KR102376575B1

KR102376575B1 - 브레이크 구동 제어 회로와 그 고장 검출 방법

Info

Publication number: KR102376575B1
Application number: KR1020207016606A
Authority: KR
Inventors: 히데유키 오다기리
Original assignee: 니혼 덴산 가부시키가이샤
Priority date: 2017-12-11
Filing date: 2018-12-04
Publication date: 2022-03-18
Anticipated expiration: 2038-12-04
Also published as: US11482951B2; KR20200081477A; CN111465777A; WO2019116963A1; US20200313578A1; JP2019105286A; JP7091642B2; CN111465777B

Abstract

로봇 등에 설치되는 전자 브레이크를 제어하는 브레이크 구동 제어 회로에 있어, 안전성을 해치지 않고, 하이 사이드(High-side) 스위치로의 인가 전압을 비교적 낮은 전압으로 할 수 있고, 또한, 대용량의 별개의 전원 회로를 마련하는 것을 불요로 한다. 통전함으로 브레이크를 해제하는 전자 브레이크를 제어하는 브레이크 구동 제어 회로는, 제1 회로 전압의 제1 전원과 전자 브레이크의 일방의 단자와의 사이에 설치된 제1 정류 소자와, 제1 전원에 전력을 공급하는 라인에 삽입된 차단 스위치와, 전자 브레이크의 타방의 단자와 접지점과의 사이에 설치된 제1 스위칭 소자와, 제1 회로 전압과는 상이한 제2 회로 전압의 제2 전원과 전자 브레이크의 일방의 단자와의 사이에 직렬로 설치된 제2 스위칭 소자 및 제2 정류 소자를 갖춘다.

Description

브레이크 구동 제어 회로와 그 고장 검출 방법

본 발명은, 모터 등에 장착되는 전자 브레이크의 구동을 제어하는 브레이크 구동 제어 회로와 그 고장 검출 방법에 관한 것이다.

로봇에서는, 각 축을 구동하는 모터의 동력이 차단되었을 때에 로봇 암이 이동하거나 낙하하거나 하는 것을 막고 안전을 확보하기 위해, 모터 축에 대해 전자 브레이크를 장착하고 있다. 로봇에 설치되는 전자 브레이크는, 일반적으로, 무여자(無勵磁) 작동형으로서, 전자 브레이크에 통전(通電)하고 있을 때는 브레이크가 해제(릴리스) 상태가 되고, 통전이 차단되면 브레이크가 동작한다, 즉 모터 축을 락(lock)하도록 구성되어 있다. 또, 로봇에 설치되는 전자 브레이크에 대해서는, 로봇에 관한 안전 규격(UL 1740, ISO 10218)에 따라, 모터를 구동하기 위한 전원이 없어져 있는 상태에서 브레이크를 해제할 수 있는 것이 요구되고 있다. 특허문헌 1에는, 전자 브레이크에 통전하여 브레이크를 해제하기 위한 모터 브레이크 전원 공급부를 마련하고, 모터 브레이크 전원 공급부 내에 설치된 스위치에 대한 조작에 의해 브레이크를 해제할 수 있도록 한 장치가 개시되어 있다.

로봇에 설치되는 전자 브레이크는, 안전에 관련되는 기구이고, 높은 신뢰성이 요구된다. 특허문헌 1에 개시된 것처럼 하나의 스위치 만으로 제어되도록 했을 경우, 합선되는 것 같은 형태로 그 스위치가 고장난 경우에는, 브레이크가 항상 해제된 상태가 되어, 안전을 확보할 수 없게 될 우려가 있다. 그래서 특허문헌 2에는, 안전성을 높이기 위해 전자 브레이크의 양단(兩端)에, 각각 전자 브레이크에 대해 전기적으로 직렬이 되도록 스위칭 제어 수단을 접속한 브레이크 구동 제어 회로가 개시되어 있다. 스위칭 제어 수단으로는, 스위칭 트랜지스터가 이용된다. 특허문헌 2에 기재된 브레이크 구동 제어 회로는, 전자 브레이크의 양단의 전압을 검출하는 것에 의해 고장 검출을 행하는 전압 검출 수단도 갖추고 있다.

[특허문헌 1] 일본 특허공개 2000-296492호 공보 [특허문헌 2] 일본 특허공개 2006-123118호 공보

특허문헌 2의 브레이크 구동 제어 회로에서는, 2개의 스위칭 제어 수단 중 일방(一方)은 전자 브레이크와 접지 전위와의 사이에 설치되는 로우 사이드(Low-side) 스위치가 되지만, 타방(他方)은, 전자 브레이크와 브레이크 구동용의 전원 전압과의 사이에 설치되는 하이 사이드(High-side) 스위치가 된다. 브레이크 구동용의 전원 전압이 낮은 경우는 문제는 생기기 어렵지만, 이 전원 전압이 높아졌을 경우에는, 로우 사이드 스위치 및 하이 사이드 스위치의 쌍방에 내압(耐壓)이 높은 디바이스가 필요하게 된다. 이에 더하여, 전원 전압이 높을 경우에는, 하이 사이드 스위치로서 이용하는 디바이스의 종류에 따라, 다음과 같은 과제가 생긴다. 즉, N채널의 FET(전계 효과 트랜지스터)를 이용했을 경우에는, 그 구동 회로가 대규모가 되어 부품 점수가 증대하고, 코스트가 높아져 실장(實裝) 면적도 커지게 된다. P채널의 FET를 이용했을 경우에는 디바이스의 사이즈가 커지는 동시에, 온(On) 저항도 커지게 되어 손실이 커지고, 또 디바이스 그 자체에 대한 선택지가 적다. 바이폴러(bipolar) 트랜지스터를 이용하는 경우에는, 디바이스 사이즈가 커지는 동시에 손실도 크다.

