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モータ駆動電流検出装置 - アイシン精機株式会社
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発明の名称 モータ駆動電流検出装置
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開2007−135374(P2007−135374A)
公開日 平成19年5月31日(2007.5.31)
出願番号 特願2005−328770(P2005−328770)
出願日 平成17年11月14日(2005.11.14)
代理人 【識別番号】100107308
【弁理士】
【氏名又は名称】北村 修一郎
発明者 ▲かく▼元 宗斉 / 倉地 耕平
要約 課題
オフセット電圧の大きい安価なオペアンプを使いながらも満足できる精度でモータ駆動電流を検出する装置を提供する

解決手段
モータに駆動電流を供給するスイッチング素子21を備えたモータ駆動回路20に設けられたシャント抵抗6の両端電位差からモータ駆動電流値を検出するモータ駆動電流検出装置。両端電位差に相当する電位差信号を出力するオペアンプ30と、電位差信号の最大値と最小値との差分値に基づいてモータ駆動電流値を演算する電流値演算部32とが備えられている。
特許請求の範囲
【請求項1】
モータに駆動電流を供給するスイッチング素子を備えたモータ駆動回路に設けられたシャント抵抗の両端電位差からモータ駆動電流値を検出するモータ駆動電流検出装置において、
前記両端電位差に相当する電位差信号を出力するオペアンプと、前記電位差信号の最大値と最小値との差分値に基づいて前記モータ駆動電流値を演算する電流値演算部とを備えているモータ駆動電流検出装置。
【請求項2】
前記スイッチング素子はPWM制御信号によって制御され、前記PWM制御信号の立ち上がりエッジ及び立ち下がりエッジのタイミングで出力される電位差信号から前記電位差信号の最大値及び前記電位差信号の最小値を決定する請求項1に記載のモータ駆動電流検出装置。
【請求項3】
前記PWM制御信号のOFF時間が所定以下の場合、予め記憶されている値が前記電位差信号の最小値として用いられる請求項2に記載のモータ駆動電流検出装置。
【請求項4】
前記オペアンプからの電位差信号はADコンバータでAD変換されて前記電流値演算部に送られるように構成され、その際前記オペアンプ出力値が負にならないように前記オペアンプのオフセット電圧が調整されている請求項2又は3に記載のモータ駆動電流検出装置。
発明の詳細な説明
【技術分野】
【0001】
本発明は、モータに駆動電流を供給するスイッチング素子を備えたモータ駆動回路に設けられたシャント抵抗の両端電位差からモータ駆動電流値を検出するモータ駆動電流検出装置に関する。
【背景技術】
【0002】
このようなモータ駆動電流検出装置は、電動パワーステアリングなどに用いられるモータの駆動回路における短絡故障の検出や駆動回路へ供給制御電流の調整を行うために用いられる。
【0003】
例えば、ブリッジ回路を構成する複数のパワーMOSFETをオン・オフ制御することにより電動モータの3相ブリッジ回路への通電を制御するようにしたモータ駆動回路において、ブリッジ回路のグランド端子側に配置したシャント抵抗の両端電位差の変化により短絡による過電流を検出するようにしたモータ駆動回路の故障検出装置が知られている(例えば、特許文献1)。この故障検出装置の過電流検出回路には、シャント抵抗の両端を反転入力端子と非反転入力端子とに接続したオペアンプとこのオペアンプの出力を基準値と比較するコンパレータとが備えられている。この構成では、シャント抵抗に電流が流れた場合、シャント抵抗の両端には、シャント抵抗を流れる電流にシャント抵抗の抵抗値を乗じた電圧が発生し、この電圧が差動増幅回路により増幅される。コンパレータの基準値はモータへの電流指令値の最大値以上相当の電圧である。従って、モータ制御系が正常時においては、検出電流値は所定値以下であるのでコンパレータに入る電圧値は基準値より低くなり、コンパレータの出力はHレベルとなる。又、モータ制御系で短絡が発生し過電流が発生すると、コンパレータに入る電圧値は基準値より大きくなるのでコンパレータの出力はLレベルに反転する。
【0004】
