JP2018138819A - 回転制御装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】回転制御装置における相対的位置センサの原点復帰に要する時間を短くし、且つ相対的位置センサによる操作対象軸の位置測定の誤差を小さくする。【解決手段】回転制御装置１００は、操作対象軸２００の回転方向の機械的変位量を非接触で検出する相対的位置センサ１と、操作対象軸の回転可能範囲における互いに異なる複数の位置毎に対応して設けられ、操作対象軸がその対応する位置に到達したときに検知信号を出力する絶対的位置センサ２＿１〜２＿ｎと、検知信号が出力されてからの上記機械的変位量の積算値ＲＰと、その検知信号を出力した絶対的位置センサに対応する位置を示す基準値ＡＰとに基づいて操作対象軸の回転方向の絶対的な位置を算出する位置算出部３とを有し、絶対的位置センサの少なくとも一つは、回転可能範囲における第１および第２位置を除く第３位置に対応して設けられている。【選択図】図１

Description

本発明は、操作対象軸の回転を制御する回転制御装置に関し、例えば調節弁の弁軸を操作する電動式の操作器に関する。
一般に、操作対象の軸の回転を制御する回転制御装置は、軸の回転方向の機械的変位を位置センサによって検出し、その検出結果に基づいて軸の操作量を決定している。例えば、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式の操作器（アクチュエータ）を操作する電動式の操作器では、位置センサとして可変抵抗器から成るポテンショメータを用い、そのポテンショメータによって検出した弁軸の回転方向の機械的変位量に基づいて、弁軸を制御している（特許文献１参照）。
また、軸の回転方向の機械的変位量を測定するための位置センサとしては、ポテンショメータに代表される接触式の位置センサの他に、測定対象の軸の回転方向の絶対的な位置を非接触で検出する非接触式の絶対的位置センサや、測定対象の軸の回転方向の相対的な位置を非接触で検出する非接触式の相対的位置センサが知られている。例えば、非接触式の絶対的位置センサとしては、検出対象軸の絶対的な角度位置に対応したコード信号を出力するアブソリュート型のロータリエンコーダが、非接触式の相対的位置センサとしては、検出対象軸の回転角度に対応してパルスを出力するインクリメンタル型のロータリエンコーダが、夫々知られている（特許文献２参照）。
特開２０１１−７４９３５号公報 特開２０１０−２８６４４４号公報
一般に、ポテンショメータは、摺動子を機械的に操作することによる抵抗値の変化を出力するセンサであるため、耐久性が低く、製品寿命が短い傾向がある。また、ポテンショメータの代わりに、絶対的非接触位置センサとしてのアブソリュート型のロータリエンコーダを用いた場合、一般に部品単価が高い上に、アブソリュート型のロータリエンコーダを駆動するためのバッテリが別途必要になることから、製品コストが増大してしまう。
そこで、本願発明者は、調節弁を操作する電動式の操作器において、ポテンショメータの代わりに、ロータリエンコーダ等の非接触式の位置センサを用いることを検討した。その検討の結果、以下に示す課題があることが明らかとなった。
電動式の操作器において、非接触式の相対的位置センサとしてのインクリメンタル型のロータリエンコーダを用いた場合、そのロータリエンコーダから出力されるパルスの数を測定開始点（原点）からカウントし、そのパルス数の積算値に基づいて操作対象軸としての弁軸の回転方向における絶対的な位置を算出する必要がある。そのため、電源投入直後は、弁軸を一度原点に戻して、ロータリエンコーダの出力パルス数の積算値をリセットする“原点復帰”の処理が必須となる。
この原点復帰における“原点”を、弁開度が全閉となる弁軸の位置（以下、「全閉位置」とも称する。）、または弁開度が全開となる弁軸の位置（以下、「全開位置」とも称する。）に設定した場合、調節弁を操作する電動式の操作器では、原点復帰が完了するまでに長い時間を要するという課題がある。
例えば、調節弁を操作する電動式の操作器は、電動モータと、この電動モータの回転トルクを減速する歯車機構から成る減速機を備えており、この減速機によって減速された回転トルクによって出力軸を回転させることにより、その出力軸に連結された弁軸を操作している。
一般に、電動式の操作器では、この減速機による減速比が数百分の一から数千分の一に設定されているため、弁軸が全開位置から全閉位置まで移動するのに要する時間（フルストローク時間）が無視できないほど長くなる。例えば、従来の電動式の操作器では、弁軸が全開位置から全閉位置まで到達するまでに約６０秒を要していた。
したがって、その従来の電動式の操作器に、ポテンショメータの代わりにインクリメンタル型のロータリエンコーダを設け、且つ弁軸の原点を全閉位置に設定した場合、弁軸を全開位置から原点復帰させたとすると、原点復帰が完了するまでに少なくとも６０秒の時間を要することになる。なお、原点を全開位置に設定し、弁軸を全閉位置から原点復帰させた場合も同様である。
このように、電動式の調節弁において、ポテンショメータの代わりに非接触式の相対的位置センサを用い、且つ原点復帰における原点の位置を全閉位置または全開位置に設定した場合、原点復帰が完了するまでの待機時間が長くなるという課題がある。
また、非接触式の相対的位置センサを用いた場合、調節弁の弁開度制御が正確に行われないおそれがある。例えば、インクリメンタル型のロータリエンコーダを用いた電動式の操作器を原点復帰させることなく長時間運転した場合、弁軸の回転方向を切り換えた時に減速機等を構成する歯車で発生するバックラッシュが累積し、弁開度の測定結果に誤差が生じる。また、ステッピングモータや同期モータ等の電動モータをオープンループで使用した場合に、その電動モータが脱調すると弁開度の測定結果に誤差が生じる。また、同期モータにおいては、電源周波数の変動等によっても、弁開度の測定結果に誤差が生じる。
