JP2009281881A - 電流センサ装置及び電力変換装置並びに電力センサ装置の温度補正方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電流センサ装置の出力信号の個体差及び温度変動を抑制するための調整作業にかかる加工費を低減し、調整時間の短縮、歩留まり向上を図る。
【解決手段】電流センサ回路２と、この電流センサ回路２の出力電圧を補正するための検出値補正情報を記憶する記憶手段である記憶装置３とを同一のプリント基板上に配置した電流センサ装置１と、電力変換装置９を駆動するための駆動用回路４を、同一ユニットに配置することにより一体化し、電流センサ回路２の周囲温度を測定する感温素子８を備えた。記憶装置３には検出値補正情報として物理量変換係数Ｇの温度特性が記憶され、これにより各電流センサ回路２の物理量変換係数Ｇの個体差を含めた温度補正が行われる。本発明によれば、従来のトリミング装置を必要としないため、調整作業にかかる加工費を低減でき、調整時間の短縮が図られ、歩留まりが向上する。
【選択図】図８

Description

本発明は、電流センサ装置及び電力変換装置並びに電力センサ装置の温度補正方法に関する。

電力変換装置では、モータ等の負荷を最適に駆動するために負荷電流を逐次測定及び制御する必要があり、従来、非接触型の電流センサであるホール素子が多く用いられている。ホール素子は、素子に直交する磁界に比例した電圧を発生する磁界-電圧変換素子であり、ホール素子により得られるセンサ信号値は、下記の式１により補正される。なお、式１においてＶ_０’は補正済信号値、Ｖoutはセンサ信号値、Ｖoffは無磁界時のセンサ信号値、Ｇは物理量変換係数である。
Ｖ_０’＝Ｇ×（Ｖout−Ｖoff） （１）

従来の電流センサは、物理量変換後の電流値を高精度とするために、センサ信号値Ｖoutに対して個体及び温度変動を抑制する必要があった。従来、ホール素子を利用した一般的な電流センサ回路（図３参照）において個体差を抑制するための手法として、抵抗Ｒ２をトリミングにより調整し、磁界印加時のセンサ信号値Ｖoutを所望の値としていた。また、温度変動を抑制する手法として、特許文献1では、抵抗Ｒ２に感温素子であるサーミスタを配置することで、周囲温度の影響によるセンサ出力電圧の変動を抑制した電流センサ装置が示されている。
特開２００２−７１７７３号公報

このように、ホール素子は同一磁界に対して個体差及び温度変動が大きく、センサ出力信号の個体差及び温度変動を抑制する必要があった。しかし、上述のトリミングによる手法では、高価なトリミング装置が必要であるため加工費が高くなり、また、所望のセンサ信号値が得られるまで調整作業を繰り返すため長時間を要し、さらにトリミングに失敗した場合、再調整はできないため歩留まりが低下するという問題があった。また、上記特許文献１による温度変動を抑制する手法では、サーミスタの温度特性にも個体差があるため、ホール素子の温度特性と一致性が高くなければ所望の精度が得られないという課題がある。

本発明は、上記のような問題点を解消するためになされたもので、出力信号の個体差及び温度変動を抑制するための調整作業にかかる加工費を低減し、調整時間を短縮し、さらに歩留まり向上を図ることが可能な電流センサ装置を提供することを目的とする。

また、上記電流センサ装置を備えることにより、モータ駆動の制御が高精度で行える電力変換装置を得ることを目的とする。

さらに、加工費の低減及び調整時間の短縮を図ることが可能な電流センサ装置の温度補正方法を提供することを目的とする。

本発明に係る電流センサ装置は、被測定電流により発生する磁界の値に応じて変化する信号を出力し、この出力信号を出力電圧に変換する電流センサ回路と、電流センサ回路の出力電圧を補正するための検出値補正情報を記憶する記憶手段を有するものである。

また、本発明に係る電力変換装置は、モータ駆動時の電流を電流センサ装置により測定しモータ制御を行う電力変換装置であって、電流センサ装置は、被測定電流により発生する磁界の値に応じて変化する信号を出力し、この出力信号を出力電圧に変換する電流センサ回路と、電流センサ回路の出力電圧を補正するための検出値補正情報を記憶する記憶手段を有するものである。

