JP6802104B2 - 回転制御装置 - Google Patents
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Description
≪回転制御装置の構成≫
図1は、実施の形態1に係る回転制御装置の構成を示す図である。
同図に示される回転制御装置100は、例えば、プラント等において流量のプロセス制御に用いられるボール弁等のロータリ式の調節弁の弁軸の回転を制御する電動式の操作器である。
図1に示すように、回転制御装置100は、相対的位置センサ1、複数のON/OFFセンサ2_1〜2_n(nは、2以上の整数)、位置算出部3、操作量算出部4、および操作部5を備えている。複数のON/OFFセンサ2_1〜2_nは、不連続な絶対的位置センサを構成する。
弁軸200において、弁開度が0%となる全閉位置Pcと弁開度が100%となる全開位置Poとを除いた、弁開度が20%となる位置Pa、弁開度が50%となる位置Pm、弁開度が70%となる位置Pbは、それぞれ本発明における「所定の中間位置」に該当する。
ON/OFFセンサ2_1〜2_nは、弁軸200の周りに設けられ、弁軸200の軸線と直交する第1主面20aおよび第2主面20bを有するプリント基板20と、このプリント基板の第1主面20aおよび第2主面20b上にそれぞれ配置された複数の第1電極21aおよび第2電極21bと、弁軸200の側面に固定されたショートプレート201と、ショートプレート201の第1接触子201aおよび第2接触子201bが複数の第1電極21aおよび第2電極21bの1つにそれぞれ接触すると検知信号Piを出力する検出回路23_iと、プリント基板20の第1主面20a上に配置された複数の第1カム部材24aと、第2主面20b上に配置された複数の第2カム部材24bとを備えている。
これらのカム部材24a、24bを接着剤でプリント基板20に固定するには、接着剤やネジを用いればよい。なお、カム部材24a、24bをプリント基板20上に実装する代わりに、図示しない樹脂ケース等の構造物上にカム部材24a、24bを形成してもよい。
これに対し、弁軸200が所定の位置のいずれかにあるときは、図3Bに示すように、ショートプレート201の接触子201a、201bは電極21a、21bに接触する。
次に、実施の形態1に係る回転制御装置100の動作原理について説明する。
始めに、回転制御装置100による原点復帰の動作について説明する。
ここでは、回転制御装置100の電源投入の時点で、弁軸200が、弁開度が80%となる位置に到達している場合を例にとり、説明する。
図5は、実施の形態1に係る回転制御装置の通常動作モードにおける動作の流れを示すフロー図である。
上述したように、本発明に係る回転制御装置100は、弁軸200の回転方向の位置を測定するための位置センサとして非接触式の相対的位置センサ1に加えて、弁軸200が全閉位置Pcおよび全開位置Poを除く第3位置(Pa,Pm,Pb)に到達したときに検知信号を出力するON/OFFセンサ2_2〜2_4を備えている。回転制御装置100は、検知信号を出力したON/OFFセンサ2_2〜2_4に対応する位置を示す基準値APと、その検知信号が出力されてからの、相対的位置センサ1によって検出された機械的変位Mdの積算値RPとに基づいて、弁軸200の回転方向の絶対的な位置を算出する。
すなわち、非接触式の相対的位置センサによって操作対象軸の回転方向の位置の測定を行う回転制御装置において、操作対象軸の原点復帰に要する時間を短くし、且つ操作対象軸の位置測定の誤差を小さくすることが可能となる。
上述した実施の形態1では、カム部材24a、24bを、それぞれ、プリント基板20の主面20a、20b上に配置した例について説明した。しかし、カム部材24a、24bの配置については、これに限定されるものではない。以下に述べるように、カム部材24a、24bに代えて、例えば、波形の表面を有する一枚の板状部材をプリント基板20の両主面20a、20b上のそれぞれに配置するようにしても良い。このようなカム部材を用いた、不連続な絶対的位置センサの構成の例を図6Aおよび図6Bを参照して説明する。
