JP7477270B2 - 診断装置および電動アクチュエータ - Google Patents

Description

本発明は、診断装置および電動アクチュエータに関し、特に、電動アクチュエータのモータの診断を行う診断装置およびその診断装置を含む電動アクチュエータに関する。

電動アクチュエータは、駆動装置となるモータの回転に応じて、出力機構を機械的に変位させる装置であり、様々な分野で利用されている。例えば、特許文献１には、ボール弁等のロータリ式の調節弁の弁軸を操作する電動アクチュエータが開示されている。この電動アクチュエータでは、バルブの弁体に連結された回転軸にモータの回転をギアその他の伝達機構を介して伝達して、この回転軸を回動させるとともに、回転軸の回転方向の機械的変位、すなわち回転角を、可変抵抗器から成るポテンショメータなどの位置センサによって検出し、その検出結果に基づいて回転軸の操作量を決定している。

また、特許文献２には、駆動装置となるモータとして、三相ブラシレス直流モータを用いた電動アクチュエータが開示されている。

一方、特許文献３には、ブラシレス直流モータのホール素子の故障を検出する技術が開示されている。また、特許文献４には、多相モータの一部のコイルが断線し、その後他の相と短絡するような故障状態の変化を判定して、これに対応した制御を行う技術が開示されている。

特開２０１１－７４９３５号公報 特開２００５－６５４５２号公報 特開２００１－１６１０８９号公報 特許第４９１９０９６号公報

ところで、電動アクチュエータは、定期的に点検および保守が行われるとしても、実際に不具合が生じたときには、作業員が現場に赴き、しばしばその不具合の原因を特定する作業から始めなければならず、その負担は小さくない。また、原因の特定や修理のために、電動アクチュエータのみならず、その電動アクチュエータを含むシステム全体の使用を臨時に中止しなければならないこともある。このようなシステムの使用中止を回避するとともに、点検・修理の負担を軽減することは、人手不足の問題を抱える中で、緊急の課題ともいえる。このような課題を解決する手段として、電動アクチュエータの故障診断を不具合が発生する前から適宜行うことが有効であると考えられる。

しかしながら、従来の電動アクチュエータにおいて、モータ等の故障診断を行っているものはない。そのため、使用中の電動アクチュエータに実際に不具合が生じた場合には、その対応に手間がかかっていた。

そこで、本発明は、モータの状態の診断を可能とすることを目的とする。

上述した目的を達成するために、本発明に係る診断装置は、モータの誘起電圧定数を測定する測定回路（７１）と、前記測定回路によって測定された前記誘起電圧定数に基づいて前記モータの状態を診断する診断回路（７２）とを備える。

本発明に係る診断装置の一実施の形態において、前記診断回路は、前記誘起電圧定数が所定の範囲内にあるときは、前記モータは第１の状態にあると判断し、前記誘起電圧定数が所定の範囲内にないときは、前記モータは第２の状態にあると判断するように構成することができる。

また、本発明に係る診断装置の一実施の形態において、前記測定回路は、前記モータに流れる電流と、前記モータの巻線に印加される電圧と、前記モータの回転を表す量とに基づいて前記誘起電圧定数を算出する演算装置（７０１）を有する。

また、本発明に係る診断装置の一実施の形態において、診断装置は、前記測定回路によって測定された前記誘起電圧定数を出力データとして外部に出力する出力回路（７３）をさらに備えていてもよい。

この場合、前記出力回路は、前記測定回路によって測定された前記誘起電圧定数の時系列データを出力データとして外部に出力するように構成してもよい。

また、本発明に係る診断装置の一実施の形態において、診断装置は、無線通信により前記出力データを入出力することを可能にする無線通信インターフェース回路、および／または、前記出力データをネットワークを介して入出力するネットワーク・インターフェース回路をさらに含むように構成してもよい。

また、本発明に係る電動アクチュエータは、複数の巻線（Ｕ，Ｖ，Ｗ）を備えたモータ（１０）と、前記複数の巻線に電流を供給して前記モータを回転させる駆動回路（６０）と、前記モータの回転に応じて変位する出力機構（３０）と、前記駆動回路を制御する制御回路（５０）と、前記モータの診断を行う診断装置（７０）とを備え、前記診断装置は、上述した診断装置のいずれかである。

本発明に係る電動アクチュエータの一実施の形態において、前記診断装置の前記測定回路は、前記駆動回路を流れる電流と、前記駆動回路に入力される電圧と、前記モータの回転を表す量とに基づいて前記誘起電圧定数を算出する演算装置（７０１）を有する。

本発明に係る電動アクチュエータの一実施の形態において、前記モータは、永久磁石を備えたロータ（１１）と、前記ロータの磁極と対向する位置に配設された前記複数の巻線（Ｕ，Ｖ，Ｗ）とを有するブラシレス直流モータとしてもよい。

