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(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】P2024117096
(43)【公開日】2024-08-29
(54)【発明の名称】回生電力保護回路及び駆動回路
(51)【国際特許分類】
H02M 7/48 20070101AFI20240822BHJP
【ＦＩ】
H02M7/48 M
【審査請求】未請求
【請求項の数】8
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2023022977
(22)【出願日】2023-02-17
(71)【出願人】
【識別番号】000006666
【氏名又は名称】アズビル株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110003166
【氏名又は名称】弁理士法人山王内外特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】秋田 大助
【テーマコード（参考）】
5H770
【Ｆターム（参考）】
5H770BA01
5H770CA06
5H770DA03
5H770DA10
5H770DA22
5H770GA19
5H770HA03W
5H770HA07Z
5H770HA09Z
5H770JA15W
5H770LA01W
5H770LA08W
(57)【要約】
【課題】従来回路に対し、回生電力の利用効率を改善可能な回生電力保護回路を提供する。
【解決手段】回生電力保護回路１０は、回生電力を発生させる駆動部を含んで構成される駆動回路１に接続される回生電力保護回路であって、駆動部について予め定められた駆動パターンに基づいて、当該駆動部の力行時における駆動電力と、当該駆動部から発生する回生電力とを推定する推定部２２と、駆動部から発生する回生電力の電圧を含む、駆動回路１の電圧を監視する監視部１１と、回生電力が消費される可変抵抗部であって、監視部１１により監視される電圧が予め定められた電圧閾値Ｖｒｅｆ２に達した際、推定部２２により推定された駆動電力と回生電力との差分に応じた値に抵抗値が変化する可変抵抗部と、を備えた。
【選択図】図１
【解決手段】回生電力保護回路１０は、回生電力を発生させる駆動部を含んで構成される駆動回路１に接続される回生電力保護回路であって、駆動部について予め定められた駆動パターンに基づいて、当該駆動部の力行時における駆動電力と、当該駆動部から発生する回生電力とを推定する推定部２２と、駆動部から発生する回生電力の電圧を含む、駆動回路１の電圧を監視する監視部１１と、回生電力が消費される可変抵抗部であって、監視部１１により監視される電圧が予め定められた電圧閾値Ｖｒｅｆ２に達した際、推定部２２により推定された駆動電力と回生電力との差分に応じた値に抵抗値が変化する可変抵抗部と、を備えた。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
回生電力を発生させる駆動部を含んで構成される駆動回路に接続される回生電力保護回路であって、
前記駆動部について予め定められた駆動パターンに基づいて、当該駆動部の力行時における駆動電力と、当該駆動部から発生する回生電力とを推定する推定部と、
前記駆動部から発生する回生電力の電圧を含む、前記駆動回路の電圧を監視する監視部と、
前記回生電力が消費される可変抵抗部であって、前記監視部により監視される電圧が予め定められた電圧閾値に達した際、前記推定部により推定された駆動電力と回生電力との差分に応じた値に抵抗値が変化する可変抵抗部と、
を備えた回生電力保護回路。
前記駆動部について予め定められた駆動パターンに基づいて、当該駆動部の力行時における駆動電力と、当該駆動部から発生する回生電力とを推定する推定部と、
前記駆動部から発生する回生電力の電圧を含む、前記駆動回路の電圧を監視する監視部と、
前記回生電力が消費される可変抵抗部であって、前記監視部により監視される電圧が予め定められた電圧閾値に達した際、前記推定部により推定された駆動電力と回生電力との差分に応じた値に抵抗値が変化する可変抵抗部と、
を備えた回生電力保護回路。
【請求項2】
前記可変抵抗部は、
複数の抵抗と、
前記複数の抵抗のそれぞれの前記駆動回路に対する接続状態を切り換えるスイッチング素子と、
前記推定部により推定された駆動電力と回生電力との差分に応じて、前記駆動回路に対する前記複数の抵抗のそれぞれの接続状態を特定する特定部と、
前記監視部により監視される電圧が前記電圧閾値に達した際、前記駆動回路に対する前記複数の抵抗のそれぞれの接続状態が、前記特定部により特定された接続状態となるように、前記スイッチング素子を制御する切換制御部と、
を含んで構成されることを特徴とする請求項１記載の回生電力保護回路。
複数の抵抗と、
前記複数の抵抗のそれぞれの前記駆動回路に対する接続状態を切り換えるスイッチング素子と、
前記推定部により推定された駆動電力と回生電力との差分に応じて、前記駆動回路に対する前記複数の抵抗のそれぞれの接続状態を特定する特定部と、
前記監視部により監視される電圧が前記電圧閾値に達した際、前記駆動回路に対する前記複数の抵抗のそれぞれの接続状態が、前記特定部により特定された接続状態となるように、前記スイッチング素子を制御する切換制御部と、
を含んで構成されることを特徴とする請求項１記載の回生電力保護回路。
【請求項3】
前記特定部は、
前記推定部により推定された回生電力が、前記推定部により推定された駆動電力を上回る場合、当該駆動電力を上回る分の回生電力と、当該回生電力が発生したときに前記監視部により監視される電圧の推定値とに基づいて、回生抵抗の値を算出し、
前記複数の抵抗のうちの１つ以上の抵抗によりなされる抵抗値が、前記算出した回生抵抗の値に相当する値となるよう、前記駆動回路に対する前記複数の抵抗のそれぞれの接続状態を特定する
ことを特徴とする請求項２記載の回生電力保護回路。
前記推定部により推定された回生電力が、前記推定部により推定された駆動電力を上回る場合、当該駆動電力を上回る分の回生電力と、当該回生電力が発生したときに前記監視部により監視される電圧の推定値とに基づいて、回生抵抗の値を算出し、
前記複数の抵抗のうちの１つ以上の抵抗によりなされる抵抗値が、前記算出した回生抵抗の値に相当する値となるよう、前記駆動回路に対する前記複数の抵抗のそれぞれの接続状態を特定する
ことを特徴とする請求項２記載の回生電力保護回路。
【請求項4】
前記特定部は、
前記駆動電力を上回る分の回生電力が小さいほど、前記回生抵抗の値を大きく算出し、前記駆動電力を上回る分の回生電力が大きいほど、前記回生抵抗の値を小さく算出する
ことを特徴とする請求項３記載の回生電力保護回路。
前記駆動電力を上回る分の回生電力が小さいほど、前記回生抵抗の値を大きく算出し、前記駆動電力を上回る分の回生電力が大きいほど、前記回生抵抗の値を小さく算出する
ことを特徴とする請求項３記載の回生電力保護回路。
【請求項5】
前記駆動部はモータであり、
前記推定部は、前記モータについて予め定められた駆動パターンに基づく当該モータの回転速度及びトルクを用いて、前記駆動電力及び前記回生電力を推定する
ことを特徴とする請求項１から請求項４のうちのいずれか１項に記載の回生電力保護回路。
前記推定部は、前記モータについて予め定められた駆動パターンに基づく当該モータの回転速度及びトルクを用いて、前記駆動電力及び前記回生電力を推定する
ことを特徴とする請求項１から請求項４のうちのいずれか１項に記載の回生電力保護回路。
【請求項6】
前記駆動回路は、前記駆動部を複数含み、
前記推定部は、前記複数の駆動部のそれぞれについて予め定められた駆動パターンに基づいて、当該複数の駆動部の力行時における駆動電力の総和と、当該複数の駆動部から発生する回生電力の総和とを推定し、
前記可変抵抗部は、前記監視部により監視される電圧が前記電圧閾値に達した際、前記推定部により推定された駆動電力の総和と回生電力の総和との差分に応じた値に抵抗値が変化する
ことを特徴とする請求項１記載の回生電力保護回路。