このように、ポテンショメータの代わりに相対的非接触センサを用いた場合、バックラッシュの累積やオープンループの電動モータの脱調、および電源周波数の変動により、相対的非接触センサによる弁軸の回転方向の機械的変位量の測定誤差が大きくなり、調節弁の弁開度制御が正確に行われないおそれがある。
本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、非接触式の相対的位置センサによって操作対象軸の回転方向の位置の測定を行う回転制御装置において、操作対象軸の原点復帰に要する時間を短くし、且つ操作対象軸の位置測定の誤差を小さくすることにある。
本発明に係る、操作対象軸（２００）の回転を制御する回転制御装置（１００）は、操作対象軸の回転方向の機械的変位量を非接触で検出する相対的位置センサ（１）と、操作対象軸の回転方向における第１位置（Ｐｃ）から第２位置（Ｐｏ）までの回転可能範囲（ＳＲ）において、互いに異なる複数の位置毎に対応して設けられ、操作対象軸がその対応する位置に到達したときに検知信号を夫々出力する複数の絶対的位置センサ（２＿１〜２＿ｎ）と、検知信号が出力されてからの、相対的位置センサによって検出された機械的変位の積算値（ＲＰ）と、その検知信号を出力した絶対的位置センサに対応する位置を示す基準値（ＡＰ）とに基づいて、操作対象軸の回転方向の絶対的な位置を算出する位置算出部（３）と、操作対象軸の回転方向の目標位置の情報（ＳＰ）と、位置算出部によって算出された操作対象軸の絶対的な位置（ＰＶ）とに基づいて、操作対象軸の操作量（ＭＶ）を算出する操作量算出部（４）と、操作量算出部によって算出された操作量に基づいて、操作対象軸の回転方向における第１位置から第２位置までの回転可能範囲内において操作対象軸を操作する操作部（５）とを備え、複数の絶対的位置センサのうち少なくとも一つは、回転可能範囲における第１位置および第２位置を除く第３位置（Ｐａ，Ｐｍ，Ｐｂ）に対応して設けられていることを特徴とする。
上記回転制御装置において、位置算出部は、絶対的位置センサから検知信号が出力された場合に、上記機械的変位の積算値をリセットしてもよい。
上記回転制御装置において、第３位置は、第１位置と第２位置との中間点（Ｐｍ）であってもよい。
上記回転制御装置において、複数の絶対的位置センサのうちの一つは、操作対象軸が第１位置（弁開度が０％となる位置Ｐｃ）に到達したときに検知信号を出力してもよい。
上記回転制御装置において、複数の絶対的位置センサのうちの一つは、操作対象軸が第２位置（弁開度が１００％となる位置Ｐｏ）に到達したときに検知信号を出力してもよい。
上記回転制御装置において、操作対象軸は、調節弁の弁軸（２００）であって、第１位置は、調節弁の弁開度が０％となるときの弁軸の回転方向の位置であり、第２位置は、調節弁の弁開度が１００％となるときの弁軸の回転方向の位置であり、第３位置は、調節弁が０％および１００％以外の弁開度となるときの弁軸の位置であってもよい。
上記回転制御装置において、相対的位置センサは、インクリメンタル型のロータリエンコーダであってもよい。
上記回転制御装置において、絶対的位置センサは、リミットスイッチであってもよい。
なお、上記説明では、一例として、発明の構成要素に対応する図面上の参照符号を、括弧を付して記載している。
以上説明したことにより、本発明によれば、非接触式の相対的位置センサによって操作対象軸の回転方向の位置の測定を行う回転制御装置において、操作対象軸の原点復帰に要する時間を短くし、且つ操作対象軸の位置測定の誤差を小さくすることが可能となる。
図１は、実施の形態１に係る回転制御装置の構成を示す図である。 図２は、絶対的位置センサの配置例を示す図である。 図３Ａは、絶対的位置センサの具体的な構造の一例を示す図である。 図３Ｂは、絶対的位置センサの具体的な構造の一例を示す図である。 図３Ｃは、絶対的位置センサの具体的な構造の一例を示す図である。 図３Ｄは、絶対的位置センサの具体的な構造の一例を示す図である。 図３Ｅは、絶対的位置センサの具体的な構造の一例を示す図である。 図４は、実施の形態１に係る回転制御装置の原点復帰動作モードにおける動作の流れを示す図である。 図５は、実施の形態１に係る回転制御装置の通常動作モードにおける動作の流れを示すフロー図である。 図６は、絶対的位置センサの別の配置例を示す図である。 図７は、絶対的位置センサの別の配置例を示す図である。 図８は、絶対的位置センサの別の具体的な構造の一例を示す図である。
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。なお、以下の説明において、各実施の形態において共通する構成要素には同一の参照符号を付し、繰り返しの説明を省略する。
＜実施の形態１＞
≪回転制御装置の構成≫
図１は、実施の形態１に係る回転制御装置の構成を示す図である。
同図に示される回転制御装置１００は、例えば、プラント等において流量のプロセス制御に用いられるボール弁等のロータリ式の調節弁の弁軸の回転を制御する電動式の操作器である。
具体的に、回転制御装置１００は、図示されていない上位装置から与えられた調節弁の弁開度の目標値（設定値）ＳＰと調節弁の弁開度の実測値（以下、「実開度」とも称する。）ＰＶとの偏差ΔＰを算出し、その偏差ΔＰが０になるように弁軸２００を駆動することにより、調節弁の弁開度が目標値となるように制御する操作器である。
