JP7390621B2 - ステッピングモータ異常検知装置 - Google Patents

Description

本開示は、ステッピングモータの駆動に対して異常を検知する装置に関する。特にガスメータに用いられるガスの流れを開閉する双方向弁に用いるステッピングモータの異常を検知する装置に関するものである。

特許文献１は、ステッピングモータがストール状態または脱調状態を判定する遮断弁装置を開示する。

この遮断弁装置は、ステッピングモータの駆動制御を行う駆動制御回路部と、ステッピングモータがストール状態または脱調状態にあるものと判定する弁動異常回路部を備える。これにより、図４に示すように、ステッピングモータから検出される駆動電圧波形における極大値または当該極大値の波高を予め定められたしきい値と比較して、ストール状態または脱調状態を判定することができる。

特許文献２は、ステッピングモータの脱調検出方法を開示する。この脱調検出方法は、ステッピングモータを駆動するステッピングモータドライバにおけるモータの電流波形を矩形波に、その矩形波を電圧信号に変換し、得られた電圧値に基づいて基準電圧と比較することにより脱調状態の有無を判断することができる。

特開２００６－１１８６４２号公報 特開１９９９－１８７６９７号公報

特許文献１、特許文献２は、共に正常時と脱調時における電流・電圧波形の違いに着目している。これは安定した脱調状態であれば前記波形の違いを検出することができるが、実際はステッピングモータが若干回転したり戻ったり、不安定な動作を繰り返すことが多い。その場合上記波形の違いが不明確になり、正常時と脱調時の判別が難しくなるという課題があった。

本開示は、不安定な状態で検出した波形を補正し、安定してステッピングモータの異常を検知することに有効なステッピングモータ異常検知装置を提供する。

本開示におけるステッピングモータ異常検知装置は、瞬時電流検出部と積分部と判定部とを備える。瞬時電流検出部は、ステッピングモータの基準電流を取得する。積分部は、平均駆動電流を生成する。判定部は、基準電流に基づいて、平均駆動電流に対して予め定めたしきい値と比較をして異常かどうかの判定を行う。

本開示におけるステッピングモータ異常検知装置は、不安定な動作環境でもステッピングモータの異常を検知することに有効である。

実施の形態１におけるステッピングモータ異常検知装置の構成を示すブロック図 実施の形態１におけるステッピングモータ異常検知装置の詳細な構成を示すブロック図 実施の形態１における判定部の動作を説明するためのフローチャート ステッピングモータ駆動中の電流レベル変化を示すグラフ 実施の形態１におけるステッピングモータ駆動中の電流レベルの補正後の電流レベルの変化を示すグラフ 通常動作時の電流レベルと異常動作時の電流レベルを示すグラフ

以下、図面を参照しながら、実施の形態を詳細に説明する。但し、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明、または、実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が必要以上に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。

なお、添付図面および以下の説明は、当業者が本開示を十分に理解するために提供されるのであって、これらにより特許請求の範囲に記載の主題を限定することを意図していない。

（実施の形態１）
以下、図１～５を用いて、実施の形態１を説明する。

［１－１．構成］
［１－１－１．異常検知装置の構成］
図１は、実施の形態１にかかるステッピングモータ異常検知装置１００の構成を示すブロック図である。ステッピングモータ４はステッピングモータ駆動部３に接続され、電流レベル検出部２を介して電源部１へと接続される。また、電流レベル検出部２は、判定部５にも接続され、判定部５とステッピングモータ駆動部３は、制御部６によって制御される。

電源部１は、リチウム一次電池を複数本並列接続して構成され、電気系統が検定満了期間（例えば、１５年間）に消費する電流容量に相当する電池容量を保有する。

電流レベル検出部２は、ステッピングモータ駆動部３に流れる瞬時電流レベルを検出する瞬時電流レベル検出部２１を有し、検出した電流レベルを積分する積分部２２と、電源部１のインピーダンス（以降、電源インピーダンスと称す）を推定する電源インピーダンス推定部２３を備える。

