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特開2021-72691電動アクチュエータおよびモータ駆動制御方法
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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】特開2021-72691(P2021-72691A)
(43)【公開日】2021年5月6日
(54)【発明の名称】電動アクチュエータおよびモータ駆動制御方法
(51)【国際特許分類】
   H02P 6/24 20060101AFI20210409BHJP
   H02P 6/28 20160101ALI20210409BHJP
   H02P 3/24 20060101ALI20210409BHJP
【FI】
   H02P6/24
   H02P6/28
   H02P3/24 C
【審査請求】未請求
【請求項の数】8
【出願形態】OL
【全頁数】22
(21)【出願番号】特願2019-197303(P2019-197303)
(22)【出願日】2019年10月30日
(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】100098394
【弁理士】
【氏名又は名称】山川 茂樹
(74)【代理人】
【識別番号】100064621
【弁理士】
【氏名又は名称】山川 政樹
(72)【発明者】
【氏名】成田 浩昭
【テーマコード(参考)】
5H530
5H560
【Fターム(参考)】
5H530AA05
5H530AA07
5H530BB36
5H530CC10
5H530CD13
5H530CD23
5H530CE12
5H560BB04
5H560BB07
5H560BB12
5H560DA02
5H560DA07
5H560HB04
5H560TT11
5H560TT15
5H560XA12
(57)【要約】
【課題】電動アクチュエータでDCモータを用いた場合でも、出力機構を目標位置に安定して保持制御する。
【解決手段】保持制御部17Bが、出力軸14の回動角度θptと目標角度θspとの偏差が解消された場合、出力軸14の回動角度θptを保持するための保持ブレーキ電流を、駆動回路12からDCモータ11の各巻線U,V,Wへ供給する。
【選択図】 図1
【特許請求の範囲】
【請求項1】
複数の巻線を有する直流モータと、
前記複数の巻線に対して選択的に電流を供給する駆動回路と、
前記直流モータの回転に応じて機械的に変位する出力機構と、
前記出力機構の機械的変位を検出するセンサと、
前記駆動回路から前記複数の巻線に対して供給する電流を制御する制御回路とを備え、
前記制御回路は、
前記センサにより検出された前記出力機構の機械的変位と前記機械的変位の目標値との偏差が解消されるよう、前記駆動回路から前記複数の巻線に対して供給されて前記直流モータを回転させる駆動電流を制御する第1の制御部と、
前記偏差が解消されている時に、前記駆動回路から前記複数の巻線に対して供給されて前記出力機構の機械的変位を保持するための保持ブレーキ電流を制御する第2の制御部と
を備える電動アクチュエータ。
【請求項2】
請求項1に記載の電動アクチュエータにおいて、
前記第2の制御部は、
前記出力機構の機械的変位と前記出力機構に生じる負荷トルクとの対応関係に基づいて前記偏差が解消された時点における前記機械的変位と対応する負荷トルクを特定し、前記負荷トルクに基づいて前記駆動回路から供給する前記保持ブレーキ電流の大きさを計算する
ことを特徴とする電動アクチュエータ。
【請求項3】
請求項2に記載の電動アクチュエータにおいて、
前記出力機構の機械的変位と前記出力機構に生じる負荷トルクとの対応関係を記憶する記憶回路をさらに備え、
前記第2の制御部は、
前記記憶回路に記憶された前記対応関係を参照して、前記負荷トルクを特定する
ことを特徴とする電動アクチュエータ。
【請求項4】
請求項2に記載の電動アクチュエータにおいて、
前記出力機構の機械的変位と前記出力機構に生じる負荷トルクとの対応関係を記憶する記憶回路とネットワークを介して通信する通信回路をさらに備え、
前記第2の制御部は、
前記通信回路を介して前記記憶回路に記憶された前記対応関係を参照して、前記負荷トルクを特定する
ことを特徴とする電動アクチュエータ。
【請求項5】
請求項1に記載の電動アクチュエータにおいて、
前記第2の制御部は、
前記偏差が解消された時点における前記駆動電流の大きさに所定のマージンを与えることにより、前記駆動回路から供給させる前記保持ブレーキ電流の大きさを計算する
ことを特徴とする電動アクチュエータ。
【請求項6】
請求項5に記載の電動アクチュエータにおいて、
前記出力機構の機械的変位と前記マージンの大きさとの対応関係を記憶する記憶回路をさらに備え、
前記第2の制御部は、
前記記憶回路に記憶された前記対応関係を参照して、前記マージンの大きさを特定する
ことを特徴とする電動アクチュエータ。
【請求項7】
請求項5に記載の電動アクチュエータにおいて、
前記出力機構の機械的変位と前記マージンの大きさとの対応関係を記憶する記憶回路とネットワークを介して通信する通信回路をさらに備え、
前記第2の制御部は、
前記通信回路を介して前記記憶回路に記憶された前記対応関係を参照して、前記マージンの大きさを特定する
ことを特徴とする電動アクチュエータ。
【請求項8】
複数の巻線を有する直流モータと、
前記複数の巻線に対して選択的に電流を供給する駆動回路と、
前記直流モータの回転に応じて機械的に変位する出力機構と、
前記出力機構の機械的変位を検出するセンサと、
前記駆動回路から前記複数の巻線に供給する電流を制御する制御回路と
を備える電動アクチュエータで用いられる、モータ駆動制御方法であって、
前記制御回路が、前記センサにより検出された前記出力機構の機械的変位と前記機械的変位の目標値との偏差が解消されるよう、前記駆動回路から前記複数の巻線に対して供給されて前記直流モータを回転させる駆動電流を制御する第1の制御ステップと、
前記制御回路が、前記偏差が解消されている時に、前記駆動回路から前記複数の巻線に対して供給されて前記出力機構の機械的変位を保持するための保持ブレーキ電流を制御する第2の制御ステップと
を備えることを特徴とするモータ駆動制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、電動アクチュエータに関し、特に、直流モータを駆動して出力機構を目標位置に変位させて保持するためのモータ駆動制御技術に関する。
【背景技術】
【0002】
電動アクチュエータは、駆動装置となるモータの回転に応じて、出力機構を機械的に変位させる装置であり、様々な分野で利用されている。例えば、特許文献1には、ボール弁等のロータリ式の調節弁の弁軸を操作する電動アクチュエータが開示されている。この電動アクチュエータは、モータの回転を、ギヤその他の動力伝達機構を介して出力機構すなわち出力軸に伝達し、出力軸に連結された調節弁の弁体を回動させる。この際、電動アクチュエータは、出力軸の回動方向における機械的変位すなわち回動角を、可変抵抗器からなるポテンショメータなどのセンサによって検出し、その検出結果に基づいて出力軸の操作量を決定している。
【0003】
