ローサイド電流センサの不具合について

質問

5mΩ程度の電力抵抗とオペアンプを使用した簡単なローサイド電流センサを試作したのですが、バッテリを接続して動かすと電圧が出力されない不具合が出ています。

仕組みとしては、バッテリ～モータのGND側に抵抗を噛ませ、その電圧をオペアンプで増幅、電圧を出力するというものです。精度はあまり求めていないので、その辺りは無視して下さい。
電源はバッテリとは別系統の5Vをもらい、LDOで3.3Vに変換しています。GNDは3.3V, 5V, バッテリすべてにおいて共通です。PWRGND, SIGGNDなどの区別はしていません。

モータを接続し、安定化電源でバッテリと同等の電圧（48V程度）を入力すると正常に動くのですが、バッテリに差し替えた途端に動かなくなってしまいます。

なにかヒントがあればご教授いただけると幸いです。
手書きで申し訳ありませんが、回路図を添付します。

回答No.6

ohkawa3 · ベストアンサー

電流検出抵抗の両端に発生した電圧を、きちんとOP-AMP回路に取り込むため、GNDの位置をOP-AMP回路側に移動する必要があると思います。
バッテリー側回路は、OP-AMP回路側から浮かせておくことが必要です。
浮かすことができないなら、少々回路が複雑になりますが、差動アンプを使うなどの対応法があります。

お礼

ご回答ありがとうございます

確かにオペアンプ側からGNDが遠く、電位が不安定になっているようです。
頂いた回答をもとにトラブルシューティングを続けたいと思います。

回答No.7

lumiheart

＞使用しているバッテリは44.4V 22,000mAhのリチウムポリマーバッテリです。

モータ定格電流はいくつでしょう？
バッテリから推定すると１０Ａ程度かな？
それから憶測すると定格容量４００Ｗ？

↓でも１００Ａなので　それと同等と思ってるとハマるよ
https://www.tamiya.com/japan/products/45044/index.html

長い前置きですが、ここから本題

バッテリとモータの接続には適切な電線と端子（コネクタ）使ってます？
ひょっとしてワニ口クリップとかで接続しちゃったりしてません？

ワニ口の接触抵抗って想像を絶するほどデカイ
テスタでバッテリ電圧測っても電圧はちゃんと出るけど
高電流を流してる最中ってのは電圧降下は半端なくデカイ
バッテリ側電圧は４８Ｖでもモータ側電圧は１０Ｖ以下だったりして

電圧降下に合わせて電流も少なくなる
１０Ａ流れてるハズが１Ａしか流れてないとかね

接触部の温度上昇も半端なく熱くなるよ
まぁ、たったの４８Ｖしかないんで感電災害の危険性は低いけど
４８Ｖも有ると火災の原因となるには十分すぎる

補足

ご回答ありがとうございます。
コネクタはちゃんとしたものを使用しています。

モータの定格についてですが、最大2A程度です。（ドライブ回路はモータに内蔵されています）

長時間運転時の発熱も見たのですがほぼありませんでした。
参考までに、ケーブルは耐熱200℃、AWG20のシリコンケーブルを使用しています。

回答No.5

noname#252332

おまけ。レールtoレールと書きましたが実際に0VをフィードバックできるICがあるはずがなく、現実は0Vに非常に近くまで動くと言うことです。5mΩとは10A流しても50mVしかなく、片電源アンプで測るには難しい所です。オペアンプの品種しだいですが。これが問題の場合は片電源をやめて、オペアンプから直接GNDにつながっている1点(負電源)だけ、マイナス電源を-1Vでも-5Vでもちょっと与えてやれば動くようになります。オペアンプの品種が分からないので想像です。3.3V電源の目的は、次段のマイコンのために出力電圧を制限したいと言うなら分かりますが、オペアンプの電源電圧の変動は過渡的には多少影響しますが直流電圧出力としては影響しませんから、5Vで動かした方が簡単ではないですか。

