JP2015039293A - モータを制御するためのデバイス、システムおよび方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】処理時間およびメモリ空間の割り当てを必要としないモータ制御のための較正技術を提供する。【解決手段】モータを制御するための運動制御デバイスが提供される。運動制御デバイスは、スケーリングすなわち、較正値に基づく入力範囲に対して入力を調整し、そのスケーリングされた入力を、モータを駆動するための駆動信号を発生するために用いるように動作可能である。運動制御デバイスは、較正値を生成するために自己較正を実行する。自己較正は、モータに対するホーム位置と全行程位置の値を測定する。【選択図】図3
Description
本発明は、一般にモータ制御のための較正技術に関する。
小型モータを駆動するときに、機械的公差およびヒステリシス効果、ならびに磁気回路ばらつきは、モータ行程始点(すなわちホーム)位置におけるオフセット、および行程範囲の減少を引き起こし得る。これらのホーム位置オフセットおよび行程範囲制限はモータごとに変わる。したがってこのようなモータの正確な線形運動制御は、何らかのタイプの較正なしには達成が難しくなり得る。
一部の位置決め用途では、駆動信号(すなわち、位置)要求を発行するマイクロコントローラまたはプロセッサはまた、較正ルーチンを行う。較正ルーチンは、オフセットおよび行程範囲差を補償するために、位置センサを含むいくつかの異なる構成要素からの出力信号データを用いることができる。マイクロコントローラは較正データを記憶し、その後に位置要求値を計算するために使用しなければならない。このタイプの較正は、処理時間およびメモリ空間の割り当てを必要とする。
広範には、一態様において、本発明は、モータを制御するためのデバイスを対象とする。デバイスは、ドライバとセンサとを含む。デバイスはさらに、モータのための較正情報を生成するようにドライバおよびセンサを制御するために、ドライバおよびセンサに結合された第1の回路と、較正情報に基づく入力範囲に対して入力を調整するために第1の回路に結合された第2の回路とを含む。調整された入力は、モータを駆動するための駆動信号を発生するために使用可能である。
本発明の実施形態は、以下の特徴の1つまたは複数を含むことができる。較正情報は、ドライバがモータに電流を供給しないときに、センサによって出力される行程始点位置の値に相当する第1の較正値と、ドライバがモータに最大位置変化を生じることができる電流を供給するときに、センサによって出力される行程終点位置の値に相当する第2の較正値とを含むことができる。第2の回路は、入力として入力要求を受け取るための入力インターフェースを含むことができ、第1の回路は、第1および第2の較正値を入力インターフェースに供給する較正制御ブロックを含むことができる。入力要求はデジタル値とすることができ、入力インターフェースは、第1の基準として第1の較正値を受け取るための第1の基準端子と、第2の基準として第2の較正値を受け取るための第2の基準端子とを有するデジタル−アナログ変換器(DAC)を含むことができ、第1および第2の基準は入力範囲を定義する。ドライバはボイスコイルドライバとすることができ、センサは磁場センサとすることができる。
もう1つの態様では本発明は、コントローラと、コントローラおよびボイスコイルモータ(VCM)に結合された運動制御デバイスとを含むシステムを対象とする。運動制御デバイスは、ボイスコイルドライバと、磁場センサとを含む。運動制御デバイスはさらに、VCMのための較正情報を生成するようにボイスコイルドライバおよび磁場センサを制御するために、ボイスコイルドライバおよび磁場センサに結合された第1の回路と、較正情報に基づく入力範囲に対して入力を調整するために、第1の回路に結合された第2の回路とを含む。調整された入力は、VCMを駆動するための駆動信号を発生するために使用可能である。
本発明の実施形態は、以下の特徴の1つまたは複数を含むことができる。コントローラは、カメラのレンズの焦点を合わせるために運動制御デバイスを用いるように構成することができる。ボイスコイルドライバ、磁場センサ、第1の回路、および第2の回路は、半導体集積回路として集積化することができる。半導体集積回路およびコントローラは、カメラレンズ焦点合わせモジュール上に位置することができる。
本発明の特定の実装形態は、以下の利点の1つまたは複数をもたらすことができる。運動制御デバイスは、個々のモータ間に見られる行程始点および行程終点位置の大幅なばらつきにも関わらず、それが制御する任意のモータ(たとえばVCM)に位置に対して正確な線形運動制御を達成することができる。向上された精度の他にユーザまたは用途に対する他の利点は、再現性および改善された速度、たとえばカメラレンズ焦点合わせモジュールにおける短縮された焦点合わせ時間を含む。さらに、外部マイクロコントローラによって実行される較正ルーチンは、もはや必要ない。
本発明の上記の特徴、および本発明自体については、図面の以下の詳細な説明から、より完全に理解されよう。
図1は、位置決め用途に閉ループ運動制御をもたらす例示の制御システム10を示す。制御システム10は、運動制御デバイス(または「デバイス」)14に接続されたコントローラ12を含む。制御システム10はまた、運動デバイス16を含み、これは磁石18およびコイル20を有する組立体を含む。磁石/コイル組立体は、所与の用途のために移動されるべきデバイスまたは構造体に接続する。本明細書で述べる一実施形態では、磁石18はコイル20に対して移動可能であり、制御システム10はコイル20を用いて磁石18の動きを制御する。運動デバイス16は任意のタイプの線形運動デバイス、たとえばボイスコイルモータ(VCM)などのリニアモータとすることができる。位置決め用途は、運動デバイスによって発生される変位を使用する任意の用途とすることができる。
