JP2009257471A - 電動アクチュエータの制御装置および制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 簡単かつ安価な構成で、バルブ開度を精度よく制御することのできる電動アクチュエータの制御装置を提供すること。
【解決手段】
バルブの開閉位置を検出する開度検出器２４と、ホスト側から送られる開度指令に基づくデジタル開度指令信号および開度検出器２４から送られる開度検出信号に応じて電動モータ５を回転駆動して開度指令信号に対応した開度にバルブを開閉動作する制御装置１８とを備え、制御装置１８は、バルブの閉動作時では開度指令信号に基づいて制御するとともに、バルブの開動作時では開度指令信号を−１として制御するものである。
【選択図】 図２

Description

本発明は、電動アクチュエータの制御装置および制御方法に係り、特に、ボールバルブ、バタフライバルブ等の回転バルブなどに搭載され、バルブの弁体を電動により開閉動作させる電動アクチュエータに好適な電動アクチュエータの制御装置および制御方法に関する。

従来から、回転バルブなどを電動により回転制御する電動アクチュエータが多く用いられており、この電動アクチュエータは、電動モータを回転駆動させて歯車伝達機構を介してバルブの開閉軸を回転動作させることにより、バルブの開閉動作を行うようになっている。

そして、このような電動アクチュエータにおいては、従来から、マスタコントローラからの開度指令信号とコントロールバルブからのフィードバック信号とから、少なくとも比例積分動作を行う制御信号を演算するマイクロプロセッサを備え、設定値信号とフィードバック信号との差からなる制御偏差の極性に応じて、比例積分動作を行う制御パラメータを変えるようにした技術が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。

このような構成とすることにより、コントローラバルブの特性に応じて制御パラメータを切り替えることにより、行き過ぎ量が小さく、高速な応答が可能で、円滑で精密な制御が可能となる。

特開平０７−３１０８４３号

しかしながら、制御しようとする開度指令信号ｓｐで制御した場合、電動モータの慣性により回転子の行き過ぎが生じ、本来の開度指令信号ｓｐに対する開度検出信号ｐｖについて、デジタル値で０±１のずれが生じることがある。

そのため、バルブ開度の分解能を１／４００とした場合、実質的な分解能が３／４００程度となってしまい、バルブの正確な開度制御を行うことができないという問題を有している。

また、ステッピングモータを用いれば、モータの慣性による偏差を小さくすることができるが、ステッピングモータを用いると部品点数の増加を招き、製品コストも高くなってしまうという問題を有している。

本発明は前記した点に鑑みてなされたものであり、簡単かつ安価な構成で、バルブ開度を精度よく制御することのできる電動アクチュエータの制御装置および制御方法を提供することを目的とするものである。

前記目的を達成するため、請求項１に係る発明は、バルブの開閉位置を検出する開度検出器と、ホスト側から送られる開度指令に基づくデジタル開度指令信号および前記開度検出器から送られる開度検出信号に応じて電動モータを回転駆動して前記開度指令信号に対応した開度にバルブを開閉動作する制御装置とを備え、
前記制御装置は、前記バルブの閉動作時では、前記開度指令信号に基づいて制御するとともに、前記バルブの開動作時では、前記開度指令信号を−１として制御するものであることを特徴とする。

請求項２に係る発明は、バルブの開閉位置を検出する開度検出器と、ホスト側から送られる開度指令に基づくデジタル開度指令信号および前記開度検出器から送られる開度検出信号に応じて電動モータを回転駆動して前記開度指令信号に対応した開度にバルブを開閉動作する制御装置とを備え、
前記制御装置は、前記バルブの閉動作時では、前記開度指令信号を＋１として制御するとともに、前記バルブの開動作時では、前記開度指令信号に基づいて制御するものであることを特徴とする。

請求項３に係る発明は、ホスト側から送られる開度指令に基づくデジタル開度指令信号および開度検出器から送られる開度検出信号に応じて電動モータを回転駆動して前記開度指令信号に対応した開度にバルブを開閉動作する電動アクチュエータの制御方法において、前記バルブの閉動作時では、前記開度指令信号に基づいて制御するとともに、前記バルブの開動作時では、前記開度指令信号を−１として制御することを特徴とする。