本発明によれば、モータの誘起電圧定数に基づいて、モータの状態を診断することができる。

図１は、本発明の第１の実施の形態に係る電動アクチュエータおよび診断装置の構成を示す図である。 図２は、本発明の第１の実施の形態に係る電動アクチュエータにおけるモータおよびその駆動回路の構成例を示す図である。 図３Ａは、本発明の第１の実施の形態に係る電動アクチュエータにおけるモータの動作とホールセンサの関係を示す図である。 図３Ｂは、本発明の第１の実施の形態に係る電動アクチュエータにおけるホールセンサの出力の例を説明する図である。 図４は、本発明の第１の実施の形態に係る電動アクチュエータにおけるモータの動作とホールセンサの出力との関係を示す図である。 図５は、本発明の第１の実施の形態に係る電動アクチュエータの診断装置のハードウェア構成を示す図である。 図６は、本発明の第１の実施の形態に係る電動アクチュエータの診断の手順を説明するためのフローチャートである。 図７は、本発明の第１の実施の形態の変形例に係る電動アクチュエータの診断の他の手順を説明するためのフローチャートである。 図８は、本発明の第２の実施の形態に係る電動アクチュエータおよび診断装置の構成を示す図である。 図９は、端末装置のハードウェア構成を示す図である。 図１０は、本発明の第３の実施の形態に係る電動アクチュエータおよび診断装置の構成を示す図である。

以下に、本発明に係るモータの診断装置および電動アクチュエータ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］
本発明の第１の実施の形態に係る電動アクチュエータは、モータの誘起電圧定数ＫＥをモニターして故障診断を行う機能を備えている。

［電動アクチュエータの構成］
図１に示すように、本実施の形態に係る電動アクチュエータ１００は、モータ１０と、モータ１０の回転を伝達する伝達機構となる減速機２０と、減速機２０を介して伝達されるモータ１０の回転に応じて軸線周りに回動する回転軸３０と、モータ１０の回転を制御する制御回路５０と、制御回路５０からの制御信号に基づいてモータ１０を回転させる駆動回路６０と、モータ１０の診断を行う診断装置７０とを備えている。このうち、モータ１０と、減速機２０と、回転軸３０の一部と、角度センサ４０と、制御回路５０と、駆動回路６０は、筐体８０の中に収容されている。また、後述する診断の結果を含め、各種情報を表示する表示装置９０が設けられている。表示装置９０としては、例えば、液晶表示装置（ＬＣＤ）等を用いることができる。

上述した構成要素のうち、モータ１０は、本実施の形態においては、三相のブラシレス直流モータである。図２に駆動回路６０とモータ１０との構成例を示し、図３Ａにモータ１０の構成例を示す。モータ１０は、モータ軸に直交する方向に分極した永久磁石１１ｍを有するロータ１１と、このロータ１１が軸線周りに回転する過程で永久磁石１１ｍの磁極と対向するように配置され、スター結線された３つの巻線Ｕ、Ｖ、Ｗとからなる。なお、図３Ａにおいてロータ１１の軸受等の構成要素は省略されている。

また、図３Ａに示すように、モータ１０には、３つのホールセンサＨＵ、ＨＶ、ＨＷが、モータ軸を中心に互いに１２０°間隔をあけて設けられている。例えば、図３Ａは、ロータ１１の永久磁石１１ｍによる磁界がＶ相のホールセンサＨＶの方向を向いている。このときの各ホールセンサから出力される信号は、図３Ｂに示すように、Ｖ相のホールセンサＨＶの信号が「Ｈ」レベルを示すのに対し、他の２相、すなわちＵ相とＷ相のホールセンサＨＵ、ＨＷの信号は、いずれも「Ｌ」レベルとなる。これらホールセンサＨＵ、ＨＶ、ＨＷの信号はロータ１１の回転にともなって変化することから、モータ１０の回転を検出するセンサとして機能する。

一方、駆動回路６０は、図２に示すように、巻線Ｕ、Ｖ、Ｗの各相に対応して並列に設けられた３対のＭＯＳＦＥＴ Ｑuu、Ｑul；Ｑvu、Ｑvl；Ｑwu、Ｑwlを備えている。各対のＭＯＳＦＥＴは、互いに直列に接続され、制御回路５０がこれらのＭＯＳＦＥＴを適宜オン／オフすることによって、モータ１０の３つの巻線Ｕ，Ｖ，Ｗのうち通電する相、すなわち巻線と、その電流の方向、すなわちその巻線によって生じる磁界の方向を切り替えることができる。

制御回路５０は、ホールセンサＨＵ、ＨＶ、ＨＷから出力される信号に応じて、駆動回路６０の上記のＭＯＳＦＥＴのオン／オフを切り替えて、図４に示すように、通電する相とその通電する方向を切り替え、６つの通電パターンを順次切り替えていくことによって回転磁界を生成して、モータ１０を回転させることができる。