運動制御デバイス14は、磁場センサ22として示される位置センサ、コイルドライバ24、および較正サポートを有するインターフェース26を含む。磁場センサ22は、任意の磁界検出デバイス、たとえばホール効果センサ(ホールセンサ)またはある種の磁気抵抗(MR)センサでよい。MRセンサは、非限定的に、ピニングされていないサンドイッチ、反強磁性多重層およびスピンバルブ構造を含むGMR、異方性磁気抵抗(AMR)、磁気トンネル接合(MTJ、これはスピン依存トンネリングまたは「SDT」としても知られる)、およびトンネル磁気抵抗(TMR)を含む任意のタイプのMR素子を用いて作ることができる。デバイス14は、コントローラ12から受け取った電気的入力30に関係付けられた電流信号28を、コイル20に供給する。デバイス14は、磁界強度32を検出するために磁場センサ22を用いる。その検出に基づいて磁場センサは、センサ出力信号34をインターフェース26に供給する。
引き続き図1を参照すると、インターフェース26は、コイルドライバ24をコントローラ12にインターフェースするように、かつコイルドライバ24を磁場センサ22に結合するように働く。これは磁場センサ22の出力のセンサ出力34を入力電圧信号として受け取り、コイルドライバ24に出力電圧信号36を供給し、コイルドライバ24はこれをコイル20に印加されるべき駆動電流(すなわち駆動信号)28に変換する。センサからドライバへの接続は、デバイス14が内部的に、すなわち位置フィードバック情報を供給するためのコントローラ12(および/またはユーザ)による介入、または他の構成要素の必要なしに、センサフィードバックに基づいて位置を補正することを可能にする。さらに、以下で詳細に説明するように、インターフェース26は、運動制御デバイス14がそれ自体を較正することを可能にするために較正サポートを含む。この「自己較正」は、制御システムユーザまたは用途が非線形制御ループから線形位置決めを得ることを可能にする。
1つの例示的実施形態では、線形運動制御デバイス14は、半導体集積回路(IC)として実装される。すなわち磁場センサは、単一の半導体基板上にコイルドライバ24およびインターフェース26の回路と共に集積化される。したがってデバイス14は、モジュール設計に用いるためのICとして製造および販売することができる。
図1は、制御システム10の機能的分割のみを示すためのものであることが理解されよう。ICとして構成される場合は、運動制御デバイス14は、運動デバイス自体の磁石/コイル組立体内に取り付けられまたは埋め込まれる。このような磁石/コイル組立体で、磁石が静止コイルに対して移動する一例は、Davidらの名前で2007年10月1日に出願され、主題の出願の譲受人であるAllegro Microsystems,Inc.に譲渡された「Hall−Effect Based Linear Motor Controller(ホール効果ベースのリニアモータコントローラ)」という名称の同時係属の米国特許出願第11/865,118号において述べられている。その例では、ICは駆動コイル20に接続され、駆動コイル20はバイアス機構に取り付けられ(すなわち結合され)、可動磁石は所望の運動経路に沿った動きを可能にする機械的懸架システムによってデバイス/コイル構造体の上に懸架される。磁石/コイル組立体はその代わりに、静止磁石と可動コイルとを使用する、または位置の変化と共に磁界強度の変化を生じることができる他の何らかの機構で置き換えることもできる。
図2は、制御信号すなわち要求入力と位置出力の関係を表すグラフ40を示す。第1のプロット42(実線で示される)は、0VからVDDなどの全ダイナミック入力レンジにわたって線形な関係(すなわち位置出力は入力に直接比例し、それにより出力対入力のプロットは直線を描く)の場合の理想的な伝達関数曲線を示す。図示の例では、要求入力は8ビットデジタル入力として示され、0の値はホーム(すなわち行程始点)位置に対応し、255の値は全行程(すなわち行程終点)位置に対応し、したがって全ダイナミック入力レンジは0から255までとなる。第2のプロット44(点線で示される)は、要求入力に対して位置出力が測定された、運動デバイスの実際の伝達関数を示す。行程始点位置に関連するオフセットと、行程終点位置に関連する減少された行程範囲とが存在する。オフセットに対応する入力値は参照番号46で示され(かつ「A」のラベルが付けられ)、行程終点位置に対応する入力値は参照番号48で示される(かつ「B」のラベルが付けられる)。その結果、実際の曲線の場合の出力の入力に対する関係は、0から255までの全ダイナミックレンジにわたって線形ではなく、AとBでの入力値の間(および両端を含む)となる。異なる運動デバイスは、異なる大きさのオフセットおよび行程範囲を有し得るので、入力範囲の端点AとBはそれらに関連したいくらかの変動性を有する。
オフセットおよび行程範囲の制限の実際的な影響を理解するために、カメラ焦点システムの場合の例を考える。一般の焦点アルゴリズムは、最適な焦点位置を決定するための試みにおいて、一連の離散的位置を通じてカメラレンズを移動する。「理想的」なVCM、すなわち要求信号の全ダイナミックレンジをサポートするVCMは、所望の数の焦点ステップのすべてを通じて信頼度良くカメラレンズを移動して、精密な焦点合わせ能力を達成することになる。しかし、いくらかのオフセットおよび制限された行程範囲を有する通常のVCMは、より少ない数の焦点ステップを通じてカメラレンズを移動し、したがって粗い焦点合わせ能力しか達成しないことになる。
