(57)【要約】【課題】負の直流電源を用いることなく、正の直流電源のみで（片電源で）正負双方向に流れる電流を検出する。【解決手段】正の直流電源１と、直列に接続された第１、第２、第３の抵抗２、３、４と、前記正の直流電源１を電源とする差動増幅手段５を備え、前記第１の抵抗２の一端を前記正の直流電源１に接続し、前記第３の抵抗４の一端を接地に接続し、前記第３の抵抗４に被検出電流が流れるように電流経路を設け、前記第１の抵抗２と第２の抵抗３の接続点の電圧と所定の電圧６との差分を前記差動増幅手段５で演算し、その演算式の定数項が正となるよう、前記第１、第２、第３の抵抗２、３、４の抵抗値、および前記所定の電圧６を設定する。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
正の直流電源と、直列に接続された第１、第２、第３の抵抗と、前記正の直流電源を電源とする差動増幅手段を備え、前記第１の抵抗の一端を前記正の直流電源に接続し、前記第３の抵抗の一端を接地し、前記第３の抵抗に被検出電流が流れるように電流経路を設け、前記第１の抵抗と第２の抵抗の接続点の電圧と所定の電圧との差分を前記差動増幅手段で演算し、その演算式の定数項が正となるよう、前記第１、第２、第３の抵抗の抵抗値、および前記所定の電圧を設定した電流検出装置。
【請求項２】
被検出電流がゼロの時の前記差動増幅手段の実際の出力と構成要素の誤差がゼロの時の理想値との差分Ｖｏｆｆを記憶し、被検出電流が流れている時の前記差動増幅手段の出力から前記差分Ｖｏｆｆを差し引く前記正の直流電源を電源とする補正手段を備えた請求項１記載の電流検出装置。
【請求項３】
前記正の直流電源と負極（接地）を共有する第２の直流電源と、半導体スイッチとダイオードを逆並列に接続した複数のユニットをブリッジ構成にした半導体スイッチ群と、前記半導体スイッチ群を駆動する駆動手段と、前記半導体スイッチ群の出力端に接続されたモータと、前記半導体スイッチ群の負の直流ラインと前記第２の直流電源の負極（接地）との間に接続された電流検出抵抗と、前記電流検出抵抗に発生した電圧と第２の所定の電圧を比較し、その出力を前記駆動手段に伝達する比較手段と、前記電流検出抵抗を前記第３の抵抗として兼用する請求項１または２に記載の電流検出装置を備えたモータ駆動装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、正の直流電源のみを有する（片電源）制御システムにおいて、正負双方向に流れる電流を簡単な構成で検出できる電流検出装置およびその電流検出装置を搭載した合理的なモータ駆動装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、あるラインに流れる電流を検出する場合、そのラインに電流検出抵抗を挿入し、その抵抗の被検出電流による電圧降下を検出する方法が一般的に用いられている。この方法において、被検出電流が双方向に流れる場合、前記電流検出抵抗の電圧降下も正負両極性の電圧となるため、その信号処理回路も正負両極性の信号を扱える回路が必要となる。この一例を図を用いて説明する。
【０００３】
図７は電流検出抵抗１４と接地の間を双方向に流れる電流Ｉを測定する回路である。同図において１は正の直流電源、１７は負の直流電源、７は正の直流電源１を電源とするＡＤ変換機能を有するマイクロコンピュータ、１４は電流検出抵抗、１５は正の直流電源１と負の直流電源１７を電源とする加算演算器、１６は加算演算器１５の出力電圧レベルを調整するための基準電圧Ｖｒｅｆ３である。この動作について以下に説明する。
【０００４】
被検出電流Ｉは電流検出抵抗１４を介して接地との間を双方向に流れている。この場合、被検出電流Ｉが同図の矢印の方向に流れている場合、加算演算器１５に入力される電圧は正となり、被検出電流Ｉが矢印の方向と逆に流れている場合は、加算演算器１５に入力される電圧は負となる。従って、加算演算器１５には正負両極性の電源が必要となり、それぞれ正の直流電源１と負の直流電源１７が設けられている。
【０００５】
加算演算器１５の出力Ｖｏは前記マイクロコンピュータ７でその値が判断されるが、マイクロコンピュータ７は正の直流電源１（Ｖｃｃ）で駆動されるため、その入力である加算演算器１５の出力Ｖｏも０からＶｃｃの間の正の値である必要がある。従って、電流検出抵抗１４の電圧降下に基準電圧１６（Ｖｒｅｆ３）を加算し、出力電圧Ｖｏのレベルを調整している。