前記推定部は、前記複数の駆動部のそれぞれについて予め定められた駆動パターンに基づいて、当該複数の駆動部の力行時における駆動電力の総和と、当該複数の駆動部から発生する回生電力の総和とを推定し、
前記可変抵抗部は、前記監視部により監視される電圧が前記電圧閾値に達した際、前記推定部により推定された駆動電力の総和と回生電力の総和との差分に応じた値に抵抗値が変化する
ことを特徴とする請求項１記載の回生電力保護回路。
【請求項7】
回生電力を発生させる駆動部を含んで構成される駆動回路に接続される回生電力保護回路であって、
前記駆動部について予め定められた駆動パターンに基づいて推定された、当該駆動部の力行時における駆動電力と、当該駆動部から発生する回生電力とを取得する取得部と、
前記駆動部から発生する回生電力の電圧を含む、前記駆動回路の電圧を監視する監視部と、
前記回生電力が消費される可変抵抗部であって、前記監視部により監視される電圧が予め定められた電圧閾値に達した際、前記取得部により取得された駆動電力と回生電力との差分に応じた値に抵抗値が変化する可変抵抗部と、
を備えた回生電力保護回路。
前記駆動部について予め定められた駆動パターンに基づいて推定された、当該駆動部の力行時における駆動電力と、当該駆動部から発生する回生電力とを取得する取得部と、
前記駆動部から発生する回生電力の電圧を含む、前記駆動回路の電圧を監視する監視部と、
前記回生電力が消費される可変抵抗部であって、前記監視部により監視される電圧が予め定められた電圧閾値に達した際、前記取得部により取得された駆動電力と回生電力との差分に応じた値に抵抗値が変化する可変抵抗部と、
を備えた回生電力保護回路。
【請求項8】
回生電力を発生させる駆動部を含んで構成される駆動回路であって、
請求項１から請求項４のうちのいずれか１項に記載の回生電力保護回路を備えたことを特徴とする駆動回路。
請求項１から請求項４のうちのいずれか１項に記載の回生電力保護回路を備えたことを特徴とする駆動回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、回生電力保護回路及び駆動回路に関する。
【背景技術】
【0002】
従来、モータなどの駆動部で発生する回生電力（回生エネルギー）を消費する回路が知られている。以下の説明では、この回路を「回生電力保護回路」という。回生電力保護回路は、例えばスマートロボットで用いられている。
【0003】
スマートロボットでは、例えばモータの減速時に回生電力が発生するが、この回生電力は、モータを駆動するモータ駆動回路の電圧上昇を引き起こす。そのため、この回生電力を放置すると、モータ駆動回路を構成する部品の耐圧をオーバして、当該部品を破損させる可能性がある。そこで、スマートロボットでは、モータ駆動回路に回生電力保護回路を接続し、モータの減速時に発生する回生電力のほとんどを、この回生電力保護回路に設けられた抵抗（回生抵抗）で熱エネルギーとして消費する。これにより、スマートロボットでは、回生電力によるモータ駆動回路の電圧上昇を抑制し、当該モータ駆動回路を構成する部品が破損しないよう保護している。
【0004】
【0005】
モータ駆動回路５０は、例えば図８に示すように、直流電源５２、電源線路Ｌ１及びＬ２、アーム制御線路Ｌ３、ダイオード５３、出力コンデンサ５４、アーム部５５、回生電力保護回路６０、及びシステム制御部６３を備えている。このうち、アーム部５５は、ｉ個のモータＭ１～Ｍｉを含んでいる。
【0006】
直流電源５２は、プラス端子が電源線路Ｌ１に接続され、マイナス端子が電源線路Ｌ２に接続されている。直流電源５２は、所定の電圧値を有する直流電圧を発生させる。これにより、直流電源５２は、電源線路Ｌ１を介して、アーム部５５に搭載されたモータＭ１～Ｍｉを駆動するための直流電流（以下、単に「電流」ともいう。）をアーム部５５に供給する。なお、以下の説明では、直流電源５２が上記直流電圧を発生させたときの電源線路Ｌ１の電圧を「入力電圧」ともいう。
【0007】
ダイオード５３は、電源線路Ｌ１に配置される。ダイオード５３は、アノードが直流電源５２のプラス端子に接続され、カソードが出力コンデンサ５４の一端、回生電力保護回路６０の入力端子６０ｉｎ、及び、アーム部５５の入力端子５５ｉｎに接続されている。ダイオード５３は、モータＭ１～Ｍｉの回生時に、モータＭ１～Ｍｉ（アーム部５５）から直流電源５２に向かう方向に流れる電流が直流電源５２に流れ込むのを阻止する。以下の説明では、この電流を「回生電流」ともいう。
【0008】
出力コンデンサ５４は、一端が電源線路Ｌ１に接続され、他端が電源線路Ｌ２に接続されている。出力コンデンサ５４は、直流電源５２からアーム部５５に供給される電流に従う電荷を充放電することにより、直流電源５２からアーム部５５に供給される電流を安定化させる。
【0009】
アーム部５５は、スマートロボットのアームに相当する部位である。アーム部５５は、入力端子５５ｉｎ及び出力端子５５ｏｕｔを備えている。アーム部５５は、入力端子５５ｉｎが電源線路Ｌ１に接続され、出力端子５５ｏｕｔが電源線路Ｌ２に接続されている。
【0010】
例えば、スマートロボットが６軸の垂直多関節ロボットである場合、アーム部５５は、６つの軸（６つの関節）を有している。また、この場合、アーム部５５は、６つの軸（６つの関節）を動かすためのｉ個のモータＭ１～Ｍｉと、これらモータＭ１～Ｍｉのそれぞれに対応して設けられる切換部Ｋ１～Ｋｉと、を含んで構成される。この場合、ｉは例えば６以上の整数である。
【0011】
切換部Ｋ１は、例えばモータＭ１の電源線路Ｌ１及びＬ２に対する接続状態を切り換えるスイッチング素子Ｓ１１、Ｓ１２を含んで構成される。また、切換部Ｋｉは、モータＭｉの電源線路Ｌ１及びＬ２に対する接続状態を切り換えるスイッチング素子Ｓｉ１、Ｓｉ２を含んで構成される。
【0012】
例えば、モータ駆動回路５０では、力行時、スイッチング素子Ｓ１１、Ｓ１２により、モータＭ１が電源線路Ｌ１及びＬ２に接続されると、直流電源５２からの電流が電源線路Ｌ１を介してモータＭ１に供給され、モータＭ１が駆動する。一方、スイッチング素子Ｓ１１、Ｓ１２により、モータＭ１が電源線路Ｌ１及びＬ２から切り離されると、モータＭ１に対する直流電源５２からの電流の供給が止まり、モータＭ１が停止する。
【0013】
同様に、モータ駆動回路５０では、力行時、スイッチング素子Ｓｉ１、Ｓｉ２により、モータＭｉが電源線路Ｌ１及びＬ２に接続されると、直流電源５２からの電流が電源線路Ｌ１を介してモータＭｉに供給され、モータＭｉが駆動する。一方、スイッチング素子Ｓｉ１、Ｓｉ２により、モータＭｉが電源線路Ｌ１及びＬ２から切り離されると、モータＭｉに対する直流電源５２からの電流の供給が止まり、モータＭｉが停止する。
【0014】
なお、上述した各スイッチング素子は、例えばＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ－Ｏｘｉｄｅ－Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ－Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）などで構成される。また、図８では、各切換部にスイッチング素子が２つ含まれる例を示しているが、各切換部に含まれるスイッチング素子の数はこれに限らず、任意の数でよい。
【0015】
一方、モータ駆動回路５０では、回生時には、モータＭ１～Ｍｉ（アーム部５５）は回生電力を発生させる。このとき、電源線路Ｌ１には、モータＭ１～Ｍｉ（アーム部５５）から直流電源５２に向かう方向に回生電流が流れる。なお、以下の説明では、モータＭ１～Ｍｉ（アーム部５５）が上記回生電力を発生させたときの電源線路Ｌ１の電圧を「出力電圧」ともいう。
【0016】
システム制御部６３は、モータＭ１～Ｍｉについて予め定められた駆動パターンに基づいて、アーム制御線路Ｌ３を介してモータＭ１～Ｍｉを駆動することにより、アーム部５５の動作を制御する。なお、モータＭ１～Ｍｉの駆動パターンは、例えばオペレータにより予め生成され、システム制御部６３が備える不図示の記憶部に記憶されている。
【0017】
