JPH03224012A - 移動機構のモータ制御回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野コ この発明は、移動機構のモータ制御回路に関し、詳しく
は、各種測定装置のＸＹテーブルの移動を行うモータ制
御をはじめとして、超音波顕微鏡や超音波測定装置のス
キャナのりニアモータの制御のようにデジタル値で目標
位置が設定され、Ｉ）／Ａ変換回路やカウンタを用いて
フィードバック制御によりモータを駆動するモータ制御
回路において、［）／Ａ変換回路等のビット数に制限さ
れずに位置制御ｉｊＪ能な範囲を拡大することができる
ような移動機構のモータ制御回路に関する。

［従来の技術］ デジタル値で位置決め目標位置を設定し、それを［〕／
Ａ変換して制御を１ｆうこの種の従来の移動機構のモー
タ制御回路としては、第４図に小すような例をトげるこ
とかできる。

第４図において、１は、マイクロプロセッサやメモリ等
により構成されるデジタル制御装置であって、移動機構
として、例えば、ＸＹテーブルやスキャナの位置決めの
目標位置データ（位置指令値Ｘ）を生成してそれをデジ
タル値でＤ／Ａ変換回路２に設定する。

Ｄ／Ａ変換回路（Ｄ／Ａ）２は、例えば、１２ビツト（
ｂｉｔ）の変換回路とすると、先の位置指令値Ｘに対応
する値をアナログ値に変換してそれをオペアンプ等で構
成される加減算回路３の（１）位相側に加え、その（−
）位相側に加えられている現在位置に対応するアナログ
値をＤ／Ａ変換回路（Ｄ／Ａ）１０から受けてこれらの
差値（正負の符号を含むアナログ値）をアンプ４に加え
る。アンプ４では増幅率Ｋｌ　でこの差値を増幅した信
号を伝達関数Ｇ　（ｓ）のモータ駆動回路５に送出し、
モータ駆動回路５においてモータ６の駆動電流を発生し
てモータ６を回転駆動する。

モータ６が回転すると、モー９６の回転軸に結合された
エンコーダ７からはモータ６の回転に応して？１位回転
量を小すパルスか発！４し、これと同時に回転方向を示
すパルスも発生する。これらパルスを２相変換回路８が
受けて、単位回転量に対応するパルスを回転方向に応じ
た２相のいずれかのクロック（Ａ相、Ｂ相）に変換し、
１２ビツトのカウンタ９に正回転の場合にはカウントア
ツプ信号（例えばＡ相クロック）を、逆回転の場合には
カウントダウン信号（例えばＢ相りロック）を加える。

その結果、カウンタ９には、モータの回転量を積算した
移動機構の移動部分（移動台等）が位置する現在位置の
デジタル値か記憶される。これが次にＤ／Ａ変換回路１
０に加えられ、Ｄ／Ａ変換回路１０により現在位置のデ
ジタル値がアナログ値に変換されて加減算回路３の（−
）位相側に送出される。　以北の構成ではフィードバッ
ク制御となっているので、カウンタ９の値がＤ／Ａ変換
回路２に設定される目標位置の値に一致するまでモータ
６は駆動され続け、ｒ［位置の値にカウンタ９の示す現
在位置の値か一致したときにモータ６の駆動か停■卜す
ることになる。

なお、このようなモータ制御による位置決めでは、通常
、台形速度制御等を行う関係から先のモータ駆動回路５
は、モータ６の回転から得られる速度フィードバック量
と目標位置に対する差値との間の加減算を加減算回路５
ａで行い、その結果をアンプ５ｂで増幅する。さらに移
動部分（移動台等）の急速起動停止等を行う関係からモ
ータ６に流れる電流を検出して行う電流フィードバック
量とアンプ５ｂの出力との間の加減算を加減算回路５ｃ
で行い、アンプ５ｄでこれらの結果を増幅して所定の台
形速度制御や起動、停止等に対応するモータ駆動電流を
生成する。

