JP6446883B2 - 誘導性負荷駆動装置 - Google Patents

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Description

本発明は、電流検出回路を備えた誘導性負荷駆動装置に関する。
自動車制御において、吸気・排気タイミングを制御することにより、燃費や出力の向上を可能とする可変バルブタイミング(VVT)システムがある。このVVTにおいては、バルブの制御のためにオイルコントロールバルブ(OCV)が用いられる。OCVは、VVTにオイルを供給するためのいくつかの油路と、その油路を切り替えるために内部機構を動作させるためのコイル部分とを含む。
OCVは、コイルへの通電電流を流すことで力を生じさせ、その生じさせた力により内部の油路を切り替え、これにより、油圧制御によりバルブ位置の制御を行う。一般に、油路の切り替えは、OCV内のバネと、コイルへの通電電流による力の釣り合いにより行われるため、当該コイルへの通電電流は一定値に制御する必要がある。そのため、通常、コイルへの通電電流に対しては、電流検出回路を用いたフィードバック制御が行われる。
このようなコイルなどの誘導性負荷の電流検出における誤差補正の手法としては、例えば、誘導性負荷に電流が流れていない状態での電流検出回路の出力電圧を検出し、その出力電圧をオフセット電圧として学習することにより、電流値を補正するもの等が知られている(例えば、特許文献1)。
特開2008−198850号公報
ここで、特許文献1記載のような手法では、負荷に電流が流れていない状態での誤差を全てオフセット誤差としている。しかしながら、実際には、電流が0Aでの出力電圧に生じる誤差には、オフセット誤差のみならず、電流検出抵抗の両端にかかる同相入力電圧に比例する誤差も含まれる。
同相入力電圧は、負荷電源電圧、及び駆動MOSの駆動デューティ比に依存する。しかしながら一般に、誤差を学習した時と、負荷を駆動している時とでこれらの条件は異なるため、上述の手法では誤差を補正しきれず、十分な精度が出ない場合があった。
本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、誘導性負荷に流れる電流検出の精度を高めることのできる誘導性負荷駆動装置を提供することにある。
上記課題を解決するために本発明に係る誘導性負荷駆動装置は、一端が電源電圧に接続される誘導性負荷(11)と、前記誘導性負荷に流れる電流を検出するための抵抗素子(Rs)と、前記抵抗素子の両端に接続され、当該抵抗素子に流れる電流の電流値に対応する電圧を出力する電流検出部(110)と、前記誘導性負荷及び前記抵抗素子を接地させるか否かを切り替えるための切替部(15)と、前記電流検出部から出力される電圧に基づいて、前記切替部を切り替える制御部(120)とを備え、前記制御部は、前記電流検出部から出力される電圧に基づいて前記抵抗素子の両端にかかる同相誤差の比例係数を算出し、前記誘導性負荷の駆動時に当該比例係数を用いて前記誘導性負荷に流れる電流を補正する。前記制御部は、前記切替部の通電Off時の前記電流検出部の出力電圧の基準電圧との差異を、前記電源電圧の値で除した値を前記比例係数として算出する。
本発明によれば、電流検出部の出力から同相誤差を推定し、これを用いて誘導性負荷に流れる電流を補正することで、電源電圧や駆動デューティが変化しても、精度よく誘導性負荷に流れる電流を検出することが可能となる。すなわち、誘導性負荷に流れる検出の精度を高めることのできる誘導性負荷駆動装置を提供することができる。
なお、本発明において、「部」や「手段」、「装置」、「システム」とは、単に物理的手段を意味するものではなく、その「部」や「手段」、「装置」、「システム」が有する機能をソフトウェアによって実現する場合も含む。また、1つの「部」や「手段」、「装置」、「システム」が有する機能が2つ以上の物理的手段や装置により実現されても、2つ以上の「部」や「手段」、「装置」、「システム」の機能が1つの物理的手段や装置により実現されても良い。
