JP2021025933A - Displacement output device and electric actuator - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、変位出力装置および電動アクチュエータに関し、特に電動アクチュエータの出力機構の機械的な変位に応じた信号を出力する変位出力装置および変位出力装置を備えた電動アクチュエータに関する。 The present invention relates to a displacement output device and an electric actuator, and more particularly to an electric actuator including a displacement output device and a displacement output device that output a signal corresponding to a mechanical displacement of the output mechanism of the electric actuator.
モータの回転に応じて機械的に変位する出力機構を備えた電動アクチュエータにおいては、出力機構と機械的に連結されたポテンショメータによって、出力機構の変位に応じた信号を外部に出力している。ポテンショメータは、原理的には、図12に示すように、抵抗体と、この抵抗体の上を摺動することができる可動電極(ブラシ)とから構成される可変抵抗器であり、抵抗体の両端(B,W)に電圧をかけ、可動電極の位置に応じて分圧された電圧を、可動電極に接続された端子Rから出力する。例えば、回転角度を検出するロータリーポテンショメータの場合、ポテンショメータの可動電極は、電動アクチュエータの出力軸と機械的に連結されて、出力軸の回転とともに抵抗体の上を摺動する。 In an electric actuator equipped with an output mechanism that mechanically displaces according to the rotation of a motor, a potentiometer mechanically connected to the output mechanism outputs a signal corresponding to the displacement of the output mechanism to the outside. In principle, the potentiometer is a variable resistor composed of a resistor and a movable electrode (brush) capable of sliding on the resistor, as shown in FIG. A voltage is applied to both ends (B, W), and the voltage divided according to the position of the movable electrode is output from the terminal R connected to the movable electrode. For example, in the case of a rotary potentiometer that detects a rotation angle, the movable electrode of the potentiometer is mechanically connected to the output shaft of the electric actuator and slides on the resistor as the output shaft rotates.
例えば、特許文献1には、電動アクチュエータのギア減速機構を収容する筐体の外部にポテンショメータを装着し、ポテンショメータに出力軸の回転を伝達することが記載されている。また、特許文献2には、アクチュエータの出力軸の一端にポテンショメータを装着することが記載されている。
For example,
しかしながら、ポテンショメータは、抵抗体に対して可動電極を摺動させる構造から、ある程度の大きさを必要とする。また、変位出力装置として、電動アクチュエータの伝達系内にポテンショメータを設ける場合は、ポテンショメータを出力軸に機械的に連結しなければならず、そのため、ポテンショメータの配置には大きな制約があった。したがって、ポテンショメータを設けることが、電動アクチュエータの小型化と低コスト化とを妨げる原因となっていた。
また、ポテンショメータを出力軸等に連結するためにクリアランスが設けられるが、このクリアランスが誤差の原因となっていた。また、可動電極が抵抗体上を摺動することで、経年変化による信頼性の低下は避けられない。
However, the potentiometer requires a certain size due to the structure in which the movable electrode is slid with respect to the resistor. Further, when a potentiometer is provided in the transmission system of the electric actuator as the displacement output device, the potentiometer must be mechanically connected to the output shaft, and therefore, the arrangement of the potentiometer is greatly restricted. Therefore, the provision of the potentiometer has been a cause of hindering the miniaturization and cost reduction of the electric actuator.
Further, a clearance is provided for connecting the potentiometer to the output shaft or the like, and this clearance causes an error. Further, since the movable electrode slides on the resistor, it is inevitable that the reliability will decrease due to aging.
さらに、ポテンショメータは、抵抗体の両端に印加される電圧は規格化されていないために、出力機構の変位が同じでも、ポテンショメータの抵抗体に印加する電圧の大きさによって、ポテンショメータの可動電極から出力される電圧の大きさは、アプリケーションごとに異なることもあった。 Furthermore, since the voltage applied to both ends of the potentiometer is not standardized, the potentiometer outputs from the movable electrode of the potentiometer depending on the magnitude of the voltage applied to the resistor of the potentiometer even if the displacement of the output mechanism is the same. The magnitude of the voltage produced may vary from application to application.
そこで、本発明は、変位出力装置の配置に制約を受けないようにして、電動アクチュエータの小型化、低コスト化、信頼性の向上および各種の信号処理を可能とすることを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to make it possible to reduce the size, reduce the cost, improve the reliability, and process various signals of the electric actuator without being restricted by the arrangement of the displacement output device.
