JP6062246B2 - モーター電流に基づいてポンプ圧を決定する調整回路および方法 - Google Patents

Description

本発明は、一般的には電気モーターの出力測定の分野に関する。本発明は、具体的にはＨブリッジ回路により駆動されたステッピングモーターの出力測定に関する。

流体分注技術においては、流体圧力を把握するのが望ましい。従来は専用の圧力センサーを用いて把握していた。しかしながら、センサーに掛かる高い費用、信頼性、圧力レベル、流体温度、またはシステムの動作環境等により、システムに圧力センサーを備えるのが現実的ではない場合もある。一方、ポンプを駆動している電気モーターの電流を用いてポンプ圧を推定することが知られている。これは、モーター電流が出力トルクと関連しており、また、ポンプの駆動に必要なこのトルクがポンプ圧と関連していて予測可能なためである。この分野の刊行文献の例としては、米国特許第５，９６７，２５３号、米国特許第６，０９２，６１８号、米国特許第６，４５３，８７８号、米国特許第６，５７７，０８９号、米国特許第６，７３９，８４０号、および米国特許出願公開第２００６／０１４５６５１号等が挙げられる。これらすべての文献は、本明細書中に参考として援用する。

本発明は、この技術分野において、ステッピングモーター用Ｈブリッジ制御装置を改善することにより、電流測定に基づいて高精度に圧力を表示するものである。

従来のステッピングモーター用Ｈブリッジ駆動回路の概略図である。 Ｈブリッジ検出抵抗からモーター電流を測定する回路のブロック図である。 Ｈブリッジ検出抵抗からモーター電流を測定する回路の概略図である。 モーター電流からポンプ圧を導出するためのフローチャートである。 モーター電流からポンプ圧を算出する際に使用する利得テーブルを導出するためのフローチャートである。 モーター電流からポンプ圧を算出する際に使用するスケール因子を導出するためのフローチャートである。 図４〜図６に適用する０ｐｓｉ基線の基準ベクトルを生成するプロセスフローチャートの一例である。 補正因子を生成するプロセスフローチャートの一例である。

以下の実施形態は、ステッピングモーター用Ｈブリッジ駆動回路におけるモーター電流に基づいてポンプ圧を決定するためのものである。ただし、本発明は、モーター駆動ポンプに限定されない。本発明は、機械出力がモータートルクと関連する任意のモーター駆動装置に適用可能である。別の応用例としては、モーター駆動軸により持ち上げられた負荷の重量の決定が挙げられる。
電流検出信号の調整および測定
図１は、従来の２相ステッピングモーター用Ｈブリッジ駆動回路１００の概略図であって、ＨブリッジのＤＭＯＳ−ＦＥＴ３０、４０の接地経路に設けた第１、第２位相検出抵抗１０、２０を示す。モーター電流は、これら抵抗での電圧降下により検出される。この技術は、当該技術分野では周知である。この分野の刊行文献としては、米国特許第４，７１０，６８６号、米国特許第５，６４６，５２０号、米国特許第５，７０３，４９０号、および米国特許第５，８７４，８１８号等が挙げられる。図２は、本発明の一実施形態を示したブロック図であって、アナログ・デジタル変換器により図１の検出抵抗からモーター電流を測定する信号調整回路を示している。図２に示すように、各モーター駆動の位相は、アクティブ半波整流器４０、４１によって整流される。整流された信号は、２入力積分器４２によって加算・積分される。また、包絡線検出器４３により、信号雑音が除去される。信号はその後、ＤＣ増幅および電圧変換４４を経て、Ａ／Ｄ変換器で読み出す信号レベルが最大化される。すなわち、信号のレベルは、予想されるダイナミックレンジがＡ／Ｄ変換器の入力レンジと整合して変換器の分解能が最大限に利用可能となるように、シフトおよび増幅が行われる。信号は、Ａ／Ｄ変換器の駆動前に、バッファ増幅器４５によってバッファリングされる。図３は、図２の調整回路の詳細な回路実装図である。
モーター電流からのポンプ圧モデルの導出
モーターおよび流体ポンプを備えた本発明の一実施形態において、ポンプ圧とモーター電流との関係は、ルックアップテーブルにより設定される。ルックアップテーブルを使用するのは、データ処理を迅速化するとともに、圧力と電流との関係が連続関数ではないためである。所定の時間にわたってポンピングが発生する一実施形態において、校正プロセスを実行することによって、ポンププロセス中の離散サンプル周期の間、モーター電流値のデータセットが所定のポンプ流量に対して測定されて記憶される。図４〜図６においては、各ポンプ流量に対して、電流測定を１２５０回行っている。

