KR20190016443A

KR20190016443A - 전동 액츄에이터

Info

Publication number: KR20190016443A
Application number: KR1020180090269A
Authority: KR
Inventors: 히로아키 나리타
Original assignee: 아즈빌주식회사
Priority date: 2017-08-08
Filing date: 2018-08-02
Publication date: 2019-02-18
Also published as: US20190049036A1; JP6879861B2; JP2019032026A; CN109391000B; KR102132769B1; US10605376B2; CN109391000A

Abstract

본 발명은 하나의 전원 계통에 복수의 전동 액츄에이터가 접속되어 있는 경우에, 전원 계통에 필요한 전류 용량과 각 전동 액츄에이터의 총계의 충전 시간을 최적화하는 것을 과제로 한다.
전동 액츄에이터(100)는, 전기 에너지를 비축하는 축전부(2)와, 외부로부터 전원이 공급되는 통전시에 축전부(2)를 충전하는 충전부(3)와, 액츄에이터 전체를 제어하는 제어부(8)를 구비한다. 제어부(8)는, 통전시에 개방도 목표치에 따라서 밸브(200)의 개방도를 제어하고, 정전시에 축전부(2)에 축적되어 있는 에너지를 이용하여 밸브(200)를 원하는 개방도 위치까지 동작시킨다. 또한, 제어부(8)는, 전원의 투입시로부터, 미리 규정된 충전의 우선도에 따라서 결정되는 충전 대기 시간이 경과한 후에 충전부(3)에 의한 축전부(2)의 충전을 개시시킨다.

Description

전동 액츄에이터{ELECTRIC ACTUATOR}

본 발명은, 축전부에 비축되어 있는 전기 에너지에 의해 정전시에 모터를 강제적으로 구동시켜 밸브를 소정의 개방도 위치까지 리턴 동작시키는 전동 액츄에이터에 관한 것이다.

현재, 정전시에 있어서 밸브를 강제적으로 완전 폐쇄 방향으로 동작시키기 위해 스프링을 이용한 스프링 리턴형의 액츄에이터가 있다. 스프링 리턴형의 액츄에이터는, (I) 밸브를 구동시키는 부하 토크에 더하여 스프링을 완전히 감기 위한 토크를 필요로 하여, 큰 토크를 발생시키는 모터가 필요해져 소비 전력이 커진다, (II) 정전시의 목표 위치는 완전 폐쇄 위치뿐이며 완전 개방 혹은 임의의 위치로 설정할 수 없다, (III) 정전시의 동작을 제어하기 위한 클러치나 브레이크 등의 기구를 필요로 한다, 등의 문제점을 갖고 있다.

이러한 문제점을 해결할 수 있는 수단으로서, 전기 2중층 콘덴서 등의 축전부에 비축되어 있는 전기 에너지에 의해 정전시에 모터를 강제적으로 구동시켜 밸브를 소정의 개방도 위치까지 리턴 동작시키는 전동 액츄에이터가 제안되어 있다(특허문헌 1 참조).

이러한 전동 액츄에이터에 의하면, 모터의 회전력을 이용하여 스프링을 완전히 감을 필요가 없어진다. 그러나, 도 13에 나타낸 바와 같이, 하나의 전원 계통(301)에 복수의 전동 액츄에이터(300-1∼300-N)가 접속되어 있는 경우, 충전 시간을 단축하기 위해, 전원 투입시에 각 전동 액츄에이터(300-1∼300-N)의 축전부를 일제히 충전하고자 하면, 도 14에 나타낸 바와 같이 각 전동 액츄에이터(300-1∼300-N)에 비교적 큰 충전 전류가 흐르게 되고, 배전반(302)에 큰 전류 용량의 브레이커가 필요해진다고 하는 문제점이 있었다.

또한, 전원 투입후에 각 전동 액츄에이터(300-1∼300-N)의 축전부를 순서대로 충전하고자 하면, 충전 시간이 비교적 길기 때문에, 도 15에서 분명한 바와 같이 모든 전동 액츄에이터(300-1∼300-N)의 축전부를 충전 종료할 때까지 긴 충전 시간이 필요해진다고 하는 문제점이 있었다.

특허문헌 1 : 일본 특허 제5793400호 명세서

본 발명은, 상기 과제를 해결하기 위해 이루어진 것으로, 하나의 전원 계통에 복수의 전동 액츄에이터가 접속되어 있는 경우에, 전원 계통에 필요한 전류 용량과 각 전동 액츄에이터의 총계의 충전 시간을 최적화하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 전동 액츄에이터는, 외부로부터 전원이 공급되는 통전시에 개방도 목표치에 따라서 밸브의 개방도를 제어하도록 구성된 개방도 제어부와, 전기 에너지를 비축하도록 구성된 축전부와, 상기 통전시에 상기 축전부를 충전하도록 구성된 충전부와, 상기 전원이 차단된 정전시에 상기 축전부에 축적되어 있는 에너지를 이용하여 상기 밸브를 원하는 개방도 위치까지 동작시키도록 구성된 리턴 제어부와, 상기 전원의 투입시로부터, 미리 규정된 충전의 우선도에 따라서 결정되는 충전 대기 시간이 경과한 후에 상기 충전부에 의한 상기 축전부의 충전을 개시시키도록 구성된 충전 제어부를 구비하는 것을 특징으로 하는 것이다.

또한, 본 발명의 전동 액츄에이터의 하나의 구성예는, 상기 우선도에 대응하는 충전 번호와 상기 축전부의 충전에 요하는 충전 시간을 미리 기억하는 기억부를 더 구비하고, 상기 충전 제어부는, 상기 충전 번호와 상기 충전 시간에 기초하여 상기 충전 대기 시간을 산출하고, 상기 전원의 투입시로부터 상기 충전 대기 시간이 경과한 후에 상기 충전부에 의한 상기 축전부의 충전을 개시시키는 것을 특징으로 하는 것이다.

