JP6487396B2 - 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７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及びＳ_w2が上アーム及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及び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及び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及び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及び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及び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及びＧ_w2により各スイッチング素子Ｓ_u1、Ｓ_v1、Ｓ_w1、Ｓ_u2、Ｓ_v2及び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及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及び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及び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位差を検出し、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流れる電流値をシャント抵抗の両端に生じる電位差に変換するためのものであり、シャント抵抗の両端の端子は、例えばプリント板上のパターン等の伝送路を通して、演算回路の差動の入力端子に接続される。しかしながら、電流検出回路内の伝送路が外部ノイズの影響を受けると、演算回路による演算結果に影響を及ぼし、電流検出精度が低下する。電流検出回路の電流検出精度の低下をもたらす外部ノイズとして、電流検出回路内の伝送路からなる閉ループにより囲まれた領域を貫く磁束の変化に起因する電磁誘導によるものがある。

図８は、従来のシャント抵抗方式の電流検出回路における、外部ノイズの影響による電流検出精度の低下を説明する回路図である。電磁誘導とは、磁束が変化した際に、その環境下にある導体に起電力が生じる現象である。モータ駆動装置内に設けられ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の両端の電位差を演算する差分演算部６３と、シャント抵抗６１の電流入力側及び電流出力側と差分演算部６３の正極及び負極の各入力端子とをそれぞれ接続する伝送路６２−１及び６２−２とを備える。シャント抵抗方式の電流検出回路１００１では、シャント抵抗６１、伝送路６２−２、差分演算部６３及び伝送路６２−１にて導体による閉ループが構成される。外部ノイズ源３００から発生する外部ノイズにより閉ループにより囲まれた領域を貫く磁束が変化すると、電磁誘導により伝送路６２−１及び６２−２に起電力が生じ、その結果、差分演算部６３の出力信号に影響を及ぼす。例えば、シャント抵抗６１の電流が流出する側を基準電位（０ボルト）にとり、電流経路に電流が流れることによりシャント抵抗６１に発生する電圧をＶ_iとし、外部ノイズ源３００から発生する外部ノイズにより導体による閉ループにより囲まれた領域を貫く磁束が変化することにより発生する起電力をＶ_nと仮定する。差分演算部６３の正極入力端子（＋）には電圧「Ｖ_i」が入力され、差分演算部６３の負極入力端子（−）には電圧「−Ｖ_n」が入力されるので、差分演算部６３による演算結果は、本来出力されるべき「Ｖ_i」に外部ノイズに起因する電圧「Ｖ_n」が加わった「Ｖ_i＋Ｖ_n」となり、すなわち電流検出回路１００１の電流検出結果は誤差を含んだものとなる。

電磁誘導により伝送路６２−１及び６２−２に発生する起電力は、伝送路６２−１及び６２−２により構成される閉ループにより囲まれた領域を貫く単位時間の磁束の変化量に比例する。また、電流検出回路１００１による電流検出の対象である電流経路とは別の導体が外部ノイズ源３００である場合、電流検出回路１００１内の閉ループにより囲まれた領域を貫く磁束の変化量は、外部ノイズ源３００である導体に流れる電流の変化量に比例し、かつ、電流検出回路１００１と外部ノイズ源３００である導体との間の距離に反比例する。つまり、外部ノイズ源３００である導体（すなわち電流検出回路１００１による電流検出の対象である電流経路とは別の導体）に流れる電流の変化量が大きいほど、または、電流検出回路１００１と外部ノイズ源３００である導体との間の距離が近いほど、電流検出回路１００１内の閉ループにより囲まれた領域を貫く磁束の変化は大きくなり、したがってこの磁束の変化に伴い発生する起電力Ｖnが大きくなり、その結果、電流検出回路１００１の電流検出精度が低下する。

