KR101547291B1 - 액추에이터 구동장치와 이를 포함하는 단말장치 및 그 제어방법 - Google Patents

액추에이터 구동장치와 이를 포함하는 단말장치 및 그 제어방법 Download PDF

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박중완
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Abstract

액추에이터 구동장치와 이를 포함하는 단말장치 및 그 제어방법에 관한 것이다. 액추에이터 구동장치는, 액추에이터를 구동하는 구동부와; 액추에이터 구동을 위한 타겟 위치에 대응하여 외부로부터 입력되는 입력신호와 현재 위치에 대응하는 위치정보신호의 오차의 크기에 따라 결정된 기준 이득에 응답하여 구동부가 제어되도록 액추에이터 구동신호를 생성 및 출력하는 PID 제어기를 포함하며, PID 제어기는 기설정된 시간 동안 기준 이득을 증폭시켜 증폭된 이득에 따라 구동부를 제어한다. 이에 의하여, PID 제어기가 일시적으로 기준 이득을 증폭시켜, 세틀링 타임을 줄이고 오토포커스의 성능 향상을 도모시킬 수 있다.

Description

액추에이터 구동장치와 이를 포함하는 단말장치 및 그 제어방법{DRIVING APPARATUS FOR ACTUATOR, IMAGING APPARATUS AND CONTRILLING METHOD THEREOF}
본 발명은 액추에이터 구동장치와 이를 포함하는 단말장치 및 그 제어방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 PID 제어기를 이용하는 액추에이터 구동장치와 이를 포함하는 단말장치 및 그 오류 검출방법에 관한 것이다.
휴대폰과 같은 단말장치의 카메라 모듈에는 렌즈의 위치를 변화시켜서 특정 피사체에 대한 초점을 맞추는 오토 포커스(Auto Focus: AF) 기능이 지원될 수 있다.
통상적으로 소형 카메라 모듈에서의 오토 포커스는, 액추에이터(Actuator)를 이용하여 렌즈의 위치를 이동시켜 렌즈와 이미지 센서 간의 거리를 조정함으로써 이루어진다. 액추에이터는 액추에이터를 구동하기 위한 구동장치 즉, 드라이버(Driver)로부터 구동신호를 입력받으며, 드라이버로부터 입력된 구동신호에 따라 렌즈를 이동시킨다.
액추에이터 드라이버의 구동방식으로는 액추에이터의 입력신호와 위치정보의 오차에 따라 PID(Proportional Integral Derivative, 비례-적분-미분) 제어기의 이득(gain)을 조절하는 방식을 적용할 수 있다.
PID 제어기를 이용하는 경우, 중력, 정지마찰력, 무게 등의 영향으로 정지해 있는 렌즈가 최초로 이동되기까지의 데드 타임(dead time), 관성에 의해 발생하는 오버슈트(overshoot) 등으로 인해, 액추에이터가 타겟 위치 범위에 도달하기까지 소정 시간 즉, 세틀링 타임(settling time)이 소요된다.
그런데, 이 세틀링 타임은 오토 포커스의 속도에 직접적으로 영향을 미치기 때문에, 세틀링 타임이 길어지는 경우 오토 포커스의 속도가 느려지는 문제점이 발생할 수 있다. 특히, 정밀한 오토 포커스를 위해 프레임을 읽어 들이는 구간이 세분화된 경우 오토 포커스가 느려지는 문제는 더욱 심화될 수 있으며, 나아가 오토 포커스의 성능에 악영향을 미치는 문제점이 발생할 수 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 PID 제어기가 기설정된 시간 동안 기준 이득을 증폭시켜 구동장치를 제어하는 방식으로, 일부 구간에서 기준 이득보다 높은 이득을 유지함으로써, 세틀링 타임을 줄이고 오토포커스의 속도를 향상시킬 수 있는 액추에이터 구동장치와 이를 포함하는 단말장치 및 그 제어방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 액추에이터의 입력신호와 위치정보신호의 오차의 크기에 따라 일시적으로 기준 이득을 증폭하는 게인 부스트(gain boost) 방식을 적용함으로써 세틀링 타임을 감소시켜, 오토 포커스의 성능 향상을 도모할 수 있는 액추에이터 구동장치와 이를 포함하는 단말장치 및 그 제어방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 또 다른 목적은 PID 제어기의 초기 구동의 데드 타임의 일부 구간에 최대 게인을 적용하는 오버 드라이브를 통해 구동장치가 직접 액추에이터의 위치 제어에 관여함으로써, 오토 포커스 반응 속도를 향상시킬 수 있는 액추에이터 구동장치와 이를 포함하는 단말장치 및 그 제어방법을 제공하는 것이다.
상기 목적은, 액추에이터를 구동하는 구동부와; 액추에이터 구동을 위한 타겟 위치에 대응하여 외부로부터 입력되는 입력신호와 현재 위치에 대응하는 위치정보신호의 오차의 크기에 따라 결정된 기준 이득에 응답하여 구동부가 제어되도록 액추에이터 구동신호를 생성 및 출력하는 PID 제어기를 포함하며, PID 제어기는 기설정된 시간 동안 기준 이득을 증폭시켜 증폭된 이득에 따라 구동부를 제어하는 액추에이터 구동장치에 의해 달성될 수 있다.
입력신호는 액추에이터에 의해 위치가 이동되는 렌즈의 렌즈위치 타겟값에 대응하며, 위치정보신호는 렌즈의 현재 위치의 렌즈위치 검출값에 대응할 수 있다.
렌즈위치 타겟값은 카메라 모듈의 오토 포커스 알고리즘에 의해 결정되며, 렌즈위치 검출값은 액추에이터의 일측에 마련된 위치센서에 의해 검출될 수 있다.
