JP2022034681A - 電流検出装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】適切に電流値を検出することが可能な電流検出装置を提供する。【解決手段】電流検出装置１は、ＰＷＭ制御により開状態及び閉状態のいずれか一方から他方に切り替えられるスイッチ１０と、スイッチ１０が閉状態から開状態へ移行する第１タイミングにおける電流の電流値を第１電流値として検出し、第１タイミングの直前のスイッチ１０が開状態から閉状態へ移行する第２タイミングから第１タイミングまでの間における第２タイミングから予め設定された第１時間経過後の第３タイミングにおける電流の電流値を第３電流値として検出する電流値検出部２０と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、ＰＷＭ制御で通電されるソレノイドに流れる電流を検出する電流検出装置に関する。
従来、ソレノイドに通電して動作を制御するデバイスが利用されてきた。このようなソレノイドにあっては、例えば周期的に変化する制御信号に基づいてＰＷＭ制御が行われるものがある。一方、ソレノイドの通電や上記デバイスの動作を適切に制御するには、ソレノイドに流れる電流の電流値を適切に測定することが望まれる。しかしながら、ソレノイドを流れる電流が上述したＰＷＭ制御で制御される場合には、常に電流の電流値が測定できるとは限らない。そこで、このような電流の電流値を検出する技術が検討されてきた（例えば特許文献1）。
特許文献１には、電磁コイルの電流値処理装置が開示されている。この電流値処理装置は、パルス信号発生器、駆動手段、電流値検出手段、及びサンプルアンドホールド回路を備えて構成される。パルス信号発生器は所定の矩形波を発生し、駆動手段は当該矩形波に従って電磁コイルを駆動する。電流値検出手段は電磁コイルに流れる電流値を検出し、サンプルアンドホールド回路は矩形波のエッジを検出するエッジ検出手段の出力信号に従って電流値検出手段の出力を処理して電磁コイルに流れる電流値を検出する。
特開昭６３－２６３７０５号公報
特許文献１に記載の技術は、電流値検出手段に増幅器を備えて構成される。例えばコストダウンの観点から、安価な増幅器を利用することが考えられるが、安価な増幅器はスルーレートが低いものが多い。スルーレートが低い増幅器では、入力信号に対する出力信号の遅延時間が長くなるため、信号の立ち上がりや立ち下がりをトリガとして電流値を検出する場合には適切に検出できないといった問題がある。
そこで、適切に電流値を検出することが可能な電流検出装置が求められる。
本発明に係る電流検出装置の特徴構成は、ＰＷＭ制御で通電されるソレノイドに流れる電流を検出する電流検出装置であって、前記ＰＷＭ制御により開状態及び閉状態のいずれか一方から他方に切り替えられるスイッチと、前記スイッチが閉状態から開状態へ移行するタイミングである第１タイミングにおける前記電流の電流値を第１電流値として検出し、前記第１タイミングの直前の前記スイッチが開状態から閉状態へ移行するタイミングである第２タイミングから前記第１タイミングまでの間における前記第２タイミングから予め設定された第１時間経過後の第３タイミングにおける前記電流の電流値を第３電流値として検出する電流値検出部と、前記第１電流値と前記第３電流値とに基づいて、前記第２タイミングにおける前記電流の電流値を第２電流値として算定する第２電流値算定部と、を備えている点にある。
このような特徴構成とすれば、第１電流値と第３電流値とに基づいて、第２電流値を算定できるので、精度良く各タイミングの電流値を検出することが可能となる。
また、前記電流値検出部は、前記第１タイミングの直前の前記スイッチが閉状態から開状態へ移行するタイミングである第４タイミングから前記第１タイミングまでの間において、予め設定された第２時間毎に前記電流の電流値を検出すると好適である。
