JP5700271B2 - バルブアクチュエータの改良 - Google Patents

Description

発明の分野
この発明は、バルブアクチュエータの改良およびバルブアクチュエータに関連する改良に関する。この発明は特に、必ずしもこれに限定されるものではないが、制御バルブアクチュエータに適用可能であり、この制御バルブアクチュエータは、一般にたとえばプロセス計測からの信号に反応して、導管中の流体の流れを調整する、バルブの制御のためのアクチュエータである。このようなアクチュエータは、概して高い精度を必要とし、導管を完全に開閉することにより流れを単に切換えるのではなく、導管中の流体流量の連続した粗調整および微調整を実現する役割を果たす。

発明の背景
バルブアクチュエータは、たとえば火力および水力発電産業、石油およびガス採掘、水産業、水道事業、および化学処理産業で、広く利用される。こういった目的のほとんどに関して、アクチュエータは、必然的に強力であり、ロータリー出力に関してはおよそ３Ｎｍから約１２００Ｎｍ、またはリニア出力に関しては１００Ｎから３０，０００Ｎの出力レベルを提供するように構成される。バルブアクチュエータは、空気圧駆動式、液圧駆動式、電気駆動式、および電気−液圧駆動式であることがあるが、主に空気圧駆動式である。空気圧駆動式は、必要なレベルの動作精度および信頼性を備えるように構築する費用がよりかからないためである。バルブアクチュエータは、概してすべて、アクチュエータを設定、監視、および制御するためのプロセッサ制御を有する。主要な制御要素は、アクチュエータ位置、すなわちバルブ位置と、アクチュエータトルク（主にロータリー出力アクチュエータに関して）と、スラスト（主にリニア出力アクチュエータに関して）とを含む。ロータリー出力アクチュエータにおいて、たとえば、バルブ位置は典型的に、駆動されるロータリー出力シャフトの回転または回転の一部をロータリーエンコーダにより計数することによって求められる。このようなアクチュエータのアクチュエータ出力シャフトにおいて生成される負荷は典型的に、歪みゲージによってまたは圧力トランスデューサによってなど、機械的手段によって求められる。負荷は、モータ中のトルクに関連する電流からも求められるかもしれない。後者のこのような機構の例は、ＵＳ４，２８８，６６５およびＧＢ２，１０１，３５５に記載されている。

上記の特徴に加えて、バルブアクチュエータは概して、万が一、たとえば、停電が起こった場合のためのフェールセーフ機構も有する。この目的のために、アクチュエータの大多数は、アクチュエータを所望フェールセーフ位置に回復する圧縮ばね復帰機構をさらに含む。しかしながらこれは、正常運転において、戻しばねの力に打ち勝つだけのために比較的大量の力を用いることを必要とする。

これに代わるアプローチは、蓄積した電気エネルギを用いて、停電条件下においてバルブをフェールセーフ位置に駆動するのに十分な電力を供給することである。このアプローチの例は、ＵＳ−Ａ−５２７８４５４、ＵＳ−Ａ−５７４４９２３、およびＧＢ−Ａ−２１９２５０４に開示されている。

数多くの要因が、バルブアクチュエータの効率的および効果的な動作を、通常の使用中に徐々に衰えさせ、これらには、歯車の摩耗、コントローラの飽和状態、ワインドアップ、およびオーバーシュートが含まれる。「スティック−スリップ」要因と呼ばれることもある後半の要因は、バルブアクチュエータに一般に起こるもので、制御バルブアクチュエータによって実行される閉ループプロセスにおける効率を維持するのに、大きな障害とな
る場合がある。閉ループプロセスでは、プロセス制御を維持するために、バルブ位置に対して、急速で、多くの場合非常に微小な調整を行うことが必要とされる。コントローラは、まず、相当の力を生成して必要な始動スラストまたはトルクを生成し、次にバルブを所定位置に急速に制御しようとしなければならない。最初の重負荷を乗り越えるために、コントローラは、飽和状態まで駆動されることがよくあり、したがってワインドアップ動作（コントローラが全出力を与えるが、負荷が瞬時に消え、コントローラはまだ全出力のままである）が、バルブが、バルブの所望位置をオーバーシュートすることを引起こし、制御ループの不安定性を引起こす。

空気圧駆動式のバルブアクチュエータは、他のバルブアクチュエータと同様に、停電時のフェールセーフについては主にばね復帰であり、したがって、空気圧が、ばねの力、バルブステム摩擦、およびバルブステム力を均衡させるように整合される、力が平衡されたシステムである。これは、スティックスリップ問題に繋がるおそれがある。空気圧が上昇または下降され、バルブを少量だけ移動させると、摩擦の急な変化が、アクチュエータが、所望される移動以上にジャンプすることを引起こすことがあるためである。空気圧駆動式バルブアクチュエータは、バルブステム力の変化が原因の望ましくない移動の影響下にもあり、これが力を不均衡にするので、アクチュエータは、空気圧を変更し、補償する必要がある。

