JP5525405B2 - Current detection circuit, motor drive device - Google Patents
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Description
本発明は、インバータの電源電流を検出する回路、およびその回路を用いてモータを駆動する装置に関するものである。 The present invention relates to a circuit for detecting a power source current of an inverter, and an apparatus for driving a motor using the circuit.
自動車の電動パワーステアリング装置は、人間によるハンドル操作を検出してステアリングをアシストする、高精度モータ制御技術を用いている。電動パワーステアリング装置は一般に、モータを効果的に動作させるためにモータに流れる電流を高精度に検出するモータ電流検出装置と、インバータまたはモータが地絡・天絡した際にインバータを保護するインバータ電流検出装置を備えている。電流検出装置には、ホール素子を用いたものとシャント抵抗を用いたものがあるが、シャント抵抗を使用したものが広く使用されている。 The electric power steering device of an automobile uses high-precision motor control technology that assists steering by detecting a steering operation by a human. In general, the electric power steering device is a motor current detection device that detects the current flowing through the motor with high accuracy in order to operate the motor effectively, and the inverter current that protects the inverter when the inverter or the motor has a ground fault or power fault. A detection device is provided. Current detectors include those using Hall elements and those using shunt resistors, but those using shunt resistors are widely used.
インバータ電流検出装置は、バッテリからの出力ラインに接続された電流検出用抵抗両端の電位差より電流値を算出する手法を用いるのが一般的である。下記特許文献1には、この電流検出装置の1例が記載されている。 The inverter current detection device generally uses a method of calculating a current value from a potential difference between both ends of a current detection resistor connected to an output line from the battery. Patent Document 1 listed below describes an example of this current detection device.
電流検出に使用されるシャント抵抗は、一般的に損失低減を図るため、抵抗値が小さいものを用いる。したがって、シャント抵抗の両端電位差は微小となるため、電流を正確に検出するためには、オペアンプを用いてシャント抵抗の両端電圧を増幅する必要がある。オペアンプのゲインは、帰還抵抗とゲイン設定用抵抗の比で決まる。すなわち、
オペアンプゲイン=帰還抵抗/ゲイン設定用抵抗
となる。
A shunt resistor used for current detection generally has a small resistance value in order to reduce loss. Therefore, since the potential difference between both ends of the shunt resistor is small, it is necessary to amplify the voltage across the shunt resistor using an operational amplifier in order to accurately detect the current. The gain of the operational amplifier is determined by the ratio of the feedback resistor and the gain setting resistor. That is,
Operational amplifier gain = feedback resistance / gain setting resistance.
電源からインバータに供給される電流は、比較的周波数の高い交流電流である。この周波数は数百kHz以上となるのが一般的である。したがって、上記特許文献1に記載されている技術において、シャント抵抗の両端電圧に基づきインバータ電流の最大値を検出するためには、数百ns毎に両端電圧値をサンプリングする必要がある。電流が最大になっている時点で検出値をサンプリングしないと、その最大値を検出することができないからである。 The current supplied from the power source to the inverter is an alternating current having a relatively high frequency. This frequency is generally several hundred kHz or more. Therefore, in the technique described in Patent Document 1, in order to detect the maximum value of the inverter current based on the voltage across the shunt resistor, it is necessary to sample the voltage value across every several hundred ns. This is because the maximum value cannot be detected unless the detection value is sampled at the time when the current is maximum.
高周波数でサンプリングを実施すると、マイクロプロセッサのAD変換器の負荷が大きくなり、より高性能なマイクロプロセッサを使用する必要がある。その結果、電流検出回路のコストが高くなってしまう。 When sampling is performed at a high frequency, the load on the AD converter of the microprocessor increases, and it is necessary to use a higher-performance microprocessor. As a result, the cost of the current detection circuit is increased.
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、少ない部品点数で低コストかつ高精度にインバータ電流を検出することのできる電流検出回路を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a current detection circuit that can detect an inverter current with a small number of parts and at low cost and high accuracy.
本発明に係る電流検出回路は、電流検出抵抗の両端電圧を増幅する増幅回路と、増幅回路出力の最大値を保持し、かつ増幅回路の出力を増幅するピークホールド回路を備える。 The current detection circuit according to the present invention includes an amplification circuit that amplifies the voltage across the current detection resistor, and a peak hold circuit that holds the maximum value of the amplification circuit output and amplifies the output of the amplification circuit.
本発明に係る電流検出回路は、増幅回路の出力レベルが最大値よりも低くなっているときでも、最大値を所定時間保持し続ける。これにより、検出する電流の周波数よりも低い周波数でサンプリングを実施しても、電流の最大値を得ることができる。 The current detection circuit according to the present invention keeps the maximum value for a predetermined time even when the output level of the amplifier circuit is lower than the maximum value. Thereby, even if sampling is performed at a frequency lower than the frequency of the current to be detected, the maximum value of the current can be obtained.
<従来の電流検出回路>
以下では、本発明の理解を容易にするため、まず始めに特許文献1に記載されている従来の電流検出回路の構成と動作を説明する。その後、本発明の実施形態に係る構成と動作を説明する。
<Conventional current detection circuit>
Below, in order to make an understanding of this invention easy, the structure and operation | movement of the conventional current detection circuit described in patent document 1 are demonstrated first. Thereafter, the configuration and operation according to the embodiment of the present invention will be described.