また、特許文献2には、配管を流れる冷温水の流量を制御する流量制御弁の弁体を操作する電動アクチュエータが開示されている。この電動アクチュエータでは、弁体の実際の弁開度を検出し、得られた弁開度に基づいて弁体を回動制御することにより、流量制御を行うものとなっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特開2011−74935号公報
【特許文献2】特開2015−194166号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
電動アクチュエータでは、モータを用いた駆動制御として2つの制御を実行している。これら2つの制御のうちの一方は、出力機構を目標位置まで変位させるための変位制御である。例えば、流量制御弁の場合、弁体を現在の開度から目標開度まで変位させる制御が必要となる。また他方は、出力機構を目標位置に保持するための保持制御である。例えば、流量制御弁の場合、弁体に対して流体からの負荷トルクが発生するため、弁体を目標位置に保持するための制御が必要となる。
【0006】
このような変位制御および保持制御では、目標値と測定値との偏差に基づき駆動出力を制御するPID制御(Proportional-Integral-Differential Controller)などのフィードバック制御が用いられており、ソフトウェア構成の簡素化などの観点から、変位制御および保持制御で同一の制御則で実現する場合もある。
具体的には、実際に検出した出力機構の変位位置と目標位置との偏差を求め、偏差が一定の許容範囲より大きければモータを駆動して出力機構を目標位置まで回動させ、偏差が許容範囲内であればモータの駆動を停止する、という制御が行われる。
【0007】
しかしながら、従来の電動アクチュエータにおける駆動制御によれば、出力機構の変位を制御できる駆動制御精度に起因して、保持制御が不安定になる場合があるという問題点があった。
【0008】
一般に、サーボモータやステッピングモータは、印可したパルス信号に応じた角度だけ回動する。このため、これらモータを電動アクチュエータで用いた場合、極めて高い精度で駆動制御することができ、保持制御が不安定になることはないが、構成が複雑であるため高価である。
一方、ブラシレス直流モータは、サーボモータやステッピングモータと比較して安価であり、効率もよく駆動制御も容易であるため、電動アクチュエータをはじめ多くの機器で広く利用されている。
【0009】
ブラシレス直流モータは、トランジスタなどのスイッチング素子で、各コイルに印可する直流電流を切替制御することにより、永久磁石を用いたロータを回動させる。したがって、高い精度で駆動制御するためには、ホールセンサなどの磁気センサでロータの回動角度を精度よく検出して、直流電流の切替制御にフィードバックさせる必要がある。例えば、3相ブラシレス直流モータでは、3つのホールセンサを120゜間隔で配置して、60゜ごとの制御角度間隔でロータの回転角を検出して直流電流を切替制御している。
【0010】
このように、ブラシレス直流モータは、例えば60゜というように、制御角度間隔、すなわち駆動制御精度が低いという傾向があり、ロータの極数ステータの相数やスロット数を増やしても、サーボモータやステッピングモータなどの駆動制御精度には及ばない。このため、フィードバック制御におけるI(積分)成分の累積要素に起因して、出力機構が小刻みにガタガタと振動する現象が発生し、結果として保持制御が不安定となる。また、このような現象は、ブラシレス直流モータだけでなくブラシ付き直流モータでも同様であり、複数の巻線に対して印可する直流電流を切替制御するような、いわゆる直流モータで共通して発生する。
【0011】
本発明はこのような課題を解決するためのものであり、電動アクチュエータで直流モータを用いた場合でも、出力機構を目標位置に安定して保持制御できるモータ駆動制御技術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】
【0012】
このような目的を達成するために、本発明にかかる電動アクチュエータは、複数の巻線を有する直流モータと、前記複数の巻線に対して選択的に電流を供給する駆動回路と、前記直流モータの回転に応じて機械的に変位する出力機構と、前記出力機構の機械的変位を検出するセンサと、前記駆動回路から前記複数の巻線に対して供給する電流を制御する制御回路とを備え、前記制御回路は、前記センサにより検出された前記出力機構の機械的変位と前記機械的変位の目標値との偏差が解消されるよう、前記駆動回路から前記複数の巻線に対して供給されて前記直流モータを回転させる駆動電流を制御する第1の制御部と、前記偏差が解消されている時に、前記駆動回路から前記複数の巻線に対して供給されて前記出力機構の機械的変位を保持するための保持ブレーキ電流を制御する第2の制御部とを備えている。
【0013】
本発明にかかる上記電動アクチュエータの一構成例は、前記第2の制御部が、前記出力機構の機械的変位と前記出力機構に生じる負荷トルクとの対応関係に基づいて前記偏差が解消された時点における前記機械的変位と対応する負荷トルクを特定し、前記負荷トルクに基づいて前記駆動回路から供給する前記保持ブレーキ電流の大きさを計算するようにしたものである。
【0014】
本発明にかかる上記電動アクチュエータの一構成例は、前記出力機構の機械的変位と前記出力機構に生じる負荷トルクとの対応関係を記憶する記憶回路をさらに備え、前記第2の制御部は、前記記憶回路に記憶された前記対応関係を参照して、前記負荷トルクを特定するようにしたものである。
【0015】
本発明にかかる上記電動アクチュエータの一構成例は、前記出力機構の機械的変位と前記出力機構に生じる負荷トルクとの対応関係を記憶する記憶回路とネットワークを介して通信する通信回路をさらに備え、前記第2の制御部は、前記通信回路を介して前記記憶回路に記憶された前記対応関係を参照して、前記負荷トルクを特定するようにしたものである。
【0016】
本発明にかかる上記電動アクチュエータの一構成例は、前記第2の制御部が、前記偏差が解消された時点における前記駆動電流の大きさに所定のマージンを与えることにより、前記駆動回路から供給させる前記保持ブレーキ電流の大きさを計算するようにしたものである。
【0017】
本発明にかかる上記電動アクチュエータの一構成例は、前記出力機構の機械的変位と前記マージンの大きさとの対応関係を記憶する記憶回路をさらに備え、前記第2の制御部は、前記記憶回路に記憶された前記対応関係を参照して、前記マージンの大きさを特定するようにしたものである。
【0018】
本発明にかかる上記電動アクチュエータの一構成例は、前記出力機構の機械的変位と前記マージンの大きさとの対応関係を記憶する記憶回路とネットワークを介して通信する通信回路をさらに備え、前記第2の制御部は、前記通信回路を介して前記記憶回路に記憶された前記対応関係を参照して、前記マージンの大きさを特定するようにしたものである。
【0019】
また、本発明にかかるモータ駆動制御方法は、複数の巻線を有する直流モータと、前記複数の巻線に対して選択的に電流を供給する駆動回路と、前記直流モータの回転に応じて機械的に変位する出力機構と、前記出力機構の機械的変位を検出するセンサと、前記駆動回路から前記複数の巻線に供給する電流を制御する制御回路とを備える電動アクチュエータで用いられる、モータ駆動制御方法であって、前記制御回路が、前記センサにより検出された前記出力機構の機械的変位と前記機械的変位の目標値との偏差が解消されるよう、前記駆動回路から前記複数の巻線に対して供給されて前記直流モータを回転させる駆動電流を制御する第1の制御ステップと、前記制御回路が、前記偏差が解消されている時に、前記駆動回路から前記複数の巻線に対して供給されて前記出力機構の機械的変位を保持するための保持ブレーキ電流を制御する第2の制御ステップとを備えている。
