JP7313904B2 - 冗長化定電流電源及びセンサシステム - Google Patents

Description

本発明は冗長化定電流電源及びセンサシステムに関する。

制御対象が制御装置から遠く離れた場所にある場合には、センサは制御対象近くに設置されるため、制御対象と同様に制御装置から遠く離れた場所に設置される。このように制御装置と遠く離れたセンサとの間の電源、計測情報のやり取りは、電圧ではなく電流ループによる場合が多い。

制御装置及びセンサがクリティカルな用途に用いられる場合には、制御装置及びセンサの信頼性、安全性が求められる。信頼性、安全性を高めるためには、システムの構成要素を冗長化する方法が広く用いられている。
例えば、特許文献１に示す特開平８－９５６５０号公報には、定電流電源の冗長化方式として、シャント抵抗の電流検出信号を、加算回路で加算し、各電圧可変端子ＴＲＭに共通の可変指令電圧として供給し、この可変指令電圧により、各電源本体の出力電流を一定に保つ方式が開示されている。

特開平８－９５６５０号公報

特許文献１は、定電流電源に故障が発生した場合においても冗長化により電源供給を継続させることが可能であることを開示している。しかし、冗長化した定電流電源を制御するための可変指令電圧出力回路およびその周辺回路には、単一故障点が存在しており、単一故障点の故障率の更なる低減について考慮が望まれる。

具体的には、特許文献１の図１においては、オペアンプ２２～可変指令電圧出力回路が単一故障点となっており、故障モードによってはシャント抵抗Ｉ１－３～オペアンプ２４、２４ＡＢも単一故障点となる。特許文献１の図２においてはシャント抵抗５、基準電源８、誤差増幅器７が単一故障点となる。特許文献１の図３においては、シャント抵抗Ｉ～オペアンプ１７～可変指令電圧出力回路１９が単一故障点となる。これらの単一故障点となる部分の故障率は数百～数千ＦＩＴ程度と見積もられ、これより低い故障率を求められるシステムに使用するためには更なる考慮が必要である。
そこで本発明では、より故障率の低い定電流電源を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、代表的な本発明の冗長化定電流電源及びセンサシステムは、
出力電流を制御可能な複数の電流制御電源と、
前記複数の電流制御電源の電流出力を合成する電流合成手段と、
前記電流合成手段の後段の出力電流を検出する電流検出手段を前記電流制御電源ごとに有し、
前記電流検出手段により検出された出力電流が全電流目標値となるように制御する。

以上述べたように、本発明によれば、より故障率の低い定電流電源を提供することが可能となる。
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明の実施例１の回路図の一例である。 実施例１における電流合成手段２０及び電流検出手段３０－１～３０－ｎの構成例を示す回路図の一例である。 電流検出手段３０－１～３０－ｎの構成例を示す回路図の一例である。 電流検出手段３０－１～３０－ｎの構成例を示す回路図の一例である。 実施例１の動作例を示す図である。 出力に直列にバラスト抵抗Ｒｂを挿入した場合の回路図の一例である。 実施例２において、電流制御電源１０－１～１０－ｎごとに出力電流を検出する場合の回路図の一例である。 実施例２の動作例を示す図である。 個別電流検出手段４０－１～４０－ｎをシャント抵抗とし、動作切替手段を最小値回路とした場合の回路図の一例である。 最小値回路（ＭＩＮ）の回路図の一例である。 図９の回路図の場合の動作例を示す図である。 ダイオードＤ１、Ｄｎの短絡故障対策を施した実施例３の回路図の一例である。 実施例４において、個別電流検出手段４０－１～４０－ｎの出力を加算することで、電流検出手段３０－１～３０－ｎとする回路図の一例である。 実施例４において、個別電流検出手段４０－１～４０－ｎの出力を加算するための回路図の一例である。 実施例５において、故障時に個別電流検出手段４０－１～４０－ｎのゲインを切り替える回路図の一例である。 実施例６において、電流制御電源を直列接続した場合の回路図の一例である。 実施例６において、電流制御電源と並列にバラスト抵抗を設けた場合の回路図の一例である。 実施例７において、待機冗長を構成するために、検査用擬似負荷６０－ｎを有する場合の回路図の一例である。 実施例７において、検査用擬似負荷６０－ｎの構成例を示す回路図の一例である。 実施例８の冗長化定電流電源を用いたセンサシステムのシステム構成図の一例である。 実施例８において、センサ２００の近く電流合成手段を設けた場合のセンサシステムのシステム構成図の一例である。

以下、本発明の実施例を図面を用いて説明する。
なお、一般には出力電流を一定値に制御する電源のことを「定電流電源」、または「電流源」と呼ぶが、本明細書においては、フィードバックされる電流値のゲインにより出力電流が可変である電源を「電流制御電源」と称する。
また、本明細書において、ｎは電流制御電源に用いられる定電流電源の個数を意味する。