図4は、従来の電流検出回路の構成を示す図である。以下、図4に示す回路の各構成要素について説明する。 FIG. 4 is a diagram showing a configuration of a conventional current detection circuit. Hereinafter, each component of the circuit shown in FIG. 4 will be described.
シャント抵抗108の一端は、電流制限用抵抗114を介してオペアンプ120の非反転入力端子に接続されている。シャント抵抗108の他端は、ゲイン設定用抵抗113を介して、オペアンプ120の反転入力端子に接続されている。
One end of the
オペアンプ120の出力端子は、帰還抵抗119を介して反転入力端子に接続されている。ゲイン設定用抵抗113とオペアンプ120の反転入力端子間は、定電圧クランプ抵抗116を介して定電圧発生回路115に接続されている。電流制限用抵抗114とオペアンプ非反転入力端子間は、定電圧クランプ抵抗117を介して定電圧発生回路115に接続されている。定電圧クランプ抵抗117、116と定電圧発生回路115との間は、分圧抵抗118を介してGNDに接続されている。
The output terminal of the
オペアンプ120のゲインは、帰還抵抗119とゲイン設定用抵抗113の比で決まる。すなわち、
ゲイン=帰還抵抗119/ゲイン設定用抵抗113
となる。
The gain of the
Gain =
It becomes.
図5は、図4に示す電流検出回路を、モータ駆動用インバータ装置に組み込んだ構成例を示す図である。図5に示すモータ駆動用インバータ装置は、バッテリ109、ACモータ107、スイッチング素子101〜106を備える。各スイッチング素子の出力110〜112は、ACモータ107の各相に対応する。
FIG. 5 is a diagram showing a configuration example in which the current detection circuit shown in FIG. 4 is incorporated in an inverter device for driving a motor. The motor drive inverter device shown in FIG. 5 includes a
シャント抵抗108に流れるインバータ電流は、先述の通り周波数が比較的高い。したがって、マイクロプロセッサがインバータ電流の最大値を検出するためには、サンプリング周波数をこれに合わせて高くする必要がある。
The inverter current flowing through the
本発明では、シャント抵抗108に流れるインバータ電流が最大値より小さくなっているときでも、マイクロプロセッサが最大値を得ることができるようにするため、オペアンプ120とマイクロプロセッサの間に、最大値を保持することのできるピークホールド回路を設ける。これにより、サンプリング周波数をインバータ電流の周波数よりも下げることができるようにする。
In the present invention, even when the inverter current flowing through the
<実施の形態1>
図1は、本発明の実施形態1に係るモータ駆動用インバータ装置の回路図である。図1に示すモータ駆動用インバータ装置は、インバータ主回路29、増幅回路30、ピークホールド回路31を備える。インバータ主回路29は、モータを駆動するための三相交流電流を生成する。増幅回路30は、インバータ主回路29に流れるインバータ電流をシャント抵抗8の両端電圧として検出し、その電圧を増幅する。ピークホールド回路31は、増幅回路30が増幅した電圧の最大電圧を保持する。
<Embodiment 1>
FIG. 1 is a circuit diagram of an inverter device for driving a motor according to Embodiment 1 of the present invention. The motor drive inverter device shown in FIG. 1 includes an inverter main circuit 29, an amplifier circuit 30, and a peak hold circuit 31. The inverter main circuit 29 generates a three-phase alternating current for driving the motor. The amplifier circuit 30 detects the inverter current flowing through the inverter main circuit 29 as a voltage across the shunt resistor 8 and amplifies the voltage. The peak hold circuit 31 holds the maximum voltage amplified by the amplifier circuit 30.
インバータ主回路29は、バッテリ9、ACモータ7、スイッチング素子1〜6、インバータ主回路29に流れるインバータ電流を抵抗両端電圧として検出するシャント抵抗8を備える。
The inverter main circuit 29 includes a battery 9, an
シャント抵抗8は、バッテリ9の陽極側と基準電圧10の間に設けられている。シャント抵抗8の抵抗値は、電圧損失を抑えるため比較的小さい値に設定されている。また、シャント抵抗8には大きな電流が流れるため、シャント抵抗8は大きな容量を有する。
The shunt resistor 8 is provided between the anode side of the battery 9 and the
例えば、電動パワーステアリング装置に用いられるモータ駆動用インバータ装置の場合、インバータ電流は百A以上となる。この場合、シャント抵抗8の抵抗値は数mΩ程度である。したがって、シャント抵抗8の容量は数W程度を要する。さらに、シャント抵抗8に発生した微小電位差は、後段の増幅回路30によって増幅されるため、抵抗値の誤差が比較的少ないものを用いる必要がある。 For example, in the case of an inverter device for driving a motor used in an electric power steering device, the inverter current is 100 A or more. In this case, the resistance value of the shunt resistor 8 is about several mΩ. Therefore, the capacity of the shunt resistor 8 requires about several watts. Furthermore, since the minute potential difference generated in the shunt resistor 8 is amplified by the amplifier circuit 30 at the subsequent stage, it is necessary to use a resistor having a relatively small error in resistance value.