또한, 본 발명의 전동 액츄에이터의 하나의 구성예는, 하나의 전원 계통에 복수의 전동 액츄에이터가 접속되어 있는 경우에 전원 계통으로부터 각 전동 액츄에이터로 흐르는 총계의 전류가, 허용되는 최대 전류 용량치 이하이고, 또한 상기 우선도가 높은 전동 액츄에이터일수록 먼저 충전되도록, 각 전동 액츄에이터가 분류되고, 분류된 그룹에 대응하는 상기 충전 번호가 상기 기억부에 미리 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 것이다.

또한, 본 발명의 전동 액츄에이터의 하나의 구성예는, 하나의 전원 계통에 복수의 전동 액츄에이터가 접속되어 있는 경우에 각 전동 액츄에이터의 충전에 요하는 총계의 시간이, 허용되는 최대 충전 시간 이하이고, 또한 상기 우선도가 높은 전동 액츄에이터일수록 먼저 충전되도록, 각 전동 액츄에이터가 분류되고, 분류된 그룹에 대응하는 상기 충전 번호가 상기 기억부에 미리 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 것이다.

본 발명에 의하면, 전원의 투입시로부터, 미리 규정된 충전의 우선도에 따라서 결정되는 충전 대기 시간이 경과한 후에 충전부에 의한 축전부의 충전을 개시시키도록 했기 때문에, 하나의 전원 계통에 복수의 전동 액츄에이터가 접속되어 있는 경우에, 전원 계통 및 배전반에 필요한 전류 용량과 각 전동 액츄에이터의 총계의 충전 시간을 최적화할 수 있다.

도 1은, 본 발명의 제1 실시예에 관한 전동 액츄에이터의 구성을 나타내는 블럭도이다.
도 2는, 본 발명의 제1 실시예에 관한 전동 액츄에이터의 제어부의 구성을 나타내는 블럭도이다.
도 3은, 본 발명의 제1 실시예에 관한 전동 액츄에이터의 전원 투입시의 동작을 설명하는 플로우차트이다.
도 4는, 본 발명의 제1 실시예에 관한 제어부의 용량 연산부의 동작을 설명하는 플로우차트이다.
도 5는, 본 발명의 제1 실시예에 관한 전동 액츄에이터의 통상시의 동작을 설명하는 플로우차트이다.
도 6은, 본 발명의 제1 실시예에 관한 전동 액츄에이터가 하나의 전원 계통에 복수 접속되어 있는 시스템의 구성을 나타내는 도면이다.
도 7은, 본 발명의 제1 실시예에 관한 전동 액츄에이터가 하나의 전원 계통에 복수 접속되어 있는 경우에 전원 계통에 충전 전류가 흐르는 모습을 설명하는 도면이다.
도 8은, 정전류 충전 방법을 설명하는 도면이다.
도 9는, RC 직렬 회로에 의한 충전 방법을 설명하는 도면이다.
도 10은, 그룹마다 전동 액츄에이터의 축전부의 충전을 행할 때의 최대 충전 시간을 설명하는 도면이다.
도 11은, 본 발명의 제1 실시예에 관한 전동 액츄에이터의 정전시의 동작을 설명하는 플로우차트이다.
도 12는, 본 발명의 제2 실시예에 관한 전동 액츄에이터의 구성을 나타내는 블럭도이다.
도 13은, 하나의 전원 계통에 복수의 전동 액츄에이터가 접속되어 있는 시스템의 구성을 나타내는 도면이다.
도 14는, 복수의 전동 액츄에이터의 축전부를 동시에 충전하는 경우에 전원 계통에 충전 전류가 일제히 흐르는 모습을 설명하는 도면이다.
도 15는, 복수의 전동 액츄에이터의 축전부를 순서대로 충전하는 경우에 전원 계통에 충전 전류가 순서대로 흐르는 모습을 설명하는 도면이다.

[제1 실시예]

이하, 본 발명의 실시예에 관해 도면을 참조하여 설명한다. 도 1은 본 발명의 제1 실시예에 관한 전동 액츄에이터의 구성을 나타내는 블럭도이다. 전동 액츄에이터(100)는, 볼 밸브나 버터플라이 밸브 등의 밸브(200)에 부착되고, 전동 조절 밸브로서 일체화된다. 또한, 전동 액츄에이터(100)는, 도시하지 않은 컨트롤러와의 사이에서 정보를 주고받는다.

전동 액츄에이터(100)는, 도시하지 않은 외부 전원으로부터 공급되는 전원 전압으로부터 메인 전원 전압을 생성하는 메인 전원부(1)와, 전기 에너지를 비축하는 전기 2중층 콘덴서로 이루어진 축전부(2)와, 외부로부터 전원이 공급되는 통전시에 축전부(2)를 충전하는 충전부(3)와, 축전부(2)의 전압을 승압하는 승압부(4)와, 외부로부터의 전원의 차단을 검출하는 정전 검출부(5)와, 메인 전원부(1)로부터의 메인 전원 전압과 승압부(4)로부터의 승압 전원 전압 중의 어느 것을 선택하여 출력하는 메인 전원 전환부(6)와, 컨트롤러로부터의 개방도 목표 신호를 처리하여 제어부(8)에 개방도 목표치를 출력하는 개방도 목표 처리부(7)와, 전동 액츄에이터 전체를 제어하는 제어부(8)와, 제어계 전원 전압을 생성하는 제어 전원부(9)와, 구동 전압에 따라서 동작하는 모터(10)와, 제어부(8)로부터의 제어 신호에 따라서 모터(10)에 구동 전압을 출력하는 모터 구동부(11)와, 모터(10)의 출력을 감속시켜 밸브(200)를 조작하는 감속기(12)와, 밸브(200)의 개방도를 측정하는 위치 센서(13)를 구비하고 있다. 모터(10)와 모터 구동부(11)와 감속기(12)는, 구동부(16)를 구성하고 있다.

