WO2025253680A1 - 電動弁制御装置、電動弁装置、及び、電動弁の制御方法 - Google Patents
電動弁制御装置、電動弁装置、及び、電動弁の制御方法Info
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- H02P8/00—Arrangements for controlling dynamo-electric motors rotating step by step
- H02P8/32—Reducing overshoot or oscillation, e.g. damping
Definitions
- This disclosure relates to an electric valve control device, an electric valve device, and a method for controlling an electric valve.
- the present disclosure aims to provide an electric valve control device, an electric valve device, and a control method for an electric valve that can prevent stepping motors from losing synchronization and reduce the durability of electric valves.
- An electric valve control device includes: 1. An electric valve control device for controlling an electric valve having a valve body having a valve port, a stepping motor having a rotor and a stator connected to a motor driver, and a valve element that moves relative to the valve port when the rotor rotates,
- the motor-operated valve control device supplies a drive current to the stator to rotate the rotor, and after the supply of the drive current is completed, supplies a post-excitation current to the stator having an amplitude larger than that of the drive current.
- This disclosure provides an electric valve control device, an electric valve device, and a control method for an electric valve that can prevent stepping motors from losing synchronization and reduce the durability of electric valves.
- FIG. 1 is a block diagram of a motor-operated valve device according to an embodiment of the present disclosure.
- FIG. 1 is a longitudinal cross-sectional view of a motor-operated valve according to an embodiment of the present disclosure.
- FIG. 1 is a schematic diagram of a rotor and a stator of a stepping motor included in an electric valve according to an embodiment of the present disclosure.
- FIG. 10 is a graph of A-phase current and B-phase current according to a reference example. 10 is a graph of A-phase current and B-phase current according to the first embodiment of the present disclosure. 10 is a graph of A-phase current and B-phase current according to a second embodiment of the present disclosure. 10 is a graph of A-phase current and B-phase current according to a third embodiment of the present disclosure.
- ⁇ Structure of the motor-operated valve device> 1 is a block diagram of a motor-operated valve device 100 according to an embodiment of the present disclosure.
- the motor-operated valve device 100 includes a motor-operated valve control device 10 and a motor-operated valve 20, and controls the flow rate of a refrigerant, for example.
- the motor-operated valve control device 10 includes a motor driver 11, a processor 12 such as a CPU, and a memory 13.
- the motor-operated valve 20 includes a stepping motor 21.
- the motor driver 11 is driven by the processor 12 to supply a drive current to the stepping motor 21.
- the processor 12 drives the motor driver 11 by referencing the drive parameters for the stepping motor 21 stored in the memory 13.
- FIG. 2 is a longitudinal cross-sectional view of an electric valve 20 according to an embodiment of the present disclosure.
- the electric valve 20 has a stator 22, a valve body 30, a valve element 40, and a drive unit 50.
- the stepping motor 21 shown in FIG. 1 is composed of the stator 22 and the rotor 55 of the drive unit 50 shown in FIG. 2, and is, for example, a PM-type stepping motor.
- the stator 22 is composed of an A-phase stack 23 and a B-phase stack 24, and rotates the rotor 55 when a drive current is supplied from the motor driver 11 shown in Figure 1.
- the A-phase stack 23 and the B-phase stack 24 face each other in the central axis direction Y, with the A-phase stack 23 located above the B-phase stack 24.
- the valve body 30 is a cylindrical member with a bottom that extends in the central axis direction Y and has a main valve chamber 32 therein that houses the valve element 40.
- the valve body 30 has an inlet passage 33 that communicates with the main valve chamber 32 in the left-right direction, and an outlet passage 34 that extends downward from the main valve chamber 32.
- An inlet pipe 35 is connected to the inlet passage 33, and an outlet pipe 36 is connected to the outlet passage 34.
- a main valve seat 37 that surrounds the outlet passage 34 is formed on the periphery of the valve opening 34a of the outlet passage 34.
- the motor-operated valve may also be used by circulating fluid in the opposite direction. In this case, the fluid flows into the main valve chamber 32 from the outlet passage 34 side and flows out from the inlet passage 33.
- the valve body 40 has a body portion 41, a valve portion 42, a spring receiving portion 43, and a ball receiving portion 44.
- the body portion 41 has a generally cylindrical shape extending in the central axis direction Y.
- the valve portion 42 has a generally conical shape with its tip facing downward and is located below the body portion 41.
- the tip of the valve portion 42 faces the valve opening 34a of the outflow channel 34 in the central axis direction Y.
- the spring receiving portion 43 has a ring shape and is located above the body portion 41.
- the outer diameter of the spring receiving portion 43 is larger than the outer diameter of the body portion 41.
- the body portion 41, valve portion 42, and spring receiving portion 43 may be formed integrally.
- the ball receiving portion 44 is fixed to the upper end of the body portion 41.
- the valve element 40 is movable vertically within the internal space of the valve body 30, and can open and close the outflow path 34 by seating on or separating from the main valve seat 37. Therefore, when the valve element 40 is in the open state, the fluid that flows in from the inflow path 33 flows out into the outflow path 34 via the main valve chamber 32, and when the valve element 40 is in the closed state, it remains in the main valve chamber 32 without flowing out into the outflow path 34.
- a substantially cylindrical sleeve 60 and valve-opening spring 61 are arranged along the central axis direction Y.
- the sleeve 60 is held on the inner peripheral surface of the valve body 30.
- the valve-opening spring 61 is disposed radially between the main body portion 60a of the sleeve 60 and the barrel portion 41 of the valve element 40.
- the valve-opening spring 61 is also disposed vertically between the spring support portion 60b of the sleeve 60 and the spring bearing portion 43 of the valve element 40, and biases the valve element 40 in a direction away from the valve port 34a.