電気モータ駆動式バルブアクチュエータは、空気圧駆動式よりも堅いシステムであり、電気モータ駆動式バルブアクチュエータをその所定位置から遠ざけるステム力の変化は、空気圧駆動式ほどはない。電気モータ駆動式バルブアクチュエータも、スティックスリップ問題があるが、空気圧駆動式よりも頻度が少ない。しかしながら、電気モータ駆動式は、ドライブトレインにおけるバックラッシュが原因の制御不良があるおそれがある。モータは、出力が動き始める前に方向を逆転させる場合は、バックラッシュを吸収する必要がある。出力に１つのセンサを備える従来のシステムでは、コントローラは、出力で動きが見えないのでモータスピードを上げ、次にバックラッシュが吸収されると、出力は突然オーバーシュートすることがあり、特に、必要であったのはわずかな移動だけであった場合そうである。現在の電気アクチュエータにおいて、これを克服するための主なアプローチは、高品位の歯車と低い歯車比とを、過出力で高価なステッパ（同期）モータと多くの場合ともに用いることにより、バックラッシュを最小に維持するというものである。このことと連続運転による長寿命要求とによって、ドライブトレインは非常に高価なものとなる。

この発明の目的の１つは、既知のこのようなアクチュエータとは異なり、既知のこのようなアクチュエータを適切に改良し、上述のまたは以下に検討する運転上の困難のうち1つ以上を軽減する制御バルブアクチュエータを提供することである。

発明の概要
この発明の第１の局面に従って、バルブアクチュエータが提供される。このバルブアクチュエータは、モータシャフトを有する電気駆動モータと、モータシャフトにリンクされ、バルブの移動を駆動する出力シャフトとを備える。このアクチュエータは、アクチュエータ出力シャフトの第１の閉ループ制御を実現するように配置される制御システムをさらに備え、この制御システムは、アクチュエータ出力シャフトの位置を感知する第１の位置センサとモータシャフトの位置を感知する第２の位置センサとに連結されモータシャフトの速度を求めることを可能にするコントローラを含む。この制御システムは、第１および第２のセンサからの感知された信号に応答し、モータ速度／位置を相応に調整するよう構
成される。適切には、コントローラは、電気モータの帯域幅の少なくとも５倍高速度で周期し、好ましくは、コントローラは、第１および／または第２のセンサを、アクチュエータの機械時定数の１０分の１未満の周期でサンプリングするよう配置される。

フィードバック制御に２つのセンサを用い、これによりスティックスリップ問題を克服することによって、高レベルの制御精度および信頼性が達成され、高品位、低バックラッシュの高価な歯車が必要となるのを避ける。したがって、必要とされる寿命を得る材料および設計を注意深く選択することで、低コストで優れた精度レベルのドライブトレインを生産することが可能となった。

好ましくは、第２の（モータ）センサの感度（すなわち、モータシャフトの作動ストローク範囲当たりのセンサのカウント）は、出力シャフトの速度を出力シャフトの最大動作速度の少なくとも２および好ましくは少なくとも１％以内に制御するように高いものである。

コントローラは、電気モータの帯域幅の少なくとも５倍高速度で周期するように構成される。理解されるように、電気モータの帯域幅は、過渡入力または負荷条件を考慮して、モータがモータの定常状態へ加速する速度に関連付けられる。これは、単位ステップ入力に応答しての速度変化の一次近似によって表わされることが多い。一次系において、定常状態（最終値の９９％）は５時定数以内に到達され、このような系は、１時定数以内に定常状態（速度）の６３％に達する。

出力センサの感度は、適切には出力シャフトの全ストロークの約０．０２５％、すなわち出力シャフトの全ストロークに対して４，０００カウントである。モータセンサの感度は、適切には出力センサの感度の少なくとも１００倍高く、たとえば出力センサにおける１カウントごとに対応して３２３カウントを生成する。

好ましくは、コントローラは、アクチュエータ出力位置を所望の設定点に維持するように設計される位置制御ループを含む。位置制御ループ内には、比例−積分−偏差制御器（ＰＩＤ制御器）を有しモータ速度を内因による所望値に維持する第２のループがある。位置誤差は、要求位置が変化する、または負荷変動が出力位置を変更すると起こる。コントローラは、出力シャフトセンサおよびモータ位置センサの両方から信号を受信し、モータ駆動信号への是正処理を、誤差（比例）、以前のすべての誤差の合計（積分）、および誤差の変化の割合（偏差）に基づいた計算から計算する。

この発明の第２の局面に従って、リニア出力バルブアクチュエータが提供される。このアクチュエータは、アクチュエータのリニア移動する出力シャフトに適切に連結される電気モータ駆動部を含み、出力シャフトは、出力シャフトに連結される第１のスリーブのおおむね中央部分を有するスラストトランスデューサにおいて終端し、第１のスリーブは、始動されるバルブに直接または非直接的に連結可能な外側環を有し、第１のスリーブは、中央部分を外側環にリンクし中央部分と外側環との間に印加される力に応答して撓むように配置される減少された厚さの材料からなるウェブをさらに有する。このトランスデューサは、ウェブ上に取付けられウェブが撓むとウェブ中の歪みを感知するように配置される少なくとも１つの歪みゲージを含み、これにより使用中、始動されるバルブに出力シャフトによって印加されるスラストの表示を提供する。

典型的には、第１のスリーブは、このまたは各歪みゲージから受信される予め条件付けする信号のための電子コンポーネントを収容し、このまたは各歪みゲージからの信号は、出力シャフトの内側を通過する信号導体に沿って搬送されてもよい。これには、利点がある。ケーブルを、アクチュエータの外側にシーリンググランドなどを介して配線する必要
がなく、したがってケーブルが筐体の保護内にあるためである。