また、本発明に係る電流センサ装置の温度補正方法は、被測定電流により発生する磁界の値に応じて変化する信号を検出し、この出力信号を出力電圧に変換する電流センサ回路と、電流センサ回路の出力電圧を補正するための検出値補正情報を記憶する記憶手段を有する電流センサ装置の温度補正方法であって、電流センサ回路が搭載された基板単体にて、磁気回路が無い状態で基準磁界発生装置よりゲインの温度特性情報を求め、検出値補正情報として記憶手段に書き込むステップと、基板に磁気回路を付属した状態にて通電を行うことにより基準温度ゲイン情報を求め、検出値補正情報として記憶手段に書き込むステップと、基準温度ゲイン情報のグラフを直線補間することにより基板基準温度ゲイン情報を求めるとともに基板に磁気回路を付属した状態におけるゲインの温度特性情報を求め、検出値補正情報として記憶手段に書き込むステップと、記憶手段に書き込まれた検出値補正情報により、電流センサ回路の出力電圧を温度補正するステップを含むものである。

本発明に係る電流センサ装置によれば、電流センサ回路により検出された出力電圧を記憶手段に記憶させた検出値補正情報により補正し、出力電圧の個体差を抑制することができるため、トリミング装置による従来の調整作業に比べて加工費を低減でき、調整時間の短縮が図られ、歩留まりが向上する。

また、電流センサ回路により検出された出力電圧を記憶手段に記憶させた検出値補正情報により補正し、出力電圧の個体差を抑制した電流センサ装置を備えることにより、モータ制御を高精度で行える電力変換装置を得ることができる。

また、本発明に係る電流センサ装置の温度補正方法によれば、記憶手段に書き込まれた検出値補正情報により個々の電流センサ回路の温度特性に応じた温度補正が行えるため、電流センサ装置の出力電圧の温度変動を高精度で抑制することができ、加工費の低減及び調整時間の短縮を図ることができる。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る電流センサ装置の構成を示す概略図である。本実施の形態１における電流センサ装置１は、モータ制御系の電力変換装置においてモータの負荷電流を測定するものであり、電流センサ回路２と、この電流センサ回路２の出力電圧を補正するための検出値補正情報を記憶する記憶手段である記憶装置３とを、同一のプリント基板上に配置したものである。

電流センサ回路２は、例えばホール素子であり、素子に直交する磁界に比例した電圧を発生する。すなわち、被測定電流により発生する磁界の値に応じて変化する信号を出力する磁気センサ部と、この出力信号を出力電圧に変換する変換手段を備えている。ただし、電流センサ回路２は、ホール素子のような磁界-電圧変換素子に限定されるものではなく、ＭＲ素子やＧＭＲ素子等の磁気電圧変換素子を用いてもよい。

また、記憶装置３としては、主に半導体メモリが用いられるが、電流センサ回路２の出力電圧を補正するための検出値補正情報を記憶することができる手段であれば特に限定するものではない。記憶装置３に記憶される検出値補正情報としては、電流センサ装置１の調整時において、電流センサ回路２に流した負荷電流に対するセンサ出力電圧から求めた物理量変換係数Ｇが少なくとも含まれる。物理量変換係数Ｇの求め方については実施の形態２で説明する。

さらに、本実施の形態１における電流センサ装置１は、図２に示すように、記憶装置３に記憶された検出値補正情報を、外部（図２では電力変換装置の駆動用回路４）に伝達する伝達手段５を有している。伝達手段５は、例えば記憶装置３に記憶された電流センサ回路２周辺の温度情報等を駆動用回路４に伝達することができる。

本実施の形態１の比較例として、ホール素子を利用した一般的な電流センサ回路の調整方法を図３及び図４を用いて説明する。図３は、ホール素子を利用した一般的な電流センサ回路を示しており、バッファ回路であるＯＰアンプ１１とホール素子１２及び抵抗Ｒ１、Ｒ２を有している。また、図4は、図３に示す電流センサ回路のトリミングによる調整方法を示している。図４に示すように、トリミングによる調整方法では、抵抗Ｒ２をトリミングにより所望のセンサ信号値（Ｖout）が得られるまで調整する作業を繰り返すため、長時間を要していた。また、トリミング装置は高価であるため加工費が高くなり、さらにトリミングに失敗した場合、再調整はできないため歩留まり低下の原因となっていた。

本実施の形態１における電流センサ装置１によれば、電流センサ回路２により検出された出力電圧を、電流センサ回路２と同一のプリント基板上に配置された記憶装置３に記憶させた検出値補正情報により補正することにより、センサ出力信号の個体差を抑制することが可能である。また、トリミング装置を必要としないため、電流センサ装置１の個体差を抑制するための調整作業における加工費を低減でき、調整時間の短縮及び歩留まりの向上が図られる。