【特許文献1】特開06−233450号公報(段落番号0005−0023、図1、図4)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
上述した従来のモータ駆動電流検出装置では、シャント抵抗を流れる電流によって生じる微小な両端電位差をオペアンプで増幅しており、この電位差信号からシャント抵抗を流れる電流の電流値を正確に求めるためには、オフセット電圧が小さい高精度なオペアンプを使う必要があるが、これはコスト高の要因となる。
上記実状に鑑み、本発明の課題は、オフセット電圧の大きい安価なオペアンプを使いながらも満足できる精度でモータ駆動電流を検出する装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本発明の第1の特徴構成は、モータに駆動電流を供給するスイッチング素子を備えたモータ駆動回路に設けられたシャント抵抗の両端電位差からモータ駆動電流値を検出するモータ駆動電流検出装置において、上記課題を解決するために、前記両端電位差に相当する電位差信号を出力するオペアンプと、前記電位差信号の最大値と最小値との差分値に基づいて前記モータ駆動電流値を演算する電流値演算部とを備えた点にある。
【0007】
この特徴構成では、モータ通電時(モータ駆動回路にモータ駆動電流が流れている時)にシャント抵抗の両端に生じる電位差に相当する電位差信号(電位差信号の最大値)とモータ遮断時(モータ駆動回路にモータ駆動電流が実質的に流れていない時)にシャント抵抗の両端に生じる電位差に相当する電位差信号(電位差信号の最小値)との差分値を求める。さらに、この差分値をオペアンプのオフセット電圧を考慮したシャント抵抗の両端電位差と見なして、この差分値からシャント抵抗の抵抗値を参照してシャント抵抗を流れる電流値、つまりモータ駆動電流値を演算する。モータ通電時の電位差信号(電位差信号の最大値)とモータ遮断時の電位差信号(電位差信号の最小値)との差分値からシャント抵抗を流れる電流値を求めていることから、オペアンプのオフセット電圧に起因した電圧シフトをキャンセルすることができ、その結果、オフセット電圧の大きい安価なオペアンプを使用することができる。
【0008】
モータ通電時の電位差信号(電位差信号の最大値)とモータ遮断時の電位差信号(電位差信号の最小値)をタイミングよく検出するための好適な実施形態の1つとして、モータ駆動回路を構成するスイッチング素子がPWM制御信号(パルス信号列)によって制御されている場合、このPWM制御信号(パルス信号)の立ち上がりエッジ及び立ち下がりエッジとタイミングで出力される電位差信号から前記電位差信号の最大値及び前記電位差信号の最小値を決定することが提案される。例えば、PWM制御信号の立ち下がりでモータに通電され始め、PWM制御信号の立ち上がりでモータへの通電が遮断されるとすれば、PWM制御信号の立ち上がりのタイミングでオペアンプの出力に電位差信号の最大値が生じ、PWM制御信号の立ち下がりのタイミングでオペアンプの出力に電位差信号の最小値が生じる。この現象を利用することで、正確にモータ通電時の電位差信号(電位差信号の最大値)とモータ遮断時の電位差信号(電位差信号の最小値)を取り込むことができる。
【0009】
モータに大きな電流を流すためにPWM制御信号のON時間が長くてOFF時間が極めて短い場合、オペアンプの出力としての電位差信号がその最大値から最小値まで移行せず、取り込まれた見かけ上の最小値がモータ遮断時の電位差信号を正確に表さないという問題が生じる。このような問題を避けるため、本発明の好適な実施形態の1つでは、前記PWM制御信号のOFF時間が所定以下の場合予め記憶されている値が前記電位差信号の最小値として用いられるように構成されている。つまり、オペアンプの出力として正確な最小値が得られないような条件下では、予め記憶されている値を採用するのである。この予め記憶されている値は、実験的経験的に求められた値であってもよいし、正確な最小値が期待できる十分に長いOFF時間を示すPWM制御信号で求められた最小値を一時的に記憶させておいて、PWM制御信号のOFF時間が極めて短い場合に利用するようにしてもよい。
【0010】
前記オペアンプからの電位差信号はADコンバータでAD変換され、前記電流値演算部ではAD変換された電位差信号が取り扱われるような構成を採用した場合、オペアンプからの電位差信号が正しくビット化されるために、負のオペアンプ出力値が出力しないようにように前記オペアンプのオフセット電圧を調整しておくことが好ましい。