図１は実施例１の回路図である。電流制御電源１０－１～１０－ｎはそれぞれ電流Ｉ１～Ｉｎを出力し、電流合成手段２０は電流Ｉ１～Ｉｎを合成してＩｏ＝（Ｉ１＋…＋Ｉｎ）なる電流を出力して負荷ＲＬに供給する。電流合成手段２０の出力電流Ｉｏは、電流検出手段３０－１～３０－ｎにより検出されて、それぞれ電流制御電源１０－１～１０－ｎにフィードバックされる。電流制御電源１０－１～１０－ｎではフィードバックされた電流値と目標値との差がゼロとなるように出力電流Ｉ１～Ｉｎがフィードバック制御される。

本実施例によれば、電流制御電源１０－１～１０－ｎのいずれかが故障して電流を出力できなくなった場合でも、他の正常な電流制御電源が電流検出手段３０－１～３０－ｎからのフィードバックされた電流値と目標値との差がゼロとなるように出力電流Ｉ１～Ｉｎをフィードバック制御することで、システム全体としてＩｏと目標値との差がゼロ、すなわちＩｏが目標値となるように動作する。
なお、電流制御電源１０－１～１０－ｎは効率向上、発熱低減の面からはリニアレギュレータよりもスイッチングレギュレータで実現することが望ましい。

なお、本実施例では出力電流が減少する故障モードを想定しているが、出力電流が増加する故障モードについては、過電流保護回路をつけて電流を制限することも考えられる。例えば、ヒューズ、ＰＴＣ（positive temperature coefficient）サーミスタなどを電流出力に直列に挿入すれば、過電流保護回路自体の故障による問題も解決できる。
また、電流制御電源１０－１～１０－ｎに電力を供給する電力源についても、停電などに備えて、図１に示すように別電力網にするか、無停電電源装置を備えることが望ましい。

図２は実施例１における電流合成手段２０および、電流検出手段３０－１～３０－ｎの構成例を示す回路図である。
電流合成手段２０は、電流制御電源１０－１～１０－ｎの出力端子の単純に電流制御電源１０－１～１０－ｎの出力を一点で並列接続するのみで良い。しかし、電流制御電源１０－１～１０－ｎの出力端子に地絡故障に対応するためには、電流合成手段２０を１方向にのみ電流を流す方向性素子で構成することが望ましい。そして、一方向性素子としては、図２に示すようにダイオードＤ１～Ｄｎで構成されるのが望ましい。

電流検出手段３０－１～３０－ｎは図２に示すようにシャント抵抗Ｒｓで構成することができる。電流検出手段はカレントトランスや磁気センサなどで構成することも可能であるが、コストや信頼性の観点からはシャント抵抗Ｒｓ望ましい。

図３、図４は、電流検出手段３０－１～３０－ｎの他の構成例を示す回路図である。
図３は、共通のシャント抵抗Ｒｓの両端の電圧をオペアンプＱ１～Ｑｎに抵抗Ｒｉを介して入力する回路である。夫々のオペアンプの入力端子に抵抗Ｒｉが直列接続されている電流制御電源ごとに独立した電流検出手段を設けることにより、電流検出手段３０－１～３０－ｎのいずれかの故障の影響を他に及ぼすことがなく、電流検出手段が単一故障点となることがない。また、抵抗Ｒｉの短絡故障に備えて、複数の抵抗Ｒｉを直列接続した複数の抵抗器で実現することも可能である。

図４はシャント抵抗Ｒｓ１～Ｒｓｎを電流検出手段３０－１～３０－ｎごとに個別に設けた場合の回路図である。このように、シャント抵抗Ｒｓ１～Ｒｓｎを電流検出手段３０－１～３０－ｎごとに個別に設けることにより、シャント抵抗Ｒｓ１～Ｒｓｎのいずれかが短絡したり、抵抗値が若干変化する程度の故障が発生した場合には、その影響を電流検出手段３０－１～３０－ｎだけに留めることが可能となる。しかし、シャント抵抗Ｒｓ１～Ｒｓｎのいずれかが断線する故障が発生した場合には、出力電流Ｉｏを流すことができなくなる。このような故障の影響を回避するためには、図４に示すようにシャント抵抗Ｒｓ１～Ｒｓｎをそれぞれ並列に接続された複数の抵抗器により実現すればよい。