実施の形態２．
図５は、本発明の実施の形態２に係る電力変換装置の構成を示す概略図である。なお、図５中、図２と同一、相当部分には同一符号を付し、説明を省略する。本実施の形態２における電力変換装置６は、上記実施の形態１における電流センサ装置１と、電力変換装置６を駆動するための駆動用回路４を、同一ユニットに配置することにより一体化したものである。

本実施の形態２における電力変換装置６は、モータ７を駆動時の負荷電流を電流センサ装置１により測定し、モータ制御を行うものであり、図６に示すように、モータ７を駆動するために必要な情報を電流センサ装置１から駆動用回路４に伝達する伝達手段５を有している。なお、電流センサ装置１を構成する電流センサ回路２及び記憶装置３は各々、駆動用回路４が実装された駆動用基板に搭載することもできるし、別のプリント基板に搭載しても良い。

次に、本実施の形態２における電力変換装置６の動作について、図７のフローチャートを用いて説明する。まず、ステップ１（Ｓ１）において、電力変換装置６の出力電圧値Ｖoを、電流センサ装置１の電流センサ回路２により測定する。次に、ステップ２（Ｓ２）では、記憶装置３に記憶された物理量変換係数Ｇを呼び出し、ステップ１で測定した出力電圧値Ｖoに対して出力値の補正を行う。

物理量変換係数Ｇは、予め電流センサ回路２の調整時（初期特性測定時）において、所望の信号値Ｖo’、センサ信号値Ｖout、無磁界時のセンサ信号値Ｖoffから、以下の２式によって求められる。
Ｇ＝Ｖo’／（Ｖout−Ｖoff) （２）
ステップ３（Ｓ３）において、ステップ２で求められた物理量変換係数Ｇにより補正された補正済出力電圧Ｖ_０’を出力する。

本実施の形態２によれば、電流センサ回路２により検出された出力電圧を、電流センサ回路２と同一のプリント基板上に配置された記憶装置３に記憶させた検出値補正情報により補正し、センサ出力信号の個体差を抑制することが可能な電流センサ装置１を備えることにより、低価格で精度の高い電力変換装置６が得られる。また、電流センサ装置１と電力変換装置６の駆動用回路４を一体化することにより、部品点数の低減及び装置の小型化が図られる。

実施の形態３．
図８は、本発明の実施の形態３に係る電力変換装置の構成を示す概略図である。なお、図８中、図５と同一、相当部分には同一符号を付し、説明を省略する。本実施の形態３における電力変換装置９は、上記実施の形態１における電流センサ装置１と電力変換装置９を駆動するための駆動用回路４を、同一ユニットに配置することにより一体化し、さらに電流センサ回路２の周囲温度を測定する感温素子８を備えたものである。

本実施の形態３における電力変換装置９は、モータ７を駆動時の負荷電流を電流センサ装置１により測定し、モータ制御を行うものであり、図９に示すように、モータ７を駆動するために必要な情報を、電流センサ装置１から駆動用回路４に伝達する伝達手段５を有している。なお、電流センサ装置１を構成する電流センサ回路２及び記憶装置３は各々、駆動用回路４が実装された駆動用回路基板に搭載することもできるし、別のプリント基板に搭載しても良い。

さらに、駆動用回路４が搭載された駆動用回路基板に感温素子８を配置し、物理量変換係数Ｇの温度特性を設定し、記憶装置３に記憶する。具体的には、周囲温度Ｔ1時のセンサ信号値Ｖout1及び感温素子８の出力温度Ｔ11、周囲温度Ｔ2時のセンサ信号値Ｖout2及び感温素子８の出力温度Ｔ22から、物理量変換係数Ｇの温度特性を設定する。また、感温素子８による出力温度を逐次観測することにより、物理量変換係数Ｇに逐次温度補正を行い、センサ出力信号の温度変動を抑制する。なお、感温素子８を搭載する位置は特に限定するものではなく、駆動用回路基板でなくてもよい。

次に、本実施の形態３における電力変換装置９の動作について、図１０のフローチャートを用いて説明する。まず、ステップ１（Ｓ１）において、電力変換装置９の出力電圧値Ｖoを、電流センサ装置１の電流センサ回路２により測定する。次に、ステップ２（Ｓ２）では、電流センサ回路２の周囲温度Ｔを感温素子８により測定する。

続いてステップ３（Ｓ３）において、ステップ１で測定した出力電圧値Ｖoとステップ2で測定した周囲温度Ｔから、記憶装置３により温度補正された物理量変換係数Ｇを求める。物理量変換係数Ｇの求め方は上記実施の形態２と同様であり、本実施の形態３ではさらに、物理量変換係数Ｇに温度補正を行うものである。温度補正方法については後述する。さらに、ステップ４（Ｓ４）において、温度補正された物理量変換係数により補正された補正済出力電圧Ｖ_０’を出力する。

