JP4234031B2 - 信号処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、センサの信号処理装置の改良に関する。

一般に、センサが搭載された機器の回路中に流れる電流をセンサで検知してこの電流値によってフィードバック制御する制御装置にあっては、デジタル信号のみしか演算処理できないので、センサが出力するアナログの電圧信号を処理するに当たって、Ａ／Ｄ変換器を介してデジタル信号に変換して演算処理しなければならない。

ここで、高価なＡ／Ｄ変換器および演算処理装置を使用すると、信号処理装置を含めた機器全体が高価となるので、コスト面からはＡ／Ｄ変換器や演算処理装置にかかるコストをなるべくなら少なくする方が好ましい。

したがって、分解能（１ビット当りの読み込み電圧）が高いＡ／Ｄ変換器や演算処理装置は、非常に高価であるので、なるべくなら分解能が低いＡ／Ｄ変換器や演算処理装置を使用したい。

しかしながら、分解能の低いＡ／Ｄ変換器や演算処理装置では、たとえば、高出力のモータを制御する場合、特に、微小電流を制御しなければならない場合には、充分な制御を行うことができない恐れがある。

そこで、センサ出力の分解能を高めるために、センサとＡ／Ｄ変換器との間に信号処理回路を設けたものがある。この種信号処理装置にあっては、具体的に、たとえば、センサの検出する電圧信号をＡ／Ｄ変換器でアナログ信号とデジタル信号に変換する際にデジタル信号がオーバーフローする場合や電圧信号がフルレンジに達する場合には、増幅器で電圧信号に乗ずる利得を小さくして出力するもの（たとえば、特許文献１，２参照）が知られている。

また、増幅器の基準電圧をセンサの出力する電圧信号に応じて数段階に切換えて、電圧信号を増幅することにより、分解能の向上を狙ったものや、検出範囲を幾つもに分割し、電圧信号を増幅する増幅回路を分割された範囲ごとに設けたものも知られている（たとえば、特許文献３，４参照）。
特開平４−２９１５１９号公報（第３頁左欄第１５行目から第３頁右欄第１７行目，図１） 特開平１１−２７４９３０号公報（発明の実施の形態の欄、図１） 特開平９−９６６５１号公報（実施例の欄、図１） 特開平６−３０７９１１号公報（段落番号０００９から００１４まで、図２および図４）

しかし、上記した信号処理装置にあっては、単に電圧信号を増幅するだけでなく、利得の変更や基準電圧の変更を行うので、そのための専用の回路や素子を使用しており、信号処理装置が高価となってしまう。

また、検出範囲を幾つもに分割し、電圧信号を増幅する増幅回路を設ける場合には、分割された範囲で利得が決せられてしまい、一部分のみの分解能を高めることができず、あえて一部分のみの分解能を高めるようにすると、その分増幅回路の数が増えてしまい結果的に信号処理装置が高価となってしまう。

そこで、本発明は上記不具合を改善するために創案されたものであって、その目的とするところは、安価であって精緻な制御に必要となる部分のみの分解能を高めて、制御性能の向上を図ることができる信号処理装置を提供することである。

上記した目的を達成するため、本発明の課題解決手段は、センサが出力する電圧信号を処理する信号処理装置において、電圧信号が或る範囲内にあるときに電圧信号を増幅して出力する一つ以上の増幅手段を備え、増幅手段が、電圧信号が反転入力され或る範囲の中央値となる電圧が非反転入力される第１のオペアンプと、第１のオペアンプが出力する電圧が反転入力され或る範囲の中央値となるの電圧が非反転入力される第２のオペアンプと、第２のオペアンプに接続される複数の帰還増幅抵抗とで構成されて、或る範囲の中央値となる電圧を中立点として電圧信号を増幅することを特徴とする。

