JP6726308B2 - 電池式装置のための動的モータドライブ - Google Patents

Description

発明の背景
本開示は、一般的に、電池式装置に関する。より具体的には、しかし非限定的には、本開示は、電池式モータを有する装置のための電力消費を動的に調節するシステムおよび方法に関する。

モータを含有する多種多様な電池式装置がある。これらの装置は、例として、プロセス計測装置、工業用切削工具、プリンタ、機器および電動工具さえも包含し得る。通例、これらの装置は、標準的なモータドライブ回路を使用する。標準的なモータドライブ回路は、モータを回転させるために、一定のレベルの電力を必要とする。そのため、モータが消費する電力の量は、所与の回転速度に対して一定である。同様に、装置がモータに供給できる電力は限られた量である。そのような装置の一つは、ミネソタ州チャンハッセンのRosemount Inc.から市販されているWireless Pressure Gauge（WPG）の商品名称で販売されている。WPGは、文字盤上のダイアルを回転させるために標準的なモータドライブを使用し、その電力供給のために電池を有する。

そのような装置のための電池は、やがて、モータを連続的に回すために電力を送達することがもはやできない点に到達する。これが起こるとき、電圧レベルは降下し、装置は、リセットのリスクを冒し得る。

発明の概要
電池電源装置は、電池と、電池に連結されるモータ制御器とを包含する。モータは、モータ制御器に動作可能に連結される。モータ制御器は、電池から利用可能な電力の量を検出し、利用可能な電力の量に基づいてモータを用いるように構成される。

本発明の一つの態様に従う、動的モータドライブを包含するプロセス制御システムの概略図である。 本発明の一つの態様に従う、動的モータドライブを有するプロセス計測装置のブロック図である。 本発明の一つの態様に従う、動的モータドライブのブロック図である。 動的モータドライブを持たない低電池電力で作動する装置の概略図である。 動的モータドライブを有する低電池電力で作動する装置の概略図である。 電池電源モータを動的に制御する方法の概略図である。 電圧指示値に基づいて電池電源モータを動的に制御する方法の概略図である。 蓄えられた容量を有する電池電源モータを動的に制御する方法の概略図である。

本明細書に記載された態様が概してWPGとの関連で記載される一方で、態様がいかなるエネルギー制約のあるモータ用途または装置に対しても実用的であることが明確に考えられる。典型的な設計は、電池が良いまたは公称状態にあるときに電池が供給できる最大限利用可能な電力をモータの電力消費が上回らないことを確実にする。この状態では、電池は、その電圧を維持し、モータ負荷のために必要とされる電流を提供する。しかしながら、電池の残量がなくなっていくおよび／または周囲温度が降下するにつれ、これらのタイプのシステムは、多様な課題に遭遇し得る。

一例としては、電池が経時変化するにつれ、内部抵抗は、増加し、大きい電流の流れは、電池における電圧の降下を結果としてもたらす。電圧降下が増加するにつれ、それは、システムがもはや動作できない点に到達し、それが最小電圧を必要とするマイクロプロセッサまたは類似の回路を採用している場合、装置はリセットする。多くの場合、モータのための起動電流は高く、このアーキテクチャを持つ装置は、電池が交換されるまで決して復旧しないことがあり得る。WPGの場合には、装置をリセットすることは、無線ネットワークから外れることおよびセンサデータの消失を結果としてもたらす。例として、WPGは、プロセス環境内のまたはその外側の他のシステムに計測装置で入手したプロセス計測情報を通信する。一つの態様では、WPGは、プロセスのための測定された流体圧力の指示値を包含する無線通信信号を生成する。電池電圧が低減し装置リセットを発生させるとき、その流体圧力情報の通信は途絶える。これらのおよび他のプロセス計測装置にとって、プロセスデータの消失は、潜在的にプロセス監視作業に有害であり得る。

経時変化している電池と共に、低温は、電力供給に対し類似の影響を有し得る。両方のケースにおいて、結果として生じるリセットは、望ましい挙動ではなく、電池の残量が全くなくなるよりかなり前に起こり得る。それ故に、電池が切れたときに電池に残りの充電がまだあるため、実平均寿命は下がる。利用可能な電池電圧の低減に起因して平均寿命が下がるとき、予測できない量の残りの充電もある。

これらの問題を解決するために、本発明の態様は、電池動作時間を最大化さもなければ改善し、装置リセットのリスクを低下させる。連続的な一定のモータ速度で動作する代わりに、装置に利用可能な電力に基づいて、装置はモータの速度を制御する。装置が十分な電力原を有するとき、モータは、用途に対してその最適速度で動作する。しかしながら、装置への電力が低下するにつれ、装置は、利用可能な電力の降下を感知し、補うためにモータ速度を低下させる。

一つの態様では、動的モータドライブは、電池動作時間を最大化さもなければ改善し、装置リセットの危険性を低下させるように構成される。動的モータドライブは、電池電力容量を監視し、いつ供給された電力が低下したかを検出する。電力が低下したことを動的モータドライブが検出するとき、それは、現在利用可能な電力に見合うように電力消費レベルを動的に調節する。これらのおよび追加的な態様が以下にさらに詳細に論じられる。

