JPH11174074A - 速度パルスの補正回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】本発明の目的は、正確な速度検出を行うため
に、各相のパルス幅の誤差を修正する速度パルスの補正
回路を提供することにある。 【解決手段】本発明は、２相の速度パルスの排他的論理
和による二倍高調波を生成し、二倍高調波のパルス幅の
ばらつきよりＡ・Ｂ各相のパルス幅の誤差を求め、バル
ス幅の修正を行うことにより、正確な速度検出を行うこ
とが可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、速度パルスの検出
回路、特に、鉄道車両を駆動するモータの回転数に比例
した速度パルスを検出し、この速度パルスの周波数を演
算する速度パルスの検出回路に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、誘導モータを駆動する車両用イン
バータ制御装置に、車両の各モータの軸に取り付けられ
たセンサより、モータ回転数に比例した速度信号を入力
する。速度信号は、センサの種類などにより波形や電気
的なレベルが異なるので、インバータ制御装置内ではイ
ンタフェース回路により、速度信号のパルス成形や電圧
レベルの変換を行う。変換された速度パルスはインバー
タ制御装置内の速度パルス検出回路に入力し、そのパル
スの変化点（エッジ）を検出して、エッジとエッジの間
隔からマイクロコンピュータ（以下、マイコンという）
により速度パルスの周波数演算を行う。

【０００３】図６に、従来の速度パルスの周波数演算回
路を示す。インバータ制御装置１にモータ２の回転軸に
取り付けた速度センサ３からＡ相・Ｂ相の２相の速度信
号４を入力する。速度信号４は、インタフェース回路５
によってパルス成形すると同時に電圧レベルの変換を行
い、カウンタ回路１２に入力される。カウンタ回路１２
において、モータ２の回転速度が速い時には一定時間内
のパルス数をカウントし、モータ２の回転速度が遅いと
きには、パルス間隔を測定することにより速度パルスの
周波数演算を行う。

【０００４】特に鉄道車両のインバータ制御装置におい
ては、車両の加速時に精度の高いモータ回転数を得るこ
とが重要であるが、鉄道車両用のモータに取り付けられ
たセンサはモータの回転数に比べ出力するパルスが少な
いという特性を持つ。パルス間隔がマイコンの演算周期
よりも長くなる場合もあり、そのような場合には、実際
には徐々にモータ回転数が変化しているにも関わらず、
複数の演算周期にわたって同一のモータ回転周波数を使
用することになってしまう。

【０００５】Ａ相・Ｂ相の速度パルスのデューティ比が
正確な場合には、速度パルスの立ち上がりと立ち下がり
の両エッジを検出することにより、入力パルス数を２倍
に増やすことが可能となる。さらにＡ相・Ｂ相の速度パ
ルスの位相差が正確に９０度ならば、Ａ相・Ｂ相の速度
パルスを組み合わせることにより、入力パルス数を４倍
に増やすことが可能となる。ところが速度センサおよび
インタフェース回路の特性などによりＡ相・Ｂ相それぞ
れの速度パルスのデューティ比に誤差が生じる場合があ
る。このため入力パルス数を増やす試みは、パルス幅に
誤差を生じている場合は、正確なパルス幅検出が難しく
なるため正確な周波数演算に支障をきたす。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】２相の両エッジによる
速度パルスの検出は、モータ回転数が遅い場合に入力パ
ルスを増やすという点で有効であるが、２相の位相差が
正確に９０度であることと、各相のパルスのデューティ
比が正確に５０％（一定周波数の場合、ハイ／ローの間
隔が同じ）であることが必要であり、これらに誤差が生
じた場合には速度検出がばらついてしまう。

【０００７】本発明の目的は、正確な速度検出を行うた
めに、各相のパルス幅の誤差を修正する速度パルスの補
正回路を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記課題は、２相の速度
パルスの排他的論理和による二倍高調波を生成し、その
二倍高調波のパルス幅のばらつきを補正することによっ
て解決される。

【０００９】本発明は、２相の速度パルスの排他的論理
和による二倍高調波を生成し、そのハイ／ローレベルの
パルス幅を測定する。二倍高調波のパルス幅のばらつき
よりＡ・Ｂ各相のパルス幅の誤差を求め、バルス幅の修
正を行うことにより、正確な速度検出を行うことが可能
となる。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面を
用いて説明する。

