CN101765778B - 根据经由绝缘单元传送的接通/断开信号供给驱动电力而动作的外部控制单元的信号状态诊断装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种以简单的构成，可以防止零件数的增加及电路构成的复杂化等引起的制造成本的增加，同时可以高精度地进行电磁阀、灯、继电器、小型直流电动机等促动器(外部控制单元)的信号状态诊断的外部控制单元的信号状态诊断装置，为此具有：与设置在变压器一次侧的中间抽头连接，通过外部控制单元的接通/断开信号对设置在二次侧的外部控制单元输送驱动电力的开关电路；连接于开关电路且对应通过外部控制单元的驱动而流向所述变压器二次侧的电流流动的一次侧电流进行测定的单元，根据该电流测定单元的测定结果对所述外部控制单元的信号状态进行诊断。

Description

根据经由绝缘单元传送的接通/断开信号供给驱动电力而动作的外部控制单元的信号状态诊断装置

技术领域

本发明涉及一种通过经由电磁阀、灯、继电器、小型直流电动机等促动器构成的绝缘单元传送的接通/断开信号，供给驱动电力而进行动作的外部控制单元的信号状态诊断装置，特别是涉及可以进行向用于控制成套设备及机器类的促动器构成的外部控制单元的信号是否正确传送的确认、电路的配线是否未产生短路或短路等电路的健全性诊断的外部控制单元的信号状态诊断装置。

背景技术

作为用于成套设备及机器类的控制的设备，使用电磁阀、灯、继电器、小型直流电动机等作为外部控制单元的促动器。这样的促动器多为以直流电压驱动，根据用途，为了防止对人体的影响或避免噪声等的影响，将从指示侧输送到设备侧的信号、及从设备侧输送到指示侧的检测结果的信号等使用光电耦合器及信号绝缘继电器、绝缘放大器、绝缘变压器等绝缘，以可以将对向成套设备及仪器类提供指示的一侧(以下称为指示侧)和利用成套设备及仪器类进行测量及驱动或控制的一侧(以下称为设备侧)绝缘，或在需要电力的情况下将电源的变压器作为绝缘变压器。

另外，在仪器检测的领域中，近年来确认输出信号及电路配线的健全性，即电磁阀、灯、继电器、小型直流电动机等促动器是否按照指示动作、配线是否未产生断路及短路等并提高系统的可靠性的需求也增大。

对应于这样的要求，图7、图8是在由电磁阀、灯、继电器、小型直流电动机等促动器等构成的外部控制单元的附加了现有的驱动电路例和健全性诊断电路的电路例的方框图。在该图7、图8中，160为用于驱动促动器163(下面、有时只称为”对象”)的驱动电压信号，161为用于使成套设备侧和指示侧绝缘的信号绝缘继电器，162为用于驱动促动器的直流电源装置，163为电磁阀、灯、继电器、小型直流电动机等促动器，164为绝缘层。

在图8中，101是用于对电流检测的信号转换电路164、调制电路165供给电力的电源电路，由将来自电源102的电力形成脉冲电压的脉冲发生电路103、将来自该脉冲发生电路103的脉冲电压进行电压转换并将成套设备侧和指示侧绝缘的绝缘变压器104、将通过绝缘变压器104进行了电压转换的脉冲进行整流的整流电路105、将整流后的脉冲进行平滑化并形成恒电压的恒电压电路106构成，虚线所示的线为绝缘层107。164为电流检测的信号转换电路、165为调制电路、166为绝缘变压器、167为解调电路、168为电流重读信号。

图7的驱动电压信号160输入到用于信号绝缘的信号绝缘继电器161，从另外设置的直流电源装置162输送来的电力经由该信号绝缘继电器161输送到电磁阀、灯、继电器、小型直流电动机等作为对象物的促动器163而进行驱动。

