JP2005229727A - 信号処理装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】 安価であって制御の必要のない信号処理装置を提供することである。
【解決手段】 センサ2が出力する電圧信号V0を処理する信号処理装置において、少なくとも電圧信号V0がある範囲内にあるときに電圧信号V0を増幅するとともに、出力される電圧Vdを連続的に変化させる増幅手段A1,A2,A3,A4を具備してなる。
【選択図】 図1
【解決手段】 センサ2が出力する電圧信号V0を処理する信号処理装置において、少なくとも電圧信号V0がある範囲内にあるときに電圧信号V0を増幅するとともに、出力される電圧Vdを連続的に変化させる増幅手段A1,A2,A3,A4を具備してなる。
【選択図】 図1
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をセンサで検知する状態量によって演算処理装置等によりフィードバック制御する場合、演算処理装置は、デジタル信号のみしか処理できないので、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は、A/D変換器を介してデジタル信号に変換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、信号処理装置や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装置を設けたものがある。この種信号処理装置としては、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する装置(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も知られている(たとえば、特許文献3参照)。
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)
しかし、上記した信号処理装置にあっては、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とともに、専用の回路を使用しており、その制御も煩雑となり、信号処理装置も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、安価であって制御の必要のない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、本発明における信号処理装置は、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、少なくとも電圧信号がある範囲内にあるときに電圧信号を増幅するとともに、出力される電圧を連続的に変化させる増幅手段を具備してなる。
本発明によれば、電圧信号がある範囲内にあるときにスポット的に分解能を高めて、制御性能を向上することが可能となる。
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。さらに、電圧信号に対する信号処理装置の出力電圧は、1対1の関係となり、かつ、その出力電圧の変化も連続的なものであるので、演算処理装置側で特別な処理が必要ないので、制御応答性が向上し、誤動作も防止することができる。
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3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変換器に出力する。また、A/D変換器3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。
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を増幅する第1の増幅器A1と、電圧信号の電圧値が第1電圧値V1を超えた場合に電圧信号V0の電圧値から第1電圧値V1を除した電圧量を増幅する第2の増幅器A2と、電圧信号V0の電圧値が第2電圧値V2を超えた場合に電圧信号V0の電圧値から第2電圧値V2を除した電圧量を増幅する第3の増幅器A3と、上記第1の増幅器A1が出力する電圧Vaに第2の増幅器A2が出力する電圧Vbを加算し、その加算された電圧から第3の増幅器A3が出力する電圧Vcを減算した値の電圧Vdを出力する演算器A4とで構成されている。
したがって、第1の増幅器A1の利得を、たとえば、0.62とし、第2の増幅器A2の利得を2.38とし、第3の増幅器A3の利得を2.38とするとともに、第1電圧値V1を2.1vとし第2電圧値を2.9v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が出力する電圧Vdとの関係は、図3に示すように、電圧信号V0が第1電圧値V1に達するまでは、出力電圧Vdは電圧信号V0に対して0.62の利得で変化し、電圧信号V0が第1電圧値V1を超えて第2電圧値V2に達するまでは、出力電圧Vdは電圧信号V0に対して3の利得で変化し、さらに、電圧信号V0が第2電圧値V2を超えると、出力電圧Vdは電圧信号V0に対し0.62の利得で変化する。
