとなっている。
【００５５】
電流制御部４３は、電流指令ｉrefに対する現在のモータＭに流れる電流ｉ＊の偏差を求める減算器５０と、減算器５０の出力（偏差）をゼロに近づけるようにインバータ装置２３に対する指令信号（通電指令Ｓｃ）を出力する電流制御アンプ５１とから構成されている。電流制御アンプ５１のゲインはＫｉとなっている。このような構成により、メイン制御部２７は、電流フィードバック制御、速度フィードバック制御および位置フィードバック制御を行い、モータＭの駆動をフィードバック制御してロボット２のアームの動作制御を行う。
【００５６】
次に、本実施形態の作用および効果について説明する。
電源制御部２６は、バス電圧ＢＶの検出値に基づいてモータＭの動作状態（加速動作状態、減速動作状態）を間接的に判断する。なお、ここでは全てのモータＭの加速動作期間および減速動作期間が互いに概ね一致するという前提が成立するものとしている。ただし、通常はこのような前提が成立しない場合のほうが多い。その場合、全てのモータＭのうち、最も高い加速度で動作するモータＭの動作状態について判断すればよい。
【００５７】
図６は、電源制御部２６の制御内容を示すフローチャートである。また、図７は、ロボット２の一連の動作（加速、等速、減速）が行われる際におけるモータＭの回転速度、バス電圧、トランジスタＱ１、Ｑ２の駆動状態およびスイッチＳＷ１の開閉状態を示している。電源制御部２６は、図６に示す昇降圧回路２９の動作制御を行う際、図３に示した回生消費回路２２の動作制御についても所定の周期毎に実行している。
【００５８】
コントローラ３に電源が投入されると、電源制御部２６は、昇降圧回路２９を電源遮断状態にする初期設定を行う（ステップＳ１）。つまり、トランジスタＱ１、Ｑ２がオフ駆動されるとともに、スイッチＳＷ１がオフされる。従って、この段階では、昇降圧回路２９には、入力電圧が未だ供給されていない（電源遮断状態）。
【００５９】
続くステップＳ２では、トランジスタＱ１がオン駆動される（図７の時刻ｔａ）。これにより、昇降圧回路２９から出力されるバス電圧ＢＶは、通常値ＢＶMに向けて上昇する。なお、トランジスタＱ１がオンされた瞬間、交流電源２０から直流電源回路２１に対して突入電流が流れるが、その突入電流はトランジスタＱ１のオン抵抗およびインダクタＬ１の等価直列抵抗により制限される。
【００６０】
その後、所定時間が経過すると（ステップＳ３で「ＹＥＳ」）、その時点（図７の時刻ｔｂ）から、バス電圧ＢＶの検出値が降圧値ＢＶLとなるようにトランジスタＱ１がスイッチングされる（ステップＳ４）。これにより、昇降圧回路２９から出力されるバス電圧ＢＶが通常値ＢＶMから降圧値ＢＶLまで降圧される。そして、バス電圧ＢＶが降圧値ＢＶLに達した時点以降において、モータＭの加速動作が開始される。
【００６１】
さて、モータＭの加速動作が開始されると、モータＭにおける電力消費が多くなるため、バス電圧ＢＶは、定常値（この場合、降圧値ＢＶL）からら次第に低下する。その後、モータＭの加速動作が終了すると、通常は等速動作に移行するため、モータＭにおける電力消費が少なくなり、バス電圧ＢＶの低下が収まる。本実施形態では、このようなモータＭの動作状態とバス電圧ＢＶとの関係に着目し、次のように、バス電圧ＢＶの検出値に基づいてモータＭの加速動作期間を判断する。
【００６２】
すなわち、ステップＳ５では、バス電圧ＢＶの検出値が加速開始判定値ＶAS未満であるか否かが判断される。なお、ステップＳ５では、バス電圧ＢＶがノイズなどの影響により変動した際に誤判断してしまう事態を防止するため、バス電圧ＢＶの検出値が所定回数（または所定時間）連続して加速開始判定値ＶAS未満である場合に「ＹＥＳ」と判断する。
【００６３】
