JP7256041B2 - Electric actuator and deterioration index calculation method - Google Patents
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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のリターンスプリング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 to determine the deterioration state of a return spring of an electric actuator.
バルブやダンパー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)。 As one of the electric actuators that electrically controls the opening and closing of operating ends such as valves and dampers, so-called spring return type actuators return the output shaft to a predetermined rotational position when the power supply is cut off by the return force of the return spring attached to the output shaft. electric actuator (see, for example, 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 energized, the electric actuator rotates the output shaft with the motor through the power transmission section to adjust the opening of the operating end, and at the same time winds up the return spring 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 disconnected. 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用いられるリターンスプリングは、一般的なコイルバネからなり、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、リターンスプリング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などのフィールド機器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。
Generally, return springs used in electric actuators are composed of general coil springs and are considered to have sufficient durability over a long period of time. Therefore, there is little need to detect the state of deterioration of the return spring, and conventionally, this function has not been embodied as a deterioration determination function for the electric actuator.
On the other hand, field devices such as electric actuators have a warranty period, and must be replaced with a new one when the warranty period expires. However, in practice, it may be used for a long period of time 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、電動アクチュエータのリターンスプリングが劣化して故障や経年変化などにより設計当初のスプリングトルクが得られない場合も考えられる。このような場合、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る可能性がある。このため、リターンスプリングの劣化状態を把握しておくことが重要となる。 If the actuator is used for a long period of time beyond the warranty period, the return spring of the electric actuator may be deteriorated, and the original spring torque may not be obtained due to failure or aging. In such a case, when the power supply is cut off, the restoring force of the return spring may prevent the output shaft from being reliably returned to a predetermined rotational position such as the fully closed position or the fully opened position. Therefore, it is important to know the state of deterioration of the return spring.
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のリターンスプリング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。 SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a deterioration index calculation technique capable of easily calculating a deterioration index indicating a deterioration state of a return spring of 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の制御開度へ向けて前記出力軸を回動する開度制御部と、前記第1および第2の制御開度の間における前記出力軸の開度偏差を示す出力側開度偏差と、前記第1および第2の制御開度の間で前記出力軸の出力軸トルクの出力軸トルク偏差とに基づいて、前記リターンスプリングの劣化指標として、前記リターンスプリングのばね定数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 section, and a motor for driving the motor. a control circuit that controls the opening of the valve body by controlling; The control circuit includes an opening degree control unit that drives and controls the motor to rotate the output shaft toward first and second control opening degrees that are different from each other, and the first and second control opening degrees. Based on the output side opening degree deviation indicating the opening degree deviation of the output shaft between and the output shaft torque deviation of the output shaft torque between the first and second control opening degrees, and a deterioration index processing unit for calculating a spring constant of the return spring as a deterioration index of the return spring.
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、前記出力軸のうち、前記動力伝達部と前記リターンスプリングとの間の前記出力軸の出力軸トルクを検出するトルクセンサをさらに備え、前記劣化指標処理部は、前記出力側開度偏差と、前記第1および第2の制御開度で前記トルクセンサにより検出された前記出力軸トルク偏差とに基づいて、前記リターンスプリングのばね定数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 a torque sensor for detecting an output shaft torque of the output shaft between the power transmission portion and the return spring. A deterioration index processing unit calculates a spring constant of the return spring based on the output side opening deviation and the output shaft torque deviation detected by the torque sensor at the first and second control openings. It is designed to
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、前記出力側開度偏差をΔθaとし、前記出力軸トルク偏差をΔToaとした場合、前記ばね定数kを後述の式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, when the deterioration index processing unit sets the output side opening deviation to Δθa and the output shaft torque deviation to ΔToa, the spring constant k is set to It is calculated by formula.
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、前記出力軸のうち、前記リターンスプリングと前記弁体との間の前記出力軸の出力軸トルクを検出するトルクセンサをさらに備え、前記劣化指標処理部は、前記出力側開度偏差と、前記第1および第2の制御開度で前記トルクセンサにより検出された前記出力軸トルク偏差と、前記第1および第2の制御開度で前記モータに生じたモータトルクのモータトルク偏差とに基づいて、前記リターンスプリングのばね定数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 a torque sensor for detecting an output shaft torque of the output shaft between the return spring and the valve body, and The index processing unit calculates the output side opening deviation, the output shaft torque deviation detected by the torque sensor at the first and second control openings, and the output shaft torque deviation at the first and second control openings. The spring constant of the return spring is calculated based on the motor torque deviation of the motor torque generated in the motor.
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、前記第1および第2の制御開度で前記モータに流れたモータ電流から計算されたモータトルクの差分に基づいて前記モータトルク偏差を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 is configured based on the difference in motor torque calculated from the motor current flowing through the motor at the first and second control openings. to calculate the motor torque deviation.
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、前記出力側開度偏差をΔθaとし、前記出力軸トルク偏差をΔTobとし、前記モータトルク偏差をΔTmとした場合、前記ばね定数kを後述の式で計算するようにしたものである。 In one configuration example of the electric actuator according to the present invention, the deterioration index processing unit sets the output side opening deviation to Δθa, the output shaft torque deviation to ΔTob, and the motor torque deviation to ΔTm. , the spring constant k is calculated by the following formula.
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、前記第1および第2の制御開度で前記出力側角度センサにより検出された出力側開度の差分に基づいて、前記出力側開度偏差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 the rotation angle of the output shaft as an output-side opening, and the deterioration index processing unit includes the first and second 2, the output-side opening deviation is calculated based on the difference in the output-side opening detected by the output-side angle sensor.