도 2는 제어부(8)의 구성을 나타내는 블럭도이다. 제어부(8)는, 전원 투입시로부터 충전 대기 시간이 경과한 후에 충전부(3)에 의한 축전부(2)의 충전을 개시시키는 충전 제어부(80)와, 외부로부터 전원이 공급되는 통전시에 개방도 목표치에 따라서 밸브(200)의 개방도를 제어하는 개방도 제어부(81)와, 정전시에 승압부(4)에 대하여 승압 인에이블 신호를 출력하는 승압 제어부(82)와, 정전시에 축전부(2)에 축적되어 있는 에너지를 이용하여 밸브(200)를 원하는 개방도 위치까지 동작시키는 리턴 제어부(83)와, 정보 기억을 위한 기억부(84)와, 축전부(2)의 용량을 연산하는 용량 연산부(85)와, 축전부(2)에 축적되어 있는 에너지의 값을 연산하는 충전 에너지 연산부(86)와, 전원의 투입시에 개방도 목표치가 나타내는 위치로부터 원하는 개방도 위치까지 밸브(200)를 동작시키는 데 필요한 에너지의 값을 연산하는 필요 에너지 연산부(87)로 구성된다.

이하, 본 실시예의 전동 액츄에이터(100)의 동작을 설명한다. 도 3은 전원 투입시의 전동 액츄에이터(100)의 동작을 설명하는 플로우차트이다.

메인 전원부(1)는, 도시하지 않은 외부 전원으로부터 전원 전압이 공급되면, 이 전원 전압으로부터 소정의 메인 전원 전압을 생성한다(도 3 단계 S100). 또, 외부 전원으로부터 공급되는 전원 전압은 교류이어도 좋고 직류이어도 좋다. 외부 전원으로부터 공급되는 전원 전압이 교류인 경우에는, 메인 전원부(1)의 내부에서 정류ㆍ평활하고, 또한 강압하여 원하는 메인 전원 전압을 생성하면 된다. 정전 검출부(5)는, 메인 전원부(1)로부터 메인 전원 전압이 공급되고 있기 때문에, 정전 검출 신호는 출력하지 않는다.

메인 전원 전환부(6)는, 정전 검출부(5)로부터의 정전 검출 신호의 입력이 없기 때문에, 메인 전원부(1)로부터의 메인 전원 전압을 선택하여 출력한다. 이에 따라, 메인 전원 전압이 메인 전원 전환부(6)를 통해 제어 전원부(9)와 모터 구동부(11)에 공급된다. 제어 전원부(9)는, 메인 전원 전압으로부터 소정의 제어계 전원 전압을 생성한다. 제어 전원부(9)로부터 제어계 전원 전압이 공급됨으로써, 제어부(8)가 기동한다.

제어부(8)는, 후술하는 동작을 위한 프로그램을 기억부(84)로부터 독출함과 함께, 자(自)장치와 동일한 전원 계통에 접속된 복수의 전동 액츄에이터 내에서의 자장치의 우선도에 대응하는 충전 번호 CN과, 축전부(2)의 충전에 요하는 표준 시간을 나타내는 표준 충전 시간 CT(일반적으로는 축전부(2)의 충전에 요하는 최장 시간)을 독출하는 초기 설정 처리를 행한다(도 3 단계 S101).

제어부(8)의 충전 제어부(80)는, 기억부(84)로부터 독출한 충전 번호 CN과 표준 충전 시간 CT으로부터 충전 대기 시간 CWT을 다음 식과 같이 산출한다(도 3 단계 S102).

CWT = CN × CT ㆍㆍㆍ(1)

그리고, 충전 제어부(80)는, 충전 대기 시간 CWT이 경과할 때까지 대기한다. 충전 제어부(80)는, 전원 투입시(기동시)로부터 충전 대기 시간 CWT이 경과하면(도 3 단계 S103에 있어서 YES), 충전부(3)에 충전 인에이블 신호를 출력한다(도 3 단계 S104). 이 충전 인에이블 신호의 출력에 따라서, 충전부(3)는, 메인 전원부(1)로부터의 메인 전원 전압을 입력으로 하고, 축전부(2)에 충전 전류를 출력하여 축전부(2)의 충전을 개시한다.

또한, 제어부(8)가 기동하면, 제어부(8)의 개방도 제어부(81)는, 개방도 목표 처리부(7)로부터 밸브(200)의 개방도 목표치 θ_ref(°)를 취득한다. 개방도 목표 처리부(7)는, 메인 전원부(1)로부터 메인 전원 전압의 공급을 받아 동작하고, 도시하지 않은 컨트롤러로부터 개방도 목표 신호를 수신하여, 이 개방도 목표 신호가 나타내는 개방도 목표치 θ_ref(°)를 제어부(8)에 출력한다.

다음으로, 제어부(8)의 용량 연산부(85)는, 축전부(2)의 용량을 연산한다(도 3 단계 S105). 본 실시예에서는, 축전부(2)로서 전기 2중층 콘덴서를 이용하고 있기 때문에, 축전부(2)의 용량치는, 전기 2중층 콘덴서의 정전 용량치 CC(F)이다. 용량 연산부(85)의 동작을 도 4를 이용하여 설명한다.

우선, 용량 연산부(85)는, 충전 개시로부터 시간 T1(s) 경과후의 축전부(2)의 축전 전압(전기 2중층 콘덴서의 단자간 전압) CV1(V)을 측정한다(도 4 단계 S200). 계속해서, 용량 연산부(85)는, 충전 개시로부터 시간 T2(s) 경과후의 축전부(2)의 축전 전압 CV2(V)를 측정한다(도 4 단계 S201). T2>T1인 것은 물론이다.

그리고, 용량 연산부(85)는, 측정한 축전 전압 CV1, CV2(V)을 기초로 축전부(2)의 용량치(전기 2중층 콘덴서의 정전 용량치) CC(F)를 연산한다. 여기서, 용량 연산부(85)는, 충전부(3)에 의한 축전부(2)의 충전 방법이 정전류 충전 방법인 경우(도 4 단계 S202에 있어서 YES), 이하의 식(2)에 의해 용량치 CC(F)를 연산한다(도 4 단계 S203).