在进行健全性诊断的图8所示的电路中，为了驱动电磁阀、灯、继电器、小型直流电动机等作为对象物的促动器163，与图7相同，在设置直流电源装置162且电力经由信号绝缘继电器161输送到作为对象物的促动器163这一点上相同。但是，在该图8的情况下，为了诊断作为对象物的促动器163是否按照指示通进行动作、配线是否产生断路及短路等健全性，而设置促动器163的电流检测用信号转换电路164、将检测的电流转换为电压的调制电路165、绝缘变压器166、用于将电压信号转换为电流信号的解调电路167等构成的绝缘放大器，为了驱动信号转换电路164、调制电路165等，而设置由电源102、脉冲发生电路103、绝缘变压器104、整流电路105、恒电压电路106等构成的电源电路101。

而且，与图7同样，驱动电压信号160输入用于信号绝缘的信号绝缘继电器161，使该信号绝缘继电器161为接通，从直流电源162输来的电力输送到电磁阀、灯、继电器、小型直流电动机等作为对象物的促动器163而进行驱动。然后，从直流电源162经由信号绝缘继电器161输送的电流通过电流检测用信号转换电路164进行检测并转换为电压信号，通过调制电路165将上述电压信号调制而转换为电压调制信号(交变电压信号)并给予绝缘变压器166，在指示侧，通过解调电路167转换为电流信号，流入对象163的电流作为电流重读信号168输出。

以上为具有用于传送设备及机器种类的控制的电磁阀、灯、继电器、小型直流电动机等促动器按照指示进行动作、配线未产生断路及短路等进行确认的健全性诊断功能的电路，但在现有的外部控制单元的信号状态诊断装置的电路构成中，进行健全性诊断的情况存在下述问题。

A.在促动器的驱动信号的传送电路之外，为了健全性诊断，还需要追加电源及健全性诊断电路，零件数增加的同时电路构成复杂化，制造成本增加。

B.为了电路的异常检测，需要设置过电流检测电路等付加的电路，进而需要另外设置电路保护器及保险丝等对过电流的保护单元。

因此，在进行健全性诊断的情况下，由于成本较大提高，故而只能适用于容许成本提高而注重于提高可靠性这样的特殊要求的装置。

另外，对于检测电线的断路的技术，例如在专利文献1(日本特开2006-023105号公报)中公开了电线的断路检测方法：对电线施加脉冲信号，此时，对流过电线的电流进行检测，将电流波形与参照用电流波形比较，从该波形差检测断路。在专利文献2(日本特开2004-198302号公报)中公开了断路检测电路：对检测断路的信号线经由电阻元件施加检测用脉冲信号，将从信号线得到的信号和检测用脉冲信号比较，对判定信号线的断路进行判定。

另外，对于电路的诊断，在例如专利文献3(日本特开平8-005708号公报)中公开了电路诊断方法及使用该方法的电路诊断装置：为了使测定记录的管理容易，提高进行电路诊断时的作业效率，进而使人为的错误介入的余地小，而对写入并保存在装入读出诊断对象的电气设备的非易失性存储器中的电气设备的特性的测定结果、及与测定相关的信息、或电气设备的特性的测定结果、或与测定相关的信息予以读取，通过与对电气设备得到的最新测定结果及与测定相关的信息比较，对电气设备的状态进行诊断。

但是，这些专利文献1、专利文献2中公开的技术涉及了电线的断路检测，但需要脉冲信号的施加单元及参照用电流波形的存储装置等，如专利文献3所示的电路诊断装置需要存储电气设备的特性的测定结果及与测定相关信息的存储器，并且需要用于电路的特性测定和状态诊断的比较单元等，是复杂的结构，不能成为上述A、B所示的问题点的解決方法。

发明内容

由此，在本发明中课题为，提供一种外部控制单元的信号状态诊断装置，以简单的构成用同一单元进行作为外部控制单元的被驱动体的驱动状态及配线的断路、短路这样的故障产生的信号的传送和电力的传送，可以防止零件数的增加及电路构成的复杂化等引起的制造成本的增加，同时，可以高精度地进行信号的传送、电路的健全性诊断。

