JP2006266738A - 感度切換型センサ回路及び感度切換型センサ回路を用いる電子回路装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ゲイン切換時の信号急変を大幅に低減可能な感度切換型センサ回路を提供する。
【解決手段】電流センサ回路１は、高ゲインのアンプ１１と低ゲインのアンプ１２とを有して、マイクロコンピュータ２は、電流ｉが小さい領域にてアンプ１１からの第１電流（第１信号ｘ）を用いて検出信号ｚを決定し、電流ｉが大きい領域ではアンプ１２からの第２電流（第２信号ｙ）を用いて検出信号ｚを決定する。更に、この実施例では、第１電流（第１信号ｘ）と第２電流（第２信号ｙ）との切換を行う信号遷移領域において、切換を緩慢に行うために第１電流（第１信号ｘ）と第２電流（第２信号ｙ）とを入力変数とする重み付け関数の値を電流ｉ（検出信号ｚ）として用い、この重み付け関数の重み係数ｋを電流が増大するにつれて、第２電流（第２信号ｙ）の影響が大きくなるように連続的に変化させる。
【選択図】図２

Description

本発明は、入力される電流や電圧などの入力状態量が小さい場合に高感度（高感度）の検出動作を行い、入力状態量が大きい場合に低感度（低ゲイン）の検出動作を行う感度切換型センサ回路に関する。

下記の特許文献１、２に記載されるＥＰＳ制御装置やそのほかの車載モータ制御装置では、モータ電流を検出してそれを目標電流値（トルク指令）に収束させるフィードバック制御を行う。このようなモータ電流のフィードバック制御では、目標電流値が小さい電流制御レンジでは目標電流値の小さい変化に応じて精密にモータ電流を発生させる高精度の電流制御を行う必要がある場合が多い。しかし、目標電流値が大きい電流制御レンジでは発生するモータトルクの絶対量が大きいため目標電流値の小変化に追従してモータ電流を高精度に制御する必要が無いのが通常である。

この事実を利用して、小電流レンジでは高精度の電流検出を行い、大電流レンジでは相対的に低精度の電流検出を行うことにより、制御すべき全電流範囲において高密度にモータ電流を検出するためのダイナミックレンジ広くかつ高精度な電流検出装置をより低価格な装置に代替し、また、電流検出装置とこの電流検出装置の出力を用いる信号処理装置（たとえばマイクロコンピュータ）との間の信号通信ビットレートも減らすことができ、演算処理も簡素化することができる感度切換型の電流検出回路が提案されている。

この感度切換型センサ回路は、上記したモータ電流以外に種々の電流、電圧やその他の入力状態量の検出において有用であり、更に車載以外の用途においても特にコストパーフォーマンスの点で有用であった。
特開２００３−２２２２号公報 特開２００２−１２１５７号公報

しかしながら、上記した従来の感度切換型センサ回路では、入力状態量（たとえば電流）が小さくセンサ回路のゲインが大きくされる高ゲイン領域と、入力状態量が大きくセンサ回路のゲインが小さくされる低ゲイン領域との間の切換えに際して、ゲインを発生するアンプのゲインばらつきや種々の回路誤差などにより切換前後において無視できない検出信号の変動が生じることがわかった。つまり、切換前後において入力状態量の変化はわずかであるにもかかわらず検出信号の値がステップ上に変化する現象が生じた。

このようなセンサの出力信号がゲイン切換時前後で急変してしまうと、モータ制御においてはモータトルクの急変を招き、たとえばＥＰＳでは微妙な操舵フィーリングの違和感を発生させるという問題があった。更に、他のセンサ出力検出においても、同様の不具合を派生させることは言うまでもない。

この問題を解決するために、感度切換型センサ回路の低ゲイン側の電子回路部と高ゲイン側の電子回路部との製造公差や温度変動などを低減するなどの対策を取ることも考えられるが、このような対策は、歩留まりの低下や部品調達コストの増大を招くために特殊な用途以外においては実用的とは言えなかった。

本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、入力信号の大きさに応じて行われるゲイン切換時の信号急変を大幅に低減可能な感度切換型センサ回路を提供することをその目的としている。

