WO2009088101A1 - 被駆動体としての制御用アクチュエータの信号状態診断装置 - Google Patents

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Hideaki Emoto
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Mitsubishi Heavy Industries, Ltd.
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    • G01R31/2829—Testing of circuits in sensor or actuator systems

Definitions

  • the present invention relates to a signal condition diagnosis apparatus for a control actuator as a driven body, and in particular, for control of a plant or equipment, fully open, fully closed, and fully open to fully closed in response to an input voltage signal. Check whether the voltage signal applied to the driven body, which is a control actuator such as a servo valve that is controlled by the opening, is correctly transmitted to the driven body, and the circuit wiring is disconnected or short-circuited.
  • the present invention relates to a signal condition diagnosis apparatus for a control actuator as a driven body, which can perform a soundness diagnosis of a circuit such as a key that has not occurred. Background art
  • Control means used to control plants and equipment include control actuators such as servo valves that are fully open, fully closed, and controlled between fully open and fully closed according to the input mj £ signal. .
  • Such a control actuator is used to give instructions to the plant or equipment (hereinafter referred to as the instruction side) in order to prevent the influence of the 3 ⁇ 4i signal on the human body or avoid the influence of noise, etc., depending on the application.
  • the transformer that supplies power is an insulation transformer, or the signal sent from the indicating side to the blunt side, the plant side
  • the control result signal sent from the transmitter to the instruction side is insulated using an insulation transformer, insulation amplifier, etc.
  • Fig. 6 and Fig. 7 show examples of control actuator drive circuits that respond to these demands, and circuits that add soundness diagnosis to those circuits.
  • the power supply circuit includes a power supply 10 0 2, a pulse generation circuit 1 0 3, an insulating transformer 1 0 4, a rectification circuit 1 0 5, a constant circuit 1 0 6, and the like.
  • 10 07 is an insulation barrier that insulates the indicator side from the plant side.
  • the actuator 13 0 is driven, for example, a 1.5 V drive voltage signal 1 3 1 is modulated into an AC signal by the modulation circuit 1 3 2, and the plant side After being amplified by the isolation transformer 1 3 3 which is a signal isolation means provided to insulate the indicator from the indicator side, it is demodulated by the demodulator circuit 1 3 4 supplied with power from the power circuit 1 0 1, Similarly, the signal conversion circuit 1 3 5 to which power is supplied from the power supply circuit 1 3 0 (hereinafter simply referred to as “actuator” or the like to be driven) is driven by 25 to 4 mA at 4 to 20 mA. May be referred to as “subject”).
  • the circuit shown in FIG. 7 which can perform the health diagnosis of the control actuator 1 30 shown in FIG. 6 is a drive voltage signal for driving the actuator 1 3 0 to be driven.
  • 1 3 1 is modulated into an AC signal by the modulation circuit 1 3 2, amplified by the isolation transformer 1 3 3, demodulated by the demodulation circuit 1 3 4, and driven by the signal conversion circuit 1 3 5
  • the voltage signal and current signal corresponding to the signal 1 3 1 are used to drive the actuator 1 3 0 to be driven.
  • the insulating transformer 10 4 the constant 1 £ circuit 1 0 6 is used to drive the actuator (driven body) 1 3 0 and to drive the signal conversion circuit, the modulation circuit, the demodulation circuit, and the like.
  • insulation means such as an insulation amplifier that includes an insulation transformer 1 3 3 that insulates the signal between the plant side and the indicator side. Insulated interface was realized. Therefore, the conventional circuit requires an isolated power supply and an isolated amplifier, which greatly increases the cost.
  • A. Signal transmission and power supply are realized by separate circuits.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Laid-Open No. 2 0 06-0 2 3 1 0 5
  • Japanese Patent Application Laid-Open No. 2 0 0 4-1 9 8 3 0 2 a check pulse signal is connected to a signal line for detecting a disconnection via an impedance element.
  • a disconnection detection circuit is illustrated in which a signal line disconnection is determined by comparing a signal obtained from the signal line and a check pulse signal.
  • Patent Document 3 Japanese Patent Application Laid-Open No. Hei 8_0 5 7 08 discloses that the management of measurement records is facilitated to improve the work efficiency when performing circuit diagnosis.
  • the measurement results of the characteristics of the electrical equipment written and stored in the non-volatile memory built into the electrical equipment to be diagnosed and the information related to the measurement or the electrical equipment Electrical circuit diagnosis method and method for diagnosing the state of electrical equipment by reading out measurement results of characteristics or information related to measurements and comparing them with the latest measurement results and information related to measurements obtained for electrical equipment An electrical circuit diagnostic device used in the method is shown.
  • Patent Document 1 and Patent Document 2 are related to wire disconnection detection, a means for applying a pulse signal and a storage device for a reference current waveform are required.
  • the electrical circuit diagnostic device requires a memory that stores the measurement results of electrical equipment characteristics and information related to the measurements, and requires a comparison means for circuit characteristics measurement and status diagnosis.
  • this is not a solution for the problems as shown in A to C above. Disclosure of the invention
  • a signal state diagnosis device for a driven body that can accurately transmit measurement results and perform circuit health diagnosis The issue is to provide.
  • a signal state diagnosis apparatus for a driven body is configured such that a driven body driving voltage signal is input via an insulating means, and the driven body is driven by driving power corresponding to the input voltage.
  • Driving and diagnosing the signal state of the driven body A signal state diagnostic device for a driven body,
  • a rectangular wave pulse voltage switching voltage swinging from 0 V to positive or negative side
  • alternating current waveform voltage swinging positive or negative
  • alternating current waveform voltage swinging positive or negative
  • alternating voltage generating means connected to a primary side
  • the driven body connected to an insulating transformer as the insulating means connected to a secondary side
  • an intermediate tap provided on the insulating transformer primary side
  • Current measuring means for measuring a primary side current that flows when a current flows through a driven body connected to the secondary side
  • an SJB circuit that corresponds to a driving state of the driven body with a current flowing through the intermediate tap.
