JP2008033707A - 位置制御装置及びその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】インクリメンタルタイプの角度センサを用い、上位システムから原点サーチ動作を指令する必要もなく、上位システムからの目標角度が原点からの角度となる絶対位置制御を実現できる位置制御装置とその制御方法を提供する。
【解決手段】原点未検出の場合に、第２速度指令を出力する原点検出部と、最初の原点検出時に原点からの角度を位置偏差から差し引く角度演算部と、原点検出の状態に応じて速度指令を切り換える切り換え器と、を備えた。
【選択図】図２

Description

本発明は、インクリメンタルタイプの角度センサを用いた位置制御装置及びその制御方法に関わり、特に、ガルバノスキャナに好適な位置制御装置及びその制御方法に関する。

従来のガルバノスキャナの位置制御装置は、高速な制御を行う用途では、アナログ回路で実現するのが一般的であるが、アナログ回路は、高速な処理が可能な反面、複雑な制御演算や、制御装置のパラメータの調整が難しいという問題があった。この問題点を解消するべく、例えば、特許文献１には第１の従来技術が開示されている。

第１の従来技術を図５にその構成を示して説明する。図５に示すように、モータ４には、モータ４によって回転駆動されるミラー５が連結され、モータ４の内部には、ミラー５の角度を検出する角度センサ４０が内蔵されている。角度センサ４０によって計測される角度信号のうち、所定周波数以下の成分を通す、アナログ回路で構成されたローパスフィルタ６と、該ローパスフィルタ６から入力されるアナログ角度信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器７１と、該Ａ／Ｄ変換器７１から入力される角度信号及び図示されていない上位システムから入力されるミラー５の目標角度に応じて制御信号をデジタル演算するデジタル演算部７０と、該デジタル演算部７０から入力される制御入力をアナログ信号に変換するＤ／Ａ変換器７２を含むデジタル計算器７と、該Ｄ／Ａ変換器７２によってアナログ信号に変換された電流指令のうち、所定の周波数を除去する、アナログ回路で構成されたノッチフィルタ８と、該ノッチフィルタ８から入力される電流指令に応じて、駆動電流を作り出し、モータ４を駆動するパワーアンプ９とを含んで構成されている。

ミラー５の角度は、角度センサ４０によって計測され、その結果は、Ａ／Ｄ変換器７１を通してデジタル計算器７に入力される。一方、ミラー５の目標角度は、図示されていない上記のシステムからデジタル計算器７に入力される。デジタル計算器７では、目標角度と計測された角度から制御入力を演算する。演算された制御入力は、Ｄ／Ａ変換器７２によって電流指令に変換される。パワーアンプ９により、電流指令に従った駆動電流が作り出され、これによりモータ４が駆動され、ミラー５が回転する。

前記ローパスフィルタ６は、角度センサ４０とＡ／Ｄ変換器７１の間に配置することにより、角度センサ４０で発生する電気ノイズを除去することができる。

また、前記ノッチフィルタ８は、Ｄ／Ａ変換器７２とパワーアンプ９の間に配置することにより、ミラー５とモータ軸が持つねじり固有周波数によってスキャナ整定時に生じる振動を抑えることができる。

これらのフィルタは、アナログ回路で構成することにより、帯域の高いフィルタを実現できる。フィルタをデジタル演算で実現するには、要求される制御帯域の数倍の制御周期で演算しなければならず、処理能力の高いプロセッサが必要となる。

以上のように、従来のガルバノスキャナの位置制御装置は、ローパスフィルタとノッチフィルタをアナログ回路で実現し、その他をデジタル計算器で行うことにより、デジタル計算器による利点を損なうことなく、高速な制御を実現しているのである。
特開２００２−１９６２７４号公報（第３−６頁、図８）

