JP5000585B2

JP5000585B2 - 電流センサ

Info

Publication number: JP5000585B2
Application number: JP2008132010A
Authority: JP
Inventors: 典之篠塚; 修佐々木; 雅也高橋
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2008-05-20
Filing date: 2008-05-20
Publication date: 2012-08-15
Anticipated expiration: 2028-05-20
Also published as: JP2009281772A

Description

本発明は、第１ホール素子および第２ホール素子を用いた電流センサに関する。

従来より、ホール素子を利用した電流センサを用いて、各種電気機器のライン電流の電流値を検出することが行われている。
この電流センサでは、具体的には、ギャップを有するコアを用意し、測定対象となるライン電流がコアの中心軸上を通過するように配置する。そして、ギャップの間にホール素子を配置し、このホール素子に制御電流を流す。
この電流センサによれば、ライン電流に比例して発生する磁力は、コアで収束されて、ホール素子を通過する。すると、このホール素子は、磁力を電圧に変換して、検出信号として出力する。

ところで、以上の電流センサを構成するホール素子には、部品較差、固体差等に伴う固有のオフセット電圧が存在する。

そこで、ホール素子のオフセット電圧を予め測定しておき、この測定結果に基づいてオフセット電圧を除去する手法がある。この手法によれば、応答性を維持しつつオフセット電圧を除去できるが、このオフセット電圧は、周囲温度の変化や時間の経過に伴って変化するという特性があるため、一度設定したオフセット電圧のレベルが変化する場合があった。

この問題を解決するため、ホール素子に流す制御電流の極性を切り換えるチョッピング制御を行って、出力された電流検出信号の差分値を求めることにより、ホール素子のオフセット電圧を除去する手法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
この手法によれば、周囲温度の変化や時間の経過などによりオフセット電圧のレベルが変化しても、このオフセット電圧を動的に除去できる。
特開２００５−３００３０３号公報

しかしながら、特許文献１に示された手法では、電流の極性を切り換えるための時間や出力信号が安定するまでの時間、演算に必要な時間等が制約となり、チョッピング周波数を上げることに限界があった。よって、応答性が低くなる、という問題があった。

本発明は、オフセットを動的に除去できかつ応答性が高い電流センサを提供することを目的とする。

本発明の電流センサ（例えば、後述の電流センサ１）は、第１ホール素子（例えば、後述の第１ホール素子１１）および第２ホール素子（例えば、後述の第２ホール素子２１）を用いた電流センサであって、前記第１ホール素子から出力される第１センサ信号のゲインに、前記第２ホール素子から出力される第２センサ信号のゲインが一致するように、前記第２センサ信号のゲインを調整するゲイン調整手段（例えば、後述の補正値演算回路３３および波形修正回路３４）と、前記第２ホール素子に供給する電源の極性を切り換えるチョッピング制御を行い、前記ゲインを調整した第２センサ信号および極性が反転されてかつゲインを調整した反転第２センサ信号に基づいて、第２センサ信号のオフセット量を検出する第２センサ信号オフセット検出手段（例えば、後述の第２センサ信号オフセット検出回路３５およびシーケンス制御回路４１）と、前記第２センサ信号から前記オフセット量を除去する第２センサ信号オフセット除去手段（例えば、後述の減算器３７）と、前記オフセット量が除去された第２センサ信号に基づいて、前記第１センサ信号のオフセット量を検出する第１センサ信号オフセット検出手段（例えば、後述の第１センサ信号オフセット検出回路３８）と、前記第１センサ信号から前記オフセット量を除去する第１センサ信号オフセット除去手段（例えば、後述の減算器４０）と、を備えることを特徴とする。

この場合、前記第１センサ信号および前記第２センサ信号のそれぞれの最大値および最小値を検出するピーク検出手段（例えば、後述の第１ピーク検出回路３１および第２ピーク検出回路３２）を備え、前記ゲイン調整手段は、前記ピーク検出手段で検出した最大値および最小値に基づいて、それぞれのゲインを求めることが好ましい。

この場合、前記各オフセット検出手段と前記各オフセット除去手段との間に設けられ、前記各オフセット検出手段で検出したオフセット量をラッチするサンプルアンドホールド回路（例えば、後述のサンプルアンドホールド回路３６、３９）を備えることが好ましい。