上記課題を解決するこの発明の感度切換型センサ回路は、入力状態量iに対してゲインG1を有して第１信号ｘを比例出力する第１検出回路と、前記入力状態量iに対してゲインG2を有して第２信号ｙを比例出力する第２検出回路と、前記第１信号ｘ又は第２信号ｙの大きさに基づいて前記第１信号と前記第２信号とを切り替えて前記入力状態量の検出信号zとして出力することにより前記検出信号zの必要ダイナミックレンジを圧縮する出力切換回路とを備え、前記入力状態量ｉの所定単位量に対する前記第１信号ｘの大きさで定義される前記第１検出回路のゲインＧ１は、前記入力状態量ｉの所定単位量に対する前記第２信号ｙの大きさで定義される前記第２検出回路のゲインＧ２よりも高く設定されている感度切換型センサ回路において、
前記出力切換回路は、前記第１信号ｘ又は第２信号ｙが小さい場合に前記第１信号ｘのみを選択して前記検出信号zとして出力する高ゲイン領域と、前記第１信号ｘ又は第２信号ｙが大きい場合に前記第２信号ｙのみを前記検出信号zとして出力する低ゲイン領域と、前記高ゲイン領域と低ゲイン領域との間に設けられるとともに、前記第１信号ｘと前記第２信号ｙとを入力変数とする所定の重み付け関数ｆ（ｘ、ｙ）の値を前記検出信号ｚとして出力することにより、前記検出信号ｚが前記第１信号ｘと前記第２信号ｙとの両方の影響を受けた値となる中間ゲイン領域とを有することを特徴としている。

すなわち、この発明の感度切換型センサ回路は、高ゲイン領域と低ゲイン領域との境界領域にて、低ゲイン領域から高ゲイン領域への切換に際して、
第１信号ｘと第２信号ｙとを一挙に切り替えるのではなく、検出信号ｚへの第１信号ｘ及び第２信号ｙの影響を連続的又は段階的に変更することにより、徐々に切り替える。このようにすれば、たとえ、第１の検出回路又は第２の検出回路のゲインにばらつきがあった場合でも、ゲイン切換えに際して検出信号ｚがステップ的に急変するのを問題なく防止することができる。更に、このような緩やかなゲイン切換えは、二つの検出回路から出力される第１信号ｘ及び第２信号ｙを簡単なハードウエア回路やソフトウエア処理により実現できるため、製造コストが大幅に増大することがなく、実用性に優れる。したがって、本発明によれば、製造コストの増大を抑止しつつ感度切換型センサ回路による上記効果を享受することができる。

好適態様において、前記重み付け関数ｆ（ｘ、ｙ）は、前記高ゲイン領域から前記低ゲイン領域へ遷移するにつれて前記検出信号ｚに対する前記第２信号ｙの影響が前記検出信号ｚに対する前記第１信号ｘの影響よりも連続的又は段階的に大きくなる関数である。これにより、ゲイン切換における検出信号ｚの急変を実質的に解消することができる。

好適態様において、前記重み付け関数ｆ（ｘ、ｙ）は、ｋ・ｘ／Ｇ１＋（１ーｋ）・ｙ／Ｇ２とされ、重み係数ｋは、０〜１の範囲内の値であり、かつ、前記高ゲイン領域近傍にて小さく、前記低ゲイン領域近傍にて大きく設定されている。これにより、感度切換型センサ回路の回路構成又は回路処理の複雑化を防止しつつ、円滑な切換が可能となる。

なお、重み係数ｋはたとえば０．５と言った一定値とされてもよく、連続的あるいは段階的に変化する値とされてもよい。

好適態様において、前記重み係数ｋは、前記第２信号ｙに応じて連続的に変化する値とされる。これにより、絶対値が小さく飽和しにくい第２信号ｙを用いて重み係数ｋを設定するため、システムの安定性に優れる。

好適態様において、前記重み係数ｋは、前記高ゲイン領域と前記信号遷移領域との境界にて１近傍の値とされ、前記低ゲイン領域と前記信号遷移領域との境界にて０近傍の値とされる。これにより、高ゲイン領域と信号遷移領域と低ゲイン領域との間の切換において検出信号ｚの急変を抑止することができる。