したがって運動制御デバイス14は、理想的な出力応答と、実際の(測定された)出力応答の差を補償する。運動制御デバイス14は、運動デバイス16の行程の端点(「較正値」)を測定し入力範囲を変化させる、より具体的にはホーム位置および全行程位置に対応する入力範囲の端点を、要求ユーザまたは用途によって(コントローラを通じて)指定される全ダイナミック入力レンジのものから、較正時に測定された端点へ変化させる自己較正を実行する。デバイス14は、位置センサ、ドライバ、および較正サポートを含むので、その全行程範囲を通して運動デバイスの動きをもたらし、運動デバイスの行程始点および行程終点位置を捕捉し、その情報を用いてその特定の運動デバイス固有のオフセットおよび行程範囲ばらつきを補償することができる。自己較正されると、その後に運動制御デバイスは、「スケーリング」すなわち入力範囲に対して入力(したがって制御システムの応答)を調整するように動作する。このスケーリングまたは調整は、運動デバイスが、それが予測可能な性能および直線性をもたらす範囲の一部だけにわたって使用されるので、結果として改善された制御ループの応答(および速度)を生じる。
要求入力は、運動デバイスの位置を選択するように、(コントローラを通じて)ユーザによって入れられる入力である。要求入力は、アナログ信号、パルス幅変調(PWM)信号、またはインターフェース・プロトコル、たとえばI2Cなどのシリアル・インターフェース・プロトコルを通じて供給されるデジタル値とすることが可能である。
自己較正は、いくつかの異なるやり方で開始することができる。たとえば、パワーオンサイクルのたびに自動的に発生することができる。別法としてまたは追加として、較正要求は、要求入力30自体または何らかの他の(1つまたは複数の)制御ライン(たとえば、専用較正制御入力)を通じてコントローラ12によって運動制御デバイス14に提出される、較正コマンドとして発生することができる。そのタイミングは、イベント駆動型、ユーザ定義型、またはその両方とすることができる。
図3を参照すると、インターフェース26は、比較器として動作する高利得差動増幅器である増幅器50と、入力インターフェース52とを含む。入力インターフェース52は、コントローラ12(図1に示される)から入力30を受け取る。増幅器50は、入力として入力信号54と磁場センサ出力信号34とを受け取る。これは信号34および54に基づいて出力信号36を発生し、その出力信号36はコイルドライバ24に供給される。図3にはまた、コイルドライバ24を外部電源電圧(「VDD」)に接続するために用いられる電源電圧ライン58と、コイルドライバ24を接地(「GND」)に接続するための接地ライン60が示される。他のサブ回路も、図示のように電源および接地に接続される。
図1および図3を参照すると、インターフェース26はコイル20を通して電流を駆動する。コイル20の電流は、運動デバイス16の位置が結果として、入力54と一致するなど入力54に関して所定の関係を有する磁場センサ出力電圧(出力34)を生じるまで変化する。デバイス14がそれ自体すでに較正されているものとすると、入力54は、入力30の調整されたバージョンとなり、ここでは調整された入力と呼ぶことができる。
前述のようにインターフェース26は、自己較正のためのサポートを含む。較正制御は、較正制御ブロック62によってもたらされる。較正制御ブロック62は、較正制御ブロック入力66にて較正値(すなわち、ホーム位置および全行程位置に対して測定されたセンサ出力34)を受け取る較正値捕捉ブロック64を含む。これらの較正値、または較正値から由来するまたは計算される値は、ライン68aおよび68bを通じて入力インターフェース52に供給される。一実施形態では較正値捕捉ブロック64は、一方は全行程位置の値を捕捉するため、他方はホーム位置の値を捕捉するための、2つの別々のサンプルホールド(S/H)回路を用いて実装することができる。
較正制御ブロック62は、出力70として示される入力インターフェース52からの出力信号を受け取り、デバイス14が通常(非較正)動作モードで動作しているときは、その信号を入力54として増幅器50に供給する。較正が要求されたときは、較正制御ブロック62は増幅器入力54として供給される信号を内部的に発生する。したがって自己較正時は、ホームおよび全行程較正値を取得できるように駆動信号を発生させるのは、較正制御ブロック62である。他の場合通常動作時には、駆動信号は、ユーザによって供給される入力30に基づく。
他の較正および出力制御に関係する目的の相互接続は、(1つまたは複数の)ライン72によって全体的に示される。これらはたとえば、入力30が較正要求コマンドを入力インターフェース52に伝達するように用いられている場合は、受け取った較正要求に関する(入力インターフェース52からの)通信を含むことになる。
図4を参照すると、1つの例示的実施形態では、自己較正80は次のように動作する。図示のようにたとえばパワーオンにて自己較正が開始されると(ブロック82)、較正制御ブロック62は、0mAの電流がコイルに印加されたときに(ブロック84)センサによって出力値を発生させ、その出力値をホーム位置の値、すなわち第1の較正値「−Ref」として記憶させる(ブロック86)。すなわち、ホーム位置への運動デバイスの動きをもたらすように0mAのコイル電流がコイルドライバ24に供給され、運動デバイスがホーム位置にあるときにセンサ出力電圧が捕捉される。次いで較正制御ブロックは、運動デバイスの最大変位(すなわち全行程)をもたらすようにコイルに電流が供給されるようにし、全行程位置に対するセンサ出力が発生されるようにする(ブロック88)。次いでセンサ出力値は、全行程位置の値、すなわち第2の較正値「+Ref」として記憶される(ブロック90)。言い換えれば較正制御ブロック62は、コイルドライバ24に供給されるコイル電流を最大化して、運動デバイスをその最大(すなわち全行程)位置へ移動させ、その位置でのセンサ出力電圧を捕捉する。較正制御ブロック62は(ブロック92で)、もう1度較正を行うときであるかどうかを判定し、そうである場合はブロック84で自己較正が再度開始する。図示の実施例では自己較正は、パワーオン時に、および(入力要求を通じた)較正コマンド、または他の制御信号によって指定される別の時点で発生する。