上記の目的を達成するために、本発明に係る変位出力装置は、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な変位を検出するセンサと、前記センサの出力に基づいて前記モータの回転を制御する制御部とを備えた電動アクチュエータの前記出力機構の変位に応じた信号を出力する変位出力装置(70)であって、基準電位に接続される第1端子(W)と、前記第1端子に対して任意の入力電圧が印加される第2端子(B)と、前記入力電圧に対して前記出力機構の変位に応じた出力電圧を出力する第3端子(R)と、前記センサの出力に基づいて前記出力機構の変位の割合を算出する演算処理部(73)と、前記入力電圧に対して、前記演算処理部によって算出された前記割合に応じた電圧を生成して前記出力電圧として前記第3端子に出力する出力回路(75)とを有する。 In order to achieve the above object, the displacement output device according to the present invention includes an output mechanism that mechanically displaces according to the rotation of the motor, a sensor that detects the mechanical displacement of the output mechanism, and the sensor. A first displacement output device (70) that outputs a signal corresponding to the displacement of the output mechanism of an electric actuator including a control unit that controls the rotation of the motor based on the output, and is connected to a reference potential. A third terminal (W), a second terminal (B) to which an arbitrary input voltage is applied to the first terminal, and a third terminal (B) that outputs an output voltage corresponding to the displacement of the output mechanism with respect to the input voltage. According to the terminal (R), the arithmetic processing unit (73) that calculates the displacement ratio of the output mechanism based on the output of the sensor, and the ratio calculated by the arithmetic processing unit with respect to the input voltage. It has an output circuit (75) that generates a voltage and outputs the output voltage to the third terminal.
本発明の一実施の形態に係る変位出力装置においては、前記第2端子に印加された前記入力電圧の大きさをアナログ/デジタル変換して前記演算処理部に入力するアナログ/デジタル変換回路(72)をさらに備え、前記演算処理部(73)は、前記センサの出力と前記アナログ/デジタル変換回路から入力される前記入力電圧の大きさとから前記出力電圧の大きさを算出し、前記出力回路は、前記演算処理部によって算出された前記出力電圧の大きさをデジタル/アナログ変換するデジタル/アナログ変換回路(74)と、前記デジタル/アナログ変換回路によって変換された大きさの電圧を生成して前記出力電圧として出力するアナログ出力回路(75)とを含む。 In the displacement output device according to the embodiment of the present invention, an analog / digital conversion circuit (72) that converts the magnitude of the input voltage applied to the second terminal into analog / digital and inputs it to the arithmetic processing unit. ) Is further provided, and the arithmetic processing unit (73) calculates the magnitude of the output voltage from the output of the sensor and the magnitude of the input voltage input from the analog / digital conversion circuit. A digital / analog conversion circuit (74) that digitally / analog-converts the magnitude of the output voltage calculated by the arithmetic processing unit, and a voltage having a magnitude converted by the digital / analog conversion circuit are generated. It includes an analog output circuit (75) that outputs as an output voltage.
本発明の一実施の形態に係る変位出力装置においては、前記アナログ/デジタル変換回路(72)と前記演算処理部(73)とを電気的に絶縁する第1のフォトカプラ(78)と、前記デジタル/アナログ変換回路と前記演算処理部とを電気的に絶縁する第2のフォトカプラ(79)とを有する。 In the displacement output device according to the embodiment of the present invention, the first photocoupler (78) that electrically insulates the analog / digital conversion circuit (72) and the arithmetic processing unit (73), and the above. It has a second photocoupler (79) that electrically insulates the digital / analog conversion circuit and the arithmetic processing unit.
本発明の一実施の形態に係る変位出力装置においては、前記出力機構の変位の割合に応じて変調された変調デジタル信号を出力する第1変調回路(701)と、前記変調デジタル信号によって前記第2端子に印加された電圧を変調する第2変調回路(740)とをさらに備え、前記出力回路は、前記第2変調回路から出力される電圧を平滑して出力するアナログ出力回路(750)を含む。 In the displacement output device according to the embodiment of the present invention, the first modulation circuit (701) that outputs a modulated digital signal modulated according to the displacement ratio of the output mechanism, and the first modulation circuit (701) using the modulated digital signal. A second modulation circuit (740) that modulates the voltage applied to the two terminals is further provided, and the output circuit includes an analog output circuit (750) that smoothes and outputs the voltage output from the second modulation circuit. Including.
本発明の一実施の形態に係る変位出力装置においては、前記第2変調回路は、前記演算処理部と前記アナログ出力回路とを電気的に絶縁するフォトカプラ(770)を含む。 In the displacement output device according to the embodiment of the present invention, the second modulation circuit includes a photocoupler (770) that electrically insulates the arithmetic processing unit and the analog output circuit.
また、本発明に係る電動アクチュエータは、モータ(10)と、前記モータに電流を供給する駆動回路(60)と、前記モータの回転に応じて機械的に変位する出力機構(30)と、前記出力機構の機械的な変位を検出するセンサ(40)と、前記センサの出力に基づいて前記モータの回転を制御する制御部(50)と、基準電位に接続される第1端子(W)と、前記基準電位に対して任意の入力電圧を印加する第2端子(B)と、前記入力電圧に対して前記出力機構の変位に応じた出力電圧を出力する第3端子(R)とを有する変位出力装置(70)とを備え、前記変位出力装置は、上述した変位出力装置である。 Further, the electric actuator according to the present invention includes a motor (10), a drive circuit (60) for supplying an electric current to the motor, an output mechanism (30) that is mechanically displaced according to the rotation of the motor, and the above. A sensor (40) that detects the mechanical displacement of the output mechanism, a control unit (50) that controls the rotation of the motor based on the output of the sensor, and a first terminal (W) connected to a reference potential. It has a second terminal (B) for applying an arbitrary input voltage to the reference potential, and a third terminal (R) for outputting an output voltage corresponding to the displacement of the output mechanism with respect to the input voltage. A displacement output device (70) is provided, and the displacement output device is the displacement output device described above.
