JP2008130035A - 信号処理器および制御系 - Google Patents

Abstract

【課題】コストアップを避けつつ速度情報検出の遅延量を少なくすることができる信号処理器及び制御系を提供する。
【解決手段】インターポレータ１００は、センサ２２からのｓｉｎ信号及びｃｏｓ信号を入力されて、速度Ｖ及び位置Ｐを制御部３１に出力する。制御部３１において、速度に関するフィードバック路の速度制御要素４０には、インターポレータ１００が出力した速度Ｖが直接入力される。また、位置に関するフィードバック路の位置制御要素４２には、インターポレータ１００が出力した位置Ｐが直接入力される。速度情報検出のサンプリング周期は、制御部３１側のサンプリング周期に依存しなくなり、速度情報検出の遅延量を少なくすることができる。また、制御部３１側にハードウェア等を追加する必要がないため、コストアップを避けることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、信号処理器および制御系に関し、特にエンコーダ等により検出された移動物体の変位量から移動物体の位置情報と速度情報とを制御部に対し出力可能な信号処理器及びこの信号処理器を備えた制御系に関する。

従来、ＸＹステージ等において、デジタル処理により位置または速度のサーボ制御を行うときは、ロータリーエンコーダ及びリニアスケール等のデジタル位置検出器（以後、「エンコーダ」と表わす）からの位置信号を、パルス列等の形で制御装置であるコントローラ又はモータドライバが受け取る。制御装置では、エンコーダから受け取ったサーボサイクル１回又は数回前の位置データと最新の位置データとに基づいて、位置データを微分処理して速度データを計算する。例えば、特許文献１には、エンコーダからのパルス信号エッジを検出して、計数したパルス信号の数に基づいてモータの位置及び速度を算出する制御装置が記載されている。
特開平１０−５４８３８号公報

一般的にデジタルサーボは、速度検出をサーボ周期ｎ回（ｎは１以上の整数）に入力されるエンコーダからのパルス数を（サーボ周期×ｎ）で除算して求めている。この場合、速度検出の遅れは、サーボ周期×ｎ／２となる。また、安定なサーボを得るため「サーボ周期×ｎ」期間中のエンコーダのパルス数を少なくとも１００程度としなければならない。このため、パルスレートの低いエンコーダを用いて低速まで安定にサーボ動作をさせようとする場合にはｎを大きくせざるを得ず、速度検出の遅延（サーボ周期×ｎ／２）が増大し、サーボの性能を悪化させる。

最近では、エンコーダのパルスレートの増加に加え、センサからのデータに処理を施すことでエンコーダに刻まれた溝の数を数百から数千倍以上に分解して読み取る技術が一般化してきた。現在では、レーザ干渉方式を用いた高分解能のエンコーダで、リニアタイプが０．１ｍｍ、ロータリータイプが千分の１度の分解能のものが実用化されている。このようにエンコーダが高分解能化してきたため、エンコーダ側ではサーボ周期ｎ回が１未満でも十分な分解能をとれるようになってきた。

しかし、上記従来技術では、速度を検出するために、位置データを制御装置側でサンプリングしているが、制御装置側でのサンプリング速度の向上には制限がある。サーボ周期よりも短い間隔で速度を検出するためには、速度測定専用タイマーマスクを設ける方法、速度測定用の位置サンプリング用にハードウェアを追加する方法等が考えられるが、これらを制御装置側で行うためには短い時間間隔で位置データをエンコーダ側から制御装置側へ送る必要があり、高速信号伝達のための高価な装置を必要とするとともに、制御装置側に速度検出のための追加の回路を持つことになり、コストアップの原因となる。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、コストアップを避けつつ速度情報検出の遅延量を少なくすることができる信号処理器及び制御系を提供することにある。

本発明は、検出された移動物体の変位量が入力される入力部と、入力部に入力された移動物体の変位量から、直接、移動物体の位置情報と移動物体の速度情報とを演算する演算部と、演算部の演算した移動物体の位置情報と移動物体の速度情報とを制御部に出力する出力部と、を備えた信号処理器である。

この構成に寄れば、信号処理器において、演算部が入力部に入力された移動物体の変位量から移動物体の位置情報と移動物体の速度情報とを演算し、出力部が演算部の演算した移動物体の位置情報と移動物体の速度情報とを制御部に出力するため、制御部では移動物体の位置情報と移動物体の速度情報とを直接に信号処理器から受け取ることができる。そのため、速度情報検出のサンプリング周期は、制御装置側のサンプリング周期に依存しなくなり、速度情報検出の遅延量を少なくすることができる。また、制御部側にハードウェア等を追加する必要がないため、コストアップを避けることができる。