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、互いに異なる第1および第2の制御開度へ向けて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、前記第1および第2の制御開度の間における前記出力軸の開度偏差を示す出力側開度偏差と、前記第1および第2の制御開度の間で前記出力軸の出力軸トルクの出力軸トルク偏差とに基づいて、前記リターンスプリングの劣化指標として、前記リターンスプリングのばね定数を計算する劣化指標処理ステップとを備えている。 Further, a deterioration index calculation 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 section, and driving and controlling the motor to control the valve. A deterioration indicator used in an electric actuator comprising 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 power is cut off. an opening degree control step in which the opening degree control unit of the control circuit drives and controls the motor to rotate the output shaft toward first and second control opening degrees different from each other; , the deterioration index processing unit of the control circuit outputs an output side opening deviation indicating an opening deviation of the output shaft between the first and second control openings, and the first and second control openings; and a deterioration index processing step of calculating the spring constant of the return spring as the deterioration index of the return spring based on the output shaft torque deviation of the output shaft torque of the output shaft between.
本発明によれば、リターンスプリングの劣化指標として、リターンスプリングのばね定数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、リターンスプリング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、ばね定数の経時変化を、劣化指標処理部や上位装置でモニタすることにより、リターンスプリングの劣化時期すなわち交換時期を予測でき、電動アクチュエータの予知保全に極めて有用である。 According to the present invention, since the spring constant of the return spring can be easily grasped as a deterioration index of the return spring, it is possible to easily grasp the state of deterioration of the return spring according to the degree of deviation from the initial design value. . Therefore, when the range of divergence increases and the deterioration progresses, appropriate countermeasures can be taken before a failure occurs, and extremely effective predictive maintenance can be realized. This makes it possible to provide a certain level of reliability even when long-term use beyond the warranty period is assumed. In addition, by monitoring changes in the spring constant over time with the deterioration index processor or a host device, it is possible to predict when the return spring will deteriorate, that is, when it should be replaced, which is extremely useful for predictive maintenance of the electric actuator.
次に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
[第1の実施の形態]
まず、図1を参照して、本発明の第1の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、第1の実施の形態にかかる電動アクチュエータの構成を示すブロック図である。
Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[First embodiment]
First, an
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 in which 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。
A 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、トルクセンサ17T、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 setting
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トルクの発生有無を切り替える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, the 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、電動アクチュエータ10から弁本体20の弁体22を回動するための軸であり、一端が動力伝達部14に連結され、他端がリターンスプリング15、継手30および弁軸26を介して弁体22と連結されている。
The
The output shaft 16 is a shaft for rotating 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、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, a case where, for example, a circular differential transformer type angle sensor (Patent Document 2) or a magnetoresistive type angle sensor (Patent Document 3) is used 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-
A temperature sensor S3 is attached to the valve-
以下では、弁側角度センサ17Vとして、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。
In the following, a case where, for example, a circular differential transformer type angle sensor (Patent Document 2) or a magnetoresistive type angle sensor (Patent Document 3) is used 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。
1, the mounting position of the valve-
When the
トルクセンサ17Tは、出力軸16に取り付けられて、出力軸16の出力軸トルクを検出し、その出力軸トルクに応じたトルクセンサ出力値Voを電動アクチュエータ10へ出力するセンサである。本実施の形態では、トルクセンサ17Tが、出力軸16のうち、動力伝達部14とリターンスプリング15との間の出力軸16に取り付けられており、動力伝達部14とリターンスプリング15との間の出力軸16の出力軸トルクToを検出する場合を例として説明する。
The
トルクセンサ17Tの具体例の1つとして歪みゲージがある。図2は、トルクセンサ(歪みゲージ)を示す説明図である。図2に示すように、歪みゲージ40は、樹脂などの薄い電気絶縁物からなるベース41に、折り返してパターン形成された金属箔などの抵抗体Rからなるゲージ42と、抵抗体Rの端部に電気的に接続された2本のリード43とからなる。
歪みゲージ40からなるトルクセンサ17Tは、出力軸16の表面に接着剤で接着され、出力軸16の出力軸トルクToに応じて出力軸16が歪んでベース41も伸縮し、結果としてゲージ42の抵抗体Rの抵抗値が変化する。
A strain gauge is one of specific examples of the
A
抵抗値の変化率と歪み量は比例関係にあるため、抵抗体Rの抵抗値を検出すれば歪み量を計算でき、これにより出力軸トルクToを検出できる。抵抗体Rの抵抗値は、一般的なホイートストーンブリッジ回路45を用いて電圧に変換でき、これを制御回路19で検出すればよい。ホイートストーンブリッジ回路45は、制御回路19内に設けてもよく、制御回路19とトルクセンサ17Tとの間に設けてもよい。一定の入力電圧Vinをホイートストーンブリッジ回路45に入力しておけば、抵抗体Rの抵抗値の変化に応じて出力電圧すなわちトルクセンサ出力値Voが変化する。
なお、トルクセンサ17Tについては、歪みゲージ40を用いた方式に限定されるものではない。例えば、トルク検出部位の両側に設けた歯車やシリンダーの位相差(ねじれ)の大きさに基づいてトルクを検出する方式など、他の方式に基づく公知のトルクセンサを用いてもよい。
Since the rate of change of the resistance value and the amount of distortion are in a proportional relationship, the amount of distortion can be calculated by detecting the resistance value of the resistor R, and from this the output shaft torque To can be detected. The resistance value of the resistor R can be converted into a voltage using a general Wheatstone bridge circuit 45 and detected by the
Note that 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へ出力してモータ13を駆動制御することにより、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、任意の制御開度から異なる任意の制御開度へ向けて、出力軸16を回動する機能とを有している。
The
以下では、劣化指標計算時に出力軸16の回動を開始し、その後、互いに異なる計測タイミングt1,t2の到来時点に検出した、それぞれの出力側開度θa1,θa2に基づいて、リターンスプリング15のばね定数kを計算する場合を例として説明する。なお、計測タイミングt1,t2における第1および第2の制御開度がθ1,θ2であり、その時の出力側開度がθa1,θa2であるものとする。
Below, the rotation of the output shaft 16 is started when the deterioration index is calculated, and then the
計測タイミングt1,t2については、出力軸16を所定の開度まで回動した時点や、回動開始から所定の時間だけ経過した時点など、任意のタイミングを用いればよく、制御開度θ1,θ2や出力側開度θa1,θa2を、特定の値とする必要はない。また、計測タイミングt1,t2における出力軸16は、回動中であってもよく、回動を一時停止して保持されている状態であってもよい。 As for the measurement timings t1 and t2, any timing such as when the output shaft 16 is rotated to a predetermined opening, or when a predetermined time has passed since the start of rotation may be used. and output side openings θa1 and θa2 need not be set to specific values. Further, the output shaft 16 at the measurement timings t1 and t2 may be rotating, or may be in a state in which the rotation is temporarily stopped and held.