オペアンプ21の非反転入力端子(+)とシャント抵抗8の一端との間には、電流制限用抵抗15が設けられている。オペアンプ21の非反転入力端子(+)と電流制限用抵抗15の間には、定電圧クランプ用抵抗16を介して定電圧電源18が接続されている。定電圧電源18は、分圧抵抗19を介してGNDに接続される。非反転入力端子(+)は電流制限用抵抗20を介してGNDに接続される。
A current limiting
オペアンプ21の反転入力端子(−)とシャント抵抗8の他端との間には、ゲイン設定用抵抗14が設けられている。オペアンプ21の反転入力端子(−)とゲイン設定用抵抗14の間には、クランプ用抵抗17を介して定電圧電源18が接続されている。
A
オペアンプ21の出力端子と反転入力端子(−)との間には、帰還抵抗22が接続されている。オペアンプ21の増幅率は、帰還抵抗22とゲイン設定用抵抗14の比で決定される。つまり、シャント抵抗8に発生する電圧をVshunt、オペアンプ21(または増幅回路30)の出力をVo1、帰還抵抗22の抵抗値をR22、ゲイン設定用抵抗14の抵抗値をR14とすると、
Vo1=Vshunt×(R22/R14)
となる。すなわち、シャント抵抗8の両端電位差を測定することにより、モータ7に流れる電流(インバータ電流)を検出することができる。
A
V o1 = V shunt × (R 22 / R 14 )
It becomes. That is, by measuring the potential difference between both ends of the shunt resistor 8, the current (inverter current) flowing through the
シャント抵抗8の抵抗値は小さく、両端電位差は小さいため、オペアンプ21のゲインは相応に大きく設定しなければならない。例えば、シャント抵抗8を用いて検出する電流を0〜70A程度、シャント抵抗8の抵抗値を0.5mΩとすると、シャント抵抗8の両端電位差は最大でも35mVにすぎない。一方、オペアンプ21によって増幅された電圧を取り込むマイクロプロセッサの入力電圧は数V(一般的には5V)である。したがって、35mVを数Vに増幅するため、オペアンプ21のゲインは10倍以上に設定するのが、マイクロプロセッサの分解能の観点から効率的であるといえる。
Since the resistance value of the shunt resistor 8 is small and the potential difference between both ends is small, the gain of the
本実施形態1では、オペアンプ21のゲインを12倍に設定する。したがって、
R22(=帰還抵抗22)/R14(=ゲイン設定用抵抗14)=12
となるように設定すればよい。
In the first embodiment, the gain of the
R 22 (= feedback resistor 22) / R 14 (= gain setting resistor 14) = 12
Should be set to be.
次に、ピークホールド回路31について説明する。ピークホールド回路31は、増幅回路30(またはオペアンプ21)が増幅した信号Vo1の最大値を保持する。信号Vo1はピークホールド回路31が備えるコンパレータ25の非反転入力端子(+)に入力される。コンパレータ25の出力は、ダイオード26のアノードに接続されている。ダイオード26のカソードとコンパレータ25の反転入力端子(−)の間には、ゲイン設定用抵抗24が接続されている。反転入力端子(−)は、電流制限用抵抗23を介してGNDに接続されている。マイクロプロセッサへの出力ポートとダイオード26のカソードの間は、放電用抵抗28を介してGNDに接続されている。また、マイクロプロセッサへの出力ポートとダイオード26のカソードの間は、コンデンサ27を介してGNDに接続されている。
Next, the peak hold circuit 31 will be described. The peak hold circuit 31 holds the maximum value of the signal V o1 amplified by the amplifier circuit 30 (or the operational amplifier 21). The signal V o1 is input to the non-inverting input terminal (+) of the
ピークホールド回路31の増幅率は、ゲイン設定用抵抗24と電流制限用抵抗23の比率によって決定される。つまり、ピークホールド回路31の出力信号をVo2、ゲイン設定用抵抗24の抵抗値をR24、電流制限用抵抗23の抵抗値をR23とすると、
Vo2=Vo1×(1+R24/R23)
となる。
The amplification factor of the peak hold circuit 31 is determined by the ratio between the
V o2 = V o1 × (1 + R 24 / R 23 )
It becomes.
本実施形態1では、ピークホールド回路31のゲインを2倍(約6dB)に設定する。したがって、
R24/R23=1
となるように設定すればよい。なお、コンパレータ25に増幅作用を持たせているのは、オペアンプ21の増幅率を大きくすることによってオペアンプ21の増幅応答が遅れないようにするためである。
In the first embodiment, the gain of the peak hold circuit 31 is set to double (about 6 dB). Therefore,
R 24 / R 23 = 1
Should be set to be. The reason why the
ピークホールド回路31は、コンパレータ25が増幅した信号Vo2を、以下のような手順で保持する。
The peak hold circuit 31 holds the signal Vo2 amplified by the
コンデンサ27は、増幅信号Vo2を受け取って充電する。Vo1の電圧が、Vo2の電圧値より低下した時、すなわちバッテリ9からの供給電流が無くなったとき、またはシャント抵抗8に流れる電流値が下がったとき、ダイオード26はカットオフする。コンデンサ27は、電圧Vo2で充電している電荷を、放電抵抗28、ゲイン設定用抵抗24、電流制限用抵抗23を介して放電する。コンデンサ27のキャパシタンスをC27、放電用抵抗28の抵抗値をR28、ゲイン設定用抵抗24の抵抗値をR24、電流制限用抵抗23の抵抗値をR23とすると、放電時定数τは、
τ=1/(C27×(R28/(R24+R23))
となる。放電時定数τの設定により、ピークホールド電圧Vo2の最大電圧を一定時間保持することができる。これにより、マイクロプロセッサは必ずしもインバータ電流と同等の周波数でサンプリングを実施しなくともよくなるので、サンプリング周波数を下げてマイクロプロセッサの負担を低減することができる。本実施形態1では、下記で説明するスイッチング周波数に鑑み、時定数τは数msとする。
The
τ = 1 / (C 27 × (R 28 / (R 24 + R 23 ))
It becomes. By setting the discharge time constant τ, the maximum voltage of the peak hold voltage V o2 can be held for a certain period of time. As a result, the microprocessor does not necessarily have to perform sampling at a frequency equivalent to the inverter current, so the burden on the microprocessor can be reduced by lowering the sampling frequency. In the first embodiment, the time constant τ is set to several ms in view of the switching frequency described below.
