JPH1096480A

JPH1096480A - 電磁弁駆動回路

Info

Publication number: JPH1096480A
Application number: JP8250427A
Authority: JP
Inventors: Kiyotaka Ogawa; 清孝小川
Original assignee: Kayaba Industry Co Ltd
Current assignee: KYB Corp
Priority date: 1996-09-20
Filing date: 1996-09-20
Publication date: 1998-04-14
Anticipated expiration: 2016-09-20
Also published as: JP3801273B2

Abstract

(57)【要約】【課題】ハーフブリッジ駆動回路の異常を確実に検知
する。【解決手段】複数のスイッチングトランジスタＴＲ
１、ＴＲ２とフライホイールダイオードＤ１、Ｄ２から
構成されたハーフブリッジ駆動回路ソレノイドコイル１
へ供給される電流に応じて開閉駆動される電磁弁と、複
数のスイッチングトランジスタＴＲ１、ＴＲ２及びこれ
らトランジスタと並列的に配設されたフライホイールダ
イオードＤ１、Ｄ２とを有し、指令信号に応じたデュー
ティ比でソレノイドコイル１へ電流を供給するハーフブ
リッジ駆動回路３と、ソレノイドコイル１の両端電圧を
平滑化して検出するクランプ電圧保持回路４ｂ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検知
回路４ａとを備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【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ｓ
ｗ１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】第１の発明は、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する電圧検知
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。

【００１８】また第２の発明は、前記第１の発明におい
て、前記電圧検知手段は、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。

【００１９】

【作用】したがって、第１の発明は、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、第２の発明は、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Ｄ
１、Ｄ２は、半導体スイッチとしてのトランジスタＴＲ
１、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Ｐ
ＷＭ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ＩＣ
１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、Ｄ
２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、Ｄ
２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、Ｔ
Ｒ２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＋２
ＶＦ≫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、第１の発明は、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、第２の発明は、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

【特許請求の範囲】

【請求項１】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
電圧を検出する電圧検知手段と、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。
【請求項２】前記電圧検知手段は、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
たことを特徴とする請求項１に記載の電磁弁駆動回路。