以下、回転制御装置１００の具体的な構成について説明する。
図１に示すように、回転制御装置１００は、相対的位置センサ１、複数の絶対的位置センサ２＿１〜２＿ｎ（ｎは、２以上の整数）、位置算出部３、操作量算出部４、および操作部５を備えている。
これらの機能部は、例えば金属材料から成る筐体内部に収容される。なお、回転制御装置１００は、上述した機能部に加えて、調節弁の弁開度等の各種情報をユーザに提示するための表示部（例えば液晶ディスプレイ）や外部機器との間でデータの送受信を行うための通信回路等を備えていてもよい。
先ず、調節弁の実開度、すなわち弁軸２００の回転方向の位置を測定するための相対的位置センサ１および絶対的位置センサ２＿１〜２＿ｎについて説明する。
相対的位置センサ１は、回転制御装置１００の操作対象軸としての弁軸２００の回転方向の機械的変位を非接触で検出する機能部である。相対的位置センサ１としては、検出対象軸（弁軸２００）の回転角度に対応してパルスを出力するインクリメンタル型のロータリエンコーダを例示することができる。本実施の形態では、相対的位置センサ１が、インクリメンタル型のロータリエンコーダであるとして説明する。
絶対的位置センサ２＿１〜２＿ｎは、操作対象軸である弁軸２００が回転方向における所定の位置に到達したときに検知信号を出力する機能部である。絶対的位置センサ２＿１〜２＿ｎは、弁軸２００が回転方向において特定の位置に到達したことを示す電気信号を出力することが可能な部品であればよい。具体的には、絶対的位置センサ２＿１〜２＿ｎとして、例えば、リミットスイッチ、フォトインタラプタ、またはホール素子等を用いることができる。ここで、上記電気信号は、弁軸２００が回転方向において特定の位置に到達したことを示す信号であればよく、例えばオン・オフ信号（状態を表す信号、例えばデジタル信号）である。
図２は、絶対的位置センサ２＿１〜２＿ｎの配置例を示す図である。同図には、ｎ＝５である場合の絶対的位置センサ２＿１〜２＿５の配置例が示されている。
図２に示すように、絶対的位置センサ２＿１〜２＿５は、弁軸２００の回転可能範囲ＳＲ内において、互いに異なる複数の位置毎に対応して設けられ、弁軸２００がその対応する位置に到達したときに検知信号を夫々出力する。
ここで、回転可能範囲ＳＲとは、弁軸２００の回転方向における移動可能範囲であり、例えば、第１位置としての弁開度が０％となる全閉位置Ｐｃから、第２位置としての弁開度が１００％となる全開位置Ｐｏまでの範囲を示す。
回転制御装置１００において、絶対的位置センサ２＿１〜２＿５は、弁開度が０％から１００％までの範囲における何れかの位置に対応して設けられている。例えば、図２に示す配置例の場合、絶対的位置センサ２＿１は、弁開度が０％となる全閉位置Ｐｃに対応して設けられ、絶対的位置センサ２＿２は、弁開度が２０％となる位置Ｐａに対応して設けられ、絶対的位置センサ２＿３は、弁開度が５０％となる位置Ｐｍに対応して設けられ、絶対的位置センサ２＿４は、弁開度が７０％となる位置Ｐｂに対応して設けられ、絶対的位置センサ２＿５は、弁開度が１００％となる全開位置Ｐｏに対応して設けられている。
図２に示す配置例の場合、絶対的位置センサ２＿１は、弁軸２００が全閉位置Ｐｃに到達したときに検知信号を出力する。絶対的位置センサ２＿２は、弁軸２００が位置Ｐａ（弁開度：２０％）に到達したときに検知信号を出力する。絶対的位置センサ２＿３は、弁軸２００が位置Ｐｍ（弁開度：５０％）に到達したときに検知信号を出力する。絶対的位置センサ２＿４は、弁軸２００が位置Ｐｂ（弁開度：７０％）に到達したときに検知信号を出力する。絶対的位置センサ２＿５は、弁軸２００が全開位置Ｐｏ（弁開度：１００％）に到達したときに検知信号を出力する。
次に、絶対的位置センサ２＿１〜２＿ｎの具体的な構造について説明する。
図３Ａ〜３Ｅは、絶対的位置センサ２＿１〜２＿ｎの具体的な構造の一例を示す図である。ここでは、ｎ＝５とした場合が図示されている。
具体的に、図３Ａは、弁軸２００が絶対的位置センサ２＿１〜２＿ｎの一つに到達したときの絶対的位置センサ２＿１〜２＿ｎの構造を模式的に示す平面図であり、図３Ｂは、弁軸２００が絶対的位置センサ２＿１〜２＿ｎの一つに到達したときの絶対的位置センサ２＿１〜２＿ｎの構造を模式的に示す側面図である。また、図３Ｃは、弁軸２００が絶対的位置センサ２＿１〜２＿ｎの何れにも到達していないときの絶対的位置センサ２＿１〜２＿ｎの構造を模式的に示す平面図であり、図３Ｄは、弁軸２００が絶対的位置センサ２＿１〜２＿ｎの何れにも到達していないときの絶対的位置センサ２＿１〜２＿ｎの構造を模式的に示す側面図である。また、図３Ｅは、絶対的位置センサ２＿１〜２＿ｎの構造を模式的に示す別の側面図である。
絶対的位置センサ２＿ｉ（１≦ｉ≦ｎ）は、例えば図３Ａ〜３Ｅに示されるように、抵抗Ｒと２つの電極２１、２２をプリント基板２０上に配置することによって実現することができる。
具体的には、プリント基板２０の一方の主面２０ａに電極２１を形成するとともに、電極２１と電源電圧が供給される電源ラインＶｃｃとの間に抵抗Ｒを接続する。また、プリント基板２０の他方の主面２０ｂに電極２２を形成するとともに、電極２２を、グラウンド電圧が供給されるグラウンドラインＧＮＤに接続する。ここで、抵抗Ｒは、例えば、プリント基板２０の一方の主面２０ａに配置すればよい。また、電源ラインＶｃｃは、例えば、プリント基板２０の一方の主面２０ａに形成し、グラウンドラインＧＮＤは、例えば、プリント基板２０の他方の主面２０ｂに形成すればよい。