本発明によれば、電流検出の精度を高めることのできる誘導性負荷駆動装置を提供することができる。
本発明の実施形態である誘導性負荷駆動装置の概略構成を示す図である。 駆動信号について説明するための図である。 図1に示す誘導性負荷駆動装置の処理の流れを示すフローチャートである。 図1に示す誘導性負荷駆動装置の信号波形の具体例を示すフローチャートである。 図1に係る誘導性負荷駆動装置の一部を抜粋して示した図である。
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の符号を付して、重複する説明は省略する。なお、本発明の誘導性負荷駆動装置は、本実施形態に係る方法に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、他の様々な形で実施することができる。すなわち、本実施形態はあらゆる点で単なる例示に過ぎず、具体的構成や数値などについて限定的に解釈されるものではない。
1 回路構成
まず、図1を参照しながら、本発明の実施形態である誘導性負荷駆動装置、及び駆動方法について説明する。図1は、本実施形態に係る誘導性負荷駆動装置100の回路構成を示す図である。誘導性負荷駆動装置100は、誘導性負荷11、還流ダイオード13、駆動MOS15、電流検出抵抗Rs、電流検出回路110、及びマイコン120等を含む。図1において、VB0は負荷電源電圧を、Vrefは基準電圧を、Vsは電流検出抵抗Rsにかかる電流検出電圧を、R1乃至R10は抵抗を、C1はキャパシタを、111はオペアンプを、S1乃至S8はノードを示している。
誘導性負荷11は、一端がノードS1を介して負荷電源電圧VB0に接続され、他端が電流検出抵抗Rs及び電流検出回路110の入力端子I1に接続されている。なおここで、誘導性負荷11、電流検出抵抗Rs、及び電流検出回路110の入力端子I1が接続されるノードをS2とする。
電流検出抵抗Rsは、前述のとおり一端が電流検出回路110の入力端子I1に接続されており、他端が電流検出回路110の入力端子I2に接続されている。また、電流検出抵抗Rsの当該他端は、電流検出回路110の入力端子I2に加え、ノードS1の方向に向かって還流ダイオード13にも接続されている。ここで、電流検出抵抗Rs、電流検出回路110の入力端子I2、及び還流ダイオード13の入力側が接続されるノードをS3とする。また、電流検出抵抗Rsの両端の電位差を電流検出電圧Vs、ノードS3の電圧を同相入力電圧Vcmとする。同相入力電圧Vcmは、電流検出抵抗Rsの両端にかかる電圧である。
電流検出回路110の入力端子I1は抵抗素子R1を介してオペアンプ111の非反転入力端子、抵抗素子R3及び抵抗素子R6に接続される。抵抗素子R1、R3、及びR6並びにオペアンプ111の非反転入力端子が接続されるノードをS4とする。抵抗素子R3のノードS4とは反対側の端部は接地される。
電流検出回路110の入力端子I2は駆動MOS15のドレイン及び抵抗素子R2の一端に接続される。抵抗素子R2の他端はオペアンプ111の反転入力端子に接続されると共に、抵抗素子R4を介して基準電圧Vrefに接続され、抵抗素子R5を介して接地される。なお、抵抗素子R2、R4、及びR5、並びにオペアンプ111の反転入力端子が接続されるノードをS5とする。
駆動MOS15は後述の通りゲートがマイコン120に接続されており、ソースは接地されている。マイコン120は駆動MOS15の通電On/Offを切り替えるための駆動信号を与え、駆動MOS15は当該駆動信号に基づいて、電流検出抵抗Rsが接続されるノードS3を接地させるか否かを切り替える。
オペアンプ111の出力端子は、抵抗素子R6、R7、及びR8に接続される。オペアンプ111の出力端子、抵抗素子R6、R7及びR8がそれぞれ接続されるノードをS6とする。ノードS6は、抵抗素子R7を介して接地される。
なお、抵抗素子R1及びR2は、ほぼ同一の抵抗値を持つ。また、抵抗素子R5及びR6も、それぞれほぼ同一の抵抗値を持つ。これにより、抵抗素子R1、R2、R5及びR6、並びにオペアンプ111により、差動増幅回路が形成される。