この場合、出力部が制御装置に移動物体の位置情報と移動物体の速度情報とを出力する時期は互いに依存していないことが好適である。

この構成によれば、出力部が制御装置に移動物体の位置情報と移動物体の速度情報とを出力する時期は互いに依存していないため、速度情報の出力する時期を早めることができ、さらに遅延量を減少させることができる。

また、移動物体の位置情報の分解能を設定する位置計測用分解能調整部と、移動物体の速度情報の分解能を設定する速度計測用分解能調整部とをさらに備え、位置計測用分解能調整部と速度計測用分解能調整部とは、互いに依存せずに分解能を設定可能であることが好適である。

この構成によれば、位置計測用分解能調整部と速度計測用分解能調整部とは、互いに依存せずに分解能を設定可能であるため、状況に応じてそれぞれ独立した分解能の位置情報と速度情報を制御部に出力することができる。

なお本発明の信号処理器は、移動物体の変位量を検出するセンサの表面及び内部のいずれかに設置されているものとすることができる。

この構成によれば、信号処理器が移動物体の変位量を検出するセンサの表面及び内部のいずれかに設置されているため、センサとの距離が短くなり、アナログ信号を送信する場合、Ｓ／Ｎ比が大きくなり、ノイズを低減することができる。

あるいは本発明の信号処理器は、出力部から移動物体の位置情報と移動物体の速度情報とを入力される制御部を備えた制御装置内に組み込まれているものとすることができる。

この構成によれば、制御装置内に信号処理器が組み込まれていることで、制御装置との通信ラインを引き回さずに済むため、伝達速度を上げることが容易となる。

また、出力部は、移動物体の位置情報と移動物体の速度情報とを単一の回線を介して制御部に出力することが好適である。

この構成によれば、出力部は、移動物体の位置情報と移動物体の速度情報とを単一の回線を介して制御部に出力するため、回線の数を少なくすることができる。

また本発明は、上記本発明の信号処理器と、上記本発明の信号処理器に接続され、出力部から移動物体の位置情報と移動物体の速度情報とを入力される制御部とを備えた制御系である。

この構成によれば、速度情報検出の遅延量が少ないため、制御系のサーボ性能を向上させることができる。

また、本発明は、移動物体の変位量を検出する手順と、検出した移動物体の変位量から、直接、移動物体の位置情報と移動物体の速度情報とを演算する手順と、演算した移動物体の位置情報と移動物体の速度情報とに基づき、移動物体に対する指令値を算出する手順と、を有する移動物体制御方法である。

本発明の信号処理器によれば、コストアップを避けつつ速度情報検出の遅延量を少なくすることができる。また、本発明の制御系によれば、制御系のサーボ性能を向上させることができる。

以下、本発明の実施の形態に係る信号処理器及び制御系について添付図面を参照して説明する。

図１は、本発明の第１実施形態に係るシステムの構成を示す図である。図１に示すように制御系１０ａは、ＸＹステージ等を駆動するモータ２０の動作を制御するためのものである。制御系１０ａは、制御対象であるモータ２０、モータ２０の変位量を検出するエンコーダであるセンサ２２、信号処理器であるインターポレータ１００、制御装置３０とから構成されている。

モータ２０は、ＸＹステージ等を所定の位置及び速度で駆動させるためのものである。センサ２２は、エンコーダの目盛板を透過した光強度を検出することにより、モータ２０の変位量を検出する。センサ２２において、光強度を検出するエンコーダ電圧検出器は２個あり、その位置関係は目盛板の間隔Ｋに対して、Ｋ×（ｎ＋１／４）におかれるため、２個のエンコーダ電圧検出器からの信号は、それぞれｓｉｎ信号及びｃｏｓ信号となる。センサ２２は、この検出したｓｉｎ信号及びｃｏｓ信号をインターポレータ１００に出力する。

インターポレータ１００は、センサ２２からのｓｉｎ信号及びｃｏｓ信号を入力されて、速度Ｖ及び位置Ｐを制御装置３０の制御部３１に出力するためのものである。インターポレータ１００の構成については後述する。

