JP3771104B2 - アクチュエータの駆動制御回路 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電流により機械系の制御を行うアクチュエータの駆動制御に利用する。本発明は、プログラム制御回路により行う電気的な制御を機械的な制御に変換するアクチュエータの駆動回路に関する。本発明は、アクチュエータに何らかの故障が発生して、アクチュエータがプログラム制御回路の制御に適正に応動しなくなったことをプログラム制御回路が認識するための技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ソフトウエアが組み込まれたプログラム制御回路の出力により機械系を制御するためにはアクチュエータが利用される。プログラム制御回路の出力そのものは微弱な電流（または電圧）信号であるから、この微弱な信号を半導体スイッチ素子のゲート電極に供給し、この半導体スイッチ素子のアノード電極から出力される増幅された駆動電流によりアクチュエータを駆動する。このアクチュエータは駆動電流により生じる電気子の機械的な運動により、機械装置に目的の機械的な変移を与え、あるいはさらに油圧制御弁を開閉制御して別の機械制御系へ制御動力を伝達させる。プログラム制御回路の出力電流に対して、アクチュエータの駆動電流が相応に大きい場合には、半導体スイッチ素子による電流増幅回路が複数段用いられる構成のものも知られている。
【０００３】
その機械系が油圧制御弁の開閉のような単純な往復運動であるときには、アクチュエータとしてソレノイド形のものが利用されるが、その機械系が回転運動を行う操舵装置のような場合には、アクチュエータを回転モータにより構成し、この回転モータの動力により機械系を制御することも行われる。
【０００４】
従来から、このように電気制御信号により機械系を制御する制御駆動回路ではアクチュエータの駆動電流通路に抵抗値の小さい抵抗器を挿入しておき、駆動電流によりこの抵抗器に発生する電圧を入出力変換回路（Ｉ／Ｏ）を介してプログラム制御回路に取込み、この電圧が設定された目標値になるように駆動電流のフィードバック制御を行う装置が広く普及している。
【０００５】
そして、このような装置では装置の性質により、アクチュエータ側に何らかの異常が発生して、アクチュエータが駆動電流に応動しなくなったときには、警報信号をプログラム制御回路にフィードバックすることを必要とする場合がある。たとえばアクチュエータが操舵装置のアクチュエータであるときには、それが適正に応答しないとき、これをプログラム制御回路がただちに認識して、フェイル・セーフ制御を実行するなどの対応措置が必要になる。このためには電流検出回路の抵抗器のほかに、アクチュエータの端子電圧を検出する、あるいはアクチュエータの機械的な変位を検出するなどの装置が必要である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
アクチュエータの端子電圧を検出することにより、アクチュエータの両端子間の短絡、アクチュエータの両端子間の断線、アクチュエータの過負荷による過大電流の発生などを検出することができるが、この端子電圧を検出するためには相応のハードウエア付加回路を必要とする。とくにアクチュエータの駆動電流に上限値を設定して制御を行う駆動回路では、アクチュエータの巻線の接地に対する短絡を検出するには、アクチュエータの両端子間またはそれに相応する回路の電圧を検出するハードウエアが必要である。
【０００７】
またアクチュエータの機械的な変位を検出するためには、光センサその他の機械電気変換素子を設けることが必要である。このようなハードウエア付加回路を設けると、このために部品点数が増加する。さらに、部品構造が複雑になるとともに、組み立て工数も大きくなる欠点がある。さらに付加するハードウエアの故障についても新たに配慮することが必要になる。
【０００８】