本実施の形態３における電力変換装置９の温度補正方法について、図１１〜図１３を用いて説明する。まず、図１１のフローチャートのステップ１（Ｓ１）において、電流センサ装置１が搭載されたプリント基板単体にて、磁気回路が無い状態で基準磁界発生装置によりゲインＧctmの温度特性αＭを求め、これを検出値補正情報として記憶装置３に書き込む。ここでゲインとは、図１２に示すように、出力電圧Ｖout1、Ｖout2と電流値I1、I2から定義されるもので、単位はＡ／Ｖである。本実施の形態３では、ゲインＧct（Ａ／Ｖ）の温度特性αを求め、これにより温度補正を行うものである。

ステップ１におけるゲインＧctmの温度特性αＭの求め方について、図１３を用いて説明する。図１３中、点線は、電流センサ回路２が搭載されたプリント基板単体にて磁気回路無しの状態で基準磁界発生装置より求めたゲインＧctmの温度特性αＭであり、感温素子８により測定された周囲温度Ｔ1時のセンサ信号値Ｖout1及び電流値I1から算出されたゲインＧctm(T1)と、周囲温度Ｔ2時のセンサ信号値Ｖout2及び電流値I2から算出されたゲインＧctm(T2)から、ゲインＧctmの温度特性αＭが得られる。

次に、同プリント基板に電流センサ用磁気回路を付属した状態、すなわち総ＡＳＳＹ状態にて実通電を行い、基準温度ゲインＧct(Ｔ0)を求め、これを検出値補正情報として記憶装置３に書き込む。なお、ここまでの動作は調整時に行われるもので、初期特性として必要であるが、通常動作時には不要である。

次に、ステップ２（Ｓ２）では、上記ステップ1で求めた初期特性をもとに、基板基準温度ゲインＧctｍ(Ｔ0)を求め、検出値補正情報として記憶装置３に書き込む。基板基準温度ゲインＧctｍ(Ｔ0)は、基準温度ゲインのグラフ(図１３中点線で示す)を直線補間することにより求められる。さらに、ステップ３（Ｓ３）において、同プリント基板に電流センサ用磁気回路を付属した状態におけるゲインＧctの温度特性αを求め、検出値補正情報として記憶装置３に書き込む。

以上のステップ１〜ステップ３において記憶装置３に書き込まれた検出値補正情報により、ステップ４（Ｓ４）において出力ゲインＧct(T)が算出される。ここで得られた出力ゲインＧct(T)とは、各電流センサ回路２の個体差を含めた温度補正を行うものであり、上記実施の形態２で求めた物理量変換係数Ｇの温度特性を含めたものと言える。

例えばホール素子のような磁界-電圧変換素子の電流センサ回路２により得られるセンサ信号値は、一般に下記の式１により補正される。式１においてＶ_０’は補正済信号値、Ｖoutはセンサ信号値、Ｖoffは無磁界時のセンサ信号値、Ｇは物理量変換係数である。
Ｖ_０’＝Ｇ×（Ｖout−Ｖoff） （１）

ここで、本実施の形態３における温度補正方法により求めた出力ゲインＧct(T)を用い、モータ制御を行うために電流センサ回路２からの電圧信号を電流値に変換すると、式１は式３のようになる。式３においてＩ’は補正済電流値である。
Ｉ’＝Ｇct(T)×（Ｖout−Ｖoff） （３）

なお、本実施の形態３による温度補正方法は、ホール素子に限らず、温度依存性に直線性がある素子であれば適用でき、温度補正による精度が補償される。例えばＭＲ素子やＧＭＲ素子等の磁気電圧変換素子を用いた場合にも適用可能である。

本実施の形態３に係る電力変換装置によれば、上記実施の形態２と同様の効果に加え、さらに、電流センサ回路２の周囲温度を測定する感温素子８を備えることにより、物理量変換係数Ｇの温度特性を設定するようにしたので、電流センサ回路２の温度特性に応じた温度補正を逐次行うことができ、電流センサ回路２の出力電圧の温度変動を抑制することができる。

また、一般に、電力変換装置においては複数の電流センサ装置１が配置されるため、個々の電流センサ回路２に対する検出値補正情報を記憶した記憶装置３をそれぞれ配置することにより、複数の電流センサ装置１の個体差及び温度変動を抑制でき、高精度でモータ制御を行える電力変換装置が得られる。