図１は、本発明の一つの態様に従う、動的モータドライブを包含するプロセス制御システムの概略図である。図１は、計測装置１０４のためのプロセス環境１００を例示する。計測装置１０４は、プロセス１０２に連結される。プロセス１０２は、配管、分析機器およびプロセス環境を通る物質の流れを機能的にサポートする他の装置を包含し得る。

計測装置１０４は、計測出力、例えば、プロセス流体に対するプロセス流体圧力を提供するように構成される。一つの態様では、計測装置１０４は、WPGである。計測装置１０４は、視覚的表示器１３０も包含し得る。一つの態様では、視覚的表示器１３０は、針が計測されたプロセス変数を指すように、ダイアルの文字盤上に位置付けられた針である。そのため、視覚的表示器１３０は、計測されたプロセス変数の出力を提供するために、視覚的表示器を動かすためのモータ（図示せず）に動作可能に連結され得る。計測装置１０４は、プロセス変数の通信を可能にする通信コンポーネント１２０をさらに包含する。通信コンポーネント１２０は、例として、プロセス環境１００で信号を送り、受け取るように構成される無線トランシーバであり得る。一つの例では、通信コンポーネント１２０は、IEC 62591に従って通信するように構成される。

システム制御器１０８は、通信コンポーネント１２０によって提供される通信を受け取るように構成され得る。一つの態様では、システム制御器１０８は、人間のオペレータのためにプロセス変数および制御信号情報も表示する。制御信号は、例として、プロセスを制御することができる。

図１に示すように、プロセス環境１００は、動的モータドライブ１１２をさらに包含する。動的モータドライブ１１２は、多様なコンポーネントを包含し得、電源１１０によって給電されるモータ（図示せず）の速度を動的に制御するように構成される。例として、電源１１０は、計測装置１０４内のまたはそれに連結されるモータに電圧を提供する。モータは、表示器が文字盤上で回転して計測されたプロセス変数を指すように、計測表示器１３０を動かす。一つの態様では、動的モータドライブ１１２は、計測装置１０４のリセットのリスクを低下させるために、電源１１０を監視する。先に同じように述べたように、計測装置１０４をリセットすることは、さもなければ通信コンポーネント１２０によって送られたであろう計測データの消失を結果としてもたらし得る。計測データの消失は、一部のプロセス環境のための監視および維持作業に有害であり得る。さらに、一部のプロセス環境は、爆発や有害な薬剤への暴露といったリスクの増加に起因して厳しい安全措置を必要とする。そのため、計測装置リセッティングのリスクを低下させながら、プロセス１０２を常に一貫して監視する能力は、有利である。

図２は、本発明の一つの態様に従う、動的モータドライブを有するプロセス計測装置のブロック図である。図２は、プロセス計測装置２００がプロセッサ２０２、ディスプレイ２０６、計測回路２０８、プロセス変数センサ２１０、電池２１２、メモリ２２０、通信コンポーネント２１８、モータ２０４および動的モータドライブ２１４を包含することを例示的に示す。プロセス計測装置２００は、計測装置に包含されたコンポーネントおよび装置に連結されるコンポーネントが本質的に安全であるように、本質安全要件に適合するように構成され得る。本質安全要件の一つの例は、Factory Mutual Researchによって１９８８年１０月に公表されたAPPROVAL STANDARD INTRINSICALLY SAFE APPARATUS AND ASSOCIATED APPARATUS FOR USE IN CLASS I, II AND III, DIVISION 1 HAZARDOUS (CLASSIFIED) LOCATIONS, CLASS NUMBER 3610に規定されている。追加的な工業規格、例えば、Canadian Standards Association（CSA）や欧州のCENELEC規格に適合するための適応も考えられる。

プロセス変数センサ２１０は、プロセス１０２からのプロセス変数入力を感知するように構成される。例として、プロセス変数センサ２１０は、プロセス流体、例えば、プロセスからの液体または気体の圧力を感知する圧力センサであり得る。プロセス変数センサ２１０は、例えば、温度、レベル、流量などの他の形態のセンサであり得る。

計測回路２０８は、プロセス変数を測定するために、センサの電気的特性、例えば、容量または抵抗を計測する回路を包含し得る。計測回路２０８は、プロセス変数センサ２１０の電気的特性のデジタル指示値をプロセッサ２０２に提供するように構成される。

プロセッサ２０２は、装置内のまたは装置に連結される他のコンポーネントの機能性によって始動され、機能性を可能にする、計測装置２００の機能的なコンポーネントである。プロセッサ２０２は、マイクロプロセッサであり得る。加えて、プロセッサ２０２は、メモリ２２０に連結されまたはそれを包含し得る。メモリ２２０は、揮発性および／または不揮発性のコンピュータ記憶媒体もしくは任意の他のタイプのコンピュータメモリ記憶機器構成であり得る。

計測回路２０８によって測定されるような計測されたプロセス変数は、次に、例として、プロセッサ２０２に提供される。プロセッサ２０２は、装置２００の様々なコンポーネントに計測されたプロセス変数の指示値を生成するよう指示を提供することができる。一つのそのようなやり方は、ディスプレイ２０６上に計測指示値を生成することによってなされる。

例として、プロセッサ２０２は、ディスプレイ２０６に好適な計測出力を提供するために、計測回路２０８と相互作用する。ディスプレイ２０６は、計測表示器（すなわち、図１に示すような視覚的表示器１３０）と共に、一つまたは複数のダイアルおよび計器を包含し得る。視覚的表示器は、測定された圧力を指すために、圧力計測値に該当する一連の数を包むダイアルの周囲を回転する。

