JP6254977B2 - ノイズの影響を受けない電流検出回路 - Google Patents

Description

本発明は、モータ駆動装置内の電流経路を流れる電流を検出する電流検出回路に関する。

工作機械、産業機械、鍛圧機械、射出成形機、あるいは各種ロボット内のモータを駆動するモータ駆動装置においては、交流電源側から入力された交流電力を順変換器により直流電力に一旦変換したのち、さらにこの直流電力を逆変換器により交流電力に変換し、この交流電力をモータの駆動電力として用いている。

図４は、一般的なモータ駆動装置を示す回路図である。例えば、三相交流のモータ２００を駆動するモータ駆動装置１００において、逆変換器５１の直流入力側には直流電源からの直流電圧が印加され、モータ２００を駆動するための三相の交流電流が出力される。逆変換器５１の直流入力側には平滑コンデンサ５３が設けられるが、ここでは特に図示しないが、一般に逆変換器５１の直流入力側には、商用の交流電源から入力された交流電流を直流電流に変換して出力する順変換器（整流器）が設けられる。

逆変換器５１は、還流ダイオードが逆並列に接続されたスイッチング素子Ｓ_u1、Ｓ_v1、Ｓ_w1、Ｓ_u2、Ｓ_v2およびＳ_w2が上アームおよび下アームそれぞれに設けられたフルブリッジインバータとして構成される。より具体的にいえば、ｕ相についてはスイッチング素子Ｓ_u1およびＳ_u2による直列回路、ｖ相についてはスイッチング素子Ｓ_v1およびＳ_v2による直列回路、ｗ相についてはスイッチング素子Ｓ_w1およびＳ_w2による直列回路がそれぞれ構成される。各スイッチング素子Ｓ_u1、Ｓ_v1、Ｓ_w1、Ｓ_u2、Ｓ_v2およびＳ_w2のゲートには電流制御部５２からのゲート駆動指令Ｇ_u1、Ｇ_v1、Ｇ_w1、Ｇ_u2、Ｇ_v2およびＧ_w2が印加され、このゲート駆動指令Ｇ_u1、Ｇ_v1、Ｇ_w1、Ｇ_u2、Ｇ_v2およびＧ_w2により各スイッチング素子Ｓ_u1、Ｓ_v1、Ｓ_w1、Ｓ_u2、Ｓ_v2およびＳ_w2のオンオフ制御が行われる。これにより、逆変換器５１は直流入力側から入力された直流電力を三相交流モータの駆動のための所望の周波数および所望の電圧の交流電流に変換する。

電流制御部５２は、入力された電流指令と逆変換器５１からモータ２００へ流れ込む交流電流をフィードバックした値とに基づいて、ゲート駆動指令Ｇ_u1、Ｇ_v1、Ｇ_w1、Ｇ_u2、Ｇ_v2およびＧ_w2を生成する。逆変換器５１からモータ２００へ流れる交流電流は電流検出回路１００１によって検出されるが、適切なゲート駆動指令Ｇ_u1、Ｇ_v1、Ｇ_w1、Ｇ_u2、Ｇ_v2およびＧ_w2を生成してモータ２を高精度に制御するためには、電流検出回路１００１によって高精度に検出された電流検出値を用いて上記電流フィードバック制御を行うことが重要である。