전자 브레이크는, 그것을 해제 상태로 하기 위해 상당한 전류를 필요로 하므로, 로봇의 축 수가 많아지고 전자 브레이크의 수도 많아지면, 전자 브레이크용의 전원 회로로서도 용량이 큰 것을 사용할 필요가 있다. 로봇에서는, 그 모터의 구동을 위해 대용량이고 비교적 높은 전압의 전원 회로가 준비되지만, 모터 구동용의 전원 회로를 브레이크 구동용의 전원 회로로서도 사용하는 경우에는, 하이 사이드 스위치에 관련되는 상술한 과제를 해결할 수 없다. 브레이크 구동용으로 비교적 낮은 전압의 전원 회로를 별개로 준비하는 경우에는, 이 별개로 준비되는 전원 회로에도 어느 정도의 용량이 필요하므로, 코스트 업의 요인 등이 된다. 로봇에는, 그 제어 회로를 위해 비교적 낮은 전압의 전원 회로도 준비되지만, 제어 회로는 그만큼 전력을 소비하지 않기 때문에 제어 회로용의 전원 회로는 비교적 소용량이며, 복수의 축을 가지기 때문에 브레이크 해제용의 전류가 커지는 로봇에서는, 제어 회로용의 소용량의 전원 회로를 브레이크 구동용의 전원 회로로서 이용하는 것은 현실적이지 않다.

본 발명의 목적은, 안전성을 해치지 않고, 하이 사이드 스위치로서 이용되는 스위칭 소자로의 인가 전압을 비교적 낮은 전압으로 할 수 있고, 또한, 대용량의 별개의 전원 회로를 마련하는 것을 불요로 하는 브레이크 구동 제어 회로와, 그 브레이크 구동 제어 회로의 고장 검출 방법을 제공하는 것에 있다.

본 발명의 브레이크 구동 제어 회로는, 통전함으로 브레이크를 해제하는 전자 브레이크를 제어하는 브레이크 구동 제어 회로이고, 제1 회로 전압의 제1 전원과 전자 브레이크의 일방의 단자와의 사이에 설치된 제1 정류 소자와, 제1 전원을 동작시키기 위해 제1 전원에 전력을 공급하는 라인에 삽입된 차단 스위치와, 전자 브레이크의 타방의 단자와 접지점과의 사이에 설치된 제1 스위칭 소자와, 제1 회로 전압과는 상이한 제2 회로 전압의 제2 전원과 전자 브레이크의 일방의 단자와의 사이에 직렬로 설치된 제2 스위칭 소자 및 제2 정류 소자를 가진다.

이러한 브레이크 구동 제어 회로에서는, 전자 브레이크를 사이에 두고 차단 스위치와 제1 스위칭 소자가 직렬로 접속되어 있으므로, 일방이 합선 모드의 고장이 되어도 타방에 의해 전자 브레이크로의 통전을 차단할 수 있어, 전자 브레이크의 락(lock) 상태를 유지할 수 있다. 그 한편으로, 제2 전원과 제2 스위칭 소자를 이용하는 것에 의해 전자 브레이크를 해제할 수 있으므로, 「모터를 구동하기 위한 전원이 없어져 있는 상태에서 브레이크를 해제할 수 있다」라는 안전 규격에 근거한 요구를 만족할 수 있다. 제1 스위칭 소자 및 제2 스위칭 소자로는, 예를 들면, 트랜지스터 등의 반도체 소자를 이용할 수 있다.

본 발명의 브레이크 구동 제어 회로에서는, 제2 회로 전압을 제1 회로 전압 보다 낮게 할 수 있다. 제2 스위칭 소자는 하이 사이드(High-side) 스위치에 상당하는 것이지만, 제2 회로 전압이 낮으므로, 제1 회로 전압과 같은 전압으로 동작시키는 경우에 비해, 제2 스위칭 소자로서 내압이 낮고 소형인 반도체 소자를 사용하는 것이 가능해지고, 또한, 제2 스위칭 소자에 대한 구동 회로도 간소화할 수 있다.

본 발명의 브레이크 구동 제어 회로에서는, 전자 브레이크에 의한 브레이크 동작의 대상인 모터를 구동하는 전원을 제1 전원으로 하고, 모터에 대한 안전 회로에서 일반적으로 설치되는 스위치를 차단 스위치로서 이용할 수 있다. 모터에 대한 안전 회로에는 높은 신뢰성이 요구되고 있어, 안전 회로에서 모터 구동용의 전원을 차단하기 위한 스위치를 본 발명에서의 차단 스위치로서 이용하는 것에 의해, 모터에의 동력을 차단하는 동시에 브레이크를 확실히 동작시킨다고 하는 안전 규격에 준거한, 신뢰성이 높은 브레이크 구동 제어 회로를 구성할 수 있다.

본 발명의 브레이크 구동 제어 회로에서는, 전자 브레이크의 일방의 단자 및 타방의 단자의 전압을 감시하는 모니터 수단을 갖추어도 무방하다. 이러한 모니터 수단을 마련함으로써, 스위칭 소자의 고장을 검출할 수 있어 안전성을 높일 수 있다. 이 모니터 수단은, 예를 들면, 전자 브레이크의 타방의 단자와 제1 스위칭 소자와의 접속점의 전압을 검출하는 제1 모니터 회로와, 제2 스위칭 소자와 제2 정류 소자와의 접속점의 전압을 검출하는 제2 모니터 회로를 갖추고 있다. 이러한 제1 모니터 회로 및 제2 모니터 회로를 이용하는 것에 의해, 전자 브레이크의 양단(兩端) 각각의 전압을 감시할 수 있어 제1 스위칭 소자의 고장과 제2 스위칭 소자의 고장을 독립적으로 검출할 수 있다.

혹은, 본 발명의 브레이크 구동 제어 회로에서는, 전자 브레이크의 양단(兩端) 사이의 전압을 감시하는 회로를 가지는 모니터 수단을 갖추어도 무방하다. 이러한 모니터 수단을 마련하는 것에 의해, 스위칭 소자의 고장을 검출할 수 있어 안전성을 높일 수 있다.

본 발명에서 모니터 수단을 마련하는 경우에는, 모니터 수단에서의 감시 결과에 근거해 고장 검출 신호를 출력하고, 차단 스위치를 개방 상태로 유지시키는 고장 검출 회로를 더 마련하는 것이 바람직하다. 이러한 고장 검출 회로를 마련하는 것에 의해, 스위칭 소자가 고장날 때 제1 전원이 동작 상태가 되는 것을 방지할 수 있어 브레이크가 해제되는 것도 방지할 수 있고, 안전성을 한층 더 높일 수 있다. 고장 검출 신호의 출력에 근거해 차단 스위치를 개방으로 했을 경우, 제1 전원의 출력에 컨덴서가 설치되어 있다고 하면, 제1 전원의 출력 전압이 즉시 '0'이 된다고는 할 수 없다. 그래서 본 발명에서는, 고장 검출 신호가 출력되었을 때, 예를 들면 모터에 D축 전류를 흘리거나 혹은 방전용 저항을 이용하는 등, 제1 전원의 출력을 강제적으로 방전시켜서, 브레이크가 조기에 작동하도록 하는 것이 바람직하다.

