(57)【要約】  【課題】簡易かつ安価な構成で信号発生手段の出力信号の周波数特性を補正し、極低速域まで安定して回転速度を検出可能とした回転速度検出装置を提供する。  【解決手段】回転体の回転に同期してその回転数に比例した周波数の信号を出力する信号発生手段を備え、この信号発生手段の出力信号を用いて回転体の回転数を検出する回転速度検出装置に関する。周波数に応じて振幅が変化する信号発生器１の出力信号が入力され、回転体の検出するべき速度範囲にわたり、信号発生器１の出力信号の振幅が所定範囲に収まるような入出力ゲイン特性により信号発生器１の出力信号を補正する信号補正回路２を備える。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転体の回転に同期してその回転数に比例した周波数の信号を出力する信号発生手段を備え、この信号発生手段の出力信号を用いて前記回転体の回転数を検出する回転速度検出装置において、
周波数に応じて振幅が変化する前記信号発生手段の出力信号が入力され、前記回転体の検出するべき速度範囲にわたり、前記信号発生手段の出力信号の振幅が所定範囲に収まるような入出力ゲイン特性により前記信号発生手段の出力信号を補正する信号補正手段を備えたことを特徴とする回転速度検出装置。
【請求項２】
請求項１に記載した回転速度検出装置において、
前記信号補正手段は、前記信号発生手段の出力信号の振幅がほぼ一定値になるような入出力ゲイン特性により前記出力信号を補正することを特徴とする回転速度検出装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載した回転速度検出装置において、
前記信号補正手段は、前記回転体の検出するべき速度範囲外に相当する前記信号発生手段の出力信号に対して、極低速域では所定のゲイン特性となり高速域では積分特性となる入出力ゲイン特性を有することを特徴とする回転速度検出装置。
【請求項４】
請求項１〜３の何れか１項に記載した回転速度検出装置において、
前記信号発生手段の出力信号の振幅が最小値と最大値との間でばらつきを生じる場合に、前記振幅が最小になる極低速時のゲインを優先して前記信号補正手段に設定すると共に、前記振幅が最大になる高速時には、必要に応じて前記信号補正手段の出力信号をクランプすることを特徴とする回転速度検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転体の回転数を検出して回転速度を検出する回転速度検出装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
回転体の回転数を検出して回転速度を検出する手段は、鉄道車両等の車輪により移動するシステムに従来から使用されている。また、一般に回転体の回転数を検出する手段としては信号発生器が用いられるが、特に鉄道車両においては、信号発生器として、電源を必要としない速度発電機が広く用いられている。ここで、速度発電機は一般的な交流発電機と同様の構造を有しており、通常、車軸端に装着され、車輪の回転により回転子が駆動されることで車輪の回転数に比例した周波数の交流を固定子から出力するものである。
【０００３】
しかし、速度発電機の出力電圧の振幅は、構成上、回転数に依存し、回転数が小さい場合には出力電圧の振幅が小さく、回転数が大きい場合には出力電圧の振幅が大きくなり、ある程度の大きさになると飽和してしまう特性を持っている。
なお、図９は、速度発電機の出力電圧特性の模式図を示しており、横軸は回転数に比例した周波数ｆ、縦軸は出力電圧の振幅Ｖｐｐである。
このように、速度発電機の出力電圧は周波数特性を有しているため、低速時には出力電圧の振幅Ｖｐｐが小さくなり、回転数を正確に検出できなくなるといった問題がある。
【０００４】
この問題を解決する方法として、後述する特許文献１に記載された従来技術が存在する。
図１０は、特許文献１の図７に記載された速度検出方式のブロック図である。この図１０において、交流信号Ｅｓｇ１，Ｅｓｇ２は、図示されていない速度発電機からの出力信号を、高域のノイズを除去するためのローパスフィルタを通した後に、Ａ／Ｄ変換器によりディジタル値に変換した正弦波信号である。これらの正弦波信号Ｅｓｇ１，Ｅｓｇ２は互いに９０°位相のずれた信号であり、簡単のために、Ｅｓｇ１をｓｉｎ波、Ｅｓｇ２をｃｏｓ波とする。
【０００５】
正弦波信号Ｅｓｇ１，Ｅｓｇ２と関数発生器１０５により生成された正弦波信号ＥＲ１，ＥＲ２とは、乗算器１０１ａ，１０１ｂに入力され、乗算器１０１ａによりＥｓｇ１とＥＲ１との積が、乗算器１０１ｂによりＥｓｇ２とＥＲ２との積がそれぞれ演算される。これらの演算結果は、加算器１０２に図示の符号で入力され、両者の差が位相差検出出力ｅＶとして算出される。
すなわち、乗算器１０１ａ，１０１ｂ及び加算器１０２が位相差検出手段を構成している。
【０００６】
ここで、正弦波信号Ｅｓｇ１＝ｓｉｎαと表すと、Ｅｓｇ１，Ｅｓｇ２の位相関係から、Ｅｓｇ２＝ｃｏｓαと表すことができる。