PID 제어기는 오차의 크기가 기설정된 이동 거리에 대응하는 기준값보다 큰 경우, 기준 이득을 증폭할 수 있다.
PID 제어기는 기설정된 시간을 제외한 다른 구간에서는 기준 이득에 따라 구동부를 제어할 수 있다.
PID 제어기는 입력신호가 인가되는 구동 초기에 기준 이득을 증폭할 수 있다.
PID 제어기는 기준 이득을 기설정된 증폭 배수로 기설정된 증폭 유지시간 동안 증폭하며, 배수 및 증폭 유지시간은 오차의 크기에 대응하여 미리 설정 및 저장될 수 있다.
PID 제어기는 구동 초기 데드 타임 구간의 적어도 일부에 대응하는 증폭 유지시간 동안 기준 이득을 최대로 증폭하며, 증폭 유지시간은 미리 설정 및 저장될 수 있다.
한편, 상기 목적은, 액추에이터 구동을 위한 타겟 위치에 대응하는 입력신호와 현재 위치에 대응하는 위치정보신호가 수신되는 단계와; 입력신호와 위치정보신호의 오차의 크기에 따라 기준 이득을 결정하는 단계와; 기준 이득을 증폭시켜 기설정된 시간 동안 증폭된 이득에 응답하여 액추에이터가 구동되도록 액추에이터 제어신호를 생성 및 출력하는 단계와; 상기 기설정된 시간이 경과하면, 기준 이득에 응답하여 액추에이터가 구동되도록 액추에이터 제어신호를 생성 및 출력하는 단계를 포함하는 액추에이터 구동장치의 제어방법에 의해서도 달성될 수 있다.
입력신호는 액추에이터에 의해 위치가 이동되는 렌즈의 렌즈위치 타겟값에 대응하며, 위치정보신호는 렌즈의 현재 위치의 렌즈위치 검출값에 대응할 수 있다.
렌즈위치 타겟값은 카메라 모듈의 오토 포커스 알고리즘에 의해 결정되며, 렌즈위치 검출값은 액추에이터의 일측에 마련된 위치센서에 의해 검출될 수 있다.
오차의 크기와 기설정된 이동 거리에 대응하는 기준값을 비교하는 단계와; 비교 결과, 오차의 크기가 기준값보다 큰 경우, 기준 이득을 증폭하도록 결정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
증폭된 이득에 대응하는 액추에이터 제어신호를 생성 및 출력하는 단계는, 입력신호가 인가되는 구동 초기에 기준 이득을 증폭할 수 있다.
증폭된 이득에 대응하는 액추에이터 제어신호를 생성 및 출력하는 단계는, 기준 이득을 기설정된 증폭 배수로 기설정된 증폭 유지시간 동안 증폭하며, 배수 및 증폭 유지시간은 오차의 크기에 대응하여 미리 설정 및 저장될 수 있다.
증폭된 이득에 대응하는 액추에이터 제어신호를 생성 및 출력하는 단계는, 구동 초기 데드 타임 구간의 적어도 일부에 대응하는 증폭 유지시간 동안 기준 이득을 최대로 증폭하며, 증폭 유지시간은 미리 설정 및 저장될 수 있다.
한편, 상기 목적은, 렌즈를 통해 투과된 영상을 감지하는 이미지 센서와;
이미지 센서를 통해 수신된 화상을 처리하며, 오토 포커스 알고리즘이 저장되는 이미지 처리부와; 렌즈를 이동시키는 액추에이터와; 액추에이터를 구동하는 구동부와; 오토 포커스를 위한 렌즈의 타겟 위치에 대응하여 이미지 처리부로부터 입력되는 입력신호와 렌즈의 현재 위치에 대응하는 위치정보신호의 오차의 크기에 따라 결정된 기준 이득에 응답하여 구동부가 제어되도록 액추에이터 구동신호를 생성 및 출력하는 PID 제어기를 포함하며, PID 제어기는 기설정된 시간 동안 기준 이득을 증폭시켜 증폭된 이득에 따라 구동부를 제어하는 단말장치에 의해서도 달성될 수 있다.
PID 제어기는 오차의 크기가 기설정된 이동 거리에 대응하는 기준값보다 큰 경우, 기준 이득을 증폭할 수 있다.
PID 제어기는 기설정된 시간을 제외한 다른 구간에서는 기준 이득에 따라 구동부를 제어할 수 있다.
PID 제어기는 입력신호가 인가되는 구동 초기에 기준 이득을 증폭할 수 있다.
PID 제어기는 기준 이득을 기설정된 증폭 배수로 기설정된 증폭 유지시간 동안 증폭하며, 배수 및 증폭 유지시간은 오차의 크기에 대응하여 미리 설정 및 저장될 수 있다.
PID 제어기는 구동 초기 데드 타임 구간의 적어도 일부에 대응하는 증폭 유지시간 동안 기준 이득을 최대로 증폭하며, 증폭 유지시간은 미리 설정 및 저장될 수 있다.
상기한 바와 같이, 본 발명에 따른 액추에이터 구동장치와 이를 포함하는 단말장치 및 그 제어방법은 PID 제어기가 기설정된 시간 동안 기준 이득을 증폭시켜 구동장치를 제어하는 방식으로, 일부 구간에서 기준 이득보다 높은 이득을 유지함으로써, 세틀링 타임을 줄이고 오토포커스의 속도를 향상시킬 수 있다.
구체적으로, 액추에이터의 입력신호와 위치정보신호의 오차의 크기에 따라 일시적으로 기준 이득을 증폭하는 게인 부스트(gain boost) 방식을 적용함으로써 세틀링 타임을 감소시켜, 오토 포커스의 성능 향상을 도모할 수 있다.