【発明の効果】
【0020】
本発明によれば、偏差が解消された時点で、第2の制御部による出力機能の変位が停止して、第2の制御部による出力機構を一定の機械的変位に保持するための保持制御が開始される。したがって、保持制御では、フィードバック制御を用いた変位制御が停止されて、保持ブレーキ電流だけが直流モータの各巻線へ供給される。このため、動力源として直流モータを用いた場合でも、出力軸さらには出力機構が小刻みにガタガタと振動する現象を回避でき、出力軸さらには出力機構を、偏差解消時の機械的変位、すなわち目標位置に安定して保持制御することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【0021】
図1図1は、第1の実施の形態にかかる電動アクチュエータの構成を示すブロック図である。
図2図2は、直流モータと駆動回路の構成を示す説明図である。
図3図3は、ホールセンサの検出信号と通電相との関係を示すタイミングチャートである。
図4図4は、負荷トルク特性データを示すグラフである。
図5図5は、第1の実施の形態にかかるモータ駆動制御処理を示すフローチャートである。
図6図6は、第2の実施の形態にかかる電動アクチュエータの構成を示すブロック図である。
図7図7は、第2の実施の形態にかかるモータ駆動制御処理を示すフローチャートである。
図8図8は、第3の実施の形態にかかる電動アクチュエータ10の構成を示すブロック図である。
図9図9は、第4の実施の形態にかかる電動アクチュエータ10の構成を示すブロック図である。
図10図10は、負荷トルク計算過程(リターンスプリングあり)を示す説明図である。
図11図11は、負荷トルク計算過程(リターンスプリングなし)を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【0022】
次に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
[第1の実施の形態]
まず、図1を参照して、本発明の第1の実施の形態にかかる電動アクチュエータ10について説明する。図1は、第1の実施の形態にかかる電動アクチュエータの構成を示すブロック図である。
【0023】
この電動アクチュエータ10は、例えば、空調システム等の設備において、配管を流れる冷温水の流量を制御する流量制御バルブや、空気の風量を調整する風量調整ダンパーなどの弁体を電動制御する装置である。本発明では、図1に示すように、流量制御バルブの弁体20に電動アクチュエータ10を取り付けた場合を例として説明するが、これに限定されるものではなく、風量調整ダンパーなど、電動制御可能な弁体20を有する他の機器に取り付けた場合にも、同様にして適用可能である。
【0024】
[弁本体]
弁体20は、弁本体の内部に形成されている流路の途中に、回動自在に取り付けられており、弁体20の一端には弁本体から外部へ一端が導出された弁軸21が結合されている。弁軸21の一端は、継手22を介して出力軸14の結合されており、電動アクチュエータ10による出力軸14の回動操作により弁体20が回動し、流路の断面積、すなわち弁開度が変化して、流体の流量が制御される。
【0025】
本発明において、電動アクチュエータ10により機械的に変位させる出力軸14さらには出力軸14に連結された弁体20は、特許請求の範囲に記載された「出力機構」の一例である。また、出力軸14さらには出力軸14に連結された弁体20の回動角度θptは、特許請求の範囲に記載された出力機構の「機械的変位」の一例であり、出力軸14さらには出力軸14に連結された弁体20の目標角度θspは、特許請求の範囲に記載された出力機構の機械的変位の「目標値」に相当する。
【0026】
なお、特許請求の範囲に記載された出力機構は、以下に示す出力軸14さらには出力軸14に連結された弁体20に限定されるものではなく、直流モータ(以下、「DCモータ」と云う。)の回転に応じて機械的に変位する機構であれば、後述と同様にして本発明を適用可能である。また、特許請求の範囲に記載された出力機構の機械的な変位は、以下に示す出力軸14さらには出力軸14に連結された弁体20の回動に限定されるものではなく、出力機構の回転、移動、伸縮、ひねりなど、他の機械的な変位であっても、後述と同様にして本発明を適用可能である。
【0027】
[電動アクチュエータ]
次に、図1を参照して、本実施の形態にかかる電動アクチュエータ10の構成について詳細に説明する。
電動アクチュエータ10には、主な構成として、DCモータ11、駆動回路12、動力伝達部13、出力軸14、角度センサ15、記憶回路16、および制御回路17が設けられている。
【0028】
[DCモータ]
DCモータ11は、複数の巻線を有し、これら巻線に対して選択的に供給されたモータ電流Iに基づいて回動するモータである。本実施の形態では、DCモータ11として三相ブラシレスDCモータを用いた場合を例として説明するが、これに限定されるものではない。例えば、ブラシ付きDCモータなど、複数の巻線に対して印可するモータ電流Iを切替制御するような、いわゆるDCモータであれば、DCモータ11として用いてもよい。
【0029】
図2は、DCモータと駆動回路の構成を示す説明図である。図2に示すように、三相ブラシレスDCモータからなるDCモータ11は、主な構成として、ロータ11Rと、3つの巻線U,V,Wと、3つのホールセンサHU,HV,HWとを備えている。なお、図2において、ステータや軸受等の構成要素は省略されている。
【0030】
ロータ11Rは、モータ軸と直交する方向に分極した永久磁石11Mを有しており、回転自在に軸受けされている。巻線U,V,Wは、ロータ11Rが軸線周りに回転する過程で永久磁石11Mの磁極と対向するように、ステータの各磁極のうち対応する相の磁極のそれぞれに巻かれている。これら巻線U,V,Wは、全体としてスター結線されており、それぞれの一端が対応する端子Twu,Twv,Twwに接続されているとともに、他端が共通接続されている。ホールセンサHU,HV,HWは、永久磁石11Mの向きを検出するホール素子からなり、モータ軸を中心として120゜間隔で等配されている。ホールセンサHU,HV,HWから出力された検出信号SU,SV,SWは、端子Thu,Thv,Thwを介して制御回路17に入力される。
【0031】
[駆動回路]
駆動回路12は、複数のスイッチング素子を備えており、制御回路17から出力されたモータ制御信号SCに基づいて、DCモータ11の各巻線に対して、選択的に直流のモータ電流Iを供給する機能と、モータ電流Iや巻線U、V、Wの駆動電圧VU,VV,VWの値を示すモニタ信号SDを制御回路17へ出力する機能とを有している。なお、変位制御時におけるモータ電流Iを駆動電流と云い、保持制御時におけるモータ電流Iを保持ブレーキ電流と云うことがある。
【0032】
図2に示すように、駆動回路12は、巻線U、V、Wに対して選択的にモータ電流Iを供給制御する3対のスイッチング素子Quu,Qul;Qvu,Qvl;Qwu,Qwlを備えている。以下では、スイッチング素子がMOSFETからなる場合を例として説明するが、バイポーラトランジスタなどの他のスイッチング素子であってもよい。