「記憶」とは、較正値が捕捉され、図5A〜5C(入力パス回路を示す)および図6A〜6B(センサ出力パス回路を示す)を参照して説明するように、補償の目的のために、入力パスまたは代替としてセンサ出力パス内の回路に供給されることを意味する。一実施形態では図3に戻ると、較正値が「記憶」されるときは、それらは較正値捕捉ブロック64の回路によって捕捉され、その後にライン68aおよび68b上で入力インターフェース52に供給される。
図5A、5B、および5Cは、入力インターフェース52の代替実施形態を示す。最初に図5Aを参照すると、入力インターフェース52は、入力30としてデジタル入力を受け取るように実装される。図示の実施例では入力30は、シリアル・インターフェース100(たとえば、I2Cインターフェース)によって受け取られ、これはライン102上にデジタル符号を供給する。ライン102は、シリアル・インターフェース100をデジタル−アナログ変換器(「DAC」)104に結合する。DAC104は、デジタル入力を表すアナログ出力を発生する。DAC104は端子106aおよび106bを有し、これらはそれぞれDACのハイ基準入力+Refおよびロー基準入力−Refに対応する。端子106aでのハイ基準入力は入力ビットがすべて1のときの最大出力を定義し、端子106bでのロー基準入力は入力ビットがすべて0のときの最小出力を定義する。これらのDAC端子は、較正値ライン68aおよび68bに結合され、それらのライン上に捕捉された較正値を受け取る。センサ出力34がホーム位置の測定値であるときは(自己較正時)、それは端子106bに供給される。センサ出力34が全行程位置の測定値であるときは(自己較正時)、それは端子106aに供給される。したがって+Ref用のDAC端子106aは、全行程(行程終点)位置に対する較正値に設定され、−Ref用のDAC端子106bは、ホーム(行程始点)位置に対する較正値に設定される。
較正の後に、入力30にて非較正入力要求が受け取られると、DAC104は出力として、較正に基づく基準によって定義されるDAC入力範囲に従って「スケーリングされた」入力インターフェース出力70を生成する。nビットDACのアナログ出力は、{(デジタル入力)(+Ref−−Ref)}/(2n−1)である。たとえば+Ref=5.0V、−Ref=0V、および10000000(12810)の入力値の場合は、出力は2.5Vとなる。較正値が+Ref=3.0Vおよび−Ref=1Vとなるように更新されたときは(同じ入力値に対して)、出力は1.0Vとなる。したがって入力は入力範囲電圧(すなわち+Ref−−Ref)によって適切にスケーリングされ、これは出力応答を線形化するように働く。すなわちそれによって、異なるモータ位置に線形的に対応する駆動信号28(図1の)の変化を生じる。2進重み付け、またはR−2R梯子回路網など、任意のDACアーキテクチャを用いることができる。
結果としての出力応答の線形化は、ユーザ/コントローラに対して透過的である。たとえば要求入力30が、0VからVDDまでの入力範囲でアナログ信号を受け入れるものとする。差動増幅器50は、入力54(すなわち調整された入力)と、センサ出力34の差を判定し、コイルドライバ24にコイルドライバ信号36を送る。コイルドライバは、運動デバイスを要求された位置に駆動する。運動デバイスの変位はセンサ22によって測定され、センサ22は測定出力34を差動増幅器50に供給し、それにより差動増幅器50への入力値が一致するまでコイルを通る電流が調整されるようになる。
次に図5Bに示される入力インターフェース52の例示のアナログ実装を参照すると、入力インターフェース52は、入力30としてアナログ入力、すなわち積分器110によってPWMからアナログに変換されたPWM入力を受け取る。アナログ入力は、GNDからVDDまでを基準とする。入力インターフェース52は、積分器110の出力に結合された第1の入力114、第2の入力116、および出力70を有する差動増幅器112を含む。差動増幅器112は、出力70と入力114の間に、利得を調整するための可変抵抗素子(またはポテンショメータ、またはR−2R梯子形DAC)120を含むフィードバックループ118を有する。利得の値は、素子120の値を調整することによって設定される。利得値は、較正値の間の差となるように決定される。入力116は、オフセットと等しくなるように基準電圧を調整するための可変抵抗素子(またはポテンショメータ、またはR−2R梯子形DAC)122を含む。オフセットは、素子122の値を変化することによって増加または減少させることができる。利得およびオフセット調整回路を有する増幅器112は、参照番号124によって示される。この実装形態では、素子120、122に結合された較正値ライン68a、68bは、入力電圧をGNDからVDDまでを基準とするのを、ホーム位置および全行程位置での磁気センサ22の出力34を基準とするようにスケーリングするために用いられる。すなわち利得およびオフセットは、制御信号が較正値と一致するように調整される。
オフセットは利得調整によってわずかに影響を受けるので、最初に全行程にて利得を調整し、次いでホーム位置にてオフセットを調整するのが望ましい場合がある。たとえばホーム位置オフセットがゼロでない場合は、利得を変化させるとホーム位置オフセットの値も変化させることになり、ある大きさの誤差を生じる。