【００１１】図１は、本発明の一実施形態を示す速度パ
ルスの補正回路である。図１において、インバータ制御
装置１は、誘導モータ２を駆動する車両用インバータ装
置であり、駆動する誘導モータ２の回転数を検知するた
めに、モータの回転軸に取り付けた２個の速度センサ３
からＡ相・Ｂ相の２相の速度信号４（速度センサ出力波
形）を入力する。本実施形態におけるＡ相・Ｂ相の位相
関係は、９０度の位相差を持つ。速度センサ３より送ら
れてきた速度信号４は、インタフェース回路５によって
パルス成形し、完全な矩形波６（インタフェース回路出
力波形）にすると同時に、電圧レベルの変換を行う。Ａ
相・Ｂ相のパルス波形の排他的論理和をとることにより
二倍高調波７を生成する。カウンタ回路８は、クロック
発振器９からのクロック１０をもとに動作するフリーラ
ンカウンタであり、二倍高調波７の両エッジを検出する
度にカウンタ値をレジスタ１１に保存した後、カウンタ
値をクリアする。これによりカウンタ回路８は、二倍高
調波７のハイ／ローレベルのパルス幅を測定している。
同様にカウンタ回路１２は、Ａ相・Ｂ相のハイ／ローレ
ベルのパルス幅を測定し、カウンタ値１３を出力する。
カウンタ補正回路１４は、レジスタ１１に保存された二
倍高調波７のパルス幅のばらつきよりＡ・Ｂ各相のパル
ス幅の誤差を求め、カウンタ補正値１５を出力する。カ
ウンタ補正値１５は、それぞれカウンタ値に加算され、
修正されたカウント値１６がマイコン１７に入力され
る。

【００１２】次に本実施形態で仮定する速度パルスの誤
差モデルならびに本実施形態で採用した誤差修正方法に
ついて述べる。図２は、Ａ相・Ｂ相の理想の速度パルス
ならびに誤差の生じた速度パルスを示す。ｋサイクル目
のＡ相の立ち上がりエッジのおける理想パルスからの遅
れをΔＡｐ(ｋ)とし、立ち下がりエッジでの遅れをΔＡ
ｎ(ｋ)とする。同様にＢ相においてもΔＢｐ(ｋ)，ΔＢ
ｎ(ｋ)とする。これらの遅れは、速度センサおよびイン
タフェース回路の特性および速度センサの取り付け位置
の誤差などに起因するものとし、同一モータ回転周波数
・同一温度ではそれぞれ一定であると仮定する。特に隣
接するサイクルにおいては、周波数や温度の変化は少な
いものとし、

【００１３】

【数１】 ΔＡｐ(ｋ)≒ΔＡｐ(ｋ＋１) …（１）式 ΔＡｎ(ｋ)≒ΔＡｎ(ｋ＋１) ΔＢｐ(ｋ)≒ΔＢｐ(ｋ＋１) ΔＢｎ(ｋ)≒ΔＢｎ(ｋ＋１） と仮定する。

【００１４】次にＡ相とＢ相の速度パルスの排他的論理
和による二倍高調波のハイ／ローレベルの区間を順にＴ
ｐｐ（ｋ)，Ｔｎｐ(ｋ)，Ｔｎｎ(ｋ)，Ｔｐｎ(ｋ)とす
る。本方法では、より一般化した場合を考慮して、鉄道
車両が等減速（加速）状態であるとすると、前述の区間
は理想的には

【００１５】

【数２】 １／４Ｔ …（２）式 １／４Ｔ＋ΔＴ １／４Ｔ＋２ΔＴ １／４Ｔ＋３ΔＴ と一定の割合でパルス幅が長くなっていく。これらのパ
ルス幅に誤差が加わるため、

