JP4575016B2 - 電動アクチュエータとそのアクチュエータを用いた電動弁 - Google Patents

Description

この発明は、電動アクチュエータとそのアクチュエータを用いた電動弁に関するものである。

流体制御用の弁（バルブ）には、ボール弁、バタフライ弁、ダンパー弁とがあって、それらの弁に電動アクチュエータをカップリングで一体になるように連結して電動弁を構成するようになっている。

そのため、これらの電動弁では、例えば、ポテンショメータやマイクロスイッチなどで弁の閉止位置を検出し、弁が閉じると電動アクチュエータを停止する。このとき、閉じた弁は、フリーな状態となるので、流体圧などに対抗する必要から、バネ（ダンパー弁では重りが主）などで閉止力を付与するようにしている。

一方、電動アクチュエータによる弁の開閉制御は、（例えば、特許文献１）の図７で示すように、位置検出器１が検出した弁体２の検出信号と目標開度信号（設定角度）とを比較回路３で比較し、その比較した差でもってモータ４を駆動するようにしている。
特開平５−３９８８５号公報

しかしながら、上記の開閉制御による方法では、目標開度に近くなると、目標開度と検出信号との差が小さくなる。そのため、この差でもって駆動するモータへの出力信号が小さくなり、目標開度に達するまでに時間を要したり、ゲイン不足で一定の偏差を生ずる問題がある。特に、閉止力を付与するバネは一定の力で閉止方向へ弁を引っ張るので、目標開度に達するまでの時間や、目標開度との間の偏差を増加させる問題がある。

そこで、この発明の課題は、目標開度に達するまでの時間を短縮し、偏差を小さくできるようにすることである。

上記の課題を解決するため、この発明では、連結される弁の開閉角角度（位置）を検出するセンサと、前記センサ値に基づき減速手段を介して接続されたモータを制御して弁を設定角度に開閉する制御手段を備え、前記制御手段は、弁が設定された開閉角に所定の角度（位置）まで近づくと、一旦、モータを停止し、設定角に近づく方向を正方向としてモータを時間Ｔ作動したのち、逆方向にモータを時間ｔ（ｔ＜Ｔ）作動して、その際、弁が設定した開閉角に達した場合はモータを停止し、一方、前記弁が設定した開閉角を行き過ぎた場合は、モータを時間Ｔ＝Ｔ−ｎ（Ｔ＞＞ｎ）として正方向へ作動したのち、逆方向へ時間ｔ作動し、その際、弁が設定した開閉角に達した場合はモータを停止し、達しない場合は、Ｔ＝Ｔ−ｎ（Ｔ＞＞ｎ）として先の処理を繰り返す構成を採用することができる。

このような構成を採用することにより、設定された開度に近づくと、モータを作動あるいは停止して、大きなゲインで目標まで近づけることができる。そして、設定された開度を行き過ぎると、モータを作動する時間を少しずつ短縮して偏差が小さくなる方向へモータを正転あるいは逆転させて近づけるので短時間で設定（目標）の開度へ到達できる。

このとき、上記弁が設定された開閉角に所定の角度（位置）まで近づくと、一旦、モータを停止し、設定角に近づく方向を正方向としてモータを時間Ｔ作動したのち、逆方向にモータを時間ｔ（ｔ＜Ｔ）作動した際、開閉角に達しない場合は、モータを時間Ｔ＝Ｔ＋ｎ（Ｔ＞＞ｎ）として上記処理を繰り返す構成を採用することができる。

このような構成を採用することにより、設定された開閉角に達しない場合は、モータを作動する時間を少しずつ増加させることができるので、負荷の重さに係わらず、短時間で設定（目標）の開度へ到達できる。

また、連結される弁の開閉角角度（位置）を検出するセンサと、前記センサ値に基づき減速手段を介して接続されたモータを制御して弁を設定角度に開閉する制御手段を備え、 前記制御手段は、弁が設定した開閉角に所定の角度（位置）まで近づくと、一旦、モータを停止し、設定角に近づく方向を正方向としてモータを時間Ｔ作動したのち、逆方向にモータを時間ｔ（ｔ＜Ｔ）作動して、その際、弁が設定した開閉角に達した場合はモータを停止し、一方、前記弁が設定した開閉角に達していない場合は、一旦、モータを停止したのち、モータを時間Ｔ＝Ｔ−ｎ（Ｔ＞＞ｎ）として正方向へ作動したのち、逆方向へ時間ｔ作動し、その際、弁が設定した開閉角に達した場合はモータを停止し、達しない場合は、Ｔ＝Ｔ−ｎ（Ｔ＞＞ｎ）として先の処理を繰り返す構成を採用することができる。