【０００６】
加算演算器１５のゲインをＡとするとこの出力Ｖｏと被検出電流Ｉの関係は図８のようになり、正負双方向の被検出電流Ｉに対して正の出力Ｖｏを得ることができる（例えば、非特許文献１参照）。
【０００７】
【非特許文献１】
岡村　『ＯＰアンプ回路の設計』
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上記課題を解決するため、本発明の電流検出装置およびモータ駆動装置は、正の直流電源と、直列に接続された第１、第２、第３の抵抗と、前記正の直流電源を電源とする差動増幅手段を備え、前記第１の抵抗の一端を前記正の直流電源に接続し、前記第３の抵抗の一端を接地に接続し、前記第３の抵抗に被検出電流が流れるように電流経路を設け、前記第１の抵抗と第２の抵抗の接続点の電圧と所定の電圧との差分を前記差動増幅手段で演算し、その演算式の定数項が正となるよう、前記第１、第２、第３の抵抗値、および前記所定の電圧を設定したもので、この構成をなすことにより、双方向の電流に応じた正の検出電圧を差動増幅手段に入力することができ、正の直流電源のみで電圧検出装置が構成できることとなる。
【０００９】
また、本発明の電流検出装置およびモータ駆動装置は、被検出電流がゼロの時の前記差動増幅手段の実際の出力と構成要素の誤差がゼロの時の理想値との差分Ｖｏｆｆを記憶し、被検出電流が流れている時の前記差動増幅手段の出力から前記差分Ｖｏｆｆを差し引く前記正の直流電源を電源とする補正手段を備えた請求項１記載の電流検出装置で、前記正の直流電源、前記所定の電圧値、および前記差動増幅手段の誤差を補正することができ、高精度の電流検出装置を得ることができる。
【００１０】
さらに、本発明の電流検出装置およびモータ駆動装置は、前記正の直流電源と負極（接地）を共有する第２の直流電源と、半導体スイッチとダイオードを逆並列に接続した複数のユニットをブリッジ構成にした半導体スイッチ群と、前記半導体スイッチ群を駆動する駆動手段と、前記半導体スイッチ群の出力端に接続されたモータと、前記半導体スイッチ群の負の直流ラインと前記第２の直流電源の負極（接地）との間に接続された電流検出抵抗と、前記電流検出抵抗に発生した電圧と第２の所定の電圧を比較し、その出力を前記駆動手段に伝達する比較手段と、前記電流検出抵抗を前記第３の抵抗として兼用する請求項１または２に記載の電流検出装置を備えたもので、この構成をなすことにより、前記モータの制御に必要なモータ電流の検出と、前記半導体スイッチ群の保護制御に必要な半導体スイッチ群の電流検出を１つの電流検出抵抗で兼用できると同時に、これらのシステムを正の直流電源のみで構成できることとなる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
【００１２】
（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態の電流検出装置の構成図である。１は正の直流電源Ｖｃｃ、２は第１の抵抗、３は第２の抵抗、４は第３の抵抗で、これらの抵抗２、３、４は互いに直列に接続され、前記第１の抵抗２の他の端子は前記正の直流電源１に、前記第３の抵抗４の他の端子は接地されている。
【００１３】
被検出電流Ｉは、第２の抵抗３と第３の抵抗４の間の接点に接続され、第３の抵抗４に流れる経路を有しており、前記第３の抵抗４が電流検出抵抗の役割を果たしている。５は正の直流電源１を電源とする差動増幅手段で、第１の抵抗２と第２の抵抗３の接続点の電圧を正端子の入力とし、基準となる所定の電圧Ｖｒｅｆを負端子の入力としている。
【００１４】
図２は図１の電流検出装置の特性図で、被検出電流Ｉと前記電流検出装置の出力Ｖｏとの関係を示している。
【００１５】
図３は図１の構成をより具体的に示した具体構成図である。図１と同一部分の説明は省略する。５ａおよび５ｂは直流電源１を電源とする演算増幅器、５ｃ、５ｄ、５ｅ、５ｆは抵抗で、これらの演算増幅器と抵抗を図のように接続することにより差動増幅手段５を構成している。６ａ、６ｂは抵抗で直列に接続されており、その両端はそれぞれ正の直流電源１および接地されている。これらの抵抗６ａおよび６ｂの接続点の電圧を所定の電圧６（Ｖｒｅｆ）としている。
