JP5890206B2 - ポテンショメータの劣化診断方法 - Google Patents

Description

この発明は、ポテンショメータの性能の劣化を診断するポテンショメータの劣化診断方法に関するものである。

従来より、電動バルブアクチュエータなどの回転角度の検出にポテンショメータが用いられている。このポテンショメータは、その構造上、摺動子による摩耗により、抵抗体が損傷を受けたり摩耗粉が生じたりし易く、頻繁に使用する摺動範囲では特にそれがひどい。その結果、摺動子が僅かに変位しただけで、抵抗値が偶発的に大きく変化する現象が発生する。それに伴い、ポテンショメータの出力信号も偶発的に大きく変化し、図１１に示すようにヒゲ状の信号Ｓとなって現れる。なお、図１１において、横軸はポテンショメータ変位（摺動子の変位）または角度、縦軸はポテンショメータの出力信号の大きさを示す。

このようなヒゲ状の信号がポテンショメータの出力信号に現れると、この出力信号が供給されて動作している制御装置等は、偶発的に異常な制御動作を行ってしまうことがある。そこで、特許文献１では、このポテンショメータの出力信号に現れるヒゲ状の信号を検出し、このヒゲ状の信号が所定の上限値よりも大きい場合または下限値よりも小さい場合、またそのヒゲ状の信号の変化率が所定値よりも大きい場合、故障と診断するようにしている。ポテンショメータが故障と診断されると、その出力信号が供給されて動作している制御装置等は、直ちに所定の信号異常時の制御に移行する。

特公平７−９５０８１号公報

しかしながら、上述したヒゲ状の信号（ノイズ）はポテンショメータの経年変化の初期段階に発生するものであり、このようなノイズの発生が問題とならない場合は以降でも使用できるにも拘わらず、故障と診断されてしまうという問題がある。すなわち、特許文献１では、ポテンショメータの経年変化の初期段階で発生するノイズの発生を捉えていることから、あまりにも早い段階で故障と診断され、システムの稼働率が低下したり、部品交換の手間やコストがかかるという問題があった。

本発明は、このような課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、ノイズの発生のように、あまりにも早い段階で故障と診断されてしまうことのないポテンショメータの劣化診断方法を提供することにある。

このような目的を達成するために本発明は、ポテンショメータの動作状態における出力抵抗値Ｒを計測し、この計測した出力抵抗値Ｒと予測値Ｒ’とを比較し、その比較結果に基づいてポテンショメータの故障に至るまでの性能の劣化の１つとして入出力間の直線性（以下、単に直線性という）の劣化を診断するようにしたものである。

このために、本発明は、ポテンショメータの可動範囲における出力抵抗値の最大値および最小値をＲo,maxおよびＲo,minとし、予め定められた保証点を通過してからの動作時間をｔとし、最大値Ｒo,maxから最小値Ｒo,minまでの動作時間をｔmaxとし、保証点における出力抵抗値をＲo,x％として、予測値をＲ’＝〔（Ｒo,max−Ｒo,min）／ｔmax〕・ｔ＋Ｒo,x％として求め、｜Ｒ−Ｒ’｜が予め定められている所定の閾値を超えたときに直線性を失ったと判断するようにする。

ポテンショメータの性能は、ノイズの発生、直線性の劣化、抵抗値の変化、回転トルクの増大の順に劣化することが知られている。本発明では、この順番のうち、ノイズの発生よりも順番的に遅い直線性の劣化に着目し、この直線性の劣化を診断する。

本発明によれば、ポテンショメータの故障に至るまでの性能の劣化の１つとして入出力間の直線性の劣化を診断するようにしたので、ノイズの発生のように、あまりにも早い段階で故障と診断されてしまうことがないようになる。