このような構成を採用することにより、モータを作動する時間を少しずつ短縮して偏差が小さくなる方向へモータを正転あるいは逆転させて近づけるので、設定（目標）の開度との定常偏差を小さくできる。

このとき、上記の電動アクチュエータに弁を連結する構成を採用すれば、レスポンスが速く、しかも精度の高い電動弁を提供できる。

この発明は、以上のように構成したことにより、目標開度に達するまでの時間を短縮し、かつ、偏差を小さくできる。

以下、この発明の最良の実施の形態を図面に基づいて説明する。
この形態の電動弁は、図１に示すように、電動アクチュエータ１０と弁で構成されており、電動アクチュエータ１０はカップリング１２を介して弁１１と連結されている。

電動アクチュエータ１０は、図２に示すように、減速機構１３、モータ１４、モータ駆動基板（モータドライバ）１５、デジタルポジショナー１６、角度センサ１７及び電源１８で構成されており、図３のブロック図で模式的に示すことができる。

減速機構１３は、モータ１４の回転力を弁１１へ伝達するためのもので、ここでは、平歯車を組み合わせた減速ギヤー群で構成している。

モータ１４は、ここでは、始動トルクが大きく、かつ、簡単な回路で可逆回転ができるブラシ付直流モータを使用しており、例えば、レバーシブル（誘導電動）モータや信頼性が高く、寿命の長いＤＣブラシレスモータを使用すればなお好ましい。

モータ駆動基板１５は、モータ１４のドライブ回路をモジュール化したもので、右回転（ＣＷ）、左回転（ＣＣＷ）などのコントロール端子を備えており、前記端子にコントロール信号（例えば「Ｈ」または「Ｌ」に対応する電流あるいは電圧レベル信号）を入力することにより、モータ１４を可逆運転できるものである。そのため、図３に示すように、ブリッジによる可逆回路として説明する。

デジタルポジショナー１６は、図３に示すように、マイクロコンピュータ１９、Ａ／Ｄ変換器２０、ソリッドステートリレー（ＳＳＲ）２３など、あるいはこれと同等の回路を備え、客先入力、センサ入力及びモータ出力を備えたプログラム可能なもので（所謂シーケンサ）、客先制御盤から弁１１を制御（開閉）するための例えば、電流入力信号（信号範囲４〜２０ｍＡ）を受け取り、その信号と後述する角度センサ１７から入力される弁１１の現在位置とを比較して、正回転あるいは逆回転信号をモータ駆動基板１５へ出力する。

角度センサ１７は、弁１１の開度の絶対位置を検出できるアブソリュート式のものであればどのようなものでも使用することがでる。例えば、シャフトエンコーダやポテンショメータなどを使用することができるが、ここでは、図４（ａ）のように渦巻き曲線状（例えば、インボリュート曲線）の金属板２４と検出コイル２５を使用して渦電流を利用したものを使用している。

すなわち、図４（ａ）のように、金属板２４に対向させた検出コイル２５に高周波パルス（イ）を印加し、フィルタを介してコイル２５の波形を検出すると、コイル２５の検出する波形は、金属板２４に発生する渦電流の磁界により、図４のように立ち上がり及び立ち下がりが緩やかになった波形となる。この状態で、金属板２４を回転させて回転した金属板２４が前記コイル２５に覆い被さる面積が変化すると、前記コイル２５の電流波形の勾配も変化する。例えば、図４（ｂ）のＴ１及びＴ２のような勾配の変化は、面積に応じて発生する渦電流によるものなので、変化した波形の立ち上がり時間及び立ち下がり時間を元のパルスを用いて検波すれば、その電圧値から面積が分かり、面積から軸の回転位置が分かる。そのため、ここでは、カップリング１２の上部の軸に金属板２４を取り付け、その金属板２４に対向させて検出コイル２５を設けるとともに、例えば、Ａ／Ｄ変換器２６を介してデジタルポジショナー１６のマイクロコンピュータ１９に入力することにより、弁１１の開度を検出できるようにしている。その際、マイクロコンピュータ１９内に例えば、変換テーブルを設けたり、あるいは角度センサ１７の出力にアンプを設けるようにすれば、弁１１の開度とセンサ出力を対応させることができるので、後述する客先制御盤からの設定開度を指示する入力信号と比較して制御するようにできる。

