JP2009281772A - Current sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、第1ホール素子および第2ホール素子を用いた電流センサに関する。 The present invention relates to a current sensor using a first Hall element and a second Hall element.
従来より、ホール素子を利用した電流センサを用いて、各種電気機器のライン電流の電流値を検出することが行われている。
この電流センサでは、具体的には、ギャップを有するコアを用意し、測定対象となるライン電流がコアの中心軸上を通過するように配置する。そして、ギャップの間にホール素子を配置し、このホール素子に制御電流を流す。
この電流センサによれば、ライン電流に比例して発生する磁力は、コアで収束されて、ホール素子を通過する。すると、このホール素子は、磁力を電圧に変換して、検出信号として出力する。
Conventionally, current values of line currents of various electric devices are detected using a current sensor using a Hall element.
In this current sensor, specifically, a core having a gap is prepared and arranged so that the line current to be measured passes on the central axis of the core. A Hall element is disposed between the gaps, and a control current is passed through the Hall element.
According to this current sensor, the magnetic force generated in proportion to the line current is converged by the core and passes through the Hall element. Then, this Hall element converts the magnetic force into a voltage and outputs it as a detection signal.
ところで、以上の電流センサを構成するホール素子には、部品較差、固体差等に伴う固有のオフセット電圧が存在する。 By the way, the Hall element constituting the above current sensor has a unique offset voltage due to component difference, individual difference, and the like.
そこで、ホール素子のオフセット電圧を予め測定しておき、この測定結果に基づいてオフセット電圧を除去する手法がある。この手法によれば、応答性を維持しつつオフセット電圧を除去できるが、このオフセット電圧は、周囲温度の変化や時間の経過に伴って変化するという特性があるため、一度設定したオフセット電圧のレベルが変化する場合があった。 Therefore, there is a method of measuring the offset voltage of the Hall element in advance and removing the offset voltage based on the measurement result. According to this method, the offset voltage can be removed while maintaining the responsiveness, but this offset voltage has a characteristic that it changes with changes in ambient temperature or the passage of time. Sometimes changed.
この問題を解決するため、ホール素子に流す制御電流の極性を切り換えるチョッピング制御を行って、出力された電流検出信号の差分値を求めることにより、ホール素子のオフセット電圧を除去する手法が提案されている(例えば、特許文献1参照)。
この手法によれば、周囲温度の変化や時間の経過などによりオフセット電圧のレベルが変化しても、このオフセット電圧を動的に除去できる。
According to this method, even if the level of the offset voltage changes due to a change in ambient temperature or the passage of time, the offset voltage can be removed dynamically.
しかしながら、特許文献1に示された手法では、電流の極性を切り換えるための時間や出力信号が安定するまでの時間、演算に必要な時間等が制約となり、チョッピング周波数を上げることに限界があった。よって、応答性が低くなる、という問題があった。 However, the method disclosed in Patent Document 1 has limitations in increasing the chopping frequency due to restrictions on the time for switching the polarity of the current, the time until the output signal is stabilized, the time required for the calculation, and the like. . Therefore, there is a problem that the responsiveness is lowered.
本発明は、オフセットを動的に除去できかつ応答性が高い電流センサを提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a current sensor that can dynamically remove an offset and has high response.