【0033】
3対のスイッチング素子Quu,Qul;Qvu,Qvl;Qwu,Qwlは、互いに直列に接続されている。制御回路17は、モータ制御信号SCに基づいて、これらのスイッチング素子Quu,Qul;Qvu,Qvl;Qwu,Qwlを適宜オン/オフ制御することによって、各対から出力される出力電圧を、電源電位Vc、接地電位GND、および電源電位Vcと接地電位GNDとの中間電位Vc/2のいずれかに切替制御する。これにより、DCモータ11の3つの巻線U,V,Wのうち通電する相すなわち巻線と、そのモータ電流Iの方向すなわちその巻線によって生じる磁界の方向とを切り替えることができる。
【0034】
図3は、ホールセンサの検出信号と通電相との関係を示すタイミングチャートである。例えば、図3に示すように、DCモータ11の回動角θが0゜から60゜の範囲にある場合、永久磁石11MのN極がホールセンサHU,HVに近くホールセンサHWからは遠いため、検出信号SU,SVは「H」レベルを示し、検出信号SWは「L」レベルを示す。これに応じて、上段通電相および下段通電相としてQwu,Qvlが選択されて、スイッチング素子Qwu,Qvlがオン状態に制御され、その他のスイッチング素子はオフ状態に制御される。
【0035】
したがって、W相については、スイッチング素子Qwuがオン状態でスイッチング素子Qwlがオフ状態であるため、駆動電圧VWとして電源電位Vcが出力される。また、V相については、スイッチング素子Qvuがオフ状態でスイッチング素子Qvlがオン状態であるため、駆動電圧VVは接地電位GNDとなる。また、U相については、スイッチング素子Quu,Qulがともにオフ状態であるため、駆動電圧VUは、中間電位Vc/2となる。これにより、DCモータ11には、端子Twwから巻線Wおよび巻線Vを介して端子Twvにモータ電流Iが流れることになる。したがって、永久磁石11MのS極が巻線Vから巻線W方向に押しやられ、結果としてロータ11Rが時計方向に回転することになる。
【0036】
また、負荷トルクTqに応じてDCモータ11の各巻線U,V,Wへ供給するモータ電流Iの電流値(大きさ)を調整する場合がある。モータ電流Iの調整については、一般的なPWM(Pulse Width Modulation)制御を利用して、図3に示した上段側通電相および下段側通電相としてオン状態に制御するスイッチング素子を、高速スイッチングさせる方法がある。高速スイッチングの周期は、通電相の切替周期より十分短くすれば、高速スイッチングのデューティ比に応じてモータ電流Iの電流値を調整することができる。
【0037】
[動力伝達部]
動力伝達部13は、歯数の異なる複数の歯車が噛合されたギヤボックスなどの動力伝達機構からなり、DCモータ11のロータ11Rに連結されているシャフト11Sの回転速度を減速して出力軸14を回動させる機能を有している。
【0038】
[出力軸]
出力軸14は、電動アクチュエータ10から弁体20を回動するための軸であり、一端が動力伝達部13に連結され、他端が継手22および弁軸21を介して弁体20と連結されている。
【0039】
[角度センサ]
角度センサ15は、動力伝達部13または出力軸14に取り付けられて、出力軸14の回動方向に沿った機械的変位、すなわち回動角度θptを検出し、制御回路17へ出力する角度センサである。角度センサ15は、インクリメンタルエンコーダなどの相対性センサでもよいが、例えば、可変抵抗器からなるポテンショメータなどのように、出力軸14の、任意の基準位置からの絶対的な回転角度θptを検出するアブソリュートセンサであることが望ましい。
【0040】
[記憶回路]
記憶回路16は、全体として半導体メモリなどの記憶装置からなり、制御回路17でのモータ駆動制御に用いる各種処理データやプログラム16Pを記憶する機能を有している。
プログラム16Pは、制御回路17のCPUで実行されることにより、CPUと協働してモータ駆動制御を行う各種処理部を実現するプログラムである。プログラム16Pは、外部装置あるいは記録媒体から通信回線を介して記憶回路16に予め格納される。
【0041】
記憶回路16で記憶する主な処理データとして負荷トルク特性データ16Aがある。図4は、負荷トルク特性データを示すグラフである。図4に示すように、負荷トルク特性データ16Aは、弁体20の開度と弁体20に生じる負荷トルクTqとの対応関係を示すデータであり、横軸は弁体20の開度[%]を示し、縦軸は弁体20に発生する負荷トルク[Nm]を示している。
【0042】
一般に、弁体20の開度[%]と出力軸14の回動角度[゜]とは、例えば比例関係など所定の関係を有しており、容易に換算できるため、負荷トルクTqを特定する時点に回動角度θptを開度に換算してもよい。また、図4のグラフの横軸を予め回動角度θptに換算しておいてもよい。
負荷トルク特性データ16Aについては、テーブル形式で記憶してもよく、関数式として記憶してもよい。負荷トルク特性データ16Aは、弁体20の各開度すなわち出力軸14の各回動角度θptにおいて、弁体20に発生する負荷トルクを示すデータであり、予め実測することができる。負荷トルクの実測については、後述する。
【0043】
[制御回路]
制御回路17は、CPUとその周辺回路を有し、記憶回路16のプログラム16Pを読み込んで実行することにより、モータ駆動制御を行う各種処理部を実現する機能を有している。
制御回路17で実現される主な処理部として、変位制御部17Aと保持制御部17Bがある。
【0044】
[変位制御部]
変位制御部17Aは、角度センサ15により検出された出力軸14の回動角度θptと、回動角度θptに関する目標角度θspとの偏差が解消されるように、モータ制御信号SCに基づいて駆動回路12を制御するよう構成されている。これにより、駆動回路12からDCモータ11の巻線U,V,Wへ供給されてDCモータ11を回転させる駆動電流が制御されて、DCモータ11により出力軸14が目標角度θspまで回動される。この変位制御部17Aは、特許請求の範囲に記載された「第1の制御部」に相当する。
【0045】
この際、変位制御部17Aは、目標値と測定値との偏差に基づき駆動電流を制御するPID制御などのフィードバック制御を用い、偏差が解消された時点で変位制御を完了し、フィードバック制御を用いた変位制御による出力軸14の回動を停止する。偏差の解消判定については、回動角度θptと目標角度θspとが等しくなったこと、すなわち偏差がゼロとなったことを条件としてもよく、予め設定されている許容範囲内に偏差が含まれることを条件としてもよい。
【0046】
[保持制御部]
保持制御部17Bは、角度センサ15により検出された出力軸14の回動角度θptと、回動角度θptに関する目標角度θspとの偏差が解消されている時に、出力軸14の機械的変位すなわち回動角度θptが一定に保持されるように、モータ制御信号SCに基づいて駆動回路12を制御するよう構成されている。これにより、駆動回路12からDCモータ11の巻線U,V,Wに供給する、出力軸14の回動停止時に、出力軸14の回動角度θptを一定に保持するための保持ブレーキ電流が制御されて、DCモータ11により出力軸14が偏差解消時点における回動角度θptに保持される。このような保持制御部17Bは、特許請求の範囲に記載された「第2の制御部」に相当する。
【0047】