好適態様において、前記第１検出回路から第１信号ｘが入力される第１入力ポートと、前記第２検出回路から前記第２信号ｙが入力される第２入力ポートとをもつアクチエータ制御用のマイクロコンピュータを有し、前記マイクロコンピュータは、入力された前記第１信号ｘ及び第２信号ｙ及び所定の内蔵プログラムに基づいて前記検出信号ｚを演算する。このようにすれば、信号遷移領域における緩やかな感度切換処理を、検出信号ｚに基づいてたとえばモータなどのアクチエータを駆動制御するマイコンのソフトウエア処理にて実現できるため、製造コストや回路構成の複雑化を防止することができる。

上記説明した各発明を下記の実施例を用いて具体的に説明する。ただし、本発明は下記の実施例に限定されるものではなく、他の公知技術又はそれと同等の技術の組み合わせにより本発明の技術思想を実現してもよいことは明らかである。

この実施形態の感度切換型センサ回路を用いるマイコン制御装置の部分ブロック回路図を図１を参照して説明する。ｒは入力状態量ｉとしての電流iを検出するシャント抵抗であり、シャント抵抗ｒの電圧降下ΔVは電流センサ回路１によりデジタル信号に変換されてアクチエータ制御用のマイクロコンピュータ２の入出力インターフェイスの入力ポートに出力される。なお、このマイクロコンピュータ２は、車両用のＥＰＳ装置の操舵アシストトルク制御装置をなし、図示しないアクチエータとしての操舵アシストトルク発生用のモータの電流を操舵力に比例して高精度に制御することにより、操舵力に比例した操舵アシストトルクを発生させる。

電流センサ回路１は、入力される電圧降下ΔVの低周波数成分を抽出するRCローパスフィルタ１０と、このＲＣローパスフィルタ１０の出力をそれぞれ所定のゲインで電圧増幅する第１アンプ１１及び第２アンプ１２と、第１アンプ１１の出力電圧の低周波成分を抽出するＲＣローパスフィルタ１３と、第２アンプ１２の出力電圧の低周波成分を抽出するＲＣローパスフィルタ１４と、両ＲＣローパスフィルタ１３、１４の出力電圧を個別にデジタル信号に変換するA/Dコンバータ１５、１６とからなる。第１アンプ１１のゲインすなわち電圧増幅率は９２とされ、第２アンプ１２のゲインは２０とされる。

この実施例のＡ/Ｄコンバータ１５、１６は、８ビットのデジタル信号をマイクロコンピュータ２の入出力インターフェイスに出力し、マイクロコンピュータ２は、Ａ/Ｄコンバータ１５からの８ビットのデジタル信号である第１電流（第１信号ｘ）と、Ａ/Ｄコンバータ１６からの８ビットのデジタル信号である第２電流（第２信号ｙ）とに基づいて、電流i（検出信号ｚ）を検出する。マイクロコンピュータ２による第１電流（第１信号ｘ）及び第２電流（第２信号ｙ）に基づく電流ｉ（検出信号ｚ）の算出処理を図２に示すフローチャートを参照して以下に説明する。なお、この算出処理により算出される電流ｉ（検出信号ｚ）は、第１電流（第１信号ｘ）や第２電流（第２信号ｙ）のビット数よりも大きいビット数たとえば１２ビットのビット数で表示されるものとする。

まず、第１電流（第１信号ｘ）と第２電流（第２信号ｙ）とを読み込み（Ｓ１００）、第１電流（第１信号ｘ）が信号遷移領域の下限値iL未満かどうか、かつ、第２電流（第２信号ｙ）が信号遷移領域の上限値iＨ以上かどうかを判定する（Ｓ１０２）。なお、ここで言う信号遷移領域の下限値iLとは、電流ｉ（検出信号ｚ）として第１電流（第１信号ｘ）のみを用いる高ゲイン領域と、電流ｉ（検出信号ｚ）として第１電流（第１信号ｘ）と第２電流（第２信号ｙ）との両方を用いる信号遷移領域との境界を示す第１電流（第１信号ｘ）のしきい値である。

また、信号遷移領域の上限値iHとは、電流ｉ（検出信号ｚ）として第２電流（第２信号ｙ）のみを用いる低ゲイン領域と、電流ｉ（検出信号ｚ）として第１電流（第１信号ｘ）と第２電流（第２信号ｙ）との両方を用いる信号遷移領域との境界を示す第２電流（第２信号ｙ）のしきい値である。

