JP3801273B2

JP3801273B2 - 電磁弁駆動回路

Info

Publication number: JP3801273B2
Application number: JP25042796A
Authority: JP
Inventors: 清孝小川
Original assignee: KYB Corp
Current assignee: KYB Corp
Priority date: 1996-09-20
Filing date: 1996-09-20
Publication date: 2006-07-26
Anticipated expiration: 2016-09-20
Also published as: JPH1096480A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、油圧回路に使用される電磁弁駆動回路の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
油圧アクチュエータ等の制御に使用される比例電磁切換弁、高速比例電磁切換弁、サーボソレノイド弁等の電磁弁（以下、単に電磁弁とする）を、直流電源によって駆動する駆動回路では、電磁弁のソレノイドコイルと電源の＋側との間にスイッチング手段としてのスイッチを介装したハイサイド・スイッチ回路と、ソレノイドコイルと電源の０Ｖラインとの間にスイッチを介装したローサイド・スイッチ回路が知られている。
【０００３】
また、電磁弁の応答性を向上させる回路としては、ハーフブリッジ駆動回路が知られており、このハーフブリッジ駆動回路は、上記ハイサイド・スイッチ回路とローサイドスイッチを併せた回路により構成され、ソレノイドコイルと二本の電源ライン間に２つのスイッチを直列に配設した回路となっている。
【０００４】
このハーフブリッジ駆動回路は、フルブリッジ駆動回路を原形として構成されたもので、まず、フルブリッジ駆動回路について説明する。
【０００５】
フルブリッジ駆動回路は、直流モータの駆動回路として一般的に知られており、直流モー夕の回転方向は巻線に流れる電流の方向に応じて決まるので、直流電源によって直流モータを正転／逆転駆動したい場合にフルブリッジ駆動回路が採用されている。
【０００６】
この、フルブリッジ駆動回路は、図３に示すように、スイッチｓｗ１とｓｗ２及びスイッチｓｗ３とｓｗ４の２組のスイッチが、交互にオン／オフするスイッチペアを構成し、これら２組のスイッチペアは同時にオンになることはない。
【０００７】
スイッチｓｗ１とｓｗ２の１組のスイッチペアが同時にオンになると、直流モータＭへスイッチｓｗ１とｓｗ２を通って電流ｉａが流れ、逆に、スイッチｓｗ３とｓｗ４のスイッチペアが同時にオンになると、直流モータＭには逆方向へ電流ｉｂが流れるので、直流電源で直流モータＭを正／逆回転駆動することができる。
【０００８】
尚、スイッチｓｗ１〜ｓｗ４と並列に配設されたダイオードＤ１〜Ｄ４は、双方のスイッチペアがオフとなった時に、直流モータＭのコイルから発生する逆起電圧を抑制するフライホイールダイオードである。
【０００９】
直流モータＭに対して電磁弁は、ソレノイドコイルに流れる電流の方向には無関係であり、電流量に応じて図示しない可動欽芯（プランジャ）を吸引する力を発生することができるので、高応答化を要するものはハーフブリッジ駆動回路が用いられる。
【００１０】
ハーフブリッジ駆動回路は、図４に示すように、上記フルブリッジ駆動回路からどちらか一方のスイッチペアとフライホイールダイオードを削除したものである。
【００１１】
図４において、スイッチｓｗ１とｓｗ２のスイッチペアが同時にオンになると、ソレノイドコイル１にはスイッチｓｗ１とｓｗ２を通って電流ｉａが通電される一方、スイッチｓｗ１、ｓｗ２が同時にオフになると、フライホイールダイオードＤ１とＤ２を通って電流ｉｂが急速に回生される。したがって、コイル電流の挙動を速くすることで電磁弁の高応答化を図るものである。
【００１２】
次に、電磁弁の最も一般的な駆動回路であるハイサイド・スイッチ及びローサイド・スイッチは、図５、図６に示すように、一つのスイッチｓｗ１とフライホイールダイオードＤ１から構成されており、図５にハイサイド・スイッチ駆動回路を、図６にローサイド・スイッチ駆動回路をそれぞれ示す。