この発明のさらなる局面は、バルブアクチュエータを提供する。このアクチュエータは、モータシャフトを有する電気駆動モータと、モータシャフトにリンクされ、バルブの移動を駆動する出力シャフトとを備える。このアクチュエータは、バルブの閉ループ制御を提供するコントローラを含む制御システムをさらに備える。このアクチュエータは、非侵入型設定シーケンスを有するユーザインターフェイスを有するハウジング内に収容される。アクチュエータハウジングは、ハウジングの外側部分のたとえば磁石などの単純な非侵入型非通電装置に接近することによってトリガされ制御ループのための設定ルーチンを開始させることができるスイッチを収容する。

このスイッチは、たとえばホールまたはリードスイッチであってもよい。これは、ユーザにとって設定作業を簡単なものにし、侵入型機械装置の使用による火花放電のリスクを回避し、ユーザが、設定を開始するためだけにＰＤＡまたは他の無線制御装置へのアクセスを有することが必要となるのを避ける。好ましくは、安全のために、ユーザインターフェイスは、装置をスイッチの近傍から移動させると起動ルーチンが中止されるように構成される。

この発明のさらに別の局面において、バルブアクチュエータが提供される。このバルブアクチュエータは、電気モータ駆動部と、歯車ドライブトレインと、制御バルブを、導管中の流体流量の制御のために、変化する開度状態間で駆動するように移動する出力シャフトとを備える。このアクチュエータは、歯車ドライブトレインの１つ以上の歯車を１つの位置にロックし、これにより「停電時に動かずにそのままの状態を保つ」機能を与えるロックラッチをさらに備え、このラッチは、弾性のバイアス手段によってドライブトレインの歯車と係合状態に保持され、弾性のバイアス手段の力に逆らってラッチを歯車との係合状態から引き抜く電気ソレノイドのソレノイドアーマチュアによって離される。

好ましくは、ロックラッチは、永久的に駆動される第２のホイールにある１つ以上の径方向に延在する溝穴と係合可能な１つ以上の軸方向に延在するロックピンを有する第１のホイールを含む。第１および第２のホイールは、平行する平面において回転可能であり、第１のホイールの平面は、ソレノイドが除勢されると、バイアス手段の作用下で、第２のホイールの平面に向かってロック位置まで移動可能であり、これによりロックピンの溝穴への進入を引起こす。

第１のホイールは、スプラインシャフトなど、第１のホイールの手動回転を可能にする駆動手段をさらに含んでもよく、この回転は、第１のホイールがロック位置にある場合に、このまたは各ロックピンを介して第２のホイールへ伝達され、これにより出力シャフトへ伝達される。

アクチュエータは、リニア出力シャフトのための側方支持構造を含んでもよく、この構造において、支持アームまたは支柱は、シャフトの、ドライブトレインのピニオン／歯車装置の作用を受ける部分に近接するシャフト軸に向かって、調節可能に伸張可能で、シャフトの軸の配向を維持し、バックラッシュを防ぐ。適切に、このアームまたは支柱は、ラック本体に対して作用する。

この発明のさらなる局面に従って、バルブアクチュエータが提供される。このバルブアクチュエータは、モータシャフトを有する電気駆動モータと、モータシャフトにリンクされ、バルブの移動を駆動する出力シャフトとを備える。このアクチュエータは、コントローラと、出力シャフトのトルクまたはスラストを感知しバルブに印加されるトルクまたはスラストの閉鎖ループ制御を提供するトルクまたはスラストセンサとを含む制御システム
をさらに備える。このアクチュエータは、万一の電源の停電の際にバルブを安全位置に移動させるフェールセーフ機構をさらに備え、このフェールセーフ手段は、電気モータおよび制御システムに電力を供給しバルブをトルク／スラスト制御された方法で安全位置に移動させるように構成される少なくとも１つのスーパー／ウルトラキャパシタを含む。

この構造は、アクチュエータを所望のフェールセーフ状態に復帰させるための低消費電力で、費用対効果が大きく、完全にトルク／スラスト制御された構造をユーザに与え、ユーザが、フェールセーフ張力を、各設備に必要なレベルに合わせて調整することを実質上可能にし、これによりバルブは、不十分なまたは過剰な力なしにしっかりと復位する。

好ましくは、フェールセーフ電力は、値が３０Ｆ以上の１つ以上のウルトラキャパシタからブーストコンバータを介して供給される。ブーストコンバータは、モータを所望フェールセーフ速度で作動させるのに十分な電圧と全負荷条件下において作動させるのに十分な電流とを提供すべきである。好ましくは、ウルトラキャパシタは、電流制御されたバックコンバータを用いて、キャパシタの寿命を維持しながら、全負荷で全フェールセーフストロークを行なうのに十分なエネルギを提供する電圧まで充電されるべきである。

