JP2500341B2 - 高速・高精度ミラ―制御器 - Google Patents
高速・高精度ミラ―制御器Info
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- JP2500341B2 JP2500341B2 JP4102172A JP10217292A JP2500341B2 JP 2500341 B2 JP2500341 B2 JP 2500341B2 JP 4102172 A JP4102172 A JP 4102172A JP 10217292 A JP10217292 A JP 10217292A JP 2500341 B2 JP2500341 B2 JP 2500341B2
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- JP
- Japan
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- controller
- motor
- speed
- light
- integral control
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- Mechanical Optical Scanning Systems (AREA)
- Facsimile Scanning Arrangements (AREA)
- Control Of Position Or Direction (AREA)
- Control Of Electric Motors In General (AREA)
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、レーザ光などの光を様
々な方向に高速・高精度で振り、それによって高精度な
計測を可能とする高速・高精度ミラー制御器に関するも
のである。
々な方向に高速・高精度で振り、それによって高精度な
計測を可能とする高速・高精度ミラー制御器に関するも
のである。
【０００２】
【従来の技術】近年、プリンタ、ディスプレイ装置、各
種計測器など、レーザ光を利用した高品質な入出力装置
が多くなっている。現在のところ、レーザ光の方向制御
は、単純なリニアスキャン、ポリゴンミラー（多角形ミ
ラー）による固定方向高速スキャン、ガルバノミラー
（高精度モータに取り付けたミラー）によるランダムス
キャンなどの方式が多用されている。これらの中でラン
ダムスキャン型は、要求性能が高度になればなる程、需
要が高くなる傾向があるが、制御が複雑なために精度が
悪く、低速になるという制約をもっている。すなわち、
現在多用されているガルバノミラーは、回転トルクの小
さいガルバノメータの力を落とさないようにミラーの回
転速度を静電容量型センサを用いて計測しているため、
測定精度が悪く、熱雑音に弱い。従って、分解能は２０
秒程度であり、応答周波数は８０Hz程度になっている。
種計測器など、レーザ光を利用した高品質な入出力装置
が多くなっている。現在のところ、レーザ光の方向制御
は、単純なリニアスキャン、ポリゴンミラー（多角形ミ
ラー）による固定方向高速スキャン、ガルバノミラー
（高精度モータに取り付けたミラー）によるランダムス
キャンなどの方式が多用されている。これらの中でラン
ダムスキャン型は、要求性能が高度になればなる程、需
要が高くなる傾向があるが、制御が複雑なために精度が
悪く、低速になるという制約をもっている。すなわち、
現在多用されているガルバノミラーは、回転トルクの小
さいガルバノメータの力を落とさないようにミラーの回
転速度を静電容量型センサを用いて計測しているため、
測定精度が悪く、熱雑音に弱い。従って、分解能は２０
秒程度であり、応答周波数は８０Hz程度になっている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】本発明の技術的課題
は、ランダムスキャンによる光の方向制御を、高速・高
精度で行えるようにしたミラー制御器を得ることにあ
る。
は、ランダムスキャンによる光の方向制御を、高速・高
精度で行えるようにしたミラー制御器を得ることにあ
る。
【０００４】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明は、モータにレーザ光を所要方向に反射させ
るミラーを設けた高速・高精度ミラー制御器において、
上記モータの回転位置を検出するための光を直線状に放
射する光源と、上記モータによって回転駆動され、中心
軸からの距離が回転角度に比例する螺旋状のスリットを
設けた遮蔽板と、上記スリットを通過した光の位置を計
測する一次元半導体位置検出器と、その計測データを用
いて上記モータを高速・高精度に制御する積分制御型最
適追従制御器とを備え、上記積分制御型最適追従制御器
は、設定入力と出力との差に対して定数を乗じる要素及