制御装置３０は、制御部３１とフィードバック部(電流フィードバック路４５、速度フィードバック路４１、位置フィードバック路４３、速度制御要素４０、位置制御要素４２)３９とから構成されている。制御部３１は、位置偏差アンプ３２、速度偏差アンプ３４、電流偏差アンプ３６、電流検出部３８及び減算器３３を備えており、入力された位置指令に対応した制御量を制御対象であるモータ２０に与えるためのものである。フィードバック部３９は、電流偏差アンプ３６、電流検出部３８、電流フィードバック路４５及び減算器３３により形成される電流制御に関するフィードバック路と、速度偏差アンプ３４、電流偏差アンプ３６、電流検出部３８、速度制御要素４０、速度フィードバック路４１及び減算器３３により形成される速度に関するフィードバック路と、位置偏差アンプ３２、速度偏差アンプ３４、電流偏差アンプ３６、電流検出部３８、位置制御要素４２、位置フィードバック路４３及び減算器３３により形成される位置に関するフィードバック路とを構成する。速度に関するフィードバック路の速度制御要素４０には、インターポレータ１００が出力した速度Ｖが直接入力される。また、位置に関するフィードバック路の位置制御要素４２には、インターポレータ１００が出力した位置Ｐが直接入力される。なお、速度制御要素４０及び位置制御要素４２は必ずしも必要ではない。また、必要に応じてフィルタ等を挿入することでサーボの制御性能を向上させることができる。

制御装置３０において、電流制御サンプリング周期Ｔ_ｔ、速度制御サンプリング周期Ｔ_ｓ＝Ｔ_ｔ×ｉ（ｉは任意の整数）、位置制御サンプリング周期Ｔ_ｐ＝Ｔ_ｓ×Ｊ（Ｊは任意の整数）、速度計測周期Ｔ_ｖ＝Ｔ_ｔ×ｍ（ｍは任意の整数）である。それぞれの周期は、互いに任意の無関係な時間に設定可能であり、互いの間に依存性はない。

図２は、第１実施形態のインターポレータの構成を示すブロック図である。図２に示すように、インターポレータ１００は、入力部１３１、演算部１３２及び出力部１３３から成り、高速ＡＤコンバータ１０２ａ，１０２ｂ、デジタルローパスフィルタ１０４ａ，１０４ｂ、リサージュ波形補正部１０６、位相角検出部１０８、ｔａｎ^−１テーブルメモリ１１０、位相角変化量算出部１１２、位相角変化量積算部１１４、位置計測用分解能調整部１１６、位置計測用ローパスフィルタ１１８、速度計測用分解能調整部１２０、速度算出部１２２、速度計測用ローパスフィルタ１２４及びデータ送出部１２６を備えている。

高速ＡＤコンバータ１０２ａ，１０２ｂは、センサ２２からのｓｉｎ信号及びｃｏｓ信号をＡＤ変換するためのものである。デジタルローパスフィルタ１０４ａ，１０４ｂは、高速ＡＤコンバータ１０２ａ，１０２ｂによりＡＤ変換された信号の高調波ノイズを低減するためのものである。リサージュ波形補正部１０６は、デジタルローパスフィルタ１０４ａ，１０４ｂによりフィルタリングされた信号をデジタル信号処理により補正するためのものである。これらの高速ＡＤコンバータ１０２ａ，１０２ｂ、デジタルローパスフィルタ１０４ａ，１０４ｂ、リサージュ波形補正部１０６は、特許請求の範囲に記載の入力部として機能する。

位相角検出部１０８は、ｔａｎ^−１テーブルメモリ１１０を参照して、補正されたｓｉｎ信号及びｃｏｓ信号より位相角データを検出するためのものである。位相角変化量算出部１１２は、位相角検出部１０８により検出された位相角データから位相角変化量を算出するためのものである。位相角変化量積算部１１４は、位相角変化量算出部１１２により算出された位相角変化量を積算するためのものである。位置計測用分解能調整部１１６及び速度計測用分解能調整部１２０は、制御系１０ａの都合に合わせて計測分解能を設定するためのものである。位置計測用分解能調整部１１６及び速度計測用分解能調整部１２０は、互いに依存しない任意の計測分解能が設定可能とされている。

速度算出部１２２は、位相角変化量積算部１１４からの位置変化量に基づいて、インターポレータ１００内部で速度を算出するためのものである。これらの位相角検出部１０８、ｔａｎ^−１テーブルメモリ１１０、位相角変化量算出部１１２、位相角変化量積算部１１４、位置計測用分解能調整部１１６、速度計測用分解能調整部１２０及び速度算出部１２２は、特許請求の範囲に記載の演算部として機能する。