回生電力保護回路６０は、モータ駆動回路５０に接続される回路であり、モータＭ１～Ｍｉで発生する回生電力（回生エネルギー）を消費するための回路である。
【0018】
回生電力保護回路６０は、入力端子６０ｉｎ及び出力端子６０ｏｕｔを備えている。回生電力保護回路６０は、入力端子６０ｉｎが電源線路Ｌ１に接続され、出力端子６０ｏｕｔが電源線路Ｌ２に接続されている。
【0019】
回生電力保護回路６０は、回生抵抗Ｒ０と、スイッチング素子ＳＷ０と、電圧監視部６１とを含んで構成される。スイッチング素子ＳＷ０は、例えばＭＯＳＦＥＴで構成される。
【0020】
回生抵抗Ｒ０は、一端が入力端子６０ｉｎを介して電源線路Ｌ１に接続され、他端がスイッチング素子ＳＷ０のドレイン端子に接続されている。
【0021】
スイッチング素子ＳＷ０は、ドレイン端子が回生抵抗Ｒ０の他端に接続され、ソース端子が出力端子６０ｏｕｔを介して電源線路Ｌ２に接続され、ゲート端子が電圧監視部６１の出力端子と接続されている。
【0022】
電圧監視部６１は、入力端子が電源線路Ｌ１に接続され、出力端子がスイッチング素子ＳＷ０のゲート端子と接続されている。電圧監視部６１は、回生電力保護回路６０の入力端子６０ｉｎ側の電圧であって、電源線路Ｌ１におけるダイオード５３とアーム部５５の入力端子５５ｉｎとの間の電圧を監視している。電圧監視部６１は、監視している電源線路Ｌ１の電圧に応じて、スイッチング素子ＳＷ０のゲート端子に印加する電圧を制御することにより、スイッチング素子ＳＷ０の導通状態を切り換える。
【0023】
次に、図８に示すモータ駆動回路５０の動作例を説明する。モータ駆動回路５０では、力行時には、直流電源５２が所定の電圧値を有する直流電圧を発生させる。これにより、直流電源５２は、電源線路Ｌ１を介して、アーム部５５に搭載されたモータＭ１～Ｍｉを駆動するための電流をアーム部５５に供給する。
【0024】
アーム部５５では、モータＭ１～Ｍｉが予め定められた駆動パターンに従って駆動するよう、切換部Ｋ１～Ｋｉがスイッチング素子の導通状態を切り換える。これにより、モータＭ１～Ｍｉには電流が適宜供給され、モータＭ１～Ｍｉは上記駆動パターンに従って駆動する。なお、このとき、回生電力保護回路６０では、スイッチング素子ＳＷ０がオフ（非導通状態）となっており、回生抵抗Ｒ０はモータ駆動回路５０から切り離されている。
【0025】
一方、モータ駆動回路５０では、回生時には、モータＭ１～Ｍｉのいずれかの減速時に発生する回生電力により、電圧監視部６１が監視している電源線路Ｌ１の電圧（出力電圧）が上昇し、やがて、予め設定された第１の電圧閾値Ｖｒｅｆ１を上回る。その間、電圧監視部６１は、電源線路Ｌ１の電圧Ｖを所定の間隔で検出し、当該検出した電源線路Ｌ１の電圧Ｖと、予め設定された第２の電圧閾値Ｖｒｅｆ２とを比較する。そして、電圧監視部６１は、電源線路Ｌ１の電圧Ｖが第２の電圧閾値Ｖｒｅｆ２に達したか否かを判定する。なお、第２の電圧閾値Ｖｒｅｆ２は、第１の電圧閾値Ｖｒｅｆ１よりも大きい値に設定されている。
【0026】
その結果、電圧監視部６１は、電源線路Ｌ１の電圧Ｖが第２の電圧閾値Ｖｒｅｆ２に達していないと判定した場合には、何も処理を行わないが、電源線路Ｌ１の電圧Ｖが第２の電圧閾値Ｖｒｅｆ２に達したと判定した場合には、スイッチング素子ＳＷ０をオン（導通状態）とする。これにより、回生電力保護回路６０では、回生抵抗Ｒ０がモータ駆動回路５０に接続され、回生電力が当該接続された回生抵抗Ｒ０により熱エネルギーとして消費される。その結果、モータ駆動回路５０では、電源線路Ｌ１の電圧が下降に転じ、モータ駆動回路５０の電圧上昇が抑制される。
【0027】
電源線路Ｌ１の電圧が下降に転じた後も、電圧監視部６１は、電源線路Ｌ１の電圧を所定の間隔で検出し、当該検出した電源線路Ｌ１の電圧が、第１の電圧閾値Ｖｒｅｆ１まで下降したか否かを判定する。
【0028】
その結果、電圧監視部６１は、電源線路Ｌ１の電圧が第１の電圧閾値Ｖｒｅｆ１まで下降していないと判定した場合には、何も処理を行わないが、電源線路Ｌ１の電圧が第１の電圧閾値Ｖｒｅｆ１まで下降したと判定した場合には、回生抵抗Ｒ０がモータ駆動回路５０から切り離されるよう、スイッチング素子ＳＷ０をオフ（非導通状態）とする。これにより、モータ駆動回路５０では、電源線路Ｌ１の電圧が再び上昇に転じる。
【0029】
上記動作例における電源線路Ｌ１の電圧の推移の例を図９に示す。図９のグラフにおいて、縦軸は電源線路Ｌ１の電圧を示し、横軸は時間を示している。図９に示すように、アーム部５５が動作を開始すると、モータＭ１～Ｍｉのいずれかの減速時にアーム部５５から回生電力が発生する。これにより、モータ駆動回路５０では、電源線路Ｌ１の電圧が上昇し始め、やがて、予め設定された第１の電圧閾値Ｖｒｅｆ１を上回る。
【0030】
そして、電源線路Ｌ１の電圧が第２の電圧閾値Ｖｒｅｆ２に達すると、電圧監視部６１はスイッチング素子ＳＷ０をオンとする。これにより、電源線路Ｌ１の電圧は下降に転じる。そして、電源線路Ｌ１の電圧が第１の電圧閾値Ｖｒｅｆ１まで下降すると、電圧監視部６１はスイッチング素子ＳＷ０をオフとする。これにより、電源線路Ｌ１の電圧は再び上昇に転じる。以下、モータ駆動回路５０では、電源線路Ｌ１の電圧に応じて、スイッチング素子ＳＷ０の導通状態が適宜切り替えられる。
【0031】
また、上記で示した回生電力保護回路６０に関連して、例えば特許文献１には、少なくとも２つの抵抗放電手段を有するモータ制御装置が開示されている。
【0032】
このモータ制御装置は、整流器と、逆変換器と、少なくとも２つの抵抗放電手段と、を備えている。整流器は、交流入力側から供給された交流電力を整流して直流電力を出力する。逆変換器は、整流器の直流出力側である直流リンクに接続され、直流リンクの直流電力とモータの駆動電力もしくは回生電力である交流電力とを相互電力変換する。
【0033】
少なくとも２つの抵抗放電手段は、直流リンクにそれぞれ接続され、直流リンクの直流電力をそれぞれが分担して抵抗放電するものであって、直流リンクにおける直流電圧値が第１の閾値より大きいとき直流リンクの直流電力を抵抗放電する抵抗放電動作をそれぞれ開始し、直流リンクにおける直流電圧値が第１の閾値より小さい第２の閾値より小さいとき抵抗放電動作をそれぞれ停止する。これにより、モータ制御装置では、抵抗放電手段のモデル種類を増やすことなく、システムに必要な放電容量を抑えることができ、保守効率を改善することができるとされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0034】
【特許文献1】特許第５６７０３９８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0035】
上記特許文献１に記載された少なくとも２つの抵抗放電手段、及び上記回生電力保護回路６０をはじめとする、従来の回生電力保護回路（以下、「従来回路」ともいう。）では、通常、回生電力を熱エネルギーとして確実に消費すべく、想定される回生電力の最大値に基づいて、回生抵抗の値が設定される。したがって、従来回路では、ほぼすべての回生電力を熱エネルギーとして速やかに消費することができる。しかしながら、その一方で従来回路は、回生電力を何らかの用途に利用するという観点では十分な構成を備えておらず、必ずしも回生電力の利用効率が良いものとはいえなかった。
【0036】
本開示は、上記のような課題を解決するためになされたもので、従来回路に対し、回生電力の利用効率を改善可能な回生電力保護回路を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【0037】
本開示に係る回生電力保護回路は、回生電力を発生させる駆動部を含んで構成される駆動回路に接続される回生電力保護回路であって、駆動部について予め定められた駆動パターンに基づいて、当該駆動部の力行時における駆動電力と、当該駆動部から発生する回生電力とを推定する推定部と、駆動部から発生する回生電力の電圧を含む、駆動回路の電圧を監視する監視部と、回生電力が消費される可変抵抗部であって、監視部により監視される電圧が予め定められた電圧閾値に達した際、推定部により推定された駆動電力と回生電力との差分に応じた値に抵抗値が変化する可変抵抗部と、を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【0038】
