JP2005229727A

JP2005229727A - 信号処理装置

Info

Publication number: JP2005229727A
Application number: JP2004035937A
Authority: JP
Inventors: Suguru Watanabe; 英渡邉; Kiyotaka Ogawa; 清孝小川
Original assignee: Kayaba Industry Co Ltd
Current assignee: KYB Corp
Priority date: 2004-02-13
Filing date: 2004-02-13
Publication date: 2005-08-25

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

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。

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。

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／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

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。