JP2020118283A - Electric actuator and deterioration index calculation method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、スプリングリターン形の電動アクチュエータに関し、特に、電動アクチュエータで制御する弁体に関する劣化状態の判定に用いる劣化指標を計算するための劣化指標計算技術に関する。 The present invention relates to a spring return type electric actuator, and more particularly to a deterioration index calculation technique for calculating a deterioration index used for determining a deterioration state of a valve element controlled by the electric actuator.
バルブやダンパ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の1つとして、出力軸に取り付けたリターンスプリングの復帰力で電源供給遮断時に出力軸を所定の回動位置まで戻す、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(例えば、特許文献1など参照)。 One of the electric actuators that electrically control the opening and closing of the operating ends of valves and dampers, the so-called spring return type that returns the output shaft to a predetermined rotation position when the power supply is cut off by the return force of the return spring attached to the output shaft. Electric actuators (for example, see Patent Document 1).
この電動アクチュエータは、通電時、動力伝達部を介してモータで出力軸を回動させて操作端の開度を調整すると同時にリターンスプリングを巻き上げ、モータのディテントトルクで回動位置を保持している。これにより、その後に外部からの電源供給が遮断された場合、モータの電動クラッチへの電源供給が停止されてクラッチ断となって、モータのディテントトルクが非常に小さくなるため、リターンスプリングの復帰力により全閉位置や全開位置などの所定の回動位置まで、出力軸が強制的に戻されることになる。 When the electric actuator is energized, the output shaft is rotated by the motor via the power transmission unit to adjust the opening degree of the operating end, and at the same time, the return spring is wound up to hold the rotating position by the detent torque of the motor. .. As a result, when the power supply from the outside is cut off after that, the power supply to the electric clutch of the motor is stopped and the clutch is disengaged, and the detent torque of the motor becomes extremely small. As a result, the output shaft is forcibly returned to a predetermined rotational position such as a fully closed position or a fully opened position.
通常、電動アクチュエータで制御する弁体は、耐食性を有する材料からなり、長期間にわたり十分な耐久性を持つと考えられる。このため、弁体の劣化状態を検出する必要性は低く、従来より電動アクチュエータの劣化判定機能として具体化されていない。
一方、電動アクチュエータとともに使用される操作端には保証期間が設定されていて、保証期間の満了に応じて新たなものに交換する必要がある。しかし、実際には保証期間を超えて長期間にわたり使用される場合もある。
Normally, the valve body controlled by the electric actuator is made of a material having corrosion resistance and is considered to have sufficient durability for a long period of time. Therefore, it is less necessary to detect the deterioration state of the valve element, and it has not been embodied as a deterioration determination function of the electric actuator in the past.
On the other hand, the operating end used with the electric actuator has a warranty period, and it is necessary to replace it with a new one when the warranty period expires. However, in reality, it may be used for a long period beyond the warranty period.
このような保証期間を超えて長期にわたり使用した場合、弁体が劣化して変形、故障、経年変化などにより設計当初の性能が得られない場合も考えられる。このような場合、電動アクチュエータから弁体を精度よく開閉制御できなくなったり、電源供給遮断時、リターンスプリングの復帰力により、出力軸を全閉位置や全開位置などの所定の回動位置まで確実に戻せなくなったりする可能性がある。このため、弁体の劣化状態を把握しておくことが重要となる。 When the valve body is used for a long period beyond such a warranty period, the valve element may deteriorate, resulting in deformation, failure, aging, etc., and the initial performance may not be obtained. In such a case, the valve cannot be controlled to be opened and closed accurately from the electric actuator, or when the power supply is cut off, the return force of the return spring ensures that the output shaft reaches a predetermined rotation position such as the fully closed position or the fully open position. There is a possibility that it cannot be returned. Therefore, it is important to understand the deterioration state of the valve body.
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制御する弁体の劣化状態を示す劣化指標を容易に計算できる劣化指標計算技術を提供することを目的としている。 The present invention is intended to solve such a problem, and an object thereof is to provide a deterioration index calculation technique capable of easily calculating a deterioration index indicating a deterioration state of a valve body controlled by an electric actuator.
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、弁体を回動するための出力軸と、動力伝達部を介して前記出力軸を回動するモータと、前記モータを駆動制御することにより前記弁体の開度を制御する制御回路と、前記出力軸に取り付けられて、電源遮断時に自己の復帰力で前記出力軸を所定の開度位置まで戻すリターンスプリングとを備え、前記制御回路は、前記モータを駆動制御して、互いに異なる第1および第2の制御開度へ前記出力軸を回動する開度制御部と、前記出力軸を前記第2の制御開度に回動した際に前記リターンスプリングに生じたスプリングトルクと、前記出力軸を前記第1および第2の制御開度に回動した際に前記リターンスプリングおよび前記弁体に生じた合成トルクとに基づいて、前記弁体の劣化指標として、前記弁体の弁体トルクを計算する劣化指標処理部とを有している。 In order to achieve such an object, an electric actuator according to the present invention includes an output shaft for rotating a valve body, a motor for rotating the output shaft via a power transmission unit, and a motor for driving the motor. A control circuit for controlling the opening degree of the valve body by controlling, and a return spring attached to the output shaft and returning the output shaft to a predetermined opening position by its own restoring force when the power is shut off, The control circuit drives and controls the motor to rotate the output shaft to different first and second control openings, and sets the output shaft to the second control opening. Based on a spring torque generated in the return spring when rotated and a combined torque generated in the return spring and the valve body when the output shaft is rotated to the first and second control openings. As a deterioration index of the valve element, a deterioration index processing unit that calculates a valve element torque of the valve element is included.