加速開始判定値ＶASは、降圧値ＢＶLより低い値であれば適宜変更可能である。なお、加速開始判定値ＶASを高く設定するほど、実際に加速動作が開始された時点（図７の時刻ｔｃ）からステップＳ５で「ＹＥＳ」と判断される時点（図７の時刻ｔｄ）までの遅延時間Ｔａが短くなる。つまり、加速開始判定値ＶASを高く設定するほど、モータＭの加速動作開始時点の判定精度が高まる。ただし、この場合、ノイズなどにより誤判断する可能性が高まる。これに対し、加速開始判定値ＶASを低く設定するほど、上記遅延時間が長くなる。つまり、加速開始判定値ＶASを低く設定するほど、モータＭの加速動作開始時点の判定精度が低くなる。ただし、この場合、ノイズなどにより誤判断する可能性が低くなる。
【００６４】
バス電圧ＢＶの検出値が加速開始判定値ＶAS未満であると判断されると（ステップＳ５で「ＹＥＳ」、図７の時刻ｔｄ）、ステップＳ６に進む。ステップＳ６に進むと、トランジスタＱ１がオン駆動された状態で、バス電圧ＢＶの検出値が昇圧値ＢＶHとなるようにトランジスタＱ２がスイッチングされる。これにより、昇降圧回路２９から出力されるバス電圧ＢＶが降圧値ＢＶLから昇圧値ＢＶHに向けて昇圧される。そのため、インバータ装置２３は、整流回路２８から出力される電圧がそのままインバータ装置に供給されていた従来の構成に対し、比較的高いバス電圧ＢＶの供給を受けてモータＭを駆動することになる。従って、インバータ装置２３は、加速動作期間において、高いトルクを得るために十分な電力をモータＭに供給することができる。これにより、例えばモータＭの高速回転状態のときにおいても高いトルクを出すことが可能になる。
【００６５】
このとき、昇降圧回路２９から出力されるバス電圧ＢＶは、昇圧動作により昇圧されるものの、モータＭの加速動作に伴う電力消費の増加により、その上昇の傾きは非常に緩やかなものとなる（図７の時刻ｔｄ〜ｔｅ）。そのため、モータＭの加速動作期間において、バス電圧ＢＶが昇圧値ＢＶHまで上昇することはない。逆に言えば、昇圧値ＢＶHは、装置の仕様を考慮した上で、このような条件を満たす値に設定しておくことが必要である。
【００６６】
その後、モータＭの加速動作が終了すると、等速動作に移行するため、モータＭにおける電力消費が少なくなる（図７の時刻ｔｅ）。これにより、バス電圧ＢＶは、昇圧動作により急激に上昇する。そこで、ステップＳ７では、バス電圧ＢＶの検出値が昇圧値ＢＶHに達したか否かが判断される。本実施形態では、昇圧値ＢＶHが加速動作の終了時点を判定する加速終了判定値に相当する。バス電圧ＢＶの検出値が昇圧値ＢＶHに達したと判断されると（ステップＳ７で「ＹＥＳ」、図７の時刻ｔｆ）、ステップＳ８に進む。ステップＳ８に進むと、トランジスタＱ２がオフ駆動された状態で、バス電圧ＢＶの検出値が降圧値ＢＶLとなるようにトランジスタＱ１がスイッチングされる。これにより、加速動作が終了したと考えられる時点から昇降圧回路２９が再び降圧動作を実行することになり、バス電圧ＢＶは、降圧値ＢＶLに向けて低下する。
【００６７】
なお、ステップＳ８が実行される際、最初にトランジスタＱ２をオフ駆動してから、トランジスタＱ１のスイッチングが開始されるようにしている。その理由は、先にトランジスタＱ１のスイッチングを開始した場合、トランジスタＱ１、Ｑ２が同時にオンする可能性がある。そうすると、トランジスタＱ１、Ｑ２および整流回路２８を介して入力電源線３１と基準電源線３２とを短絡するような通電経路が形成されてしまう。このような場合、トランジスタＱ１、Ｑ２および整流回路２８に過大な電流が流れ、最悪の場合には故障に至ることも考えられる。このような事態を未然に防止するため、上記したようにトランジスタＱ２を確実にオフ駆動してから、トランジスタＱ１のスイッチングを開始するようにしている。
【００６８】
このように昇降圧回路２９が降圧動作を実行した状態で、モータＭの等速動作が行われ、その後、減速動作が実行される。減速動作が開始される際、バス電圧ＢＶは通常値ＢＶMよりも低い降圧値ＢＶLまで降圧されている。そのため、モータＭの減速動作時、回生エネルギーにより上昇するバス電圧ＢＶ（コンデンサ３０の端子間電圧）が回生消費電圧値ＢＶRに達するまでにコンデンサ３０に蓄積可能なエネルギー量は、バス電圧ＢＶが通常値ＢＶMである場合（従来構成の場合）に比べると、下記（２）式に示すエネルギー量ＪCだけ多くなる。
ＪC＝｛（１／２）・Ｃ・ＢＶM2｝−｛（１／２）・Ｃ・ＢＶL2｝
