电动机驱动用电源电路的放电电路及方法、机器人控制器与流程

1.本发明涉及一种相对于驱动工业用机器人的各轴的电动机用的电源电路而设置的放电电路、电源电路的放电方法以及具备电源电路及放电电路的机器人控制器。


背景技术：

2.在通过伺服驱动器驱动控制同步电动机、感应电动机等电动机的设备中，向伺服驱动器供给通过整流电路将来自商用交流电源等外部电源的交流电进行整流平滑所获得的直流电。在此，将包括整流电路和设置于整流电路的输出处的平滑电容器(电容器)的电路称为电源电路。进行使电动机减速的控制时，再生电流经由伺服驱动器从电动机向电源电路侧流动。当再生电流向电源电路侧流动时电源电路的二次侧(输出侧)的直流电压上升，有可能超过与电源电路连接的设备、元件的耐压(即允许的最大输入电源电压值)。于是，在使用电动机的设备中，一般构成为，在电源电路的二次侧设置放电电阻，一旦电源电压值超过固定值则使再生电流流过放电电阻，通过放电电阻消耗再生能量。专利文献1公开了一种电路，紧急停止时通过放电电阻消耗再生能量，由此对电动机施加制动。
3.当切断交流电向电源电路的一次侧(输入侧)的供给时或交流电源停电时，在电源电路的平滑电容器中仍蓄积有电荷，继续输出直流电压，但在这种情况下，为了确保安全，需要使电源电路的二次侧的直流电压在规定时间内变为规定值以下。专利文献2公开了一种控制装置，在通过接触器切断了交流电向电源电路的供给时，使用再生能量消耗用的放电电阻使平滑电容器的蓄积电荷强制放电。专利文献3公开了一种控制装置，在检测到交流电源中的停电时，使用再生能量消耗用的放电电阻使平滑电容器的蓄积电荷强制放电。专利文献4公开了一种电动机停止电路，在检测到停电时，在对驱动电动机的逆变器输出减速控制指令的同时，对具备放电电阻的再生放电电路输出再生放电指令。
4.现有技术文献
5.专利文献
6.专利文献1：日本特开平11－262283号公报
7.专利文献2：日本特开2004－249534号公报
8.专利文献3：日本特开平9－121592号公报
9.专利文献4：日本特开平10－243675号公报


技术实现要素：

10.发明所要解决的技术问题
11.在工业用机器人中，一般使用同步电动机或者感应电动机作为驱动其各轴的电动机，这些电动机由具有逆变器功能的伺服驱动器驱动控制。由于工业用机器人的电动机在进行减速控制时也会产生再生电流，因此在电源电路中连接有用于消耗再生能量的放电电阻，使得再生电流根据电源电路的二次侧的电压流过放电电阻。另外，在工业用机器人中，在其安全标准上，当来自外部电源的电力供给因机器人的紧急停止或交流电源的停电等而
被切断时，要求在规定时间(例如一分钟)内，将电源电路的二次侧的电压设为规定电压值(例如43v)以下。机器人的紧急停止通常是通过继电器、接触器在电源电路的一次侧切断交流电源。为了在规定时间内将电源电路的二次侧的电压设为规定电压值，还考虑使用专利文献2～4所记载的技术。但是，在进行机器人的紧急停止的情况下，需要使移动中的机器人的各轴安全停止，为此，有时在停止动作的期间中也需要向驱动控制电动机的伺服驱动器供电。例如，在机器人的某臂正在上升时进行机器人的紧急停止的情况下，需要使上升中的臂的速度以规定减速度减少变为0，这时向电动机供电使电动机动力运转。如果在进行使机器人减速停止的控制时向电动机的电力供给被切断，则机器人有可能进入不受控制的所谓自由状态，存在进入更危险的状态的可能性。因此，在应用专利文献2～4所记载的技术的情况下，当停电时或紧急停止时存在无法实现机器人的安全停止的可能性。
12.本发明的目的在于提供一种放电电路及放电方法，是工业用机器人的电动机的驱动所使用的电源电路用的放电电路及放电方法，当外部电源停电时或机器人紧急停止时能够使机器人安全地停止，并且能够使电源电路的二次侧的电压在由安全标准等规定的时间内降低到安全电压。本发明的另一目的在于提供一种具备这种放电电路和电源电路的机器人控制器。