び積分制御要素を備えた積分制御系と、制御対象の状態
変数に対して定数を乗じてフィードバックするフィード
バック制御系と、システムの起動もしくは設定値の大巾
な変化があったことを検出した信号により操作量をサン
プルホールドしてフィードバックする補償制御系とを備
え、これらの各制御系の出力の代数和を操作量として出
力させるものとしたことを特徴とするものである。
め、本発明は、モータにレーザ光を所要方向に反射させ
るミラーを設けた高速・高精度ミラー制御器において、
上記モータの回転位置を検出するための光を直線状に放
射する光源と、上記モータによって回転駆動され、中心
軸からの距離が回転角度に比例する螺旋状のスリットを
設けた遮蔽板と、上記スリットを通過した光の位置を計
測する一次元半導体位置検出器と、その計測データを用
いて上記モータを高速・高精度に制御する積分制御型最
適追従制御器とを備え、上記積分制御型最適追従制御器
は、設定入力と出力との差に対して定数を乗じる要素及
び積分制御要素を備えた積分制御系と、制御対象の状態
変数に対して定数を乗じてフィードバックするフィード
バック制御系と、システムの起動もしくは設定値の大巾
な変化があったことを検出した信号により操作量をサン
プルホールドしてフィードバックする補償制御系とを備
え、これらの各制御系の出力の代数和を操作量として出
力させるものとしたことを特徴とするものである。
【０００５】
【作用】中心軸からの距離が回転角度に比例する螺旋状
スリット（ｒ＝ａθ、但し、ｒ：スリットの中心軸から
の距離、θ：回転角、ａ：定数）をもつ遮蔽板を回転す
ると、直線状に放射してスリットを通過する光の位置
は、一次元半導体位置検出器上において回転角度θに比
例する。上記定数ａを適当に定めると、スリットを設け
る遮蔽板は極めて小さく軽くすることが可能となり、モ
ータの反応速度を低下させないようにできる。他方、半
導体位置検出器の分解能は極めて高く、安定しているた
め、高精度な回転角の測定が可能になる。
スリット（ｒ＝ａθ、但し、ｒ：スリットの中心軸から
の距離、θ：回転角、ａ：定数）をもつ遮蔽板を回転す
ると、直線状に放射してスリットを通過する光の位置
は、一次元半導体位置検出器上において回転角度θに比
例する。上記定数ａを適当に定めると、スリットを設け
る遮蔽板は極めて小さく軽くすることが可能となり、モ
ータの反応速度を低下させないようにできる。他方、半
導体位置検出器の分解能は極めて高く、安定しているた
め、高精度な回転角の測定が可能になる。
【０００６】さらに、この測定データを用いて積分制御
型最適追従制御器により上記モータを制御すると、最適
制御系なので安定性にすぐれ、高速な制御が可能となる
と共に、入出力端に直接積分制御器がついているため、
オフセット零が保証され、モータにレーザ光を所要方向
に反射させるミラーを設けることにより、上記角度測定
データの精度を保証されたミラー制御器が実現できる。
型最適追従制御器により上記モータを制御すると、最適
制御系なので安定性にすぐれ、高速な制御が可能となる
と共に、入出力端に直接積分制御器がついているため、
オフセット零が保証され、モータにレーザ光を所要方向
に反射させるミラーを設けることにより、上記角度測定
データの精度を保証されたミラー制御器が実現できる。
【０００７】
【実施例】図１は、本発明の高速・高精度ミラー制御器
において用いる軽量高精度角度測定器の構成を示してい
る。この角度測定器は、特殊形状のスリットを通過した
光を一次元半導体位置検出器を用いて検出し、高速、高
トルクの通常型モータの回転角度を高精度に計測するた
めのもので、図示しない光源と、螺旋状のスリット２を
設けた遮蔽板１と、上記スリット２を通過した光の位置
を計測する一次元半導体位置検出器３とを備えている。
において用いる軽量高精度角度測定器の構成を示してい
る。この角度測定器は、特殊形状のスリットを通過した
光を一次元半導体位置検出器を用いて検出し、高速、高
トルクの通常型モータの回転角度を高精度に計測するた
めのもので、図示しない光源と、螺旋状のスリット２を
設けた遮蔽板１と、上記スリット２を通過した光の位置
を計測する一次元半導体位置検出器３とを備えている。
【０００８】上記遮蔽板１に設けた螺旋状のスリット２
は、モータ４によって回転駆動するための中心軸５から
の距離ｒが回転角度θに比例するように設けたものであ
り、即ち、この螺旋状スリット２は、ｒ＝ａθ（但し、
ｒ：遮蔽板１の中心軸５からの距離、θ：回転角、ａ：
定数）によって与えられる位置に設けられている。従っ
て、遮蔽板１を回転すると、直線状に放射してスリット
２を通過する光の位置は、一次元半導体位置検出器３上
において、ｒ＝ａθに従って回転角度θに比例して変化
する。ここで、上記定数ａを適当に定めておけば、スリ
ット２を設ける遮蔽板１は極めて小さく、且つ軽くする
ことが可能となり、モータ４の反応速度を低下させない