電流検出回路における電流検出方法として、電流検出の対象である電流経路に抵抗（シャント抵抗）を挿入し、電流が抵抗に流れる際に発生する抵抗両端の電圧を検出し、この電圧に基づいて電流値を得るシャント抵抗方式がある（例えば、特許文献１参照。）。シャント抵抗は、当該シャント抵抗における電流値をシャント抵抗両端の電圧に変換するためのものであり、この両端電圧はアナログ差動信号の形式で演算回路まで伝送される。しかしながら、この伝送路において外部ノイズの影響を受けると、アナログ差動信号が変動し、結果として電流検出精度が低下する。外部ノイズとして、例えば電磁誘導がある。電磁誘導は、ある電流経路の電流が変動した際に生じる磁束が当該電流経路の周辺に電位差を生じさせる現象である。ノイズ源となる電流経路に流れる電流の変化量が大きいほど、または、ノイズ源となる電流経路との距離が近いほど、当該電流経路で発生する電磁誘導によるノイズは大きくなる。特にモータ駆動装置においては、電磁誘導によるノイズを招く電流変化が大きい電流経路が存在し、モータに流れる電流を検出する電流検出回路は、このような電流経路に近接して配置されることが多い。したがって、それらの電流経路で発生する電磁誘導によるノイズによる影響を受けないように、モータに流れる電流を検出する電流検出回路を設計することが重要である。

シャント抵抗方式の電流検出回路において、外部ノイズからの影響を小さくする方法として、差動信号線を近接させて配置する方法がある。図５は、従来のシャント抵抗方式の電流検出回路において、外部ノイズからの影響を小さくする一般的な方法を説明する回路図である。一般的なシャント抵抗方式の電流検出回路１００１は、電流検出の対象である電流経路上に設けられるシャント抵抗６１と、シャント抵抗６１の電流入力側および電流出力側をそれぞれ差動入出力端子とする差分演算部６３と、シャント抵抗６１の電流入力側および電流出力側と差分演算部６３の正極および負極の各入力端子とをそれぞれ接続する伝送路６２−１および６２−２とを備える。伝送路６２−１と伝送路６２−２とを近接して配置した場合、外部ノイズ源３００から発生する外部ノイズは伝送路６２−１および６２−２に対して同様に影響を及ぼすが（図中、ノイズ成分の波形を参照符号３０１で示す。）、伝送路６２−１および６２−２それぞれを経由して伝送された信号は差分演算部６３の正極入力端子（＋）および負極入力端子（−）にそれぞれ入力され、各信号のノイズ成分は差分演算部６３による差分演算によりキャンセルされ、コモンモードノイズによる影響は消滅する。図中、差分演算部６３の出力信号の波形を参照符号４０１で示す。

図６は、従来のシャント抵抗方式の電流検出回路において、シャント抵抗の電流入力側および電流出力側と差分演算部の正極および負極の各入力端子とをそれぞれ接続する伝送路が近接せずに配置された場合の外部ノイズからの影響を説明する回路図である。シャント抵抗６１の電流入力側と差分演算部６３の正極入力端子（＋）とを接続する伝送路６２−１とシャント抵抗６１の電流出力側と差分演算部６３の負極入力端子（−）とを接続する伝送路６２−２とが近接せずに配置された場合、伝送路６２−１および６２−２間で外部ノイズによる影響に差が生じ（図中、ノイズ成分の波形を参照符号３０２で示す。）、伝送路６２−１および６２−２それぞれを経由して伝送された信号のノイズ成分は差分演算部６３による差分演算によってはキャンセルされず、差分演算部６３の出力信号に外部ノイズによる影響が残ってしまう。図中、差分演算部６３の出力信号の波形を参照符号４０２で示す。

特開２０１４−１４２５２号公報

上述のように、シャント抵抗方式の電流検出回路においては、外部ノイズからの影響を小さくするために、シャント抵抗の電流入力側および電流出力側と差分演算部の正極および負極の各入力端子とをそれぞれ接続する伝送路を互いに近接して配置するのが望ましい。

しかしながら、実際にはこれら伝送路を近接させて配線することは難しく、特にシャント抵抗近傍の伝送路や差分演算部近傍の伝送路は、シャント抵抗および差分演算部の物理的構造ゆえ近接させて配線することはできない。このため、伝送路それぞれを経由して伝送された信号のノイズ成分は差分演算部による差分演算によってはキャンセルできず、差分演算部の出力信号に外部ノイズによる影響が残ってしまう。また、モータ駆動装置は特に大電流が流れる電流経路が多く存在し、電磁誘導によるノイズの影響が顕著である。電流検出回路によって検出された電流検出値に外部ノイズよる影響が含まれた状態では、この電流検出値をフィードバック制御に用いるモータ駆動装置は、適切なゲート駆動指令を作成することができず、したがって高精度のモータ制御は実現不可能である。