본 발명의 브레이크 구동 제어 회로에서는, 차단 스위치가 개방하고 제1 전원이 비(非)동작일 때, 브레이크 해제 스위치의 조작 또는 브레이크 해제 커맨드의 입력에 근거해, 제1 스위칭 소자 및 제2 스위칭 소자가 동작 상태가 되어 전자 브레이크가 해제되도록 구성할 수 있다. 로봇의 각 축 마다 설치되는 브레이크 해제 스위치나 로봇 교시용 팬던트(teaching pendant)로부터의 브레이크 해제 커맨드의 입력에 의해, 긴급(緊急)시 확실하게 전자 브레이크를 해제할 수 있게 된다.

본 발명의 브레이크 구동 제어 회로에서는, 전자 브레이크의 해제 상태를 유지할 때 전자 브레이크에 가(加)해지는 전압이, 전자 브레이크를 해제 상태로 이행시킬 때 전자 브레이크에 가해지는 전압 보다 낮아지도록, 제1 스위칭 소자를 PWM 구동하는 것이 바람직하다. 전자 브레이크의 해제 동작과 해제 상태의 유지에 필요한 전압을 바꿈으로써 전력을 절약화 할 수 있고, PWM 구동을 실시함으로써 한층 더 전력 절약화를 도모할 수 있다. 특히, 로봇 등이 통상 동작을 행하고 있을 때는, 전자 브레이크의 해제 상태를 유지해야 하는 시간이 길어지므로, 상태에 따른 전압과 PWM 구동을 실시함으로써, 보다 한층 전력 절약화가 가능하다.

본 발명의 고장 검출 방법은, 제1 회로 전압의 제1 전원과 전자 브레이크의 일방의 단자와의 사이에 설치된 제1 정류 소자와, 전자 브레이크의 타방의 단자와 접지점과의 사이에 설치된 제1 스위칭 소자와, 제1 회로 전압과는 상이한 제2 회로 전압의 제2 전원과 전자 브레이크의 일방의 단자와의 사이에 직렬로 설치된 제2 스위칭 소자 및 제2 정류 소자를 가지고, 통전함으로 브레이크를 해제하는 전자 브레이크를 제어하는 브레이크 구동 제어 회로에서의 고장 검출 방법에 있어서, 제1 전원이 비(非)동작일 때, 전자 브레이크가 응답하지 않는 길이의 펄스를 이용해 제2 스위칭 소자를 구동하고, 전자 브레이크의 타방의 단자와 제1 스위칭 소자와의 접속점의 전압과, 제2 스위칭 소자와 제2 정류 소자와의 접속점의 전압을 감시한다.

본 발명의 고장 검출 방법에 의하면, 제1 스위칭 소자의 고장과 제2 스위칭 소자의 고장을 별개로 검출할 수 있는 동시에, 게다가, 전압을 감시하기 위한 회로나 전자 브레이크의 단선(혹은 미접속)과 같은 고장의 검출도 가능하게 된다.

본 발명의 고장 검출 방법에서는, 게다가, 전자 브레이크를 해제하고 있을 때, 제1 스위칭 소자를 PWM 구동하고, PWM 구동에 동기하여 전자 브레이크의 타방의 단자와 제1 스위칭 소자와의 접속점의 전압을 감시해도 무방하다. 이러한 감시를 실시함으로써, 전자 브레이크에 통전해 브레이크를 해제하고 있을 때에도, 제1 스위칭 소자의 고장이나 전자 브레이크의 단선을 검출하는 것이 가능하게 된다.

본 발명에 의하면, 브레이크 구동 제어 회로에 있어, 안전성을 해치지 않고, 하이 사이드 스위치로서 이용되는 스위칭 소자로의 인가 전압을 비교적 낮은 전압으로 할 수 있고, 또한, 대용량의 별개의 전원 회로를 마련하는 것을 불요로 할 수 있다. 또, 이러한 브레이크 구동 제어 회로에서의 스위칭 소자 등의 고장을 확실히 검출할 수 있는 고장 검출 방법이 제공된다.

[도 1] 본 발명의 실시의 일 형태의 브레이크 구동 제어 회로를 설명하는 회로도이다.
[도 2] 도 1에 도시한 브레이크 구동 제어 회로의 동작을 도시한 상태 천이도이다.
[도 3] 전자 브레이크에 흐르는 전류를 설명하는 도면이다.
[도 4] 본 발명의 실시의 일 형태의 브레이크 구동 제어 회로를 설명하는 회로도이다.

다음으로, 본 발명의 실시의 형태에 대해 도면을 참조해 설명한다. 도 1은, 본 발명의 실시의 일 형태의 브레이크 구동 제어 회로를 설명하는 도면이며, 로봇 중에 이 브레이크 구동 제어 회로를 조입(祖入)한 상태를 도시하고 있다. 로봇에는, 로봇 컨트롤러에 의해 서보(Servo) 제어되는 복수의 모터(13)가 설치되지만, 도면에서는, 로봇에서의 1축 분의 모터(13), 전자 브레이크(31) 및 브레이크 구동 제어 회로가 도시되어 있다.

도시 이중선으로 나타낸 것처럼, 모터(13)의 회전축에 대해 전자 브레이크(31)가 기계적으로 접속하고 있다. 전자 브레이크(31)의 솔레노이드(코일)에는, 솔레노이드에의 전류를 차단했을 때 발생하는 큰 역기전력(counter electromotive force)을 흡수하기 위한 서지 흡수기(surge absorber)(32)가 병렬로 설치되어 있다. 서지 흡수기(32)로는, 예를 들면, 바리스터(Varistor), 다이오드(Diode) 등이 사용된다. 각 축의 모터(13)에는 각각 드라이버(12)가 설치되어 있다. 그리고 각 축에 공통으로, 교류인 모터용 전원을 직류로 변환하는 모터 구동 전원(11)이 설치되어 있고, 각 드라이버는, 모터 구동 전원(11)으로부터 직류 전력의 공급을 받아, 로봇 컨트롤러로부터의 지령에 근거해 대응하는 모터(13)를 구동한다.