本発明はこのような背景に行われたものであって、いっさいのハードウエア付加回路を必要とすることなく、制御用アクチュエータの動作状態を検出することができる装置を提供することを目的とする。本発明は、制御用アクチュエータの動作不良を検出するための安価な装置を提供することを目的とする。本発明は、信頼性の高い制御用アクチュエータの動作異常検出手段を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、プログラム制御回路に駆動電流検出回路からフィードバックされる駆動電流の電流値が制御目標に追従していないとき、その追従させようとする状態を制御回路で自己認識し、これによりアクチュエータの動作不良を検出する警報出力を発生することを特徴とするものである。本発明は、ソフトウエアを一部追加変更するだけで、いっさいハードウエア部品を追加することなく実現することができる。
【００１０】
すなわち本発明は、アクチュエータ（１）に供給する駆動電流の通路に設けられた電流検出回路（２）と、この駆動電流の目標値を設定する目標値設定回路（３）と、前記電流検出回路の検出出力を取込み前記目標値との差分を演算する演算手段（４）と、この差分を小さくするための制御出力を発生するプログラム演算回路（５）と、この制御出力にしたがって前記駆動電流を供給する電流供給回路（7、8）とを備えたフィードバック形のアクチュエータの駆動回路において、このプログラム演算回路（５）には、前記差分を小さくするための制御出力を発生しつづけても前記差分が所定範囲にならないことを自己判定する手段と、この自己判定する手段の判定にしたがって故障警報出力を発生する手段とを含むことを特徴とする。
【００１１】
上記括弧内の数字は、あとから説明する実施例図面の参照数字である。これは発明の構成を理解しやすいように付記するものであって、本発明を実施例に限定して理解するためのものではない（以下同じ）。
【００１２】
たとえば、アクチュエータ（１）に供給する駆動電流が周期的な断続電流であり、前記制御出力はその断続電流のデューティ比（ｄ／Ｔ）の情報を含むとき、前記自己判定する手段は、差分が所定範囲にならないことをその断続電流のデューティ比が所定範囲にならないことにより判定することができる。
【００１３】
たとえば、前記アクチュエータに供給する駆動電流が連続的な電流であり、前記制御出力はその駆動電流の電流値の情報を含むとき、前記自己判定する手段は、前記差分が所定範囲にならないことをその駆動電流の電流値が設定された時間内に所定範囲にならないことにより判定することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
（第一実施例）
図１は本発明第一実施例装置のブロック構成図である。アクチュエータ１はソレノイド形であり、そのアマチュア（図外）は油圧制御弁を駆動する。その巻線に供給される駆動電流は電流検出回路（抵抗器）２により検出されプログラム制御回路１２にフィードバックされる。これはローパスフィルタ１４を介して、差分を演算する演算手段４に与えられ、目標値設定回路３に設定された目標値と差分を演算する演算手段４により比較される。この図では差分を演算する演算手段４はアナログ演算を行うように描かれているが、これは実際にはプログラム制御回路１２の内部でディジタル演算される演算手段である。そしてこの差分が小さくなるようにプログラム演算回路５で演算された制御出力が入出力インタフェース（Ｉ／Ｏ）を介して、ゲート駆動回路６に与えられる。
【００１５】
このゲート駆動回路６の入力信号は、論理「１」および論理「０」を繰り返すパルス幅信号（ＰＷＭ信号）である。その周期はＴであり、一周期内で論理「１」になっている時間はｄである。そのデューティ比はｄ／Ｔとなる。このパルス幅信号は増幅されてスイッチ回路７に供給され、このスイッチ回路７の開閉動作にしたがってアクチュエータ１に駆動電流を供給する。ダイオード１０はフライバック電流吸収用である。
【００１６】
このような回路では、スイッチ回路７の一端はほぼ一定電圧の電源に接続されているから、デューティ比（ｄ／Ｔ）にしたがってアクチュエータ１の実効的な駆動電流が制御される。ローパスフィルタ１４は、現実にはソフトウエアにより設定された演算回路であり、周期Ｔに対して十分に大きい時定数を有し、差分を演算する演算手段４の入力には周期Ｔに対して平均化された値となる。
【００１７】
ここで本発明の特徴とするところは、プログラム演算回路５が、このデューティ比が正常範囲を越えたときに入出力インタフェースを介して警報出力Ａを送出するプログラム手段を備えたところにある。
【００１８】