【００１３】
図５のハイサイド・スイッチ駆動回路において、スイッチｓｗ１がオンになるとソレノイドコイル１にはスイッチｓｗ１を通って電流ｉａが通電され、逆にスイッチｓｗ１がオフになると、図中破線のように、フライホイールダイオードＤ１を通って電流ｉｂが緩やかに回生される。
【００１４】
また、図６のローサイド・スイッチ駆動回路においても、上記と同様にスイッチｓｗ１がオンになると、ソレノイドコイル１にはスイッチｓｗ１を通って電流ｉａが通電され、スイッチｓｗ１がオフになるとフライホイールダイオードＤ１を通って電流ｉｂが緩やかに回生される。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来のハーフブリッジ駆動回路によって応答性の高い電磁弁駆動回路を構成した場合、ハーフブリッジ駆動回路はソレノイドコイルと電源ライン間に２つのスイッチが直列に入った構成であるため、どちらか一方のスイッチが短絡故障しても、他方のスイッチが正常であれば見かけ上はコイル電流の制御が可能であることから、駆動回路の異常状態を容易に検知することができないという問題があり、どちらか一方のスイッチが短絡故障すると、スイッチがオフになったときのソレノイドコイル電流の急速回生ができなくなり高応答化が損なわれ、また、ディザ電流の挙動（振幅）が小さくなって電磁弁のヒステリシスが大きくなり、さらに、ソレノイドコイルに対して２つのスイッチが直列に入る構成により安全に対する冗長設計となっているが、駆動回路の故障を検知してフィードバックできないという問題があった。
【００１６】
そこで、本発明は上記問題点に鑑みてなされたもので、ハーフブリッジ駆動回路によって電磁弁の駆動を高い応答性を持って行いながらも、駆動回路の異常を確実に検知可能な電磁弁駆動回路を提供することを目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、コイルへ供給される電流に応じて開閉駆動される電磁弁と、複数のスイッチング手段と及びこれらスイッチング手段と並列的に配設されたフライホイールダイオードとを有し、指令信号に応じたデューティ比で前記コイルへ電流を供給するハーフブリッジ駆動回路とを備えた電磁弁駆動回路において、前記コイルの両端電圧を検出し、電流がオフのときのクランプ電圧の検出値をレベル化する保持手段を備える電圧検知手段と、この電圧の検出値と予め設定された電圧とを比較して、検出値が設定値よりも大きいときに異常を判定する異常判定手段とを備える。
【００１９】
【作用】
したがって、本発明は、複数のスイッチング手段とフライホイールダイオードから構成されたハーフブリッジ駆動回路では、複数のスイッチング手段のオン、オフによるデューティ制御によりコイルへの供給電流を制御して電磁弁を駆動しており、複数のスイッチング素子が正常に動作しているときには、オフ時のコイルの両端電圧は所定の設定値よりも大きいが、複数のスイッチング手段のうちのひとつが短絡故障すると、コイル両端電圧は減少して設定値より小さくなるため、ハーフブリッジ駆動回路の異常を確実に検出することができる。
【００２０】
また、本発明は、電圧の検出値を平滑化することにより、デューティ制御により変動するコイル両端電圧と所定の設定値との比較を容易に行い、異常の判定を精度良く行うことができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を添付図面に基づいて説明する。
【００２２】
図１は比例電磁切換弁等の電磁弁を高応答性をもって駆動するため、ハーフブリッジ駆動回路３を備えた駆動回路２に本発明を適用した場合を示す。
【００２３】
駆動回路２は、入力端子２１へ入力された指令入力電圧を、ＰＷＭ変換回路７によってソレノイドコイル１へ流す電流に応じたデューティ比のパルス信号へ変換しており、ＰＷＭ変換回路７からの電流はスイッチング手段としてのトランジスタＴＲ１、ＴＲ２及びフライホイールダイオードＤ１、Ｄ２を主体に構成されたハーフブリッジ駆動回路３へ入力され、このハーフブリッジ駆動回路３は前記従来例と同様に電磁弁のソレノイドコイル１を駆動する。フライホイールダイオードＤ１、Ｄ２は、半導体スイッチとしてのトランジスタＴＲ１、ＴＲ２がオフのとき、ソレノイドコイル１の回生電流を流す。