別の局面において、この発明は、バルブアクチュエータを提供する。このバルブアクチュエータは、モータシャフトを有する電気駆動モータと、モータシャフトにリンクされ、バルブの移動を駆動する出力シャフトとを備える。このアクチュエータは、コントローラと、出力シャフトのトルクまたはスラストを感知し、バルブコントローラに印加されるトルクまたはスラストの閉ループ制御を提供するトルクまたはスラストセンサとを含む制御システムをさらに備え、コントローラまたはコントローラに作動的にリンクされるさらなるプロセッサは、実際のスラスト／トルクを周期的に記録し、このデータは、履歴データ／プロファイルとの比較のために利用可能である。

この発明の好ましい実施例を、次に、添付の図面を参照して例示的に説明する。

バルブアクチュエータの総組立斜視図である。 図１とは異なる視角からのバルブアクチュエータの総組立斜視図である。 システム回路図である。 アクチュエータ制御システムの制御ループの概略図である。 出力シャフトおよびラックを示し、シャフトに隣接しシャフトを安定させる支持要素をさらに示す図である。 この発明に従うスラストトランスデューサを含むアクチュエータの断面図である。 この発明に従うスラストトランスデューサの断面を拡大して示す図である。 この発明に従うゼネバロック機構の斜視図である。 図８の機構の他の斜視図である。 図８および図９の機構の平面図である。

好ましい実施例の説明
図１から図４を参照して、このシステムは典型的に、電気駆動モータ３および電子回路のために必要とされる電圧を生成するスイッチング電源２によって提供されるＤＣ電源１を含む。アクチュエータの駆動モータ３は、平歯車ドライブトレイン４ａ−ｄを通じてラック５およびピニオン６まで駆動する永久磁石ＤＣモータを適切に含む。ラック５は、制御バルブの開度の程度を変化させるのに必要なリニア出力を提供するアクチュエータの出力シャフト７に連結される。制御バルブは、図中に示さない。

電気駆動モータ３は、その電源１に永久的に接続され、電圧を、モータコントローラ４８および動力駆動部４９によって変化させて、モータ３を動作させるとともに、モータ３の速度および／またはトルクを変化させる。

適切にロータリー／シャフトエンコーダである第１の非接触デジタル位置センサ１１は、アクチュエータ出力シャフト７を駆動するピニオン６の端部に近接して存在し、出力シャフト７の位置を検出する。ピニオン６の端部に近接する位置センサ１１は、ラック５の側面に取付けられる第２のラック５ａと協働し、使用中にラック５が往復直線運動を行うと第２のラック５ａが対応して往復直線運動を行いマグネットを担持するピニオン歯車５ｂを回転させるようにする。マグネット位置は、位置センサ１１を用いて監視される。捩じりばね５ｃは、駆動されるピニオン歯車の歯と駆動するラック５ａ上の歯との間にバックラッシュがないことを確実にする。センサ１１は、ピニオン５ｂの絶対回転位置、すなわちピニオン５ｂが、出力シャフト７の作動ストロークの一方の最末端と同等の位置などの基準位置から何回転カウント離れているのかを感知する。この回転位置センサ１１は適切に、指定データからのシャフト角位置を固有の符号化された信号を用いて示す絶対回転／シャフトエンコーダである。

他の実施例において、出力シャフト７のストロークのリニア範囲に沿った出力シャフト７の位置は、ロータリーエンコーダではなく非接触型リニア位置センサによって検出されてもよい。このようなセンサは、磁気、電磁誘導、または光学技術に基づいていてもよい。

第２の非接触型デジタル位置センサ１０は、モータ３の駆動シャフト３ａの端部に近接して位置し、駆動シャフト３ａの回転位置を感知し、これにより駆動シャフト３ａの回転速度を求める。

２つの位置センサ１０、１１を用いてこのユニットを位置決めしオーバーシュートを防ぐことは、非常に重要である。上述のように、制御バルブにおいて生じるスティックスリップシナリオは、閉ループ工程における効率性を維持するに当たって重欠陥であると考えられている。工程制御を維持するために、バルブ位置に対して軽微な調整を行うことが必要となることが多い。まず、コントローラ９は、始動スラスト／トルクを生み出すかなりの出力レベルを指示し、その後バルブを所定位置へ急速に制御しようと試みなければならない。コントローラ９は、重負荷を乗り越えるために飽和状態（よって、ワインドアップ動作）まで駆動されることがよくあり、その後バルブは、所望位置をオーバーシュートし、制御ループの不安定性を引起こす。この状況を克服するために、制御システムは以下のフィードバック状態を利用する。

・アクチュエータの絶対出力シャフト位置
・モータシャフト位置
２つのセンサ１０、１１は、出力シャフト７における微小な変化を検出するだけではなく、モータシャフト３ａにおける如何なる移動も検出する「スーパーセンサ」を効果的に一緒になって形成する。

システムは、モータシャフトセンサ１０が、出力シャフト７の非常に微小な移動／ずれに対してまでも高いレベルの感度を示すように設計される。モータ速度に対して用いられるデジタル制御ループは、ある速度で作動するＰＩＤコントローラ９であり、この速度は典型的には、原動機／ＤＣモータ３の帯域幅のおよそたとえば５倍の振幅（すなわち機械的時定数の５倍速）である。制御ループの速度およびモータシャフトセンサ１０の感度によって、モータ速度は、出力センサ１１における顕著な変化なしに計測され制御されるこ
とができる。コントローラ９の特性をさらに向上させるために、以下の実現化例が利用される。すなわち、出力センサ１１に基づくバルブ位置決め制御ループ１１ａおよびモータセンサ１０に基づく高精度モータ速度制御ループ１０ａの、２つの制御ループを設ける。