図２は警報の判定領域を説明する図である。横軸に電源（＋Ｂ）の電圧をとり、縦軸にデューティ比（ｄ／Ｔ）をとると、電源電圧の変動（２４Ｖ±ΔＶ）にしたがって、斜線を施した部分は警報領域である。すなわち、アクチュエータ１の巻線に断線があると、制御信号のｄで示すタイミングでも電流検出回路２に検出される駆動電流がきわめて小さいから、プログラム演算回路は供給する平均電流を大きくしようとして制御信号のｄで示す時間を長くするように、つまりデューティ比を大きくするように制御する。このときデューティ比が０．９を越えたら断線と判定して警報出力Ａを送出する。
【００１９】
一方、アクチュエータ１の巻線に層間短絡が発生しているとすると、制御信号のｄで示すタイミングで大きい電流が流れ、これが電流検出回路２により検出される。プログラム演算回路５はこの電流を小さく制御しようとしてデューティ比を小さく制御する。このデューティ比が図２に示すように電源電圧に対応して、０．５〜０．６を下回ると短絡として警報出力Ａを送出する。
【００２０】
この警報出力Ａは、図２に示す正常な領域を上に越えたか、あるいは下に越えたかにより、断線または短絡の区別をするように構成することができる。
【００２１】
この警報出力Ａを発生するための動作は、すべてプログラム演算回路のソフトウエアにより行われるから、アクチュエータ１の周辺その他にいっさいのハードウエア付加回路を必要としない。
【００２２】
（第二実施例）
図３は本発明第二実施例装置のブロック構成図である。この装置は、運転席に設けられた操舵輪に機械的に連結された操舵センサ１１の出力をプログラム制御回路１２に取込み、このプログラム制御回路１２の演算出力を駆動回路１３の制御入力に与え、駆動回路１３はその制御入力にしたがってアクチュエータ１に電源＋Ｂから駆動電流を供給するように構成されている。この駆動電流を制御する回路８は、抵抗器および半導体スイッチ素子により構成され、プログラム制御回路１２により制御され、アクチュエータ１の回転トルク調節を行う可変抵抗回路およびアクチュエータ１の回転方向切換を行う極性反転回路を含む。
【００２３】
この駆動電流の通路に電流検出回路２、具体的には電流検出用の値の小さい抵抗器が挿入され、この抵抗器の両端に生じる電圧がプログラム制御回路１２にフィードバックされる。そしてプログラム制御回路１２は、この電流検出回路２からフィードバックされた信号と操舵センサ１１の出力から演算された電流目標値との差分が小さくなるように演算制御を行う。
【００２４】
この装置は、操舵センサ１１に与えられた操舵トルクの関数倍のトルクがアクチュエータ１から操舵系機械装置に発生するように制御する装置であり、アクチュエータ１に供給される駆動電流が、センサ出力に対応して目標値設定回路３により演算された目標値に等しくなるようにフィードバック自動制御が行われる。
【００２５】
図３に示す本発明第二実施例装置は、入出力インタフェース（Ｉ／Ｏ）を経由して警報出力Ａを設けたところに特徴がある。図４はこの第二実施例装置の警報出力発生に係る部分の制御フローチャートを示す。これはプログラム演算回路５の制御フローチャートである。本発明は、ソフトウエアの変更により実現されるものであり、この制御フローチャートにその特徴がある。
【００２６】
この動作を図４に示すフ制御フローチャートにしたがって説明すると、操舵センサ１１から入力する操舵トルクに応じて、新しい目標値の設定が行われる。この新しい目標値と電流検出回路２が検出する電流値との差分を演算し、この差分が小さくなるようにプログラム演算回路５が制御出力を発生する。この出力により駆動回路８がアクチュエータ１に駆動電流を供給する。
【００２７】
この制御出力が発生した時点で、プログラム演算回路５の内部にソフトウエアにより設定されたタイマが起動される。そしてこのタイマは、上記目標値と電流検出回路２が検出する電流値との差分が零になる、すなわち駆動電流が目標値に達したときに停止する。しかしこのタイマが計時を実行している過程で、その計測時間があらかじめ設定された上限時間を越えると警報出力を発生する。これはあらかじめ設定された上限時間内に制御電流が目標値にならなかったことであり、これはたとえばアクチュエータ１の断線時などの発生する現象である。このときには、通常の制御出力を停止するとともにフェイルセーフの動作を実行するなど、故障に対応する動作に移行する。