計測回路２０８によって測定された計測出力の指示値を生成するために、プロセッサ２０２がモータにディスプレイ２０６上の計測表示器を動かすよう指示するように、モータ２０４は、ディスプレイ２０６およびプロセッサ２０２に連結される。したがって、表示器１３０は、モータ２０４と相互作用するプロセッサ２０２により計測されたプロセス変数の指示値を生成するために、物理的に動かされる。これは、プロセス計測装置２００で計測指示値を生成することの一つの例にすぎない。多様な他の計測出力機器構成が使用され得ることが理解される。

モータ２０４は、プロセス計測装置に使用される多様なモータのいずれかであり得る。一つの態様では、モータ２０４は、ステッパモータである。モータ２０４は、永久磁石ステッパ、ハイブリッド同期ステッパ、可変リラクタンスステッパまたは任意の他の好適なステッパモータ機器構成であり得る。代替態様では、モータ２０４は、ＤＣモータであり得る。例として、モータ２０４は、ブラシレスＤＣ電気モータであり得る。

計測回路２０８によって測定されるようなプロセス変数の計測指示値を生成する第二のやり方は、計測指示値を無線で通信することによってなされる。プロセッサ２０２は、通信コンポーネント２１８を介して計測指示値を通信するための指示を提供することができる。通信コンポーネント２１８は、一般的に、計測装置２００と多様な他の装置との間の通信およびプロセス環境１００内のおよびその外側の用途を可能にするように構成される。一つの態様では、通信コンポーネント２１８は、プロセス計測を示す信号を送り、受け取るように構成される一つまたは複数の無線トランシーバを包含する。通信コンポーネント２１８は、プロセス計測装置２００の電力消費レベルを示す信号を送り、受け取るようにも構成され得る。

例示のみを目的として、かつ非限定的に、WPG（すなわち、装置２００）は、プロセス１０２の流体圧力を計測するように設置され、構成される。装置は、プロセス環境に設置され、長期間の時間、例えば、例として、１０年間、圧力計測値を生成するように構成される。先に述べたように、計測装置２００は、ディスプレイ２０６上のローカル計測指示値と通信コンポーネント２１８（すなわち、無線トランシーバ）によって送られるリモート計測指示値の両方を生成するように構成され得る。プロセス計測装置２００が経時変化するにつれ、電池２１２は、弱くなるか、充電を保持して十分に装置に給電することができなくなり得る。装置全てを停止するよりはむしろ、プロセス計測装置２００は、ディスプレイおよび装置の他のコンポーネントにデューティサイクルで給電するために作動するコンポーネントを包含し、それにより、装置のオンラインおよびアクティブ状態を引き延ばすことができる。この態様および類似の態様では、プロセス計測装置は、リセット発生の低減、したがって計測データが消失されるリスクの低下を提供する。

プロセス計測装置２００にデューティサイクルで給電するために、装置は、動的モータドライブ２１４を包含し得る。動的モータドライブ２１４は、装置の電力消費レベルを測定し、電力使用量を調整するために、プロセッサ２０２によって容易になる多様なコンポーネントを包含し得る。一つの態様では、動的モータドライブ２１４は、マイクロプロセッサコード（すなわち、プロセッサ２０２）内に組み込まれる単一のコンポーネントである。あるいは、動的モータドライブ２１４は、アナログ回路であり得る。さらに、一つの態様では、動的モータドライブ２１４は、別個のデジタルおよび／またはアナログ回路機器構成である多数のコンポーネントを包含し得る。それでもなお、動的モータドライブは、モータ２０４を制御するために、電池２１２およびプロセッサ２０２に動作可能に連結される。

図３を見ると、動的モータドライブ２１４の様々なコンポーネントがここでさらに詳細に論じられる。一つの態様では、プロセス計測装置３００および動的モータドライブ３０４は、それぞれ、プロセス計測装置２００および動的モータドライブ２１４と同じであるか、類似のコンポーネントを包含する。動的モータドライブ３０４は、電池３０２およびモータ３０６に連結され、装置２００の電力消費を制御するように構成される。電池３０２およびモータ３０６は、それぞれ、電池２１２およびモータ２０４と同じであるか、類似のコンポーネントを包含し得る。動的モータドライブ３０４は、バルク容量コンポーネント３０８、電力検出コンポーネント３１０およびモータ制御コンポーネント３１２を例示的に包含する。

プロセス計測データの視覚的指示値と無線伝送の両方を提供することは、有利であり得る。これにより、現場の技術者は、無線通信を受け取り、これらの通信を装置の文字盤上の機械的計測出力と照合することが可能になる。これを念頭に置いて、装置が十分な利用可能である電力を有しながら、プロセス計測装置３００は、視覚的指示値を生成するように構成され得る。十分な利用可能である電力がもはやないことを装置が判定するとき、装置は、ディスプレイ出力を制限することによって、電力消費を低下させる。

モータ制御コンポーネント３１２がモータ３０６を用いるか否かは、例として、電池３０２から利用可能である電力の測定された量に依存する。そのため、プロセッサ２０２の一つまたは複数のコンポーネントは、電源から利用可能な電力の量を測定するように構成される。