本発明の一実施の形態に係る電動アクチュエータにおいては、演算処理回路(511)と、記憶装置(512)と、インターフェースとを備えた演算処理装置(510)を備え、前記演算処理装置は、前記制御部(50)と前記変位出力装置の演算処理部(73)として動作するように構成されている。 The electric actuator according to the embodiment of the present invention includes an arithmetic processing unit (510) including an arithmetic processing circuit (511), a storage device (512), and an interface, and the arithmetic processing unit is the said. It is configured to operate as a control unit (50) and an arithmetic processing unit (73) of the displacement output device.
本発明によれば、変位出力装置の配置に制約を受けないようにして、電動アクチュエータの小型化、低コスト化、信頼性の向上および各種の信号処理が可能となる。 According to the present invention, it is possible to reduce the size of the electric actuator, reduce the cost, improve the reliability, and perform various signal processing without being restricted by the arrangement of the displacement output device.
以下に、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[第1の実施の形態]
図1に本発明の第1の実施の形態に係る電動アクチュエータ100の構成を示す。
電動アクチュエータ100は、モータ10と、モータ10の回転を伝達する伝達機構となる減速機20と、減速機20を介して伝達されるモータ10の回転に応じて軸線周りに回動する回転軸30と、回転軸30の回転角度を検出する角度センサ40と、モータ10の回転を制御する制御部50と、制御部50からの制御信号に基づいてモータ10を回転させる駆動回路60と、回転軸30の位置に応じた信号を出力する変位出力装置70とを備えている。
[First Embodiment]
FIG. 1 shows the configuration of the
The
このうち、モータ10には、例えば、同期モータや、ブラシレス直流モータ、ステッピングモータ等を用いることができるが、これら以外の動力源を用いてもよい。
Of these, for the
減速機20は、典型的には、互いに組み合わされた複数のギアから構成される。ギヤとともに、またはギヤに代えて、チェーンやベルトを組み合わせた機構であってもよい。本実施の形態においては、減速機20は、モータ10の回転を所定の減速比Gで減速して回転軸30に伝達するものとする。
The
回転軸30は、一端が減速機20の出力軸に連結された剛性の高い金属等から形成された棒状の部材であり、モータ10の回転に応じて機械的に変位する出力機構を構成する。図示はしないが、回転軸30の他端は、バルブの弁体その他、操作対象要素に連結される。
The rotating
本実施の形態に係る電動アクチュエータ100においては、出力機構である回転軸30の機械的な変位は、軸線周りの回転角度である。角度センサ40は、この回転軸30の回転角度を検出するデバイスである。本実施の形態において、角度センサ40としては、可変抵抗器から成るポテンショメータを用いるものとするが、これに代えて、回転軸30の回動範囲内に、任意の基準位置から互いに異なる複数の回転角度に対応する位置にそれぞれ設けられた位置センサを備えた角度位置センサや、回転軸30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などの絶対的位置センサや、回転軸30の回転角度に対応してパルスを出力する、相対的位置センサであるインクリメンタル型のロータリエンコーダなどを用いてもよい。
In the
制御部50は、図示しない上位装置から与えられる目標角度θspと角度センサ40によって検出される回転軸30の回転角度θptとの偏差に応じて操作量を決定し、駆動回路60を動作させることによってモータ10の回転を制御する。より具体的には、制御部50は、目標角度θspと角度センサ40によって検出される回転軸30の回転角度θptとの偏差に応じて操作量OAを決定し、駆動回路60にこの操作量OAに応じた駆動信号Dvを与える。例えば、一般的な比例制御(P制御)の場合は、OA=α(θsp−θpt)(ただし、αは比例定数)よって算出される。制御部50は、このようにして求められた操作量OAに基づいて駆動信号Dvを生成して駆動回路60に対して出力する。
The
なお、上述した比例制御は、モータ10または回転軸30の回転角度の制御の一例にすぎず、本発明においては、例えば、PD制御、PID制御の他、ニューラルネットワークモデルその他のモデルを用いたモデル制御など、どのような制御手法を用いていてもよい。
The proportional control described above is only an example of controlling the rotation angle of the
駆動回路60は、例えば、複数のMOSFETを備え、制御部50からの駆動信号DvによってMOSFETやトランジスタなどのスイッチングデバイスを適宜オン/オフすることによって、モータ10の巻線に電流を供給してモータ10を回転させることができる。
The
変位出力装置70は、従来の電動アクチュエータにおいて変位出力装置として設けられていたポテンショメータに代わり、回転軸30の位置に応じた信号を出力する装置である。本実施の形態に係る電動アクチュエータ100において、変位出力装置70は、従来のポテンショメータと同様に、基準電位に接続される第1端子Wと、この第1端子に対して任意の入力電圧が印加される第2端子Bと、この入力電圧に対して回転軸30の位置に応じた電圧、より詳しくは、回転軸30の最大回転角度に対する現在の回転角度に応じた電圧を出力する第3端子Rとを備えている。本実施の形態において、この第1端子Wは、接地(GND)レベルとする。
The
変位出力装置70は、さらに、角度センサ40によって検出される回転軸30の回転角度θptに基づいて、回転軸30の最大回転角度に対する現在の回転角度に応じた割合Θ[%](以下、この割合Θを単に「開度Θ」ということがある。)を算出する演算処理部73と、この演算処理部73の出力をデジタル/アナログ変換してアナログ出力回路75に入力するデジタル/アナログ変換回路(以下、「D/A変換回路」という。)74と、第2端子Bに入力された入力電圧に対して、演算処理部73によって算出された割合に応じた出力電圧を生成して第3端子Rに出力するアナログ出力回路75を備えている。