13.解决技术问题所采用的技术方案
14.本发明的放电电路相对于为驱动工业用机器人的电动机所设置的电源电路而设置，使设置在电源电路中的电容器放电，所述放电电路具有：第一电压检测器，所述第一电压检测器检测输入到电源电路的一次侧的电压；第二电压检测器，所述第二电压检测器检测电源电路的二次侧的电压；放电电阻，所述放电电阻在电源电路的二次侧与电源电路并联设置；开关元件，所述开关元件接通或断开流过放电电阻的电流；电源控制单元，所述电源控制单元执行的放电控制，以使电流流过放电电阻，电源控制单元当由第二电压检测器检测的电压高于再生判定值时，控制开关元件执行放电控制，并且在第一电压检测器中一次侧的电压低于停电判定值的情况下，经过工业用机器人的停止动作所需的时间之后执行放电控制。
15.在工业用机器人中，由于在其紧急停止时通过切断机械触点来切断向电源电路的一次侧的电力供给，因此在外部电源停止时或机器人紧急停止时，向电源电路的一次侧的电力供给被切断使得一次侧的电压低于停电判定值。在本发明的放电电路中，当消耗电动机中产生的再生能量的放电电阻被设置于电源电路的二次侧(输出侧)时，在外部电源停电时或机器人紧急停止时等为了使电源电路内的平滑电容器放电，也使用该放电电阻。然后，当由于电源电路的一次侧的电压低于停电判定值而检测到外部电源停电或机器人紧急停止的情况下，经过机器人的停止动作所需的时间之后执行放电电阻的放电。机器人的停止动作所需的时间期间，在电源电路的二次侧仍残留电压，所以可以使机器人安全地停止，另外，之后通过放电电阻的放电能够在短时间例如安全标准中所规定的时间内，将电源电路的二次侧的电压降低到安全水平。
16.在本发明的放电电路中，理想的是，工业用机器人的停止动作所需的时间例如被预先存储为数值。存储的数值也可以根据工业用机器人的种类而定。另外，由于机器人动作中基于机器人的结构或规格事前知道了该机器人的安全停止所需时间的最大值，因此优选将对这种最大值加上适当的余量所得的值设为工业用机器人的停止动作所需的时间。通过
预先存储工业用机器人的停止动作所需的时间，当机器人紧急停止时或外部电源停电时能够更可靠地进行放电动作。设置有控制机器人的各轴的电动机的主控制单元时，电源控制单元也可以从主控制单元通知工业用机器人的停止动作所需的时间。通过在主控制单元侧对工业用机器人的停止动作所需的时间进行管理，可以更灵活地应对机器人的型号变更等。
17.在本发明的放电电路中，也可以是，电源控制单元从控制电动机的主控制单元通知工业用机器人的停止动作结束，并且在有该通知时，判断为已经过工业用机器人的停止动作所需的时间并执行放电控制。在该情况下，由于在确认停止动作实际结束之后进行放电控制，所以能够更可靠地使机器人安全地停止。
18.本发明的放电方法使设置在驱动工业用机器人的电动机用的电源电路中的电容器放电，在所述放电方法中，当电源电路的二次侧的电压高于再生判定值时，执行放电控制，使电流流过相对于电源电路的二次侧并联设置的放电电阻，即使在电源电路的一次侧的电压低于停电判定值的情况下，经过工业用机器人的停止动作所需的时间之后，也执行放电控制。
19.在本发明的放电方法中，当消耗电动机中产生的再生能量的放电电阻设置于电源电路的二次侧式，在外部电源停电时或机器人紧急停止时等，为了使电源电路内的平滑电容器放电，也使用该放电电阻。此外，在检测到外部电源停电或机器人紧急停止的情况下，经过机器人的停止动作所需的时间之后执行放电电阻的放电。在机器人的停止动作所需的时间期间在电源电路的二次侧仍残留电压，所以可以使机器人安全地停止，另外，之后可以通过放电电阻的放电在短时间例如安全标准中所规定时间内使电源电路的二次侧的电压降低到安全水平。