請求項４に係る発明は、ホスト側から送られる開度指令に基づくデジタル開度指令信号および開度検出器から送られる開度検出信号に応じて電動モータを回転駆動して前記開度指令信号に対応した開度にバルブを開閉動作する電動アクチュエータの制御方法において、前記バルブの閉動作時では、前記開度指令信号を＋１として制御するとともに、前記バルブの開動作時では、前記開度指令信号に基づいて制御することを特徴とする。

請求項１に係る発明によれば、制御装置により、バルブの閉動作時では開度指令信号に基づいて制御するとともに、バルブの開動作時では開度指令信号を−１として制御するようにしているので、開動作あるいは閉動作のいずれの動作の場合でも、開度指令信号ｓｐに基づく開度かその−１の開度で制御することができ、分解能を１／４００とした場合に、実質的に１／２００とすることができ、バルブの開度を精度よく制御することができる。また、ステッピングモータといった高価なモータを用いる必要がなく、簡単かつ安価な構成で、精度の高い開度制御を行うことができる。

請求項２に係る発明によれば、制御装置は、バルブの閉動作時では開度指令信号を＋１として制御するとともに、バルブの開動作時では開度指令信号に基づいて制御するようにしているので、開動作あるいは閉動作のいずれの動作の場合でも、開度指令信号ｓｐに基づく開度かその＋１の開度で制御することができ、分解能を１／４００とした場合に、実質的に１／２００とすることができ、バルブの開度を精度よく制御することができる。また、ステッピングモータといった高価なモータを用いる必要がなく、簡単かつ安価な構成で、精度の高い開度制御を行うことができる。

請求項３に係る発明によれば、バルブの閉動作時では開度指令信号に基づいて制御するとともに、バルブの開動作時では開度指令信号を−１として制御するようにしているので、開動作あるいは閉動作のいずれの動作の場合でも、開度指令信号ｓｐに基づく開度かその−１の開度で制御することができ、分解能を１／４００とした場合に、実質的に１／２００とすることができ、バルブの開度を精度よく制御することができる。また、ステッピングモータといった高価なモータを用いる必要がなく、簡単かつ安価な構成で、精度の高い開度制御を行うことができる。

請求項４に係る発明によれば、バルブの閉動作時では開度指令信号を＋１として制御するとともに、バルブの開動作時では開度指令信号に基づいて制御するようにしているので、開動作あるいは閉動作のいずれの動作の場合でも、開度指令信号ｓｐに基づく開度かその＋１の開度で制御することができ、分解能を１／４００とした場合に、実質的に１／２００とすることができ、バルブの開度を精度よく制御することができる。また、ステッピングモータといった高価なモータを用いる必要がなく、簡単かつ安価な構成で、精度の高い開度制御を行うことができる。

以下、本発明に係る電動アクチュエータの制御装置および制御方法の実施形態を図面を参照して説明する。

図１は本発明に適用される電動アクチュエータの実施形態を示したものであり、本発明に係る電動アクチュエータ１は、図示しない回転バルブに装着される基台２と、この基台２の上方に所定の空間が確保されるように基台２の上面を被覆するカバー部材３とを備えている。基台２の上方には、地板４が基台２との間に所定間隙を有するように設置されており、地板４の上面には、単層誘導式の電動モータ５が搭載されている。また、基台２には、図示しないバルブの弁体の回転軸に連結される出力軸６が配設されており、この基台２と地板４との間には、電動モータ５の回転駆動力を出力軸６に伝達するための図示しない歯車伝達機構が収容されている。

出力軸６の上端部には、カバー部材３の上面まで延設された制御軸７が連結されており、制御軸７の外周下方には、出力軸６および制御軸７の回転動作によりバルブの全開位置および全閉位置に対応する全開検知カム部材８および全閉検知カム部材９がそれぞれ２つずつ取付けられている。また、地板４の上面であって制御棒の近傍には、全開検知カム部材８および全閉検知カム部材９によりＯＮ・ＯＦＦ動作されるマイクロスイッチからなる全開位置検出スイッチ１０および全閉位置検出スイッチ１１がそれぞれ重ねて配置されている。