特にモータ駆動装置においては、電磁誘導を招く電流変化が大きい電流経路が多数存在し、シャント抵抗方式の電流検出回路はこのような電流変化が大きい電流経路に近接して配置されることが多い。そのため、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、外部ノイズの影響を小さくする方法として、伝送路を近接させて配置する方法がある。図９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。伝送路６２−１と伝送路６２−２とを近接して配置した場合、シャント抵抗６１、伝送路６２−２、差分演算部６３及び伝送路６２−１から構成される閉ループが狭くなり、これよって閉ループにより囲まれた領域を貫く磁束が少なくなるので磁束の変化も小さくなるので、伝送路６２−１及び６２−２に発生する電磁誘導による起電力が小さくなり、その結果、差分演算部６３の出力信号に影響への影響は小さくなる。

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、外部ノイズの影響を小さくするために、シャント抵抗の電流入力側と差分演算部の正極入力端子とを接続する伝送路と、シャント抵抗の電流出力側と差分演算部の負極入力端子とを接続する伝送路と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、シャント抵抗及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。これら伝送路間に近接していない箇所があると、これら伝送路を含んだ閉ループにより囲まれた領域を貫く磁束の変動の影響を受け易くなり、その結果、外部ノイズに起因する電磁誘導により伝送路に起電力が生じ、電流検出回路の電流検出精度が大きく低下する。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、本発明においては、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は、電流経路上に位置する抵抗と、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、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、モータ駆動装置内に設けられたノイズ捕捉用伝送部起点と、ノイズ捕捉用伝送部起点に接続された第３の信号伝送部と、ノイズ捕捉用伝送部起点に接続された、第３の信号伝送部とは異なる第４の信号伝送部と、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、ノイズ捕捉用伝送部起点は、上記抵抗、第１の信号伝送部、第１の差分演算部及び第２の信号伝送部にて構成される閉ループにより囲まれた領域を貫く磁束と、ノイズ捕捉用伝送部起点、第３の信号伝送部、第２の差分演算部及び第４の信号伝送部にて構成される閉ループにより囲まれた領域を貫く磁束と、が略同一となる位置に配置されてもよい。

また、ノイズ捕捉用伝送部起点は、上記抵抗の第２端子側の電流経路上もしくは上記抵抗の第２端子側の電流経路から分岐した配線上に位置してもよい。

また、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、及び、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てもよい。

また、第１の差分信号及び第２の差分信号はディジタルデータであり、加算演算部は、ディジタル演算処理により加算演算を実行してもよい。

また、電流検出回路は、第２の差分信号が所定の閾値を超えた場合、警告信号を出力する警告部をさらに備えてもよい。

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制御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。

また、一般にシャント抵抗を使った電流検出回路の構成部品としてはシャント抵抗と差分演算回路があるが、従来の精度向上の方法として、例えばシャント抵抗と差分演算回路との組からなる電流検出回路を２セット使い、これら電流検出回路の検出値の平均を取ってノイズ低減を図るような方法がある。これに対し、本発明によれば、１個のシャント抵抗と２個の差分演算回路とで電流検出回路を構成できるので、従来に比べてシャント抵抗１個分の実装面積削減が期待でき、またさらに、差分演算回路をプリント基板の両面に対象に配置することで、実質的な実装面積はシャント抵抗と差分演算回路との組からなる電流検出回路１セット分に収まるので、さらなる実装面積削減が期待できる。

本発明の実施形態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。 本発明の実施形態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に示す電流検出回路を示す回路図である。 本発明の実施形態による電流検出回路の変形例を模式的に示す概略図である。 本発明の実施形態による電流検出回路のさらなる変形例を模式的に示す概略図である。 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ける、外部ノイズの影響による電流検出精度の低下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、外部ノイズ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。

次に、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。以下の図面において、同様の部材には同様の参照符号が付けられている。理解を容易にするために、これらの図面は縮尺を適宜変更している。また、図面に示される形態は本発明を実施するための一つの例であり、本発明は図示された形態に限定されるものではない。