また、以上のようなハードウェアによるモータ制御回路
とは別に、前記カウンタ９の値をデジタル制御装置１が
そのバスを介して取込み、前記の加減算回路３までの目
標位置と現在位置との差値の演算をデジタル制御装置１
の内部でプログラム処理にて演算してその演算結果の差
値たけをＤ／Ａ変換回路に送出してアンプ４に加えるよ
うなソフトウェア制御も行われている。

［解決しようとする課題］ このような従来の方式にあっては、移動部分の位置決め
設定範囲（位置制御可能な範囲）がＤ／Ａ変換回路２，
１０のビット数やカウンタ９のビット数で制限を受ける
。例えば、カウンタ９が１２ビツトならば、位置制御可
能な範囲が１２ビツト、すなわち、Ｏ〜４０９６までの
範囲に限られてしまい、モータ６がリニアモータ、エン
コーダ７がリニアエンコーダの場合にはエンコーダの１
パルスはリニアな距離を示すので、それを０．１μｍ／
パルスとするならば、位置制御可能な範囲は、最大でも
４０９６Ｘ０．１μｍ＝４０９．６μｍまでとなる。

この場合、位置制御可能な範囲を広げるために高価な１
６ビノトやそれ以上のＩ）　／　Ａ変換回路を用いたと
しても制御電圧の最大値か５Ｖ程度（通常のデジタル値
の制御）のものであれば、ノイズに影響され易くなり、
回路設計等が難しく、確実な制御を達成し難い。例えば
、１６ビノトＤ／Ａ変換回路でＤ／Ａ出力フルレンンを
５Ｖとしだときには、１ビツト当たりの電圧は、５Ｖ／
２１　”＝０．０７６ｍＶとなるが、この点、１２ビッ
トＤ／Ａ変換回路ならば、１ビツト当たりの電圧は、５
Ｖ／２’　２＝１．２２ｍＶとなる。そこで、１２ピツ
）Ｄ／Ａ変換回路の方が回路設計が容易となり、ノイズ
に影響され難く、全体として確実な制御か期待できる。

一方、位置フィードパ、りをソフトウェアで行うものに
あっては、デジタル制御装置１の内部で演算桁数が多く
取れ、演算結果は差値であるので、位置制御するのに前
記のような欠点はほとんどない。しかし、ソフトウェア
の演算に時間を要し、高速な応答には追従できない欠点
がある。

この発明は、このような従来技術の問題点を解決するも
のであって、Ｄ／Ａ変換回路等のピント数に制限されず
に位置制御可能な範囲を拡大することかでき、かつ、応
答の速い移動機構のモータ制御回路を提供することを目
的とする。

［課題を解決するための手段］ このような目的を達成するためのこの発明の移動機構の
モータ制御回路の特徴は、目標位置として設定される第
１のデジタル値とモータ側から得られる現在の位置を示
す第２のデジタル値との差に応じたアナログの制御信号
を発生してモータを駆動制御する移動機構のモータ制御
回路において、第１のデジタル値を受けるｎビット（た
だし、ｎは２以上の整数）の第１のＤ／Ａ変換回路と、
第２のデジタル値を受けるｍビット（ただし、ｍは２以
上の整数）の第２のＤ／Ａ変換回路と、モータから所定
の移動量を示す信号を受けてこれをカウントし、現在の
位置を示すにビット（ただし、ｋはｋｐｍである整数）
のカウンタと、このカウンタの値を第１の制御信号に応
じた除数で割り算して第２のＤ／Ａ変換回路に割った結
果値を送る割り算回路と、第１のＤ／Ａ変換回路と第２
のＤ／Ａ変換回路との出力の差を受けてそれを第２の制
御信号に応じた所定の減衰量で減衰させる減衰回路と、
この減衰回路の出力を受けるモータ駆動回路とを備えて
いて、第１のＩ）　／　Ａ変換回路には第１のデジタル
値を除数により割り算したデジタル値が設定され、第１
の制御信号により制御される除数の値に応じて変化する
モータ制御ループ全体のゲインを第２の制御信号により
減衰量を選択することにより打ち消すように制御するも
のである。