また、制御軸７の近傍には、開度検出器２４が取り付けられており、制御軸７に取り付けられたギア２７により回転力が開度検出器２４に伝達されてバルブの開度を検出することができるように構成されている。さらに、制御軸７の上端部には、上面が球面とされたバルブの開度インジケータ１２が取付けられており、カバー部材３には、開度インジケータ１２を視認するための視認窓１３が形成されている。

電動モータ５の近傍には、支持板１４が配設されており、支持板１４には、所定の駆動回路が組み込まれた駆動回路基板１５が取付けられている。この駆動回路基板１５には、図示しないバルブの開閉制御システムからの電力が供給されるように構成されている。

図２は、本発明に係る電動アクチュエータの制御装置の実施形態を示した回路図である。

図２に示すように、制御装置１８は、判定制御回路１９を備えており、判定制御回路１９には、判定制御回路１９には、モータ駆動回路２０が接続されている。

電動モータ５には、電源供給回路２１が接続されており、電動モータ５と電源供給回路２１との間には、モータ駆動回路２０からの制御信号に基づいてＯＮ、ＯＦＦ制御される開側スイッチ２２および閉側スイッチ２３が設けられている。そして、モータ駆動回路２０からの制御信号に基づいて、開側スイッチ２２をＯＮにすることにより電動モータ５を開側に回転駆動させるとともに、閉側スイッチ２３をＯＮにすることにより電動モータ５を閉側に回転駆動させることができるように構成されている。

また、制御軸７の近傍に取付けられた開度検出器２４からの開度検出信号ｐｖは、Ａ／Ｄ変換器２５によりデジタル信号である開度検出信号ＰＶに変換されて判定制御回路１９に入力されるように構成されている。

さらに、判定制御回路１９には、図示しない制御システムのホスト側から送られるバルブの開度指令信号ｓｐがＡ／Ｄ変換器２６によりデジタル信号である開度指令信号ＳＰに変換されて入力されるように構成されている。この判定制御回路１９は、ホスト側から送られる開度指令に基づくデジタル開度指令信号ＳＰに基づいて、開度検出器２４から送られる開度検出信号ｐｖ（具体的には、Ａ／Ｄ変換器２５により変換されたデジタル開度検出信号ＰＶ）に応じてモータ駆動回路２０に制御信号を出力し、モータ駆動回路２０により開側スイッチ２２または閉側スイッチ２３のＯＮ、ＯＦＦ制御を行うように構成されている。このとき、判定制御回路１９は、開度検出器２４から送られる開度検出信号ＰＶと開度指令信号ＳＰとを比較して、所定の開度に達するまで、開度指令信号ＳＰに従った制御を継続するようになっている。

そして、本実施形態においては、制御判定回路は、バルブの閉動作時では、開度指令信号ｓｐに応じてモータ駆動回路２０に制御信号を出力するとともに、バルブの開動作時では、開度指令信号ＳＰを「ＳＰ−１」としてモータ駆動回路２０に制御信号を出力するように構成されている。

次に、前記制御装置１８を用いた本発明に係る電動アクチュエータの制御方法について図３に示すフローチャートおよび図４に示す開度指令信号ＳＰと開度検出信号ＰＶとの関係図を参照して説明する。

まず、バルブを所定の開度に閉動作させる場合は、ホスト側から送られるバルブの開度指令信号ｓｐは、Ａ／Ｄ変換器２６によりデジタル信号である開度指令信号ＳＰに変換されて判定制御回路１９に入力される。判定制御回路１９は、この開度指令信号ＳＰと開度検出器２４から送られる開度検出信号ＰＶとを比較し、この開度指令信号ＳＰから開度検出信号ＰＶを減じた値が、０か１の場合は、バルブが開度指令信号ＳＰに応じた開度であると判断して、バルブの開閉動作は行わない（ＳＴ１）。