この際、保持制御部17Bは、記憶回路16の負荷トルク特性データ16Aに基づいて、偏差が解消された時点の回動角度θptと対応する負荷トルクTqを特定し、負荷トルクTqに基づいて駆動回路12から供給する保持ブレーキ電流の大きさすなわち電流値Ikを計算する。
【0048】
一般に、動力伝達部13の減速比をGとし、動力伝達部13のギヤ効率をηとし、DCモータ11のトルク定数をKTとした場合、弁体20に生じた負荷トルクTqに対抗して出力軸14の回動角度θptを保持するために必要となる保持ブレーキ電流の電流値Ikは、次の式(1)で求められる。保持ブレーキ電流の電流値Ikは、前述したようなPWM制御により調整される。
【0049】
【数1】
【0050】
[第1の実施の形態の動作]
次に、図5を参照して、本実施の形態にかかる電動アクチュエータ10の動作について説明する。図5は、第1の実施の形態にかかるモータ駆動制御処理を示すフローチャートである。
【0051】
図5に示すように、電動アクチュエータ10において、指定された目標角度θspに出力軸14を回動する際、まず、制御回路17の変位制御部17Aが、フィードバック制御を用いた変位制御を開始する(ステップS100)。これにより、角度センサ15により検出された、出力軸14の回動角度θptと、回動角度θptに関する目標角度θspとの偏差が解消されるよう、出力軸14を回動させるための駆動電流が、駆動回路12からDCモータ11の巻線U,V,Wに供給される。
【0052】
この後、変位制御部17Aは、出力軸14の回動角度θptと、回動角度θptに関する目標角度θspとの偏差が解消されたか確認し(ステップS101)、偏差が解消されるまで変位制御を継続する(ステップS101:NO)。
回動角度θptと目標角度θspとの偏差が解消されて目標角度θspへの回動が完了した場合(ステップS101:YES)、変位制御部17Aは、フィードバック制御を用いた変位制御を停止する(ステップS102)。
【0053】
一方、保持制御部17Bは、変位制御部17Aの変位制御により偏差が解消された場合、記憶回路16の負荷トルク特性データ16Aから、偏差が解消された時点における回動角度θptと対応する負荷トルクTqを特定する(ステップS103)。
次に、保持制御部17Bは、特定した負荷トルクTqから前述した式(1)に基づいて、出力軸14を回動角度θptに保持するためにDCモータ11の巻線U,V,Wに供給すべきモータ電流Iの電流値Ikを計算する(ステップS104)。
【0054】
この後、保持制御部17Bは、計算した電流値Ikに相当するモータ電流Iを保持ブレーキ電流として、DCモータ11の巻線U,V,Wに供給するよう、モータ制御信号SCにより駆動回路12へ指示し(ステップS105)、一連のモータ駆動制御処理を終了する。これにより、駆動回路12からDCモータ11の巻線U,V,Wに対して、保持ブレーキ電流の供給が開始され、負荷トルクTqに対抗して出力軸14および弁体20が回動角度θptに保持されることになる。
【0055】
[第1の実施の形態の効果]
このように、本実施の形態は、保持制御部17Bが、出力軸14の回動角度θptと目標角度θspとの偏差が解消された場合、出力軸14の回動角度θptを保持するための保持ブレーキ電流を、駆動回路12からDCモータ11の各巻線U,V,Wへ供給するようにしたものである。
【0056】
これにより、偏差が解消された時点で、変位制御部17Aによる出力軸14の回動が停止して、保持制御部17Bによる出力軸14を回動角度θptに保持するための保持制御が開始される。したがって、保持制御では、フィードバック制御を用いた変位制御が停止されて、保持ブレーキ電流だけがDCモータ11の各巻線U,V,Wへ供給される。このため、動力源としてDCモータ11を用いた場合でも、出力軸14さらには弁体20が小刻みにガタガタと振動する現象を回避でき、出力軸14さらには弁体20を、偏差解消時の回動角度θpt、すなわち目標角度θspに安定して保持制御することが可能となる。
【0057】
また、本実施の形態において、出力軸14の回動角度θptと出力軸14に生じる負荷トルクTqとの対応関係を示す負荷トルク特性データ16Aを記憶回路16で記憶しておき、保持制御部17Bが、負荷トルク特性データ16Aに基づいて偏差が解消された時点における回動角度θptと対応する負荷トルクTqを特定し、特定した負荷トルクTqに基づいて駆動回路12からDCモータ11へ供給する保持ブレーキ電流の電流値Ikを計算するようにしてもよい。これにより、保持ブレーキ電流の電流値Ikを正確かつ容易に計算することが可能となる。
また、本実施の形態においては、実際の弁体の負荷トルク特性に基づいてブレーキ電流を算出しているので、ブレーキ電流は最適値となっており、省エネルギーに貢献できる。
【0058】
[第2の実施の形態]
次に、図6を参照して、本発明の第2の実施の形態にかかる電動アクチュエータ10について説明する。図6は、第2の実施の形態にかかる電動アクチュエータの構成を示すブロック図である。
【0059】
第1の実施の形態では、出力軸14の回動角度θptと目標角度θspとの偏差解消時点における回動角度θptと対応する負荷トルクTqに基づいて、保持ブレーキ電流の電流値(大きさ)Ikを計算する場合を例として説明した。本実施の形態では、偏差解消時点における駆動電流の電流値Idに基づいて、保持ブレーキ電流の電流値Ikを計算する場合について説明する。
【0060】
すなわち、本実施の形態において、保持制御部17Bは、出力軸14の回動角度θptと目標角度θspとの偏差が解消された時点における、駆動電流の電流値Idに所定のマージンを与えることにより、駆動回路12から供給させる保持ブレーキ電流の電流値Ikを計算するよう構成されている。
【0061】
具体的には、記憶回路16は、負荷トルク特性データ16Aに代えて、出力軸14の回動角度θptとマージンの大きさとの対応関係を示すマージン特性データ16Bを記憶する機能を有している。マージン特性データ16Bについては、テーブル形式で記憶してもよく、関数式として記憶してもよい。
保持制御部17Bは、記憶回路16のマージン特性データ16Bに基づいて、偏差が解消された時点における回動角度θptと対応するマージンの大きさを特定する機能を有している。
【0062】
本実施の形態にかかるマージンについては、駆動電流の電流値Idの増分を示す電流値を用いればよいが、駆動電流の電流値Idに対する増分率を用いてもよい。また、マージンの大きさは、電動アクチュエータ10のアプリケーションによって調整すればよい。したがって、アプリケーションによってはマージンとしてゼロを用いてもよい。すなわち、出力軸14の回動角度θptと目標角度θspとの偏差が解消された時点における、駆動電流の電流値Idを、そのまま保持ブレーキ電流の電流値Ikとして用いてもよい。
本実施の形態にかかる電動アクチュエータ10に関するその他の構成については、図1と同様であり、ここでの説明は省略する。
【0063】
[第2の実施の形態の動作]
次に、図7を参照して、本実施の形態にかかる電動アクチュエータ10の動作について説明する。図7は、第2の実施の形態にかかるモータ駆動制御処理を示すフローチャートである。
【0064】
図7に示すように、電動アクチュエータ10において、指定された目標角度θspに出力軸14を回動する際、まず、制御回路17の変位制御部17Aが、フィードバック制御を用いた変位制御を開始する(ステップS200)。これにより、角度センサ15により検出された、出力軸14の回動角度θptと、回動角度θptに関する目標角度θspとの偏差が解消されるよう、出力軸14を回動させるための駆動電流が、駆動回路12からDCモータ11の巻線U,V,Wに供給される。