また、制御回路５０は、モータ１０の巻線Ｕ，Ｖ，Ｗの通電状態を示す信号Ｓとモータ１０の角速度ωを後述する診断装置７０に出力する。

ここで、モータ１０の巻線Ｕ，Ｖ，Ｗの通電状態とは、３つの巻線Ｕ，Ｖ，Ｗのうち通電している２つの巻線の組み合わせを指し、例えば、図４に示すような「状態Ａ」、「状態Ｂ」、「状態Ｃ」がここでいう「通電状態」に該当する。
なお、三相のブラシレス直流モータの場合、電流の方向も考慮すると、６通りの通電状態を特定することもできるが、誘起電圧定数ＫＥを求める目的からすれば、電流の方向を考慮せずに、図４に示すような「状態Ａ」、「状態Ｂ」、「状態Ｃ」の３通りを特定できれば必要かつ十分である。
また、本実施の形態においては、モータ１０の角速度ωは、制御回路５０が、ホールセンサＨＵ、ＨＶ、ＨＷから出力される信号に基づいて算出する。

また、制御回路５０は、目標角度θｓｐと角度センサ４０によって検出される回転軸３０の回転角度θptとの偏差に応じて操作量を決定し、駆動回路６０を動作させることによってモータ１０の回転を制御する。より具体的には、制御回路５０は、目標角度θｓｐと角度センサ４０によって検出される回転軸３０の回転角度θptとの偏差に応じて操作量ＯＡを決定し、駆動回路６０にこの操作量ＯＡに応じた駆動信号Ｄを与える。例えば、一般的な比例制御（Ｐ制御）の場合は、ＯＡ＝α（θsp－θpt）（ただし、αは比例定数）よって算出される。制御回路５０は、このようにして求められた操作量ＯＡとモータ１０の状態を表すホールセンサＨＵ、ＨＶ、ＨＷの信号とに基づいて、図２に示すような駆動回路６０のＭＯＳＦＥＴをオン／オフさせる駆動信号Ｄを生成して出力する。

なお、上述した比例制御は、モータ１０または回転軸３０の回転角度の制御の一例にすぎず、本発明においては、例えば、ＰＤ制御、ＰＩＤ制御の他、ニューラルネットワークモデルその他のモデルを用いたモデル制御など、どのような制御手法を用いていてもよい。

減速機２０は、互いに組み合わされた複数のギアから構成されるが、チェーンやベルトを組み合わせた機構であってもよい。

回転軸３０は、剛性の高い金属等から形成された棒状の部材であり、一端が減速機２０の出力端に連結されるとともに、筐体８０にその軸線周りに回動可能に支持される。図示はしないが、回転軸３０の他端は、バルブの弁体その他、操作対象要素に連結される。

角度センサ４０は、回転軸３０の回転方向の機械的変位、すなわち回転角を検出するセンサである。このような角度センサ４０は、回転軸３０の、任意の基準位置からの絶対的な回転角を検出するアブソリュートセンサであることが望ましい。この角度センサ４０として、例えば、可変抵抗器から成るポテンショメータを用いることができる。

［診断装置の構成］
診断装置７０は、図１に示すように、モータ１０の各巻線Ｕ，Ｖ，Ｗの誘起電圧定数ＫＥを測定する測定回路７１と、測定回路７１によって測定された各巻線Ｕ，Ｖ，Ｗの誘起電圧定数ＫＥに基づいて、モータ１０の状態を診断する診断回路７２とを備えている。また、本実施の形態に係る電動アクチュエータ１００の診断装置７０においては、診断回路７２による診断結果のほか、測定回路７１によって測定された各巻線Ｕ，Ｖ，Ｗの誘起電圧定数ＫＥを出力データとして外部に出力する出力回路７３をさらに備えている。

モータ１０においては、ロータ１１が回転すると、電流を流している巻線に永久磁石１１ｍとの電磁誘導作用により、誘起電圧が発生する。この誘起電圧は、モータの回転が速くなるほど大きくなる。誘起電圧は、モータの角速度に比例することから、この比例定数を誘起電圧定数ＫＥという。

そこで、本実施の形態においては、診断装置７０に一部を構成する測定回路７１は、図１に示すように、制御回路５０から出力される、モータの各巻線の通電状態を示す信号Ｓおよびモータの角速度ω、ならびに駆動回路６０に印加される電圧Ｅa、および駆動回路６０からモータ１０に供給される電流Ｉから、各巻線Ｕ，Ｖ，Ｗの誘起電圧定数ＫＥを算出するように構成されている。

なお、誘起電圧定数ＫＥ［V・s/rad］と、モータ１０に流れる電流Ｉとそのときに得られるトルクとの比であるトルク定数ＫＴ［N・m/A］とは、ＳＩ単位系では同じ値になる。したがって、誘起電圧定数ＫＥを診断することは、トルク定数ＫＴも診断できる。

上述した診断装置７０のハードウェア構成の例を図５に示す。診断装置７０は、バス７０４を介して互いに通信可能に接続された演算装置７０１、メモリ７０２、Ｉ／Ｆ回路７０３を含むコンピュータと、このコンピュータにインストールされたコンピュータプログラムとから構成することができる。この場合、コンピュータを構成する各種ハードウェア資源がコンピュータプログラムにしたがって協働することにより、このコンピュータが上述した測定回路７１、診断回路７２、出力回路７３の機能を実現する。

［測定回路による誘起電圧定数ＫＥの測定と診断回路によるモータの診断］
次に、測定回路７１による各巻線Ｕ，Ｖ，Ｗの誘起電圧定数ＫＥu，ＫＥv，ＫＥwの測定と、それに続く診断回路７２によるモータの診断について図２、図４、および図６を参照して説明する。