また、本発明にかかる上記電動アクチュエータの一構成例は、前記出力軸の回動角度を出力側開度として検出する出力側角度センサをさらに備え、前記劣化指標処理部は、前記制御開度に前記出力軸を回動して保持した状態で、前記出力側角度センサで検出された出力側開度と、前記リターンスプリングのばね定数とに基づいて、前記スプリングトルクを計算するようにしたものである。 Further, one configuration example of the electric actuator according to the present invention further includes an output side angle sensor that detects a rotation angle of the output shaft as an output side opening, and the deterioration index processing unit sets the control opening to the control opening. With the output shaft being rotated and held, the spring torque is calculated based on the output opening degree detected by the output angle sensor and the spring constant of the return spring. is there.
また、本発明にかかる上記電動アクチュエータの一構成例は、前記劣化指標処理部が、前記モータトルクをTmとし、前記リターンスプリングのばね定数をkとし、前記出力側角度センサで検出された出力側開度をθaxとした場合、前記弁体トルクTvを次の式、Tv=−Tm−k・θaxで計算するようにしたものである。 Further, in one configuration example of the electric actuator according to the present invention, the deterioration index processing unit sets the motor torque to Tm, the spring constant of the return spring to k, and the output side detected by the output side angle sensor. When the opening degree is θax, the valve body torque Tv is calculated by the following equation, Tv=−Tm−k·θax.
また、本発明にかかる劣化指標計算方法は、弁体を回動するための出力軸と、動力伝達部を介して前記出力軸を回動するモータと、前記モータを駆動制御することにより前記弁体の開度を制御する制御回路と、前記出力軸に取り付けられて、電源遮断時に自己の復帰力で前記出力軸を所定の開度位置まで戻すリターンスプリングとを備える電動アクチュエータで用いられる劣化指標計算方法であって、前記制御回路の開度制御部が、前記モータを駆動制御して所定の制御開度へ前記出力軸を回動する開度制御ステップと、前記制御回路の劣化指標処理部が、前記出力軸を前記制御開度に回動して保持した状態で、前記リターンスプリングおよび前記モータに生じた、スプリングトルクおよびモータトルクに基づいて、前記弁体の劣化指標として、前記弁体の弁体トルクを計算する劣化指標処理ステップとを備えている。 Further, the deterioration index calculating method according to the present invention includes an output shaft for rotating a valve body, a motor for rotating the output shaft via a power transmission unit, and a valve for controlling the drive of the motor. Deterioration index used in an electric actuator equipped with a control circuit for controlling the opening of the body and a return spring attached to the output shaft to return the output shaft to a predetermined opening position by its own restoring force when the power is shut off A calculation method, wherein an opening control section of the control circuit drives and controls the motor to rotate the output shaft to a predetermined control opening, and a deterioration index processing section of the control circuit. In the state where the output shaft is rotated and held at the control opening, the valve body is used as a deterioration index of the valve body based on spring torque and motor torque generated in the return spring and the motor. And a deterioration index processing step for calculating the valve body torque.
また、本発明にかかる劣化指標計算方法の一構成例は、前記劣化指標処理ステップが、前記制御開度に前記出力軸を回動して保持した状態で、前記出力軸の回動角度を検出する出力側角度センサで検出された出力側開度と、前記リターンスプリングのばね定数とに基づいて、前記スプリングトルクを計算するステップを含んでいる。 In one configuration example of the deterioration index calculation method according to the present invention, the deterioration index processing step detects a rotation angle of the output shaft in a state in which the output shaft is rotated and held at the control opening. And a step of calculating the spring torque based on the output-side opening detected by the output-side angle sensor and the spring constant of the return spring.
また、本発明にかかる劣化指標計算方法の一構成例は、前記劣化指標処理ステップが、前記モータトルクをTmとし、前記リターンスプリングのばね定数をkとし、前記出力側角度センサで検出された出力側開度をθaxとした場合、前記弁体トルクTvを次の式、Tv=−Tm−k・θaxで計算するステップを含んでいる。 In one configuration example of the deterioration index calculation method according to the present invention, the deterioration index processing step has the motor torque Tm, the spring constant of the return spring k, and an output detected by the output side angle sensor. When the side opening is θax, the step of calculating the valve body torque Tv by the following equation, Tv=−Tm−k·θax is included.