図４は、所与のポンプ速度に対する利得補正スケール因子を用いてモーター電流データのスケーリングを行うことにより単一の分注速度の圧力プロファイルを生成するフローチャートを示している。一実施形態において、ポンプは、所定の時間枠を有する所定のプロセスにおいて流体を分注する。図示の実施形態において、ステップ２１０において、分注時間枠に電流測定を１２５０回行う。ステップ２２０において、利得補正スケール因子により各電流測定のスケーリングを行って、１２５０回分の電流測定値に対応するポンプ圧を生成する。ポンプ流量に対する適正なスケール因子を決定するには、スケール因子テーブルを使用する。ステップ２３０において、スケーリングを行った各電流測定値を分注プロファイルバッファにロードする。なお、図４〜図７の計算はすべて、各個別のデータ点の分注速度に基づいて実時間で行う。

図５および図６は、モーター電流からポンプ圧へのスケーリングに使用する利得補正スケール因子を生成するとともに、１２５０回の各サンプル測定の値を有する校正利得テーブルを生成するプロセスを示している。生産プロセスにおけるポンプの動作では、測定された電流値は、スケーリングされて、適用可能な流量の校正テーブルと比較される。このように、生産プロセスを校正テーブルの値と比較した結果、ならびに生産プロセスが校正値と十分に近いか否か、すなわち校正値からの偏差があるか否かを判定することができる。このような偏差がある場合は、機器の故障またはその他のシステム異常が考えられ、偏差が大きいと、偏差のある特定の生産プロセスにおける材料の処理が中断されてしまう。

図５は、適用可能なすべての流量を網羅する利得テーブルを作成するためのフローチャートである。
ポンプのサイクル試験によって、３つのデータセットが取得される。このサイクル試験は、０．１〜３．０ｍＬ／ｓの３０通りの速度による分注の全てにおいてポンプを動作させることを含む。これらのデータは、計算の高速化のために参照するテーブルとしてポンプのメモリーに保持される。上記３つのテーブル形式のデータセットは、１）０ｐｓｉ基線の基準ベクトル、２）利得テーブル行列、および３）利得補正スケール因子ベクトルである。これら３つのデータセットのそれぞれについて、各行は、０．１〜３．０ｍＬ／ｓの特定の分注速度に対応する。

図５は、３０通りのポンプ速度の利得テーブルを作成するためのフローチャートである。ステップ３１０において、（各行が異なるポンプ速度を表す）電流検出値の３０×１２５０の行列に３０×１の基線ベクトルを加算する。ステップ３２０において、１２５０個の値を有する各行について、定常応答を分離する。ステップ３３０において、電流データの分離された行の各々について、線形近似を行う。そして、ステップ３４０において、線形近似データをステップ３２０の定常データと組み合わされて、利得テーブルの行を生成する。このプロセスは、各流量の行について繰り返す。

図６は、各分注速度のスケール因子を算出するためのフローチャートである。ステップ４１０において、各行の定常値を分離する。ステップ４２０において、各行の各速度ベクトルの平均を算出する。これにより、３０×１の値を有する行列が生成される。ステップ４３０において、３０個の値の最大値を取得する。そして、ステップ４４０において、行列中の３０個の各値を最大値で除算して、各値を正規化する。

図７は、各分注速度に対する０ｐｓｉ基線の基準ベクトルを算出するためのフローチャートである。なお、このベクトルは、図５のフローチャートにおいて使用される。ステップ５１０において、ポンプを所定の速度に設定するとともに、無負荷とする。ステップ５２０において、この所定の速度でポンプを１分注サイクル動作させる。ステップ５３０は、ポンプ分注サイクルの時間とともに量子化された電流測定値を記録することを含む。ステップ５４０において、分注サイクルの定常部分からの電流測定値が平均化される。そして、ステップ５５０において、平均値が、当該所定の分注速度の０ｐｓｉ基線値となるように付与される。ポンプの動作中、この０ｐｓｉ基線値は、分注速度に基づいて参照されて、入力電流値から減算される。