또한, PID 제어기의 초기 구동의 데드 타임의 일부 구간에 최대 게인을 적용하는 오버 드라이브를 통해 짧은 시간 동안 높은 에너지를 인가하는 방식으로 구동장치가 직접 액추에이터의 위치 제어에 관여함으로써, 오토 포커스 반응 속도가 향상되는 효과가 있다.
도 1은 본 발명 일실시예에 따른 단말장치의 구성을 도시한 블록도이며,
도 2 및 도 3은 본 발명 실시예에 따른 액추에이터 구동장치의 동작을 설명하기 위한 블록도이며,
도 4는 본 발명 실시예에서의 PID 제어 과정에 따른 액추에이터의 이동을 도시한 그래프이며,
도 5는 이득 변경에 따른 액추에이터의 이동을 비교하여 도시한 그래프이며,
도 6은 본 발명 제1실시예에 따른 PID 제어 과정을 도시한 흐름도이며,
도 7 내지 도 9는 도 6의 PID 제어에서 오차의 크기에 따른 증폭 배수의 결정을 설명하기 위한 그래프이며,
도 10은 본 발명 제2실시예에 따른 PID 제어 과정을 도시한 흐름도이며,
도 11은 종래기술에 따른 액추에이터의 이동 및 전류의 레벨을 도시한 그래프이며,
도 12는 도 10의 제어에 따른 액추에이터의 이동 및 전류의 레벨 변화를 도시한 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 관하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명 실시예에 따른 단말장치(10)의 구성을 도시한 블록도이다.
본 발명의 단말장치(10)는 영상이 투과되는 렌즈(110)가 구비된 휴대폰이나, 휴대용 멀티미디어 장치, 모바일 기기, 디지털 카메라 등의 촬상장치(Imaging Apparatus)로 구현될 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명 실시예의 단말장치(10)는 카메라 모듈(100), 액추에이터 구동장치(200)(이하, 구동장치 라고도 한다), 이미지 처리부(300)를 포함한다.
카메라 모듈(100)은 영상이 투과되며 오토 포커스를 위해 그 위치가 이동되는 렌즈(110), 렌즈(110)로부터 입력되는 영상을 검출하여 전기적인 영상신호로 출력하는 이미지 센서(120), 렌즈(110)의 위치를 이동시키는 렌즈 이동수단이 되는 액추에이터(130) 및 렌즈(110)의 현재 위치를 검출하는 위치센서(140)를 포함한다.
이미지 센서(120)는 렌즈를 통해 투과된 영상을 감지하며, 본 발명의 이미지 센서는 CCD/CMOS 이미지 센서로 구현될 수 있다.
위치센서(140)는 이동하는 렌즈(110)의 현재 위치를 검출하고, 그 위치에 대응하는 렌즈위치 검출값을 생성 및 출력한다. 렌즈위치 검출값은 후술하는 PID 제어기(210)에 입력되는 위치정보신호에 대응될 수 있다.
위치센서(140)는 홀 센서(Hall Sensor), PI(Photo Interrupter) 등으로 구현가능하며, 본 실시예에서는 위치센서(140)가 홀 센서로 구현된 것을 일례로 한다. 위치센서(140)는 검출된 렌즈 위치에 상응하는 아날로그 신호(예를 들어, 전압값)를 변환하여, 디지털 형식의 렌즈위치 검출값으로 변환하는 아날로그/디지털 변환기(A/D converter)(미도시)를 더 포함할 수 있다.
구동장치(200)는 액추에이터(130)를 구동하기 위한 장치로서, PID 제어기(210) 및 PID 제어기(210)에 의해 구동되는 구동부(이하, PID 구동부 또는 드라이버(driver) 라고도 함)(220)를 포함한다. PID 제어기(210)는 후술하는 입력신호와 위치정보신호의 오차에 따라 PID(Proportional Integral Derivative, 비례-적분-미분) 각각의 이득(gain)이 제어된다. 본 실시예의 구동장치(200)는 실제 카메라 모듈이 포함된 단말장치에서 IC 형태로 구현될 수 있다.
이미지 처리부(300)는 이미지 센서(120)로부터 입력되는 영상신호에 대해 다양한 이미지 처리를 수행한다. 이미지 처리부(300)는 이미지 신호 프로세서(Image Signal Processor: ISP)로 구현될 수 있으며, 본 실시예의 이미지 처리부(300)에는 오토 포커스 알고리즘(310)이 내장될 수 있다.
오토 포커스는 렌즈(110)의 위치를 이동시켜, 렌즈(110)와 이미지 센서(120) 사이의 거리를 변동시키면서 이미지 센서(120)로부터 복수의 영상 프레임을 획득하고, 이미지 처리부(300)에서 복수의 영상 프레임 각각의 선명도를 분석하여 선명도가 최대인 프레임을 검출한 렌즈(110)의 위치를 오토 포커스를 위한 렌즈 위치로 결정하는 방식으로 이루어질 수 있다.
이 때, 렌즈(110)는 렌즈 이동수단인 액추에이터(130)에 의해 위치가 이동되며, 액추에이터(130)는 구동부(220)에서 전달되는 액추에이터 구동신호에 의해 구동한다.
PID 제어기(210)는, 위치센서(140)에서 생성된 렌즈위치 출력값과 오토 포커스를 위한 렌즈위치 타겟값(target)(또는 목표값)을 비교하여 렌즈(110) 즉, 액추에이터(130)의 이동 방향을 결정한다. 또한, 구동부(220)는, PID 제어기(210)에 의해 결정된 이동방향으로 렌즈(110)가 이동되도록 액추에이터(130)를 구동하기 위한 액추에이터 구동신호를 생성한다.