모터용 전원과 모터 구동 전원(11)의 사이에는, 안전 회로(20)가 설치되어 있다. 이 안전 회로(20)는, 로봇의 안전한 동작을 보증하기 위해 로봇에 일반적으로 설치되는 것으로, 모터용 전원으로부터 모터 구동 전원(11)에 전력을 공급하는 라인에 설치되어 이 전력의 공급을 차단하는 차단 스위치(21)와, 차단 스위치(21)를 제어하는 안전 제어부(22)를 갖추고 있다. 안전 회로(20)는, 로봇이 안전하다고 확인할 수 있을 때에만 모터 구동 전원(11)에 전력을 공급하도록 구성되어 있다. 안전 제어부(22)에는, 조작 스위치로부터의 신호나 이상(異常)시 차단 신호가 입력되고 있다. 안전 제어부(22)는, 조작 스위치에 의해 로봇의 동작이 지시되었을 때 차단 스위치(21)를 닫아 모터 구동 전원에 전력을 공급하는 동시에, 긴급(緊急)시 차단 신호가 입력되었을 때에는 즉시 차단 스위치(21)를 개방해 모터 구동 전원(11)으로의 전력 공급을 정지하고, 모든 축의 모터(13)를 정지시킨다. 게다가, 안전 제어부(22)는, 안전 회로(20)의 상태를 나타내는 안전 회로 모니터 신호를 외부에 출력한다. 모터 구동 전원(11) 및 안전 회로(20)는, 로봇에 접속되어 로봇을 제어하는 로봇 컨트롤러의 내부에 설치되어 있다.

안전 회로(20)는 로봇의 안전에 직결되는 회로이므로, 각종 안전 규격에 준거한 신뢰성이 높은 회로이다. 또, 모터(13)에의 전력이 차단되었을 때는, 각 축의 전자 브레이크(31)는 모터 축을 락(lock)하도록 동작해야 한다. 그래서, 본 실시 형태에서는, 특허문헌 2에 도시한 종래의 브레이크 구동 제어 회로에서의 하이 사이드 스위치 대신에, 안전 회로(20) 내의 차단 스위치(21)를 사용한다. 이는, 모터 구동 전원(11)을 전자 브레이크(31)의 전원으로서 사용하는 것을 의미하고, 모터 구동 전원(11)이 부(不)동작이 되어 모터(13)가 비(非)구동 상태가 되었을 때, 전자 브레이크(31)는 모터 축을 확실하게 락(lock)할 수 있다. 그렇지만, 모터 구동 전원(11)을 전자 브레이크(31)의 구동 전원으로서 이용한 것만으로는, 안전 규격에 정해진 「모터를 구동하기 위한 전원이 없어져 있는 상태에서도 브레이크를 해제할 수 있다」라고 하는 요건을 만족할 수 없다. 그래서, 본 실시 형태에서는, 모터(13)를 구동하기 위한 전원이 없어져 있을 때라도 전자 브레이크(31)를 해제할 수 있도록 하기 위해, 모터 구동 전원(11)과는 별개로 브레이크용 전원을 준비한다. 모터를 구동하기 위한 전원이 없어져 있을 때 전자 브레이크(31)를 해제하는 것은 긴급시이며, 그 경우, 로봇에 설치되어 있는 모든 축의 전자 브레이크(31)를 동시에 해제하지 않고, 브레이크 해제가 필요한 축에 대해, 1축씩 전자 브레이크(31)를 해제하게 된다. 따라서, 브레이크용 전원에 요구되는 용량은, 최대 1축의 전자 브레이크(31)를 해제할 수 있을 만큼의 용량이며, 이때문에, 브레이크용 전원으로는, 로봇 컨트롤러 내의 제어 회로(미도시)를 위해 모터 구동 전원(11)과는 별개로 설치되는 전원을 사용할 수 있다.

브레이크용 전원으로 전자 브레이크(31)를 구동할 때는, 안전 회로(20) 내의 차단 스위치(21)를 하이 사이드 스위치의 대신에 사용할 수는 없기 때문에, 특허문헌 2에 도시한 회로와 마찬가지로, 모터(13) 마다 독립된 하이 사이드 스위치를 마련할 필요가 있다. 또, 모터 구동 전원(11)과 브레이크용 전원과는 분리되어야 한다. 그래서, 본 실시 형태의 브레이크 구동 제어 회로는, 전자 브레이크(31)의 양단을 각각 접속점(33, 34)으로 하고, 접속점(34)과 접지점의 사이에 로우 사이드 스위치로서 설치되는 트랜지스터(Tr1)와, 브레이크용 전원에 접속하는 하이 사이드 스위치로서 설치되는 트랜지스터(Tr2)와, 모터 구동 전원(11)과 접속점(33)의 사이에 설치되는 역전압 저지용 다이오드(D1)와, 트랜지스터(Tr2)와 접속점(33)의 사이에 설치되는 역전압 저지용 다이오드(D2)로 구성된다. 이 브레이크 구동 제어 회로의 구성에서는, 차단 스위치(21)는 로봇 내의 모든 전자 브레이크(31)에 공통으로 설치되지만, 트랜지스터(Tr1, Tr2) 및 다이오드(D1, D2)는 전자 브레이크(31) 마다 설치되게 된다. 트랜지스터(Tr1)는 예를 들면 N채널의 FET이며, 그 게이트에는 브레이크 신호가 공급되고, 트랜지스터(Tr2)는 예를 들면 P채널의 FET이며, 그 게이트에는 긴급시 브레이크 신호가 공급된다. 여기서 모터 구동 전원(11)은 제1 전원에 상당하고, 브레이크용 전원은 제2 전원에 상당하고, 트랜지스터(Tr1)는 제1 스위칭 소자에 상당하고, 트랜지스터(Tr2)는 제2 스위칭 소자에 상당하고, 다이오드(D1)는 제1 정류 소자에 상당하고, 다이오드(D2)는 제2 정류 소자에 상당한다. 여기에서는 제1 및 제2 스위칭 소자로서 각각 N채널 및 P채널의 FET를 사용하고 있지만, 각 스위칭 소자에 사용되는 디바이스는 이것으로 한정되는 것은 아니다.