＝（１／２）・Ｃ・（ＢＶM2−ＢＶL2） …（２）
【００６９】
上記（２）式に示すように、コンデンサ３０に蓄積可能なエネルギー量は、通常値ＢＶMと降圧値ＢＶLとの差に応じた量ＪCだけ多くなる。すなわち、コンデンサ３０の空き容量を従来構成の場合に比べて増加させることで、減速動作時にコンデンサ３０に一層多くのエネルギーを蓄積することが可能になる。
【００７０】
このように、バス電圧ＢＶを降圧値ＢＶLまで低下させることによって、減速動作時にコンデンサ３０の端子間電圧が回生消費電圧値ＢＶRまで上昇しなければ、回生エネルギーを全て有効利用することができる。また、減速動作時にコンデンサ３０の端子間電圧が回生消費電圧値ＢＶRまで上昇する場合でも、バス電圧ＢＶが通常値ＢＶMである従来構成の場合と比べると、回生消費回路２２の動作時間を短くすることができるため、回生消費回路２２により消費されるエネルギー（無駄になるエネルギー）を低減し、残りの回生エネルギーを有効利用することが可能となる。
【００７１】
さて、モータＭの減速動作が開始されると、モータＭからの回生エネルギーに起因してコンデンサ３０の端子間電圧であるバス電圧ＢＶは、降圧値ＢＶLから上昇する。そしてて、モータＭの減速動作が終了すると、モータＭからのエネルギーの回生が収まるため、バス電圧ＢＶの上昇が収まる。本実施形態では、このようなモータＭの動作状態とバス電圧ＢＶとの関係に着目し、次のように、バス電圧ＢＶの検出値に基づいてモータＭの減速動作期間を判断する。
【００７２】
すなわち、ステップＳ９では、バス電圧ＢＶの検出値が上昇傾向であるか否かが判断される。ここでは、例えば、バス電圧ＢＶの検出値が前回参照した値よりも今回参照した値のほうが高いという判定がＮ回（Ｎは整数）連続した場合に、バス電圧ＢＶが上昇傾向であると判断するようにしている。Ｎの値は適宜変更可能であるが、その値を小さくするほど、実際に減速動作が開始された時点（図７の時刻ｔｇ）からステップＳ９で「ＹＥＳ」と判断される時点（図７の時刻ｔｈ）までの遅延時間Ｔｂが短くなる。つまり、Ｎの値を小さくするほど、モータＭの減速動作開始時点の判定精度が高まる。ただし、この場合、ノイズなどにより誤判断する可能性が高まる。これに対し、Ｎの値を大きくするほど、モータＭの減速動作開始時点の判定精度が低くなる。ただし、この場合、ノイズなどにより誤判断する可能性が低くなる。
【００７３】
バス電圧ＢＶの検出値が上昇傾向であると判断されると（ステップＳ９で「ＹＥＳ」、図７の時刻ｔｈ）、ステップＳ１０に進む。ステップＳ１０に進むと、トランジスタＱ１がオフ駆動される。これにより、減速動作が開始されたと考えられる時点から昇降圧回路２９が電源遮断状態となる。そのため、インバータ装置２３に対する新たな電力供給が停止され、バス電圧ＢＶの上昇が緩和される。つまり、バス電圧ＢＶの上昇の傾きが緩やかになるため、減速動作期間におけるバス電圧ＢＶのピーク値が低く抑えられる。このようにすることで、上記した回生エネルギーを有効利用するという効果が一層高まる。
【００７４】
その後、モータＭの減速動作が終了すると、モータＭからのエネルギーの回生が収まるため、バス電圧ＢＶは低下に転じる（図７の時刻ｔｉ）。そこで、ステップＳ１１では、バス電圧ＢＶの検出値が減少傾向であるか否かが判断される。このステップＳ１１における減少傾向の判断は、例えばステップＳ９における上昇傾向の判断と同様の手法により行うことができる。
【００７５】
バス電圧ＢＶの検出値が減少傾向であると判断されると（ステップＳ１１で「ＹＥＳ」図７の時刻ｔｊ）、ステップＳ１２に進む。ステップＳ１２に進むと、バス電圧ＢＶの検出値が降圧値ＢＶLとなるようにトランジスタＱ１がスイッチングされる。これにより、減速動作が終了したと考えられる時点から昇降圧回路２９が再び降圧動作を開始する。ステップＳ１２の実行後は、ステップＳ５に戻り、次の加速動作が開始されると判断されるまでの間（ステップＳ５で「ＮＯ」の間）、降圧動作が継続される。
【００７６】