本発明によれば、精緻な制御に必要となる部分のみの分解能を高めることが可能である。

また、従来の信号処理装置のように、利得の変更や基準電圧の変更に際しては、演算処理装置を使用するのではなく、専用の回路を使用しているので、信号処理装置自体の制御の必要がない。また、利得や基準電圧を都度変更する必要がないので、変更する為の素子等を搭載する必要がなくなるので、信号処理装置が安価となる。加えて、信号処理装置における増幅手段は、電圧信号が反転入力され或る範囲の中央値となる電圧が非反転入力される第１のオペアンプと、第１のオペアンプが出力する電圧が反転入力され或る範囲の中央値となるの電圧が非反転入力される第２のオペアンプと、第２のオペアンプに接続される複数の帰還増幅抵抗とで構成されているので、非常に簡単な構成とすることができ、必要な範囲でセンサの出力する電圧信号に対する利得を設定することが可能であり、安価に信号処理装置を製造することが可能である。

さらに、利得や基準電圧を可変にする従来の信号処理装置に比較して、利得や基準電圧を都度変更する必要がないので、変更する為の素子等を搭載する必要がないから、当該素子等の精度による製品のばらつきがなくなるので、信号処理装置の製品のばらつきを少なくすることが可能となる。

以下、図に示した実施の形態に基づき、本発明を説明する。図1は、一実施の形態における信号処理装置をモータに適用したブロック図である。図２は、一実施の形態における信号処理装置を概念的に示すブロック図である。図３は、一実施の形態における信号処理装置の出力する電圧とセンサが出力する電圧信号との関係を示した図である。図４は、一実施の形態における信号処理装置の回路図である。図５は、一実施の形態における信号処理装置が適用された電磁緩衝器の概念図である。

図１に示すように、一実施の形態における信号処理装置１は、ブラシレスモータとして構成されたモータＭのコイルに流れる電流を検出する電流センサ２と、Ａ／Ｄ変換器３ａ，３ｂとに接続され、電流センサ２の出力する電圧信号を処理し、Ａ／Ｄ変換器３ａ，３ｂに出力する。また、Ａ／Ｄ変換器３ａ，３ｂは、上記信号処理装置１が出力したアナログ電圧をデジタル信号に変換して演算処理装置４に出力する。さらに、演算処理装置４は、モータＭを制御するために使用されるもので、具体的には図示はしないがＣＰＵとＲＯＭ、ＲＡＭ等の記憶装置とを備え、モータＭを駆動する制御プログラムは記憶装置にあらかじめ記憶されている。

ちなみに、モータＭには、U，Ｖ，Wの三相コイルが設けられており、このＵ，Ｖ，Ｗのそれぞれのコイル毎に電流センサ２が設けられている。また、演算処理装置４は、各電流センサ２で検出する電流値をフィードバックとして各コイルに流れる電流についてフィードバック制御を行うべく、駆動指令を駆動回路５に出力する。したがって、コイル毎に電流制御が行われる。

そして、駆動回路５は、上記演算処理装置４の出力する駆動指令によってモータＭを駆動する為のものであり、本実施の形態においては、モータMがブラシレスモータとして構成されているので駆動回路５は、たとえば、電圧源に接続されるＰＷＭ回路と、ＰＷＭ回路に接続されるベースドライブ回路と、ベースドライブ回路に接続されるトランジスタインバータと、ホール素子Ｈが接続される回転ロジックとで構成される周知のものが使用可能である。

すなわち、信号処理装置１は、周知のモータ制御システムに適用することが可能である。なお、電流センサ２の電圧信号Ｖ０は、本実施の形態においては、０ｖから５ｖの範囲内で出力されるように設定され、２．５ｖを出力する場合には、モータＭのコイルに流れている電流が０であることを示すように設定されている。

そして、信号処理装置１は、図２に示すように、基本的には、電流センサ２の出力する電圧信号Ｖ０をそのまま出力する出力手段Ａ１と、電圧信号Ｖ０が或る範囲内にあるときに或る範囲の中央値となる電圧を中立点として電圧信号Ｖ０を増幅して出力する増幅手段Ａ２とで構成されている。そして、出力手段Ａ１と増幅手段Ａ２の出力端子は、Ａ／Ｄ変換器３ａ，３ｂに接続されている。