렌즈위치 검출값은 전술한 위치센서(140)에서 검출된 현재 렌즈 위치에 대한 정보를 갖는 신호이며, 렌즈위치 타겟값은 이미지 처리부(300) 등에 내장된 오토 포커스 알고리즘(310)에 의해 결정될 수 있다. 오토 포커스 알고리즘(310)은, 피사체에 대해 포커스를 달성할 수 있는 렌즈 위치를 자동 연산하여 그 위치에 해당하는 정보를 갖는 신호인 렌즈위치 타겟값을 생성 및 출력한다.
PID 제어기(210)는, 렌즈위치 검출값(이하, 현재 위치 라고도 한다)과 렌즈위치 타겟값(이하, 타겟 위치 라고도 한다)을 서로 비교하여 액추에이터(130)의 이동 방향을 결정하여 구동부(220)가 렌즈의 위치를 적절하게 이동할 수 있게 한다.
도 2 및 도 3은 본 발명 실시예에 따른 액추에이터 구동장치(200)의 동작을 설명하기 위한 블록도이다.
도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, PID 제어기(210)는 렌즈(110)의 오토포커스를 위한 렌즈위치 타겟값에 대응하는 입력신호와 현재 렌즈위치에 대응하는 렌즈위치 검출값에 대응하는 위치정보신호를 입력받고, 그 오차의 크기에 따라 이득(gain)이 결정된다.
본 실시예의 액추에이터(130)는 도 2와 같이 렌즈(110)의 일측에 위치하는 마그넷(131)을 포함할 수 있다. 위치센서(140)는 렌즈(110)의 위치 변경에 따른 마그넷(131)의 자기장 변화를 인식하며, 그에 따라 렌즈(110)의 현재 위치에 대응하는 위치정보신호가 검출될 수 있다.
구동부(220)는 PID 제어기(210)에서 결정된 이득에 대응하여 OUTA와 OUTB를 통해 액추에이터(130)를 '+' 혹은 '-' 방향으로 움직이게 하는 제어신호를 생성 및 출력한다. 액추에이터(130)는 제어신호에 따라 렌즈(110)의 위치를 이동시킨다.
그리고, PID 제어기(210)는 위치가 이동된 렌즈(110)에 대하여 검출된 위치정보신호를 피드백받고, 다시 입력신호와 비교하여 이득을 재결정한다.
도 2에 도시된 본 발명의 실시예과 같이 PID 제어기(210)가 입력신호와 위치정보신호를 비교하여, 구동부(220)의 입력으로 출력하는 시스템을 클로즈 루프 시스템(Close Loop System) 또는 클로즈 루프 타입이라고 한다. 이러한 클로즈 루프 시스템은 오픈 루프 시스템(Open Loop System) 또는 오픈 루프 타입과 비교하여, 선형성(Linearity), 정확도(Accuracy), 반복성(Repeatability)이 향상되는 장점이 있다.
도 3을 참조하면, PID 제어기(210)는 입력신호와 위치정보신호의 오차의 크기에 응답하여 출력값(PID_OUT)이 결정되며, 그 출력값은 구동부(220)를 제어하여 위치정보신호를 변경시켜, 오차를 줄이는 방향으로 진행된다. 따라서, 점차적으로 오차의 크기가 감소되고 결과적으로 '0'에 수렴될 수 있다.
PID 제어기(210)는 도 3과 같이 비례(Proportional)-적분(Integral)-미분(Derivative)에 해당하는 각 성분의 이득을 조절하는 방식으로 제어동작을 수행한다. 각 성분의 주요 작용은 다음과 같다.
비례(Proportional, P-control): 현재 상태에서의 오차의 크기에 비례한 제어작용
적분(Integral, I-control): Steady-State 에서 오차를 감소시키는 작용
미분(Derivative, D-control): 출력의 급격한 변화에 대해 제동을 걸어 Overshoot 감소 작용
여기서, P-control, I-control, D-control은 각각의 이득(Kp, Ki, Kd)을 가지고 있으며, 그 각각의 이득 조절에 따라 최적의 응답속도를 가지는 시스템 구현이 가능할 수 있다.
도 4는 본 발명 실시예에서의 PID 제어 과정에 따른 액추에이터의 이동을 도시한 그래프이고, 도 5는 이득 변경에 따른 액추에이터의 이동을 비교하여 도시한 그래프이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 오토 포커스가 실행되면, 오토 포커스 알고리즘(310)에 의해 렌즈(110)의 타겟 위치가 결정된다. 구동장치(200)는 렌즈(110)가 현재 위치로부터 타겟 위치에 도달하도록 액추에이터(130)를 이동시킨다. 이를 위해 PID 제어기(210)는 이득을 결정하고, 구동부(220)는 PID 제어기(210)에서 결정된 이득에 대응하여 액추에이터(130)를 구동 즉. 이동이 제어된다.
여기서, 액추에이터(130)의 이동에 따라 도 4와 같은 복수의 구간들(periods)이 구분될 수 있다.
데드 타임(dead time) 구간은 PID 제어기(210)에 의한 제어의 개시 시점부터 액추에이터(130) 즉, 렌즈(110)가 최초로 이동되기까지의 시간에 해당한다. 액추에이터(130)는 중력, 정지마찰력, 무게 등의 영향으로 정지 상태에서 최초로 이동되기까지 소정의 힘을 필요로 하며, 이에 따라 소정의 프리로드(preload) 시간이 발생하게 된다. 이 프리로드 시간에 대응하는 것이 데드 타임 구간이며, 데드 타임은 액추에이터(130), 카메라 모듈(100) 내 렌즈(110)의 결합에 사용되는 각종 부품들 등이 자체적으로 가지는 편차 등에 의해 결정될 수 있다.