  • the input drive of the driven body is converted to a feedback signal to the i signal, and the measured voltage is measured after the feedback.
  • the driven by the measurement result of the current measurement means and the voltage measurement means. body And performing signal condition diagnosis.
  • the change in the primary current caused by the power sent from the primary side via the transformer being consumed by the driven body connected to the secondary side is measured and the current is received.
  • a means for converting to a voltage corresponding to the driving state of the driving body and feeding back to the input driving voltage signal of the driven body is provided, and the voltage after the feedback is measured, and the measured current and voltage are used to measure the voltage.
  • the signal condition diagnosis apparatus for a driven body has a power supply having a constant voltage circuit as in the conventional apparatus, or an insulating means such as an insulation transformer on both the power supply side and the signal transmission side.
  • a control actuator such as a servo valve whose opening is controlled between fully open, fully closed and fully open to fully closed in accordance with 3 ⁇ 4 signal according to the present invention.
  • FIG. 1 is a block diagram of a circuit for driving a control actuator such as a servo valve whose opening is controlled between fully open, fully closed and fully open to fully closed in accordance with 3 ⁇ 4 signal according to the present invention.
  • FIG. 2 shows a specific circuit configuration for driving a control actuator such as the servo valve according to the present invention.
  • FIG. 3 is a graph showing the core loss characteristics (power Z temperature) with temperature in the core material of the transformer used in the present invention.
  • FIG. 4 is a diagram schematically showing a winding method of the primary coil and the secondary coil to the core of the transformer used in the present invention.
  • Fig. 5 shows the signal at each temperature by using the coil winding method to the core of the transformer used in the present invention (using the transfer characteristic coefficient at 25 ° C, and the temperature from _40 to 85 ° C) (Linear error of transfer characteristics at each temperature when changing)
  • Graph (A) showing experimental results of differences in transfer characteristics
  • table (B) showing specifications of transformer used in the experiment .
  • Fig. 6 shows the actuating actuator such as a solenoid valve that is fully open or fully closed when supplied with the 3 ⁇ 4J3E signal, or a servo valve that is controlled to open between fully open and fully closed in response to a given value. It is a block diagram of the conventional circuit for doing this.
  • FIG. 7 shows an actuator such as a solenoid valve that is fully open or fully closed when a 3 ⁇ 4J £ signal is supplied, or a servo valve that is controlled to open between fully open and fully closed in response to a given voltage. It is a block diagram of a conventional circuit for driving the. BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
  • FIG. 1 and FIG. 2 show a signal state diagnosis apparatus for a control actuator as a driven body according to the present invention from fully open to fully corresponding to the input drive voltage signal described in FIG. 6 and FIG.
  • Actuator for control such as a servo valve whose opening is controlled during closing
  • Fig. 1 A block diagram (Fig. 1) applied to Fig. 2 and a detailed circuit example (Fig. 2).
  • 2 is a pulse generating circuit
  • 3 is an insulating transformer
  • 4 is a rectifier circuit
  • 6 is a signal of a current flowing through the primary side of the insulating transformer 3
  • a broken line 7 is an insulating barrier.
  • 25 and 26 are current measuring resistors and capacitors
  • 40 is the control actuator as the driven body described above
  • 41 is the drive voltage signal for driving the control actuator 40
  • 4 2 Is the calorimeter
  • 4 3 is the current signal of the measurement result
  • 4 4 is the current signal 6, for example
  • an amplifier that converts the primary current 6 corresponding to the secondary current of the isolation transformer 3 to a voltage corresponding to overcurrent, disconnection or short-circuit, 45 is a signal for diagnosing whether mffi corresponding to the drive voltage signal 41 is a force applied to the control actuator 40 or not.
  • 4 6 is a control microcomputer that performs the functions of the adder 4 2 and amplifier 4 4 in the block diagram of FIG. 1, 4 7, 4 8 and 4 9 are FET transistors, 5 0 is an inductor, and 5 1 is a diode. is there.
  • the pulse generation circuit 2 includes a drive voltage signal that serves as a command of a current to be applied to a control actuator 40 (hereinafter, simply referred to as “target”) that is a drive target. 41 is applied, and the pulse generation circuit 2 generates a pulse having an amplitude corresponding to the drive voltage signal 41.
  • the pulse generated by this pulse generation circuit 2 is preferably a rectangular wave, but may be an alternating current consisting of a sine curve. Therefore, from the secondary side of the insulating transformer 3, the boosted voltage corresponding to the drive SJ signal 41 is output, rectified by the rectifier circuit 4, and the control actuator 40 is driven.
  • the current corresponding to the power consumed by the control actuator 40 flows to the primary side of the isolation transformer 3, it is used as the current signal 6 by the amplifier 4 4 (see FIG. 2).
  • the voltage is converted into the voltage as described in b, fed back to the drive voltage signal 41 by the adder 42, and the voltage of the feedback result is output as the applied voltage signal 45 of the isolation transformer 3.
  • the signal condition diagnosis apparatus for the control actuator (target 40) consumes electric power when current flows through the control actuator 40, and the corresponding current is supplied to the primary side of the isolation transformer 3. Measure the flow and control The current flowing through or consumed by the motor 40 and the current value are estimated, and thereby the voltage generated in the control actuator 40 to be driven is measured. Also, from this current signal 6 and the voltage signal, if the circuit is short-circuited, the J £ signal is measured as a small value, and if it is disconnected, the signal is measured as a large value. It is possible to know whether or not the connection to the device is normal, and it is possible to recognize the state including the soundness diagnosis of the connected actuator without using other insulation means.
  • FIG. 2 in which the block diagram of FIG. 1 is used as a specific circuit will be described.
  • the control actuator 40 described above is connected to the full-wave rectifier circuit 4.