しかしながら、第１の従来技術においては、角度センサの内容については触れられていないが、原点信号が角度センサから出力されていないことから、絶対角度を検出できるタイプと考えられる。通常、ガルバノスキャナの位置制御システムでは、絶対角度を検出できる角度センサを用いるため、これをモータに搭載すると、モータが高価になるという問題があった。また、絶対角度を検出できないインクリメンタルタイプの角度センサを用いる場合には、原点との相対位置を把握する必要があり、そのために原点を検出する動作（以後、原点サーチ動作と称す）が必要となるが、ガルバノスキャナのシステムでは、通常、モータの可動範囲が限られており、起動時のモータ角度と原点との位置関係は分からないため、原点と反対方向へ原点サーチ動作を行ない、可動範囲の終端へ到達し、それを検出した上で、さらに逆方向へ原点サーチ動作を行なうことも必要となる。このような原点サーチ動作を、可動範囲検出のセンサ無しに上位システムから指令するためには、原点復帰方法に、可動範囲を検出して即座に逆方向への動作を指令する仕組みを組み込む必要があり、単純な指令プログラムでは実現できないという問題があった。また、それに伴い、電流指令などの新たな情報も上位システムに必要となる可能性もある。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、インクリメンタルタイプの角度センサを用い、上位システムから原点サーチ動作を指令する必要もなく、上位システムからの目標角度が原点からの角度となる絶対位置制御を実現できる位置制御装置とその制御方法を提供することを目的とする。

上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したのである。
請求項１に記載の発明は、上位システムからの目標角度とインクリメンタルタイプの角度センサの角度情報と原点信号とに基づいて絶対位置制御を行うデジタル演算部を備えた位置制御装置において、前記デジタル演算部は、前記角度情報から角度を演算し、最初の原点検出時に原点からの角度を算出する角度演算部と、前記角度から速度を演算する速度演算部と、前記目標角度と前記角度を位置制御処理し、第１速度指令を切り換え器へ出力する位置制御部と、原点未検出の場合に、第２速度指令を切り換え器へ出力する原点検出部と、原点検出の状態に応じて前記第１速度指令と前記第２速度指令を切り換える切り換え器と、前記切り替え器から入力される速度指令と前記速度を速度制御処理し、電流指令を出力する速度制御部と、を備え、前記角度演算部は、最初の原点検出時に算出した前記原点からの角度を、前記位置制御部の位置偏差から差し引くことを特徴とするものである。
請求項２に記載の発明は、請求項１記載の位置制御装置において、前記原点検出部は、可動範囲リミットを超えると、逆方向の第２速度指令を出力することを特徴とするものである。
請求項３に記載の発明は、請求項２記載の位置制御装置において、前記可動範囲リミットは、前記電流指令の絶対値があらかじめ設定した第１電流を超えたことで可動範囲を超えたと判断することを特徴とするものである。
請求項４に記載の発明は、請求項３記載の位置制御装置において、前記可動範囲リミットは、前記電流指令の絶対値があらかじめ設定した第２電流≧第１電流なる第２電流で制限されることを特徴とするものである。
請求項５に記載の発明は、上位システムからの目標角度とインクリメンタルタイプの角度センサの角度情報と原点信号とに基づいて絶対位置制御を行うデジタル演算部を備えた位置制御装置の制御方法において、前記デジタル演算部は、前記角度情報から角度を演算し、最初の原点検出時に原点からの角度を算出する角度演算部と、前記角度から速度を演算する速度演算部と、前記目標角度と前記角度を位置制御処理し、第１速度指令を出力する位置制御部と、入力される速度指令と前記速度を速度制御処理し、電流指令を出力する速度制御部とを備え、原点未検出の場合に第２速度指令を出力するステップと、原点未検出の場合に前記速度制御部へ入力する速度指令を前記第２速度指令へ切り換えるステップと、原点検出時に前記原点からの角度を前記位置制御部の位置偏差から差し引くステップと、原点検出後に前記第２速度指令を前記第１速度指令へ切り換えるステップと、を備えたことを特徴とするものである。
請求項６に記載の発明は、請求項５記載の位置制御装置の制御方法において、可動範囲リミットを超えると、逆方向の第２速度指令を出力するためのステップを備えたことを特徴とするものである。