【００２４】
ソレノイドコイル１に流れる電流ｉは、電流検出回路８によって検出されてＰＷＭ変換回路７へフィードバックされる。なお、図中基本波発振回路６はＰＷＭ変換回路７に基準周波数信号を供給し、ディザ回路５は電磁弁の膠着を抑制するためのディザ信号を電流ｉに加算する。
【００２５】
そして、駆動回路２にはソレノイドコイル１の両端電圧の測定値に基づいて、ハーフブリッジ駆動回路３の異常を検知する異常検知回路４が設けられる。
【００２６】
この異常検知回路４は、ソレノイドコイル１の両端電圧を検出する差動増幅回路４ｃと、差動増幅回路４ｃで検出された電流がオフのときの電圧波形をレベル化するクランプ電圧保持回路４ｂと、このレベル化されたクランプ電圧と所定の異常検知レベル設定電圧とを比較する比較器４ａから構成される。
【００２７】
まず、差動増幅回路４ｃはＯＰアンプＩＣ１及び抵抗Ｒ２〜Ｒ６から構成され、検出電圧レベルが大きい（電源電圧以上となる）ので抵抗Ｒ２〜Ｒ６で減衰して適正なゲインに調整する。
【００２８】
クランプ電圧保持回路４ｂは、ダイオードＤ３、抵抗Ｒ７、Ｒ８及びコンデンサＣ１より、充放電の時定数が違う平滑回路を構成しており、抵抗値はＲ７≫Ｒ８に設定される。すなわち、ＰＷＭ周波数と同期した電流オフ時の検出電圧波形は、クランプ電圧保持回路４ｂでレベル化される。
【００２９】
そして、比較器４ａはＯＰアンプＩＣ２、抵抗Ｒ９、Ｒ１０から構成されて、レベル化されたクランプ保持電圧と異常検知レベルとを比較して異常状態であれば、出力端子２２から異常検知信号を出力する。
【００３０】
したがって、指令入力信号はソレノイドコイル１に流す電流に応じて、ＰＷＭ変換回路７でオン／オフ時間のｄｕｔｙ比を制御したＰＷＭ電流指令信号に変換され、図中（イ）では、図２の（イ）に示すようなパルスとなる。
【００３１】
ソレノイドコイル１に供給される電流は図１の（ロ）において、図２の（ロ）に示す脈流の電流波形となり平均電流制御となる。
【００３２】
ハーフブリッジ駆動回路３が正常に動作していると、差動増幅回路４ｃが検出したソレノイドコイル１の端子電圧Ｖの波形は、図１の（ハ）において、図２の（ハ）に示すような矩形波となる。
【００３３】
ここで、図２の（ハ）に示した正常時のソレノイドコイル１の端子電圧の検出値は、オン時にＶ×α、オフ時に−（Ｖ＋２Ｖ_F）×αとなり、このαは差動増幅回路４ｃのゲインであり、回路電圧に応じた適正値に予め設定される。なお、Ｖ_FはダイオードＤ１、Ｄ２の順方向電圧降下である。
【００３４】
いま、図２において、ハーフブリッジ駆動回路３が正常動作時のオフ時のコイル端子電圧波形（ハ）と短絡故障時の波形（ハ）’を比較すると、クランプ電圧保持値は正常時の（ニ）に対して短絡故障時には（ニ）’に示すようにその絶対値が減少する。なお、クランプ電圧保持値は、ＰＷＭ周波数と同期して間欠的に出力されたものを、クランプ電圧保持回路４ｂでレベル化したものである。
【００３５】
こうして、比較器４ａでは、所定の異常検知レベルと、上記クランプ電圧とを比較して、クランプ電圧の方が小さいときに異常検知信号を出力し、この異常検知信号を図示しない上位制御装置や表示装置で処理することにより、どちらか一方のスイッチング手段が短絡故障したことを、確実に検知することができ、保守、修理を容易に行うことが可能となり、電磁弁駆動回路の信頼性を向上させる。
【００３６】
ところで、ソレノイドコイル１に流れる電流ｉは、ソレノイドコイル１の端子間電圧をＥ、ソレノイドコイルのインダクタンスをＬ、抵抗をＲ、図示しないプランジャの位置をｘとすると、次式より求めることができる。
【００３７】
Ｅ＝Ｌｄｉ／ｄｔ＋ｉｘｄＬ／ｄｘ＋Ｒｉ
上式において、右辺の第１項は、自己誘導による逆起電力、第二項はプランジャの運動による逆起電力、第三項がソレノイドコイル１における電圧降下を表している。
【００３８】
ここで、電流がオフのときのソレノイドコイル１の端子間電圧（Ｅ）はＬｄｉ／ｄｔの微分項から、過渡的に非常に大きな逆起電圧が生じるため、通常はサージ電圧抑制回路を設けて抑制（クランプ）する。
【００３９】