본 실시 형태의 회로에서는, 모터(13)의 구동에 따라 전자 브레이크(31)를 해제하는 경우에는, 로봇의 축의 수에 비례한 전류를 공급할 필요가 있고, 그 때문에, 일반적으로 대용량인 모터 구동 전원(11)을 사용한다. 모터(13)가 구동되지 않는 상태에서 긴급시에 전자 브레이크(31)를 해제할 경우에는, 1축 분의 전자 브레이크(31)의 해제에 필요한 용량 만큼을 가지고 있으면 무방하다. 모터 구동 전원(11)의 전압을 제1 회로 전압으로 하고, 브레이크용 전원의 전압(Vcc)을 제2 회로 전압으로 하면, 제1 회로 전압과 제2 회로 전압은 상이하고, 제2 회로 전압은 제1 회로 전압 보다 낮은 전압으로 할 수 있다. 제2 회로 전압이 제1 회로 전압 보다 낮고, 또한, 트랜지스터(Tr2)를 흐를 필요가 있는 전류는 1축 분의 전자 브레이크(31)를 구동하기 위한 전류이기 때문에, 하이 사이드 스위치인 트랜지스터(Tr2)로서, 내전압이 낮고 소형인 디바이스를 사용할 수 있고, 그 구동 회로도 소형으로 할 수 있다.

게다가, 도 1에 도시한 브레이크 구동 제어 회로는, 전자 브레이크(31)의 구동 전압을 모니터하여 트랜지스터(Tr1, Tr2)의 고장 검출을 실시하기 위해, 모니터 회로(41, 42)와 고장 검출 회로(45)를 갖추고 있다. 모니터 회로(41)는, 트랜지스터(Tr1)와 전자 브레이크(31)과의 접속점인 접속점(34)에 접속하여 Tr1 모니터 신호를 출력하고, 모니터 회로(42)는, 트랜지스터(Tr2)와 다이오드(D2)의 접속점(35)에 접속하여 Tr2 모니터 신호를 출력한다. 모니터 회로(41, 42)는, 예를 들면, 저항 분압 회로, 레벨 시프트 회로, 포토 커플러(photo-coupler) 등으로 구성할 수 있다. 도시한 것에서는, 모니터 회로(41, 42)의 각각은, 2라인의 저항을 직렬로 접속해 그 중점으로부터 모니터 신호를 출력하는 저항 분압 회로로 구성되어 있다. Tr1 모니터 신호와 Tr2 모니터 신호는, 고장 검출 회로(45)에 입력된다.

다음으로, 도 1에 도시한 브레이크 구동 제어 회로의 동작에 대해, 도 2에 도시한 상태 천이도를 이용해 설명한다. 여기서 스탠바이 상태란, 로봇 컨트롤러 내의 제어 회로(미도시)에만 통전되어 모터 구동 전원(11)에는 전력이 공급되고 있지 않는 상태이며, 모터(13)는 프리 상태 혹은 다이나믹 브레이크 상태에 있는 상태이다. 스탠바이 상태에서는, 전자 브레이크(31)에는 전류는 공급되지 않으며, 전자 브레이크(31)에 의해 모터 축은 락(lock)되어 있다. 로우 사이드 스위치인 트랜지스터(Tr1)는 Off(오프) 상태(차단 상태)의 그대로이다. 이에 대해, 서보 On(온) 상태란, 모터 구동 전원(11)에 전력이 공급되어 모터(13)가 서보 구동되는 상태(서보 락 상태)이며, 이때, 전자 브레이크(31)는 통전하여 브레이크 해제(릴리스) 상태가 되고 있다.

통상의 동작에서, 스탠바이 상태에서는, 모니터 회로(41, 42)를 이용해 트랜지스터(Tr1, Tr2)의 고장 검출을 실시한다. 전자 브레이크(31)는, 매우 짧은 펄스를 통전했을 경우에는 동작하지 않기 때문에, 일정 주기(예를 들면, 100 msec)로 매우 짧은 펄스(예를 들면, 0.5 msec)를 고장 검출 회로(45)로부터 트랜지스터(Tr2)에 인가하여 트랜지스터(Tr2)를 구동하고, 고장을 감시한다. 펄스의 인가에 대응하여 Tr1 모니터 신호의 전압이 펄스 형상으로 하이 레벨로 변화하지 않으면, 트랜지스터(Tr1)가 Off 상태로 되지 않는, 즉 고장났거나, 혹은 모니터 회로(41)의 고장이라고 판단할 수 있다. 한편, 펄스의 인가에 대응하여 Tr2 모니터 신호의 전압이 펄스 형상으로 하이 레벨로 변화하지 않으면, 트랜지스터(Tr2)가 On 상태(도통 상태)로 되지 않는, 즉 고장났거나, 혹은 모니터 회로(42)의 고장이라고 판단할 수 있다. 어떠한 고장이 검출된 경우에도, 고장 검출 회로(45)는 고장 검출 신호를 출력하고, 고장 검출 신호는, 긴급시 차단 신호의 하나로서 안전 회로(20)에 공급된다. 이에 따라, 고장이 검출된 경우에는, 서보 On 상태로 천이하는 것이 금지되고, 에러 상태로 이행한다.

유저에 의해 로봇의 조작 스위치가 조작됨에 따라, 스탠바이 상태에서 서보 On 상태로의 천이가 일어난다. 서보 On 상태로의 천이에서는, 조작 스위치의 조작에 따라 안전 회로(20)에서 차단 스위치(21)가 도통 상태로 되어, 모터 구동 전원(11)에 전력이 공급된다. 이 단계에서는, 브레이크 신호에 의해 트랜지스터(Tr1)는 Off 상태 그대로가 된다. 또, 스탠바이 상태에서 실시하고 있던 트랜지스터(Tr1, Tr2)의 고장 검출 동작을 정지한다. 로봇 컨트롤러 내의 제어 회로(미도시)는, 안전 회로 모니터 신호에 의해 서보 On 상태로의 천이 지령을 검출한다. 또한 이 단계에서, Tr1 모니터 신호가 하이 레벨이 되지 않으면, 트랜지스터(Tr1)가 Off 상태로 되지 않는 고장인, 전자 브레이크(31) 그 자체의 미접속(혹은 단선)인, 및 모니터 회로(41)가 고장인, 중 어느 하나인 것으로 판정되고, 고장 검출 회로(45)는 고장 검출 신호를 송출한다.