라이징 타임(rising time) 구간은 액추에이터(130)의 구동에 따라 렌즈(110)가 이동을 개시한 후 타겟 위치의 10% 지점으로부터 90% 지점까지 이동하는 시간에 해당한다. 라이징 타임은 P-control 및 I-control 각각의 이득 제어를 통해 단축될 수 있다. 여기서, 도 4와 같이 타겟 위치의 90% 지점으로부터 110% 지점에 해당하는 범위(range)를 타겟 범위로 설정할 수 있다. 도 4의 실시예에서는 타겟 범위가 타겟 위치의 10% 편차에 대응되게 설정된 경우를 예로 들어 설명하고 있지만, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니다.
오버슈트(overshoot) 구간은 렌즈(110)의 위치가 타겟 범위를 벗어나는 구간으로서, 관성에 의해 발생할 수 있다. 오버슈트는 D-control의 이득 제어로 감소시킬 수 있다.
세틀링 타임(settling time) 구간은 PID 제어 개시 시점으로부터 렌즈(110)의 위치가 타겟 범위 내에 들어올 때까지의 시간에 해당한다.
렌즈(110)의 위치가 타겟 범위 내로 들어오면, 안정 상태(steady state)에 도달한다. 안정상태에서는 렌즈(110)가 타겟 위치에 수렴하기는 하지만, 소정 에러(error)가 존재할 수 있다. 따라서, PID 제어기(210)는 I-control 이득 제어를 통해 제어는 지속적으로 수행한다.
이에 따라, PID 제어에서는 세틀링 타임에 의해 오토 포커스 속도 즉, 성능이 결정될 수 있으며, 오토 포커스의 성능 향상을 위해서는 세틀링 타임을 단축시킬 필요가 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 이득(PID gain)이 커질수록 타겟 위치로의 도달 속도는 증가한다. 하지만, 이득이 큰 경우 오버슈트의 영향이 커질 수 있으므로, 타겟 범위 내로 수렴 즉, 안정상태를 유지하기까지의 세틀링 타임은 오히려 더 길어질 수 있다. 따라서, 세틀링 타임이 감소될 수 있도록 도 5와 같이 PID 이득을 1x(정규화, Normalize)로 설정하는 것이 일반적이다.
여기서, 정규화된 1x PID 이득을 기준 이득 또는 기준 PID 이득이라고 하며, 기준 이득은 오토 포커스 알고리즘(310)에 따른 타겟 위치에 대응하여 PID 제어기(210)에서 결정된다.
본 실시예에서 기준 이득은 정지마찰력, 중력 등과 같은 액추에이터 고유 특성을 고려하여 결정되며, 이렇게 정의된 기준 이득을 PID 1x로 정규화한다. 본 발명 실시예에서는 위와 같이 정의된 PID 기준 이득을 사용하되, 세틀링 타임을 단축 시키기 위해 이를 조정하여 적용하게 된다.
본 발명 실시예에서는 PID 제어기(210)가 기설정된 시간 동안 일시적으로 PID 이득을 기준 이득보다 증폭시킴으로써, 전체 구간에서 PID 기준 이득 즉, 1x로 유지하는 정규화의 경우보다 세틀링 타임을 더 단축할 수 있다.
도 6은 본 발명 제1실시예에 따른 PID 제어 과정을 도시한 흐름도이고, 도 7 내지 도 9는 도 6의 PID 제어에서 오차의 크기에 따른 증폭 배수의 결정을 설명하기 위한 그래프이다.
도 6에 도시된 제1실시예에 따라 PID 이득의 일시적으로 증폭하는 방식을 게인 부스트(gain boost) 방식이라고 한다.
제1실시예의 게인 부스트 방식에서 독립변수는 입력신호와 위치신호의 차이값 즉, 오차의 크기이고, 제어변수는 게인 부스트를 위한 이득의 크기 및 이득 증폭의 지속시간이 된다. 제1실시예는, 액추에이터(130)의 고유 특성에 따라, 제어변수를 적절히 변경하여 최적의 액추에이터 위치 제어가 가능하게 된다.
도 6에 도시된 바와 같이, PID 제어가 개시되면 입력신호와 위치정보신호에 기초하여 타겟 위치에 대한 기준 이득이 결정된다(S601). 여기서, 기준 이득은 액추에이터 고유 특성을 고려하여 결정되는 정규화된 PID 1x로 정의된다.
PID 제어기(210)는 입력신호와 위치정보신호를 입력받아 비교하고(S602), 그 오차의 크기를 연산할 수 있다(S603).
그리고, 단계 S603에서 연산된 오차의 크기에 따라 PID 이득의 증폭 즉, 게인 부스트 수행 여부를 결정한다(S604). 예를 들어, 제어신호의 1 비트(bit) 당 이동거리가 0.4 μm 라고 한다면, 오차의 크기에 대응하는 거리가 20μm 이상인 경우에만, 제1실시예에 따른 PID 증폭이 수행되도록 결정될 수 있다. 여기서, 게인 부스트 수행 여부를 결정하는 거리는 20μm에 한정되지 않으며, 20-50μm의 범위에서 다양하게 설정될 수 있으며, 경우에 따라 20-50μm 범위를 벗어나도록 설정되는 것도 가능하다.