請求項１に記載の発明によると、絶対角度を検出できない角度センサを用い、上位システムから原点サーチ動作を指令する必要もなく、上位システムからの目標角度が原点からの角度となる絶対位置制御を実現できる位置制御装置を提供できる。
請求項２乃至４に記載の発明によると、動作範囲の限られたモータに対して、絶対角度を検出できない角度センサを用い、上位システムから原点サーチ動作を指令する必要もなく、上位システムからの目標角度が原点からの角度となる絶対位置制御を実現できる位置制御装置を提供できる。
請求項５に記載の発明によると、絶対角度を検出できない角度センサを用い、上位システムから原点サーチ動作を指令する必要もなく、上位システムからの目標角度が原点からの角度となる絶対位置制御を実現できる位置制御方法を提供できる。
請求項６に記載の発明によると、動作範囲の限られたモータに対して、絶対角度を検出できない角度センサを用い、上位システムから原点サーチ動作を指令する必要もなく、上位システムからの目標角度が原点からの角度となる絶対位置制御を実現できる位置制御方法を提供できる。

以下、本発明の実施の形態について図に基づいて説明する。

図１は、本発明の位置制御装置の構成を示す図である。図において、１は、位置制御装置であり、デジタル演算部１０とＡ／Ｄ変換器１１と電力変換部１２とで構成されている。２は、位置制御装置１によって駆動されるモータであり、モータ２によって回転駆動されるミラー３が連結され、モータ２の内部には、ミラー３の角度を検出する角度センサ２０が内蔵されている。なお、角度センサ２０は、起動時の角度を０基準とした角度情報を出力するインクリメンタルタイプであり、原点信号を出力することができる。

角度センサ２０から出力される角度情報は、図示されていない差動増幅器でノイズの除去と信号増幅され、Ａ／Ｄ変換器１１へ入力される。該Ａ／Ｄ変換器１１によってデジタル信号に変換された角度情報は、デジタル演算部１０へ入力される。また、角度センサ２０から出力される原点信号は、デジタル演算部１０へ直接入力される。デジタル演算部１０では、前記Ａ／Ｄ変換器１１から入力される角度情報と原点信号に基づき、原点を０基準としたミラー３の角度が、図示されていない上位システムから入力されるミラー３の目標角度に追従するように制御され、電圧指令を電力変換部１２へ出力する。電力変換部１２は、入力された電圧指令を増幅すると共に電力増幅して、駆動電流をモータ２へ与え、モータ２の駆動によって、ミラー３は回転駆動する。

次に、デジタル演算部１０の構成と動作について、図２に基づいて説明する。
デジタル信号に変換された角度情報は、角度演算部１００へ入力され、原点信号は、角度センサ２０が原点を検出した瞬間に、パルス状の信号が角度演算部１００及び原点検出部１０６へ入力される。角度演算部１００は、入力された角度情報から角度を算出し、該角度を速度演算部１０１及び位置制御部１０２へ出力する。速度演算部１０１は、角度演算部１００が算出した角度の演算周期当たりの変化量から速度を算出し、該速度を速度制御部１０３へ出力する。位置制御部１０２は、角度演算部１００が算出した原点基準の角度が、上位システムから入力された目標角度に追従するように制御し、第１速度指令を切り換え器１０７へ出力する。切り換え器１０７は、速度制御部１０３へ入力させる速度指令を切り換えるものであり、原点検出後は、位置制御部１０２が出力する第１速度指令を速度制御部１０３へ入力する。速度制御部１０３は、速度演算部１０１から入力される速度が、切り換え器１０７から入力される速度指令と一致するように制御し、電流指令をフィルタ１０４へ出力する。フィルタ１０４は、所定の周波数を低減した電流指令を電流制御部１０５へ出力する。なお、フィルタ１０４は、ノッチフィルタとしても良いし、ローパスフィルタとしても良いし、また、両方のフィルタとしても良い。さらに、必要な数だけ構成すれば良く、速度制御部１０３の演算周期で構成しても良いし、電流制御部１０５の高速な演算周期で構成しても良いし、また、両方の演算周期で構成しても良い。電流制御部１０５は、フィルタ１０４から入力された電流指令とモータ駆動電流が一致するように制御し、電圧指令を電力変換部へ出力する。