位置計測用ローパスフィルタ１１８及び速度計測用ローパスフィルタ１２４は、それぞれ位置計測信号及び速度計測信号におけるＳ／Ｎ比を改善するためのものである。位置計測用ローパスフィルタ１１８及び速度計測用ローパスフィルタ１２４は、互いに任意の時定数でフィルタリングが可能とされており、位置計測用ローパスフィルタ１１８と速度計測用ローパスフィルタ１２４とデータ送出部１２６とは、特許請求の範囲に記載の出力部として機能する。

以下、本実施形態のインターポレータ１００及び制御部３１の動作について説明する。図２に示すように、センサ２２のエンコーダ電圧検出器２４ａ，２４ｂによって検出されたｓｉｎ信号及びｃｏｓ信号（移動物体の変位量）は、センサ２２内の差動アンプ・ローパスフィルタ２６ａ，２６ｂによって、コモンモードノイズを除去され、高調波ノイズを低減される。

インターポレータ１００の高速ＡＤコンバータ１０２ａ，１０２ｂによってＡＤ変換され、デジタルローパスフィルタ１０４ａ，１０４ｂによって高調波ノイズを除去されたｓｉｎ信号及びｃｏｓ信号は、オフセット、振幅差、位相誤差等の複数の内挿誤差要因を持ったリサージュ波形であるため、リサージュ波形補正部１０６はリサージュ波形をデジタル信号処理により補正し、真円に近づける。

位相角検出部１０８は、ｔａｎ^−１テーブルメモリ１１０を参照して、補正されたｓｉｎ信号及びｃｏｓ信号より位相角データを検出する。ｔａｎ^−１テーブルメモリ１１０を参照することにより、演算速度を向上させることができる。

位相角変化量算出部１１２は、位相角検出部１０８により検出された位相角データから位相角変化量を算出し、位相角変化量積算部１１４は位相角変化量算出部１１２により算出された位相角変化量を積算する。この段階で、センサ２２が検出した信号から位置情報を抽出することができる。

位置計測用分解能調整部１１６及び速度計測用分解能調整部１２０により調整された計測分解能の信号の内、速度計測用分解能調整部１２０からの信号は、速度算出部１２２によって、速度情報に変換される。位置計測用ローパスフィルタ１１８及び速度計測用ローパスフィルタ１２４により、Ｓ／Ｎ比を改善された位置情報及び速度情報は、データ送出部１２６に送られ、制御部３１に出力される。

制御部３１では、インターポレータ１００から直接受け渡された位置情報及び速度情報に基づいてフィードバック制御を行う。

本実施形態においては、インターポレータ１００において、位相角検出部１０８、ｔａｎ^−１テーブルメモリ１１０、位相角変化量算出部１１２、位相角変化量積算部１１４、位置計測用分解能調整部１１６、速度計測用分解能調整部１２０及び速度算出部１２２が、入力されたモータ２０の変位量からモータ２０の位置情報と速度情報とを演算し、位置計測用ローパスフィルタ１１８及び速度計測用ローパスフィルタ１２４がノイズを除去した後に、データ送出部１２６が演算したモータ２０の位置情報と速度情報とを制御部３１に出力するため、制御部３１ではモータ２０の位置情報と速度情報とを直接にインターポレータ１００から受け取ることができる。そのため、速度情報検出のサンプリング周期は、制御部３１側のサンプリング周期に依存しなくなり、速度情報検出の遅延量を少なくすることができる。また、制御部３１側にハードウェア等を追加する必要がないため、コストアップを避けることができる。

特に本実施形態においては、データ送出部１２６が制御部３１にモータ２０の位置情報と速度情報とを出力する時期は互いに依存していないため、速度情報の出力する時期を早めることができ、さらに遅延量を減少させることができる。図３に示すように、本実施形態では、位置情報サンプリングの周期Ｔ_ｐに比べて、速度計測用カウント（サンプリング周期）は、例えば、Ｔ_α＜Ｔ_ｐであるＴ_αに設定することができ、インターポレータ１００から制御部３１への位置情報受け渡しのタイミングとは無関係な時間に、速度情報の受け渡しのタイミングを設定することができる（方式１）。あるいは、速度計測用カウントは、位置情報サンプリングの周期Ｔ_ｐを任意の整数ｍで分割したＴ_βとすることができ、この場合、さらに高い速度検出の分解能が得られる。

図４は、本発明の第２実施形態に係る制御系の構成を示す図である。本実施形態の制御系１０ｂでは、インターポレータ１００からの速度Ｖ及び位置Ｐは、マルチプレクサー４４によって一つの回線を介して制御部３１に送出され、デマルチプレクサー４６によって再び速度情報及び位置情報に分けられる。