基準速度要求は、バルブ位置決めループ１１ａによって生成される。短いストローク距離については要求速度は低く、より長い移動に対しては高い値となる。したがって、始動条件下で非常に短い距離をストロークする必要がある場合には、大きなマイナスの速度誤差が、速度計測の精度の高さが原因で速度コントローラに発生し、これは、コントローラを飽和状態から脱出させる。このシステムには、したがってバルブのスティックスリップ問題が起こらず、ワインドアップがないコントローラを効果的に生み出す。

制御システムを、ギヤトレインおよびモータ３を出力シャフト７へ連結する任意の他の構成要素における既知の機械的バックラッシュを参照して要求速度値を生成することによって向上させてもよい。以下に説明するように、このバックラッシュは、２つのセンサ１０および１１を用いて監視され計算されてもよい。一旦値が既知のものとなったならば、モータの方向が逆転されていることがわかっている場合は（バックラッシュが１つの要因であることが理解されるであろう状況）、要求速度は恣意的に増大されてもよい。したがって、バックラッシュは急速に吸収され、その後要求スピードは、（たとえば、モータ出力シャフト３ａによって既知の距離がストロークされると）駆動力がギヤトレインおよび出力シャフト７を介してバルブに取り込まれるにつれて減少される。

これは、出力シャフト制御ループに対して大幅に向上された整定時間をもたらす。なぜならば、出力シャフトループにおける機械バックラッシュの影響が、モータ速度ループにおける適切なモータ要求速度計算および調整によって中和されるからである。

よって、図４に示される制御システムは、モータ速度プロファイル計算機１４にバックラッシュ値を送るバックラッシュ算出装置１２を含み、モータ速度プロファイル計算機は次には要求モータ速度値を生成する。

この構造は、ギヤトレイン４ａ−ｅ、５、６の先頭に１つの位置センサ１０、末尾に１つの位置センサ１１を有するので、センサ１０およびセンサ１１の出力位置間には関係がある。これを用いて、モータセンサ１０の位置の変化量を調べてドライブトレイン内のバックラッシュを計測し、方向を逆転させる場合に出力センサ１１を動作開始させてもよい。バックラッシュの増大は、ドライブトレイン４ａ−ｄ、５、６中で発生している摩耗を示すであろう。ドライブトレインが常に一方向に予圧を与えられ、したがってバックラッシュが存在しないシステムにおいてでも、摩耗の増大を計測することは可能であろう。これは、出力エンコーダ１１の特定の位置でモータエンコーダ１０からの出力を調べることによって達成することができる。この関係が変化した場合は、これはドライブトレインにおける磨耗によるものであろう。

ラック５および出力シャフト７アセンブリは、（図５に示すとおり）ハウジング１４の中おいてに支持され、ピニオン歯車６とラック５との間の接触点と対向する調節可能／伸張可能な支持アーム／支柱１５によっても支持される。この支持を調節して、ラック５とピニオン６の噛み合い間のバックラッシュを取除くことができる。この点で支持することは、シャフト７をラック５の上端から突出させアセンブリをより大きくする必要をなくしもする。

図６および図７を参照して、アクチュエータによって生成されたスラストの計測は、アクチュエータ出力シャフト７の端部に取付けられるトランスデューサ１６を用いて行なってもよい。図６の断面図および図７の拡大された図を特に参照して、シャフト７は、ラッ
クおよびピニオン構造５および６を介してリニア駆動される。バルブへの駆動力は、バルブ連結ボス５１において終端する外側スリーブ５０を介して伝達される。モータからの駆動力（図６および図７中に示さず）は、内側スリーブ５２を介して外側スリーブ５０へ伝達される。

内側スリーブ５２は、ねじを切られ外側スリーブ５０の雌ねじを切られた表面と係合しＯリング５５によってスリーブ５０に封止される外側環５４と、ラックおよびピニオン構造５および６によって駆動される実質的に剛体の出力シャフト７に固定されるおおむね中央の連結点５６と、連結点５６を外側環５４にリンクする可撓性で環状の薄肉のウェブ６０とを含む。

シャフト７がモータ駆動下で往復直線運動するにつれて、ウェブ６０は撓む。この撓みは、ウェブ上に取付けられた歪みゲージ６２によって計測され、これはしたがってアクチュエータがバルブに連結される点における力の計測を可能にする。

この連結中の増幅器ＰＣＢ６４は、歪みゲージ出力を増幅し、増幅器からの出力信号は、出力シャフト７の内側に形成される通路を通されるケーブル６５に沿ってアクチュエータに送込まれる。

これによりバルブを移動させるのに必要な力の非常に正確な計測がもたらされる。
歪みゲージ１６の出力は、スラスト制御ループ１６ａ（図４）における主フィードバックを形成する。まず、アナログ回路が、スラスト信号を処理し、計測中のノイズを除去する。フィルタ処理されたこの信号は、アクチュエータよりも大きな帯域幅を有し、コントローラに送込まれるものである。歪みゲージ１６からの処理されたスラスト測定値が、参基準値１８よりも小さい場合は、モータ３は、最大出力を生成することを許される。アクチュエータによって生成されるスラストが、設定値１８に達した場合は、モータ電流は、全負荷スラストより大きく維持するのにちょうど十分な電流（したがってモータによって生成されるトルク）となるような値に、歯車の逆効率とモータの固有のコギングトルクを利用して制限される。したがって、負荷を維持するのに必要な出力は、負荷を移動させるのに必要な出力の何分の一かである。したがって、スラスト制御方法は、プログラム可能であり、正確で、および効率的になるよう最適化される。重要なことに、スラスト制御は、フェールセーフ動作においても実施される。

