JP2014057391A - モータ制御装置及びモータ制御装置の制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】モータに対して適切にブレーキを作動させて、ブレーキ作動からモータ停止までに要する時間を短くすること。
【解決手段】モータ制御装置は、三相のスイッチング素子のそれぞれを有する上アーム及び下アームで構成され、当該スイッチング素子のオンオフ動作によって電源側から供給された直流を交流に変換して、モータ（４）に出力するインバータブリッジ回路（１３）と、各相のスイッチング素子のオンオフ動作を制御して、モータ（４）を駆動させるモータ制御回路（１４）とを備え、モータ制御回路（１４）は、上アーム及び下アームのいずれか一方の各相のスイッチング素子を全てオンにして、モータ（４）の各相の端子間を短絡させてブレーキ電流を発生させ、スイッチング素子のオンオフ動作の制御によってモータ（４）に流れるブレーキ電流を所定の電流制限値に制限することを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、機械的に連結されて並列駆動する各モータに対して、ダイナミックブレーキを作動させるモータ制御装置及びモータ制御装置の制御方法に関する。

従来、三相モータに対してダイナミックブレーキを作動させるモータ制御装置として、モータの出力部に外付けのブレーキ回路を追加したものが知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載のブレーキ回路は、ブレーキ作動時にリレーがオンになり、ブレーキ回路内の複数の抵抗を介してモータの端子間を短絡させている。このモータ制御装置では、モータ自体のインピーダンスに抵抗が加わるため、モータにブレーキ電流が流れ過ぎることがない。しかしながら、モータの回転数の低下に伴って誘起電圧が低くなると、モータに流れるブレーキ電流も小さくなってブレーキトルクが弱くなるので、ブレーキ作動からモータ停止までに要する時間が長くなる。

また、インバータブリッジ回路のオンオフによってモータの端子間を短絡させるモータ制御装置も提案されている（例えば、特許文献２参照）。特許文献２に記載のモータ制御装置では、三相ハーフブリッジのインバータブリッジ回路において上アーム又は下アームの各相のスイッチング素子を同時にオンにすることで、モータの端子間を短絡させてダイナミックブレーキを作動させている。この場合、主にモータ自体のインピーダンスだけでブレーキ電流の流れ易さが定まるため、外付けのブレーキ回路の抵抗を加えた特許文献１のモータ制御装置と比較して、ブレーキ作動からモータ停止までに要する時間は短くなっている。

特開平０１−２０９９７３号公報 特許第４８１７１１６号公報

ところで、モータのブレーキトルクは、モータに流れるブレーキ電流に応じて変化することが知られている。しかしながら、ブレーキトルクはブレーキ電流だけに依存するのではなく、実際にはブレーキ電流が増加してもブレーキトルクが低下する場合がある。このため、特許文献２に記載のモータ制御装置では、ブレーキ電流が大きい高速域であっても、モータに対してブレーキを強く作動させることができず、モータ停止に要する時間を短くできなかった。

本発明はこのような実情に鑑みてなされたものであり、モータに対して適切にブレーキを作動させて、ブレーキ作動からモータ停止までに要する時間を短くできるモータ制御装置及びモータ制御装置の制御方法を提供することを目的とする。

本発明のモータ制御装置は、三相のスイッチング素子のそれぞれを有する上アーム及び下アームで構成され、当該スイッチング素子のオンオフ動作によって電源側から供給された直流を交流に変換して、モータに出力するインバータブリッジ回路と、各相のスイッチング素子のオンオフ動作を制御して、前記モータを駆動させるモータ制御回路とを備え、前記モータ制御回路は、前記上アーム及び前記下アームのいずれか一方の各相のスイッチング素子を全てオンにして、前記モータの各相の端子間を短絡させてブレーキ電流を発生させ、前記スイッチング素子のオンオフ動作の制御によって前記モータに流れるブレーキ電流を所定の電流制限値に制限する。

本発明のモータ制御装置の制御方法は、三相のスイッチング素子のそれぞれを有する上アーム及び下アームで構成され、当該スイッチング素子のオンオフ動作によって電源側から供給された直流を交流に変換して、モータに出力するインバータブリッジ回路と、各相のスイッチング素子のオンオフ動作を制御して、前記モータを駆動させるモータ制御回路とを備えたモータ制御装置の制御方法であって、前記モータ制御回路が、前記上アーム及び前記下アームのいずれか一方の各相のスイッチング素子を全てオンにして、前記モータの各相の端子間を短絡させてブレーキ電流を発生させ、前記スイッチング素子のオンオフ動作の制御によって前記モータに流れるブレーキ電流を所定の電流制限値に制限することを特徴とする。

これらの構成によれば、ブレーキ電流が所定の電流制限値に制限されるため、モータに電流が流れ過ぎることがない。この場合、ブレーキトルクが強く作動する範囲に電流制限値を設定することで、高速域でのブレーキ電流の増加によりブレーキトルクが弱くなることがなく、ブレーキ作動からモータ停止までに要する時間を短くできる。

また本発明の上記モータ制御装置において、前記モータ制御回路は、複数のモータを駆動させており、前記複数のモータに流れるブレーキ電流を所定の電流制限値に制限する。この構成によれば、複数のモータに流れるブレーキ電流が所定の電流制限値に制限されるため、複数のモータに対して適切にブレーキトルクを作動させることができる。

また本発明の上記モータ制御装置において、前記複数のモータは、並列駆動するように機械的に連結されており、前記モータ制御回路は、前記複数のモータに流れるブレーキ電流を、前記複数のモータで共通の電流制限値に制限する。この構成によれば、複数のモータに略均等にブレーキトルクを生じさせることができる。よって、機械的に連結されたモータの位置偏差を小さくして、モータ間の機械的なストレス等を抑制できる。

