KR102464255B1 - 피에조 모터 동작을 위한 이중 모드 이동 제어 시스템 및 방법 - Google Patents

피에조 모터 동작을 위한 이중 모드 이동 제어 시스템 및 방법 Download PDF

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피직 인스트루멘테 (페이) 게엠베하 운트 코. 카게
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Abstract

스틱-슬립 피에조 모터를 제어하기 위한 이동 제어 시스템 및 방법이, 기계적 장치를 이동시키기 위해서, 전자 제어기 및 아날로그 드라이버를 포함한다. 디지털 회로 모드에서 동작할 때, 전자 제어기는 스틱-슬립 피에조 모터를 저속으로 이동시키도록 디지털-대-아날로그 변환기를 제어한다. 더 빠른 아날로그 회로 모드에서 동작할 때, 전자 제어기는, 아날로그 드라이버를 통해서, 아날로그 하드웨어 회로를 제어하여 스틱-슬립 피에조 모터를 고속으로 이동시키도록 동작된다. 전자 제어기는 피에조 모터의 시동 시에 디지털 회로 모드로 동작한다.

Description

피에조 모터 동작을 위한 이중 모드 이동 제어 시스템 및 방법
관련 출원에 대한 상호 참조
본원은 2018년 3월 29일자로 출원되고 그 전체 내용이 참조로 본원에 포함되는 유럽 특허출원 제18164871.8호에 대한 우선권을 주장한다.
본 발명은 스틱-슬립 피에조 모터(stick-slip piezo motor)를 위한 이동 제어 시스템 및 방법에 관한 것이다.
스틱-슬립 피에조 모터가 종래 기술로부터 알려져 있다. 스틱-슬립 압전 모터의 하나의 예가 미국 특허 공개 제2015/0076965호에서 개시되어 있다. 물리적 구조물이 커플링 패드 및 마찰 패드를 포함한다.
다른 스틱-슬립 피에조 모터가 2017년 4월 24일자로 출원된 국제 PCT 출원 제PCT/IB2017/000554호에서 개시되어 있다. 압전 모터는, 후퇴 위치와 연장 위치 사이의 이동을 위해서, 피에조 스택(piezo stack) 및 스트립을 갖는다. 패드가 작동 표면과 결합되고, 스프링 헤드가 각각의 패드와 결합될 수 있다.
일 실시예에서, 스틱-슬립 피에조 모터의 동작을 위한 이동 제어 시스템이 빠른 동작 속력에서 고속 파형을 제공하기 위한 아날로그 하드웨어 회로, 아날로그 하드웨어 회로를 구동하기 위한 아날로그 드라이버, 및 느린 동작 속력에서 저속 파형을 제공하기 위해서 디지털 신호를 아날로그 신호로 변환하기 위한 디지털-대-아날로그 변환기를 포함한다. 이동 제어 시스템은 아날로그 하드웨어 회로로부터의 출력 및 디지털-대-아날로그 변환기로부터의 출력 중 하나를 선택하기 위한 모드 스위치, 그리고 아날로그 드라이버, 아날로그 하드웨어 회로, 디지털-대-아날로그 변환기, 및 모드 스위치와 통신하는 전자 제어기를 더 포함한다. 전자 제어기는: 저속 파형을 출력하도록 디지털-대-아날로그 변환기를 제어하도록, 아날로그 하드웨어 회로를 구동하여 고속 파형을 출력하게 아날로그 드라이버를 제어하도록, 그리고 고속 파형을 아날로그 하드웨어 회로로부터 피에조 모터로 제공하게 또는 저속 파형을 디지털-대-아날로그 변환기로부터 피에조 모터로 제공하게 모드 스위치를 제어하도록 구성된다.
다른 실시예에서, 운동이 선택된 때 기계적 장치를 이동시키기 위해서 전자 제어기 및 아날로그 드라이버로 스틱-슬립 피에조 모터를 제어하기 위한 방법이 제공된다. 그러한 방법은 스틱-슬립 피에조 모터를 저속으로 이동시키기 위해서 전자 제어기로 디지털 회로 모드에서 동작하는 단계, 및 스틱-슬립 피에조 모터를 고속으로 이동시키기 위해서 전자 제어기 및 아날로그 드라이버로 아날로그 회로 모드에서 선택적으로 동작하는 단계를 포함한다. 전자 제어기는 피에조 모터의 시동 시에 디지털 회로 모드로 동작한다.