上述したように、不連続な絶対的位置センサは、ON/OFFセンサの電極21a、21bが円周C1方向に幅を持つことによって、ヒステリシスを有する。そこで、このヒステリシスを低減するための構成を有する不連続な絶対的位置センサの変形例について説明する。
この変形例に係る不連続な絶対的位置センサは、図7Aに示すように、電極21a、21bとカム部材44a、44bとが、それぞれプリント基板20の主面20a、20b上において、弁軸200の軸を中心とする同一の円周C1上に配置されている点で、図3A乃至図3Eに示した不連続な絶対的位置センサと相違する。
このとき、図7Bに示すように、カム部材44a、44bの端部が電極21a、21bの一部を覆い、電極21a、21bと接触子201a、201bとが電気的に接触できる範囲が間隔Wgに限定されているので、弁軸20の位置検出の精度を上げられるとともに、ヒステリシスを低減することができる。
なお、この変形例では、図7Cに記載するように、カム部材44a、44bに溝を設けた例を説明したが、溝を設ける代わりに、図7Dに記載するように、カム部材44a’、44b’の厚さ若しくはプリント基板20の主面20a、20bからの高さが弁軸200を中心として径方向外側に行くにつれて低くなるような形状にカム部材44a’、44b’を形成してもよい。
電極21a、21bは、円周C1方向に幅を持つため、弁軸200が同じ位置に到達しても、その位置に到達するときの方向に応じて弁軸の回転角度と検出回路の出力との関係が相違するという、いわゆるヒステリシスが生じる。これに対し、この他の構成例においては、図7Bに示すように、カム部材44a、44bの端部が電極21a、21bの一部を覆い、電極21a、21bと接触子201a、201bとが電気的に接触できる範囲を間隔Wgに限定することによって、弁軸200が所定の位置にあるときにのみ接触子201a、201bと電極21a、21bとが接触する構造に近づけることができるので、位置検出の精度を向上させるとともに、ヒステリシスを低減することができる。
また、カム部材44a、44bに溝を設けたり、プリント基板20の主面20a、20bに対して傾斜した面を持たせることよって、接触子201a,201bの接点201a’、201b’は、電極21a以外のところでカム部材やその他の部材と接することはない。したがって、ON/OFFセンサの寿命と信頼性を向上させることができる。
実施の形態1に係る回転制御装置を、電源を落とすことなく連続して運転させた場合、原点復帰の処理が長時間行われないため、弁軸の回転方向を切り換えた時に減速機等を構成する歯車において発生するバックラッシュの累積により、ロータリエンコーダの出力パルス数の積算値と実際の弁軸の回転方向における機械的変位量との間にずれが生じ、弁開度の測定結果に誤差が生じる。
また、ON/OFFセンサを複数配置した場合であっても、隣り合うON/OFFセンサ間で弁軸が移動を繰り返している場合には、バックラッシュが累積することがある。
≪実施の形態2に係る回転制御装置の構成≫
図8は、実施の形態2に係る回転制御装置の構成を示す図である。
実施の形態2に係る回転制御装置100Aは、弁軸200の回転方向が反転した回数をカウントし、そのカウント値が閾値を超えた場合に弁軸を操作して相対的位置センサによって検出された機械的変位Mdの積算値RPをリセットする、いわゆる弁軸200の回転方向の反転回数に基づく強制リセット機能を有する点において、実施の形態1に係る回転制御装置100と相違する。ON/OFFセンサの構成等を含む、それ以外の構成は、上述した実施の形態1と同一であるので、共通する構成要素には同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。
次に、実施の形態2に係る回転制御装置100Aの通常動作モードにおける動作について説明する。
図9Aおよび図9Bは、実施の形態2に係る回転制御装置100Aの通常動作モードにおける動作の流れを示すフロー図である。
まず、回転制御装置100Aの反転回数カウント部6は、弁軸200が反転するか否か、すなわち次に弁軸200を回転させる方向が直前に弁軸200を回転させた方向と反対であるか否かを判定する(S30)。ステップS30において、弁軸200が反転しないと判定された場合には、回転制御装置100Aは、反転回数に基づく強制リセット処理(S3)を終了してメインルーチンに戻り、ステップS21〜S27の処理を実行する。
