JP2019138735A - 電流検出装置、電流検出システム、及び電流検出装置の校正方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ロゴスキーコイルを用いて被測定電流を正確に測定する電流検出装置、電流検出システム、及び電流検出装置の校正方法を提供する。【解決手段】導体の周囲に設けられたロゴスキーコイルからの出力信号に基づいて、前記導体に流れる電流を検出する電流検出装置であって、前記出力信号を積分する積分回路と、前記積分回路により積分された出力信号を増幅する増幅回路と、前記増幅回路から得られる増幅信号に基づいて前記導体に流れる電流を検出する検出処理部と、校正モード時において、前記導体に予め設定された電流値が流されることで前記増幅回路から得られる増幅信号の電圧値が所定値になるように前記増幅回路のゲインを調整することで、前記増幅信号のオフセットを調整する校正部と、を備えることを特徴とする電流検出装置である。【選択図】図１

Description

本発明は、電流検出装置、電流検出システム、及び電流検出装置の校正方法に関する。

従来から、ロゴスキーコイルを用いた交流電流（被測定電流）の電流検出装置が知られている。この電流検出装置では、ロゴスキーコイルから出力される出力電圧を、複数のオペアンプ（演算増幅器）を用いて積分するとともに所定の電圧レベルに増幅することで増幅信号を生成する。そして、電流検出装置は、生成した増幅信号を所定の電流値に変換することで、被測定電流を演算する。

特開２００３−３１５３７２号公報

しかしながら、演算増幅器には、温度依存性を有する入力オフセット電圧が存在するため、増幅信号にばらつきが発生する。また、ロゴスキーコイルの個体差による出力電圧のばらつき（例えば、ロゴスキーの作り方等による出力電圧のばらつき）が発生するため、結果的に増幅信号にばらつきが発生する。したがって、上述した増幅信号のばらつきによって被測定電流を正確に測定することができないという問題がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、その目的は、ロゴスキーコイルを用いて被測定電流を正確に測定する電流検出装置、電流検出システム、及び電流検出装置の校正方法を提供することである。

本発明の一態様は、導体の周囲に設けられたロゴスキーコイルからの出力信号に基づいて、前記導体に流れる電流を検出する電流検出装置であって、前記出力信号を積分する積分回路と、前記積分回路により積分された出力信号を増幅する増幅回路と、前記増幅回路から得られる増幅信号に基づいて前記導体に流れる電流を検出する検出処理部と、校正モード時において、前記導体に予め設定された電流値が流されることで前記増幅回路から得られる増幅信号の電圧値が所定値になるように前記増幅回路のゲインを調整することで、前記増幅信号のオフセットを調整する校正部と、を備えることを特徴とする電流検出装置である。

本発明の一態様は、上述の電流検出装置であって、前記校正部は、不揮発性メモリと、前記増幅回路のゲインを制御するゲイン制御部と、を備え、前記ゲイン制御部は、前記校正モード時において、前記増幅信号の電圧値が前記所定値になるように前記増幅回路のゲインを調整し、調整後の前記ゲインに関する制御情報を前記不揮発性メモリに格納する。

本発明の一態様は、上述の電流検出装置であって、前記ゲイン制御部は、通常動作モードにおいて、前記不揮発性メモリに格納されている前記制御情報に基づいて、前記増幅回路のゲインを制御する。

本発明の一態様は、導体の周囲に設けられたロゴスキーコイルと、上述の電流検出装置と、を備え、前記ロゴスキーコイルは、前記導体が形成された多層基板の内層に配置されていることを特徴とする電流検出システムである。

本発明の一態様は、導体の周囲に設けられたロゴスキーコイルからの出力信号を積分する積分回路と、前記積分回路により積分された出力信号を増幅する増幅回路と、前記増幅回路から得られる増幅信号に基づいて前記導体に流れる電流を検出する検出処理部と、を備える電流検出装置の校正方法であって、校正モード時において、前記導体に予め設定された電流値が流されることで前記増幅回路から得られる増幅信号の電圧値が所定値になるように前記増幅回路のゲインを調整することで、前記増幅信号のオフセットを調整する校正ステップを含むことを特徴とする電流検出装置の校正方法である。

以上説明したように、本発明によれば、ロゴスキーコイルを用いて被測定電流を正確に測定することができる。

本発明の一実施形態に係る電流検出装置を備えた電流検出システムＡの概略構成の一例を示す図である。 本発明の一実施形態に係る電流検出装置４における校正モードの動作の流れを説明する図である。 本発明の一実施形態に係る電流検出装置４における通常動作モードの動作の流れを説明する図である。