상세한 설명 및 첨부 도면을 고려함으로써, 본 발명의 다른 양태가 명확해질 것이다.
도 1은 이동 제어 시스템의 실시예에 대한 블록도이다.
도 2는 디지털 회로 모드와 아날로그 회로 모드 사이의 이중 모드 이동 제어의 동작을 위한 실시예에 대한 흐름도이다.
도 3은 일 실시예에 대한 속도 프로파일을 보여주는 그래프이다.
도 4는 일 실시예에서 이동 제어 시스템이 디지털 회로 모드에서 동작하는 때에 대한 작은 경사 파형을 도시한다.
도 5는 일 실시예에서 이동 제어 시스템의 동작 모드들에 대한 작은 경사 파형 및 고속 파형을 도시한다.
도 6은 고속 파형을 제공하기 위해서 아날로그 회로 모드에서 동작하는 실시예의 흐름도를 도시한다.
도 7은, 방전 스위치를 제어하는 아날로그 드라이버로부터의 펄스에 의해서 커패시터의 방전이 제공되는, 실시예에 대한 파형을 도시한다.
임의의 실시예를 구체적으로 설명하기에 앞서서, 실시예가, 그 출원에서, 이하의 설명에서 기술되는 또는 이하의 도면에서 도시되는 구성 및 구성요소의 배열에 관한 상세 내용으로 제한되지 않는다는 것을 이해하여야 한다. 다른 실시예가 여러 가지 방식으로 실시 또는 실행될 수 있다. 또한, 본원에서 사용된 표현 및 용어가 설명의 목적을 위한 것이고 제한적인 것으로 간주되지 않아야 한다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 본원에서 "포함하는(including)", "포함하는(comprising)" 또는 "갖는(having)" 및 이들의 변형의 사용은 이후에 나열된 항목 및 그 등가물 및 추가 항목을 포함하는 것을 의미한다. 달리 특정되거나 달리 제한되지 않는 경우에, "장착된", "연결된", "지지된", 및 "커플링된"이라는 용어 그리고 그 변형은 넓은 의미로 사용되고, 직접적 및 간접적 장착, 연결, 지지 및 커플링 모두를 포함한다. 또한, "연결된" 및 "커플링된"은 물리적 또는 기계적 연결 또는 커플링으로 제한되지 않는다.
도 1은 이중 모드 이동 제어 시스템(10)의 블록도를 도시한다. 이중 모드 이동 제어 시스템(10)은, 전자 제어기(20)에 입력을 제공하는 사용자 인터페이스(14)를 포함한다. 전자 제어기(20)는 입/출력(I/O) 인터페이스(22), 프로세서(24), 및 메모리(26)를 포함한다. 프로세서(24)는 비-휘발성 메모리(26) 내에 저장된 명령어를 실행하도록 구성된다.
도 1은, 다수의 장치들에 연결되고 I/O 인터페이스(22)를 통해서 제어기(20)의 프로세서(24)와 통신하는 아날로그 드라이버(28)를 도시한다. 일 실시예에서, 아날로그 드라이버(28)는 응용 주문형 집적 회로(ASIC)이다. 다른 실시예에서, 아날로그 드라이버(28)는, 디지털 신호 프로세서(DSP)의 구성요소로서 프로세서(24)와 조합된 아날로그 회로소자(circuitry)이다. 아날로그 드라이버(28)는 프로세서(24)보다 빠른 속력으로 동작하도록 구성된다.
도 1에 도시된 전자 제어기(20)가 다수의 프로세서, 부가적인 컴퓨터-판독 가능 메모리, 다수의 I/O 인터페이스, 및/또는 부가적인 구성요소 또는 모듈(예를 들어, 하드웨어, 소프트웨어, 또는 그 조합)을 포함할 수 있다는 것을 이해하여야 한다.