電池３０２は、モータ３０６への電力供給源を提供し、例として、交換可能な、非充電式電池であり得る。あるいは、電池３０２は、交換不可の充電式電池である。一つの態様では、電池３０２は、ステッパモータに電力を提供するために最適化された電池である。例として、電池３０２は、塩化チオニルリチウム電池であり得る。

一つの態様によると、バルク容量コンポーネント３０８は、電池３０２に連結されるものとして例示的に示される。この態様では、バルク容量コンポーネント３０８は、電池３０２によって提供される電流の一部を蓄えるように構成される少なくとも一つのバルクコンデンサを包含する。バルク容量コンポーネント３０８は、電源によって提供される電流の一部を蓄えるように構成される任意の数のコンデンサも包含し得る。

動的モータドライブ３０４は、電力検出コンポーネント３１０も包含する。電力検出コンポーネント３１０は、電池３０２および／またはバルク容量コンポーネント３０８に連結され得る。例として、電力検出コンポーネント３１０は、電池３０２から利用可能な電力の指示値をモータ制御コンポーネント３１２に提供する。一つの態様では、電力検出コンポーネント３０８は、電池３０２の電流電圧の指示値を提供する電圧表示器である。例として、電力検出コンポーネント３１０は、低電圧検出器回路を包含する電圧表示器である。

そのため、モータ制御コンポーネント３１２は、電力検出コンポーネント３１０から利用可能な電池電圧の指示値を受け取るように構成される。一つの態様では、モータ制御コンポーネント３１２は、動的モータドライブ３０４の一つまたは複数のコンポーネント（すなわち、電力検出コンポーネント３１０）によって提供される指示により、モータを用いる。モータ制御コンポーネント３１２は、モータ制御器およびモータ制御回路を包含し得る。モータ制御器が動的ドライブ指示を提供する一方で、モータ制御回路は、それらの指示を受け取り、それらをモータ３０６上で実施するように構成される。例として、モータ制御回路は、バルクの動作を発生させるか、一つまたは複数のより小さい動作（すなわち、ブロックきざみの動作）を発生させるか、モータをストールさせるよう、モータ制御器によって命じられた命令を実施する。動作を発生させることは、バルクのモータ動作を一連のより小さいブロックきざみの動作に変換することを包含し得る。したがって、プロセッサ２０２の一つまたは複数のコンポーネントは、モータ制御コンポーネント３１２に、モータ３０６を用いて、プロセスフロー１０２のための計測出力を生成するよう指示を提供する。

利用可能な電力を測定することは、プロセス計測装置３００にいくつかの効果を提供することができる。一例としては、利用可能な電力の測定された量は、モータ３０６の電力消費をスロットル調整するために使用され得る。モータ制御コンポーネント３１２は、利用可能な電力の判断に基づいて、モータ３０６が用いられる頻度および継続時間低下させるまたは増加させることができる。一つの態様では、モータ制御コンポーネント３１２が利用可能な電力の減少を測定するとき、動的モータドライブ３０４は、より小さいモータ動作へのバルクのモータ動作の変換を可能にして、電力消費効率を増加させる。電力消費効率を増加させることは、電池３０２から利用可能な電力のばらつきを低下させ、したがって、電池３０２がその充電を消失するリスクを低下させる。利用可能な電力の量を測定することは、プロセス計測装置３００を最適電力レベルで連続的に作動させることにおいても重要であり得る。一つの態様では、モータ制御コンポーネント３１２は、モータの任意の後続するブロックきざみの動作を発生させる前に、電池の電圧レベルを判断する。この機器構成は、連続的な計測指示値を提供しながら、モータ３０６が最適速度で作動することを可能にし得る。

モータ制御コンポーネント３１２は、いつ装置がモータ３０６の連続的な動作を発生させるに十分な電力を有するかを判定するために、電力検出コンポーネント３１０からの電圧指示値を使用する。モータ制御コンポーネント３１２は、例として、動的ドライブを用いるか否かを判定する処理を行い、それにより、デューティサイクルモータ３０６にする。モータ３０６をその最適速度で動作させるには電圧が不十分であるという指示値を電力検出コンポーネント３１０が提供するとき、モータ制御コンポーネント３１２は、モータを動的に動かす。

起動時に高い電力費を必要とする連続的かつ標準的なモータ動作を指示することよりはむしろ、モータ制御コンポーネント３１２は、モータ３０６に「ブロック」と呼ばれる限定量動かされるよう指示する。一旦モータ制御コンポーネント３１２がモータ３０６を単一のブロックきざみで動かすと、電力検出コンポーネント３１０は、電池３０２の電圧レベルを判断し、電圧指示値を提供して、任意の後続するモータ動作をさらに判断する。

連続的なモータ動作の初期発生（すなわち、起動費）には電圧が依然として不十分ではあるが、少なくとも一部のモータ動作（すなわち、ブロックきざみの動作）には十分な電圧があることを電力検出コンポーネント３１０が示すとき、モータ制御コンポーネント３１２は、モータ３０６をもう一つのブロックきざみで動かす。動的モータドライブ３０４は、モータ３０６が所望の位置（すなわち、計測表示器がダイアル上で計測値を指す位置）に回転するまで、この判断とブロックきざみの動作のサイクルを繰り返す。