また本発明の上記モータ制御装置において、前記モータ制御回路は、前記複数のモータで共通の電流制限値を、ブレーキトルクが最大となる第１の電流制限値よりも低い第２の電流制限値に設定する。この構成によれば、ブレーキトルクが最大となる電流値よりも低い電流制限値にブレーキ電流が制限されるため、モータ自体のインピーダンスのバラツキによるブレーキ電流の差を吸収して、モータ間のブレーキトルクの差を小さくできる。

また本発明の上記モータ制御装置において、前記複数のモータは、並列駆動するように機械的に連結されており、前記モータ制御回路は、前記複数のモータに流れるブレーキ電流を、前記複数のモータで個別の電流制限値に制限する。この構成によれば、モータ特性の違いを吸収するように電流制限値を個別に設定することで、機械的に連結されたモータの位置偏差をさらに小さくして、モータ間の機械的なストレス等を抑制できる。

また本発明の上記モータ制御装置において、前記モータ制御回路は、前記複数のモータで個別の電流制限値をブレーキトルクが最大となる第１の電流制限値よりも低い第２の電流制限値に設定した上で、モータ毎に前記個別の電流制限値を補正する。この構成によれば、ブレーキトルクが最大となる電流値よりも低い電流制限値にブレーキ電流が制限されるため、モータ自体のインピーダンスのバラツキによるブレーキ電流の差を吸収できる。

また本発明の上記モータ制御装置において、前記モータ制御回路は、前記複数のモータの位置偏差に基づいて前記個別の電流制限値を補正する。この構成によれば、位置偏差に応じてモータ毎の個別の電流制限値が補正されるため、負荷の動的な変化による位置偏差の拡大を抑えることができる。

また本発明の上記モータ制御装置において、前記モータ制御回路は、前記複数のモータに流れるブレーキ電流の実測値に基づいて前記個別の電流制限値を補正する。この構成によれば、モータ特性の違いだけでなく、モータケーブルのインピーダンスやスイッチング素子の抵抗分を考慮して電流制限値が補正されるため、モータに対してより適切にブレーキを作動させることができる。

また本発明の上記モータ制御装置において、前記モータに流れるブレーキ電流を検出する電流センサを備え、前記モータ制御回路は、前記モータに流れるブレーキ電流が電流制限値を超える場合に、前記上アーム及び前記下アームの全てのスイッチング素子を一時的にオフにすることで、前記モータに流れるブレーキ電流を所定の電流制限値に制限する。この構成によれば、簡易なスイッチング制御により、モータに流れるブレーキ電流を電流制限値に制限できる。

本発明によれば、モータに流れるブレーキ電流を制限することで、モータに対して適切にブレーキを作動させて、ブレーキ作動からモータ停止までに要する時間を短くできる。

本実施の形態に係る実装ヘッドの移動機構の模式図である。 本実施の形態に係るモータ制御装置のブロック図である。 電機子抵抗、電機子インダクタンス、誘起電圧定数の一例を示す図である。 回転数に対するインピーダンスの変化を示す図である。 回転数に対するブレーキ電流及びブレーキトルクの変化を示す図である。 一般的なショートブレーキ方式のブレーキ評価を示す図である。 本実施の形態に係る第１のブレーキ方式のブレーキ評価を示す図である。 本実施の形態に係る第２のブレーキ方式のブレーキ評価を示す図である。 本実施の形態に係る電流制限の処理動作の一例を示すフローチャートである。

以下、添付図面を参照して、本実施の形態について添付の図面を参照して詳細に説明する。以下の説明では、本発明のモータ制御装置を、チップマウンタ等の部品実装装置の実装ヘッド移動機構に適用した構成を例示して説明するが、これに限定されるものではない。本発明のモータ制御装置は、モータが使用される装置であれば、どのような装置にも適用可能である。図１は、本実施の形態に係る実装ヘッドの移動機構の模式図である。なお、ここでは説明の便宜上、最小限の構成のみ記載している。

図１に示すように、実装ヘッド移動機構１は、実装ヘッド３を移動させて、基台２上の基板Ｗに電子部品を実装するように構成されている。実装ヘッド移動機構１は、基台２の四隅に立設された支柱部（不図示）に支持されており、基台２上面から所定高さで実装ヘッド３をＸ軸方向及びＹ軸方向に移動させる。また、実装ヘッド移動機構１は、Ｙ軸方向に平行な一対のＹ軸ステージ５と、一対のＹ軸ステージ５上を移動する一対のモータ４Ａ、４Ｂと、一対のモータ４Ａ、４Ｂに両持ちで支持されるＸ軸ステージ６とを有している。Ｘ軸ステージ６には、実装ヘッド３がＸ軸方向に移動可能に支持されている。

実装ヘッド移動機構１は、不図示のモータによってＸ軸ステージ６に沿って実装ヘッド３をＸ軸方向に移動させる。また、実装ヘッド移動機構１は、一対のモータ４Ａ、４ＢによってＸ軸ステージ６と共に実装ヘッド３をＹ軸ステージ５に沿ってＹ軸方向に移動させる。このような構成により、実装ヘッド３は、基板Ｗの上方を水平移動され、電子部品を基板Ｗの所望の位置に搬送することが可能となっている。本実施の形態に係るモータ制御装置は、この実装ヘッド移動機構１に適用される。そして、一対のモータ４Ａ、４ＢをＸ軸ステージ６を介して機械的に連結した構成において、モータ停止に要する時間を短くし、かつモータ４Ａ、４Ｂ間の位置偏差を最小にしている。

次に、本実施の形態に係る実装ヘッド移動機構のモータ制御装置について説明する。図２は、本実施の形態に係るモータ制御装置のブロック図である。なお、図２は、一例を示すものであり、この構成に限定されるものではなく、インバータブリッジ回路を備えた構成であればよい。ここでは、モータ４Ａのモータ駆動装置について説明するが、モータ４Ｂのモータ駆動装置も同一構成である。