したがって、増幅手段Ａ２の利得を、たとえば、３とし、中立点を２．５ｖとすると、電流センサ２が出力する電圧信号Ｖ０と信号処理装置１の出力手段Ａ１が出力する電圧Ｖａ１と、増幅手段Ａ２が出力するＶａ２との関係は、図３に示すように、出力手段Ａ１が出力する電圧Ｖａ１は電圧信号Ｖ０と等しい値を採り、増幅手段Ａ２が出力する電圧Ｖａ２は電圧信号Ｖ０が約１．６７ｖから約３．３３ｖの範囲で電圧信号Ｖ０の３倍の値となる。すなわち、この場合の或る範囲は電圧信号Ｖ０が約１．６７ｖから約３．３３ｖまでの範囲となる。

すると、たとえば、Ａ／Ｄ変換器３ｂが１０ビットであるとすると、Ａ／Ｄ変換器３ａ，３ｂは、電流センサ２の出力する電圧信号を２の１０乗、すなわち、１０２４の電圧ステップに変換して読み込むが、上述した或る範囲、すなわち、本実施の形態においては電圧信号Ｖ０が約１．６７ｖから約３．３３ｖまでの範囲にある場合には、図３に示したように、増幅手段Ａ２が出力する電圧Ｖａ２が電圧信号Ｖ０に対して３倍の利得で変化するので、この範囲に電圧信号Ｖ０がある場合には、Ａ／Ｄ変換器３ｂの１ビット当りの分解能が３倍となることに等しくなる。

ここで、モータＭの具体的な制御について、少し説明すると、演算処理装置４は、Ａ／Ｄ変換器３ａ，３ｂから伝達される各デジタル信号から、電圧信号Ｖ０が約１．６７ｖから約３．３３ｖまでの範囲内にあるときには、Ａ／Ｄ変換器３ｂの出力するデジタル信号を採用し、上記範囲外にあるときにはＡ／Ｄ変換器３ａの出力するデジタル信号を採用し、そして、上記採用されるデジタル信号をフィードバックとしてモータＭのコイルに流れる電流を制御すべく駆動指令（電流指令）を発して、モータＭを制御する。

したがって、本実施の形態の信号処理装置１においては、電流センサ２がモータＭのコイルに比較的微弱な電流が流れていることを示す状態、すなわち、モータＭのコイルに流れる電流が０近傍の状態においての分解能を高めることが可能となり、それにより、モータＭのコイルに流れる電流が０近傍時のモータＭの制御性能が向上する。特に、モータＭが高出力な場合には、Ａ／Ｄ変換器３ａ，３ｂの分解能が悪化するが、そのような場合であっても、電流が０近傍時のみをスポット的にズームして分解能を向上させることが可能となるので、モータＭの制御性能が格段に向上するのである。すなわち、モータＭのコイルに流れる電流が０近傍の分解能が向上することで、モータＭが駆動しているか否かの判断を正確に行えることとなる。したがって、精緻な制御に必要となる部分のみの分解能を高めることが可能である。

また、電圧信号Ｖ０が約１．６７ｖ以下もしくは約３．３３ｖ以上となる場合には、出力手段Ａ１が出力した電圧Ｖａ１によって制御されることになり、この場合には、Ａ／Ｄ変換器３の分解能を高めることはできないが、モータＭに供給する電流が比較的大きい場合であるので、モータＭが駆動しているか否かの判断して制御する場合に比較して精緻な制御を行う必要はなく、実用上問題はない。

したがって、従来の信号処理装置のように、利得の変更や基準電圧の変更に際しては、演算処理装置を使用するのではなく、専用の回路を使用しているので、信号処理装置自体の制御の必要がない。また、利得や基準電圧を都度変更する必要がないので、変更する為の素子等を搭載する必要がなくなるので、信号処理装置が安価となる。そして、制御に必要な部分のみの電圧信号を増幅して出力するので、検出範囲を幾つもに分割し、電圧信号を増幅する増幅回路を設ける従来の信号処理装置に比較しても信号処理装置が安価となるのである。

さらに、利得や基準電圧を可変にする従来の信号処理装置に比較して、利得や基準電圧を都度変更する必要がないので、変更する為の素子等を搭載する必要がないから、当該素子等の精度による製品のばらつきがなくなるので、信号処理装置の製品のばらつきを少なくすることが可能となる。