このような構成とすれば、ソレノイドが多段構成で備えられている場合であっても、電流検出装置の処理負荷が増大することを抑制できる。
また、前記第１電流値は、前記ＰＷＭ制御の１周期内における電流のピーク値であると好適である。
このような構成とすれば、第１電流値の検出を容易に行うことが可能となる。
また、前記電流値検出部が増幅器を有して構成され、前記第２タイミングから次の前記第３タイミングまでの間の時間は、前記増幅器における入力応答出力の遅れ時間よりも長く設定されていると好適である。
このような構成とすれば、安価な増幅器を用いた場合に遅れ時間の影響があったとしても、電流検出精度を維持することができる。したがって、適切に電流の電流値を検出することができ、低コスト化にも寄与できる。
電流検出装置の構成を示す模式図である。 電流検出装置における各タイミングの説明図である。
本発明に係る電流検出装置は、ＰＷＭ制御で通電されるソレノイドに流れる電流を適切に検出することができるように構成される。ソレノイドは、公知であるので詳細な説明は省略するが、例えば往復駆動されるデバイス（電磁弁の弁体等）の動力源に用いられる。以下、本実施形態の電流検出装置１について説明する。
図１は、電流検出装置１の構成を模式的に示したブロック図である。図１に示されるように、電流検出装置１は、スイッチ１０、電流値検出部２０、第２電流値算定部３０、出力部４０を備えて構成され、各機能部は電流値の測定に係る処理を行うために、ＣＰＵを中核部材としてハードウェア又はソフトウェア或いはその両方で構築されている。
図１に示されるように、ソレノイド２の一方の端子には直流電源３の正端子３Ａ及びダイオード４のカソード端子が接続され、ソレノイド２の他方の端子にはダイオード４のアノード端子が接続される。また、ダイオード４のアノード端子には、スイッチ１０の一例であるｎ型ＭＯＳ－ＦＥＴのドレーン端子が接続される。ｎ型ＭＯＳ－ＦＥＴのソース端子は、抵抗器２１（シャント抵抗）の一方の端子が接続され、抵抗器２１の他方の端子は接地される。これにより、スイッチ１０が閉状態である場合には、直流電源３、ソレノイド２、スイッチ１０、抵抗器２１を介して電流が流れ、スイッチ１０が開状態である場合には、ソレノイド２及びダイオード４の閉回路において、転流による電流が流れる。
スイッチ１０は、ＰＷＭ制御により開状態及び閉状態のいずれか一方から他方に切り替えられる。上述したように、本実施形態ではスイッチ１０はｎ型ＭＯＳ－ＦＥＴが用いられる。閉状態とはｎ型ＭＯＳ－ＦＥＴのオン状態を意味し、開状態とはｎ型ＭＯＳ－ＦＥＴのオフ状態を意味する。本実施形態では、制御部５からｎ型ＭＯＳ－ＦＥＴのゲート端子にＰＷＭ信号が入力され、駆動される。したがって、ｎ型ＭＯＳ－ＦＥＴは、制御部５からのＰＷＭ信号によりオン状態からオフ状態への切り替えと、オフ状態からオン状態への切り替えとが行われる。
本実施形態では、電流値検出部２０は抵抗器２１と増幅器２２とを有して構成される。図２の（Ａ）にはＰＷＭ信号が示され、（Ｂ）にはソレノイド２に流れる電流の波形が示され、（Ｃ）には増幅器２２の出力が示される。本実施形態では、図２の（Ａ）では、オンＤＵＴＹ比が５０％であるＰＷＭ信号が示される。これにより、ｎ型ＭＯＳ－ＦＥＴはｔ１からｔ２の間及びｔ３からｔ４の間にオン状態となり、ｔ２からｔ３の間及びｔ４からｔ５の間にオフ状態となる。
上記ＰＷＭ信号がｎ型ＭＯＳ－ＦＥＴのゲート端子に入力されることにより、図２の（Ｂ）に示されるように、ｎ型ＭＯＳ－ＦＥＴがオン状態の場合は電流が次第に増大するようにソレノイド２に流れ、ｎ型ＭＯＳ－ＦＥＴがオフ状態の場合は電流が次第に減少するようにソレノイド２に流れる。