本発明の電流センサ(例えば、後述の電流センサ1)は、第1ホール素子(例えば、後述の第1ホール素子11)および第2ホール素子(例えば、後述の第2ホール素子21)を用いた電流センサであって、前記第1ホール素子から出力される第1センサ信号のゲインに、前記第2ホール素子から出力される第2センサ信号のゲインが一致するように、前記第2センサ信号のゲインを調整するゲイン調整手段(例えば、後述の補正値演算回路33および波形修正回路34)と、前記第2ホール素子に供給する電源の極性を切り換えるチョッピング制御を行い、前記ゲインを調整した第2センサ信号および極性が反転されてかつゲインを調整した反転第2センサ信号に基づいて、第2センサ信号のオフセット量を検出する第2センサ信号オフセット検出手段(例えば、後述の第2センサ信号オフセット検出回路35およびシーケンス制御回路41)と、前記第2センサ信号から前記オフセット量を除去する第2センサ信号オフセット除去手段(例えば、後述の減算器37)と、前記オフセット量が除去された第2センサ信号に基づいて、前記第1センサ信号のオフセット量を検出する第1センサ信号オフセット検出手段(例えば、後述の第1センサ信号オフセット検出回路38)と、前記第1センサ信号から前記オフセット量を除去する第1センサ信号オフセット除去手段(例えば、後述の減算器40)と、を備えることを特徴とする。
A current sensor (for example, a current sensor 1 described later) of the present invention uses a first Hall element (for example, a
この場合、前記第1センサ信号および前記第2センサ信号のそれぞれの最大値および最小値を検出するピーク検出手段(例えば、後述の第1ピーク検出回路31および第2ピーク検出回路32)を備え、前記ゲイン調整手段は、前記ピーク検出手段で検出した最大値および最小値に基づいて、それぞれのゲインを求めることが好ましい。
In this case, there is provided peak detection means (for example, a first
この場合、前記各オフセット検出手段と前記各オフセット除去手段との間に設けられ、前記各オフセット検出手段で検出したオフセット量をラッチするサンプルアンドホールド回路(例えば、後述のサンプルアンドホールド回路36、39)を備えることが好ましい。
In this case, a sample-and-hold circuit (for example, sample-and-
この発明によれば、以下の手順で、第1ホール素子の出力信号のオフセットを除去する。
まず、ゲイン調整手段により、第1ホール素子から出力される第1センサ信号のゲインに、第2ホール素子から出力される第2センサ信号のゲインが一致するように、第2センサ信号のゲインを調整する。
次に、第2センサ信号オフセット検出手段により、第2ホール素子をチョッピング制御して、ゲインを調整した第2センサ信号および極性が反転されてかつゲインを調整した反転第2センサ信号に基づいて、第2センサ信号のオフセット量を検出する。
次に、第2センサ信号オフセット除去手段により、第2センサ信号からオフセット量を除去する。
次に、第1センサ信号オフセット検出手段により、オフセット量が除去された第2センサ信号に基づいて、第1センサ信号のオフセット量を検出する。
次に、第1センサ信号オフセット除去手段により、第1センサ信号からオフセット量を除去する。
According to the present invention, the offset of the output signal of the first Hall element is removed by the following procedure.
First, the gain adjustment means adjusts the gain of the second sensor signal so that the gain of the second sensor signal output from the second Hall element matches the gain of the first sensor signal output from the first Hall element. adjust.
Next, the second sensor signal offset detecting means performs chopping control of the second Hall element, and based on the second sensor signal whose gain is adjusted and the inverted second sensor signal whose polarity is inverted and whose gain is adjusted, An offset amount of the second sensor signal is detected.
Next, the second sensor signal offset removing means removes the offset amount from the second sensor signal.
Next, the first sensor signal offset detection means detects the offset amount of the first sensor signal based on the second sensor signal from which the offset amount has been removed.
Next, the first sensor signal offset removing means removes the offset amount from the first sensor signal.
これにより、電流値を検出する第1ホール素子をチョッピング制御しないため、応答性が高くなる。また、オフセット量が変化しても、このオフセット量の変化に追従して、動的にオフセットを除去できる。
さらに、修正値を用いるので、第1ホール素子の特性と第2ホール素子の特性とが異なっても、精度良くオフセットを除去できる。
Thereby, since the 1st Hall element which detects an electric current value is not chopped, responsiveness becomes high. Even if the offset amount changes, the offset can be dynamically removed following the change in the offset amount.
Furthermore, since the correction value is used, the offset can be accurately removed even if the characteristics of the first Hall element and the characteristics of the second Hall element are different.
また、オフセット量を検出している期間、第2ホール素子からの出力信号の極性を反転させるため、オフセット量の出力が途切れてしまう。
そこで、この発明によれば、オフセット検出手段とオフセット除去手段との間にサンプルアンドホールド回路を設けた。これにより、オフセット量を途切れることなく連続して出力できる。
Further, since the polarity of the output signal from the second Hall element is inverted during the period of detecting the offset amount, the output of the offset amount is interrupted.