[수 1]

용량 연산부(85)는, 정전류 I에 의해 축전부(2)를 충전하는 방법(정전류 충전 방법)의 경우(단계 S202에 있어서 YES), 식(2)에 의해 용량치 CC(F)를 연산한다(도 4 단계 S203). 또한, 용량 연산부(85)는, 충전부(3)의 저항과 축전부(2)의 전기 2중층 콘덴서로 이루어진 RC 직렬 회로에 의해 축전부(2)를 충전하는 방법(충전 전류가 시간과 함께 변화하는 방법)의 경우(단계 S202에 있어서 NO), 이하의 식(3)에 의해 용량치 CC(F)를 연산한다(도 4 단계 S204).

[수 2]

식(3)에 있어서 R(Ω)은 충전부(3)의 저항의 저항치, E는 충전부(3)가 RC 직렬 회로에 인가하는 충전 전원 전압치이다. 식(3)의 f(CC)는, 0<CC<CCmax에 반드시 해(解)를 갖기 때문에, 이분법이나 뉴튼법 등의 수치 해석으로 해를 구함으로써, 용량치 CC(F)를 연산할 수 있다(CCmax(F)는 초기 정전 용량 범위의 최대치). 이상으로, 용량 연산부(85)의 처리가 종료한다.

다음으로, 제어부(8)의 충전 에너지 연산부(86)는, 축전부(2)에 축적되어 있는 에너지 CP(J)를 연산한다. 구체적으로는, 충전 에너지 연산부(86)는, 축전부(2)의 축전 전압 CV(V)을 측정한다(도 3 단계 S106). 그리고, 충전 에너지 연산부(86)는, 용량 연산부(85)에 의해 연산된 축전부(2)의 용량치 CC(F)와 측정한 축전 전압 CV(V)를 기초로 식(4)에 의해 에너지 CP(J)를 연산한다(도 3 단계 S107).

[수 3]

제어부(8)의 필요 에너지 연산부(87)는, 현재의 개방도 목표 위치로부터 원하는 개방도 위치(본 실시예에서는 완전 폐쇄 위치)까지 밸브(200)를 리턴 동작시키는 데 필요한 에너지인 개방도 목표 충전 에너지 CPref(J)를 식(5)에 의해 연산한다(도 3 단계 S108).

[수 4]

식(5)에 있어서, MT(N.m)는 밸브(200)의 기지의 밸브축의 부하 토크치, N(rpm)은 감속기(12)에 의해 구동되는 밸브(200)의 밸브축의 기지의 회전수, CTP(W)는 제어부(8)가 소비하는 기지의 전력치(정전시에 동작하는 리턴 제어부(83)와 승압 제어부(82)의 소비 전력치), θ_open(°)은 밸브(200)의 완전 개방 개방도값, T_open(s)은 밸브(200)가 완전 폐쇄 위치로부터 완전 개방 위치까지 도달하는 데 필요한 기지의 시간인 완전 개방 동작 시간값, η_mc(%)는 감속기(12)의 기지의 기계 효율, η_mt(%)는 모터(10)의 기지의 효율, η_ps(%)는 승압부(4)의 기지의 효율이다. 토크 MT(N.m)와 회전수 N(rpm)와 완전 개방 동작 시간 T_open(s)와 감속기(12)의 기계 효율 η_mc(%)과 모터(10)의 효율 η_mt(%)은, 구동부(16)의 성능을 나타내고 있다.

제어부(8)의 충전 제어부(80)는, CP<CPref, 즉 축전부(2)에 축적되어 있는 에너지 CP(J)가 개방도 목표 충전 에너지 CPref(J)에 도달하지 않은 경우(도 3 단계 S109에 있어서 NO), 밸브(200)의 리턴 동작에 필요한 충전이 불충분하다고 판단하여, 충전 인에이블 신호의 출력을 계속하고, 충전부(3)에 의한 축전부(2)의 충전을 계속시킨다(도 3 단계 S110).

이렇게 하여, 축전부(2)에 축적되어 있는 에너지 CP(J)가 개방도 목표 충전 에너지 CPref(J)에 도달할 때까지 단계 S106∼S110의 처리가 반복 실행된다.

제어부(8)의 개방도 제어부(81)는, CP≥CPref, 즉 축전부(2)에 축적되어 있는 에너지 CP(J)가 개방도 목표 충전 에너지 CPref(J) 이상이 되면(단계 S109에 있어서 YES), 개방도 목표치 θ_ref와 위치 센서(13)에 의해 측정된 밸브(200)의 개방도의 실측치(실개방도)를 비교하여, 개방도 목표치 θ_ref와 실개방도가 일치하도록, 모터 구동부(11)에 모터 제어 신호를 출력한다. 모터 구동부(11)는, 모터 제어 신호에 따라서 모터(10)에 구동 전압을 출력한다. 이에 따라, 모터(10)가 구동되고, 이 모터(10)의 구동력이 감속기(12)를 통해 밸브(200)의 밸브축에 전달되고, 이 밸브축에 피봇된 밸브체를 조작함으로써 밸브(200)의 개방도가 조정된다. 이렇게 하여, 밸브(200)의 개방도를 θ_ref(°)로 한다(도 3 단계 S111). 위치 센서(13)는, 감속기(12)를 통해 밸브(200)의 밸브축의 변위량을 검출하고, 밸브 개방도의 실측치(실개방도)를 제어부(8)로 보낸다.

다음으로, 제어부(8)의 충전 제어부(80)는, CP<CPhigh, 즉 축전부(2)에 축적되어 있는 에너지 CP(J)가 소정의 충전 에너지 상한치 CPhigh(J)에 도달하지 않은 경우(도 3 단계 S112에 있어서 NO), 단계 S106으로 되돌아간다.