図２に示すように、モータ制御装置は、三相交流又は単相交流の主電源１１からの交流を直流に変換する整流器１２と、整流器１２からの直流を交流に変換してモータ４Ａに出力するインバータブリッジ回路１３と、インバータブリッジ回路１３をＰＷＭ制御するモータ制御回路１４とを備えている。整流器１２には、整流器１２の出力（直流電圧）を平滑にする平滑コンデンサ１５が並列に接続されている。また、整流器１２の一端と平滑コンデンサ１５の一端との間には、電源立ち上がり時の突入電流を抑制する抵抗とバイパススイッチからなる突入電流抑制回路１６が設けられている。整流器１２、平滑コンデンサ１５、突入電流抑制回路１６により、主電源回路部１７が構成されている。

インバータブリッジ回路１３は、整流器１２に対して互いに並列に接続された三相分のハーフブリッジ回路１８を有している。Ｕ相のハーフブリッジ回路１８ｕは、上アーム（ハイサイド）のスイッチング素子Ｔ１と下アーム（ローサイド）のスイッチング素子Ｔ４とを直列に接続し、スイッチング素子Ｔ１、Ｔ４のそれぞれに対して還流ダイオードＤ１、Ｄ４を並列に接続して構成される。同様に、Ｖ相のハーフブリッジ回路１８ｖは、上アームのスイッチング素子Ｔ２と下アームのスイッチング素子Ｔ５とを直列に接続し、スイッチング素子Ｔ２、Ｔ５のそれぞれに対して還流ダイオードＤ２、Ｄ５を並列に接続して構成される。

Ｗ相のハーフブリッジ回路１８ｗは、上アームのスイッチング素子Ｔ３と下アームのスイッチング素子Ｔ６とを直列に接続し、スイッチング素子Ｔ３、Ｔ６のそれぞれに対して還流ダイオードＤ３、Ｄ６を並列に接続して構成される。また、Ｕ相のスイッチング素子Ｔ１、Ｔ４の接続点、Ｖ相のスイッチング素子Ｔ２、Ｔ５の接続点、Ｗ相のスイッチング素子Ｔ３、Ｔ６の接続点は、それぞれモータ４Ａ内の三相の励磁コイルや抵抗を介して相互に接続されている。三相のハーフブリッジ回路１８ｕ−１８ｗには、モータ制御回路１４からＰＷＭ信号が入力される。

スイッチング素子Ｔ１−Ｔ６のゲートにはモータ制御回路１４からの入力ラインが接続されている。スイッチング素子Ｔ１−Ｔ６は、モータ制御回路１４からＰＷＭ信号が印加されることで、オン状態とオフ状態とが切り替えられる。このスイッチング素子Ｔ１−Ｔ６のオンオフによって、直流を交流に変換してモータ４Ａに対して必要な電力が供給される。Ｕ相のスイッチング素子Ｔ１、Ｔ４の接続点及びＷ相のスイッチング素子Ｔ３、Ｔ６の接続点とモータ４Ａの各端子との間には、各相電流をモータ制御回路１４にフィードバックする電流センサ１９ｕ、１９ｗが設けられている。ここではＩｕ、Ｉｗの２相の電流検出を行う構成を例示するが、Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗの３相の電流検出を行ってもよい。

モータ４Ａには、モータ４Ａの位置や速度を検出するエンコーダ２１が設けられている。エンコーダ２１で検出された位置や速度はモータ制御回路１４に出力され、モータ制御回路１４によってモータ４Ａがサーボ制御される。

また、モータ制御装置には、主電源１１と別に三相交流又は単相交流の制御電源２２と、制御電源２２からの交流を直流に変換する整流器２３と、整流器２３からの出力電圧を変換するスイッチング電源回路２４とが設けられている。整流器２３には、整流器２３の出力（直流電圧）を平滑にする平滑コンデンサ２５が並列に接続されている。また、整流器２３の一端と平滑コンデンサ２５の一端との間には、電源立ち上がり時の突入電流を抑制する抵抗とバイパススイッチからなる突入電流抑制回路２６が設けられている。整流器２３、平滑コンデンサ２５、突入電流抑制回路２６により、制御電源回路部２７が構成されている。

スイッチング電源回路２４には、ロジックコンデンサ２８が並列に接続されており、ロジックコンデンサ２８を経てモータ制御回路１４で必要とする電圧（例えば、+５．０Ｖや+３．３Ｖ）が生成される。このようなスイッチング電源回路２４からの入力により、モータ制御回路１４がインバータブリッジ回路１３を制御する。このモータ制御装置では、ブレーキ方式として、いわゆるショートブレーキ方式が採用されている。具体的には、上アーム及び下アームのいずれか一方の３つのスイッチング素子を同時にオンにすることで、モータ４Ａの端子間の短絡で生じるブレーキ電流によってモータ４Ａを停止させている。

なお、本実施の形態のスイッチング素子Ｔ１−Ｔ６は、パワートランジスタで構成したが、この構成に限定されない。スイッチング素子は、電流電圧を制御できる電流電圧制御素子であればよく、例えば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）、バイポーラトランジスタでもよい。また、還流ダイオードＤ１−Ｄ６は、回生電流の経路を構成する素子であればよく、パワートランジスタに内蔵される寄生ダイオードを使用することもできる。

ところで、上記のショートブレーキ方式として、抵抗短絡のブレーキ方式とを組み合わせたものが検討されている。このブレーキ方式では、高速域ではショートブレーキを用いてブレーキ電流を一定に制御し、ブレーキ電流が一定に保てなくなった場合に抵抗短絡に切り換える。これにより、装置の用途に応じて減速時間を自在に調整することが可能になっている。しかしながら、このブレーキ方式では、実装ヘッド移動機構１のように一対のモータ４Ａ、４ＢがＸ軸ステージ６を介して機械的に連結している場合には、モータ４Ａ、４Ｂ間（２軸間）の位置偏差の拡大による機械的なダメージが想定される（図１参照）。