さらに、図６および図７に示す構造において、センサゲージ、ケーブル布線、および電子回路は、一体化されており、アクチュエータの封止された筐体内にある。この一体化局面は重要である。なぜならば、バルブは、危険な環境で使用される場合もあり、したがってアクチュエータは、たとえば防爆評価を必要とする場合があるからである。センサおよび接続配線をアクチュエータ内に保管することにより、適切な安全評価を取得しにくくすることで知られケーブル損傷の問題に繋がる場合もあるシーリンググランドまたは同様のものが必要となるのを避ける。

この実施例において、信号および電力配線は、シャフト７を通ってターミナルブロック６６まで進む。信号は、次に可撓性ケーブル６７を介して、アクチュエータの上部にあるさらなるＰＣＢ６８へ内部で搬送される。シャフト７の往復直線運動は、したがって可撓性ケーブル６７によって吸収される。

他のトランスデューサは、スリーブ５０およびスリーブ５２内に形成されるセンサアセンブリ内に組込まれてもよく、たとえば温度センサ、揮発性物質を検出する「臭い探知機」、および／または振動を計測する振動加速度計などである。

制御バルブアクチュエータの構造のさらなる改良において、アクチュエータは、非侵入型設定シーケンスを有してもよい。アクチュエータ本体３８は、無線周波数短距離送受信機を収容する。これにより、アクチュエータへ、およびアクチュエータからの非侵入型通信が可能となる。アクチュエータを、（速度、ストロークの方向などを調整するために）無線手持ち式装置を用いて構成することができる。この目的のためにBluetooth（登録商標）無線接続規格が用いられてもよい。ＧＢ２１９６４９４Ｂに記載された構造も用いてよく、非侵入型設定に関するこの特許の開示は、この明細書中に引用により援用される。

筐体／アクチュエータ本体内にある磁気センサを筐体の外にある磁気装置を用いてトリガすることによって、アクチュエータを、トリガして設定ルーチンを開始することができる。すると、アクチュエータは、バルブストロークの終端にアクチュエータが達するまで各方向に順に作動し、そこでアクチュエータは限界位置を設定する。アクチュエータは、バルブストロークの終端とアクチュエータ内の停止位置を区別することができる。アクチュエータ内のストロークの停止位置の終端に達すると、トランスデューサ１６内にスラストの出力が生成されないからである。これにより、たとえば、おそらくアクチュエータのバルブへの不正確な追従が原因で、アクチュエータのストロークがバルブのストロークに対して十分でない場合に、表示を行なうことが可能となる。

電気エネルギは、スーパー／ウルトラキャパシタ２０に蓄積され、万一の電源停電の際に、バルブを安全位置に移動させる。すべての機構および関連の電子回路は、耐候性の筐体内に収容される。ウルトラキャパシタ２０からなるバンク（直列接続）は、スイッチング電源２を用いて充電される。キャパシタバンクの総電圧は、通常の動作のためにモータにより要求される電圧よりも大幅に少ない。たとえば、通常動作に必要とされる最大モータ電圧が２４Ｖの場合、キャパシタバンク電圧は約７Ｖであるだろう。

停電動作（すなわちフェールセーフ動作）中に一定の速度を維持するために、キャパシタ電圧は、上昇され、一定に保たれる必要がある。このために、固定周波数３００または５００ｋＨｚ電流モードブーストコントローラまたは昇圧コンバータ２１が用いられる。フェールセーフ動作中、キャパシタ２０バンクが必要な電力を提供し、ブースト／昇圧コンバータ２１は、キャパシタ電圧が低下するときでも、安定した出力電圧をモータ３に対して維持する。したがって蓄積されたエネルギの７０％超を取出すことができ、制御されたフェールセーフ動作が行なわれる。出力ブースト電圧は、通常の電源電圧よりは少ないが、所望フェールセーフ速度に必要とされる電圧を超えるものである。

アクチュエータの歯車装置は、モータ３からの駆動力を、バルブに連結されるアクチュエータ出力７へ運ぶ、非常に効率的な平歯車ドライブトレインである。この非常に効率的な手段は、セルフロックではなく、逆駆動させることができる。

通常の状況下で、モータ３は、起動し、アクチュエータおよびバルブを所望位置に移動させる。モータ３は、それをそこに保持もし、バルブが生成する、アクチュエータを逆駆動しそれをその位置から移動させようとすることがある力に反応する。したがって、モータは、アクチュエータに必要とされるセルフロックを提供する。