一実施形態を実施した結果として、ポンプが長い期間にわたって動作すると、同じポンプ圧を生成するのに必要なモーター力の大きさが短期的に微小変動する可能性があることが分かった。この変動は、同じポンプ圧を取得するための電流検出測定の増加として反映される。また、この変動は、上記プロセスの最終的な精度に影響を及ぼす可能性がある。幸い、分注時の機械的なポンプアセンブリの短期的な変動は、ポンプサイクルのリチャージ部分に反映されるため、リチャージの際に取得される電流サンプルを用いて機械的なポンプアセンブリに起因する短期的な変動を検出・補正することによって、分注精度をさらに向上することができる。

一実施形態において、ポンプの分注が完了して、利得補正値が分注バッファに保存されると、ポンプはリチャージを行う。このリチャージの間、補正されていない電流出力サンプルは合算される。リチャージの最後には、この実行中の合計値が総リチャージ電流サンプル数で除算されることにより、平均リチャージ電流が求められる。このリチャージ平均は、リチャージ速度で除算されることにより、正規化リチャージ平均が求められる。そして、この正規化リチャージ平均は、１０通りの分注補正因子指数に対応する１０個の補正レンジのうちの１つに分類される。この指数は、速度（０．１〜３．０ｍＬ／ｓ）に加算されて、分注補正テーブル（３０×１０個の要素を含む）の指数を構成する。この分注補正因子は、分注プロファイルバッファのすべてのサンプルに加算されて、補正は完了となる。

図８は、分注補正因子を求めるステップを示したフローチャートである。ステップ６１０においては、平均リチャージ電流をリチャージ速度で除算することによって、正規化リチャージ平均を求める。ステップ６２０においては、１０通りの分注補正因子指数に対応する１０個の補正レンジのうちの１つに正規化リチャージ平均を分類する。ステップ６３０において、３０通りの各分注速度に対して、考え得る１０個の補正因子により３０×１０の分注補正テーブルを作成する。そして、ステップ６４０においては、各分注速度の然るべき分注補正因子を当該速度の分注プロファイルバッファの１２５０個の要素に加算する。

時間とともにポンプ圧を特徴付けて、モーター電流値のスケーリングおよび調整を行う図４〜図８の方法は、本発明の一実施形態に過ぎない。プロセスサイクルにわたって異なる動作条件でモーター及びポンプのうちの少なくとも一方の挙動をモデル化するその他の手法についても、本発明の範囲内である。たとえば、所定の時間において各電流サンプルに１つのテーブル値を使用する代わりに、ポンプの生産工程においてはテーブル値よりも多くのモーターサンプルがあってもよい。この場合は、テーブル値を補間することによって、テーブル値が記録される時間の間に電流測定が一度に行われる場合の予想される電流を決定する。別の例としては、電流値のオフセットおよび線形近似によりプロセスをモデル化する代わりに、広いデータ空間が利用可能である場合は、補正されていない値を使用することもできる。

本発明の一態様は、時間とともにモーター電流を測定し、当該プロセスの所望のプロファイルにおける電流の値を記憶したテーブルと比較することによって、モーター駆動プロセスが時間とともに所定のプロファイルと一致するか否かを判定することである。プロセスが発生し得る条件が多数存在する場合は、同じ数のテーブルが各条件に１つずつ記憶される。別の実施形態においては、各条件に１つのテーブル（たとえば、３０通りの流量に３０個のテーブル）を使用する代わりに、テーブルの数を減らして、２つのテーブルからの補間値を両テーブル間の条件レベルに使用してもよい。たとえば、５ｍＬ／ｓ（ミリリットル／秒）ずつ増加するテーブルがあって、生産工程が２２ｍＬ／ｓで行われる場合は、２０ｍＬ／ｓおよび２５ｍＬ／ｓのテーブルについてエントリを補間する。

前述の通り、本発明はモーター駆動ポンプに限定されない。本明細書に記載の方法を用いれば、モーター電流に基づいて任意のモーター駆動プロセスを特徴付けるとともに、当該プロセスの所望の結果を取得するための校正値セットに対して、実際の生産工程を比較することができる。