20.在本发明的放电方法中，能够基于作为工业用机器人的停止动作所需的时间预先存储的值执行放电控制。通过预先存储工业用机器人的停止动作所需的时间，在机器人紧急停止时或外部电源停电时能够更可靠地进行放电动作。设置有控制机器人各轴的电动机的主控制单元时，也可以基于从主控制单元通知的工业用机器人的停止动作所需的时间来执行放电控制。通过在主控制单元侧管理工业用机器人的停止动作所需的时间，能够更灵活地应对机器人的型号变更等。
21.在本发明的放电方法中，也可以是，从控制电动机的主控制单元通知工业用机器人的停止动作结束时，判断已经过工业用机器人的停止动作所需的时间并执行放电控制。在该情况下，由于在确认停止动作实际结束之后进行放电控制，所以能够使机器人更可靠地安全地停止。
22.本发明的机器人控制器控制每个轴均具备电动机的工业用机器人，所述机器人控制器具有：电源电路，所述电源电路具备整流电路和平滑电容器，基于供给至一次侧的交流电从二次侧输出直流电；第一电压检测器，所述第一电压检测器检测输入到电源电路的一次侧的交流电压；第二电压检测器，所述第二电压检测器检测电源电路的二次侧的电压；放电电阻，所述放电电阻在二次侧与电源电路并联设置；开关元件，所述开关元件接通或断开流过放电电阻的电流；伺服控制器，被供给从二次侧输出的直流电，驱动并控制电动机；主控制单元，所述主控制单元通过对伺服控制器输出指令而进行对电动机的控制；电源控制单元，所述电源控制单元执行控制开关元件的放电控制，以使电流流过放电电阻，电源控制
单元在第二电压检测器检测的电压高于再生判定值时执行放电控制，并且在第一电压检测器中一次侧的电压低于停电判定值的情况下，经过工业用机器人的停止动作所需的时间之后执行放电控制，主控制单元在一次侧的电压低于停电判定值的情况下执行使工业用机器人减速停止的处理。
23.在本发明的机器人控制器中，消耗电动机中产生的再生能量的放电电阻设置于电源电路的二次侧，出于外部电源停电或机器人紧急停止等理由而切断交流电向电源电路的供给时，为了使电源电路内的平滑电容器放电，也使用该放电电阻。然后，当由于电源电路的一次侧的电压低于停电判定值而检测到交流电的供给已经切断的情况下，电源控制单元在经过机器人的停止动作所需的时间之后执行放电电阻的放电。在机器人的停止动作所需的时间期间在电源电路的二次侧仍残留电压，所以在该期间可以通过主控制单元的减速停止处理使机器人安全地停止，另外，之后可以通过放电电阻的放电在短时间例如安全标准所规定的时间内使电源电路的二次侧的电压降低到安全水平。
24.在本发明的机器人控制器中，理想的是，主控制单元具备存储工业用机器人的停止动作所需的时间作为放电迟延时间的存储器，将存储于存储器的放电迟延时间通知给电源控制单元，电源控制单元基于所通知的放电迟延时间来执行放电控制。由于主控制单元通常具备存储机器人的控制所需的各种参数的存储器，所以工业用机器人的停止动作所需的时间也作为放电迟延时间存储于该存储器，因此通过每次将机器人连接到机器人控制器时将放电迟延时间通知给电源控制单元，能够应对多种型号的机器人中的任何一种，也能够灵活应对机器人的型号变更。
25.在本发明的机器人控制器中，也可以说，当使工业用机器人减速停止的处理结束时，主控制单元通知给电源控制单元，当有通知时，电源控制单元判断为已经过工业用机器人的停止动作所需的时间并执行放电控制。在该情况下，由于在确认停止动作实际已经结束之后进行放电控制，所以能够使机器人更可靠地安全停止。
26.在本发明的机器人控制器中，理想的是，在外部的交流电源和电源电路的一次侧之间插入输入继电器，该输入继电器在工业用机器人紧急停止时开放。据此，在紧急停止时能够更可靠地使机器人安全地停止，并且，在紧急停止时能够在规定时间内使电源电路的二次侧的电压更可靠地设为安全电压水平。
27.发明效果
