JP4354013B2 - 負荷電流検出のための電気回路 - Google Patents

Description

従来の技術
本発明は請求項１の上位概念に記載された、クロック制御された少なくとも１つの誘導成分を有する負荷の負荷電流を検出するための電気回路に関する。
オーム抵抗成分の他に誘導抵抗成分も有している負荷を、クロック制御されて動作する出力段を用いて給電することは公知である。この出力段は少なくとも１つの出力段トランジスタを有しており、このトランジスタは直列抵抗と直列に設けられている。それによりこの直列抵抗における電圧降下が、出力段を通って流れる電流に対する尺度として用いられる。この負荷は誘導成分を有しているので、それにはフリーホイリング回路が対応付けされる。すなわちクロック制御された作動モードに基づいて供給電圧に対する接続が中断された場合には、負荷電流はこのフリーホイリング回路を介して引き続き通流される。このフリーホイリング回路は負荷に対しては直接並列に接続され、これに対して直列抵抗には直列に接続されるものなので、直列抵抗は負荷電流ではなくリード電流のみしか検出しない。すなわちフリーホイリング回路を流れる電流は検出できず、このことは不正確さにつながる。
発明の利点
分路を形成し、電流検出に用いられる抵抗をフリーホイリング回路内に配設すれば、この抵抗はフリーホイリング電流を検出し、それによってこのフリーホイリング電流は、負荷電流の検出に対する尺度として用いることができる。フリーホイリング回路内への分路の配設は、フリーホイリング素子、例えばフリーホイリングダイオードや分路の直列回路が負荷に対して並列に設けられることを意味し、さらに供給電圧源が負荷に対して並列に設けられることを意味する。この場合は適切なスイッチ、例えばトランジスタを用いて、供給電圧がクロック制御されて負荷に印加される。これによりデューティー比Ｄのデータのもとで、求められたフリーホイリング電流Ｉ_Fからモータ電流Ｉ_Mを求めることが可能となる。さらに分路を負荷に対して直列に設け、フリーホイリング回路を負荷と分路の直列回路に対して並列に設けることも可能である。供給電圧源は、負荷と分路の直列回路に対して並列に配置される。このような配置構成により、負荷電流、つまりモータ電流Ｉ_Mは分路を通って流れ、さらにフリーホイリングフェーズ期間中はフリーホイリング電流Ｉ_Fが分路を通って流れ、そのため正確な測定が可能となる。
本発明の別の有利な実施例によれば、負荷として電気モータ、特に永久励磁形の直流モータが用いられる。
さらに有利委は、分路の抵抗が負荷のオーム抵抗成分よりもかなり小さく選定される。
さらに本発明の別の有利な実施例によれば、デューティー比が負荷電圧（特にモータ電圧）と給電電圧の商によって定められる。
回路選定値は有利には次のように選択される。すなわちフリーホイリング期間中、負荷電流、特にモータ電流が同じレベルかもしくはほとんど同じレベルでフリーホイリング回路を通って引き続き流されるように選択される。
特に有利には、モータ電流が以下の式、
Ｉ_M＝Ｉ_F/（1−Ｄ）
によって定められる。これは請求項１と請求項２による解決手段に対して有効である。
請求項１の構成に対しては、つまりフリーホイリング分岐内の分路の配置構成に対しては以下の式、
Ｉ_M＝（Ｕ_RS/Ｒ_S）/（1−Ｄ）
が当てはまる。
図面
次に本発明を図面に基づき以下の明細書で詳細に説明する。
図１は負荷電流を検出するための回路を示した図である。
図２は負荷電流を検出するさらに別の回路を示した図である。
図３は図１と図２の回路による分路電圧のダイヤグラムである。
図４は図１及び図２の回路による分路中の損失出力のダイヤグラムである。
図５は二次の負荷特性曲線のもとでの図１及び図２の回路による分路中の損失出力のダイヤグラムである。
実施例の説明
図１には、給電電圧源Ｕ_Bを有している回路１が示されている。この電圧はスイッチＳを介して負荷２に印加される。スイッチＳは、例えばパワートランジスタによって実現可能である。負荷２は、オーム成分と誘導成分を有している。オーム成分は、抵抗Ｒ_Aで示され、誘導成分はコイルＬ_Aで示される。この負荷は、例えば電気モータ、特に永久励磁形の直流モータで構成されてもよい。リード３には給電電流Ｉ_B（例えば給電電圧源Ｕ_Bの一方の極とスイッチＳとの間のリード３の領域）流される。負荷２を介して、すなわち抵抗Ｒ_AとコイルＬ_Aからなる直列回路を介して負荷電圧は印加される（この実施例ではモータ電圧Ｕ_M）。負荷２に対して並列に、フリーホイリング回路４が設けられている。このフリーホイリング回路は、フリーホイリング電流を一方向のみで通すフリーホイリング素子Ｆを有している。特にこのフリーホイリング素子Ｆは、フリーホイリングダイオードとして構成される。さらにフリーホイリング回路４内には分路Ｓ_Hが設けられており、これはオーム抵抗Ｒ_Sで構成されている。フリーホイーリング素子Ｆと分路Ｓ_Hからなる直列回路は、負荷２の抵抗Ｒ_AとコイルＬ_Aからなる直列回路に対して並列に設けられている。フリーホイリング回路４にはフリーホイリング素子Ｆの導通状態でフリーホイリング電流Ｉ_Fが流れる。この電流は分路Ｓ_Hにおいて電圧降下を引き起こす（分路電圧Ｕ_RS）。