図５は、実施例１の冗長化定電流電源の動作例を示したものである。なお、簡単のために、図５においては、電流制御電源１０－１～１０－２の２個のみの動作例を示す。図５では、時刻Ｔｆにおいて電流制御電源１０－１～１０－２のうち、電流制御電源１０－１で故障が発生した場合の動作を示している。時刻Ｔｆ以前は電流制御電源１０－１～１０－２はそれぞれ出力電流Ｉ１、Ｉ２で分担しながら全体として電流Ｉｏを出力している。時刻Ｔｆ以降は、電流制御電源１０－１の出力電流Ｉ１がゼロとなり、電流制御電源１０－２の出力電流Ｉ２のみで電流Ｉｏを賄って定電流電源としての動作を継続する。

時刻Ｔｆ以前において実線ＡのようにＩ１とＩ２が等しくならないのは、例えば、図１の電流制御電源１０－１～１０－ｎにおいて、個々の出力電流Ｉ１～Ｉｎを一定に保つ動作をしないために電流制御電源１０－１～１０－２の部品のばらつきの影響を受けるためである。
また、破線ＢのようにＩ１とＩ２が時間とともに変動するのは、同様に電流制御電源１０－１～１０－ｎにおいて個々の出力電流Ｉ１～Ｉｎを一定に保つ動作をしないために、電流制御電源が２つの場合であっても、フィードバックが係るまでの信号伝達ループが長くなることによる。具体的には、電流制御電源１０－１→電流検出手段３０－２→電流制御電源１０－２→電流検出手段３０－１→電流制御電源１０－１という通常の２倍の長さの制御ループが生じて、フィードバックの遅れ時間が増加し、システムが不安定となる。

以上のような不安定さを緩和するためには、図６に示すように電流制御電源１０－１～１０－ｎの出力に、直列にバラスト抵抗Ｒｂを挿入することも可能である。損失との兼ね合いを考えるとバラスト抵抗Ｒｂの値は負荷抵抗ＲＬの５－１０％程度が妥当である。

図７は電流制御電源１０－１～１０－ｎごとに出力電流を検出する個別電流検出手段４０－１～４０－ｎと動作切替手段５０－１～５０－ｎを設けた実施例である。動作切替手段５０－１～５０－ｎは電流制御電源１０－１～１０－ｎが全て正常なときには、端子Ｎに入力される個別電流検出手段４０－１～４０－ｎの出力を選択して電流制御電源１０－１～１０－ｎにフィードバックする。
また、電流制御電源１０－１～１０－ｎのいずれかが異常な場合には、端子Ｆに入力される電流検出手段３０－１～３０－ｎの出力を選択して電流制御電源１０－１～１０－ｎにフィードバックする。電流制御電源１０－１～１０－ｎではフィードバックされた電流値と目標値との差がセロとなるように出力電流Ｉ１～Ｉｎがフィードバック制御される。つまり、個別電流検出手段の出力の合計が、全電流目標値となるように各電流制御電源の出力電流を制御する。

本実施例に拠れば、電流制御電源１０－１～１０－ｎが全て正常なときには、個別電流検出手段４０－１～４０－ｎによる電流検出値により制御されるので、電流制御電源１０－１～１０－ｎの個々の出力電流Ｉ１～Ｉｎを一定に保つ動作をして、動作の安定化が図れる。

なおここで、Ｉｏ＝（Ｉ１＋…＋Ｉｎ）なる関係を有することから、正常時の電流制御電源１０－１～１０－ｎの負担のバランスを考えると、Ｉ１＝Ｉ２＝…＝Ｉｎであることが望ましい。そして、このときＩ１＝Ｉ２＝…＝Ｉｎ＝Ｉｏ／ｎなる関係が成立する。つまり正常時の電流検出手段３０－１～３０－ｎの出力値は個別電流検出手段４０－１～４０－ｎの出力値のｎ倍となる。このような出力値がｎ倍異なる条件下において、動作切替手段５０－１～５０－ｎによる切り替えを可能とするためには、個別電流検出手段４０－１～４０－ｎの出力値をｎ倍するか、個別電流検出手段４０－１～４０－ｎのゲイン自体をｎ倍とすれば良い。

図８は図７の実施例２の動作例を示したものである。なお、簡単のために電流制御電源は１０－１～１０－２の２個のみの場合を示す。図８では時刻Ｔｆにおいて電流制御電源１０－１～１０－２のうち、電流制御電源１０－１で故障があった場合の動作を示している。図５と同様に時刻Ｔｆ以前は電流制御電源１０－１～１０－２はそれぞれ出力電流Ｉ１、Ｉ２で分担しながら全体として電流Ｉｏを出力している。

時刻Ｔｆ以降は、電流制御電源１０－１の出力電流Ｉ１がゼロとなり、電流制御電源１０－２の出力電流Ｉ２のみで電流Ｉｏを賄って動作を継続する。但し図５と異なり、図７の回路の場合には、個々の出力電流Ｉ１～Ｉｎを一定に保つ動作をするので、図８においては、Ｉ１～Ｉｎのばらつき、時間的変動は発生しない。