The
本実施の形態において、演算処理部73は、より具体的には、角度センサ40の出力の大きさVaと第2端子Bに入力される入力電圧の大きさVwとから第3端子Wから出力すべき出力電圧の大きさVo を算出するように構成されている。
In the present embodiment, more specifically, the
なお、変位出力装置70は、第2端子Bに印加される入力電圧を演算処理部73に入力するためのアナログ入力回路71とアナログ/デジタル変換回路(以下、「A/D変換回路」という。)72を備えている。また、角度センサ40の出力を演算処理部73に入力するためのアナログ入力回路76とA/D変換回路77とを備えている。
The
図2に、上述した電動アクチュエータ100のハードウェア構成の一例を示す。この例においては、制御基板500に、演算処理装置510と、この演算処理装置510に電源を供給する電源回路520と、アナログ信号を入力または出力するアナログ入力回路71、76およびアナログ出力回路75が設けられている。演算処理装置510は、例えば、演算処理回路(CPU)511、記憶装置(メモリ)512、A/D変換回路72、77、D/A変換回路74、各種インターフェース回路513、514を備え、これらがバス518を介して通信可能に構成されている。
FIG. 2 shows an example of the hardware configuration of the
演算処理装置510は、メモリ512に記憶されたコンピュータ・プログラムにしたがってCPU511が各種情報処理を実行することによって、上述した制御部50として、インターフェース回路513を介して与えられる目標角度θspと角度センサ40によって検出される回転軸30の回転角度θptとの偏差に応じて駆動回路60を動作させ、モータ10の回転を制御するとともに、変位出力装置70の演算処理部73として、アナログ出力回路75から出力すべき出力電圧の大きさを算出する。
なお、メモリ512には、プログラムの他、回転軸30の最大回転角度の大きさを記憶しておいてもよい。
In the
In addition to the program, the
なお、アナログ入力回路71、76は、外部からのアナログ入力信号をその後段のA/D変換回路72、77に入力できるように、増幅、レベルシフト、波形成型したり、ノイズを除去したりする回路であり、抵抗やトランジスタとから構成される公知のアナログ入力回路を適宜用いればよい。
また、アナログ出力回路75は、演算処理部73によって算出された大きさVo の電圧を、例えば、電源回路520から供給される電圧Vccや、第2端子Bに供給される電圧Vbから生成して出力する回路であり、増幅回路を含む公知のアナログ出力回路を適宜用いればよい。
The
Further, the
[変位出力装置70の動作]
変位出力装置70による変位出力の手順は、図3に示すように、まず、回転軸30の機械的な変位、すなわち、回転角度を角度センサ40により検出してその出力を取得する(ステップS10)。回転角度を取得したら、その回転角度の最大回転角度に対する割合、すなわち出力側の開度Θ[%]に変換する(ステップS20)。そして、第2端子Bに印加されている電圧Vb の大きさを測定し(ステップS30)、第2端子Bに印加されている電圧Vb の大きさにステップS20で算出した開度Θ[%]割合を乗じることによって、第3端子Rから出力させるべきアナログ出力電圧の大きさを計算し(ステップS40)、その大きさの電圧をアナログ出力回路75から出力させる(ステップS50)。
[Operation of displacement output device 70]
As shown in FIG. 3, the procedure of displacement output by the
上述したステップS40において、出力側の開度Θ[%]から第3端子Rから出力させるべきアナログ出力電圧Vo の大きさを算出する信号処理は、図4Aに示すように、原点を通り正の傾きを有する正動作となる。このときの出力側の開度Θ[%]とアナログ出力電圧Vo との関係は、次の式により表すことができる。 In step S40 described above, the signal processing for calculating the magnitude of the analog output voltage Vo to be output from the third terminal R from the opening degree Θ [%] on the output side passes through the origin and is positive as shown in FIG. 4A. It becomes a normal operation with an inclination. The relationship between the opening degree Θ [%] on the output side and the analog output voltage Vo at this time can be expressed by the following equation.
Vo = Vb ・Θ/100 Vo = Vb ・ Θ / 100
なお、上記の例では、演算処理部73による、出力側の開度Θ[%]から第3端子Rから出力させるべきアナログ出力電圧Vo の大きさを算出する処理を、図4Aに示すような正動作としたが、本発明において、第2端子Bに印加されている入力電圧Vb の大きさに対して出力側の開度Θ[%]に応じた出力電圧Vo を生成するにあたっては、上述した正動作の他にも、例えば、図4B〜図4Dに示すような様々な関係を用いることができる。
In the above example, the process of calculating the magnitude of the analog output voltage Vo to be output from the third terminal R from the opening degree Θ [%] on the output side by the
図4Bは、いわゆる逆動作である。出力側の開度Θ[%]とアナログ出力電圧Vo との関係は、次の式により表すことができる。 FIG. 4B is a so-called reverse operation. The relationship between the opening degree Θ [%] on the output side and the analog output voltage Vo can be expressed by the following equation.