本開示によれば、上記のように構成したので、従来回路に対し、回生電力の利用効率を改善可能となる。
【図面の簡単な説明】
【0039】
【図1】実施の形態１に係る回生電力保護回路を備えた駆動回路の構成例を示す図である。
【図2】実施の形態１における制御部の構成例を示す図である。
【図3】実施の形態１に係る回生電力保護回路の動作例のうち、接続状態特定フェーズを示すフローチャートである。
【図4】実施の形態１に係る回生電力保護回路の動作例のうち、抵抗切換フェーズを示すフローチャートである。
【図5】実施の形態１における電源線路Ｌ１の電圧の推移の例を示す図である。
【図6】実施の形態１に係る回生電力保護回路を備えた駆動回路の他の構成例を示す図である。
【図7】実施の形態１に係る回生電力保護回路を備えた駆動回路の他の構成例を示す図である。
【図8】従来の回生電力保護回路を備えたモータ駆動回路の構成例を示す図である。
【図9】従来のモータ駆動回路における電源線路Ｌ１の電圧の推移の例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0040】
以下、本開示の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
実施の形態１．
図１は実施の形態１に係る回生電力保護回路を備えた駆動回路の構成例を示す図である。図１に示すように、駆動回路１は、回生電力保護回路１０を備えている。
実施の形態１．
図１は実施の形態１に係る回生電力保護回路を備えた駆動回路の構成例を示す図である。図１に示すように、駆動回路１は、回生電力保護回路１０を備えている。
【0041】
駆動回路１は、駆動部を駆動するための回路である。駆動部は、例えばモータである。なお、以下の説明では、駆動部がモータである場合を例に挙げ、駆動回路１を特にモータ駆動回路１と称して説明する。なお、以下の説明では、駆動部がモータである場合を例に挙げて説明するが、駆動部はモータに限らず、回生時に回生電力を発生するものであればモータ以外であってもよい。
【0042】
実施の形態１において、モータは、力行時には後述する直流電源２から供給される電流により駆動する。また、モータは、回生時には回生電力を発生させ、これにより、モータから直流電源に向かう方向に電流（回生電流）が流れる。
【0043】
モータ駆動回路１は、図１に示すように、直流電源２、電源線路Ｌ１及びＬ２、アーム制御線路Ｌ３、ダイオード３、出力コンデンサ４、アーム部５、回生電力保護回路１０、及びシステム制御部１３を備えている。このうち、アーム部５は、ｉ個のモータＭ１～Ｍｉを含んでいる。なお、図１に示すモータ駆動回路１は、基本的には上述した図８に示すモータ駆動回路５０と同様の構成を備えているが、回生電力保護回路１０の構成が上述した回生電力保護回路６０と異なっている。回生電力保護回路１０の構成例については後述する。
【0044】
直流電源２は、プラス端子が電源線路Ｌ１に接続され、マイナス端子が電源線路Ｌ２に接続されている。直流電源２は、所定の電圧値を有する直流電圧を発生させる。これにより、直流電源２は、電源線路Ｌ１を介して、アーム部５に搭載されたモータＭ１～Ｍｉを駆動するための直流電流（以下、単に「電流」ともいう。）をアーム部５に供給する。
【0045】
なお、以下の説明では、直流電源２が上記直流電圧を発生させたときの電源線路Ｌ１の電圧を「入力電圧」ともいう。
【0046】
ダイオード３は、電源線路Ｌ１に配置される。ダイオード３は、アノードが直流電源２のプラス端子に接続され、カソードが出力コンデンサ４の一端、回生電力保護回路１０の入力端子１０ｉｎ、及び、アーム部５の入力端子５ｉｎに接続されている。ダイオード３は、モータＭ１～Ｍｉの回生時に、モータＭ１～Ｍｉ（アーム部５）から直流電源２に向かう方向に流れる回生電流が直流電源２に流れ込むのを阻止する。
【0047】
出力コンデンサ４は、一端が電源線路Ｌ１に接続され、他端が電源線路Ｌ２に接続されている。出力コンデンサ４は、直流電源２からアーム部５に供給される電流に従う電荷を充放電することにより、直流電源２からアーム部５に供給される電流を安定化させる。
【0048】
アーム部５は、スマートロボットのアームに相当する部位である。アーム部５は、入力端子５ｉｎ及び出力端子５ｏｕｔを備えている。アーム部５は、入力端子５ｉｎが電源線路Ｌ１に接続され、出力端子５ｏｕｔが電源線路Ｌ２に接続されている。
【0049】
例えば、スマートロボットが６軸の垂直多関節ロボットである場合、アーム部５は、６つの軸（６つの関節）を有している。また、この場合、アーム部５は、６つの軸（６つの関節）を動かすためのｉ個のモータＭ１～Ｍｉと、これらモータＭ１～Ｍｉのそれぞれに対応して設けられる切換部Ｋ１～Ｋｉと、を含んで構成される。この場合、ｉは例えば６以上の整数である。
【0050】
切換部Ｋ１は、例えばモータＭ１の電源線路Ｌ１及びＬ２に対する接続状態を切り換えるスイッチング素子Ｓ１１、Ｓ１２を含んで構成される。また、切換部Ｋｉは、モータＭｉの電源線路Ｌ１及びＬ２に対する接続状態を切り換えるスイッチング素子Ｓｉ１、Ｓｉ２を含んで構成される。
【0051】
例えば、モータ駆動回路１では、力行時、スイッチング素子Ｓ１１、Ｓ１２により、モータＭ１が電源線路Ｌ１及びＬ２に接続されると、直流電源２からの電流が電源線路Ｌ１を介してモータＭ１に供給され、モータＭ１が駆動する。一方、スイッチング素子Ｓ１１、Ｓ１２により、モータＭ１が電源線路Ｌ１及びＬ２から切り離されると、モータＭ１に対する直流電源２からの電流の供給が止まり、モータＭ１が停止する。
【0052】
同様に、モータ駆動回路１では、力行時、スイッチング素子Ｓｉ１、Ｓｉ２により、モータＭｉが電源線路Ｌ１及びＬ２に接続されると、直流電源２からの電流が電源線路Ｌ１を介してモータＭｉに供給され、モータＭｉが駆動する。一方、スイッチング素子Ｓｉ１、Ｓｉ２により、モータＭｉが電源線路Ｌ１及びＬ２から切り離されると、モータＭｉに対する直流電源２からの電流の供給が止まり、モータＭｉが停止する。
【0053】
なお、上述した各スイッチング素子は、例えばＭＯＳＦＥＴなどで構成される。また、図１では、各切換部にスイッチング素子が２つ含まれる例を示しているが、各切換部に含まれるスイッチング素子の数はこれに限らず、任意の数でよい。
【0054】
一方、モータ駆動回路１では、回生時には、モータＭ１～Ｍｉ（アーム部５）は回生電力を発生させる。このとき、電源線路Ｌ１には、モータＭ１～Ｍｉ（アーム部５）から直流電源２に向かう方向に回生電流が流れる。なお、以下の説明では、モータＭ１～Ｍｉ（アーム部５）が上記回生電力を発生させたときの電源線路Ｌ１の電圧を「出力電圧」ともいう。
【0055】
システム制御部１３は、モータＭ１～Ｍｉについて予め定められた駆動パターンに基づいて、アーム制御線路Ｌ３を介してモータＭ１～Ｍｉを駆動することにより、アーム部５の動作を制御する。なお、モータＭ１～Ｍｉの駆動パターンは、例えばオペレータにより予め生成され、システム制御部１３が備える不図示の記憶部に記憶されている。
【0056】
＜回生電力保護回路１０＞
回生電力保護回路１０は、モータ駆動回路１に接続される回路であり、モータＭ１～Ｍｉで発生する回生電力（回生エネルギー）を消費するための回路である。
回生電力保護回路１０は、モータ駆動回路１に接続される回路であり、モータＭ１～Ｍｉで発生する回生電力（回生エネルギー）を消費するための回路である。
【0057】
回生電力保護回路１０は、入力端子１０ｉｎ及び出力端子１０ｏｕｔを備えている。回生電力保護回路１０は、入力端子１０ｉｎが電源線路Ｌ１に接続され、出力端子１０ｏｕｔが電源線路Ｌ２に接続されている。
【0058】
回生電力保護回路１０は、例えばｎ個（ｎは２以上の整数）の回生抵抗Ｒ１～Ｒｎと、ｎ個のスイッチング素子ＳＷ１～ＳＷｎと、電圧監視部１１と、回路制御部１２と、を含んで構成される。なお、ｎ個の回生抵抗Ｒ１～Ｒｎと、ｎ個のスイッチング素子ＳＷ１～ＳＷｎとは、１対１に対応している。
【0059】