この位置偏差の拡大を抑えるために、一対のモータ４Ａ、４Ｂに対する負荷の割合に基づいて、各モータ４Ａ、４Ｂにブレーキを作動させる方式が考えられる。一対のモータ４Ａ、４Ｂには、Ｘ軸ステージ６上の実装ヘッド３のＸ軸方向の移動位置に応じてアンバランスに負荷が作用している。このブレーキ方式では、負荷のアンバランスに応じて各モータ４Ａ、４Ｂにブレーキを作動する。しかしながら、負荷のアンバランスに応じたブレーキ作動だけでは位置偏差を十分に抑えることができない。これは、負荷のアンバランスだけでなく、モータ特性や回転数等もブレーキトルクに影響を与えているからである。

以下、図３から図５を参照して、モータ特性や回転数とブレーキトルクとの関係について説明する。図３は、電機子抵抗、電機子インダクタンス、誘起電圧定数の一例を示す図である。図４は、回転数に対するインピーダンスの変化を示す図である。図５は、回転数に対するブレーキ電流及びブレーキトルクの変化を示す図である。図３から図５においては、同型式のモータＡ、Ｂを例示して、モータ特性や回転数とブレーキトルクとの関係について説明する。

図３は、モータＡ、Ｂのモータ特性のバラツキを示している。ここでは、モータＡの電機子抵抗Ｒ、電機子インダクタンスＬ、誘起電圧定数Ｋ_ｅをそれぞれ１００として、モータＢのバラツキの割合を測定した。この結果、モータＢは、電機子抵抗Ｒが１０４．２、電機子インダクタンスＬが９５．５、誘起電圧定数Ｋ_ｅが９８．１というバラツキが測定された。さらに、仕様によれば、電機子抵抗Ｒが±１０％、電機子インダクタンスＬが±３０％、誘起電圧定数Ｋ_ｅが±１０％のバラツキがあることが想定される。このように、同型式モータであっても、電機子抵抗Ｒ、電機子インダクタンスＬ、誘起電圧定数Ｋ_ｅ等のモータ特性にバラツキが生じている。

ここで、モータＡ、ＢのインピーダンスＺを複素数で考え、電機子抵抗をＲ、電機子インダクタンスをＬ、角周波数をωとすると、次式（１）のように表わされる。なお、記号Ｚに付される「・」は、インピーダンスが複素表記であることを示している。
（１）
Ｚ^・＝Ｒ＋ｊωＬ
このとき位相θは、次式（２）で表わされ、電圧に対して電流が遅れ位相となる。
（２）
θ＝ＡＴＡＮ（ωＬ／Ｒ）

また、モータＡ、ＢのインピーダンスＺの大きさは、電機子抵抗をＲ、電機子インダクタンスをＬ、角周波数をω、転流周波数をｆとすると、次式（３）で表わされる。
（３）
Ｚ＝√（Ｒ²＋（ωＬ）²）＝√（Ｒ²＋（２πｆＬ）²）
さらに、転流周波数ｆは、回転数をＮ、マグネット磁極数をＰとすると、次式（４）で表わされる。
（４）
ｆ＝Ｎ／６０×Ｐ／２

式（３）に式（４）を代入すると、インピーダンスＺの大きさは、次式（５）で表わされる。
（５）
Ｚ＝√（Ｒ²＋（πＮＰＬ／６０）²）
このように、同型式のモータであっても、電機子抵抗Ｒ、電機子インダクタンスＬの値により、個々のモータＡ、ＢにインピーダンスＺにバラツキが生じ、回転数Ｎに応じて各モータＡ、ＢのインピーダンスＺのバラツキの程度が変化することがわかる。

また、モータＡ、Ｂの誘起電圧定数Ｋ_ｅは、トルク定数Ｋ_ｔに比例した値になることが知られている。このため、誘起電圧定数Ｋ_ｅのバラツキは、トルク定数Ｋ_ｔのバラツキと考えることもできる。この場合、モータトルクＴ_ｍは、トルク定数をＫ_ｔ、モータＡ、Ｂに流れる相電流をＩ_ｍとすると、次式（６）で表わされる。
（６）
Ｔ_ｍ＝Ｋ_ｔ×Ｉ_ｍ
このため、モータトルクＴｍも、誘起電圧定数Ｋｅのバラツキに応じてバラツキが生じていると考えられる。

ここで、各モータＡ、Ｂに対してショートブレーキを作動させた場合について考える。モータＡ、Ｂに流れるブレーキ電流Ｉ_ｄｂｋは、誘起電圧をＶ_ｅｍｆ、インピーダンスをＺとすると、次式（７）で表わされる。
（７）
Ｉ_ｄｂｋ＝Ｖ_ｅｍｆ／Ｚ
ブレーキ電流Ｉ_ｄｂｋは、上記のように求められるが、このブレーキ電流Ｉ_ｄｂｋがこのままブレーキトルクになるわけではない。

モータＡ、Ｂに作用する実際のブレーキトルクは、位相遅れを考慮すると、次式（８）で表わされるブレーキ電流Ｉ_{ｄｂｋ・ｒｅａｌ}によって生じる。
（８）
Ｉ_{ｄｂｋ・ｒｅａｌ}＝Ｉ_ｄｂｋ×ｃｏｓθ
このため、式（２）及び式（４）から明らかなように位相θはモータＡ、Ｂの回転数Ｎに応じて変化するため、回転数によってブレーキ電流とブレーキトルクとの関係が変化することがわかる。