この発明によれば、以下の手順で、第１ホール素子の出力信号のオフセットを除去する。
まず、ゲイン調整手段により、第１ホール素子から出力される第１センサ信号のゲインに、第２ホール素子から出力される第２センサ信号のゲインが一致するように、第２センサ信号のゲインを調整する。
次に、第２センサ信号オフセット検出手段により、第２ホール素子をチョッピング制御して、ゲインを調整した第２センサ信号および極性が反転されてかつゲインを調整した反転第２センサ信号に基づいて、第２センサ信号のオフセット量を検出する。
次に、第２センサ信号オフセット除去手段により、第２センサ信号からオフセット量を除去する。
次に、第１センサ信号オフセット検出手段により、オフセット量が除去された第２センサ信号に基づいて、第１センサ信号のオフセット量を検出する。
次に、第１センサ信号オフセット除去手段により、第１センサ信号からオフセット量を除去する。

これにより、電流値を検出する第１ホール素子をチョッピング制御しないため、応答性が高くなる。また、オフセット量が変化しても、このオフセット量の変化に追従して、動的にオフセットを除去できる。
さらに、修正値を用いるので、第１ホール素子の特性と第２ホール素子の特性とが異なっても、精度良くオフセットを除去できる。

また、オフセット量を検出している期間、第２ホール素子からの出力信号の極性を反転させるため、オフセット量の出力が途切れてしまう。
そこで、この発明によれば、オフセット検出手段とオフセット除去手段との間にサンプルアンドホールド回路を設けた。これにより、オフセット量を途切れることなく連続して出力できる。

本発明によれば、電流値を検出する第１ホール素子をチョッピング制御しないため、応答性が高くなる。また、オフセット量が変化しても、このオフセット量の変化に追従して、動的にオフセットを除去できる。さらに、修正値を用いるので、第１ホール素子の特性と第２ホール素子の特性とが異なっても、精度良くオフセットを除去できる。

以下、本発明の一実施形態について説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る電流センサ１の信号処理回路の構成を示す図である。
電流センサ１は、第１ホール素子回路１０、第２ホール素子回路２０、ピーク検出手段としての第１ピーク検出回路３１、ピーク検出手段としての第２ピーク検出回路３２、ゲイン調整手段としての補正値演算回路３３、ゲイン調整手段としての波形修正回路３４、第２センサ信号オフセット検出手段としての第２センサ信号オフセット検出回路３５、サンプルアンドホールド回路３６、第２センサ信号オフセット除去手段としての減算器３７、第１センサ信号オフセット検出手段としての第１センサ信号オフセット検出回路３８、サンプルアンドホールド回路３９、第１センサ信号オフセット除去手段としての減算器４０、および、これらを制御する第２センサ信号オフセット検出手段としてのシーケンス制御回路４１を備える。

第１ホール素子回路１０は、磁気を電気信号に変換して出力する回路である。この出力信号には、オフセットが含まれる。
この第１ホール素子回路１０は、第１ホール素子１１および差動増幅器１２を備える。

差動増幅器１２は、入力される２つの信号の差分を増幅して出力するものである。ここで、この差動増幅器１２のゲインは、適切な値に設定されているものとする。

第１ホール素子１１は、磁気を電気信号に変換する略十字形状の素子であり、相対向して設けられたホール端子１１ａ、１１ｂと、これら１１ａ、１１ｂの配置方向とは交差する方向に相対向して設けられたホール端子１１ｃ、１１ｄと、を備える。
ホール端子１１ａは、定電流源１３に接続され、ホール端子１１ｂは、グランドに接続され、ホール端子１１ｃは、差動増幅器１２の正端子に接続され、ホール端子１１ｄは、差動増幅器１２の負端子に接続される。

第２ホール素子回路２０は、磁気を電気信号に変換して出力する回路である。この出力信号には、オフセットが含まれている。
この第２ホール素子回路２０は、第２ホール素子２１、スイッチ回路網２２、および差動増幅器２３を備える。