従って本発明の目的は、上記問題に鑑み、モータ駆動装置内の電流経路を流れる電流を、外部ノイズの影響を受けずに高精度に検出することができるシャント抵抗方式の電流検出回路を提供することにある。

上記目的を実現するために、本発明によれば、モータ駆動装置内の電流経路を流れる電流を検出する電流検出回路は、同一の電流経路上に位置し、同じ抵抗値を有する第１の抵抗および第２の抵抗と、第１の抵抗の第１端子側の電位を表す信号を伝送する第１の信号伝送部と、第１の抵抗の第２端子側の電位を表す信号を伝送する第２の信号伝送部と、第２の抵抗の第１端子側の電位を表す信号を伝送する第３の信号伝送部と、第２の抵抗の第２端子側の電位を表す信号を伝送する第４の信号伝送部と、第１の信号伝送部により伝送された信号と第２の信号伝送部により伝送された信号との差分演算を実行することで第１の差分信号を得る第１の差分演算部と、第３の信号伝送部により伝送された信号と第４の信号伝送部により伝送された信号との差分演算を実行することで第２の差分信号を得る第２の差分演算部と、第１の差分信号と第２の差分信号との加算演算を実行することで加算信号を得る加算演算部とを備え、第１の信号伝送部と第４の信号伝送部とは近接して配置され、第２の信号伝送部と第３の信号伝送部とは近接して配置される。

ここで、第１の抵抗と第２の抵抗、第１の信号伝送部と第４の信号伝送部、第２の信号伝送部と第３の信号伝送部、および、第１の差分演算部と第２の差分演算部は、プリント基板に関して面対称となるようにプリント基板の各面上にそれぞれ配置されるようにしてもよい。

本発明によれば、モータ駆動装置内の電流経路を流れる電流を、外部ノイズの影響を受けずに高精度に検出することができるシャント抵抗方式の電流検出回路を実現することができる。

本発明による電流検出回路を、モータ駆動装置においてモータ電流検出に用いれば、外部ノイズを受けずに高精度に検出した電流を用いてフィードバック制御を行うことができるので、高精度のモータ制御が実現可能となる。また、本発明による電流検出回路を、モータ駆動装置において、モータ電流検出のみならず、交流電源を整流して直流電源を生成する順変換器（整流器）における電流検出に用いてもよい。また、本発明による電流検出回路を直流モータを駆動するモータ駆動装置における電流検出に用いてもよく、またあるいは、モータ駆動装置に限らずその他の電気機器における電流検出に用いてもよい。いずれの場合においても、本発明による電流検出回路によれば、外部ノイズの影響を受けずに高精度に電流を検出することができるので、各機器の制御精度や検出精度が向上する。

本発明の実施例による電流検出回路を模式的に示す概略図である。 図１に示す電流検出回路を示す回路図である。 本発明の実施例による電流検出回路の動作原理を説明する図である。 一般的なモータ駆動装置を示す回路図である。 従来のシャント抵抗方式の電流検出回路において、外部ノイズからの影響を小さくする一般的な方法を説明する回路図である。 従来のシャント抵抗方式の電流検出回路において、シャント抵抗の電流入力側および電流出力側と差分演算部の正極および負極の各入力端子とをそれぞれ接続する伝送路が近接せずに配置された場合の外部ノイズからの影響を説明する回路図である。

図１は本発明の実施例による電流検出回路を模式的に示す概略図であり、図２は図１に示す電流検出回路を示す回路図である。以降、異なる図面において同じ参照符号が付されたものは同じ機能を有する構成要素であることを意味するものとする。