Vo = Vb ・(100−Θ)/100 Vo = Vb ・ (100-Θ) / 100
図4Cは、オフセットVostとゲインGを用いる例である。出力の開度Θ[%]とアナログ出力電圧Vo との関係は、次の式により表すことができる。 FIG. 4C is an example of using offset Vost and gain G. The relationship between the output opening degree Θ [%] and the analog output voltage Vo can be expressed by the following equation.
Vo = Vb ・G・Θ/100+Vost Vo = Vb ・ G ・ Θ / 100 + Vost
図4Dは、範囲によってゲインGが変化する例(折れ線)である。 FIG. 4D is an example (line) in which the gain G changes depending on the range.
第2端子Bに印加されている入力電圧Vb の大きさに対して出力側の開度Θ[%]に応じた出力電圧Vo を算出する際の信号処理については、上述したように、正動作を基本にして、逆動作、オフセット、ゲインおよび折れ線などが考えられ、また、これらを組み合わせても良いし、さらには上記の関係に限定されるものではない。 As described above, the signal processing for calculating the output voltage Vo according to the opening degree Θ [%] on the output side with respect to the magnitude of the input voltage Vb applied to the second terminal B is a normal operation. On the basis of, reverse operation, offset, gain, polygonal line, etc. can be considered, and these may be combined, and the relationship is not limited to the above.
上述したように、変位出力装置70においては、角度センサ40の出力に基づいて回転軸30の回転角度に応じた電圧を第3端子Rから出力するので、従来の技術に見られるように、機械的な構造を有するポテンショメータを電動アクチュエータの伝達系内に設ける必要はない。また、角度センサ40で検出した回転軸30の回転角度の最大回転角度に対する割合を算出し、この割合と第2端子Bに印加される入力電圧の大きさとに基づいて第3端子Rから出力する出力電圧Vo の大きさを算出するので、第2端子Bに印加される入力電圧の大きさにかかわらず、回転軸30の回転角度を電圧の大きさの比で表すことができる。
As described above, in the
[第1の実施の形態に係る変位出力装置の構成例1]
図5に本実施の形態の構成例1に係る変位出力装置70Aの構成を示す。
この構成例1に係る変位出力装置70Aは、アナログ信号を扱う回路とデジタル信号を扱う回路とを絶縁分離するとともに、アナログ入力回路71およびアナログ出力回路75の基準電圧として、電動アクチュエータ100内において電源回路520が生成する絶縁された電圧Vcc1 を利用し、さらに内部電圧Vccも生成する。
具体的には、図5に示すように、A/D変換回路72と演算処理部73とは、第1のフォトカプラ78によって電気的に絶縁されている。第1のフォトカプラ78の出力は、SPI/I2Cなどに準拠したインターフェース回路517を介して演算処理部73に入力される。また、演算処理部73とD/A変換回路74とは、第2のフォトカプラ79によって絶縁分離されている。演算処理部73の出力は、SPI/I2Cなどに準拠したインターフェース回路515を介してフォトカプラ79に入力される。
[
FIG. 5 shows the configuration of the
The
Specifically, as shown in FIG. 5, the A /
[第1の実施の形態に係る変位出力装置の構成例2]
図6に本実施の形態の構成例2に係る変位出力装置70Bの構成を示す。
この構成例2に係る変位出力装置70Bは、アナログ信号を扱う回路とデジタル信号を扱う回路とをフォトカプラによって絶縁分離する点では、上述した構成例1に係る変位出力装置70Aと共通する一方、アナログ入力回路71およびアナログ出力回路75の基準電圧として、第2端子Bに外部から与えられた電圧Vbを利用するようにしてもよい。
[Structure 2 of the displacement output device according to the first embodiment]
FIG. 6 shows the configuration of the
The
[第2の実施の形態]
次に本発明の第2の実施の形態に係る電動アクチュエータ100Aについて図7〜図11を参照して説明する。なお、上述した第1の実施の形態に係る電動アクチュエータ100と共通する構成要素については同一の符号を付して示し、その詳細な説明は省略する。
[Second Embodiment]
Next, the
上述した第1の実施の形態においては、変位出力装置70の演算処理部73は、角度センサ40の出力の大きさVaと第2端子Bに入力される入力電圧の大きさVwとから第3端子Wから出力すべき出力電圧Vo の大きさを算出するように構成されていたのに対し、第2の実施の形態においては、変位出力装置700は、入力される信号に応じて変調された変調デジタル信号を出力する第1変調回路701と、第1変調回路701から出力される変調デジタル信号によって第2端子Bに印加された入力電圧を変調する第2変調回路740とを備える点、および演算処理部73が、角度センサ40によって検出された回転軸30の回転角度の最大回転角度に対する割合、すなわち開度Θ[%]を算出して、第1変調回路701に入力する点で異なっている。
In the first embodiment described above, the
このうち、第1変調回路701は、演算処理部73が算出した開度Θ[%]に応じてパルス幅変調(PWM)された変調デジタル信号を出力する。
また、第2変調回路740の後段には、平滑回路を含むアナログ出力回路750が設けられている。第2変調回路740から出力されるPWM変調された電圧は、このアナログ出力回路750によって平滑されて、出力電圧Vo として第3端子Rに出力される。
Of these, the
Further, an
[変位出力装置700の動作]
変位出力装置700による変位出力の手順は、図8に示すように、まず、回転軸30の機械的な変位、すなわち、回転角度を角度センサ40により検出してその出力を取得する(ステップS110)。回転角度を取得したら、その回転角度の最大回転角度に対する割合、すなわち出力側の開度Θ[%]に変換する(ステップS120)。そして、この開度Θ[%]に応じたPWM変調率、すなわちデューティ比D[%]を計算して(ステップS130)、そのデューティ比D[%]のPWM変調信号を第1変調回路701から出力し(ステップS140)、第2変調回路740によってPWM変調信号に応じて入力電圧を変調し(ステップS150)、変調された入力電圧を平滑して出力する(ステップS160)。
[Operation of displacement output device 700]
As shown in FIG. 8, the procedure of displacement output by the
上述したステップS140において、演算処理部73が行う、出力側の開度Θ[%]からデューティ比D[%]を算出する信号処理は、図9Aに示すように、原点を通り正の傾きを有する正動作となる。このときの開度Θ[%]とデューティ比との関係は、比例定数を1とすれば、次の式により表すことができる。