プリント基板２０の主面２０ａには、後述する位置算出部３および操作量算出部４として機能するマイクロコントローラやＣＰＵ等のプログラム処理装置を含むＩＣチップ３０が配置される。ここで、上述した抵抗Ｒと電極２１とが接続されるノードｎａは、ＩＣチップ３０の何れか一つの入力端子に接続される。
プリント基板２０には、主面２０ａ，２０ｂを貫通する貫通孔２０ｃが形成され、その貫通孔２０ｃには、弁軸２００が挿通されている。弁軸２００の外周面には、金属から成るショートプレート２０１が接合されている。
図３Ｂ，３Ｄに示されるように、ショートプレート２０１は、例えば正面視コ字状に形成されている。ショートプレート２０１は、対向する一対の端部２０１ａ，２０１ｂがプリント基板２０を挟み込んだ状態で弁軸２００に固定され、弁軸２００とともに回転する。
図３Ａに示すように、例えば、弁軸２００が回転し、ショートプレート２０１が絶対的位置センサ２＿３の位置に到達したとき、ショートプレート２０１の端部２０１ａが絶対的位置センサ２＿３の電極２１と接触するとともに、ショートプレート２０１の端部２０１ｂが絶対的位置センサ２＿３の電極２２と接触する。このとき、電源ラインＶｃｃから、抵抗Ｒ、電極２１、ショートプレート２０１、および電極２２を介してグラウンドラインＧＮＤに至る電流経路が形成され、ノードｎａの電位が０Ｖ（グラウンド電位）となる。
一方、図３Ｂに示すように、弁軸２００が回転し、ショートプレート２０１が絶対的位置センサ２＿１と絶対的位置センサ２＿２との間に到達したとき、ショートプレート２０１の端部２０１ａ，２０１ｂは、何れの絶対的位置センサ２＿１〜２＿５の電極２１，２２にも接触しない状態となる。これにより、各絶対的位置センサ２＿１〜２＿５のノードｎａの電位がＶｃｃ（電源電圧）となる。
このように、各絶対的位置センサ２＿１〜２＿５のノードｎａの電圧変化を検出信号としてＩＣチップ３０に入力することにより、弁軸２００が回転方向における所定の位置に到達したことを検出することが可能となる。
次に、位置算出部３、操作量算出部４、および操作部５について説明する。
位置算出部３は、弁軸２００の絶対的な位置を算出する機能部である。位置算出部３は、絶対的位置センサ２＿１〜２＿ｎの検知信号が出力されてからの、相対的位置センサ１によって検出された機械的変位の積算値と、その検知信号を出力した絶対的位置センサ２＿１〜２＿ｎに対応する位置を示す基準値とに基づいて、操作対象軸の回転方向の絶対的な位置を算出する。
位置算出部３は、例えば、マイクロコントローラやＣＰＵ等のプログラム処理装置によるプログラム処理によって実現することができる。上述の例の場合、プリント基板２０に載置されたＩＣチップ３０によって実現される。
より具体的には、位置算出部３は、基準値更新部３２、相対的位置情報取得部３１、および位置決定部３３を含む。
基準値更新部３２は、絶対的位置センサ２＿１〜２＿ｎから検知信号が出力された場合に、基準値ＡＰを更新するとともにリセット信号ＲＳＴを出力する機能部である。
ここで、基準値ＡＰは、回転可能範囲ＳＲ内における絶対的な位置を示す値であり、弁軸２００の回転方向の絶対的な位置を算出する際の基準となる。
具体的に、基準値更新部３２は、絶対的位置センサ２＿１〜２＿ｎが検知信号を出力する度に、基準値ＡＰを、その検出信号を出力した絶対的位置センサ２＿１〜２＿ｎに対応する位置を示す値に設定する。例えば、図２の例の場合、先ず、弁軸２００が回転して弁開度が２０％となる位置Ｐａに到達し、絶対的位置センサ２＿２が検知信号を出力した場合、基準値更新部３２は、基準値ＡＰを、絶対的位置センサ２＿２に対応する位置Ｐａを示す値に設定する。その後、弁軸２００が更に回転し、弁軸２００が弁開度が５０％となる位置Ｐｍに到達して絶対的位置センサ２＿３が検知信号を出力した場合、基準値更新部３２は、基準値ＡＰを、位置Ｐａを示す値から絶対的位置センサ２＿３に対応する位置Ｐｍを示す値に変更する。
相対的位置情報取得部３１は、相対的位置センサ１によって検出された弁軸２００の回転方向の機械的変位量を取得し、その機械的変位量の積算値ＲＰを算出する機能部である。例えば、相対的位置情報取得部３１は、相対的位置センサ１としてのインクリメンタル型のロータリエンコーダから出力されるパルスをカウントし、そのパルス数の積算値ＲＰを算出する。
また、相対的位置情報取得部３１は、基準値更新部３２からリセット信号ＲＳＴが出力された場合に、それまでにカウントしていたパルス数の積算値ＲＰをリセットする。リセット後、相対的位置情報取得部３１は、パルスのカウント動作を再開する。
すなわち、相対的位置情報取得部３１は、絶対的位置センサ２＿１〜２＿ｎから検知信号が出力される度に、積算値ＲＰをリセットする。したがって、相対的位置情報取得部３１によって算出される積算値ＲＰは、直前に基準値ＡＰが更新されてから次に基準値ＡＰが更新されるまでに、ロータリエンコーダから出力されたパルス数の累積値となる。
位置決定部３３は、基準値更新部３２によって生成された基準値ＡＰと、相対的位置情報取得部３１によって算出されたパルス数の積算値ＲＰに基づく弁軸２００の回転方向の機械的変位量とを加算して、回転可能範囲ＳＲにおける弁軸２００の絶対的な位置を算出する。位置決定部３３は、算出した弁軸２００の絶対的な位置を弁開度に換算し、換算した値を実開度ＰＶとして出力する。
操作量算出部４は、弁軸２００の回転方向の目標位置としての弁開度の目標値ＳＰと、位置算出部３によって算出された実開度ＰＶとに基づいて、弁軸２００の操作量を算出する機能部である。操作量算出部４は、例えば、位置算出部３と同様に、マイクロコントローラやＣＰＵ等のプログラム処理装置によるプログラム処理によって実現することができる。上述の例の場合、プリント基板２０に載置されたＩＣチップ３０によって実現される。