抵抗素子R8のノードS6とは反対側の他端は、マイコン120内のアナログデジタル変換回路123(以下、AD回路123とも呼ぶ。)及びキャパシタC1の一端に接続される。キャパシタC1の他端は接地される。なお、抵抗素子R8、キャパシタC1及びAD回路123が接続されるノードをS7とする。
抵抗素子R8及びキャパシタC1は電流検出回路110からの出力信号に対するローパスフィルタF1を構成する。当該ローパスフィルタF1からの出力電圧(ノードS7の電圧)をVoとする。
誘導性負荷11の一端及び負荷電源電圧VB0が接続されるノードS1には、還流ダイオード13の出力端及びマイコン120内のAD変換回路121(以下、AD回路121とも呼ぶ。)も接続される。
AD回路121及びAD回路123は、それぞれ入力されたアナログ電圧値をデジタル値に変換した上で記憶装置であるメモリ125へと記録する。メモリ125に記録された電圧値はフィードバック(F/B)回路127に出力され、F/B回路127はこれらの値に応じた駆動信号を駆動MOS15のゲート及びメモリ125に出力する。
図1の回路構成において、駆動MOS15がOffの時には、電流検出回路110への同相入力電圧Vcmが負荷電源電圧VB0に達する。このときの電流検出回路110の出力は、理想的には以下の式で表される。
Figure 0006446883
しかしながら、実際の電流検出回路110は以下の式のように、同相入力電圧に比例する誤差及びオフセット電圧による誤差を有する。
Figure 0006446883
この式において、同相誤差係数は電流検出回路110の内部構成部品のばらつきにより生じるものであり、回路固有の値である。
誘導性負荷駆動装置100は、電流検出抵抗Rsの両端にかかる電流検出電圧Vsを電流検出回路110により電圧値に変換し、マイコン120のAD回路123でその電圧値を取得する。つまり、電流検出抵抗Rsに流れる負荷通電電流Iは電流検出回路110を通じて電圧に変換され、変換された電圧がローパスフィルタF1を介してマイコン120へと入力される。マイコン120は、誘導性負荷11に供給される負荷電源電圧VB0と駆動MOS15に与えられる駆動信号とを取得し、マイコン120のF/B回路127はそれらの値に基づいて、負荷通電電流Iに対するフィードバック制御を行うべく、駆動MOS15に対して駆動信号を出力する。このとき、マイコン120は駆動信号の出力に際し、同相入力電圧Vcm及び同相誤差係数Gcmの積として表現される同相誤差を考慮する。
図2に、マイコン120が駆動MOS15のゲートに対して出力する駆動信号の具体例を示す。駆動信号は、OnとOffとが交互に切り替えられる方形波である。駆動信号がOnの時間とOffの時間とを合わせた1周期の時間をT、駆動信号がOnの時間をTonとすると、デューティ比はTon/Tとして表現できる。また、Offデューティ比は、1−Ton/Tとして算出される。
誘導性負荷駆動装置100への電源投入直後には、駆動MOS15はOffとする。当該駆動MOS15がOffの時点でマイコン120はローパスフィルタF1を介した電流検出回路110からの出力電圧Voを取得し、当該電圧の理想出力電圧からの誤差を計算する。これにより、マイコン120は目標電流値を誘導性負荷11に流すために適切な駆動デューティ(Duty)を算出し、駆動MOS15に対して駆動信号を出力する。
2 処理の流れ
以下、図3を参照しながら、本実施形態に係る誘導性負荷駆動装置100の処理の流れを説明する。図3は、誘導性負荷駆動装置100の処理の流れを示すフローチャートである。
なお、後述の各処理ステップは、処理内容に矛盾を生じない範囲で、任意に順番を変更して若しくは並列に実行することができ、また、各処理ステップ間に他のステップを追加しても良い。更に、便宜上1つのステップとして記載されているステップは複数のステップに分けて実行することもでき、便宜上複数に分けて記載されているステップを1ステップとして実行することもできる。