［測定回路による誘起電圧定数ＫＥの測定］
上述したように、測定回路７１は、制御回路５０から出力される、モータの各巻線の通電状態を示す信号Ｓおよびモータの角速度ωと、駆動回路６０に印加する電圧Ｅａおよび電流Ｉから、図６に示す手順に従って、次のようにして各巻線Ｕ，Ｖ，Ｗの誘起電圧定数を算出する。

駆動回路６０に電圧Ｅａを印加するとともに、駆動回路６０を制御してモータ１０を回転させた状態において、駆動回路６０を構成するＭＯＳＦＥＴのうち、ＱuuとＱvlがオンし、他のＭＯＳＦＥＴがオフの状態（図４に示す「状態Ａ」）におけるモータ１０の角速度ω1を取得し（ステップＳ０１）、この状態における時間ｔ0のときの電流Ｉ0、および、時間ｔ1（＞ｔ0）のときの電流Ｉ1を測定する（ステップＳ０２およびＳ０３）。

このとき、通電している巻線Ｕ，Ｖの誘起電圧定数ＫＥuおよびＫＥvは、次の式（１）～（３）で表される。ただし、以下においてＲu，Ｒv，ＲwおよびＬu，Ｌv，Ｌwは、それぞれ各巻線Ｕ，Ｖ，Ｗの抵抗およびインダクタンスである。また、Ｒqは、駆動回路６０を構成する各ＭＯＳＦＥＴのオン抵抗を表す。

次に、駆動回路６０を構成するＭＯＳＦＥＴのうち、ＱvuとＱwlとがオンし、他のＭＯＳＦＥＴがオフの状態（図４に示す「状態Ｂ」）におけるモータ１０の角速度ω2を取得し（ステップＳ０４）、この状態における時間ｔ2のときの電流Ｉ2と、時間ｔ3（＞ｔ2）のときの電流Ｉ3を測定する（ステップＳ０５およびＳ０６）。

このとき、通電している巻線Ｖ，Ｗの誘起電圧定数ＫＥvおよびＫＥwは、次の式（４）～（６）で表される。

次に、駆動回路６０を構成するＭＯＳＦＥＴのうち、ＱuuとＱwlとがオンし、他のＭＯＳＦＥＴがオフの状態（図４に示す「状態Ｃ」）におけるモータ１０の角速度ω3を取得し（ステップＳ０７）、この状態における時間ｔ4のときの電流Ｉ4と、時間ｔ5（＞ｔ4）のときの電流Ｉ5を測定する（ステップＳ０８およびＳ０９）。

このとき、通電している巻線Ｕ，Ｗの誘起電圧定数ＫＥuおよびＫＥwは、次の式（７）～（９）で表される。

上記の式（３）、式（６）、式（９）より、式（１０）が得られる。

すると、上記の式（１０）と、式（６）、（９）および（３）より、各巻線の誘起電圧定数ＫＥu，ＫＥvおよびＫＥwはそれぞれ次の式（１１）、（１２）および（１３）で表される。

したがって、各巻線Ｕ，Ｖ，Ｗの抵抗Ｒu，Ｒv，ＲwおよびインダクタンスＬu，Ｌv，Ｌw、ならびに駆動回路６０を構成する各ＭＯＳＦＥＴのオン抵抗Ｒqが既知であるので、測定回路７１は上記の式（１１）、（１２）および（１３）に基づいて各巻線Ｕ，Ｖ，Ｗの誘起電圧定数ＫＥu，ＫＥv，ＫＥwを算出する（ステップＳ１０）。

なお、本実施の形態に係る電動アクチュエータ１００の駆動回路６０については、ＭＯＳＦＥＴより構成される例に基づいて説明したが、ＭＯＳＦＥＴの他にトランジスタを用いてもよい。ただし、トランジスタを用いた場合は、トランジスタの飽和電圧をＶce、その時に回路に流れた電流をＩとすれば、上記のオン抵抗Ｒqは、次の式に置き換える。

Ｒq ＝Ｖce／I

［診断回路によるモータの診断］
測定回路７１によって測定された各巻線Ｕ，Ｖ，Ｗの誘起電圧定数ＫＥu，ＫＥv，ＫＥwは、測定回路７１から診断回路７２に送られる。診断回路７２は、測定回路７１によって測定された各巻線Ｕ，Ｖ，Ｗの誘起電圧定数ＫＥu，ＫＥv，ＫＥwがすべて所定の範囲内にあるときは、モータ１０は第１の状態にあると判断し、誘起電圧定数ＫＥu，ＫＥv，ＫＥwのうち少なくともいずれか１つが所定の範囲内にないときは、モータ１０は第１の状態とは異なる第２の状態にあると判断する。