Therefore, according to the present invention, the sample and hold circuit is provided between the offset detecting means and the offset removing means. As a result, the offset amount can be output continuously without interruption.
本発明によれば、電流値を検出する第1ホール素子をチョッピング制御しないため、応答性が高くなる。また、オフセット量が変化しても、このオフセット量の変化に追従して、動的にオフセットを除去できる。さらに、修正値を用いるので、第1ホール素子の特性と第2ホール素子の特性とが異なっても、精度良くオフセットを除去できる。 According to the present invention, since the first Hall element that detects the current value is not chopped, the responsiveness is improved. Even if the offset amount changes, the offset can be dynamically removed following the change in the offset amount. Furthermore, since the correction value is used, the offset can be accurately removed even if the characteristics of the first Hall element and the characteristics of the second Hall element are different.
以下、本発明の一実施形態について説明する。
図1は、本発明の一実施形態に係る電流センサ1の信号処理回路の構成を示す図である。
電流センサ1は、第1ホール素子回路10、第2ホール素子回路20、ピーク検出手段としての第1ピーク検出回路31、ピーク検出手段としての第2ピーク検出回路32、ゲイン調整手段としての補正値演算回路33、ゲイン調整手段としての波形修正回路34、第2センサ信号オフセット検出手段としての第2センサ信号オフセット検出回路35、サンプルアンドホールド回路36、第2センサ信号オフセット除去手段としての減算器37、第1センサ信号オフセット検出手段としての第1センサ信号オフセット検出回路38、サンプルアンドホールド回路39、第1センサ信号オフセット除去手段としての減算器40、および、これらを制御する第2センサ信号オフセット検出手段としてのシーケンス制御回路41を備える。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described.
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a signal processing circuit of a current sensor 1 according to an embodiment of the present invention.
The current sensor 1 includes a first
第1ホール素子回路10は、磁気を電気信号に変換して出力する回路である。この出力信号には、オフセットが含まれる。
この第1ホール素子回路10は、第1ホール素子11および差動増幅器12を備える。
The first
The first
差動増幅器12は、入力される2つの信号の差分を増幅して出力するものである。ここで、この差動増幅器12のゲインは、適切な値に設定されているものとする。
The
第1ホール素子11は、磁気を電気信号に変換する略十字形状の素子であり、相対向して設けられたホール端子11a、11bと、これら11a、11bの配置方向とは交差する方向に相対向して設けられたホール端子11c、11dと、を備える。
ホール端子11aは、定電流源13に接続され、ホール端子11bは、グランドに接続され、ホール端子11cは、差動増幅器12の正端子に接続され、ホール端子11dは、差動増幅器12の負端子に接続される。
The
The
第2ホール素子回路20は、磁気を電気信号に変換して出力する回路である。この出力信号には、オフセットが含まれている。
この第2ホール素子回路20は、第2ホール素子21、スイッチ回路網22、および差動増幅器23を備える。
The second
The second
差動増幅器23は、入力される2つの信号の差分を増幅して出力するものである。ここで、この差動増幅器23のゲインは、適切な値に設定されているものとする。