一つの態様では、バルク容量コンポーネント７０８は、電池３０２から提供される小さい電流を受け取り、蓄えるように構成される。例として、電力が連続的なモータ７０６の動作には低すぎることを電力検出コンポーネント３１０が示すとき、バルク容量コンポーネント７０８は、弱い電池でトリクル充電され得る。換言すると、バルク容量コンポーネント７０８は、それがブロックきざみの動作を行うに利用可能である十分なエネルギーを有するまで、小さい電流を受け取る。

電池３０２に利用可能である豊富な電圧があることを電力検出コンポーネント３１０が示す場合、動的モータドライブ３０４は、ブロックきざみの動作をサイクルせず、むしろモータ３０６を用いて、標準的なドライブモータとして作動させる。モータ制御コンポーネント３１２は、したがって、連続的なモータ動作を発生させ、モータ３０６は、その最適速度で作動する。

しかしながら、任意のモータ動作を用いるには電力が不十分であることを動的モータドライブ３０４が判定する場合、モータ３０６は止められ得る。例として、モータ制御コンポーネント３１２は、利用可能な電圧がモータ３０６を動かすには不十分であるという表示を電力検出コンポーネント３１０から受け取る。それに応じて、モータ制御コンポーネント３１２は、電力制御回路を使用してモータ３０６への電力を制限し、電圧が十分なレベルに復帰するまで待つことができる。モータ３０６への電力が制限される一方で、プロセス計測装置３００の他のコンポーネントは、機能したままである。例として、通信コンポーネント２１８は、利用可能な電圧で機能することが可能であり、それにより、プロセス情報を通信し蓄えるためのメカニズムを提供することができる。一旦電圧が十分なレベルに復帰したという指示値をモータ制御コンポーネント３１２が電力検出コンポーネント３１０から受け取ると、モータ制御コンポーネント３１２は、モータ３０６にもう一つのブロックきざみで及び等々動くよう指示することができる。そのため、モータ制御コンポーネント３１２は、モータ電力および／または速度をデューティサイクルして、消費される電流の平均量を低下させる。この結果は、装置リセットを介して重要なプロセス計測および環境情報を消失するリスクを低下させながら、所与の利用可能な電力の量に対してできるだけ動くモータになるであろう。

先に論じたように、動的モータドライブを備えたプロセス計測装置は、標準的および一定のモータドライブユニットに勝るいくつかの効果を提供することができる。一つの具体的な効果は、計測装置リセットのリスクの低減である。図４Ａおよび４Ｂは、実際のこの効果を例示的に示す。

図４Ａは、動的モータドライブを持たない低電池電力で作動する装置の概略図である。図４Ａは、時間の関数としての電力消費のグラフ図４００を包含する。参照文字Ａが計測装置の電力消費を示す一方で、参照文字Ｂは、装置リセット信号を示す。計測装置の電力消費は、動的ドライブシステムなしでモータによって使われる電力の量（すなわち、電圧）を例示的に示す。装置リセット信号は、装置のために利用可能な電圧を例示的に示す。そのため、参照線Ｂが電圧の低減を示すとき、これは、モータへの制限されている電力供給、したがって、装置リセットを示す。図４Ａがここでより詳細に論じられる。

グラフ図４００は、モータが最初に始動されるとき、利用可能電圧の降下が起こることを例示的に示す。これは、標準的なモータドライブを開始するために必要とされる起動電力の量が高いためである。起動費は、初期時間４１０に概して示される利用可能電圧の降下を結果としてもたらす。高い負荷電流、例えば、計測装置モータ動作は、この電圧の降下を発生させる。電圧降下が厳密に監視されない場合、追加的な電圧は、消失され、最終的に装置リセットを発生させ得る。装置がリセットするとき、装置リセット信号も利用可能電圧の降下を示す。電圧の降下および、したがって、リセット期間は、概して、時間４０２と４０４との間に示される。４０２と４０４との間の時間中、計測装置は、通信ネットワークから外れ、その期間に入手されたであろういかなる計測データも消失される。装置が復旧し、モータ電流需要が再び始まるとき、高電流モータ動作は、時間４０６と４０８の間にもう一つの装置リセットを発生させる。装置が高電流負荷需要に起因したリセットのサイクルから決して復旧しないことが例示的に示される。モータ動作を発生させるために必要とされる電力レベルが増加するにつれ、装置は、一連の装置リセットに起因してデータの蓄積を消失する。これは、装置性能およびデータ蓄積の予測不可能性につながる。そのような予測不可能性は、一部のプロセス環境において潜在的に悪影響を及ぼし得る。