誘導性負荷11の制御を開始する条件が成立している状態で、誘導性負荷駆動装置100は電源が投入されることにより、制御が開始される(S301のYes)。誘導性負荷駆動装置100の駆動直後には、マイコン120から駆動MOS15へと出力される駆動信号はOffとする(S303)。このとき、ローパスフィルタF1を介した電流検出回路110からの出力電圧Vo0の入力をマイコン120は受け、AD回路123で当該Vo0のデジタル値を取得する。マイコン120は、このVo0の値と、電流0A時における電流検出回路110の出力電圧の理想値である基準電圧Vrefとの差分を、当該時点における負荷電源電圧VB0で除した値を同相誤差係数Gcmとしてメモリ125に記憶する(S305)。
次に、誘導性負荷11を駆動する際に、当該誘導性負荷11に通電する目標電流値が外部条件からマイコン120に対して設定される(S307)。マイコン120で電流検出回路110からの出力が取得できていない場合、すなわち負荷通電電流Iを取得できていない場合には(S309のNo)、目標電流値に対して予め定められた駆動デューティがマイコン120により算出され、マイコン120は当該駆動デューティに従った駆動信号を駆動MOS15に対して出力する(S311)。
マイコン120で電流検出回路110からの出力が取得できている場合、すなわち負荷通電電流Iを取得できている場合(S309のYes)には、マイコン120は目標電流値と、電流検出回路110からの出力電圧Voから駆動デューティを算出し、当該駆動デューティに従った駆動信号を駆動MOS15に対して出力する(S313)。
更に、マイコン120は、同相誤差係数Gcm、駆動デューティのOffデューティ比、負荷電源電圧VBを用いて補正することにより、以下の式により電流検出抵抗Rsにかかる電流検出電圧Vs’を推定する。
Figure 0006446883
更にマイコン120は、以下の式に基づき、負荷通電電流Iを計算する。
Figure 0006446883
マイコン120は、S307〜S317の処理を誘導性負荷11の制御終了(S319のYes)まで続ける。
3.信号波形の具体例、及び同相誤差係数の求め方
以下、図4を参照しながら、本実施形態に係る誘導性負荷駆動装置100により得られる信号波形の具体例を説明する。図4は、本実施形態に係る誘導性負荷駆動装置100により得られる信号波形の具体例を示す図である。より具体的には、図4は、駆動MOS15のOn/Off状態と、駆動MOS15を介してノードS2に入力される同相入力電圧Vcmと、負荷通電電流Iと、電流検出回路110からの出力電圧と、ローパスフィルタF1通過後の出力電圧Voと、電流検出回路110の誤差の値と、当該誤差分のローパスフィルタF1通過後の値とを、同じ時間軸上で示している。
図1の回路構成において、誘導性負荷駆動装置100起動直後における駆動MOS15がOffの時には、電流検出回路110への同相入力電圧Vcmが負荷電源電圧VB0に達する。
数2で示したとおり、駆動MOS15がOffの時には、電流検出回路110からの出力電圧は、同相入力電圧Vcmに比例する誤差を生じる。ローパスフィルタF1を通すと、電流検出回路110からの出力電圧はVoとして時間平均化されるため、誤差も時間平均化される。
そのため、マイコン120側で同相誤差の補正を行う際には、同相入力電圧Vcmを時間平均した値として、負荷電源電圧VBとOffデューティとの積を同相入力電圧Vcmとし、これと同相誤差係数Gcmとの積が、電流検出回路110からの出力電圧Voが有する誤差となる。
ここで、図5を参照しながら、同相誤差係数Gcmの算出方法を説明する。図5は、誘導性負荷駆動装置100起動直後における駆動MOS15がOffの時、すなわち、誤差係数学習時の図1の誘導性負荷駆動装置100の一部を抜粋した構成を示す図である。
誤差係数の学習は、駆動MOS15がOffであり、負荷通電電流Iがゼロの状態で行う。このとき、同相入力電圧Vcmは負荷電源電圧VB0と等しくなるため、電流検出回路110の出力は、数2により、以下のようになる。