すると、たとえば、A/D変換器3が10ビットであるとすると、A/D変換器3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、図3に示したように、信号処理装置1の出力電圧Vdは、電圧信号V0に対して変化するので、電圧信号V0が2.1vから2.9vの範囲内にある場合には3の利得で変化し、この範囲に電圧信号V0がある場合には、A/D変換器3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。
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3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。
ここで、第1電圧値V1と第2電圧値V2は、電圧信号V0の利得の変更点を決する値であり、本実施の形態の場合には、電圧信号V0が大きな利得で増幅される範囲は第1電圧値V1から第2電圧値V2までの範囲となる。なお、電圧信号V0が第1電圧値V1以下の場合のみの利得を大きくしたり、反対に電圧信号V0が第2電圧値以上の場合のみの利得を大きくしたり、適宜この信号処理装置が適用される機器に応じて、第1電圧値V1および第2電圧値V2および利得を適当とすることによって、この信号処理装置が適用される機器に最適な制御を行うことが可能となる。すなわち、電圧信号V0が上記第1電圧値V1もしくは第2電圧値もしくはその両方で仕切られた任意のある範囲内にあるときにスポット的に分解能を高めて、制御性能を向上することが可能となる。また、本実施の形態においては、電流センサ2の出力する電圧信号V0が中央値近傍、すなわち、2.5v近傍である場合に、利得を大きくしているので、その範囲を仕切るために第1電圧値V1と第2電圧値V2とを使用しているが、たとえば、範囲の仕切りが1つで良い場合には、第2電圧値V2を電圧信号V0が取りうる値の最大値、すなわち、本実施の形態では5vとしておくことにより、電圧信号V0が第1電圧値V1以上と以下の仕切りで、信号処理装置1の出力電圧が変化するようにしてもよい。
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。さらに、電圧信号V0に対する信号処理装置1の出力電圧Vdは、1対1の関係となり、かつ、その出力電圧Vdの変化も連続的なものであるので、演算処理装置4側で特別な処理が必要ないので、制御応答性が向上し、誤動作も防止することができる。
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、第1の増幅器A1が、増幅用抵抗R1,R2と、増幅用抵抗R1,R2にて分圧された電圧信号V0が入力され非反転入力されるオペアンプOP1を備えた電圧ホロア回路とで構成され、第2の増幅器A2は、第1電圧値V1が反転入力され、かつ、電圧信号V0が分圧用抵抗R3,R4で分圧されて非反転入力されるオペアンプOP2と増幅用抵抗R5,R6とで構成され、第3の増幅器A3は、第2電圧値V2が反転入力され、電圧信号V0が分圧用抵抗R7,R8で分圧されて非反転入力されるオペアンプOP3とで構成され、演算器A4は、第1の増幅器A1の出力電圧と第2の増幅器A2のオペアンプOP1,OP2の出力電圧とを二分する電圧が非反転入力され第3の増幅器A3のオペアンプOP3が出力される電圧が反転入力されるオペアンプOP4と増幅用抵抗R9,R10とで構成されている。
そして、オペアンプOP2に反転入力される第1電圧値V1は、別途設けた電圧源を可変抵抗VR1にて分圧された電圧として入力され、この可変抵抗VR1で分圧された電圧は電圧ホロア回路H1を介してオペアンプOP2に入力される。そして、可変抵抗VR1の抵抗値を調整することにより第1電圧値V1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、2.1vとなるように調整されている。また、オペアンプOP3に反転入力される第2電圧値V2も、別途設けた電圧源を可変抵抗VR2にて分圧された電圧として入力され、この可変抵抗VR2で分圧された電圧は電圧ホロア回路H2を介してオペアンプOP3に入力される。そして、可変抵抗VR2の抵抗値を調整することにより第2電圧値V2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、2.9vとなるように調整されている。各オペアンプOP1,OP2,OP3,OP4は、必ず0以上の電圧を出力し、かつ、電流センサ2が出力する最大電圧である5vを出力可能なように、正電源側には8v電源が接続され、負電源側は接地されている。
また、本実施の形態では、上述したように、第1の増幅器A1では利得を0.62としてあるので、上記増幅用抵抗R1,R2の抵抗比率は、R1:R2=0.62:1となるように設定され、第2の増幅器A2の増幅用抵抗R5,R6および分圧用抵抗R3,R4と第3の増幅器A3の増幅用抵抗R9,R10および分圧用抵抗R7,R8の抵抗比率は、R3:R4=R5:R6=R7:R8=R9:R10=1:2.38となるように設定されている。さらに、演算器A4においては、オペアンプOP1の出力とオペアンプOP2の出力する電圧を二分する為に、同じ容量の抵抗R11,R12をオペアンプPO1の出力端子とオペアンプOP2の出力端子を繋ぐ回路中に直列に配置し、その回路中の抵抗R11と抵抗R12との間をオペアンプOP4の非反転入力の端子に接続してあり、さらに、オペアンプOP3の出力端子側が抵抗R13を介してオペアンプOP4の反転入力端子に接続され、さらに、抵抗R14を介してオペアンプOP4の出力端子側に接続されている。