しかしながら、非通電条件下では、バルブの制御されていない移動が生じる場合があり、これは一般に好ましくない。したがって、ロック機構が提供される。

図８から図１０を参照して、アクチュエータ歯車装置は、ピン７２と以下に説明するように協働するマルタ十字形状の構成要素４ｃを含む。

機能的要件は、モータに電力が供給されない場合にアクチュエータを手動操作する方法
を提供することである。また、電力がない場合に、アクチュエータがセルフロックであり、よってその位置を維持するであろうことを確実にする必要がある。ブレーキによって第２の要件を満たしてもよいが、これはアクチュエータを手動で駆動するためにブレーキに打勝つという問題を生じさせる。

以下に説明されるマルタ十字（ゼネバ）機構は、動作と動作の間で所定位置にロックされる断続的な運動を実現するために用いられる。

ゼネバ機構４ｃへの駆動力は、ドライブトレイン中の歯車７４のうち１つと永久的に作動される。ロックピン７２の係合は、通常非係合状態に保持されるばねバイアス手段７６を用いて、ソレノイド（図示せず）によって選択的になされる。

通常の通電条件下において、ソレノイド駆動装置７５（図３）下のソレノイドは、ゼネバ機構４ｃ／７２を、ばね７６に対して非係合状態に保持する。アクチュエータへの電力が切られると、ソレノイドはその保持力を失い、ばね７６は、ゼネバ駆動装置を軸方向に移動させ、係合させる。ゼネバ機構は、逆駆動されないので、アクチュエータを所定位置にロックする。しかしながら、ゼネバ駆動装置は、ドライブシャフトを介して（アクチュエータの外側から）スプライン７８を用いて駆動されることができ、アクチュエータを新しい位置に移動させる。アクチュエータへの電力の供給が回復されると、ソレノイドは、モータがアクチュエータを動かすことが可能になる前に、ゼネバ駆動装置を係合から外す力を生成する。

ゼネバ機構は、アクチュエータへの電力の供給が切られた場合に、完全には係合しない場合がある。ピン７２が十字４ｃと整合しない場合があるからである。しかしながら、手動駆動装置が回転されるか、またはアクチュエータドライブトレインが逆駆動されるかすると、ピン７２が位置につき、ばねがこの機構と係合するので、駆動装置は、ゼネバ駆動装置が係合する位置に達するであろう。ロック前にアクチュエータが移動する最大量は、少量で許容可能な量に設計される。

時として、アクチュエータへの電力供給がある場合に、アクチュエータを手動で動かすことが必要となる場合がある。これは、これを実現できるようにソレノイドの力を外す非侵入型スイッチを、アクチュエータの外側に設けることにより達成される。このスイッチを入れ、手動駆動装置が係合すると、モータは電気的に作動しないようにされる。スイッチが切られると、ソレノイドが起動し、手動駆動装置を係合から外し、モータが制御を引継ぐことを許可する。

時として、アクチュエータへの電力供給がある場合に、アクチュエータを手動で動かすことが必要となる場合がある。これは、これを実現できるようにソレノイドの力を外す非侵入型スイッチを、アクチュエータの外側に設けることにより達成される。このスイッチを入れ、手動駆動装置が係合すると、モータは電気的に作動しないようにされる。スイッチが切られると、ソレノイドが起動し、手動駆動装置を係合から外し、モータが制御を引継ぐことを許可する。ピン７２と十字４ｃとを離すために必要とされる力を最小にしておくために、モータは、ソレノイドの起動時に、少量だけ前後に自動的に回転されてもよい。これはピン７２と十字４ｃ上の拘束負荷を逃がすのに役立ち、より小さく低電力のソレノイドを使用することを可能にする。

この実施例は、電源の電気の供給が失われると自動的に手動駆動装置に係合し、アクチュエータを所定位置にロックもするが、それでも手動駆動を可能にするアクチュエータを提供する。

上述の多くの革新的な特徴に加えてまたはこの代わりに、バルブアクチュエータは、ルーチンおよび予測保守方法を容易にする、機能の豊富な診断セットを提供する電子コントローラ４６を有することによって適切に強化されてもよい。コントローラ４６は、この明細書においては、アクチュエータ本体／ハウジング３９内に好ましくは収容され、先に説明した無線インターフェイスによって外部プロセッサ／コンピュータと適切に通信する。

コントローラ４６によって正確に監視される１つの重要な変数は、実際の出力スラスト／トルクである。同等の空気圧式コントローラにおいて、トルク／スラストの値は、入力圧力およびばねの力を通じて推測されるのみであり、いくつかの電気式アクチュエータにおいては、スラスト／トルクの近似値は、モータ電流から求められる。これらのどちらも、不正確なスラスト／トルク計測に繋がる。コントローラ４６は、周期的に実際のスラスト／トルクを記録し、このデータは、履歴データ／プロファイルとの比較のために利用可能である。これは、バルブシートの摩耗やバルブパッキンが原因の摩擦の増大などの有用な診断を提供する。以下により詳細にこれを説明する。

予測保守の助けとなる別のものは、連続効率パラメータである。アクチュエータ効率は、入力される力および出力される力の計算によって導き出される。入力される力は、電流および電圧計測によって与えられ、出力される力は、スラスト／トルク、速度、および加速によって与えられる。仕事量／要求の多さが原因のギヤトレインおよびモータの磨耗は、動力伝達効率の低下に繋がる。したがって、効率パラメータの監視は、機械的摩耗の早期検出を実現する。

