JP3661595B2

JP3661595B2 - 計測装置の異常検出装置及び異常検出方法

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Publication number: JP3661595B2
Application number: JP2001046434A
Authority: JP
Inventors: 誠中村
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2001-02-22
Filing date: 2001-02-22
Publication date: 2005-06-15
Anticipated expiration: 2021-02-22
Also published as: JP2002243500A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、センサを用いて計測情報を取得する計測装置において、センサ信号から計測情報を生成する信号処理部の異常を検出する異常検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ある処理系の高信頼化、耐故障のための技術として二重化比較が知られている。これは、処理系を二重化（冗長化）して、それぞれに基本的に同等の処理を行わせ、その結果を互いに比較し、結果に相違が生じたことによって、いずれかの処理系に異常が生じたことを検出するというものである。従来、センサ信号を処理して計測値を求める計測装置においても、同様の方法によって信号処理部の異常を検出することが行われている。例えば、レゾルバを用いた回転角計測装置の異常検出装置に、この二重化比較を適用した技術が特開２０００−７４６９４号公報に開示されている。
【０００３】
図５は、従来の異常検出装置を備えた計測装置の概略構成を示すブロック図である。この計測装置は、センサからのセンサ信号に基づいて、信号処理部がデジタル計測値を求め、中央処理装置（ＣＰＵ：Central Processing Unit）に渡すものである。
【０００４】
具体的には、例えば、センサは回転機のロータに共軸に構成されたレゾルバ２であり、参照信号がロータの回転角θの関数であるsinθ，cosθで振幅変調されたレゾルバ出力信号を出力する。この場合に、信号処理部はＲ／Ｄコンバータ（レゾルバ／デジタルコンバータ）４であり、レゾルバ出力信号からsinθ，cosθを抽出し、これらsinθ，cosθからθを求める。
【０００５】
この回転角計測装置においては、Ｒ／Ｄコンバータ４の異常検出のために、Ｒ／Ｄコンバータ４に対する冗長系として回転角検出処理部８が設けられている。この回転角検出処理部８は、センサ２からのレゾルバ出力信号に基づいて回転角θを生成してＣＰＵ６へ出力するものである。回転角検出処理部８は、Ｒ／Ｄコンバータ４と同一構成であってもよいが、共通原因によってＲ／Ｄコンバータ４と回転角検出処理部８とが共に異常となることを回避するためには、回転角検出処理部８はＲ／Ｄコンバータ４とは異なる信号処理に基づいて回転角θを生成するように構成することがより好ましい。ＣＰＵ６はＲ／Ｄコンバータ４及び回転角検出処理部８にてそれぞれ得られた回転角θを比較して、Ｒ／Ｄコンバータ４の異常を判定する。
【０００６】
また、特開平９−７２７５８号公報には、ＡＤＣ（analog-to-digital converter）を用い、参照信号のピークタイミングでのレゾルバ出力信号をサンプリングしてsinθ，cosθを抽出し、ＣＰＵがこれらsinθ，cosθからθを算出する構成が示されている。この構成では、ＡＤＣでのサンプリング処理、及びＣＰＵでのθ決定処理が、Ｒ／Ｄコンバータに対する冗長系を構成する。そして、ＣＰＵは、この冗長系により得られたθとＲ／Ｄコンバータから入力されるθとを比較してＲ／Ｄコンバータの異常を検知する。