図１は本発明の実施形態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。

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、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が、プリント基板の表面に配置される構成要素については実線で示し、プリント基板の裏面に配置される構成要素については破線で示している。なお、プリント基板についての「表面」及び「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、図示した抵抗１１を流れる電流の向きは一例であり、逆向きに電流が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。

本発明の実施形態による電流検出回路１は、抵抗１１と、第１の信号伝送部１２−１と、第２の信号伝送部１３−１と、第１の差分演算部１４−１と、ノイズ捕捉用伝送部起点１６と、第３の信号伝送部１２−２と、第４の信号伝送部１３−２と、第２の差分演算部１４−２と、加算演算部１５とを備える。

抵抗１１は、モータ駆動装置内の電流経路上に位置するシャント抵抗である。電流経路上の抵抗１１の両端の端子に関し、電流が流入する側の端子を「第１端子」と称し、電流が流出する側の端子を「第２端子」と称する。

第１の信号伝送部１２−１は、抵抗１１の第１端子側と後述する第１の差分演算部１４−１の正極入力端子（＋）と接続する信号線であり、抵抗１１の第１端子側の電位を表す信号を伝送する。

第２の信号伝送部１３−１は、抵抗１１の第２端子側と後述する第１の差分演算部１４−１の負極入力端子（−）とを接続する信号線であり、抵抗１１の第２端子側の電位を表す信号を伝送する。

ノイズ捕捉用伝送部起点１６は、後述する第３の信号伝送部１２−２及び第４の信号伝送部１３−２の各配線の「起点」として設定されるものであり、モータ駆動装置内に設けられる。第３の信号伝送部１２−２と第４の信号伝送部１３−２とは同質の導体にて構成されることから、ノイズ捕捉用伝送部起点１６を起点として配線された第３の信号伝送部１２−２と第４の信号伝送部１３−２とは、実質的には一体化された信号線となる。すなわち、「ノイズ捕捉用伝送部起点」とは、第３の信号伝送部１２−２及び第４の信号伝送部１３−２の配置位置を定義する際に用いられる用語として解釈することもできる。ノイズ捕捉用伝送部起点１６の配置位置の具体例については後述する。

第３の信号伝送部１２−２は、ノイズ捕捉用伝送部起点１６を起点とする信号線であり、後述する第２の差分演算部１４−２の正極入力端子（＋）に接続される。

第４の信号伝送部１３−２は、同じくノイズ捕捉用伝送部起点１６を起点とする、第３の信号伝送部１２−２とは異なるものとして設けられる信号線であり、後述する第２の差分演算部１４−２の負極入力端子（−）に接続される。

ここで、ノイズ捕捉用伝送部起点１６の配置位置の具体例について説明する。

上述のノイズ捕捉用伝送部起点１６は、抵抗１１、第１の信号伝送部１２−１、第１の差分演算部１４−１及び第２の信号伝送部１３−１により構成される第１の差動信号伝送回路１０−１上の閉ループにより囲まれた領域を貫く磁束と、ノイズ捕捉用伝送部起点１６、第３の信号伝送部１２−２、第２の差分演算部１４−２及び第４の信号伝送部１３−２により構成される第２の差動信号伝送回路１０−２上の閉ループにより囲まれた領域を貫く磁束とが、略同一となるような位置に配置される。このような磁束の同一性を実現するために、例えば、第１の信号伝送部１２−１と第４の信号伝送部１３−２とが近接して配置され、かつ、第２の信号伝送部１３−１と第３の信号伝送部１２−２とが近接して配置され、かつ、第１の差動信号伝送回路１０−１上の閉ループにより囲まれる面積と第２の差動信号伝送回路１０−２上の閉ループにより囲まれる面積とが略同一となるように第１の差動信号伝送回路１０−１及び第２の差動信号伝送回路１０−２を構成する各構成要素が配置される。