例えば、診断回路７２は、測定回路７１によって測定された各巻線Ｕ，Ｖ，Ｗの誘起電圧定数ＫＥu，ＫＥv，ＫＥwがすべて正常な値の範囲内にあるとき（ステップＳ１１：ＹＥＳ）は、誘起電圧定数ＫＥu，ＫＥv，ＫＥwは正常であり（ステップＳ１２）、よって、モータ１０は正常であると判断する。一方、誘起電圧定数ＫＥu，ＫＥv，ＫＥwのうち少なくともいずれか１つが正常な値の範囲内にないときは（ステップＳ１１：ＮＯ）、誘起電圧定数ＫＥu，ＫＥv，ＫＥwは異常であり（ステップＳ１３）、したがって、モータ１０は故障している可能性があると判断する。

より具体的な例を挙げると、診断回路７２は、電動アクチュエータ１００の工場出荷時における各巻線Ｕ，Ｖ，Ｗの誘起電圧定数ＫＥu，ＫＥv，ＫＥwをメモリ７０２に記憶しておき、この工場出荷時における誘起電圧定数ＫＥu，ＫＥv，ＫＥwと測定回路７１が測定した各巻線Ｕ，Ｖ，Ｗの誘起電圧定数ＫＥu，ＫＥv，ＫＥwとを比較するように構成する。診断回路７２は、測定回路７１による各巻線Ｕ，Ｖ，Ｗの誘起電圧定数ＫＥu，ＫＥv，ＫＥwのすべてが、所定の範囲内、例えば、工場出荷時における誘起電圧定数ＫＥu，ＫＥv，ＫＥwをそれぞれ基準として±１０％の範囲内にあれば、正常な状態にあると診断する一方、各巻線Ｕ，Ｖ，Ｗの誘起電圧定数ＫＥu，ＫＥv，ＫＥwの少なくともいずれか１つが上記の±１０％の範囲内にないときには、故障もしくは何らかの異常がある状態、または点検が必要となりつつある状態と診断する。

この診断回路７２による診断の結果は、出力回路７３から外部に出力され、例えば、オペレータによる操作に応じて、表示装置９０に表示される。特に、モータ１０に故障もしくは何らかの異常がある状態と診断されたときには、メンテナンスを促すメッセージを表示装置９０に表示するように構成してもよい。

［変形例］
上述した誘起電圧定数ＫＥの測定方法は、モータ１０の角速度ωが変動する場合に対応したものであるが、仮に角速度ωが一定であるならば、誘起電圧定数ＫＥの測定は、例えば図７に示すように簡略化することができる。

まず、駆動回路６０に電圧Ｅａを印加するとともに、駆動回路６０を制御してモータ１０を角速度ωで回転させる（ステップＳ２１）。この状態において、駆動回路６０を構成するＭＯＳＦＥＴのうち、ＱuuとＱvlがオンし、他のＭＯＳＦＥＴがオフの状態（図４に示す「状態Ａ」）における時間ｔ0のときの電流Ｉ0、および、時間ｔ1（＞ｔ0）のときの電流Ｉ1を測定する（ステップＳ２２およびＳ２３）。このとき、通電している巻線Ｕ，Ｖの誘起電圧定数ＫＥuおよびＫＥvは、次の式（１４）で表される。

次に、駆動回路６０を構成するＭＯＳＦＥＴのうち、ＱvuとＱwlとがオンし、他のＭＯＳＦＥＴがオフの状態（図４に示す「状態Ｂ」）における時間ｔ2のときの電流Ｉ2と、時間ｔ3（＞ｔ2）のときの電流Ｉ3を測定する（ステップＳ２４およびＳ２５）。このとき、通電している巻線Ｕ，Ｗの誘起電圧定数ＫＥuおよびＫＥwは、次の式（１５）で表される。

次に、駆動回路６０を構成するＭＯＳＦＥＴのうち、ＱuuとＱwlとがオンし、他のＭＯＳＦＥＴがオフの状態（図４に示す「状態Ｃ」）における時間ｔ4のときの電流Ｉ4と、時間ｔ5（＞ｔ4）のときの電流Ｉ5を測定する（ステップＳ２６およびＳ２７）。このとき、通電している巻線Ｕ，Ｗの誘起電圧定数ＫＥuおよびＫＥwは、次の式（１６）で表される。

上記の式（１４）、式（１５）、式（１６）より、式（１７）が得られる。

すると、上記の式（１７）と、式（１５）、（１６）および（１４）より、各巻線の誘起電圧定数ＫＥu，ＫＥv，およびＫＥwは、それぞれ次の式（１８）、（１９）および（２０）で表される。

したがって、各巻線Ｕ，Ｖ，Ｗの抵抗Ｒu，Ｒv，ＲwおよびインダクタンスＬu，Ｌv，Ｌw、ならびに駆動回路６０を構成する各ＭＯＳＦＥＴのオン抵抗Ｒqが既知であるので、測定回路７１は上記の式（１８）、（１９）および（２０）に基づいて各巻線Ｕ，Ｖ，Ｗの誘起電圧定数ＫＥu，ＫＥv，ＫＥwを算出する（ステップＳ２８）。
以上のようにして、各巻線Ｕ，Ｖ，Ｗの誘起電圧定数ＫＥu，ＫＥv，ＫＥwを測定することができる。なお、図８に示すステップＳ０９以降の診断に関わる手順は、図６に示すステップＳ１０以降と同一であるので、説明は省略する。