The
第2ホール素子21は、磁気を電気信号に変換する略十字形状の素子であり、相対向して設けられたホール端子21a、21bと、これら21a、21bの配置方向とは交差する方向に相対向して設けられたホール端子21c、21dと、を備える。
The
スイッチ回路網22は、4つの切り換えスイッチSa、Sb、Sc、Sdからなる。スイッチSaは、ホール端子21aを、定電流源24または差動増幅器23の正端子に接続する。スイッチSbは、ホール端子21bを、グランドまたは差動増幅器23の負端子に接続する。スイッチScは、ホール端子21cを、定電流源24または差動増幅器23の正端子に接続する。スイッチSdは、ホール端子21dを、グランドまたは差動増幅器23の負端子に接続する。
The
スイッチ回路網22では、スイッチSa、Sd、Sb、Scを制御して、ホール端子21aを定電流源24に接続し、ホール端子21bをグランドに接続し、ホール端子21cを差動増幅器23の正端子に接続し、ホール端子21dを差動増幅器23の負端子に接続した状態と、ホール端子21aを差動増幅器23の正端子に接続し、ホール端子21bを差動増幅器23の負端子に接続し、ホール端子21cを定電流源24に接続し、ホール端子21dをグランドに接続した状態と、を切り換え可能となっている。
In the
以上の第2ホール素子回路20によれば、スイッチ回路網22を制御することにより、定電流源24から第2ホール素子21に供給する電流の極性を切り換えて、出力信号の極性を反転できる。
According to the second
第1ピーク検出回路31は、シーケンス制御回路41から初期化信号が入力されると、その後の一定期間に亘って、第1ホール素子回路10の出力信号の最大値および最小値を検出する。
第2ピーク検出回路32は、シーケンス制御回路41から初期化信号が入力されると、その後の一定期間に亘って、第2ホール素子回路20の出力信号の最大値および最小値を検出する。
When the initialization signal is input from the
When the initialization signal is input from the
補正値演算回路33は、第1ピーク検出回路31および第2ピーク検出回路32で検出した出力信号の最大値および最小値に基づいて、第1ホール素子回路10の第1センサ信号としての出力信号のゲインおよび第2ホール素子回路20の第2センサ信号としての出力信号のゲインを求める。そして、第1ホール素子回路10の出力信号のゲインに、第2ホール素子回路20の出力信号のゲインが一致するように、第2ホール素子回路20の出力信号のゲインを修正するための修正値を求める。
The correction
波形修正回路34は、第2ホール素子回路20からの出力信号を修正値に基づいて修正する。
The
第2センサ信号オフセット検出回路35は、入力される2つの信号に基づいて、オフセット量を求める。具体的には、修正した信号と、極性が反転されてかつ修正した反転第2センサ信号と、の平均値を求めることで、第2センサ信号のオフセット量を検出する。
サンプルアンドホールド回路36は、入力信号を所定のサンプリング周波数でサンプリングし、サンプリングした値を一時的に保持する回路である。具体的には、オフセット検出回路35で検出したオフセットをラッチする。
減算器37は、第2ホール素子回路20から出力されてゲインを修正した信号から、オフセットを除去する。
The second sensor signal offset
The sample and hold
The
第1センサ信号オフセット検出回路38は、入力される2つの信号に基づいて、オフセット量を求める。具体的には、入力される2つの信号の差分を求めて、オフセット量とする。
サンプルアンドホールド回路39は、入力信号を所定のサンプリング周波数でサンプリングし、サンプリングした値を一時的に保持する回路である。具体的には、第1センサ信号オフセット検出回路38で検出したオフセットをラッチする。
減算器40は、第1ホール素子回路10の出力信号からオフセットを除去する。
The first sensor signal offset
The sample and hold
The
以上の電流センサ1の動作を、図2のフローチャートを参照しながら説明する。
まず、第1ホール素子回路10から信号Sig(HE1)が出力され、第2ホール素子回路20から信号Sig(HE2)が出力されているものとする。これら信号Sig(HE1)および信号Sig(HE2)は、同時に得られる信号であるため、印加磁界に対する位相の変化が同じになっている。
The operation of the current sensor 1 will be described with reference to the flowchart of FIG.