  • the drive voltage signal 4 1 is input to the control microcomputer 4 6 that performs the functions of the adder 4 2 and the amplifier 4 4 in the block diagram of FIG. FET transistor 47, diode 51 and inductor 50 that output J £ corresponding to the signal £ 1 and the drive voltage signal 41 output from the FET transistor 47
  • FET transistors 4 8 and 4 9 are applied to the both ends of the primary side of the insulation transformer 3 to alternately apply the voltage from the FET transistor 4 7. It is
  • an intermediate tap is provided on the primary side of the insulation transformer 3, and the voltage is alternately printed on both ends of the wire on the primary side of the insulation transformer 3 by the FET transistors 48 and 49. Therefore, the current flowing through the circuit composed of the resistor 25 and the capacitor 26 without using the rectifier circuit is sent to the control microcomputer 46 as the current signal 6 and is output as the current signal 43.
  • the control microcomputer 46 is provided on the primary side of the insulation transformer 3, and the voltage is alternately printed on both ends of the wire on the primary side of the insulation transformer 3 by the FET transistors 48 and 49. Therefore, the current flowing through the circuit composed of the resistor 25 and the capacitor 26 without using the rectifier circuit is sent to the control microcomputer 46 as the current signal 6 and is output as the current signal 43.
  • the control microcomputer 46 receiving the drive voltage signal 41 receives a drive signal of the actuator 40 having a value corresponding to the drive voltage signal 41.
  • the PWM signal is applied to the FET transistor 47 so that For this reason, the voltage corresponding to the drive voltage signal 41 is supplied from the FET transistor 47 to the FET transistors 48 and 49 to which the pulse from the pulse generation circuit 2 is supplied. For this reason, a voltage boosted corresponding to the drive voltage signal 41 is output to the secondary side of the isolation transformer 3, and a control actuator 40 not shown in FIG. Driven.
  • the primary side current 6 flowing from the intermediate tap of the isolation transformer 3 via the resistor 25 and the capacitor 26 Is input to the control microcomputer 46, and the primary side current 6 is converted into the above-mentioned aJ and b, and added to the voltage measured via the inductor 50, and the voltage signal 45 and To do.
  • the current signal 6 on the primary side of the isolation transformer 3 becomes a current corresponding to the power consumed by the control actuator 40 when the control actuator 40 is operating normally.
  • the flffi signal 45 is the same as the drive voltage signal 41.
  • the resistance value of the control actuator 40 can be found from the current signal 6 and the SJ £ signal 45, the voltage corresponding to the failure of the circuit can be set according to b. If the signal is measured as a small value and is disconnected, the signal is measured as a large value, and overcurrent to the control actuator 40, circuit disconnection, short circuit, etc. are detected as current signal 6 and voltage signal 4 5 Can be estimated by looking at
  • the circuit health diagnosis device detects the current flowing from the signal conversion circuit 1 3 5 to the actuator 1 3 0 and the corresponding isolation transformer 1 3 8 a, 1 3 8 b Can be input to voltage Signal conversion circuit (current detection) 136a, which converts the signal (voltage detection) 136b, Modulation circuit 137a, 137b, insulation that modulates the voltage converted to current and voltage in the signal conversion circuit 136a, 136b Demodulator circuit that demodulates ⁇ transformed by transformers 138a and 138b into a current signal. Simple circuit without providing an isolation amplifier consisting of 139a, 139b, etc., and more than the conventional circuit shown in FIG. Can also be configured at low cost.
  • the signal condition diagnosis of the control actuator which is the driven body
  • the transformer that is, the power consumption caused by the operation of the driven body is generated on the primary side of the transformer.
  • the core loss characteristics (power / temperature) at temperature for example, TD K Co., Ltd .: t3 ⁇ 4 PC 44, PC47, etc.
  • the transformer was constructed using a core material called PC95 made by TDK Co., which has relatively little fluctuation in core loss over a wide temperature range.
  • the horizontal axis represents temperature (° C)
  • the vertical axis represents power (P cv unit: kW / cm 3 ).
  • the inventor of the present application provides an intermediate tap at a substantially middle portion of the primary side of the transformer, connects the current measuring means to the intermediate tap, and the power supplied to the secondary side is Changes in the primary current caused by consumption were measured, but the primary coil and the secondary coil were measured with the primary coil in the middle as shown in the schematic diagram shown in Fig. 4.
  • the first half 1 1 and the second half 1 3 are centered on the inter-tap, and the secondary coil 1 2 is sandwiched between the first half 1 1 and the second half 1 3 coils in the core 10 formed of the PC 95 described above. It was found that good signal transfer characteristics can be obtained by winding.
  • the graph in Fig. 5 (A) shows the experimental results.
  • This graph uses a core material called PC 95 of TDK Co., Ltd. as described above.
  • the primary coil is centered on the middle tap and the first half 1 1 and the second half 1 3 Dividing into two, using an isolation transformer wound around the secondary coil 1 2 with the coils of the first half 1 1 and the second half 1 3 to form a distributor isolation amplifier, the linearity and temperature drift state It is measured.
  • FIG. 5 (B) The specifications of the insulation transformer used for this measurement are shown in the table shown in Fig. 5 (B), and the measurement is 10 ppm /. This was carried out using C precision resistors.
  • the horizontal axis is the output current value of the distributor isolation amplifier, the unit is mA, and the vertical axis is the full-scale error 0 / o (4 to 2 O mA is 100%. This is a plot of the linear error of the transfer characteristic at each temperature when the temperature is changed from 40 to 85 ° C.
  • TDK Corporation For example, fc PC 4 4 and PC 4 7 core materials are used, and the primary coil is wound continuously in the first half 1 1 and the second half 1 3.
  • the linearity of soil is 0.5% or less, and it is about ⁇ 0.25% in an environment of 0 to 60 ° C.
  • linearity is within ⁇ 0.01% or less, 0.1% in an environment of 0 to 85 ° C, and 1400 to 85 ° C. In the C environment, +0.15% /-0.1%, it can be seen that both linearity and temperature drift are good.
  • the temperature characteristics can be improved and further accuracy can be improved. In this way, the signal condition diagnosis of the control actuator can be performed with high accuracy with a simple circuit configuration.