［第１の実施の形態の効果］
本実施の形態に係るモータの診断装置によれば、モータ１０の各巻線Ｕ，Ｖ，Ｗの誘起電圧定数ＫＥu，ＫＥv，ＫＥwに基づいてモータ１０の状態を診断するので、電動アクチュエータ１００のモータの状態の診断が可能となる。
また、電動アクチュエータにおいてモータのみの状態について診断ができるので、電動アクチュエータを停止させなくても、故障箇所を特定することができる。したがて、メンテナンスの作業負担を軽減することができる。
さらに、モータの各巻線Ｕ，Ｖ，Ｗの誘起電圧定数ＫＥu，ＫＥv，ＫＥwのトレンドをモニターすることにより、バルブの故障診断などの予防保全に適用できる。また、モータの各巻線Ｕ，Ｖ，Ｗの誘起電圧定数ＫＥu，ＫＥv，ＫＥwの最新値を使用することにより非干渉制御の精度向上に貢献できる。

また、本実施の形態に係る電動アクチュエータを弁の開閉に用いた場合には、次のような効果を得ることができる。

本実施の形態に係る電動アクチュエータを弁の開閉に用いた場合には、誘起電圧定数ＫＥまたはトルク定数ＫＴの測定値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、誘起電圧定数ＫＥまたはトルク定数ＫＴ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、駆動回路や制御回路など、電動アクチュエータの既存構成を用いて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、極めて簡素な構成であり、電動アクチュエータの信頼性を高めることが可能となる。

この際、測定回路７１が誘起電圧定数ＫＥまたはトルク定数ＫＴ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、測定回路７１が算出した誘起電圧定数ＫＥまたはトルク定数ＫＴをメモリ７０２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誘起電圧定数ＫＥの推定値ＫＥ’またはトルク定数ＫＴの推定値ＫＴ’を推定し、この推定値ＫＥ’または推定値ＫＴ’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、モータの劣化時期すなわち交換時期を予測することができる。

また、誘起電圧定数ＫＥまたはトルク定数ＫＴの経時変化を、診断回路７２や上位装置でモニタすることにより、モータの劣化時期すなわち交換時期を予測でき、流量制御バルブや風量調整ダンパーなどの予知保全に極めて有用である。また、誘起電圧定数ＫＥまたはトルク定数ＫＴの算出時には、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、誘起電圧定数ＫＥまたはトルク定数ＫＴ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。

［第１の実施の形態の変形例］
なお、本実施の形態においては、各巻線Ｕ，Ｖ，Ｗの誘起電圧定数ＫＥu，ＫＥv，ＫＥwを求める際にＭＯＳＦＥＴのオン抵抗Ｒqを考慮しているが、このオン抵抗Ｒqが巻線Ｕ，Ｖ，Ｗの抵抗Ｒu，Ｒv，Ｒwに比べて無視できるほど小さいのであれば、上記の各式においてＲq＝０としてもよい。このようにすることで計算時間を短縮することができる。

また、各巻線Ｕ，Ｖ，Ｗの抵抗Ｒu，Ｒv，Ｒwの値、および／または、インダクタンスＬu，Ｌv，Ｌwの値がそれぞれ同値であるとすれば、上記の演算処理をより簡略化することができる。したがって、演算装置７０１の演算能力が限られていても、診断装置を実現しやすくなる。また、演算時間も短縮できる。

また、本実施の形態においては、３つの巻線Ｕ，Ｖ，Ｗそれぞれの誘起電圧定数ＫＥu，ＫＥv，ＫＥwを求めるものとして説明したが、各巻線Ｕ，Ｖ，Ｗの誘起電圧定数ＫＥu，ＫＥv，ＫＥwが互いに等しい（ＫＥu＝ＫＥv＝ＫＥw）との前提のもとに、３つの巻線Ｕ，Ｖ，Ｗのうちの少なくともいずれか１つの誘起電圧定数ＫＥを測定するようにしてもよい。このようにすることでＱuuとＱvl、ＱvuとＱwl、ＱuuとＱwlのうちいずれかのみをオンさせた状態における１回の測定で巻線抵抗を算出することができ、計算時間を短縮することができる。

さらに、上述した三種類の簡略化手法を組み合わせることによって、計算時間の短縮を図ることができる。

また、本実施の形態において、診断回路７２は、測定回路７１から入力される各巻線Ｕ，Ｖ，Ｗの誘起電圧定数ＫＥu，ＫＥv，ＫＥwに基づいて診断を行うものとして説明したが、各巻線Ｕ，Ｖ，Ｗの誘起電圧定数ＫＥu，ＫＥv，ＫＥwのトレンド、すなわち、各巻線Ｕ，Ｖ，Ｗの誘起電圧定数ＫＥu，ＫＥv，ＫＥwの時間的な変化に基づいて診断を行ってもよい。
また、本実施の形態においては、診断装置７０が電動アクチュエータ１００に内蔵されている例を示したが、診断装置７０を電動アクチュエータ１００とは別の装置として設けてもよいことはいうまでもない。