よって、この構成も上記二重化比較の一例である。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上述の回転角計測装置の例に即して、従来の異常検出装置の問題を説明する。Ｒ／Ｄコンバータの異常を検出するためには、回転角検出処理部のエラー発生率はＲ／Ｄコンバータよりも抑制されることが望ましく、その観点から、回転角検出処理部に関しては、例えばその精度を多少、犠牲にしても、構成・処理の簡素化が図られ得る。しかし、基本的に、二重化により設けられる回転角検出処理部は、Ｒ／Ｄコンバータと同程度の処理を行う必要があり、その構成・処理を十分に簡素化することは難しいという問題があった。
【０００８】
また、ＡＤＣを用いてsinθ，cosθを抽出する構成に関しては、ＣＰＵがＡＤＣを内蔵している場合があり、そのようなＣＰＵを用いれば、別途、ＡＤＣを設ける必要がなく、構成が簡単となる。しかし、この場合、ＣＰＵの処理負荷に起因する問題が生じ得る。具体的には、ＣＰＵでは、優先度の高い一つまたは複数の処理が所定の制御周期で繰り返し行われ得るため、ＡＤＣを起動できるＣＰＵ空き時間が制限される。すなわち、空き時間が参照信号のピークタイミングに一致しないことが起こり得、sinθ，cosθの値を正確に求めることができないという問題があった。これを、ＣＰＵの処理速度を高めることで解消することは、装置の高コスト化を招くという問題があった。
【０００９】
本発明は上記問題点を解消するためになされたもので、センサを用いた計測装置において、センサ信号を処理する信号処理部の異常を簡単な構成で検出することができる異常検出装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る計測装置の異常検出装置は、センサから出力される原信号を処理する信号処理部によって得られた計測情報に基づいて、前記原信号の特徴情報を再生する再生処理部と、前記再生処理部により生成された再生特徴情報を前記原信号と照合し、照合結果に基づいて前記信号処理部の異常を判定する異常判定部とを有するものである。
【００１１】
本発明によれば、再生処理部は、原信号が有する特徴情報を再生する。例えば、原信号が有する特徴情報は、所定タイミングでの原信号の振幅や位相である。また再生処理部は、原信号そのものに相当する信号を再生特徴情報として生成してもよい。異常判定部は、再生特徴情報を、原信号が元来有している特徴情報と対比する。異常判定部における照合結果が不一致である場合には、原信号から計測情報を得る信号処理部における処理過程に何らかの異常があった可能性があり、例えばこのような場合に信号処理部の異常が判定される。
【００１２】
特に本発明に係る計測装置の異常検出装置には、前記センサが、回転機の回転角に応じて値が変化する変調信号で振幅変調されたレゾルバ出力信号を前記原信号として出力するレゾルバであり、前記再生処理部が、前記変調信号を前記特徴情報とし、再生変調信号に応じた被検信号を生成し、前記異常判定部が、前記レゾルバ出力信号に応じた基準信号と前記被検信号との比較に基づいて前記異常を判定することを特徴とするものが含まれる。
【００１３】
レゾルバ出力信号は、参照信号が変調信号で振幅変調された信号である。信号処理部が正常であれば、再生変調信号は基本的に変調信号に一致し、具体的には、参照信号のピークタイミングでのレゾルバ出力信号の値と再生変調信号の値との差は常に所定の閾値より小さくなる。一方、異常が生じた場合には、当該差が閾値以上となり得る。よって、異常判定部は、この差が閾値以上となる期間が生じたことに基づいて、信号処理部の異常を判定することができる。
【００１４】
本発明の好適な態様は、前記被検信号が、前記再生変調信号の絶対値に応じた信号であることを特徴とする異常検出装置である。
【００１５】