図９に示すように、個別電流検出手段４０－１～４０－ｎはシャント抵抗Ｒ１～Ｒｎにより実現することができる。このとき、シャント抵抗Ｒ１～Ｒｎの値をシャント抵抗Ｒｓのｎ倍とすることにより、個別電流検出手段４０－１～４０－ｎのゲイン自体をｎ倍とすることができる。

また先に述べたように、電流制御電源１０－１～１０－ｎが全て正常なときにはＩ１＝Ｉ２＝…＝Ｉｎ＝Ｉｏ／ｎなる関係が成立し、電流検出手段３０－１～３０－ｎの出力値は個別電流検出手段４０－１～４０－ｎの出力値のｎ倍となる。
更に、電流制御電源１０－１～１０－ｎのいずれかが故障で電流を出力できない場合には、正常な電流制御電源１０－ｉにおいては、電流検出手段３０－ｉの出力値は個別電流検出手段４０－ｉの出力値のｎ倍よりも小さくなる。例えば、１個の電流制御電源が故障で電流を出力できない場合には、（ｎ－１）倍となる。

従って、図９に示すように動作切替手段として最小値回路（ＭＩＮ）を用いれば、個別電流検出手段４０－１～４０－ｎの出力値のｎ倍の値と、電流検出手段３０－１～３０－ｎの出力値の小さいほうの値を選択することにより、動作切替手段５０－１～５０－ｎの所望の動作（電流制御電源１０－１～１０－ｎが全て正常なときには、個別電流検出手段４０－１～４０－ｎの出力値のｎ倍の値に基づいたフィードバック制御、電流制御電源１０－１～１０－ｎのいずれかが故障で電流を出力できない場合には、電流検出手段３０－１～３０－ｎの出力値に基づいたフィードバック制御）が可能となる。

なお安定動作のためには、個別電流検出手段４０－１～４０－ｎの出力値に乗じる係数はマージンを持たせてｎよりも僅かに小さな値、（ｎ－ε）とすることが望ましく、正常時にノイズの影響などで瞬間的に電流検出手段３０－１～３０－ｎの出力値に基づいたフィードバック制御に切り替わることなく安定動作させることができる。

なお、最小値回路（ＭＩＮ）は図１０に示すようにオペアンプＱａ，Ｑｂ、ダイオードＤａ，Ｄｂ、プルアップ抵抗Ｒｐｕにより構成することができる。

図１１は図９の回路図の場合の動作例を示したものである。なお、簡単のために電流制御電源１０－１～１０－２の２個のみの場合を示す。図では時刻Ｔｆにおいて電流制御電源１０－１～１０－２のうち、電流制御電源１０－１で故障があった場合の動作を示している。なお、図では電流検出手段３０－２の出力を破線、個別電流検出手段４０－２の出力を一点鎖線、最小値回路（ＭＩＮ）の出力を実線で示している。

図１１においては、図５、図８の場合と同様に、時刻Ｔｆ以前は電流制御電源１０－１～１０－２はそれぞれ出力電流Ｉ１、Ｉ２で分担しながら全体として電流Ｉｏを出力している。このとき、最小値回路（ＭＩＮ）である動作切り替え手段５０－２は電流検出手段３０－１の出力よりも小さな個別電流検出手段４０－１の出力のｎ倍（望ましくはｎ－ε倍）（但し、ｎ＝２）を選択して電流制御電源１０－２にフィードバック制御をさせる。

時刻Ｔｆ以降は、電流制御電源１０－１の出力電流Ｉ１がゼロとなり、電流制御電源１０－２の出力電流Ｉ２のみで電流Ｉｏを賄って動作を継続する。このとき、最小値回路（ＭＩＮ）である動作切り替え手段５０－２は電流制御電源１０－１の故障により減少した電流検出手段３０－１選択して電流制御電源１０－２にフィードバック制御をさせ、フィードバック制御によりＩｏを増加させて減少を抑える。

図１２は、電流合成手段２０を構成する１方向にのみ電流を流す素子、具体的にはダイオードＤ１、Ｄｎの短絡故障対策を施した実施例３の回路図である。図１２においては、ダイオードＤ１、Ｄｎの短絡故障に備えて、それぞれ直列にダイオードＤ１１，Ｄｎ１を挿入したものである。本実施例に拠れば、ダイオードＤ１、Ｄｎの短絡故障に加えて、電流制御電源１０－１～１０－ｎの出力端子の地絡故障が発生しても、正常な電流制御電源１０－１～１０－ｎの出力電流を負荷ＲＬに供給することができる。