도 1에 도시된 프로세서(24)는 적어도 아날로그 드라이버(28)로부터 정보를 수신하고, 전자 제어기(20)의 메모리(26) 내에 저장된 ("프로그램"으로도 지칭될 수 있는) 하나 이상의 소프트웨어 모듈을 위한 명령어를 실행하는 것에 의해서 정보를 프로세스한다. 프로세서(24)는 정보를 저장하고, 메모리(26)로부터의 정보 및 프로세서(24)에 의해서 실행된 프로그램에 의해서 생성된 정보를 검색한다. 메모리(26)는 비-일시적 메모리 및 휘발성 메모리, 또는 그 조합을 포함한다. 비-일시적 메모리가 컴퓨터 판독될 수 있다. 여러 구성에서, 메모리(26)는 또한 동작 시스템 소프트웨어, 애플리케이션/명령어 데이터, 및 그 조합을 저장할 수 있다. 다른 실시예에서, 응용 주문형 집적 회로(ASIC)가 프로세서(24)의 동작을 실시한다.
도 1에 도시된 이중 모드 이동 제어 시스템(10)은 디지털 회로 모드에서의 동작을 위한 디지털-대-아날로그 변환기(DAC)(30)를 포함한다. 일 실시예에서, DAC(30)는, 전자 제어기(20)로부터 디지털 입력을 수신하고 저속 파형으로서 아날로그 출력 신호를 신호 라인(32)에 제공하는 16 비트 장치이다. 따라서, DAC(30)는 디지털 신호를 아날로그 신호로 변환하기 위해서 제공된다.
이중 모드 이동 제어 시스템(10)은 아날로그 출력 신호를 고속 파형으로서 제공하기 위한 아날로그 하드웨어 회로(40)를 포함한다. 아날로그 하드웨어 회로(40)는 고속 경사 생성기(42)를 포함한다. 고속 경사 생성기(42)는 방전 스위치(S1), 전류 공급원(44), 및 기준 커패시터(46)를 포함한다. 전류 공급원(44)은 기준 커패시터(46)와 직렬이다. 방전 스위치(S1)는 기준 커패시터(46)와 병렬로 접지에 연결된다. 제어 신호 라인(50)은, 전류 공급원(44)을 제어하기 위해서, 아날로그 드라이버(28)로부터 제어 신호를 제공한다. 제어 신호 라인(54)은 아날로그 드라이버(28)로부터 방전 스위치(S1)로 제어 신호를 제공한다. 방전 스위치(S1)는 개방/폐쇄 또는 온/오프 스위치이다.
도 1에 도시된 아날로그 하드웨어 회로(40)는, 전류 공급원(44)과 기준 커패시터(46) 사이에 있는 제어 신호 라인(68)에 대한 입력 전기 연결을 갖는 인버터(64)를 갖는 경사 인버터 회로(60)를 포함한다. 경사 인버터 회로(60)는, 인버터(64)의 출력부에 연결된 제1 입력 연결부 및 신호 라인(68)에 연결된 제2 입력 연결부를 갖는 이동 방향 스위치(motion direction switch)(S2)를 포함한다. 따라서, 이동 방향 스위치(S2)는 구동 신호의 출력을 선택적으로 제공하기 위한 2개의 입력 연결부를 갖는다. 마지막으로, 이동 방향 스위치(S2)는 제어 신호 라인(69)을 통해서 아날로그 드라이버(28)로부터 제어 입력을 수신한다.
아날로그 하드웨어 회로(40)는, 신호 라인(68) 상에서 신호에 대한 전압 레벨을 감지하기 위한 조정 가능한 전압 레벨 센서(70)를 포함한다. 조정 가능한 전압 레벨 센서(70)는, 감지된 전압 값과의 비교를 위해서, 신호 라인(71) 상에서 아날로그 드라이버(28)로부터 미리 규정된 또는 선택된 전압 레벨 값을 수신한다. 전압 레벨 센서(70)는, 미리 규정된 전압 레벨 값을 초과할 때, 신호 라인(72) 상에서 아날로그 드라이버(28)에 출력을 제공한다.
도 1에 도시된 이중 모드 이동 제어 시스템(10)은 모드 스위치(S3)를 포함하고, 모드 스위치(S3)는 이동 방향 스위치(S2)로부터 출력을 수신하는 신호 라인(76)에 연결된 입력부, 및 DAC(30)의 출력 신호 라인(32)으로부터 신호를 수신하는 입력 연결부를 갖는다. 마지막으로, 모드 스위치(S3)는, 제어 신호 라인(82)을 통해서 전자 제어기(20)로부터 제어 신호를 수신하는 제어 입력 연결부를 포함한다.