本発明によれば、弁体の劣化指標として、弁体の弁体トルクを容易に把握できるため、当初の設計値からの乖離幅に応じて、弁体の劣化状態を容易に把握することができる。したがって、乖離幅が大きくなって劣化が進んだ場合には、故障発生する前に適切な対応をとることができ、極めて効果的な予知保全を実現することが可能となる。これにより、保証期間を超える長期使用を想定した場合でも、一定の信頼性を提供することが可能となる。また、角度センサや制御回路など、電動アクチュエータの既存構成を用いて劣化指標を容易に計算でき、回路規模さらには製品コストの増大を必要とすることなく、電動アクチュエータの信頼性を高めることが可能となる。 According to the present invention, since the valve body torque of the valve body can be easily grasped as the deterioration indicator of the valve body, it is possible to easily grasp the deterioration state of the valve body according to the deviation from the initial design value. it can. Therefore, when the deviation width becomes large and the deterioration progresses, appropriate measures can be taken before a failure occurs, and extremely effective predictive maintenance can be realized. As a result, it is possible to provide a certain degree of reliability even when assuming long-term use beyond the warranty period. In addition, the deterioration index can be easily calculated using the existing configuration of the electric actuator, such as the angle sensor and control circuit, and the reliability of the electric actuator can be increased without increasing the circuit scale or the product cost. Becomes
次に、本発明の一実施の形態について図面を参照して説明する。
まず、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について説明する。図1は、電動アクチュエータの構成を示すブロック図である。
Next, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
First, the
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。以下では、図1に示すように、流量制御バルブの弁本体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。
The
[弁本体]
弁本体20は、流体が流れる流路21が内部に形成された金属管からなり、流路21の途中には流体の流量を制御するための弁体22が回動自在に取り付けられている。弁体22には、弁本体20の外部へ一端が導出された弁軸26が結合されており、この弁軸26の回動操作により弁体22が回動し、流路21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。
[Valve body]
The valve body 20 is made of a metal tube having a flow passage 21 formed therein, and a
流路21の内壁23のうち、弁体22の一次側(流体上流側)には圧力センサS1が配置されており、弁体22の二次側(流体下流側)には圧力センサS2が配置されている。これら圧力センサS1,S2は、それぞれ流路21の一次側圧力P1および二次側圧力P2を検出し、得られた検出結果を示す圧力検出信号を電動アクチュエータ10へ出力する。これら一次側圧力P1および二次側圧力P2と、弁開度に相当する出力側開度θaからなる開度現在値θとに基づいて流路21を流れる流体の流量が計測される。
The pressure sensor S1 is arranged on the primary side (fluid upstream side) of the
[電動アクチュエータ]
電動アクチュエータ10は、ヨーク31を介して弁本体20の本体上面24に取り付けられており、継手30を介して弁軸26と接続されている出力軸16を回動制御することにより、弁体22の弁開度を制御して、流体の流量制御を行う機能を有している。
電動アクチュエータ10には、主な構成として、設定回路11、モータ駆動回路12、モータ13、動力伝達部14、リターンスプリング15、出力軸16、出力側角度センサ17A、弁側角度センサ17V、記憶回路18、および制御回路19が設けられている。
[Electric actuator]
The
The
設定回路11は、上位装置(図示せず)から受信した流量目標信号などの設定信号に含まれる、流量目標値Qrefなどの設定値を取得し、制御回路19へ出力する機能を有している。
モータ駆動回路12は、制御回路19から出力されたモータ制御信号に基づいて、モータ13を駆動する機能を有している。
The
The
モータ13は、DCモータ、ACモータ、ステッピングモータなどの制御用モータからなり、モータ駆動回路12からの駆動信号により、指定された方向へ指定された角度分だけシャフト13Aを回転させる機能と、外部からの電動アクチュエータ10に対する電源供給の有無に応じてディテントルクの発生有無を切り替えるのためのクラッチ機能とを有している。
動力伝達部14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、モータ13のシャフト13Aの回転速度を減速して出力軸16を回動させる機能を有している。
The
The
これにより、制御回路19から出力されたモータ制御信号に基づいて、モータ駆動回路12から駆動信号がモータ13に出力される。また、この駆動信号に応じてモータ13のシャフト13Aが回転し、その回転出力が動力伝達部14で減速されて出力軸16を回動させ、継手30および弁軸26を介して弁体22が所定の回動角度すなわち弁開度まで回動することになる。
As a result, a drive signal is output from the
リターンスプリング15は、一般的なコイルバネからなり、出力軸16に取り付けられて、電源遮断時に動力伝達部14でモータ13のシャフト13Aから解放された出力軸16を、自己の復帰力で所定の開度位置まで戻すスプリングである。
出力軸16は、継手30および弁軸26を介して弁体22と連結されて、弁体22を回動するための軸である。