本発明の実施に用いるポテンショメータの劣化診断装置を含むシステムの要部を示すブロック図である。 このシステムにおけるポテンショメータ劣化診断装置が有する機能を説明するためのフローチャートである。 図２に続くフローチャートである。 ポテンショメータの各電極間の抵抗値の定義を説明する図である。 全抵抗値Ｒ_A-Bの測定を説明するための図である。 接触抵抗値ｒおよび端子間抵抗値Ｒ_A-C,Ｒ_B-Cの測定に際して用いる電圧Ｖ１を説明する図である。 接触抵抗値ｒおよび端子間抵抗値Ｒ_A-C,Ｒ_B-Cの測定に際して用いる電圧Ｖ２を説明する図である。 線形補間された値として求められる予測値Ｒ’を明示する図である。 差分法で求められた抵抗値の変化速度および加速度を例示する図である。 過渡状態におけるｄωp,o／ｄｔおよびｄωp／ｄｔを例示する図である。 ポテンショメータの出力信号に現れるヒゲ状の信号を示す図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
図１は本発明の実施に用いるポテンショメータの劣化診断装置を含むシステムの要部を示すブロック図である。同図において、１はポテンショメータ、１−１は摺動子、２はポテンショメータの劣化診断装置（以下、ポテンショメータ劣化診断装置と呼ぶ）、３は劣化診断結果表示装置である。

このシステムにおいて、摺動子１−１から取り出されたポテンショメータ１の出力信号はポテンショメータ劣化診断装置２に送られる。なお、図１中、Ａ，Ｂはポテンショメータ１の固定電極、Ｃはポテンショメータ１の可動電極、１−２はポテンショメータ１の抵抗体、１−３は可動電極Ｃにおける抵抗体１−２との間の接触抵抗である。

このポテンショメータ１は、電源周波数に連動して回転系全体の角速度が定常状態では一定速度となるような装置に付設されている。例えば、電動バルブアクチュエータに組み付けられ、モータによって駆動される弁体の開度を検出する。

また、このシステムにおいて、ポテンショメータ劣化診断装置２は、プロセッサや記憶装置からなるハードウェアと、これらのハードウェアと協働して各種機能を実現させるプログラムとによって実現される。

ポテンショメータの性能は、ノイズの発生、直線性（入出力間の直線性）の劣化、抵抗値の変化、回転トルクの増大の順に劣化することが知られている。本実施の形態では、この性能の劣化の順番に着目し、ノイズの発生、直線性の劣化、抵抗値の変化、回転トルクの増大の順に、ポテンショメータ１の性能の劣化を診断して行くようにする。

すなわち、ポテンショメータ１の故障に至るまでの性能の劣化の診断項目として、「ノイズの発生」、「直線性の劣化」、「抵抗値の変化」、「回転トルクの増大」を診断項目として定め、「ノイズの発生」、「直線性の劣化」、「抵抗値の変化」、「回転トルクの増大」の順番で段階的に診断して行くようにする。この診断は、ポテンショメータ１を装置から取り外すことなく、すなわちポテンショメータ１を装置に組み込んだまま行う。

以下、図２および図３に分割して示すフローチャートを参照して、ポテンショメータ劣化診断装置２が有する本実施の形態特有の機能について説明する。

〔ノイズの発生の診断〕
ポテンショメータ劣化診断装置２は、先ず、ポテンショメータ１のノイズの発生を診断する（ステップＳ１０１：図２）。

このノイズの発生の診断は、摺動子１−１から取り出されたポテンショメータ１の出力信号に含まれるヒゲ状の信号を検出することによって行う。このヒゲ状の信号が所定の上限値よりも大きい場合または下限値よりも小さい場合、またそのヒゲ状の信号の変化率が所定値よりも大きい場合に、ノイズが発生したと判断する。

ポテンショメータ劣化診断装置２は、ノイズが発生したと判断すると（ステップＳ１０２のＹＥＳ）、劣化診断結果表示装置３へその診断結果を送り、現在のポテンショメータ１の劣化段階がノイズの発生段階（第１段階（初期段階））であることを表示する（ステップＳ１０３）。