도 1에 도시된 이중 모드 이동 제어 시스템(10)은 모드 스위치(S3)를 통해서 수신된 출력 신호를 증폭하기 위한, 출력 신호 라인(88)을 갖는 증폭기(84)를 더 포함하고, 증폭된 출력을 출력 신호 라인(88) 상에서 피에조 모터(90)에 제공한다.
전자 제어기(40)는 적어도 아날로그 드라이버(28), 아날로그 하드웨어 회로(40), 디지털-대-아날로그 변환기(30), 및 모드 스위치(S3)와 통신한다.
일부 실시예에서, 전자 제어기(20)는, 메모리(26)에 의해서 또는 사용자 인터페이스(14)로부터의 입력에 의해서 제공된 계산 및 프로그래밍된 정보를 기초로, 피에조 모터(90)를 위한 위치를 결정한다. 따라서, 전자 제어기(20)는, 위치 인코더가 없는 개방 루프 시스템으로 동작한다.
다른 실시예에서, 도 1에 도시된 위치 인코더(94)는 피에조 모터(90) 및 그와 연관된 기계적 장치의 물리적 위치 데이터를 결정한다. 물리적 위치 데이터를 신호 라인(98) 상에서 전자 제어기(20)에 제공하도록, 위치 인코더가 연결된다.
동작
일 실시예에서, 동작 시에, 도 1에 도시된 이중 모드 이동 제어 시스템(10)은 도 2에 도시된 흐름도(100)에 의해서 묘사된 방식으로 스틱-슬립 피에조 모터를 제어하기 위한 방법을 실행한다. 시동 동작 시에, 전자 제어기(20)는, 새로운 이동 명령이 제공되었는지의 여부를 결정한다(단계(104)). 사용자 인터페이스(14)로부터 수신된 명령을 고려할 때 이동 및 방향을 갖는 새로운 궤적이 요구되는 경우에, 프로세서(24)는 명령을 프로세스하거나 달리 동작하여 이동 프로파일을 생성한다(단계(108)). 이동 프로파일의 하나의 예는 도 3에 도시된 사다리꼴 속도 프로파일이다. 그러한 프로파일은, 압전 모터(90)에 의해서 기계적 장치의 미리 결정된 또는 계산된 운동에 상응한다. 도 3에 도시된 속도 프로파일은 수직 방향의 속도 및 수평 방향의 시간을 포함한다. 도 3은, 저속으로부터 고속으로의 전환 속도 임계값(V1)에 도달할 때까지, 디지털 회로 모드에서의 DAC(30)의 동작을 도시한다. 미리 규정된 동작 속력 또는 속도 임계값(V1)에 도달하면, 모드 스위치(S3)와 함께, 아날로그 드라이버(28) 및 아날로그 하드웨어 회로(40)를 이용하는 것에 의해서, 이중 모드 이동 제어 시스템의 전자 제어기(20)가 아날로그 회로 모드로 스위칭된다. 압전 모터(90)가 최대 속력에 도달하였고 기계적 장치를 특정 거리로 이동시켰을 때, 아날로그 회로 모드가 감속되기 시작한다. 고속으로부터 저속으로의 전환 속도 임계값(V2)에 도달하면, 전자 제어기(20)는 디지털 회로 모드로 다시 스위칭된다. 일 실시예에서, 속도 임계값(V2) 또는 미리 규정된 동작 속력은 속도 임계값(V1)보다 작다.
도 2를 다시 참조하면, 새로운 궤적을 생성한(단계(108)) 후에, 전자 제어기는 운동을 위한 다음 목표 위치(단계(112)) 및 새로운 목표 속도(단계(116))를 계산한다. 이어서, 프로그램은, 목표 속도가 속도 임계값(V1) 이상인 값에 상응하는지의 여부를 결정한다(단계(120)). 초기에, 속도는 느리다. 그에 따라, 전자 제어기(단계(120))는 다음 전압 레벨을 계산하는 것으로 진행하고(단계(124)), 이어서 출력을 위한 희망 압전 전압을 설정한다(단계(128)). 그 후에, 제어기(20)는 DAC(30)로부터 입력을 수신하도록 모드 스위치(S3)를 설정하거나, DAC(30)에 연결된 모드 스위치를 유지한다(단계(132)). 그 후에, DAC(30)로부터의 전압이 모드 스위치(S3)를 통해서 증폭기(84)에 제공된다(단계(136)). 증폭기(88)는, 연관된 기계 장치의 이동을 위해서, 구동 전압을 압전 모터(90)에 제공한다.