서보 On 상태로의 천이에 있어서, 에러(예를 들면, 고장 검출 회로(45)에 의한 고장의 검출)가 없으면, 로봇은 서보 On 상태가 된다. 서보 On 상태에서는, 전자 브레이크(31)를 해제하기 위해, 브레이크 신호에 의해, 트랜지스터(Tr1)를 On 상태로 구동한다. 이때, 트랜지스터(Tr1)는, 상시 On 상태가 되도록 구동해도 무방하지만, 전력 절약을 달성하기 위해 펄스폭 변조(PWM)로 구동하는 것이 바람직하다. 도 3은, 전자 브레이크(31)에 가해지는 전압을 설명하는 도면이다. 전자 브레이크(31)가 모터 축을 락(lock)하고 있는 상태를, 브레이크 클램프 상태라고 부른다. 브레이크 클램프 상태에서 브레이크 해제 상태로 이행하기 위해서는, 전자 브레이크(31)의 솔레노이드에 비교적 큰 전압을 가하여 전자 브레이크(31) 내의 액추에이터(미도시)를 움직일 필요가 있다. 이를 흡인(吸引) 동작이라고 부른다. 한번 액추에이터가 브레이크 해제 상태에서의 위치로 움직인 후에 브레이크 해제 상태를 유지하기 위해서는, 흡인 동작일 때보다 작은 전압을 계속해서 가하면 된다. 이를 보관유지(保持) 동작이라고 부른다. 그리고 브레이크를 동작시켜 브레이크 클램프 상태로 하기 위해서는, 브레이크 전압을 '0'으로 하면 된다. 실제로는, 트랜지스터(Tr1)의 고장 판정 등을 위해, 브레이크 클램프 상태에서도 전자 브레이크(31)가 해제되지 않을 듯한 경미한 전류를 흘리도록 한다. 본 실시 형태에서는, 트랜지스터(Tr1)를 PWM 구동함으로써, 전자 브레이크(31)에 가해지는 평균 전압이 흡인 동작에서의 값, 보관유지 동작에서의 값, 혹은 브레이크 클램프 상태에서의 값 중 어느 하나가 되도록 하여, 전자 브레이크(31)의 동작 및 해제를 실시하고 있다. 전력 절약을 목적으로 하지 않는 경우에도, 전자 브레이크(31)의 정격 전압 보다 모터 구동 전원(11)의 전압이 높을 경우에는, PWM 구동을 실시하도록 한다. 또한 고장 검출을 위해, 서보 On 상태에서 트랜지스터(Tr1)를 상시 On 상태로 할 때는, 전자 브레이크가 응답하지 않을 듯한 짧은 펄스인 테스트 펄스를 교차시켜 트랜지스터(Tr1)를 구동한다.

고장 검출 회로(45)는, 트랜지스터(Tr1)의 구동에 동기하여 Tr1 모니터 신호를 감시한다. 이때, 트랜지스터(Tr1)의 구동에 동기하여 모니터 신호가 하이 레벨로 되지 않을 경우에는, 고장 검출 회로(45)는, 트랜지스터(Tr1)가 Off 상태로 되지 않는 고장인, 전자 브레이크(31) 그 자체의 미접속(혹은 단선)인, 및 모니터 회로(41)가 고장인, 중 어느 하나인 것으로 판정하고, 고장 검출 신호를 출력한다. 마찬가지로, 트랜지스터(Tr1)의 구동에 동기하여 모니터 신호가 로우 레벨로 되지 않을 경우에는, 고장 검출 회로(45)는, 트랜지스터(Tr1)가 On 상태로 되지 않는 고장인 것으로 판정해, 고장 검출 신호를 출력한다. 어떠한 고장을 검출한 경우에도, 혹은 로봇 컨트롤러에 대해 비상 정지가 지시된 경우에도, 안전 회로(20)에는 이상시 차단 신호가 입력되고, 차단 스위치(21)가 차단 상태가 되어, 에러 상태로 이행한다. 에러 상태로 이행했을 때는 즉시 전자 브레이크(31)를 작동시킬 필요가 있지만, 모터 구동 전원(11)의 출력 측에는 일반적으로 대용량의 컨덴서가 설치되어 있으므로, 차단 스위치(21)가 차단 상태로 되어도 모터 구동 전원(11)의 출력 전압이 즉시 '0'이 된다고는 할 수 없다. 이때 만일 고장 때문에 트랜지스터(Tr1)가 Off 상태로 이행하지 않는다고 하면, 전자 브레이크(31)가 모터 축을 락(lock)하지 않게 되어 위험하다. 그래서, 서보 On 상태에서 에러 상태로 이행할 때는, 모터(13)에 D축 전류를 흘리거나, 혹은 회생 전압 방전용 저항을 이용하는 등 강제 방전을 실시해, 모터 구동 전원(11)의 출력 전압을 강제적으로 '0'으로 해서, 브레이크의 작동을 앞당길 수 있다.

에러가 발생되지 않은 채, 조작 스위치의 조작 등에 의해 로봇의 통상 정지가 지시되면, 서보 On 상태에서 스탠바이 상태로의 천이가 일어난다. 이 천이는 서보 Off 상태로의 천이다. 서보 Off 상태로의 천이에서는, 조작 스위치의 조작 등에 의해 차단 스위치(21)가 Off 상태로 되고, 로봇 컨트롤러 내의 제어 회로(미도시)는, 안전 회로(20)로부터의 안전 회로 모니터 신호에 의해 스탠바이 상태로의 천이 지령을 검출한다. 또, 서보 Off 상태로의 천이에서는, 트랜지스터(Tr1)가 Off 상태로 되고, 테스트 펄스에 의한 스탠바이 상태에서의 에러 검출을 유효로 하여, 스탠바이 상태로 이행한다.

다음으로, 긴급시의 동작에 대해 설명한다. 사람이나 물건이 끼인 상태에서 서보 기구가 고장난 경우 등을 상정해, 안전 규격에도 정해지도록, 모터(13)를 구동하기 위한 전원이 없어져 있는 상태에서도 전자 브레이크(31)를 해제할 수 있는 기능이 설치된다. 본 발명의 브레이크 구동 제어장치에서는, 상술한 것처럼, 브레이크용 전원과 트랜지스터(Tr2)를 이용하여 이 기능을 실현하고, 로봇 컨트롤러에 접속되는 조작 팬던트(미도시)로부터의 브레이크 조작 커맨드의 입력, 혹은 로봇의 각 축 마다 설치된 브레이크 조작 스위치의 조작에 따라, 브레이크용 전원으로부터의 전력에 의해 전자 브레이크(31)가 해제된다. 이 긴급시의 브레이크 해제 조작은, 안전 회로(20) 내의 차단 스위치(21)가 Off 상태이고 또한 모터 구동 전원이 Off 상태일 때에 실행 가능하다.