劣化指標処理部19Bは、第1および第2の制御開度θ1,θ2の間における出力軸16の開度偏差を示す出力側開度偏差Δθaと、第1および第2の制御開度θ1,θ2の間で出力軸16の出力軸トルクToaの出力軸トルク偏差ΔToaとに基づいて、リターンスプリング15の劣化指標として、リターンスプリング15のばね定数kを計算する機能と、得られたばね定数kと予め設定されている正常範囲Eとに基づいて、リターンスプリング15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、出力側開度偏差Δθaと、第1および第2の制御開度θ1,θ2でトルクセンサ17Tにより検出された、動力伝達部14とリターンスプリング15との間の出力軸16の第1および第2の出力軸トルクToa1,Toa2の差分からなる出力軸トルク偏差ΔToaとに基づいて、リターンスプリング15のばね定数k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、第1および第2の制御開度θ1,θ2における第1および第2の出力軸トルクをToa1,Toa2とし、出力側開度偏差をΔθaとした場合、ばね定数kを後述の式(4)で計算する機能とを備えている。
Specifically, the deterioration
More specifically, 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 for opening control by the
[流量制御動作]
次に、図3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3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3の流量制御処理を実行する。
[Flow rate control operation]
Next, with reference to FIG. 3, the flow rate control operation of the
When controlling the flow rate of the fluid flowing through the
図3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 setting
A storage unit (not shown) in the
図4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4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. 4 is a graph showing the relationship between the valve-side sensor output value and the valve-side opening degree. The circular differential transformer type angle sensor and magnetoresistive 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から開度現在値θ(弁側開度θv)=50×(1+Sv/Ss)[%]を計算する(ステップS101)。
First, the
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の開度現在値θ(弁側開度θv)が温度補正される。なお、開度現在値θ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 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
Subsequently, the
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
Here, when ΔQ is equal to zero and ΔQ=0 (step S107: ΔQ=0), the opening
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
Further, when ΔQ is greater than zero and ΔQ>0 (step S107: ΔQ>0), the
以上では、図3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。
In the above, the flow rate control operation using the valve-side opening θv detected by the valve-
具体的には、図3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から開度現在値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-S101 of FIG. 3, the output side sensor output value Sa is acquired 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4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3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 instead of the valve-side output reference value Ss. When a circular differential transformer type angle sensor or a magnetic resistance type angle sensor is used as the output
Other steps in FIG. 3 are the same as described above, and descriptions thereof are omitted here.
[劣化指標処理動作]
次に、図5および図6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の劣化指標処理動作について説明する。図5は、第1の実施の形態にかかる劣化指標処理を示すフローチャートである。図6は、第1の実施の形態にかかる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5の劣化指標処理を実行する。
[Deterioration index processing operation]
Next, the deterioration index processing operation of the
When calculating the deterioration index of the
まず、劣化指標処理部19Bは、計測タイミングt1が到来した時点で、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θa1を取得するとともに(ステップS150)、計測タイミングt1が到来した時点にトルクセンサ17Tから出力されたトルクセンサ出力値Voに基づいて、出力側開度θa1における出力軸トルクToa1を取得する(ステップS151)。
First, when the measurement timing t1 arrives, the deterioration
その後、劣化指標処理部19Bは、計測タイミングt2が到来した時点で、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θa2を取得するとともに(ステップS152)、計測タイミングt2が到来した時点にトルクセンサ17Tから出力されたトルクセンサ出力値Voに基づいて、出力側開度θa2における出力軸トルクToa2を取得する(ステップS153)。
After that, when the measurement timing t2 arrives, the deterioration
この際、出力側開度θa1,θa2は互いに異なる値を示すものとし、劣化指標処理動作を構成する1つのステップとして、例えばステップ151からステップ152までの間に、出力軸16を予め設定されている開度だけ回動してもよい。また、劣化指標処理動作と並行して実行している動作、例えば流量制御動作により、計測タイミングt1,t2の間に出力軸16が回動されていれば、劣化指標処理動作で出力軸16を回動する必要はない。なお、計測タイミングt1,t2において、弁側角度センサ17Vの弁側センサ出力値Svから得られた弁側開度θv1,θv2を取得し、以下の劣化指標の計算処理において、出力側開度θa1,θa2の代わりに弁側開度θv1,θv2を用いてもよい。