被検信号は、正負のいずれの値をも採り得る再生変調信号そのものとすることもできるが、本態様においては、被検信号は再生変調信号の絶対値に応じた信号とされる。被検信号を一方極性の信号とすることにより、異常判定部における被検信号と基準信号との比較処理が容易となる。例えば、再生変調信号の絶対値を被検信号とすれば、信号処理部が正常である場合に、被検信号の値がレゾルバ出力信号の値以上であるという大小関係が常に成り立ち、一方、異常である場合にはこの大小関係が逆転する場合が生じるように構成することができる。このように、正常時と異常時とでの両信号の大小関係が単純化されることにより比較処理が簡単となる。なお、基準信号は、レゾルバ出力信号そのものであってもよいし、例えば、レゾルバ出力信号の絶対値信号などを基準信号とすることもできる。
【００１６】
他の本発明に係る計測装置の異常検出装置は、上記態様において、前記被検信号の値が、前記再生変調信号の絶対値が所定のゼロ近傍レベルより下回る場合には、当該ゼロ近傍レベルに設定されるものである。
【００１７】
被検信号及び基準信号の振幅が０に近くなると、ノイズ等の影響によって、大小関係が不安定となり得る。本発明によれば、被検信号がゼロ近傍レベルより下回ることがなく、正常時に被検信号が基準信号より常に大きくなるという大小関係が振幅の小さい期間においても保たれ、誤検出が抑制される。
【００１８】
また別の本発明に係る計測装置の異常検出装置は、前記信号処理部が、前記計測情報として回転角計測値を出力し、前記再生処理部が、回転角と前記被検信号の値との対応テーブルと、前記回転角計測値に基づいて前記対応テーブルを検索して被検信号値を決定する被検信号値決定手段とを有するものである。
【００１９】
本発明によれば、対応テーブルの検索という低負荷の処理によって被検号値が決定される。例えば、対応テーブルは、回転角θとsinθ，cosθとを対応を記憶する。
【００２０】
本発明に係る計測装置の異常検出方法は、レゾルバ出力信号を処理する信号処理部によって得られた計測情報に基づいて、前記レゾルバ出力信号に含まれる変調信号を再生し、再生変調信号に応じた被検信号を生成する再生ステップと、前記被検信号を前記レゾルバ出力信号に応じた基準信号と比較し、比較結果に基づいて前記信号処理部の異常を判定する異常判定ステップとを有するものである。
【００２１】
本発明の好適な態様は、前記被検信号が、前記再生変調信号の絶対値に応じた信号であることを特徴とする異常検出方法である。
【００２２】
他の本発明に係る計測装置の異常検出方法は、上記態様において、前記被検信号の値が、前記再生変調信号の絶対値が所定のゼロ近傍レベルより下回る場合には、当該ゼロ近傍レベルに設定されるものである。
【００２３】
また別の本発明に係る計測装置の異常検出方法は、前記信号処理部が、前記計測情報として回転角計測値を出力し、前記再生ステップが、回転角と前記被検信号の値との対応テーブルを用い、前記回転角計測値に基づいて、前記対応テーブルを検索して被検信号値を決定する被検信号値決定ステップを有するものである。
【００２４】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
【００２５】
図１は、本発明の異常検出装置を備えた計測装置の原理を示すブロック図である。この計測装置は、レゾルバ２０、Ｒ／Ｄコンバータ２２、変調信号再生部２４、異常判定部２６を含んで構成され、回転機のロータの回転角θを計測する。計測された回転角は、例えば回転機制御部２８等にて利用され、回転機のサーボ制御などが行われる。
【００２６】
レゾルバ２０はロータと共軸に構成される。また、レゾルバ２０は、その１次巻線に参照信号として正弦波sinωｔの信号を入力され、９０°の位相差をもって配置された二つの２次巻線のそれぞれの両端に生じる電圧Ｖ_sin，Ｖ_cosを出力する。レゾルバ出力信号Ｖ_sin，Ｖ_cosはそれぞれ、参照信号がロータの回転角θに応じて振幅変調された信号Ａsinωｔsinθ，Ａsinωｔcosθとなる（ここでＡは信号振幅を示す）。
【００２７】