  • the signal condition diagnosis of the control actuator which has been conventionally delayed due to the increase in cost, can be performed with a simple configuration without causing an increase in the manufacturing cost due to an increase in the number of parts or a complicated circuit configuration. It can be implemented and can be easily applied to circuits where reliability is desired.

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Abstract

簡単な構成で制御用アクチュエータにおける駆動信号の状態や、配線の断線、短絡といった障害発生の信号の伝達と電力の伝達を同一の手段で行えるようにし、部品点数の増加や回路構成の複雑化などによる製造コストの増加を防ぐと共に、精度良く計測結果の伝達や回路の健全性診断を行うことができる、制御用アクチュエータの信号状態診断装置を提供するために、１次側と２次側とが絶縁された絶縁トランスを用い、２次側に接続された被駆動体に電流が流れることで流れる１次側電流を測定する電流測定手段と、該電流測定手段の測定した電流を被駆動体の駆動状態に対応した電圧に変換し、駆動電圧信号にフィードバックする手段と、駆動電圧信号に電流測定手段の測定した電流を電圧に変換した信号をフィードバックされた電圧を測定する電圧測定手段とで制御用アクチュエータの信号状態診断を行うようにした。

Description

明 細 書 被駆動体としての制御用ァクチユエータの信号状態診断装置 技術分野
本発明は、被駆動体としての制御用ァクチユエータの信号状態診断装置に関し、 特に、 プラントや機器類の制御のために、 入力した電圧信号に対応して全開、 全 閉及び全開から全閉の間に開度制御されるサーボ弁のような制御用ァクチユエ一 タである被駆動体に与える電圧信号が、 被駆動体に正確に伝達されているかの確 認と、 回路の配線に断線や短絡が生じていないカゝ、 などの回路の健全性診断とを 行うことができるようにした、 被駆動体としての制御用ァクチユエ一タの信号状 態診断装置に関するものである。 背景技術
プラントや機器類の制御に用いられる制御手段に、 入力した mj£信号に対応し て全開、 全閉及び全開から全閉の間に開度制御されるサーボ弁のような制御用ァ クチユエータがある。 このような制御用ァクチユエータは、 用途に応じて ¾i£信 号の人体に対する影響を防止したりノィズなどの影響を避けるため、 プラントや 機器類に指示を与える側 （以下指示側と称する） と、 プラントや機器類で計測や 駆動または制御を行う側 （以下プラント側と称する） とを絶縁できるよう、 電力 を供給する のトランスを絶縁トランスとしたり、 指示側からブラント側に送 る信号、 プラント側から指示側に送る制御結果の信号を、 絶縁トランス、 絶縁ァ ンプなどを用いて絶縁することが行われている。
また計装の世界では、 近年、 出力信号や回路配線の健全性、 すなわち計測や制 御手段への指示が正しく制御手段に送られている力、、 配線に断線や短絡が生じて いないか、 などを確認してシステムの信頼性を高めるため、 回路の健全性診断を 求める要求も増大している。
こういった要請に対応した制御用ァクチユエータの駆動回路、 及びその回路の 健全性診断を機能を加えた回路例が図 6、 図 7である。 両回路において 1 0 1は 電源回路で、 電源 1 0 2、 パルス発生回路 1 0 3、 絶縁トランス 1 0 4、 整流回 路 1 0 5、 定 ¾]£回路 1 0 6などで構成されている。 1 0 7は指示側とプラント 側を絶縁する絶縁バリアである。
まず、 図 6の健全性診断を行わない回路においては、 ァクチユエータ 1 3 0を 駆動する、 例えば 1 . 5 Vの駆動電圧信号 1 3 1が変調回路 1 3 2で交流信号に 変調され、 プラント側と指示側とを絶縁するために設けられている信号絶縁手段 たる絶縁トランス 1 3 3で増幅された後、 電源回路 1 0 1から電力を供給されて いる復調回路 1 3 4で復調されて、 同じく電源回路から電力を供給されている信 号変換回路 1 3 5によって、 例えば 2 5 Vで 4〜2 0 m Aの駆動電力が駆動対象 たるァクチユエータなどの駆動対象 1 3 0 (以下、 単に 「対象」 と称することが ある） に供給される。
し力 し、 この図 6に示した回路では、 どんな電圧、 電流の信号が駆動対象たる ァクチユエータ 1 3 0に出力されているかを知ることができず、 また、 信号を絶 縁してァクチユエータ 1 3 0へ送出してはいるが、 ァクチユエータ 1 3 0が正常 に動作しているか、 ァクチユエータ 1 3 0への配線が断線や短絡して信号が伝わ つていないか、 などはわからない。
この図 6に示した制御用ァクチユエータ 1 3 0の駆動回路に対し、 該回路の健 全性診断を行えるようにした図 7の回路は、 駆動対象たるァクチユエータ 1 3 0 の駆動用の駆動電圧信号 1 3 1が前記図 6と同様、 変調回路 1 3 2で交流信号に 変調され、 絶縁トランス 1 3 3で増幅されて復調回路 1 3 4で復調され、 信号変 換回路 1 3 5によって駆動電圧信号 1 3 1に対応した電圧信号、 電流信号とされ て駆動対象たるァクチユエータ 1 3 0が駆動される。