［作用］ このように、現在位置を示すカウンタの値をＤ／Ａ変換
回路のビット数より大きな値とすることで、移動機構に
おける位置決め制御範囲を大きく採り、割り算回路と減
衰回路とを設け、割り算回路によりカウンタの値を割っ
てそれをＤ／Ａ変換回路ヘセットすることにより実際の
数値を除数で割った分だけデータを圧縮し、圧縮した値
で目標位置と現在位置との差値を算出し、その圧縮値し
た差値に対して減衰回路の減衰量を除数に対応して低減
して逆方向へ差値を拡大することにより圧縮によるフィ
ードバックゲインの減少を補正して適正なループゲイン
（モータ制御ループ全体のゲイン）でモータの制御を行
う。このようにすることで、現在位置や］」標位置を圧
縮する分だけ位置決め制御範囲を拡大することができる
。

この場合に、割り算回路による圧縮率とアッテネータに
よる減衰量の低減による拡大率とを対応させれば、圧縮
して算出した差値は、アッテネータで元の本来の差値に
対応する制御量に戻すことができる。その結果、モータ
制御のループゲインが一定に保たれ、位置決め精度を常
に一定にするような制御が可能になる。

また、以上の制御回路は、差値を算出する回路やモータ
駆動回路、そしてフィードバンク回路がハードウェア構
成であるので、応答速度も速く、高速な追従性を実現で
きる。

［実施例］ 以下、この発明の一実施例について図面を参照して詳細
に説明する。

第１図は、この発明の移動機構のモータ制御回路を超音
波顕微鏡のスキャナの位置制御を行うモータ制御回路に
適用した場合のブロック図であり、第２図は、その構成
要素の１つであるピットンフタの動作の説明図、第３図
は、その中位制御距離とピントシフト量、制御範囲との
関係の説明図である。なお、第４図と同等のものは同一
の符号で示し、その説明を割愛する。

第１図の実施例では、第４図に示した従来回路の１２ビ
ツトカウンタ９をこれに換えて１９ビツトカウンタ１１
としている。また、Ｄ／Ａ変換回路１０とカウンタ１１
との間にピントシフタ１２が挿入されていて、カウンタ
１１の値を２Ｎ数で割り算した値がＤ／Ａ変換回路１０
にセットされる構成を採る。さらに、加減算回路３とア
ンプ４との間には減衰回路としてアッテネータ１３が挿
入されていて、ピットシフタ１２とアッテネータ１３と
がデジタル制御装置１により制御され、前記の除数２Ｎ
の値とそれに応じて減衰量を決めるアッテネータ１３の
減衰量に対する除数とか対応して設定される構成となっ
ている。すなわち、アッテネータ１３は、ピットンフタ
１２の割り算における除数２Ｎに対応してゲインにして
１／２７−Ｎでその減衰量を選択可能である。なお、Ｎ
は後述するか、データの桁のソフト量である。

このような構成をとることで、１２ビ・ソトのＤ／Ａ変
換回路を用いていても１９ビツトのカウンタ１１で示さ
れる位置情報の全ての領域に対して位置決めの制御が可
能になる。以下、その動作を説明する。

Ｄ／Ａ変換回路１０にセントされるデジタル値は、カウ
ンタ１１の値を２Ｎで割った値であり、乗数Ｎはビット
シフタ１２のシフトする桁数で決定される。第２図は、
このビットシフタ１２（同図（ａ））とそのシフト結果
（同図（ｂ））との関係を示している。すなわち、ビッ
トシフタ１２がシフトを行わない場合には従来と同様で
あって、ピットンフタ１２は、カウンタ１１のシフトを
行わすにカウンタ１１の数値の２０の桁から２１１の桁
の１２ビツトをそのまま出力する。このときには、アッ
テネータ１３の減衰量は最大値になっている。その減衰
量は、後述する桁シフト量か“７”の場合を１として減
衰なしの状態とすると、シフト桁数（１９ビット−１２
ビ、ト＝７）との関係で２７倍（ゲインとすれば１／１
２８）まて加減算回路３の差値の出力を減衰させる値で
ある。