さらに、テスト用分圧抵抗Ｒ１１，Ｒ１２、Ｒｎ１、Ｒｎ２を付加してテストポイントＴＰ１～ＴＰｎを付加することによりダイオードＤ１１，Ｄｎ１の故障を検出することが可能となる。
例えば、ダイオードＤ１１のテストをする際には、電流制御電源１０－１の動作を停止させることにより、ダイオードＤ１１が正常ならばテストポイントＴＰ１には他の電流制御電源１０－２～１０－ｎの出力電圧ＶｏがＲ１２／（Ｒ１２＋Ｒ１１）に分圧された電圧が観測される。もしダイオードＤ１１が短絡していたら出力電圧Ｖｏが観測され、断線していたらほぼ０Ｖの電圧が観測される。

本実施によれば以上のようにして、ダイオードＤ１、Ｄｎ、ダイオードＤ１、Ｄｎの短絡故障に加えて、電流制御電源１０－１～１０－ｎの出力端子の地絡故障のような多重故障により出力電流を負荷ＲＬに供給できなくなる前に故障の検出ができる。

図１３、図１４は個別電流検出手段４０－１～４０－ｎの出力を加算することで、電流検出手段３０－１～３０－ｎとする実施例である。

図１４では、個別電流検出手段４０－１、４０－ｎを細い破線、電流検出手段３０－１、３０－ｎを太い一点鎖線で示している。共通のシャント抵抗Ｒ１、Ｒｎの両端の電圧をオペアンプＱ１１～Ｑ１ｎ～Ｑｎ１～Ｑｎｎに抵抗Ｒｉを介して入力する回路である。夫々のオペアンプの入力端子に抵抗Ｒｉが直列接続されていることにより、抵抗Ｒｉ以降の個別電流検出手段４０－１～４０－ｎのいずれかの故障の影響を他に及ぼすことがなく、単一故障点となることがない。

また、抵抗Ｒｉの短絡故障に備えて、複数の抵抗Ｒｉを直列接続することも可能である。個別電流検出手段４０－１～４０－ｎの出力を加算する機能もオペアンプを用いた加算回路で実現可能である。

以上のような個別電流検出手段４０－１～４０－ｎの出力を加算することにより電流検出手段３０－１～３０－ｎを等価的に実現する方法は、図７～図１３に示すように個別電流検出手段４０－１～４０－ｎの検出結果によりフィードバック制御する実施例だけでなく、図１～図６に示すように電流検出手段３０－１～３０－ｎの検出結果によりフィードバック制御する実施例や、図１８に示すような待機冗長構成の実施例にも適用することが可能である。

また本実施例は電流検出手段３０－１～３０－ｎを不要とすることができるため、遠距離に離れた負荷ＲＬに電流Ｉｏを供給する場合であっても、電流合成手段２０を負荷ＲＬから遠距離に置くことが容易に可能となる。

図１５は、電流制御電源１０－１～１０－ｎのいずれかの出力が停止した場合に、動作切替手段５０－１～５０－ｎが個別電流検出手段４０－１～４０－ｎのゲインを切り替えるための回路図である。
電流制御電源１０－１～１０－ｎの全てが正常な場合には、個々の電流制御電源はＩｏ／ｎの電流を供給すれば良いが、電流制御電源１０－１～１０－ｎのうちの１つの電流制御電源が故障により電流を供給できなくなった場合には、他の電流制御電源はＩｏ／（ｎ―１）の電流を供給しなければならない。

そのためには、個別電流検出手段４０－１～４０－ｎのゲインを（ｎ－１）／ｎ倍に切り替えればよい。またｎ＝２の場合には個別電流検出手段４０－１～４０－ｎのゲインは１／２倍となるが、このときには個別電流検出手段４０－１～４０－ｎが電流検出手段３０－１～３０－ｎの役割を担うと考えることもできる。

図１５では、動作切替手段５０－１はＰチャンネルＭＯＳＦＥＴにより構成されており、制御端子（ゲート）は電流制御電源１０－２の出力に接続されていて、電流制御電源１０－２の出力が供給されているときにはオフとなり個別電流検出手段４０－１がシャント抵抗Ｒｓにより電流を検出する。電流制御電源１０－２の出力が供給されていないときには制御端子（ゲート）はオンとなり個別電流検出手段４０－１がシャント抵抗Ｒｓ／２により電流を検出する。即ち、個別電流検出手段４０－１として動作することとなる。

同様に動作切り替え手段５０－２はＰチャンネルＭＯＳＦＥＴにより構成されており、制御端子（ゲート）は電流制御電源１０－１の出力に接続されていて、電流制御電源１０－１の出力が供給されているときにはオフとなり個別電流検出手段４０－２がシャント抵抗Ｒｓにより電流を検出する。電流制御電源１０－１の出力が供給されていないときには制御端子（ゲート）はオンとなり個別電流検出手段４０－２がシャント抵抗Ｒｓ／２により電流を検出し、個別電流検出手段４０－２として動作する。