以上の計算式から図４及び図５のグラフが得られる。図４は、モータＡ、ＢのインピーダンスＺのバラツキを示している。図４に示すように、モータＡ、Ｂのインピーダンスは、それぞれ回転数の低い約３００ｒｐｍまでは非線形に変化し、以降は回転数の増加に伴って線形に変化する。また上記したように、モータＡ、Ｂの電機子抵抗Ｒ、電機子インダクタンスＬのバラツキにより、各モータＡ、ＢのインピーダンスＺにズレが生じている。この場合、回転数の増加に伴ってモータＡ、ＢのインピーダンスＺの差異が大きくなっている。

図５は、モータＡ、Ｂのブレーキ電流Ｉ_ｄｂｋ及びブレーキトルク（Ｉ_{ｄｂｋ・ｒｅａｌ}）のバラツキを示している。図５に示すように、モータＡ、Ｂのブレーキ電流Ｉ_ｄｂｋは、約６００ｒｐｍまでは急激に増加し、以降は回転数の増加に伴って緩やかに増加して一定の電流値に近付けられる。また、モータＡ、ＢのインピーダンスＺにズレがあることから、ブレーキ電流Ｉ_ｄｂｋにもズレが生じている。また、モータＡ、Ｂにブレーキトルクを生じさせる実際のブレーキ電流Ｉ_{ｄｂｋ・ｒｅａｌ}は、約４００ｒｐｍ付近でピークとなり、以降は回転数の増加に伴って低下している。上記したように、モータＡ、Ｂのブレーキ電流Ｉ_ｄｂｋにズレがあることから、実際のブレーキ電流Ｉ_{ｄｂｋ・ｒｅａｌ}にもズレが生じている。

このとき、ブレーキトルクの最大値は、位相θ＝４５°のときであり、上記式（２）からＲ＝ωＬであることが分かる。このため、ブレーキトルクが最大となる回転数Ｎ_{ｄｂｋ・ｍａｘ}は、上記式（５）のωＬ＝πＮＰＬ／６０＝Ｒとして、次式（９）で表わされる。
（９）
Ｎ_{ｄｂｋ・ｍａｘ}＝６０×Ｒ／（πＰＬ）
各モータＡ、Ｂの回転数Ｎ_{ｄｂｋ・ｍａｘ}は、それぞれ３９０ｒｐｍ、４２５ｒｐｍとなり、ブレーキトルクが最大となる回転数にもズレが生じている。

以上の結果から、ショートブレーキを作動させた場合には、モータＡ、Ｂの誘起電圧に応じたブレーキ電流Ｉ_ｄｂｋが流れるが、ブレーキ電流Ｉ_ｄｂｋだけでブレーキトルクが定まるわけでなく、回転数Ｎに応じてブレーキ電流とブレーキトルクとの関係が変化することが判明した。特に、ブレーキ電流Ｉ_ｄｂｋが大きい高速域でブレーキトルクが強くなるわけではなく、Ｎ_{ｄｂｋ・ｍａｘ}においてブレーキトルクが最大になっている。

このように、本件出願人は、図５に基づいてモータＡ、Ｂに流れるブレーキ電流を所定の電流制限値に抑えることで、モータＡ、Ｂに対してブレーキトルクが強く働くことを発見した。また、本件出願人は、モータＡ、Ｂのインピーダンスやモータ特性のバラツキにより位置偏差に悪影響が及ぶことを発見した。すなわち、本発明の骨子は、モータＡ、Ｂに対して適切なブレーキ電流を流すことで、ブレーキ作動からモータ停止までに要する時間を短くすることである。さらに、モータＡ、Ｂのインピーダンスやモータ特性のバラツキを考慮して、ブレーキを作動させることで位置偏差を最小限に抑えることである。

以下、図６から図８を参照して、本実施の形態に係るモータ制御装置のブレーキ方式について詳細に説明する。図６は、一般的なショートブレーキ方式のブレーキ評価を示す図である。図７は、本実施の形態に係る第１のブレーキ方式のブレーキ評価を示す図である。図８は、本実施の形態に係る第２のブレーキ方式のブレーキ評価を示す図である。なお、図６から図８では、実線Ｗ１がモータＡのブレーキ電流、破線Ｗ２がモータＢのブレーキ電流、実線Ｗ３がモータＡの速度、破線Ｗ４がモータＢの速度、実線Ｗ５がモータＡ、Ｂの位置偏差をそれぞれ示している。なお、ここでも、同型式のモータＡ、Ｂを例示して説明する。

図６は、一般的なショートブレーキ方式のブレーキ評価であり、モータの最高回転時にブレーキを作動させ、停止するまでの減速の様子を測定したものである。ブレーキ作動直後にブレーキ電流が大きな値（モータＡで３７．８４Ａ、モータＢで３６．２０Ａ）になっている。このブレーキ電流の瞬間的な増加は正弦波数周期程度の時間で安定するが、モータに対してブレーキ電流が流れ過ぎ、モータの減速度も乱れ気味になるので好ましくない。安定後のブレーキ電流のピークは、モータＡが２１．２４Ａ、モータＢが２０．８４Ａとなっており、略一定の電流が流れている。

このとき、モータＡ、Ｂの速度の傾きを示す減速度が緩やかに変化しており、モータＡ、Ｂの電流値が約２１Ａと大きいにも関わらず、減速に要する時間が約１５２ｍｓと長くなっている。これは、図５に示すように、ブレーキ電流が所定値まではブレーキトルクも増加するが、ブレーキ電流が所定値を超えるとブレーキトルクが逆に減少し始めるからである。すなわち、高速域でブレーキトルクが弱いことを示している。このように、ブレーキ電流が大きくても、モータＡ、Ｂに対してはブレーキが強く作動するわけではない。また、モータＡ、Ｂが異なる減速度で減速しており、モータＡ、Ｂの位置偏差が大きくなっている。