次に、図２における原点検出方法を説明する。
原点検出部１０６は、まだ、一度も原点信号が入力されておらず、原点未検出の間に、第２速度指令を切り換え器１０７へ出力する。そして、第２速度指令は、ミラー３の動作角度範囲がストッパーなどで限られている場合には、ストッパーへの衝突を検出すると、逆方向への速度指令を出力するものである。ストッパーへの衝突は、例えば、電流指令があらかじめ設定した第１電流を超えたことで判断できる。さらに電流指令を第１電流と同等かそれよりもわずかに大きい第２電流で制限する。切り換え器１０７は、原点検出前は、第２速度指令を速度制御部１０３へ入力する。速度制御部１０３以降は、前述の通りであり、省略する。以上により、第２速度指令による原点サーチ動作が行なえる。角度演算部１００は、原点信号が入力された瞬間の起動時からの角度をラッチし、該起動時からの角度を現在角度から差し引くことにより、原点基準の角度を算出する。そして、該原点基準の角度を、最初の原点検時に前記位置制御部の位置偏差から差し引くものである。

本発明が特許文献１と異なる部分は、角度センサが起動時の角度を０基準とした角度情報と原点信号を出力するインクリメンタルタイプである点と、デジタル演算部の構成と動作が異なる。

次に、デジタル演算部１０の動作手順について、図３のフローチャートに基づいて説明する。

はじめに、原点検出済みかどうかを判断し、原点検出済みの場合は、後述のステップＳ４に進む。原点未検出の場合は、原点検出部１０６が第２速度指令を切り換え器１０７へ入力する（ステップＳ１）。速度指令値は、原点信号を検出するのに適当な値とすれば良い。次に、切り換え器１０７が原点検出部１０６からの第２速度指令を速度制御部１０３へ入力し（ステップＳ２）、原点サーチ動作を行なう。前記ステップＳ１と前記ステップＳ２は、原点を検出するまで繰り返し、原点を検出すると、角度演算部１００が、原点からの角度を算出し、その角度を位置制御部１０２内の位置偏差から差し引く（ステップＳ３）。そして、最後に、切り換え器１０７が位置制御部１０２からの第１速度指令を速度制御部１０３へ入力し（ステップＳ４）、通常の位置制御動作を行なう。このように、原点検出時に原点からの角度を位置偏差から差し引いておき、以降、通常の位置制御において、角度の変化量を位置偏差へネガティブフィードバックすることで、位置偏差へ入力される角度の合計は常に原点からの角度となる。したがって、上位システムから入力される目標角度は、原点を基準にした角度として位置制御されることになる。なお、原点サーチ動作を行なっている前記ステップＳ１と前記ステップＳ２では、位置制御部１０２は機能しておらず、位置偏差は０となっている。

図４は、第２実施例である、ミラー３の動作角度範囲がストッパーなどで限られた場合のデジタル演算部１０の動作手順を示すフローチャートである。図４に基づいて説明する。

はじめに、原点検出済みかどうかを判断し、原点検出済みの場合は、後述のステップＴ６に進む。原点未検出の場合は、電流指令にリミットを設定する（ステップＴ１）。第１電流と同等かそれよりもわずかに大きい第２電流を設定しておき、電流指令が第１電流を超えればストッパーに到達したと判断し、電流指令を第２電流でリミットをかける。次に、原点検出部１０６が第２速度指令を切り換え器１０７へ入力する（ステップＴ２）。ただし、電流指令がリミットにかかると逆方向の速度指令とし、ミラーの動作角度範囲全てに対して原点サーチ動作を行なうようにする。次に、切り換え器１０７が原点検出部１０６からの第２速度指令を速度制御部１０３へ入力し（ステップＴ３）、原点サーチ動作を行なう。前記ステップＴ２と前記ステップＴ３は、原点を検出するまで繰り返し、原点を検出すると、角度演算部１００が、原点からの角度を算出し、その角度を位置制御部１０２内の位置偏差から差し引く（ステップＴ４）。そして、ステップＴ１で設定した電流指令のリミットを解除する（ステップＴ５）。最後に、切り換え器１０７が位置制御部１０２からの第１速度指令を速度制御部１０３へ入力し（ステップＴ６）、通常の位置制御動作を行なう。なお、原点サーチ動作を行なっている前記ステップＴ１から前記ステップＴ３の間では、位置制御部１０２は機能しておらず、位置偏差は０となっている。