一方、関数発生器１０５から出力される正弦波信号をＥｒ１＝ｃｏｓβ，Ｅｒ２＝ｓｉｎβとすると、乗算器１０１ａ，１０１ｂによる演算結果は、数式１，数式２で表される。
【０００７】
【数１】
2006029889.tif 000003
【０００８】
【数２】
2006029889.tif 000004
【０００９】
従って、加算器１０２からの出力ｅＶは数式３により表され、入力信号（正弦波信号Ｅｓｇ１，Ｅｓｇ２）の位相αと関数発生器１０５の出力信号（Ｅｒ１，Ｅｒ２）の位相βとの位相差Δθ＝α−βに依存した正弦波信号となる。
【００１０】
【数３】
2006029889.tif 000005
【００１１】
数式３より、位相差Δθ＝０のとき、ｅＶ＝０となるので、ｅＶ＝０になるように関数発生器１０５の出力信号の位相βを制御すれば、関数発生器１０５の出力信号を速度発電機の出力信号に同期させることができる。
よって、速度発電機の出力信号の代わりに関数発生器１０５の出力信号を回転体の回転数に比例した周波数信号として用いることができる。この制御は、いわゆるＰＬＬ（位相同期ループ）の原理を用いている。
このような構成により、速度発電機の出力信号に同期した正確な正弦波信号が関数発生器１０５から得られるので、この信号を回転角情報として利用することで、低速時の回転速度検出やより正確な回転速度検出が可能となる。
【００１２】
なお、図１０において、１０３はディジタルフィルタであり、加算器１０２の出力ｅＶに基づいて位相角（積算走行距離に比例する信号）を出力する。１０４はディジタルフィルタ１０３の出力信号に係数を乗じて回転体の回転角を演算する係数器であり、この回転角が前記βに相当する。
【００１３】
【特許文献１】特開平１１−４５８８号公報（段落［００１７］〜［００２３］、図７）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
上述した特許文献１の従来技術によれば、速度発電機の出力信号の周波数特性を補正して低速時の回転速度検出や一層正確な回転速度検出が一応可能になるが、以下のような問題がある。
（１）速度発電機から出力される二つの正弦波信号の位相差が９０°になっていない場合には、回転速度を正確に検出することができない。特に、二つの信号の位相差が６０〜１２０°と広範囲になるような速度発電機を使用する鉄道車両分野での適用が困難である。
（２）一方の速度発電機の正弦波信号が異常となった場合に、正しい回転速度を検出することができない。
（３）速度発電機の出力信号をＡ／Ｄ変換器によりディジタル化し、更に関数発生器を用いて位相同期ループを構成しているため、回路構成が複雑となり、かつ、高価となる。
【００１５】
そこで、本発明の解決課題は、簡易かつ安価な構成で速度発電機等の信号発生手段の出力信号の周波数特性を補正することにより、極低速域まで安定して回転速度を検出可能とした回転速度検出装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記の課題を解決するため、請求項１に記載した発明は、回転体の回転に同期してその回転数に比例した周波数の信号を出力する信号発生手段を備え、この信号発生手段の出力信号を用いて回転体の回転数を検出する回転速度検出装置において、
周波数に応じて振幅が変化する信号発生手段の出力信号が入力され、回転体の検出するべき速度範囲にわたり、信号発生手段の出力信号の振幅が所定範囲に収まるような入出力ゲイン特性により信号発生手段の出力信号を補正する信号補正手段を備えたものである。
【００１７】
請求項２に記載した発明は、請求項１において、信号補正手段は、信号発生手段の出力信号の振幅がほぼ一定値になるような入出力ゲイン特性により前記出力信号を補正するものである。
【００１８】
請求項３に記載した発明は、請求項１または２において、信号補正手段は、回転体の検出するべき速度範囲外に相当する信号発生手段の出力信号に対して、極低速域では所定のゲイン特性となり高速域では積分特性となる入出力ゲイン特性を有するものである。
【００１９】
請求項４に記載した発明は、請求項１〜３の何れか１項において、信号発生手段の出力信号の振幅が最小値と最大値との間でばらつきを生じる場合に、前記振幅が最小になる極低速時を優先して信号補正手段のゲインを設定すると共に、前記振幅が最大になる高速時には、必要に応じて信号補正手段の出力信号をクランプするものである。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、比較的簡易な構成で速度発電機等の信号発生手段の出力信号の周波数特性を補正することができ、結果として、回転体の回転速度を極低速域まで安定して検出可能な低コストの回転速度検出装置を実現することができる。
特に、従来技術のように二つの正弦波信号を用いて回転速度を検出する原理に依らないため、例えば鉄道車両分野における車両速度の検出に最適である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