The
The output shaft 16 is a shaft that is connected to the
出力側角度センサ17Aは、動力伝達部14または出力軸16に取り付けられて、出力軸16の回動角度を検出し、回動角度に応じた出力側センサ出力値Saを制御回路19へ出力する角度センサである。
以下では、出力側角度センサ17Aとしては、例えば円形差動トランス型角度センサ(特許文献2)や磁気抵抗型角度センサ(特許文献3)を用いた場合を例として説明する。本発明は、これら特許文献2および特許文献3に記載されたすべての内容を含むものとする。なお、出力側角度センサ17Aは、これに限定されるものではなく、ポテンショメータ、インクリメンタルエンコーダ、アブソリュートエンコーダなど、回転角度が計測できるセンサを出力側角度センサ17Aとして用いてもよい。
The output
In the following, as the output
弁側角度センサ17Vは、弁本体20の外側である本体上面24に取り付けられて、弁体22付近の弁軸26の回動角度を検出し、回動角度に応じた弁側センサ出力値Svを電動アクチュエータ10へ出力する角度センサである。弁側角度センサ17Vは、断熱材を介して弁本体20に取り付けられており、流体温度の影響が抑制されている。
また、弁側角度センサ17Vには温度センサS3が取り付けられており、温度センサS3で検出された検出温度Txに基づいて、弁側角度センサ17Vの弁側開度θvが開度現在値θに温度補正される。なお、弁側開度θvの温度補正は、本実施の形態において必須ではなく、弁側角度センサ17Vのセンサ出力が周囲温度の影響を受けない場合には、温度補正を省くこともできる。
The valve
Further, a temperature sensor S3 is attached to the valve
以下では、弁側角度センサ17Vとしては、例えば円形差動トランス型角度センサ(特許文献2)や磁気抵抗型角度センサ(特許文献3)を用いた場合を例として説明する。本発明は、これら特許文献2および特許文献3に記載されたすべての内容を含むものとする。なお、弁側角度センサ17Vは、これに限定されるものではなく、ポテンショメータ、インクリメンタルエンコーダ、アブソリュートエンコーダなど、回転角度が計測できるセンサを弁側角度センサ17Vとして用いてもよい。
Below, as the valve
また、図1において破線で示すように、弁側角度センサ17Vの取付位置は、本体上面24に代えて弁本体20の本体底面25であってもよい。
弁体22を弁本体20内の流路21に回動自在に取り付ける際、内壁23の上側部と下側部とで弁軸26を係止している。このため、弁軸26の下端を本体底面25から弁本体20の外部へ導出することが可能であり、弁本体20の外側へ導出した弁軸26の下端の回動角度を弁側角度センサ17Vで検出すればよい。
Further, as shown by a broken line in FIG. 1, the mounting position of the valve
When the
記憶回路18は、不揮発性の半導体メモリからなり、流量現在値Qの計算に用いる弁体22に固有の流量係数Cvを特定するための特性テーブルなど、流量制御や劣化指標計算に用いる各種の処理データを記憶する機能を有している。この特性テーブルには、流路21の一次側圧力P1および二次側圧力P2の差圧ΔP=P1−P2と弁体22の開度現在値θとの組み合わせごとに、弁体22に固有の流量係数Cvが予め登録されている。これら特性テーブルの各データは、形状や材質などの弁体22の特徴に基づいて別途計算されたものである。
The
制御回路19は、CPUとその周辺回路を有し、CPUとプログラムとを協働させることにより、流量制御や劣化指標計算のため処理を実行する各種の処理部を実現する機能を有している。
制御回路19は、主な処理部として、開度制御部19Aと劣化指標処理部19Bとを備えている。
The
The
開度制御部19Aは、圧力センサS1,S2から出力された圧力検出信号が示す一次側圧力P1および二次側圧力P2と開度現在値θとに基づいて、流路21を流れる流体の流量現在値Qを計算する機能と、この流量現在値Qと流量目標値Qrefとの流量偏差ΔQに基づいて、所定のモータ制御信号をモータ駆動回路12へ出力することにより、弁体22の弁開度を調整して流量現在値Qを制御する機能と、劣化指標計算時、予め設定されている制御開度θaに出力軸16を回動する機能とを有している。
The opening
劣化指標処理部19Bは、出力軸16を制御開度θaに回動して保持した状態で、リターンスプリング15およびモータ13に生じた、スプリングトルクTsおよびモータトルクTmとに基づいて、弁体22の劣化指標として、弁体22の弁体トルクTvを計算する機能と、得られた弁体トルクTvと予め設定されている正常範囲Eとに基づいて、弁体22の劣化状態を判定する機能とを有している。
The deterioration
具体的には、劣化指標処理部19Bは、制御開度θaに出力軸16を回動して保持した状態で、出力側角度センサ17Aで検出された出力側開度θaxと、リターンスプリング15のばね定数kとに基づいて、スプリングトルクTsを計算する機能を有している。
より具体的には、劣化指標処理部19Bは、モータトルクをTmとし、リターンスプリングのばね定数をkとし、出力側角度センサ17Aで検出された出力側開度をθaxとした場合、弁体トルクTvを後述する式(3)で計算する機能とを備えている。
Specifically, the deterioration
More specifically, when the deterioration
また、劣化指標処理部19Bは、任意の制御開度θでモータ13に流れるモータ電流に基づいてモータトルクTmを計算する機能を有している。なお、以下では、モータ電流に基づきモータトルクを計算する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、他の手法でモータトルクを特定してもよい。
Further, the deterioration
本発明において、制御開度は、開度制御部19Aが開度制御に用いる目標値であり、出力側開度は、出力側角度センサ17Aで検出された出力軸16の回動角度を示す検出値であるものとする。なお、開度は全閉状態と全開状態との間を百分率で表した値であり、回動角度は開度を角度で表した値であるが、両者は一意に対応するものであり、本発明において、制御開度、出力側開度、あるいは弁側開度を、単に回動角度という場合もある。
In the present invention, the control opening is a target value used by the
[流量制御動作]
次に、図2を参照して、弁側角度センサ17Vで検出した弁側開度θvを用いた、本実施の形態にかかる電動アクチュエータ10の流量制御動作について説明する。図2は、流量制御処理を示すフローチャートである。
制御回路19は、流路21を流れる流体の流量を制御する場合、図2の流量制御処理を実行する。
[Flow control operation]
Next, the flow rate control operation of the
The
図2の流量制御処理の開始時において、設定回路11には、予め流量目標値Qrefが設定されているものとする。また、記憶回路18には、弁体22に関する特性テーブルが予め登録されているものとする。