以上のように、原点未検出の場合に原点サーチ動作を行い、原点検出時に原点からの角度を算出し、その角度を位置偏差から差し引くことで、上位システムからの目標角度が、原点からの角度となるようにしているのである。

本発明は、インクリメンタルタイプの位置検出器を使用した絶対位置制御を行なうシステムに、産業上幅広く利用可能である。例えば、ガルバノスキャナなどへの適用には有効である。

本発明を実施する位置制御装置の構成を示す図 本発明のデジタル演算部の構成と動作を示す図 本発明のデジタル演算部の動作手順を示すフローチャート 第２実施例のデジタル演算部の動作手順を示すフローチャート 第１の従来技術の構成を示す図

符号の説明

１ 位置制御装置
２、４ モータ
３、５ ミラー
６ ローパスフィルタ（アナログ回路）
７ デジタル計算器
８ ノッチフィルタ（アナログ回路）
９ パワーアンプ
１０、７０ デジタル演算部
１１、７１ Ａ／Ｄ変換器
１２ 電力変換部
２０、４０ 角度センサ
７２ Ｄ／Ａ変換器
１００ 角度演算部
１０１ 速度演算部
１０２ 位置制御部
１０３ 速度制御部
１０４ フィルタ（デジタル）
１０５ 電流制御部
１０６ 原点検出部
１０７ 切り換え器

Claims (6)

1. 上位システムからの目標角度とインクリメンタルタイプの角度センサの角度情報と原点信号とに基づいて絶対位置制御を行うデジタル演算部を備えた位置制御装置において、
   前記デジタル演算部は、
   前記角度情報から角度を演算し、最初の原点検出時に原点からの角度を算出する角度演算部と、
   前記角度から速度を演算する速度演算部と、
   前記目標角度と前記角度を位置制御処理し、第１速度指令を切り換え器へ出力する位置制御部と、
   原点未検出の場合に、第２速度指令を切り換え器へ出力する原点検出部と、
   原点検出の状態に応じて前記第１速度指令と前記第２速度指令を切り換える切り換え器と、
   前記切り替え器から入力される速度指令と前記速度を速度制御処理し、電流指令を出力する速度制御部と、
   を備え、
   前記角度演算部は、最初の原点検出時に算出した前記原点からの角度を、前記位置制御部の位置偏差から差し引くことを特徴とする位置制御装置。
2. 前記原点検出部は、可動範囲リミットを超えると、逆方向の第２速度指令を出力することを特徴とする請求項１記載の位置制御装置。
3. 前記可動範囲リミットは、前記電流指令の絶対値があらかじめ設定した第１電流を超えたことで可動範囲を超えたと判断することを特徴とする請求項２記載の位置制御装置。
4. 前記可動範囲リミットは、前記電流指令の絶対値があらかじめ設定した第２電流≧第１電流なる第２電流で制限されることを特徴とする請求項３記載の位置制御装置。
5. 上位システムからの目標角度とインクリメンタルタイプの角度センサの角度情報と原点信号とに基づいて絶対位置制御を行うデジタル演算部を備えた位置制御装置の制御方法において、
   前記デジタル演算部は、
   前記角度情報から角度を演算し、最初の原点検出時に原点からの角度を算出する角度演算部と、前記角度から速度を演算する速度演算部と、前記目標角度と前記角度を位置制御処理し、第１速度指令を出力する位置制御部と、入力される速度指令と前記速度を速度制御処理し、電流指令を出力する速度制御部とを備え、
   原点未検出の場合に第２速度指令を出力するステップと、
   原点未検出の場合に前記速度制御部へ入力する速度指令を前記第２速度指令へ切り換えるステップと、
   原点検出時に前記原点からの角度を前記位置制御部の位置偏差から差し引くステップと、原点検出後に前記第２速度指令を前記第１速度指令へ切り換えるステップと、
   を備えたことを特徴とする位置制御装置の制御方法。
6. 可動範囲リミットを超えると、逆方向の第２速度指令を出力するためのステップを備えたことを特徴とする請求項５記載の位置制御装置の制御方法。

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