28.根据本发明，能够在外部电源停电时或机器人紧急停止时使机器人安全地停止，并且，可以在由安全标准等规定的时间内使电源电路的二次侧的电压降低到安全电压。
附图说明
29.图1是表示本发明一实施方式的机器人控制器的结构的框图。
30.图2是说明从外部输入紧急停止指令时的动作的时序图。
31.附图标记说明
32.10
…
电源电路；11
…
受电端子；12
…
输入继电器；13
…
交流电压检测器；14
…
全波整流电路；15
…
平滑电容器；16
…
直流电压检测器；18
…
放电电阻；19
…
放电晶体管；20
…
伺服驱动器；21
…
电源控制部；22
…
主控制部：30
…
机器人；31
…
电动机。
具体实施方式
33.接下来，参照附图对本发明的实施方式进行说明。基于本发明的放电电路优选用于进行工业用机器人的控制的机器人控制器。图1是表示本发明的一实施方式的机器人控制器的结构的框图。以下，也将工业用机器人简称为机器人。
34.图1所示的机器人控制器是用于每个轴均具备电动机31的机器人30的控制的控制器，与外部电源、例如单相200/230v、50/60hz的商用交流电源连接。在以下的说明中，假设外部电源为交流电源。机器人控制器具备从外部电源接收电力的受电端子11，在受电端子11接收的交流电经由输入继电器12被供给至电源电路10的一次侧。输入继电器12具备机械触点，将来自外部电源的交流电供给至电源电路10或将其切断。特别是输入继电器12构成为当输入紧急停止指令时可以立刻切断交流电向电源电路10的一次侧的供给。
35.电源电路10具备对被供给至其一次侧的交流电进行整流的全波整流电路14和设置在全波整流电路14的输出侧的平滑电容器15，为了机器人30的各轴的电动机31的驱动而从二次侧输出平滑后的直流电。在电源电路10的一次侧设置有检测输入的交流电的电压的交流电压检测器13，在电源电路10的二次侧设置有检测输出的直流电的电压的直流电压检测器16。交流电压检测器13及直流电压检测器16分别相当于第一电压检测器及第二电压检测器。从电源电路10的二次侧输出的直流电供给到对应于机器人30的每个轴而设置的伺服驱动器20。如下所述，机器人控制器还具备主控制部22，伺服驱动器20由主控制部22控制，驱动且伺服控制机器人30中的对应的轴的电动机31。电动机31例如由同步电动机或感应电动机构成，在减速时产生电动势。伺服驱动器30还具有将减速时在电动机31中产生的电动势的再生电流输出到电源电路10侧的作用。
36.来自电动机31的再生电流流动到电源电路10侧时，电源电路10的二次侧的电压上升。如果该电压过度上升，则有可能超过与电源电路10连接的设备、元件例如伺服驱动器20允许的最大输入电源电压值，也有可能超过电源电路10的平滑电容器15自身的耐压。于是，相对于电源电路10的二次侧并联设置有放电电阻18，此外，设置有接通或断开流过放电电阻18的电流的开关元件19。在图示的例子中，使用npn型的双极晶体管作为开关元件19，放电电阻18的一端与从电源电路10的二次侧延伸的正(+)侧的导线连接，放电电阻18的另一端与开关元件19即晶体管的集电极连接。该晶体管的发射极与从电源电路10的二次侧延伸的负(－)侧的导线连接。而且，为了控制开关元件19的导通，在开关元件19即晶体管的端口设置有输出信号的电源控制部21。
37.假设向电源电路10的一次侧供给的交流电压为200v，则从电源电路10的二次侧输出280v左右的直流电压。当来自电动机31的再生电流流过时，电源电路10的二次侧的电压上升，例如预计还会超过400v。于是，电源控制部21经由直流电压检测器16监视电源电路10的二次侧的直流电压，将信号输出到开关元件19，当该直流电压超过再生判定值时使开关元件19导通，低于再生判定值时使开关元件19切断。通过将开关元件19控制在导通状态，在放电电阻18流过再生电流，再生能量被消耗，由此，电源电路10的二次侧的电压降低。将开关元件19设为导通状态且使电流流过放电电阻18的控制称为放电控制。实际上，在开关元件19的导通和切断的控制结合有滞后特性，一旦电源电路10的二次侧的电压例如超过400v，电源控制部21则使开关元件19导通，通过放电电阻18消耗再生能量，当电源电路10的二次侧的电压由于再生能量的消耗而低于例如380v时，将开关元件19设为切断状态。由此，