差動増幅器２３は、入力される２つの信号の差分を増幅して出力するものである。ここで、この差動増幅器２３のゲインは、適切な値に設定されているものとする。

第２ホール素子２１は、磁気を電気信号に変換する略十字形状の素子であり、相対向して設けられたホール端子２１ａ、２１ｂと、これら２１ａ、２１ｂの配置方向とは交差する方向に相対向して設けられたホール端子２１ｃ、２１ｄと、を備える。

スイッチ回路網２２は、４つの切り換えスイッチＳａ、Ｓｂ、Ｓｃ、Ｓｄからなる。スイッチＳａは、ホール端子２１ａを、定電流源２４または差動増幅器２３の正端子に接続する。スイッチＳｂは、ホール端子２１ｂを、グランドまたは差動増幅器２３の負端子に接続する。スイッチＳｃは、ホール端子２１ｃを、定電流源２４または差動増幅器２３の正端子に接続する。スイッチＳｄは、ホール端子２１ｄを、グランドまたは差動増幅器２３の負端子に接続する。

スイッチ回路網２２では、スイッチＳａ、Ｓｄ、Ｓｂ、Ｓｃを制御して、ホール端子２１ａを定電流源２４に接続し、ホール端子２１ｂをグランドに接続し、ホール端子２１ｃを差動増幅器２３の正端子に接続し、ホール端子２１ｄを差動増幅器２３の負端子に接続した状態と、ホール端子２１ａを差動増幅器２３の正端子に接続し、ホール端子２１ｂを差動増幅器２３の負端子に接続し、ホール端子２１ｃを定電流源２４に接続し、ホール端子２１ｄをグランドに接続した状態と、を切り換え可能となっている。

以上の第２ホール素子回路２０によれば、スイッチ回路網２２を制御することにより、定電流源２４から第２ホール素子２１に供給する電流の極性を切り換えて、出力信号の極性を反転できる。

第１ピーク検出回路３１は、シーケンス制御回路４１から初期化信号が入力されると、その後の一定期間に亘って、第１ホール素子回路１０の出力信号の最大値および最小値を検出する。
第２ピーク検出回路３２は、シーケンス制御回路４１から初期化信号が入力されると、その後の一定期間に亘って、第２ホール素子回路２０の出力信号の最大値および最小値を検出する。

補正値演算回路３３は、第１ピーク検出回路３１および第２ピーク検出回路３２で検出した出力信号の最大値および最小値に基づいて、第１ホール素子回路１０の第１センサ信号としての出力信号のゲインおよび第２ホール素子回路２０の第２センサ信号としての出力信号のゲインを求める。そして、第１ホール素子回路１０の出力信号のゲインに、第２ホール素子回路２０の出力信号のゲインが一致するように、第２ホール素子回路２０の出力信号のゲインを修正するための修正値を求める。

波形修正回路３４は、第２ホール素子回路２０からの出力信号を修正値に基づいて修正する。

第２センサ信号オフセット検出回路３５は、入力される２つの信号に基づいて、オフセット量を求める。具体的には、修正した信号と、極性が反転されてかつ修正した反転第２センサ信号と、の平均値を求めることで、第２センサ信号のオフセット量を検出する。
サンプルアンドホールド回路３６は、入力信号を所定のサンプリング周波数でサンプリングし、サンプリングした値を一時的に保持する回路である。具体的には、オフセット検出回路３５で検出したオフセットをラッチする。
減算器３７は、第２ホール素子回路２０から出力されてゲインを修正した信号から、オフセットを除去する。

第１センサ信号オフセット検出回路３８は、入力される２つの信号に基づいて、オフセット量を求める。具体的には、入力される２つの信号の差分を求めて、オフセット量とする。
サンプルアンドホールド回路３９は、入力信号を所定のサンプリング周波数でサンプリングし、サンプリングした値を一時的に保持する回路である。具体的には、第１センサ信号オフセット検出回路３８で検出したオフセットをラッチする。
減算器４０は、第１ホール素子回路１０の出力信号からオフセットを除去する。

以上の電流センサ１の動作を、図２のフローチャートを参照しながら説明する。
まず、第１ホール素子回路１０から信号Ｓｉｇ（ＨＥ１）が出力され、第２ホール素子回路２０から信号Ｓｉｇ（ＨＥ２）が出力されているものとする。これら信号Ｓｉｇ（ＨＥ１）および信号Ｓｉｇ（ＨＥ２）は、同時に得られる信号であるため、印加磁界に対する位相の変化が同じになっている。