제어기(20)의 프로세서(24)에 의해서 실행되는 프로그램으로 복귀한다(단계(104)). 새로운 이동 명령이 생성되지 않음에 따라(판단 단계(104)), 프로세서(24)는 다음 목표 위치(단계(112)) 및 이어서 새로운 증가된 속도(단계(116))를 계산하는 것으로 복귀한다. 속도가 임계값(V1) 미만으로 유지됨에 따라(단계(120)), 프로세서(24)는 단계들(단계(124, 128, 132, 126))로 진행하고 그러한 단계들을 반복한다. 도 4에 도시된 시간에 걸친 전압 증가로 설명되는 일 실시예에서 도시된 바와 같이, DAC(30)가 그 출력을 증분적으로 증가시킴에 따라, 흐름도를 통한 각각의 복귀에서, 전압 출력이 다소 계단식으로 증가된다. 따라서, DAC(30)는 도 4에 도시된 저속 파형을 획득하기 위한 저속 경사 생성기로서 동작한다. 디지털 회로 모드의 동작에서, DAC(30)는 최대 전압이 획득될 때까지 구동되고, 이어서 전압 출력이 리셋된다. 압전 모터(90)의 동작에서, 리셋은 슬립에 상응한다. 도 5의 일부는 DAC(30)에 의한 파형 출력을 도시하고, 여기에서 속력이 증가되어, 제1 파형보다 훨씬 더 신속하게 제2 파형(W2)을 생성한다. DAC(30)는, 디지털 신호를 아날로그 신호로 변환하는 것 그리고 파형을 모드 스위치(S3)를 통해서 증폭기(84)에 제공하는 것에 의해서, 저속 경사 생성기로서 동작한다. 피에조 모터(90)는 기계적 장치를 이동시키기 위한 파형을 수신한다.
디지털 회로 모드로부터 아날로그 회로 모드로의 스위칭
경사의 속도가 도 3의 속도 임계값(V1) 초과로 증가되는 경우는 도 5의 시간(t1)에 상응한다. 도 2에서, 프로세서(24)는 고속 임계값(V1)을 결정하고, 고속 또는 아날로그 회로 모드로 진행하도록 스위칭한다(판단 단계(120)). 이어서, 아날로그 드라이버(28)를 통해서, 프로세서(24)는 전류 공급원(44)을 설정한다(단계(140)). DAC(30)는 전력을 수신하지 않는다. 전류 공급원(44)은, 아날로그 드라이버(28)로부터의 신호에 응답하여, 선택된 전류를 출력한다. 모드 스위치(S3)가 아날로그 하드웨어 회로의 출력을 수신하도록 이미 설정되어 있지 않은 경우에, 프로세서(24)는 아날로그 하드웨어 회로(40)의 출력을 수신하도록 모드 스위치(S3)를 설정하는 것(단계(144))으로 진행한다. 이어서, 고속 경사 생성기(42)가 동작한다(단계(150)).
고속 동작
고속 경사 생성기(42)를 포함하는 아날로그 하드웨어 회로(단계(150))에 의한 고속 경사 생성이 도 6에서 서브루틴(subroutine)으로서 도시되어 있다. 따라서, 피드백 루프를 포함하는 동작 단계(150))의 특징이 도 6에 도시되어 있다. 동작 시에, 전류 공급원(44)은 기준 커패시터(46)를 충전한다. 경사 레벨이 전압 임계값에 도달하지 않았을 때, 프로그램은 단계(152)로 복귀하고, 기준 커패시터(46)의 충전이 계속된다. 기준 커패시터(46)에서 충전된 전압이 신호 라인(71) 상에서 아날로그 드라이버(28)로부터 제공된 전압 이상이라는 것을 조정 가능한 레벨 센서(70)가 감지할 때, 희망 전압 임계값이 얻어진다(단계(152)). 기준 커패시터(46) 상의 전압이 임계값에 도달할 때, 전압 레벨 센서(70)는 피드백 제어 신호를 아날로그 드라이버(28)에 제공한다. 아날로그 드라이버(28)는, 기준 커패시터를 방전하는 것에 의해서, 아날로그 하드웨어 회로(40)를 구동한다(단계(154)). 기준 커패시터(46)의 방전은, 도 7에 도시된 파형에서 설명되는 바와 같이, 방전 스위치(S1)를 제어하는 아날로그 드라이버(28)로부터의 펄스에 의해서 제공된다. 이어서, 아날로그 드라이버(28)는 경사 지속시간을 결정하고(단계(156)), 속력 오류를 계산한다(단계(158)). 속력 오류는 전류 공급원을 조정하기 위해서 이용된다(단계(160)). 단계(152 내지 160)는 이중 모드 이동 제어 시스템(10)의 프로세서(24)의 속력보다 훨씬 더 빠른 속력으로 반복된다. 도 5에 도시된 시간(t1)과 시간(t2) 사이에서, 고속 경사 생성이 발생된다. 도 5에 도시된 속력보다 훨씬 더 빠른 경사 생성 속력이 예상된다.