以下、本発明の一実施形態に係る電流検出装置を、図面を用いて説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る電流検出装置を備えた電流検出システムＡの概略構成の一例を示す図である。
この電流検出システムＡは、導体Ｄに流れる電流（以下、「被測定電流」という。）を検出するシステムである。本実施形態では、被測定電流は、電源Ｅから抵抗Ｒを介して導体Ｄに流れる電流であって、スイッチング素子ＳＷのオンオフ動作により交流に変換される。

電流検出システムＡは、制御部１、スイッチング素子２、ロゴスキーコイル３、及び電流検出装置４を備える。

制御部１は、スイッチング素子ＳＷのゲート端子に第１駆動信号を出力することで、スイッチング素子ＳＷを導通状態又は非導通状態に制御する。例えば、第１駆動信号は、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）信号である。

また、制御部１は、電流検出装置４から校正開始信号を取得した場合には、第１駆動信号とは異なる第２駆動信号をスイッチング素子ＳＷのゲート端子に出力することで、スイッチング素子ＳＷを導通状態又は非導通状態に制御する。第２駆動信号とは、例えば、第１駆動信号とは異なるデューティ比のＰＷＭ信号である。なお、第１駆動信号と第２駆動信号とを区別しない限り、単に「駆動信号」と称する。

スイッチング素子２は、制御部１の出力とスイッチング素子ＳＷのゲート端子との間に接続されている。このスイッチング素子２が導通状態又は非導通状態に制御されることで、制御部１からスイッチング素子ＳＷのゲート端子への駆動信号の出力が制御される。このスイッチング素子２の導通状態又は非導通状態は、電流検出装置４に制御されてもよいし、制御部１に制御されてもよい。

ロゴスキーコイル３は、導体Ｄの周囲に設けられている。例えば、ロゴスキーコイル３は、導体Ｄが形成された多層基板の内層に配置されている。
本実施形態では、ロゴスキーコイル３は、スイッチング素子ＳＷのソース端子と電源Ｅの負極端子との間の導体Ｄの周囲に配置され、当該導体Ｄに流れる被測定電流を検出する。ロゴスキーコイル３は、一端が電流検出装置４に接続され、他端が電源Ｅの負極端子に接続されている。ロゴスキーコイル３は、検出結果を出力信号として電流検出装置４に出力する。

電流検出装置４は、ロゴスキーコイル３からの出力信号に基づいて導体Ｄに流れる被測定電流値を検出する。以下に、電流検出装置４の構成について、説明する。

電流検出装置４は、積分回路５、増幅回路６、検出処理部７、及び校正部８を備える。

積分回路５は、リセット機能を有し、ロゴスキーコイル３から出力される出力信号を積分する。具体的には、積分回路５は、抵抗５１、オペアンプ５２、コンデンサ５３、及びリセットスイッチ５４を備える。

抵抗５１は、ロゴスキーコイル３の一端とオペアンプ５２の反転入力端子との間に接続されている。また、コンデンサ５３は、オペアンプ５２の反転入力端子と、オペアンプ５２の出力端子との間に接続されている。

オペアンプ５２は、抵抗５１及びコンデンサ５３が接続されることにより、積分回路として機能する。オペアンプ５２は、反転入力端子に抵抗５１を介してロゴスキーコイル３の一端が接続され、非反転入力にロゴスキーコイル３の他端が接続されている。
オペアンプ５２は、ロゴスキーコイル３から反転入力端子に入力した出力信号を積分し、積分した出力信号を出力端子から増幅回路６に出力する。

リセットスイッチ５４は、コンデンサ５３と並列に、オペアンプ５２の反転入力端子と、オペアンプ５２の出力端子との間に接続されている。リセットスイッチ５４は、積分回路５の出力電位をリセットするスイッチである。このリセットスイッチ５４の制御端子には、制御部１の出力端子が接続されている。そして、リセットスイッチ５４は、制御部１からの駆動信号により導通状態に制御される。なお、リセットスイッチ５４は、積分回路５をリセットする際（コンデンサ５３の電荷を放電する際）に、導通状態（オン状態）に制御される。

増幅回路６は、積分回路５により積分された出力信号を所定のゲインで増幅する。この増幅回路６のゲインは、校正部８により調整される。増幅回路６は、所定のゲインで増幅した出力信号を増幅信号として検出処理部７に出力する。