特に、図１及び図２に示す実施形態では、第１の信号伝送部１２−１と第４の信号伝送部１３−２とが近接して配置され、かつ、第２の信号伝送部１３−１と第３の信号伝送部１２−２とが近接して配置されるようにするために、第１の信号伝送部１２−１と第４の信号伝送部１３−２とが、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、第２の信号伝送部１３−１と第３の信号伝送部１２−２とが、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。

また、ノイズ捕捉用伝送部起点１６を、抵抗１１が設置されたプリント基板上の面の裏面上に、抵抗１１とプリント基板に関して面対称になるように設定すれば、各信号伝送部の回路設計が容易となる利点がある。またさらに、図１及び図２に示す実施形態では、ノイズ捕捉用伝送部起点１６は、図１に示すように抵抗１１の第２端子側の電流経路から分岐した配線上に位置するものとして設けられる。このように抵抗１１の第２端子側の電流経路から分岐した配線上にノイズ捕捉用伝送部起点１６を設けることで、第１の差分演算部１４−１及び第２の差分演算部１４−２のグランド電圧を共通化することができ、回路設計がより容易となる利点がある。なお、ノイズ捕捉用伝送部起点１６は、抵抗１１の第２端子側の電流経路上に直接設けられてもよい。

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の差分信号を得る演算回路である。第１の信号伝送部１２−１は第１の差分演算部１４−１の正極入力端子（＋）に接続され、第２の信号伝送部１３−１は第１の差分演算部１４−１の負極入力端子（−）に接続される。

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の差分信号を得る演算回路である。ただし、第３の信号伝送部１２−２及び第４の信号伝送部１３−２を含む第２の差動信号伝送回路１０−２により伝送されて第２の差分演算部１４−２に入力される差動信号が、第１の信号伝送部１２−１及び第２の信号伝送部１３−１を含む第１の差動信号伝送回路１０−１により伝送されて第１の差分演算部１４−１に入力される差動信号と逆極性となるようにするために、第３の信号伝送部１２−２は第２の差分演算部１４−２の正極入力端子（＋）に接続され、第４の信号伝送部１３−２は第２の差分演算部１４−２の負極入力端子（−）に接続される。

上述の第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及び第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。

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演算回路である。加算演算部１５は、プリント基板の表面もしくは裏面の何れかに設ければよい。加算演算部１５から出力される信号が、電流検出回路１による電流検出結果に対応する信号となる。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。なお、加算演算部１５により加算演算される第１の差分信号及び前記第２の差分信号は、外部ノイズ源からのノイズに対する耐性を強化するためにディジタルデータであることが好ましく、この場合、第１の差分演算部１４−１及び第２の差分演算部１４−２の各出力と加算演算部１５との間にはアナログディジタル（ＡＤ）変換回路（図示せず）が設けられ、加算演算部１５は、ディジタル演算処理により加算演算を実行する。

以上説明したように、本発明の実施形態では、プリント基板の表面には、抵抗１１、第１の信号伝送部１２−１、第１の差分演算部１４−１及び第２の信号伝送部１３−１からなる第１の差動信号伝送回路１０−１（図１及び後述する図３では実線で示す。）が構成され、第１の信号伝送部１２−１は第１の差分演算部１４−１の正極入力端子（＋）に接続され、第２の信号伝送部１３−１は第１の差分演算部１４−１の負極入力端子（−）に接続される。また、プリント基板の裏面には、ノイズ捕捉用伝送部起点１６、第３の信号伝送部１２−２、第２の差分演算部１４−２及び第４の信号伝送部１３−２からなる第２の差動信号伝送回路１０−２（図１及び後述する図３では破線で示す。）が構成され、第３の信号伝送部１２−２は第２の差分演算部１４−２の正極入力端子（＋）に接続され、第４の信号伝送部１３−２は第２の差分演算部１４−２の負極入力端子（−）に接続される。そして、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、及び、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。