以上説明したように、電源制御部２６は、定常時（加速動作期間および減速動作期間であると考えられる期間を除く期間）において、バス電圧ＢＶを通常の通常値ＢＶMよりも低い降圧値ＢＶLまで降圧する降圧動作を実行するように昇降圧回路２９の動作を制御する。これにより、バス電圧ＢＶを通常値ＢＶMにした場合（従来の構成）に比べ、コンデンサ３０に蓄積可能なエネルギー量が、上記（２）式に示した量だけ多くなる。すなわち、従来構成の場合に比べ、コンデンサ３０の空き容量が増加するので、モータＭの減速動作時にコンデンサ３０に一層多くのエネルギーを静電エネルギーとして蓄積することが可能となる。また、電源制御部２６は、バス電圧ＢＶの検出値に基づいてモータＭの減速動作期間を判断し、その期間には、電源遮断状態となるように昇降圧回路２９の動作を制御する。これにより、モータＭの減速動作期間において、インバータ装置２３（ひいてはモータＭ）に対する新たな電力供給が停止されてバス電圧ＢＶの上昇が緩和されるため、回生エネルギーを有効利用する効果が一層高まる。
【００７７】
さらに、電源制御部２６は、バス電圧ＢＶの検出値に基づいてモータＭの加速動作期間を判断し、その期間には、バス電圧ＢＶを昇圧する昇圧動作を実行するように昇降圧回路２９の動作を制御する。これにより、モータＭの加速動作時に昇圧されたバス電圧ＢＶがインバータ装置２３に供給され、高いトルクを出すことが本来的に必要となる加速動作時において、その高いトルクを得るために十分な電力をモータＭに供給することが可能となる。
【００７８】
このように、本実施形態によれば、直接的にモータＭの動作状態を判断することなく、バス電圧ＢＶの検出値から間接的にモータＭの動作状態（加速動作状態、減速動作状態）を判断し、その判断結果に基づいて、昇降圧回路２９の動作状態を上記したように自動的に切り替えるようにしている。そのため、電源制御部２６の制御内容を単純化することができる。また、モータＭの駆動を制御するメイン制御部２７の制御内容を変更することなく、上記した作用および効果を得ることができる。
【００７９】
一般に、電源に関する制御を行う電源制御部２６と、モータＭの駆動に関する制御を行うメイン制御部２７とは、互いに異なる担当者（担当グループ）により開発される。本実施形態によれば、メイン制御部２７の制御内容を変更することなく電源制御部２６の制御内容を変更すればよいため、従来構成からの制御（ソフトウエア）に関する改良部分が少なくなる。したがって、ソフトウエア開発が容易になり、その開発コストを抑えることができるという効果が得られる。
【００８０】
また、電源回路には、電源投入時における突入電流を制限するため、電源の入力ラインに直列に介在するように突入電流制限用の抵抗が設けられるとともに、その抵抗の端子間を短絡するスイッチ手段（例えば機械式のリレーなど）が設けられることが一般的である。これに対し、本実施形態によれば、昇降圧回路２９が昇降圧動作を実行するために本来的に必要となる構成（トランジスタＱ１、インダクタＬ１）により突入電流が制限される。このため、突入電流制限用の抵抗およびスイッチ手段を設ける必要がなくなり、その分だけ回路構成を簡単化し、製造コストの低減を図ることができる。
【００８１】
さらに、電源回路には、電源供給を遮断可能にするため、交流電源から直流電源回路に対する電源供給経路に直列に介在するように電磁接触器（コンタクタ）などが設けられることが一般的である。本実施形態では、昇降圧回路２９に対する入力電圧の供給を遮断する電源遮断状態に設定することができるため、その電磁接触器を省略することが可能である。電磁接触器などが省略されれば、その分だけ回路構成を簡単化し、製造コストの低減を図ることができる。
【００８２】
続いて、電源制御部２６によるダイナミックブレーキ制御について説明する。図８は、ダイナミックブレーキ制御が実行される場合におけるモータＭの回転速度、バス電圧、トランジスタＱ１、Ｑ２の駆動状態、スイッチＳＷ１の開閉状態を示している。なお、ここでは、モータＭが等速動作している期間にダイナミックブレーキ制御が行われる場合について説明する。
【００８３】