詳細については後述するが、本発明の実施例による電流検出回路１では、対応する構成要素が、プリント基板に関して面対称となるようにプリント基板の各面上にそれぞれ配置される。図１では、プリント基板の表面に配置される構成要素を実線で示し、プリント基板の裏面に配置される構成要素を破線で示ており、当該プリント基板については図面を簡明にするために図示を省略している。なお、プリント基板についての「表面」および「裏面」との表現は便宜上用いたにすぎず、図１において実線で示された構成要素が配置される面を「裏面」、破線で示された構成要素が配置される面を「表面」と称してもよい。一方、図２は、より単純化して、図１に示す電流検出回路１を平面的な回路図上に表したものである。なお、図示の例では、一例として電流が第１の抵抗１１−１から第２の抵抗１１−２に向かう方向に流れる場合を示したが、電流が第２の抵抗１１−２から第１の抵抗１１−１に向かう方向に流れる場合であっても電流検出回路１により同様の原理にて電流検出は可能である。

本発明の実施例による電流検出回路１は、第１の抵抗１１−１と、第２の抵抗１１−２と、第１の信号伝送部１２−１と、第２の信号伝送部１３−１と、第３の信号伝送部１２−２と、第４の信号伝送部１３−２と、第１の差分演算部１４−１と、第２の差分演算部１４−２と、加算演算部１５とを備える。

第１の抵抗１１−１と第２の抵抗１１−２とは、電流検出の対象である同一電流経路上に位置し、同じ抵抗値を有する。

第１の信号伝送部１２−１は、第１の抵抗１１−１の第１端子側の電位を表す信号を伝送する信号線である。

第２の信号伝送部１３−１は、第１の抵抗１１−１の第２端子側の電位を表す信号を伝送する信号線である。

第３の信号伝送部１２−２は、第２の抵抗１１−２の第１端子側の電位を表す信号を伝送する信号線である。

第４の信号伝送部１３−２は、第２の抵抗１１−２の第２端子側の電位を表す信号を伝送する信号線である。

第１の差分演算部１４−１は、第１の信号伝送部１２−１により伝送された信号と第２の信号伝送部１３−１により伝送された信号との差分演算を実行することで第１の差分信号を得る。

第２の差分演算部１４−２は、第３の信号伝送部１２−２により伝送された信号と第４の信号伝送部１３−２により伝送された信号との差分演算を実行することで第２の差分信号を得る。

加算演算部１５は、第１の差分演算部１４−１により出力された第１の差分信号と第２の差分演算部１４−２により出力された第２の差分信号との加算演算を実行することで加算信号を得る。電流検出回路１は、この加算信号を、当該電流経路を流れる電流を示す信号として、図示しない後段の回路（例えば、モータ駆動装置における電流制御部）へ送出する。

本発明の実施例では、第１の信号伝送部１２−１と第４の信号伝送部１３−２とは近接して配置され、第２の信号伝送部１３−１と第３の信号伝送部１２−２とは近接して配置される。より詳細にいえば、第１の信号伝送部１２−１と第４の信号伝送部１３−２とは、プリント基板に関して面対称となるようにプリント基板の各面上にそれぞれ配置され、これと同様に、第２の信号伝送部１３−１と第３の信号伝送部１２−２とは、プリント基板に関して面対称となるようにプリント基板の各面上にそれぞれ配置される。

またさらに、本発明の実施例では、第１の抵抗１１−１と第２の抵抗１１−２とは、プリント基板に関して面対称となるようにプリント基板の各面上にそれぞれ配置される。これにより、第１の抵抗１１−１および第２の抵抗１１−２についても互いに近接して配置されることになる。同様に、第１の差分演算部１４−１と第２の差分演算部１４−２とは、プリント基板に関して面対称となるようにプリント基板の各面上にそれぞれ配置される。これにより、第１の差分演算部１４−１および第２の差分演算部１４−２についても互いに近接して配置されることになる。