【００２８】
一方、タイマがこの上限時間を越えることなく、駆動電流の値が目標値に達することにより停止したが、この停止したタイマの計測時間値があらかじめ設定された下限時間をさらに下回る短すぎる時間であるときにも警報を発生する。これは、たとえばアクチュエータ１の巻線に短絡があり、実際にはアクチュエータ１のアマチュア（図外）が機械的に移動していないにもかかわらず、アクチュエータ１の駆動電流が目標値に達したことになる。このときにも故障に対応する動作に移行する。
【００２９】
上限値を越えたことによる警報と下限値に達しなかったことによる警報とを区別することにより、異常原因のいくつかを区分することができる。これは上で説明したとおりである。
【００３０】
【発明の効果】
本発明は、プログラム制御回路のソフトウエアを変更することにより、アクチュエータの故障検出を実施することができるから、アクチュエータの故障を検出するためのハードウエア付加回路をいっさい必要としない利点がある。これにより、アクチュエータの故障検出のための装置が安価に構成できるとともに、付加回路により予期されるあらたな故障に対する配慮を必要としない。本発明により信頼性の高いアクチュエータの故障警報回路が実現される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明第一実施例装置のブロック構成図。
【図２】本発明第一実施例装置の警報限界を説明するための図。
【図３】本発明第二実施例装置のブロック構成図。
【図４】本発明第二実施例装置の要部制御フローチャート。
【符号の説明】
１ アクチュエータ
２ 電流検出回路（抵抗器）
３ 目標値設定回路
４ 差分を演算する演算手段
５ プログラム演算回路
６ ゲート駆動回路
７ スイッチ回路
８ 駆動回路
１１ 操舵センサ
１２ プログラム制御回路
１３ 駆動回路
１４ ローパスフィルタ

Claims (2)

1. アクチュエータ（１）に供給する駆動電流の通路に設けられた電流検出回路（２）と、この駆動電流の目標値を設定する目標値設定回路（３）と、前記電流検出回路の検出出力を取込み前記目標値との差分を演算する演算手段（４）と、この差分を小さくするための制御出力を発生するプログラム演算回路（５）と、この制御出力にしたがって前記駆動電流を供給する電流供給回路（７、８）とを備えたフィードバック形のアクチュエータの駆動回路において、
   前記プログラム演算回路（５）には、前記差分を小さくするための制御出力を発生しつづけても前記差分が所定範囲にならないことを自己判定する手段と、この自己判定する手段の判定にしたがって故障警報出力を発生する手段とを含み、
   前記アクチュエータに供給する駆動電流が周期的な断続電流であり、
   前記自己判定する手段は、前記制御出力が断続電流のデューティ比の情報を含むとき、その断続電流のデューティ比が所定の上限値を越えたときは断線と判定し、所定の下限値を越えたときは短絡と判定する手段を含む
   ことを特徴とするアクチュエータの駆動制御回路。
2. アクチュエータ（１）に供給する駆動電流の通路に設けられた電流検出回路（２）と、この駆動電流の目標値を設定する目標値設定回路（３）と、前記電流検出回路の検出出力を取込み前記目標値との差分を演算する演算手段（４）と、この差分を小さくするための制御出力を発生するプログラム演算回路（５）と、この制御出力にしたがって前記駆動電流を供給する電流供給回路（７、８）とを備えたフィードバック形のアクチュエータの駆動回路において、
   前記プログラム演算回路（５）には、前記差分を小さくするための制御出力を発生しつづけても前記差分が所定範囲にならないことを自己判定する手段と、この自己判定する手段の判定にしたがって故障警報出力を発生する手段とを含み、
   前記アクチュエータに供給する駆動電流が連続的な電流であり、
   前記自己判定する手段は、前記制御出力が駆動電流の電流値の情報を含むとき、前記差分が所定範囲にならないことをその駆動電流の電流値が設定された時間内に所定の上限値を越えたときは断線と判定し、所定の下限値を越えたときは短絡と判定する手段を含む
   ことを特徴とするアクチュエータの駆動制御回路。

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