増幅器２２の２つの入力端子は、夫々、抵抗器２１の一方の端子と他方の端子とに接続される（図１参照）。これにより、増幅器２２には、ｎ型ＭＯＳ－ＦＥＴがオン状態である場合にはソレノイド２を流れる電流に起因した電圧及び接地電位が入力され、ｎ型ＭＯＳ－ＦＥＴがオフ状態である場合には接地電位のみが入力される。このような信号（電位）が増幅器２２に入力された場合に、増幅器２２の応答性によっては（具体的には、スルーレートによっては）、図２の（Ｃ）に示されるように、ＰＷＭ信号が立ち上がるタイミング（ｔ１、ｔ３）の夫々、及び、ＰＷＭ信号が立ち下がるタイミング（ｔ２、ｔ４）の夫々では、増幅器２２の出力の立ち上がり時間及び立ち下がり時間がＰＷＭ信号の立ち上がり時間及び立ち下がり時間よりも長くなる。
そこで、電流値検出部２０は、スイッチ１０が閉状態から開状態へ移行するタイミングである第１タイミングにおける電流の電流値を第１電流値として検出する。スイッチ１０が閉状態から開状態へ移行するタイミングである第１タイミングとは、ｎ型ＭＯＳ－ＦＥＴがオン状態からオフ状態へ移行するタイミングであって、図２の例ではｔ２、ｔ４のタイミングである。電流検出装置１ではこのタイミングは第１タイミングと称される。電流値検出部２０は、この第１タイミングにおいて電流値を検出し、この時に検出される電流値は、第１電流値と称される。
また、電流値検出部２０は、第１タイミングの直前のスイッチ１０が開状態から閉状態へ移行するタイミングである第２タイミングから第１タイミングまでの間における第２タイミングから予め設定された第１時間Ｔ１経過後の第３タイミングにおける電流の電流値を第３電流値として検出する。第１タイミングの直前のスイッチ１０が開状態から閉状態へ移行するタイミングとは、第１タイミング（ｔ２、ｔ４）の直前のｎ型ＭＯＳ－ＦＥＴがオフ状態からオン状態へ移行するタイミングであって、ｔ２の場合にはｔ１が相当し、ｔ４の場合にはｔ３が相当する。電流検出装置１ではこのタイミングは第２タイミングと称される。第２タイミングから第１タイミングまでの間における第２タイミングから予め設定された第１時間Ｔ１経過後の第３タイミングとは、ｔ１からｔ２までの間におけるｔ１から予め設定された第１時間Ｔ１が経過した後のタイミングであるｔ１１や、ｔ３からｔ４までの間におけるｔ３から予め設定された第１時間Ｔ１が経過した後のタイミングであるｔ３１が相当する。
ここで、第１時間Ｔ１は、少なくともｔ１からｔ２までの間の時間、及び、ｔ３からｔ４のまでの間の時間よりも短い時間で設定される。電流値検出部２０は、このような第３タイミングにおいて電流値を検出し、この時に検出される電流値は、第３電流値と称される。
また、第２タイミングから次の第３タイミングまでの間の時間は、増幅器２２における入力応答出力の遅れ時間よりも長く設定されている。第２タイミングから次の第３タイミングまでの間の時間とは、ｔ１からｔ１１までの間の時間や、ｔ３からｔ３１までの間の時間であって、第１時間Ｔ１にあたる。増幅器２２における入力応答出力の遅れ時間とは、増幅器２２の入力端子に信号が入力されてから、増幅器２２の応答時間に起因して出力端子から所期の信号が出力されるまでの間の時間である。図２の例では、ｔａが相当する。したがって、第１時間Ｔ１は、遅れ時間ｔａよりも長く設定される。
上記のように検出された第１電流値は、ＰＷＭ制御の１周期内における電流のピーク値に相当する。ＰＷＭ制御の１周期とは、１つのオンＤＵＴＹと１つのオフＤＵＴＹとからなるＰＷＭ信号の１サイクルの時間である。したがって、第１電流値は、ＰＷＭ制御の夫々の１周期における電流のピーク値が相当する。
また、本実施形態では、電流値検出部２０は、第１タイミングの直前のスイッチ１０が閉状態から開状態へ移行するタイミングである第４タイミングから第１タイミングまでの間において、予め設定された第２時間Ｔ２毎に電流の電流値を検出する。第４タイミングとは、前回の第１タイミングである。したがって、第１タイミングの直前のスイッチ１０が閉状態から開状態へ移行するタイミングである第４タイミングとは、第１タイミングをｔ４とした場合に、ｔ２が相当する。予め設定された第２時間Ｔ２とは、本実施形態ではＰＷＭ制御における１周期の１／８の時間にあたる。したがって、本実施形態では、電流値検出部２０は１／８周期をサンプリング周期として電流の電流値を検出する。