なお、ステップS21〜S27までの一連の処理は、実施の形態1に係る回転制御装置100と同様であるため、その詳細な説明を省略する。
なお、ステップS25おいて、積算値RPがリセットされる際には、反転回数カウント部6による反転回数Rcも同様にリセットされる(図9AのステップS39)。
一般的な調節弁の制御システムでは、弁軸200がON/OFFセンサ2_1〜2_nに対応する位置に長時間到達しない状況、例えば、弁軸200がON/OFFセンサ2_2に対応する位置(弁開度:20%)とON/OFFセンサ2_3に対応する位置(弁開度:50%)との間を行き来する状況が長時間続く場合がある。この場合には、バックラッシュが累積し、相対的位置センサ1(例えば、インクリメンタル型のロータリエンコーダ)による測定結果に誤差が生じるおそれがある。
実施の形態3に係る回転制御装置100Bは、実施の形態2に係る回転制御装置100Aと同じく、バックラッシュの累積に伴う測定誤差を低減することを目的とする。実施の形態2に係る回転制御装置100Aは、弁軸200の回転方向の反転回数に基づいて、強制的に弁軸を操作して相対的位置センサによって検出された機械的変位Mdの積算値RPをリセットするように構成したのに対し、実施の形態3に係る回転制御装置100Bは、弁軸の弁軸の移動距離の積算値に基づいて、強制的に弁軸を操作して、相対的位置センサによって検出された機械的変位Mdの積算値RPをリセットするように構成する点が相違する。
≪実施の形態3に係る回転制御装置の構成≫
図10は、実施の形態3に係る回転制御装置100Bの構成を示す図である。
実施の形態3に係る回転制御装置100Bは、弁軸200がON/OFFセンサ2_1〜2_nに対応する位置に長時間到達しない状況での弁軸の弁軸の移動距離を積算し、その積算値が閾値を超えた場合に弁軸を操作して相対的位置センサによって検出された機械的変位Mdの積算値RPをリセットする、いわゆる弁軸200の移動距離の積算値に基づく強制リセット機能を有する点において、実施の形態1に係る回転制御装置100および実施の形態2に係る回転制御装置100Aと相違する。強制リセット処理以外の、ON/OFFセンサの構成等を含む構成は、上述した実施の形態1および実施の形態2と同一であるので、共通する構成要素には同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。
次に、実施の形態3に係る回転制御装置100Bの通常動作モードにおける動作について説明する。
図11Aおよび図11Bは、実施の形態3に係る回転制御装置100Bの通常動作モードにおける動作の流れを示すフロー図である。
図11Bに示すように、まず、操作部5によって弁軸200が回転したことによる機械的変位Mdの絶対値、すなわち移動距離を積算する(S41)。
次に、絶対値積算部7によって積算された移動距離の積算値が予め定められた閾値よりも大きいか否かを判定する(S42)。ステップS42において、移動距離の積算値が閾値を超えていない場合には、回転制御装置100Bは、軌道距離の積算値に基づく強制リセット処理(S4)を終了してメインルーチンに戻り、実施の形態1に係る回転制御装置100と同様に、ステップS23〜S27の処理を実行する。
なお、ステップS25おいて、積算値RPがリセットされる際には、絶対値積算部7に記憶された移動距離の積算値も同様にリセットされる(図11AのステップS49)。
弁軸200がON/OFFセンサ2_1〜2_nに対応する位置に長時間到達しない状況が長時間続くと、バックラッシュが累積し、相対的位置センサ1(例えば、インクリメンタル型のロータリエンコーダ)による測定結果に誤差が生じるおそれがある。
実施の形態4に係る回転制御装置も、実施の形態2および実施の形態3に係る回転制御装置と同様に、非接触式の相対的位置センサによって操作対象軸の回転方向の位置の測定を行う回転制御装置において、バックラッシュの累積に伴う測定誤差を低減することを目的とする。
≪実施の形態4に係る回転制御装置の構成≫
図12は、実施の形態4に係る回転制御装置の構成を示す図である。