そしてこの駆動対象たるァクチユエータ 1 3 0の動作を確認するため、 電源回 路 1 0 1から電力の供給を受け、 信号変換回路 1 3 5からァクチユエータ 1 3 0 に流れる電流と mi£を検知し、 それぞれに対応した絶縁トランス 1 3 8 a、 1 3 8 bに入力できるよう交流信号に変換するため、 信号変換回路 （電流検知） 1 3 6 a、 （電圧検知） 1 3 6 b、 その信号変換回路 1 3 6 a、 1 3 6 bで電流、電圧 に変換された ®Ιを変調する変調回路 1 3 7 a、 1 3 7 bが設けられ、 さらに、 絶縁トランス 1 3 8 a、 1 3 8 bで変圧された電圧を電流信号、 電圧信号に復調 する復調回路 1 3 9 a、 1 3 9 bなどが設けられて、 ァクチユエータ 1 3 0に電 流が流れているか、 加えられる電圧がァクチユエータ 1 3 0の動作に応じた ®j£ となっているか、 などによって指示通り動作しているか、 配線に断線や短絡が生 じていないかなどが判断される。
このように従来の回路では、ァクチユエータ（被駆動体） 1 3 0を駆動したり、 信号変換回路、 変調回路、 復調回路などを駆動するため、 絶縁トランス 1 0 4、 定 ¾1£回路 1 0 6を含む絶縁電源 1 0 1と、 信号をプラント側と指示側で絶縁す るための絶縁トランス 1 3 3を含んで構成される絶縁アンプなどの絶縁手段とが 用いられ、 指示側とプラント側の絶縁インターフェイスを実現していた。 そのた め従来の回路では、 絶縁電源、 絶縁アンプが必要であり、 大きなコストアップに なっている。
また、 プラントや機器類の制御に用いる電圧信号が正確に伝達されているかの 確認と、 回路の配線に断線や短絡が生じていないか、 などの健全性診断を行う場 合、 プラント側と指示側とで信号のやりとりを行うため、 さらに絶縁アンプが必 要となって大きなコストが必要になるため、 費用がかかっても信頼性確認をでき るようにしてほしい、 という要望のある特別なものにしか適用できなかつた。 そのため従来のプラントや機器類の制御のために用いる電圧信号が被駆動体で ある制御用ァクチユエータに正確に伝達されているかの確認と、 回路の配線に断 線や短絡が生じていないか、 などの健全性診断とを行う場合、
A. 信号の伝達と電力の供給を別々の回路で実現している。
B . 直流信号を絶縁トランスで伝達するため、 変調と復調が必要である。
C . 信号伝達を電圧でおこなうため、 電流信号を電圧信号に変換する必要が ある。
という問題がある。 そのため、 上記 Aの問題により絶縁回路が電源側と信号伝達 側両方に必要となり、 上記 Bの問題によつて信号伝達側に変調回路、 復調回路が 必要となり、 上記 Cの問題によつて信号変換回路が必要となる。
電線の断線を検出する技術については、例えば特許文献 1 (特開 2 0 0 6— 0 2 3 1 0 5号公報)に電線にパルス信号を印加し、そのとき電線に流れる電流を計測 して電流波形を参照用の電流波形と比較し、 その波形差から断線を検出するよう にした電線の断線検出方法が示され、 特許文献 2 (特開 2 0 0 4— 1 9 8 3 0 2 号公報） には、 断線を検知する信号線にチェック用パルス信号をインピーダンス 素子を介して印加し、 信号線から得られる信号とチェック用パルス信号とを比較 して、 信号線の断線を判定するようにした断線検知回路が示されている。
また電気回路の診断については、 例えば特許文献 3 (特開平 8 _ 0 0 5 7 0 8 号公報） に、 測定記録の管理を容易にして回路診断を行う際の作業効率を向上さ せ、 さらに人為的な誤りが介入する余地を小さくするため、 診断対象となる電気 機器に組み込まれた不揮発性メモリに書き込み保存した電気機器の特性の測定結 果、 および測定に関連する情報、 あるいは電気機器の特性の測定結果または測定 に関連する情報を読み出し、 電気機器について得られた最新の測定結果や測定に 関連する情報と比較することで、 電気機器の状態を診断するようにした電気回路 診断方法およびその方法に使用する電気回路診断装置が示されている。
しかしながらこれら特許文献 1、 特許文献 2に示された技術は電線の断線検出 に関するものではあるが、 パルス信号の印加手段や参照用電流波形の記憶装置な どが必要であり、 特許文献 3に示された、 電気回路診断装置は電気機器の特性の 測定結果、 および測定に関連する情報を記憶したメモリが必要であると共に、 回 路の特性測定と状態診断のための比較手段などが必要で複雑な構成であり、 前記 した A〜Cに示したような問題点の解決方法とはならない。 発明の開示
そのため本発明においては、 簡単な構成で被駆動体である制御用ァクチユエ一 タに与える駆動信号の状態や、 配線の断線、 短絡といった障害発生の信号の伝達 と電力の伝達を同一の手段で行えるようにし、 部品点数の増加や回路構成の複雑 化などによる製造コストの增加を防ぐと共に、 精度良く計測結果の伝達や回路の 健全性診断を行うことができる、 被駆動体の信号状態診断装置を提供することが 課題である。
上記課題を解決するため本発明になる被駆動体の信号状態診断装置は、 被駆動体駆動電圧信号が絶縁手段を介して入力され、 入力された電圧に対応し た駆動電力により被駆動体を駆動すると共に、 前記被駆動体の信号状態を診断す る被駆動体の信号状態診断装置であって、
前記被駆動体駆動 miE信号が入力されて入力された電圧に対応した振幅の矩形 波状のパルス電圧 （ 0 V〜正若しくは負側に振れるスィッチングパルス電圧） 及 ぴ交流 （正負に振れる波形電圧） を含む交番電圧発生手段が 1次側に、 前記被駆 動体が 2次側に接続された前記絶縁手段としての絶縁トランスと、 該絶縁トラン ス 1次側に設けられた中間タップに接続され、 前記 2次側に接続された被駆動体 に電流が流れることで流れる 1次側電流を測定する電流測定手段と、 前記中間タ ップに流れる電流を前記被駆動体の駆動状態に対応した SJBこ変換し、 前記被駆 動体の入力駆動 ¾i£信号にフィードバックする手段と、 該フィードバック後の電 圧を測定する ¾J£測定手段とからなり、 前記電流測定手段と電圧測定手段の測定 結果で被駆動体の信号状態診断を行うことを特徴とする。
