特開 2023-110693 サーボユニットおよび制御装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023110693

(43)【公開日】2023-08-09

(54)【発明の名称】サーボユニットおよび制御装置

(51)【国際特許分類】

   H02H 7/09 20060101AFI20230802BHJP

   H02H 3/00 20060101ALI20230802BHJP

   H02P 29/024 20160101ALI20230802BHJP

【ＦＩ】

H02H7/09 H

H02H3/00 T

H02P29/024

【審査請求】未請求

【請求項の数】9

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022012289

(22)【出願日】2022-01-28

(71)【出願人】

【識別番号】000003458

【氏名又は名称】芝浦機械株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100091487

【弁理士】

【氏名又は名称】中村 行孝

(74)【代理人】

【識別番号】100120031

【弁理士】

【氏名又は名称】宮嶋 学

(74)【代理人】

【識別番号】100118843

【弁理士】

【氏名又は名称】赤岡 明

(74)【代理人】

【識別番号】100141830

【弁理士】

【氏名又は名称】村田 卓久

(72)【発明者】

【氏名】長澤 康之

【テーマコード（参考）】

5G142

5H501

【Ｆターム（参考）】

5G142AA14

5G142AB05

5G142AC01

5G142BC01

5G142GG02

5G142HH02

5H501AA22

5H501BB08

5H501BB09

5H501CC06

5H501DD01

5H501JJ03

5H501JJ16

5H501JJ17

5H501KK06

5H501LL23

5H501MM03

5H501MM09

5H501MM15

(57)【要約】      （修正有）

【課題】電源電圧の波形の異常を容易に検知し、低コストで制御盤を保護することができるサーボユニット及び制御装置を提供する。
【解決手段】制御装置１において、電源５からユーザインタフェース２０及びヒータ３等の電気機器への電力供給を遮断可能な遮断器を制御するサーボユニットは、電源の電圧を検出する検出回路４１と、電圧の波形を監視し、電圧が第１閾値を超えたか或いは下回った場合に、電源から電気機器への電力供給を遮断させる遮断信号Ｓａを送信するＣＰＵ４３と、遮断信号に従ってＮｏ Ｆｕｓｅ Ｂｒｅａｋｅｒ（ＮＦＢ）を非導通状態にする制御信号ＳｂをＮＦＢへ送信するＮＦＢコントローラと、を備える。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

電源から電気機器への電力供給を遮断可能な遮断器を制御するサーボユニットであって、
前記電源の電圧を検出する検出部と、
前記電圧の波形を監視し、前記電圧が第１閾値を超えた、あるいは、下回った場合に、前記電源から前記電気機器への電力供給を遮断させる遮断信号を送信する演算処理部と、
前記遮断信号に従って前記遮断器を非導通状態にする制御信号を前記遮断器へ送信する遮断制御部とを備える、サーボユニット。

【請求項2】

前記検出部は、前記遮断器と前記電気機器との間に接続され、前記電気機器に供給される電力の電圧値を直接検出する、請求項１に記載のサーボユニット。

【請求項3】

前記遮断信号を送信する前後の所定期間における前記電圧を保存するメモリをさらに備えている、請求項１または請求項２に記載のサーボユニット。

【請求項4】

前記電源は、三相交流電源であり、
前記演算処理部は、前記三相交流電源のうち少なくとも１相の電圧が前記第１閾値を超えた、あるいは、下回った場合に前記遮断信号を送信する、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のサーボユニット。

【請求項5】

前記演算処理部は、前記電圧の周波数が第２閾値を超えた、あるいは、下回った場合に、前記遮断信号を送信する、請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のサーボユニット。

【請求項6】

前記演算処理部は、前記電圧の前記三相交流電源のうち少なくとも１相が欠相した場合に、前記遮断信号を送信する、請求項４に記載のサーボユニット。

【請求項7】

前記演算処理部は、前記電圧の波形をアナログ状態で監視する、請求項１から請求項６のいずれか一項に記載のサーボユニット。

【請求項8】

前記演算処理部は、縮小された前記電圧の波形を第３閾値と比較して、前記電圧が第１閾値を超えた、あるいは、下回ったことを判断する、請求項１から請求項７のいずれか一項に記載のサーボユニット。