第１電流（第１信号ｘ）が信号遷移領域の下限値iＬよりも小さければ、電流ｉ（検出信号ｚ）として第１電流（第１信号ｘ）のみを選択するべく重み係数ｋを１にセットしてステップＳ１１０に進む（Ｓ１０４）。また、第２電流（第２信号ｙ）が信号遷移領域の上限値iＨ以上であれば、電流ｉ（検出信号ｚ）として第２電流（第２信号ｙ）のみを選択するべく重み係数ｋを０にセットしてステップＳ１１０に進む（Ｓ１０６）。また、
第１電流（第１信号ｘ）が信号遷移領域の下限値iＬ以上、かつ、第２電流（第２信号ｙ）が信号遷移領域の上限値iＨ未満であれば、ステップＳ１０８に進み、あらかじめ記憶する第２電流（第２信号ｙ）と重み係数ｋとの関係を示すマップにこの読み込んだ第２電流（第２信号ｙ）を代入して重み係数ｋを求め（Ｓ１０８）、ステップＳ１１０に進む。

ステップＳ１１０では、求めた重み係数ｋ、第１電流（第１信号ｘ）、第２電流（第２信号ｙ）を、i=ｋ・ｘ／Ｇ１＋（１ーｋ）・ｙ／Ｇ２の式に代入して電流ｉ（検出信号ｚ）を算出し、ルーチンを終了する。前述したように、ゲインＧ１は９２であり、ゲインＧ２は２０である。なお、ステップＳ１０８にて重み係数ｋの決定に第２電流（第２信号ｙ）の代わりに第１電流（第１信号ｘ）を採用してもよく、あるいは第１電流（第１信号ｘ）と第２電流（第２信号ｙ）とを入力変数とする所定の関数の値を採用してもよい。

この実施例では、第２電流（第２信号ｙ）と重み係数ｋとの上記マップにおいて、上記した第１電流（第１信号ｘ）が信号遷移領域の下限値iＬ近傍にてｋは１に近い値（たとえば０．９以上）とされることが好ましい。これは、高ゲイン領域と信号遷移領域との間において電流ｉ（検出信号ｚ）の急変が生じないようにするためである。同様に、第１電流（第１信号ｘ）と重み係数ｋとの上記マップにおいて、上記した第２電流（第２信号ｙ）が信号遷移領域の上限値iＨ近傍にてｋは０に近い値（たとえば０．１以下）とされることが好ましい。これは、低ゲイン領域と信号遷移領域との間において電流ｉ（検出信号ｚ）の急変が生じないようにするためである。更に、信号遷移領域において、合成感度は連続的に変化することが好適である。１ＬＳＢ当たりの電流ｉの大きさすなわち分解能と電流ｉ（検出信号ｚ）との関係の好適例を図３に示す。

（変形態様）
上記説明したこの実施例において種々の変更が可能である。たとえば、図２に示すステップＳ１１０において、電流ｉ（検出信号ｚ）としてＧ２・iを検出信号ｚとしてその後の演算に用いるのであれば、i=ｋ・ｘ／Ｇ１＋（１ーｋ）・ｙ／Ｇ２の代わりに、Ｇ２・i＝ｋ・ｘ・Ｇ２／Ｇ１＋（１ーｋ）・ｙの式を演算すればよく、演算が簡単となる。また、Ｇ２／Ｇ１をあらかじめ算出して記憶しておけば、時間が掛かる割り算処理をいちいち行う必要がない。更に、Ｇ２／Ｇ１が整数あるいは簡単な少数となるように設定しておけば更に演算が簡単となる。

以上説明したこの実施例の電流検出方式は、低ゲインの第２電流（第２信号ｙ）の検出とマイクロコンピュータへの送信に加えて、特に小電流レンジにて高ゲインの第１電流（第１信号ｘ）も検出してマイクロコンピュータに並列送信することにより、電流検出回路とマイクロコンピュータとの間の通信系のビットレートを増大することなく電流検出ダイナミックレンジを増大するとともに、ゲイン切換に際して２信号間の切換を徐々に行うので、切換時の検出信号ｚの急変も防止できるため、実用性に優れている。