为解决上述课题，本发明提供一种外部控制单元的信号状态诊断装置，通过经由绝缘单元传送接通/断开信号供给驱动电力而进行动作，其特征在于，具有：交变电压发生单元，包含矩形波状的脉冲电压(在OV～正或负侧振荡的转换脉冲电压)及交流(在正负振荡的波形电压)；作为所述绝缘单元的绝缘变压器，在一次侧连接该交变电压发生单元且在二次侧连接所述外部控制单元；开关电路，与设置在该绝缘变压器一次侧的中间抽头连接并根据所述接通/断开信号进行动作，对设置在所述绝缘变压器二次侧的所述外部控制单元输送驱动电力；电流测定单元，连接于该开关电路，对与通过所述外部控制单元的驱动而在所述变压器二次侧流动的电流对应地流动的一次侧电流进行测定，根据该电流测定单元的测定结果对所述外部控制单元的信号状态进行诊断。

这样，可以构成外部控制单元的信号状态诊断装置，其设置与设于绝缘变压器一次侧的中间抽头连接，且通过接通/断开信号对外部控制单元输送驱动电力的开关电路，测定由于经由绝缘变压器从一次侧输送的电力被连接于二次侧的外部控制单元消耗而产生的一次侧电流的变化，通过由此进行外部控制单元的信号状态的诊断，可以用单一电路进行电力的供给和外部控制单元的诊断，无需如现有装置的所述A、B那样为了健全性诊断而设置电源及绝缘变压器等的绝缘单元、信号转换电路及解调电路等，可以以非常简单的构成防止零件数的增加及电路构成的复杂化等引起的制造成本的增加，同时，可以精度优良地进行检测结果的传送及电路的健全性诊断。

而且，可以形成如下这样的信号状态诊断装置，所述开关电路根据所述外部控制单元的接通/断开信号，使所述交流发生装置的输出接通/断开，所述开关电路构成为在所述外部控制单元的断开信号下将所述外部控制单元不会工作的的电力对所述变压器二次侧输出，由此，在外部控制单元断路的情况下不测定电流，在短路的情况下，流过比通常大的电流，绝缘变压器一次侧电流也与之对应变化，可以推断外部控制单元的接通/断开状态、断路、短路，且能够持续监视电路的断路及短路。

如以上所记载，可以形成如下这样的外部控制单元的信号状态诊断装置，本发明的外部控制单元的信号状态诊断装置，无需如现有装置那样，在每个被驱动体上设置电源及绝缘变压器等的绝缘单元、信号转换电路及解调电路，可以以非常简单的构成，防止零件数的增加及电路构成的复杂化等引起的制造成本的增加，同时，可以高精度地进行检测结果的传送及电路的健全性诊断。

附图说明

图1是根据本发明，驱动通过接通/断开的二值电压信号供给电力而驱动的电磁阀、灯、继电器、小型直流电动机等促动器的电路的方框图；

图2是根据本发明，驱动通过接通/断开的二值电压信号供给电力而驱动的电磁阀、灯、继电器、小型直流电动机等促动器的具体的电路构成；

图3是根据本发明，表示通过接通/断开的二值电压信号供给电力而驱动的促动器的正常驱动状态、配线的断路状态及短路状态的各状态的电流波形(电流/时间变化)的曲线图；

图4是表示用于本发明的变压器铁芯材料的温度引起的铁芯损耗的特性(电力/温度)的曲线图；

图5是示意性表示一次线圈和二次线圈向用于本发明的变压器铁芯卷绕的卷绕方法的图；

图6是表示线圈向用于本发明的变压器的铁芯卷绕的卷绕方法引起的各温度下的信号(使用25℃的传送特性系数，使温度在-40～+85℃变化时的各温度的传送特性的直线误差)的传送特性不同的实验结果的曲线图(A)，表示用于该实验的变压器的各元素的表图(B)；