以上、本実施形態1に係るモータ駆動用インバータ装置の構成について説明した。なお本発明における「電流検出回路」は、シャント抵抗8、増幅回路30、ピークホールド回路31がこれに相当する。 The configuration of the motor drive inverter device according to the first embodiment has been described above. The “current detection circuit” in the present invention corresponds to the shunt resistor 8, the amplifier circuit 30, and the peak hold circuit 31.
図2は、図1に示す回路においてインバータ電流を検出する動作を説明するタイミングチャートである。以下、図2に示す各信号について説明する。 FIG. 2 is a timing chart for explaining the operation of detecting the inverter current in the circuit shown in FIG. Hereinafter, each signal shown in FIG. 2 will be described.
モータ7を回転させるためには、インバータ出力端子11〜13に三相交流電流を流す必要がある。三相交流電流は、スイッチ1〜6をON/OFFすることによって生成することができる。スイッチ1〜6のスイッチングパターンは以下に示す28通り存在する。
(1)スイッチ1:ON/スイッチ4、6少なくとも片方:ON
(2)スイッチ3:ON/スイッチ2、6少なくとも片方:ON
(3)スイッチ5:ON/スイッチ2、4少なくとも片方:ON
(4)スイッチ1、3、5がすべてON/またはスイッチ2、4、6がすべてON
In order to rotate the
(1) Switch 1: ON / Switch 4, 6 At least one: ON
(2) Switch 3: ON / Switch 2, 6 At least one: ON
(3) Switch 5: ON / Switch 2, 4 At least one: ON
(4) Switches 1, 3, 5 are all ON / or switches 2, 4, 6 are all ON
図2では、1例としてスイッチ1がON、スイッチ6がONとなり、モータ7に電流が流れた時の様子を示した。各スイッチのON時間幅が異なるのは、このオン時間幅によって、インバータ出力電圧を制御するためである。これは一般に、PWM(Pulse Width Modulation)制御と呼ばれる。
In FIG. 2, as an example, a state in which the switch 1 is turned on and the switch 6 is turned on and a current flows through the
また図2では、スイッチ1がONする区間43、スイッチ2がONする区間42、スイッチ5がONする区間45、スイッチ6がONする区間44を示した。前述のように、モータ7の各相に対応する2個のスイッチのうち、少なくとも片方は必ずONさせることが原則である。しかし、素子のバラツキによっては、同一の相に対応するスイッチが同時にONして短絡することがあるため、各相2個のスイッチにはともにOFFとなる時間帯40が設けられている。これを、短絡防止時間またはデッドタイムと呼ぶ。この時間は、一般的に1〜3μs程度である。
2 shows a
図2では、区間43と区間44の両端がオーバーラップしている区間41がある。この区間41では、バッテリ9の陽極側、シャント抵抗8、スイッチ1、モータ7の電気子巻線、スイッチ6、バッテリ9の陰極側で電流経路ができて電流が流れ、モータ7の回転力が発生する。
In FIG. 2, there is a
図3は、モータ7の動作を示すベクトル図である。ここでは、モータ7は非突極型永久磁石同期モータとする。64〜66はモータ7内の電気子巻線、67はモータ内の永久磁石、69は永久磁石が回転することによって発生する磁束、74は磁束が回転することによって電気子巻線に発生する速度起電力ベクトル、62はインバータ出力ベクトル、68はインバータ出力ベクトル62を基準とした界磁磁束69までの位相角、71はインバータ出力ベクトルと速度起電力74との負荷角、73は電気子電流を回転軸座標系に変換したd軸電流、72は電気子電流を回転座標系に変換した時のq軸電流である。
FIG. 3 is a vector diagram showing the operation of the
モータに発生するトルクTは、d軸に電流を流さないとすると、
T=p(モータ極対数)×Iq×Φm
となり、電気子巻線に流す電流に比例することがわかる。
The torque T generated in the motor is assumed to flow no current through the d-axis.
T = p (number of motor pole pairs) × Iq × Φm
Thus, it can be seen that it is proportional to the current flowing through the electric coil.