ようにすることができる。他方、半導体位置検出器は、
その分解能が極めて高く、安定しているため、上記スリ
ット２を通過した光の位置により、モータ４の高精度な
回転角度の計測が可能になる。従って、モータ４にレー
ザ光を所要方向に反射させるミラーを設けておくことに
より、角度測定データの精度を保証されたミラー制御器
が実現できる。
は、モータ４によって回転駆動するための中心軸５から
の距離ｒが回転角度θに比例するように設けたものであ
り、即ち、この螺旋状スリット２は、ｒ＝ａθ（但し、
ｒ：遮蔽板１の中心軸５からの距離、θ：回転角、ａ：
定数）によって与えられる位置に設けられている。従っ
て、遮蔽板１を回転すると、直線状に放射してスリット
２を通過する光の位置は、一次元半導体位置検出器３上
において、ｒ＝ａθに従って回転角度θに比例して変化
する。ここで、上記定数ａを適当に定めておけば、スリ
ット２を設ける遮蔽板１は極めて小さく、且つ軽くする
ことが可能となり、モータ４の反応速度を低下させない
ようにすることができる。他方、半導体位置検出器は、
その分解能が極めて高く、安定しているため、上記スリ
ット２を通過した光の位置により、モータ４の高精度な
回転角度の計測が可能になる。従って、モータ４にレー
ザ光を所要方向に反射させるミラーを設けておくことに
より、角度測定データの精度を保証されたミラー制御器
が実現できる。
【０００９】図２は、上記一次元半導体位置検出器３の
計測データに基づいてモータ４を高速・高精度に制御す
る初期値補償付きの積分制御型最適追従制御器の構成を
示している。この積分制御型最適追従制御器についての
理論的根拠に関しては、本発明者が、計測自動制御学会
論文集第20巻第１号「線形多入出力最適追従制御系の初
期値補償器」において詳述している。また、図３は本発
明の高速・高精度ミラー制御器における制御系の全体的
な構成を示している。
計測データに基づいてモータ４を高速・高精度に制御す
る初期値補償付きの積分制御型最適追従制御器の構成を
示している。この積分制御型最適追従制御器についての
理論的根拠に関しては、本発明者が、計測自動制御学会
論文集第20巻第１号「線形多入出力最適追従制御系の初
期値補償器」において詳述している。また、図３は本発
明の高速・高精度ミラー制御器における制御系の全体的
な構成を示している。
【００１０】上記図２の積分制御型最適追従制御器は、
基本的には、設定入力ｒと出力ｙとの差ｅに対して定数
Ｋ2 を乗じる要素及びその結果に対して積分制御を施す
積分制御要素(Im/S)を備えた積分制御系と、制御対象の
状態変数ｘに対して定数Ｋ1を乗じてフィードバックす
るフィードバック制御系とを備えている。さらに、これ
らの制御系では、積分制御要素に初期値がある場合に好
ましくない制御動作があらわれるので、それを除去する
ための操作量の初期値補償を行うために、次のような補
償制御系が付加されている。この補償制御系は、システ
ムの起動時に操作量ｕの値をサンプリングして０次ホー
ルド回路にホールドさせ、その値（−Ｋ1 ｘ(0) ＋ｚ
(0) ）をフィードバックして上記積分制御系の出力から
減算することにより、上記初期値の影響をなくすように
したものである。この補償制御系は、システムの起動も
しくは設定値の大巾な変化等により操作量が一定値を越
えたときに操作量ｕの値をサンプルし、その値をホール
ドしてフィードバックするような機能を持つ素子により
実現することができる。また、過度に操作量ｕをサンプ
ルホールドしないため、サンプラに不応素子を付加して
もよい。
基本的には、設定入力ｒと出力ｙとの差ｅに対して定数
Ｋ2 を乗じる要素及びその結果に対して積分制御を施す
積分制御要素(Im/S)を備えた積分制御系と、制御対象の
状態変数ｘに対して定数Ｋ1を乗じてフィードバックす
るフィードバック制御系とを備えている。さらに、これ
らの制御系では、積分制御要素に初期値がある場合に好
ましくない制御動作があらわれるので、それを除去する
ための操作量の初期値補償を行うために、次のような補
償制御系が付加されている。この補償制御系は、システ
ムの起動時に操作量ｕの値をサンプリングして０次ホー
ルド回路にホールドさせ、その値（−Ｋ1 ｘ(0) ＋ｚ
(0) ）をフィードバックして上記積分制御系の出力から
減算することにより、上記初期値の影響をなくすように
したものである。この補償制御系は、システムの起動も
しくは設定値の大巾な変化等により操作量が一定値を越
えたときに操作量ｕの値をサンプルし、その値をホール
ドしてフィードバックするような機能を持つ素子により
実現することができる。また、過度に操作量ｕをサンプ
ルホールドしないため、サンプラに不応素子を付加して
もよい。
【００１１】従って、上記積分制御型最適追従制御器に
おいて、操作量ｕは、制御対象の状態変数ｘに定数Ｋ1
を乗じてフィードバックした成分と、入力ｒと出力ｙの