図７は、第１のブレーキ方式のブレーキ評価であり、モータＡ、Ｂに流れるブレーキ電流の電流制限値を１２．０Ａに制限したものである。ここでは、モータＡ、Ｂに対してブレーキトルクが強く働くように、電流制限値が設定されている。第１のブレーキ方式においても、一般のショートブレーキと同様に、モータの最高回転時にブレーキを作動させ、停止するまでの減速の様子を測定している。この方式では、ブレーキ作動直後に各モータＡ、Ｂのブレーキ電流が大きな値になることもなく、ブレーキ電流が電流制限値である１２．０Ａに抑えられている。なお、電流制限の処理動作の詳細については後述する。

また、各モータＡ、Ｂの速度の傾きを示す減速度が直線に近付くと共に、その減速度の傾きが大きくなっている。このため、ブレーキ電流を制限しているにも関わらず、一般的なショートブレーキ方式と比較して素早く停止している。具体的には、モータＡ、Ｂの電流値が約１２．０Ａと小さいが、減速に要する時間が約８８ｍｓに大幅に短縮されている。これは、ブレーキトルクが強く働く電流値にブレーキ電流を抑えることで、高速域でブレーキ電流の位相が遅れすぎずに強いブレーキトルクを働かせることができるからである。また、モータＡ、Ｂの速度差が小さく、モータＡ、Ｂの位置偏差も小さくなっている。

図８は、第２のブレーキ方式のブレーキ評価であり、モータＡの電流制限値を１１．５Ａ、モータＢの電流制限値を１２．０Ａに制限したものである。ここでは、モータＡ、Ｂのインピーダンスや誘起電圧定数等のモータ自体の特性の違いやモータＡ、Ｂの負荷の違いを吸収できるように、個別の電流制限値が設定されている。第２のブレーキ方式においても、一般のショートブレーキ方式と同様に、モータの最高回転時にブレーキを作動させ、停止するまで減速の様子を測定している。この方式でも、ブレーキ作動直後に各モータＡ、Ｂのブレーキ電流が大きな値になることもなく、ブレーキ電流がそれぞれの電流制限値に抑えられている。

また、図７に示す第１のブレーキ方式と比較して、減速に要する時間は大きな差がないが、モータＡ、Ｂの減速度が略一致して、同一の速度で減速停止されている。このため、モータＡ、Ｂの位置偏差の最大値が小さくなっている。ここで、一般的なショートブレーキ方式、本実施の形態に係る第１、第２のブレーキ方式においてモータＡ、Ｂの位置偏差の最大値を比較すると、一般的なショートブレーキ方式が２６３００パルス、第１のブレーキ方式が７１７０パルス、第２のブレーキ方式が１４４０パルスとなっている。このように、第２のブレーキ方式では位置偏差を小さくできるため、モータＡ、Ｂが並列駆動するように機械的に連結される場合には、機械的なストレスや軸ねじれを最小に抑えることができる。

次に、図５を参照して、第１、第２のブレーキ方式の電流制限値の設定について説明する。モータＡ、Ｂが機械的に連結される場合、モータＡ、Ｂに対する負荷のアンバランスだけを考慮しても、適切にブレーキを作動させることができず、位置偏差を抑えることが難しい。例えば、高速域ではブレーキ電流が増加すると、ブレーキトルクが弱くなり、逆効果になるおそれがある。そこで、本実施の形態に係るブレーキ方式では、モータのインピーダンスの違い、モータ自体の特性の違い、負荷のアンバランスを考慮して、電流制限値を設定するようにしている。

まず、モータＡ、Ｂに対する共通の電流制限値の設定について説明する。図５に示すように、計算上最もブレーキトルクが大きい第１の電流制限値と、第１の電流制限値よりも１０％から２０％低い第２の電流制限値とが算出されている。第１、第２の電流制限値は、上記式（５）、式（７）、式（８）等から求めることが可能である。第１のブレーキ方式では、モータＡ、Ｂに流れる電流値が共通の第２の電流制限値、例えば、１２．０Ａに制限されている。これは、モータＡ、Ｂに流れる電流値が第１の電流制限値に制限されると、後述する第２のブレーキ方式の電流制限値として異なる値を設定する際に煩雑になるためである。

すなわち、第１の電流制限値は、ブレーキトルクの最大値付近に設定されため、電流制限値を大きくすればブレーキトルクが減るか、電流制限値を小さくすればブレーキトルクが減るかが判別し難い。そこで、本実施の形態では、第１、第２のブレーキ方式のどちらについても、第１の電流制限値よりも１０％から２０％低い第２の電流制限値に制限して、電流制限値の変更とブレーキトルクの増減との関係を明確にしている。これにより、第１のブレーキ方式から第２のブレーキ方式に変更する際に、電流制限値の補正が容易になっている。このように、共通の電流制限値を一致させることで、モータＡ、Ｂにほぼ均一なブレーキトルクを生じさせ、最大の電流制限値よりも電流制限値を低くすることで、モータＡ、Ｂのインピーダンスの違いを吸収している。

次に、モータＡ、Ｂに対する個別の電流制限値の設定について説明する。個別の電流制限値の設定は、第２のブレーキ方式で用いられている。個別の電流制限値の設定では、上記のモータＡ、Ｂのブレーキ電流を第２の電流制限値に制限した上で、第２の電流制限値を基準としてモータＡ、Ｂの電流制限値を補正（増減）する。ここでは、モータＡ、Ｂのブレーキ電流（ブレーキトルク）を実測し、各モータＡ、Ｂの電流制限値を固定値で補正するようにする。例えば、モータＡよりもモータＢのブレーキトルクが弱い場合には、モータＡの電流制限値を１１．５Ａ、モータＢの電流制限値を１２．０Ａに補正する。

なお、補正後の電流制限値は、第１の電流制限値よりも低ければよく、モータＡの電流制限値を１１．７５Ａ、モータＢの電流制限値を１２．２５Ａに補正してもよい。また、個別の電流制限値の設定では、モータＡ及びモータＢのいずれかの電流制限値だけを補正してもよいし、両方の電流制限値を補正してもよい。