電気子巻線に流す電流量は、図2における区間41(PWM信号がONになっている時間)に比例する。したがって、小トルクを必要とする時は区間41を狭くし、大トルクを必要とするときは区間41を広くし、通電する電流を調整する必要がある。
The amount of current flowing through the armature winding is proportional to the section 41 (time during which the PWM signal is ON) in FIG. Therefore, when the small torque is required, the
以上のことから、小トルク領域では区間41が狭いため、シャント抵抗に発生する電位差Vshunt46の周波数は高くなる。大トルク領域では、区間41が広いため、シャント抵抗に発生する電位差Vshunt46の周波数は低くなる。このVshunt46のduty変化に対応するため、帯域の広いオペアンプ21が必要となる。
From the above, since the
前述したように、シャント抵抗8にインバータ電流が流れるときの両端電位差Vshunt46は数十mVの微小信号である。信号47は、オペアンプ21を介して増幅された電圧(本実施形態1では12倍)である。 As described above, the potential difference V shunt 46 when the inverter current flows through the shunt resistor 8 is a small signal of several tens of mV. The signal 47 is a voltage amplified by the operational amplifier 21 (12 times in the first embodiment).
本発明では、後段のピークホールド回路31にゲインを持たせているため、信号48は、信号47をさらに増幅(本実施形態1では2倍)した信号である。信号48はダイオード26を経由し、コンデンサ27に充電される。バッテリ9からの供給電流が無くなったとき、またはインバータ電流値が下がった時、ダイオード26はカットオフする。このとき、コンデンサ27に充電された電荷が放電される。図2の区間50は、その放電時間を表している。
In the present invention, since gain is given to the peak hold circuit 31 in the subsequent stage, the signal 48 is a signal obtained by further amplifying the signal 47 (doubled in the first embodiment). The signal 48 is charged in the
近年のインバータは、インバータから発生する歪み高調波を低減するため、スイッチング周波数は数十kHzと高い。そこで、本実施形態1では、放電時間50の時定数τを、PWM周期より十分大きく設定する。これにより、ピークホールド回路31は、シャント抵抗8を通電する電位差の最大値を、PWM周期よりも長い時間保持することができる。 In recent years, in order to reduce distortion harmonics generated from the inverter, the switching frequency is as high as several tens of kHz. Therefore, in the first embodiment, the time constant τ of the discharge time 50 is set sufficiently larger than the PWM cycle. Thereby, the peak hold circuit 31 can hold the maximum value of the potential difference for energizing the shunt resistor 8 for a time longer than the PWM cycle.
図2のコンパレータ出力Vo251は、コンデンサ27の充放電過程を表している。コンデンサ27が放電するにともなって、コンデンサ27の両端電圧は最大値から次第に低下するが、放電時定数τを十分に大きくしておけば、インバータ電流の最大値に対応する信号レベルと略同等の信号レベルを提供することができる。
The comparator output V o2 51 in FIG. 2 represents the charging / discharging process of the
ピークホールド回路31がインバータ電流の最大値を上記時間保持しているので、マイクロプロセッサは必ずしもインバータ電流と同等の周波数でサンプリングを実施しなくとも、ピークホールド回路31が最大値を保持している間にサンプリングを実施すれば、インバータ電流の最大値を得ることができる。すなわち、マイクロプロセッサのサンプリング処理に係る負荷を低減することができる。 Since the peak hold circuit 31 holds the maximum value of the inverter current for the above time, the microprocessor does not necessarily perform sampling at the same frequency as the inverter current, while the peak hold circuit 31 holds the maximum value. If the sampling is performed, the maximum value of the inverter current can be obtained. That is, it is possible to reduce the load related to the sampling process of the microprocessor.
<実施の形態1:まとめ>
以上のように、本実施形態1に係る電流検出回路が備えるピークホールド回路31は、インバータ電流が最大値よりも小さくなることにより増幅回路30の出力が最大値より小さくなっている期間において、インバータ電流の最大値に対応する電圧値を所定時間保持する。これにより、マイクロプロセッサはインバータ電流の周波数よりも低い周期でサンプリングを実施することができるので、AD変換などの処理負担を抑えることができる。
<Embodiment 1: Summary>
As described above, the peak hold circuit 31 included in the current detection circuit according to the first embodiment includes the inverter in the period in which the output of the amplifier circuit 30 is smaller than the maximum value due to the inverter current being smaller than the maximum value. A voltage value corresponding to the maximum value of the current is held for a predetermined time. Thereby, since the microprocessor can perform sampling at a period lower than the frequency of the inverter current, it is possible to suppress a processing load such as AD conversion.
<実施の形態2>
実施形態1では、シャント抵抗8を流れる最大電流に対応する検出信号をピークホールド回路31が所定時間保持し、マイクロプロセッサのサンプリング負荷を軽減する構成例を説明した。本発明の実施形態2では、オペアンプ21の増幅率とコンパレータ25の増幅率のトレードオフについて説明する。各回路構成は、実施形態1と同様である。
<Embodiment 2>
In the first embodiment, the configuration example in which the peak hold circuit 31 holds the detection signal corresponding to the maximum current flowing through the shunt resistor 8 for a predetermined time to reduce the sampling load of the microprocessor has been described. In Embodiment 2 of the present invention, a trade-off between the amplification factor of the
図6は、オペアンプの一般的な周波数特性を示したものである。オペアンプには、入力された信号を設定したゲインで出力できる周波数範囲があり、これを利得帯域幅と呼ぶ。この周波数範囲より大きい周波数の入力信号が入力されると、一般的に−20dB/decでゲインが下がってしまう。 FIG. 6 shows a general frequency characteristic of the operational amplifier. An operational amplifier has a frequency range in which an input signal can be output with a set gain, which is called a gain bandwidth. When an input signal having a frequency larger than this frequency range is input, the gain generally decreases at −20 dB / dec.