差ｅに定数Ｋ2 を乗じたものを積分制御した成分ｚと、
入力ｒが大きく変動したときに操作量ｕをサンプルホー
ルドしてその値をフィードバックした成分との加減算に
より構成される。
おいて、操作量ｕは、制御対象の状態変数ｘに定数Ｋ1
を乗じてフィードバックした成分と、入力ｒと出力ｙの
差ｅに定数Ｋ2 を乗じたものを積分制御した成分ｚと、
入力ｒが大きく変動したときに操作量ｕをサンプルホー
ルドしてその値をフィードバックした成分との加減算に
より構成される。
【００１２】ここで、定数Ｋ1 ，Ｋ2 は、操作量ｕの自
乗値、即ち、エネルギをできるだけ小さく抑えつつ、出
力ｙが入力ｒにできるだけ速く追従できるように調整さ
れる。これらの定数Ｋ1 ，Ｋ2 は、上述したところから
わかるように、２次形式評価関数を最小化して得られる
が、この方法によらずに定数Ｋ1 ，Ｋ2 を決定する方法
も可能である。しかし、その場合でも速応性を増すため
に定数Ｋ1 ，Ｋ2 を大きくすると、システム起動時に好
ましくない初期変動を起すので、上記初期値補償器は不
可欠である。
乗値、即ち、エネルギをできるだけ小さく抑えつつ、出
力ｙが入力ｒにできるだけ速く追従できるように調整さ
れる。これらの定数Ｋ1 ，Ｋ2 は、上述したところから
わかるように、２次形式評価関数を最小化して得られる
が、この方法によらずに定数Ｋ1 ，Ｋ2 を決定する方法
も可能である。しかし、その場合でも速応性を増すため
に定数Ｋ1 ，Ｋ2 を大きくすると、システム起動時に好
ましくない初期変動を起すので、上記初期値補償器は不
可欠である。
【００１３】このような構成を有する積分制御型最適追
従制御器は、積分制御器の初期値と同じく、状態変数の
初期値が制御成績に悪影響を与えることに対し、解決す
る手段を与えている。即ち、いわゆる現代制御理論によ
る最適レギュレータ制御器においては、即応性はいくら
でも改善できるが、制御パラメータの変動などによりオ
フセットを生じるという欠点がある。そこで、ＰＩＤ制
御器における積分制御動作に相当する上記補償制御系を
最適レギュレータ制御系へ組入れることにより、その問
題を解消している。
従制御器は、積分制御器の初期値と同じく、状態変数の
初期値が制御成績に悪影響を与えることに対し、解決す
る手段を与えている。即ち、いわゆる現代制御理論によ
る最適レギュレータ制御器においては、即応性はいくら
でも改善できるが、制御パラメータの変動などによりオ
フセットを生じるという欠点がある。そこで、ＰＩＤ制
御器における積分制御動作に相当する上記補償制御系を
最適レギュレータ制御系へ組入れることにより、その問
題を解消している。
【００１４】さらに、前述した一次元半導体位置検出器
３の測定データを用い、上記積分制御型最適追従制御器
によりモータ４を制御すると、最適制御系を形成してい
るために安定性にすぐれ、高速な制御が可能であると共
に、入出力端に直接積分制御器がついているため、オフ
セット零が保証され、モータ４にレーザ光を所要方向に
反射させるミラーを設けることにより、上記角度測定デ
ータの精度を保証されたミラー制御器が実現できる。
３の測定データを用い、上記積分制御型最適追従制御器
によりモータ４を制御すると、最適制御系を形成してい
るために安定性にすぐれ、高速な制御が可能であると共
に、入出力端に直接積分制御器がついているため、オフ
セット零が保証され、モータ４にレーザ光を所要方向に
反射させるミラーを設けることにより、上記角度測定デ
ータの精度を保証されたミラー制御器が実現できる。
【００１５】
【発明の効果】以上に詳述したように、本発明の高速・
高精度ミラー制御器によれば、螺旋状のスリットを通過
する光の位置を一次元半導体位置検出器によって高精度
に計測し、その計測データに基づいて高速・高精度に制
御可能な積分制御型最適追従制御器によりモータを制御
し、それによって、ランダムスキャンによる光の方向制
御を高速・高精度で行えるようにしたミラー制御器を得
ることができる。さらに、上記積分制御型最適追従制御
器でモータを制御すると、最適制御系であるため安定性
にすぐれ、高速な制御が可能であると共に、入出力端の
積分制御器によりオフセット零が保証され、角度測定デ
ータの精度が保証されたミラー制御器を実現することが
できる。
高精度ミラー制御器によれば、螺旋状のスリットを通過
する光の位置を一次元半導体位置検出器によって高精度
に計測し、その計測データに基づいて高速・高精度に制
御可能な積分制御型最適追従制御器によりモータを制御
し、それによって、ランダムスキャンによる光の方向制
御を高速・高精度で行えるようにしたミラー制御器を得
ることができる。さらに、上記積分制御型最適追従制御
器でモータを制御すると、最適制御系であるため安定性
にすぐれ、高速な制御が可能であると共に、入出力端の
積分制御器によりオフセット零が保証され、角度測定デ
ータの精度が保証されたミラー制御器を実現することが