回生抵抗Ｒ１～Ｒｎは、それぞれ、一端が電源線路Ｌ１に接続され、他端が、対応するスイッチング素子ＳＷ１～ＳＷｎのドレイン端子に接続されている。ここでは、回生抵抗Ｒ１～Ｒｎは、図１に示すように並列に接続されている。
【0060】
スイッチング素子ＳＷ１～ＳＷｎは、例えばＭＯＳＦＥＴで構成される。スイッチング素子ＳＷ１～ＳＷｎは、それぞれ、ドレイン端子が、対応する回生抵抗Ｒ１～Ｒｎの他端に接続され、ソース端子が出力端子１０ｏｕｔを介して電源線路Ｌ２に接続されている。また、スイッチング素子ＳＷ１～ＳＷｎは、それぞれ、ゲート端子が回路制御部１２の後述する回生抵抗側出力端子１２ｏｕｔ１と接続されている。スイッチング素子ＳＷ１～ＳＷｎは、後述する切換制御部２３からの制御を受けて、モータ駆動回路１に対するｎ個の回生抵抗Ｒ１～Ｒｎのそれぞれの接続状態を切り換える。
【0061】
電圧監視部１１は、入力端子１１ｉｎ及び出力端子１１ｏｕｔを備えている。電圧監視部１１は、入力端子１１ｉｎが電源線路Ｌ１に接続され、出力端子１１ｏｕｔが回路制御部１２の入力端子１２ｉｎと接続されている。電圧監視部１１は、回生電力保護回路１０の入力端子１０ｉｎ側の電圧であって、電源線路Ｌ１におけるダイオード３とアーム部５の入力端子５ｉｎとの間の電圧を監視している。電圧監視部１１は、監視している当該電圧を回路制御部１２の後述する切換制御部２３に出力する。
【0062】
回路制御部１２は、入力端子１２ｉｎ、回生抵抗側出力端子１２ｏｕｔ１、及びアーム部側出力端子１２ｏｕｔ２を備えている。また、回路制御部１２は、例えば図２に示すように、推定部２１、特定部２２、及び切換制御部２３を含んで構成されている。
【0063】
推定部２１は、モータＭ１～Ｍｉのそれぞれについて予め定められた駆動パターンに基づいて、当該モータＭ１～Ｍｉの力行時における駆動電力の総和と、回生時における回生電力の総和とを推定する。例えば、推定部２１は、モータＭ１～Ｍｉのそれぞれについて予め定められた駆動パターンに基づいて得られる、モータＭ１～Ｍｉの回転速度及びトルクを用いて、当該モータＭ１～Ｍｉの力行時における駆動電力の総和と、回生時における回生電力の総和とを推定する。そして、推定部２１は、当該推定結果を特定部２２に出力する。なお、以下の説明では、モータＭ１～Ｍｉの力行時における駆動電力を「力行電力」ともいい、当該モータＭ１～Ｍｉの力行時における駆動電力の総和を「力行電力の総和」ともいう。なお、モータＭ１～Ｍｉの駆動パターンは、回路制御部１２が備える不図示の記憶部に記憶されていてもよく、その場合、推定部２１は、当該回路制御部１２の記憶部に記憶されているモータＭ１～Ｍｉの駆動パターンを参照して、上記推定を行ってもよい。または、推定部２１は、前述のシステム制御部１３が備える不図示の記憶部に記憶されている駆動パターンを参照して、上記推定を行ってもよい。また、推定部２１は、システム制御部１３で制御されるアーム動作情報から発生する回生電力を推定してもよい。
【0064】
特定部２２は、推定部２１による推定結果、すなわち推定部２１により推定された力行電力の総和と回生電力の総和とを取得する。そして、特定部２２は、これらの総和の差分を算出し、当該算出した差分に応じて、モータ駆動回路１に対するｎ個の回生抵抗Ｒ１～Ｒｎのそれぞれの接続状態を特定する。
【0065】
具体的には、特定部２２は、推定部２１により推定された回生電力の総和が、推定部２１により推定された力行電力の総和を上回る場合、当該力行電力の総和を上回る分の回生電力と、当該回生電力が発生したときに電圧監視部１１により監視される電圧（出力電圧）の推定値とに基づいて、回生抵抗の値Ｒを算出する。このとき、特定部２２は、力行電力の総和を上回る分の回生電力が小さいほど、回生抵抗の値Ｒを大きく算出し、力行電力の総和を上回る分の回生電力が大きいほど、回生抵抗の値Ｒを小さく算出する。
【0066】
なお、特定部２２は、回生電力が発生したときに電圧監視部１１により監視される電圧（出力電圧）の推定値については、例えば力行電力の総和を上回る分の回生電力の大きさ等に基づいて推定する。
【0067】
そして、特定部２２は、ｎ個の回生抵抗Ｒ１～Ｒｎのうちの１つ以上の回生抵抗によりなされる抵抗値が、上記算出した回生抵抗の値Ｒに相当する値となるよう、モータ駆動回路１に対するｎ個の回生抵抗Ｒ１～Ｒｎのそれぞれの接続状態を特定する。
【0068】
切換制御部２３は、電圧監視部１１から出力された電圧（上述した出力電圧）を参照し、当該電圧が、予め定められた電圧閾値に達したか否かを判定する。そして、切換制御部２３は、当該電圧が電圧閾値に達したと判定すると、モータ駆動回路１に対するｎ個の回生抵抗Ｒ１～Ｒｎのそれぞれの接続状態が、特定部２２により特定された接続状態となるように、ｎ個のスイッチング素子ＳＷ１～ＳＷｎをそれぞれ制御する。
【0069】
なお、実施の形態１では、ｎ個の回生抵抗Ｒ１～Ｒｎと、ｎ個のスイッチング素子ＳＷ１～ＳＷｎと、特定部２２と、切換制御部２３とを含んで、可変抵抗部が構成されている。可変抵抗部は、特定部２２及び切換制御部２３が上記のように動作することにより、ｎ個の回生抵抗Ｒ１～Ｒｎのうちの１つ以上の回生抵抗によりなされる抵抗値を可変とする。
【0070】
なお、上記で説明した可変抵抗部の構成はあくまで一例であり、推定された力行電力の総和と、推定された回生電力の総和との差分に応じて抵抗値が変化するものであれば、可変抵抗部は上記以外の構成で実現されていてもよい。ただし、可変抵抗部は、上記のように構成されることにより、簡易な構成で実現される。
【0071】
また、上記の説明では、回生電力保護回路１０が推定部２１を備え、当該推定部２１が、モータＭ１～Ｍｉのそれぞれについて予め定められた駆動パターンに基づいて、当該モータＭ１～Ｍｉの力行電力の総和と回生電力の総和とを推定する例を説明した。しかしながら、回生電力保護回路１０は、上記駆動パターンに基づいて推定された当該モータＭ１～Ｍｉの力行電力の総和と回生電力の総和とを、外部から取得してもよい。
【0072】
この場合、回生電力保護回路１０は、例えば取得部（不図示）を備え、当該取得部は、例えばスマートロボットのオペレータが予めＰＣ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ）を用いて上記駆動パターンに基づいて推定した、力行電力の総和と回生電力の総和とを取得すればよい。なお、この場合でも、オペレータは、例えばモータＭ１～Ｍｉのそれぞれについて予め定められた駆動パターンに基づいて得られる、モータＭ１～Ｍｉの回転速度及びトルクを用いて、上記力行電力の総和と回生電力の総和とを推定すればよい。
【0073】
また、このように、取得部が力行電力の総和と回生電力の総和とを取得した場合、特定部２２は、当該取得部により取得された力行電力の総和と回生電力の総和との差分を算出し、当該算出した差分に応じて、モータ駆動回路１に対するｎ個の回生抵抗Ｒ１～Ｒｎのそれぞれの接続状態を特定すればよい。
【0074】
次に、実施の形態１に係る回生電力保護回路１０の動作例について、図３に示すフローチャートを参照しながら説明する。
【0075】
なお、以下の説明では、説明を分かり易くするため、回生電力保護回路１０は上記推定部２１を備えているものとして説明する。また、以下の説明では、説明を分かり易くするため、回生電力保護回路１０の動作例を「Ａ．接続状態特定フェーズ」と「Ｂ．抵抗切換フェーズ」とに分けて説明する。
【0076】
また、以下の説明では、例えばスマートロボットのオペレータにより、アーム部５の動作パターン（モータＭ１～Ｍｉの動作パターン）が予め生成され、回路制御部１２の記憶部（不図示）に記憶されているものとする。
【0077】
また、以下の説明では、スマートロボットが最初に起動された時点では、すべてのスイッチング素子ＳＷ１～ＳＷｎがオフ（非導通状態）とされ、すべての回生抵抗Ｒ１～Ｒｎがモータ駆動回路１から切り離された状態となっている。以下の説明では、この状態を特に「初期状態」という。
【0078】
＜Ａ．接続状態特定フェーズ＞
まず、推定部２１は、アーム部５の動作パターンに基づいて、アーム部５の軌道を算出する（ステップＳＴ１）。例えば、推定部２１は、アーム部５が上方に振り上げられてから下方に振り降ろされる、という軌道を算出する。