- the valve element 40 is supported by the lower portion 60c of the sleeve 60 so that it can move vertically.
- the drive unit 50 includes a drive shaft 51, a bearing member 52, a connecting member 53, a planetary gear mechanism 54, a rotor 55, and a rotor shaft 56.
- the drive shaft 51 has a ball 51a and a male thread 51t, and is located in the internal space of the valve body 30 and above the valve element 40.
- the ball 51a is joined to the ball receiver 44 and contacts the lower end surface of the drive shaft 51.
- the male thread 51t is provided on the outer peripheral surface of the drive shaft 51.
- the ball 51a prevents the rotation of the drive shaft 51 from being transmitted to the ball receiver 44, but transmits the vertical movement of the drive shaft 51 to the ball receiver 44.
- the bearing member 52 is generally cylindrical and has a female thread 52t on its inner circumferential surface.
- the bearing member 52 is arranged to cover the internal space of the valve body 30 and the side surface of the drive shaft 51.
- the female thread 52t protrudes radially inward from the inner circumferential surface of the bearing member 52 and is arranged to be threaded onto the male thread 51t.
- the connecting member 53 is a roughly disc-shaped member that is molded integrally with the rotor 55 and the sun gear of the planetary gear mechanism 54.
- the connecting member 53 is supported by the rotor shaft 56 and transmits the rotation of the rotor 55 to the sun gear of the planetary gear mechanism 54.
- the planetary gear mechanism 54 is a reduction mechanism that reduces the rotation of the rotor 55 and transmits it to the drive shaft 51.
- the planetary gear mechanism 54 is composed of, for example, a fixed ring gear, a sun gear, multiple planetary gears, a carrier, an output gear, an output shaft, etc.
- FIG. 3 is a schematic diagram of the rotor 55 and stator 22 of the stepping motor 21 of the motor-operated valve 20 according to an embodiment of the present disclosure.
- the A-phase stack 23 has multiple claw-pole-shaped pole teeth 23a, 23b.
- the tip of the pole tooth 23a faces downward in Figure 2, and the tip of the pole tooth 23b faces upward in Figure 2.
- the pole teeth 23a and the pole teeth 23b are arranged so that they mesh with each other and are shifted by 1/2 pitch in the circumferential direction.
- the A-phase stack 23 has, for example, 12 pole teeth 23a and 12 pole teeth 23b.
- the A-phase stack 23 also has an A-phase coil 23c (not shown). When the A-phase coil 23c is energized, the pole teeth 23a and the pole teeth 23b become magnetic poles of opposite polarity.
- the B-phase stack 24 has multiple claw-pole-shaped pole teeth 24a, 24b, and a B-phase coil 24c (not shown).
- the tip of the pole tooth 24a faces downward in FIG. 2, and the tip of the pole tooth 24b faces upward in FIG. 2.
- the pole teeth 24a and the pole teeth 24b are arranged so that they mesh with each other and are shifted by half a pitch in the circumferential direction.
- the B-phase stack 24 has, for example, 12 pole teeth 24a and 12 pole teeth 24b.
- the B-phase stack 24 also has a B-phase coil 24c (not shown). When the B-phase coil 24c is energized, the pole teeth 24a and the pole teeth 24b become magnetic poles of opposite polarity.
- the pole teeth 23a, 23b of the A-phase stack 23 and the pole teeth 24a, 24b of the B-phase stack 24 are arranged with a 1/4 pitch offset in the circumferential direction and form the inner circumferential surface of the stator 22.
- a rotor 55 having multiple rotor magnets 57 is arranged inside the inner circumferential surface of the stator 22.
- the rotor magnets 57 are made of permanent magnets and are approximately the same size, material, and composition.
- the magnetic poles of the rotor magnets 57 and the pole teeth 24a, 24b of the stator 22 face each other in the radial direction.
- the number of magnetic poles of the rotor 55 and the number of pole teeth of the stator 22 can be changed depending on the application of the motor-operated valve device 100.
- the stepping motor 21 is controlled by a 2-2 phase excitation method.
- the stepping motor 21 may also be controlled by a 1 phase excitation method, a 1-2 phase excitation method, a W1-2 phase excitation method, a 2W1-2 phase excitation method, or a 4W1-2 phase excitation method, or may be controlled by microstep control.
- the motor driver 11 supplies a drive current corresponding to the pulses P[1] to P[4] to the stepping motor 21, causing the rotor 55 to rotate.
- the pulse signal P represents a signal that controls the drive current supplied to the stepping motor 21.
- the pulses P[1] to P[4] each represent the signal waveform of one step of the pulse signal P.
- Figure 4 shows an example of the waveforms of the A-phase current and B-phase current when the processor 12 cyclically inputs the pulse signal P to the motor driver 11 in the order of pulses P[1] to P[4] and then inputs an excitation signal.
- a -I A-phase current is supplied from the motor driver 11 to the A-phase coil 23c, and a +I B-phase current is supplied from the motor driver 11 to the B-phase coil 24c.
- the processor 12 inputs a pulse P[4] to the motor driver 11, an A-phase current of -I is supplied from the motor driver 11 to the A-phase coil 23c, and a B-phase current of -I is supplied from the motor driver 11 to the B-phase coil 24c.
- the processor 12 inputs a pulse signal P to the motor driver 11 and completes the supply of drive current to the stator 22, the rotor 55 does not stop immediately, but rather rotates too much, which could cause the stepping motor 21 to lose synchronization. Therefore, as shown in Figure 4, after the drive current section ends, the processor 12 inputs a post-excitation signal to the motor driver 11 in the post-excitation current section, and the motor-operated valve control device 10 supplies a +I A-phase current to the A-phase coil 23c as a post-excitation current, and a -I B-phase current to the B-phase coil 24c as a post-excitation current. This stops the rotor 55 and prevents loss of synchronization.
