JP2006029889A - Rotation speed detection device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、回転体の回転数を検出して回転速度を検出する回転速度検出装置に関するものである。 The present invention relates to a rotational speed detection device that detects the rotational speed by detecting the rotational speed of a rotating body.
回転体の回転数を検出して回転速度を検出する手段は、鉄道車両等の車輪により移動するシステムに従来から使用されている。また、一般に回転体の回転数を検出する手段としては信号発生器が用いられるが、特に鉄道車両においては、信号発生器として、電源を必要としない速度発電機が広く用いられている。ここで、速度発電機は一般的な交流発電機と同様の構造を有しており、通常、車軸端に装着され、車輪の回転により回転子が駆動されることで車輪の回転数に比例した周波数の交流を固定子から出力するものである。 The means for detecting the rotational speed by detecting the rotational speed of the rotating body has been conventionally used in a system that moves by wheels of a railway vehicle or the like. In general, a signal generator is used as a means for detecting the number of rotations of the rotating body. However, particularly in a railway vehicle, a speed generator that does not require a power source is widely used as a signal generator. Here, the speed generator has the same structure as a general AC generator, and is usually mounted on the axle end and is proportional to the rotation speed of the wheel by driving the rotor by the rotation of the wheel. The frequency alternating current is output from the stator.
しかし、速度発電機の出力電圧の振幅は、構成上、回転数に依存し、回転数が小さい場合には出力電圧の振幅が小さく、回転数が大きい場合には出力電圧の振幅が大きくなり、ある程度の大きさになると飽和してしまう特性を持っている。
なお、図9は、速度発電機の出力電圧特性の模式図を示しており、横軸は回転数に比例した周波数f、縦軸は出力電圧の振幅Vppである。
このように、速度発電機の出力電圧は周波数特性を有しているため、低速時には出力電圧の振幅Vppが小さくなり、回転数を正確に検出できなくなるといった問題がある。
However, the amplitude of the output voltage of the speed generator is structurally dependent on the number of revolutions. When the number of revolutions is small, the amplitude of the output voltage is small, and when the number of revolutions is large, the amplitude of the output voltage is large. It has the characteristic of becoming saturated when it reaches a certain size.
FIG. 9 shows a schematic diagram of the output voltage characteristics of the speed generator, where the horizontal axis represents the frequency f proportional to the rotational speed, and the vertical axis represents the amplitude V pp of the output voltage.
As described above, since the output voltage of the speed generator has frequency characteristics, there is a problem that the amplitude V pp of the output voltage becomes small at low speed and the rotational speed cannot be detected accurately.
この問題を解決する方法として、後述する特許文献1に記載された従来技術が存在する。
図10は、特許文献1の図7に記載された速度検出方式のブロック図である。この図10において、交流信号Esg1,Esg2は、図示されていない速度発電機からの出力信号を、高域のノイズを除去するためのローパスフィルタを通した後に、A/D変換器によりディジタル値に変換した正弦波信号である。これらの正弦波信号Esg1,Esg2は互いに90°位相のずれた信号であり、簡単のために、Esg1をsin波、Esg2をcos波とする。
As a method for solving this problem, there is a conventional technique described in
FIG. 10 is a block diagram of the speed detection method described in FIG. In FIG. 10, AC signals E sg1 and E sg2 are output from a speed generator (not shown) through a low-pass filter for removing high-frequency noise, and then converted into digital signals by an A / D converter. A sine wave signal converted into a value. These sine wave signals E sg1 and E sg2 are signals that are 90 ° out of phase with each other. For simplicity, E sg1 is a sine wave and E sg2 is a cosine wave.
正弦波信号Esg1,Esg2と関数発生器105により生成された正弦波信号ER1,ER2とは、乗算器101a,101bに入力され、乗算器101aによりEsg1とER1との積が、乗算器101bによりEsg2とER2との積がそれぞれ演算される。これらの演算結果は、加算器102に図示の符号で入力され、両者の差が位相差検出出力eVとして算出される。
すなわち、乗算器101a,101b及び加算器102が位相差検出手段を構成している。
The sine wave signals E sg1 and E sg2 and the sine wave signals E R1 and E R2 generated by the
That is, the
ここで、正弦波信号Esg1=sinαと表すと、Esg1,Esg2の位相関係から、Esg2=cosαと表すことができる。
一方、関数発生器105から出力される正弦波信号をEr1=cosβ,Er2=sinβとすると、乗算器101a,101bによる演算結果は、数式1,数式2で表される。
Here, when the sine wave signal E sg1 = sin α, it can be expressed as E sg2 = cos α from the phase relationship between E sg1 and E sg2 .