基本的に、全ての電流及び電圧データは平均値を表していることを述べておく。それによりモータ電圧Ｕ_Mは負荷２に印加される電圧の平均値を形成し、給電電流Ｉ_Bは給電によって受け入れられる電流の平均値を形成し、モータ電流Ｉ_Mは、モータ電流の平均値を形成し、フリーホイリング電流Ｉ_Fはフリーホイリング電流の平均値を形成する。以下では次に述べる前提条件が有効である。：分路Ｓ_Hの抵抗Ｒ_Sは次のように選定される。すなわち負荷２のオーム抵抗Ｒ_Aに対して無視できる位に小さくなるように選定される。フリーホイリング素子Ｆ、つまりフリーホイリングダイオードを介した電圧降下も無視できる。さらに出力段は連続した作動モードで動作する。すなわちデューティー比に対して負荷電流はゼロよりも大きく、つまりモータ電流Ｉ_Mはあらゆる時点でゼロよりも大きい。デューティー比としては０〜１の間の値が受け入れられる。この場合このデューティー比Ｄはモータ電圧Ｕ_Mと供給電圧Ｕ_Bの商によって形成されるか又はモータ電流Ｉ_Mに対する供給電流Ｉ_Bの商によって形成される。
フリーホイリングフェーズの間、つまりスイッチＳが開かれている場合には、モータ電流Ｉ_Mは引き続き流れ、フリーホイリング電流に対しては以下の式が成り立つ。
Ｉ_F＝Ｉ_M・（１−Ｄ）
それによりデューディー比Ｄのデータのもとで、負荷電流（モータ電流Ｉ_M）は以下の式に従ってフリーホイリング電流Ｉ_Fから求められる。
Ｉ_M＝Ｉ_F/（１−Ｄ）
図１の回路に対しては（これに対してはインデックス“１”が用いられる）分路中の損失出力に対して以下の式が成り立つ。
Ｐ_RS1＝Ｉ² _F・Ｒ_S1
＝（Ｉ_M・（１−Ｄ））²
＝｛［（Ｕ_B・Ｄ）/Ｒ_A］・（１−Ｄ）｝²・Ｒ_S1
＝［（Ｕ² _B・Ｒ_S1）/Ｒ² _A］・（Ｄ−Ｄ²）²
図２には本発明のさらなる回路が示されている。ここでも給電電圧源Ｕ_B（これは給電電流Ｉ_Bを供給する）がスイッチＳ（これもパワートランジスタとして構成されてもよい）を介して、負荷２のオーム抵抗成分（抵抗Ｒ_A）と誘導成分（コイルＬ_A）と分路Ｓ_Hすなわち抵抗Ｒ_Sによって形成される直列回路５に接続されている。負荷２においてはモータ電圧Ｕ_Mが低下し分路Ｓ_Hにおいては電圧Ｕ_RSが低下する。直列回路５に対して並列にフリーホイリング回路４が設けられている。これはフリーホイリング素子Ｆを有している。このフリーホイリング素子Ｆは、抵抗Ｒ_A、コイルＬ_A、抵抗Ｒ_Sで形成される直列回路５に並列に接続される。フリーホイリング回路には、フリーホイリング素子Ｆが閉じてスイッチＳが開いた状態でフリーホイリング電流ＩFが流れる。
図２の回路の分路の損失出力は、以下の式によって得られる。
Ｐ_RS2＝Ｉ² _M・Ｒ_S2
＝（Ｕ_M/Ｒ_A）²・Ｒ_S2
＝［（Ｕ_B・Ｄ）/Ｒ_A］²・Ｒ_S2
＝［（Ｕ² _B・Ｒ_S2）/Ｒ² _A］・Ｄ²
図３から図５には図１及び図２の回路の所定のパラメータがダイヤグラムで示されている。この場合図１の回路に対してはインデックス“１”が有効であり、図２の回路に対してはインデックス“２”が有効である。
図３の横軸にはデューディー比Ｄがプロットされている。そして縦軸には図１ないし図２の回路による分路における電圧がプロットされおり、この場合は最大値Ｕ_RS1で規格化されている。この場合、図１の回路における分路の抵抗Ｒ_S1の最大損失出力に対しては、図２の回路における分路の抵抗Ｒ_S2よりも係数１６だけ大きく選択可能である。これはより大きな信号振幅に結び付く。
図４には図１及び図２の回路による分路Ｓ_Hの抵抗Ｒ_S1，Ｒ_S2における損失出力の経過が示されている。この場合横軸にはデューディー比Ｄがプロットされ、縦軸には損失出力Ｐ_RS1ないしＰ_RS2がそれぞれ最大値Ｐ_RS1に規格化されて示されている。ここでは図１の回路による最大損失出力の方が図２の回路によるものよりも係数１６だけ少ないことが見て取れる。
図５でも、横軸にデューティー比Ｄがプロットされ縦軸に図４に相応する損失出力がプロットされているダイヤグラムが示されている。この図５のダイヤグラムは累進的な特性曲線（Ｉ_M＝ｆ（Ｕ_M））を有する負荷に当てはまるものである。例えば負荷特性曲線がＩ_M＝ｋ・Ｕ_M ²であるならば、明確な特性曲線経過が生じる。当該図からは、図１によるフリーホイリング測定のもとでの分路Ｓ_Hにおける損失出力が、図２の回路のものよりも明らかに少なくなっていることが見てとれる。