【００１６】
次に、以上の構成における動作を説明する。図１において差動増幅手段５の正の入力電圧をＶｉ、前記差動増幅手段５のゲインをＡとすると、前記差動増幅手段５の出力電圧Ｖｏは次式の通りとなる。
【００１７】
Ｖｏ＝Ａ・（Ｖｉ−Ｖｒｅｆ）　・・・・（１）
また、第１、第２、第３の抵抗２〜４の値をそれぞれＲ１、Ｒ２、Ｒ３とすると、前記Ｖｉは次式となる。
【００１８】
Ｖｉ＝（Ｒ２＋Ｒ３）・Ｖｃｃ／（Ｒ１＋Ｒ２＋Ｒ３）
＋Ｒ１・Ｒ３・Ｉ／（Ｒ１＋Ｒ２＋Ｒ３）　・・・・（２）
（１）式と（２）式より出力電圧Ｖｏは次式となる。
【００１９】
Ｖｏ＝Ａ・［（Ｒ２＋Ｒ３）・Ｖｃｃ／（Ｒ１＋Ｒ２＋Ｒ３）−Ｖｒｅｆ］
＋Ａ・Ｒ１・Ｒ３・Ｉ／（Ｒ１＋Ｒ２＋Ｒ３）　・・・・（３）
（３）式の第１項は定数項であり、この値を正の値をなる様にＲ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｖｃｃ、およびＶｒｅｆを選定することが可能である。
【００２０】
今、前記第１項の値をＶｃｃ／２になるように所定数を選定すると、被検出電流Ｉと出力電圧Ｖｏの関係は図２のようになり、正負の双方向の電流Ｉに対して正の出力電圧Ｖｏを得ることができる。また、式（３）の第１項をＶｃｃ／２となるように定数を選定したため、正負同範囲の電流が検出可能となっている。実際には被検出電流Ｉの正負の可変範囲に対して出力電圧Ｖｏが許容可変範囲（０〜Ｖｃｃ）に納まるように各定数を選定すればよい。
【００２１】
以上の構成、動作をより具体的に示すために図３の動作を説明する。図３において抵抗５ｃ、５ｄ、５ｅ、５ｆ、６ａ、６ｂの値をそれぞれＲ４、Ｒ５、Ｒ６、Ｒ７、Ｒ８、Ｒ９とする。ここでＲ４とＲ７、Ｒ５とＲ６を同一の値とすると、図３に示した作動増幅手段５の特性は次式で表される。
【００２２】
Ｖｏ＝Ａ・（Ｖｉ−Ｖｒｅｆ）＝（１＋Ｒ４／Ｒ５）（Ｖｉ−Ｖｒｅｆ）　・・・・（４）
また、基準電圧である所定の電圧６（Ｖｒｅｆ）は次式で表される。
【００２３】
Ｖｒｅｆ＝Ｖｃｃ・Ｒ９／（Ｒ８＋Ｒ９）　・・・・（５）
以上の構成、動作により図２と同様の特性を持った電流検出装置が実現できる。
【００２４】
（実施の形態２）
図４は本発明の第２の実施の形態の電流検出装置の構成図である。図１と同一の部分は説明を省略する。７は前記差動増幅手段５の出力Ｖｏに含まれる誤差を補正するための補正手段で、ＡＤ変換機能および補正演算機能を有する。また、前記補正手段７は前記正の直流電源１を電源としており、その入力許容範囲も正の値（０〜Ｖｃｃ）である。
【００２５】
以上の構成をより具体的に示したものが図５である。図５は図３に補正手段７としてマイクロコンピュータ７を追加したものであり、その他の構成は図３と同一のため説明は省略する。以下に図５を用いてその動作を説明する。
【００２６】
図５の構成において差動増幅手段５の出力電圧Ｖｏは（４）式で表され、その式に含まれるＶｉは（２）式で、Ｖｒｅｆは（５）式で表されることを上記で説明した。
【００２７】
ここで、前記Ｖｏが（４）式で表される条件は上記の通り、Ｒ４とＲ７、Ｒ５とＲ６を同一の値とすることであるが、実際には各抵抗に誤差があるため、出力電圧Ｖｏは（４）式の通りとならず誤差を生ずる。
【００２８】
同様に前記正の直流電源１の値Ｖｃｃ、前記所定の電圧６の値Ｖｒｅｆも誤差を有する。この結果、第１の実施の形態で（３）式の第１項をＶｃｃ／２となるように各定数を選定したが、実際には上記誤差のためこれにもずれが生じる。ここで被検出電流Ｉがゼロの時の差動増幅手段５の出力電圧Ｖｏと、上記各定数の誤差がゼロの場合の理想値Ｖｃｃ／２との差分Ｖｏｆｆをマイクロコンピュータ７に記憶させ、被検出電流Ｉが流れている時の差動増幅手段５の出力電圧からＶｏｆｆを差し引く演算をすることにより、（３）式の第１項の誤差を補正することが可能となる。
【００２９】
（実施の形態３）
図６は本発明の第３の実施の形態のモータ駆動装置の構成図で、８はモータを駆動するための第２の直流電源で、その負極は正の直流電源１の負極と共通電位（接地電位）である。９は半導体スイッチであるパワートランジスタ９ａとダイオード９ｂを逆並列に接続した６個のユニットを３相ブリッジに構成した半導体スイッチ群で、これらの直流入力端は前記第２の直流電源８に接続され、交流出力端はモータ１１に接続される。