At this time, it is assumed that the output side openings θa1 and θa2 show different values, and the output shaft 16 is set in advance between steps 151 and 152, for example, as one step constituting the deterioration index processing operation. You may rotate only the opening degree which is. Further, if the output shaft 16 is rotated between the measurement timings t1 and t2 by an operation executed in parallel with the deterioration index processing operation, for example, the flow rate control operation, the output shaft 16 is rotated by the deterioration index processing operation. No need to rotate. At the measurement timings t1 and t2, the valve-side opening degrees θv1 and θv2 obtained from the valve-side sensor output value Sv of the valve-
続いて、劣化指標処理部19Bは、出力側開度θa1と出力側開度θa2との差分に基づいて、出力側開度偏差Δθa(=θa2-θa1)を計算するとともに(ステップS154)、出力軸トルクToa1と出力軸トルクToa2との差分に基づいて、出力軸トルク偏差ΔToa(=Toa2-Toa1)を計算し(ステップS155)、出力軸トルク偏差ΔToaを出力側開度偏差Δθaで除算することにより、リターンスプリング15のばね定数kを計算する(ステップS156)。
Subsequently, the deterioration
通常、出力軸16が回動している場合、あるいは、出力軸16を任意の開度で保持した場合、出力軸16、リターンスプリング15、および弁体22のそれぞれのトルクは、互いにつり合った状態にある。図6に示すように、例えば、任意の出力側開度θa1,θa2における、動力伝達部14とリターンスプリング15との間の出力軸16の出力軸トルクをToa1,Toa2とし、リターンスプリング15のスプリングトルクをTs1,Ts2とし、弁体22の弁体トルクをTvとした場合、任意の出力側開度θa1,θa2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。
Normally, when the output shaft 16 is rotating, or when the output shaft 16 is held at an arbitrary opening degree, the respective torques of the output shaft 16, the
したがって、出力側開度θa1,θa2間におけるスプリングトルクTs1,Ts2のスプリングトルク偏差ΔTs(=Ts2-Ts1)は、次の式(2)に示すように、出力軸トルクToa1,Toa2の差分、すなわち出力軸トルク偏差ΔToa=Toa2-Toa1で表される。 Therefore, the spring torque deviation ΔTs (=Ts2−Ts1) of the spring torques Ts1 and Ts2 between the output side openings θa1 and θa2 is the difference between the output shaft torques Toa1 and Toa2, that is, The output shaft torque deviation .DELTA.Toa=Toa2-Toa1.
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θa1,θa2におけるスプリングトルクTs1,Ts2は、次の式(3)で表される。
On the other hand, when the spring constant of the
したがって、これら式(2)および式(3)に基づいて、ばね定数kは、次の式(4)で表される。これにより、ばね定数kは、出力側開度偏差Δθaと出力軸トルク偏差ΔToaとから計算でき、具体的には、出力軸トルク偏差ΔToaを出力側開度偏差Δθaで除算した値の絶対値で求められることが分かる。 Therefore, based on these formulas (2) and (3), the spring constant k is expressed by the following formula (4). As a result, the spring constant k can be calculated from the output side opening deviation Δθa and the output shaft torque deviation ΔToa. know that it is required.
この後、劣化指標処理部19Bは、得られたばね定数kと予め設定されているばね定数kの正常範囲Eとを比較し(ステップS157)、ばね定数kが正常範囲E内である場合には(ステップS157:YES)、リターンスプリング15の劣化状態は正常であると判定し(ステップS158)、一連の劣化指標処理を終了する。正常範囲Eについては、動力伝達部14の設計時に算出した、ばね定数kの初期値と許容範囲とに基づいて決定すればよい。
Thereafter, the deterioration
一方、ばね定数kが正常範囲E外である場合には(ステップS157:NO)、リターンスプリング15の劣化状態は異常であると判定し(ステップS159)、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 spring constant k is outside the normal range E (step S157: NO), it is determined that the deterioration state of the
この際、劣化指標処理部19Bが、ばね定数k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、計算したばね定数k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ばね定数kの推定値k’を推定し、推定値k’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、リターンスプリング15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
[第1の実施の形態の効果]
このように、本実施の形態は、開度制御部19Aが、モータ13を駆動制御して出力軸16を回動し、劣化指標処理部19Bが、第1および第2の制御開度θ1,θ2の間における出力軸16の開度偏差を示す出力側開度偏差Δθaと、第1および第2の制御開度θ1,θ2の間で出力軸16の出力軸トルクToaの出力軸トルク偏差ΔToaとに基づいて、リターンスプリング15の劣化指標として、リターンスプリング15のばね定数kを計算するようにしたものである。
[Effects of the first embodiment]
As described above, in the present embodiment, the
電動アクチュエータ10が、保証期間を超えて長期にわたり使用された場合、リターンスプリング15が劣化して故障や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、電源供給給遮時、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強制的に戻せなくなる可能性がある。このため、リターンスプリング15の劣化状態を把握しておくことが重要となる。
If the