【発明を実施するための最良の形態】
【0011】
以下、本発明を車輪操舵機構に取り付けられた直流サーボモータの制御装置に適用した例を説明する。図1のブロック図から明らかなように、直流サーボモータ(以下、単にモータと称する)1を制御する制御装置はCPUを中核部材とするコントローラとして構成され、特に本発明に関する構成モジュールとして、モータ1に駆動電流を供給して正逆方向の回転制御を行うモータ制御モジュール2と、モータ1に流れる駆動電流値を検出する電流検出モジュール(本発明のモータ駆動電流検出装置に対応する)3とが挙げられる。
【0012】
このモータ1は3つのステータコイル10がスター結線された3相ブラシレスモータであり、モータ駆動回路20はスイッチング素子としてFET21を6つ用いて3相ブリッジ回路20を形成している。よく知られているように、この3相ブリッジ回路20では、並列接続された上段の3つのFET21aと、同様に並列接続された下段の3つのFET21bとの対応するそれぞれが直列接続されている。さらに、上段のFET21aと下段の対応するFET21bとの間のそれぞれの接続点にステータコイル10のU相とV相とW相が接続されている。上段のFET21aの共通端子にバッテリ4のプラス端子が接続され、下段のFET21bの共通端子とグランド端子5の間に電流検出モジュールの構成要素として機能するシャント抵抗6が設けられている。ドライブ回路22を介してPWM制御部23から所定のタイミングで各相のためのPWM制御信号がモータ駆動回路20に送られることにより、3相励磁電流であるモータ駆動電流が発生し、モータ1が駆動制御される。
【0013】
電流検出モジュール3は、上述したシャント抵抗6の両端電位差からこのシャント抵抗6を流れる電流値、結果的にはモータ駆動電流値を検出ものである。このため、電流検出モジュール3には、オペアンプ30と、オペアンプ30の出力をデジタル化するADコンバータ31と、ADコンバータ31の出力に基づいてモータ駆動電流値を求める電流演算部32とが備えられている。このオペアンプ30は抵抗R1,R2,R3,R4と協働してよく知られた差動増幅回路を構成しており、オペアンプ30の反転入力端子にシャント抵抗6のマイナス端が、オペアンプ30の非反転入力端子にシャント抵抗6のプラス端が接続されている。シャント抵抗6に電流が流れなければシャント抵抗6での電圧降下は0Vであり、シャント抵抗6に電流が流れると電圧降下が生じる。つまり、シャント抵抗6の両端には、シャント抵抗6を流れる電流にシャント抵抗6の抵抗値を乗じた電圧が発生する。この電圧がオペアンプ30により増幅されるとともに、ADコンバータ31を介して電流演算部32に入力され、電流値演算に用いられる。
【0014】
理想的な回路構成では、シャント抵抗6の抵抗値とオペアンプ30の増幅率が分かっているとシャント抵抗6の両端電位差に相当するオペアンプ30の出力値をパラメータとしてモータ駆動電流値を求める式は原点を通る一次直線式となる。しかしながら、実際の回路構成では、例えばオペアンプ30のオフセット電圧などの存在により、電流値演算式にズレが生じる(原点を通らない直線式となる)。このため、本発明では、オペアンプ30からの出力値の最大値(モータ駆動電流が流れている時のオペアンプ出力値)と最小値(モータ駆動電流が実質的に流れていない時オペアンプ出力値)との差分値をパラメータとして電流値演算を行うことでオフセット電圧などの電圧シフト要因の影響を受けない電流検出を実現している。
【0015】
この実施の形態では、PWM制御部23からのPWM制御信号に基づいてドライブ回路からモータ駆動回路20の各FET21に供給されるパルス列の立ち上がりエッジ及び立ち下がりエッジのタイミングで出力されるオペアンプ出力値(シャント抵抗6の電位差信号に相当)を前述した最大値(モータ駆動電流が流れている時のオペアンプ出力値)と最小値(モータ駆動電流が実質的に流れていない時のオペアンプ出力値)として採用している。このため、電流検出モジュール3には、各FET21に供給されるパルス列の立ち上がりエッジ及び立ち下がりエッジを検出するエッジ検出部33が備えられている。
【0016】