图7是通过电压信号驱动电磁阀、灯、继电器、小型直流电动机等作为对象物的促动器的情况的现有电路的方框图；

图8是用于驱动如供给电压信号而成为全开或全闭的电磁阀、或与所提供的电压对应而在从全开至全闭之间控制开度的伺服阀这样的促动器的现有电路方框图。

具体实施方式

下面，参照附图示例性详细地说明本发明的最佳实施例。但是，该实施例所记述的构成零件的尺寸、材质、形状、其相对的配置等只要没有特别特定的记述，就不是将该发明的范围限定于此的意思，只不过是说明例。

图1、图2、图3是表示进行向根据经由电磁阀、灯、继电器、小型直流电动机等促动器构成的绝缘单元传送的接通/断开信号而被供给驱动电力进行动作的外部控制单元的信号是否正确传送的确认、电路的配线上否产生断路及短路等电路的健全性诊断的本发明的信号状态诊断装置的方框图(图1)和具体的电路例(图2)、及作为图1、图2的电路的对象80的促动器的动作状态及配线的断路、短路的各状态下的电流值的曲线图(图3)。

在该图1、图2中，1为电源，2为脉冲发生电路，3为绝缘变压器，4为整流电路，6为绝缘变压器3的一次侧电流，7为绝缘层，80为通过接通/断开的二值电压信号供给电力而进行驱动的电磁阀、灯、继电器、小型直流电动机等作为外部控制单元的促动器(下面，简称为“对象”)，81为使用FET(图2中为83)等的开关电路，82为用于驱动促动器80的驱动电压信号。另外，在图2中，21、22为构成整流电路的二极管，23、24为构成该整流电路的电容器，26为电容器，25、84为电阻，83为根据驱动电压信号82进行接通/断开的FET，85、86为用于对绝缘变压器3的一次绕组的两端交互施加脉冲电压的FET。

在图3中，纵轴为电流信号6的电流值，横轴为用于表示接通/断开的状态的时间轴，上部作为“接通”表示的曲线为促动器80处于接通状态情况的电流值，作为“断开”表示的曲线为促动器80处于断开状态的情况的电流值，曲线图中作为“正常”表示的是接通/断开的各情况下流通的电流值的范围，在曲线图原点作为“断”表示的是电路中产生断路的情况的电流值，作为“短路”表示的是电路中产生短路的情况的电流值。

首先，对图1的方框图进行说明，与现有电路的情况相同，从供给了电源1的脉冲发生电路2供给脉冲的开关电路81通过驱动电压信号82的接通/断开信号进行接通/断开，将用于驱动促动器80的电压、和不足以驱动的电压供给于绝缘变压器3。因此，促动器80在驱动电压信号82的接通状态下从绝缘变压器3经由整流电路4供给10～20W的电力，在断开状态下供给不足以驱动促动器80的电力。

因此，在绝缘变压器3的二次侧，由于促动器80的驱动而流过电流，由于对应于该二次侧电流的电流流向绝缘变压器3的一次侧，因此，将其作为电流信号6通过未图示的电流测定单元进行测量，由此，可以推测促动器80消耗的电流，另外，在电路有断路及短路情况下，可以根据未流有一次侧电流、流有过大电流等来判断状态。

接着，对图2的详细电路进行说明，在绝缘变压器3的二次侧，连接二极管21、22、电容器23、24以构成全波整流电路，并在其输出侧连接有促动器80。另外，在绝缘变压器3的一次侧，来自以电源1的电力进行动作的脉冲发生电路2的脉冲被输入从电源Vcc供给电力的FET85、86，通过将各FET设为接通状态，电压Vcc对绝缘变压器3的一次侧绕组的两端交互施加。另外，绝缘变压器3的一次侧绕组在其中点设置中间抽头，连接有作为开关电路81的电阻84并联连接而成的FET83，在其前端将电阻25和电容器26并联连接。