このようにトランスを介して 1次側から送られる電力が、 2次側に接続された 被駆動体によつて消費されることで生じる 1次側電流の変化を測定すると共に、 その電流を被駆動体の駆動状態に対応した電圧に変換し、 被駆動体の入力駆動電 圧信号にフィードバックする手段を設け、 そのフィードバック後の電圧を測定し て、それら測定した電流と電圧とによつて被駆動体の信号状態診断を行うことで、 従来装置のように被駆動体毎に電源や絶縁トランスなどの絶縁手段、 信号変換回 路ゃ復調回路などを設ける必要が無く、 非常に簡単な構成で、 部品点数の増加や 回路構成の複雑ィ匕などによる製造コストの増加を防ぐと共に、 精度良く計測結果 の伝達や回路の健全性診断を行うことができる、 被駆動体の信号状態診断装置と することができる。
以上記載のごとく本発明になる被駆動体の信号状態診断装置は、 従来装置のよ うに定電圧回路を有した電源や、 電源側と信号伝達側両方に絶縁トランスなどの 絶縁手段を設けたり、 信号変換回路や変調回路、 復調回路などを設ける必要が無 く、 非常に簡単な構成で、 部品点数の増加や回路構成の複雑ィ匕などによる製造コ ストの增加を防ぐと共に、 精度良く計測結果の伝達や回路の健全性診断を行うこ とができる。 図面の簡単な説明 第 1図は、 本発明により、 ¾i£信号の に対応して全開、 全閉及ぴ全開から 全閉の間に開度制御されるサーボ弁のような制御用ァクチユエータを駆動する回 路のブ口ック図である。
第 2図は、 本発明により前記サーボ弁のような制御用ァクチユエータを駆動す る具体的回路構成である。
第 3図は、 本発明に用いるトランスのコア材料における温度によるコアロスの 特性 （電力 Z温度） を示したグラフ図である。
第 4図は、 本発明に用いるトランスのコアへの 1次コイルと 2次コイルの卷回 方法を模式的に示した図である。
第 5図は、 本発明に用いるトランスのコアへのコイルの卷回方法による各温度 における信号 （2 5 °Cにおける伝達特性係数を用レ、、 温度を _ 4 0〜十 8 5 °Cに 変化させたときの各温度における伝達特性の直線誤差） 伝達特性の違いの実験結 果を示したグラフ （A) と、その実験に用いたトランスの諸元を示した表図 （B) である。
第 6図は、 ¾J3E信号を供給されて全開または全閉となる電磁弁、 または与えら れた に対応して全開から全閉の間に開度制御されるサーボ弁のようなァクチ ユエータを駆動するための従来回路のプロック図である。
第 7図は、 ¾J£信号を供給されて全開または全閉となる電磁弁、 または与えら れた電圧に対応して全開から全閉の間に開度制御されるサーボ弁のようなァクチ ユエータを駆動するための従来回路のブロック図である。 発明を実施するための最良の形態
以下、 図面を参照して本発明の好適な実施例を例示的に詳しく説明する。 但し この実施例に記載されている構成部品の寸法、 材質、 形状、 その相対的配置等は 特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、 単なる説明例に過ぎない。
図 1、 図 2は、 本発明になる被駆動体としての制御用ァクチユエータの信号状 態診断装置を、 前記図 6、 図 7で説明した、 入力した駆動電圧信号に対応して全 開から全閉の間に開度制御されるサーボ弁のような制御用ァクチユエータの駆動 に適用したブロック図 （図 1 ) と、 詳細回路例 （図 2 ) である。 図中 2はパルス 発生回路、 3は絶縁トランス、 4は整流回路、 6は絶縁トランス 3の 1次側を流 れる電流の信号、 7の破線は絶縁バリアである。 また、 2 5、 2 6は電流測定用 の抵抗とコンデンサ、 4 0は上記した被駆動体としての制御用ァクチユエータ、 4 1はこの制御用ァクチユエータ 4 0を駆動するための駆動電圧信号、 4 2はカロ 算器、 4 3は測定結果の電流信号、 4 4は電流信号 6を、 例えば、
a . 制御用ァクチユエータ 4 0が正常動作している時は 0 Vに、
b . 過電流が流れたり回路が断線、 短絡した場合、 絶縁トランス 3の 2次側 電流に対応した 1次側電流 6を、 過電流や断線、 短絡に対応した電圧に、 それぞれ変換するアンプ、 4 5は駆動電圧信号 4 1に対応した mffiが制御用ァク チユエータ 4 0に印加されている力、否かを診断するための 信号である。また、 4 6は図 1のブロック図における加算器 4 2とアンプ 4 4の機能を行わせる制御 用マイコン、 4 7、 4 8、 4 9は F E Tトランジスタ、 5 0はインダクタ、 5 1 はダイォードである。
まず図 1に示したブロック図において、 パルス発生回路 2には、 駆動対象たる 制御用ァクチユエータ 4 0 (以下、 単に 「対象」 と称することがある） に印加す べき電流の指令となる駆動電圧信号 4 1が印加され、 パルス発生回路 2は、 その 駆動電圧信号 4 1に対応した振幅のパルスを発生する。 このパルス発生回路 2が 発生するパルスは、 矩形波が好ましいがサインカーブからなる交流であっても良 レ、。 そのため、 絶縁トランス 3の 2次側からは、 この駆動 SJ£信号 4 1に対応し て昇圧された ®£が出力されて整流回路 4で整流され、 制御用ァクチユエータ 4 0が駆動される。 そしてそのとき、 制御用ァクチユエータ 4 0で消費された電力 に対応した電流が絶縁トランス 3の 1次側に流れるから、 それを電流信号 6とし てアンプ 4 4 (図 2参照） により、 前記 a、 bに記したような電圧に変換し、 加 算器 4 2によって駆動電圧信号 4 1にフィードバックし、 そのフィードバック結 果の電圧を絶縁トランス 3の印加電圧信号 4 5として出力する。
