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非常停止スイッチによるモーターの停止方法 / TC2021 Symposium Oriental Motor

非常停止スイッチによるモーターの停止方法 / TC2021 Symposium Oriental Motor

つくばチャレンジ2021シンポジウム - connpass
https://tsukubachallenge.connpass.com/event/234618/

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  1. 1
    Ver.01.02
    ©2022 ORIENTALMOTOR CO.,LTD.
    TB-67419
    つくばチャレンジ2021シンポジウム
    ブラシレスモーターの停止方法
    ~移動ロボットを止めるには~
    2022年1月8日
    オリエンタルモーター株式会社
    制御開発部 引頭 一樹

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  2. 2
    Ver.01.02
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    発表の流れ・概要
    [第一部:理論編]
    ブラシレスモーターを用いた移動ロボットにおける,停止時の動作について
    • 急停止させたら,ドライバが破損した,理由は?
    • 具体的な停止方法・破損対策の紹介
    [第二部:アプリケーション編]
    最新のブラシレスモータードライバを用いた際の,停止の実現方法
    • 制御による減速,停止方法
    • 坂道での停止→手押しによる移動→自律運転復帰 の事例紹介
    ブラシレスモーターついて情報提供することで,
    つくばチャレンジに貢献する
    ※本資料では,つくばチャレンジにおける停止について扱う

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    Ver.01.02
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    はじめに:ロボットを止める,とは?
    移動しているロボット 停止しているロボット
    速度v
    質量
    m
    速度v =ゼロ
    𝐸
    ロボ
    =
    1
    2
    𝑚𝑣2 𝐸
    ロボ
    = 0
    質量
    m
    動いているロボットを止める → 蓄えられた運動エネルギーをゼロにする
    つくばチャレンジのロボット(速度1m/s,質量十数kg程度)で適切な方法は?
    → 駆動に使うモーターをうまく活用する
    [主な要求]
    • 停止スイッチ押下により,走行を停止すること : 安全の確保
    • ドライバが破損しないこと : 実験を継続するために重要

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    はじめに:ブラシレスモーターのおさらい
    モーター : 電気エネルギーを,機械エネルギーに変換するもの
    電磁石(ステーター巻線)と永久磁石(ローター)の吸引,反発により,トルク(シャフトを回そうとする力)を発生する
    ブラシレスモーターを回すためには,ドライバが必要(3相インバータ)
    スイッチング素子(FET等)のON/OFFの制御は,ドライバ内蔵のマイコンで行う ← ソフトウェアで動作を変えられる
    モーターの内部構造
    電源
    3相インバータ
    ドライバの内部回路とモーターとの接続
    マイコン
    +
    ゲート
    駆動

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    はじめに:モーターと発電機は同じもの
    モーターと発電機は,構造が同一である(違うのは入力と出力の対応関係)
    モーターが減速トルクを発生すると,電力が電源に返ってくる(回生と呼ぶ)
    電源
    ドライバ
    電源
    ドライバ
    モーター力行運転時 モーター減速(回生運転)時
    慣性体に蓄えられた運動エネルギーが
    電気の形で逆流するのが厄介
    電気エネルギー 運動エネルギー 運動エネルギー
    電気エネルギー

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    モーターに潜むエネルギー : 運動エネルギーだけではない
    モーターの巻線はインダクタンスを持つ
    モーターの巻線には,トルクを発生させるために電流を流す.
    →磁気エネルギーが蓄えられる
    →電流を遮断すると高電圧が発生する(サージ電圧)
    ドライバを破損させずにモーターを止めるには
    →エネルギー源(運動エネルギー・磁気エネルギー)から発生する電力を,吸収する,逃がすことが重要
    𝑅𝑚
    𝐿𝑚
    𝑖 電流を遮断すると,コイル両端に高
    電圧が発生する
    →電子部品の耐圧を超えると,部品
    が破壊される