弁１１は、ボール弁、バタフライ弁、ダンパー弁などどのような弁でも使用可能であるので、ここでは、バタフライ弁を使用している。

この形態は、上記のように構成されており、以下、その制御方法を図５のフローチャートに基づいて説明する。

例えば、制御をスタート（「処理」１００：以下「処理」省略）すると、電動アクチュエータ１０のマイクロコンピュータ１９は、Ａ／Ｄ変換器２０から入力される客先からの入力（制御）信号と、角度センサ１７からの開度信号を比較する。いま、客先の制御盤から弁１１の開閉信号として、例えば、１２ｍＡの制御信号が入力されると、この信号は、例えば、抵抗などで電圧に変換され、Ａ／Ｄ変換器２０でデジタル信号に変換されて、マイクロコンピュータ１９に入力される。一方、角度センサ１７からの信号は、Ａ／Ｄ変換器２６でデジタル信号に変換されてマイクロコンピュータ１９に入力されており、このとき、弁１１の開度が例えば、１５°（動作範囲：０〜９０°）の場合、弁１１の位置が４５°となるようにブリッジのリレーＲ１、Ｒ３またはＲ２、Ｒ４をオンにしてモータ１４を作動する（１１０）。そして、モータ１４が減速機構１３を介して回転する弁１１の開度が１５°から４５°の近くの所定の角度（この角度は大きすぎると設定値に達するのに時間がかかるので、実験や経験などにより適宜決めることができる）まで達したことを検出すると（１２０）、一旦、モータ１４を停止する（１３０）。次に、設定角度に近づく方向を正方向として、弁１１が正方向へ回転するようにブリッジのリレーＲ１、Ｒ３またはＲ２、Ｒ４を時間Ｔだけオンにしてモータ１４へ通電する（１４０）。そして、時間Ｔが経過すると（１５０）、今度は弁１１が逆方向へ回転するようにブリッジのリレーＲ１、Ｒ３またはＲ２、Ｒ４を時間ｔの間オンにする（１６０）。このとき、Ｔ≫ｔであり、例えばＴ＝３０ｍｓとするとｔ＝２ｍｓ程度である。このように逆方向に回転させるのは行き過ぎ量を考慮して、弁１１を瞬時に停止させるためである。そして、時間ｔが経過すると（１７０）、弁が設定した開度の４５°で停止したかを算出して（１８０）、４５°で（許容できる定常偏差内で）停止していれば、モータ１４をオフにして（１９０）処理を終了し（２００）、次の入力に向けて待機する。

一方、処理（１８０）で設定した角度との間に偏差が生じていると、その偏差が設定値を越えて行き過ぎているかを見て（２１０）、行き過ぎていれば弁（負荷）が軽いことなので、正方向（設定角に近づく方向）へ弁１１を回転させるように、今度はＴ＝Ｔ−ｎ（ｎ＜＜Ｔ）として（２２０）、処理１３０〜１８０を繰り返し、ｎだけ短くした時間Ｔ（Ｔ＝Ｔ−ｎ）で、モータ１４をオンにする。実際、弁１１は４５°を越えて止まることが多いので、その場合は、例えば、弁１１が戻るように逆向きに２８ｍｓの間オンにしたのち、正の向きに２ｍｓオンする。そして、弁１１が設定した開度の４５°で停止したかを算出して（１８０）、４５°で停止していれば、モータ１４をオフにして（１９０）処理を終了し（２００）待機する。