また、制御回路19内の記憶部(図示せず)には、弁側角度センサ17Vの弁側センサ出力値Svと弁体22の弁開度との対応関係の基準となる弁側出力基準値Ssが予め設定されているものとする。
It is assumed that the flow rate target value Qref is set in advance in the
Further, a storage unit (not shown) in the
図3は、弁側センサ出力値と弁側開度との関係を示すグラフである。弁側角度センサ17Vとして用いられる、円形差動トランス型角度センサおよび磁気抵抗型角度センサは、弁軸26の中間位置角度すなわち50%開度を中心として、全閉方向および全開方向に対称となる弁側センサ出力値Svを出力する構造を有している。したがって、図3に示すように、弁側センサ出力値Svと弁側開度θvとの関係は線形比例するとともに、全閉および全開を示す電圧値は、50%開度を示す電圧値=0vを中心として、等しい電圧幅Ssだけ離れた電圧値−Ss,Ssとなる。
FIG. 3 is a graph showing the relationship between the valve side sensor output value and the valve side opening. The circular differential transformer type angle sensor and the magnetic resistance type angle sensor used as the valve
まず、開度制御部19Aは、弁側角度センサ17Vから弁側センサ出力値Svを取得し(ステップS100)、予め設定されている弁側出力基準値Ssに基づいて、Svから弁側開度θv=50×(1+Sv/Ss)[%]を計算する(ステップS101)。
First, the opening
この際、弁側角度センサ17Vに取り付けられた温度センサS3で検出された検出温度Txに基づいて、弁側角度センサ17Vの現在開度値θ(弁側開度θv)が温度補正される。なお、弁側開度θvの温度補正は、本実施の形態において必須ではなく、弁側角度センサ17Vのセンサ出力が周囲温度の影響を受けない場合には、温度補正を省くこともできる。
At this time, the current opening value θ (valve side opening θv) of the valve
次に、開度制御部19Aは、圧力センサS1,S2から出力された圧力検出信号が示す一次側圧力P1および二次側圧力P2を取得し(ステップS102)、これらP1,P2の差圧ΔP=P1−P2を計算する(ステップS103)。
続いて、開度制御部19Aは、差圧ΔPと開度現在値θに対応する流量係数Cvを記憶回路18の特性テーブルから取得し(ステップS104)、流量係数Cvと差圧ΔPに基づいて、流路21を流れる流体の流量現在値Qを計算する(ステップS105)。この際、流路21の口径などによって定まる定数をAとした場合、流量現在値Qは、Q=A・Cv・(ΔP)1/2で求められる。
Next, the opening
Then, the opening
この後、開度制御部19Aは、QとQrefの流量偏差ΔQ=Q−Qrefを計算し(ステップS106)、ΔQとゼロとを比較する(ステップS107)。
ここで、ΔQがゼロと等しくΔQ=0である場合(ステップS107:ΔQ=0)、開度制御部19Aは、弁開度を変更することはないが、流量目標値Qrefが変更にならなくても、管路の状態により流量現在値Qが変化するため、ステップS100に戻る。
After that, the opening
Here, when ΔQ is equal to zero and ΔQ=0 (step S107: ΔQ=0), the
一方、ΔQがゼロより小さくΔQ<0である場合(ステップS107:ΔQ<0)、開度制御部19Aは、所定のモータ制御信号をモータ駆動回路12へ出力することにより、モータ13をΔQに相当する弁開度分だけ開方向に駆動し(ステップS108)、ステップS100に戻る。
また、ΔQがゼロより大きくΔQ>0である場合(ステップS107:ΔQ>0)、開度制御部19Aは、所定のモータ制御信号をモータ駆動回路12へ出力することにより、モータ13をΔQに相当する弁開度分だけ閉方向に駆動し(ステップS109)、ステップS100に戻る。
On the other hand, when ΔQ is smaller than zero and ΔQ<0 (step S107: ΔQ<0), the opening
If ΔQ is greater than zero and ΔQ>0 (step S107: ΔQ>0), the
以上では、図2を参照して、弁側角度センサ17Vで検出した弁側開度θvを用いた流量制御動作について説明したが、弁側開度θvに代えて出力側角度センサ17Aで検出した出力側開度θaを用いて、流量制御動作を実行してもよい。
Although the flow rate control operation using the valve side opening degree θv detected by the valve
具体的には、図2のステップS100−S101において、出力側角度センサ17Aから出力側センサ出力値Saを取得し(ステップS100)、予め設定されている出力側出力基準値Sbに基づいて、Saから現在開度値θ(出力側開度θa)=50×(1+Sa/Sb)[%]を計算する(ステップS101)。なお、制御回路19内の記憶部(図示せず)には、出力側角度センサ17Aの出力側センサ出力値Saと弁体22の弁開度との対応関係の基準となる出力側出力基準値Sbが予め設定されているものとする。
Specifically, in steps S100 to S101 of FIG. 2, the output side sensor output value Sa is obtained from the output
出力側出力基準値Sbは、弁側出力基準値Ssに代えて用いられるものである。出力側角度センサ17Aとして、円形差動トランス型角度センサや磁気抵抗型角度センサを用いた場合、前述した図3と同様に、出力側センサ出力値Saと出力側開度θaとの関係は線形比例するとともに、全閉および全開を示す電圧値は、50%開度を示す電圧値=0vを中心として、等しい電圧幅Sbだけ離れた電圧値−Sb,Sbとなる。
図2におけるこのほかのステップについては、前述と同様であり、ここでの説明は省略する。
The output-side output reference value Sb is used in place of the valve-side output reference value Ss. When a circular differential transformer type angle sensor or a magnetoresistive type angle sensor is used as the output
The other steps in FIG. 2 are the same as those described above, and a description thereof will be omitted.