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  7. 7
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    なぜドライバが壊れることがあるのか?
    ドライバは電子部品で構成される
    電子部品は,耐えられる電流,電圧,温度が決まっている
    (絶対最大定格という)
    →絶対最大定格を超えると,部品が壊れる
    急停止や電源遮断を行うと,
    絶対最大定格を超えるような
    電圧,電流が発生する場合がある.
    なぜ発生するのか?
    発生源はどこか?
    引用元:東芝デバイス&ストレージ社webサイト
    https://toshiba.semicon-storage.com/jp/semiconductor/product/mosfets/12v-300v-
    mosfets/detail.2SK2232.html
    このFETの場合
    ドレインソース間に60Vを超える
    電圧を加えると,
    破損する可能性あり

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    停止方式の一覧
    番号 方法 停止する主要因
    停止までの
    時間
    停止時の
    保持力
    ドライバ破損リスク
    #1
    モーター – ドライバ間を切断
    • 外付けリレー
    • インバータFET全OFF
    ギヤヘッドの粘性摩擦,
    路面との摩擦
    ✕ ✕ 少ない
    #2
    モーター線を短絡
    • 外付けリレー
    • インバータFET片側全
    ON
    モーターが発生する
    ダイナミックブレーキトルク
    △ △ 少ない
    #3 ドライバの主電源断
    ギヤヘッドの粘性摩擦,
    路面との摩擦
    ✕ ✕
    あり
    電源ラインへのコンデンサ接続
    逆並列ダイオードの外付けにより,
    リスク低減が可能
    #4 ドライバの制御による
    減速停止
    モーターが発生する
    減速トルク

    規定された
    時間で停止

    (位置サーボ)
    少ない
    ただし,回生吸収能力が不足する
    場合は過電圧が発生

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    #1 モーター線の開放による減速:フリーラン停止
    電源
    ドライバ
    リレーコイル
    停止スイッチ
    手段
    ドライバとモーターの接続を,リレー,または,インバータFET全OFFにより切断する
    モーターへのエネルギー供給がなくなり,モーターはトルクを発生しなくなる.
    路面との摩擦や,ギヤヘッドのグリスの粘性摩擦等により,エネルギーが消費され,ロボット停止
    メリット ドライバの破損リスクが少ない : モーターとドライバが物理的に切断されるため
    デメリット
    停止までの距離が長くなる : モーターは減速トルクを発生できないため
    保持力は無い.← 坂道では停止後,動いてしまう
    部品が増える:リレーの外付けが必要となる.
    リレー接点
    リレーで電流経路を切断する
    または,FET全OFF

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    #2 ダイナミックブレーキ(短絡ブレーキ)とは
    モーターが発生する電力を,モーター巻線や,外付け抵抗で消費させることでブレーキ力を得る
    e.g. モーター線3本を短絡した状態で,シャフトを手で回すと,回転が重たくなることを実感できる → ブレーキ力が発生
    短絡するための手法は2つ
    1) リレーで巻線をドライバから切り離し,かつ,巻線を短絡する回路を組む
    2) モータードライバの片アームFETを全ONする
    モーター巻線の
    等価回路(1相分)
    𝑅𝑚
    𝑖
    𝐿𝑚
    𝑑𝑖
    𝑑𝑡
    𝐾𝑒
    𝜔
    𝑖
    モーターが回っていると,
    誘起電圧が発生する
    モーター線を短絡すると,
    電流経路ができる.
    電流がブレーキのトルクを
    生み出す

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    #2-1 ダイナミックブレーキによる減速:リレー短絡式
    電源
    ドライバ
    リレーコイル
    停止
    スイッチ
    ブレーキ抵抗器
    手段
    リレーを用い,モーター巻線をドライバから切り離し,ブレーキ抵抗に電流を流す
    モーター巻線とブレーキ抵抗に短絡電流が流れブレーキ力が発生する
    メリット
    ドライバ破損のリスクが少ない :ドライバのFETに電流が流れないため
    ブレーキ抵抗の値で,ブレーキトルクを調整できる
    弱いが,保持力がある
    デメリット
    部品が増える : 外付けのリレー,および,ブレーキ抵抗が必要になる.
    リレーの接点容量の選定を誤ると,リレー接点が溶着し,破損する
    C接点 3回路入りリレーの外観例
    通常運転時のモーター線電流に対し,
    余裕のある接点容量のものを選定する