また、設定角４５°に停止できなければ、さらに、時間Ｔ（Ｔ＝Ｔ−ｎ）をｎだけ短くして（２２０）、処理１３０〜１８０を繰り返す。

他方、処理２１０で設定角を越えない場合は、弁（負荷）が重いことなので（この設定では、）、正方向（設定角に近づく方向）へ弁１１を回転させるように、今度はＴ＝Ｔ＋ｎ（ｎ＜＜Ｔ）として（２３０）、処理１３０〜１８０を繰り返し、ｎだけ長くした時間Ｔ（Ｔ＝Ｔ＋ｎ）で、モータ１４をオンにする。そして、処理（１８０）で設定した角度を行き過ぎると、今度はＴ＝Ｔ−ｎ（ｎ＜＜Ｔ）として（２２０）処理１３０〜１８０を繰り返し、ｎだけ短くした時間Ｔ（Ｔ＝Ｔ−ｎ）で、モータ１４をオンにする。弁１１が設定した開度で停止すると（１８０）、モータ１４をオフにして（１９０）処理を終了し（２００）待機する。

このように、設定の開度に近づくと、モータ１４を作動あるいは停止することにより、大きなゲインで目標まで近づけることができる。その際、モータ１４を作動する時間を少しずつ短縮して偏差が小さくなる方向へモータ１４を正転あるいは逆転させて近づけるので、短時間で設定（目標）の開度へ到達できる。また、負荷の重さに応じてモータの作動時間を変えられるので、負荷の重さに係わらず、短時間で設定（目標）の開度へ到達できる。

また、図６のように制御することもできる。
すなわち、制御をスタート（３００）し、客先の制御盤から弁１１の開閉信号として、例えば、１２ｍＡの制御信号が入力されると、先と同じように、弁１１の開度が例えば、１５°（動作範囲：０〜９０°）の場合、弁１１の位置が４５°となるようにブリッジのリレーＲ１、Ｒ３またはＲ２、Ｒ４をオンにしてモータ１４を作動する（３１０）。そして、モータ１４が減速機構１３を介して回転する弁１１の開度が１５°から４５°の近くの所定の角度まで達したことを検出すると（３２０）、一旦、モータ１４を停止する（３３０）。次に、設定角度に近づく方向を正方向として、弁１１が正方向へ回転するようにブリッジのリレーＲ１、Ｒ３またはＲ２、Ｒ４を時間Ｔだけオンにしてモータ１４へ通電する（３４０）。そして、時間Ｔが経過すると（３５０）、今度は行き過ぎ量を考慮して弁１１が逆方向へ回転するようにブリッジのリレーＲ１、Ｒ３またはＲ２、Ｒ４を時間ｔの間オンにする（３６０）。このとき、Ｔ≫ｔである。そして、時間ｔが経過すると（３７０）、弁１１が、設定した開度の４５°で停止したかを算出して（３８０）、４５°で停止していれば、モータ１４をオフにして（３９０）処理を終了し（４００）、次の入力に向けて待機する。

一方、処理（３８０）で設定した角度との間に偏差が生じていると（設定角に達していなくとも）、正方向（設定角に近づく方向）へ弁１１が回転するように、今度はＴ＝Ｔ−ｎとして（４１０）処理３３０〜３８０を繰り返す。そして、ｎだけ短くした時間Ｔ（Ｔ＝Ｔ−ｎ）で、モータ１４をオンにする。次に、弁１１が設定した開度の４５°で停止したかを算出して（３８０）、４５°で停止していれば、モータ１４をオフにして（３９０）処理を終了し（４００）待機する。

処理（３８０）で、設定角４５°に停止できなければ、時間Ｔ（Ｔ＝Ｔ−ｎ）をｎだけ短くして（４１０）、処理３３０〜３８０を繰り返す。

このように、設定した開度に近づくと、モータ１４を作動する時間を少しずつ短縮して偏差が小さくなる方向へモータ１４を正転あるいは逆転させて近づける。このように最初から、作動時間を短縮して近づけるので、図５のものに比べてゲインは小さくなるが、行き過ぎ量を小さくできる。そのため、多少スピードは劣るが、図５のものに比べて設定角（目標値）との定常偏差を小さくできる。