단계 S604에서 게인 부스트를 수행하도록 결정되면, PID 제어기(210)는 PID 이득이 기준 이득보다 기설정된 배수(multiple)로 증폭되도록 결정할 수 있다(S605). 또한, PID 제어기(210)는 단계 S605의 PID 이득의 증폭제어가 수행되는 증폭 유지시간을 결정한다(S606).
단계 S605에서의 증폭 배수 및 단계 606에서의 증폭 유지시간은 실험 결과에 따라 미리 설정될 수 있다.
예를 들어, 도 7과 같이, 입력신호(Db)와 위치정보신호(D0) 간의 오차가 오차1(Db-D0)에 해당하는 경우, 증폭 배수는 1.5, 증폭 유지시간은 2ms로 결정될 수 있다.
구체적으로, 도 7에 도시된 바와 같이, 오차1의 경우, 전체 구간에서 기준 이득을 유지하는 경우(a, 기준 PID 이득 적용 1x), 세틀링 타임은 t1이다.
반면, 증폭 배수 1.5를 2ms 동안 적용하는 경우(b, 1.5x PID gain boost), 세틀링 타임은 t1에 비해 단축된 t2 가 됨을 확인할 수 있다. 또한, 증폭 배수 2.0을 2ms 동안 적용하는 경우(c, 2.0x PID gain boost), 오버슈트가 발생함에 따라 세틀링 타임은 t1 보다도 늦은 t3 가 된다.
따라서, 오차1의 경우 증폭 배수는 1.5, 증폭 유지시간은 2ms로 결정되는 것이 바람직하다.
여기서, 도 8에서 결정된 최적의 증폭 배수 1.5는 오차 1에 해당하는 것으로, 오차의 크기 즉, 입력신호와 위치정보신호 간의 오차의 크기에 따라 다르게 결정될 필요가 있다.
예를 들어, 오차1에 대응하여 결정된 증폭 배수 1.5를 도 8에 도시된 바와 같이, 오차2 및 오차0의 경우에 적용하는 경우, 세틀링 타임이 길어지는 경우가 발생할 수 있다.
구체적으로, 입력신호(Da)와 위치정보신호(D0) 간의 오차가 오차0(Da-D0)에 해당하는 경우, 증폭 배수 1.5, 증폭 유지시간 2ms를 적용하면, 오버슈트가 발생하면서 세틀링 타임은 t2에 비하여 상당히 지연된 t2′가 된다. 또한, 입력신호(Dc)와 위치정보신호(D0) 간의 오차가 오차2(Dc-D0)에 해당하는 경우, 증폭 배수 1.5, 증폭 유지시간 2ms를 적용하면, 오차1의 경우 보다 천천히 타겟 위치에 도달하므로, 세틀링 타임은 t2에 비하여 지연된 t2″가 된다.
따라서, 본 발명 실시예에서는 타겟 위치에 대응하는 입력신호와 현재 위치에 대응하는 위치정보신호의 오차의 크기에 따라 서로 다른 최적의 증폭 배수를 적용한다.
구체적으로, 도 7 및 도 9에 도시된 바와 같이, 입력신호(Db)와 위치정보신호(D0) 간의 오차가 오차1(Db-D0)에 해당하는 경우, 증폭 배수는 1.5 증폭 유지시간은 2ms로 결정될 수 있다.
여기서, 도 9와 같이, 입력신호(Dc)와 위치정보신호(D0) 간의 오차가 오차2(Dc-D0)에 해당하는 경우, 증폭 배수는 1.8 증폭 유지시간은 2ms로 결정될 수 있다. 또한, 입력신호(Da)와 위치정보신호(D0) 간의 오차가 오차0(Da-D0)에 해당하는 경우, 증폭 배수는 1.2 증폭 유지시간은 2ms로 결정될 수 있다.
이렇게 오차의 크기에 대응하여 서로 다른 증폭 배수를 적용한 경우, 세틀링 타임은 거의 동일한 t2를 가질 수 있으며, 이에 따라 세틀링 타임이 단축되는 결과를 확인할 수 있다.
한편, 도 7 내지 도 9과 관련된 본 발명 실시예에서는 증폭 유지시간은 2ms로 동일하게 유지하고 PID 기준 이득의 증폭되는 정도(증폭 배수)를 조절하는 방식으로 세틀링 타임이 단축되는 경우를 예로 들어 설명하였으나, 본 발명은 증폭 유지시간을 조절하여 세틀링 타임을 단축 즉, 향상시키도록 구현될 수 있다. 아울러, 기준 이득의 증폭되는 정도 및 증폭 유지시간을 모두 조절하는 경우도 본 발명에 포함될 수 있을 것이다.
이러한 입력신호와 위치정보신호의 오차에 대응하는 증폭 배수 및 증폭 유지시간은 미리 설정되어 단말장치(10) 내의 메모리(미도시) 예를 들어, 구동장치(200)나, 이미지 처리부(300) 등에 저장될 수 있다. 여기서, 도 9에서 확인할 수 있는 바와 같이, 오차의 크기가 클수록 증폭 배수가 높게 설정될 수 있다.
PID 제어기(210)는 단계 S605 및 단계 S606에서 결정된 배수 및 유지시간에 기초하여, 유지시간 동안 게인 부스트를 활성화한다(S607).
그리고, 단계 S607에서 게인 부스트가 활성화된 상태로 구동부(220)를 제어한다(S608).
단계 S607 및 S608에서와 같이 게인 부스트의 활성화가 유지되는 상태에서, 단계 S606에서 결정된 증폭 유지시간이 경과하면, PID 제어기(210)는 게인 부스트를 종료한다(S609).
그리고, PID 제어기(210)는 단계 S601에서 결정된 기준 PID 이득으로 PID 각각의 이득을 조절하고(S610), 이에 따른 출력값으로 구동부(220)를 제어하게 된다(S611).