Ｒ／Ｄコンバータ２２は、レゾルバ出力信号から回転角θを求める回路であり、次のような処理を行う。つまり、Ｒ／Ｄコンバータ２２は例えば、電圧制御発振器により制御される基準回転角φに応じた信号sinφ，cosφと、回転角θを含んだレゾルバ出力信号Ｖ_sin，Ｖ_cosとから、sin（θ−φ）を算出し、その位相差（θ−φ）をゼロとするようにφに相当するカウント値を増減するＰＬＬ（Phase Locked Loop）制御を行う。そして、ＰＬＬ制御が収束している状態、すなわち（θ−φ）＝０の状態でのφを、ロータ回転角θの値として検出、出力する。
【００２８】
Ｒ／Ｄコンバータ２２により検出された回転角θは回転機制御部２８での利用に供されると共に、変調信号再生部２４に入力される。本計測装置において、この変調信号再生部２４及びこれに続く異常判定部２６が、Ｒ／Ｄコンバータ２２の異常を検出する異常検出装置を構成する。
【００２９】
変調信号再生部２４は、Ｒ／Ｄコンバータ２２から出力される回転角θに基づいて、レゾルバ出力信号Ｖ_sin，Ｖ_cosにおける変調信号sinθ，cosθを再生する。また異常判定部２６は、変調信号再生部２４にて再生された変調信号とレゾルバ２０からのレゾルバ出力信号とを比較し、その比較結果に基づいてＲ／Ｄコンバータ２２の正常／異常を判定する。これら変調信号再生部２４及び異常判定部２６の構成及び処理は以下に明らかとなる。
【００３０】
図２は、本計測装置の回路構成を示すブロック図である。Ｒ／Ｄコンバータ２２にて得られた回転角θは、演算部４０に入力される。演算部４０は、ＣＰＵ及び記憶装置を備え、回転機制御処理４２を行い回転機制御部２８として機能する。さらに演算部４０は、角度θとそのθに対応する再生変調信号の値との対応テーブル４４及び、このテーブルを検索して再生変調信号の値を定める再生変調信号値決定処理４６を行う。
【００３１】
ここでは、対応テーブル４４には、Ｖ_sin，Ｖ_cosそれぞれに対応する再生変調信号の値Ｒ_sin，Ｒ_cosとして基本的にはsinθ，cosθの絶対値である｜sinθ｜，｜cosθ｜が格納される。より詳細には、本装置では安定した異常検出処理を実現するために、｜sinθ｜，｜cosθ｜が所定の閾値Ｒ_thより小さくなる場合には、Ｒ_sin，Ｒ_cosはそれぞれＲ_thにクリップされる。すなわち、対応テーブル４４にはθの値に応じて、
【数１】
Ｒ_sin＝｜sinθ｜（｜sinθ｜≧Ｒ_thの場合） ………（１）
Ｒ_sin＝Ｒ_th （｜sinθ｜＜Ｒ_thの場合） ………（２）
また、
【数２】
Ｒ_cos＝｜cosθ｜（｜cosθ｜≧Ｒ_thの場合） ………（３）
Ｒ_cos＝Ｒ_th （｜cosθ｜＜Ｒ_thの場合） ………（４）
が格納される。再生変調信号値決定処理４６は、θの計測値に基づいて対応テーブル４４を検索して、そのθに対応するＲ_sin，Ｒ_cosを読み出して出力する。
【００３２】
再生変調信号値決定処理４６からはＲ_sin，Ｒ_cosのデジタル値の時系列信号が出力され、これら各デジタル信号はそれぞれＤＡＣ（digital-to-analog converter）４８によってアナログ信号に変換される。
【００３３】
各波形比較器５０は、各ＤＡＣ４８からそれぞれ出力される再生変調信号Ｒ_sin，Ｒ_cosとレゾルバ出力信号Ｖ_sin，Ｖ_cosとの信号値の大小を比較し、その比較結果に応じて異常判定信号５２を生成する。具体的には、波形比較器５０はレゾルバ出力信号を絶対値信号に変換し、また、絶対値信号と再生変調信号と最大電圧が基本的に同じとなるようにスケーリングを行った上で、（Ｒ−｜Ｖ｜）の正負を判定する。波形比較器５０は、例えば、Ｒ−｜Ｖ｜≧０である場合に、異常判定信号５２としてLowレベルを出力し、Ｒ−｜Ｖ｜＜０である場合に、Highレベルを出力するように構成される。なお、ここでＲは、Ｒ_sin，Ｒ_cosのいずれかであり、Ｖは、対応するレゾルバ出力信号Ｖ_sin，Ｖ_cosのいずれかを示す。