即使存在再生电流，电源电路10的二次侧的直流电压也维持在400v以下。电源控制部21例如由cpu(中央处理单元)或微处理器等构成。
38.此外，在本实施方式的机器人控制器中，电源控制部21在外部电源停电时或机器人紧急停止时也实施控制，以在安全标准规定的时间内使电源电路10的二次侧的电压处于规定安全水平以内。在安全标准中，作为一例，在切断外部电源或紧急停止时规定在一分钟以内使电压低于43v。在机器人控制器设置有输入继电器12，当紧急停止指令输入到输入继电器12时，输入继电器12立刻变为开放状态，电源电路10的一次侧的电压变为0v。当然，当外部电源停电时，电源电路10的一次侧的电压也变为0v。交流电压检测器13总是监视电源电路10的一次侧的交流电压，当该电压低于规定停电判定值时，可以判定为发生机器人紧急停止或外部电源停电。电源控制部21在交流电压检测器13检测的交流电压低于停电判定值的情况下，无论在该时刻是否进行再生电流流过放电电阻18的控制以便消耗再生能量，在经过机器人30的停止动作所需的时间之后，均通过使开关元件19导通而进行放电控制。如果将机器人30的停止动作所需的时间称为放电迟延时间，则从交流电压检测器13检测的交流电压低于停电判定值起到经过放电迟延时间为止，实施与此前相同的控制，其中也包括再生能量的消耗。其结果是，检测到停电或紧急停止之后直到经过放电迟延时间，即使来自外部电源的交流电的供给被切断，通过此前蓄积在平滑电容器15中的电荷，在电源电路10的二次侧产生仅能够驱动电动机31的残留电压。于是，只要利用该残留电压执行使机器人30减速停止的动作就能够使机器人30安全地停止。然后，经过放电迟延时间之后，电源控制部21通过执行使开关元件19导通的放电控制，将从电源电路10的二次侧延伸的一对导线之间用放电电阻10连接。其结果是，蓄积在平滑电容器15中的电荷经由放电电阻15放电，电源电路10的二次侧的电压根据时间常数迅速下降至0v，该时间常数是低活性电容器15的容量值和电阻18的电阻值的乘积。
39.在此，对机器人30的停止动作所需的时间即放电迟延时间进行说明。假设机器人30正在动作中，考虑通过紧急停止指令使该机器人30减速并安全地停止的动作。根据机器人30的大小或正在做怎样的运动，为了安全地停止而需要的时间不同，但可以按每个机器人的型号并基于该机器人的结构或设计事前求取减速并安全地停止的动作所需的时间的最大值。在本实施方式中，对这样的最大值进一步加上适当的安全余量所得的值设为放电迟延时间。在可以应对多种型号的机器人30的机器人控制器的情况下，优选的是，按每个机器人30的型号决定放电迟延时间。越是大型的机器人，使动作中的机器人30减速且安全地停止的动作所需的时间越长，最多为几秒钟。另一方面，在安全标准中，紧急停止时，要求电源电路10的输出侧的电压在大约一分钟的时间之后变为所谓的安全电压以下。因此，设定放电迟延时间并使平滑电容器15的放电开始时刻从紧急停止的定时迟延几秒钟至大约十秒钟，也不会出现安全标准上的问题。
40.放电迟延时间可以预先存储于电源控制部21。或者，也可以如以下说明，将放电迟延时间存储于主控制部22侧，当将机器人30连接到机器人控制器时，或者启动机器人控制器时，从主控制部22通知给电源控制部21。