まず、推定部２１は、アーム部５の動作パターンに基づいて、アーム部５の軌道を算出する（ステップＳＴ１）。例えば、推定部２１は、アーム部５が上方に振り上げられてから下方に振り降ろされる、という軌道を算出する。
【0079】
次に、推定部２１は、上記算出したアーム部５の軌道に基づいて、モータＭ１～Ｍｉのうちのいずれかから回生電力が発生するタイミング（以下、「回生電力発生タイミング」ともいう。）を特定し、当該特定したタイミングにおいて、モータＭ１～Ｍｉの回転速度及びトルクをそれぞれ算出する（ステップＳＴ２）。なお、推定部２１は、回生電力発生タイミングを複数特定した場合、当該特定した複数のタイミング毎に、モータＭ１～Ｍｉの回転速度及びトルクを算出する。
【0080】
次に、推定部２１は、上記算出したモータＭ１～Ｍｉの回転速度及びトルクを用いて、モータＭ１～Ｍｉの力行電力及び回生電力をモータ毎に算出する（ステップＳＴ３）。例えば、推定部２１は、モータＭ１～Ｍｉの回転速度をＮとし、モータＭ１～ＭｉのトルクをＴとしたとき、力行電力及び回生電力を以下の式（１）により算出する。
Ｐｎ＝Ｎ×Ｔ （１）
Ｐｎ＝Ｎ×Ｔ （１）
【0081】
なお、式（１）において、ｎ＝１～ｉである。また、モータＭ１～Ｍｉにおいて、例えば力行時のトルクを正の値としたとき、回生時のトルクは負の値となる。したがって、Ｐｎ≧０のとき、Ｐｎは力行電力を表し、Ｐｎ＜０のとき、Ｐｎは回生電力を表す。
【0082】
次に、特定部２２は、推定部２１によりモータ毎に推定された力行電力の全モータ分の総和を算出する。また、特定部２２は、推定部２１によりモータ毎に推定された回生電力の全モータ分の総和を算出する（ステップＳＴ４）。
【0083】
次に、特定部２２は、推定部２１により算出された回生電力の総和が、推定部２１により算出された力行電力の総和を上回るか否かを判定する（ステップＳＴ５）。ここでは、特定部２２は、例えばステップＳＴ４で算出された力行電力の総和と、回生電力の総和を加算し、その結果が０未満である場合に、回生電力の総和が、力行電力の総和を上回ると判定する。一方、特定部２２は、上記結果が０以上である場合に、回生電力の総和が、力行電力の総和を上回らないと判定する。
【0084】
その結果、回生電力の総和が、力行電力の総和を上回らないと判定した場合（ステップＳＴ５；Ｎｏ）、特定部２２は、モータ駆動回路１に対するｎ個の回生抵抗Ｒ１～Ｒｎのすべての接続状態を、モータ駆動回路１から切り離された状態（すなわち初期状態）と特定する（ステップＳＴ６）。
【0085】
一方、回生電力の総和が、力行電力の総和を上回ると判定した場合（ステップＳＴ５；Ｙｅｓ）、特定部２２は、力行電力の総和を上回る分の回生電力と、当該回生電力の総和が算出された回生電力発生タイミングにおいて電圧監視部１１により監視される電圧（出力電圧）の推定値とに基づいて、回生抵抗の値Ｒを算出する（ステップＳＴ７）。
【0086】
例えば、特定部２２は、力行電力の総和を上回る分の回生電力をＰｔとし、当該回生電力の総和が算出された回生電力発生タイミングにおいて電圧監視部１１により監視される電圧（出力電圧）の推定値をＶｓとしたとき、回生抵抗の値Ｒを以下の式（２）により算出する。
Ｒ＝Ｖｓ２／Ｐｔ （２）
Ｒ＝Ｖｓ２／Ｐｔ （２）
【0087】
なお、特定部２２は、上記電圧の推定値Ｖｓについては、例えば力行電力の総和を上回る分の回生電力の大きさ等に基づいて推定する。
【0088】
そして、特定部２２は、ｎ個の回生抵抗Ｒ１～Ｒｎのうちの１つ以上の回生抵抗によりなされる抵抗値が、上記式（２）により算出した回生抵抗の値Ｒに相当する値となるよう、モータ駆動回路１に対するｎ個の回生抵抗Ｒ１～Ｒｎのそれぞれの接続状態を特定する（ステップＳＴ８）。
【0089】
なお、ここでは、上記「相当する値」とは、同一の値のみならず、略同一の値をも含む。また、この特定は、上述した回生電力発生タイミングが複数ある場合、当該回生電力発生タイミング毎に行われる。
【0090】
このとき、特定部２２は、上記式（２）を用いることにより、力行電力の総和を上回る分の回生電力Ｐｔが小さいほど、回生抵抗の値Ｒを大きく算出し、力行電力の総和を上回る分の回生電力Ｐｔが大きいほど、回生抵抗の値Ｒを小さく算出する。
【0091】
以上のステップからなる接続状態特定フェーズは、例えば実際にスマートロボットが起動してアーム部５が動作を開始するよりも前の段階で実行される。そして、接続状態特定フェーズが完了すると、実際にアーム部５が動作を開始する。その後、回生電力保護回路１０は、次の抵抗切換フェーズを実行する。
【0092】
＜Ｂ．抵抗切換フェーズ＞
抵抗切換フェーズでは、まず、電圧監視部１１は、回生電力保護回路１０の入力端子１０ｉｎ側の電圧であって、電源線路Ｌ１におけるダイオード３とアーム部５の入力端子５ｉｎとの間の電圧Ｖの監視を開始する。
抵抗切換フェーズでは、まず、電圧監視部１１は、回生電力保護回路１０の入力端子１０ｉｎ側の電圧であって、電源線路Ｌ１におけるダイオード３とアーム部５の入力端子５ｉｎとの間の電圧Ｖの監視を開始する。
【0093】
その後、上述の回生電力発生タイミングにおいて、アーム部５から回生電力が発生する。なお、上述の回生電力発生タイミングが複数ある場合、回生電力は、それぞれの回生電力発生タイミング毎にアーム部５から発生する。これにより、モータ駆動回路１では、電圧監視部１１が監視している電源線路Ｌ１の電圧（出力電圧）が上昇し、やがて、予め設定された第１の電圧閾値Ｖｒｅｆ１を上回る。
【0094】
その間、電圧監視部１１は、電源線路Ｌ１の電圧Ｖを所定の間隔で検出し、当該検出した電圧Ｖを切換制御部２３に出力する（ステップＳＴ１１）。
【0095】
切換制御部２３は、電圧監視部１１から電源線路Ｌ１の電圧Ｖを取得する（ステップＳＴ１２）。そして、切換制御部２３は、当該取得した電源線路Ｌ１の電圧Ｖと、予め設定された第２の電圧閾値Ｖｒｅｆ２とを比較し、電源線路Ｌ１の電圧Ｖが第２の電圧閾値Ｖｒｅｆ２に達したか否かを判定する（ステップＳＴ１３）。なお、第２の電圧閾値Ｖｒｅｆ２は、第１の電圧閾値Ｖｒｅｆ１よりも大きい値に設定されている。
【0096】
その結果、切換制御部２３は、電源線路Ｌ１の電圧Ｖが第２の電圧閾値Ｖｒｅｆ２に達していないと判定した場合（ステップＳＴ１３；Ｎｏ）、処理はステップＳＴ１８に遷移し、切換制御部２３は、すべての回生抵抗Ｒ１～Ｒｎがモータ駆動回路１から切り離されるよう、すべてのスイッチング素子ＳＷ１～ＳＷｎをオフ（非導通状態）とする。つまり、切換制御部２３は、モータ駆動回路１に対する回生抵抗Ｒ１～Ｒｎの接続状態を初期状態に切り替える（ステップＳＴ１８）。
【0097】
一方、ステップＳＴ１３において、切換制御部２３は、電源線路Ｌ１の電圧Ｖが第２の電圧閾値Ｖｒｅｆ２に達したと判定した場合（ステップＳＴ１３；Ｙｅｓ）、モータ駆動回路１に対するｎ個の回生抵抗Ｒ１～Ｒｎのそれぞれの接続状態が、上述した接続状態特定フェーズのステップＳＴ８において特定部２２により特定された接続状態となるように、ｎ個のスイッチング素子ＳＷ１～ＳＷｎをそれぞれ制御する（ステップＳＴ１４）。
【0098】
なお、上述の回生電力発生タイミングが複数ある場合、切換制御部２３は、ｎ個の回生抵抗Ｒ１～Ｒｎのそれぞれの接続状態が、対応する回生電力発生タイミングについて特定された接続状態となるように、スイッチング素子ＳＷ１～ＳＷｎを制御する。
【0099】
これにより、回生電力保護回路１０では、ｎ個の回生抵抗Ｒ１～Ｒｎのうちの１つ以上の回生抵抗がモータ駆動回路１に接続され、回生電流が当該接続された回生抵抗へ流れる。これにより、回生電力保護回路１０では、回生電力が当該接続された抵抗により熱エネルギーとして消費される。その結果、モータ駆動回路１では、電源線路Ｌ１の電圧Ｖが下降に転じる。こうして、実施の形態１では、電源線路Ｌ１の電圧Ｖの上昇、すなわちモータ駆動回路１の電圧上昇が抑制される。
【0100】
電源線路Ｌ１の電圧Ｖが下降に転じた後も、電圧監視部１１は、電源線路Ｌ１の電圧Ｖを所定の間隔で検出し、当該検出した電圧Ｖを切換制御部２３に出力する（ステップＳＴ１５）。
【0101】