Figure 0006446883
ここで、検出回路基準電圧Vrefは既知の値であるため、数5は以下のように変形することができる。
Figure 0006446883
オフセット電圧が同相誤差に比べて十分に小さければ、オフセット電圧は無視することができるため、以下の数式により同相誤差係数Gcmを算出できる。
Figure 0006446883
なお、このような同相誤差係数Gcmの算出タイミングは種々考えることができる。例えば、誘導性負荷駆動装置100を車に用いる場合には、同相誤差係数Gcmの計算をイグニッションスイッチの駆動時(On)時に毎回行うようにしても良い。このように毎回同相誤差係数Gcmを計算するようにすれば、電流検出回路110の経年劣化による特性変化も考慮した補正を行うことが可能である。
また、負荷電源電圧VBが閾値以下に低下した場合には、メモリ125に格納された同相誤差係数Gcmをクリアし、負荷電源電圧VBの復帰時に、駆動MOS15を通電Offとして同相誤差係数Gcmを算出するようにしても良い。これにより、電圧低下によって異常となった同相誤差係数Gcmを使用することによる電流検出の精度低下を防ぐことが可能である。
或いは、誘導性負荷駆動装置100の製品出荷検査時に、同相誤差係数Gcmを算出し、当該同相誤差係数Gcmを不揮発性記憶装置であるメモリ125に格納するも考えられる。検査時に、実使用時の環境条件の中心条件で同相誤差係数Gcmを算出することで、環境のばらつきによる電流検出回路110の特性変化による誤差を抑制することが可能となる。
4 本実施形態に係る効果
以上説明したとおり、本実施形態に係る誘導性負荷駆動装置100は、誘導性負荷11に流れる負荷通電電流Iをフィードバック制御する。このとき、負荷電源電圧VB及び駆動MOS15のOffデューティに比例する誤差を補正するために、マイコン120は、Offデューティ=100%(駆動MOS15がOff)とした場合の電流検出回路110の出力電圧Voと、理想出力との差分から誤差を算出した上で、当該誤差を負荷電源電圧VB0で除算することで電流検出回路110が有する固有の同相誤差係数Gcmを算出する。
これにより、誘導性負荷11の駆動時には、当該同相誤差係数Gcmを用いて、駆動時の負荷電源電圧VBとOffデューティとから誤差の推定値を計算し、この誤差推定値を電流検出回路110からの出力電圧に加えることで、電流検出回路110の有する誤差を補正し、これにより、負荷通電電流Iの検出精度が向上する。
一般的に、オフセット電圧のみを補正し、同相誤差を補正しない場合には、負荷通電電流Iの検出精度は約30〜40%であるのに対し、本実施形態のように同相誤差を考慮することで、負荷通電電流Iの検出精度を10%以下と高精度とすることができる。これにより、本実施形態に係る誘導性負荷駆動装置100を用いれば、より細かく、最適なタイミングでのVVT制御を行うことが可能となる。これに伴い、燃費の向上や出力の向上も図ることが可能となる。
また、本実施形態に係るマイコン120は、負荷電源電圧VB、電流検出回路110からの出力電圧Voに基づいて負荷通電電流Iを補正している。これらの負荷電源電圧VB及び電流検出回路110の出力電圧Voは、誘導性負荷駆動装置の一般的な構成においてもマイコン120が入力を受ける値であるため、上述の手法における補正方法は特別な回路を設ける必要がない。よってコストの低減につなげることができる。
5 付記事項
なお、前述の各実施形態の構成は、組み合わせたり或いは一部の構成部分を入れ替えたりしてもよい。また、本発明の構成は前述の実施形態のみに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加えてもよい。
11 :誘導性負荷
15 :駆動MOS(切替部)
100:誘導性負荷駆動装置
110:電流検出回路(電流検出部)
120:マイコン(制御部)
125:メモリ(記憶媒体)
Rs :抵抗素子