できる。
【図１】本発明の高速・高精度ミラー制御器において用
いる軽量高精度角度測定器の構成を示す要部正面図であ
る。
いる軽量高精度角度測定器の構成を示す要部正面図であ
る。
【図２】高精度角度測定器の計測データに基づいてモー
タを制御する積分制御型最適追従制御器の構成を示すブ
ロック図である。
タを制御する積分制御型最適追従制御器の構成を示すブ
ロック図である。
【図３】本発明の高速・高精度ミラー制御器における制
御系の全体的な構成を示すブロック図である。
御系の全体的な構成を示すブロック図である。
１ 遮蔽板、 ２ スリット、
３ 一次元半導体位置検出器、 ４ モータ、５
中心軸。
３ 一次元半導体位置検出器、 ４ モータ、５
中心軸。
フロントページの続き (56)参考文献 特開 平２−124423（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−190598（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−195207（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−277085（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−267106（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−267105（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−27314（ＪＰ，Ａ) 実開 平１−72610（ＪＰ，Ｕ) 特公 昭49−13088（ＪＰ，Ｂ１) 特公 昭46−20447（ＪＰ，Ｂ１) 特公 昭58−3243（ＪＰ，Ｂ２) 特公 平４−41941（ＪＰ，Ｂ２)
Claims (1)
- 【請求項１】モータにレーザ光を所要方向に反射させる
ミラーを設けた高速・高精度ミラー制御器において、 上記モータの回転位置を検出するための光を直線状に放
射する光源と、上記 モータによって回転駆動され、中心
軸からの距離が回転角度に比例する螺旋状のスリットを
設けた遮蔽板と、上記スリットを通過した光の位置を計
測する一次元半導体位置検出器と、その計測データを用
いて上記モータを高速・高精度に制御する積分制御型最
適追従制御器とを備え、 上記積分制御型最適追従制御器は、設定入力と出力との
差に対して定数を乗じる要素及び積分制御要素を備えた
積分制御系と、制御対象の状態変数に対して定数を乗じ
てフィードバックするフィードバック制御系と、システ
ムの起動もしくは設定値の大巾な変化があったことを検
出した信号により操作量をサンプルホールドしてフィー
ドバックする補償制御系とを備え、これらの各制御系の
出力の代数和を操作量として出力させるものとした、 ことを特徴とする高速・高精度ミラー制御器。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4102172A JP2500341B2 (ja) | 1992-03-27 | 1992-03-27 | 高速・高精度ミラ―制御器 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4102172A JP2500341B2 (ja) | 1992-03-27 | 1992-03-27 | 高速・高精度ミラ―制御器 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05313088A JPH05313088A (ja) | 1993-11-26 |
| JP2500341B2 true JP2500341B2 (ja) | 1996-05-29 |
Family
ID=14320285
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP4102172A Expired - Lifetime JP2500341B2 (ja) | 1992-03-27 | 1992-03-27 | 高速・高精度ミラ―制御器 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2500341B2 (ja) |
-
1992
- 1992-03-27 JP JP4102172A patent/JP2500341B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH05313088A (ja) | 1993-11-26 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| EXPY | Cancellation because of completion of term |