- the inventors considered supplying a post-excitation current greater than the amplitude of the drive current to the stator 22 after the supply of the drive current has been completed, in order to stop the stepping motor 21 more quickly and more effectively prevent loss of synchronization.
- FIG. 5 is a graph of A-phase current and B-phase current according to the first embodiment of the present disclosure.
- the motor-operated valve control device 10 supplies A-phase current and B-phase current of +I', which are larger than the amplitude
- A-phase current and B-phase current of +I' which are larger than the amplitude
- FIG. 6 is a graph of A-phase current and B-phase current according to a second embodiment of the present disclosure.
- the electric valve control device 10 may supply A-phase current and B-phase current of +I, which are the same magnitude as the amplitude
- the electric valve control device 10 may supply A-phase current and B-phase current of +I' to the A-phase coil 23c and B-phase coil 24c, respectively, for only a predetermined period Td, or may continue to supply them for a period longer than the predetermined period Td.
- the predetermined period Td is longer than the time it takes for the rotor 55 to completely stop (when the rotation amplitude substantially disappears), and is, for example, 100 times the period of the pulse P.
- the motor-operated valve control device 10 supplies A-phase current and B-phase current of +I, which are the same magnitude as the amplitude
- the motor-operated valve control device 10 may gradually increase the magnitude of the post-excitation current to +I', which is greater than the amplitude
- the motor-operated valve control device 10 may gradually decrease the magnitude of the post-excitation current from +I' to +I or to 0.
- the difference between the predetermined time T2 and the predetermined time T3, T3 - T2 is longer than the time until the rotor completely stops (the rotational amplitude substantially disappears), and is, for example, 100 times the period of pulse P.
- the magnitude of the post-excitation current may be gradually increased to +I' immediately after the supply of drive current to the stator 22 is completed.
- the predetermined time T1 may be set to 0.
- the predetermined time T2 may be set to 0.
- the magnitude of the post-excitation current may be gradually increased from +I to +I' and then quickly decreased from +I' to +I, or the magnitude of the post-excitation current may be quickly increased from +I to +I' and then gradually decreased from +I' to +I.
- the motor-operated valve 20 may be a direct-acting motor-operated valve that directly transmits the rotation of the rotor 55 to the drive shaft 51.
- the motor-operated valve control device 10 may calculate the angular velocity ⁇ of the rotor 55, and if it determines that the angular velocity ⁇ of the rotor 55 has reached a preset peak value Cp when the supply of the drive current is completed, the post-excitation current may be made larger than the amplitude of the drive current in the post-excitation current section. If the angular velocity ⁇ has reached the peak value Cp when the supply of the drive current is completed, the stepping motor 21 is more likely to lose synchronization. Therefore, by controlling the magnitude of the post-excitation current in accordance with the angular velocity ⁇ of the rotor 55 as described above, it is possible to more effectively prevent the stepping motor 21 from losing synchronization after the supply of the drive current is completed.
- the angular velocity ⁇ can be calculated using the back electromotive force e generated in the rotor 55 according to the following equation 1.
- Ke represents a back electromotive force constant.
- the relationship between the angular velocity ⁇ and the back electromotive force e generated in the rotor 55 until the angular velocity ⁇ reaches the peak value Cp, and the relationship between the number of pulse signals P input by the processor 12 to the motor driver 11 and the back electromotive force e generated in the rotor 55 are measured in advance.
- Table data showing these relationships and the peak value Cp are stored in the memory 13 as drive parameters, and the processor 12 can reference these drive parameters from the memory 13.
- the back electromotive force constant Ke in the above equation 1 may be stored in the memory 13 as a drive parameter.
- the processor 12 references table data stored in memory 13 showing the relationship between the number of input pulse signals P and the back electromotive force e, and calculates the back electromotive force e generated in the rotor 55 based on the number of input pulse signals P.
- the processor 12 references table data stored in memory 13 showing the relationship between the angular velocity ⁇ and the back electromotive force e, or the back electromotive force constant Ke, and calculates the angular velocity ⁇ based on the back electromotive force e. It determines whether the angular velocity ⁇ calculated at the completion of the supply of the drive current has reached its peak value Cp.
- the processor 12 makes the post-excitation current larger than the amplitude of the drive current in the post-excitation current section; if the angular velocity ⁇ has not reached its peak value Cp, the processor 12 does not make the post-excitation current larger than the amplitude of the drive current in the post-excitation current section.
- the back electromotive voltage e may be measured in real time by a voltage acquisition unit (not shown) included in the motor-operated valve control device 10. This allows for a more accurate calculation of the angular velocity ⁇ .