脉冲发生电路2接受电源1的供给而产生矩形波的脉冲，经由FET85、86将电压Vcc交互供给绝缘变压器3的一次绕组的两端。对构成开关电路81的FET83施加驱动电压信号82的接通信号时，FET83成为接通状态，在绝缘变压器3的一次侧流过由电阻25(参照图2)决定的电流。然后，通过由二极管21、22、电容器23、24构成的整流电路整流后的直流从被升压的二次侧供给到作为外部控制单元的促动器80而进行驱动。

因此，通过促动器80的驱动，电流流向绝缘变压器3的二次侧，但此时，由于在绝缘变压器3的一次侧流有与流向该二次侧的促动器80的驱动电流对应的电流信号6，因此，通过未图示的电流测定单元测定该电流，从该值推定实际用于驱动促动器80的电流。由此，不需要如上述的现有电路那样除了促动器的接通/断开信号的传送电路之外还为了健全性诊断而设置电源及健全性诊断电路、为了电路的异常检测而设置过电流检测电路等付加的电路等，使零件数增加而使电路构成复杂化，造成制造成本增加的方法，可以对用于驱动电磁阀、灯、继电器、小型直流电动机等促动器80的电流高精度地进行外部控制单元的信号状态的健全性诊断。

而且，在驱动电压信号82为断开的情况下，构成开关电路81的FET83为断开状态，电流通过并列插入FET83的电阻84和电阻25进行流通，绝缘变压器3的一次侧的电压成为恒电压，驱动电压信号82为断开的情况下，也在绝缘变压器3的二次侧产生促动器80不会进行动作的电压。由此，在电流信号6不流通的情况下考虑为配线断路，另外，在流过比预想大的电流时考虑为配线短路。

表示该情况的电流信号6的是图3的曲线图。该图3的曲线图为纵轴表示电流，横轴表示促动器80的驱动电压信号82为接通时(左侧曲线图)、和断开(右侧曲线图)时的电流的状态，驱动电压信号82为接通的情况如上述那样，图2的FET83为接通，在绝缘变压器3的一次侧流过由电阻25决定的电流，在绝缘变压器3的二次侧流过在图3的左侧曲线图标记为“正常”的值的范围的电流。

在驱动电压信号82为断开的情况下，如上所述FET83为断开，因此，电流在并列插入该FET83的电阻84和电阻25的两方中流通，在绝缘变压器3的二次侧流通有不使促动器动作的程度的图3的右侧曲线图标记为“正常”的值的范围的微弱的电流。但是，在电路的配线为短路的情况下，电路中流过大的电流，因此，流过如该图3中标记为“短路”的值的电流，另外在断路的情况下，微弱的电流也不流通，因此，成为同该图3中标记为“断”的大致为0的值。

即，在本发明中，如上所述，通过与利用促动器80的驱动而流向绝缘变压器3的二次侧的电流对应的一次侧电流，推定用于促动器80的驱动的电流，同时，通过在电路中始终流通微弱的电流，还可以诊断配线的断路、短路。

另外，在使用这样不设置恒电压电路的电源，经由变压器进行被驱动体的驱动和诊断的情况下，特别是在模拟信号的传送中，其精度成为问题。特别是在该电路形式的情况下，相对于传送的能量，通过绝缘变压器3损失的损耗作为误差产生。但是，这样的信号传送的误差只要是要求的精度容许的误差范围以下就不会有问题，因此，例如在0.2％至0.25％左右的精度即可的情况下可以使用通常的变压器。

另外，要求其以上的精度例如0.1％以下的精度时，最大的问题是变压器的温度产生的铁芯损耗变化，例如如果该铁芯损耗相对温度大致一定，那么将其考虑在内而判断测定结果即可，可以进行保持精度的测定及模拟信号的传送。因此，在本发明中依然使用日本TDK株式会社制的称为PC95的铁芯材料构成变压器，其如图7所示温度的铁芯损耗特性(电力/温度)，例如相对日本TDK株式会社制的PC44、PC47这样的通常在100℃左右具有峰值特性的铁芯材料，峰值特性比该PC44、PC47差，但在宽的温度范围内铁芯损耗变动较少。另外，该图7中横轴表示温度(℃)、纵轴表示电力(Pcv单位：kw/cm³)。由此，可以以简单地电路结构高精度地提供外部控制单元的信号状态的诊断装置。