In step S140 described above, the signal processing performed by the
D =Θ D = Θ
上記の例では、出力側の開度Θ[%]とデューティ比D[%]との関係を正動作としたが、本発明において、出力側の開度Θ[%]に応じたデューティ比D[%]を算出するにあたっては、上述した正動作(図9A)の他にも、例えば、図9B〜図9Dに示すような様々な関係を用いることができる。 In the above example, the relationship between the opening degree Θ [%] on the output side and the duty ratio D [%] is regarded as a normal operation, but in the present invention, the duty ratio D according to the opening degree Θ [%] on the output side In calculating [%], in addition to the above-mentioned normal operation (FIG. 9A), for example, various relationships as shown in FIGS. 9B to 9D can be used.
図9Bは、いわゆる逆動作である。出力側の開度Θ[%]とデューティ比D[%]との関係は、次の式により表すことができる。 FIG. 9B is a so-called reverse operation. The relationship between the opening degree Θ [%] on the output side and the duty ratio D [%] can be expressed by the following equation.
D =100−Θ D = 100-Θ
図9Cは、オフセットDostとゲインGを用いる例である。出力側の開度Θ[%]とデューティ比D[%]との関係は、次の式により表すことができる。 FIG. 9C is an example in which the offset Dost and the gain G are used. The relationship between the opening degree Θ [%] on the output side and the duty ratio D [%] can be expressed by the following equation.
D =G・Θ+Dost D = G · Θ + Dost
図9Dは、範囲によってゲインGが変化する例(折れ線)である。 FIG. 9D is an example (line chart) in which the gain G changes depending on the range.
出力側の開度Θ[%]に応じたデューティ比D[%]を算出する際の信号処理については、上述したように、正動作を基本にして、逆動作、オフセット、ゲインおよび折れ線などが考えられ、また、これらを組み合わせても良いし、さらには上記の関係に限定されるものではない。 Regarding the signal processing when calculating the duty ratio D [%] according to the opening degree Θ [%] on the output side, as described above, the reverse operation, offset, gain, polygonal line, etc. are based on the normal operation. It is conceivable, and these may be combined, and the relationship is not limited to the above.
本実施の形態においても、角度センサ40の出力に基づいて回転軸30の回転角度に応じた電圧を第3端子Rから出力するので、従来の技術に見られるように、機械的な構造を有するポテンショメータを電動アクチュエータの伝達系内に設ける必要はない。
また、角度センサ40で検出した回転軸30の回転角度の最大回転角度に対する割合Θに応じて第2端子Bに印加される入力電圧をPWM変調することによって、第2端子Bに印加される入力電圧の大きさを演算処理部73に入力しなくてもよい。したがって、第2端子Bに印加される入力電圧の大きさにかかわらず、回転軸30の回転角度を電圧の大きさの比で表すことができるだけでなく、第2端子Bに印加される入力電圧のための入力回路やA/D変換回路が不要となり、より簡素な回路で変位出力装置を実現することができる。
Also in the present embodiment, since the voltage corresponding to the rotation angle of the
Further, the input applied to the second terminal B is input by PWM-modulating the input voltage applied to the second terminal B according to the ratio Θ of the rotation angle of the
[第2の実施の形態に係る変位出力装置の構成例1]
図10に本実施の形態の構成例1に係る変位出力装置700Aの構成を示す。
この構成例1に係る変位出力装置700Aは、アナログ信号を扱う回路とデジタル信号を扱う回路とを絶縁分離するとともに、アナログ出力回路750の基準電圧として、電動アクチュエータ100内において電源回路520が生成する絶縁された電圧Vcc1 を利用し、さらに内部電圧Vccも生成する。
具体的には、図10に示すように、第2変調回路740は、フォトカプラ770によって電気的に絶縁されている。
[
FIG. 10 shows the configuration of the
In the
Specifically, as shown in FIG. 10, the
[第2の実施の形態に係る変位出力装置の構成例2]
図11に本実施の形態の構成例2に係る変位出力装置700Bの構成を示す。
この構成例2に係る変位出力装置700Bは、アナログ信号を扱う回路とデジタル信号を扱う回路とをフォトカプラによって絶縁分離する点では、上述した構成例1に係る変位出力装置700Aと共通する一方、アナログ出力回路750の基準電圧として、第2端子Bに外部から与えられた電圧Vbを利用するようにしてもよい。
[Structure 2 of the displacement output device according to the second embodiment]
FIG. 11 shows the configuration of the
The
[実施の形態の効果]
以上のように本発明の実施の形態に係る電動アクチュエータ100、100Aによれば、従来の変位出力装置としてのポテンショメータを電子回路によって実現するので、変位出力装置の配置に制約を受けないようにして、電動アクチュエータの小型化と低コスト化を図ることができる。
[Effect of Embodiment]
As described above, according to the
また、上述した制御部50と演算処理部73とは、1つの演算処理装置510で実現することができるので、電動アクチュエータを小型化することができる。
Further, since the