Claims (5)

  1. 一端が電源電圧に接続される誘導性負荷(11)に流れる電流を検出するための抵抗素子(Rs)と、
    前記抵抗素子の両端に接続され、当該抵抗素子に流れる電流の電流値に対応する電圧を出力する電流検出部(110)と、
    前記誘導性負荷及び前記抵抗素子を接地させるか否かを切り替えるための切替部(15)と、
    前記電流検出部から出力される電圧に基づいて、前記切替部を切り替える制御部(120)と
    を備え、
    前記制御部は、前記電流検出部から出力される電圧に基づいて前記抵抗素子の両端にかかる同相誤差の比例係数を算出し、前記誘導性負荷の駆動時に当該比例係数を用いて前記誘導性負荷に流れる電流を補正し、
    前記制御部は、前記切替部の通電Off時の前記電流検出部の出力電圧の基準電圧との差異を、前記電源電圧の値で除した値を前記比例係数として算出することを特徴とする、誘導性負荷駆動装置。
  2. 一端が電源電圧に接続される誘導性負荷(11)に流れる電流を検出するための抵抗素子(Rs)と、
    前記抵抗素子の両端に接続され、当該抵抗素子に流れる電流の電流値に対応する電圧を出力する電流検出部(110)と、
    前記誘導性負荷及び前記抵抗素子を接地させるか否かを切り替えるための切替部(15)と、
    前記電流検出部から出力される電圧に基づいて、前記切替部を切り替える制御部(120)と
    を備え、
    前記制御部は、前記電流検出部から出力される電圧に基づいて前記抵抗素子の両端にかかる同相誤差の比例係数を算出し、前記誘導性負荷の駆動時に当該比例係数を用いて前記誘導性負荷に流れる電流を補正し、
    前記制御部は、前記比例係数と、前記電源電圧と、前記切替部のOffデューティ比との積により前記電流検出部から出力される電圧を補正することを特徴とする、誘導性負荷駆動装置。
  3. 一端が電源電圧に接続される誘導性負荷(11)に流れる電流を検出するための抵抗素子(Rs)と、
    前記抵抗素子の両端に接続され、当該抵抗素子に流れる電流の電流値に対応する電圧を出力する電流検出部(110)と、
    前記誘導性負荷及び前記抵抗素子を接地させるか否かを切り替えるための切替部(15)と、
    前記電流検出部から出力される電圧に基づいて、前記切替部を切り替える制御部(120)と
    を備え、
    前記制御部は、前記電流検出部から出力される電圧に基づいて前記抵抗素子の両端にかかる同相誤差の比例係数を算出し、前記誘導性負荷の駆動時に当該比例係数を用いて前記誘導性負荷に流れる電流を補正し、
    前記制御部は、イグニッションスイッチを駆動する度に前記比例係数を算出することを特徴とする、誘導性負荷駆動装置。
  4. 一端が電源電圧に接続される誘導性負荷(11)に流れる電流を検出するための抵抗素子(Rs)と、
    前記抵抗素子の両端に接続され、当該抵抗素子に流れる電流の電流値に対応する電圧を出力する電流検出部(110)と、
    前記誘導性負荷及び前記抵抗素子を接地させるか否かを切り替えるための切替部(15)と、
    前記電流検出部から出力される電圧に基づいて、前記切替部を切り替える制御部(120)と
    を備え、
    前記制御部は、前記電流検出部から出力される電圧に基づいて前記抵抗素子の両端にかかる同相誤差の比例係数を算出し、前記誘導性負荷の駆動時に当該比例係数を用いて前記誘導性負荷に流れる電流を補正し、
    前記制御部は、前記電源電圧が閾値以下に低下した時に記憶媒体(125)に格納されている前記比例係数をクリアし、前記電源電圧の復帰時に通電Offとして前記比例係数を再度算出することを特徴とする、誘導性負荷駆動装置。
  5. 前記制御部は、前記比例係数を予め算出し、当該比例係数を不揮発性の記憶媒体(125)に記憶することを特徴とする、
    請求項1又は2に記載の誘導性負荷駆動装置。
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