第２電流値算定部３０は、第１電流値と第３電流値とに基づいて、第２タイミングにおける電流の電流値を第２電流値として算定する。第１電流値は第１タイミングにおいて検出された電流値であって、第３電流値は上述したように本実施形態では第３タイミングの時に検出された電流値であり、電流値検出部２０から伝達される。第２タイミングとは、ｎ型ＭＯＳ－ＦＥＴがオフ状態からオン状態へ移行するタイミングである。したがって、第２電流値算定部３０は、ｔ１１の時点の電流値とｔ２の時点の電流値とに基づいて、ｔ１の時点の電流値を第２電流値として算定し、ｔ３１の時点の電流値とｔ４の時点の電流値とに基づいて、ｔ３の時点の電流値を第２電流値として算定する。すなわち、本電流検出装置１は、ｎ型ＭＯＳ－ＦＥＴがオン状態である時の２つのタイミングにおける電流値を用いて、ｎ型ＭＯＳ－ＦＥＴがオフ状態からオン状態へ移行したときの電流値を算定する。なお、上記サンプリング周期によってサンプリングする場合には、第３タイミングとサンプリング周期とが一致しないことがあるが（例えば図２のｔ３１とＳ[３]との関係）、この場合には、第３タイミングの後にサンプリングされた値を用いると良い。
具体的には、第２電流値算定部３０は、以下の（１）式に基づいて第２電流値を算定する。
Figure 2022034681000002
 ここで、ＶＬは第２タイミングにおける電流の電流値、ＶＨは第１タイミングにおいて検出された電流の電流値、ＴはオンＤＵＴＹの間の時間、ＶＬ‘は第３タイミングにおいて検出された電流の電流値、Ｔ１は第２タイミングから第３タイミングまでの時間である。
これにより、第１タイミングにおいて検出された電流の電流値と第３タイミングにおいて検出された電流の電流値とに基づいて、増幅器２２の遅れ時間の影響を受けることなく、適切に第２タイミングにおける電流の電流値を算定することが可能となる。
なお、第２時間Ｔ２をサンプリング周期として電流値を検出する構成の場合には、以下のようにすると良い。
Figure 2022034681000003
 ここで、integerは小数点以下の値は切り捨て、引数として整数値を取る関数である。
ただし、Ｔ－Ｔ１≧Ｔ２である。
ＶＨ＝Ｓ[０]、ＶＬ´＝Ｓ[ｎ]とすると（ただし、ｎは１－７までの自然数）、
Figure 2022034681000004
 で算定できる。これにより、電流値の検出に係る負荷を軽減し、適切に第２タイミングにおける電流の電流値を算定することが可能となる。
出力部４０は、第１タイミングにおける電流の電流値として第１電流値を出力し、第２タイミングにおける電流の電流値として第２電流値を出力する。本実施形態では、出力部４０は上述した第１電流値及び第２電流値を制御部５に出力する。そして、制御部５では第１電流ＶＨと第２電流ＶＬから（４）式より平均電流Ｉを算出する。
Figure 2022034681000005
 （ただし、ｋは所定の定数である）
これにより、制御部５がＰＷＭ制御により通電されるソレノイド２の電流の電流値を適切に検出し、ソレノイド２の駆動を適切に制御することが可能となる。
〔その他の実施形態〕
上記実施形態では、スイッチ１０がｎ型ＭＯＳ－ＦＥＴであるとして説明したが、ｐ型ＭＯＳ－ＦＥＴであっても良いし、その他のスイッチであっても良い。