本発明に係る電流センサ装置及び電力変換装置は、例えばモータ駆動装置のモータ制御に利用することができる。

本発明の実施の形態１に係る電流センサ装置の構成を示す概略図である。 本発明の実施の形態１に係る電流センサ装置の伝達手段を示す概略図である。 ホール素子を利用した一般的な電流センサ回路を示す図である。 本発明の実施の形態１の比較例であるトリミングによる調整方法を示す図である。 本発明の実施の形態２に係る電力変換装置の構成を示す概略図である。 本発明の実施の形態２に係る電力変換装置の構成を示す概略図である。 本発明の実施の形態２に係る電力変換装置の動作を示すフローチャート図である。 本発明の実施の形態３に係る電力変換装置の構成を示す概略図である。 本発明の実施の形態３に係る電力変換装置の構成を示す概略図である。 本発明の実施の形態３に係る電力変換装置の動作を示すフローチャート図である。 本発明の実施の形態３に係る電力変換装置の温度補正方法を示すフローチャート図である。 本発明の実施の形態３に係る電力変換装置におけるゲインの定義を示す図である。 本発明の実施の形態３に係る電力変換装置におけるゲインの温度特性α、αＭの定義を示す図である。

符号の説明

１ 電流センサ装置、２ 電流センサ回路、３ 記憶装置、４ 駆動用回路、５ 伝達手段、６、９ 電力変換装置、７ モータ、８ 感温素子、１１ ＯＰアンプ、１２ ホール素子。

Claims (8)

1. 被測定電流により発生する磁界の値に応じて変化する信号を出力し、この出力信号を出力電圧に変換する電流センサ回路と、前記電流センサ回路の出力電圧を補正するための検出値補正情報を記憶する記憶手段を有することを特徴とする電流センサ装置。
2. 請求項１に記載の電流センサ装置であって、前記検出値補正情報は、前記電流センサ回路に流した負荷電流に対する出力電圧から求められる物理量変換係数を含むことを特徴とする電流センサ装置。
3. 請求項１に記載の電流センサ装置であって、前記記憶手段に記憶された前記検出値補正情報を外部に伝達する伝達手段を有することを特徴とする電流センサ装置。
4. モータ駆動時の電流を電流センサ装置により測定しモータ制御を行う電力変換装置であって、前記電流センサ装置は、被測定電流により発生する磁界の値に応じて変化する信号を出力し、この出力信号を出力電圧に変換する電流センサ回路と、前記電流センサ回路の出力電圧を補正するための検出値補正情報を記憶する記憶手段を有することを特徴とする電力変換装置。
5. 請求項４に記載の電力変換装置であって、前記検出値補正情報は、前記電流センサ回路に流した負荷電流に対する出力電圧から求められる物理量変換係数を含むことを特徴とする電力変換装置。
6. 請求項４に記載の電力変換装置であって、前記電流センサ回路の周囲温度を測定する感温素子をさらに備えたことを特徴とする電力変換装置。
7. 請求項６に記載の電力変換装置であって、前記検出値補正情報は、前記電流センサ回路からの出力電圧情報と、前記感温素子からの周囲温度情報と、前記電流センサ回路の調整時において磁気回路が無い状態で基準磁界発生装置により求めたゲインの温度特性情報と、前記電流センサ回路の調整時において磁気回路を付属した状態で求めた基準温度ゲイン情報と、前記基準温度ゲイン情報から求められる基板基準温度ゲイン情報を含むことを特徴とする電力変換装置。
8. 被測定電流により発生する磁界の値に応じて変化する信号を検出し、この出力信号を出力電圧に変換する電流センサ回路と、前記電流センサ回路の出力電圧を補正するための検出値補正情報を記憶する記憶手段を有する電流センサ装置の温度補正方法であって、
   前記電流センサ回路が搭載された基板単体にて、磁気回路が無い状態で基準磁界発生装置よりゲインの温度特性情報を求め、前記検出値補正情報として前記記憶手段に書き込むステップ、
   前記基板に磁気回路を付属した状態にて通電を行うことにより基準温度ゲイン情報を求め、前記検出値補正情報として前記記憶手段に書き込むステップ、
   前記基準温度ゲイン情報のグラフを直線補間することにより基板基準温度ゲイン情報を求めるとともに前記基板に前記磁気回路を付属した状態におけるゲインの温度特性情報を求め、前記検出値補正情報として前記記憶手段に書き込むステップ、
   前記記憶手段に書き込まれた前記検出値補正情報により、前記電流センサ回路の出力電圧を温度補正するステップを含むことを特徴とする電流センサ装置の温度補正方法。

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