電源制御部２６は、図８の時刻ｔａの時点において緊急停止指令が与えられると、そのときに設定されている制御モードにかかわらず、トランジスタＱ１をオフ駆動するとともに、トランジスタＱ２をオン駆動し、さらにスイッチＳＷ１をオンする。これにより、モータＭの相間がスイッチＳＷ１、インダクタＬ１、トランジスタＱ２を介して短絡された状態になる。
【００８４】
スイッチＳＷ１は、オン状態であっても所定の抵抗値を有している。また、インダクタＬ１は、所定の等価直列抵抗を有している。さらに、パワーＭＯＳＦＥＴであるトランジスタＱ２は、所定のオン抵抗を有している。このようなことから、モータＭの相間が、スイッチＳＷ１のオン時の抵抗、インダクタＬ１の等価直列抵抗およびトランジスタＱ２のオン抵抗を介して短絡され、モータＭに対してダイナミックブレーキがかけられる。これにより、モータＭは、その回転速度が急激に低下し、図８の時刻ｔｂの時点において停止する。また、この際、トランジスタＱ１がオフされているため、バス電圧ＢＶも回転速度と同様に急激に低下し、時刻ｔｂの時点においてゼロになる。
【００８５】
通常、ダイナミックブレーキをかけるためには、バス電圧ＢＶを供給する電源線間（出力電源線３３および基準電源線３２間）に、ダイナミックブレーキ専用のスイッチ手段および抵抗を直列に設ける必要がある。これに対し、本実施形態によれば、電源制御部２６が上記したダイナミックブレーキ制御を行うことにより、昇降圧回路２９のスイッチＳＷ１、インダクタＬ１およびトランジスタＱ２を用いて、ダイナミックブレーキをかけることが可能となる。このため、ダイナミックブレーキ専用のスイッチ手段および抵抗を設ける必要がなくなり、その分だけ回路構成を簡単化し、製造コストの低減を図ることができる。
【００８６】
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。
電源制御部２６によるダイナミックブレーキ制御については、必要に応じて設ければよい。ダイナミックブレーキ制御を設けない場合、スイッチＳＷ１を省略できる。
電源制御部２６は、非昇降圧動作を実行する場合、トランジスタＱ１およびスイッチＳＷ１をオンするとともに、トランジスタＱ２をオフするように構成してもよい。このようにすれば、非昇降圧動作時における出力電圧（バス電圧ＢＶ）が、スイッチＳＷ１のオン時の抵抗による電圧降下分だけ入力電圧より低い値になる。そして、インダクタＬ１、ダイオードＤ２による電力損失を低減するという効果が得られる。
【００８７】
本発明は、モータＭとしてＤＣブラシレスモータを用いた構成に限らず、例えば直流モータ、交流モータなど各種のモータを用いた構成にも適用可能である。なお、モータＭとして直流モータを用いる場合には、モータＭを駆動する駆動手段として、インバータ装置２３に代えて、例えばＨブリッジ回路を主体として構成された駆動回路を用いればよい。
上記実施形態では、本発明を６軸の垂直多関節型のロボット２に適用した例を説明したが、本発明は、各軸をモータにより駆動する構成のロボット全般に適用可能である。
【符号の説明】
【００８８】
図面中、１はロボットシステム、２はロボット、２２は回生消費回路、２３はインバータ装置（駆動手段）、２６は電源制御部（出力電圧検出手段、回生制御手段、電源制御手段）、２７はメイン制御部（駆動制御手段）、２９は昇降圧回路（電源回路）、３０はコンデンサ、３１は入力電源線、３２は基準電源線、３３は出力電源線、Ｄ１は第１のダイオード、Ｄ２は第２のダイオード、Ｌ１はインダクタ、Ｍはモータ、Ｑ１はトランジスタ（第１のスイッチ手段）、Ｑ２はトランジスタ（第２のスイッチ手段）、Ｑ３はトランジスタ（回生スイッチ手段）、Ｒ１は回生抵抗、ＳＷ１はスイッチ（第３のスイッチ手段）を示す。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロボットの各軸を駆動するためのモータと、
入力電源線および基準電源線を介して与えられる入力電圧を昇圧して出力電源線および前記基準電源線を介して出力する昇圧動作と、前記入力電圧を降圧して前記出力電源線および前記基準電源線を介して出力する降圧動作と、前記入力電圧の供給を遮断する電源遮断動作とを選択的に実行する電源回路と、