［第２の実施の形態］
上述した第１の実施の形態においては、電動アクチュエータ１００内に診断装置７０が設けられた例を説明したが、診断装置７０を構成する各種回路を複数の装置に分散させて構成することも可能である。本発明の第２の実施の形態に係る診断装置は、診断回路７２を電動アクチュエータ１００Ｂとは別の装置に設ける例である。

図８に、本発明の第２の実施の形態に係る診断装置の構成例を示す。この例では、電動アクチュエータ１００Ｂには、測定回路７１と無線通信インターフェース回路（無線Ｉ／Ｆ）７５とを含む測定装置７０Ｂが設けられる。このうち測定装置７０Ｂに設けられた無線通信インターフェース回路７５は、無線通信により各種データを出力することを可能にする。

一方、端末装置２００には、無線通信インターフェース回路２００３と診断回路７２と出力回路７３と表示装置９０とが設けられている。この端末装置２００は、図９に示すように、バス２００４を介して互いに通信可能に接続された演算装置２００１、メモリ２００２、Ｉ／Ｆ回路２００３、Ｉ／Ｏ装置２００５を含むコンピュータと、このコンピュータにインストールされたコンピュータプログラムとから構成することができる。

このうち、無線通信インターフェース回路２００３は、例えば、測定装置７０Ｂの無線通信インターフェース回路７５と、例えば、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）等の近距離無線通信規格に則った通信方式に則って無線で接続する。また、Ｉ／Ｏ装置２００５は、タッチパネル等の入力装置やＬＣＤ等の表示装置９０を含む。このような端末装置２００は、例えば、現場の担当者が使用する持ち運び可能なモバイル端末装置である。

上述した構成を有することにより、端末装置２００は、無線通信インターフェース回路２００３を介して、電動アクチュエータ１００Ｂ側の測定装置７０Ｂの無線通信インターフェース回路７５と無線通信を行い、測定回路７１によって取得された各巻線Ｕ，Ｖ，Ｗの誘起電圧定数ＫＥu，ＫＥv，ＫＥw、および／または、各巻線Ｕ，Ｖ，Ｗの誘起電圧定数ＫＥu，ＫＥv，ＫＥwのトレンド、すなわち、各巻線Ｕ，Ｖ，Ｗの誘起電圧定数ＫＥu，ＫＥv，ＫＥwの時系列データ等の出力データを受信して、これを診断回路７２に入力するように構成されている。そして、端末装置２００に構成された診断回路７２は、電動アクチュエータ１００Ｂ側の測定装置７０Ｂから出力された出力データに基づき、診断を行う。その診断の結果は、出力回路７３を介して表示装置９０に表示される。

以上の機能は、端末装置２００のコンピュータを構成する各種ハードウェア資源がコンピュータプログラムにしたがって協働することにより実現される。

このように測定回路７１と診断回路７２とを、それぞれ電動アクチュエータ１００Ｂと端末装置２００とに分けて設けることによって、電動アクチュエータ１００Ｂと端末装置２００とは、一体となって診断装置を構成することとなる。その結果、電動アクチュエータ１００Ｂの測定装置７０Ｂを構成する演算装置の負荷を軽減することができる。
また、保守担当者等が使用する端末装置２００において診断が行えるので、保守作業の効率が向上することが期待できる。

なお、本実施の形態において、電動アクチュエータ１００Ｂと端末装置２００とは無線通信により互いに接続されるものとして説明したが、有線で接続されるように構成してもよい。

［第３の実施の形態］
上述した第２の実施の形態においては、診断装置を構成する測定回路７１と診断回路７２をそれぞれ電動アクチュエータ１００Ｂと端末装置２００とに分離して設けたが、本発明の第３の実施の形態においては、図１０に示すように、電動アクチュエータ１００ＣがネットワークＮＷを介して上位装置３００に接続されている場合において、診断装置を構成する測定回路７１と診断回路７２のうち、測定回路７１を電動アクチュエータ１００Ｃ側の測定装置７０Ｃに設け、診断回路７２を、上位装置３００に設ける例である。

電動アクチュエータ１００Ｃ側の測定装置７０Ｃには、ネットワーク・インターフェース回路（ＮＷ Ｉ／Ｆ）７６が設けられ、測定装置７０Ｃは、このネットワーク・インターフェース回路７６を介して、Ｅｔｈｅｒｎｅｔ（登録商標）等のネットワークＮＷに接続可能に構成されている。

一方、上位装置３００も、ネットワーク・インターフェース回路３００３を備えており、ネットワークＮＷを介して、電動アクチュエータ１００Ｃの測定装置７０Ｃと通信可能に構成されている。この上位装置３００も、演算装置やメモリ、各種Ｉ／Ｆ回路やＩ／Ｏ装置から構成されたコンピュータであり、これらのハードウェア資源と上位装置３００にインストールされたコンピュータプログラムとが協働することによって、診断回路７２の機能を実現する。