図2で図解されているように、FET21に供給されるパルス列の立ち上がりエッジ(この例では電流ONから電流OFFへの移行)をエッジ検出部33が検出し、その立ち上がりエッジ検出信号を電流演算部32に送ると、そのタイミングで電流演算部32がオペアンプ30の出力信号をモータ駆動電流が流れている時のオペアンプ30の出力電圧値:Vtopとして取り込む。さらに、FET21に供給されるパルス列の立ち下がりエッジ(この例では電流OFFからへ電流ONの移行)をエッジ検出部33が検出し、その立ち下がりエッジ検出信号を電流演算部32に送ると、そのタイミングで電流演算部32がオペアンプ30の出力信号をモータ駆動電流が実質的に流れていない時のオペアンプ30の出力電圧値:Vbottomとして取り込む。このオペアンプ出力信号の最大値と最小値との差分値:Vdiff=Vtop−Vbottomをオペアンプ30の増幅率とシャント抵抗6の抵抗値で除算することで、シャント抵抗6を通過する、オペアンプ30のオフセット電圧から独立した、電流値、つまりモータ駆動電流を求めることができる。
【0017】
図2に示したように比較的パルス列のOFF時間(パルス幅)が長い場合は問題ないが、図3に示すように比較的パルス列のOFF時間(パルス幅)が短い場合は、パルスの立ち上がりエッジから立ち下がりエッジまでの時間間隔が狭く、立ち下がりエッジのタイミングでオペアンプ30の出力電圧が十分に低下しないという現象が生じる。つまり出力電圧値の最小値:Vbottomが不正な値となってしまう。このような問題を回避するため、この電流検出モジュール3には、前もって疑似最小値を記憶しておく疑似最小値記憶部34が備えられている。図3で示すように、オペアンプ30の出力として正確な最小値が得られないようなパルス列がFET21に供給されている条件下では、オペアンプ30の出力信号からモータ駆動電流が流れていない時オペアンプ出力値である最小値を求めるのではなく、疑似最小値記憶部34に予め記憶されている値を採用するのである。これにより、不正な最小値:Vbottomを用いることで生じるモータ駆動電流値演算の大きな誤差が回避される。疑似最小値記憶部34に予め記憶されている値は、実験的経験的に求められた値であってもよいが、図2で示したような正確な最小値の取得が期待できる十分に長いOFF時間を示すパルス列が出力されている段階で得られた最小値を疑似最小値記憶部34に一時的に記憶させておくことも好ましい形態である。
【0018】
この本発明では、オペアンプ出力信号の最大値(モータ駆動電流が流れている時のオペアンプ出力値)と最小値(モータ駆動電流が流れていない時のオペアンプ出力値)との差分値:Vdiff=Vtop−Vbottomを用いているので、オペアンプ30のオフセット電圧の影響を受けずにモータ駆動電流を求めることができる。このため、オフセット電圧の大きな安価なオペアンプ30が利用されている。しかしながら、この実施形態で採用されている、ADコンバータ31におけるオペアンプ30の出力信号のデジタル化(ビット化)のプロセスでは、オペアンプ30のオフセット電圧が大きな負の値を持つ場合に生じうる負のオペアンプ出力値が正しいビット化の障害となる。このため、いずれにしてもオペアンプ出力値が負にはならないようにオペアンプ30のオフセット電圧を調整することが重要である。
【0019】
前述した実施の形態では、電流検出モジュール3はモータ駆動電流を検出するように構成されていたが、この電流検出モジュール3を短絡による過電流検出のために用いる場合は、ADコンバータ31と電流演算部32を一体化して演算電流値を所定の基準値と比較する比較部として構成するとよい。
【図面の簡単な説明】
【0020】
【図1】本発明によるモータ駆動電流検出装置を電流検出モジュールとして採用した直流サーボモータの制御装置のブロック図
【図2】モータ駆動回路のFETに供給するパルス列とオペアンプの出力電圧の関係を模式的に示す説明図
【図3】図2とは異なるパルス列とオペアンプの出力電圧の関係を模式的に示す説明図
【符号の説明】
【0021】
1:モータ
2:モータ制御モジュール
3:電流検出モジュール
6:シャント抵抗
20:モータ駆動回路
21:FET(スイッチング素子)
23:PWM制御部
30:オペアンプ
31:ADコンバータ
32:電流演算部
33:エッジ検出部
34:疑似最小値記憶部




 

 


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