上記実施形態では、電流値検出部２０は、第１タイミングの直前のスイッチ１０が閉状態から開状態へ移行するタイミングである第４タイミングから第１タイミングまでの間において、第２時間Ｔ２毎に電流の電流値を検出するとして説明したが、電流値検出部２０は所定のタイミング（例えば、第３タイミング）のみ、電流の電流値を検出するように構成することも可能である。また、電流値検出部２０は、第１タイミングの直前のスイッチ１０が閉状態から開状態へ移行するタイミングである第４タイミングから第１タイミングまでの間において、サンプリング回数が８回の場合の例を挙げたが、サンプリング回数は７回以下であっても良いし、９回以上であっても良い。
上記実施形態では、第１時間Ｔ１が第２タイミングから１つのサンプリング周期が経過した際の時間であるとして説明したが、第１時間Ｔ１は第２タイミングから２つ以上のサンプリング周期が経過した際の時間であっても良い。しかしながら、ＰＷＭ周期における１周期においてサンプリングを１回行うサンプリング周期が１のものを含まないように構成すると良い。
上記実施形態では、第１電流値は、ＰＷＭ制御の１周期内における電流のピーク値であるとして説明したが、第１電流値はピーク値でなくても良い。係る場合、電流値検出部２０がその他の方法でピーク値を検出するように構成すると良い。
上記実施形態では、電流値検出部２０が抵抗器２１と増幅器２２とを備えて構成されるとして説明したが、電流値検出部２０はその他の構成とすることも可能である。
上記実施形態では、第２タイミングｔ３とサンプリングポイントが一致していなかったが、オンＤＵＴＹ比５０％等、第２タイミングｔ３とサンプリングポイントＳ[４]が一致した場合、電流値検出部２０がサンプリングポイントＳ[４]を次のサンプリングとみなし、サンプリングポイントＳ[３]をその次のサンプリングポイントとし、サンプリングポイントＳ[３]の電流を第３電流値として検出すると好適である。
本発明は、ＰＷＭ制御で通電されるソレノイドに流れる電流を検出する電流検出装置に用いることが可能である。
１：電流検出装置
２：ソレノイド
１０：スイッチ
２０：電流値検出部
２２：増幅器
３０：第２電流値算定部
Ｔ１：第１時間
Ｔ２：第２時間

Claims (4)

  1. ＰＷＭ制御で通電されるソレノイドに流れる電流を検出する電流検出装置であって、
    前記ＰＷＭ制御により開状態及び閉状態のいずれか一方から他方に切り替えられるスイッチと、
    前記スイッチが閉状態から開状態へ移行するタイミングである第１タイミングにおける前記電流の電流値を第１電流値として検出し、前記第１タイミングの直前の前記スイッチが開状態から閉状態へ移行するタイミングである第２タイミングから前記第１タイミングまでの間における前記第２タイミングから予め設定された第１時間経過後の第３タイミングにおける前記電流の電流値を第３電流値として検出する電流値検出部と、
    前記第１電流値と前記第３電流値とに基づいて、前記第２タイミングにおける前記電流の電流値を第２電流値として算定する第２電流値算定部と、
    を備える電流検出装置。
  2. 前記電流値検出部は、前記第１タイミングの直前の前記スイッチが閉状態から開状態へ移行するタイミングである第４タイミングから前記第１タイミングまでの間において、予め設定された第２時間毎に前記電流の電流値を検出する請求項１に記載の電流検出装置。
  3. 前記第１電流値は、前記ＰＷＭ制御の１周期内における電流のピーク値である請求項１又は２に記載の電流検出装置。
  4. 前記電流値検出部が増幅器を有して構成され、
    前記第２タイミングから次の前記第３タイミングまでの間の時間は、前記増幅器における入力応答出力の遅れ時間よりも長く設定されている請求項１から３のいずれか一項に記載の電流検出装置。
JP2020138493A 2020-08-19 2020-08-19 電流検出装置 Active JP7501220B2 (ja)

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