【００３０】
また、半導体スイッチ群９の負の直流ラインと、第２の直流電源の負極（接地）の間に第３の抵抗４を接続し、上記電流検出装置を構成している。上記の電流検出装置と同一部分については説明を省略する。
【００３１】
なお、ここでは前記所定の電圧６の値をＶｒｅｆ１と表記している。１２は比較手段としてのコンパレータで、正の直流電源１を電源とし、第２の抵抗３と第３の抵抗４の接続点の電圧を負端子の入力、半導体スイッチ群９の許容電流値に相当する電圧である第２の所定の電圧１３（Ｖｒｅｆ２）を正端子の入力としている。１０は半導体スイッチ群９の６個のパワートランジスタを駆動する駆動手段である。
【００３２】
以上の構成において、その動作を説明する。駆動手段１０から駆動信号が生成され、半導体スイッチ群９の作動によりモータ１１が運転されている場合に、第３の抵抗４にはモータ１１に流れる電流と相関のある電流が流れる。この電流はモータ１１の運転状態によって正負双方向の電流となる。この電流を上記で説明した第１および第２の実施の形態で述べたように、電流検出装置で検出することによりモータ１１の負荷の大きさを常時監視することができ、それに応じて適正な駆動信号が駆動手段１０によって生成され、モータ１１は安定に運転されることとなる。
【００３３】
また、第３の抵抗４の被測定電流Ｉによる電圧降下はコンパレータ１２で第２の所定電圧１３（Ｖｒｅｆ２）と比較され、前記電圧降下が前記所定電圧１３（Ｖｒｅｆ２）を超えるとコンパレータ１２の出力が反転し、駆動手段１０の駆動信号を停止させる。所定電圧１３（Ｖｒｅｆ２）は、半導体スイッチ群９の許容電流値に相当する電圧に設定されているため、本回路により半導体スイッチ群９の過電流を高速で検出し、防止することが可能となる。
【００３４】
以上のように、双方向に流れるモータ１１の電流を検出し、前記モータ１１の負荷状態を監視しながら適正にモータ１１を駆動すると同時に、半導体スイッチ群９の過電流を高速で遮断する保護装置を有するモータ駆動装置を、正の直流電源１のみで構成でき、電流検出抵抗も兼用することにより装置の高効率化、小型化、低コスト化を可能としている。
【００３５】
【発明の効果】
以上のように、本発明の電流検出装置およびモータ駆動装置によれば、負の直流電源を用いることなく正の直流電源のみで正負双方向に流れる電流を検出するシステムが構成できる。
【００３６】
また、本発明の電流検出装置およびモータ駆動装置によれば、電流検出装置を構成する各要素の誤差を大幅に補正することができ、特別な補正回路を追加することなく高精度の双方向電流検出を正の直流電源のみで実現でき、装置の高精度化、小型化、低コスト化が実現できる。
【００３７】
さらに、本発明の電流検出装置およびモータ駆動装置によれば、前記モータの制御に必要なモータ電流の検出と、前記半導体スイッチ群の保護制御に必要な半導体スイッチ群の電流検出を１つの電流検出抵抗で兼用できると同時に、これらのシステムを正の直流電源のみで構成でき、装置の高効率化、高精度化、小型化、低コスト化が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態の構成図
【図２】本発明の第１の実施の形態の特性図
【図３】本発明の第１の実施の形態の具体構成図
【図４】本発明の第２の実施の形態の構成図
【図５】本発明の第２の実施の形態の具体構成図
【図６】本発明の第３の実施の形態の構成図
【図７】従来例の構成図
【図８】従来例の特性図
【符号の説明】
１　正の直流電源
２　第２の抵抗
３　第３の抵抗
４　第４の抵抗
５　差動増幅手段
６　所定の電圧
７　補正手段
８　第２の直流電源
９　半導体スイッチ群
１０　駆動手段
１１　モータ
１２　比較手段
１３　第２の所定の電圧
１４　電流検出抵抗
１５　加算演算器
１６　基準電圧
１７　負の直流電源
５ａ〜５ｂ　演算増幅器
５ｃ〜５ｆ　抵抗
６ａ〜６ｂ　抵抗
７ａ　ＡＤ変換器
７ｂ　補正演算手段
９ａ　半導体スイッチ
９ｂ　ダイオード
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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