具体的には、操作量算出部４は、目標値取得部４１、偏差算出部４２、および操作量決定部４３を含む。
目標値取得部４１は、例えばバルブ制御システムにおける上位装置（図示せず）から与えられた弁開度の目標値ＳＰを取得する機能部である。目標値ＳＰは、外部コントローラから通信や、例えば4-20mＡのアナログ信号によって設定される。
偏差算出部４２は、目標値取得部４１によって取得された弁開度の目標値ＳＰと、位置算出部３によって算出された実開度ＰＶとの偏差ΔＰを算出する機能部である。
操作量決定部４３は、偏差算出部４２によって算出された偏差ΔＰに基づいて、弁軸２００が目標値ＳＰに基づく回転方向の目標位置に到達するまでに必要な操作量ＭＶを算出する。
操作部５は、操作量算出部４によって算出された操作量ＭＶに基づいて、弁軸２００を回転可能範囲ＳＲ内で操作する機能部である。具体的に、操作部５は、電動モータ５２、電動モータ駆動部５１、および減速機５３を含む。
電動モータ５２は、弁軸２００を操作するための回転力を発生させる部品である。電動モータ５２としては、ブラシレスモータやステッピングモータ、同期モータ等を例示することができる。
電動モータ駆動部５１は、電動モータ５２を駆動する機能部である。具体的に、電動モータ駆動部５１は、操作量算出部４によって算出された操作量ＭＶに応じた電流（または電圧）を電動モータ５２に印加することにより、電動モータ５２の出力軸を回転させる。
減速機５３は、電動モータ５２よって発生した回転力を減速して弁軸２００に伝達する動力伝達機構である。例えば、減速機５３は、遊星歯車機構等の各種歯車機構によって構成されている。減速機５３の出力軸が弁軸２００に連結されることにより、電動モータ５２の回転力を所定の減速比で減速した回転力によって弁軸２００を回転させることができる。
≪実施の形態１に係る回転制御装置１００の動作原理≫
次に、実施の形態１に係る回転制御装置１００の動作原理について説明する。
始めに、回転制御装置１００による原点復帰の動作について説明する。
図４は、実施の形態１に係る回転制御装置１００の原点復帰動作モードにおける動作の流れを示す図である。
ここでは、回転制御装置１００の電源投入の時点で、弁軸２００が、弁開度が８０％となる位置に到達している場合を例にとり、説明する。
回転制御装置１００に電源が投入された場合、回転制御装置１００は、相対的位置センサの原点復帰の処理を行う原点復帰動作モードで動作を開始する。原点復帰動作モードにおいて、回転制御装置１００は、調節弁を閉じる方向に電動モータ５２を駆動する（Ｓ１１）。具体的には、電動モータ駆動部５１は、操作量決定部４３によって弁開度が０％となるように算出された操作量ＭＶに基づいて、電動モータ５２を駆動する。
次に、回転制御装置１００は、絶対的位置センサ２＿１〜２＿ｎから検知信号が出力されたか否かを判定する（Ｓ１２）。ステップＳ１２において、絶対的位置センサ２＿１〜２＿ｎから検知信号が出力されなかった場合には、回転制御装置１００は、引き続き、弁開度が０％になるように電動モータ５２を駆動する。
一方、ステップＳ１２において、絶対的位置センサ２＿１〜２＿ｎから検知信号が出力された場合には、回転制御装置１００は、検知信号を出力した絶対的位置センサ２＿１〜２＿ｎに対応する位置を、弁軸２００の絶対的な位置を算出する際の基準値ＡＰ（初期点）とする（Ｓ１３）。
例えば、図２の例の場合、ステップＳ１１において弁開度が８０％となる位置から０％になる方向に弁軸２００が回転し、その後、弁開度が７０％となる位置Ｐｂに弁軸２００が到達したときに、絶対的位置センサ２＿４から検知信号が出力される。このとき、位置算出部３における基準値更新部３２は、検知信号を出力した絶対的位置センサ２＿４に対応する位置Ｐｂを示す値を基準値ＡＰとして設定するとともに、リセット信号ＲＳＴを出力する。
基準値更新部３２からのリセット信号ＲＳＴを受けた相対的位置情報取得部３１は、それまでにカウントしていたパルス数の積算値ＲＰをリセットする（Ｓ１４）。
以上により原点復帰の処理が完了し、回転制御装置１００は、原点復帰動作モードから通常動作モードに移行する。
次に、原点復帰後の通常動作モードにおける回転制御装置１００の動作について説明する。
図５は、実施の形態１に係る回転制御装置の通常動作モードにおける動作の流れを示すフロー図である。
回転制御装置１００は、原点復帰動作モードが終了すると、通常動作モードに移行する。通常動作モードにおいて、回転制御装置１００は、上位装置から弁開度の目標値ＳＰの変更が指示されるまで待機する（Ｓ２０）。弁開度の目標値ＳＰの変更が指示された場合には、回転制御装置１００の偏差算出部４２が、位置算出部３によって算出された弁軸２００の絶対的な位置に基づく実開度ＰＶが上位装置から指示された目標値ＳＰよりも大きいか否かを判定する（Ｓ２１）。
ステップＳ２１において、実開度ＰＶが目標値ＳＰよりも大きい場合、回転制御装置１００は、調節弁を閉じる方向に電動モータ５２を駆動する（Ｓ２２）。具体的には、操作量決定部４３が、偏差算出部４２によって算出された偏差ΔＰに基づいて、弁開度が目標値ＳＰとなるように操作量ＭＶを算出し、電動モータ駆動部５１が、その操作量ＭＶに基づいて電動モータ５２を駆動する。
一方、ステップＳ２１において、実開度ＰＶが目標値ＳＰよりも小さい場合、回転制御装置１００は、調節弁を開く方向に電動モータ５２を駆動する（Ｓ２３）。具体的には、操作量決定部４３が、偏差算出部４２によって算出された偏差ΔＰに基づいて、弁開度が目標値ＳＰとなるように操作量ＭＶを算出し、電動モータ駆動部５１が、その操作量ＭＶに基づいて電動モータ５２を駆動する。