이렇게 하여, 축전부(2)에 축적되어 있는 에너지 CP(J)가 충전 에너지 상한치 CPhigh(J)에 도달할 때까지 단계 S106∼S112의 처리가 반복 실행된다.

충전 에너지 상한치 CPhigh(J)는, 완전 개방 위치로부터 원하는 개방도 위치(본 실시예에서는 완전 폐쇄 위치)까지 밸브(200)를 리턴 동작시키는 데 필요한 에너지인 완전 개방 리턴 충전 전력에, 축전부(2)의 자기 방전하는 에너지분을 더한 값이다. 실용상으로는 완전 개방 리턴 충전 전력의 수십% 증가의 값으로 설정하면 된다.

충전 제어부(80)는, CP≥CPhigh, 즉 축전부(2)에 축적되어 있는 에너지 CP(J)가 충전 에너지 상한치 CPhigh(J) 이상이 되면(단계 S112에 있어서 YES), 충전 인에이블 신호의 출력을 정지하고, 충전부(3)에 의한 축전부(2)의 충전을 정지시킨다(도 3 단계 S113).

이상으로, 전원 투입시의 제어부(8)의 동작이 종료하고, 이후는 통상 동작으로 이행한다.

도 5는 통상시의 전동 액츄에이터(100)의 동작을 설명하는 플로우차트이다. 밸브(200)의 개방도를 θ_ref(°)로 하는 처리(도 5 단계 S300)는, 단계 S111에서 설명한 바와 같다. 또, 컨트롤러는, 필요에 따라서 개방도 목표치 θ_ref(°)를 적절하게 변경하는 것은 물론이다.

다음으로, 제어부(8)의 충전 에너지 연산부(86)는, 축전부(2)의 축전 전압 CV(V)을 측정한다(도 5 단계 S301). 그리고, 충전 에너지 연산부(86)는, 단계 S105에 있어서 용량 연산부(85)에 의해 연산된 축전부(2)의 용량치 CC(F)와 단계 S301에서 측정한 축전 전압 CV(V)를 기초로 식(4)에 의해, 축전부(2)에 축적되어 있는 에너지 CP(J)를 연산한다(도 5 단계 S302).

제어부(8)의 충전 제어부(80)는, CP≤CPlow, 즉 축전부(2)에 축적되어 있는 에너지 CP(J)가 소정의 충전 에너지 하한치 CPlow(J) 이하인 경우(도 5 단계 S303에 있어서 YES), 충전부(3)에 충전 인에이블 신호를 출력하고, 충전부(3)에 의한 축전부(2)의 충전을 개시시킨다(도 5 단계 S304).

이렇게 하여, 축전부(2)에 축적되어 있는 에너지 CP(J)가 충전 에너지 하한치 CPlow(J)를 상회할 때까지 단계 S300∼S304의 처리가 반복 실행된다.

충전 에너지 하한치 CPlow(J)는, 완전 개방 위치로부터 원하는 개방도 위치(본 실시예에서는 완전 폐쇄 위치)까지 밸브(200)를 리턴 동작시키는 데 필요한 에너지인 완전 개방 리턴 충전 전력이다.

충전 제어부(80)는, CP>CPlow, 즉 축전부(2)에 축적되어 있는 에너지 CP(J)가 충전 에너지 하한치 CPlow(J)를 상회하면(단계 S303에 있어서 NO), 에너지 CP(J)가 소정의 충전 에너지 상한치 CPhigh(J) 이상인지 아닌지를 판정한다(도 5 단계 S305).

충전 제어부(80)는, CP<CPhigh, 즉 축전부(2)에 축적되어 있는 에너지 CP(J)가 충전 에너지 상한치 CPhigh(J)에 도달하지 않은 경우(단계 S305에 있어서 NO), 충전 인에이블 신호의 출력을 계속하고, 충전부(3)에 의한 축전부(2)의 충전을 계속시킨다(도 5 단계 S306).

이렇게 하여, 축전부(2)에 축적되어 있는 에너지 CP(J)가 충전 에너지 상한치 CPhigh(J)에 도달할 때까지 단계 S300∼S306의 처리가 반복 실행된다.

충전 제어부(80)는, CP≥CPhigh, 즉 축전부(2)에 축적되어 있는 에너지 CP(J)가 충전 에너지 상한치 CPhigh(J) 이상이 되면(단계 S305에 있어서 YES), 충전 인에이블 신호의 출력을 정지하고, 충전부(3)에 의한 축전부(2)의 충전을 정지시키고(도 5 단계 S307), 단계 S300으로 되돌아간다. 이상의 도 5의 처리가 전원이 차단될 때까지 계속된다.

다음으로, 본 실시예의 충전 번호 CN의 설정 방법에 관해 설명한다. 본 실시예에서는, 도 6에 나타낸 바와 같이 하나의 전원 계통(101)에 복수의 전동 액츄에이터(100-1∼100-N)가 접속되어 있는 경우에, 전류 용량과 충전 시간을 최적화하기 위해, 각 전동 액츄에이터(100-1∼100-N)를 복수의 그룹으로 분류하고, 그룹마다 상이한 충전 번호 CN을 각 전동 액츄에이터(100-1∼100-N)에 대하여 설정한다. 따라서, 본 실시예에서는 도 7에 나타낸 바와 같이 그룹 #1, #2, ㆍㆍㆍ, #n마다 축전부(2)의 충전이 행해진다.

우선, 전원 계통(101)의 전류 용량치를 중시하는 설계를 행하는 경우에는, 전원 계통(101)의 허용되는 최대 전류 용량치 LMI(A)와 전동 액츄에이터(100)의 축전부(2)를 충전할 때에 전원 계통(101)으로부터 전동 액츄에이터(100)로 흐르는 전류의 값 CI(A)으로부터, 하나의 그룹에 포함되는 전동 액츄에이터(100)의 최대수 GCN을 다음 식과 같이 계산한다.