- Motor-operated valve control device 11 Motor driver 12: Processor 13: Memory 20: Motor-operated valve 21: Stepping motor 22: Stator 23: A-phase stacks 23a, 23b: Pole teeth 24: B-phase stacks 24a, 24b: Pole teeth 30: Valve body 32: Main valve chamber 33: Inlet passage 34: Outlet passage 35: Inlet pipe 36: Outlet pipe 37: Main valve seat 40: Valve element 41: Body portion 42: Valve portion 43: Spring bearing portion 44: Ball bearing portion 50: Drive portion 51: Drive shaft 51a: Ball 51t: Male thread 52: Bearing member 52t: Female thread 53: Connecting member 54: Planetary gear mechanism 55: Rotor 56: Rotor shaft 57: Rotor magnet 60: Sleeve 60a: Body portion 60b: Spring support portion 60c: Lower portion 61: Valve-opening spring
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Abstract
電動弁制御装置は、弁口（３４ａ）を有する弁本体（３０）と、ロータ（５５）およびモータドライバに接続されたステータ（２２）を有するステッピングモータと、ロータ（５５）が回転すると弁口（３４ａ）に対して移動する弁体（４０）と、を有する電動弁（２０）を制御する。電動弁制御装置は、ステータ（２２）に駆動電流を供給してロータ（５５）を回転させ、駆動電流の供給完了後にステータ（２２）に駆動電流の振幅より大きい後励磁電流を供給する。
Description
本開示は、電動弁制御装置、電動弁装置、及び、電動弁の制御方法に関する。
例えば、特許文献１に開示されている電動弁は、モータドライバにパルスが入力されることによりステータにパルスに対応する駆動電流が供給されてロータが回転する。ロータの回転は、減速機構によって駆動軸に伝達され、駆動軸が回転しながら軸方向に移動して、弁体が軸方向に移動する。
上記電動弁において、ステッピングモータへのパルスの入力が停止された時、ロータは直ぐには停止せずに、回転しすぎてステッピングモータが脱調してしまう恐れがある。そのため、ステータにパルスに対応する比較的大きい駆動電流を常時供給することで、ロータが回転しすぎるのを抑制することが考えられる。しかしながら、このような手法では、減速機構の歯車や駆動軸などの部品の摩耗が生じて、電動弁の耐久性が低下してしまうという課題がある。
本開示は、ステッピングモータの脱調、及び、電動弁の耐久性の低下を抑制できる電動弁制御装置、電動弁装置、及び、電動弁の制御方法弁を提供することを目的とする。
本発明の一側面に係る電動弁制御装置は、
弁口を有する弁本体と、ロータおよびモータドライバに接続されたステータを有するステッピングモータと、前記ロータが回転すると前記弁口に対して移動する弁体と、を有する電動弁を制御する電動弁制御装置であって、
前記電動弁制御装置は、前記ステータに駆動電流を供給して前記ロータを回転させ、前記駆動電流の供給完了後に前記ステータに前記駆動電流の振幅より大きい後励磁電流を供給する。
弁口を有する弁本体と、ロータおよびモータドライバに接続されたステータを有するステッピングモータと、前記ロータが回転すると前記弁口に対して移動する弁体と、を有する電動弁を制御する電動弁制御装置であって、
前記電動弁制御装置は、前記ステータに駆動電流を供給して前記ロータを回転させ、前記駆動電流の供給完了後に前記ステータに前記駆動電流の振幅より大きい後励磁電流を供給する。
本開示によれば、ステッピングモータの脱調、及び、電動弁の耐久性の低下を抑制できる電動弁制御装置、電動弁装置、及び、電動弁の制御方法弁を提供することができる。
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。尚、実施形態の説明において既に説明された構成と同一の参照番号を有する構成については、説明の便宜上、その説明は省略する。なお、以下の実施形態の説明において、上下方向は、図２の紙面内における方向を示すものであり、これによって本開示の技術的範囲を狭める解釈が為されるものではない。
＜電動弁装置の構造＞
図１は、本開示の実施形態に係る電動弁装置１００のブロック図である。電動弁装置１００は、電動弁制御装置１０と、電動弁２０を備え、例えば冷媒の流量を制御する。電動弁制御装置１０は、モータドライバ１１と、ＣＰＵ等のプロセッサ１２と、メモリ１３を有する。電動弁２０は、ステッピングモータ２１を有する。
図１は、本開示の実施形態に係る電動弁装置１００のブロック図である。電動弁装置１００は、電動弁制御装置１０と、電動弁２０を備え、例えば冷媒の流量を制御する。電動弁制御装置１０は、モータドライバ１１と、ＣＰＵ等のプロセッサ１２と、メモリ１３を有する。電動弁２０は、ステッピングモータ２１を有する。