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    #2-2 ダイナミックブレーキによる減速:下アームFET全ON
    電源
    ドライバ
    手段
    ドライバの下アームFETをすべてONにする
    モーター巻線が,FET経由で短絡され,ブレーキ力が発生する
    メリット
    外付け部品が無いため,コンパクトである
    弱いが,保持力がある
    デメリット
    短絡時に流れる電流が非常に大きくなる(巻線抵抗値が小さい,かつ,制限抵抗が無いため)
    →ドライバのFETに大電流のストレスが加わる → 定格を超えるとFETが破損
    →電流定格が大きいFETに変更することで対策は可能(ただし,FETの値段が上がる)
    ブレーキトルクの調整は困難
    出力が大きいモーターほど,短絡電流
    は大きくなる.
    この方法で止められるのは数十W程
    度の小型モーターが限界である
    下アームのFETを全ON

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    #3 停止方法 : ドライバ駆動電源を遮断する
    逆並列ダイオードを挿入し,
    電源に返す手段もあり
    電源
    ドライバ
    𝑈𝐿
    =
    1
    2
    𝐿𝐼2
    コンデンサ
    両端電圧
    V+⊿V
    1
    2
    𝐶𝑉2 + 𝑈L
    =
    1
    2
    𝐶(𝑉 + ∆𝑉)2
    初期状態
    の静電E
    巻線から
    のエネルギ
    ⊿Vの増加で
    エネルギを受け止める
    手段 電源スイッチをOFFすることで,ドライバへの電力供給を止める
    メリット 外付け部品が無いため,コンパクトである
    デメリット
    ドライバの状態が不定のため,停止までの時間を規定できない
    モーター巻線の電流がゼロになり,巻線に蓄えられた磁気エネルギ起因の高電圧が発生する
    → 外付けの電解コンデンサ(目安1000μF,50V),逆並列ダイオードにより対策が可能
    保持力はない
    電源SW
    このコンデンサが重要
    開放された磁気エネルギを
    静電エネルギで吸収

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    #4 停止方法 : 制御された減速運転
    時間
    速度
    時間
    モーター
    トルク
    時間
    ドライバ入力電力=
    トルク×速度
    負の電力
    =回生電力
    運動エネルギーが電力になって
    逆流する
    吸収させる
    手段
    モーターの回転速度を徐々に低下させ,ロボットを止める
    モーターが運動エネルギーを電気エネルギーに変換する(発電機)
    メリット
    外付け部品が無いため,コンパクトである
    減速度を,制御でコントロールできる ← 重心が高く転倒しやすいロボットだと特にメリットあり
    デメリット
    減速のための,専用ソフトウェアが必要
    モーターから発生する回生電力が,ドライバを破損する場合あり

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    #4 対策:減速度を抑える
    急停止の場合
    回生
    エネルギー
    主回路
    電圧
    電圧が
    急上昇する
    時間
    速度
    電圧の上昇が
    抑えられる
    時間
    減速停止の場合
    減速度を抑えると,単位時間あたりに発生する回生エネルギーを小さくすることができる
    →主回路電圧の上昇を低く抑えることができる
    →破損リスクを低減できる
    ※回生の対策は#3を参照

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    第二部:アプリケーション編
    ロボット向けに開発されたモータードライバ(BLVシリーズRタイプ)を活用することでこれらをサポート
    つくばチャレンジにおける,モータードライバへの要求
    • 停止スイッチの押下により,モーターを停止できること
    • 停止後,自律運転へ復帰ができること
    • 停止後,シャフトの保持/フリーを切り替えられること : 坂道対策 / 手押しによるロボットの退避
    • これらを少ない工数で実現できること
    画像は電磁ブレーキなしのタイプ
    電磁ブレーキ付きもあり

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    ロボット向けモータードライバの技術動向
    • エンコーダの高分解能化
    • 低回転速度でもなめらかに回転
    • シリアル通信に対応(RS485 / CAN)
    • 制御PC-ドライバ間で情報のやりとりが可能(位置,速度,内部ステータス等)
    • 省配線化
    • モーター停止のための機能を装備
    • 外部信号による減速停止運転
    • 外部信号によるモーターフリー
    • モーターの電磁ブレーキの自動制御
    • 余裕のある出力(100W/200W)