〔直線性の劣化の診断〕
次に、ポテンショメータ劣化診断装置２は、直線性の劣化を診断する（ステップＳ１０４：図３）。この直線性の劣化の診断は、次のようにして行う。

ポテンショメータ１の動作状態における出力抵抗値Ｒを計測するとともに、その時の予測値Ｒ’を次式で求める。
Ｒ’＝〔（Ｒo,max−Ｒo,min）／ｔmax〕・ｔ＋Ｒo,x％ ・・・・（１）

なお、この（１）式において、Ｒo,maxおよびＲo,minはポテンショメータ１の可動範囲における出力抵抗値の最大値および最小値、ｔは予め定められた保証点を通過してからの動作時間（動作方向により加減する）、ｔmaxは最大値Ｒo,maxから最小値Ｒo,minまでの動作時間、Ｒo,x％は保証点における出力抵抗値であり、Ｒo,maxおよびＲo,minは初期に測定しておく。

この（１）式により求められる予測値Ｒ’は一定区間毎の出力抵抗値の予測値であり線形補間されたものである。保証点や出力抵抗値Ｒの計測方法などについては後述する。

そして、ポテンショメータ劣化診断装置２は、計測した出力抵抗値Ｒとその時の予測値Ｒ’とから｜Ｒ−Ｒ’｜を求め、この｜Ｒ−Ｒ’｜と予め定められている閾値ΔＲｔｈとを比較し、｜Ｒ−Ｒ’｜＞ΔＲｔｈであった場合に直線性を失ったと判断する。すなわち、直線性が劣化したと判断する。

ポテンショメータ劣化診断装置２は、直線性を失ったと判断すると（ステップＳ１０５のＹＥＳ）、劣化診断結果表示装置３へその診断結果を送り、現在のポテンショメータ１の劣化段階が直線性の劣化段階（第２段階）であることを表示する（ステップＳ１０６）。

〔抵抗値の変化の診断〕
次に、ポテンショメータ劣化診断装置２は、抵抗値の変化を診断する（ステップＳ１０７）。この抵抗値の変化の診断では、ポテンショメータ１の全抵抗値Ｒ_A-Bを定時測定し、ある閾値を超えたとき、劣化していると判断する。ポテンショメータ１の全抵抗値Ｒ_A-Bの測定については後述する。

ポテンショメータ劣化診断装置２は、抵抗値が変化したと判断すると（ステップＳ１０８のＹＥＳ）、劣化診断結果表示装置３へその診断結果を送り、現在のポテンショメータ１の劣化段階が抵抗値の変化段階（第３段階）であることを表示する（ステップＳ１０９）。

〔回転トルクの増大の診断〕
次に、ポテンショメータ劣化診断装置２は、回転トルクの増大を診断する（ステップＳ１１０）。この回転トルクの増大の診断は次のようにして行う。

ポテンショメータ１の動作状態における負荷トルクＴpを計測し、この計測した負荷トルクＴpと予め定められている閾値Ｔpthとを比較し、Ｔp＞Ｔpthであった場合に回転トルクが増大したと判断する。

ポテンショメータ１の動作状態における負荷トルクＴpは次式により求めることができる。
Ｔp＝Ｉp・（ｄωp,o／ｄｔ−ｄωp／ｄｔ） ・・・・（２）

なお、この（２）式において、ｄωp,o／ｄｔはポテンショメータ１を装置から取り除いてモータを駆動した時の過渡状態における角加速度、ｄωp／ｄｔはポテンショメータ１を装置に組み付けモータを駆動した時の過渡状態における角加速度、Ｉpはポテンショメータ１のイナーシャであり、ｄωp,o／ｄｔは初期に測定しておく。ｄωp／ｄｔは出力抵抗値Ｒから換算する。また、Ｉpはメーカから入手する（一定値）。ｄωp,o／ｄｔの初期測定やｄωp／ｄｔの出力抵抗値Ｒからの換算については後述する。

ポテンショメータ劣化診断装置２は、回転トルクが増大したと判断すると（ステップＳ１１１のＹＥＳ）、劣化診断結果表示装置３へその診断結果を送り、現在のポテンショメータ１の劣化段階が回転トルクの劣化段階（第４段階（最終段階））であることを表示する（ステップＳ１１２）。