すなわち本発明になる制御用ァクチユエータ （対象 4 0 ) の信号状態診断装置 は、 制御用ァクチユエータ 4 0に電流が流れることで電力が消費され、 それに対 応した電流が絶縁トランス 3の 1次側に流れるのを計測し、 制御用ァクチユエ一 タ 4 0に流れる、 または消費される電流と ¾]£とを推定して、 それによつて駆動 対象たる制御用ァクチユエータ 4 0に発生する電圧を計測するようにしたもので ある。 また、 この電流信号 6と電圧信号とから、 回路が短絡した場合には «J£信 号が小さな値として計測され、 断線した場合には 信号が大きな値として計測 されるから^、 ァクチユエータ 4 0への接続が正常であるかどうかを知ることが でき、 他の絶縁手段を用いることなく、 接続されたァクチユエータの健全性診断 を含む状態を認識することができる。
次に図 1のプロック図を具体的回路とした図 2を説明すると、 絶縁トランス 3 の 2次側には、 全波整流回路 4に前記した制御用ァクチユエータ 4 0が接続され る。また、絶縁トランス 3の 1次側には、図 1のブロック図における加算器 4 2、 アンプ 4 4の機能を行わせる制御用マイコン 4 6に駆動電圧信号 4 1が入力され て、 電源 V c cを供給されて駆動 ¾j£信号 4 1に対応した ®J£を出力する F E T トランジスタ 4 7、 ダイオード 5 1及びィンダクタ 5 0、 その F E Tトランジス タ 4 7から出力される駆動電圧信号 4 1に対応した ®£が加えられ、 パルス発生 回路 2によって駆動されて、 絶縁トランス 3の 1次側卷線の両端に F E Tトラン ジスタ 4 7からの電圧を交互に加えるための F E Tトランジスタ 4 8、 4 9が設 けられている。
また、 絶縁トランス 3の 1次側には中間タップが設けられ、 F E Tトランジス タ 4 8、 4 9によって絶縁トランス 3の 1次側における卷線の両端に交互に電圧 が印カ卩されていることで、 整流回路を用いずに抵抗 2 5、 コンデンサ 2 6で構成 される回路に電流が流れる力 その電流を電流信号 6として制御用マイコン 4 6 に送り、 電流信号 4 3として出力すると共に、 前記したように例えば、
a . 制御用ァクチユエータ 4 0が正常動作している時は 0 Vに
b . 過電流が流れたり回路が断線、 短絡した場合、 絶縁トランス 3の 2次側 電流に対応した 1次側電流 6を、 過電流や断線、 短絡に対応した電圧に それぞれ変換して駆動電圧信号 4 1にフィードバックした結果を ®JE信号 4 3と し、 これらを電流信号 4 3、 電圧信号 4 5として出力する。
このように構成した回路において、 駆動電圧信号 4 1が入力された制御用マイ コン 4 6からは、 駆動電圧信号 4 1に相当する値のァクチユエータ 4 0の駆動信 号となるよう、 PWM信号が F E Tトランジスタ 4 7に印加される。 そのため F E Tトランジスタ 4 7からは駆動電圧信号 4 1に対応した電圧が、 パルス発生回 路 2からのパルスが供給されている F E Tトランジスタ 4 8、 4 9にカ卩えられる。 そのため絶縁トランス 3の 2次側には駆動電圧信号 4 1に対応して昇圧された電 圧が出力され、 整流回路 4を介してこの図 2には図示していない制御用ァクチュ エータ 4 0が駆動される。
そして制御用ァクチユエータ 4 0に流れた電流に対応した電流が絶縁トランス 3の 1次側に流れるから、 絶縁トランス 3の中間タップから抵抗 2 5、 コンデン サ 2 6を介して流れる 1次側電流 6を制御用マイコン 4 6に入力し、 その 1次側 電流 6を前記した a、 bの ®J£に変換して、 インダクタ 5 0を介して測定される 電圧に加算して電圧信号 4 5とする。
すなわちこの絶縁トランス 3の 1次側の電流信号 6は、 制御用ァクチユエータ 4 0が正常動作している場合、 制御用ァクチユエータ 4 0が消費した電力に対応 した電流となるから、 制御用マイコン 4 6によりこの電流信号 6を前記 aに従つ て 0 Vの電圧とすることで、 flffi信号 4 5は駆動電圧信号 4 1と同じ が出力 される。 そして測定した flffi信号 4 5、 電流信号 6を見ることで駆動対象たる制 御用ァクチユエータ 4 0に発生する ®ϊを計測することができるので、 制御用ァ クチユエータ 4 0が正常動作しているかどうかがわかる。 また、 この電流信号 6 と SJ£信号 4 5とから制御用ァクチユエータ 4 0の抵抗値がわかるから、 bに従 つて回路の故障に対応した電圧とすることで、 回路が短絡した場合には電圧信号 が小さな値として計測され、 断線した場合には 信号が大きな値として計測さ れて、 制御用ァクチユエータ 4 0への過電流や回路の断線、 短絡などを、 電流信 号 6、 電圧信号 4 5を見ることで推定することができる。
従って、 前記図 6、 図 7に示した変調回路 1 3 2、 信号絶縁用の絶縁トランス 1 3 3、 復調回路 1 3 4、 信号変換回路 1 3 5などを設けることなく、 精度良く アナ口グ信号である制御用ァクチユエータ 4 0に流れた電流、 電圧を指示側に伝 える駆動回路とすることができる。 また、 回路の健全性診断装置も前記図 7のよ うに、 信号変換回路 1 3 5からァクチユエータ 1 3 0に流れる電流と を検知 し、 それぞれに対応した絶縁トランス 1 3 8 a、 1 3 8 bに入力できるよう電圧 信号に変換する信号変換回路（電流検知） 136 a、 （電圧検知） 136 b、 その 信号変換回路 136 a、 136 bで電流、 電圧に変換された電圧を変調する変調 回路 137 a、 137b、 絶縁トランス 138 a、 138 bで変圧された ¾ΙΕを 電流信号に復調する復調回路 139 a、 139 bなどからなる絶縁アンプを設け ることなく、 簡単な回路で、 しかも従来の図 6に示した回路よりも安価に構成す ることができる。