図１６は、電流合成手段２０－１、２０－ｎが、第１の端子から第２の端子の方向のみに電流を流す方向性素子の第１の端子を夫々の電流制御電源１０－１～１０－ｎの負側の電流出力端子に、第２の端子を夫々の電流制御電源１０－１～１０－ｎの正側の電流出力端子に接続し、夫々の電流制御電源１０－１～１０－ｎが直列接続されている回路図である。

実施例６によれば、電流制御電源１０－１～１０－ｎのいずれかが故障により電流を供給できなくなった場合には、電流合成手段２０－１～２０－ｎにより他の電流制御電源の出力電流をバイパスさせて出力電流Ｉｏとして供給することが可能である。

なおここで、電流制御電源１０－１～１０－ｎは直列接続されるために、電流制御電源１０－１～１０－ｎの負側の電流出力端子はシャーシから絶縁しなければならない。
また、本実施例によれば電流制御電源１０－１～１０－ｎは直列接続されているので同一の電流が流れるが、分担電圧は電流制御電源１０－１～１０－ｎの部品定数のばらつきによりばらつくことが考えられる。

このようなばらつきによる不安定性を緩和するために、図１７に示すようにバラスト抵抗Ｒｂを電流制御電源１０－１～１０－ｎと並列に接続することも可能である。

図１８、図１９は待機冗長を構成する場合の回路図である。この場合は、電流制御電源１０－１～１０－ｎのうち、電流制御電源１０－ｎが主系で、電流制御電源１０－１が待機系である実施例である。主系である電流制御電源１０－ｎ（ｎ≠１）は個別電流検出手段４０－ｎの電流検出値に基づいて自らの出力電流Ｉｎを目標値となるように制御する。

待機系である電流制御電源１０－１は電流検出手段３０－１の電流検出値に基づいて自らの出力電流Ｉ１を目標値となるように制御する。検査用擬似負荷６０－ｎは主系である電流制御電源１０－ｎの後段の個別電流検出手段４０－ｎの出力側に接続されている。

本実施例では、正常動作時には、待機系である電流制御電源１０－１の出力電流Ｉ１は０であるため、故障に備えて検査用擬似負荷６０－ｎに電流を流して電流制御電源１０－１の正常性を診断する。検査用擬似負荷６０－ｎに流れる電流をＩｄｕｍｍｙとすると、主系である電流制御電源１０－ｎからの出力電流ＩｎよりもＩｄｕｍｍｙだけ小さな電流が出力電流Ｉｏに流入する。

そこで、待機系である電流制御電源１０－１はＩ１＝Ｉｄｕｍｍｙなる電流を流して、出力電流Ｉｏの減少を補う。以上のようにして、検査用擬似負荷６０－ｎに流した電流を待機系である電流制御電源１０－１が補う動作を確認することで、電流制御電源１０－１の診断をすることができる。

図１９は検査用擬似負荷６０－ｎの構成例を示す回路図である。エミッタに抵抗Ｒが接続されたトランジスタＴｒのベースにＶｉｎなる電圧を印加することにより、
Ｉｄｕｍｍｙ＝（Ｖｉｎ － Ｖｂｅ）Ｒ
但し、Ｖｂｅ：ベースーエミッタ間接合電位
なる試験用電流を流すことができる。

図２０は本発明の提供する冗長化定電流電源を用いたセンサシステムのシステム構成図である。本発明の提供する冗長化定電流電源からの出力電流Ｉｏはセンサ２００に供給され、センサ２００は供給された電流Ｉｏにより動作してセンサ出力Ｓｏｕｔを出力して信号処理部３００－１～３００－ｎに入力される。

信号処理部３００－１～３００－ｎでは入力されたセンサ出力Ｓｏｕｔに基づいて所定の処理、動作を行う。電源から供給される電流Ｉｏおよびセンサ出力Ｓｏｕｔが図２０に示されるように長距離伝送される場合には、多芯からなるケーブル２１０を敷設するのが敷設コストやメインテナンスコストを下げる上で有効である。また、ケーブル２１０の抵抗に起因する電圧降下の影響を緩和するために、電源は定電流電源による電流ループで供給することが有効である。

さらにセンサ出力Ｓｏｕｔも図２０に示すように電流源による電流ループで出力することが望ましい。この場合、センサ２００内部では供給された定電流をシャントレギュレータまたはツェナーダイオードに接続することにより一定の電圧をセンサ２００の内部回路に供給する。