First, it is assumed that the signal Sig (HE1) is output from the first
ステップS1では、シーケンス制御回路41により第1ピーク検出回路31を初期化し、その後、この第1ピーク検出回路31により、図3に示すように、第1ホール素子回路10から出力される信号Sig(HE1)の最大値および最小値を検出し、次回更新されるまでこれらの値を保持する。
ステップS2では、シーケンス制御回路41により第2ピーク検出回路32を初期化し、その後、この第2ピーク検出回路32により、図3に示すように、第2ホール素子回路20から出力される信号Sig(HE2)の最大値および最小値を検出し、次回更新されるまでこれらの値を保持する。
In step S1, the first
In step S2, the second
ステップS3では、補正値演算回路33により、信号Sig(HE1)と信号Sig(HE2)とのゲインのずれ量を修正値として求める。
具体的には、第1ピーク検出回路31および第2ピーク検出回路32から出力される最大値および最小値に基づいて、図4に示すように、ゲインのずれ量を修正値として求めて、次回更新されるまでこれらの値を保持する。
In step S3, the correction
Specifically, based on the maximum value and the minimum value output from the first
ステップS4では、波形修正回路34により、修正値に基づいて、信号Sig(HE2)の波形を修正する。すると、この信号Sig(HE2)のゲインは信号Sig(HE1)のゲインに近似することになる。
ステップS5では、シーケンス制御回路41により、第2ホール素子回路20のスイッチ回路網22を所定の周波数で切り換えて、第2ホール素子21に供給する電源の極性を切り換えるチョッピング制御を開始し、信号Sig(HE2)と、波形の極性が反転した反転信号dSig(HE2)と、を第2ホール素子回路20から出力させる。すると、波形修正回路34により、これら信号Sig(HE2)および反転信号dSig(HE2)の波形が修正値に基づいて修正される。
In step S4, the
In step S5, the
ステップS6では、第2センサ信号オフセット検出回路35により、修正した信号Sig(HE2)と修正した反転信号dSig(HE2)とに基づいて、信号Sig(HE2)のオフセット量として求めて、サンプルアンドホールド回路36により、このオフセット量を保持する。
具体的には、図5に示すように、修正した信号Sig(HE2)と修正した反転信号dSig(HE2)との平均値を、信号Sig(HE2)のオフセット量として求める。
In step S6, the second sensor signal offset
Specifically, as shown in FIG. 5, an average value of the corrected signal Sig (HE2) and the corrected inverted signal dSig (HE2) is obtained as an offset amount of the signal Sig (HE2).
ステップS7では、シーケンス制御回路41により、第2ホール素子回路20のチョッピング制御を終了する。
ステップS8では、減算器37により、図6に示すように、ゲインを修正した信号Sig(HE2)からオフセットを除去する。
In step S7, the
In step S8, the
ステップS9では、第1センサ信号オフセット検出回路38により、信号Sig(HE1)と、ゲインを修正しかつオフセットを除去した信号Sig(HE2)と、を用いて、信号Sig(HE1)のオフセット量を求めて、サンプルアンドホールド回路39により、このオフセット量を次回更新されるまで保持する。
具体的には、図7に示すように、信号Sig(HE1)から、ゲインを修正しかつオフセットを除去した信号Sig(HE2)を減算して、信号Sig(HE1)のオフセット量とする。
ステップS10では、減算器40により、図8に示すように、信号Sig(HE1)からこのオフセットを除去する。
In step S9, the first sensor signal offset
Specifically, as shown in FIG. 7, the signal Sig (HE2) with the gain corrected and the offset removed is subtracted from the signal Sig (HE1) to obtain the offset amount of the signal Sig (HE1).
In step S10, the
本実施形態によれば、以下のような効果がある。
(1)電流値を検出する第1ホール素子11をチョッピング制御しないため、応答性が高くなる。また、オフセット量が変化しても、このオフセット量の変化に追従して、動的にオフセットを除去できる。
さらに、ゲインを修正したので、第1ホール素子11の特性と第2ホール素子21の特性とが異なっても、精度良くオフセットを除去できる。
According to this embodiment, there are the following effects.
(1) Since the
Furthermore, since the gain is corrected, even if the characteristics of the
(2)オフセット検出回路35、38と減算器37、40との間にサンプルアンドホールド回路36、39を設けた。これにより、オフセット値を途切れることなく連続して出力できる。
(2) Sample and hold
(3)第1ホール素子回路10の出力信号を主信号として、この主信号の極性を反転させずにオフセット量を調整したので、第1ホール素子回路10から主信号を常時出力できる。
(3) Since the output signal of the first
(4)オフセット量のドリフトは緩やかであるため、第2ホール素子回路20を頻繁にチョッピング制御せずに間欠的にオフセット量を補正することにより、電力消費を抑えることができる。
(4) Since the drift of the offset amount is moderate, the power consumption can be suppressed by correcting the offset amount intermittently without frequently chopping control the second
(5)シーケンス制御回路41によりチョッピング制御を行っていない期間中に、信号Sig(HE1)と、ゲインを修正しかつオフセットを除去した信号Sig(HE2)と、を用いて、信号Sig(HE1)のオフセット量を求めた。よって、応答遅れが生じるのを抑制できるので、信号Sig(HE1)と、ゲインを修正しかつオフセットを除去した信号Sig(HE2)との一致率が高まるので、精度を向上できる。
(5) During the period when the chopping control is not performed by the
なお、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。 It should be noted that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and modifications, improvements, etc. within a scope that can achieve the object of the present invention are included in the present invention.