また、開度指令信号ＳＰから開度検出信号ＰＶを減じた値が、−１以下の場合は、バルブを閉じる指令であると判断して、開度指令信号ＳＰをそのまま実際にバルブを駆動する基準となる開度指令信号ＳＰ1 に設定してモータ駆動回路２０に制御信号を出力し（ＳＴ２）、モータ駆動回路２０により閉側スイッチ２３がＯＮに制御される（ＳＴ３）。そして、閉側スイッチ２３がＯＮにされると、電源供給回路２１から電動モータ５に電力が供給され、電動モータ５によりバルブが閉側に回転駆動される。このとき、判定制御回路１９は、常時、開度検出器２４から送られる開度検出信号ＰＶと開度指令信号ＳＰ1 とを比較し、この開度指令信号ＳＰ1 から開度検出信号ＰＶを減じた値が、−１より大きくなるまで、すなわち、バルブが所定の開度に達するまで、開度指令信号ＳＰ1 に従った制御を継続する（ＳＴ４）。そして、この開度指令信号ＳＰ1 から開度検出信号ＰＶを減じた値が、−１より大きくなり、バルブが所定の開度に達したと判断したら、モータ駆動回路２０により閉側スイッチ２３をＯＦＦに制御して電動モータ５の駆動を停止させる（ＳＴ５）。

このような動作について図４を参照して具体的に説明する。ここで、マス目内の数値は、ＳＰ−ＰＶの値であり、ＳＰ−ＰＶが０または１のときバルブは停止待機状態となり、−１≦（ＳＰ−ＰＶ）のときバルブは閉動作、（ＳＰ−ＰＶ）＜１のときバルブは開動作となる。例えば、図４の「例１」に示すように、バルブ開度の分解能を１／４００とした場合に、バルブが開いている状態（開度検出信号ＰＶが「５３」の状態）から、開度指令信号ＳＰ「５０」に基づいて閉動作させる場合は、判定制御回路１９により、開度指令信号ＳＰ「５０」を閉動作時にそのまま実際にバルブを駆動する基準となる開度指令信号ＳＰ1 「５０」に設定し、この開度指令信号ＳＰ1 「５０」に基づいてモータ駆動回路２０に制御信号を出力して電動モータ５を駆動制御するものである。そして、この開度指令信号ＳＰ1 から開度検出信号ＰＶを減じた値が、−１より大きくなった場合、すなわち、開度検出信号ＰＶが「５１」より小さくなった場合には、バルブが所定の開度に達したと判断し、モータ駆動回路２０により閉側スイッチ２３をＯＦＦに制御して電動モータ５の駆動を停止させるものである。これにより、電動モータ５の駆動によりバルブの開度は「５０」か、あるいは電動モータ５の行き過ぎがあった場合でも、バルブの開度は「４９」となる。

また、バルブを所定の開度に開動作させる場合は、図３に示すように、ホスト側からバルブの開度指令信号ＳＰが、Ａ／Ｄ変換器２６によりデジタル信号に変換されて判定制御回路１９に入力されると、判定制御回路１９は、開度指令信号ＳＰから開度検出信号ＰＶを減じた値が、１より大きい場合は、バルブを開く指令であると判断して、開動作時に実際にバルブを駆動する基準となる開度指令信号ＳＰ2 を「ＳＰ−１」としてモータ駆動回路２０に制御信号を出力する（ＳＴ６）。そして、この開度指令信号ＳＰ2 に基づいて、モータ駆動回路２０により開側スイッチ２２がＯＮに制御され（ＳＴ７）、電源供給回路２１から電動モータ５に電力が供給され、電動モータ５によりバルブが開側に回転駆動される。

そして、この開度指令信号ＳＰ2 から開度検出信号ＰＶを減じた値が、１以下となり、バルブが所定の開度に達したと判断したら（ＳＴ８）、モータ駆動回路２０により開側スイッチ２２をＯＦＦに制御して電動モータ５の駆動を停止させる（ＳＴ９）。