他の入力インターフェースの実装形態も可能である。図5Cに示されるように、アナログ入力またはPWMからアナログに変換されたアナログ入力に対して、入力インターフェース52は、アナログ−デジタル変換器(ADC)130と、それに続くDAC132とを含むことができる。ADC130は、較正値によって定義されるADC入力範囲内に入力をスケーリングし、DAC132は、ADC130のデジタル出力134をもとのアナログ領域に変換する。較正値68a、68bは、それぞれADC基準136a(+Ref)、および136b(−Ref)として用いるためにADC130に供給される。基準136a、136bは、ADC130が変換することができる値の最大入力範囲(ボルトを単位とする)を定義する。基準入力136aはすべてのADC出力ビットが1であるときの最大入力を定義し、基準入力136bはすべてのADC出力ビットが0であるときの最小入力を定義する。nビットADCの場合は、入力範囲は2n個の値(たとえば、8ビットADCの場合は256個の値)すなわち電圧ステップに分割される。電圧ステップの大きさは、入力範囲を電圧ステップの数で割ることによって与えられる。したがって8ビットデバイスが5Vの+Refと0Vの−Refによって定義される入力範囲を有する場合は、電圧ステップの大きさは5V/256すなわち19.5mVとなる。基準を2Vの+Refと1Vの−Refに変化させると、ステップの大きさは1V/256すなわち3.9mVとなる。変換後にADCから読み出される値は、(Vin/Vref)×(2n−1)であり、ただしVinは入力電圧、Vrefは(+Ref−−Ref)に等しい。したがってVinは、1/Vrefによってスケーリングされるということができる。任意のタイプのADCアーキテクチャ、たとえばフラッシュ、逐次近似、シグマデルタを用いることができる。
較正時には出力134として示されるADC130の出力は、運動デバイスのホーム位置(−Ref値136b)に対応する最初のカウントから、運動デバイスの全行程位置(+Ref値136a)に対応する最後のカウントまで掃引する。たとえば8ビットシステムであると仮定すると、最初のカウントは「00000000」となり、最後のカウントは「11111111」となる。したがってADC130は、単一の運動デバイスの固有の行程範囲に対してデジタル的に補償される。次いでDAC132は、接地からVDDまでの全ダイナミックレンジを用いて、デジタルADC出力134をアナログ信号、出力70に戻すために用いられる。+Ref138aおよび−Ref138bとして示されるDAC基準は、したがってそれぞれVDDおよび接地に接続される。
図6A、6Bは、インターフェース26の代替実施形態を示す。これらの代替実施形態では、較正調整は、センサ22の出力34と差動増幅器50の間のセンサ出力パス(図3、5A、5B、および5Cで示されたような入力パスではなく)内で生じる。これらの実施形態では、入力30は較正制御ブロック62に供給され、較正制御ブロック62は差動増幅器50に、通常動作時には入力30を入力54として供給し、自己較正時には内部的に発生した信号を入力54として供給する。
図6Aを参照すると、センサ22と差動増幅器50の間には、利得およびオフセット調整回路140を有する増幅器として示されるセンサ出力パス(またはセンサ出力インターフェース)回路140が結合される。利得およびオフセット調整回路140を有する増幅器は、図5Bに示される利得およびオフセット調整回路124を有する増幅器と同様である。これはその入力としてセンサ出力34を受け取り、スケーリングされたセンサ出力値142を(その出力として)増幅器50に供給するという点で回路124と異なる。内部構成要素および構成は、図5Bに示されるものと同じである。
図6Bを参照すると、インターフェース26は、背中合わせのADC150およびDAC152として示されるセンサ出力パス(またはセンサ出力インターフェース)回路を含む。ADC150は、その入力としてアナログセンサ出力34を受け取る。較正時にはその出力34は、較正制御ブロック62に供給される。出力34がホーム位置の測定値であるときは、それは捕捉され、ADC基準136b(−Ref)として用いるために較正値ライン68bを通じてADC150に供給される。出力34が全行程位置の測定値であるときは、それは捕捉され、ADC基準136a(+Ref)として用いるために較正値ライン68aを通じてADC150に供給される。較正された後は、ADC150は、アナログ入力値(たとえばアナログ電圧)としてセンサ出力34を受け入れ、それをスケーリングされたデジタル値154に変換する。基準136a、136bは、ADCが変換することができる値の最大入力範囲(ボルトを単位とする)を定義する。ADC150用の基準は、したがってセンサ出力34によって定義される行程範囲と一致するように調整される。DAC152は、デジタルADC出力154を、接地からVDDまでの全ダイナミックレンジを有するアナログ信号のDAC出力156に戻すために用いられる。
図6A、6Bに示される実施形態では、入力30は、GNDからVDDまでを基準とするアナログ信号であると仮定される。代わりに入力30は、PWM信号として(図5B〜5Cに示されるようにPWM信号をアナログ信号に変換するための積分器を用いて)、またはデジタル入力として(図5Aに示されるような)供給することもできる。デジタル入力が用いられる場合は、デジタル入力はDACによってアナログ入力に変換される必要がある。別法として、および図6Bを参照すると、センサ出力パス内のDAC152をなくすこともでき、差動増幅器50はデジタル比較器に置き換えられる。
図5A、5C、または6Aの+Refおよび−Refの設定、または代替として図5Bおよび6Bの利得およびオフセットの設定は、次の較正(再較正)が行われて較正制御ブロック62の制御下で新しい較正値が取得されるまで維持される。