【請求項9】

請求項１から請求項８のいずれか一項に記載のサーボユニットと、
前記電源から電力供給を受ける電気機器と、
前記電源から前記電気機器への電力供給を遮断可能な遮断器と、を備える制御装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本実施形態は、サーボユニットおよび制御装置に関する。

【背景技術】

【0002】

海外などの電源環境の悪い場所で使用される産業機械は、電源の異常電圧から内部の制御盤を保護するために、継電器を備える場合がある。この場合、保護機能としては一種類のみに限定され、例えば、過電圧および低電圧からの保護が必要な場合には、過電圧および低電圧のそれぞれに対応する検出器が必要となる。従って、このような産業機械はコスト高となる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開平０１－０１２３０１号公報

【特許文献2】特開２０１７－００５９１３号公報

【特許文献3】特開２００３－２６６２６９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

電源電圧の波形の異常を容易に検知し、低コストで制御盤を保護することができるサーボユニットおよび制御装置を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本実施形態によるサーボユニットは、電源から電気機器への電力供給を遮断可能な遮断器を制御するサーボユニットであって、電源の電圧を検出する検出部と、電圧の波形を監視し、電圧が第１閾値を超えた、あるいは、下回った場合に、電源から電気機器への電力供給を遮断させる遮断信号を送信する演算処理部と、遮断信号に従って遮断器を非導通状態にする制御信号を遮断器へ送信する遮断制御部とを備える。

【0006】

検出部は、遮断器と電気機器との間に接続され、電気機器に供給される電力の電圧値を直接検出する。

【0007】

遮断信号を送信する前後の所定期間における電圧を保存するメモリをさらに備えている。

【0008】

電源は、三相交流電源であり、演算処理部は、三相のいずれかの電圧が第１閾値を超えた、あるいは、下回った場合に遮断信号を送信する。

【0009】

演算処理部は、電圧の周波数が第２閾値を超えた、あるいは、下回った場合に、遮断信号を送信する。

【0010】

演算処理部は、電圧の三相のうち少なくとも１相が欠相した場合に、遮断信号を送信する。

【0011】

演算処理部は、電圧の波形をアナログ状態で監視する。

【0012】

演算処理部は、縮小された電圧の波形を第３閾値と比較して、電圧が第１閾値を超えた、あるいは、下回ったことを判断する。

【0013】

本実施形態による制御装置は、請求項１から請求項８のいずれか一項に記載のサーボユニットと、電源から電力供給を受ける電気機器と、電源から電気機器への電力供給を遮断可能な遮断器と、を備える。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】本実施形態による制御装置の構成を示すブロック図。

【図2】サーボユニットの内部構成をより詳細に示すブロック図。

【図3A】Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相のいずれかの電圧波形、あるいは、その電源電圧を縮小した電圧波形を示すグラフ。

【図3B】Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相のいずれかの電圧波形、あるいは、その電源電圧を縮小した電圧波形を示すグラフ。

【図3C】Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相のいずれかの電圧波形、あるいは、その電源電圧を縮小した電圧波形を示すグラフ。

【発明を実施するための形態】

【0015】

以下、図面を参照して本発明に係る実施形態を説明する。本実施形態は、本発明を限定するものではない。図面は模式的または概念的なものであり、各部分の比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。明細書と図面において、既出の図面に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。

【0016】

図１は、本実施形態による制御装置１の構成を示すブロック図である。制御装置１は、例えば、産業機械のサーボモータ２を駆動し制御する制御盤である。制御装置１は、電源５から電力供給を受ける。電源５は、例えば、商用２００Ｖの三相交流電源である。