[劣化指標処理動作]
次に、図4および図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4は、劣化指標処理を示すフローチャートである。図5は、劣化指標処理動作を示す説明図である。
制御回路19は、動力伝達部14の劣化指標を計算する際、図4の劣化指標処理を実行する。なお、図5に示すように、劣化指標計算時に出力軸16を回動する制御開度θxは、予め設定されているものとする。
[Degradation index processing operation]
Next, the operation of the
The
まず、開度制御部19Aは、出力軸16を制御開度θxで保持する(ステップS150)。
次に、劣化指標処理部19Bは、出力軸16が制御開度θxで保持されている状態で、出力側角度センサ17Aの出力側センサ出力値Saから得られた出力側開度θaxを取得する(ステップS151)、モータ13に流れるモータ電流に基づいてモータトルクTmを取得する(ステップS152)。モータ電流については、モータ13を駆動制御する開度制御部19Aから取得すればよい。
First, the
Next, the deterioration
続いて、劣化指標処理部19Bは、出力側センサ出力値Saから得られた出力側開度θaxに基づいて、リターンスプリング15のスプリングトルクTsを計算し(ステップS153)、これらモータトルクTmとスプリングトルクTsとに基づいて、弁体トルクTvを計算する(ステップS154)。
Subsequently, the deterioration
出力軸16を任意の開度で保持した場合、モータ13、動力伝達部14、リターンスプリング15、および弁体22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5に示すように、例えば、出力側開度θaxにおけるモータ13のモータトルクをTmとし、リターンスプリング15のスプリングトルクをTsとし、動力伝達部14における動力伝達トルクをTdとし、弁体22の弁体トルクをTvとした場合、出力側開度θaxにおけるこれらトルクのつり合いは、次の式(1)で表される。
When the output shaft 16 is held at an arbitrary opening, the respective torques generated by the
一方、リターンスプリング15のばね定数をkとした場合、出力側開度θaxにおけるスプリングトルクTsは、次の式(2)で表される。
On the other hand, when the spring constant of the
ここで、出力軸16を任意の制御開度で保持した場合、動力伝達部14のにおける動力伝達トルクTdはゼロとなる。したがって、これら式(1)および式(2)に基づいて、弁体トルクTvは、次の式(3)で表される。
Here, when the output shaft 16 is held at an arbitrary control opening, the power transmission torque Td in the
この後、劣化指標処理部19Bは、得られた弁体トルクTvと予め設定されている弁体トルクTvの正常範囲Eとを比較し(ステップS155)、弁体トルクTvが正常範囲E内である場合には(ステップS155:YES)、弁体22の劣化状態は正常であると判定し(ステップS156)、一連の劣化指標処理を終了する。正常範囲Eについては、弁体22の設計時に算出した、弁体トルクTvの初期値と許容範囲とに基づいて決定すればよい。
Then, the deterioration
一方、弁体トルクTvが正常範囲E外である場合には(ステップS155:NO)、弁体22の劣化状態は異常であると判定し(ステップS157)、一連の劣化指標処理を終了する。得られた劣化状態判定結果については、劣化指標処理部19BがLCDやLEDを用いた表示部(図示せず)でアラーム表示してもよく、データ通信により上位装置へ通知してもよい。
On the other hand, when the valve body torque Tv is outside the normal range E (step S155: NO), it is determined that the deterioration state of the
この際、劣化指標処理部19Bが、弁体トルクTvの経時変化を定期的に計算し、データ通信により上位装置へ順次通知してもよい。さらには、劣化指標処理部19Bが、計算した弁体トルクTvを記憶回路18に時系列データとして順次保存しておき、この時系列データから生成した近似関数に基づき将来の弁体トルクTvの推定値Tv’を推定し、推定値Tv’が正常範囲Eから離脱する時期を注意点として予測するようにしてもよい。これにより、弁体22の劣化時期すなわち交換時期を予測することができる。
At this time, the deterioration
[本実施の形態の効果]
このように、本実施の形態は、開度制御部19Aが、モータ13を駆動制御して、任意の制御開度θaに出力軸16を回動し、劣化指標処理部19Bが、出力軸16を制御開度θaに回動して保持した状態で、リターンスプリング15およびモータ13に生じた、スプリングトルクTsおよびモータトルクTmとに基づいて、弁体22の劣化指標として、弁体22の弁体トルクTvを計算するようにしたものである。
[Effects of this Embodiment]
As described above, in the present embodiment, the opening
流量制御バルブや風量調整ダンパーなどの操作端が、保証期間を超えて長期にわたり使用された場合、弁体22が劣化して変形、故障、経年変化などにより設計当初の性能が得られない場合も考えられる。設計当初の性能が得られない場合、電動アクチュエータ10から弁体22を精度よく開閉制御できなくなったり、電源供給遮断時、リターンスプリング15の復帰力により、出力軸16を全閉位置や全開位置などの所定の回動位置まで確実に戻せなくなったりする可能性がある。このため、弁体22の劣化状態を把握しておくことが重要となる。
When the operation end such as the flow control valve and the air volume adjustment damper is used for a long time beyond the warranty period, the
本実施の形態によれば、弁体22の劣化指標として、弁体22の弁体トルクTvを容易に把握できるため、当初の設計値からの乖離幅に応じて、弁体22の劣化状態を容易に把握することができる。したがって、乖離幅が大きくなって劣化が進んだ場合には、故障発生する前に適切な対応をとることができ、極めて効果的な予知保全を実現することが可能となる。これにより、保証期間を超える長期使用を想定した場合でも、一定の信頼性を提供することが可能となる。また、出力側角度センサ17A、弁側角度センサ17V、制御回路19など、電動アクチュエータ10の既存構成を用いて劣化指標を容易に計算でき、回路規模さらには製品コストの増大を必要とすることなく、電動アクチュエータ10の信頼性を高めることが可能となる。