切換制御部２３は、電圧監視部１１から電源線路Ｌ１の電圧Ｖを取得する（ステップＳＴ１６）。そして、切換制御部２３は、当該取得した電源線路Ｌ１の電圧Ｖと、第１の電圧閾値Ｖｒｅｆ１とを比較し、電源線路Ｌ１の電圧Ｖが第１の電圧閾値Ｖｒｅｆ１まで下降したか否かを判定する（ステップＳＴ１７）。
【0102】
その結果、切換制御部２３は、電源線路Ｌ１の電圧Ｖが第１の電圧閾値Ｖｒｅｆ１まで下降していないと判定した場合（ステップＳＴ１７；Ｎｏ）、処理はステップＳＴ１５に戻る。一方、切換制御部２３は、電源線路Ｌ１の電圧Ｖが第１の電圧閾値Ｖｒｅｆ１まで下降したと判定した場合（ステップＳＴ１７；Ｙｅｓ）、すべての回生抵抗Ｒ１～Ｒｎがモータ駆動回路１から切り離されるよう、すべてのスイッチング素子ＳＷ１～ＳＷｎをオフ（非導通状態）とする。つまり、切換制御部２３は、モータ駆動回路１に対する回生抵抗Ｒ１～Ｒｎの接続状態を初期状態に切り替える（ステップＳＴ１８）。以下、回生電力保護回路１０は、上述したステップＳＴ１１～ＳＴ１８までの処理を繰り返す。
【0103】
【0104】
図５に示すように、アーム部５が動作を開始すると、回生電力発生タイミングにおいてアーム部５から回生電力が発生する。これにより、モータ駆動回路１では、電源線路Ｌ１の電圧Ｖが上昇し始め、やがて、予め設定された第１の電圧閾値Ｖｒｅｆ１を上回る。
【0105】
そして、電源線路Ｌ１の電圧Ｖが第２の電圧閾値Ｖｒｅｆ２に達すると、切換制御部２３は、上記のようにスイッチング素子ＳＷ１～ＳＷｎを制御する。これにより、電源線路Ｌ１の電圧Ｖは下降に転じる。このとき、単位時間あたりの電圧Ｖの下降の割合、すなわちグラフの立ち下がりの傾きは、回生抵抗の値Ｒと出力コンデンサ４による時定数回路で決定される。
【0106】
例えば、上述のように、力行電力の総和を上回る分の回生電力Ｐｔが大きいほど、回生抵抗の値Ｒは小さくなるが、回生抵抗の値Ｒが小さいほど、単位時間あたりの電圧Ｖの下降の割合（グラフの立ち下がりの傾き）は、図５の符号５０１に示すように大きくなる。この場合、上記回生電力Ｐｔは短時間で消費される。
【0107】
一方、力行電力の総和を上回る分の回生電力Ｐｔが小さいほど、回生抵抗の値Ｒは大きくなるが、回生抵抗の値Ｒが大きいほど、単位時間あたりの電圧Ｖの下降の割合（グラフの立ち下がりの傾き）は、図５の符号５０２に示すように小さくなる。この場合、上記回生電力Ｐｔは、符号５０１に示す場合よりもゆっくり消費される。
【0108】
言い換えれば、回生電力Ｐｔは、単位時間あたりの電圧Ｖの下降の割合が小さいほど消費が抑制され、モータ駆動回路１にとどまる時間が長くなる。そして、上記回生電力Ｐｔは、モータ駆動回路１にとどまる時間が長いほど、モータ駆動回路１の内部（例えばアーム部５）で再利用される可能性が高まることになる。
【0109】
このように、実施の形態１に係る回生電力保護回路１０は、力行電力の総和を上回る分の回生電力Ｐｔが大きい場合は、回生電力Ｐｔを短時間で速やかに消費することにより、電圧上昇による部品の破損を確実に抑制する一方、力行電力の総和を上回る分の回生電力Ｐｔが小さい場合は、回生電力Ｐｔの消費を抑制することにより、回生電力Ｐｔのモータ駆動回路１での再利用を促進する。つまり、実施の形態１に係る回生電力保護回路１０は、力行電力の総和と回生電力の総和との差分に応じた値に抵抗値が変化する可変抵抗部を備え、当該差分に応じて回生抵抗の値を最適化することにより、電圧上昇によるモータ駆動回路１の部品の破損を抑制するだけでなく、回生電力Ｐｔの利用効率の向上も実現することができる。
【0110】
なお、上記の例において、第１の電圧閾値Ｖｒｅｆ１は、直流電源２から発生する電力を回生抵抗Ｒ１～Ｒｎで消費してしまわないように、直流電源２から発生する電力の電圧以上とするのが望ましい。また、第２の電圧閾値Ｖｒｅｆ２は、過電圧でモータ駆動回路１の部品が故障しないように、モータ駆動回路１の耐圧以下とするのが望ましい。
【0111】
また、図５の例では、電源線路Ｌ１の電圧Ｖが下降に転じて第１の電圧閾値Ｖｒｅｆ１に達し、すべてのスイッチング素子ＳＷ１～ＳＷｎをオフ（非導通状態）となった後、電源線路Ｌ１の電圧Ｖがさらに下降する例を示している。しかしながら、電源線路Ｌ１の電圧Ｖは、すべてのスイッチング素子ＳＷ１～ＳＷｎをオフ（非導通状態）となった後、上昇に転じてもよい。
【0112】
また、上記の説明では、スマートロボットが６軸の垂直多関節ロボットであり、アーム部５が６つの軸、当該６つの軸を動かすためのｉ個のモータＭ１～Ｍｉ、及び、モータＭ１～Ｍｉのそれぞれに対応して設けられる切換部Ｋ１～Ｋｉと、を含んで構成される例を説明した。しかしながら、スマートロボットはこれに限らず、２以上の軸を有するロボットであり、アーム部５は、モータ及び切換部を当該軸数以上含んで構成されていてもよい。
【0113】
（他の構成例）
なお、上記の説明では、回生電力保護回路１０において、ｎ個の回生抵抗Ｒ１～Ｒｎが並列に接続された例について説明したが、ｎ個の回生抵抗Ｒ１～Ｒｎはこれに限らず、直列に接続されていてもよい。
なお、上記の説明では、回生電力保護回路１０において、ｎ個の回生抵抗Ｒ１～Ｒｎが並列に接続された例について説明したが、ｎ個の回生抵抗Ｒ１～Ｒｎはこれに限らず、直列に接続されていてもよい。
【0114】
図６は、ｎ個の回生抵抗Ｒ１～Ｒｎが直列に接続された回生電力保護回路１０ｂを備えたモータ駆動回路１ｂの構成例を示す図である。図６に示すモータ駆動回路１ｂは、図１に示すモータ駆動回路１に対し、ｎ個の回生抵抗Ｒ１～Ｒｎ及びｎ個のスイッチング素子ＳＷ１～ＳＷｎの接続態様が変更されているのみであり、その他の構成については、図１に示すモータ駆動回路１と同一である。
【0115】
図６において、ｎ個の回生抵抗Ｒ１～Ｒｎは、互いに直列に接続されている。また、このとき、一方の端部側（図６の上方の端部側）の回生抵抗Ｒ１は、一端が入力端子１０ｉｎを介して電源線路Ｌ１に接続され、他端が隣接する回生抵抗Ｒ２（不図示）の一端に接続されている。また、他方の端部側（図６の下方の端部側）の回生抵抗Ｒｎは、一端が隣接する回生抵抗Ｒｎ－１（不図示）の他端に接続され、他端が出力端子１０ｏｕｔを介して電源線路Ｌ２に接続されている。
【0116】
ｎ個のスイッチング素子ＳＷ１～ＳＷｎは、それぞれ、ドレイン端子が回生抵抗Ｒ１～Ｒｎの一端に接続され、ソース端子が回生抵抗Ｒ１～Ｒｎの他端に接続されている。また、ｎ個のスイッチング素子ＳＷ１～ＳＷｎは、それぞれ、ゲート端子が回路制御部１２の回生抵抗側出力端子１２ｏｕｔ１と接続されている。
【0117】
なお、図６に示す回生電力保護回路１０ｂは、基本的には図１に示す回生電力保護回路１０と同様に動作する。すなわち、図６に示す回生電力保護回路１０ｂも、上述の「Ａ．接続状態特定フェーズ」と「Ｂ．抵抗切換フェーズ」とを実行する。
【0118】
ただし、図６に示す回生電力保護回路１０ｂでは、上述した「初期状態」が図１に示す回生電力保護回路１０とは異なる。つまり、図１に示す回生電力保護回路１０では、スイッチング素子ＳＷ１～ＳＷｎをオフ（非導通状態）とすることにより、回生抵抗Ｒ１～Ｒｎがモータ駆動回路１から切り離される。一方、図６に示す回生電力保護回路１０ｂでは、スイッチング素子ＳＷ１～ＳＷｎのオン抵抗は、回生抵抗Ｒ１～Ｒｎの抵抗値よりも小さく設定されており、スイッチング素子ＳＷ１～ＳＷｎをオン（導通状態）とすることにより、回生抵抗Ｒ１～Ｒｎをバイパスする経路が形成され、回生抵抗Ｒ１～Ｒｎが実質的にモータ駆動回路１ｂから切り離される。
【0119】
ここで、図６に示す回生電力保護回路１０ｂにおいて、すべてのスイッチング素子ＳＷ１～ＳＷｎをオン（導通状態）とし、すべての回生抵抗Ｒ１～Ｒｎをモータ駆動回路１ｂから切り離した状態を初期状態とすると、スイッチング素子ＳＷ１～ＳＷｎにより形成されたバイパス経路を介して、電源線路Ｌ１と電源線路Ｌ２とが短絡し、電源線路Ｌ１から回生電力保護回路１０ｂに大電流が流れてしまうおそれがある。そこで、このような不具合を回避するため、図６に示す回生電力保護回路１０ｂでは、例えば以下の状態を初期状態とする。
【0120】