本実施の形態によれば、リターンスプリング15の劣化指標として、リターンスプリング15のばね定数k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、リターンスプリング15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、ばね定数k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、リターンスプリング15の劣化時期すなわち交換時期を予測でき、電動アクチュエータ10の予知保全に極めて有用である。
According to the present embodiment, since the spring constant k of the
また、本実施の形態において、出力軸16のうち、動力伝達部14とリターンスプリング15との間の出力軸16の出力軸トルクToaを検出するトルクセンサ17Tをさらに備え、劣化指標処理部19Bが、第1および第2の制御開度θ1,θ2でトルクセンサ17Tにより検出された、第1および第2の出力軸トルクToa1,Toa2の差分に基づいて、出力軸トルク偏差ΔToaを計算するようにしてもよい。
Further, in the present embodiment, a
これにより、電動アクチュエータ10の既存構成にトルクセンサ17Tを加えるだけで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。また、トルクセンサ17Tを電動アクチュエータ10の内部に実装でき、トルクセンサ17Tの劣化を低減できるとともに、電動アクチュエータ10と弁本体20との全体の小型化や、トルクセンサ17Tと制御回路19との間の配線を短縮できるため、耐ノイズ性の向上に貢献できる。
As a result, the deterioration index can be easily calculated simply by adding the
また、本実施の形態では、トルクセンサ17Tを電動アクチュエータ10の内部に実装する例について説明したが、リターンスプリング15が電動アクチュエータ10の外部に実装されている場合は、トルクセンサ17Tを電動アクチュエータ10の外部に実装してもよい。これにより、電動アクチュエータ10の小型化、既設の電動アクチュエータ10の外部に後付でトルクセンサ17Tを実装でき、初期投資の抑制、および予知保全の向上に貢献できる。
Further, in the present embodiment, an example in which the
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で開度を検出する、さらにはトルクセンサ17Tで出力軸トルクToa1,Toa2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、リターンスプリング15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, when the deterioration index is calculated, the opening of the
また、本実施の形態において、劣化指標処理部19Bが、第1および第2の制御開度θ1,θ2における第1および第2の出力軸トルクをToa1,Toa2とし、出力側開度偏差をΔθaとした場合、ばね定数kを、前述した式(4)で計算するようにしてもよい。また、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、第1および第2の制御開度θ1,θ2で出力側角度センサ17Aにより検出された出力側開度θa1,θa2の差分に基づいて、出力側開度偏差Δθaを計算するようにしてもよい。
Further, in the present embodiment, the deterioration
これにより、トルクセンサ17Tで出力軸トルクToa1,Toa2を検出するという簡単な動作と、出力軸トルクToa1,Toa2と第1および第2の出力側開度θa1,θa2とを用いた、減算および除算という極めて簡素な計算処理だけで、ばね定数kを計算することが可能となる。
As a result, a simple operation of detecting the output shaft torques Toa1 and Toa2 with the
[第2の実施の形態]
次に、図7を参照して、本発明の第2の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7は、第2の実施の形態にかかる電動アクチュエータの構成を示すブロック図である。
第1の実施の形態では、トルクセンサ17Tを、電動アクチュエータ10の内部の出力軸16のうち、動力伝達部14とリターンスプリング15との間の出力軸16に取り付けた場合を例として説明したがこれに限定されるものではない。本実施の形態では、電動アクチュエータ10の内部の出力軸16のうち、リターンスプリング15と弁体22、より具体的には継手30との間の出力軸16に取り付けた場合を例として説明する。
[Second embodiment]
Next, an
In the first embodiment, the case where the
本実施の形態において、トルクセンサ17Tは、出力軸16のうち、リターンスプリング15と弁体22との間の出力軸16の出力軸トルクTobを検出する機能を有している。
また、劣化指標処理部19Bは、出力側開度偏差Δθaと、第1および第2の制御開度θ1,θ2でトルクセンサ17Tにより検出された、リターンスプリング15と弁体22との間の出力軸16の出力軸トルクTob1,Tob2の出力軸トルク偏差ΔTobと、第1および第2の制御開度θ1,θ2でモータ13に生じたモータトルクTm1,Tm2のモータトルク偏差ΔTmとに基づいて、リターンスプリング15のばね定数kを計算する機能を有している。
In the present embodiment, the
Further, the deterioration
具体的には、第1および第2の制御開度θ1,θ2でモータ13に流れたモータ電流から計算されたモータトルクTm1,Tm2の差分Tm2-Tm1に基づいてモータトルク偏差ΔTmを計算する機能と、第1および第2の制御開度θ1,θ2における第1および第2の出力軸トルクをTob1,Tob2とし、第1および第2の制御開度θ1,θ2における第1および第2のモータトルクをTm1,Tm2とし、出力側開度偏差をΔθaとした場合、ばね定数kを後述する式(7)で計算する機能を有している。
Specifically, the function of calculating the motor torque deviation ΔTm based on the difference Tm2−Tm1 between the motor torques Tm1 and Tm2 calculated from the motor current flowing through the
なお、以下では、モータ電流に基づきモータトルクTm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Tmを特定してもよい。また、本実施の形態にかかる電動アクチュエータ10のその他の構成、および流量制御動作については、第1の実施の形態と同様であり、ここでの説明は省略する。
In addition, although the case where the motor torque Tm is calculated based on the motor current will be described below as an example, the present invention is not limited to this, and the motor torque Tm may be specified by other methods. Other configurations and flow rate control operations of the
[劣化指標処理動作]
次に、図8および図9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の劣化指標処理動作について説明する。図8は、第2の実施の形態にかかる劣化指標処理を示すフローチャートである。図9は、第2の実施の形態にかかる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8の劣化指標処理を実行する。
[Deterioration index processing operation]
Next, the deterioration index processing operation of the
When calculating the deterioration index of the