まず、図１は請求項１〜３に相当する本発明の第１実施形態を示すブロック図である。
図１において、信号発生器１は回転体の回転数に比例した周波数の信号を発生するためのものであり、例えば鉄道車両等の車軸端に設置される速度発電機等である。この信号発生器１から出力される周波数信号は後述する信号補正回路２により補正されて波形整形回路３に入力され、方形波信号に変換される。速度演算回路４では、この入力信号をカウントすることにより回転体の回転速度を演算するように構成されている。
【００２２】
ここで、信号発生器１として、例えば速度発電機を用いた場合には、その出力信号は前述した図９のような周波数特性を有しているため、極低速域では信号発生器１の出力信号の振幅が微少となり、正しい回転速度演算を行えない可能性がある。
このため、本実施形態では、所定の入出力ゲイン特性を有する上記信号補正回路２により、信号発生器１の出力信号の周波数特性を補正するようにしたものである。
【００２３】
上記信号補正回路２の入出力ゲイン特性としては、補正後の出力信号の振幅が検出すべき速度範囲で設定した許容範囲に収まるように、例えば、図２（ｂ）に示すように低周波領域ではゲインを大きくし、周波数が高くなるに従い減少して一定値に収束するようなゲイン特性とする。
図２（ｂ），（ｃ）では、説明を簡単にするため、信号補正回路２による補正後の出力信号の振幅が一定値となるようなゲイン特性を示したが、検出すべき速度範囲において、設定した許容振幅範囲内に収まるようなゲイン特性とすればよい。
【００２４】
また、信号補正回路２の入出力ゲイン特性を、図３に示すように、速度検出範囲外の極低速度範囲（図３（ｂ）の範囲Ａ）では、一定のゲイン特性となり、回転速度検出範囲外の高速度範囲（図３（ｂ）の範囲Ｂ）では、積分特性となるように構成してもよい。このようにすることで、不要な信号を減衰させ、より安定した回転速度の検出を行うことができる。
【００２５】
例えば、図３（ｂ）に示す入出力ゲイン特性を近似的に実現可能な信号補正回路２としては、図４に示す第１実施例の回路構成が挙げられる。この図４の回路は、一つのオペアンプＱ１と三つの抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３及び二つのコンデンサＣ１，Ｃ２により構成されている。
ここで、図４に示す回路の伝達特性を求めてみる。図４において、信号補正回路２の入力端子２ａとオペアンプＱ１の反転入力端子との間のインピーダンスをＺ１、上記反転入力端子と信号補正回路２の出力端子２ｂとの間のインピーダンスをＺ２とおくと、伝達関数は数式４で表される。なお、図４から、Ｚ１は数式５によって表される。
【００２６】
【数４】
2006029889.tif 000006
【００２７】
【数５】
2006029889.tif 000007
【００２８】
数式４におけるＺ２は、コンデンサＣ１と、抵抗Ｒ２とコンデンサＣ２との直列回路と、抵抗Ｒ３との並列回路の合成インピーダンスとなる。コンデンサＣ１のアドミタンスをＹ２ａ、抵抗Ｒ２とコンデンサＣ２との直列回路のアドミタンスをＹ２ｂ、抵抗Ｒ３のアドミタンスをＹ２ｃとおくと、上記並列回路の合成アドミタンスＹ２は数式６によって表される。
【００２９】
【数６】
2006029889.tif 000008
【００３０】
よって、インピーダンスＺ２は数式７となる。
【００３１】
【数７】
2006029889.tif 000009
【００３２】
数式５及び数式７を数式４に代入して、数式８を得る。
【００３３】
【数８】
2006029889.tif 000010
【００３４】
数式８を変形して数式９を得ると共に、この数式９の一部を数式１０のようにおくと、数式１１が得られる。
【００３５】
【数９】
2006029889.tif 000011
【００３６】
【数１０】
2006029889.tif 000012
【００３７】
【数１１】
2006029889.tif 000013
【００３８】
よって、数式１１の伝達特性は、図５のようになる。
ここで、数式１２が成り立つので、数式１０〜数式１２により、数式１３〜数式１５が得られる。
【００３９】
【数１２】
2006029889.tif 000014
【００４０】
【数１３】
2006029889.tif 000015
【００４１】
【数１４】
2006029889.tif 000016
【００４２】
【数１５】
2006029889.tif 000017
【００４３】
数式１３及び数式１５から数式１６が得られ、数式１４〜数式１６から数式１７が得られる。
【００４４】
【数１６】
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【００４５】
【数１７】
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【００４６】