ステップＳ２２またはステップＳ２３の後、回転制御装置１００は、絶対的位置センサ２＿１〜２＿ｎから検知信号が出力されたか否かを判定する（Ｓ２４）。
ステップＳ２４において、絶対的位置センサ２＿１〜２＿ｎから検知信号が出力されていない場合には、回転制御装置１００は、直前に基準値更新部３２によって設定された基準値ＡＰと、相対的位置情報取得部３１によって算出された相対的位置センサ１からの出力パルス数の積算値ＲＰに基づく弁軸２００の機械的変位量とに基づいて、実開度ＰＶ（弁軸２００の絶対的な位置）を算出する（Ｓ２７）。
例えば、上述の原点復帰の処理（ステップＳ１１〜Ｓ１４）の後、絶対的位置センサ２＿１〜２＿ｎから検知信号が一度も出力されていない場合には、原点復帰動作モードのステップＳ１３において設定した基準値ＡＰ（上記例の場合、弁開度が７０％となる位置）に、相対的位置情報取得部３１によって算出された積算値ＲＰに基づく弁軸２００の機械的変位量を加算することによって、実開度ＰＶを算出する。
一方、ステップＳ２４において、絶対的位置センサ２＿１〜２＿ｎから検知信号が出力された場合には、回転制御装置１００は、基準値ＡＰを更新する（Ｓ２５）。具体的には、基準値更新部３２が、検知信号を出力した絶対的位置センサ２＿１〜２＿ｎに対応する位置を、新たな基準値ＡＰに設定する。例えば、上述の原点復帰動作モードにおいて、基準値ＡＰが位置Ｐｂ（弁開度：７０％）を示す値に設定された直後のステップＳ２４において、絶対的位置センサ２＿３から検知信号が出力された場合には、基準値更新部３２は、基準値ＡＰを、位置Ｐｂ（弁開度：７０％）を示す値から位置Ｐｍ（弁開度：５０％）を示す値に変更する。このとき、基準値更新部３２は、リセット信号ＲＳＴも出力する。
基準値更新部３２からのリセット信号ＲＳＴを受けた相対的位置情報取得部３１は、それまでにカウントしていた相対的位置センサ１の出力パルス数の積算値ＲＰをリセットする（Ｓ２６）。
次に、回転制御装置１００は、ステップＳ２５において基準値更新部３２によって設定された基準値ＡＰと、ステップＳ２６でリセットされた後に相対的位置情報取得部３１によってカウントされた積算値ＲＰとに基づいて、実開度ＰＶ（弁軸２００の絶対的な位置）を算出する（Ｓ２７）。例えば、ステップＳ２５において、基準値ＡＰが位置Ｐｍ（弁開度：５０％）を示す値に変更された場合には、その基準値ＡＰに、ステップＳ２６以降に相対的位置情報取得部３１によってカウントされた積算値ＲＰに基づく弁軸２００の機械的変位量を加算することによって弁軸２００の絶対的な位置を算出し、その位置から実開度ＰＶを算出する。
次に、回転制御装置１００は、ステップＳ２７において算出された実開度ＰＶが目標値ＳＰと一致するか否かを判定する（Ｓ２８）。
ステップＳ２８において、実開度ＰＶが目標値ＳＰと一致しない場合には、ステップＳ２１に戻り、回転制御装置１００は、再度、上述の処理（Ｓ２１〜Ｓ２７）を行う。一方、ステップＳ２８において、実開度ＰＶが目標値ＳＰと一致した場合には、回転制御装置１００は、弁開度を目標値に設定する一連の処理を終了する。
≪実施の形態１に係る回転制御装置１００の効果≫
上述したように、本発明に係る回転制御装置１００は、弁軸２００の回転方向の位置を測定するための位置センサとして非接触式の相対的位置センサ１に加えて、弁軸２００が全閉位置Ｐｃおよび全開位置Ｐｏを除く第３位置（Ｐａ，Ｐｍ，Ｐｂ）に到達したときに検知信号を出力する絶対的位置センサ２＿２〜２＿４を備えている。回転制御装置１００は、検知信号を出力した絶対的位置センサ２＿２〜２＿４に対応する位置を示す基準値ＡＰと、その検知信号が出力されてからの、相対的位置センサ１によって検出された機械的変位の積算値ＲＰとに基づいて、弁軸２００の回転方向の絶対的な位置を算出する。
これによれば、全閉位置Ｐｃおよび全開位置Ｐｏだけでなく上記第３位置も、弁軸２００の位置測定における基準点、すなわち、“原点”とみなすことができるので、全閉位置Ｐｃまたは全開位置Ｐｏのみを原点に設定した場合に比べて、原点復帰の処理に要する時間を短縮することが可能となる。
具体的には、回転可能範囲ＳＲ内にｎ個の絶対的位置センサ２＿１〜２＿ｎを配置した場合に、回転制御装置１００の電源投入時に全開位置Ｐｏにある弁軸２００を原点復帰させるのに要する時間Ｔは、下記式（１）で表される。ここで、Ｔｆは、弁軸が全開位置から全閉位置まで移動するのに要する時間（フルストローク時間）である。
Figure 2018138819
例えば、５個（ｎ＝５）の絶対的位置センサ２＿１〜２＿５を配置し、フルストローク時間Ｔｆが６０〔秒〕である場合、全開位置Ｐｏにある弁軸２００を原点復帰させるのに要する時間Ｔは、６０／（５−１）＝１５〔秒〕となる。
このように、本発明に係る回転制御装置１００によれば、インクリメンタル型のロータリエンコーダのような相対的位置センサ１を用いた場合に必要となる弁軸２００の原点復帰に要する時間を短縮することが可能となる。
また、本発明に係る回転制御装置１００は、弁軸２００が全閉位置Ｐｃおよび全開位置Ｐｏを除く第３位置を通過する度に原点復帰と同様の処理を行う。具体的には、ｎ＝５としたとき、回転制御装置１００は、絶対的位置センサ２＿２〜２＿４から検知信号が出力された場合に、基準値ＡＰを、その検知信号を出力した絶対的位置センサ２＿２〜２＿４に対応する位置を示す値に更新するとともに、積算値ＲＰをリセットする。