GCN = LMI / CI ㆍㆍㆍ(6)

또, 정확하게는 식(6)의 계산 결과의 소수점 이하를 버린 정수치가, 구하는 최대수 GCN이다. 여기서, 충전부(3)에 의한 축전부(2)의 충전 방법에는, 정전류 충전 방법과, 충전부(3)의 저항과 축전부(2)의 전기 2중층 콘덴서로 이루어진 RC 직렬 회로에 의해 축전부(2)를 충전하는 방법(충전 전류가 시간과 함께 변화하는 방법)이 있다.

정전류 충전 방법의 경우에는, 도 8의 (A)에 나타낸 바와 같이 100-GC1∼100-GCN의 GCN개의 전동 액츄에이터(100)의 각각에 전원 계통(101)으로부터 일정한 전류 CI가 흐르기 때문에, 총계로서 LMI의 전류가 흐른다(도 8의 (B)). 환언하면, 전원 계통(101)으로부터 GCN개의 전동 액츄에이터(100-GC1∼100-GCN)로 흐르는 총계의 전류가 LMI 이하가 되도록 GCN을 결정하면 된다.

한편, RC 직렬 회로에 의한 충전 방법의 경우에는, 도 9의 (A)에 나타낸 바와 같이 100-GC1∼100-GCN의 GCN개의 전동 액츄에이터(100)의 각각에 최대로 CI의 전류가 흐른다. 따라서, 전원 계통(101)으로부터 GCN개의 전동 액츄에이터(100-GC1∼100-GCN)로 흐르는 총계의 전류의 최대치가 LMI 이하가 되도록 GCN을 결정하면 된다.

계속해서, 하나의 전원 계통(101)에 접속되어 있는 전동 액츄에이터(100)의 대수 N과 식(6)에서 계산한 GCN에 기초하여 그룹수 GN을 다음 식과 같이 계산한다.

GN = N / GCN ㆍㆍㆍ(7)

또, 정확하게는 식(7)의 계산 결과의 소수점 이하를 올린 정수치가, 구하는 그룹수 GN이다. 대수 N의 전동 액츄에이터(100)의 축전부(2)의 충전에 요하는 전원 계통 최대 충전 시간 LMCT은 다음 식과 같다.

LMCT = GN × CT ㆍㆍㆍ(8)

식(8)은, 도 10에 나타낸 바와 같이 그룹 #1∼#GN마다 전동 액츄에이터(100)의 축전부(2)의 충전을 행할 때의 총계의 충전 시간이 LMCT인 것을 나타내고 있다.

이렇게 하여, 설계자는, 전원 계통(101)으로부터 각 전동 액츄에이터(100)로 흐르는 총계의 전류가, 허용되는 최대 전류 용량치 LMI 이하(하나의 그룹에 포함되는 전동 액츄에이터(100)의 대수가 식(6)에서 계산된 GCN 이하)이고, 또한 우선도가 높은 전동 액츄에이터(100)일수록 먼저 충전되도록, 대수 N의 전동 액츄에이터(100)의 각각을 그룹 #1∼#GN의 어느 것으로 분류하고, 분류한 그룹 #1∼#GN에 대응하는 충전 번호 CN을 각 전동 액츄에이터(100-1∼100-N)에 대하여 미리 설정해 두면 된다.

다음으로, 전원 계통 최대 충전 시간 LMCT을 중시하는 설계 방법에 관해 설명한다. 우선, 허용되는 전원 계통 최대 충전 시간 LMCT과 표준 충전 시간 CT으로부터, 하나의 그룹에 포함되는 전동 액츄에이터(100)의 최대수 GCN을 다음 식과 같이 계산한다.

GCN = LMCT / CT ㆍㆍㆍ(9)

즉, 대수 N의 전동 액츄에이터(100)의 축전부(2)의 충전에 요하는 총계의 시간이 LMCT 이하가 되도록, 최대수 GCN을 결정하면 된다. 또, 식(6)의 경우와 마찬가지로, 식(9)의 계산 결과의 소수점 이하를 버린 정수치가, 구하는 최대수 GCN이다.

계속해서, 하나의 전원 계통(101)에 접속되어 있는 전동 액츄에이터(100)의 대수 N과 식(9)에서 계산한 GCN에 기초하여 그룹수 GN을 식(7)에 의해 계산한다. 상기에서 설명한 대로, 식(7)의 계산 결과의 소수점 이하를 올린 정수치가, 구하는 그룹수 GN이다. 전원 계통(101)의 최대 전류 용량치 LMI(A)는 다음 식과 같다.

LMI = GCN × CI ㆍㆍㆍ(10)

상기에서 설명한 대로, 정전류 충전 방법의 경우에는, 충전중인 그룹의 각 전동 액츄에이터(100)의 각각에 전원 계통(101)으로부터 일정한 전류 CI(A)가 흐르고, RC 직렬 회로에 의한 충전 방법의 경우에는, 각 전동 액츄에이터(100)의 각각에 최대로 CI(A)의 전류가 흐른다.

이렇게 하여, 설계자는, 각 전동 액츄에이터(100)의 충전에 요하는 총계의 시간이, 허용되는 전원 계통 최대 충전 시간 LMCT 이하(하나의 그룹에 포함되는 전동 액츄에이터(100)의 대수가 식(9)에서 계산된 GCN 이하)이고, 또한 우선도가 높은 전동 액츄에이터(100)일수록 먼저 충전되도록, 대수 N의 전동 액츄에이터(100)의 각각을 그룹 #1∼#GN의 어느 것으로 분류하고, 분류한 그룹 #1∼#GN에 대응하는 충전 번호 CN을 각 전동 액츄에이터(100-1∼100-N)에 대하여 미리 설정해 두면 된다.

이상에 의해, 전류 용량과 충전 시간을 최적화하는 설계를 행할 수 있고, 이 설계의 결과에 기초하는 충전 번호 CN을 각 전동 액츄에이터(100)에 설정할 수 있다.