도 6 및 도 7에 도시된 제1실시예에서는 PID 제어 개시 후 구동 초기 기설정된 일부 구간에서만 게인 부스트에 의해 이득을 증폭시킴으로써, 결과적으로 세틀링 타임을 단축시켜, 액추에이터의 반응속도를 단축시켜, 오토 포커스의 성능을 보다 향상시킬 수 있게 된다. 또한, PID 이득의 증폭 크기와 유지시간을 조절함으로써, 빠르고 정확한 제어가 가능하다.
한편, 도 6에서는 단계 S603 및 S604에서 입력신호와 위치정보신호의 오차가 설정값 이상인 경우에만 게인 부스트를 적용하는 경우, 즉 오토 포커스를 위해 이동되는 렌즈의 이동거리가 짧은 경우에는 게인 부스트를 적용하지 않는 경우를 예로 들어 도시하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 오차의 크기에 관계없이 일부 구간에서 게인 부스트가 적용되는 경우도 본 발명에 포함된다.
도 10은 본 발명 제2실시예에 따른 PID 제어 과정을 도시한 흐름도이고, 도 11은 종래기술에 따른 액추에이터의 이동 및 전류의 레벨을 도시한 그래프이고, 도 12는 도 10의 제어에 따른 액추에이터의 이동 및 전류의 레벨 변화를 도시한 그래프이다.
도 10에 도시된 제2실시예에 따라 PID 이득의 일시적으로 증폭하는 방식을 오버 드라이브(over drive) 방식이라고 한다.
제2실시예의 오버 드라이브 방식에서 독립변수는 입력신호와 위치정보신호의 차이값 또는 정지 후 입력신호의 인가 시점이 되며, 제어변수는 PID 제어기(210)의 출력과 상관없이 구동부(220)를 직접 제어한다.
도 10에 도시된 바와 같이, PID 제어가 개시되면 입력신호와 위치정보신호에 기초하여 타겟 위치에 대한 기준 이득이 결정된다(S801). 여기서, 기준 이득은 액추에이터 고유 특성을 고려하여 결정되는 정규화된 PID 1x로 정의된다.
PID 제어기(210)는 렌즈(110)의 타겟 위치에 대응하는 입력신호를 입력받게 된다(S802).
그리고, 단계 S802에서의 입력신호 입력에 응답하여 PID 이득의 증폭 즉, 오버 드라이브 수행 여부를 결정한다(S803). 여기서, 오버 드라이브는 PID 이득을 최대로 증폭(full gain)하여 구동부(220)가 직접 액추에이터(130)의 위치 제어에 관여하는 것으로, 오버 드라이브 구간에서는 PID 제어기(210)가 위치정보신호와 관계없이 최대 이득으로 구동된다는 점에서 오픈 루프 시스템과 유사한 방식으로 동작한다.
단계 S803에서 오버 드라이브를 수행하도록 결정되면, PID 제어기(210)는 오버 드라이브가 수행되는 증폭 유지시간(또는 오버 드라이브 유지시간)을 결정한다(S804). 본 발명 제2실시예에서는 구동 초기 데드 타임 구간의 적어도 일부 예를 들어, 2ms 가 오버 드라이브 유지시간으로 결정될 수 있으며, 유지기간으로 결정되어 오버 드라이브를 수행하는 구간이 도 9의 오버 드라이브 구간에 해당한다.
이러한 오버 드라이브 유지시간은 미리 설정되어 단말장치(10) 내의 메모리(미도시) 예를 들어, 구동장치(200)나, 이미지 처리부(300) 등에 저장될 수 있다.
PID 제어기(210)는 단계 S804에서 결정된 유지시간에 기초하여, 유지시간 동안 오버 드라이브를 활성화한다(S805).
그리고, 단계 S805에서 오버 드라이브가 활성화된 상태로 구동부(220)를 제어한다(S806).
단계 S805 및 S806에서와 같이 오버 드라이브의 활성화가 유지되는 상태에서, 단계 S804에서 결정된 증폭 유지시간이 경과하면, PID 제어기(210)는 오버 드라이브를 종료한다(S807).
그리고, PID 제어기(210)는 단계 S801에서 결정된 기준 PID 이득으로 PID 각각의 이득을 조절하고(S808), 이에 따른 출력값으로 구동부(220)를 제어하게 된다(S810).
도 10 및 도 12에 도시된 제2실시예에서는 PID 제어 개시 후 초기 일부 구간에서만 높은 전류를 인가하는 오버 드라이브에 의해 이득을 증폭시켜, 정지마찰력을 최소의 시간으로 벗어나 데드 타임을 단축하여 타겟 위치에 도달할 수 있도록 함으로써, 결과적으로 세틀링 타임을 단축시켜, 액추에이터의 반응속도를 단축시켜, 오토 포커스의 성능을 보다 향상시킬 수 있게 된다. 이러한 본 발명의 제2실시예는 짧은 시간 동안 인가되는 높은 에너지를 이용하는 것으로, 액추에이터의 정지마찰력이 큰 경우에 적용되는 것이 바람직할 수 있다.
도 11과 도 12를 비교하면, 본 발명 제2실시예에 따른 도 12의 경우가 도 11과 비교하여 초기에 높은 레벨의 전류가 인가되고, 이에 데드 타임이 단축되는 효과가 있음을 확인할 수 있다.
한편, 도 10에서는 단계 S802 및 단계 S803에서 입력신호가 인가되는 시점에 오버 드라이브를 예로 들어 도시하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, 제1실시예와 같이 입력신호와 위치정보신호의 오차가 설정값 이상인 경우, 즉 오토 포커스를 위해 이동되는 렌즈의 이동거리가 긴 경우에만 오버 드라이브를 적용하는 경우도 본 발명에 포함될 수 있다.