まず、劣化指標処理部19Bは、計測タイミングt1が到来した時点で、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θa1を取得するとともに(ステップS200)、計測タイミングt1が到来した時点にモータ13に流れた電流に基づいて、出力側開度θa1におけるモータトルクTm1を計算し(ステップS201)、計測タイミングt1が到来した時点にトルクセンサ17Tから出力されたトルクセンサ出力値Voに基づいて、出力側開度θa1における出力軸トルクTob1を取得する(ステップS202)。
First, when the measurement timing t1 arrives, the deterioration
その後、劣化指標処理部19Bは、計測タイミングt2が到来した時点で、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θa2を取得するとともに(ステップS203)、計測タイミングt2が到来した時点にモータ13に流れた電流に基づいて、出力側開度θa2におけるモータトルクTm2を計算し(ステップS204)、計測タイミングt2が到来した時点にトルクセンサ17Tから出力されたトルクセンサ出力値Voに基づいて、出力側開度θa2における出力軸トルクTob2を取得する(ステップS205)。
After that, when the measurement timing t2 arrives, the deterioration
この際、出力側開度θa1,θa2は互いに異なる値を示すものとし、劣化指標処理動作を構成する1つのステップとして、例えばステップ151からステップ152までの間に、出力軸16を予め設定されている開度だけ回動してもよい。また、劣化指標処理動作と並行して実行している動作、例えば流量制御動作により、計測タイミングt1,t2の間に出力軸16が回動されていれば、劣化指標処理動作で出力軸16を回動する必要はない。なお、計測タイミングt1,t2において、弁側角度センサ17Vの弁側センサ出力値Svから得られた弁側開度θv1,θv2を取得し、以下の劣化指標の計算処理において、出力側開度θa1,θa2の代わりに弁側開度θv1,θv2を用いてもよい。
At this time, it is assumed that the output side openings θa1 and θa2 show different values, and the output shaft 16 is set in advance between steps 151 and 152, for example, as one step constituting the deterioration index processing operation. You may rotate only the opening degree which is. Further, if the output shaft 16 is rotated between the measurement timings t1 and t2 by an operation executed in parallel with the deterioration index processing operation, for example, the flow rate control operation, the output shaft 16 is rotated by the deterioration index processing operation. No need to rotate. At the measurement timings t1 and t2, the valve-side opening degrees θv1 and θv2 obtained from the valve-side sensor output value Sv of the valve-
続いて、劣化指標処理部19Bは、出力側開度θa1と出力側開度θa2との差分に基づいて、出力側開度偏差Δθa(=θa2-θa1)を計算するとともに(ステップS206)、モータトルクTm1とモータトルクTm2との差分に基づいて、モータトルク偏差ΔTm(=Tm2-Tm1)を計算する(ステップS207)。
また、劣化指標処理部19Bは、出力軸トルクTob1と出力軸トルクTob2との差分に基づいて、出力軸トルク偏差ΔTob(=Tob2-Tob1)を計算し(ステップS208)、出力軸トルク偏差ΔTobからモータトルク偏差ΔTmを減算した値を出力側開度偏差Δθaで除算することにより、リターンスプリング15のばね定数kを計算する(ステップS209)。
Subsequently, the deterioration
Further, the deterioration
通常、出力軸16が回動している場合、あるいは、出力軸16を任意の開度で保持した場合、出力軸16、モータ13、リターンスプリング15、および弁体22のそれぞれのトルクは、互いにつり合った状態にある。図9に示すように、例えば、任意の出力側開度θa1,θa2における、リターンスプリング15と弁体22との間の出力軸16の出力軸トルクをTob1,Tob2とし、モータ13のモータトルクをTm1,Tm2とし、動力伝達部14の動力伝達トルクをTdとし、リターンスプリング15のスプリングトルクをTs1,Ts2とした場合、任意の制御開度θにおけるこれらトルクのつり合いは、次の式(5)で表される。
Normally, when the output shaft 16 is rotating, or when the output shaft 16 is held at an arbitrary opening degree, the respective torques of the output shaft 16, the
したがって、出力側開度θa1,θa2間におけるスプリングトルクTs1,Ts2のスプリングトルク偏差ΔTs(=Ts2-Ts1)は、次の式(6)に示すように、モータトルクTm1,Tm2の差分と、出力軸トルクTob1,Tob2の差分、すなわち、モータトルク偏差ΔTmと、出力軸トルク偏差ΔTobとで表される。 Therefore, the spring torque deviation ΔTs (=Ts2−Ts1) of the spring torques Ts1 and Ts2 between the opening degrees θa1 and θa2 on the output side is expressed by the difference between the motor torques Tm1 and Tm2 and the output The difference between the shaft torques Tob1 and Tob2, ie, the motor torque deviation ΔTm and the output shaft torque deviation ΔTob.
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θa1,θa2におけるスプリングトルクTs1,Ts2は、前述した式(3)で表される。
したがって、これら式(6)および式(3)に基づいて、ばね定数kは、次の式(7)で表される。これにより、ばね定数kは、出力側開度偏差Δθaと出力軸トルク偏差ΔTobとモータトルク偏差ΔTmとから計算でき、具体的には、出力軸トルク偏差ΔTobとモータトルク偏差ΔTmとの差分を出力側開度偏差Δθaで除算した値の絶対値で求められることが分かる。
On the other hand, when the spring constant of the
Therefore, based on these formulas (6) and (3), the spring constant k is expressed by the following formula (7). As a result, the spring constant k can be calculated from the output side opening deviation Δθa, the output shaft torque deviation ΔTob, and the motor torque deviation ΔTm. Specifically, the difference between the output shaft torque deviation ΔTob and the motor torque deviation ΔTm is output. It can be seen that it is obtained by the absolute value of the value divided by the side opening deviation Δθa.