具体的には、図４の「例２」に示すように、バルブが閉じている状態（開度検出信号ＰＶが「４６」の状態）から、開度指令信号ＳＰ「５０」に基づいて開動作させる場合は、判定制御回路１９により、開度指令信号ＳＰ「５０」を閉動作時に実際にバルブを駆動する基準となる開度指令信号ＳＰ2 「４９（ＳＰ2 ＝ＳＰ−１）」に設定し、この開度指令信号ＳＰ2 「４９」に基づいてモータ駆動回路２０に制御信号を出力して電動モータ５を駆動制御するものである。そして、この開度指令信号ＳＰ2 から開度検出信号ＰＶを減じた値が、１より小さくなった場合、すなわち、開度検出信号ＰＶが「４８」より大きくなった場合には、バルブが所定の開度に達したと判断し、モータ駆動回路２０により開側スイッチ２３をＯＦＦに制御して電動モータ５の駆動を停止させるものである。これにより、電動モータ５の駆動によりバルブの開度は「４９」か、あるいは電動モータ５の行き過ぎがあった場合でも、バルブの開度は「５０」となる。

そして、これら各動作を開度指令信号ＳＰが変更される毎に行うことにより、所望の開度制御が行われるものであり、本実施形態においては、開動作あるいは閉動作のいずれの動作の場合でも、開度指令信号ＳＰに基づく開度かその−１の開度で制御することが可能となる。

すなわち、従来は、開動作時に図４における開度指令信号ＳＰ「５０」に対して、実際のバルブ開度、すなわち開度検出信号ＰＶが「５０」となったとき、そのまま「５０」で停止するか、慣性により行き過ぎが発生して「５１」で停止となっていた。また、閉動作時においては、図４における開度指令信号ＳＰが「５０」に対して、実際のバルブ開度、すなわち開度検出信号ＰＶが「５０」となったとき、そのまま「５０」で停止するか、慣性による行き過ぎが発生して「４９」で停止していた。よって、開度指令信号ＳＰ「５０」に対して実際に停止する開度指令信号ＰＶは、「５１」、「５０」、「４９」の３位置となる。

このような行き過ぎがなく、開度指令信号ＳＰ「５０」の１位置で停止すれば、位置決め精度は１／４００となるが、行き過ぎを不感帯として±１ビット設ける必要があるため、位置決め精度として３／４００となっていた。このように不感帯として許容範囲を設けておかないと、開度指令信号に基づいて忠実に判断した場合に電動モータが反転動作を繰り返すいわゆる「ハンチング制御」を生じてしまうためである。

本実施形態においては、開度指令信号ＳＰ「５０」に対して実際に停止する開度検出信号ＰＶは「５０」、「４９」の２位置となり、位置決め精度として２／４００すなわち１／２００の精度を得ることができる。

図５は、本実施形態において、開度指令信号ＳＰに基づいて制御した場合における、開度検出信号ＰＶを検出した実験結果を示したものである。この実験は、電動モータとして、ＡＣ１００Ｖ ５０Ｈｚ、４極、定格出力３１Ｗ、定格トルク１９６Ｎ・ｍの電動モータを用いて行った。

この実験結果によれば、総実験回数３３１回のうち、ある開度指令信号ＳＰに対して開度検出信号ＰＶがアナログ値で０．０４ｍＡ（デジタル値で開度１）ずれた場合が、２１５回ともっとも多く、ＳＰ−ＰＶの値がほぼ０か１の範囲で収まるように制御できることがわかる。

また、図６は従来の制御により、開度指令信号ＳＰに対して制御した場合における、開度検出信号ＰＶを検出した実験結果を示したものである。

この実験結果によれば、総実験回数２０１回のうち、ある開度指令信号ＳＰに対して開度検出信号ＰＶがアナログ値で０．０８ｍＡ（デジタル値で開度２）ずれた場合が、８７回ともっとも多く、その前後の開度にも分散しており、バルブ開度の分解能が低下していることがわかる。