このようにして、本実施の形態では、ポテンショメータ１の性能の劣化について、その進行状況を段階的に知ることが可能となる。これにより、あまりにも早い段階で故障と診断されることをなくし、システムの稼働率を向上させたり、使用状況に応じて適切な時期に部品交換を行わせるようにすることができるようになる。

〔抵抗値測定の方法〕
各々の劣化診断に用いる抵抗値の測定方法を以下に示す。ここで、図４に示すように、ポテンショメータ１の固定電極Ａ，Ｃ間の抵抗値をＲ_A-C、Ｂ，Ｃ間の抵抗値をＲ_B-C、Ａ，Ｂ間の抵抗値をＲ_A-B（全抵抗値）と定義する。また、可動電極Ｃにおける抵抗体１−２との間の接触抵抗１−３の抵抗値（接触抵抗値）をｒとする。

（１）全抵抗値Ｒ_A-Bの測定
図５に示すように、端子Ａ−Ｂ間に定電流ｉを流し、そのときの電圧Ｖを測定する。抵抗値Ｒ_A-Bはオームの法則により次式で求める。
Ｒ_A-B＝Ｖ／ｉ ・・・・（３）

（２）接触抵抗値ｒの測定
図６に示すように、端子Ａ−Ｃ間に定電流ｉを流し、そのときの電圧Ｖ１を測定する。次に、図７に示すように、端子Ｃ−Ｂ間に定電流ｉを流し、そのときの電圧Ｖ２を測定する。これらの値は下記の式で書き表すことができる。
Ｖ１＝（Ｒ_A-C＋ｒ）・ｉ ・・・・（４）
Ｖ２＝（Ｒ_B-C＋ｒ）・ｉ ・・・・（５）

よって、接触抵抗値ｒは、
ｒ＝｛〔（Ｖ１＋Ｖ２）／ｉ〕＋Ｒ_A-B｝／２ ・・・・（６）
により求めることができる。

（３）端子間抵抗値Ｒ_A-C,Ｒ_B-Cの測定
端子間抵抗値Ｒ_A-C,Ｒ_B-Cは、
Ｒ_A-C＝Ｖ１／ｉ−ｒ ・・・・（７）
Ｒ_B-C＝Ｖ２／ｉ−ｒ ・・・・（８）
により、求めることができる。

〔直線性の劣化の診断の詳細〕
あらかじめポテンショメータ１の可動範囲における出力抵抗値の最大値Ｒo,maxおよび最小値Ｒo,minを測定する。

次に、ある一定開度毎（例えば、電動バルブアクチュエータにおける開度の場合、２０，４０，６０，８０％など、これらの間隔は診断時にはいずれかの点を通るよう考慮した点）の予測抵抗値を算出する。

算出は出力抵抗値の最大、最小値の線形補間とし、それらの値をＲo,₂₀％，Ｒo,₄₀％，…とする。別途、装置には前述の一定開度における絶対位置精度を保証できるモジュール（例えば、放射状にスリットの入った円盤を回転角の測定対象に完全固定し、フォトカプラで光の透過を確認するなど）を備えておき、各々の点を保証点と定義する。

診断はいずれかの保証点を通過したときから開始し、動作状態における出力抵抗値Ｒを計測するとともにそのときの予測値Ｒ’を前記（１）式で求める（図８参照）。

そして、計測した出力抵抗値Ｒとその時の予測値Ｒ’とから｜Ｒ−Ｒ’｜を求め、この｜Ｒ−Ｒ’｜と予め定められている閾値ΔＲｔｈとを比較し、｜Ｒ−Ｒ’｜＞ΔＲｔｈであった場合に直線性を失ったと判断する。なお、出力抵抗値Ｒは、前述した「（２）接触抵抗値ｒの測定」および「(３)端子間抵抗値Ｒ_A-C,Ｒ_B-Cの測定」により、算出する。