なお、 このように定電圧回路を設けない電源を用い、 トランスを介して被駆動 体たる制御用ァクチユエータの信号状態診断、 すなわち被駆動体の動作で生じる 電力の消費がトランス 1次側に発生させる電流の変化を測定し、 それによつて被 駆動体の状態を推定する場合、 被駆動体たる制御用ァクチユエータ 40に流れた 電流計測のためには精度が問題となる。 特にこの回路方式の場合、 伝達されるェ ネルギに対して絶縁トランス 3で損失されるロスが誤差として発生する。 しかし ながらこういった信号の伝達における誤差が、 要求された精度に許容される誤差 範囲以下であれば問題はないから、 例えば 0. 2%から0. 25%程度の精度で 良い場合は通常のトランスを用いることも可能である。
また、 それ以上の精度、 例えば 0. 1%以下の精度が要求される場合、 最も問 題となるのはトランスの温度によるコアロス変化であるが、 例えばこのコアロス が温度に対してほぼ一定であれば測定結果をその分加味して判断すればよく、 精 度を保った測定やアナログ信号の伝達が可能となる。そのため本発明においては、 図 3に温度におけるコアロスの特性 （電力/温度） を示したように、 例えば TD K株式会ネ： t¾の PC 44、 PC47といった通常 100 °C前後にピーク特性を持 つコア材料に対し、 ピーク特性はこの PC44、 PC47より劣るが、 広い温度 範囲でコアロス変動が比較的少ない、 やはり TDK株式会社製の PC 95と称す るコァ材料を用いてトランスを構成した。なお、この図 3におレ、て横軸は温度 (°C)、 縦軸は電力 （P c v単位： kW/cm3) である。 このようにすることで、 簡単 な回路構成で、 精度良く被駆動体としての制御用ァクチユエータの信号状態診断 装置を提供することができる。
さらに本願発明者は、 このトランスの 1次側卷線における略中間部に中間タッ プを設け、 電流測定手段をこの中間タップに接続して、 2次側に供給する電力が 消費されることで生じる 1次側電流の変化を測定するようにしたが、 これら 1次 側のコイルと 2次側のコイルを図 4に示した模式図のように、 1次側コイルを中 間タップを中心に前半 1 1と後半 1 3の 2つに分け、 前記した P C 9 5で形成し たコア 1 0に前半 1 1と後半 1 3のコイルで 2次側コイル 1 2を挟むようにして 卷回することで、 良好な信号伝達特性が得られることを見いだした。
その場合の実験結果を示したのが図 5 (A) のグラフである。 このグラフは上 記したように T D K株式会ネ： t¾の P C 9 5と称するコア材料を用い、 図 3に示し たように 1次側コイルを中間タップを中心に前半 1 1と後半 1 3の 2つに分けて、 前半 1 1と後半 1 3のコイルで 2次側コイル 1 2を挟むようにして卷回した絶縁 トランスを用い、 ディストリビュータアイソレーションアンプを構成して、 直線 性と温度ドリフトの状態を計測したものである。
なお、 この計測に用いた絶縁トランスの諸元は図 5 ( B ) に示した表の通りで あり、 計測は、 1 0 p p m/。Cの精密抵抗を用いて実施した。 図 5 (A) のダラ フは、 横軸がデイストリビュータァイソレーシヨンアンプの出力電流値で単位が mA、 縦軸がフルスケール誤差0 /o ( 4〜2 O mAを 1 0 0 %とする） であり、 2 5でにおける伝達特性係数を用レ、、 温度を一 4 0〜十 8 5 °Cに変化させたときの 各温度における伝達特性の直線誤差をプロットしたものである。
従来用いられていた、 例えば T D K株式会ネ: fc の P C 4 4、 P C 4 7と称する コア材料を用い、 1次側コイルを前半 1 1と後半 1 3とも連続して卷回し、 その 上に 2次側コイル 1 2を卷レ、た場合は、 直線性土 0 . 0 5 %以下、 0〜 6 0 °Cの 環境で ± 0 . 2 5 %程度であるが、 この図 5 (A) のグラフからわかるとおり、 絶縁トランスを上記したように構成することで、 直線性 ± 0 . 0 1 %以下、 0〜 8 5 °Cの環境で士 0 . 1 %、 一 4 0〜 8 5 °Cの環境で + 0 . 1 5 %/- 0 . 1 % と、 直線性、 温度ドリフト共に良好な結果が得られることがわかる。 なお、 絶縁 トランスの形状や大きさを工夫し、 コイル卷き数を增加させるなどにより、 温度 特性の向上を始め、 さらなる高精度化が可能と考えられる。 このようにすること で、 簡単な回路構成で、 精度良く制御用ァクチユエータの信号状態診断を行うこ とができる。 産業上の利用可能性
本発明によれば、 従来はコスト増加で見送られていた制御用ァクチユエータの 信号状態診断を、 簡単な構成で、 部品点数の増加や回路構成の複雑ィ匕などによる 製造コストの増加を招くことなく実施でき、 信頼性の確保が望まれる回路に容易 に適用することができる。

Claims

請 求 の 範 囲
1 · 被駆動体駆動 ¾J£信号が絶縁手段を介して入力され、 入力された電圧に対 応した駆動電力により被駆動体を駆動すると共に、 前記被駆動体の信号状態を診 断する被駆動体の信号状態診断装置であって、
前記被駆動体駆動 mj£信号が入力されて入力された電圧に対応した振幅の矩形 波状のパルス電圧及び交流を含む交番電圧発生手段が 1次側に、 前記被駆動体が 2次側に接続された前記絶縁手段としての絶縁トランスと、 該絶縁トランス 1次 側に設けられた中間タップに接続され、 前記 2次側に接続された被駆動体に電流 が流れることで流れる 1次側電流を測定する電流測定手段と、 前記中間タップに 流れる電流を前記被駆動体の駆動状態に対応した電圧に変換し、 前記被駆動体の 入力駆動電圧信号にフィードバックする手段と、 該フィードバック後の電圧を測 定する Si£測定手段とカゝらなり、 前記電流測定手段と電圧測定手段の測定結果で 被駆動体の信号状態診断を行うことを特徴とする被駆動体の信号状態診断装置。
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