これによれば、回転制御装置１００を長時間運転した場合であっても、上述した、減速機５３等を構成する歯車のバックラッシュの累積、電動モータ５２としてステッピングモータや同期モータ等の電動モータをオープンループで使用した場合の電動モータの脱調、および同期モータを使用した場合における電源周波数の変動等に起因する、相対的位置センサ１による弁軸２００の機械的変位量の測定誤差を小さくすることができる。これにより、調節弁の弁開度制御をより正確に行うことが可能となる。
また、回転制御装置１００によれば、絶対的位置センサ２＿１〜２＿ｎを複数設けることにより、絶対的位置センサ２＿１〜２＿ｎの１つが故障した場合であっても、その他の絶対的位置センサ２＿１〜２＿ｎによって弁開度制御を継続することができる。これにより、回転制御装置１００としての信頼性を向上させることができる。
また、回転可能範囲ＳＲ内に設置する絶対的位置センサ２＿１〜２＿ｎの個数を増やすことにより、原点復帰に要する時間と相対的位置センサ１による弁軸２００の機械的変位量の測定誤差を更に小さくすることが可能となる。
＜実施の形態の拡張＞
以上、本発明者らによってなされた発明を実施の形態に基づいて具体的に説明したが、本発明はそれに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能であることは言うまでもない。
例えば、上記実施の形態では、５つの絶対的位置センサ２＿１〜２＿５を設置する場合を示したが、設置する絶対的位置センサの個数はこれに限定されない。以下、絶対的位置センサの別の配置例を示す。
図６は、絶対的位置センサの別の配置例を示す図である。
同図には、ｎ＝３とし、弁開度が０％となる全閉位置Ｐｃに絶対的位置センサ２＿１を配置し、全閉位置Ｐｃと全開位置Ｐｏの中間点、すなわち弁開度が５０％となる位置Ｐｍに絶対的位置センサ２＿２を配置し、弁開度が１００％となる全開位置Ｐｏに絶対的位置センサ２＿３を配置した場合が示されている。
これによれば、弁軸２００が、全閉位置Ｐｃ、全開位置Ｐｏ、および全閉位置Ｐｃと全開位置Ｐｏの中間点の位置Ｐｍに到達したときに、原点復帰（基準値ＡＰの更新）が行われるので、全閉位置Ｐｃまたは全開位置Ｐｏのみを弁軸２００の原点に設定した場合に比べて、原点復帰に要する時間と相対的位置センサ１による機械的変位量の測定誤差を小さくすることが可能となる。また、絶対的位置センサを設置することによる追加のコストを抑えることが可能となる。
なお、図６において、絶対的位置センサは、弁開度が０％となる全閉位置Ｐｃと弁開度が１００％となる全開位置Ｐｏの両方ではなく、何れか一方に配置してもよい。
図７は、絶対的位置センサの更に別の配置例を示す図である。
同図には、弁開度が５０％となる全閉位置Ｐｃに一つの絶対的位置センサ２をした場合が示されている。
これによれば、全閉位置Ｐｃと全開位置Ｐｏの中間点である位置Ｐｍにおいて、原点復帰が行われるので、全閉位置Ｐｃまたは全開位置Ｐｏのみを原点に設定した場合に比べて、原点復帰に要する時間と相対的位置センサ１による機械的変位量の測定誤差を小さくすることが可能となる。また、絶対的位置センサが一つで済むので、絶対的位置センサを設置することによる追加のコスト等を更に抑えることが可能となる。
また、上記実施の形態では、相対的位置センサ１としてインクリメンタル型のロータリエンコーダを用いる場合を例示したが、非接触で操作対象軸の回転方向の機械的変位を検出することができるものであれば、相対的位置センサ１として用いることができる。例えば、電動モータ５２としてブラシレスモータを用いる場合には、そのブラシレスモータを構成するホール素子（ホールＩＣ）から出力される信号を相対的位置センサ１として利用することも可能である。
また、電動モータ５２としてステッピングモータを用いる場合には、相対的位置センサ１を別途設けることなく、そのステッピングモータを駆動するためのパルス信号を位置算出部３がカウントすることにより、操作対象軸の回転方向の機械的変位量を算出することも可能である。
また、電動モータ５２として同期モータを用いる場合には、相対的位置センサ１を別途設けることなく、操作対象軸の回転方向の機械的変位量を算出することも可能である。例えば、同期モータを駆動している駆動時間をT〔ｓ〕、回転速度をN〔rpm〕、減速機の減速比を１／Ｇとしたとき、回転角度Φ〔°〕は、(Ｔ×N×360)／(60×G)で表される。したがって、位置算出部３が上記計算を行うことにより、操作対象軸の回転方向の機械的変位量を算出することが可能となる。
また、上記実施の形態では、回転制御装置１００を調節弁の弁軸２００を操作する電動式の操作器として適用する場合を例示したが、回転制御装置１００によって操作される操作対象軸は、弁軸に限定されず、回転制御装置において相対的位置センサを使用するあらゆる開度計測システムに適用することが可能となる。例えば、回転制御装置１００を、ダンパシャフトを操作するダンパ用の操作器として適用することも可能である。
また、上記実施の形態では、プリント基板２０の内側に形成した貫通孔２０ｃに弁軸２００を挿通させる場合を例示したが、これに限られない。例えば、図８に示すように、プリント基板２０の一辺に例えば平面視半円形状の切り欠き部２０ｄを設け、この切り欠き部２０ｄに弁軸２００を配置してもよい。この場合、電極２１は、プリント基板２０の主面２０ａにおける切り欠き部の周辺２０ｄに配置すればよい。
１００…回転制御装置（操作器）、２００…弁軸、１…相対的位置センサ、２，２＿１〜２＿ｎ…絶対的位置センサ、３…位置算出部、４，４Ａ…操作量算出部、５…操作部、３１…相対的位置情報取得部、３２…基準値更新部、３３…位置決定部、４１…目標値取得部、４２…偏差算出部、４３…操作量決定部、５１…電動モータ駆動部、５２…電動モータ、５３…減速機、ＳＰ…目標値、ＰＶ…実開度、ΔＰ…偏差、ＭＶ…操作量、ＲＰ…積算値、ＡＰ…基準値、ＲＳＴ…リセット信号。