この後、劣化指標処理部19Bは、得られたばね定数kと予め設定されているばね定数kの正常範囲Eとを比較し(ステップS210)、ばね定数kが正常範囲E内である場合には(ステップS210:YES)、リターンスプリング15の劣化状態は正常であると判定し(ステップS211)、一連の劣化指標処理を終了する。正常範囲Eについては、動力伝達部14の設計時に算出した、ばね定数kの初期値と許容範囲とに基づいて決定すればよい。
Thereafter, the deterioration
一方、ばね定数kが正常範囲E外である場合には(ステップS210:NO)、リターンスプリング15の劣化状態は異常であると判定し(ステップS212)、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 spring constant k is outside the normal range E (step S210: NO), it is determined that the deterioration state of the
この際、劣化指標処理部19Bが、ばね定数k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、計算したばね定数k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ばね定数kの推定値k’を推定し、推定値k’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、リターンスプリング15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
[第2の実施の形態の効果]
このように、本実施の形態は、出力軸16のうち、リターンスプリング15と弁体22との間の出力軸16の出力軸トルクTobを検出するトルクセンサ17Tを備え、劣化指標処理部19Bが、出力側開度偏差Δθaと、第1および第2の制御開度θ1,θ2でトルクセンサ17Tにより検出された、リターンスプリング15と弁体22との間の出力軸16の出力軸トルクTob1,Tob2の出力軸トルク偏差ΔTobと、第1および第2の制御開度θ1,θ2でモータ13に生じたモータトルクTm1,Tm2のモータトルク偏差ΔTmとに基づいて、リターンスプリング15のばね定数kを計算するようにしたものである。
[Effects of Second Embodiment]
As described above, the present embodiment includes the
これにより、第1の実施の形態と同様に、リターンスプリング15の劣化指標として、リターンスプリング15のばね定数k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、リターンスプリング15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、ばね定数k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、リターンスプリング15の劣化時期すなわち交換時期を予測でき、電動アクチュエータ10の予知保全に極めて有用である。
As a result, as in the first embodiment, the spring constant k of the
また、電動アクチュエータ10の既存構成にトルクセンサ17Tを加えるだけで、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。また、トルクセンサ17Tを電動アクチュエータ10の内部に実装でき、トルクセンサ17Tの劣化を低減できるとともに、電動アクチュエータ10と弁本体20との全体の小型化や、トルクセンサ17Tと制御回路19との間の配線を短縮できるため、耐ノイズ性の向上に貢献できる。
Further, simply by adding the
また、本実施の形態では、トルクセンサ17Tを電動アクチュエータ10の内部に実装する例について説明したが、トルクセンサ17Tを電動アクチュエータ10の外部に実装してもよい。これにより、電動アクチュエータ10の小型化、既存の電動アクチュエータ10の内部構成を変更することなく、さらには、トルクセンサ17Tを内蔵するために電動アクチュエータ10を大型化することなく、リターンスプリング15のばね定数kを得ることができる。また、既設の電動アクチュエータ10の外部に後付でトルクセンサ17Tを実装でき、初期投資の抑制、および予知保全の向上に貢献できる。
Further, in the present embodiment, an example in which the
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で開度を検出する、さらにはトルクセンサ17Tで出力軸トルクTob1,Tob2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、リターンスプリング15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, when the deterioration index is calculated, the opening of the
また、本実施の形態において、劣化指標処理部19Bが、第1および第2の制御開度θ1,θ2における第1および第2の出力軸トルクをTob1,Tob2とし、第1および第2の制御開度θ1,θ2における第1および第2のモータトルクをTm1,Tm2とし、出力側開度偏差をΔθaとした場合、ばね定数kを前述した式(7)で計算するようにしてもよい。
Further, in the present embodiment, the deterioration
これにより、トルクセンサ17Tで出力軸トルクTob1,Tob2を検出するという簡単な動作と、出力軸トルクTob1,Tob2と、第1および第2の出力側開度θa1,θa2と、第1および第2のモータトルクをTm1,Tm2とを用いた、減算および除算という極めて簡素な計算処理だけで、ばね定数kを計算することが可能となる。
As a result, a simple operation of detecting the output shaft torques Tob1 and Tob2 with the
[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。また、各実施形態については、矛盾しない範囲で任意に組み合わせて実施することができる。
[Expansion of Embodiment]
Although the present invention has been described with reference to the embodiments, 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 configuration and details of the present invention within the scope of the present invention. In addition, each embodiment can be implemented in any combination within a non-contradictory range.
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、17T…トルクセンサ、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、40…歪みゲージ、41…ベース、42…ゲージ、43…リード、45…ホイートストーンブリッジ回路、R…抵抗体、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、Vo…トルクセンサ出力値、θ1,θ2…制御開度、θa,θa1,θa2…出力側開度、Δθa…出力側開度偏差、θv…弁側開度、Tm1,Tm2…モータトルク、ΔTm…モータトルク偏差、Td…動力伝達トルク、Ts1,Ts2…スプリングトルク、ΔTs…スプリングトルク偏差、Tv…弁体トルク、To,Toa,Toa1,Toa2,Tob,Tob1,Tob2…出力軸トルク、ΔToa,ΔTob…出力軸トルク偏差。
DESCRIPTION OF
Claims (5)
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、
前記リターンスプリングと前記弁体との間の前記出力軸の出力軸トルクを検出するトルクセンサと、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の制御開度へ向けて前記出力軸を回動する開度制御部と、
前記第1および第2の制御開度の間の前記出力軸の開度偏差を示す出力側開度偏差と、前記第1および第2の制御開度で前記トルクセンサにより検出された前記出力軸トルクの差である出力軸トルク偏差と、前記第1および第2の制御開度で前記モータに生じたモータトルクの差であるモータトルク偏差と、に基づいて、前記リターンスプリングの劣化指標として、前記リターンスプリングのばね定数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 that controls the opening of the valve body by driving and controlling the motor;
a return spring attached to the output shaft to return the output shaft to a predetermined opening position by its own restoring force when power is cut off;
a torque sensor that detects the output shaft torque of the output shaft between the return spring and the valve body,
The control circuit is
an opening degree control unit that drives and controls the motor to rotate the output shaft toward first and second control opening degrees that are different from each other;
an output side opening deviation indicating an opening deviation of the output shaft between the first and second control openings; and the output shaft detected by the torque sensor at the first and second control openings As a deterioration index of the return spring, based on the output shaft torque deviation, which is the difference in torque, and the motor torque deviation, which is the difference in motor torque generated in the motor at the first and second control openings, a deterioration index processing unit that calculates the spring constant of the return spring ;
An electric actuator characterized by:
前記劣化指標処理部は、前記第1および第2の制御開度で前記モータに流れたモータ電流から計算されたモータトルクの差分に基づいて前記モータトルク偏差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 ,
The electric actuator, wherein the deterioration index processing unit calculates the motor torque deviation based on a difference in motor torque calculated from motor currents flowing through the motor at the first and second control openings. .