なお、電圧信号Ｖ０における或る範囲を複数として、或る範囲毎に増幅手段を設けてもよい。

以上、本実施の形態における信号処理装置１を概念的に説明したが、以下、その具体的な構成について説明する。

具体的な信号処理装置１は、たとえば、図４に示すように、電圧信号Ｖ０が非反転入力されるホロア回路Ｈ１と、別途設けた電圧源の電圧を可変抵抗ＶＲ１により分圧して作られる或る範囲の中央値となる電圧（以下、基準電圧という）が非反転入力されるホロア回路Ｈ２と、ホロア回路Ｈ１の出力が反転入力され、ホロア回路Ｈ２の出力が非反転入力される第１のオペアンプＯＰ１と、第１のオペアンプＯＰ１の出力が反転入力されホロア回路Ｈ２の出力が非反転入力されるオペアンプＯＰ２と、第１のオペアンプＯＰ１の出力が反転入力されホロア回路Ｈ２の出力が非反転入力される第２のオペアンプＯＰ３と、第２のオペアンプＯＰ３に接続される複数の帰還増幅抵抗Ｒ７，Ｒ８と、第１のオペアンプＯＰ１と、オペアンプＯＰ２とに接続される増幅用抵抗Ｒ１、Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４と、電流オフセットに使用される抵抗Ｒ５，Ｒ６，Ｒ９とで構成され、この場合、出力手段Ａ１は、第１のオペアンプＯＰ１と、オペアンプＯＰ２と、増幅用抵抗Ｒ１、Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４とで構成され、増幅手段Ａ２は、第１のオペアンプＯＰ１と第２のオペアンプＯＰ３と、帰還増幅抵抗Ｒ７，Ｒ８と、増幅用抵抗Ｒ１，Ｒ２とで構成されている。

なお、可変抵抗ＶＲ１の抵抗値を調整することにより基準電圧を変化させることが可能であり、本実施の形態においては、２．５ｖとなるように調整されている。

また、本実施の形態では、上述したように、増幅手段Ａ２では利得を３としてあるので、上記帰還増幅抵抗Ｒ７，Ｒ８の抵抗比率は、Ｒ７：Ｒ８＝１：３となるように設定され、第１のオペアンプＯＰ１およびオペアンプＯＰ２にそれぞれ接続される増幅用抵抗Ｒ１、Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４は、電圧信号Ｖ０をそのまま出力するために、その抵抗比率はＲ１：Ｒ２＝１：１、Ｒ３：Ｒ４＝１：１となるように設定されている。なお、ホロア回路Ｈ１，Ｈ２はバッファのために設けているもので、省略するとしてもよい。

具体的な信号処理装置１は、以上のように構成され、出力手段Ａ１では、電圧信号Ｖ０がそのまま出力され、他方、増幅手段Ａ２では、基準電圧が中立点となって、この場合、２．５ｖを中心として電圧信号Ｖ０が３倍にされて出力される。したがって、その出力は、図３に示したものに一致する。

以上、説明したように、信号処理装置１は、非常に簡単な構成とすることができ、途中で演算処理装置４等の制御を受ける必要もなく、必要な範囲で電流センサ２の出力する電圧信号に対する利得を設定することが可能であり、安価に信号処理装置を製造することが可能である。また、本実施の形態では、電圧信号は信号処理装置が出力するまでの間に必ずオペアンプを経由することとなるので、電流センサ２が何等かの原因で過大な電圧信号を出力したとしても、オペアンプ側では、バイアス電圧以上の出力はできないから、信号処理装置に接続されるＡ／Ｄ変換器等に過大な電圧が負荷されてしまうことが防止され、機器破損も防止されている。

なお、上記したところでは、モータＭの制御、特に高出力モータの制御、特に、モータＭのコイルに流れる電流が０近傍での制御向上に使用されると効果が高いが、上記したように、本信号処理装置１では、基準電圧を適宜変更することが可能であり、この信号処理装置が実際に使用される機器に最適となるように、上記基準電圧および第２のオペアンプＯＰ３における増幅率を任意に設定することもできる。