On the other hand, assuming that the sine wave signal output from the
従って、加算器102からの出力eVは数式3により表され、入力信号(正弦波信号Esg1,Esg2)の位相αと関数発生器105の出力信号(Er1,Er2)の位相βとの位相差Δθ=α−βに依存した正弦波信号となる。
Therefore, the output e V from the
数式3より、位相差Δθ=0のとき、eV=0となるので、eV=0になるように関数発生器105の出力信号の位相βを制御すれば、関数発生器105の出力信号を速度発電機の出力信号に同期させることができる。
よって、速度発電機の出力信号の代わりに関数発生器105の出力信号を回転体の回転数に比例した周波数信号として用いることができる。この制御は、いわゆるPLL(位相同期ループ)の原理を用いている。
このような構成により、速度発電機の出力信号に同期した正確な正弦波信号が関数発生器105から得られるので、この信号を回転角情報として利用することで、低速時の回転速度検出やより正確な回転速度検出が可能となる。
From
Therefore, instead of the output signal of the speed generator, the output signal of the
With such a configuration, an accurate sine wave signal synchronized with the output signal of the speed generator is obtained from the
なお、図10において、103はディジタルフィルタであり、加算器102の出力eVに基づいて位相角(積算走行距離に比例する信号)を出力する。104はディジタルフィルタ103の出力信号に係数を乗じて回転体の回転角を演算する係数器であり、この回転角が前記βに相当する。
In FIG. 10, 103 is a digital filter, and outputs a phase angle (signal proportional to the integrated travel distance) based on the output e V of the
上述した特許文献1の従来技術によれば、速度発電機の出力信号の周波数特性を補正して低速時の回転速度検出や一層正確な回転速度検出が一応可能になるが、以下のような問題がある。
(1)速度発電機から出力される二つの正弦波信号の位相差が90°になっていない場合には、回転速度を正確に検出することができない。特に、二つの信号の位相差が60〜120°と広範囲になるような速度発電機を使用する鉄道車両分野での適用が困難である。
(2)一方の速度発電機の正弦波信号が異常となった場合に、正しい回転速度を検出することができない。
(3)速度発電機の出力信号をA/D変換器によりディジタル化し、更に関数発生器を用いて位相同期ループを構成しているため、回路構成が複雑となり、かつ、高価となる。
According to the above-described prior art of
(1) If the phase difference between the two sine wave signals output from the speed generator is not 90 °, the rotational speed cannot be accurately detected. In particular, it is difficult to apply in the railway vehicle field using a speed generator in which the phase difference between two signals is as wide as 60 to 120 °.
(2) When the sine wave signal of one speed generator becomes abnormal, the correct rotation speed cannot be detected.
(3) Since the output signal of the speed generator is digitized by the A / D converter and the phase locked loop is configured using the function generator, the circuit configuration becomes complicated and expensive.
そこで、本発明の解決課題は、簡易かつ安価な構成で速度発電機等の信号発生手段の出力信号の周波数特性を補正することにより、極低速域まで安定して回転速度を検出可能とした回転速度検出装置を提供することにある。 Therefore, the problem to be solved by the present invention is that the rotation speed can be detected stably up to the extremely low speed range by correcting the frequency characteristics of the output signal of the signal generator such as the speed generator with a simple and inexpensive configuration. It is to provide a speed detection device.
上記の課題を解決するため、請求項1に記載した発明は、回転体の回転に同期してその回転数に比例した周波数の信号を出力する信号発生手段を備え、この信号発生手段の出力信号を用いて回転体の回転数を検出する回転速度検出装置において、
周波数に応じて振幅が変化する信号発生手段の出力信号が入力され、回転体の検出するべき速度範囲にわたり、信号発生手段の出力信号の振幅が所定範囲に収まるような入出力ゲイン特性により信号発生手段の出力信号を補正する信号補正手段を備えたものである。
In order to solve the above problems, the invention described in
An output signal of the signal generating means whose amplitude changes according to the frequency is input, and the signal is generated by an input / output gain characteristic such that the amplitude of the output signal of the signal generating means falls within a predetermined range over the speed range to be detected by the rotating body. The signal correcting means for correcting the output signal of the means is provided.
請求項2に記載した発明は、請求項1において、信号補正手段は、信号発生手段の出力信号の振幅がほぼ一定値になるような入出力ゲイン特性により前記出力信号を補正するものである。 According to a second aspect of the present invention, in the first aspect, the signal correction means corrects the output signal by input / output gain characteristics such that the amplitude of the output signal of the signal generation means becomes a substantially constant value.