モータドライバ１１は、プロセッサ１２によって駆動されてステッピングモータ２１に駆動電流を供給する。プロセッサ１２は、メモリ１３に記憶されているステッピングモータ２１の駆動用パラメータを参照して、モータドライバ１１を駆動する。
図２は、本開示の実施形態に係る電動弁２０の縦断面図である。電動弁２０は、ステータ２２と、弁本体３０と、弁体４０と、駆動部５０を有する。なお、図１に示すステッピングモータ２１は、図２に示すステータ２２と駆動部５０のロータ５５から構成され、例えばＰＭ型ステッピングモータである。
ステータ２２は、Ａ相スタック２３とＢ相スタック２４から構成され、図１に示すモータドライバ１１から駆動電流が供給されることでロータ５５を回転駆動する。Ａ相スタック２３とＢ相スタック２４は、中心軸方向Ｙに互いに向かい合っており、Ａ相スタック２３はＢ相スタック２４の上方に位置する。
弁本体３０は、中心軸方向Ｙに延びる有底円筒形状の部材であり、弁体４０が収容される主弁室３２を内部に有する。弁本体３０は、主弁室３２に左右方向に連通する流入路３３と、主弁室３２から下方向に延びる流出路３４を有する。流入路３３には、流入管３５が接続されていて、流出路３４には、流出管３６が接続されている。流出路３４の弁口３４ａの周縁部には、流出路３４を囲む主弁座３７が形成されている。なお、流体を逆方向に流通させて電動弁を使用してもよい。この場合、流体は流出路３４側から主弁室３２に流入し、流入路３３から流出することになる。
弁体４０は、胴部４１と、弁部４２と、ばね受け部４３と、ボール受け部４４を有する。胴部４１は、中心軸方向Ｙに延びる略円柱形状を有する。弁部４２は、先端が下方を臨む略円錐形状を有し、胴部４１の下方に位置する。弁部４２の先端は、流出路３４の弁口３４ａと中心軸方向Ｙに向かい合っている。ばね受け部４３は、リング形状を有し、胴部４１の上方に位置する。ばね受け部４３の外径は、胴部４１の外径より大きい。胴部４１と、弁部４２と、ばね受け部４３は、一体的に形成されていてもよい。ボール受け部４４は、胴部４１の上端部に固定されている。
弁体４０は、弁本体３０の内部空間内を上下方向に移動可能に設けられていて、主弁座３７に着座又は離間することで流出路３４を開閉可能である。そのため、流入路３３から流入した流体は、弁体４０が開弁状態の場合、主弁室３２を経由して流出路３４へと流出し、弁体４０が閉弁状態の場合、流出路３４へと流出せずに主弁室３２で留まる。
弁本体３０の内部空間内であって、弁本体３０と弁体４０の間には、略円筒形状のスリーブ６０と開弁ばね６１が中心軸方向Ｙに沿って設けられている。スリーブ６０は、弁本体３０の内周面に保持されている。開弁ばね６１は、径方向において、スリーブ６０の本体部６０ａと弁体４０の胴部４１の間に配置されている。また、開弁ばね６１は、上下方向において、スリーブ６０のばね支持部６０ｂと弁体４０のばね受け部４３の間に配置されていて、弁体４０を弁口３４ａから離間する方向に付勢する。弁体４０はスリーブ６０の下部６０ｃによって、上下方向に移動可能に支持されている。
駆動部５０は、駆動軸５１と、軸受部材５２と、接続部材５３と、遊星歯車機構５４と、ロータ５５と、ロータ軸（シャフト）５６と、を有する。
駆動軸５１は、ボール５１ａと、雄ねじ５１ｔを有し、弁本体３０の内部空間及び弁体４０の上方に位置する。ボール５１ａは、ボール受け部４４に接合され、駆動軸５１の下端面に接している。雄ねじ５１ｔは、駆動軸５１の外周面に設けられている。ボール５１ａによって、駆動軸５１の回転はボール受け部４４に伝達されず、駆動軸５１の上下方向の移動がボール受け部４４に伝達される。
軸受部材５２は、略円筒形状であって、その内周面に雌ねじ５２ｔを有する。軸受部材５２は、弁本体３０の内部空間、及び、駆動軸５１の側面を覆うように配置されている。雌ねじ５２ｔは、軸受部材５２の内周面から径方向内側に突出しており、雄ねじ５１ｔに螺合されるように配置されている。
接続部材５３は略円板形状の部材であり、ロータ５５および遊星歯車機構５４の太陽歯車と一体に成形されている。接続部材５３はロータ軸５６によって軸支されていて、ロータ５５の回転を遊星歯車機構５４の太陽歯車へ伝達する。
遊星歯車機構５４は、ロータ５５の回転を減速して駆動軸５１に伝達する減速機構である。遊星歯車機構５４は、例えば、固定リング歯車と、太陽歯車と、複数の遊星歯車と、キャリアと、出力歯車と、出力軸等から構成される。
ステータ２２に駆動電流が供給されると、ロータ５５が回転する。ロータ５５の回転は、遊星歯車機構５４によって駆動軸５１に伝達される。駆動軸５１が回転すると送りねじ作用によって駆動軸５１が下方に移動し、弁体４０は押し下げられる。弁体４０の弁部４２が主弁座３７に着座すると、電動弁２０は閉弁される。
図３は、本開示の実施形態に係る電動弁２０が有するステッピングモータ２１のロータ５５及びステータ２２の模式図である。
Ａ相スタック２３は、複数のクローポール型の極歯２３ａ、２３ｂを有する。極歯２３ａの先端は図２における下方に向いていて、極歯２３ｂの先端は図２における上方に向いている。極歯２３ａと極歯２３ｂは、周方向に１／２ピッチずらして相互に噛み合うように配置されている。Ａ相スタック２３は、例えば、極歯２３ａを１２個有し、極歯２３ｂを１２個有する。また、Ａ相スタック２３は、不図示のＡ相コイル２３ｃを有する。Ａ相コイル２３ｃが通電されると、極歯２３ａと極歯２３ｂとは互いに異なる極性の磁極となる。