センサ２００が検出するセンサ出力Ｓｏｕｔがシステムの安全性、信頼性にかかわる場合には、図２０に示すように本発明が提供する冗長化された電流制御電源１０－１～１０－ｎからなる冗長化定電流電源で電源を供給することが有効である。また、信号処理部も３００－１～３００－ｎと冗長化することが望ましい。

なお、本実施例では例として、図１～図６に示される電流検出手段３０－１～３０－ｎの検出結果によりフィードバック制御する冗長化定電流電源を用いた例を示しているが、図７～図１３に示すように個別電流検出手段４０－１～４０－ｎの検出結果によってもフィードバック制御する冗長化定電流電源や、図１８に示すような待機冗長構成の冗長化定電流電源を用いることが可能であることは言うまでもない。

以上述べたようなセンサ２００が検出するセンサ出力Ｓｏｕｔを、システムの安全性、信頼性を保つために用いる場合には、図２０に示すように、センサ２００を鉄道軌道１００に隣接して設置することにより、当該鉄道軌道上の区間（閉塞区間）に列車が在線しているかどうかの状態をセンサ出力Ｓｏｕｔから判断することができる。日本国内ではこのような用途のセンサ２００として線路に流れる電流を車輪が短絡することを検出する軌道回路が広く用いられており、軌道回路がそれぞれ閉塞区間に相当することとなる。

また欧州ではセンサ２００として車輪のフランジの通過を磁束の変化で検出するアクスル（車軸）センサが広く用いられる。閉塞区間の両端にセンサ２００としてアクスル（車軸）センサを取り付け、エバリュエータと呼ばれる信号処理部３００－１～３００－ｎでは閉塞区間に進入した車軸の数と進出した車軸の数から列車の在線状態を管理することからアクスル（車軸）カウンタと呼ばれている。

このような用途においては冗長化した信号処理部３００－１～３００－ｎのうち、複数の信号処理部（図２０の実施例では信号処理部３００－１～３００－２）が安全側信号（閉塞区間に在線している列車がないことを示す信号）を出力しているときのみ、ＡＮＤ回路３１０により安全側信号３２０を出力することとして、システムの安全性を確保することができる。列車制御においてはこの安全側信号の有無により列車位置を検知したり、信号を制御したり、転轍機の動作を許可するインターロックの制御に用いられる。

さらに安全側信号３２０とともに、もう一組の信号処理部（図２０の実施例では信号処理部３００－（ｎ―１）～３００－ｎ）の安全側信号のＡＮＤ回路３１１の安全側信号３２１をＯＲ回路３１２に入力して、安全側信号３２２を得ることでシステムとしての可用性を高めることができる。また複数の信号処理部の出力の多数決をとることでもシステムとしての可用性を高めることができる。

特に大都市近郊や幹線となる鉄道では、短い列車間隔での高密度輸送が必要となるため、本実施例に示すような、定電流電源の冗長化、信号処理部の冗長化とＯＲ接続による高信頼性、可用性向上は極めて重要である。また、欧州で広く用いられているアクスル（車軸）カウンタを大都市近郊や幹線の鉄道に適用するためにも、本実施例に示すような、定電流電源の冗長化、信号処理部（エバリュエータ）の冗長化とＯＲ接続による高信頼性、可用性向上は極めて重要である。

なお、ＡＮＤ回路３１０、３１１やＯＲ回路３１２は鉄道分野で広く用いられている交番信号を用いたフェールセーフＡＮＤやリレーなどの片側故障特性を利用した回路で実現するのが望ましいことは勿論のことである。

図２１は電流制御電源１０－１～１０－ｎの電流出力はケーブル２１０の個々の配線により伝送され、センサ２００の近くに置かれた電流合成手段２０により電流Ｉｏに合成される実施例である。本実施例によれば、センサ２００に電源を供給する経路も冗長化することが可能となり、電源供給の信頼性をさらに高めることができる。

なお本実施例では、図１３に示される個別電流検出手段４０－１～４０－ｎの出力を加算することにより電流検出手段３０－１～３０－ｎを等価的に実現する方法が用いられている。このため、電流合成手段２０の後に電流検出手段３０－１～３０－ｎが不要であり、電流検出手段３０－１～３０－ｎによる電流検出結果を再び長いケーブル２１０を介して電流制御電源１０－１～１０－ｎに戻す必要がない。

ここでは、一例として図１３の実施例を用いることを示したが、図１３に示される個別電流検出手段４０－１～４０－ｎの出力を加算することにより電流検出手段３０－１～３０－ｎを等価的に実現する方法を適用することにより、図１～図６に示すように電流検出手段３０－１～３０－ｎの検出結果によりフィードバック制御する実施例や、図１８に示すような待機冗長構成の実施例を本実施例に適用することも可能である。なお、電流合成手段２０はセンサ２００に内蔵してもよい。
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。