検出処理部７は、増幅回路６から得られる増幅信号に基づいて導体Ｄに流れる被測定電流値を検出する。例えば、検出処理部７は、増幅信号の電圧値を取り込み、その取り込んだ電圧値をデジタル値に変換した後に、所定の演算処理を行うことにより、被測定電流値を算出する。

校正部８は、増幅回路６から出力される増幅信号の電圧値を校正する。これは、積分回路５や増幅回路６の入力オフセットやロゴスキーコイル３からの出力信号の電圧値のばらつきにより、結果的に増幅信号の電圧値にばらつきが発生し、被測定電流を正確に測定することができないためである。したがって、校正部８は、検出処理部７で被測定電流値が検出される通常動作モードの前に、増幅回路６から出力される増幅信号の電圧値を校正する。なお、校正部８による増幅信号の電圧値を校正するモードを校正モードと称する。

以下に、本発明の一実施形態に係る校正部８の構成について説明する。
校正部８は、ゲイン制御部９及び不揮発性メモリ１０を備える。
ゲイン制御部９は、増幅回路６のゲインを制御する。具体的には、ゲイン制御部９は、ＣＰＵ１１及び校正回路１２を備える。

ＣＰＵ１１は、通常動作モードから校正モードに移行すると、制御部１に校正モードの開始を示す校正開始信号を出力する。これにより、制御部１から第２駆動信号を出力させる。すなわち、ＣＰＵ１１は、予め設定されたデューティ比の駆動信号である第２駆動信号でスイッチング素子ＳＷをスイッチングさせることで、導体Ｄに予め設定された電流値（以下、「基準電流値」という。）を流す。なお、この基準電流値の情報は、不揮発性メモリ１０に予め格納されている。また、ＣＰＵ１１は、通常動作モードから校正モードに移行すると、校正回路１２に校正開始信号を出力する。

ＣＰＵ１１は、校正モード時において、増幅回路６から出力される増幅信号の電圧値を読み取る。すなわち、ＣＰＵ１１は、導体Ｄに基準電流値が流れている場合において、増幅回路６から出力される増幅信号の電圧値を読み取る。そして、ＣＰＵ１１は、読み取った電圧値をデジタル値に変換した後に、所定の演算処理を行うことにより、電流値に変換する。この所定の演算処理とは、検出処理部７における演算処理と同様である。したがって、校正部８及びＣＰＵ１１に、同一の電圧値の信号を入力すれば、校正部８及びＣＰＵ１１のそれぞれにおいて同一の電流値が得られることになる。

ＣＰＵ１１は、上記演算処理で得られた電流値と不揮発性メモリ１０に格納されている基準電流値とを比較して、その比較結果を校正回路１２に出力する。例えば、この比較結果とは、上記演算処理で得られた電流値と不揮発性メモリ１０に格納されている基準電流値との差分値（以下、「電流差分値」という。）である。

ＣＰＵ１１は、電流差分値がゼロ又はゼロと同視し得る所定範囲内に収まった場合には、校正モードの終了を示す校正終了信号を制御部１及び校正回路１２に出力する。制御部１は、校正終了信号を取得すると、第２駆動信号の出力を停止する。

校正回路１２は、校正開始信号を取得した場合には、ＣＰＵ１１からの比較結果に基づいて、増幅回路６のゲインを調整することで、増幅信号のオフセットを調整する。具体的には、校正回路１２は、ＣＰＵ１１から出力される電流差分値が０になるように増幅回路６のゲインを調整する。すなわち、校正回路１２は、校正モードにおいて、増幅回路６から得られる増幅信号の電圧値が所定値になるよう増幅回路６のゲインを調整する。増幅回路６におけるゲインの調整方法については、特に限定されない。例えば、増幅回路６のゲイン調整の抵抗として電子ボリュームが用いられる場合には、校正回路１２は、電子ボリュームに印加する電圧を調整することで、増幅回路６におけるゲインを調整する。

校正回路１２は、ＣＰＵ１１から校正終了信号を取得した場合には、増幅回路６のゲインの調整を停止するとともに、調整後の増幅回路６のゲインに関する制御情報を不揮発性メモリ１０に格納する。このゲインに関する制御情報とは、例えば、電子ボリュームに印加する電圧値である。

校正回路１２は、電流検出装置４が通常動作モードで動作する場合には、不揮発性メモリ１０に格納されている制御情報を読み取り、その読み取った制御情報に基づいて、増幅回路６のゲインを制御する。