Ｂ相スタック２４は、複数のクローポール型の極歯２４ａ、２４ｂ、及び、不図示のＢ相コイル２４ｃを有する。極歯２４ａの先端は図２における下方に向いていて、極歯２４ｂの先端は図２における上方に向いている。極歯２４ａと極歯２４ｂとは、周方向に１／２ピッチずらして相互に噛み合うように配置されている。Ｂ相スタック２４は、例えば、極歯２４ａを１２個有し、極歯２４ｂを１２個有する。また、Ｂ相スタック２４は、不図示のＢ相コイル２４ｃを有する。Ｂ相コイル２４ｃが通電されると、極歯２４ａと極歯２４ｂとは互いに異なる極性の磁極となる。
Ａ相スタック２３の極歯２３ａ、２３ｂと、Ｂ相スタック２４の極歯２４ａ、２４ｂは、周方向に１／４ピッチずらして配置され、ステータ２２の内周面を形成する。ステータ２２の内周面の内側には、複数のロータ磁石５７を有するロータ５５が配置されている。ロータ磁石５７は、永久磁石で構成されていて、大きさ、材質および組成が略同一である。ロータ磁石５７の磁極とステータ２２の極歯２４ａ、２４ｂは、互いに径方向に向かい合っている。なお、ロータ５５の磁極の数、ステータ２２の極歯の数は、電動弁装置１００の用途に応じて変更可能である。
＜電動弁装置の駆動制御＞
本実施形態において、ステッピングモータ２１は２－２相励磁方式で制御される。なお、ステッピングモータ２１は、１相励磁方式、１－２相励磁方式、Ｗ１－２相励磁方式、２Ｗ１－２相励磁方式または４Ｗ１－２相励磁方式で制御されてもよいし、マイクロステップ制御されてもよい。
本実施形態において、ステッピングモータ２１は２－２相励磁方式で制御される。なお、ステッピングモータ２１は、１相励磁方式、１－２相励磁方式、Ｗ１－２相励磁方式、２Ｗ１－２相励磁方式または４Ｗ１－２相励磁方式で制御されてもよいし、マイクロステップ制御されてもよい。
プロセッサ１２がモータドライバ１１にパルス信号Ｐ（パルスＰ［１］～Ｐ［４］）を入力すると、モータドライバ１１からステッピングモータ２１にパルスＰ［１］～Ｐ［４］に応じた駆動電流が供給されて、ロータ５５が回転する。ここで、パルス信号Ｐは、ステッピングモータ２１に供給する駆動電流を制御する信号を表す。また、パルスＰ［１］～Ｐ［４］は、それぞれパルス信号Ｐの１ステップの信号波形を表す。図４に、参考例として、プロセッサ１２がモータドライバ１１にパルス信号ＰをパルスＰ［１］～Ｐ［４］の順番で周期的に入力し、後励磁信号を入力した時の、Ａ相電流とＢ相電流の波形の一例を示す。
図４に示すように、プロセッサ１２がモータドライバ１１にパルスＰ［１］を入力すると、モータドライバ１１からＡ相コイル２３ｃに＋ＩのＡ相電流が供給され、モータドライバ１１からＢ相コイル２４ｃに－ＩのＢ相電流が供給される。また、プロセッサ１２がモータドライバ１１にパルスＰ［２］を入力すると、モータドライバ１１からＡ相コイル２３ｃに＋ＩのＡ相電流が供給され、モータドライバ１１からＢ相コイル２４ｃに＋ＩのＢ相電流が供給される。また、プロセッサ１２がモータドライバ１１にパルスＰ［３］を入力すると、モータドライバ１１からＡ相コイル２３ｃに－ＩのＡ相電流が供給され、モータドライバ１１からＢ相コイル２４ｃに＋ＩのＢ相電流が供給される。また、プロセッサ１２がモータドライバ１１にパルスＰ［４］を入力すると、モータドライバ１１からＡ相コイル２３ｃに－ＩのＡ相電流が供給され、モータドライバ１１からＢ相コイル２４ｃに－ＩのＢ相電流が供給される。
プロセッサ１２がモータドライバ１１にパルス信号ＰをパルスＰ［１］～Ｐ［４］の順番で周期的に入力すると、上述したようにロータ５５は第一方向（図３において時計方向）に回転し、遊星歯車機構５４を介して駆動軸５１が下方に移動し、弁体４０は押し下げられ、電動弁２０は閉弁される。
ところで、プロセッサ１２がモータドライバ１１にパルス信号Ｐを入力し、ステータ２２への駆動電流の供給が完了しても、ロータ５５は直ぐには停止せずに、回転しすぎてステッピングモータ２１が脱調してしまう恐れがある。そのため、図４に示すように、プロセッサ１２は、駆動電流区間終了後、後励磁電流区間においてモータドライバ１１に後励磁信号を入力し、電動弁制御装置１０は、Ａ相コイル２３ｃに＋ＩのＡ相電流を後励磁電流として供給し、Ｂ相コイル２４ｃに－ＩのＢ相電流を後励磁電流として供給する。これにより、ロータ５５を停止させて脱調を防止している。
ここで、発明者らは、ステッピングモータ２１をより素早く停止させて、より効果的に脱調を防止するために、駆動電流の供給完了後にステータ２２に駆動電流の振幅よりも大きい後励磁電流を供給することを検討した。
図５は、本開示の第一実施形態に係るＡ相電流とＢ相電流のグラフである。図５に示すように、電動弁制御装置１０は、ステータ２２への駆動電流の供給完了後、つまり駆動電流区間終了後、後励磁電流区間において駆動電流の振幅｜Ｉ｜よりも大きい＋Ｉ’のＡ相電流、Ｂ相電流を、それぞれＡ相コイル２３ｃ、Ｂ相コイル２４ｃに供給する。これにより、電動弁２０の耐久性を低下することなく、駆動電流の供給完了後のステッピングモータ２１の脱調をより効果的に防止することができる。なお、ステータ２２への駆動電流の供給完了直後に、後励磁電流として駆動電流の振幅｜Ｉ｜よりも大きい＋Ｉ’のＡ相電流、Ｂ相電流を、それぞれＡ相コイル２３ｃ、Ｂ相コイル２４ｃに供給してもよい。
図６は、本開示の第二実施形態に係るＡ相電流とＢ相電流のグラフである。図６に示すように、電動弁制御装置１０は、後励磁電流区間において、ステータ２２への駆動電流の供給完了から所定時間Ｔ１までは、後励磁電流として駆動電流の振幅｜Ｉ｜と同じ大きさの＋ＩのＡ相電流、Ｂ相電流を、それぞれＡ相コイル２３ｃ、Ｂ相コイル２４ｃに供給し、所定時間Ｔ１経過後に、後励磁電流として駆動電流の振幅｜Ｉ｜よりも大きい＋Ｉ’のＡ相電流、Ｂ相電流を、それぞれＡ相コイル２３ｃ、Ｂ相コイル２４ｃに供給してもよい。また、電動弁制御装置１０は、＋Ｉ’のＡ相電流、Ｂ相電流を、それぞれＡ相コイル２３ｃ、Ｂ相コイル２４ｃに所定期間Ｔｄだけ供給してもよいし、所定期間Ｔｄを超えて供給し続けてもよい。なお、所定期間Ｔｄは、ロータ５５が完全に停止する（回転振幅が実質的になくなる）までの時間よりも長い時間であり、一例として、パルスＰの周期の１００倍の時間である。