【００１６】

【数３】 Ｔｐｎ(ｋ−１)＝１／４Ｔ−ΔＴ＋ΔＡｐ(ｋ)−ΔＢｎ(ｋ−１)…（３）式

【００１７】

【数４】 Ｔｐｐ(ｋ)＝１／４Ｔ＋ΔＢｐ(ｋ)−ΔＡｐ(ｋ) …（４）式

【００１８】

【数５】 Ｔｎｐ(ｋ)＝１／４Ｔ＋ΔＴ＋ΔＡｎ(ｋ)−ΔＢｐ(ｋ) …（５）式

【００１９】

【数６】 Ｔｎｎ(ｋ)＝１／４Ｔ＋２ΔＴ＋ΔＢｎ(ｋ)−ΔＡｎ(ｋ) …（６）式

【００２０】

【数７】 Ｔｐｎ(ｋ)＝１／４Ｔ＋３ΔＴ＋ΔＡｐ(ｋ＋１)−ΔＢｎ(ｋ) …（７）式

【００２１】

【数８】 Ｔｐｐ(ｋ)＝１／４Ｔ＋ΔＢｐ(ｋ)−ΔＡｐ(ｋ) …（８）式 となる。同様にして、Ａ相・Ｂ相のパルス幅も求めら
れ、

【００２２】

【数９】 Ａ相ハイレベル幅≒Ｔｐｐ(ｋ)＋Ｔｎｐ(ｋ)＝１／２Ｔ＋ΔＴ ＋［ΔＡｎ(ｋ)−ΔＡｐ(ｋ)］ Ａ相ローレベル幅≒Ｔｎｎ(ｋ)＋Ｔｐｎ(ｋ)＝１／２Ｔ＋５ΔＴ −［ΔＡｎ(ｋ)−ΔＡｐ(ｋ)］ …（９）式

【００２３】

【数１０】 Ｂ相ハイレベル幅≒Ｔｎｐ(ｋ)＋Ｔｎｎ(ｋ)＝１／２Ｔ＋３ΔＴ ＋［ΔＢｎ(ｋ)−ΔＢｐ(ｋ)］ Ｂ相ローレベル幅≒Ｔｐｎ(ｋ)＋Ｔｐｐ(ｋ＋１)＝１／２Ｔ＋７ΔＴ −［ΔＢｎ(ｋ)−ΔＢｐ(ｋ)］ …（１０）式 となる。ここで二倍高調波のパルス幅の２階差分をとる
と、等減速（加速）の影響は消え（ΔＴが消え）

【００２４】

【数１１】 ［(５)式−(４)式］−［(４)式−(３)式］＝ΔＡｎ(ｋ)−３ΔＢｐ(ｋ) ＋３ΔＡｐ(ｋ)−ΔＢｎ(ｋ−１) …（１１）式

【００２５】

【数１２】 ［(６)式−(５)式］−［(５)式−(４)式］＝ΔＢｎ(ｋ)−３ΔＡｎ(ｋ) ＋３ΔＢｐ(ｋ)−ΔＡｐ(ｋ) …（１２）式

【００２６】

【数１３】 ［(７)式−(６)式］−［(６)式−(５)式］＝ΔＡｐ(ｋ＋１)−３ΔＢｎ
(ｋ） ＋３ΔＡｎ（ｋ)−ΔＢｐ(ｋ) …（１３）
式 となる。ここでさらに（１）式の関係を用いると

【００２７】

【数１４】 ［(１１)式＋(１２)式］／２＝ΔＡｐ(ｋ)−ΔＡｎ(ｋ) …（１４）式

【００２８】

【数１５】 ［(１２)式＋(１３)式］／２＝ΔＢｐ(ｋ)−ΔＢｎ(ｋ) …（１５）式 となり、（９)，(１０）式にそれぞれ（１４)，(１５）
式を足すと

【００２９】

【数１６】 ［(９)式＋(１４)式］＝１／２Ｔ＋５ΔＴ → Ａ相ローレベル幅（理想値） …（１６）式

【００３０】

【数１７】 ［(１０)式＋(１５)式］＝１／２Ｔ＋７ΔＴ → Ｂ相ローレベル幅(理想値) …（１７）式 となり、Ａ相・Ｂ相のローレベルのパルス幅の誤差がキ
ャンセルされ、理想値が得られることが分かる。

【００３１】また二倍高調波に上記のような演算を行う
ことにより、Ａ相とＢ相のハイ／ローレベルのパルス幅
の補正値が順番に得られることが分かる。これは、車両
の等速運航中に限らず、等加速（減速）中においても有
効である。

【００３２】次に、カウンタ補正回路の詳細について説
明する。図３は、そのカウンタ補正回路およびその周辺
回路のハードウェアブロック図を示す。図３において、
カウンタ回路８は、クロック発振器９からのクロック１
０をもとに動作するフリーランカウンタであり、入力パ
ルス７（Ａ相とＢ相の速度パルスの排他的論理和）の両
エッジを検出する度にカウンタ値をレジスタＲ０に保存
した後、カウンタ値をクリアする。レジスタＲ０〜Ｒ３
は過去のカウンタ値を保存していて、入力パルス７の両
エッジ検出のタイミングでレジスタ内容をシフトする。
カウンタ補正回路１４は、前述の誤差修正方法を回路上
で実現したものである。得られたカウンタ補正値は、Ａ
相のパルス幅カウント補正値あるいはＢ相のパルス幅カ
ウント補正値として切り替えて用いる。