各バルブ位置において費やされた累計時間、方向転換の数、平均制御誤差などの制御統計も、適切に記録される。これらの統計は、制御下の工程性能監視を助ける。

フェールセーフエネルギ蓄積も、監視される。これはウルトラキャパシタを、短時間、既知の負荷電流を通じて放電し、セル容量を推定することによってなされる。したがって、キャパシタの劣化、よってフェールセーフエネルギ蓄積の劣化が診断される。

上述のように、アクチュエータが記録する２つの出力測定値は、位置およびスラストである。診断または状況監視は、これらの２つの測定値を用いて実行される。

バルブ連結における力の計測を、正確な位置計測とともに行なうことにより、より優れた診断能力が実現される。

バルブの監視の例としては、バルブを移動させるのに必要な力は、バルブ内の圧力から生成されるステム力と、バルブステムを封止するステムパッキンからの摩擦力との合計であることがあるだろう。ステム力は、常に同じ方向に作用し、摩擦力は双方向に作用する。したがって摩擦力は、一方の方向においてはステム力に加算され、他方の方向においてはステム力から減算される。したがって両方向における合計の力を正確に計測することによって、ステム力と摩擦力とを別個の力として計算することが可能である。

バルブシートの腐食を、バルブの閉位置への移動時に、位置をスラストの蓄積に対して比較することによって監視してもよい。

移動の数およびどこで移動が生じたかを監視することができる。これは、バルブが工程をどれ程よく制御しているかの指標を与える。これは、バルブステムシールの交換がいつ必要かも示してもよい。

振動加速度計は、バルブ内のキャビテーションによって生じた振動を示してもよい。
温度センサは、バルブシールの漏れを示してもよい。

１つはモータ上、もう１つは出力上にある２つの位置センサによって、ドライブトレイン中のバックラッシュを監視することも可能である。これは典型的には摩耗指標である。

出力位置を、スラストおよび動作数に対して監視し、「仕事量」チャートを作り上げることも可能である。これは、アクチュエータ内の摩耗の指標を与える。

モータによって投入された動力を、アクチュエータによって生成された出力スラストと比較し、したがって上述のように摩耗の指標であってもよいドライブトレインの効率性を監視することも可能である。

電子コントローラの設計は、モジュール分割アーキテクチャに従う。これにより、コントローラ内の各モジュールが、各自の状況／状態情報を伝えることが可能になる。たとえば、位置センサは、信号強度と計測の信頼性に関する情報を送信する。電源モジュール（モータ駆動部）は、熱停止状況、電流トリップなどを連続的に示す。各モジュールからの状況表示は、障害を切離すのに用いることができ、したがって動作不能時間／修理時間を減少させる。

このアクチュエータは、流体バルブの制御のみに限定されず、たとえばエアーダンパなどの制御に使われてもよいことが理解されるであろう。

Claims (4)

1. バルブアクチュエータであって、
   モータシャフトを有する電気駆動モータと、
   前記モータシャフトに機械的にリンクされ、バルブの移動を機械的に駆動する出力シャフトと、
   制御システムとを備え、
   前記制御システムは、
   （ア）コントローラと、
   （イ）前記コントローラに結合され、前記アクチュエータ出力シャフトの位置を感知する第１の位置センサと、
   （ウ）前記コントローラに結合され、前記モータシャフトの位置を感知して、前記モータシャフトの速度を求めることを可能にする第２の位置センサとを含み、
   前記第１の位置センサの感度は、前記出力シャフトの速度を前記出力シャフトの最大動作速度の少なくとも２％以内に制御するように高いものであり、
   前記コントローラは、前記第１および／または第２の位置センサを、前記モータの機械時定数の５分の１未満の周期でサンプリングするように配置され、
   前記コントローラは、前記第１および第２の位置センサからの感知された信号に応答して、要求速度を生成して前記モータの速度／位置を相応に調整する前記出力シャフトの第１の閉ループ制御を与えるように構成され、
   前記制御システムはさらに、前記第２の位置センサを用い、前記モータ速度を調整して前記第１の閉ループ制御が生成した前記要求速度に前記モータ速度を維持するように構成された前記第１の閉ループ制御内の第２の制御ループを含み、前記要求速度は、前記モータと前記出力シャフトとの間の機械的連結におけるバックラッシュを表わすバックラッシュ値を参照して生成され、該バックラッシュ値は前記第１および第２の位置センサを用いて前記第２の位置センサの位置の変化量を参照して生成される、バルブアクチュエータ。
2. 前記モータを前記出力シャフトに連結する機械的ドライブトレイン内の前記バックラッシュは、前記第２の位置センサの位置の変化量を参照することにより測定され、方向を逆転させる際に、前記第１の位置センサの移動を開始させる、請求項１に記載のバルブアクチュエータ。
3. 前記バルブアクチュエータは、前記出力シャフトの遠位端に位置するトランスデューサを含み、前記出力シャフトは、前記トランスデューサと前記アクチュエータの本体との間に通信ケーブルの内部布設を可能にする内部通路を含む、請求項１または２に記載のバルブアクチュエータ。
4. 前記制御システムは、前記モータを前記出力シャフトに連結するドライブトレイン内の摩耗を、前記第１の位置センサの特定の位置での前記第２の位置センサからの出力を参照することによって測定するように構成される、請求項１から３のいずれかに記載のバルブアクチュエータ。

Images