此外，本申请发明者发现，在该变压器的一次侧绕组的大致中间部设置中间抽头，将电流测定单元与该中间抽头连接，测定因向二次侧供给的电力被消耗而产生的一次侧电流的变化，但如在图5表示这些一次侧的线圈和二次侧的线圈的示意图那样，将一次侧线圈以中间抽头为中心分成前半部11和后半部13两部分，通过在由上述的PC95形成的铁芯10上以前半部11和后半部13的线圈夹持二次侧线圈12进行卷绕，发现能够得到良好的信号传送特性。

图6(A)的曲线图表示该情况的实验结果。该曲线图是使用如上所述的日本TDK株式会社制的称为PC95的铁芯材料，如图5所示，使用将一次侧线圈以中间抽头为中心分成前半部11和后半部13两部分，利用以前半部11和后半部13的线圈夹持二次侧线圈12卷绕而成的绝缘变压器，构成隔离分配放大器，测量直线性和温度漂移的状态的图。

另外，用于该测量的绝缘变压器各种因素如图6(B)所示的表，测量使用10ppm/℃的精密电阻来实施。图6(A)的曲线图中，横轴是隔离分配放大器的输出电流值，单位是mA，纵轴是全刻度误差％(将4～20mA作为100％)，使用25℃下的传送特性系数，标绘使温度在-40～+85℃变化时的各温度下的传送特性的直线误差。

使用目前所用的、例如日本TDK株式会社制的称为PC44、PC47的铁芯材料，将一次侧线圈与前半11和后半13都连续地进行卷绕，在其上卷绕二次侧线圈12时，可知能够得到直线性在±0.05％以下、0～60℃的环境下为±0.25％左右，如从该图6(A)的曲线图可知，通过如上述构成绝缘变压器，直线性在±0.01％以下、0～85℃的环境下为±0.1％，在-40～85℃的环境下为+0.15％/-0.1％这样的直线性、温度漂移都良好的结果。另外认为，通过研究绝缘变压器的形状及大小，使线圈匝数增加等，能够以温度特性的提高为代表进一步实现高精度化。

产业上的可利用性

根据本发明，可以容易地以同时进行电力的供给和外部控制单元的诊断的简单的结构，不导致零件数量的增加及电路构成的复杂化等造成的制造成本的增加，来实施目前因成本增加而搁置的通过经由绝缘单元传送的接通/断开信号供给驱动电力而进行动作的电磁阀、灯、继电器、小型直流电动机等促动器等的外部控制单元的动作确认及的电路的健全性诊断，且能够容易地适用于希望确保可靠性的电路。

Claims (3)

1.一种外部控制单元的信号状态诊断装置，根据经由绝缘单元传送的接通/断开信号供给驱动电力而进行动作，其特征在于，具有：

交变电压发生单元，产生矩形波状的脉冲电压；

作为所述绝缘单元的绝缘变压器，在一次侧连接该交变电压发生单元且在二次侧连接所述外部控制单元；

开关电路，与设置在该绝缘变压器一次侧的中间抽头连接并根据所述接通/断开信号进行动作，对设置在所述绝缘变压器二次侧的所述外部控制单元输送驱动电力；及

电流测定单元，连接于该开关电路，对与通过所述外部控制单元的驱动而在所述变压器二次侧流动的电流对应地流动的一次侧电流进行测定，

根据该电流测定单元的测定结果对所述外部控制单元的信号状态进行诊断。

2.如权利要求1所述的外部控制单元的信号状态诊断装置，其特征在于，所述开关电路根据所述外部控制单元的接通/断开信号使所述交变电压发生单元的输出接通/断开。

3.如权利要求1或2所述的外部控制单元的信号状态诊断装置，其特征在于，所述开关电路构成为在所述外部控制单元的断开信号下将所述外部控制单元不会工作的电力向所述变压器二次侧输出。

Images