도 2를 다시 참조하면, 도 6의 흐름도를 통한 많은 수의 반복 후에, 프로그램은 또한 압전 모터(90)의 동작을 위한 정방향/역방향 조건을 결정한다(판단 단계(170)). 역방향이 선택될 때, 이동 방향 스위치(S2)가 스위칭되어(단계(174)), 출력을 인버터(64)로부터 스위치(S2, S3)를 통해서 증폭기(84)에(단계(136)) 그리고 압전 모터(90)에 제공한다. 정방향이 선택될 때(단계(178)), 이동 방향 스위치(S2)는 위치를 유지하거나, 신호 라인(68)이 출력을 스위치(S2, S3)를 통해서 증폭기(84)에 제공하도록 스위칭된다(단계(136)). 이어서, 도 2에 도시된 프로그램이 단계(104)에서 반복된다.
아날로그 회로 모드로부터 디지털 회로 모드로의 스위칭
이중 모드 이동 제어 시스템(10)이 도 2에서 고속 경사로부터 저속 경사로 스위칭할 때(단계(120))의 경우에, 경사의 속도는, 도 5의 시간(t2)에 상응하는, 도 3의 속도 임계값(V2) 미만으로 감소된다. 프로그램은 다음 전압 레벨을 계산하고(단계(124)), DAC(30)에 대한 희망 압전 전압을 설정한다. 그리고 모드 스위치(S3)는 저 채널 출력(low channel output)으로 스위칭된다(단계(132)). 디지털 회로 모드는 전술한 방식으로 동작한다. 도 3에 도시된 바와 같이, 속도 임계값(V2)은 속도 임계값(V1)보다 작다.
이중 모드 이동 제어 시스템(10)은, 피에조 모터(90)가 제1의 미리 규정된 속력으로 구동될 때 디지털 회로 모드로부터 아날로그 회로 모드로 전환하는 방법을 실시한다. 시스템 또는 방법은, 피에조 모터(90)가 제1의 미리 규정된 속력 또는 속도보다 느린 제2의 미리 규정된 속력 또는 속도로 아날로그 회로 모드에서 구동될 때, 아날로그 회로 모드로부터 디지털 회로 모드로 전환한다.
저속 경사 신호를 제공하는 디지털 회로 모드에서, 프로세서(24)는 각각의 서보 사이클 중에 희망 신호 레벨을 실시간으로 계산한다. 이러한 배열은, 수치적(부동 소수점(floating point)) 분해능 및 DAC(30)의 분해능에 의해서만 제한되는, 무한한 이론적 분해능을 제공한다. 신호를 설명하기 위해서 메모리 내에 저장된 고정된 값 또는 전압 단계와 비교하여, 개시된 방법은 훨씬 더 정확하고 유연하며, 그에 따라 임의의 신호 형상이 실시간으로 변화될 수 있게 한다. 비록 제한이지만, 이러한 디지털 방법은 저속을 위해서만 사용될 수 있고, 펄스 레이트(pulse rate)는 프로세서(24)를 위한 서보 클록보다 상당히 더 느리다. 전자 제어기(40)는 피에조 모터(90)의 정지 전에 디지털 회로 모드에서 동작한다.
이러한 해결책은, 저속 신호를 생성하기 위한 디지털 배열과, 저속을 핸들링할 수 없는, 고속에서 매우 잘 동작하는 하드웨어 생성 신호를 조합한다는 점에서, 독특하다.
폐쇄 루프 시스템
일 실시예에서, 이중 모드 이동 제어 시스템(10)은, 위치 피드백을 피에조 모터(90)를 구비한 기계적 장치를 위한 전자 제어기(20)에 제공하기 위한 위치 인코더(94)를 포함한다. 직접적인 피드백은, 폐쇄 루프 시스템으로서 동작하는 것에 의해서 기계적 장치의 위치의 정확성을 보장한다.