図6に示すオペアンプ特性において、オープン時ゲイン帯域幅162は、約20kHz程度である。オペアンプ入力信号の周波数が20kHz以上である場合、この帯域制限にかかってしまい、目標レベルまで増幅されていない状態で信号が出力されてしまう。 In the operational amplifier characteristics shown in FIG. 6, the open-time gain bandwidth 162 is about 20 kHz. When the frequency of the operational amplifier input signal is 20 kHz or higher, this band limitation is imposed, and the signal is output in a state where it is not amplified to the target level.
すなわち、オペアンプのゲインを上げすぎると、増幅応答が遅くなり、目標レベルまで増幅されるまでに要する時間が長くなり、入力信号の周波数が高くなると追従することができなくなってしまう。先述の通りシャント抵抗108に流れるインバータ電流は比較的高周波であるため、オペアンプ120のゲインをあまり大きくすることはできない。
That is, if the gain of the operational amplifier is increased too much, the amplification response becomes slow, the time required for amplification to the target level becomes long, and if the frequency of the input signal becomes high, it becomes impossible to follow. As described above, since the inverter current flowing through the
そこで実際は、フィードバックによるゲインを下げることにより、オペアンプの帯域幅を広げる。図6に示す特性の場合、フィードバック時ゲインを25dB程度に設定することにより、帯域幅を約200kHzまで広げることができる。 Therefore, in practice, the bandwidth of the operational amplifier is increased by lowering the gain by feedback. In the case of the characteristic shown in FIG. 6, the bandwidth can be expanded to about 200 kHz by setting the feedback gain to about 25 dB.
一方、マイクロプロセッサが備える入力端子の入力電圧は数V程度であるため、検出信号に基づきインバータ電流を求めるには、マイクロプロセッサの分解能の観点から、シャント抵抗108の両端電圧を数V程度まで増幅することが望ましい。実際のシャント抵抗108の両端電圧は例えば数十mV程度であるため、オペアンプの増幅率も相応に高くする必要がある。
On the other hand, since the input voltage of the input terminal of the microprocessor is about several volts, in order to obtain the inverter current based on the detection signal, the voltage across the
ところが、上記オペアンプの帯域制限により、オペアンプの増幅率は制約を受ける。反面、近年のインバータは上述の通りPWM周波数が数十kHz程度と高く、これにともないインバータ電流の周波数も数MHz程度と高くなる。したがって、オペアンプのゲインを高くし過ぎると、オペアンプが高周波数に追従することができなくなり、応答の線形性が劣化する。 However, the amplification factor of the operational amplifier is restricted due to the band limitation of the operational amplifier. On the other hand, in recent inverters, the PWM frequency is as high as several tens of kHz as described above, and the frequency of the inverter current is also as high as several MHz. Therefore, if the gain of the operational amplifier is too high, the operational amplifier cannot follow a high frequency, and the linearity of the response deteriorates.
さらに、先に説明したように、小トルク領域ではPWMのON周期が短く、インバータ電流は高周波となり、大トルク領域ではPWMのON周期が長く、インバータ電流は低周波となる。したがって、大トルク領域では、オペアンプはインバータ電流を検出するのに十分な増幅応答で信号を増幅することができるが、小トルク領域では、インバータ電流を検出するのに十分な増幅応答を発揮することができず、本来想定している増幅値を得ることができない。その結果、インバータ電流の検出誤差が大きくなってしまう。 Furthermore, as described above, in the small torque region, the PWM ON cycle is short and the inverter current is high frequency, and in the large torque region, the PWM ON cycle is long and the inverter current is low frequency. Therefore, in the large torque region, the operational amplifier can amplify the signal with an amplification response sufficient to detect the inverter current, but in the small torque region, it exhibits an amplification response sufficient to detect the inverter current. Therefore, the amplification value originally assumed cannot be obtained. As a result, the detection error of the inverter current becomes large.
図7は、図5に示す従来の電流検出回路においてインバータ電流を検出する動作を説明するタイミングチャートである。以下、図7に示す各信号について説明する。なお、区間141〜145は、図2における区間41〜45に対応する。シャント抵抗108の両端電位差をVshunt146、オペアンプ120の増幅目標レベルを148、オペアンプ120の実際の出力Vo1を147とする。
FIG. 7 is a timing chart for explaining the operation of detecting the inverter current in the conventional current detection circuit shown in FIG. Hereinafter, each signal shown in FIG. 7 will be described. Note that the
図7において、オペアンプ120の出力Vo1は、図2のコンパレータ出力48のように垂直に立ち上がらずにやや遅れて応答していることが分かる。そのため、シャント抵抗108が通電している区間内に、オペアンプ120の出力は目標レベル148に到達していない。これは、オペアンプ120のゲインを大きくし過ぎ、増幅応答が遅れたことによる。
In FIG. 7, it can be seen that the output V o1 of the
図8は、オペアンプ120の増幅応答が遅れる現象をグラフで示した図である。誤差171は、理論値170とオペアンプ出力172との差である。微小電流領域では誤差171が大きく、大電流領域では誤差172が減る。これは、大電流領域ではPWMのパルス幅が広くなり、インバータ電流の周波数が低下することによる。
FIG. 8 is a graph showing a phenomenon in which the amplification response of the
以上の課題を解決するためには、オペアンプ120のゲインを下げて増幅応答を上げることが必要になる。しかし、オペアンプ120のゲインを単純に下げると、得られる信号レベルが下がるので、マイクロプロセッサがインバータ電流を検出する際の分解能がその分だけ低下する。
In order to solve the above problems, it is necessary to lower the gain of the
例えば、マイクロプロセッサの分解能を1.25mV/LSB、バッテリ109の電流を100A、シャント抵抗108の抵抗値を0.5mΩと仮定する。この場合、シャント抵抗108両端電位差Vinは、
Vin=100(A)×0.5(mΩ)=50(mV)
となる。オペアンプ120のゲインを24倍とすると、マイクロプロセッサに入力される電圧最大値Vmaxは、
Vmax=50(mV)×24(倍)=1.2(V)=960LSB
となる。この場合のマイクロプロセッサの分解能は、
100(A)/960(LSB)=104(mA/LSB)
となる。
For example, assume that the resolution of the microprocessor is 1.25 mV / LSB, the current of the
Vin = 100 (A) × 0.5 (mΩ) = 50 (mV)
It becomes. When the gain of the
Vmax = 50 (mV) × 24 (times) = 1.2 (V) = 960 LSB
It becomes. The resolution of the microprocessor in this case is
100 (A) / 960 (LSB) = 104 (mA / LSB)
It becomes.
