電流積算計をつくる（１）-電気系ものづくりブログ

ソーラーカー搭載用の電流積算計の紹介です。伝統的？な手法を用い、V/Fコンバータによるアナログ回路構成の電流積算計を作ってみました。

電流積算計と積算電流値計測システムの概要

積算電流値計測システムは、バッテリ残量（SOC：State Of Charge）を推定するために、流れた電流の積算量の計測をします。

例えば、ソーラー発電電流とモータ消費電流を積算し、その差分を積算バッテリ電流とする、といった使い方をします。こうして得られた情報は、レースでのエネルギーマネージメントに活用します。

システムは、電流センサ、電流積算計、カウンタで構成されます。電流センサで得られた信号を積算計に入力すると、積算計はある一定の積算電流量ごとにパルス信号を出力します。そのパルス信号をカウントすることで、流れた積算電流量を計測しています。

今回、センサ出力を受けてパルスを出力する「電流積算計」を製作しました。

積算計が行う処理は主に次のふたつです。

マイコンなどを用いてプログラムで処理する方法もありますが、今回はV/Fコンバータを用いて電圧を周波数へと変換するという伝統的（？）手法を用いることにしました。

V/Fコンバータによる積算計は、こんな構成になります。

V/FコンバータICは、「NJM4151」を採用しました。「NJM4151」は、0V入力時に出力周波数を0Hzとすることができるので、選定しました。

NJM4151のデータシート第4図「高精度V-F変換回路」を元に設計します。積算回路を構成するオペアンプは、ローノイズ、超低オフセット電圧の「OP07」、入力段アンプには高精度計装アンプ「INA128」を採用しました。

製作する電流積算計の仕様はこんな感じにしました。

動作の理解と定数設定のため、積算計の原理を考えます。

V-Fコンバータ（NJM4151）は、

の４つの要素で構成されています。これらの要素で、上記のNJM4151のデータシート第4図「高精度V-F変換回路」を考えると、こんな感じになります。

この図を用いて、V-Fコンバータの動作を考えていきます。

回路の動作はこんな流れになります。

-Vin端子に入力された負電圧は、オペアンプによる積分器で積分されます。そのため、徐々にNJM4151の7番ピンの電圧が上昇していきます。
NJM4151の7番ピンの電圧が、6番ピンの電圧を超えると、内部コンパレータが反転し、ワンショット回路が作動します。それにより、定電流出力がONとなり、この電流によって、積分コンデンサの電荷が引き抜かれます
一定時間が経過すると、ワンショット回路がOFFとなり、定電流出力もOFFとなります。そのため、再び積分コンデンサの充電が開始されます。

ロジック出力は、普段はプルアップされているので"H"となっていますが、ワンショット回路が作動している間だけ"L"となります。

ワンショット回路の作動時間はRo,Coで設定され、固定の値になります。そのため、ロジック出力"L"の時間も固定値となります。

ロジック出力"H"の時間は積分コンデンサの充電期間なので、充電電流に比例します。充電電流は入力電圧に比例するので、入力電圧に比例してロジック出力"H"となる時間が増減します。

ロジック出力"L"となる時間は固定値なので、入力電圧に比例して周波数が変化します。また、これらのことから、ロジック出力のDuty比は50%ではなく、OFF時間固定のPFM変調のような動作になります。

定数決定するために、上記の関係を数式化します。そこで、積分コンデンサの充放電に注目します。

積分コンデンサの電圧波形は、こんな感じになります。また、主な変数の定義も記します。