回答No.4

fujiyama32

いろいろな原因が考えられますので、要因を一つずつ調べて取り除く
必要があります。
回転しない理由を探るため、推定ではなく、電圧を測定してモーター
に電圧が加わっていることを確認する必要があると思います。

この他に、このモーターの出力は何Wなのでしょうか？
モーターの軸にはどのような負荷が接続されているのでしょうか？

モーターの種類、構成(構造)はどのようなモータでしょうか？
更にモーターにはコントローラーのような装置が接続されているので
しょうか？

接続図では「回転子」のみになっていますが「固定子」の巻線は
どのように接続されていますか？

バッテリーとの接続部の接続不良が考えられます。
接続不良で電圧降下が発生している可能性もあります。

回答No.3

fujiyama32

直流電圧計またはテスターでモーターの端子電圧を測定します。
始動しますとモーターの端子電圧が低下してDＣ４８V以下になる
と思います。

バッテリーの容量不足が原因と思います。
容量の大きいバッテリーに交換して再運転します。
または、バッテリーを十分充電して再試験したら運転するかを
確認してください。

補足

ご回答ありがとうございます。

使用しているバッテリは44.4V 22,000mAhのリチウムポリマーバッテリです。実験した際は49.5V程度で、ほぼ満充電でした。
安定化電源を使用した実験では、想定される電圧範囲である42.8～50.4Vで正常動作を確認しています。

当然モータ始動時には電圧ドロップが発生しているのですが、システム内部でバッテリ→5V系→3.3V系とレギュレータが挿入されており、殆ど変動していないことは確認済みです。

回答No.2

noname#252332

オペアンプの品種が分かりませんが、0V付近の小電圧を測れるものはあまり多くありません。レールtoレールと言いますが少なくともGND側のレールまで入力できるオペアンプを選ぶ必要があります。モーターをON/OFFする仕掛けは無いのですね。オペアンプの電源がなぜ5Vではだめなのか、なにか事情があるのでしょう。オペアンプには、オペアンプの電源電圧より高い電圧を入力に与えてよい品種と、電源電圧以上の電圧を入力に与えることが禁止の品種があります。こんな当たり前のような条件も、オペアンプの電源がOFFの時に入力端子に電圧がかかる可能性がある回路では問題になります。ブラシモーターの電流は回転中でも0Aまで振れるスパイクも大きいパルス状なので、オペアンプの入力にコンデンサでフィルターでも入れないと、動作しても何を測っているか分からないってことになるかもしれません。入力の100kΩは無くても同じではないのですか？　とりあえず見た感じです。

補足

詳細なご回答ありがとうございます。

モータのON/OFFは回路図にない別な信号線で行っています。
モータは接続されている場合/されていない場合が存在するため、一応入力に100kΩをぶら下げている形です。（システム上、絶対にモータだけに電源が入ることはありません）

回路図に書き忘れてしまいましたが、入力の100kΩとコンデンサで形成したローパスフィルタが挿入されています。安定化電源を用いた実験では正常に電圧が出力されるので、バッテリをつないだ場合にのみ起こる不具合のようです。

回答No.1

lumiheart

＞バッテリに差し替えた途端に動かなくなってしまいます。
具体的に何が動かなくなるのでしょう？

１、モータが動かなくなる、モータ電流もゼロのまま
２、モータは動く、５ｍΩ抵抗にはモータ電流に比例したミリボルト電圧は発生しない
３、モータは動く、５ｍΩ抵抗にはモータ電流に比例したミリボルト電圧は発生する
　　しかしながらオペアンプ出力はゼロのまま

補足

ご回答ありがとうございます。説明不足ですみません。

モータは正常に動くのですが、5mΩ抵抗の両端に想定される大きさのミリボルト電圧が発生しなくなってしまいます。
当然オペアンプの出力もほぼゼロなのですが、オシロスコープで確認するとモータ電流に応じた限りなく小さい値（<3mV程度）が出力されていました。