なお、バルブ全閉時に開方向へのずれが生じると、流体の漏れが生じる可能性があるが、本実施形態においては、バルブの閉動作時では、開度指令信号ＳＰに応じてモータ駆動回路２０に制御信号を出力するようにしているので、バルブの開側へのずれを確実に防止することができるものである。

したがって、本実施形態においては、開動作あるいは閉動作のいずれの動作の場合でも、開度指令信号ＳＰに基づく開度かその−１の開度で制御することができるので、分解能を１／４００とした場合に、実質的に１／２００とすることができ、バルブの開度を精度よく制御することができる。

また、ステッピングモータといった高価なモータを用いる必要がなく、簡単かつ安価な構成で、精度の高い開度制御を行うことができる。

なお、前記実施形態においては、バルブの閉動作時では、開度指令信号ＳＰに応じてモータ駆動回路２０に制御信号を出力するとともに、バルブの開動作時では、開度指令信号ＳＰを「ＳＰ−１」としてモータ駆動回路２０に制御信号を出力するようにしたが、開動作時の制御と閉動作時の制御とを逆にして、開動作時には開度指令値ＳＰに応じて制御するとともに、閉動作時には、開度指令値ＳＰを＋１として制御するようにしても同様の作用効果を得ることができる。

また、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能である。

本発明に係る制御装置が適用される電動アクチュエータの実施形態を示す正面図である。 本発明に係る電動アクチュエータの制御装置の実施形態を示すブロック図である。 本発明に係る電動アクチュエータの制御方法による動作を示すフローチャートである。 本実施形態における制御による開度指令信号と開度検出信号との関係を示す説明図である。 本実施形態における開度指令信号に基づいて制御した場合による開度検出信号を検出した実験結果を示すグラフである。 従来技術における開度指令信号に基づいて制御した場合による開度検出信号を検出した実験結果を示すグラフである。

符号の説明

１ 電動アクチュエータ
５ 電動モータ
１８ 制御装置
１９ 判定制御回路
２０ モータ駆動回路
２１ 電源供給回路
２２ 開側スイッチ
２３ 閉側スイッチ
２４ 開度検出器

Claims (4)

1. バルブの開閉位置を検出する開度検出器と、
   ホスト側から送られる開度指令に基づくデジタル開度指令信号および前記開度検出器から送られる開度検出信号に応じて電動モータを回転駆動して前記開度指令信号に対応した開度にバルブを開閉動作する制御装置とを備え、
   前記制御装置は、前記バルブの閉動作時では、前記開度指令信号に基づいて制御するとともに、前記バルブの開動作時では、前記開度指令信号を−１として制御するものであることを特徴とする電動アクチュエータの制御装置。
2. バルブの開閉位置を検出する開度検出器と、
   ホスト側から送られる開度指令に基づくデジタル開度指令信号および前記開度検出器から送られる開度検出信号に応じて電動モータを回転駆動して前記開度指令信号に対応した開度にバルブを開閉動作する制御装置とを備え、
   前記制御装置は、前記バルブの閉動作時では、前記開度指令信号を＋１として制御するとともに、前記バルブの開動作時では、前記開度指令信号に基づいて制御するものであることを特徴とする電動アクチュエータの制御装置。
3. ホスト側から送られる開度指令に基づくデジタル開度指令信号および開度検出器から送られる開度検出信号に応じて電動モータを回転駆動して前記開度指令信号に対応した開度にバルブを開閉動作する電動アクチュエータの制御方法において、
   前記バルブの閉動作時では、前記開度指令信号に基づいて制御するとともに、前記バルブの開動作時では、前記開度指令信号を−１として制御することを特徴とする電動アクチュエータの制御方法。
4. ホスト側から送られる開度指令に基づくデジタル開度指令信号および開度検出器から送られる開度検出信号に応じて電動モータを回転駆動して前記開度指令信号に対応した開度にバルブを開閉動作する電動アクチュエータの制御方法において、
   前記バルブの閉動作時では、前記開度指令信号を＋１として制御するとともに、前記バルブの開動作時では、前記開度指令信号に基づいて制御することを特徴とする電動アクチュエータの制御方法。

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