実施の形態2に係る回転制御装置100Cは、弁軸200がON/OFFセンサ2_1〜2_nに対応する位置に到達せず、検知信号が出力されることなく経過した時間が閾値を超えた場合に、弁軸を強制的に操作して相対的位置センサによって検出された機械的変位Mdの積算値RPをリセットする点において、実施の形態1乃至3に係る回転制御装置と相違する。以下、強制リセット処理以外の、ON/OFFセンサの構成等を含む構成は、上述した実施の形態1、2および3と同一であるので、共通する構成要素には同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。なお、弁軸200がON/OFFセンサ2_1〜2_nに対応する位置に到達せず、検知信号が出力されることなく経過した時間を「滞留時間」ということがある。
次に、実施の形態4に係る回転制御装置100Cの通常動作モードにおける動作について説明する。
図13Aおよび図13Bは、実施の形態4に係る回転制御装置100Cの通常動作モードにおける動作の流れを示すフロー図である。
まず、操作量決定部43Cは、タイマ8に記憶された滞留時間を読み出して(S51)、滞留時間が閾値よりも大きいか否かを判定する(S52)。ステップS52において、滞留時間が閾値を超えていない場合には、回転制御装置100Cは、強制リセット処理(S5)を終了してメインルーチンに戻り、実施の形態1に係る回転制御装置100と同様に、ステップS21〜S27の処理を実行する。
なお、ステップS25おいて、積算値RPがリセットされる際には、それまでにタイマ8がカウントしていた滞留時間も同様にリセットされる(図13AのステップS59)。
これに対し、実施の形態4に係る回転制御装置100Cによれば、反転回数Rcが所定数(閾値Rt)を超えると積算値RPが強制的にリセットされるので、上述した状況においても、バックラッシュの累積に起因する測定誤差を抑えることが可能となる。
実施の形態5に係る回転制御装置100Dは、実施の形態2に係る回転制御装置100Aと同じく、バックラッシュの累積に伴う測定誤差を低減することを目的とする。実施の形態2に係る回転制御装置100Aは、弁軸200の回転方向の反転回数に基づいて、強制リセット処理を行うように構成したのに対し、実施の形態5に係る回転制御装置100Dは、弁軸200の回転方向に関わらず、弁軸200の動き出した回数(以下、「起動回数」ということがある。)に基づいて強制リセット処理を行うように構成する点で相違する。
図14は、実施の形態5に係る回転制御装置100Dの構成を示す図である。この回転制御装置100Dは、起動回数カウント部9を更に有し、起動回数カウント部9によってカウントされた起動回数が所定の閾値Rtを超えた場合に、強制リセット処理を実行する操作量算出部4Dを備える。
なお、ON/OFFセンサの構成等を含む、それ以外の構成は、上述した実施の形態1と同一であるので、共通する構成要素には同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。
起動回数カウント部9は、ON/OFFセンサ2−1〜2−nのいずれかから検知信号が出力された場合には、位置算出部3の基準値更新部32から出力されたリセット信号RSTによってリセットされる。
次に、実施の形態5に係る回転制御装置100Dの通常動作モードにおける動作について説明する。
図15Aおよび図15Bは、実施の形態5に係る回転制御装置100Dの通常動作モードにおける動作の流れを示すフロー図である。
まず、回転制御装置100Dの起動回数カウント部9は、起動回数をインクリメントする(S61)。
なお、ステップS21〜S27までの一連の処理は、実施の形態1に係る回転制御装置100と同様であるため、その詳細な説明を省略する。
また、ステップS25おいて、積算値RPがリセットされる際には、起動回数カウント部9に記憶された起動回数も同様にリセットされる(図15AのステップS69)。
実施の形態5に係る回転制御装置100Dによれば、起動回数が所定数(閾値)を超えると積算値RPが強制的にリセットされるので、バックラッシュの累積に起因する測定誤差を抑えることが可能となる。