いま、電源電圧をＶ、ダイオードＤ１、Ｄ２の順方向電圧降下をＶ_Fとすると、ハーフブリッジ駆動回路３の２つのスイッチングトランジスタＴＲ１、ＴＲ２が正常に動作していると、オフ時のクランプ電圧（Ｅ）はＥ＝Ｖ＋２ＶＦとなるが、どちらか一方のスイッチングトランジスタが短絡故障しているとＥ＝Ｖ_Fとなる。
【００４０】
すなわち、正常時のクランプ電圧がＶ＋２ＶＦ≫Ｖ_Fであることより、ハーフブリッジ駆動回路３では、電流がオフのときの回生電流の挙動が速くなり、高応答化が図れるが、どちらか一方のスイッチングトランジスタが短絡故障した状態では、電流の制御は可能であるが、回生電流の挙動が緩やかになって応答性は悪くなることが判る。
【００４１】
これより、ソレノイドコイル１両端の電圧を検出して所定の異常検知レベルと比較することで、ソレノイドコイル１の駆動回路２の異常検知が可能となるのである。
【００４２】
また、一般的に用いられている前記従来例のようなハイサイド・スイッチ、およびローサイド・スイッチ駆動回路では、クランプ電圧（Ｅ）はＥ＝Ｖ_Fであり、ハーフブリッジ駆動回路３のどちらか一方のスイッチングトランジスタが短絡故障するとクランプ電圧（Ｅ）はＥ＝Ｖ_Fとなり、回生電流の挙動が上記駆動回路２と同じとなることが判る。
【００４３】
電磁弁の高応答化を図る回路としては、上記のようなハーフブリッジ駆動回路３の他、ハイサイド・スイッチ回路、およびローサイド・スイッチ回路とフライホイールダイオードの替わりにツェナーダイオードを用いた回路があるが、この回路においても上記と同様にして、短絡故障による異常の検知が可能であることが判る。すなわち、ツェナーダイオードのツェナー電圧をＶｚとすると、電流がオフのときの自己誘導による逆起電圧のクランプ電圧（Ｅ）をＥ＝Ｖｚ、Ｖｚ≫Ｖ_Fとすれば高応答化が図れる。
【００４４】
一般的に、比例電磁切換弁等の電磁弁のソレノイドコイル電流は、ＰＷＭ駆動による平均制御であるが、ソレノイドコイル自身が過熱状態となるとコイル抵抗が大きくなるため、ソレノイドコイルへ供給する電流の制御領域が狭まり、大きな電流域では連続駆動となる。したがって、ソレノイドコイルの過熱に対しても上記異常検知回路４によって、異常の検知が可能である。
【００４５】
【発明の効果】
したがって、本発明は、複数のスイッチング手段のうちのひとつが短絡故障すると、検出したオフ時のコイル両端電圧は減少して設定値を超えるため、ハーフブリッジ駆動回路の異常を確実に検出することができ、スイッチング手段のうちのひとつが短絡故障したことを確実に検知することで、保守、修理を容易に行うことが可能となり、電磁弁駆動回路の信頼性を向上させることができるのである。
【００４６】
また、本発明は、オフ時の電圧の検出値を平滑化することにより、異常の判定を精度良く行うことができ、異常の検出精度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示す電磁弁駆動回路のブロック図である。
【図２】同じく、作用を示すグラフで、ＰＷＭ電流、コイル電流、正常時のコイル端子電圧（ハ）、短絡故障時のコイル端子電圧（ハ）’、正常時のクランプ電圧（ニ）及び短絡故障時のクランプ電圧（ニ）’と時間の関係を示す。
【図３】従来例を示し、フルブリッジ駆動回路の原理図である。
【図４】同じく、ハーフブリッジ駆動回路の原理図である。
【図５】同じく、ハイサイドスイッチ駆動回路の原理図である。
【図６】同じく、ローサイドスイッチ駆動回路の原理図である。
【符号の説明】
１ソレノイドコイル
２駆動回路
３ハーフブリッジ駆動回路
４異常検知回路
４ａ比較器
４ｂクランプ電圧保持回路
４ｃ差動増幅回路
５ディザ回路
６基本波発振回路
７ＰＷＭ変換回路
８電流検出回路

Claims

コイルへ供給される電流に応じて開閉駆動される電磁弁と、複数のスイッチング手段と及びこれらスイッチング手段と並列的に配設されたフライホイールダイオードとを有し、指令信号に応じたデューティ比で前記コイルへ電流を供給するハーフブリッジ駆動回路とを備えた電磁弁駆動回路において、前記コイルの両端電圧を検出し、電流がオフのときのクランプ電圧の検出値をレベル化する保持手段を備える電圧検知手段と、この電圧の検出値と予め設定された電圧とを比較して、検出値が設定値よりも小さいときに異常を判定する異常判定手段とを備えたことを特徴とする電磁弁駆動回路。