以上説明したように、本発明の実施例では、第１の抵抗１１−１と第２の抵抗１１−２、第１の信号伝送部１２−１と第４の信号伝送部１３−２、第２の信号伝送部１３−１と第３の信号伝送部１２−２、および、第１の差分演算部１４−１と第２の差分演算部１４−２は、プリント基板に関して面対称となるようにプリント基板の各面上にそれぞれ配置される。すなわち、プリント基板の表面には、第１の抵抗１１−１、第１の信号伝送部１２−１、第２の信号伝送部１３−１および第１の差分演算部１４−１からなる第１の差動信号伝送回路１０−１（図１および後述する図３では実線で示す。）が構成され、プリント基板の裏面には、第２の抵抗１１−２、第３の信号伝送部１２−２、第４の信号伝送部１３−２および第２の差分演算部１４−２からなる第２の差動信号伝送回路１０−２（図１および後述する図３では破線で示す。）が構成される。このような配置構成をとることにより、第１の差動信号伝送回路１０−１と第２の差動信号伝送回路１０−２とは、プリント基板に関して面対称となるようにプリント基板の各面上にそれぞれ配置され、第１の差動信号伝送回路１０−１と第２の差動信号伝送回路１０−２とは信号の極性が逆の関係になる。一般にプリント基板の厚みは数ミリ程度であるので、プリント基板の両面に配置される第１の差動信号伝送回路１０−１と第２の差動信号伝送回路１０−２とは十分に近接しているといえる。特に従来技術では、シャント抵抗近傍の伝送路や差分演算部近傍の伝送路は、シャント抵抗および差分演算部の物理的構造ゆえ近接させて配線することはできなかったが、本発明によれば、第１の抵抗１１−１と第２の抵抗１１−２、および第１の差分演算部１４−１と第２の差分演算部１４−２についてもプリント基板に関して面対称となるようにプリント基板の各面上にそれぞれ配置することにより、近接配置を実現可能であり、より一層、高精度の電流検出を達成することができる。

図３は、本発明の実施例による電流検出回路の動作原理を説明する図である。図３は、図１に各部の電圧値および抵抗値の表記を追加したものであり、図１と同様、プリント基板の表面に配置される構成要素を実線で示し、プリント基板の裏面に配置される構成要素を破線で示ており、当該プリント基板については図面を簡明にするために図示を省略している。

第１の抵抗１１−１と第２の抵抗１１−２とは同じ抵抗値を有するものであることから、ともにその抵抗値を「Ｒ／２」とする。第１の抵抗１１−１と第２の抵抗１１−２とは同一の電流経路上にあるので、第１の抵抗１１−１に流れる電流は、第２の抵抗１１−２にも流れる。ここでは、第１の抵抗１１−１および第２の抵抗１１−２に同一の電流が流れることにより、第１の抵抗１１−１および第２の抵抗１１−２それぞれに、電圧値「Ｖ_i／２」が発生すると仮定する。すなわち、同一の電流が流れることにより、第１の抵抗１１−１および第２の抵抗１１−２は合計「Ｖ_i」の電圧が発生するが、この時点では外部ノイズ源３００によるノイズ成分は含まれていない。

また、図３に示す例では、第２の信号伝送部１３−１および第３の信号伝送部１２−２の組よりも、第１の信号伝送部１２−１および第４の信号伝送部１３−２の組に近い側に、外部ノイズ源３００が位置するものと仮定し、外部ノイズ源３００から発生する外部ノイズとして、第１の信号伝送部１２−１および第４の信号伝送部１３−２には「＋Ｖ_n1」がかかり、第２の信号伝送部１３−１および第３の信号伝送部１２−２に「＋Ｖ_n2」がかかると仮定する。