【0017】

制御装置１は、ブレーカ１０と、ユーザインタフェース２０と、サーボユニット４０と、サーボアンプ５０とを備えている。

【0018】

遮断器としてのブレーカ１０は、電源５とユーザインタフェース２０との間、あるいは、電源５とヒータ３との間に接続されており、例えば、ＮＦＢ（No Fuse Breaker）である。ブレーカ１０は、サーボユニット４０からの制御信号Ｓｂを受けて導通状態から非導通状態になる。ブレーカ１０が導通状態のときには、電源５は、ユーザインタフェース２０およびヒータ３に電気的に接続され、それらに電力を供給する。一方、ブレーカ１０が非導通状態のときには、電源５は、ユーザインタフェース２０およびヒータ３から電気的に遮断され、それらへの電力供給を停止する。このように、ブレーカ１０は、電源５からユーザインタフェース２０およびヒータ３等の電気機器への電力供給を遮断することができる。ブレーカ１０が非導通状態になることによって、ユーザインタフェース２０およびヒータ３は、電源５の電力から遮断され保護される。尚、ユーザインタフェース２０およびヒータ３は、電気機器の一例であり、他の電気機器であってもよい。

【0019】

ヒータ３は、例えば、射出成型機の金型を加熱するヒータでよい。ユーザインタフェース２０は、例えば、オペレータが操作するキーボード、マウス、タッチパネル等の入力装置でよい。

【0020】

サーボユニット４０は、サーボアンプ５０を介してサーボモータ２を制御する。また、サーボユニット４０は、電源５の電圧を監視し、その電圧の異常を検出した場合にブレーカ１０を非導通状態にする。

【0021】

サーボアンプ５０は、サーボユニット４０の指令を受けてサーボモータ２へ電力を供給して駆動する。

【0022】

サーボモータ２は、サーボアンプ５０からの電力供給を受けて、サーボユニット４０の指令に従って動作する。これにより、産業機器が駆動される。

【0023】

図２は、サーボユニット４０の内部構成をより詳細に示すブロック図である。サーボユニット４０は、検出回路４１と、レベル変換回路４２と、ＣＰＵ（Central Processing Unit）４３と、ＮＦＢコントローラ４４と、メモリ４５と、サーボコントローラ４６とを備える。

【0024】

検出回路４１は、ブレーカ１０とヒータ３またはユーザインタフェース２０との間に接続され、ヒータ３またはユーザインタフェース２０に供給される電源５の電圧値を直接検出する。例えば、電源５が三相交流電源の場合、検出回路４１は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相のそれぞれの電圧を検出する。Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の電圧は、それぞれ１２０度ずつ位相の異なる正弦波として検出される。例えば、図３Ａの正弦波は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相のいずれかの電圧波形を示している。あるいは、図３Ａは、電源電圧を縮小した電圧波形を示している。電源電圧を縮小した場合、電圧波形自体は変わらないので、電源電圧を縮小した電圧波形であっても、電圧の異常検出に用いることができる。

【0025】

図２を再度参照する。レベル変換回路４２は、ＣＰＵ４３が検知できるように、電源５からの電圧を縮小する。電源電圧を縮小した場合、電圧値が縮小されるが、電圧波形自体は変わらないので、電圧の周波数および位相は変わらない。従って、電源電圧を縮小した波形であっても、電圧の異常検出に用いることができる。

【0026】

ＣＰＵ４３は、電源電圧、あるいは、電源電圧を縮小した電圧（以下、レベル変換電圧ともいう）の波形をアナログ状態で監視する。例えば、ＣＰＵ４３は、電源電圧またはレベル変換電圧をＡＤ変換することなく、アナログ値のまま受け取り、その電圧の波形（電圧レベル、位相、周波数）を監視する。

【0027】

電源電圧またはレベル変換電圧の三相（Ｕ、Ｖ、Ｗ）のうちいずれかが第１閾値を超えた、あるいは、下回った場合に、ＣＰＵ４３は、電源５からユーザインタフェース２０またはヒータ３への電力供給を遮断させるために、ＮＦＢコントローラ４４へ遮断信号Ｓａを送信する。遮断信号Ｓａの送信は、遮断信号Ｓａを立ち上げて、あるいは、立ち下げることによって遮断信号Ｓａを活性化することを意味する。

【0028】

電源電圧またはレベル変換電圧の周波数が第２閾値を超えた、あるいは、下回った場合に、ＣＰＵ４３は、電源５からユーザインタフェース２０またはヒータ３への電力供給を遮断させるために、ＮＦＢコントローラ４４へ遮断信号Ｓａを送信してもよい。