ステッピングモータ駆動部３は、制御部６によって制御され、ステッピングモータ４を駆動させる。

ステッピングモータ４は、ガスメータに用いられる場合にはガスの流量を制御する弁として扱われる。この場合、ステッピングモータ４は、ガスを遮断する遮断動作とガスの遮断を解除する復帰動作の二種類の動作を行う。

判定部５は、電流レベル検出部２で検出され、積分部２２によって積分された電流レベルを電源インピーダンス推定部２３で得られた電源インピーダンスによって補正を行う補正部５５を有する。また、第一のコンパレータ５３と第二のコンパレータ５４を備え、補正された電流レベルを予め定められた判定閾値と比較する。なお、判定閾値は、第１の判
定閾値設定部５１、第２の判定閾値設定部５２で設定される。

制御部６は、ステッピングモータ駆動部３を制御し、ステッピングモータ４を動作させることにより、ガスメータにおける遮断動作と復帰動作を行う。また、電流レベル検出部２によって電流レベルを検出するタイミング情報を保持しており、判定部５によって得られた判定結果を格納する。

［１－１－２．電流レベル検出部の構成］
図２は、電流レベル検出部２の構成を示すブロック図である。

瞬時電流レベル検出部２１は、抵抗２０を備える。

積分部２２は、抵抗２０からステッピングモータ駆動部３へ流れる電流を抵抗３０とコンデンサー３１によって積分する。コンデンサー３１はＧＮＤへと接続される。

アナログ・デジタル変換部４０は、入力された電流をアナログ値からデジタル値へと変化する機能を有する。具体的には、電源部１の出力電圧を基準電圧として抵抗２０に流れる電流を積分部２２によって積分した電圧をデジタル値へと変換する。従って、このデジタル値が小さい程、電流が大きいことを意味し、このデジタル値を本実施の形態では電流レベルとしている。この変換されたデジタル値は判定部５へと渡され判定が行われる。また、アナログ・デジタル変換部４０は電源インピーダンス推定部２３を兼ね備えている。

［１－２．動作］
以上のように構成されたステッピングモータ異常検知装置１００について、その動作を以下説明する。ステッピングモータ異常検知装置１００は、ステッピングモータ４が駆動中の電流レベルを瞬時電流レベル検出部２１で取得し、電源インピーダンス推定部２３で推定された電源インピーダンスによりこの電流レベルを補正し、予め設定された判定閾値と比較をすることによりステッピングモータの異常の有無を判定する。以下、それぞれの動作について詳細に説明する。

［１－２－１．電流レベルの取得］
電流レベル検出部２は、電流レベルを検出するタイミング情報を保持しており、このタイミング情報に基づき、ステッピングモータ駆動中の所定のタイミングにおける電流レベルを取得する。具体的には、制御部６によってステッピングモータ駆動部３が駆動し、駆動中に瞬時電流レベル検出部２１によって取得された電流レベルをアナログ・デジタル変換部４０にてデジタル値へ変換する。デジタル値を取得するタイミングは任意に指定することができ、ステッピングモータ４の駆動中であることに限られる。デジタル値を取得する回数は１回に限らず、複数回取得して平均することでノイズ等による誤判定を防止することができる。

［１－２－１．補正］
図４は、ステッピングモータを遮断弁の駆動に用いた場合の駆動中の電流レベルの変化を電源インピーダンスの違いで示す図で、ステッピングモータ駆動部３がタイミングＡでＯＮし、遮断弁が全開状態から遮断し全閉状態となり、ステッピングモータ４の回転が止まった後にステッピングモータ駆動部３がタイミングＢでＯＦＦになるまでの電流レベルの変化を表している。なお、図４において、電流レベルは前述のデジタル値である。

図４のタイミングＢの直前の電流レベルの変化は、ステッピングモータ４の回転が止まったことによる負荷増加を示している。また、図４では、電源部１が高インピーダンス時に通常時と比較して電流レベルが高くなることが示されている。これは、電源部１を構成
するリチウム電池が温度変化や電池容量の減少によって内部インピーダンスが大きくなり、より多くの電流が流れていることが確認できる。