請求項3に記載した発明は、請求項1または2において、信号補正手段は、回転体の検出するべき速度範囲外に相当する信号発生手段の出力信号に対して、極低速域では所定のゲイン特性となり高速域では積分特性となる入出力ゲイン特性を有するものである。 According to a third aspect of the present invention, in the first or second aspect, the signal correction unit has a predetermined gain in the extremely low speed range with respect to the output signal of the signal generation unit corresponding to the outside of the speed range to be detected by the rotating body. It has an input / output gain characteristic which becomes a characteristic and becomes an integral characteristic in a high speed range.
請求項4に記載した発明は、請求項1〜3の何れか1項において、信号発生手段の出力信号の振幅が最小値と最大値との間でばらつきを生じる場合に、前記振幅が最小になる極低速時を優先して信号補正手段のゲインを設定すると共に、前記振幅が最大になる高速時には、必要に応じて信号補正手段の出力信号をクランプするものである。 According to a fourth aspect of the present invention, in any one of the first to third aspects, when the amplitude of the output signal of the signal generating means varies between the minimum value and the maximum value, the amplitude is minimized. The gain of the signal correction means is set with priority given to the extremely low speed, and the output signal of the signal correction means is clamped as necessary at the high speed at which the amplitude is maximized.
本発明によれば、比較的簡易な構成で速度発電機等の信号発生手段の出力信号の周波数特性を補正することができ、結果として、回転体の回転速度を極低速域まで安定して検出可能な低コストの回転速度検出装置を実現することができる。
特に、従来技術のように二つの正弦波信号を用いて回転速度を検出する原理に依らないため、例えば鉄道車両分野における車両速度の検出に最適である。
According to the present invention, it is possible to correct the frequency characteristics of the output signal of a signal generator such as a speed generator with a relatively simple configuration. As a result, the rotational speed of the rotating body can be stably detected up to an extremely low speed range. A possible low-cost rotation speed detection device can be realized.
In particular, since it does not depend on the principle of detecting the rotational speed using two sine wave signals as in the prior art, it is most suitable for detecting the vehicle speed in the railway vehicle field, for example.
以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
まず、図1は請求項1〜3に相当する本発明の第1実施形態を示すブロック図である。
図1において、信号発生器1は回転体の回転数に比例した周波数の信号を発生するためのものであり、例えば鉄道車両等の車軸端に設置される速度発電機等である。この信号発生器1から出力される周波数信号は後述する信号補正回路2により補正されて波形整形回路3に入力され、方形波信号に変換される。速度演算回路4では、この入力信号をカウントすることにより回転体の回転速度を演算するように構成されている。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a block diagram showing a first embodiment of the present invention corresponding to
In FIG. 1, a
ここで、信号発生器1として、例えば速度発電機を用いた場合には、その出力信号は前述した図9のような周波数特性を有しているため、極低速域では信号発生器1の出力信号の振幅が微少となり、正しい回転速度演算を行えない可能性がある。
このため、本実施形態では、所定の入出力ゲイン特性を有する上記信号補正回路2により、信号発生器1の出力信号の周波数特性を補正するようにしたものである。
Here, when a speed generator is used as the
For this reason, in this embodiment, the frequency characteristic of the output signal of the
上記信号補正回路2の入出力ゲイン特性としては、補正後の出力信号の振幅が検出すべき速度範囲で設定した許容範囲に収まるように、例えば、図2(b)に示すように低周波領域ではゲインを大きくし、周波数が高くなるに従い減少して一定値に収束するようなゲイン特性とする。
図2(b),(c)では、説明を簡単にするため、信号補正回路2による補正後の出力信号の振幅が一定値となるようなゲイン特性を示したが、検出すべき速度範囲において、設定した許容振幅範囲内に収まるようなゲイン特性とすればよい。
As the input / output gain characteristics of the
In FIGS. 2B and 2C, the gain characteristics are shown such that the amplitude of the output signal after the correction by the
また、信号補正回路2の入出力ゲイン特性を、図3に示すように、速度検出範囲外の極低速度範囲(図3(b)の範囲A)では、一定のゲイン特性となり、回転速度検出範囲外の高速度範囲(図3(b)の範囲B)では、積分特性となるように構成してもよい。このようにすることで、不要な信号を減衰させ、より安定した回転速度の検出を行うことができる。
Further, as shown in FIG. 3, the input / output gain characteristics of the
例えば、図3(b)に示す入出力ゲイン特性を近似的に実現可能な信号補正回路2としては、図4に示す第1実施例の回路構成が挙げられる。この図4の回路は、一つのオペアンプQ1と三つの抵抗R1,R2,R3及び二つのコンデンサC1,C2により構成されている。
ここで、図4に示す回路の伝達特性を求めてみる。図4において、信号補正回路2の入力端子2aとオペアンプQ1の反転入力端子との間のインピーダンスをZ1、上記反転入力端子と信号補正回路2の出力端子2bとの間のインピーダンスをZ2とおくと、伝達関数は数式4で表される。なお、図4から、Z1は数式5によって表される。
For example, the
Here, the transfer characteristic of the circuit shown in FIG. 4 is obtained. 4, the signal correction circuit Z 1 impedance between the input terminal 2a and the inverting input terminal of the operational amplifier to Q 1 2, impedance Z 2 between the output terminal 2b of the inverting input terminal and the
数式4におけるZ2は、コンデンサC1と、抵抗R2とコンデンサC2との直列回路と、抵抗R3との並列回路の合成インピーダンスとなる。コンデンサC1のアドミタンスをY2a、抵抗R2とコンデンサC2との直列回路のアドミタンスをY2b、抵抗R3のアドミタンスをY2cとおくと、上記並列回路の合成アドミタンスY2は数式6によって表される。
Z 2 in
よって、インピーダンスZ2は数式7となる。 Therefore, the impedance Z 2 becomes Equation 7.