これに対し、オペアンプ120のゲインを12倍とすると、
Vmax=50(mV)×12(倍)=600(mV)=480(LSB)
となる。この場合のマイクロプロセッサの分解能は、
100(A)/480(LSB)=208(mA/LSB)
となる。そのため、ゲインが24倍であるときと同等の分解能を得ようとすると、AD変換器の分解能はゲインが24倍であるときの2倍の性能が必要となる。
On the other hand, if the gain of the
Vmax = 50 (mV) × 12 (times) = 600 (mV) = 480 (LSB)
It becomes. The resolution of the microprocessor in this case is
100 (A) / 480 (LSB) = 208 (mA / LSB)
It becomes. For this reason, in order to obtain the same resolution as when the gain is 24 times, the resolution of the AD converter needs to be twice that of the gain when the gain is 24 times.
これに対し、本発明に係る電流検出回路は、ピークホールド回路31が増幅作用を有するので、増幅機能を増幅回路30とピークホールド回路31で分担し、増幅回路30のゲインを低くすることができる。したがって、増幅回路30の増幅応答性能を確保し、インバータ電流の周波数が高い区間でも、正確にこれを検出することができる。 On the other hand, in the current detection circuit according to the present invention, since the peak hold circuit 31 has an amplification function, the amplification function can be shared by the amplification circuit 30 and the peak hold circuit 31 and the gain of the amplification circuit 30 can be lowered. . Therefore, the amplification response performance of the amplifier circuit 30 can be ensured, and this can be accurately detected even in a section where the frequency of the inverter current is high.
<実施の形態2:まとめ>
以上のように、本発明に係る電流検出回路において、増幅回路30は、増幅率を上げると増幅応答が遅れる特性を有しており、同増幅率は、インバータ電流を検出することができるのに十分な増幅応答を発揮できるような値に設定されている。具体的には、インバータ電流の最大周波数よりも速い周期で規定の増幅レベルを出力することができる程度の増幅率に設定されている。これにより、インバータ電流の周波数が高くなっても、確実にこれを検出することができる。
<Embodiment 2: Summary>
As described above, in the current detection circuit according to the present invention, the amplification circuit 30 has a characteristic that the amplification response is delayed when the amplification factor is increased. The amplification factor can detect the inverter current. The value is set so that a sufficient amplification response can be exhibited. Specifically, the amplification factor is set such that a specified amplification level can be output at a cycle faster than the maximum frequency of the inverter current. Thereby, even if the frequency of an inverter current becomes high, this can be detected reliably.