〔抵抗値の変化の診断の詳細〕
全抵抗値Ｒ_A-Bを定時測定し、ある閾値を超えたとき、劣化していると判断する。全抵抗値Ｒ_A-Bの測定の方法は前述した「（１）全抵抗値Ｒ_A-Bの測定」による。

〔回転トルクの増大の診断の詳細〕
はじめに装置からポテンショメータ１を取り除き、モータを駆動し、過渡状態における角加速度ｄωo／ｄｔを回転計などを使って、計測する。ポテンショメータ軸換算の角加速度はギア比をｉとすると、
ｄωp,o／ｄｔ＝（１／ｉ）・ｄωo／ｄｔ ・・・・（９）
となる。

ポテンショメータ１を装置に組み込む。装置組込み後のポテンショメータ１の過渡状態における角加速度ｄωa／ｄｔを下記のように求める。例えば、全抵抗値１kΩ、回転角度３２０゜のポテンショメータがある時刻から微小時間０．１ｓおきに２１，２２，２４Ωと変化した場合、差分法で図９のように抵抗値の変化速度、加速度を求めることができる。よって、このときのポテンショメータの加速度は、
ｄωa／ｄｔ＝５０×（３２０×π／１８０）／１００００＝２．７９e-003〔ｒａｄ／ｓ〕
となる。

ここで、ポテンショメータ１の負荷トルクがない場合の角運動方程式は、
Ｉp・（ｄωp,o／ｄｔ）＝Ｔ ・・・・（１０）
ここに、Ｔはポテンショメータ１を駆動するトルク、Ｉpはポテンショメータ単体のイナーシャ（メーカより入手、固定値）とする。

一方、ポテンショメータ１の負荷トルクがある場合の角運動方程式は、
Ｉp・（ｄωa／ｄｔ）＝Ｔ−Ｔp ・・・・（１１）
（１０），（１１）式よりポテンショメータ１の負荷トルクＴpは次式のように求めることができる。
Ｔp＝Ｉp・（ｄωp,o／ｄｔ−ｄωp／ｄｔ） ・・・・（１２）

ここで、過渡状態においては図１０のように
ｄωp,o／ｄｔ＞ｄωo／ｄｔ、ｄωp,o／ｄｔ≠０、ｄωo／ｄｔ≠０
であるから、電源周波数に連動して回転系全体の角速度が定常状態では一定速度となるような装置においてもＴpを算出することができる。
これらのＴpを時々刻々、計測・算出して一定のしきい値Ｔpthを超えるときに回転トルクが増大したと判断する。

なお、上述した実施の形態では、「ノイズの発生」、「直線性の劣化」、「抵抗値の変化」、「回転トルクの増大」の順番で段階的に診断して行くようにしたが、「直線性の劣化」だけを診断するようにしてもよい。

〔実施の形態の拡張〕
以上、実施の形態を参照して本発明を説明したが、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、本発明の技術思想の範囲内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。

１…ポテンショメータ、１−１…摺動子、１−２…抵抗体、１−３…接触抵抗、２…ポテンショメータ劣化診断装置、３…診断結果表示装置。

Claims (1)

1. ポテンショメータの動作状態における出力抵抗値Ｒを計測し、この計測した出力抵抗値Ｒと予測値Ｒ’とを比較し、その比較結果に基づいて前記ポテンショメータの故障に至るまでの性能の劣化の１つとして入出力間の直線性の劣化を診断するポテンショメータの劣化診断方法であって、
   前記ポテンショメータの可動範囲における出力抵抗値の最大値および最小値をＲo,maxおよびＲo,minとし、
   予め定められた保証点を通過してからの動作時間をｔとし、
   前記最大値Ｒo,maxから前記最小値Ｒo,minまでの動作時間をｔmaxとし、
   前記保証点における出力抵抗値をＲo,x％として、
   前記予測値をＲ’＝〔（Ｒo,max−Ｒo,min）／ｔmax〕・ｔ＋Ｒo,x％として求め、
   ｜Ｒ−Ｒ’｜が予め定められている所定の閾値を超えたときに直線性を失ったと判断する
   ことを特徴とするポテンショメータの劣化診断方法。

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