【0029】

さらに、電圧の三相Ｕ、Ｖ、Ｗのうち少なくとも１相が欠相した場合に、ＣＰＵ４３は、ＮＦＢコントローラ４４へ遮断信号Ｓａを送信してもよい。

【0030】

ＮＦＢコントローラ４４は、ＣＰＵ４３からの遮断信号Ｓａに従ってブレーカ１０を非導通状態にするために制御信号Ｓｂをブレーカ１０へ送信する。これにより、ブレーカ１０は、電源５からヒータ３およびユーザインタフェース２０への電力供給を遮断し、それらを保護することができる。

【0031】

メモリ４５は、検出回路４１で検出された三相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）のそれぞれの電圧の波形を記録する。メモリ４５は、ＰＣ６に接続されており、メモリ４５に記録された電圧の波形は、ＰＣ６に転送される。ＰＣ６は、三相の電圧の波形を処理し、表示させる。これにより、オペレータがＰＣ６を介して電源電圧の異常を解析し、その原因を調査することができる。

【0032】

メモリ４５は、ＣＰＵ４３が遮断信号Ｓａを送信した前後の所定期間における電圧を保存してもよい。電源電圧が正常である場合、電源電圧の波形は保存不要であり、メモリ４５に格納された電源電圧の波形は消去（上書き）されても構わない。しかし、電源電圧が異常である場合、電源電圧の波形の保存が必要であり、メモリ４５に格納された電源電圧の波形は保存される必要がある。よって、メモリ４５は、ＣＰＵ４３が遮断信号Ｓａを送信した前後の所定期間（例えば、±１０ｍｓｅｃ）における電圧波形のみ保存してもよい。これにより、メモリ４５の容量を比較的小さくすることができる。さらに、メモリ４５は、異常発生時の電源電圧の経時的変化も記録できるため、その後、ＰＣ６を用いた原因解析にも有用である。メモリ４５は、例えば、フラッシュメモリ等の不揮発性メモリである。メモリ４５は、ＣＰＵ４３で実行されるソフトウェアを予め格納していてもよい。

【0033】

サーボコントローラ４６は、制御装置１の外部にあるサーボアンプ５０へ電流指令等の制御信号を送信する。図１に示すように、サーボアンプ５０は、サーボモータ２に接続されており、サーボモータを駆動する。

【0034】

図３Ａ～図３Ｃは、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相のいずれかの電圧波形、あるいは、その電源電圧を縮小した電圧波形を示すグラフである。図３Ａ～図３Ｃには、それぞれ１相の電圧波形が示されている。しかし、三相交流電源の電圧では、三相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）の電圧波形が位相において１２０度ずつずれて現れる。ここでは、三相の電圧波形のうち一相のみ図示し、他の二相の電圧波形の図示は省略している。電源電圧を縮小した場合、電圧値は全体的に小さくなるものの、電圧波形自体は変わらない。即ち、電源電圧の波形の位相および周波数は変わらない。

【0035】

図３Ａには、電源電圧が正常である場合の電圧波形が示されている。よって、図３Ａの電圧波形の場合には、ＣＰＵ４３は、遮断信号Ｓａを送信せず（活性化せず）、ブレーカ１０は、ヒータ３およびユーザインタフェース２０から電源５を遮断しない。電源５は、ヒータ３およびユーザインタフェース２０に接続されており、電力を供給する。

【0036】

これに対し、図３Ｂおよび図３Ｃには、電源電圧が異常である場合の電圧波形が示されている。例えば、図３Ｂでは、電圧波形の一部のピークＰ１が閾値電圧Ｖｔｈ１を超えている。この場合、図２のＣＰＵ４３は、電源電圧が過大であると判断し、遮断信号ＳａをＮＦＢコントローラ４４へ送信し（活性化し）、ＮＦＢコントローラ４４からブレーカ１０へ制御信号Ｓｂを送信する。これにより、ブレーカ１０が電源５とヒータ３およびユーザインタフェース２０との間の電気的接続を遮断する。