【００３４】
図３及び図４は波形比較器５０の処理を説明する信号波形図である。図３はＲ／Ｄコンバータ２２が正常である場合を説明するための図であり、図４はＲ／Ｄコンバータ２２が異常である場合を説明するための図である。これらの図は、レゾルバ出力信号のsinθ変調側、cosθ変調側の任意の一方に関して示されている。
【００３５】
図３（ａ）は、絶対値変換されたレゾルバ出力信号６０と再生変調信号６２とを示している。図において、縦軸は電圧であり、横軸は時間であり、ここでは、レゾルバ出力信号６０として、ロータが等速で回転している場合の信号を例示している。Ｒ／Ｄコンバータ２２が正常である場合には、再生変調信号６２は、閾値Ｒ_thにクリップされる期間を除いて、レゾルバ出力信号６０の包絡形状に沿って変化する。また再生変調信号６２が閾値Ｒ_thにクリップされた状態では、再生変調信号６２はレゾルバ出力信号６０より大きな値を有する。よって、Ｒ／Ｄコンバータ２２が正常である場合には、任意の時刻ｔ（又は任意のθ）に対して、原理的には次式が成り立ち、波形比較器５０からは図３（ｂ）に示すように常にLowレベルが出力される。
【００３６】
【数３】
Ｒ−｜Ｖ｜≧０ ………（５）
なお、ここでは、sinθ，cosθが０に近い場合には、再生変調信号６２をＲ_thでクリップしているが、これは再生変調信号６２及びレゾルバ出力信号６０の振幅が０に近くなると、ノイズ等の影響によって（５）式に示す大小関係が不安定となり誤検出が生じることを回避するためである。
【００３７】
図４（ａ）は、図３（ａ）と同様、絶対値変換されたレゾルバ出力信号６０と再生変調信号６４とを示している。Ｒ／Ｄコンバータ２２に異常を生じた場合には、再生変調信号は、基本的にレゾルバ出力信号６０の包絡形状に沿っては変化しなくなる。例えば、Ｒ／Ｄコンバータ２２内の処理にてビットとびを生じた場合に、Ｒ／Ｄコンバータ２２による回転角の計測値θ’は実際のθに対して所定量のずれを有する。図４（ａ）の再生変調信号６４は、このときの波形を表しており、正常時の再生変調信号６２に比べて、θのずれ量に応じた分、例えば左側にシフトしている。そのため（Ｒ−｜Ｖ｜）の値は、期間Ｔ₊においては０以上となるが、残りの期間Ｔ_-においては（Ｒ−｜Ｖ｜）の値が負となる期間が存在することとなる。よって、波形比較器５０からの異常判定信号５２は図４（ｂ）に示すように期間Ｔ₊においてはLowレベルに保たれるが、期間Ｔ_-においては、パルス列６６を生じる。
【００３８】
なお、Ｒ／Ｄコンバータ２２が正常である場合には、レゾルバ出力信号６０の参照信号のピークタイミングでの値と再生変調信号６２の値との差は原理的には０となることが期待される。そのため、正常時には、再生変調信号の誤差やノイズによるレゾルバ出力信号の振幅変動によって、（Ｒ−｜Ｖ｜）の符号が不安定となりやすい。これを避けるために、例えば、Ｒに代えて、所定のマージンεを加算したＲ'を用い、（Ｒ’−｜Ｖ｜）の符号を判定するように構成することも好適である。
【００３９】
以上述べたところから明らかとなるように、sinθ及びcosθに対応する両方の波形比較器５０からの異常判定信号５２がロータの回転角に依らずにLowレベルに保たれる場合には、Ｒ／Ｄコンバータ２２は正常と判定される。一方、いずれかの波形比較器５０からの異常判定信号５２がHighレベルとなる期間を有する場合には、Ｒ／Ｄコンバータ２２に異常が生じたと判定される。また、期間Ｔ_-に参照信号の周期で生じる異常判定信号５２のパルス数に基づいて、Ｒ／Ｄコンバータ２２で得られたθの計測値のずれ量を推定することができ、異常原因の特定に役立てることも可能である。
【００４０】
【発明の効果】
本発明の異常検出装置によれば、信号処理部が原信号から生成した計測情報に基づいて、原信号の特徴情報が再生される。この再生を行う再生処理部は、信号処理部よりも簡素な構成とすることが可能である。すなわち、本発明によれば、異常検出装置の構成・処理が簡素化される効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の異常検出装置を備えた計測装置の原理を示すブロック図である。