各構成要素を上述のように配置することにより、抵抗１１、第１の信号伝送部１２−１、第１の差分演算部１４−１及び第２の信号伝送部１３−１により構成される第１の差動信号伝送回路１０−１上の閉ループにより囲まれた領域を貫く磁束と、ノイズ捕捉用伝送部起点１６、第３の信号伝送部１２−２、第２の差分演算部１４−２及び第４の信号伝送部１３−２からなる第２の差動信号伝送回路１０−２上の閉ループにより囲まれた領域を貫く磁束と、が略同一になり、なおかつ、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。

続いて、図１及び図２に示した本発明の実施形態による電流検出回路の電流検出精度について、図３及び図４を参照して説明する。図３は、本発明の実施形態による電流検出回路の動作原理を説明する図であり、図４は、図３に示す電流検出回路を示す回路図である。図３は、図１に各部の電圧値及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。また、図４は、図２に各部の電圧値及び抵抗値の表記を追加したものである。

抵抗１１の抵抗値を「Ｒ」とする。ここでは、抵抗１１に図中矢印の向き（第１端子から第２端子への向き）に電流が流れることにより、抵抗１１に電圧値「Ｖ_i」が発生すると仮定する。本明細書では、説明を簡明なものとするために、抵抗１１の電流が流出する側である第２端子側の電位を基準電位（０ボルト）にとる。

また、図３に示す例では、外部ノイズ源３００発生する外部ノイズにより導体による閉ループにより囲まれた領域を貫く磁束を太線の矢印で示しており、プリント基板の表側の磁束を実線で示し、プリント基板の裏側の磁束を破線で示している。上述のように、本実施形態では、抵抗１１、第１の信号伝送部１２−１、第１の差分演算部１４−１及び第２の信号伝送部１３−１により構成される第１の差動信号伝送回路１０−１上の閉ループにより囲まれる面積と、ノイズ捕捉用伝送部起点１６、第３の信号伝送部１２−２、第２の差分演算部１４−２及び第４の信号伝送部１３−２からなる第２の差動信号伝送回路１０−２上の閉ループにより囲まれる面積が略同一であり、なおかつ、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とはプリント基板を挟んで近接して配置されるので、第１の差動信号伝送回路１０−１上の閉ループにより囲まれた領域及び第２の差動信号伝送回路１０−２上の閉ループにより囲まれた領域を貫く磁束の変化も略同一になり、したがって第１の差動信号伝送回路１０−１及び第２の差動信号伝送回路１０−２に、電磁誘導により略同一の起電力が発生する。この起電力を「Ｖ_n」で表す。第３の信号伝送部１２−２及び第４の信号伝送部１３−２を含む第２の差動信号伝送回路１０−２により伝送されて第２の差分演算部１４−２に入力される差動信号が、第１の信号伝送部１２−１及び第２の信号伝送部１３−１を含む第１の差動信号伝送回路１０−１により伝送されて第１の差分演算部１４−１に入力される差動信号と逆極性となるようにするために、第３の信号伝送部１２−２は第２の差分演算部１４−２の正極入力端子（＋）に接続され、第４の信号伝送部１３−２は第２の差分演算部１４−２の負極入力端子（−）に接続されているので、閉ループを貫く磁束が変化することにより電磁誘導により発生する起電力に関しては、近接した第１の信号伝送部１２−１と第４の信号伝送部１３−２とで同電位となり、かつ、近接した第２の信号伝送部１３−１と第３の信号伝送部１２−２とで同電位となる。そこで、本明細書では、説明を簡明なものとするために、閉ループに囲まれた領域を貫く磁束が変化することにより電磁誘導により発生する起電力「Ｖ_n」を、第２の信号伝送部１３−１及び第３の信号伝送部１２−２上に位置する各電圧源として等価的に表す。