また、電流レベルはステッピングモータ駆動部３に流れる瞬時電流を抵抗２０で電圧に変換したものであり、検出した電流レベルを電源部１の電圧値で割った値に１０２４をかけて算出している。つまり、ステッピングモータ４が動作していない場合には検出電流レベルと電源部１の電圧値が等しくなるため算出される電流レベルは１０２４となる。図４において、タイミングＢからタイミングＣまでの電流レベルの変化は、タイミングＢでステッピングモータ４の消費電流が０となった後、積分部２２の作用により、緩やかに電流レベルが１０２４に達する状態を示している。

ステッピングモータ異常検知装置１００は、動作ＯＮと動作ＯＦＦの瞬間に電源インピーダンス推定部２３によって電源インピーダンスを取得する。具体的には、電流レベルの上限である１０２４から動作ＯＮ（タイミングＡ）と動作ＯＦＦ（タイミングＢ）のタイミングで検出された電流レベルの差を求めることで電源インピーダンスを計算する。図４に示されるように、電源インピーダンスが高い場合は動作ＯＮでは前記差が小さく、動作ＯＦＦでは前記差が大きくなる。補正部５５は、電源インピーダンス推定部２３で求められた電源インピーダンスをもとに電流レベルを補正する。

以上の様に、電流レベル検出部２は、ステッピングモータ駆動中のあるタイミングに流れる電流を、アナログ・デジタル変換部４０によってデジタル電流レベルへと変換する。また、補正部５５は、電源インピーダンス推定部２３で求めた電源インピーダンスを用いて、積分部２２で求めた電流レベルを異常判定に用いる電流レベルに補正する。

図５は、図４に示した電圧レベルを補正部５５で補正した後のグラフである。図４では、電源インピーダンスが高いとき、ステップモータの動作ＯＮおよび動作中の電流レベルの絶対値は高くなり、動作ＯＦＦでは電流レベルの絶対値は小さくなることが確認できる。この電源インピーダンスによる電流レベルの変動に対し前記補正を行うことで、図５に示すように一定の電流レベルに変換することができる。これにより、後述する判定部５における電源インピーダンスの変動による誤判定を無くすことができ、精度の高い異常検知が可能となる。

［１－２－１．閾値と比較］
図３は、図２の判定部５における異常判定方法を説明するためのフローチャートである。

また、図６は、正常に動作した場合のステッピングモータ４の電流レベルと、断線時のステッピングモータ４駆の電流レベルと、脱調および固着時のステッピングモータ４の電流レベルと、閾値１（第１の判定閾値）と、閾値２（第２の判定閾値）を示すグラフである。

まず、ステッピングモータ異常検知装置１００は、ステッピングモータ駆動中に流れる所定タイミングにおける補正された電流レベルＺ１を検出する（Ｓ１）。本実施の形態において、所定タイミングは図６のＤ点～Ｅ点の電流レベルが安定している期間に設定している。次に、電流レベルＺ１を閾値１と比較し（Ｓ２）、閾値１以上であった場合（Ｓ２でＹｅｓ）、断線と判定する（Ｒ１）。一方、電流レベルＺ１が閾値１以下だった場合（Ｓ２でＮｏ）、電流レベルＺ１を閾値２と比較し（Ｓ３）、電流レベルＺ１が閾値２以下であった場合（Ｓ３でＹｅｓ）、脱調または固着状態と判定する（Ｒ２）。閾値１および閾値２においても異常と判定されなかった場合（Ｓ３でＮｏ）、ステッピングモータ４は正常に動作したと判定する（Ｒ３）。また、処理Ｓ２と処理Ｓ３の順序は逆になってもよ
い。

［１－３．効果等］
以上のように、本実施の形態において、ステッピングモータ異常検知装置１００は、電源部１と、電流レベル検出部２と、ステッピングモータ駆動部３と、判定部５と、を備える。電流レベル検出部２は、電源部１からステッピングモータ駆動部３に流れる瞬時電流レベルを検出し、積分を行い、電源インピーダンスを推定する。判定部５は、電源インピーダンス値を用いて前記積分値を補正し、予め定められた閾値と比較する。