図７は、本開示の第三実施形態に係るＡ相電流とＢ相電流のグラフである。図７に示すように、電動弁制御装置１０は、後励磁電流区間において、ステータ２２への駆動電流の供給完了から所定時間Ｔ２までは、後励磁電流として駆動電流の振幅｜Ｉ｜と同じ大きさの＋ＩのＡ相電流、Ｂ相電流を、それぞれＡ相コイル２３ｃ、Ｂ相コイル２４ｃに供給し、所定時間Ｔ２経過後に、後励磁電流の大きさを駆動電流の振幅｜Ｉ｜よりも大きい＋Ｉ’まで徐々に増加してもよい。また、電動弁制御装置１０は、後励磁電流の供給開始から所定時間Ｔ３経過後に、後励磁電流の大きさを＋Ｉ’から＋Ｉまで、又は、０まで徐々に減少してもよい。なお、所定時間Ｔ２と所定時間Ｔ３の差分であるＴ３－Ｔ２は、ロータが完全に停止する（回転振幅が実質的になくなる）までの時間よりも長い時間であり、一例として、パルスＰの周期の１００倍の時間である。
なお、図５において、ステータ２２への駆動電流の供給完了直後から後励磁電流の大きさを＋Ｉ’まで徐々に増加してもよい。また、図６において所定時間Ｔ１を０としてもよい。また、図７において所定時間Ｔ２を０としてもよい。さらに、図６、図７において、後励磁電流の大きさを＋Ｉから＋Ｉ’まで徐々に増加し、＋Ｉ’から＋Ｉまで迅速に減少してもよいし、後励磁電流の大きさを＋Ｉから＋Ｉ’まで迅速に増加し、＋Ｉ’から＋Ｉまで徐々に減少してもよい。
このように、ステータ２２への駆動電流の供給完了後、駆動電流の振幅よりも大きい後励磁電流をステータに供給することで、電動弁２０の耐久性を低下することなく、駆動電流の供給完了後のステッピングモータ２１の脱調を防止することができる。
以上、本開示の実施形態について説明をしたが、本開示の技術的範囲が本実施形態の説明によって限定的に解釈されるべきではないのは言うまでもない。本実施形態は単なる一例であって、特許請求の範囲に記載された発明の範囲内において、様々な実施形態の変更が可能であることが当業者によって理解されるところである。本開示の技術的範囲は特許請求の範囲に記載された発明の範囲及びその均等の範囲に基づいて定められるべきである。
例えば、本開示の実施形態において、電動弁２０は、ロータ５５の回転を直接的に駆動軸５１に伝える直動式の電動弁でもよい。
また、本開示の実施形態において、電動弁制御装置１０はロータ５５の角速度ωを算出し、駆動電流の供給完了時にロータ５５の角速度ωが予め設定されているピーク値Ｃｐに達していると判定した場合に、後励磁電流区間で後励磁電流を駆動電流の振幅より大きくしてもよい。角速度ωが駆動電流の供給完了時にピーク値Ｃｐに達している場合、ステッピングモータ２１の脱調がより生じやすくなる。そのため、上記のようにロータ５５の角速度ωに応じて、後励磁電流の大きさを制御することで、駆動電流の供給完了後のステッピングモータ２１の脱調をより効果的に防止することができる。
なお、角速度ωは、ロータ５５に生じる逆起電圧ｅを用いて以下の式１で算出できる。ここで、Ｋｅは逆起電圧定数を示す。逆起電圧定数Ｋｅは、Ａ相コイル２３ｃ、Ｂ相コイル２４ｃの容量等によって決まる値である。
（式１） ｅ＝Ｋｅ×ω
（式１） ｅ＝Ｋｅ×ω
予め、角速度ωがピーク値Ｃｐに達するまでの角速度ωとロータ５５に生じる逆起電圧ｅとの関係、および、プロセッサ１２がモータドライバ１１に入力するパルス信号Ｐの入力数とロータ５５に生じる逆起電圧ｅとの関係を測定する。これらの関係を示すテーブルデータおよびピーク値Ｃｐは駆動用パラメータとしてメモリ１３に記憶され、プロセッサ１２はメモリ１３からこれらの駆動用パラメータを参照することができる。なお、角速度ωとロータ５５に生じる逆起電圧ｅとの関係を示すテーブルデータの代わりに、上記式１の逆起電圧定数Ｋｅが駆動用パラメータとしてメモリ１３に記憶されもよい。
プロセッサ１２は、メモリ１３に記憶されているパルス信号Ｐの入力数と逆起電圧ｅとの関係を示すテーブルデータを参照し、パルス信号Ｐの入力数に基づいて、ロータ５５に生じる逆起電圧ｅを算出する。次に、メモリ１３に記憶されている角速度ωと逆起電圧ｅとの関係を示すテーブルデータ、または、逆起電圧定数Ｋｅを参照し、逆起電圧ｅに基づいて、角速度ωを算出する。駆動電流の供給完了時に算出した角速度ωがピーク値Ｃｐに達しているか否かを判定する。駆動電流の供給完了時に角速度ωがピーク値Ｃｐに達している場合には、後励磁電流区間で後励磁電流を駆動電流の振幅より大きくし、角速度ωがピーク値Ｃｐに達しない場合には、後励磁電流区間で後励磁電流を駆動電流の振幅より大きくしない。
なお、プロセッサ１２がパルス信号Ｐの入力数に基づいてロータ５５に生じる逆起電圧ｅを算出する代わりに、電動弁制御装置１０が有する電圧取得部（不図示）によって逆起電圧ｅをリアルタイムで測定してもよい。これにより、より正確な角速度ωを算出することができる。
本出願は、２０２４年６月７日出願の日本特許出願（特願２０２４-０９２９１４）に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。
１０：電動弁制御装置
１１：モータドライバ
１２：プロセッサ
１３：メモリ
２０：電動弁
２１：ステッピングモータ
２２：ステータ
２３：Ａ相スタック
２３ａ、２３ｂ：極歯
２４：Ｂ相スタック
２４ａ、２４ｂ：極歯
３０：弁本体