第２図（ａ）にビットシフタ１２の入出力とシフト制御
との関係を示すが、この実施例では、最大７ビツトシフ
ト制御であるので、シフト制御信号は３ビツトで済む。

この３ビツトはデータ制御装置１から出力されてビット
シフタ１２に制御信号として入力される。その桁シフト
量を示す３ビツトは、２０　２１　　２２の重み付けし
た１６進上の値として“１〜７”までに対応する２進数
であって、その値と出力との関係を示すのが同図（ｂ）
である。

そこで、シフト制御を行うシフト制御信号の３ビツトが
２進数で“０００”のとき、すなわち、桁シフト量が“
０”のときにはシフトがなしで前述したようにカウンタ
１１の２０〜２１１　の値がビットシフタ１２からその
まま出力されるが、この３ビツトが“００１”のとき、
すなわち、桁シフト量が“１”のときには１桁シフトさ
れ、その出力がビットシフタ１２から出力されてカウン
タ１１の２１〜２ｔ　２の値がＤ／Ａ変換回路１０にセ
ットされる。以下同様にして、第２図（ｂ）に小すよう
にビットシフタ１２から桁シフト量の値に応じた桁の値
が発生し、３ビツトが“１１１”のとき、すなわち、桁
シフト量が“７”のときには７桁シフトがなされ、その
出力としてピットンフタ１２からカウンタ１１の２７〜
２１８の値が出力される。

このようなビットシフタ１２の出力値を１２ビツトのＤ
／Ａ変換回路１０でアナログ値に変換すれば、現在位置
のデータが２Ｎで圧縮されたことになり、Ｄ／Ａ変換回
路１０のカウンタ１１に対する分解能がそれに応じて変
化する。言い換えれば、分解能をｎ■変にできる。また
、このとき同時にフィードバンク側のゲインが圧縮に応
じた率で低減する。

分解能については、例えば、桁シフト量が“７”のとき
、ピットンフタ１２のＬＳＢ　（最小ビット位置）は、
カウンタ１１の２７に対応し、これがそのままＤ／Ａ変
換回路１０のＬＳＢとなるので、］）／Ａ変換回路１０
のカウンタに対する分解能は２７＝１２８ｄｅｇとなる
。もし、カウンタが１ビット＝０．１μｍの位置分解能
とすれば、１２８Ｘ０．１＝１２．８μｍの分解能が得
られる。

一方、Ｄ／Ａ変換回路１０は、１２ビツトであるので、
その最大可変範囲は、１２．８　Ｘ　２”＝５２４２８
．８μｍとなり、これにより従来回路の第４図と比べて
広範囲の位置制御ができることになる。

このような桁シフト量に対応して制御される範囲と最小
制御分解能との関係を示すのが第３図であって、フィー
ドバックゲインは、桁シフト量が“７”のときにこれを
基準にこの相対値を“１”として小している。また、カ
ウンタ１１の１ビツトを０．１μｍとしている。

以上のようにすれば、第３図に示すように、位置制御可
能な範囲は、最大で約５２．５ｉｎｓもなり、従来回路
の４０９．６μｍに比べ１２８倍も拡大したものとなる
。

また、位置決め精度は、最初、シフト量を“７”として
、粗（位置決めをした後にシフトを“７”より小さい値
、あるいは“０”にまで下げれば、最小分解能０．１μ
ｍで位置決めすることができる。そこで、このような切
換えをデジタル制御装置１の制御で行うことで、１２ビ
ットＤ／Ａ変換回路を用いたときの従来回路と、同等の
位置決め精度が得られる。