上記の特徴によって得られるものは、特定の運動デバイスの固有のスタートおよびストップ位置に対して補償する閉ループシステムである。それ自体は、その運動デバイスの固有の行程範囲に関心をもつ必要はない。別のユーザ/用途およびコントローラは、同じ運動制御デバイスを、異なる行程範囲を有する別の運動デバイスを制御するために用いることができる。したがって運動制御デバイス14は、制御の観点から当て推量を取り除き、ユーザが非常に小型で予測できないアクチュエータモータを用いて設計することを可能にする。自己較正の特徴を用いることにより、したがって運動制御デバイス14のユーザは、理想的ではない出力応答を有するシステムから、改善された精度を引き出すことができる。
磁石の磁気回路および磁場センサは、運動デバイスのホーム位置または全行程位置のいずれかにおいてセンサ出力34が飽和する状態を結果として生じ得ることが留意されるべきである。較正するためには運動制御デバイス14は、センサ回路の磁気的線形動作領域内になければならない。これは、磁気的信号を変化させる、すなわち磁場センサ回路の利得およびオフセットを調整することによって達成される。図5Bおよび6Aに示されるものと同様な利得およびオフセット調整回路を、利得およびオフセットを調整するためにセンサ増幅器内に用いることができ、したがって線形動作を可能にする。運動デバイスをホーム位置から作動させる前に、センサ出力34が、センサの内部増幅器の飽和領域内ではない知られた電圧を超えるように強制するためにオフセット調整を用いることができる。オフセットが調整された後に、行程始点位置の値の捕捉を生じることができる。コイル電流をフル値に作動させ、モータを行程終点位置に駆動するときは、センサ出力34が、センサの内部増幅器の飽和領域内ではない一定の電圧未満となるように利得を調整するために、利得調整を用いることができる。行程終点位置の値は、利得調整が生じた後に取得することができる。他の技術、特に磁気回路設計技術を用いることもできる。
上述のように再較正は、ある経過時間後に、またはトリガ(パワーオン、較正コマンド、または信号など)に応答して開始することができる。再較正は、較正誤差および変動、たとえば、ホーム位置での磁気信号に影響を及ぼし、デバイスを較正された状態から逸脱させ得る温度および/または機械的動きによる時間的な変化が生じ得るので、必要となり得る。他の技術も有用となり得る。たとえば入力要求範囲のx%(ただしxはゼロより大きい値)から100%までに対しての行程を目標とすることにより、行程始点を「バッファする」ことが望ましい場合がある。8ビットデジタル入力の場合を再び考察する。8ビットデジタル入力の場合は、8ビットコマンドのたとえば10%から100%までを目標とした行程は、結果として符号25から255までに対する行程となる。0〜10%の入力符号は、較正後であるが再較正が生じ得るより前に経験されるホーム位置での較正誤差および変動の両方に対するバッファとして働くことになる。時間と共に大きな変化が生じる場合、または(バッファリングが用いられた場合に起こり得るような)最高入力符号または値が全行程に足りないために全行程に到達できない場合は、用途に対する行程を最適化するために再較正が必要となり得る。
図7Aは、一部だけ例として挙げると振動モータ、シャッタトリガ、偏光フィルタ、スピーカ制御などの小型リニアモータのリニアモータ駆動および制御に特に適したコイルドライバ24の例示的実施形態を示す。この実施形態ではコイルドライバ24は、Hブリッジ回路160を含んで実装される。また増幅器162と、検出抵抗器164とが含まれる。増幅器162は、その非反転入力に、(図3の)差動増幅器50によって発生される出力信号36を受け取る。入力信号166として示される反転入力は、Hブリッジ160に結合され、検出抵抗器164を通じて接地に接続する。このタイプのコイルドライブは、Hブリッジまたはフルブリッジドライバと呼ばれ、双方向性の電流の流れをもたらし、それによりリニアモータが順方向および逆方向に移動することを可能にする。(図1の)駆動電流出力28は、ここでは外部コイル(図1のコイル20)に一端に接続する第1の出力28aと、外部コイルの他端に接続する第2の出力128bとを含んで示される。図示の実施形態では、Hブリッジ回路160は、4つの固体スイッチ(図ではS1、S2、S3、S4のラベルが付された)を用いて構成される。S1とS4が閉じられた(かつS2とS3が開かれた)ときは、電流はコイル20を通って一方の方向に流れる。S1とS4を開き、S2とS3を閉じることにより、電流はコイル20を通って逆方向に流される。
図7Bは、VCMなどのモータを駆動するのに用いることができる、コイルドライバ24の例示的実施形態を示す。この実施形態ではコイルドライバ24は、ローサイドのボイスコイルドライバとして実装される。コイルドライバ24は、出力ドライバとして、(構成要素162および164に加えて)MOSFET170を含む。このタイプのコイルドライバは、一方向のみの電流の流れを生じる。出力28bとして示されるコイルドライバ電流出力は、外部コイル(図1のコイル20)のローサイドに接続する。外部コイルのハイサイドは、電池などの外部電源に接続されることになる。
デバイス14(図1)は、上述のようなインターフェース26の較正サポートおよび他の特徴を用いて、ボイスコイルモータを用いる用途などの他の様々な用途に用いることができる。一実施例は、図8に示されるような、カメラフォンとしても知られるカメラ付き携帯電話に用いることができるカメラレンズ焦点合わせモジュール(または「モジュール」)180である。ボイスコイルモータは、モジュール180のレンズ駆動デバイスの用途、および他の精密機器用途などの、限られた運動で高頻度作動用途におけるアクチュエータとして有用である。
