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【発明の名称】 速度パルスの補正回路
【発明者】 【氏名】児島 徹郎

【氏名】作山 秀夫
【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。
【特許請求の範囲】
【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９０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。
【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９０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。
【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ΔＡｎ(ｋ)とする。同様にＢ相においてもΔＢｐ(ｋ)，ΔＢｎ(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Ｔｐｐ（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＋ΔＴ１／４Ｔ＋２ΔＴ１／４Ｔ＋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１０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。
【出願人】 【識別番号】０００００５１０８
【氏名又は名称】株式会社日立製作所
【出願日】 平成９年（１９９７）１２月１５日
【代理人】 【弁理士】
【氏名又は名称】小川 勝男
【公開番号】 特開平１１−１７４０７４
【公開日】 平成１１年（１９９９）７月２日
【出願番号】 特願平９−３４４６５１