第１の差動信号伝送回路１０−１においては、第１の信号伝送部１２−１は、抵抗１１の第１端子側の電位「Ｖ_i」を表す信号を第１の差分演算部１４−１の正極入力端子（＋）に伝送する。一方、第２の信号伝送部１３−１上には、閉ループにより囲まれた領域を貫く磁束が変化することにより電磁誘導により発生する起電力「Ｖ_n」の電圧源が存在するので、第１の差分演算部１４−１の負極入力端子（−）には「−Ｖ_n」を表す信号が入力される。その結果、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して、「Ｖ_i＋Ｖ_n」の電圧を示す第１の差分信号を出力する。

また、第２の差動信号伝送回路１０−２においては、本実施形態ではノイズ捕捉用伝送部起点１６の電位は抵抗１１の第２端子側の電位と同じである。したがって、第４の信号伝送部１３−２は、ノイズ捕捉用伝送部起点１６の電位でありかつ抵抗１１の第２端子側の電位である「０ボルト」を表す信号を第２の差分演算部１４−２の負極入力端子（−）に伝送する。一方、第３の信号伝送部１２−２上には、閉ループにより囲まれた領域を貫く磁束が変化することにより電磁誘導により発生する起電力「Ｖ_n」に係る電圧源が存在するので、第２の差分演算部１４−２の正極入力端子（＋）には「−Ｖ_n」を表す信号が入力される。その結果、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して、「−Ｖ_n」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＋Ｖ_n」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_n」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、第１の差動信号伝送回路１０−１及び第２の差動信号伝送回路１０−２に係る上記配置構成により、第１の差動信号伝送回路１０−１上の閉ループにより囲まれた領域を貫く磁束の変化に伴う電磁誘導に起因する起電力「Ｖ_n」と第２の差動信号伝送回路１０−２上の閉ループにより囲まれた領域を貫く磁束の変化に起因する起電力「Ｖ_n」とが打ち消し合うので、抵抗１１で発生した電圧「Ｖ_i」を表した信号が、加算演算部１５から出力されることが分かる。加算演算部１５から出力される信号は、電流検出回路１による電流検出結果に対応する。このように、本発明の実施形態による電流検出回路１は、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。なお、外部ノイズが、電流検出回路１とは異なる導体に流れる電流の変化によるものであっても、当該導体に印加される電圧の変化によるものであっても、各信号伝送部には電磁誘導による起電力は同様に発生するので、本発明の実施形態による電流検出回路１は、これら電流変化及び電圧変化いずれの外部ノイズに対しても高精度の電流検出が可能である。

続いて、本発明の実施形態による電流検出回路の変形例について、図５及び図６を参照して説明する。

図５は、本発明の実施形態による電流検出回路の変形例を模式的に示す概略図である。

「抵抗１１、第１の信号伝送部１２−１、第１の差分演算部１４−１及び第２の信号伝送部１３−１にて構成される閉ループにより囲まれた領域を貫く磁束と、ノイズ捕捉用伝送部起点１６、第３の信号伝送部１２−２、第２の差分演算部１４−２及び第４の信号伝送部１３−２にて構成される閉ループにより囲まれた領域を貫く磁束とが、略同一である」という要件を満たす限りにおいて、ノイズ捕捉用伝送部起点１６は、モータ駆動装置内のどのような位置に配置されてもよい。例えば、図１〜図４に示したような抵抗１１が接続された電流経路から分岐した配線上ではなく、図５に示すような、ノイズ捕捉用伝送部起点１６は、抵抗１１が接続された電流経路から電気的に独立した位置に設けられてもよい。なお、これ以外の回路構成要素については図１〜図４に示す構成要素と同様であるので、同一の回路構成要素には同一符号を付して当該構成要素についての詳細な説明は省略する。