１０－１～１０－ｎ…電流制御電源、２０…電流合成手段、
３０－１～３０－ｎ…電流検出手段、４０－１～４０－ｎ…個別電流検出手段、
５０－１～５０－ｎ…動作切り替え手段、２００…センサ、２１０…ケーブル、
３００－１～３００－ｎ…信号処理部

Claims (15)

1. 出力電流を制御可能な複数の電流制御電源と、
   前記複数の電流制御電源の電流出力を合成する電流合成手段と、
   前記電流合成手段の後段の出力電流を検出する電流検出手段を前記電流制御電源ごとに有し、
   それぞれの前記電流検出手段により検出された出力電流が全電流目標値となるようにそれぞれの前記電流制御電源を制御する冗長化定電流電源。
2. 請求項１記載の冗長化定電流電源であって、
   前記電流合成手段は、第１の端子から第２の端子の方向のみに電流を流す複数の方向性素子で構成されており、
   前記複数の方向性素子の第１の端子は、夫々が前記複数の電流制御電源の電流出力端子に接続されており、
   前記複数の方向性素子の第２の端子は、一点に並列接続されている
   ことを特徴とする冗長化定電流電源。
3. 請求項２記載の冗長化定電流電源であって、
   前記方向性素子はダイオードである
   ことを特徴とする冗長化定電流電源。
4. 請求項１記載の冗長化定電流電源であって、
   個々の前記電流制御電源ごとに前記電流制御電源の出力電流を検出する個別電流検出手段と、前記電流制御電源ごとに動作切替手段を有し、
   前記動作切替手段は、前記電流制御電源が全て正常なときには、前記個別電流検出手段の出力を個別電流目標値となるように制御し、
   前記電流制御電源のいずれかが異常なときには、前記個別電流検出手段の出力の合計が前記全電流目標値となるように各電流制御電源の出力電流を制御する
   ことを特徴とする冗長化定電流電源。
5. 請求項４記載の冗長化定電流電源であって、
   前記電流制御電源をｎ個有する場合に、前記動作切替手段は、前記個別電流検出手段の出力をｎ倍した第一の値と、前記電流検出手段の出力のうちの最小値を電流検出値とし、
   前記電流検出値が前記個別電流目標値のｎ倍となるように制御する
   ことを特徴とする冗長化定電流電源。
6. 請求項５記載の冗長化定電流電源であって、
   前記個別電流検出手段が抵抗器からなり、
   前記個別電流検出手段と、前記個別電流検出手段の出力をｎ倍する手段が、
   前記電流検出手段における抵抗器のｎ倍の抵抗値の抵抗器からなる
   ことを特徴とする冗長化定電流電源。
7. 請求項２記載の冗長化定電流電源であって、
   前記方向性素子がそれぞれ複数個直列接続されている
   ことを特徴とする冗長化定電流電源。
8. 請求項７記載の冗長化定電流電源であって、
   ２個ずつ直列接続されている前記方向性素子の少なくとも１つに並列に電流分圧抵抗が接続されている
   ことを特徴とする冗長化定電流電源。
9. 請求項１記載の冗長化定電流電源であって、
   前記電流検出手段が、個々の前記電流制御電源ごとに前記電流制御電源の出力電流を検出する個別電流検出手段の出力の加算機能により実現される
   ことを特徴とする冗長化定電流電源。
10. 請求項４記載の冗長化定電流電源であって、
    前記電流制御電源をｎ個有する場合に、前記動作切替手段は、前記複数の電流制御電源のいずれかの出力が停止した場合には、個別電流検出手段のゲインを（ｎ－１）／ｎ倍に切り替える
    ことを特徴とする冗長化定電流電源。
11. 請求項１記載の冗長化定電流電源であって、
    前記電流合成手段が、第１の端子から第２の端子の方向のみに電流を流す方向性素子の第１の端子を夫々の前記電流制御電源の負側の電流出力端子に、第２の端子を夫々の前記電流制御電源の正側の電流出力端子に接続され、
    夫々の前記電流制御電源が直列接続されている
    ことを特徴とする冗長化定電流電源。
12. 請求項１記載の冗長化定電流電源であって、
    前記電流制御電源のいずれかに検査用擬似負荷が接続されている
    ことを特徴とする冗長化定電流電源。
13. 請求項１記載の冗長化定電流電源と、
    センサと、
    センサからの信号により動作する信号処理部
    を有することを特徴とするセンサシステム。
14. 請求項１３記載のセンサシステムであって、
    前記センサは列車車軸を検出し、
    前記信号処理部は鉄道線路の特定の区間の列車の存在を判定する
    ことを特徴とするセンサシステム。
15. 請求項１３記載のセンサシステムであって、
    前記信号処理部が冗長化された構成である
    ことを特徴とするセンサシステム。

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