前記出力電源線および前記基準電源線間に接続されたコンデンサと、
前記出力電源線および前記基準電源線を介して与えられる出力電圧の供給を受けて動作し、前記モータを駆動する駆動手段と、
前記モータの回転速度を回転速度指令に一致させるように前記駆動手段による前記モータの駆動を制御する駆動制御手段と、
前記出力電圧を検出する出力電圧検出手段と、
前記出力電源線および前記基準電源線の間に直列に設けられた回生スイッチ手段および回生抵抗からなる回生消費回路と、
前記出力電圧検出手段の検出値が回生消費電圧値未満のときにあっては前記回生スイッチ手段をオフし、当該検出値が回生消費電圧値以上のときにあっては前記回生スイッチ手段をオンする回生制御手段と、
前記出力電圧検出手段の検出値に応じて、前記電源回路の動作を制御する電源制御手段と、を備え、
前記電源回路は、
インダクタ、前記入力電源線と前記インダクタの一方の端子との間に接続される第１のスイッチ手段、前記インダクタの一方の端子と前記基準電源線との間に前記基準電源線側をアノードとして接続される第１のダイオード、前記インダクタの他方の端子と前記基準電源線との間に接続される第２のスイッチ手段、および前記インダクタの他方の端子と前記出力電源線との間に前記インダクタの他方の端子側をアノードとして接続される第２のダイオードを備え、
前記第１のスイッチ手段がオンされた状態で前記第２のスイッチ手段がスイッチングされることにより、前記昇圧動作が実行され、
前記第２のスイッチ手段がオフされた状態で、前記出力電圧検出手段の検出値が前記入力電圧の値より低い所定の降圧値となるように前記第１のスイッチ手段がスイッチングされることにより、前記降圧動作が実行され、
前記第１のスイッチ手段および前記第２のスイッチ手段がオフされることにより、前記電源遮断動作が実行され、
前記電源制御手段は、
最初に前記降圧動作を実行するように前記電源回路の動作を制御し、
前記降圧動作の実行中、前記出力電圧検出手段の検出値が前記降圧値より低い所定の加速開始判定値を下回ると、前記昇圧動作を実行するように前記電源回路の動作を制御し、
前記昇圧動作の実行中、前記出力電圧検出手段の検出値が前記入力電圧の値より高い所定の加速終了判定値を上回ると、前記降圧動作を実行するように前記電源回路の動作を制御し、
前記降圧動作の実行中、前記出力電圧検出手段の検出値が上昇すると、前記電源遮断動作を実行するように前記電源回路の動作を制御し、
前記電源遮断動作の実行中、前記出力電圧検出手段の検出値が低下すると、前記降圧動作を実行するように前記電源回路の動作を制御することを特徴とするロボットシステム。
【請求項２】
前記モータの異常を検出する異常検出手段を備え、
前記電源回路は、前記インダクタの一方の端子と前記出力電源線との間に接続される第３のスイッチ手段を備え、
前記異常検出手段により前記モータの異常が検出されると、または、外部から緊急停止を指令する緊急停止指令が与えられると、前記電源回路の動作状態にかかわらず前記第１のスイッチ手段をオフするとともに前記第２のスイッチ手段をオンし、さらに前記第３のスイッチ手段をオンすることにより、前記モータの相間を、前記第３のスイッチ手段、前記インダクタおよび前記第２のスイッチ手段を介して短絡することを特徴とする請求項１に記載のロボットシステム。
【請求項１】
ロボットの各軸を駆動するためのモータと、
入力電源線および基準電源線を介して与えられる入力電圧を昇圧して出力電源線および前記基準電源線を介して出力する昇圧動作と、前記入力電圧を降圧して前記出力電源線および前記基準電源線を介して出力する降圧動作と、前記入力電圧の供給を遮断する電源遮断動作とを選択的に実行する電源回路と、
前記出力電源線および前記基準電源線間に接続されたコンデンサと、
前記出力電源線および前記基準電源線を介して与えられる出力電圧の供給を受けて動作し、前記モータを駆動する駆動手段と、
前記モータの回転速度を回転速度指令に一致させるように前記駆動手段による前記モータの駆動を制御する駆動制御手段と、