また、本発明に係る電流検出回路において、ピークホールド回路31の増幅率は、増幅回路30の増幅率よりも低く設定することが望ましい。これは、ピークホールド回路31がコンデンサ27を有することに起因する。コンデンサ27は一般に遅延特性を有するので、ピークホールド回路31の増幅率を大きくすると、その遅延分も同時に増幅してしまうからである。すなわち、増幅回路30の増幅率とピークホールド回路31の増幅率は、トレードオフの関係にある。各増幅率をどのような値に設定するかは、モータ駆動用インバータ装置の具体的な仕様などに基づき定める必要がある。
In the current detection circuit according to the present invention, it is desirable that the amplification factor of the peak hold circuit 31 is set lower than the amplification factor of the amplification circuit 30. This is because the peak hold circuit 31 includes the
1〜6:スイッチング素子、7:ACモータ、8:シャント抵抗、9:バッテリ、10:基準電圧、14:ゲイン設定用抵抗、15:電流制限用抵抗、16:定電圧クランプ用抵抗、17:クランプ用抵抗、18:定電圧電源、19:分圧抵抗、20:電流制限用抵抗、21:オペアンプ、22:帰還抵抗、23:電流制限用抵抗、24:ゲイン設定用抵抗、25:コンパレータ、26:ダイオード、27:コンデンサ、28:放電用抵抗、29:インバータ主回路、30:増幅回路、31:ピークホールド回路、62:インバータ出力ベクトル、64〜66:電気子巻線、67:永久磁石、69:磁束、68:位相角、69:界磁磁束、71:負荷角、72:q軸電流、73:d軸電流、74:速度起電力ベクトル、101〜106:スイッチング素子、107:ACモータ、108:シャント抵抗、109:バッテリ、113:ゲイン設定用抵抗、114:電流制限用抵抗、115:定電圧発生回路、116:定電圧クランプ抵抗、117:定電圧クランプ抵抗、118:分圧抵抗、119:帰還抵抗、120:オペアンプ。 1-6: Switching element, 7: AC motor, 8: Shunt resistor, 9: Battery, 10: Reference voltage, 14: Gain setting resistor, 15: Current limiting resistor, 16: Constant voltage clamping resistor, 17: Clamping resistor, 18: constant voltage power supply, 19: voltage dividing resistor, 20: current limiting resistor, 21: operational amplifier, 22: feedback resistor, 23: current limiting resistor, 24: gain setting resistor, 25: comparator, 26: Diode, 27: Capacitor, 28: Discharge resistor, 29: Inverter main circuit, 30: Amplifier circuit, 31: Peak hold circuit, 62: Inverter output vector, 64-66: Electron winding, 67: Permanent magnet 69: magnetic flux, 68: phase angle, 69: field magnetic flux, 71: load angle, 72: q-axis current, 73: d-axis current, 74: velocity electromotive force vector, 101-106: switch Ching element, 107: AC motor, 108: shunt resistor, 109: battery, 113: gain setting resistor, 114: current limiting resistor, 115: constant voltage generation circuit, 116: constant voltage clamp resistor, 117: constant voltage clamp Resistor, 118: voltage dividing resistor, 119: feedback resistor, 120: operational amplifier.
Claims (4)
前記インバータに電流を供給する電源の陽極側と前記スイッチング素子の間に配置された電流検出抵抗と、
前記電流検出抵抗の両端電圧を増幅する増幅回路と、
前記増幅回路が出力する信号の最大値を保持するとともに前記増幅回路が出力する信号を増幅するピークホールド回路と、
を備え、
前記ピークホールド回路は、
前記電源が前記インバータに供給する電流値を示す検出信号を当該電流検出回路の外部に出力し、
前記増幅回路が出力する信号の信号レベルが最大値より低いレベルとなっている期間において、所定時間の間は、前記最大値を示す信号レベルを保持しつつ当該電流検出回路の外部に前記検出信号を出力し続け、
前記増幅回路は、
増幅率を上げるにつれて増幅応答が遅れる特性を有し、
前記電源が供給する電流の周波数が最も高いときの最大電流値を検出することができるだけの増幅応答性能を有するように増幅率が設定されている
ことを特徴とする電流検出回路。 A current detection circuit for detecting a current flowing through an inverter having a switching element,
A current detection resistor disposed between an anode side of a power source that supplies current to the inverter and the switching element;
An amplifier circuit for amplifying the voltage across the current detection resistor;
A peak hold circuit that holds the maximum value of the signal output from the amplifier circuit and amplifies the signal output from the amplifier circuit;
With
The peak hold circuit is:
A detection signal indicating a current value supplied to the inverter by the power source is output to the outside of the current detection circuit;
During a period when the signal level of the signal output from the amplifier circuit is lower than the maximum value, the detection signal is held outside the current detection circuit while maintaining the signal level indicating the maximum value for a predetermined time. Output,
The amplifier circuit is
The amplification response is delayed as the amplification factor is increased.
An amplification factor is set so as to have an amplification response performance capable of detecting a maximum current value when the frequency of a current supplied from the power supply is the highest.
前記増幅回路が出力する信号を増幅する増幅器と、
前記増幅器の出力端を前記増幅器の入力端に接続するフィードバック抵抗と、
前記増幅器の出力端と前記フィードバック抵抗の間に配置されたダイオードと、
前記ダイオードの出力端に接続されたコンデンサと、
を備え、
前記ダイオードは、
前記増幅器からの出力が所定レベル以下に下がると非通電状態となり、
前記コンデンサは、
前記ダイオードが通電しているときは電荷を充電し、
前記ダイオードが非通電状態になると電荷を放出して当該電流検出回路の外部に前記最大値を有する検出信号を出力する
ことを特徴とする請求項1記載の電流検出回路。 The peak hold circuit is:
An amplifier for amplifying a signal output from the amplifier circuit;
A feedback resistor connecting the output of the amplifier to the input of the amplifier;
A diode disposed between the output of the amplifier and the feedback resistor;
A capacitor connected to the output terminal of the diode;
With
The diode is
When the output from the amplifier falls below a predetermined level, it becomes a non-energized state,
The capacitor is
When the diode is energized, charge the charge,
The current detection circuit according to claim 1, wherein when the diode is in a non-energized state, the current is discharged and the detection signal having the maximum value is output to the outside of the current detection circuit.
ことを特徴とする請求項1または2記載の電流検出回路。 The current detection circuit according to claim 1, wherein an amplification factor of the peak hold circuit is set lower than an amplification factor of the amplification circuit.
前記インバータと、
を備え、
前記インバータからモータに交流電流を供給することによって前記モータを駆動する
ことを特徴とするモータ駆動装置。 A current detection circuit according to any one of claims 1 to 3,
The inverter;
With
A motor driving apparatus that drives the motor by supplying an alternating current from the inverter to the motor.
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