According to the present embodiment, since the valve body torque Tv of the
また、弁体トルクTvの経時変化を、劣化指標処理部19Bや上位装置でモニタすることにより、弁体22の劣化時期すなわち交換時期を予測でき、流量制御バルブや風量調整ダンパーなどの予知保全に極めて有用である。また、劣化指標計算時には、弁体22の開度が一時的に変化するものの、その所要時間は、出力側角度センサ17Aおよび弁側角度センサ17Vで開度を検出するという、極めて短い時間で済むため、アプリケーションによっては、通常の運転動作中であっても劣化指標計算を行うことができる。したがって、劣化指標処理動作を定期的に実行することにより、弁体22の劣化状態の変化をいち早く検出でき、迅速な対応をとることが可能となる。
Further, by monitoring the change over time of the valve body torque Tv with the deterioration
また、本実施の形態において、出力軸16の回動角度を出力側開度として検出する出力側角度センサ17Aをさらに備え、劣化指標処理部19Bが、制御開度θaに出力軸16を回動して保持した状態で、出力側角度センサ17Aで検出された出力側開度θaxと、リターンスプリング15のばね定数kとに基づいて、スプリングトルクTsを計算するようにしてもよい。これにより、出力側角度センサ17Aという極めて簡素な構成でスプリングトルクTsを計算できる。
Further, in the present embodiment, an output
また、本実施の形態において、劣化指標処理部19Bが、モータトルクをTmとし、リターンスプリングのばね定数をkとし、出力側角度センサ17Aで検出された出力側開度をθaxとした場合、弁体トルクTvを前述の式(3)で計算するようにしてもよい。これにより、極めて簡素な演算処理で弁体トルクTvを計算することができる。
Further, in the present embodiment, when the deterioration
[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。
[Expansion of Embodiment]
Although the present invention has been described with reference to the exemplary embodiments, the present invention is not limited to the above exemplary embodiments. Various changes that can be understood by those skilled in the art can be made to the configuration and details of the present invention within the scope of the present invention.
10…電動アクチュエータ、11…設定回路、12…モータ駆動回路、13…モータ、13A…シャフト、14…動力伝達部、15…リターンスプリング、16…出力軸、17A…出力側角度センサ、17V…弁側角度センサ、18…記憶回路、19…制御回路、19A…開度制御部、19B…劣化指標処理部、20…弁本体、21…流路、22…弁体、23…内壁、24…本体上面、25…本体底面、26…弁軸、30…継手、31…ヨーク、S1,S2…圧力センサ、S3…温度センサ、Qref…流量目標値、Q…流量現在値、ΔQ…流量偏差、Sa…出力側センサ出力値、Sb…出力側出力基準値、Sv…弁側センサ出力値、Ss…弁側出力基準値、Tx…検出温度、P1…一次側圧力、P2…二次側圧力、ΔP…差圧、θx…制御開度、θa,θax…出力側開度、θv…弁側開度、k…ばね定数、Td…動力伝達トルク、Ts…スプリングトルク、Tv…弁体トルク、G…横弾性係数、Ip…断面二次極モーメント、L…軸長。 10... Electric actuator, 11... Setting circuit, 12... Motor drive circuit, 13... Motor, 13A... Shaft, 14... Power transmission part, 15... Return spring, 16... Output shaft, 17A... Output side angle sensor, 17V... Valve Side angle sensor, 18... Memory circuit, 19... Control circuit, 19A... Opening control section, 19B... Degradation index processing section, 20... Valve body, 21... Flow path, 22... Valve body, 23... Inner wall, 24... Main body Top surface, 25... Bottom surface of body, 26... Valve shaft, 30... Joint, 31... Yoke, S1, S2... Pressure sensor, S3... Temperature sensor, Qref... Flow rate target value, Q... Current flow rate value, ΔQ... Flow rate deviation, Sa Output side sensor output value, Sb... Output side output reference value, Sv... Valve side sensor output value, Ss... Valve side output reference value, Tx... Detected temperature, P1... Primary side pressure, P2... Secondary side pressure, ΔP ... differential pressure, θx... control opening, θa, θax... output opening, θv... valve opening, k... spring constant, Td... power transmission torque, Ts... spring torque, Tv... valve torque, G... Transverse elastic modulus, Ip... second polar moment of area, L... axial length.