前記出力電圧を検出する出力電圧検出手段と、
前記出力電源線および前記基準電源線の間に直列に設けられた回生スイッチ手段および回生抵抗からなる回生消費回路と、
前記出力電圧検出手段の検出値が回生消費電圧値未満のときにあっては前記回生スイッチ手段をオフし、当該検出値が回生消費電圧値以上のときにあっては前記回生スイッチ手段をオンする回生制御手段と、
前記出力電圧検出手段の検出値に応じて、前記電源回路の動作を制御する電源制御手段と、を備え、
前記電源回路は、
インダクタ、前記入力電源線と前記インダクタの一方の端子との間に接続される第１のスイッチ手段、前記インダクタの一方の端子と前記基準電源線との間に前記基準電源線側をアノードとして接続される第１のダイオード、前記インダクタの他方の端子と前記基準電源線との間に接続される第２のスイッチ手段、および前記インダクタの他方の端子と前記出力電源線との間に前記インダクタの他方の端子側をアノードとして接続される第２のダイオードを備え、
前記第１のスイッチ手段がオンされた状態で前記第２のスイッチ手段がスイッチングされることにより、前記昇圧動作が実行され、
前記第２のスイッチ手段がオフされた状態で、前記出力電圧検出手段の検出値が前記入力電圧の値より低い所定の降圧値となるように前記第１のスイッチ手段がスイッチングされることにより、前記降圧動作が実行され、
前記第１のスイッチ手段および前記第２のスイッチ手段がオフされることにより、前記電源遮断動作が実行され、
前記電源制御手段は、
最初に前記降圧動作を実行するように前記電源回路の動作を制御し、
前記降圧動作の実行中、前記出力電圧検出手段の検出値が前記降圧値より低い所定の加速開始判定値を下回ると、前記昇圧動作を実行するように前記電源回路の動作を制御し、
前記昇圧動作の実行中、前記出力電圧検出手段の検出値が前記入力電圧の値より高い所定の加速終了判定値を上回ると、前記降圧動作を実行するように前記電源回路の動作を制御し、
前記降圧動作の実行中、前記出力電圧検出手段の検出値が上昇すると、前記電源遮断動作を実行するように前記電源回路の動作を制御し、
前記電源遮断動作の実行中、前記出力電圧検出手段の検出値が低下すると、前記降圧動作を実行するように前記電源回路の動作を制御することを特徴とするロボットシステム。
【請求項２】
前記モータの異常を検出する異常検出手段を備え、
前記電源回路は、前記インダクタの一方の端子と前記出力電源線との間に接続される第３のスイッチ手段を備え、
前記異常検出手段により前記モータの異常が検出されると、または、外部から緊急停止を指令する緊急停止指令が与えられると、前記電源回路の動作状態にかかわらず前記第１のスイッチ手段をオフするとともに前記第２のスイッチ手段をオンし、さらに前記第３のスイッチ手段をオンすることにより、前記モータの相間を、前記第３のスイッチ手段、前記インダクタおよび前記第２のスイッチ手段を介して短絡することを特徴とする請求項１に記載のロボットシステム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１３−７０５６６（Ｐ２０１３−７０５６６Ａ）
【公開日】平成２５年４月１８日（２０１３．４．１８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２０８７９８（Ｐ２０１１−２０８７９８）
【出願日】平成２３年９月２６日（２０１１．９．２６）
【出願人】（５０１４２８５４５）株式会社デンソーウェーブ (1,155)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年４月１８日（２０１３．４．１８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月２６日（２０１１．９．２６）
【出願人】（５０１４２８５４５）株式会社デンソーウェーブ (1,155)
【Ｆターム（参考）】
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