개방 루프 시스템
다른 실시예에서, 이중 모드 이동 제어 시스템은 위치 인코더가 없는 개방 루프 시스템이다. 프로세서(24)는, 피에조 모터(90)의 동작을 기초로, 기계적 장치의 위치를 결정 또는 계산한다. 측정 또는 위치 감지가 제공되지 않는다.
부가적인 특징
전술한 바와 같이, 전류 공급원(44)은 초기에 프로세서(24)로부터의 신호를 기초로 아날로그 드라이버(28)에 의해서 제어된다. 따라서, 프로세서(24)는, 아날로그 드라이버(28)를 통해서, 기준 커패시터 충전율을 제어하고, 이는 다시 신호의 경사를 결정한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 인버터(64)는 동일한 기준 커패시터(46)/전류 공급원(44)으로부터 역방향을 위한 신호를 생성한다. 따라서, 피에조 모터(90)에 의한 반대 운동을 트리거링하는 상승 경사 대신, 음의 경사가 생성된다.
양 방향을 위한 신호들을 생성하기 위해서 단일 기준 커패시터(46)/전류 공급원(44)을 이용하는 것에 의해서, 이용 가능한 범위 내의 임의의 속력에서 완벽한 신호 대칭성이 초래된다. 다른 실시예에서, 프로세서(24)는, 2개의 이동 방향을 위한 신호들을 선택하는 이동 방향 스위치(S2)를 제어한다. 프로세서(24)는, 고속 파형 및 저속 파형을 위한 신호를 제공하는 출력을 선택하기 위해서 모드 스위치(S3)를 제어한다.
일 실시예에서, 전자 제어기는, 스틱-슬립 피에조 모터를 위한 미리 규정된 동작 속력에서, 사용자의 입력이 없이 자동적으로 디지털 회로 모드로부터 아날로그 회로 모드로 전환한다.
일부 실시예에서, 신호 형상은 피에조 모터(90)의 부하와 독립적이다. 따라서, 드라이버 구성 변화를 필요로 하지 않고도, 임의의 피에조 모터(90)가 구동될 수 있다.
스틱-슬립 피에조 모터(90)를 위해서 전형적으로 필요한 모든 충전 및 방전 지연은 속력 및 다른 조건을 기초로 프로그래밍될 수 있고 동적으로 변화된다.
일부 실시예에서, 스위치(S1, S2, S3)는 집적 회로이다.
전압 레벨 센서(70)는 아날로그 드라이버(28) 및 프로세서(20)로부터 분리된 요소로서 도시되어 있다. 일부 실시예에서, 전압 레벨 센서(70)는 DSP의 구성요소이고, DSP는 제어기(20), 및 아날로그 하드웨어 회로(40)를 구동하는 아날로그 드라이버(28)를 포함한다. 따라서, 도 1의 배열은 단지 설명을 위한 것이다.
따라서, 실시예는, 다른 것들 중에서, 저속 경사 또는 느린 동작 속력에서 디지털 회로 모드로 그리고 고속 경사 또는 빠른 동작 속력에서 아날로그 회로 모드로 스틱-슬립 피에조 모터(90)를 동작시키기 위한 이중 모드 이동 제어 시스템(10) 및 방법을 제공한다. 본 발명의 여러 가지 특징 및 장점이 이하의 청구항에 기재되어 있다.