또, 상기 우선도는, 예컨대 전동 액츄에이터(100)가 설치되는 시설측의 요구에 의해 결정된다.

다음으로, 정전시의 동작에 관해 설명한다. 도 11은 정전시의 전동 액츄에이터(100)의 동작을 설명하는 플로우차트이다.

어떠한 이유에 의해 외부 전원(도 6의 배전반(102))으로부터 메인 전원부(1)로의 전원 전압 공급이 정지되면(도 11 단계 S400에 있어서 YES), 메인 전원부(1)가 메인 전원 전압을 생성할 수 없게 되므로, 정전 검출부(5)는 정전 검출 신호를 출력한다(도 11 단계 S401).

제어부(8)의 승압 제어부(82)는, 정전 검출부(5)로부터 정전 검출 신호가 출력되면, 즉시 승압부(4)에 대하여 승압 인에이블 신호를 출력한다(도 11 단계 S402).

이 승압 인에이블 신호의 출력에 따라서, 승압부(4)는, 축전부(2)의 축전 전압(전기 2중층 콘덴서의 단자간 전압)을 메인 전원 전압과 동등한 값까지 승압한다(도 11 단계 S403).

메인 전원 전환부(6)는, 정전 검출부(5)로부터 정전 검출 신호가 출력되면, 승압부(4)로부터의 승압 전원 전압을 선택하여 출력한다(도 11 단계 S404). 이에 따라, 승압 전원 전압이 메인 전원 전환부(6)를 통해 제어 전원부(9)와 모터 구동부(11)에 공급된다. 제어 전원부(9)는, 승압 전원 전압을 강압하여 소정의 제어계 전원 전압을 생성한다.

다음으로, 제어부(8)의 리턴 제어부(83)는, 원하는 개방도 위치(본 실시예에서는 완전 폐쇄 위치)와 위치 센서(13)에 의해 측정된 밸브(200)의 실개방도가 일치하도록, 모터 구동부(11)에 모터 제어 신호를 출력한다. 모터 구동부(11)는, 모터 제어 신호에 따라서 모터(10)에 구동 전압을 출력한다. 이에 따라, 모터(10)가 구동되고, 밸브(200)의 개방도가 조정된다. 이렇게 하여, 밸브(200)를 원하는 개방도 위치까지 리턴 동작시킬 수 있다(도 11 단계 S405).

이상과 같이 본 실시예에서는, 전원 투입시로부터 충전 대기 시간 CWT이 경과한 후에 충전부(3)에 의한 축전부(2)의 충전을 개시시키도록 했기 때문에, 하나의 전원 계통(101)에 복수의 전동 액츄에이터(100)가 접속되어 있는 경우에, 전원 계통(101) 및 배전반(102)에 필요한 전류 용량과 각 전동 액츄에이터(100)의 총계의 충전 시간을 최적화할 수 있다.

또한, 본 실시예에서는, 스프링 리턴형의 액츄에이터와 비교하여, (I) 스프링을 완전히 감기 위한 토크를 필요로 하지 않는다, (II) 정전시의 밸브의 목표 위치를 완전 폐쇄, 완전 개방 혹은 임의의 위치에 설정할 수 있다, (III) 정전시의 동작을 제어하기 위한 클러치나 브레이크 등의 기구를 필요로 하지 않는다, 라는 이점이 있다.

본 실시예에 의해, 전원 계통(101) 및 배전반(102)의 전류 용량을 억제할 수 있기 때문에, 스프링 리턴형의 액츄에이터를, 여러 이점을 갖는 본 실시예의 전동 액츄에이터로 치환이 가능하고, 운용시의 소비 전력 삭감 및 리턴시의 제어에 필요한 기구의 삭감 등에 의해 환경 부하 저감에 공헌할 수 있다. 또한, 스프링 리턴형의 액츄에이터를 채용하고 있는 일반 산업 기기까지 본 실시예를 확대하여 적용할 수 있다.

[제2 실시예]

다음으로, 본 발명의 제2 실시예에 관해 설명한다. 도 12는 본 발명의 제2 실시예에 관한 전동 액츄에이터의 구성을 나타내는 블럭도이며, 도 1과 동일한 구성에는 동일한 부호를 붙였다. 본 실시예의 전동 액츄에이터(100a)는, 메인 전원부(1a)와, 축전부(2)와, 충전부(3a)와, 승압부(4)와, 정전 검출부(5a)와, 메인 전원 전환부(6)와, 개방도 목표 처리부(7)와, 제어부(8)와, 제어 전원부(9)와, 모터(10)와, 모터 구동부(11)와, 감속기(12)와, 위치 센서(13)와, 외부 전원(도 6의 배전반(102))으로부터 공급되는 전원 전압을 정류하는 정류부(14)와, 정류부(14)에 의해 정류된 직류 전압을 평활화하는 평활부(15)를 구비하고 있다.

제1 실시예는, 외부 전원으로부터 공급되는 전원 전압이 예컨대 AC85V∼AC264V라는 고전압인 경우에 대응하는 예이다. 이것에 대하여, 본 실시예는, 외부 전원으로부터 공급되는 전원 전압이 예컨대 AC24V라는 저전압에 대응하는 예이다.

정류부(14)는, 외부 전원으로부터의 교류 전원 전압을 정류한다. 평활부(15)는, 정류부(14)에 의해 정류된 맥류의 직류 전압을 평활화한다.

본 실시예의 메인 전원부(1a)는, 제1 실시예의 메인 전원부(1)와 마찬가지로 메인 전원 전압을 생성하지만, 평활부(15)로부터 출력되는 직류 전원 전압을 입력으로 하는 점이 상이하다.

충전부(3a)는, 제1 실시예의 충전부(3)와 마찬가지로 제어부(8)로부터의 충전 인에이블 신호에 따라서 축전부(2)의 충전을 행하지만, 평활부(15)로부터 출력되는 직류 전원 전압을 입력으로 하는 점이 상이하다.