【００３３】次に、図４，図５に、速度パルス幅の補正
結果のグラフを示す。

【００３４】図４は、減速時の場合の速度パルス幅のカ
ウントの補正結果を示したものである。パルス幅は、そ
れぞれＡ相ハイレベル期間，Ｂ相ハイレベル期間，Ａ相
ローレベル期間，Ｂ相ローレベル期間の順に並んでお
り、誤差が混入しない状態では、サイクルを追うに従っ
て理想値のようにパルス幅が一様に長くなっていくはず
であるが、実際の測定値は図４のように誤差が混じって
いる。本実施形態によって、パルス幅の誤差は修正さ
れ、補正されたパルス幅のカウント値は理想値に近づく
様子がわかる。

【００３５】同様に、図５は、加速時の場合の速度パル
ス幅のカウントの補正結果を示したものである。パルス
幅は、それぞれＡ相ハイレベル期間，Ｂ相ハイレベル期
間，Ａ相ローレベル期間，Ｂ相ローレベル期間の順に並
んでおり、誤差が混入しない状態では、サイクルを追う
に従って理想値のようにパルス幅が一様に短くなってい
くはずであるが、実際の測定値は図５のように誤差が混
じっている。本実施形態によって、パルス幅の誤差は修
正され、補正されたパルス幅のカウント値は理想値に近
づく様子がわかる。

【００３６】以上のように、本実施形態では、加速中・
減速中を問わず、正確な速度パルスの周波数検出を行う
ことが可能となる。

【００３７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
各相のパルス幅の誤差を修正することにより、正確なパ
ルス幅を測定可能となる。さらに２相の速度パルスの両
エッジの検出により入力パルス数を増やすことが可能と
なる。特に本発明の速度パルス補正回路は、加減速時に
おいても有効に作用するため、車両の加速時に精度の高
いモータ回転数を得ることが重要なインバータ制御装置
に適している。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態を示す速度パルスの補正回
路。

【図２】速度パルスのタイミングチャート。

【図３】本発明の一実施形態である速度パルスの補正回
路の詳細を示すブロック図。

【図４】本発明の速度パルスの補正回路による速度パル
スカウントの補正例（減速中の場合）を示す特性図。

【図５】本発明の速度パルスの補正回路による速度パル
スカウントの補正例（加速中の場合）を示す特性図。

【図６】従来の速度パルス検出回路を示す図。

【符号の説明】

１…インバータ制御装置、２…モータ、３…速度セン
サ、４…速度信号（速度センサ出力波形）、５…インタ
フェース回路、６…速度パルス（インタフェース回路出
力波形）、７…二倍高調波（パルス入力）、８…カウン
タ回路（二倍高調波）、９…クロック発振器、１０…ク
ロック、１１…レジスタ、１２…カウンタ回路（Ａ・Ｂ
相速度パルス）、１３…カウンタ回路出力、１４…カウ
ンタ補正回路、１５…カウンタ補正値、１６…マイコン
入力、１７…マイコン。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】鉄道車両のモータ駆動制御装置であって、
   モータ軸に取り付けられた２つの速度センサによって９
   ０度の位相差を持つＡ・Ｂ両相の速度パルスを検出し、
   前記速度パルスの変化点（エッジ）とその時刻データを
   検出して前記速度パルスの周波数を演算する速度パルス
   の検出回路において、前記Ａ・Ｂ両相の速度パルスの組
   み合わせによる二倍高調波を利用することにより、前記
   Ａ・Ｂ両相の速度パルスのパルス幅の誤差を修正するこ
   とを特徴とする速度パルスの補正回路。
2. 【請求項２】鉄道車両のモータ駆動制御装置であって、
   モータ軸に取り付けられた２つの速度センサによって９
   ０度の位相差を持つＡ・Ｂ両相の速度パルスを検出し、
   前記速度パルスの変化点（エッジ）とその時刻データを
   検出して前記速度パルスの周波数を演算する速度パルス
   の検出回路において、前記Ａ・Ｂ両相の速度パルスの二
   倍高調波の生成手段と、前記二倍高調波のパルス幅の検
   出手段と、前記二倍高調波のパルス幅を保存する記憶手
   段を設け、速度パルスのパルス幅の誤差を修正すること
   を特徴とする速度パルスの補正回路。