これにより、ステッピングモータ異常検知装置１００は、不安定な動作中でも電源インピーダンスに応じて電流レベルの補正を行うため、ステッピングモータの不安定な動作の影響を受けることなく、高い精度で断線、固着といったステッピングモータの動作異常を検知することができる。

なお、本実施の形態では、電流レベルの検出を電流レベルが安定している期間で行っているが、電流レベルが変化している期間であっても、閾値１、閾値２を判定可能な値に設定することで、ステッピングモータの異常を検知できることは言うまでもない。

また、本実施の形態において、ステッピングモータ異常検知装置１００は、瞬時電流レベル検出部２１および積分部２２を用いることなく、ステッピングモータ駆動部３に流れる電流レベルのみをアナログ・デジタル変換部４０に入力してもよい。

なお、上述の実施の形態は、本開示における技術を例示するためのものであるから、特許請求の範囲またはその均等の範囲において種々の変更、置き換え、付加、省略などを行うことができる。

本開示は、（本開示の作用）ステッピングモータを用いる電池機器に適用可能である。具体的には、水道メータなどに、本開示は適用可能である。

１ 電源部
２ 電流レベル検出部
３ ステッピングモータ駆動部
４ ステッピングモータ
５ 判定部
６ 制御部
２０ 抵抗
３０ 抵抗
３１ コンデンサー
４０ アナログ・デジタル変換部
１００ ステッピングモータ異常検知装置

Claims (8)

1. ステッピングモータを駆動する駆動パルスを出力するステッピングモータ駆動部と、
   前記ステッピングモータ駆動部に電源を供給する電源部と、
   前記ステッピングモータ駆動部に流れる電流を検出する電流レベル検出部と、
   前記電流レベル検出部で検出した電流レベルと、前記ステッピングモータが正常に動作する場合の電流レベルに基づいて予め定めた判定閾値と比較して、前記ステッピングモータが正常な動作状態にあるか否か判定する判定部と、
   を備え、
   前記電流レベル検出部は、前記電源部の電源インピーダンスを推定する電源インピーダンス推定部を有し、前記推定した電源インピーダンスに基づいて前記判定閾値あるいは前記電流レベルを補正することを特徴とするステッピングモータ異常検知装置。
2. 前記判定部は、前記判定閾値として前記ステッピングモータが断線状態にあると判定する為の第１の判定閾値を有する、請求項１記載のステッピングモータ異常検知装置。
3. 前記判定部は、前記判定閾値として前記ステッピングモータが固着状態にあると判定する為の第２の判定閾値を有する、請求項１記載のステッピングモータ異常検知装置。
4. 前記電流レベル検出部は、瞬時電流を積分する積分部で構成されたことを特徴とする、請求項１から３のいずれか１項に記載のステッピングモータ異常検知装置。
5. 前記電流レベル検出部は、前記電源部と前記ステッピングモータ駆動部との間に抵抗を挿入し、前記積分部は前記抵抗と前記ステッピングモータ駆動部の接続点の信号を、抵抗を介してコンデンサーで積分する構成とした、請求項４記載のステッピングモータ異常検知装置。
6. 前記電流レベル検出部は、前記電流レベルを電流レベルに応じたデジタル信号に変換するアナログ・デジタル変換部を有することを特徴とした、請求項１から５のいずれか１項に記載のステッピングモータ異常検知装置。
7. 前記電源インピーダンス推定部は、前記ステッピングモータ駆動部の動作ＯＮ時と動作ＯＦＦでの前記電源部の出力電圧差が大きいほど前記電源インピーダンスが大きいと推定することを特徴とした、請求項１から６のいずれか１項に記載のステッピングモータ異常検知装置。
8. 前記ステッピングモータ駆動部の動作ＯＮ時と動作ＯＦＦでの前記電源部の出力電圧差は、前記ステッピングモータ駆動部が動作ＯＮから動作ＯＦＦに変化後の前記電源部の出力電圧と前記積分部の出力の比を用いたことを特徴とした、請求項７記載のステッピングモータ異常検知装置。