例えば、回生抵抗Ｒ１～Ｒｎのうちの少なくとも１つ（例えば回生抵抗Ｒ１）を、電源線路Ｌ１からの電流の流入を阻止することが可能な程度に十分な大きさの抵抗値をもつ抵抗で構成する。そして、この抵抗の両端に接続されたスイッチング素子をオフ（非導通状態）とし、この抵抗が少なくともモータ駆動回路１ｂに接続された状態とする。そして、この状態を初期状態とする。
【0121】
あるいは、例えば図７に示すように、回生抵抗Ｒ１の一端と電源線路Ｌ１との間に、もう一つ別のスイッチング素子ＳＷｐを接続する。スイッチング素子ＳＷｐは、ドレイン端子が電源線路Ｌ１に接続され、ソース端子が入力端子１０ｉｎを介して回生抵抗Ｒ１の一端に接続され、ゲート端子が回路制御部１２の回生抵抗側出力端子１２ｏｕｔ１と接続されている。そして、このスイッチング素子ＳＷｐをオフ（非導通状態）とし、このスイッチング素子ＳＷｐのソース端子側に接続されている回生抵抗Ｒ１～Ｒｎをすべてモータ駆動回路１ｂから切り離した状態とする。そして、この状態を初期状態とする。
【0122】
以上のように構成された回生電力保護回路１０ｂは、図１に示した回生電力保護回路１０と同様に、図３に示した接続状態特定フェーズと、図４に示した抵抗切換フェーズとを実行する。そして、これにより、モータ駆動回路１ｂにおいても、上述したモータ駆動回路１と同様に、電源線路Ｌ１の電圧Ｖが図５に示したグラフのように推移する。したがって、回生電力保護回路１０ｂによっても、電圧上昇によるモータ駆動回路１ｂの部品の破損を抑制するだけでなく、回生電力Ｐｔの利用効率の向上も実現することができる。
【0123】
以上のように、この実施の形態１によれば、回生電力保護回路１０は、回生電力を発生させる駆動部を含んで構成される駆動回路１に接続される回生電力保護回路であって、駆動部について予め定められた駆動パターンに基づいて、当該駆動部の力行時における駆動電力と、当該駆動部から発生する回生電力とを推定する推定部２１と、駆動部から発生する回生電力の電圧を含む、駆動回路１の電圧を監視する監視部１１と、回生電力が消費される可変抵抗部であって、監視部１１により監視される電圧が予め定められた電圧閾値Ｖｒｅｆ２に達した際、推定部２１により推定された駆動電力と回生電力との差分に応じた値に抵抗値が変化する可変抵抗部と、を備えた。これにより、実施の形態１に係る回生電力保護回路１０は、従来回路に対し、回生電力の利用効率を改善可能となる。
【0124】
また、可変抵抗部は、複数の抵抗と、複数の抵抗のそれぞれの駆動回路１に対する接続状態を切り換えるスイッチング素子と、推定部２１により推定された駆動電力と回生電力との差分に応じて、駆動回路１に対する複数の抵抗のそれぞれの接続状態を特定する特定部２２と、監視部１１により監視される電圧が電圧閾値Ｖｒｅｆ２に達した際、駆動回路１に対する複数の抵抗のそれぞれの接続状態が、特定部２２により特定された接続状態となるように、スイッチング素子を制御する切換制御部２３と、を含んで構成される。これにより、実施の形態１に係る回生電力保護回路１０は、簡易な構成で可変抵抗部を実現することができる。
【0125】
また、特定部２２は、推定部２１により推定された回生電力が、推定部２１により推定された駆動電力を上回る場合、当該駆動電力を上回る分の回生電力と、当該回生電力が発生したときに監視部１１により監視される電圧の推定値とに基づいて、回生抵抗の値を算出し、複数の抵抗のうちの１つ以上の抵抗によりなされる抵抗値が、算出した回生抵抗の値に相当する値となるよう、駆動回路１に対する複数の抵抗のそれぞれの接続状態を特定する。これにより、実施の形態１に係る回生電力保護回路１０は、駆動回路１に対する複数の抵抗のそれぞれの接続状態を精度よく特定することができる。
【0126】
また、特定部２２は、駆動電力を上回る分の回生電力が小さいほど、回生抵抗の値を大きく算出し、駆動電力を上回る分の回生電力が大きいほど、回生抵抗の値を小さく算出する。これにより、実施の形態１に係る回生電力保護回路１０は、駆動電力を上回る分の回生電力の大きさに応じて、回生電力の消費速度を柔軟に変更することができる。
【0127】
また、駆動部はモータであり、推定部２１は、モータについて予め定められた駆動パターンに基づく当該モータの回転速度及びトルクを用いて、駆動電力及び回生電力を推定する。これにより、実施の形態１に係る回生電力保護回路１０は、モータの駆動電力及び回生電力を精度よく推定することができる。
【0128】
また、駆動回路１は、駆動部を複数含み、推定部２１は、複数の駆動部のそれぞれについて予め定められた駆動パターンに基づいて、当該複数の駆動部の力行時における駆動電力の総和と、当該複数の駆動部から発生する回生電力の総和とを推定し、可変抵抗部は、監視部１１により監視される電圧が電圧閾値Ｖｒｅｆ２に達した際、推定部２１により推定された駆動電力の総和と回生電力の総和との差分に応じた値に抵抗値が変化する。これにより、実施の形態１に係る回生電力保護回路１０は、駆動回路１が駆動部を複数含む場合においても、従来回路に対し、回生電力の利用効率を改善可能となる。
【0129】
また、この実施の形態１によれば、回生電力保護回路１０は、回生電力を発生させる駆動部を含んで構成される駆動回路１に接続される回生電力保護回路であって、駆動部について予め定められた駆動パターンに基づいて推定された、当該駆動部の力行時における駆動電力と、当該駆動部から発生する回生電力とを取得する取得部と、駆動部から発生する回生電力の電圧を含む、駆動回路１の電圧を監視する監視部１１と、回生電力が消費される可変抵抗部であって、監視部１１により監視される電圧が予め定められた電圧閾値Ｖｒｅｆ２に達した際、取得部により取得された駆動電力と回生電力との差分に応じた値に抵抗値が変化する可変抵抗部と、を備えた。これにより、実施の形態１に係る回生電力保護回路１０は、従来回路に対し、回生電力の利用効率を改善可能となる。
【0130】
また、この実施の形態１によれば、駆動回路１は、回生電力を発生させる駆動部を含んで構成される駆動回路であって、上記いずれかの回生電力保護回路１０を備えた。これにより、実施の形態１に係る駆動回路１は、従来回路を備える駆動回路に対し、回生電力の利用効率を改善可能となる。
【0131】
なお、本開示はその開示の範囲内において、実施の形態の任意の構成要素の変形、若しくは実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。
【符号の説明】
【0132】
１、１ｂ、５０ モータ駆動回路（駆動回路）
２、５２ 直流電源
３、５３ ダイオード
４、５４ 出力コンデンサ
５、５５ アーム部
５ｉｎ、５５ｉｎ 入力端子
５ｏｕｔ、５５ｏｕｔ 出力端子
１０、１０ｂ、６０ 回生電力保護回路
１０ｉｎ、６０ｉｎ 入力端子
１０ｏｕｔ、６０ｏｕｔ 出力端子
１１、６１ 電圧監視部（監視部）
１１ｉｎ 入力端子
１１ｏｕｔ 出力端子
１２ 回路制御部
１２ｉｎ 入力端子
１２ｏｕｔ１ 回生抵抗側出力端子
１２ｏｕｔ２ アーム部側出力端子
１３、６３ システム制御部
２１ 推定部
２２ 特定部
２３ 切換制御部
Ｋ１、Ｋｉ 切換部
Ｌ１、Ｌ２ 電源線路
Ｌ３ アーム制御線路
Ｍ１、Ｍｉ モータ（駆動部）
Ｒ０、Ｒ１、Ｒｎ 回生抵抗
Ｓ１１、Ｓ１２、Ｓｉ１、Ｓｉ２ スイッチング素子
ＳＷ０、ＳＷ１、ＳＷｐ スイッチング素子
２、５２ 直流電源
３、５３ ダイオード
４、５４ 出力コンデンサ
５、５５ アーム部
５ｉｎ、５５ｉｎ 入力端子
５ｏｕｔ、５５ｏｕｔ 出力端子
１０、１０ｂ、６０ 回生電力保護回路
１０ｉｎ、６０ｉｎ 入力端子
１０ｏｕｔ、６０ｏｕｔ 出力端子
１１、６１ 電圧監視部（監視部）
１１ｉｎ 入力端子
１１ｏｕｔ 出力端子
１２ 回路制御部
１２ｉｎ 入力端子
１２ｏｕｔ１ 回生抵抗側出力端子
１２ｏｕｔ２ アーム部側出力端子
１３、６３ システム制御部
２１ 推定部
２２ 特定部
２３ 切換制御部
Ｋ１、Ｋｉ 切換部
Ｌ１、Ｌ２ 電源線路
Ｌ３ アーム制御線路
Ｍ１、Ｍｉ モータ（駆動部）
Ｒ０、Ｒ１、Ｒｎ 回生抵抗
Ｓ１１、Ｓ１２、Ｓｉ１、Ｓｉ２ スイッチング素子
ＳＷ０、ＳＷ１、ＳＷｐ スイッチング素子
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】