モジュール180は、レンズ焦点合わせプロセス184を実行し、モジュールの他のブロックに制御信号を供給するコントローラ182を含む。コントローラ182は、カメラフォンの全体的動作と、したがって電話機とカメラ機能の切り換えを制御することができ、またはコントローラ182は、カメラ動作モード専用(電話機モードの処理用に別のコントローラを用いて)とすることができる。コントローラ182はデバイス14に接続され、デバイス14はVCM186を駆動する。図1に関連して先に示したように、デバイス14は、単一基板上にコイルドライバおよび磁場センサと共に集積化された半導体集積回路として構成することができる。コイルドライバは、単方向性駆動用に図7Bに示したコイルドライバ24のように実装することができる。
VCM186は、レンズ焦点を調整するために、光学組立体190のレンズ188の線形な動きを制御する。デバイス14のコイルドライバ24は、VCM186を制御する。モジュール180はまた、画像センサ192、信号プロセッサ(SP)194、およびフレームメモリ196を含む。次にこのモジュールの動作について述べる。
コントローラ182がカメラ機能に切り換わっている、すなわちカメラモードにあると仮定すると、画像センサ192は活動化され、コントローラ182は制御ライン198を通じて制御信号(タイミング信号)を画像センサ192に送って画像捕捉プロセスを開始する。レンズ188によって画像センサ192上に投射された画像は走査され、SP194に加えられる。コントローラ182は、信号プロセッサ194を活動化して自動焦点処理を開始する。SP194は、サンプリング、増幅、および画像センサ192からの画像信号出力のA/D変換を実行し、デジタル画像データを出力する。フレームメモリ196は、SP194から順次出力されるデジタル画像データを一時的に記憶する。SP194は、フレームメモリ196に記憶された画像データに従って画像のコントラスト値を決定する。画像センサ192によって画像が捕捉され、その画像がフレームメモリ196に記憶されるたびに、SP194は画像データを読み出し、コントラスト値を計算する。
コントローラ182は、制御信号30を線形運動制御デバイス14に出力して、焦点調整を開始する。デバイス14のドライバ部は、コントローラからの入力信号30と、磁場センサ22からのフィードバック信号34とに従って駆動信号28を発生する。VCM186によるレンズ位置調整の結果、画像鮮明度に変化を生じる。SP194は、画像センサ192によって順次捕捉される画像データのコントラスト値を決定し、レンズ移動の前と後に捕捉された画像の値を比較する。SP194は、ピーク値となるコントラスト値が検出されたときに、最良の鮮明度を有する画像が得られたことを検出し、検出信号をコントローラ182に送る。コントローラ182は、適当な制御信号を(デバイス14に)送り、ピークコントラスト値が得られた位置、すなわち最良の鮮明度を達成するための正確な位置にレンズ188を移動して焦点調整を完了する。SP194は、コントラスト値を決定するように述べたが最適な焦点位置の指標となる他のパラメータを、SP194によって計算することができる。
製造公差、およびレンズ方向(重力による引力、および加速度などの印加される負荷の方向に対する)により、コイルに印加される電流に応答した一貫性のあるレンズの動きができなくなる。デバイス14によって使用される自己較正は、制御システムが特定のレンズ焦点モジュールに対して正確に較正されることを可能にする。自己較正は、組立体の製造ばらつきに無関係な精密な焦点合わせのために、線形運動制御を個々のレンズ焦点モジュールに較正し、カメラ焦点モジュールにおけるアクチュエータ伝達関数の非線形性を線形化する。
自己較正はまた、焦点合わせ時間を最小化し、焦点精度を向上し、それにより最終的に用途におけるモータの制御を高速化する。たとえばAFモジュールの場合は、センサは位置およびモータの行程範囲のばらつきに対して補償しているので、マイクロコントローラは、モータがそれを超えては移動しない範囲内でモータのステップ動作を試みるための時間を無駄にする必要がなくなる。マイクロコントローラには、移動のコマンドが与えられるとすぐにモータが動くことが分かることになる。この時間の節約により、写真を撮るための全体的な時間が短縮され、明らかな利点となる。
本明細書に記載のすべての参考文献は、それらの全体が参照により本明細書に組み込まれる。
本発明の好ましい実施形態について述べてきたが、ここで当業者には、それらの概念を具体化した他の実施形態を用いることができることが明らかであろう。たとえば運動制御デバイス14および運動デバイス16は、センサ22用に、光学または容量センサなどの他のタイプのセンサを用いて実装することもできる。したがってこれらの実施形態は開示された実施形態に限定されるべきでなく、添付の特許請求の範囲の趣旨および範囲によってのみ限定されるべきであると考える。
Claims (16)
- モータを制御するためのデバイスであって、
ドライバおよびセンサと、
前記ドライバおよびセンサに結合され、前記ドライバおよびセンサを制御して前記モータのための較正情報を生成する、第1の回路と、
前記第1の回路に結合され、前記較正情報に基づく入力範囲に関係した第2の回路の入力を調整する、前記第2の回路と、を備え、
前記調整された入力は、前記モータを駆動するための駆動信号を発生するために使用され、
前記較正情報は、前記ドライバが前記モータに電流を供給しないときに、前記センサによって出力される行程始点位置の値に相当する第1の較正値と、前記ドライバが前記モータに最大位置変化を生じることができる電流を供給するときに、前記センサによって出力される行程終点位置の値に相当する第2の較正値とを含み、