数式5及び数式7を数式4に代入して、数式8を得る。
Substituting
数式8を変形して数式9を得ると共に、この数式9の一部を数式10のようにおくと、数式11が得られる。 When Formula 8 is transformed to obtain Formula 9, and part of Formula 9 is placed as Formula 10, Formula 11 is obtained.
よって、数式11の伝達特性は、図5のようになる。
ここで、数式12が成り立つので、数式10〜数式12により、数式13〜数式15が得られる。
Therefore, the transfer characteristic of Formula 11 is as shown in FIG.
Here, since Expression 12 holds, Expressions 13 to 15 are obtained by Expressions 10 to 12.
数式13及び数式15から数式16が得られ、数式14〜数式16から数式17が得られる。 Equation 16 is obtained from Equation 13 and Equation 15, and Equation 17 is obtained from Equation 14 to Equation 16.
よって、数式15〜数式17より、T1〜T3、及び、図5に示す低速域のゲインを設定し、回路定数のうちの何れか一つの値を設定すれば、残りの回路定数は一義的に決定できる。従って、図4に示す回路構成により、図5に示すゲイン特性が実現でき、近似的に図3(b)に示すゲイン特性を実現できることがわかる。 Therefore, from Equations 15 to 17, T 1 to T 3 and the low-frequency gain shown in FIG. 5 are set, and if any one of the circuit constants is set, the remaining circuit constants are unambiguous. Can be determined. Therefore, it can be seen that the gain characteristic shown in FIG. 5 can be realized by the circuit configuration shown in FIG. 4, and the gain characteristic shown in FIG.
次に、図6は信号補正回路の第2実施例を示している。この信号補正回路2Aのように、入力端子2a1,2a2のうちの一方の端子2a2とオペアンプQ1の非反転入力端子及び接地間に、帰還ループ側と同一の回路定数の抵抗R1’〜R3’及びコンデンサC1’,C2’を接続し、オペアンプQ1の入力部を信号発生器1の出力信号の差動入力とすることにより、信号発生器1の出力部にコモンモードノイズが重畳された場合でもその影響を受けにくくすることが可能である。
Next, FIG. 6 shows a second embodiment of the signal correction circuit. Like this signal correction circuit 2A, a resistor R 1 having the same circuit constant as that of the feedback loop side is provided between one terminal 2a 2 of the input terminals 2a 1 and 2a 2 and the non-inverting input terminal of the operational amplifier Q 1 and the ground. '~ R 3 ' and capacitors C 1 ', C 2 ' are connected, and the input part of the operational amplifier Q 1 is used as a differential input of the output signal of the
次いで、図7は請求項4に相当する本発明の第2実施形態を示している。
この実施形態では、図7(a)に示すように、信号補正回路2A内のオペアンプQ1の出力側に上下限電圧クランプ回路付き反転増幅器5が接続され、その出力信号Voutが図1の波形整形回路3に入力されるようになっている。なお、上記反転増幅器5は、オペアンプQ2と、その反転入力端子に接続された抵抗R4と、帰還ループ内のツェナーダイオードZD1,ZD2の直列回路とその並列抵抗R5とから構成されており、周知のようにツェナーダイオードZD1,ZD2のツェナー電圧VLM1,VLM2によって正負の入力電圧Vinの所定範囲にわたり出力電圧Voutが制限されるものである(図7(b)参照)。
FIG. 7 shows a second embodiment of the present invention corresponding to the fourth aspect.