デジタル制御装置１は、このような切換制御を行うプロ
グラムを格納しており、ピットンフタ１２を目標位置に
応じて段階的切替える制御する。

また、デジタル制御装置１は、このような制御において
目標位置が決定されたときには、前記桁シフト量の値Ｎ
に対応して目標位置のデータを２Ｎで割った値をＤ／Ａ
変換回路２に設定する。そして、アッテネータ１３もビ
ットシフタ１２の制御値（シフト量）の切換えに対応し
て同時にデジタル制御装置１により同じ数値を除数とし
てその減衰量（２７−Ｎ）か段階的に制御される。した
がって、０．１μｍの精度で制御を行う場合にはデジタ
ル制御装置１は、少なくとも二段階以上のステップで除
数に応じて目標位置の値を割った値をＤ／Ａ変換回路２
にデータセットを行う制御をすることになる。

ここで、アッテネータ１３を挿入している理由は、カウ
ンタ１１の現在位置に対してシフト量を可変することは
、制御的にはフィードバックのゲインを変えたことと同
様となるからである。それは、第３図に示すように、桁
シフト量“７”を基準としたとき、桁シフト量“０”の
ときのフィードバックゲインは２７倍（＝１２８倍）と
なる。

前記の実施例では、このフィードバックゲインの増減量
を前記アッテネータ１３の減衰量の増減で打ち消し、ル
ープ全体のゲインが変わらないようにするものである。

言い換えれば、この制御系のフィードバックゲインが桁
シフト量が“０”のときに基準のゲインに設定されてい
るとすれば、桁シフト量“７”のときには、フィードバ
ック側ゲインが１／１２８まで低下するので、減衰量を
小さくして伝達関数に対応するループゲインを大きく採
り、この低下したゲインを補正するように制御するもの
である。すなわち、桁シフト量が上に１桁増加すること
に２乗倍つつフィードバック側のゲインが減少するので
、アッテネータ１３により逆に同じ倍率だけ減衰量を低
減させて開ループゲインを上げて、フィードバックを持
つモータ制御ループ全体のゲインを元の状態に戻す。こ
のことによりこのモータ制御回路のループにおける伝達
関数を一定に保ことかできる。

このようにすることでビットシフタ１２によりビットシ
フトしてカウンタ１１の値を割り算した値で制御しても
桁シフトを行わない状態と同じ制御見解が保持できる。

なお、この実施例では、ビット７フタ１２をシフトする
ことで１ビツトの重みを換えて距離の値を圧縮して変え
、その圧縮に応じてアッテネータ１３の減衰量を選択し
て対応して拡大し、ループ全体のゲインの変化がないよ
うに打ち消す制御をしているが、これは、第３図に示す
ようにビット７フタ１２のソフトによるビ、ト重みの圧
縮に応じて増幅率を換えて、それを打ち消すように増幅
する制御であってもよい。したがって、アッテネータ１
３をそのまま増幅器に置き換えることができる。

以上説明してきたが、実施例では、ビットシフタを用い
て説明したが、これは、現在位置を示すカウンタの値を
割り算する割り算回路であればよい。また、位置決め精
度や分解能にこだわらなければ、単に、移動範囲、スキ
ャン範囲等を拡大するだけでよ（、そのような場合には
、フィードバックゲインの増減を補正するアッテネータ
（あるいは増幅器）は、必ずしも割り算回路の割り算の
除数に対応させる必要はない。要するに、この発明は、
現在位置を示すフィードバック系に挿入されたカウンタ
の値をその圧縮に応じて減衰回路（アンプでも可）の減
衰量を選択して拡大し、ゲインの変化を打ち消すように
制御すればよい。