本発明の電流センサ回路を用いたマイクロコンピュータ装置の部分ブロック図である。 図１の電流センサ回路における電流検出処理を示すフローチャートである。 この実施例の好適な電流ゲインの緩慢な切換例を示す図である。

符号の説明

１ 電流センサ回路
２ マイクロコンピュータ
１０ ローパスフィルタ
１１ アンプ
１２ アンプ
１３ ローパスフィルタ
１４ ローパスフィルタ
１５ Ａ/Ｄコンバータ
１６ Ａ/Ｄコンバータ

Claims (6)

1. 入力状態量iに対してゲインG1を有して第１信号ｘを比例出力する第１検出回路と、
   前記入力状態量iに対してゲインG2を有して第２信号ｙを比例出力する第２検出回路と、
   前記第１信号ｘ又は第２信号ｙの大きさに基づいて前記第１信号と前記第２信号とを切り替えて前記入力状態量の検出信号zとして出力することにより前記検出信号zの必要ダイナミックレンジを圧縮する出力切換回路と、
   を備え、
   前記入力状態量ｉの所定単位量に対する前記第１信号ｘの大きさで定義される前記第１検出回路のゲインＧ１は、前記入力状態量ｉの所定単位量に対する前記第２信号ｙの大きさで定義される前記第２検出回路のゲインＧ２よりも高く設定されている感度切換型センサ回路において、
   前記出力切換回路は、
   前記第１信号ｘ又は第２信号ｙが小さい場合に前記第１信号ｘのみを選択して前記検出信号zとして出力する高ゲイン領域と、
   前記第１信号ｘ又は第２信号ｙが大きい場合に前記第２信号ｙのみを前記検出信号zとして出力する低ゲイン領域と、
   前記高ゲイン領域と低ゲイン領域との間に設けられるとともに、前記第１信号ｘと前記第２信号ｙとを入力変数とする所定の重み付け関数ｆ（ｘ、ｙ）の値を前記検出信号ｚとして出力することにより、前記検出信号ｚが前記第１信号ｘと前記第２信号ｙとの両方の影響を受けた値となる中間ゲイン領域と、
   を有することを特徴とする感度切換型センサ回路。
2. 請求項１記載の感度切換型センサ回路において、
   前記重み付け関数ｆ（ｘ、ｙ）は、
   前記高ゲイン領域から前記低ゲイン領域へ遷移するにつれて前記検出信号ｚに対する前記第２信号ｙの影響が前記検出信号ｚに対する前記第１信号ｘの影響よりも連続的又は段階的に大きくなる関数であることを特徴とする感度切換型センサ回路。
3. 請求項２記載の感度切換型センサ回路において、
   前記重み付け関数ｆ（ｘ、ｙ）は、
   ｋ・ｘ／Ｇ１＋（１ーｋ）・ｙ／Ｇ２とされ、
   重み係数ｋは、
   ０〜１の範囲内の値であり、かつ、前記高ゲイン領域近傍にて小さく、前記低ゲイン領域近傍にて大きく設定されていることを特徴とする感度切換型センサ回路。
4. 請求項３記載の感度切換型センサ回路において、
   前記重み係数ｋは、
   前記第２信号ｙに応じて連続的に変化する値とされることを特徴とする感度切換型センサ回路。
5. 請求項３又は４記載の感度切換型センサ回路において、
   前記重み係数ｋは、
   前記高ゲイン領域と前記信号遷移領域との境界にて１近傍の値とされ、前記低ゲイン領域と前記信号遷移領域との境界にて０近傍の値とされることを特徴とする感度切換型センサ回路。
6. 請求項１乃至５のいずれか記載の感度切換型センサ回路を用いる電子回路装置において、
   前記第１検出回路から第１信号ｘが入力される第１入力ポートと、前記第２検出回路から前記第２信号ｙが入力される第２入力ポートとをもつアクチエータ制御用のマイクロコンピュータを有し、
   前記マイクロコンピュータは、入力された前記第１信号ｘ及び第２信号ｙ及び所定の内蔵プログラムに基づいて前記検出信号ｚを演算することを特徴とすることを特徴とする感度切換型センサ回路を用いる電子回路装置。

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