前記第2の回路は、前記入力として入力要求を受け取るための入力インターフェースを備え、前記第1の回路は、前記第1および第2の較正値を前記入力インターフェースに供給する較正制御ブロックを備える、
デバイス。 - 前記入力要求はデジタル値を含み、前記入力インターフェースは、第1の基準として前記第1の較正値を受け取るための第1の基準端子と、第2の基準として前記第2の較正値を受け取るための第2の基準端子とを有するデジタル−アナログ変換器(DAC)を備え、前記第1および第2の基準は前記入力範囲を定義する、請求項1に記載のデバイス。
- 前記入力要求はアナログ信号を含み、前記入力インターフェースは、前記第1および第2の較正値に基づいて利得値を設定するように調整可能な利得回路と、オフセット値を前記第1の較正値に等しく設定するように調整可能なオフセット回路とを有する演算増幅器を備え、前記利得およびオフセット値は前記入力範囲を定義する、請求項1に記載のデバイス。
- 前記入力要求はパルス幅変調信号を含み、前記入力インターフェースは前記パルス幅変調信号をアナログ信号に変換するための積分器をさらに備える、請求項1に記載のデバイス。
- 前記第2の回路は、前記入力として前記センサからの出力を受け取るための回路を備え、前記第1の回路は、前記第1および第2の較正値を前記回路に供給する較正制御ブロックを備える、請求項1に記載のデバイス。
- 前記回路が、前記第1および第2の較正値に基づいて利得値を設定するように調整可能な利得回路と、オフセット値を前記第1の較正値に等しく設定するように調整可能なオフセット回路とを有する演算増幅器を備え、前記利得およびオフセット値は前記入力範囲を定義する、請求項5に記載のデバイス。
- 前記回路が、第1の基準として前記第1の較正値を受け取るための第1の基準端子と、第2の基準として前記第2の較正値を受け取るための第2の基準端子とを有するアナログ−デジタル変換器(ADC)を備え、前記第1および第2の基準は前記入力範囲を定義する、請求項5に記載のデバイス。
- 前記ドライバはボイスコイルドライバを含み、前記センサは磁場センサを含む、請求項1に記載のデバイス。
- 前記較正情報は、前記第1の回路がパワーオンサイクルを検出したときに生成される、請求項1に記載のデバイス。
- コントローラと、
前記コントローラ、およびボイスコイルモータ(VCM)に結合された運動制御デバイスと、を備えるシステムであって、
前記運動制御デバイスは、
ボイスコイルドライバおよび磁場センサと、
前記ボイスコイルドライバおよび前記磁場センサに結合され、前記ボイスコイルドライバおよび磁場センサを制御して前記VCMに対する較正情報を生成する、第1の回路と、
前記第1の回路に結合され、前記較正情報に基づく入力範囲に関係した第2の回路の入力を調整する、前記第2の回路と、を備え、
前記調整された入力は、前記VCMを駆動するための駆動信号を発生するために使用され、
前記較正情報は、前記ボイスコイルドライバが前記VCMに電流を供給しないときに、前記磁場センサによって出力される行程始点位置の値に相当する第1の較正値と、前記ボイスコイルドライバが前記VCMに最大位置変化を生じることができる電流を供給するときに、前記磁場センサによって出力される行程終点位置の値に相当する第2の較正値とを含み、
前記第2の回路は、前記入力として入力要求を受け取るための入力インターフェースを備え、前記第1の回路は、前記第1および第2の較正値を前記入力インターフェースに供給する較正制御ブロックを備える、
システム。 - 前記入力要求はデジタル値を含み、前記入力インターフェースは、第1の基準として前記第1の較正値を受け取るための第1の基準端子と、第2の基準として前記第2の較正値を受け取るための第2の基準端子とを有するデジタル−アナログ変換器(DAC)を備え、前記第1および第2の基準は前記入力範囲を定義する、請求項10に記載のシステム。
- 前記入力要求はアナログ信号を含み、前記入力インターフェースは、前記第1および第2の較正値に基づいて利得値を設定するように調整可能な利得回路と、オフセット値を前記第1の較正値に等しく設定するように調整可能なオフセット回路とを有する演算増幅器を備え、前記利得およびオフセット値は前記入力範囲を定義する、請求項10に記載のシステム。
- 前記コントローラは、カメラのレンズの焦点を合わせるために前記運動制御デバイスを用いるように構成される、請求項10に記載のシステム。
- 前記ボイスコイルドライバ、前記磁場センサ、前記第1の回路、および前記第2の回路は、半導体集積回路として集積化されている、請求項10に記載のシステム。
- 前記半導体集積回路と、前記コントローラとが、カメラレンズ焦点合わせモジュール上に位置する、請求項14に記載のシステム。
- モータを制御する方法であって、
前記モータのための較正情報を生成するようにドライバおよびセンサを制御するステップと、
前記モータの位置を選択するためにコントローラにより生成された要求を入力として受信するステップと、
前記較正情報に基づく入力範囲に対して前記入力を調整するステップと、
前記モータを駆動するための駆動信号を発生するために、前記調整された入力を用いるステップと、を含み、
前記較正情報は、第1の較正値および第2の較正値を含み、
制御するステップは、
前記第1の較正値として、前記ドライバが前記モータに電流を供給しないときに生成される行程始点位置の値を測定するように前記センサを制御するステップと、
前記第2の較正値として、前記ドライバが前記モータに最大位置変化を生じることができる電流を供給するときに生成される行程終点位置の値を測定するように前記センサを制御するステップとを含む、
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