【0065】
この後、変位制御部17Aは、出力軸14の回動角度θptと、回動角度θptに関する目標角度θspとの偏差が解消されたか確認し(ステップS201)、偏差が解消されるまで変位制御を継続する(ステップS201:NO)。
回動角度θptと目標角度θspとの偏差が解消されて目標角度θspへの回動が完了した場合(ステップS201:YES)、変位制御部17Aは、フィードバック制御を用いた変位制御を停止する(ステップS202)。
【0066】
一方、保持制御部17Bは、変位制御部17Aの変位制御により偏差が解消された場合、偏差解消時点の駆動電流の電流値Idを、駆動回路12のモニタ信号SDから取得し(ステップS203)、記憶回路16のマージン特性データ16Bから、偏差が解消された時点における回動角度θptと対応するマージンを特定する(ステップS204)。
次に、保持制御部17Bは、特定したマージンを偏差解消時点の駆動電流の電流値Idに加えることにより、出力軸14を回動角度θptに保持するためにDCモータ11の巻線U,V,Wに供給すべきモータ電流Iの電流値Ikを計算する(ステップS205)。
【0067】
この後、保持制御部17Bは、計算した電流値Ikに相当するモータ電流Iを保持ブレーキ電流として、DCモータ11の巻線U,V,Wに供給するよう、モータ制御信号SCにより駆動回路12へ指示し(ステップS206)、一連のモータ駆動制御処理を終了する。これにより、駆動回路12からDCモータ11の巻線U,V,Wに対して、保持ブレーキ電流の供給が開始され、負荷トルクTqに対抗して出力軸14および弁体20が回動角度θptに保持されることになる。
【0068】
[第2の実施の形態の効果]
このように、本実施の形態は、保持制御部17Bが、出力軸14の回動角度θptと目標角度θspとの偏差が解消された時点における、駆動電流の電流値Idに所定のマージンを与えることにより、駆動回路12から供給させる保持ブレーキ電流の電流値Ikを計算するようにしたものである。
【0069】
これにより、回動角度θptと目標角度θspとの偏差が解消された時点における負荷トルクTqを用いることなく、保持ブレーキ電流の電流値Ikを計算することが可能となる。したがって、負荷トルクTqの実測や計算に必要となる構成や処理負担を省くことができ、電動アクチュエータ10の構成を簡素化できコストを低減することが可能となる。
【0070】
また、本実施の形態において、記憶回路16で、出力軸14の回動角度θptとマージンの大きさとの対応関係を示すマージン特性データ16Bを記憶しておき、保持制御部17Bが、記憶回路16のマージン特性データ16Bに基づいて、偏差が解消された時点における機械的変位と対応するマージンの大きさを特定するようにしてもよい。
これにより、極めて簡素な構成および処理負担で、マージンを特定することが可能となる。
【0071】
[第3の実施の形態]
次に、図8を参照して、本発明の第3の実施の形態にかかる電動アクチュエータ10について説明する。図8は、第3の実施の形態にかかる電動アクチュエータ10の構成を示すブロック図である。
本実施の形態では、第1の実施の形態にかかる負荷トルク特性データ16Aが、電動アクチュエータ10の外部で記憶されている場合を例として説明する。
【0072】
すなわち、図8に示すように、本実施の形態において、電動アクチュエータ10は、通信網(ネットワーク)NWを介して上位装置30との間でデータ通信を行う通信回路18を備えている。
保持制御部17Bは、通信回路18を介して上位装置30の記憶回路32に記憶された負荷トルク特性データ32Aを参照して、角度センサ15により検出された出力軸14の回動角度θptと目標角度θspとの偏差が解消された時点の、回動角度θptと対応する負荷トルクTqを特定するよう構成されている。
本実施の形態にかかる電動アクチュエータ10に関するその他の構成については、図1と同様であり、ここでの説明は省略する。
【0073】
[上位装置]
図8に示すように、上位装置30は、全体としてサーバ装置などの情報処理装置からなり、主な回路構成として、通信回路31、記憶回路32、および処理回路33を備えている。
通信回路31は、通信網NWを介して上位装置30との間でデータ通信を行う機能を備えている。
記憶回路32は、全体として半導体メモリなどの記憶装置からなり、電動アクチュエータ10でのモータ駆動制御に用いる負荷トルク特性データ32Aを記憶する機能を有している。負荷トルク特性データ32Aは、第1の実施の形態にかかる負荷トルク特性データ16Aと同等であり、ここでの説明は省略する。
【0074】
処理回路33は、通信回路31および通信網NWを介した電動アクチュエータ10とのデータ通信により、電動アクチュエータ10からの参照要求を確認した場合、記憶回路32の負荷トルク特性データ32Aに関する参照処理を、通信回路31および通信網NWを介して電動アクチュエータ10に提供する機能を有している。
【0075】
[第3の実施の形態の動作]
次に、前述した図5を参照して、本実施の形態にかかる電動アクチュエータ10の動作について説明する。
【0076】
図5に示すように、電動アクチュエータ10において、指定された目標角度θspに出力軸14を回動する際、まず、制御回路17の変位制御部17Aが、フィードバック制御を用いた変位制御を開始する(ステップS100)。これにより、角度センサ15により検出された、出力軸14の回動角度θptと目標角度θspとの偏差が解消されるよう、出力軸14を回動させるための駆動電流が、駆動回路12からDCモータ11の巻線U,V,Wに供給される。
【0077】
この後、変位制御部17Aは、出力軸14の回動角度θptと、回動角度θptに関する目標角度θspとの偏差が解消されたか確認し(ステップS101)、偏差が解消されるまで変位制御を継続する(ステップS101:NO)。
回動角度θptと目標角度θspとの偏差が解消されて目標角度θspへの回動が完了した場合(ステップS101:YES)、変位制御部17Aは、フィードバック制御を用いた変位制御を停止する(ステップS102)。
【0078】
一方、保持制御部17Bは、変位制御部17Aの変位制御により偏差が解消された場合、上位装置30の記憶回路32に記憶されている負荷トルク特性データ32Aを参照して、偏差が解消された時点における回動角度θptと対応する負荷トルクTqを特定する(ステップS103)。
【0079】
負荷トルク特性データ32Aを参照する際、保持制御部17Bは、通信回路18から通信網NWを介して負荷トルク特性データ32Aに関する参照要求を送信する。上位装置30の処理回路33は、通信回路31および通信網NWを介した電動アクチュエータ10とのデータ通信により、電動アクチュエータ10からの参照要求を確認した場合、記憶回路32に記憶された負荷トルク特性データ32Aに関する参照処理を、通信回路31および通信網NWを介して電動アクチュエータ10に提供する。
【0080】
次に、保持制御部17Bは、特定した負荷トルクTqから前述した式(1)に基づいて、出力軸14を回動角度θptに保持するためにDCモータ11の巻線U,V,Wに供給すべきモータ電流Iの電流値Ikを計算する(ステップS104)。