本実施形態においては、モータ２０の位置情報と速度情報とを単一の回線を介して制御部３１に出力するため、回線の数を少なくすることができる。

図５は、本発明の第３実施形態に係る制御系の構成を示す図である。本実施形態の制御系１０ｃでは、制御装置３０内にインターポレータ１００が組み込まれている。本実施形態では、制御装置３０内にインターポレータ１００が組み込まれていることで、制御装置３１との通信ラインを引き回さずに済むため、伝達速度を上げることが容易となる。

あるいは、インターポレータ１００は、センサ２２の表面及び内部のいずれかに設置されているものとすることもできる。このようにした場合、インターポレータ１００とセンサ２２との距離が短くなり、アナログ信号を送信する場合、Ｓ／Ｎ比が大きくなり、ノイズを低減することができる。

尚、本発明の信号処理器及び制御系は、上記した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

本発明の第１実施形態に係る制御系の構成を示す図である。 第１実施形態のインターポレータの構成を示すブロック図である。 第１実施形態の位置情報及び速度情報の受け渡しのタイミングを示すタイミングチャートである。 本発明の第２実施形態に係る制御系の構成を示す図である。 本発明の第３実施形態に係る制御系の構成を示す図である。

符号の説明

１０ａ，１０ｂ，１０ｃ…制御系、２０…モータ、２２…センサ、２４ａ，２４ｂ…エンコーダ電圧検出器、２６ａ，２６ｂ…差動アンプ・ローパスフィルタ、３０…制御装置、３１…制御部、３２…位置偏差アンプ、３３…減算器、３４…速度偏差アンプ、３６…電流偏差アンプ、３８…電流検出部、３９…フィードバック部、４０…速度制御要素、４１…速度フィードバック路、４２…位置制御要素、４３…位置フィードバック路、４４…マルチプレクサー、４５…電流フィードバック路、４６…デマルチプレクサー、１００…インターポレータ、１０２ａ，１０２ｂ…高速ＡＤコンバータ、１０４ａ，１０４ｂ…デジタルローパスフィルタ、１０６…リサージュ波形補正部、１０８…位相角検出部、１１０…ｔａｎ^−１テーブルメモリ、１１２…位相角変化量算出部、１１４…位相角変化量積算部、１１６…位置計測用分解能調整部、１１８…位置計測用ローパスフィルタ、１２０…速度計測用分解能調整部、１２２…速度算出部、１２４…速度計測用ローパスフィルタ、１２６…データ送出部、１３１…入力部、１３２…演算部、１３３…出力部。

Claims (8)

1. 検出された移動物体の変位量が入力される入力部と、
   前記入力部に入力された前記移動物体の変位量から、直接、移動物体の位置情報と移動物体の速度情報とを演算する演算部と、
   前記演算部の演算した移動物体の位置情報と移動物体の速度情報とを制御部に出力する出力部と、
   を備えた信号処理器。
2. 前記出力部が前記制御部に前記移動物体の位置情報と前記移動物体の速度情報とを出力する時期は互いに依存していない、請求項１に記載の信号処理器。
3. 前記移動物体の位置情報の分解能を設定する位置計測用分解能調整部と、前記移動物体の速度情報の分解能を設定する速度計測用分解能調整部とをさらに備え、
   前記位置計測用分解能調整部と前記速度計測用分解能調整部とは、互いに依存せずに分解能を設定可能である、請求項１又は２に記載の信号処理器。
4. 前記移動物体の変位量を検出するセンサの表面及び内部のいずれかに設置されている、請求項１〜３のいずれか１項に記載の信号処理器。
5. 前記出力部から移動物体の位置情報と移動物体の速度情報とを入力される前記制御部を備えた制御装置内に組み込まれている、請求項１〜３のいずれか１項に記載の信号処理器。
6. 前記出力部は、前記移動物体の位置情報と前記移動物体の速度情報とを単一の回線を介して前記制御部に出力する、請求項１〜５のいずれか１項に記載の信号処理器。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の信号処理器と、
   請求項１〜６のいずれか１項に記載の信号処理器に接続され、前記出力部から移動物体の位置情報と移動物体の速度情報とを入力される前記制御部と、を備えた制御系。
8. 移動物体の変位量を検出する手順と、
   検出した前記移動物体の変位量から、直接、前記移動物体の位置情報と前記移動物体の速度情報とを演算する手順と、
   演算した前記移動物体の位置情報と前記移動物体の速度情報とに基づき、前記移動物体に対する指令値を算出する手順と、
   を有する移動物体制御方法。

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