図４Ｂは、本発明の態様に従う、動的モータドライブを有する低電池電力で作動する装置の概略図である。図４Ｂは、動的モータドライブを有するプロセス計測装置の電力消費を示すグラフ図４５０を例示的に包含する。装置電力消費が線Ｅによって表される一方で、装置リセット信号は、線Ｆによって表される。電池制御信号は、線Ｇによって表される。電池制御信号は、電池が遮断運転を保証する状態にあるか否かの指示値を提供することができる。例として、制御信号は、利用可能な電圧を監視し、電圧の量がモータの停止（すなわち、電源からの電力受け取りの制限）を結果としてもたらすか否かの指示値を提供する。電力消費は、一般的に、時間の関数として示される。動的モータドライブを有する装置（すなわち、動的モータドライブ２１４を有するプロセス計測装置２００）では、モータは、始動され、弱まっている電池に起因して電圧の降下を発生させる。モータ始動およびその後の電圧降下は、概して、４２０に示される。しかしながら、起動時の電圧の大きい低減よりはむしろ、動的モータドライブ２１４は、より一貫した電力使用を可能にする。標準的なドライブが十分な電力と利用可能である電圧がほとんどない〜まったくない（装置がリセットするとき）との間で大きく変動することが示されてきた一方で、動的ドライブシステムは、モータに給電するのに十分な電圧を維持する。電力消費（Ｅ）と利用可能な電圧（Ｆ）の両方が図４Ａに図示した標準的なドライブシステムよりもずっとより一貫していることが示される。十分な電圧を維持することは、概して、時間４２２と４２４との間に示される。そのため、動的モータドライブ２１４は、より予測可能なかつ信頼できるモータ制御システムを提供し、それは精度の増加およびプロセス変数情報の保持をさらに提供する。

十分な電力供給を維持するという難問を克服するために、動的ドライブシステムは、電力供給レベルを監視するように構成される。動的ドライブシステムが低電圧状態を判定するとき、それは、十分な電力が回復するまで、モータの電力使用を遮断または低下させる。時間４２６では、動的モータドライブが運転のために十分な電圧を維持し、システムリセットおよび計測データの消失を回避していることが例示的に示される。

図５は、電池電源モータを動的に制御する方法の概略図である。電池電源モータを動的に制御するために、動的モータドライブは、電力可用性（すなわち、動的モータドライブ２１４）を監視する。電力可用性を監視することは、概して、ブロック５０２によって示される。例として、低電圧検出回路を包含する電力検出コンポーネントは、電池に連結され、電力消費の指示値を生成するように構成される。例として、電力検出コンポーネント３１０は、電池源の電圧レベルの指示値を提供する。一旦利用可能な電力の量が示されると、モータ制御コンポーネント３１２は、電力可用性がモータを用いるに十分か否かを判定することができる。電力可用性が十分か否かを判定することは、概して、ブロック５０４に示される。十分な電源は、指定のパラメータまたは範囲を超える電圧レベルを提供するものであり得る。例として、オペレータは、計測装置をリセットすることなくモータを最高標準速度で作動させるために必要とされる利用可能な電力の量の最小閾値を提供する。一つの態様では、オペレータは、システム制御器１０８を介して閾値または電力可用性範囲を提供する。

最小閾値より多い量の利用可能である電力があることを動的ドライブシステムが判定するとき、モータは、最適速度で作動する。これは、概して、ブロック５２０に示される。例として、十分な電力があると動的モータドライブ２１４が判定するとき、モータ制御コンポーネントは、それが有する所与の量の電力に対してそれができるだけ速くモータを用いる。動的ドライブシステムは、引き続き電力消費を監視し、それは、概して、ブロック５０２に戻ることによって示される。

電力が不十分であるとき、動的ドライブシステムは、利用可能な電力の現在の量が規定の最小閾値より少ないと判定することができる。動的ドライブシステムは、利用可能な電力の減少を検出する。これは、概して、ブロック５０６によって示される。電池が弱くなるとき、例として、それは、モータの電流需要に対応することがより遅くなり、したがって、その電力消費および電圧可用性を低減させる。動的モータドライブは、モータ速度を低下させるようモータを制御することによって、利用可能な電力の減少に対応することができる。モータ速度を低下させることは、概して、ブロック５０８に示される。

ユーザは、例として、利用可能な電力の量の低減を測定することに応じて起こるモータの低下した速度を定義することができる。一つの態様では、モータ速度を低下させることは、バルクのモータ動作を、より少ない電力を要するより小さいブロックきざみの動作に変換することを包含する。ブロック５０８でモータ速度を低下させると、装置は、引き続き電力消費を監視することができ、ブロック５０２に戻る。そのため、図５は、概して、電池電源モータを動的に制御するおよび、より具体的には、しかし非限定的には、プロセス環境での計測装置のための電力供給を動的に制御する方法の概要を例示する。

図６は、電圧指示値に基づいて電池電源モータを動的に制御する方法の概略図である。ブロック６０２では、動的モータドライブは、電圧指示値を受け取るように構成される。一つの態様では、電圧指示値は、プロセス計測装置のための電池に連結される電力検出コンポーネントによって提供される。電力検出コンポーネントによって提供される電圧指示値に基づいて、装置は、電源に利用可能である十分な量の電圧があるか否かを判定するように構成される。十分な電圧があるか否かを判定することは、概して、ブロック６０４に示される。例として、モータ制御コンポーネント３１２は、電力検出コンポーネント３１０から電圧指示値を受け取る。指示値は、概して、利用可能な電力が指定の最小閾値より少ないことを示し、ここで、最小閾値は、計測装置のリセットを結果としてもたらす電圧量または範囲を示す。したがって、装置は、モータに給電するのに十分な電圧がないと判定することができ、それに応じて、電力消費を低下させる。電力消費を低下させることは、ブロック６２０に示される。モータ制御コンポーネント３１２は、モータ３０６に供給されている電力を完全にまたは部分的に制限することができる。動的モータドライブ２１４は、一旦ドライブが電力消費を低下させ、装置のリセットを防ぐと、さらなる電圧指示値の受け取りに戻ることができる。そのため、ブロック６２０は、追加的な電圧指示値を受け取るために、ブロック６０２に例示的に戻る。