【図２】本計測装置の回路構成を示すブロック図である。
【図３】Ｒ／Ｄコンバータが正常である場合における波形比較器の処理を説明する信号波形図である。
【図４】Ｒ／Ｄコンバータが異常である場合における波形比較器の処理を説明する信号波形図である。
【図５】従来の異常検出装置を備えた計測装置の概略構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
２０レゾルバ、２２Ｒ／Ｄコンバータ、２４変調信号再生部、２６異常判定部、２８回転機制御部、４０演算部、４２回転機制御処理、４４対応テーブル、４６再生変調信号値決定処理、４８ＤＡＣ、５０波形比較器、６０レゾルバ出力信号、６２，６４再生変調信号。

Claims

センサから出力される原信号を処理して計測情報を生成する信号処理部を備えた計測装置に用いられ、前記信号処理部の異常を検出する異常検出装置において、
前記計測情報に基づいて、前記原信号の特徴情報を再生する再生処理部と、
前記再生処理部により生成された再生特徴情報を前記原信号と照合し、照合結果に基づいて前記異常を判定する異常判定部と、
を有することを特徴とする計測装置の異常検出装置。
請求項１記載の異常検出装置において、
前記センサは、回転機の回転角に応じて値が変化する変調信号で振幅変調されたレゾルバ出力信号を前記原信号として出力するレゾルバであり、
前記再生処理部は、前記変調信号を前記特徴情報とし、再生変調信号に応じた被検信号を生成し、
前記異常判定部は、前記レゾルバ出力信号に応じた基準信号と前記被検信号との比較に基づいて前記異常を判定すること、
を特徴とする計測装置の異常検出装置。
請求項２記載の異常検出装置において、
前記被検信号は、前記再生変調信号の絶対値に応じた信号であること、を特徴とする計測装置の異常検出装置。
請求項３記載の異常検出装置において、
前記被検信号の値は、前記再生変調信号の絶対値が所定のゼロ近傍レベルより下回る場合には、当該ゼロ近傍レベルに設定されること、を特徴とする計測装置の異常検出装置。
請求項２から請求項４のいずれかに記載の異常検出装置において、
前記信号処理部は、前記計測情報として回転角計測値を出力し、
前記再生処理部は、
回転角と前記被検信号の値との対応テーブルと、
前記回転角計測値に基づいて、前記対応テーブルを検索して被検信号値を決定する被検信号値決定手段と、
を有することを特徴とする計測装置の異常検出装置。
回転機の回転角に応じて値が変化する変調信号で振幅変調されたレゾルバ出力信号を処理して計測情報を生成する信号処理部を備えた計測装置に用いられ、前記信号処理部の異常を検出する異常検出方法において、
前記計測情報に基づいて、前記変調信号を再生し、再生変調信号に応じた被検信号を生成する再生ステップと、
前記被検信号を前記レゾルバ出力信号に応じた基準信号と比較し、比較結果に基づいて前記異常を判定する異常判定ステップと、
を有することを特徴とする計測装置の異常検出方法。
請求項６記載の異常検出方法において、
前記被検信号は、前記再生変調信号の絶対値に応じた信号であること、を特徴とする計測装置の異常検出方法。
請求項７記載の異常検出方法において、
前記被検信号の値は、前記再生変調信号の絶対値が所定のゼロ近傍レベルより下回る場合には、当該ゼロ近傍レベルに設定されること、を特徴とする計測装置の異常検出方法。
請求項６から請求項８のいずれかに記載の異常検出方法において、
前記信号処理部は、前記計測情報として回転角計測値を出力し、
前記再生ステップは、
回転角と前記被検信号の値との対応テーブルを用い、
前記回転角計測値に基づいて、前記対応テーブルを検索して被検信号値を決定する被検信号値決定ステップを有すること、
を特徴とする計測装置の異常検出方法。