以上、本発明者らによってなされた発明を実施の形態に基づいて具体的に説明したが、本発明はそれに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能であることは言うまでもない。
この例では、n=3として、それぞれ弁軸200が、弁開度が0%となる全閉位置Pc、全閉位置Pcと全開位置Poの中間点、すなわち弁開度が50%となる中間位置Pm、弁開度が100%となる全開位置Poに到達したことを検出する3個のON/OFFセンサ2_1、2_2、2_3を設ける場合が示されている。図16Bは、図16Aに示す配置例に対応した、絶対位置センサの電極21とカム部材24との配置例を示す図である。図16Bに示すように、周方向においてON/OFFセンサ2_1、2_2、2_3をそれぞれ構成する電極21の間に、カム部材24が設けられている。
この例では、弁開度が50%となる中間位置Pmに弁軸200が到達したことを検出する一つのON/OFFセンサ2を設ける場合が示されている。このとき、図17Bに示すように、ON/OFFセンサ2を構成する電極21の両側には、カム部材24を配置する。これらのカム部材は、全閉位置Pcと中間位置Pmとの間、および中間位置Pmと全開位置Poとの間に、ショートプレート201の接点の軌道に沿って配置する。
Claims (11)
- 操作対象軸の回転を制御する回転制御装置であって、
前記操作対象軸の回転方向の機械的変位を非接触で検出する相対的位置センサと、
前記操作対象軸の回転方向における第1位置から第2位置までの回転可能な範囲において前記第1位置と前記第2位置とを除く少なくとも1つの所定の中間位置に前記操作対象軸が到達したときに検知信号を出力するON/OFFセンサと、
前記検知信号が出力されてからの、前記相対的位置センサによって検出された前記機械的変位の積算値と、前記検知信号を出力した前記ON/OFFセンサに対応する前記所定の中間位置を示す基準値とに基づいて、前記操作対象軸の回転方向の絶対的な位置を算出する位置算出部と、
前記操作対象軸の回転方向の目標位置の情報と、前記位置算出部によって算出された前記操作対象軸の絶対的な位置とに基づいて、前記操作対象軸の操作量を算出する操作量算出部と、
前記操作量算出部によって算出された前記操作量に基づいて、前記操作対象軸の回転方向における第1位置から第2位置までの回転可能な範囲内において前記操作対象軸を操作する操作部とを備え、
前記ON/OFFセンサは、
前記操作対象軸の周りに設けられ、前記操作対象軸の軸線と直交する主面を有する基板と、
前記基板の主面上に配置された少なくとも1つの電極と、
一端が前記操作対象軸に固定され、前記操作対象軸の径方向に延在し、前記操作対象軸が前記所定の中間位置にあるときに他端側の一部が前記電極の1つに接触する接触子と、
前記接触子が前記電極の1つに接触すると前記検知信号を出力する検出回路と、
前記基板の前記主面上に配置され、前記操作対象軸が前記所定の中間位置にないときに前記接触子の他端を前記主面から離間させる方向に移動させるカム部材と、
を備える、回転制御装置。 - 請求項1に記載された回転制御装置において、
前記電極は、前記主面上の前記所定の中間位置に対応する位置に配置され、
前記カム部材は、前記操作対象軸の軸線を中心とする円周に沿って配置され、それぞれ前記円周に沿って前記主面上の前記所定の中間位置に対応する位置に近づくにつれて前記主面からの高さが低くなる、
回転制御装置。 - 請求項2に記載された回転制御装置において、
前記電極と前記カム部材とは、それぞれ、前記主面上の前記操作対象軸の軸を中心として互いに異なる半径を有する第1円周と第2円周とに沿って配置され、
前記カム部材のうち前記主面上で隣り合う2つのカム部材の互いに対向する端部は、前記主面上で互いに離間している、
回転制御装置。 - 請求項2に記載された回転制御装置において、
前記電極と前記カム部材とは、前記主面上の前記操作対象軸の軸を中心とする同一の円周上に配置され、
前記カム部材は、それぞれ絶縁性を有する材料から形成され、
前記カム部材のうち前記主面上で隣り合う2つのカム部材の互いに対向する端部は、それぞれ前記電極の一部を覆いかつ前記電極上で互いに離間している、
回転制御装置。 - 請求項4に記載された回転制御装置において、
前記接触子は、弾性変形可能な板状の部材であり、