あるいは、動的モータドライブは、電力供給から利用可能である十分な電圧があると判定することができる。一つの態様では、十分な電圧は、モータ３０６を用いるための最小閾値を超える電圧量を包含する。例として、最小閾値は、モータの単一のブロックきざみの動作を指示し、実行するために必要とされる電圧の最小量を包含する。電圧の最小閾値は、例として、データ収集や、装置をオンライン状態にし続ける通信プロセスを動作させるために必要とされる電圧の最小量も包含し得る。

利用可能な電圧の量が最小閾値を超えているとの判定に応じて、動的モータドライブは、モータのブロックきざみの動作を指示する。例として、動的ドライブシステムは、一連のまたは複数連のブロックきざみの動作でモータを動かすために、機械的な軸回転に変換されたデジタルパルスを使うステッパモータを包含する。そのため、電池から利用可能である少なくとも最小電圧がある場合、モータ制御コンポーネント３１２は、単一のブロックきざみでステッパモータ３０６を用いる。ブロック６０８では、動的ドライブシステムは、モータが所望の位置にあるか否かを判定するように構成される。モータが所望の位置にあるとき、例として、文字盤上に計測指示値を生成するためにモータ３０６を動かす指示をモータ制御が実行した際、プロセスは終了することができる。しかしながら、モータが所望の位置にないとき、一つまたは複数の追加的なブロックきざみの動作が必要とされ得る。動的モータドライブは、次に、ブロック６０４に戻り、バルクのまたはブロックきざみのモータ動作のための十分な電圧があるかどうかを判定するために、さらなる評価を行うことができる。

あるいは、ブロック６０４で十分な電圧があると電力検出コンポーネント３１０が判定するとき、動的モータドライブ２１４は、モータにそれが所有する電力の所与の量に対して可能な限り速く動くよう指示する。したがって、ブロック６２０で電力消費を低下させることは、利用可能な電力を連続的に評価し、装置をリセットするリスクを低下させるためにモータがブロック動作で動くように、電力消費の量を最適化することを包含し得る。

図７は、蓄えられた容量を有する電池電源モータを動的に制御する方法の概略図である。動的ドライブシステムが用いられ、モータに電源から所与の量の電力が供給されるとき、電池は電圧として電流を生成する。一つの態様では、動的モータドライブは、電池によって生成された容量の少なくとも一部を蓄えるように構成されるコンポーネントを包含する。本明細書で電池と呼ばれるものは、動的ドライブシステムに対して内部と外部の両方の電源を包含する。

簡単に図３を見ると、動的モータドライブ３１４は、バルク容量コンポーネント３０８を例示的に包含する。バルク容量コンポーネント３０８は、モータ動作を発生させる使用のために容量を蓄えるように構成される。そのような機器構成は、電力消費を低下させる必要があるが、モータ動作が有益であるとき、有利であり得る。

そのため、方法７００は、プロセス計測装置のためのモータ動作を発生させる動的モータドライブの運転に従う、バルク容量コンポーネントにエネルギーを蓄える方法を例示的に示す。バルク容量コンポーネントにエネルギーを蓄えることは、概して、ブロック７０２に示される。ブロック７０４では、動的モータドライブは、電流需要を検出するように構成される。例として、動的モータドライブ２１４の一つまたは複数のコンポーネントは、電流需要の増加および、したがって、電源（すなわち、電池２１２）からの需要の増加を検出する。

電力検出コンポーネント２１６は、電力需要の増加があることを判定し、バルク容量コンポーネント３０８の支援を求めることができる。バルク容量コンポーネントからのエネルギーを加えることによって、モータのための初期電流は、大部分がバルク容量コンポーネント３０８の一つまたは複数のコンデンサに蓄えられた電力によって供給される。そのため、モータ動作を発生させるための電流需要が検出されるとき、システムは、モータにバルクの容量電力を提供するように構成される。モータにバルクの容量を提供することは、概して、ブロック７０６に示される。

一つの態様では、蓄えられたエネルギーは、電池２１２と比較してより少ない程度の電力を提供する。そのため、バルク容量コンポーネント３０８に蓄えられたエネルギーは、概して、小さいモータ動作を発生させるために動的モータドライブ２１４によって使われる。小さいモータ動作を発生させることは、概して、ブロック７０８に示される。例として、モータ制御コンポーネント３１２は、モータ３０６を一つまたは複数の小さいブロックきざみで動かすために、蓄えられた容量を使用する。これにより、電源が弱い場合でさえ、速い速さでのモータのより小さい動作が可能になる。一旦動作が十分に大きくなると、電源は、バルクの電流を供給する必要があり、モータ制御コンポーネントは、必要な場合、標準的なモータ動作を指示し始める。そのため、動的モータドライブは、電流需要の増加を検出し、動的モータ制御を用いるように構成される。これらは、概して、それぞれ、ブロック７１０および７１２に示される。

動的モータ制御が用いられた状態で、装置は、蓄えられたバルクの容量から一次電源、例えば、電池２１２に電力消費を切り替える。したがって、ブロック７１４に示されるように、電池電力は、モータに提供される。小さいモータ動作および大きいモータ動作が発生されるにつれ、動的モータドライブは、引き続き電力消費および蓄えられたバルクの容量レベルを監視する。システムは、常に電力を監視し、モータ需要が高く装置リセットのリスクも高いときの即時の使用のために電源の少なくとも一部を蓄えている。