図９に示す別の実施形態においては、上記のようなアナログ・デジタル変換器およびデジタル処理を使用する代わりに、ウィンドウコンパレータを用いてＨブリッジの電流を検出するようにしてもよい。ウィンドウコンパレータは、電流が所定の限界値を上回るか下回ると、高レベルの出力を生成する。本実施形態は、モーターが故障、損傷、または過負荷の場合に、検出等の低分解能の用途に利用可能である。また、上限値および下限値を設定することによって、許容動作帯域を監視するとともに、限界値を超えた場合にはアラームを起動するようにしてもよい。

以上、具体例を参照しつつ本発明を詳細に説明したが、当業者にとっては、本発明の精神と範囲から逸脱することなく、種々変更および改良が可能であることは明らかであろう。

Claims (5)

1. 所定の期間にわたって実行される予め設定された第１および第２の時間的プロセス段階を有するモーター駆動プロセスを特徴付ける方法であって、プロセス出力がモータートルクと関連する前記方法は、
   前記第１の時間的プロセス段階において、前記モーター駆動プロセスの所定のプロセス出力に関連する第１の動作中に前記所定の期間に複数の第１の離散時間周期でモーター電流を測定して、前記モーター駆動プロセスの第１の動作の複数のベンチマークのモーター電流値を設定すること、
   前記第１の時間的プロセス段階において、前記複数のベンチマークのモーター電流値を含む前記第１の動作のベンチマークのセットを記憶すること、
   前記第１の時間的プロセス段階に続く前記第２の時間的プロセス段階において、前記モーター駆動プロセスの前記所定のプロセス出力に関連する第２の動作中に複数の第２の離散時間周期でモーター電流を測定して、前記第２の動作の前記モーター電流値の第２のデータセットを作成すること、
   前記第２のデータセットを前記ベンチマークのセットと比較して、前記第２の動作が当該ベンチマークのセットの所定の許容範囲内であるか否かを判定することを備え、
   前記ベンチマークのセットは、
   少なくとも２つのベンチマークのモーター電流値から生成された補間値をさらに含む、方法。
2. 請求項１に記載の方法を実行する調整回路であって、モーター駆動回路の少なくとも２つの出力トランジスタに流れる電流をそれぞれ検出する少なくとも２つの電流検出要素からの電圧信号を調整する前記調整回路において、
   前記少なくとも２つの電流検出要素からの電圧信号を積分する多入力積分器と、
   積分された電圧信号から信号雑音を除去する包絡線検出器と、
   を備えた調整回路。
3. 所定の期間にわたって実行される予め設定された第１および第２の時間的プロセス段階を有する発生するモーター駆動ポンププロセスを特徴付ける方法であって、プロセス圧力がモータートルクと関連する前記方法は、
   前記第１の時間的プロセス段階において、前記モーター駆動ポンププロセスの所定のポンプ圧に関連する第１の動作中に前記所定の期間に複数の第１の離散時間周期でモーター電流を測定して、前記モーター駆動ポンププロセスの前記第１の動作の複数のベンチマークのモーター電流値を設定すること、
   前記第１の時間的プロセス段階において、前記複数のベンチマークのモーター電流値を含む前記第１の動作のベンチマークのセットを記憶すること、
   前記第１の時間的プロセス段階に続く前記第２の時間的プロセス段階において、前記モーター駆動ポンププロセスの前記所定のポンプ圧に関連する第２の動作中に複数の第２の離散時間周期でモーター電流を測定して、前記第２の動作の前記モーター電流値の第２のデータセットを作成すること、
   前記第２のデータセットを前記ベンチマークのセットと比較して、第２のポンプ動作が当該ベンチマークのセットの所定の許容範囲内であるか否かを判定することを備え、
   前記ベンチマークのセットは、
   少なくとも２つのベンチマークのモーター電流値から生成された補間値をさらに含む、方法。
4. 前記第１の時間的プロセス段階は、プロセスの始まりであり、前記第２の時間的プロセス段階は、前記プロセスの終了である、請求項１に記載の方法。
5. 前記第１の時間的プロセス段階は、プロセスの始まりであり、前記第２の時間的プロセス段階は、前記プロセスの終了である、請求項３に記載の方法。