ステップＳ１では、シーケンス制御回路４１により第１ピーク検出回路３１を初期化し、その後、この第１ピーク検出回路３１により、図３に示すように、第１ホール素子回路１０から出力される信号Ｓｉｇ（ＨＥ１）の最大値および最小値を検出し、次回更新されるまでこれらの値を保持する。
ステップＳ２では、シーケンス制御回路４１により第２ピーク検出回路３２を初期化し、その後、この第２ピーク検出回路３２により、図３に示すように、第２ホール素子回路２０から出力される信号Ｓｉｇ（ＨＥ２）の最大値および最小値を検出し、次回更新されるまでこれらの値を保持する。

ステップＳ３では、補正値演算回路３３により、信号Ｓｉｇ（ＨＥ１）と信号Ｓｉｇ（ＨＥ２）とのゲインのずれ量を修正値として求める。
具体的には、第１ピーク検出回路３１および第２ピーク検出回路３２から出力される最大値および最小値に基づいて、図４に示すように、ゲインのずれ量を修正値として求めて、次回更新されるまでこれらの値を保持する。

ステップＳ４では、波形修正回路３４により、修正値に基づいて、信号Ｓｉｇ（ＨＥ２）の波形を修正する。すると、この信号Ｓｉｇ（ＨＥ２）のゲインは信号Ｓｉｇ（ＨＥ１）のゲインに近似することになる。
ステップＳ５では、シーケンス制御回路４１により、第２ホール素子回路２０のスイッチ回路網２２を所定の周波数で切り換えて、第２ホール素子２１に供給する電源の極性を切り換えるチョッピング制御を開始し、信号Ｓｉｇ（ＨＥ２）と、波形の極性が反転した反転信号ｄＳｉｇ（ＨＥ２）と、を第２ホール素子回路２０から出力させる。すると、波形修正回路３４により、これら信号Ｓｉｇ（ＨＥ２）および反転信号ｄＳｉｇ（ＨＥ２）の波形が修正値に基づいて修正される。

ステップＳ６では、第２センサ信号オフセット検出回路３５により、修正した信号Ｓｉｇ（ＨＥ２）と修正した反転信号ｄＳｉｇ（ＨＥ２）とに基づいて、信号Ｓｉｇ（ＨＥ２）のオフセット量として求めて、サンプルアンドホールド回路３６により、このオフセット量を保持する。
具体的には、図５に示すように、修正した信号Ｓｉｇ（ＨＥ２）と修正した反転信号ｄＳｉｇ（ＨＥ２）との平均値を、信号Ｓｉｇ（ＨＥ２）のオフセット量として求める。

ステップＳ７では、シーケンス制御回路４１により、第２ホール素子回路２０のチョッピング制御を終了する。
ステップＳ８では、減算器３７により、図６に示すように、ゲインを修正した信号Ｓｉｇ（ＨＥ２）からオフセットを除去する。

ステップＳ９では、第１センサ信号オフセット検出回路３８により、信号Ｓｉｇ（ＨＥ１）と、ゲインを修正しかつオフセットを除去した信号Ｓｉｇ（ＨＥ２）と、を用いて、信号Ｓｉｇ（ＨＥ１）のオフセット量を求めて、サンプルアンドホールド回路３９により、このオフセット量を次回更新されるまで保持する。
具体的には、図７に示すように、信号Ｓｉｇ（ＨＥ１）から、ゲインを修正しかつオフセットを除去した信号Ｓｉｇ（ＨＥ２）を減算して、信号Ｓｉｇ（ＨＥ１）のオフセット量とする。
ステップＳ１０では、減算器４０により、図８に示すように、信号Ｓｉｇ（ＨＥ１）からこのオフセットを除去する。

本実施形態によれば、以下のような効果がある。
（１）電流値を検出する第１ホール素子１１をチョッピング制御しないため、応答性が高くなる。また、オフセット量が変化しても、このオフセット量の変化に追従して、動的にオフセットを除去できる。
さらに、ゲインを修正したので、第１ホール素子１１の特性と第２ホール素子２１の特性とが異なっても、精度良くオフセットを除去できる。