このように、モータＡ、Ｂに流れる電流値が個別の電流制限値に制限されることで、誘起電圧定数等のモータ特性の違いを吸収している。しかしながら、この設定方法では、モータのインピーダンスの違いやモータ特性の違いを吸収できるが、負荷の動的な変化が考慮されていない。また、モータＡ、Ｂを実測する必要があり、補正値の決定が煩雑である。この場合、負荷の位置情報に基づいて電流制限値を補正する方法も考えられるが、高速域で適切な補正ができない。

そこで、個別の電流制限値の設定として、モータＡ、Ｂの現在位置の差分である位置偏差に応じて電流制限値を補正することも可能である。これにより、負荷の動的な変化に応じてモータＡ、Ｂの電流制限値を動的に変化させることができる。この位置偏差に応じた電流制限値の設定では、モータＡ、Ｂのブレーキ電流を第２の電流制限値に制限した上で、モータＡ、Ｂの位置偏差量が予め定めた閾値を超える場合に、位置偏差量に応じた補正係数を電流制限値に掛け合わせることで電流制限値を補正（増減）する。この位置偏差に応じた電流制限値の設定では、モータＡ及びモータＢのいずれかの電流制限値だけを補正してもよいし、両方の電流制限値を補正してもよい。

ところで、上記補正は、モータＡ、Ｂの回転数が４００ｒｐｍ以下の低速域では無効になる。このため、４００ｒｐｍ以下の低速域でブレーキ電流を制限して位置偏差を抑える場合には、図５に示すように第３の電流制限値を設定することも可能である。第３の電流制限値は、回転数（速度）の低下に伴って電流制限値が下がるように設定される。そして、４００ｒｐｍ以上の高速域では位置偏差に応じて第２の電流制限値を基準として電流制限値を補正（増減）し、４００ｒｐｍ以下の低速域では位置偏差に応じて第３の電流制限値を基準として電流制限値を補正（増減）するようにする。これにより、低速域でも位置偏差に応じて適切な電流制限値にブレーキ電流を制限できる。

なお、位置偏差に応じた電流制限値の設定においても、実際にはモータケーブルのインピーダンスやスイッチング素子の抵抗も加味する必要があるため、モータや配線の決定時に一度実測することが好ましい。

以上のように、電流制限値の設定は、モータＡ、Ｂに流れるブレーキ電流を、モータトルクが最大となる第１の電流制限値よりも低い第２の電流制限値に制限することでモータＡ、Ｂのインピーダンスの違いを吸収している。また、モータＡ、Ｂに対する電流制限値を個別に補正することで、モータＡ、Ｂのモータ特性の違いを吸収している。さらに、モータＡ、Ｂに対する電流制限値を位置偏差量に応じて個別に補正することで、位置偏差量を最小限に抑えている。

本実施の形態に係る実装ヘッド移動機構１は、第１のブレーキ方式を採用することで、一般的なショートブレーキ方式と比較して、モータ停止に要する時間を短くし、モータ４Ａ、４Ｂ間の位置偏差を小さくしている（図１参照）。さらに、実装ヘッド移動機構１は、第２のブレーキ方式を採用することで、モータ停止に要する時間を短くすると共に、第１のブレーキ方式よりもモータ４Ａ、４Ｂ間の位置偏差を小さくして、機械的なストレスや軸ねじれを防止している。なお、電流制限値の設定処理及び補正処理は、モータ制御回路１４が実施してもよいし、さらに上位の装置が実施してもよい。

ここで、図２及び図９を参照して、モータ制御装置における電流制限の処理動作について説明する。図９は、本実施の形態に係る電流制限の処理動作の一例を示すフローチャートである。ここでは、モータ４Ａの電流制限について説明するが、モータ４Ｂの電流制限も同様である。

図２及び図９に示すように、ダイナミックブレーキが作動されると、インバータブリッジ回路１３の上アーム又は下アームの３つのスイッチング素子がオンにされる（ステップＳ０１）。これにより、モータ４Ａの端子が短絡してブレーキ電流が発生する。モータ４Ａに流れるブレーキ電流は、電流センサ１９ｕ、１９ｗによって検出されて、モータ制御回路１４に出力される。モータ制御回路１４では、ブレーキ電流が電流制限値を超えたか否かが判定される（ステップＳ０２）。ブレーキ電流が電流制限値を超えていない場合には（ステップＳ０２でＮＯ）、ステップＳ０２からステップＳ０６に処理が移行する。

一方、ブレーキ電流が電流制限値を超える場合には（ステップＳ０２でＹＥＳ）、インバータブリッジ回路１３の６つ全てのスイッチング素子がオフにされ、ブレーキが一時的に停止される（ステップＳ０３）。一定時間が経過すると（ステップＳ０４）、再びインバータブリッジ回路１３の上アーム又は下アームの３つのスイッチング素子がオンにされてブレーキが作動される（ステップＳ０５）。なお、一定時間とは、数百μｓ程度であり、制御周期の最短周期でよい。次に、モータ制御回路１４において、ブレーキ電流が電流制限値と比較して十分に小さいか否かが判定される（ステップＳ０６）。例えば、電流制限値よりも十分に低い判定値とブレーキ電流とが比較される。

そして、ブレーキ電流が電流制限値よりも十分に低いと判定されると（ステップＳ０６でＹＥＳ）、ダイナミックブレーキが終了される。一方、ブレーキ電流が電流制限値よりも十分に低くないと判定されると（ステップＳ０６でＮＯ）、ブレーキ電流が十分に低くなるまでステップＳ０２からＳ０５までの処理が繰り返される。このように、本実施の形態に係るモータ制御装置では、上アーム又は下アームの３つのスイッチング素子のオンと全てのスイッチング素子の一時的なオフを繰り返すことで、ブレーキ電流のピークが電流制限値を超えないように制御している。