상기와 같은 본 발명 실시예에서는 오토 포커스를 지원하는 카메라 모듈을 포함하는 단말장치의 액추에이터 구동장치를 예로 들어서 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 본 발명은 PID 제어기를 포함하는 구동장치에 의해 액추에이터를 구동하는 모터 등에도 적용 가능할 것이다.
이상, 바람직한 실시예를 통하여 본 발명에 관하여 상세히 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며 특허청구범위 내에서 다양하게 실시될 수 있다.
10: 단말장치 100: 카메라 모듈
110: 렌즈 120: 이미지 센서
130: 액추에이터 140: 위치센서
200: 구동장치 210: PID 제어기
220: 구동부 300: 이미지 처리부
310: 오토 포커스 알고리즘

Claims (8)

  1. 액추에이터 구동장치에 있어서,
    상기 액추에이터를 구동하는 구동부와;
    상기 액추에이터 구동을 위한 타겟 위치에 대응하여 외부로부터 입력되는 입력신호와 현재 위치에 대응하는 위치정보신호의 오차의 크기에 따라 결정된 기준 이득에 응답하여 상기 구동부가 제어되도록 액추에이터 구동신호를 생성 및 출력하는 PID 제어기를 포함하며,
    상기 PID 제어기는 기설정된 시간 동안 상기 기준 이득을 증폭시켜 상기 증폭된 이득에 따라 상기 구동부를 제어하며,
    상기 PID 제어기는 상기 기준 이득을 기설정된 증폭 배수로 기설정된 증폭 유지시간 동안 증폭하며, 상기 배수 및 상기 증폭 유지시간은 상기 오차의 크기에 대응하여 미리 설정되는 것을 특징으로 하는 액추에이터 구동장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 PID 제어기는 상기 오차의 크기가 기설정된 이동 거리에 대응하는 기준값보다 큰 경우, 상기 기준 이득을 증폭하는 것을 특징으로 하는 액추에이터 구동장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 PID 제어기는 상기 기설정된 시간을 제외한 다른 구간에서는 상기 기준 이득에 따라 상기 구동부를 제어하는 것을 특징으로 하는 액추에이터 구동장치.
  4. 삭제
  5. 액추에이터 구동장치에 있어서,
    상기 액추에이터를 구동하는 구동부와;
    상기 액추에이터 구동을 위한 타겟 위치에 대응하여 외부로부터 입력되는 입력신호와 현재 위치에 대응하는 위치정보신호의 오차의 크기에 따라 결정된 기준 이득에 응답하여 상기 구동부가 제어되도록 액추에이터 구동신호를 생성 및 출력하는 PID 제어기를 포함하며,
    상기 PID 제어기는 기설정된 시간 동안 상기 기준 이득을 증폭시켜 상기 증폭된 이득에 따라 상기 구동부를 제어하며,
    상기 PID 제어기는 상기 입력신호가 인가되는 구동 초기 데드 타임 구간의 적어도 일부에 대응하는 증폭 유지시간 동안 상기 기준 이득을 최대로 증폭하는 것을 특징으로 하는 액추에이터 구동장치.
  6. 액추에이터 구동장치의 제어방법에 있어서,
    상기 액추에이터 구동을 위한 타겟 위치에 대응하는 입력신호와 현재 위치에 대응하는 위치정보신호가 수신되는 단계와;
    상기 입력신호와 상기 위치정보신호의 오차의 크기에 따라 기준 이득을 결정하는 단계와;
    상기 기준 이득을 증폭시켜 기설정된 시간 동안 상기 증폭된 이득에 응답하여 상기 액추에이터가 구동되도록 액추에이터 제어신호를 생성 및 출력하는 단계와;
    상기 기설정된 시간이 경과하면, 상기 기준 이득에 응답하여 상기 액추에이터가 구동되도록 액추에이터 제어신호를 생성 및 출력하는 단계를 포함하며,
    상기 증폭된 이득에 대응하는 액추에이터 제어신호를 생성 및 출력하는 단계는, 상기 기준 이득을 기설정된 증폭 배수로 기설정된 증폭 유지시간 동안 증폭하며,
    상기 배수 및 상기 증폭 유지시간은 상기 오차의 크기에 대응하여 미리 설정되는 것을 특징으로 하는 액추에이터 구동장치의 제어방법.
  7. 삭제
  8. 액추에이터 구동장치의 제어방법에 있어서,
    상기 액추에이터 구동을 위한 타겟 위치에 대응하는 입력신호와 현재 위치에 대응하는 위치정보신호가 수신되는 단계와;
    상기 입력신호와 상기 위치정보신호의 오차의 크기에 따라 기준 이득을 결정하는 단계와;
    상기 기준 이득을 증폭시켜 기설정된 시간 동안 상기 증폭된 이득에 응답하여 상기 액추에이터가 구동되도록 액추에이터 제어신호를 생성 및 출력하는 단계와;
    상기 기설정된 시간이 경과하면, 상기 기준 이득에 응답하여 상기 액추에이터가 구동되도록 액추에이터 제어신호를 생성 및 출력하는 단계를 포함하며,
    상기 증폭된 이득에 대응하는 액추에이터 제어신호를 생성 및 출력하는 단계는, 상기 입력신호가 인가되는 구동 초기 데드 타임 구간의 적어도 일부에 대응하는 증폭 유지시간 동안 상기 기준 이득을 최대로 증폭하는 것을 특징으로 하는 액추에이터 구동장치의 제어방법.
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