In this embodiment, as shown in FIG. 7 (a), the upper limit voltage clamping circuit with inverting
このような回路構成とすることで、例えば、信号発生器1の取付け精度等に起因して信号発生器1の出力信号に個体間のばらつきがあり、図8に示すように、振幅の周波数特性の他に、信号発生器1の出力信号が最大値から最小値までの範囲内でばらつく場合、振幅が最小になる極低速時を優先して信号補正回路2Aのゲインを設定しておき、出力電圧が高くなる高速時の最大振幅付近では、必要に応じて、反転増幅器5内のクランプ回路により出力信号をクランプすることにより、信号補正回路2A内のオペアンプQ1のラッチアップを防止することができる。なお、クランプ電圧はツェナー電圧VLM1,VLM2の設定により任意な値とすることができる。
この実施形態によれば、信号発生器1の取付け精度等に起因して個体ごとに出力信号の振幅が変化した場合でも、同一の回路定数で使用することができ、ゲイン調整等の余計な手間を省くことができる。
With such a circuit configuration, for example, the output signal of the
According to this embodiment, even when the amplitude of the output signal changes for each individual due to the mounting accuracy of the
なお、図7(a)では、図6の信号補正回路2Aの出力側に上下限電圧クランプ回路付き反転増幅器5を接続した例を示してあるが、この反転増幅器5は図4の信号補正回路2にも適用可能である。
7A shows an example in which the inverting
1:信号発生器
2,2A:信号補正回路
2a,2a1,2a2:入力端子
2b:出力端子
3:波形整形回路
4:速度演算回路
5:上下限電圧クランプ回路付き反転増幅器
Q1,Q2:オペアンプ
R1〜R5,R1’〜R3’:抵抗
C1,C2,C1’,C2’:コンデンサ
ZD1,ZD2:ツェナーダイオード
1:
Claims (4)
周波数に応じて振幅が変化する前記信号発生手段の出力信号が入力され、前記回転体の検出するべき速度範囲にわたり、前記信号発生手段の出力信号の振幅が所定範囲に収まるような入出力ゲイン特性により前記信号発生手段の出力信号を補正する信号補正手段を備えたことを特徴とする回転速度検出装置。 In a rotation speed detection device comprising signal generation means for outputting a signal having a frequency proportional to the rotation speed in synchronization with rotation of the rotation body, and detecting the rotation speed of the rotation body using an output signal of the signal generation means ,
Input / output gain characteristics such that the output signal of the signal generating means whose amplitude changes according to the frequency is input, and the amplitude of the output signal of the signal generating means falls within a predetermined range over the speed range to be detected by the rotating body A rotation speed detecting device comprising signal correcting means for correcting the output signal of the signal generating means.
前記信号補正手段は、前記信号発生手段の出力信号の振幅がほぼ一定値になるような入出力ゲイン特性により前記出力信号を補正することを特徴とする回転速度検出装置。 The rotational speed detection device according to claim 1,
The rotation speed detection device according to claim 1, wherein the signal correction means corrects the output signal by an input / output gain characteristic such that an amplitude of an output signal of the signal generation means becomes a substantially constant value.
前記信号補正手段は、前記回転体の検出するべき速度範囲外に相当する前記信号発生手段の出力信号に対して、極低速域では所定のゲイン特性となり高速域では積分特性となる入出力ゲイン特性を有することを特徴とする回転速度検出装置。 In the rotation speed detection device according to claim 1 or 2,
The signal correction means has an input / output gain characteristic that has a predetermined gain characteristic in an extremely low speed region and an integral characteristic in a high speed region with respect to an output signal of the signal generating means corresponding to a speed range outside the speed range to be detected by the rotating body. A rotational speed detection device comprising:
前記信号発生手段の出力信号の振幅が最小値と最大値との間でばらつきを生じる場合に、前記振幅が最小になる極低速時のゲインを優先して前記信号補正手段に設定すると共に、前記振幅が最大になる高速時には、必要に応じて前記信号補正手段の出力信号をクランプすることを特徴とする回転速度検出装置。 In the rotation speed detection device according to any one of claims 1 to 3,
When the amplitude of the output signal of the signal generating means varies between the minimum value and the maximum value, the gain at the extremely low speed at which the amplitude is minimized is preferentially set in the signal correcting means, and A rotational speed detection device that clamps the output signal of the signal correction means as necessary at high speed when the amplitude is maximized.
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