도 2의 상태 천이도에 도시한 것처럼, 브레이크 해제 스위치 조작 혹은 브레이크 해제 커맨드 On에 의해, 브레이크 해제의 준비의 단계로 이행한다. 이 단계에서는, 긴급시 브레이크 신호에 의해, 브레이크용 전원에 접속되는 트랜지스터(Tr2)가 On 상태가 된다. 다음으로, 상술한 서보 On 상태일 때와 마찬가지로, PWM 구동에 의해 트랜지스터(Tr1)를 On 상태로 하거나, 혹은 테스트 펄스를 교차하여 트랜지스터(Tr1)를 On 상태로 한다. 이에 따라 전자 브레이크(31)에 전류가 흐르고, 브레이크가 해제된다. 브레이크용 전원의 전압(Vcc)은 모터 구동 전원(11)의 출력 전압 보다 낮을 경우에는, 트랜지스터(Tr1)를 PWM 구동으로 할지 상시 On로 할지는, 전자 브레이크(31)의 사양과 전압(Vcc)에 의존한다. PWM 구동을 실시할 때는, 트랜지스터(Tr2)를 PWM 구동해, 트랜지스터(Tr1)를 상시 On 상태로 해도 무방하다. 고장 검출 회로(45)는, 상술과 마찬가지로, 트랜지스터(Tr1)의 구동에 동기해서 Tr1 모니터 신호에 근거해 트랜지스터(Tr1)의 고장을 검출하고 있고, 고장을 검출했을 경우에는 로봇은 에러 상태로 천이한다. 이 에러 상태에서는, 트랜지스터(Tr2)가 Off 상태로 되어, 브레이크 해제 조작이 금지된다.

긴급시의 브레이크 해제 조작에서는, 브레이크 해제의 상태가 일정 시간 경과하면 전자 브레이크(31)로의 통전을 종료함으로써, 로봇의 자중(自重) 등에 의해 축이 낙하하는 것을 방지한다. 따라서, 브레이크 해제 스위치가 Off가 되었을 때, 브레이크 해제 커맨드가 Off가 되었을 때, 및 설정 시간이 경과했을 때에, 로봇은 브레이크 해제 상태에서 본래의 스탠바이 상태로 되돌아간다.

[본 실시 형태의 효과]

상술한 본 실시 형태에 의하면, 통상 시에는 하이 사이드 스위치를 통하지 않고 모터 구동 전원(11)으로부터의 전력에 의해 전자 브레이크(31)를 해제하고, 모터(13)의 구동을 위한 전원이 없어졌을 때에는 비교적 낮은 전압 또한 작은 용량의 브레이크용 전원으로부터의 전력으로 전자 브레이크(31)를 해제할 수 있도록 했으므로, 하이 사이드 스위치나 그를 위한 구동 회로를 소규모 또한 저내압으로 할 수 있고, 안전성을 해치지 않고 코스트를 삭감할 수 있다. 또, 모니터 회로(41, 42) 및 고장 검출 회로(45)를 마련함으로써, 전자 브레이크(31)의 해제를 위한 스위칭 소자인 트랜지스터(Tr1, Tr2)의 고장을 확실하게 검출할 수 있어, 안전성을 한층 더 높일 수 있다.

[발명의 다른 실시 형태]

도 4는, 본 발명의 다른 실시 형태의 브레이크 구동 제어 회로를 도시하고 있다. 도 4에 도시한 브레이크 구동 제어 회로는, 도 1에 도시한 회로에서의 모니터 회로(41, 42)를 제거하고, 그 대신에 저항(R)과 포토 커플러(43)를 마련한 것이다. 저항(R)과 포토 커플러(43) 내의 발광 소자가 직렬로 접속하고, 이 직렬 접속체의 양단은, 각각 전자 브레이크(31)의 양단(접속점(33, 34))에 접속하고 있다. 포토 커플러(43) 내의 수광 소자 측으로부터의 검출 신호가 고장 검출 회로(45)에 입력되고 있다. 이 저항(R) 및 포토 커플러(43)로 이루어진 구성은, 특허문헌 2에서 고장 검출에 이용되는 구성과 동일한 것으로, 트랜지스터(Tr1)와 트랜지스터(Tr2)를 별개로 On 상태로 했을 때와 동시에 On 상태로 했을 때의 검출 신호의 변화에 근거해, 고장 검출을 실시하는 것이다. 도 4에 도시한 구성에서는, 도 1에 도시한 회로에서 설명한 것과 마찬가지의 절차에 따라 고장 검출을 실시하지만, 브레이크 해제 상태에서의 테스트 펄스에 따라서는, 트랜지스터(Tr1)에서의 고장의 검출을 실시할 수 없다. 브레이크 해제에 즈음하여 트랜지스터(Tr1)를 PWM 구동하는 것이라면, 전자 브레이크(31)에서의 전류 불연속의 허용 범위 및 포토 커플러(43)의 동작점을 적절히 설정하는 것에 따라서는, 브레이크 해제 중에 트랜지스터(Tr1)의 고장을 검출할 수 있다.

[본 실시 형태의 효과]

이 실시 형태에서도, 하이 사이드 스위치나 그를 위한 구동 회로를 소규모이면서 저내압으로 할 수 있어, 안전성을 해치지 않고 코스트를 삭감할 수 있다. 게다가, 본 실시 형태에서는, 포토 커플러를 이용한다고 하는 간소한 구성에 의해, 전자 브레이크(31)의 해제를 위한 스위칭 소자인 트랜지스터(Tr1, Tr2)의 고장을 검출할 수 있어, 안전성을 한층 더 높일 수 있다.