以下に、本発明の一実施形態に係る電流検出装置４の動作の流れについて説明する。まず、電流検出装置４における校正モードの動作の流れについて、説明する。図２は、本発明の一実施形態に係る電流検出装置４における校正モードの動作の流れを説明する図である。

ゲイン制御部９は、校正モードに移行すると、制御部１に校正開始信号を出力する（ステップＳ１０１）。これにより、制御部１からスイッチＳＷのゲート端子に第２駆動信号が出力され、導体Ｄに基準電流値が流れる。

ゲイン制御部９は、導体Ｄに基準電流値が流れている場合において、増幅回路６から出力される増幅信号の電圧値を読み取る。そして、ゲイン制御部９は、読み取った電圧値を所定の演算処理により電流値に変換し（ステップＳ１０２）、その変換した電流値が不揮発性メモリ１０に格納されている基準電流値になるように、増幅回路６のゲインを調整する（ステップＳ１０３）。

ゲイン制御部９は、所定の演算処理により変換した電流値が基準電流値か否かを判定する（ステップＳ１０４）。換言すれば、ゲイン制御部９は、増幅信号の電圧値が所定値か否かを判定する。
ゲイン制御部９は、所定の演算処理により変換した電流値が基準電流値であると判定した場合には、増幅回路６のゲインの調整を終了し、当該調整後のゲインに関する制御情報を不揮発性メモリ１０に格納する（ステップＳ１０５）。そして、ゲイン制御部９は、校正モードを終了する。なお、ゲイン制御部９は、所定の演算処理により変換した電流値が基準電流値でないと判定した場合には、ステップＳ１０３に移行し、増幅回路６のゲインの調整を継続する。

次に、本発明の一実施形態に係る電流検出装置４における通常動作モードの動作の流れについて、説明する。図３は、本発明の一実施形態に係る電流検出装置４における通常動作モードの動作の流れを説明する図である。

通常動作モードにおいて、制御部１からスイッチング素子ＳＷのゲート端子に第１駆動信号が出力される。したがって、導体Ｄに被測定電流が流れる。
ゲイン制御部９は、通常動作モードに移行した場合には、不揮発性メモリ１０に格納されている制御情報を読み出し（ステップＳ２０１）、読み出した制御情報に基づいて、増幅回路６のゲインを制御する（ステップＳ２０２）。これにより、増幅信号のオフセットが校正モードにより調整された状態となる。

通常動作モードにおいて、導体Ｄに被測定電流が流れると、ロゴスキーコイル３は当該被測定電流を検出し、検出した被測定電流を微分した波形の電圧信号である出力信号を積分回路５に出力する。ロゴスキーコイル３から出力された出力信号は、積分回路５で積分される。そして、積分回路５で積分された出力信号は、増幅回路６において、校正モードで調整されたゲインで増幅され、増幅信号として検出処理部７に出力される。

検出処理部７は、増幅回路６から得られる増幅信号の電圧値を読み取り、読み取った電圧値を所定の演算処理を行うことにより電流値に変換することで被測定電流値を検出する（ステップＳ２０３）。

なお、校正部８は、内部に、コンピュータシステムを有していてもよい。そして、上述した校正部８の処理過程は、プログラムの形式でコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記憶されており、このプログラムをコンピュータが読み出して実行することによって、上記処理が行われる。ここでコンピュータ読み取り可能な記録媒体とは、磁気ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、半導体メモリ等をいう。また、このコンピュータプログラムを通信回線によってコンピュータに配信し、この配信を受けたコンピュータが当該プログラムを実行するようにしてもよい。

以上、この発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も含まれる。

例えば、校正回路１２は、増幅回路６のゲインを調整する場合において、ＣＰＵ１１から取得した差分値に応じて、変化させるゲインの値を調整してもよい。例えば、校正回路１２は、差分値が大きい場合には、調整する値を大きく設定してもよい。

また、上記実施形態では、校正モードにおいて、導体Ｄに基準電流値の電流を流すことで増幅回路６から得られる増幅信号の電圧値が所定値になるように増幅回路６のゲインを調整する場合について説明したが、これに限定されない。例えば、導体Ｄに電流が流れていない状態において検出処理部７及びＣＰＵ１１で得られる電流値が予め設定された値（例えば、ゼロ）になるように調整する、いわゆるゼロ点校正を行ってもよい。この場合には電流検出装置４は、校正モードにおいて、基準電流値の電流を流す前に、上記ゼロ点校正を実施する。すなわち、電流検出装置４は、ゼロ点校正を実施した後において、導体Ｄに基準電流値の電流を流すことで増幅回路６から得られる増幅信号の電圧値が所定値になるように増幅回路６のゲインを調整する。
例えば、ゼロ点校正を行う場合には、校正部８は、導体Ｄに電流が流れていない状態において増幅回路６から得られる増幅信号の電圧値がゼロになるように校正することで、ゼロ点校正を行ってもよい。また、ＣＰＵＩ１及び検出処理部７は、導体Ｄに電流が流れていない状態において、増幅回路６から得られる増幅信号の電圧値を電流値に変換する場合に、当該電流値をゼロと設定することでゼロ点校正してもよい。