また、変位出力装置としてのポテンショメータを出力軸等に連結する必要がないので、クリアランスによる誤差が発生することもない。また、可動電極が抵抗体上を摺動することによる信頼性の低下も回避できる。 Further, since it is not necessary to connect the potentiometer as a displacement output device to the output shaft or the like, an error due to clearance does not occur. In addition, it is possible to avoid a decrease in reliability due to the movable electrode sliding on the resistor.
また、本発明の実施の形態に係る変位出力装置70、700によれば、角度センサ40で検出した回転軸30の回転角度の最大回転角度に対する割合と、第2端子Bに印加される入力電圧の大きさとに基づいて、第3端子Rから出力する出力電圧Vo の大きさを算出するので、第2端子Bに印加される入力電圧の大きさにかかわらず、回転軸30の回転角度を電圧の大きさの比で表すことができる。
Further, according to the
なお、出力電圧Vo およびデューティ比Dを算出する際の信号処理については、上述したように、正動作を基本にして、逆動作、オフセット、ゲインおよび折れ線などが考えられ、また、これらを組み合わせることによりいろいろな出力に対応できる。
また、上述した実施の形態においては、アナログ信号を扱う回路とデジタル信号を扱う回路とを電気的に絶縁分離するためにフォトカプラを使用しているが、信号が伝達できて絶縁できるデバイスならば、フォトカプラに代えてどのようなデバイスを用いてもよい。
As for the signal processing when calculating the output voltage Vo and the duty ratio D, as described above, the reverse operation, the offset, the gain, the polygonal line, etc. can be considered based on the normal operation, and these are combined. It can correspond to various outputs.
Further, in the above-described embodiment, a photocoupler is used to electrically isolate and separate a circuit that handles analog signals from a circuit that handles digital signals, but any device that can transmit signals and can insulate them. , Any device may be used in place of the photocoupler.
また、上記の実施の形態においては、電動アクチュエータの電源回路を例に説明したが、本発明は、電動アクチュエータのみならず、出力機構の機械的な変位に応じた信号を出力する全ての製品に適用できる。 Further, in the above embodiment, the power supply circuit of the electric actuator has been described as an example, but the present invention applies not only to the electric actuator but also to all products that output a signal according to the mechanical displacement of the output mechanism. Applicable.
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上記実施の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。 Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the above embodiments. Various changes that can be understood by those skilled in the art can be made to the structure and details of the present invention within the scope of the present invention.
本発明は、変位出力装置を備えた電動アクチュエータに利用することができる。 The present invention can be applied to an electric actuator provided with a displacement output device.
100、100A…電動アクチュエータ、10…モータ、20…減速機、30…回転軸、40…角度センサ、50…制御部、500…制御基板、510…演算処理装置、511…CPU、512…メモリ、60…駆動回路、70…変位出力装置、71,76…アナログ入力回路、75,750…アナログ出力回路、72、77…A/D変換回路、74…D/A変換回路、78,79、770…フォトカプラ、701…第1変調回路、740…第2変調回路。 100, 100A ... Electric actuator, 10 ... Motor, 20 ... Reducer, 30 ... Rotating shaft, 40 ... Angle sensor, 50 ... Control unit, 500 ... Control board, 510 ... Arithmetic processing device, 511 ... CPU, 512 ... Memory, 60 ... Drive circuit, 70 ... Displacement output device, 71,76 ... Analog input circuit, 75,750 ... Analog output circuit, 72, 77 ... A / D conversion circuit, 74 ... D / A conversion circuit, 78,79,770 ... photocoupler, 701 ... first modulation circuit, 740 ... second modulation circuit.
Claims (7)
基準電位に接続される第1端子と、
前記第1端子に対して任意の入力電圧が印加される第2端子と、
前記入力電圧に対して前記出力機構の変位に応じた出力電圧を出力する第3端子と、
前記センサの出力に基づいて前記出力機構の変位の割合を算出する演算処理部と、
前記入力電圧に対して、前記演算処理部によって算出された前記割合に応じた電圧を生成して前記出力電圧として前記第3端子に出力する出力回路と
を有する変位出力装置。 An electric motor including an output mechanism that mechanically displaces according to the rotation of the motor, a sensor that detects the mechanical displacement of the output mechanism, and a control unit that controls the rotation of the motor based on the output of the sensor. A displacement output device that outputs a signal according to the displacement of the output mechanism of the actuator.