前記劣化指標処理部は、前記出力側開度偏差をΔθaとし、前記出力軸トルク偏差をΔTobとし、前記モータトルク偏差をΔTmとした場合、前記ばね定数kを次の式で計算することを特徴とする電動アクチュエータ。
The deterioration index processor calculates the spring constant k by the following equation, where Δθa is the output side opening degree deviation, ΔTob is the output shaft torque deviation, and ΔTm is the motor torque deviation. and electric actuators.
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、前記第1および第2の制御開度で前記出力側角度センサにより検出された出力側開度の差分に基づいて、前記出力側開度偏差を計算する
ことを特徴とする電動アクチュエータ。 The electric actuator according to any one of claims 1 to 3 ,
further comprising an output side angle sensor that detects the rotation angle of the output shaft as an output side opening;
The deterioration index processing unit calculates the output-side opening deviation based on a difference between the output-side openings detected by the output-side angle sensor at the first and second control openings. electric actuator.
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、互いに異なる第1および第2の制御開度へ向けて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、前記第1および第2の制御開度の間の前記出力軸の開度偏差を示す出力側開度偏差と、前記第1および第2の制御開度で、前記リターンスプリングと前記弁体との間の前記出力軸の出力軸トルクを検出するトルクセンサにより検出された前記出力軸トルクの差である出力軸トルク偏差と、前記第1および第2の制御開度で前記モータに生じたモータトルクの差であるモータトルク偏差と、に基づいて、前記リターンスプリングの劣化指標として、前記リターンスプリングのばね定数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電動アクチュエータ。
an output shaft for rotating a valve body; a motor for rotating the output shaft via a power transmission;
a control circuit for controlling the opening of the valve body by driving and controlling the motor; 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 supply is cut off. A deterioration index calculation method used in an electric actuator comprising
an opening degree control step in which the opening degree control unit of the control circuit drives and controls the motor to rotate the output shaft toward first and second control opening degrees different from each other;
The deterioration index processing unit of the control circuit is configured to calculate the output side opening degree deviation indicating the opening degree deviation of the output shaft between the first and second control opening degrees and the first and second control opening degrees . , an output shaft torque deviation that is a difference between the output shaft torques detected by a torque sensor that detects the output shaft torque of the output shaft between the return spring and the valve body; and the first and second controls . a deterioration index processing step of calculating a spring constant of the return spring as a deterioration index of the return spring based on a motor torque deviation that is a difference in motor torque generated in the motor depending on the opening ;
An electric actuator comprising:
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Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2008138770A (en) | 2006-12-01 | 2008-06-19 | Yamatake Corp | Spring return type electric flow rate regulating device |
JP2008138769A (en) | 2006-12-01 | 2008-06-19 | Yamatake Corp | Spring return type electric flow rate regulating device |
JP2011085161A (en) | 2009-10-13 | 2011-04-28 | Okano Valve Mfg Co | Method, device and program for diagnosing soundness of motor-operated valve device |
JP2011513832A (en) | 2008-02-29 | 2011-04-28 | フィッシャー コントロールズ インターナショナル リミテッド ライアビリティー カンパニー | Diagnostic method for detecting faults in control valve components |
US20190024592A1 (en) | 2016-01-05 | 2019-01-24 | Scania Cv Ab | Spring return throttle actuator, method of control thereof and throttle assembly |
Family Cites Families (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH07174596A (en) * | 1994-12-22 | 1995-07-14 | Tomoe Gijutsu Kenkyusho:Kk | Butterfly valve provided with flow-rate measuring function, and method for measurement of flow rate in butterfly valve |
-
2019
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Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2008138770A (en) | 2006-12-01 | 2008-06-19 | Yamatake Corp | Spring return type electric flow rate regulating device |
JP2008138769A (en) | 2006-12-01 | 2008-06-19 | Yamatake Corp | Spring return type electric flow rate regulating device |
JP2011513832A (en) | 2008-02-29 | 2011-04-28 | フィッシャー コントロールズ インターナショナル リミテッド ライアビリティー カンパニー | Diagnostic method for detecting faults in control valve components |
JP2011085161A (en) | 2009-10-13 | 2011-04-28 | Okano Valve Mfg Co | Method, device and program for diagnosing soundness of motor-operated valve device |
US20190024592A1 (en) | 2016-01-05 | 2019-01-24 | Scania Cv Ab | Spring return throttle actuator, method of control thereof and throttle assembly |
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