動的ドライブシステムおよび動的モータ制御器により、電力が限られた装置は、利用可能な電力に見合うようにその電力消費を調節することができる。これにより、全体的な電池寿命を守り延ばすことによって、装置は、ずっとより長い時間、機能し続ける。

Claims (19)

1. プロセス変数計測装置であって、
   プロセス変数計測出力を表示するように構成される視覚的表示器と、
   電池と；
   前記電池に連結されるモータ制御器と、
   前記モータ制御器に電気的に結合され、前記視覚的表示器に動作可能に連結されるモータと、を含み、
   前記電池から利用可能な電力の量を検出し、前記利用可能な電力の量に基づいて前記モータを用いるように前記モータ制御器が構成される、
   前記プロセス変数計測装置。
2. バルクのモータ動作を一連のブロックきざみの動作に変換し、前記モータで少なくとも一つのブロックきざみの動作を発生させ、次に、後続するブロックきざみの動作を発生させる前に前記電池の電圧を判断するように、前記モータ制御器が、構成される、請求項１記載のプロセス変数計測装置。
3. 前記電池に連結される電力検出コンポーネントをさらに含み、前記モータ制御器に前記電池の電圧の指示値を提供するように、前記電力検出コンポーネントが、構成される、請求項１記載のプロセス変数計測装置。
4. 前記電力検出コンポーネントが、低電圧検出器回路を含む、請求項３記載のプロセス変数計測装置。
5. 前記モータが、ステッパモータである、請求項１記載のプロセス変数計測装置。
6. 前記電池に動作可能に連結されるバルク容量コンポーネントをさらに含み、前記電池から利用可能な電力の一部を蓄えるように、前記バルク容量コンポーネントが、構成される、請求項１記載のプロセス変数計測装置。
7. 前記モータの駆動を補佐するために、前記バルク容量コンポーネントが、前記電池に動作可能に連結される少なくとも一つのバルクのコンデンサを含む、請求項６記載のプロセス変数計測装置。
8. 前記モータを用いるために利用可能である電力が十分あるか否かを判定するために、前記電池の前記電圧の前記指示値を最小電圧閾値と比較するように、前記モータ制御器が、構成される、請求項３記載のプロセス変数計測装置。
9. 前記モータを用いるために利用可能である電力が不十分であると判定し、それに応じて、少なくとも一つのブロックきざみの動作を発生させるように、前記モータ制御器が、構成される、請求項８記載のプロセス変数計測装置。
10. 前記モータ制御器が前記プロセス変数計測装置のリセットを防ぐように、前記利用可能な電力の量に基づいて前記モータを用いるように、前記モータ制御器が、構成される、請求項１記載のプロセス変数計測装置。
11. 無線電池電源圧力計であって、
    電池と、
    前記電池に連結される制御器と、
    圧力を示すように構成される視覚的表示器と、
    前記制御器に動作可能に連結されたモータであって、前記視覚的表示器を動かすために前記視覚的表示器に連結される前記モータと、を含み、
    前記電池から利用可能な電力の量を検出し、前記利用可能な電力の量に基づいて前記モータを用いるように、前記制御器が、構成される、
    前記無線電池電源圧力計。
12. 前記制御器に動作可能に連結される通信コンポーネントをさらに含む、請求項１１記載の無線電池電源圧力計。
13. 前記通信コンポーネントが、無線通信回路を含む、請求項１２記載の無線電池電源圧力計。
14. 前記電池に連結され、前記制御器に利用可能な電力の指示値を提供するように構成される電力検出コンポーネントをさらに含む、請求項１１記載の無線電池電源圧力計。
15. 前記電池から利用可能な電力の一部を蓄えるように構成されるバルク容量コンポーネントをさらに含む、請求項１１記載の無線電池電源圧力計。
16. 前記視覚的表示器が、計測ダイアル上に配置された針を含む、請求項１１記載の無線電池電源圧力計。
17. 計測装置のためにモータを動的に制御する方法であって、
    電力検出コンポーネントを使用することによって電池から利用可能な電力の量を検出する工程と、
    前記モータを用いるために十分な量の電力があるか否かを判定するために、前記利用可能な電力の量を分析する工程と、
    前記電池から受け取ったエネルギーを蓄えるように構成されたバルク容量コンポーネントであって、前記バルク容量コンポーネントをモータ制御器に連結する工程と、を含み、
    前記モータを限定量動かすために、前記モータ制御器が、前記バルク容量コンポーネントに蓄えられたエネルギーを使用するように構成され、
    前記モータが、所望の位置にあるか否かを判定するために、前記モータの位置を判断する工程と、
    前記モータが、前記所望の位置にないことを判定する工程と、それに応じて、プロセス変数を表示するために、モータ制御コンポーネントに後続する限定量で前記モータを動かすよう指示する指示であって、前記モータ制御器で前記指示を生成する工程と、をさらに含む、
    方法。
18. 前記利用可能な電力の量を分析する工程が、前記モータ制御器で分析することを含む、請求項１７記載の方法。
19. プロセス環境で、信号を送信するように構成された無線トランシーバをさらに含む、請求項１記載のプロセス変数計測装置。
    

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