具体的な信号処理装置1は、以上のように構成され、第1の増幅器A1では、オペアンプOP1への非反転入力端子には電圧信号V0が0.62倍された電圧に分圧されて入力され、その出力は、イマジナリショートにより0.62×V0の電圧を出力する。第2の増幅器A2では、電圧信号V0が分圧用抵抗R3,R4により分圧されてオペアンプOP2に非反転入力されるとともに、その反転入力端子には上述したように第1電圧値V1が入力されるとともに、増幅用抵抗比率が1:2.38であるので、オペアンプOP2は、電圧信号V0が2.1v以下のときは0vを出力し、2.1v以上となると(V0−2.1)×2.38vの電圧を出力し、オペアンプOP3も同様に、電圧信号V0が2.9v以下のときは0vを出力し、2.9v以上となると(V0−2.9)×2.38vの電圧を出力する。そして、演算器A4では、オペアンプOP4は、オペアンプOP1の出力にオペアンプOP2の出力を加算し、オペアンプOP3の出力を減算して出力する。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、第1電圧値V1および第2電圧値V2を適宜変更することが可能であり、その各増幅器A1,A2,A3での利得も各抵抗の容量によって変更することが可能であるので、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、上記第1電圧値V1および第2電圧値V2および各増幅器A1,A2,A3での利得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、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この信号処理装置1では、上記のような弊害がなく、制御性が向上するから、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。
1 信号処理装置
2 電流センサ
3 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 第1の増幅器
A2 第2の増幅器
A3 第3野増幅器
A4 演算器
M モータ
OP1,OP2,OP3,OP4 オペアンプ
R1,R2,R5,R6,R9,R10 増幅用抵抗
R3,R4,R7,R8 分圧用抵抗
R11,R12,R13,R14 抵抗
VR1,VR2 可変抵抗
2 電流センサ
3 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 第1の増幅器
A2 第2の増幅器
A3 第3野増幅器
A4 演算器
M モータ
OP1,OP2,OP3,OP4 オペアンプ
R1,R2,R5,R6,R9,R10 増幅用抵抗
R3,R4,R7,R8 分圧用抵抗
R11,R12,R13,R14 抵抗
VR1,VR2 可変抵抗
Claims (4)
- 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、少なくとも電圧信号がある範囲内にあるときに電圧信号を増幅するとともに、出力される電圧を連続的に変化させる増幅手段を具備してなる信号処理装置。
- 増幅手段が、センサの出力する電圧信号を増幅する第1の増幅器と、電圧信号の電圧値が第1電圧値を超えた場合に電圧信号の電圧値から第1電圧値を除した電圧量を増幅する第2の増幅器と、電圧信号の電圧値が第2電圧値を超えた場合に電圧信号の電圧値から第2電圧値を除した電圧量を増幅する第3の増幅器とを備え、上記第1の増幅器が出力する電圧に第2の増幅器が出力する電圧を加算し、その加算された電圧から第3の増幅器が出力する電圧を減算した値の電圧を出力する演算器とで構成された請求項1に記載の信号処理装置。
- 第1の増幅器は増幅用抵抗にて分圧された電圧信号が入力される電圧ホロア回路で構成され、第2の増幅器は第1電圧値が反転入力され電圧信号が非反転入力されるオペアンプを備え、第3の増幅器は第2電圧値が反転入力され電圧信号が非反転入力されるオペアンプを備え、演算器は第1の増幅器の出力電圧と第2の増幅器のオペアンプの出力電圧とを二分する電圧が非反転入力され第3の増幅器のオペアンプが出力される電圧が反転入力されるオペアンプを備えた請求項2に記載の信号処理装置。
- センサがモータのコイルに流れる電流を検出する電流センサであって、第1電圧値は一方向に電流が流れているときに電流センサが出力する範囲内の値とされ、第2電圧値は他方向に電流が流れているときに電流センサが出力する範囲内の値とされ、電圧信号が第1電圧値以上第2電圧値以内にあるときに他の範囲にあるときに比較して大きな利得で増幅される請求項1から3に記載の信号処理装置。
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JP2012005152A (ja) * | 2010-06-14 | 2012-01-05 | Diamond Electric Mfg Co Ltd | モータ制御回路 |
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