実施例では、双方向の制御になるようにエンコーダが方
向性のあるパルスを発生する例を挙げているが、これは
、一方向の制御であってもよいことはもちろんである。

また、実施例では、目標位置側と現在位置側のＤ／Ａ変
換回路のビット数が同じとなっているが、これらは一致
していなくてもよい。

［発明の効果コ 以上の説明から理解できるように、この発明にあっては
、現在位置を示すカウンタの値をＤ／Ａ変換回路のビッ
ト数より大きな値とすることで、移動機構における位置
決め制御範囲を大きく採り、割り算回路と減衰回路とを
設け、割り算回路によりカウンタの値を割ってそれをＤ
／Ａ変換回路ヘセットすることにより実際の数値を除数
で割った分だけデータを圧縮し、圧縮した値で目標位置
と現在位置との差値を算出し、その圧縮値した差値に対
して減衰回路の減衰量を除数に対応して低減して逆方向
へ差値を拡大することにより圧縮によるフィードバック
ゲインの減少を補正して適正なモータ制御ループ全体の
ゲインを確保し、モータの制御を行うようにしているの
で、現在位置や目標位置を圧縮する分だけ位置決め制御
範囲を拡大することができる。

また、以上の制御回路は、差値を算出する回路やモータ
駆動回路、そしてフィードバック回路がハードウェア構
成であるので、応答速度も速（、高速な追従性を実現で
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明の移動機構のモータ制御回路を超音
波顕微鏡のスキャナの位置制御を行うモータ制御回路に
適用した場合のブロック図、第２図は、その構成要素の
１つであるビットシフタの動作の説明図、第３図は、そ
の単位制御距離とビットシフト量、制御範囲との関係の
説明図、第４図は、従来の移動機構のモータ制御回路の
ブロック図である。 １・・・デジタル制御装置、２．１０・・・Ｄ／Ａ変換
回、３・・・アッテネータ、４・・・アンプ、５・・・
モータ駆動制御回路、６・・・モータ、７・・・エンコ
ーダ、８・・・２相りロック変換回路、９．１１・・・
カウンタ、１２・・・ビットノフタ。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）目標位置として設定される第１のデジタル値とモ
   ータ側から得られる現在の位置を示す第２のデジタル値
   との差に応じたアナログの制御信号を発生してモータを
   駆動制御する移動機構のモータ制御回路において、第１
   のデジタル値を受けるｎビット（ただし、ｎは２以上の
   整数）の第１のＤ／Ａ変換回路と、第２のデジタル値を
   受けるｍビット（ただし、ｍは２以上の整数）の第２の
   Ｄ／Ａ変換回路と、前記モータから所定の移動量を示す
   信号を受けてこれをカウントし、現在の位置を示すにビ
   ット（ただし、ｋはｋ＞ｍである整数）のカウンタと、
   このカウンタの値を第１の制御信号に応じた除数で割り
   算して第２のＤ／Ａ変換回路に割った結果値を送る割り
   算回路と、第１のＤ／Ａ変換回路と第２のＤ／Ａ変換回
   路との出力の差を受けてそれを第２の制御信号に応じた
   所定の減衰量で減衰させる減衰回路と、この減衰回路の
   出力を受けるモータ駆動回路とを備え、第１のＤ／Ａ変
   換回路には第１のデジタル値を前記除数により割り算し
   たデジタル値が設定され、第１の制御信号により制御さ
   れる前記除数の値に応じて変化するモータ制御ループ全
   体のゲインを第２の制御信号により前記減衰量を選択す
   ることにより打ち消すように制御することを特徴とする
   移動機構のモータ制御回路。
2. （２）第２の制御信号により制御される減衰量が割り算
   回路の除数に一致する値で割られた値に設定されること
   を特徴とする請求項１記載の移動機構のモータ制御回路
   。
3. （３）減衰回路は増幅回路で構成され、減衰率は増幅率
   が選択されることにより設定されることを特徴とする請
   求項１又は２記載の移動機構のモータ制御回路。
4. （４）カウンタは、アップダウンカウンタであり、移動
   量は単位移動距離を示すものであり、差は、正負に方向
   性のある値であり、割り算回路はカウンタの値の桁を上
   下にシフトするビットシフタであることを特徴とする請
   求項１乃至３のうちから選択された１項記載の移動機構
   のモータ制御回路。