정전 검출부(5a)는, 제1 실시예의 정전 검출부(5)와 마찬가지로 전원의 차단을 검출하지만, 평활부(15)로부터 출력되는 직류 전원 전압을 입력으로 하는 점이 상이하다.

그 밖의 구성은 제1 실시예에서 설명한 대로이다.

이렇게 하여, 저전압의 외부 전원에 접속되는 전동 액츄에이터에 있어서도 제1 실시예와 동일한 효과를 얻을 수 있다. 상기 예에서는, 외부 전원으로부터 공급되는 전원 전압이 교류인 경우로 설명했지만, 외부 전원으로부터 공급되는 전원 전압이 직류이어도 되는 것은 물론이다.

제1, 제2 실시예에서는, 각 전동 액츄에이터(100, 100a)에 있어서 제어부(8)에 용량 연산부(85)와 충전 에너지 연산부(86)를 설치하고, 축전부(2)에 축적되어 있는 에너지 CP(J)가 충전 에너지 상한치 CPhigh(J) 이상이 되었다고 판단한 시점에, 충전 제어부(80)가 충전을 정지시키도록 하고 있지만, 충전 개시로부터 표준 충전 시간 CT이 경과한 시점에 충전을 정지시키도록 해도 좋으며, 제1, 제2 실시예에 한정되지 않는다.

또한, 제1, 제2 실시예에서는, 축전부(2)에서의 축전 소자로서 전기 2중층 콘덴서를 이용하고 있지만, 이것에 한정되지 않고, 예컨대 리튬 이온 커패시터 등의 축전할 수 있는 소자라면 적용 가능하다.

또한, 제1, 제2 실시예에서는, 충전부(3)에 의한 축전부(2)의 충전 방법으로서, 정전류 충전 방법과 RC 직렬 회로에 의한 충전 방법을 설명했지만, CI와 CT를 산출할 수 있는 방법이라면, 이들 이외의 충전 방법이어도 좋다.

또한, 제1, 제2 실시예에서는, 충전 번호 CN을 기억부(84)에서 기억하고 있지만, 충전 번호 CN을 딥스위치로 설정하도록 해도 좋다. 이 경우는, 제어부(8)가 딥스위치의 설정을 판독하는 것에 의해, 충전 번호 CN을 취득하면 된다.

제1, 제2 실시예의 제어부(8)는, CPU, 기억 장치 및 외부와의 인터페이스를 구비한 컴퓨터와, 이들 하드웨어 자원을 제어하는 프로그램에 의해 실현할 수 있다. CPU는, 기억 장치에 저장된 프로그램에 따라서 제1, 제2 실시예에서 설명한 처리를 실행한다.

본 발명은 전동 액츄에이터의 축전부를 충전하는 기술에 적용할 수 있다.

1, 1a : 메인 전원부, 2 : 축전부, 3, 3a : 충전부, 4 : 승압부, 5, 5a : 정전 검출부, 6 : 메인 전원 전환부, 7 : 개방도 목표 처리부, 8 : 제어부, 9 : 제어 전원부, 10 : 모터, 11 : 모터 구동부, 12 : 감속기, 13 : 위치 센서, 14 : 정류부, 15 : 평활부, 16 : 구동부, 80 : 충전 제어부, 81 : 개방도 제어부, 82 : 승압 제어부, 83 : 리턴 제어부, 84 : 기억부, 85 : 용량 연산부, 86 : 충전 에너지 연산부, 87 : 필요 에너지 연산부, 100, 100a : 전동 액츄에이터, 200 : 밸브, 101 : 전원 계통, 102 : 배전반.

Claims

전동 액츄에이터로서,
외부로부터 전원이 공급되는 통전시에 개방도 목표치에 따라서 밸브의 개방도를 제어하도록 구성된 개방도 제어부와,
전기 에너지를 비축하도록 구성된 축전부와,
상기 통전시에 상기 축전부를 충전하도록 구성된 충전부와,
상기 전원이 차단된 정전시에 상기 축전부에 축적되어 있는 에너지를 이용하여 상기 밸브를 원하는 개방도 위치까지 동작시키도록 구성된 리턴 제어부와,
상기 전원의 투입시로부터, 미리 규정된 충전의 우선도에 따라서 결정되는 충전 대기 시간이 경과한 후에 상기 충전부에 의한 상기 축전부의 충전을 개시시키도록 구성된 충전 제어부
를 구비하는 것을 특징으로 하는 전동 액츄에이터.
제1항에 있어서,
상기 우선도에 대응하는 충전 번호와 상기 축전부의 충전에 요하는 충전 시간을 미리 기억하는 기억부를 더 구비하고,
상기 충전 제어부는, 상기 충전 번호와 상기 충전 시간에 기초하여 상기 충전 대기 시간을 산출하고, 상기 전원의 투입시로부터 상기 충전 대기 시간이 경과한 후에 상기 충전부에 의한 상기 축전부의 충전을 개시시키는 것을 특징으로 하는 전동 액츄에이터.
제2항에 있어서,
하나의 전원 계통에 복수의 전동 액츄에이터가 접속되어 있는 경우에 전원 계통으로부터 각 전동 액츄에이터로 흐르는 총계의 전류가, 허용되는 최대 전류 용량치 이하이고, 또한 상기 우선도가 높은 전동 액츄에이터일수록 먼저 충전되도록, 각 전동 액츄에이터가 분류되고, 분류된 그룹에 대응하는 상기 충전 번호가 상기 기억부에 미리 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 전동 액츄에이터.
제2항에 있어서,
하나의 전원 계통에 복수의 전동 액츄에이터가 접속되어 있는 경우에 각 전동 액츄에이터의 충전에 요하는 총계의 시간이, 허용되는 최대 충전 시간 이하이고, 또한 상기 우선도가 높은 전동 액츄에이터일수록 먼저 충전되도록, 각 전동 액츄에이터가 분류되고, 분류된 그룹에 대응하는 상기 충전 번호가 상기 기억부에 미리 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 전동 액츄에이터.