41.接下来，对本实施方式的机器人控制器中的主控制部22进行说明。当从外部给予对机器人30的动作指令时，为了使机器人30基于该动作指令动作，主控制部22输出每个轴的伺服驱动器20来控制每个轴的电动机31。主控制部22由cpu或微处理器构成。在主控制部
22连接有存储机器人30的控制所需的各种参数的非易失性存储器23。也可以将非易失性存储器23设置于主控制部23的内部，在该情况下，将内置于cpu或微处理器中的闪存存储器用作非易失性存储器23。由主控制部22和非易失性存储器23构成主控制单元。存储于非易失性存储器23的参数中也可以包括机器人23的每个型号的放电迟延时间，在该情况下，电源控制部21所使用的放电迟延时间从主控制部22通知给电源控制部21。另外，也可以是，用于消耗再生能量的放电控制使用的再生判定值也存储于非易失性存储器23并从主控制部22通知给电源控制部21。
42.此外，主控制部22在由交流电压检测器13检测到的交流电压低于停电判定值时，即，当判断为切断了向电源电路10的一次侧的交流电的供给时，执行使机器人30减速停止的处理。在图1中，交流电压检测器13的输出也直接被供给到主控制部22，但主控制部22也可以从电源控制部21通知由交流电压检测器13检测到的交流电压低于停电判定值。
43.图2表示在本实施方式的机器人控制器中，在机器人30做通常动作时从外部输入紧急停止指令时的动作。交流200v被供给至电源电路10的一次侧，其结果是，对电动机31的电源电压、即电源电路10的二次侧的直流电压为280v。图中，外部紧急停止是从通常动作变为紧急停止，意思是输入对机器人控制器的紧急停止指令。当输入紧急停止指令时，输入继电器12的触点的状态从闭合(on)变为打开(off)，交流电向电源电路10的一次侧的供给被切断，由交流电压检测器13检测交流电的供给已经切断。在该时间点，与放电电阻18连接的开关元件19为切断状态，放电电阻18不进行放电动作。
44.由交流电压检测器13检测到交流电的供给已经切断时，主控制部22在该定时执行使机器人30减速停止的处理。这时，电动机31的电源电压逐渐降低，但不会一直降低至阻碍机器人30的安全停止。另一方面，从由交流电压检测器13检测到交流电的供给已经切断的定时起经过放电迟延时间之后，电源控制部21进行使开关元件19导通的放电控制。机器人30的减速停止的动作在经过放电迟延时间以前完成，在放电电阻18的放电开始的时刻，机器人30处于安全停止的状态。图中a表示机器人30完全停止之后到放电电阻18开始放电的余量。放电电阻18一旦开始放电，电动机31的电源电压即电源电路10的二次侧的电压就迅速变为0v。
45.如上所述，在本实施方式中，将机器人30的停止动作所需的时间预先设定为放电迟延时间，在检测到向电源电路10的一次侧的交流电的切断之后经过放电迟延时间后实施放电电阻18的放电，由此，能够使机器人30安全地停止，并且满足与电源电路10的二次侧的残留电压有关的安全标准。通过将机器人30的每个型号的放电迟延时间作为参数存储于非易失性存储器23，能够灵活地应对与机器人控制器连接的机器人30的型号变更。
46.在以上的说明中，预先存储有机器人30的停止动作所需的时间即放电迟延时间，电源控制部21基于存储的放电迟延时间，在检测到向电源电路10的一次侧的交流电的切断之后经过放电迟延时间后实施放电电阻18的放电。但是在本发明中，即使不基于预先设定并存储的放电迟延时间也可以判定是否已经过机器人30的停止动作所需的时间。主控制部22实际执行使机器人20减速停止的处理，并且可以知道机器人20是否已经完全停止。于是，也可以是，在使机器人30减速停止的处理结束时主控制部22将该旨意通知给电源控制部21，在有该通知时电源控制部21判断为已经过机器人30的停止动作所需的时间并执行放电控制。像这样构成的情况下，在确认停止动作实际上已经结束之后进行放电控制，所以能够
使机器人30更可靠地安全地停止。