1 電流センサ
11 第1ホール素子
21 第2ホール素子
31 第1ピーク検出回路(ピーク検出手段)
32 第2ピーク検出回路(ピーク検出手段)
33 補正値演算回路(ゲイン調整手段)
34 波形修正回路(ゲイン調整手段)
35 第2センサ信号オフセット検出回路(第2センサ信号オフセット検出手段)
36 サンプルアンドホールド回路
37 減算器(第2センサ信号オフセット除去手段)
38 第1センサ信号オフセット検出回路(第1センサ信号オフセット検出手段)
39 サンプルアンドホールド回路
40 減算器(第1センサ信号オフセット除去手段)
41 シーケンス制御回路(第2センサ信号オフセット検出手段)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
32 Second peak detection circuit (peak detection means)
33 Correction value calculation circuit (gain adjustment means)
34 Waveform correction circuit (gain adjustment means)
35 Second sensor signal offset detection circuit (second sensor signal offset detection means)
36 Sample and hold
38 First sensor signal offset detection circuit (first sensor signal offset detection means)
39 Sample and hold
41 Sequence control circuit (second sensor signal offset detecting means)
Claims (3)
前記第1ホール素子から出力される第1センサ信号のゲインに、前記第2ホール素子から出力される第2センサ信号のゲインが一致するように、前記第2センサ信号のゲインを調整するゲイン調整手段と、
前記第2ホール素子に供給する電源の極性を切り換えるチョッピング制御を行い、前記ゲインを調整した第2センサ信号および極性が反転されてかつゲインを調整した反転第2センサ信号に基づいて、第2センサ信号のオフセット量を検出する第2センサ信号オフセット検出手段と、
前記第2センサ信号から前記オフセット量を除去する第2センサ信号オフセット除去手段と、
前記オフセット量が除去された第2センサ信号に基づいて、前記第1センサ信号のオフセット量を検出する第1センサ信号オフセット検出手段と、
前記第1センサ信号から前記オフセット量を除去する第1センサ信号オフセット除去手段と、を備えることを特徴とする電流センサ。 A current sensor using a first Hall element and a second Hall element,
Gain adjustment for adjusting the gain of the second sensor signal so that the gain of the second sensor signal output from the second Hall element matches the gain of the first sensor signal output from the first Hall element. Means,
A chopping control for switching the polarity of the power supplied to the second Hall element is performed, and a second sensor signal based on the second sensor signal with the gain adjusted and the inverted second sensor signal with the polarity inverted and the gain adjusted. Second sensor signal offset detecting means for detecting a signal offset amount;
Second sensor signal offset removing means for removing the offset amount from the second sensor signal;
First sensor signal offset detection means for detecting an offset amount of the first sensor signal based on the second sensor signal from which the offset amount has been removed;
And a first sensor signal offset removing means for removing the offset amount from the first sensor signal.
前記第1センサ信号および前記第2センサ信号のそれぞれの最大値および最小値を検出するピーク検出手段を備え、
前記ゲイン調整手段は、前記ピーク検出手段で検出した最大値および最小値に基づいて、それぞれのゲインを求めることを特徴とする電流センサ。 The current sensor according to claim 1.
Peak detecting means for detecting a maximum value and a minimum value of each of the first sensor signal and the second sensor signal;
The gain adjusting means obtains respective gains based on the maximum value and the minimum value detected by the peak detecting means.
前記各オフセット検出手段と前記各オフセット除去手段との間に設けられ、前記各オフセット検出手段で検出したオフセット量をラッチするサンプルアンドホールド回路を備えることを特徴とする電流センサ。 The current sensor according to claim 1.
A current sensor comprising a sample-and-hold circuit provided between each of the offset detecting means and each of the offset removing means and latching an offset amount detected by each of the offset detecting means.
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