よって、数式１５〜数式１７より、Ｔ１〜Ｔ３、及び、図５に示す低速域のゲインを設定し、回路定数のうちの何れか一つの値を設定すれば、残りの回路定数は一義的に決定できる。従って、図４に示す回路構成により、図５に示すゲイン特性が実現でき、近似的に図３（ｂ）に示すゲイン特性を実現できることがわかる。
【００４７】
次に、図６は信号補正回路の第２実施例を示している。この信号補正回路２Ａのように、入力端子２ａ１，２ａ２のうちの一方の端子２ａ２とオペアンプＱ１の非反転入力端子及び接地間に、帰還ループ側と同一の回路定数の抵抗Ｒ１’〜Ｒ３’及びコンデンサＣ１’，Ｃ２’を接続し、オペアンプＱ１の入力部を信号発生器１の出力信号の差動入力とすることにより、信号発生器１の出力部にコモンモードノイズが重畳された場合でもその影響を受けにくくすることが可能である。
【００４８】
次いで、図７は請求項４に相当する本発明の第２実施形態を示している。
この実施形態では、図７（ａ）に示すように、信号補正回路２Ａ内のオペアンプＱ１の出力側に上下限電圧クランプ回路付き反転増幅器５が接続され、その出力信号Ｖｏｕｔが図１の波形整形回路３に入力されるようになっている。なお、上記反転増幅器５は、オペアンプＱ２と、その反転入力端子に接続された抵抗Ｒ４と、帰還ループ内のツェナーダイオードＺＤ１，ＺＤ２の直列回路とその並列抵抗Ｒ５とから構成されており、周知のようにツェナーダイオードＺＤ１，ＺＤ２のツェナー電圧ＶＬＭ１，ＶＬＭ２によって正負の入力電圧Ｖｉｎの所定範囲にわたり出力電圧Ｖｏｕｔが制限されるものである（図７（ｂ）参照）。
【００４９】
このような回路構成とすることで、例えば、信号発生器１の取付け精度等に起因して信号発生器１の出力信号に個体間のばらつきがあり、図８に示すように、振幅の周波数特性の他に、信号発生器１の出力信号が最大値から最小値までの範囲内でばらつく場合、振幅が最小になる極低速時を優先して信号補正回路２Ａのゲインを設定しておき、出力電圧が高くなる高速時の最大振幅付近では、必要に応じて、反転増幅器５内のクランプ回路により出力信号をクランプすることにより、信号補正回路２Ａ内のオペアンプＱ１のラッチアップを防止することができる。なお、クランプ電圧はツェナー電圧ＶＬＭ１，ＶＬＭ２の設定により任意な値とすることができる。
この実施形態によれば、信号発生器１の取付け精度等に起因して個体ごとに出力信号の振幅が変化した場合でも、同一の回路定数で使用することができ、ゲイン調整等の余計な手間を省くことができる。
【００５０】
なお、図７（ａ）では、図６の信号補正回路２Ａの出力側に上下限電圧クランプ回路付き反転増幅器５を接続した例を示してあるが、この反転増幅器５は図４の信号補正回路２にも適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明の第１実施形態を示すブロック図である。
【図２】図１における信号発生器の出力信号、信号補正回路のゲイン特性及び出力信号を示す図である。
【図３】図１における信号発生器の出力信号、信号補正回路のゲイン特性及び出力信号の他の例を示す図である。
【図４】図３の入出力ゲイン特性を近似的に実現する信号補正回路の第１実施例を示す構成図である。
【図５】図４の回路構成による信号補正回路の入出力ゲイン特性を示す図である。
【図６】図３の入出力ゲイン特性を近似的に実現する信号補正回路の第２実施例を示す構成図である。
【図７】本発明の第２実施形態の主要部を示す回路構成図（図７（ａ））及び反転増幅器内のクランプ回路の特性図（図７（ｂ））である。
【図８】個体間のばらつきがある場合の信号発生器の出力信号を示す図である。
【図９】速度発電機の出力電圧特性を示す模式図である。
【図１０】特許文献１に記載された従来技術を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００５２】
１：信号発生器
２，２Ａ：信号補正回路
２ａ，２ａ１，２ａ２：入力端子
２ｂ：出力端子
３：波形整形回路
４：速度演算回路
５：上下限電圧クランプ回路付き反転増幅器
Ｑ１，Ｑ２：オペアンプ
Ｒ１〜Ｒ５，Ｒ１’〜Ｒ３’：抵抗
Ｃ１，Ｃ２，Ｃ１’，Ｃ２’：コンデンサ
ＺＤ１，ＺＤ２：ツェナーダイオード
【図１】
2006029889.tif 000020
【図２】
2006029889.tif 000021
【図３】
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【図４】
2006029889.tif 000023
【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
2006029889.tif 000027
【図９】
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【図１０】
2006029889.tif 000029