Claims (10)

1. クロック制御された少なくとも１つの誘導成分（Ｌ_Ａ）を有する負荷（２）の負荷電流（Ｉ_Ｍ）を検出するための電気回路（１）であって、
   前記負荷（２）にはフリーホイリング回路（４）が対応付けされており、
   前記電気回路（１）は前記フリーホイリング回路（４）内に設けられる分路（Ｓ _Ｈ ）を有しており、該分路（Ｓ _Ｈ ）の電圧降下が前記フリーホイリング電流（Ｉ _Ｆ ）の検出に用いられる形式の電気回路において、
   前記フリーホイリング電流（Ｉ _Ｆ ）が負荷電流（Ｉ _Ｍ ）の検出に対する尺度として用いられ、
   前記負荷電流（Ｉ _Ｍ ）は以下の式、
   Ｉ_Ｍ＝Ｉ_Ｆ／（１−Ｄ）
   に従って算出され、
   前記（Ｄ）は、クロック制御におけるデューティー比であることを特徴とする電気回路。
2. クロック制御された少なくとも１つの誘導成分（Ｌ_Ａ）を有する負荷（２）の負荷電流（Ｉ_Ｍ）を検出するための電気回路（１）であって、
   前記負荷（２）にはフリーホイリング回路（４）が対応付けされており、
   前記電気回路（１）は前記負荷（２）に直列に設けられる分路（Ｓ _Ｈ ）を有しており、該分路（Ｓ _Ｈ ）の電圧降下が前記フリーホイリング電流（Ｉ _Ｆ ）の検出に用いられ、前記フリーホイリング回路（４）は、負荷（２）と分路（Ｓ_Ｈ）からなる直列回路に並列に配設されている形式の電気回路において、
   前記フリーホイリング電流（Ｉ _Ｆ ）が負荷電流（Ｉ _Ｍ ）の検出に対する尺度として用いられ、
   前記負荷電流（Ｉ _Ｍ ）は以下の式、
   Ｉ_Ｍ＝Ｉ_Ｆ／（１−Ｄ）
   に従って算出され、
   前記（Ｄ）は、クロック制御におけるデューティー比であることを特徴とする電気回路。
3. 前記負荷（２）は、電気モータである、請求項１又は２記載の電気回路。
4. 前記電気モータは、永久励磁形直流モータである、請求項３記載の電気回路。
5. 前記分路（Ｓ_Ｈ）の抵抗（Ｒ_Ｓ）は、前記負荷（２）のオーム抵抗成分よりも著しく小さく選定されている、請求項１又は２記載の電気回路。
6. 前記デューティー比（Ｄ）は、負荷電圧の商によって定められる、請求項１又は２記載の電気回路。
7. 前記負荷電圧にはモータ電圧（Ｕ _Ｍ ）と供給電圧（Ｕ _Ｂ ）が含まれる、請求項６記載の電気回路。
8. フリーホイリング期間中の負荷電流が同じレベルか又はほぼ同じレベルで引き続き通流されるように回路選定がなされる、請求項１又は２記載の電気回路。
9. 前記負荷電流にはモータ電流Ｉ _Ｍ が含まれる、請求項８記載の電気回路。
10. 前記モータ電流（Ｉ_Ｍ）が以下の式、
    （Ｕ_ＲＳ１／Ｒ_Ｓ１）／（１−Ｄ）
    によって算出され、この場合前記Ｕ_ＲＳ１は分路（Ｓ_Ｈ）上の電圧であり、前記Ｒ_Ｓ１は分路（Ｓ_Ｈ）の抵抗値であり、前記（Ｄ）はデューティー比である、請求項９記載の電気回路。

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