【0081】
この後、保持制御部17Bは、計算した電流値Ikに相当するモータ電流Iを保持ブレーキ電流として、DCモータ11の巻線U,V,Wに供給するよう、モータ制御信号SCにより駆動回路12へ指示し(ステップS105)、一連のモータ駆動制御処理を終了する。これにより、駆動回路12からDCモータ11の巻線U,V,Wに対して、保持ブレーキ電流の供給が開始され、負荷トルクTqに対抗して出力軸14および弁体20が回動角度θptに保持されることになる。
【0082】
[第3の実施の形態の効果]
このように、本実施の形態は、保持制御部17Bが、通信回路18を介して上位装置30の記憶回路32に記憶された負荷トルク特性データ32Aを参照して、角度センサ15により検出された出力軸14の回動角度θptと目標角度θspとの偏差が解消された時点の、回動角度θptと対応する負荷トルクTqを特定するようにしたものである。
【0083】
これにより、電動アクチュエータ10の記憶回路16で、負荷トルク特性データ16Aを記憶する必要がなくなるため、記憶回路16の記憶容量を大幅に削減でき、電動アクチュエータ10の回路規模および回路コストを低減することが可能となる。
また、複数の電動アクチュエータ10が、上位装置30の同じ負荷トルク特性データ32Aを参照するようにしてもよい。これにより、複数の電動アクチュエータ10を含むシステム全体のハードウェア規模およびハードウェアコストを低減することが可能となるとともに、負荷トルク特性データ32Aの更新に要するメンテナンスコストを大幅に低減することができる。
また、本実施の形態においては、実際の弁体の負荷トルク特性に基づいてブレーキ電流を算出しているので、ブレーキ電流は最適値となっており、省エネルギーに貢献できる。
【0084】
[第4の実施の形態]
次に、図9を参照して、本発明の第4の実施の形態にかかる電動アクチュエータ10について説明する。図9は、第4の実施の形態にかかる電動アクチュエータ10の構成を示すブロック図である。
本実施の形態では、第2の実施の形態にかかるマージン特性データ16Bが、電動アクチュエータ10の外部で記憶されている場合を例として説明する。
【0085】
すなわち、図9に示すように、本実施の形態において、電動アクチュエータ10は、通信網NWを介して上位装置30との間でデータ通信を行う通信回路18を備えている。
保持制御部17Bは、通信回路18を介して上位装置30の記憶回路32に記憶されたマージン特性データ32Bを参照して、角度センサ15により検出された出力軸14の回動角度θptと目標角度θspとの偏差が解消された時点の、回動角度θptと対応するマージンの大きさを特定するよう構成されている。
本実施の形態にかかる電動アクチュエータ10に関するその他の構成については、図6と同様であり、ここでの説明は省略する。
【0086】
[上位装置]
図9に示すように、上位装置30は、全体としてサーバ装置などの情報処理装置からなり、主な回路構成として、通信回路31、記憶回路32、および処理回路33を備えている。
通信回路31は、通信網NWを介して上位装置30との間でデータ通信を行う機能を備えている。
記憶回路32は、全体として半導体メモリなどの記憶装置からなり、電動アクチュエータ10でのモータ駆動制御に用いるマージン特性データ32Bを記憶する機能を有している。マージン特性データ32Bは、第2の実施の形態にかかるマージン特性データ16Bと同等であり、ここでの説明は省略する。
【0087】
処理回路33は、通信回路31および通信網NWを介した電動アクチュエータ10とのデータ通信により、電動アクチュエータ10からの参照要求を確認した場合、記憶回路32のマージン特性データ32Bに関する参照処理を、通信回路31および通信網NWを介して電動アクチュエータ10に提供する機能を有している。
【0088】
[第4の実施の形態の動作]
次に、前述した図6を参照して、本実施の形態にかかる電動アクチュエータ10の動作について説明する。
【0089】
図6に示すように、電動アクチュエータ10において、指定された目標角度θspに出力軸14を回動する際、まず、制御回路17の変位制御部17Aが、フィードバック制御を用いた変位制御を開始する(ステップS200)。これにより、角度センサ15により検出された、出力軸14の回動角度θptと、回動角度θptに関する目標角度θspとの偏差が解消されるよう、出力軸14を回動させるための駆動電流が、駆動回路12からDCモータ11の巻線U,V,Wに供給される。
【0090】
この後、変位制御部17Aは、出力軸14の回動角度θptと、回動角度θptに関する目標角度θspとの偏差が解消されたか確認し(ステップS201)、偏差が解消されるまで変位制御を継続する(ステップS201:NO)。
回動角度θptと目標角度θspとの偏差が解消されて目標角度θspへの回動が完了した場合(ステップS201:YES)、変位制御部17Aは、フィードバック制御を用いた変位制御を停止する(ステップS202)。
【0091】
一方、保持制御部17Bは、変位制御部17Aの変位制御により偏差が解消された場合、偏差解消時点の駆動電流の電流値Idを、駆動回路12のモニタ信号SDから取得し(ステップS203)、上位装置30の記憶回路32に記憶されているマージン特性データ32Bを参照して、偏差が解消された時点における回動角度θptと対応するマージンを特定する(ステップS204)。
【0092】
マージン特性データ32Bを参照する際、保持制御部17Bは、通信回路18から通信網NWを介してマージン特性データ32Bに関する参照要求を送信する。上位装置30の処理回路33は、通信回路31および通信網NWを介した電動アクチュエータ10とのデータ通信により、電動アクチュエータ10からの参照要求を確認した場合、記憶回路32に記憶されたマージン特性データ32Bに関する参照処理を、通信回路31および通信網NWを介して電動アクチュエータ10に提供する。
【0093】
次に、保持制御部17Bは、特定したマージンを偏差解消時点の駆動電流の電流値Idに加えることにより、出力軸14を回動角度θptに保持するためにDCモータ11の巻線U,V,Wに供給すべきモータ電流Iの電流値Ikを計算する(ステップS205)。
【0094】
この後、保持制御部17Bは、計算した電流値Ikに相当するモータ電流Iを保持ブレーキ電流として、DCモータ11の巻線U,V,Wに供給するよう、モータ制御信号SCにより駆動回路12へ指示し(ステップS206)、一連のモータ駆動制御処理を終了する。これにより、駆動回路12からDCモータ11の巻線U,V,Wに対して、保持ブレーキ電流の供給が開始され、負荷トルクTqに対抗して出力軸14および弁体20が回動角度θptに保持されることになる。
【0095】
[第4の実施の形態の効果]
このように、本実施の形態は、保持制御部17Bが、通信回路18を介して上位装置30の記憶回路32に記憶されたマージン特性データ32Bを参照して、角度センサ15により検出された出力軸14の回動角度θptと目標角度θspとの偏差が解消された時点の、回動角度θptと対応するマージンを特定するようにしたものである。
【0096】
これにより、電動アクチュエータ10の記憶回路16で、マージン特性データ16Bを記憶する必要がなくなるため、記憶回路16の記憶容量を大幅に削減でき、電動アクチュエータ10の回路規模および回路コストを低減することが可能となる。