ちなみに、モータＭを車両に搭載される電磁緩衝器の減衰力発生要素として、すなわち、図５に示すように、電磁緩衝器を、モータＭと、回転運動を直線運動に変換する、たとえば、図示したボール螺子ナット１１と螺子軸１２やラックアンドピニオン等の変換機構１０、とで構成し、モータＭを車体側もしくは車軸側の一方に連結するとともにボール螺子ナット１１を車体側もしくは車軸側の他方に連結し、モータＭの発生するトルクで電磁緩衝器の直線運動を抑制もしくは制御する場合には、緩衝器の上下方向の動きは、車両に搭乗する者に不快感を与えたり、また、車両の挙動を左右したりする要素となるが、特に、緩衝器の上下方向の動きが車両に搭乗する者に与える影響は大きく、モータＭのコイルに流れる電流が０近傍であるときの分解能が悪いと、適切な制御が行われずに、その結果、車両における乗り心地が悪くなってしまう。ここで、コイルに流れる電流が０であるか否かの判断は、非常に重要であり、分解能が悪いと、実際の電流供給を行うべきでない場合に、電流供給を行ってしまうか、その反対が起こりえるからであり、そして、人間は、この僅かな電流がコイルに流れるか流れないかによって生じる電磁緩衝器の動作にも、敏感に感知し違和感を感じ取ることとなる。したがって、本実施の形態における信号処理装置１を上述した電磁緩衝器に適用する場合には、モータＭのコイルに流れる電流が０近傍での分解能を高めることが可能であるから、モータＭのコイルに流れる電流が０近傍での制御性が向上するので上記弊害をなくすることができ、上述のような、電磁緩衝器に適用されるモータＭの制御にも最適となる。

なお、本実施の形態では、電流センサのセンサ出力を処理する場合について説明したが、おおよそ状態量を検出するセンサが出力する信号を処理することが可能であるのは言うまでもない。

以上で、本発明の実施の形態についての説明を終えるが、本発明の範囲は図示されまたは説明された詳細そのものには限定されないことは勿論である。

一実施の形態における信号処理装置をモータに適用したブロック図である。 一実施の形態における信号処理装置を概念的に示すブロック図である。 一実施の形態における信号処理装置の出力する電圧とセンサが出力する電圧信号との関係を示した図である。 一実施の形態における信号処理装置の回路図である。 一実施の形態における信号処理装置が適用された電磁緩衝器の概念図である。

符号の説明

１ 信号処理装置
２ 電流センサ
３ａ，３ｂ Ａ／Ｄ変換器
４ 演算処理装置
５ 駆動回路
１０ 変換機構
１１ ボール螺子ナット
１２ 螺子軸
Ａ１ 出力手段
Ａ２ 増幅手段
Ｍ モータ
ＯＰ１ 第１のオペアンプ
ＯＰ２ オペアンプ
ＯＰ３ 第２のオペアンプ
Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４ 増幅用抵抗
Ｒ５，Ｒ６、Ｒ９ 抵抗
Ｒ７，Ｒ８ 帰還増幅抵抗
ＶＲ１ 可変抵抗

Claims (3)

1. センサが出力する電圧信号を処理する信号処理装置において、電圧信号が或る範囲内にあるときに電圧信号を増幅して出力する一つ以上の増幅手段を備え、増幅手段が、電圧信号が反転入力され或る範囲の中央値となる電圧が非反転入力される第１のオペアンプと、第１のオペアンプが出力する電圧が反転入力され或る範囲の中央値となるの電圧が非反転入力される第２のオペアンプと、第２のオペアンプに接続される複数の帰還増幅抵抗とで構成されて、或る範囲の中央値となる電圧を中立点として電圧信号を増幅することを特徴とする信号処理装置。
2. 電圧信号をそのまま出力する出力手段を備え、出力手段が出力する電圧信号と増幅手段が出力する電圧信号の一方を選択して採用する演算処理装置へ各電圧信号を出力する請求項１に記載の信号処理装置。
3. センサがボール螺子ナット内に回転自在に螺合される螺子軸とモータとを備えた電磁緩衝器のモータ内のコイルに流れる電流を検出し、コイルに流れる電流が０である場合のセンサが出力する電圧信号の値を中立点としたことを特徴とする請求項１または２に記載の信号処理装置。

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