以上のように、本実施の形態に係るモータ制御装置によれば、ブレーキ電流が所定の電流制限値に制限されるため、モータに電流が流れ過ぎることがない。この場合、ブレーキトルクが強く作動する範囲に電流制限値を設定することで、高速域でのブレーキ電流の増加によりブレーキトルクが弱くなることがなく、ブレーキ作動からモータ停止までに要する時間を短くできる。また、モータが機械的に連結されて並列駆動される場合には、モータのインピーダンスの違い、モータ特性の違い、各モータに対する負荷の違いを吸収できるように個別の電流制限値を設定することで、位置偏差を最小限に抑えてモータ間の機械的なストレス等を抑制できる。

なお、本発明は上記実施の形態に限定されず、種々変更して実施することが可能である。上記実施の形態において、添付図面に図示されている大きさや形状等については、これに限定されず、本発明の効果を発揮する範囲内で適宜変更することが可能である。その他、本発明の目的の範囲を逸脱しない限りにおいて適宜変更して実施することが可能である。

例えば、本実施の形態において、各モータで個別の電流制限値を第２の電流制限値に設定した上で、モータ毎に第２の電流制限値を基準として電流制限値を個別に補正する構成としたが、この構成に限定されない。個別の電流制限値は、モータ毎に設定されれば設定方法は特に限定されない。

また、本実施の形態において、実測値や位置偏差に基づいて各モータで個別の電流制限値を補正する構成としたが、この構成に限定されない。各モータで個別の電流制限値は、モータ特性を吸収可能であれば、どのように補正されてもよい。

以上説明したように、本発明は、モータに対して適切にブレーキを作動させて、ブレーキ作動からモータ停止までに要する時間を短くできるという効果を有し、特に、機械的に連結された二軸が並列駆動する各モータ制御装置に有用である。

１ 実装ヘッド移動機構
３ 実装ヘッド（負荷）
４Ａ、４Ｂ モータ
５ Ｙ軸ステージ
６ Ｘ軸ステージ（負荷）
１１ 主電源（電源）
１３ インバータブリッジ回路
１４ モータ制御回路
１８ｕ−１８ｗ ハーフブリッジ回路
１９ｕ、１９ｗ 電流センサ
２１ エンコーダ
Ｔ１−Ｔ６ スイッチング素子
Ｄ１−Ｄ６ 還流ダイオード

Claims (10)

1. 三相のスイッチング素子のそれぞれを有する上アーム及び下アームで構成され、当該スイッチング素子のオンオフ動作によって電源側から供給された直流を交流に変換して、モータに出力するインバータブリッジ回路と、
   各相のスイッチング素子のオンオフ動作を制御して、前記モータを駆動させるモータ制御回路とを備え、
   前記モータ制御回路は、前記上アーム及び前記下アームのいずれか一方の各相のスイッチング素子を全てオンにして、前記モータの各相の端子間を短絡させてブレーキ電流を発生させ、前記スイッチング素子のオンオフ動作の制御によって前記モータに流れるブレーキ電流を所定の電流制限値に制限することを特徴とするモータ制御装置。
2. 前記モータ制御回路は、複数のモータを駆動させており、前記複数のモータに流れるブレーキ電流を所定の電流制限値に制限することを特徴とする請求項１に記載のモータ制御装置。
3. 前記複数のモータは、並列駆動するように機械的に連結されており、
   前記モータ制御回路は、前記複数のモータに流れるブレーキ電流を、前記複数のモータで共通の電流制限値に制限することを特徴とする請求項２に記載のモータ制御装置。
4. 前記モータ制御回路は、前記複数のモータで共通の電流制限値を、ブレーキトルクが最大となる第１の電流制限値よりも低い第２の電流制限値に設定することを特徴とする請求項３に記載のモータ制御装置。
5. 前記複数のモータは、並列駆動するように機械的に連結されており、
   前記モータ制御回路は、前記複数のモータに流れるブレーキ電流を、前記複数のモータで個別の電流制限値に制限することを特徴とする請求項２に記載のモータ制御装置。
6. 前記モータ制御回路は、前記複数のモータで個別の電流制限値をブレーキトルクが最大となる第１の電流制限値よりも低い第２の電流制限値に設定した上で、モータ毎に前記個別の電流制限値を補正することを特徴とする請求項５に記載のモータ制御装置。
7. 前記モータ制御回路は、前記複数のモータの位置偏差に基づいて前記個別の電流制限値を補正することを特徴とする請求項６に記載のモータ制御装置。
8. 前記モータ制御回路は、前記複数のモータに流れるブレーキ電流の実測値に基づいて前記個別の電流制限値を補正することを特徴とする請求項６に記載のモータ制御装置。
9. 前記モータに流れるブレーキ電流を検出する電流センサを備え、
   前記モータ制御回路は、前記モータに流れるブレーキ電流が電流制限値を超える場合に、前記上アーム及び前記下アームの全てのスイッチング素子を一時的にオフにすることで、前記モータに流れるブレーキ電流を所定の電流制限値に制限することを特徴とする請求項１から請求項８のいずれかに記載のモータ制御装置。
10. 三相のスイッチング素子のそれぞれを有する上アーム及び下アームで構成され、当該スイッチング素子のオンオフ動作によって電源側から供給された直流を交流に変換して、モータに出力するインバータブリッジ回路と、
    各相のスイッチング素子のオンオフ動作を制御して、前記モータを駆動させるモータ制御回路とを備えたモータ制御装置の制御方法であって、
    前記モータ制御回路が、前記上アーム及び前記下アームのいずれか一方の各相のスイッチング素子を全てオンにして、前記モータの各相の端子間を短絡させてブレーキ電流を発生させ、前記スイッチング素子のオンオフ動作の制御によって前記モータに流れるブレーキ電流を所定の電流制限値に制限することを特徴とするモータ制御装置の制御方法。

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