電動アクチュエータ１００Ｃに設けられた測定装置７０Ｃと上位装置３００とは、それぞれネットワーク・インターフェース回路７６、３００３を介してネットワークＮＷに接続可能な構成をとることによって、測定回路７１によって取得された各巻線Ｕ，Ｖ，Ｗの誘起電圧定数ＫＥu，ＫＥv，ＫＥw、および／または、各巻線Ｕ，Ｖ，Ｗの誘起電圧定数ＫＥu，ＫＥv，ＫＥwのトレンド、すなわち、各巻線Ｕ，Ｖ，Ｗの誘起電圧定数ＫＥu，ＫＥv，ＫＥwの時系列データを、出力データとして、測定装置７０Ｃから上位装置３００にネットワークＮＷを介して送信することができる。

一方、上位装置３００は、測定装置７０Ｃから出力される出力データを受信で、これを診断回路７２に入力するように構成されており、診断回路７２は、ネットワークＮＷを介して受信したデータに基づき、診断を行う。

このように測定回路７１と診断回路７２とを、それぞれ電動アクチュエータ１００Ｃと上位装置３００とに分けて設けることによって、電動アクチュエータ１００Ｂの測定装置７０Ｂを構成する演算装置の負荷を軽減することができる。
また、中央監視装置を構成する上位装置３００で診断を行うので、現場に行かなくても、電動アクチュエータ１００Ｃの診断を行うことができる。

上記の実施の形態においては、電動アクチュエータの診断装置を例に説明したが、本発明に係る診断装置は、電動アクチュエータのみならず、モータを使用したすべての製品に適用することができる。また、モータとしてブラシレス直流モータを例に説明したが、本発明は、ブラシレス直流モータのみならず、巻線構造を有するすべてのモータに適用することができる。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上記の実施の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。

本発明は、電動アクチュエータの維持管理に利用することができる。

１００、１００Ｂ、１００Ｃ…電動アクチュエータ、１０…モータ、２０…減速機、３０…回転軸、４０…角度センサ、５０…制御回路、５６…温度センサ、６０…駆動回路、７０…診断装置、７１…測定回路、７２…診断回路、７３…出力回路、７５…無線通信インターフェース回路、７６…ネットワーク・インターフェース回路、８０…筐体、９０…表示装置、２００…端末装置、２００３…無線通信インターフェース回路、３００…上位装置、３００３…ネットワーク・インターフェース回路、Ｕ、Ｖ、Ｗ…巻線。

Claims (8)

1. モータが有するＮ相（ただし、Ｎは２以上の整数）の巻線のうち前記Ｎ相よりも少ないＭ相（ただし、Ｍは整数）の巻線のみについて誘起電圧定数を測定する測定回路と、
   前記測定回路によって測定された前記誘起電圧定数に基づいて前記モータの状態を診断する診断回路とを備える、
   診断装置。
2. 請求項１に記載された診断装置において、
   前記測定回路は、前記Ｍ相の巻線として１相の巻線のみについて前記誘起電圧定数を測定する、
   診断装置。
3. 請求項１または２に記載された診断装置において、
   前記診断回路は、前記誘起電圧定数が所定の範囲内にあるときは、前記モータは第１の状態にあると判断し、前記誘起電圧定数が所定の範囲内にないときは、前記モータは第２の状態にあると判断し、
   前記測定回路は、前記モータとバルブの弁体に連結され前記モータにより回転する回転軸とを備える電動アクチュエータに設けられ、
   前記診断回路は、前記電動アクチュエータが設置される現場の作業員が持ち運んで使用するように構成されたモバイル端末コンピュータに設けられ、前記モバイル端末コンピュータが前記電動アクチュエータとの近距離無線通信で受信した前記誘起電圧定数に基づいて前記モータの状態を診断する
   診断装置。
4. 請求項１～３のいずれか一項に記載された診断装置において、
   前記測定回路は、前記モータに流れる電流と、前記モータの巻線に印加される電圧と、前記モータの回転を表す量とに基づいて前記誘起電圧定数を算出する演算装置を有する、
   診断装置。
5. 請求項３に記載された診断装置において、
   前記モバイル端末コンピュータに設けられ、前記モバイル端末コンピュータが前記電動アクチュエータとの近距離無線通信で受信した前記誘起電圧定数を出力データとして前記モバイル端末コンピュータの表示装置に出力する出力回路をさらに備え、
   前記出力回路は、前記誘起電圧定数の時系列データを出力データとして前記表示装置に出力する、
   診断装置。
6. 請求項１に記載された診断装置と、
   前記モータと、
   前記モータの回転に応じて変位する出力機構と、
   前記モータの前記Ｎ相の巻線に電流を供給して前記モータを回転させる駆動回路と、
   前記駆動回路を制御する制御回路と、
   を備える電動アクチュエータ。
7. 請求項６に記載された電動アクチュエータにおいて、
   前記診断装置の前記測定回路は、前記駆動回路を流れる電流と、前記駆動回路に入力される電圧と、前記モータの回転を表す量とに基づいて前記誘起電圧定数を算出する演算装置を有する、
   電動アクチュエータ。
8. 請求項６または７に記載された電動アクチュエータにおいて、
   前記モータは、永久磁石を備えたロータと、前記ロータの磁極と対向する位置に配設された前記Ｎ相の巻線とを有するブラシレス直流モータである、
   電動アクチュエータ。

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