前記操作対象軸が前記所定の中間位置にあるときに前記電極に接触する部分の幅は、前記主面上で隣り合う2つのカム部材の互いに対向する端部同士の間隔より狭い、
回転制御装置。 - 請求項1乃至5の何れか1項に記載された回転制御装置において、
前記基板は、前記主面として、第1主面とこの第1主面と反対側の第2主面とを有し、
前記電極は、前記第1主面上に配置された少なくとも1つの第1電極と、前記第2主面上に配置された少なくとも1つの第2電極とからなり、
前記接触子は、一端が前記操作対象軸に固定され、前記操作対象軸の径方向に延在し、前記操作対象軸が前記所定の中間位置にあるときに他端側の一部が前記第1電極の1つに接触する第1接触子と、前記第1接触子と電気的に接続されるとともに、一端が前記操作対象軸に固定され、前記操作対象軸の径方向に延在し、前記操作対象軸が前記所定の中間位置にあるときに他端側の一部が前記第2電極の1つに接触する第2接触子とからなり、
前記カム部材は、前記基板の前記第1主面上に配置され、前記操作対象軸が前記所定の中間位置にないときに前記第1接触子の他端を前記主面から離間させる方向に移動させる複数の第1カム部材と、前記基板の前記第2主面上に配置され、前記操作対象軸が前記所定の中間位置にないときに前記第2接触子の他端を前記主面から離間させる方向に移動させる複数の第2カム部材とを含み、
前記検出回路は、前記第1接触子の他端側の一部が前記第1電極に接触し、かつ前記第2接触子の他端側の一部が前記第2電極に接触すると前記検知信号を出力する、
回転制御装置。 - 請求項1乃至6の何れか1項に記載された回転制御装置において、
前記操作対象軸の回転方向が反転した回数をカウントする反転回数カウント部をさらに備え、
前記操作量算出部は、前記検知信号が出力されることなく前記反転回数カウント部によってカウントされた値が所定の閾値を超えた場合に、前記操作対象軸を前記第1位置、前記第2位置および前記所定の中間位置のいずれか一つまで移動させるための前記操作量を算出し、
前記操作部は、前記操作量算出部によって算出された前記操作量に基づいて前記操作対象軸を操作する、
回転制御装置。 - 請求項1乃至6の何れか1項に記載された回転制御装置において、
前記操作対象軸の回転方向の機械的変位の絶対値を積算する絶対値積算部をさらに備え、
前記操作量算出部は、前記検知信号が出力されることなく前記絶対値積算部によって積算された値が所定の閾値を超えた場合に、前記操作対象軸を前記第1位置、前記第2位置および前記所定の中間位置のいずれか一つまで移動させるための前記操作量を算出し、
前記操作部は、前記操作量算出部によって算出された前記操作量に基づいて前記操作対象軸を操作する、
回転制御装置。 - 請求項1乃至6の何れか1項に記載された回転制御装置において、
前記検知信号が出力されることなく経過した時間を積算するタイマをさらに備え、
前記操作量算出部は、前記検知信号が出力されることなく経過した時間が所定の閾値を超えた場合に、前記操作対象軸を前記第1位置、前記第2位置および前記所定の中間位置のいずれか一つまで移動させるための前記操作量を算出し、
前記操作部は、前記操作量算出部によって算出された前記操作量に基づいて前記操作対象軸を操作する、
回転制御装置。 - 請求項1乃至6の何れか1項に記載された回転制御装置において、
前記操作対象軸の動き出した回数をカウントする起動回数カウント部をさらに備え、
前記操作量算出部は、前記検知信号が出力されることなく前記起動回数カウント部によってカウントされた値が所定の閾値を超えた場合に、前記操作対象軸を前記第1位置、前記第2位置および前記所定の中間位置のいずれか一つまで移動させるための前記操作量を算出し、
前記操作部は、前記操作量算出部によって算出された前記操作量に基づいて前記操作対象軸を操作する、
回転制御装置。 - 請求項1乃至10の何れか1項に記載された回転制御装置において、
前記位置算出部は、
前記ON/OFFセンサから前記検知信号が出力されると、前記相対的位置センサによって検出された前記機械的変位の積算値をリセットする基準値更新部を備える、
回転制御装置。
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