【0037】

また、電圧波形の一部のピークＰ２が閾値電圧Ｖｔｈ２を下回っている。この場合も、ＣＰＵ４３は、電源電圧が過小であると判断し、遮断信号ＳａをＮＦＢコントローラ４４へ送信し（活性化し）、ＮＦＢコントローラ４４からブレーカ１０へ制御信号Ｓｂを送信する。これにより、ブレーカ１０が電源５とヒータ３およびユーザインタフェース２０との間の電気的接続を遮断する。

【0038】

例えば、図３Ｃでは、電圧波形の一部が欠相している。この場合、ＣＰＵ４３は、電源５の瞬停と判断し、遮断信号ＳａをＮＦＢコントローラ４４へ送信し（活性化し）、ＮＦＢコントローラ４４からブレーカ１０へ制御信号Ｓｂを送信する。これにより、ブレーカ１０が電源５とヒータ３およびユーザインタフェース２０との間の電気的接続を遮断する。

【0039】

また、ＣＰＵ４３は、電源５の電圧波形をアナログ状態で監視しているため、電圧の周波数も算出することができる。従って、図示しないが、電圧波形の周波数が閾値（上限値）を超えている場合に、ＣＰＵ４３は、遮断信号ＳａをＮＦＢコントローラ４４へ送信し（活性化し）、ＮＦＢコントローラ４４からブレーカ１０へ制御信号Ｓｂを送信してよい。逆に、電圧波形の周波数が閾値（下限値）を下回っている場合に、ＣＰＵ４３は、遮断信号ＳａをＮＦＢコントローラ４４へ送信し（活性化し）、ＮＦＢコントローラ４４からブレーカ１０へ制御信号Ｓｂを送信してよい。これにより、ブレーカ１０が電源５とヒータ３またはユーザインタフェース２０との間の電気的接続を遮断する。

【0040】

電圧波形の周波数が上限値と下限値との間にある場合には、ＣＰＵ４３は、電源電圧が正常であると判断し、遮断信号Ｓａを送信せず（活性化せず）、ブレーカ１０は、ヒータ３およびユーザインタフェース２０から電源５を遮断しない。電源５は、ヒータ３およびユーザインタフェース２０に通常通り電力を供給する。

【0041】

このように、本実施形態によるサーボユニット４０は、電源５からの電圧をヒータ３またはユーザインタフェース２０に供給する前に三相交流電圧のまま直接監視して、電源電圧の三相のいずれかの電圧、位相または周波数の異常をソフトウェア処理で判断する。サーボユニット４０は、電源電圧が異常であると判断した場合に、ブレーカ１０を遮断する。これにより、制御装置１の外部に検出器を、別途、配置する必要が無い。よって、本実施形態によるサーボユニット４０は、低コストで、制御装置１を異常な電力供給から保護することができる。また、サーボユニット４０は、電源５からの電圧を直接監視している。従って、電源電圧の波形の異常を正確かつ容易に検知することができる。

【0042】

尚、ＣＰＵ４３は、縮小された電源電圧の波形を閾値と比較してよい。この場合であっても、例えば、縮小された電源電圧が元の電源電圧と略比例していれば、縮小された電源電圧を用いて、元の電源電圧の異常を判断することができる。また、電源電圧の位相および周波数も判断することができるので、ＣＰＵ４３は、縮小された電源電圧を用いて、電源電圧の波形の異常を検知することができる。

【0043】

また、メモリ４５は、異常発生前後の所定期間における電圧を記録する。これにより、異常発生時の電源電圧の経時的変化も記録できるため、ＰＣ６を用いた原因解析が容易になる。

【0044】

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

【符号の説明】

【0045】

１ 制御装置、２ サーボモータ、３ ヒータ、５ 電源、６ ＰＣ、１０ ブレーカ、２０ ユーザインタフェース、４０ サーボユニット、５０ サーボアンプ、４１ 検出回路、４２ レベル変換回路、４３ ＣＰＵ、４４ ＮＦＢコントローラ、４５ メモリ、４６ サーボコントローラ

【図1】

【図2】

【図3A】

【図3B】

【図3C】