以上、説明したように、本発明の一実施形態に係る電流検出装置４は、導体Ｄの周囲に設けられたロゴスキーコイル３からの出力信号に基づいて、導体Ｄに流れる電流を検出する電流検出装置である。そして、電流検出装置４は、校正モード時において、導体Ｄに予め設定された電流値（基準電流値）が流されることで増幅回路６から得られる増幅信号の電圧値が所定値になるように増幅回路６のゲインを調整することで、増幅信号のオフセットを調整する校正部８を備える。

このような構成によれば、電流検出装置４内に用いられている積分回路５や増幅回路６のばらつきやロゴスキーコイルの個体差による出力電圧のばらつき等により増幅信号の電圧値にばらつきが発生する場合であっても、校正部８により簡易に校正することができる。これにより、被測定電流を正確に測定することができる。

また、校正部８は、校正モード時において、増幅信号の電圧値が所定値になるように増幅回路６のゲインを調整し、調整後のゲインに関する制御情報を不揮発性メモリ１０に格納する。そして、校正部８は、通常動作モードにおいて、不揮発性メモリ１０に格納されている制御情報に基づいて、増幅回路６のゲインを制御する。

このような構成によれば、被測定電流を測定する度に、校正モードを実行する必要がなく、例えば、ロゴスキーコイル３に電流検出装置４を取り付けた場合における最初の電流検出装置４の起動時に校正モードを実行すればよい。

Ａ 電流検出システム
１ 制御部
２ スイッチング素子
３ ロゴスキーコイル
４ 電流検出装置
５ 積分回路
６ 増幅回路
７ 検出処理部
８ 校正部
９ ゲイン制御部
１０ 不揮発性メモリ

Claims (5)

1. 導体の周囲に設けられたロゴスキーコイルからの出力信号に基づいて、前記導体に流れる電流を検出する電流検出装置であって、
   前記出力信号を積分する積分回路と、
   前記積分回路により積分された出力信号を増幅する増幅回路と、
   前記増幅回路から得られる増幅信号に基づいて前記導体に流れる電流を検出する検出処理部と、
   校正モード時において、前記導体に予め設定された電流値が流されることで前記増幅回路から得られる増幅信号の電圧値が所定値になるように前記増幅回路のゲインを調整することで、前記増幅信号のオフセットを調整する校正部と、
   を備えることを特徴とする電流検出装置。
2. 前記校正部は、
   不揮発性メモリと、
   前記増幅回路のゲインを制御するゲイン制御部と、
   を備え、
   前記ゲイン制御部は、前記校正モード時において、前記増幅信号の電圧値が前記所定値になるように前記増幅回路のゲインを調整し、調整後の前記ゲインに関する制御情報を前記不揮発性メモリに格納することを特徴とする請求項１に記載の電流検出装置。
3. 前記ゲイン制御部は、通常動作モードにおいて、前記不揮発性メモリに格納されている前記制御情報に基づいて、前記増幅回路のゲインを制御することを特徴とする請求項２に記載の電流検出装置。
4. 導体の周囲に設けられたロゴスキーコイルと、
   前記ロゴスキーコイルからの出力信号に基づいて前記導体に流れる電流を検出する、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の電流検出装置と、
   を備え、
   前記ロゴスキーコイルは、前記導体が形成された多層基板の内層に配置されていることを特徴とする電流検出システム。
5. 導体の周囲に設けられたロゴスキーコイルからの出力信号を積分する積分回路と、前記積分回路により積分された出力信号を増幅する増幅回路と、前記増幅回路から得られる増幅信号に基づいて前記導体に流れる電流を検出する検出処理部と、を備える電流検出装置の校正方法であって、
   校正モード時において、前記導体に予め設定された電流値が流されることで前記増幅回路から得られる増幅信号の電圧値が所定値になるように前記増幅回路のゲインを調整することで、前記増幅信号のオフセットを調整する校正ステップを含むことを特徴とする電流検出装置の校正方法。

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