The first terminal connected to the reference potential and
A second terminal to which an arbitrary input voltage is applied to the first terminal, and
A third terminal that outputs an output voltage corresponding to the displacement of the output mechanism with respect to the input voltage,
An arithmetic processing unit that calculates the displacement ratio of the output mechanism based on the output of the sensor, and
A displacement output device including an output circuit that generates a voltage corresponding to the ratio calculated by the arithmetic processing unit with respect to the input voltage and outputs the output voltage to the third terminal.
前記第2端子に印加された前記入力電圧の大きさをアナログ/デジタル変換して前記演算処理部に入力するアナログ/デジタル変換回路をさらに備え、
前記演算処理部は、前記センサの出力と前記アナログ/デジタル変換回路から入力される前記入力電圧の大きさとから前記出力電圧の大きさを算出し、
前記出力回路は、
前記演算処理部によって算出された前記出力電圧の大きさをデジタル/アナログ変換するデジタル/アナログ変換回路と、
前記デジタル/アナログ変換回路によって変換された大きさの電圧を生成して前記出力電圧として出力するアナログ出力回路とを含む、
変位出力装置。 In the displacement output device according to claim 1,
An analog / digital conversion circuit for analog / digital conversion of the magnitude of the input voltage applied to the second terminal and input to the arithmetic processing unit is further provided.
The arithmetic processing unit calculates the magnitude of the output voltage from the output of the sensor and the magnitude of the input voltage input from the analog / digital conversion circuit.
The output circuit
A digital / analog conversion circuit that digitally / analog-converts the magnitude of the output voltage calculated by the arithmetic processing unit, and
Including an analog output circuit that generates a voltage of a magnitude converted by the digital / analog conversion circuit and outputs it as the output voltage.
Displacement output device.
前記アナログ/デジタル変換回路と前記演算処理部とを電気的に絶縁する第1のフォトカプラと、
前記デジタル/アナログ変換回路と前記演算処理部とを電気的に絶縁する第2のフォトカプラと
を有する、
変位出力装置。 In the displacement output device according to claim 2,
A first photocoupler that electrically insulates the analog / digital conversion circuit and the arithmetic processing unit,
It has a second photocoupler that electrically insulates the digital / analog conversion circuit and the arithmetic processing unit.
Displacement output device.
前記出力機構の変位の割合に応じて変調された変調デジタル信号を出力する第1変調回路と、
前記変調デジタル信号によって前記第2端子に印加された電圧を変調する第2変調回路と
をさらに備え、
前記出力回路は、
前記第2変調回路から出力される電圧を平滑して出力するアナログ出力回路を含む、
変位出力装置。 In the displacement output device according to claim 1,
A first modulation circuit that outputs a modulated digital signal modulated according to the displacement ratio of the output mechanism, and
Further provided with a second modulation circuit that modulates the voltage applied to the second terminal by the modulated digital signal.
The output circuit
An analog output circuit that smoothes and outputs the voltage output from the second modulation circuit is included.
Displacement output device.
前記第2変調回路は、前記演算処理部と前記アナログ出力回路とを電気的に絶縁するフォトカプラを含む、
変位出力装置。 In the displacement output device according to claim 4,
The second modulation circuit includes a photocoupler that electrically insulates the arithmetic processing unit and the analog output circuit.
Displacement output device.
前記モータに電流を供給する駆動回路と、
前記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な変位を検出するセンサと、
前記センサの出力に基づいて前記モータの回転を制御する制御部と、
基準電位に接続される第1端子と、前記基準電位に対して任意の入力電圧を印加する第2端子と、前記入力電圧に対して前記出力機構の変位に応じた出力電圧を出力する第3端子とを有する変位出力装置と
を備え、
前記変位出力装置は、
請求項1〜5のいずれか一項に記載された変位出力装置である、
電動アクチュエータ。 With the motor
A drive circuit that supplies current to the motor and
An output mechanism that mechanically displaces according to the rotation of the motor,
A sensor that detects the mechanical displacement of the output mechanism and
A control unit that controls the rotation of the motor based on the output of the sensor,
A first terminal connected to a reference potential, a second terminal that applies an arbitrary input voltage to the reference potential, and a third terminal that outputs an output voltage corresponding to the displacement of the output mechanism with respect to the input voltage. Equipped with a displacement output device with terminals
The displacement output device is
The displacement output device according to any one of claims 1 to 5.
Electric actuator.
演算処理回路と、記憶装置と、インターフェースとを備えた演算処理装置を備え、
前記演算処理装置は、前記制御部と前記変位出力装置の前記演算処理部として動作するように構成されている、
電動アクチュエータ。 In the electric actuator according to claim 6,
An arithmetic processing unit having an arithmetic processing circuit, a storage device, and an interface is provided.
The arithmetic processing unit is configured to operate as the arithmetic processing unit of the control unit and the displacement output device.
Electric actuator.
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