11: 모터 구동 전원
13: 모터
20: 안전 회로
21: 차단 스위치
22: 안전 제어부
41, 42: 모니터 회로
43: 포토 커플러
45: 고장 검출 회로
D1, D2: 다이오드(정류 소자)
Tr1, Tr2: 트랜지스터

Claims

통전함으로 브레이크를 해제하는 전자 브레이크를 제어하는 브레이크 구동 제어 회로에 있어서,
제1 회로 전압의 제1 전원과 상기 전자 브레이크의 일방의 단자와의 사이에 설치된 제1 정류 소자와,
상기 제1 전원을 동작시키기 위해 상기 제1 전원에 전력을 공급하는 라인에 삽입된 차단 스위치와,
상기 전자 브레이크의 타방의 단자와 접지점과의 사이에 설치된 제1 스위칭 소자와,
상기 제1 회로 전압 보다 낮은 제2 회로 전압의 제2 전원과 상기 전자 브레이크의 상기 일방의 단자와의 사이에 직렬로 설치된 제2 스위칭 소자 및 제2 정류 소자
를 가지고,
상기 제1 전원은 상기 전자 브레이크의 전원으로서 사용하고,
상기 제1 전원이 Off 상태일 때에 상기 전자 브레이크는 서보 구동되는 모터의 모터 축을 락하고,
상기 제1 전원이 상기 모터를 구동할 수 없는 Off 상태로 안전 회로 내의 차단 스위치가 Off 상태일 때에 상기 제2 전원으로 상기 전자 브레이크에 의한 상기 모터 축의 락을 해제하는, 브레이크 구동 제어 회로.
제1항에 있어서,
상기 제1 전원은, 상기 전자 브레이크에 의한 브레이크 동작의 대상인 모터를 구동하는 전원이고,
상기 차단 스위치는, 상기 모터에 대한 안전 회로에 설치되어 있는
브레이크 구동 제어 회로.
제1항에 있어서,
상기 전자 브레이크의 상기 일방의 단자 및 상기 타방의 단자의 전압을 감시하는 모니터 수단
을 갖추는 브레이크 구동 제어 회로.
제3항에 있어서,
상기 모니터 수단은,
상기 전자 브레이크의 상기 타방의 단자와 상기 제1 스위칭 소자와의 접속점의 전압을 검출하는 제1 모니터 회로와,
상기 제2 스위칭 소자와 상기 제2 정류 소자와의 접속점의 전압을 검출하는 제2 모니터 회로
를 가지는 브레이크 구동 제어 회로.
제1항에 있어서,
상기 전자 브레이크의 양단 사이의 전압을 감시하는 회로를 가지는 모니터 수단
을 갖추는 브레이크 구동 제어 회로.
제3항에 있어서,
상기 모니터 수단에서의 감시 결과에 근거해 고장 검출 신호를 출력하고, 상기 차단 스위치를 개방 상태로 유지시키는 고장 검출 회로
를 더 가지는 브레이크 구동 제어 회로.
제6항에 있어서,
상기 고장 검출 신호가 출력되었을 때, 상기 제1 전원의 출력을 강제적으로 방전시키는
브레이크 구동 제어 회로.
제5항에 있어서,
상기 모니터 수단에서의 감시 결과에 근거해 고장 검출 신호를 출력하고, 상기 차단 스위치를 개방 상태로 유지시키는 고장 검출 회로
를 더 가지는 브레이크 구동 제어 회로.
제8항에 있어서,
상기 고장 검출 신호가 출력되었을 때, 상기 제1 전원의 출력을 강제적으로 방전시키는
브레이크 구동 제어 회로.
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 차단 스위치가 개방하고 상기 제1 전원이 비동작일 때,
브레이크 해제 스위치의 조작 또는 브레이크 해제 커맨드의 입력에 근거해, 상기 제1 스위칭 소자 및 상기 제2 스위칭 소자가 동작 상태가 되어 상기 전자 브레이크가 해제되는
브레이크 구동 제어 회로.
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 전자 브레이크의 해제 상태를 유지할 때 상기 전자 브레이크에 가해지는 전압이, 상기 전자 브레이크를 해제 상태로 이행시킬 때 상기 전자 브레이크에 가해지는 전압 보다 낮아지도록, 상기 제1 스위칭 소자를 PWM 구동하는
브레이크 구동 제어 회로.
제10항에 있어서,
상기 전자 브레이크의 해제 상태를 유지할 때 상기 전자 브레이크에 가해지는 전압이, 상기 전자 브레이크를 해제 상태로 이행시킬 때 상기 전자 브레이크에 가해지는 전압 보다 낮아지도록, 상기 제1 스위칭 소자를 PWM 구동하는
브레이크 구동 제어 회로.
제1 회로 전압의 제1 전원과 전자 브레이크의 일방의 단자와의 사이에 설치된 제1 정류 소자와, 상기 전자 브레이크의 타방의 단자와 접지점과의 사이에 설치된 제1 스위칭 소자와, 상기 제1 회로 전압과는 상이한 제2 회로 전압의 제2 전원과 상기 전자 브레이크의 상기 일방의 단자와의 사이에 직렬로 설치된 제2 스위칭 소자 및 제2 정류 소자를 가지고, 통전함으로 브레이크를 해제하는 상기 전자 브레이크를 제어하는 브레이크 구동 제어 회로에서의 고장 검출 방법에 있어서,
상기 제1 전원이 비동작일 때, 상기 전자 브레이크가 응답하지 않는 길이의 펄스를 이용해 상기 제2 스위칭 소자를 구동하고,
상기 전자 브레이크의 상기 타방의 단자와 상기 제1 스위칭 소자와의 접속점의 전압과, 상기 제2 스위칭 소자와 상기 제2 정류 소자와의 접속점의 전압을 감시하고,
상기 제1 전원은 상기 전자 브레이크의 전원으로서 사용하고,
상기 제1 전원이 Off 상태일 때에 상기 전자 브레이크는 서보 구동되는 모터의 모터 축을 락하고,
상기 제1 전원이 상기 모터를 구동할 수 없는 Off 상태로 안전 회로 내의 차단 스위치가 Off 상태일 때에 상기 제2 전원으로 상기 전자 브레이크에 의한 상기 모터 축의 락을 해제하는, 고장 검출 방법.
제13항에 있어서,
상기 전자 브레이크를 해제하고 있을 때, 상기 제1 스위칭 소자를 PWM 구동하고,
상기 PWM 구동에 동기하여 상기 전자 브레이크의 상기 타방의 단자와 상기 제1 스위칭 소자와의 접속점의 전압을 감시하는
고장 검출 방법.
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