ところで、従来の比例制御（目標値との偏差）で弁１１を制御するものでは、電動アクチュエータ１０に口径の異なる弁１１を取り付けたり、同一の弁１１でも流体の圧力や使用環境によって、負荷が変化すると目標値との誤差が増大する。すなわち、従来のものでは、目標値近辺でのゲインが小さくなるので、十分な設計を行わないと、負荷が軽くても目標値を越えて止まる確率が高くなったり、負荷が重過ぎると、モータ１４への通電時間が短過ぎて弁１１が反応しないことも生じる。

一方、本願の制御では、弁１１を目標まで近づける時間を加減しながら目標値に向かって制御するため、負荷に合わせた制御ができるので、電動アクチュエータ１０に口径の異なる弁１１を取り付けたり、同一の弁１１でも流体の圧力や使用環境によって、負荷が変化しても追随できる。

したがって、アクチュエータ１０がハンチングするようなことが無くなり、無駄な動作がないため、最終的には制御性が高いだけでなく、電動弁の寿命も長くできる。

このように弁を目標まで近づける時間を加減しながら目標値に向かって制御するため、例えば、デジタルポジショナーのマイクロコンピュータに時間Ｔあるいは時間ｎを記憶するメモリ回路を設けるなどして、作動時間Ｔと減算する時間ｎを変えて目標値に収束させる時間を評価できるようにすれば、最適制御を行う学習機能を付与した制御方法を提供できる。

実施形態の一部切欠正面図 実施形態のブロック図 実施形態のブロック図 （ａ）、（ｂ）実施形態の作用説明図 実施形態のフローチャート 実施形態のフローチャート 従来例のブロック図

符号の説明

１０ 電動アクチェータ
１１ 弁
１７ 角度センサ

Claims (4)

1. 連結される弁の開閉角角度（位置）を検出するセンサと、前記センサ値に基づき減速手段を介して接続されたモータを制御して弁を設定角度に開閉する制御手段を備え、
   前記制御手段は、弁が設定された開閉角に所定の角度（位置）まで近づくと、一旦、モータを停止し、設定角に近づく方向を正方向としてモータを時間Ｔ作動したのち、逆方向にモータを時間ｔ（ｔ＜Ｔ）作動して、その際、弁が設定した開閉角に達した場合はモータを停止し、
   一方、前記弁が設定した開閉角を行き過ぎた場合は、モータを時間Ｔ＝Ｔ−ｎ（Ｔ＞＞ｎ）として正方向へ作動したのち、逆方向へ時間ｔ作動し、その際、弁が設定した開閉角に達した場合はモータを停止し、達しない場合は、Ｔ＝Ｔ−ｎ（Ｔ＞＞ｎ）として先の処理を繰り返す電動アクチュエータ。
2. 上記弁が設定された開閉角に所定の角度（位置）まで近づくと、一旦、モータを停止し、設定角に近づく方向を正方向としてモータを時間Ｔ作動したのち、逆方向にモータを時間ｔ（ｔ＜Ｔ）作動した際、開閉角に達しない場合は、モータを時間Ｔ＝Ｔ＋ｎ（Ｔ＞＞ｎ）として上記処理を繰り返す請求項１に記載の電動アクチュエータ。
3. 連結される弁の開閉角角度（位置）を検出するセンサと、前記センサ値に基づき減速手段を介して接続されたモータを制御して弁を設定角度に開閉する制御手段を備え、
   前記制御手段は、弁が設定した開閉角に所定の角度（位置）まで近づくと、一旦、モータを停止し、設定角に近づく方向を正方向としてモータを時間Ｔ作動したのち、逆方向にモータを時間ｔ（ｔ＜Ｔ）作動して、その際、弁が設定した開閉角に達した場合はモータを停止し、
   一方、前記弁が設定した開閉角に達していない場合は、一旦、モータを停止したのち、モータを時間Ｔ＝Ｔ−ｎ（Ｔ＞＞ｎ）として正方向へ作動したのち、逆方向へ時間ｔ作動し、その際、弁が設定した開閉角に達した場合はモータを停止し、達しない場合は、Ｔ＝Ｔ−ｎ（Ｔ＞＞ｎ）として先の処理を繰り返す電動アクチュエータ。
4. 請求項１乃至３のいずれかの電動アクチュエータに弁を連結した電動弁。

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