上述のような仮定の下で、第１の差分演算部１４−１は、第１の信号伝送部１２−１により伝送された信号と第２の信号伝送部１３−１により伝送された信号との差分演算を実行すると、「Ｖ_i／２＋Ｖ_n1−Ｖ_n2」の電圧を示す第１の差分信号を出力する。一方、第２の差分演算部１４−２は、第３の信号伝送部１２−２により伝送された信号と第４の信号伝送部１３−２により伝送された信号との差分演算を実行することにより、「Ｖ_i／２−Ｖ_n1＋Ｖ_n2」の電圧を示す第２の差分信号を出力する。加算演算部１５は、第１の差分演算部１４−１により出力された「Ｖ_i／２＋Ｖ_n1−Ｖ_n2」の電圧を示す第１の差分信号と第２の差分演算部１４−２により出力された「Ｖ_i／２−Ｖ_n1＋Ｖ_n2」の電圧を示す第２の差分信号との加算演算を実行することにより、「Ｖ_i」の電圧を示す加算信号を得る。つまり、本発明の実施例によれば、第１の抵抗１１−１および第２の抵抗１１−２で発生した合計「Ｖ_i」の電圧を、第１の差動信号伝送回路１０−１および第２の差動信号伝送回路１０−２の通過後の信号においても得ることができている。このように、本発明の実施例によれば、外部ノイズ源３００が発生した外部ノイズの影響を受けることなく、高精度の電流検出が可能であることが分かる。

上述した電流検出回路１をモータ駆動装置においてモータ電流検出に用いれば、外部ノイズを受けずに高精度に検出した電流を用いてフィードバック制御を行うことができるので、高精度のモータ制御が実現可能となる。なお、電流検出回路１はモータ電流検出のみならず、交流電源を整流して直流電源を生成する順変換器（整流器）における電流検出に用いてもよい。また、電流検出回路１を、直流モータを駆動するモータ駆動装置における電流検出に用いてもよい。

１ 電流検出回路
１０−１ 第１の差動信号伝送回路
１０−２ 第２の差動信号伝送回路
１１−１ 第１の抵抗
１１−２ 第２の抵抗
１２−１ 第１の信号伝送部
１３−１ 第２の信号伝送部
１２−２ 第３の信号伝送部
１３−２ 第４の信号伝送部
１４−１ 第１の差分演算部
１４−２ 第２の差分演算部
１５ 加算演算部

Claims (2)

1. モータ駆動装置内の電流経路を流れる電流を検出する電流検出回路であって、
   同一の電流経路上に位置し、同じ抵抗値を有する第１の抵抗および第２の抵抗と、
   前記第１の抵抗の第１端子側の電位を表す信号を伝送する第１の信号伝送部と、
   前記第１の抵抗の第２端子側の電位を表す信号を伝送する第２の信号伝送部と、
   前記第２の抵抗の第１端子側の電位を表す信号を伝送する第３の信号伝送部と、
   前記第２の抵抗の第２端子側の電位を表す信号を伝送する第４の信号伝送部と、
   前記第１の信号伝送部により伝送された信号と前記第２の信号伝送部により伝送された信号との差分演算を実行することで第１の差分信号を得る第１の差分演算部と、
   前記第３の信号伝送部により伝送された信号と前記第４の信号伝送部により伝送された信号との差分演算を実行することで第２の差分信号を得る第２の差分演算部と、
   前記第１の差分信号と前記第２の差分信号との加算演算を実行することで加算信号を得る加算演算部とを備え、
   前記第１の抵抗の前記第２端子側と前記第２の抵抗の前記第１端子側とが接続され、
   前記第１の信号伝送部と前記第４の信号伝送部とは近接して配置され、前記第２の信号伝送部と前記第３の信号伝送部とは近接して配置されることを特徴とする電流検出回路。
2. 前記第１の抵抗と前記第２の抵抗、前記第１の信号伝送部と前記第４の信号伝送部、前記第２の信号伝送部と前記第３の信号伝送部、および、前記第１の差分演算部と前記第２の差分演算部は、プリント基板に関して面対称となるように前記プリント基板の各面上にそれぞれ配置される請求項１に記載の電流検出回路。

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