図６は、本発明の実施形態による電流検出回路のさらなる変形例を模式的に示す概略図である。ノイズ捕捉用伝送部起点１６、第３の信号伝送部１２−２、第２の差分演算部１４−２及び第４の信号伝送部１３−２により構成される第２の差動信号伝送回路１０−２における第２の差分演算部１４−２は、第２の差分信号を出力するが、この第２の差分信号は、外部ノイズの影響を受けて第２の差動信号伝送回路１０−２上の閉ループを貫く磁束が変化することにより発生する起電力「−Ｖ_n」を示すものであるので、第２の差分演算部１４−２の出力結果を監視すれば電流検出回路１に対する外部ノイズの影響を検知することができる。図６に示す変形例では、電流検出回路１は、第２の差分演算部１４−２の差分信号が所定の閾値を超えた場合、警告信号を出力する警告部１７をさらに備える、この警告信号は、電流検出回路１が設置されているモータ駆動装置が外部ノイズの大きい環境下にあるという警告を示す。警告部１７から出力された警告信号に基づいて、各種ディスプレイ装置に警告を表示させたり、各種音響機器が警告音やブザーを発するようにしてもよい。またあるいは、警告信号を例えばハードディスク、ＣＤ−ＲあるいはＤＶＤ−Ｒなどの記録メディアやネットワークストレージ上などに保存しておき、作業者の所望の時期に各種ディスプレイ装置に警告を表示させたり、各種音響機器が警告音やブザーを発するようにしてもよい。警告部１７を設けることにより、作業者は容易に、電流検出回路１が設置されているモータ駆動装置が外部ノイズの大きい環境下にあるということを容易に知ることができる。なお、これ以外の回路構成要素については図１〜図５に示す構成要素と同様であるので、同一の回路構成要素には同一符号を付して当該構成要素についての詳細な説明は省略する。なお、図６に示す変形例は、図５に示す変形例にも適用可能である。

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。また、外部ノイズがある電流経路における電流変化により発生する電磁誘導の場合を例としたが、電圧の変化により発生する静電誘導の場合でも、同様に効果が得られる。

１ 電流検出回路
１１ 抵抗
１２−１ 第１の信号伝送部
１２−２ 第３の信号伝送部
１３−１ 第２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
１６ ノイズ捕捉用伝送部起点
１７ 警告部

Claims (5)

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、
   電流経路上に位置する抵抗と、
   前記抵抗の第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１の信号伝送部により伝送された信号から前記第２の信号伝送部により伝送された信号を減算する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、
   モータ駆動装置内に設けられたノイズ捕捉用伝送部起点と、
   前記ノイズ捕捉用伝送部起点に接続された第３の信号伝送部と、
   前記ノイズ捕捉用伝送部起点に接続された、前記第３の信号伝送部とは異なる第４の信号伝送部と、
   前記第３の信号伝送部により伝送された信号から前記第４の信号伝送部により伝送された信号を減算する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、
   前記ノイズ捕捉用伝送部起点は、前記抵抗、前記第１の信号伝送部、前記第１の差分演算部及び前記第２の信号伝送部にて構成される閉ループにより囲まれた領域を貫く磁束と、前記ノイズ捕捉用伝送部起点、前記第３の信号伝送部、前記第２の差分演算部及び前記第４の信号伝送部にて構成される閉ループにより囲まれた領域を貫く磁束と、が略同一となる位置に配置される、電流検出回路。
2. 前記ノイズ捕捉用伝送部起点は、前記抵抗の前記第２端子側の電流経路上もしくは前記抵抗の前記第２端子側の電流経路から分岐した配線上に位置する、請求項１に記載の電流検出回路。
3. 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、及び、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または２に記載の電流検出回路。
4. 前記第１の差分信号及び前記第２の差分信号はディジタルデータであり、
   前記加算演算部は、ディジタル演算処理により加算演算を実行する、請求項１〜３のいずれか一項に記載の電流検出回路。
5. 前記第２の差分信号が所定の閾値を超えた場合、警告信号を出力する警告部をさらに備える、請求項１〜４のいずれか一項に記載の電流検出回路。

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