また、複数の電動アクチュエータ10が、上位装置30の同じマージン特性データ32Bを参照するようにしてもよい。これにより、複数の電動アクチュエータ10を含むシステム全体のハードウェア規模およびハードウェアコストを低減することが可能となるとともに、マージン特性データ32Bの更新に要するメンテナンスコストを大幅に低減することができる。
【0097】
[第5の実施の形態]
次に、本発明の第5の実施の形態にかかる電動アクチュエータ10について説明する。
前述した第1の実施の形態では、弁体20の開度と弁体20に生じる負荷トルクTqとの対応関係を、負荷トルク特性データ16Aとして予め用意しておく必要がある。この際、負荷トルクTqは、電動アクチュエータ10のアプリケーションよって変化するため、電動アクチュエータ10の持つ予知保全機能を利用して、予め実測により計算しておくことが望ましい。負荷トルクTqの計算については、制御回路17の保持制御部17Bで実行してもよく、制御回路17に新たな処理部、例えば負荷トルク計算部を設けて実行してもよい。なお、本発明において、弁体20の開度を弁体20または出力軸14の回動角度と云うことがあり、その逆もある。
【0098】
[リターンスプリングがある場合]
まず、図10を参照して、電動アクチュエータ10にリターンスプリングRSがある場合における負荷トルクTqの計算方法について説明する。図10は、負荷トルク計算過程(リターンスプリングあり)を示す説明図である。
バルブやダンパーなどの操作端を電動で開閉制御する電動アクチュエータ10の1つとして、出力軸14に取り付けたリターンスプリングRSの復帰力で電源供給遮断時に出力軸14を所定の回動角度まで戻す、いわゆるスプリングリターン形の電動アクチュエータがある。
【0099】
回動中の出力軸14が任意の開度を通過する時点において、DCモータ11、動力伝達部13、リターンスプリングRS、および弁体20で発生するそれぞれのトルクは、互いにつりあった状態にあり、これらトルクの総和はゼロとなる。図10に示すように、例えば、開度θaxにおいて、DCモータ11のモータトルクをTmとし、リターンスプリングRSのスプリングトルクをTsとし、動力伝達部13における動力伝達トルクをTdとし、弁体20の弁体トルクをTvとした場合、開度θaxにおけるこれらトルクのつり合いは、次の式(2)で表される。
【0100】
【数2】
【0101】
なお、出力軸14が回動している場合、動力伝達トルクTdは発生するが、出力軸14を任意の一定開度θaxで保持した場合、動力伝達トルクTdはゼロとなる。
一方、モータトルクTmは、DCモータ11のトルク定数をKTとし、開度θaxにおいてDCモータ11に流れたモータ電流をIとすると、開度θaxにおけるDCモータ11のモータトルクTmは、次の式(3)で求められる。
【0102】
【数3】
【0103】
一方、リターンスプリングRSのばね定数をkとした場合、開度θaxにおけるスプリングトルクTsは、次の式(4)で表される。
【0104】
【数4】
【0105】
したがって、これら式(2)、式(3)および式(4)に基づいて、動力伝達部13および弁体20にかかる負荷トルクTqは、次の式(5)に示すように、モータトルクTmと等しくなる。このため、モータ電流Iを検出すれば、負荷トルクTqが得られることになる。
【0106】
【数5】
【0107】
[リターンスプリングがない場合]
次に、図11を参照して、電動アクチュエータ10にリターンスプリングRSがない場合における負荷トルクTqの計算方法について説明する。図11は、負荷トルク計算過程(リターンスプリングなし)を示す説明図である。
【0108】
出力軸14が回動している場合、あるいは、出力軸14を任意の一定開度θaxで保持した場合、DCモータ11、動力伝達部13、および弁体20で発生するそれぞれのトルクは、互いにつり合った状態にあり、これらトルクの総和はゼロとなる。図11に示すように、例えば、任意の開度θaxにおけるDCモータ11のモータトルクをTmとし、動力伝達部13における動力伝達トルクをTdとし、弁体20の弁体トルクをTvとした場合、任意の開度θaxにおけるこれらトルクのつり合いは、次の式(6)で表される。
【0109】
【数6】
【0110】
なお、出力軸14が回動している場合、動力伝達トルクTdは発生するが、出力軸14を任意の一定開度θaxで保持した場合、動力伝達トルクTdはゼロとなる。
一方、モータトルクTmは、DCモータ11のトルク定数をKTとし、開度θaxにおいてDCモータ11に流れたモータ電流をIとすると、開度θaxにおけるDCモータ11のモータトルクTmは、上記の式(3)で求められる。
【0111】
したがって、これら式(3)および式(6)に基づいて、動力伝達部13および弁体20にかかる負荷トルクTqは、次の式(7)に示すように、モータトルクTmと等しくなる。このため、モータ電流Iを検出すれば、負荷トルクTqが得られることになる。
【0112】
【数7】
【0113】
[第5の実施の形態の効果]
本実施の形態によれば、電動アクチュエータ10の既存構成で容易に検出できる出力軸14や弁体20の開度、さらにはモータ電流Iに基づいて、動力伝達部13および弁体20にかかる負荷トルクTqを容易に計算することが可能となる。したがって、新たな構成を追加することなく、保持制御に用いる保持ブレーキ電流の電流値Ikを容易に計算することが可能となる。
また、本実施の形態においては、リアルタイムに計測した負荷トルクに基づいてブレーキ電流を算出しているため、異物のつまりおよび弁体の摩耗などの経年変化に対応できる。さらに、リアルタイムに計測した弁体の負荷トルクに基づいてブレーキ電流を算出しているので、ブレーキ電流は最適値となっており、省エネルギーにも貢献できる。
【0114】
[実施の形態の拡張]
以上、実施形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。本発明の構成や詳細には、本発明のスコープ内で当業者が理解しうる様々な変更をすることができる。また、各実施形態については、矛盾しない範囲で任意に組み合わせて実施することができる。
【符号の説明】
【0115】
10…電動アクチュエータ、11…DCモータ、11M…永久磁石、11R…ロータ、11S…シャフト、12…駆動回路、13…動力伝達部、14…出力軸、15…角度センサ、16…記憶回路、16A…負荷トルク特性データ、16B…マージン特性データ、16P…プログラム、17…制御回路、17A…変位制御部、17B…保持制御部、18…通信回路、20…弁体、21…弁軸、22…継手、30…上位装置、31…通信回路、32…記憶回路、32A…負荷トルク特性データ、32B…マージン特性データ、33…処理回路、U,V,W…巻線、HU,HV,HW…ホールセンサ、Twu,Twv,Tww,Thu,Thv,Thw…端子、Quu,Qul,Qvu,Qvl,Qwu,Qwl…スイッチング素子、RS…リターンスプリング、θsp…目標角度、θpt…回動角度、SC…駆動制御信号、SD…モニタ信号、I…モータ電流、Id,Ik…電流値、VU,VV,VW…駆動電圧,Vc…電源電位、GND…接地電位、SU,SV,SW…検出信号、Tq…負荷トルク、Tm…モータトルク、Td…動力伝達トルク、Ts…スプリングトルク、Tv…弁体トルク、θax…開度、k…ばね定数、KT…トルク定数、NW…通信網。
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