３２：主弁室
３３：流入路
３４：流出路
３５：流入管
３６：流出管
３７：主弁座
４０：弁体
４１：胴部
４２：弁部
４３：ばね受け部
４４：ボール受け部
５０：駆動部
５１：駆動軸
５１ａ：ボール
５１ｔ：雄ねじ
５２：軸受部材
５２ｔ：雌ねじ
５３：接続部材
５４：遊星歯車機構
５５：ロータ
５６：ロータ軸
５７：ロータ磁石
６０：スリーブ
６０ａ：本体部
６０ｂ：ばね支持部
６０ｃ：下部
６１：開弁ばね
１１：モータドライバ
１２：プロセッサ
１３：メモリ
２０：電動弁
２１：ステッピングモータ
２２：ステータ
２３：Ａ相スタック
２３ａ、２３ｂ：極歯
２４：Ｂ相スタック
２４ａ、２４ｂ：極歯
３０：弁本体
３２：主弁室
３３：流入路
３４：流出路
３５：流入管
３６：流出管
３７：主弁座
４０：弁体
４１：胴部
４２：弁部
４３：ばね受け部
４４：ボール受け部
５０：駆動部
５１：駆動軸
５１ａ：ボール
５１ｔ：雄ねじ
５２：軸受部材
５２ｔ：雌ねじ
５３：接続部材
５４：遊星歯車機構
５５：ロータ
５６：ロータ軸
５７：ロータ磁石
６０：スリーブ
６０ａ：本体部
６０ｂ：ばね支持部
６０ｃ：下部
６１：開弁ばね
Claims (10)
- 弁口を有する弁本体と、ロータおよびモータドライバに接続されたステータを有するステッピングモータと、前記ロータが回転すると前記弁口に対して移動する弁体と、を有する電動弁を制御する電動弁制御装置であって、
前記電動弁制御装置は、前記ステータに駆動電流を供給して前記ロータを回転させ、前記駆動電流の供給完了後に前記ステータに前記駆動電流の振幅より大きい後励磁電流を供給することを特徴とする、電動弁制御装置。 - 前記電動弁制御装置は、前記駆動電流の供給完了時に前記ロータの角速度がピーク値に達していると判定した場合、前記後励磁電流を前記駆動電流の振幅より大きくする、請求項１に記載の電動弁制御装置。
- 前記電動弁制御装置は、前記駆動電流の供給完了直後に前記ステータに前記駆動電流の振幅より大きい前記後励磁電流を供給する、請求項１に記載の電動弁制御装置。
- 前記電動弁制御装置は、前記駆動電流の供給完了から第一の所定時間経過後、前記ステータに前記駆動電流の振幅より大きい前記後励磁電流を供給する、請求項１に記載の電動弁制御装置。
- 前記電動弁制御装置は、前記ステータに前記駆動電流の振幅より大きい前記後励磁電流を所定期間供給する、請求項１に記載の電動弁制御装置。
- 前記電動弁制御装置は、前記ステータへの前記後励磁電流の供給開始から、前記後励磁電流の大きさを徐々に増加させる、請求項１に記載の電動弁制御装置。
- 前記電動弁制御装置は、前記ステータへの前記後励磁電流の供給開始から第二の所定時間経過後、前記後励磁電流の大きさを徐々に減少させる、請求項１に記載の電動弁制御装置。
- 前記電動弁制御装置は、前記ステータへの前記後励磁電流の供給開始から第三の所定時間経過後、前記後励磁電流の大きさを前記駆動電流の振幅まで減少させる、請求項１に記載の電動弁制御装置。
- 前記電動弁と、請求項１～８のいずれか一項に記載の電動弁制御装置と、を有する電動弁装置。
- 弁口を有する弁本体と、ロータおよびモータドライバに接続されたステータを有するステッピングモータと、前記ロータが回転すると前記弁口に対して移動する弁体と、を有する電動弁の制御方法であって、
前記ステータにパルスからなる駆動電流を供給して前記ロータを回転させ、
前記駆動電流の供給完了後に前記ステータに前記駆動電流の振幅より大きい後励磁電流を供給する、ことを特徴とする電動弁の制御方法。
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2024-092914 | 2024-06-07 | ||
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|---|---|
| WO2025253680A1 true WO2025253680A1 (ja) | 2025-12-11 |
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Family Applications (1)
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|---|---|---|---|
| PCT/JP2025/000341 Pending WO2025253680A1 (ja) | 2024-06-07 | 2025-01-08 | 電動弁制御装置、電動弁装置、及び、電動弁の制御方法 |
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Citations (5)
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| JP2017153319A (ja) * | 2016-02-26 | 2017-08-31 | コニカミノルタ株式会社 | ステッピングモーター駆動装置および画像形成装置 |
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-
2025
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- 2025-01-08 WO PCT/JP2025/000341 patent/WO2025253680A1/ja active Pending
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