一般に、操作対象の軸の回転を制御する回転制御装置は、軸の回転方向の機械的変位を位置センサによって検出し、その検出結果に基づいて軸の操作量を決定している。例えば、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式の操作器（アクチュエータ）では、位置センサとして可変抵抗器から成るポテンショメータを用い、そのポテンショメータによって検出した弁軸の回転方向の機械的変位量に基づいて、弁軸を制御している（特許文献１参照）。
一方、図３Ｃに示すように、弁軸２００が回転し、ショートプレート２０１が絶対的位置センサ２＿１と絶対的位置センサ２＿２との間に到達したとき、ショートプレート２０１の端部２０１ａ，２０１ｂは、何れの絶対的位置センサ２＿１〜２＿５の電極２１，２２にも接触しない状態となる。これにより、各絶対的位置センサ２＿１〜２＿５のノードｎａの電位がＶｃｃ（電源電圧）となる。
図７は、絶対的位置センサの更に別の配置例を示す図である。
同図には、弁開度が５０％となる位置Ｐｍに一つの絶対的位置センサ２をした場合が示されている。

Claims (9)

  1. 操作対象軸の回転を制御する回転制御装置であって、
    前記操作対象軸の回転方向の機械的変位を非接触で検出する相対的位置センサと、
    前記操作対象軸の回転方向における第１位置から第２位置までの回転可能範囲において、互いに異なる複数の位置毎に対応して設けられ、前記操作対象軸がその対応する位置に到達したときに検知信号を夫々出力する複数の絶対的位置センサと、
    前記検知信号が出力されてからの、前記相対的位置センサによって検出された前記機械的変位の積算値と、その前記検知信号を出力した前記絶対的位置センサに対応する位置を示す基準値とに基づいて、前記操作対象軸の回転方向の絶対的な位置を算出する位置算出部と、
    前記操作対象軸の回転方向の目標位置の情報と、前記位置算出部によって算出された前記操作対象軸の絶対的な位置とに基づいて、前記操作対象軸の操作量を算出する操作量算出部と、
    前記操作量算出部によって算出された前記操作量に基づいて、前記操作対象軸の回転方向における第１位置から第２位置までの回転可能範囲内において前記操作対象軸を操作する操作部と、を備え、
    前記複数の絶対的位置センサのうち少なくとも一つは、前記回転可能範囲における前記第１位置および前記第２位置を除く第３位置に対応して設けられている
    回転制御装置。
  2. 請求項１に記載の回転制御装置において、
    前記位置算出部は、前記絶対的位置センサから前記検知信号が出力された場合に、前記機械的変位の積算値をリセットする
    ことを特徴とする回転制御装置。
  3. 請求項１または２に記載の回転制御装置において、
    前記第３位置は、前記第１位置と前記第２位置との中間点である
    ことを特徴とする回転制御装置。
  4. 請求項１乃至３の何れか一項に記載の回転制御装置において、
    前記複数の絶対的位置センサのうちの一つは、前記操作対象軸が前記第１位置に到達したときに前記検知信号を出力する
    ことを特徴とする回転制御装置。
  5. 請求項１乃至３の何れか一項に記載の回転制御装置において、
    前記複数の絶対的位置センサのうちの一つは、前記操作対象軸が前記第２位置に到達したときに前記検知信号を出力する
    ことを特徴とする回転制御装置。
  6. 請求項１乃至５の何れか一項に記載の回転制御装置において、
    前記操作対象軸は、調節弁の弁軸であって、
    前記第１位置は、前記調節弁の弁開度が０％となるときの前記弁軸の回転方向の位置であり、
    前記第２位置は、前記調節弁の弁開度が１００％となるときの前記弁軸の回転方向の位置であり、
    前記第３位置は、前記調節弁が０％および１００％以外の弁開度となるときの前記弁軸の位置である
    ことを特徴とする回転制御装置。
  7. 請求項１乃至６の何れか一項に記載の回転制御装置において、
    前記相対的位置センサは、インクリメンタル型のロータリエンコーダである
    ことを特徴とする回転制御装置。
  8. 請求項１乃至７の何れか一項に記載の回転制御装置において、
    前記絶対的位置センサは、リミットスイッチである
    ことを特徴とする回転制御装置。
  9. 操作対象軸の回転を制御する回転制御装置であって、
    前記操作対象軸の回転方向の機械的変位を非接触で検出する相対的位置センサと、
    前記操作対象軸の回転方向における第１位置から第２位置までの回転可能範囲において、前記操作対象軸が前記第１位置および前記第２位置を除く第３位置に到達したときに、検知信号を出力する絶対的位置センサと、
    前記検知信号が出力されたときからの、前記相対的位置センサによって検出された前記機械的変位の積算値と、その前記検知信号を出力した前記絶対的位置センサに対応する位置を示す基準値とに基づいて、前記操作対象軸の回転方向の絶対的な位置を算出する位置算出部と、
    前記操作対象軸の回転方向の目標位置の情報と、前記位置算出部によって算出された前記操作対象軸の絶対的な位置とに基づいて、前記操作対象軸の操作量を算出する操作量算出部と、
    前記操作量算出部によって算出された前記操作量に基づいて、前記操作対象軸の回転方向における第１位置から第２位置までの回転可能範囲内において前記操作対象軸を操作する操作部と、を備える
    回転制御装置。
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