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    アクティブ
    モーター停止のためのドライバ機能 : 減速停止/シャフトフリー
    ドライバはロジック入力を4点備える
    ロジック入力に停止機能を割り当て,停止スイッチを接続する
    停止スイッチがアクティブになると,ドライバはモーターを減速させる
    フリー機能を割り当て,フリースイッチを接続することで,
    任意のタイミングでモーターをフリーにできる
    [ポイント]
    • 減速停止の動作は,ドライバで完結する.
    →もし,制御PCがハングアップしても停止可能
    • 制御優先度 :
    停止入力 > 制御PCからの速度指令
    →停止スイッチONにより,確実に,停止動作に移行
    • ロボットに応じた減速レートを,事前に設定可能
    e.g. 重心が高いロボットは,減速が急すぎると
    転倒してしまい,逆に危険
    モーター
    速度
    減速レートは
    事前に設定
    制御PCからの
    速度指令値に追従
    制御の
    主導権
    自律運転中
    制御PC ドライバの停止機能
    停止
    スイッチ
    時間
    OFF
    IOコネクタ
    停止スイッチ
    フリースイッチ

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    アプリケーション例 : 坂道上での停止 → 手押し移動 → 運転復帰
    手押しで移動
    =モーターフリー
    自律運転再開
    ぶつかりそう!
    停止スイッチ押下
    自律運転中
    停止後,位置を保持
    =電磁ブレーキをロック
    想定するケース:
    1)坂道上で停止 → 停止後に保持力が必要
    2)オペレータが手押しでロボットを移動 → モーターフリーが必要
    3)自律運転を再開 → ドライバの動作ステータス取得が必要

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    制御PC
    モーター
    ドライバ
    アプリケーション例: ブロック図
    電磁ブレーキ付き
    モーター
    電源
    指令(位置,速度,加減速レートetc…)
    状態取得(動作ステータス,位置,速度etc…)
    停止入力(B接点)
    (QSTOP)
    フリー入力(A接点)
    (FREE)
    停止スイッチ
    フリースイッチ
    RS485 or CAN通信

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  21. 21
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    ロボットの状態
    モーター速度
    停止入力
    電磁ブレーキ
    フリー入力
    自律運転 自律運転中断 自律運転
    運転準備完了出力
    (内部ステータス)
    停止
    ドライバ機能に
    よる減速運転
    停止後,ブレーキにより位置を保持
    保持 保持
    開放 開放 開放
    フリー入力により,ブレーキ開放
    →手押しで動かせる
    オペレータによる
    停止指示
    停止入力&フリー入力が
    非アクティブになったら復帰
    アプリケーション例: 坂道上での停止 → 手押し移動 → 運転復帰
    オペレータによる
    フリー指示

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    停止のための安全対策:フェイルセーフ設計
    ケーブルの断線を想定した場合
    : 停止入力はB接点にする
    → 停止スイッチのケーブル断線時は,停止入力:有効 となり,ロボットは停止する
    停止入力(B接点)
    停止スイッチ ケーブル断線
    ドライバ
    制御PCのハングアップまたは通信ケーブルの断線を想定した場合 :
    通信タイムアウト処理を有効にする
    → 制御PCからの通信指令が一定時間途絶したら,ドライバはモーターを停止する
    もし,停止入力がA接点だと,
    ケーブル断線時に,ロボットを停止できなくなる
    → 危険!
    BLV-Rドライバは両機能ともに搭載しています
    制御PC 速度指令
    シリアルI/F
    ドライバ
    ハングアップ 通信ケーブル断線
    もし,速度指令を送った後に通信が途絶すると,
    最後に送った指令速度でモーターが回り続ける
    → 危険!

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    まとめ
    [第一部:理論編]
    ブラシレスモーターを用いたロボットの停止方法について紹介した.
    停止時に発生する回生・インダクタンス起因のエネルギーの処理方法が重要
    [第二部:アプリケーション編]
    最新のブラシレスモータードライバを用いた,停止の実現方法の紹介を行った
    • 制御による減速,停止方法
    • 坂道での停止→手押しによる移動→自律運転復帰

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  24. 24
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