（２）オフセット検出回路３５、３８と減算器３７、４０との間にサンプルアンドホールド回路３６、３９を設けた。これにより、オフセット値を途切れることなく連続して出力できる。

（３）第１ホール素子回路１０の出力信号を主信号として、この主信号の極性を反転させずにオフセット量を調整したので、第１ホール素子回路１０から主信号を常時出力できる。

（４）オフセット量のドリフトは緩やかであるため、第２ホール素子回路２０を頻繁にチョッピング制御せずに間欠的にオフセット量を補正することにより、電力消費を抑えることができる。

（５）シーケンス制御回路４１によりチョッピング制御を行っていない期間中に、信号Ｓｉｇ（ＨＥ１）と、ゲインを修正しかつオフセットを除去した信号Ｓｉｇ（ＨＥ２）と、を用いて、信号Ｓｉｇ（ＨＥ１）のオフセット量を求めた。よって、応答遅れが生じるのを抑制できるので、信号Ｓｉｇ（ＨＥ１）と、ゲインを修正しかつオフセットを除去した信号Ｓｉｇ（ＨＥ２）との一致率が高まるので、精度を向上できる。

なお、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。

本発明の一実施形態に係る電流センサの信号処理回路の構成を示す図である。前記実施形態に係る電流センサの動作を示すフローチャートである。前記実施形態に係る電流センサについて、出力信号の最大値よび最小値を検出する手順を説明するための図である。前記実施形態に係る電流センサについて、出力信号のゲインのずれ量を検出する手順を説明するための図である。前記実施形態に係る電流センサについて、第２センサ信号のオフセット量を求める手順を説明するための図である。前記実施形態に係る電流センサについて、第２センサ信号からオフセットを除去する手順を説明するための図である。前記実施形態に係る電流センサについて、第１センサ信号のオフセット量を求める手順を説明するための図である。前記実施形態に係る電流センサについて、第１センサ信号からオフセットを除去する手順を説明するための図である。

符号の説明

１電流センサ
１１第１ホール素子
２１第２ホール素子
３１第１ピーク検出回路（ピーク検出手段）
３２第２ピーク検出回路（ピーク検出手段）
３３補正値演算回路（ゲイン調整手段）
３４波形修正回路（ゲイン調整手段）
３５第２センサ信号オフセット検出回路（第２センサ信号オフセット検出手段）
３６サンプルアンドホールド回路
３７減算器（第２センサ信号オフセット除去手段）
３８第１センサ信号オフセット検出回路（第１センサ信号オフセット検出手段）
３９サンプルアンドホールド回路
４０減算器（第１センサ信号オフセット除去手段）
４１シーケンス制御回路（第２センサ信号オフセット検出手段）

Claims

第１ホール素子および第２ホール素子を用いた電流センサであって、
前記第１ホール素子から出力される第１センサ信号のゲインに、前記第２ホール素子から出力される第２センサ信号のゲインが一致するように、前記第２センサ信号のゲインを調整するゲイン調整手段と、
前記第２ホール素子に供給する電源の極性を切り換えるチョッピング制御を行い、前記ゲインを調整した第２センサ信号および極性が反転されてかつゲインを調整した反転第２センサ信号に基づいて、第２センサ信号のオフセット量を検出する第２センサ信号オフセット検出手段と、
前記第２センサ信号から前記オフセット量を除去する第２センサ信号オフセット除去手段と、
前記オフセット量が除去された第２センサ信号に基づいて、前記第１センサ信号のオフセット量を検出する第１センサ信号オフセット検出手段と、
前記第１センサ信号から前記オフセット量を除去する第１センサ信号オフセット除去手段と、を備えることを特徴とする電流センサ。
請求項１に記載の電流センサにおいて、
前記第１センサ信号および前記第２センサ信号のそれぞれの最大値および最小値を検出するピーク検出手段を備え、
前記ゲイン調整手段は、前記ピーク検出手段で検出した最大値および最小値に基づいて、それぞれのゲインを求めることを特徴とする電流センサ。
請求項１に記載の電流センサにおいて、
前記各オフセット検出手段と前記各オフセット除去手段との間に設けられ、前記各オフセット検出手段で検出したオフセット量をラッチするサンプルアンドホールド回路を備えることを特徴とする電流センサ。