Claims (6)
動力伝達部を介して前記出力軸を回動するモータと、
前記モータを駆動制御することにより前記弁体の開度を制御する制御回路と、
前記出力軸に取り付けられて、電源遮断時に自己の復帰力で前記出力軸を所定の開度位置まで戻すリターンスプリングとを備え、
前記制御回路は、
前記モータを駆動制御して所定の制御開度へ前記出力軸を回動する開度制御部と、
前記出力軸を前記制御開度に回動して保持した状態で、前記リターンスプリングおよび前記モータに生じた、スプリングトルクおよびモータトルクに基づいて、前記弁体の劣化指標として、前記弁体の弁体トルクを計算する劣化指標処理部とを有する
ことを特徴とする電動アクチュエータ。 An output shaft for rotating the valve body,
A motor that rotates the output shaft via a power transmission unit,
A control circuit for controlling the opening degree of the valve body by controlling the drive of the motor;
A return spring that is attached to the output shaft and returns the output shaft to a predetermined opening position by its own restoring force when the power is cut off;
The control circuit is
An opening control unit that drives and controls the motor to rotate the output shaft to a predetermined control opening,
The valve of the valve body is used as a deterioration index of the valve body based on spring torque and motor torque generated in the return spring and the motor in a state where the output shaft is rotated and held at the control opening. An electric actuator comprising: a deterioration index processing unit that calculates body torque.
前記出力軸の回動角度を出力側開度として検出する出力側角度センサをさらに備え、
前記劣化指標処理部は、前記制御開度に前記出力軸を回動して保持した状態で、前記出力側角度センサで検出された出力側開度と、前記リターンスプリングのばね定数とに基づいて、前記スプリングトルクを計算する
ことを特徴とする電動アクチュエータ。 The electric actuator according to claim 1,
Further comprising an output side angle sensor for detecting a rotation angle of the output shaft as an output side opening degree,
The deterioration index processing unit, based on the output side opening detected by the output side angle sensor and the spring constant of the return spring in a state where the output shaft is rotated and held at the control opening. An electric actuator characterized in that the spring torque is calculated.
前記劣化指標処理部は、前記モータトルクをTmとし、前記リターンスプリングのばね定数をkとし、前記出力側角度センサで検出された出力側開度をθaxとした場合、前記弁体トルクTvを次の式、Tv=−Tm−k・θaxで計算することを特徴とする電動アクチュエータ。 The electric actuator according to claim 2,
If the motor torque is Tm, the spring constant of the return spring is k, and the output side opening detected by the output side angle sensor is θax, the deterioration index processing unit determines the valve body torque Tv as follows. An electric actuator characterized by being calculated by the following equation: Tv=−Tm−k·θax.
前記制御回路の開度制御部が、前記モータを駆動制御して所定の制御開度へ前記出力軸を回動する開度制御ステップと、
前記制御回路の劣化指標処理部が、前記出力軸を前記制御開度に回動して保持した状態で、前記リターンスプリングおよび前記モータに生じた、スプリングトルクおよびモータトルクに基づいて、前記弁体の劣化指標として、前記弁体の弁体トルクを計算する劣化指標処理ステップと
を備えることを特徴とする劣化指標計算方法。 An output shaft for rotating the valve body, a motor for rotating the output shaft via a power transmission unit, a control circuit for controlling the opening of the valve body by drivingly controlling the motor, A deterioration index calculation method used in an electric actuator, which is attached to an output shaft and includes a return spring that returns the output shaft to a predetermined opening position by its own restoring force when the power is shut off,
An opening control step in which the opening control section of the control circuit drives and controls the motor to rotate the output shaft to a predetermined control opening,
The deterioration index processing unit of the control circuit, based on spring torque and motor torque generated in the return spring and the motor in a state in which the output shaft is rotated and held at the control opening, the valve body And a deterioration index processing step of calculating a valve body torque of the valve body as the deterioration index.
前記劣化指標処理ステップは、前記制御開度に前記出力軸を回動して保持した状態で、前記出力軸の回動角度を検出する出力側角度センサで検出された出力側開度と、前記リターンスプリングのばね定数とに基づいて、前記スプリングトルクを計算するステップを含むことを特徴とする劣化指標計算方法。 In the deterioration index calculation method according to claim 4,
In the deterioration index processing step, in a state where the output shaft is rotated and held at the control opening, an output opening detected by an output angle sensor that detects a rotation angle of the output shaft; A deterioration index calculation method comprising: a step of calculating the spring torque based on a spring constant of a return spring.
前記劣化指標処理ステップは、前記モータトルクをTmとし、前記リターンスプリングのばね定数をkとし、前記出力側角度センサで検出された出力側開度をθaxとした場合、前記弁体トルクTvを次の式、Tv=−Tm−k・θaxで計算することを特徴とする劣化指標計算方法。 In the deterioration index calculation method according to claim 5,
In the deterioration index processing step, when the motor torque is Tm, the spring constant of the return spring is k, and the output side opening detected by the output side angle sensor is θax, the valve body torque Tv is And a deterioration index calculation method, wherein Tv=−Tm−k·θax.
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