Claims (20)

  1. 스틱-슬립 피에조 모터의 동작을 위한 이동 제어 시스템이며:
    빠른 동작 속력에서 고속 파형을 제공하기 위한 아날로그 하드웨어 회로;
    아날로그 하드웨어 회로를 구동하기 위한 아날로그 드라이버;
    느린 동작 속력에서 저속 파형을 제공하기 위해서 디지털 신호를 아날로그 신호로 변환하기 위한 디지털-대-아날로그 변환기;
    아날로그 하드웨어 회로로부터의 출력 및 디지털-대-아날로그 변환기로부터의 출력 중 하나를 선택하기 위한 모드 스위치;
    상기 아날로그 드라이버, 상기 아날로그 하드웨어 회로, 상기 디지털-대-아날로그 변환기, 및 상기 모드 스위치와 통신하는 전자 제어기로서, 상기 전자 제어기는:
    저속 파형을 출력하도록 상기 디지털-대-아날로그 변환기를 제어하도록,
    상기 아날로그 하드웨어 회로를 구동하여 고속 파형을 출력하게 상기 아날로그 드라이버를 제어하도록, 그리고
    상기 고속 파형을 상기 아날로그 하드웨어 회로로부터 상기 피에조 모터로 제공하게 또는 상기 저속 파형을 상기 디지털-대-아날로그 변환기로부터 상기 피에조 모터로 제공하게 상기 모드 스위치를 제어하도록 구성되는, 전자 제어기를 포함하는, 이동 제어 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 아날로그 하드웨어 회로는,
    전류 공급원,
    상기 전류 공급원에 연결된 기준 커패시터, 및
    상기 기준 커패시터를 방전시키기 위한 방전 스위치를 포함하고,
    상기 전류 공급원 및 상기 방전 스위치는 상기 아날로그 드라이버에 의해서 제어되는, 이동 제어 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 아날로그 하드웨어 회로는,
    상기 전류 공급원과 상기 기준 커패시터 사이에서 입력 연결을 갖는 인버터; 및
    상기 전류 공급원과 상기 기준 커패시터 사이에 연결된 제1 입력부를 갖는 이동 방향 스위치로서, 상기 이동 방향 스위치는 상기 인버터의 출력부에 연결된 제2 입력부를 가지고, 상기 이동 방향 스위치의 출력부가 상기 모드 스위치의 입력부에 연결되는, 이동 방향 스위치를 포함하는, 이동 제어 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 모드 스위치의 출력을 수신하도록 구성된 증폭기, 및
    상기 증폭기의 출력을 수신하기 위한 피에조 모터로서, 상기 제어 시스템은 기계적 장치의 이동을 위해서 상기 피에조 모터를 제어하는, 피에조 모터를 더 포함하는, 이동 제어 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 아날로그 하드웨어 회로는 피드백 제어 신호를 상기 아날로그 드라이버에 제공하기 위한 전압 레벨 센서를 포함하고, 상기 전압 레벨 센서는 상기 전류 공급원과 상기 기준 커패시터 사이에 연결된 입력 연결을 가지는, 이동 제어 시스템.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 이동 제어 시스템은 상기 기계적 장치를 위한 위치 피드백을 상기 전자 제어기에 제공하기 위한 위치 인코더를 포함하고, 상기 이동 제어 시스템은 폐쇄 루프 시스템인, 이동 제어 시스템.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 이동 제어 시스템은 위치 인코더가 없는 개방 루프 시스템인, 이동 제어 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 전자 제어기는 프로세서 및 비-일시적 메모리를 포함하고, 상기 전자 제어기는 사용자 인터페이스로부터 명령을 수신하는, 이동 제어 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 프로세서는 상기 사용자 인터페이스로부터 수신된 명령을 프로세스하여 이동 프로파일을 생성하고, 상기 피에조 모터를 구동하기 위해서 상기 아날로그 드라이버 또는 상기 디지털-대-아날로그 변환기에 구동 신호를 선택적으로 제공하는, 이동 제어 시스템.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 저속 파형은, 상기 고속 파형의 경사보다 작은 경사를 가지는, 이동 제어 시스템.
  11. 운동이 선택될 때 기계적 장치를 이동시키기 위해서 전자 제어기 및 아날로그 드라이버로 스틱-슬립 피에조 모터를 제어하기 위한 방법이며, 상기 방법은:
    상기 스틱-슬립 피에조 모터를 저속으로 이동시키기 위해서 상기 전자 제어기로 디지털 회로 모드에서 동작하는 단계; 및
    상기 스틱-슬립 피에조 모터를 고속으로 이동시키기 위해서 상기 전자 제어기 및 상기 아날로그 드라이버로 아날로그 회로 모드에서 선택적으로 동작하는 단계를 포함하고,
    상기 전자 제어기는 상기 피에조 모터의 시동 시에 디지털 회로 모드로 동작하는, 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 전자 제어기는 상기 피에조 모터의 정지 전에 디지털 회로 모드로 동작하는, 방법.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 전자 제어기는, 상기 스틱-슬립 피에조 모터를 위한 미리 규정된 동작 속력에서, 사용자의 입력이 없이 자동적으로 상기 디지털 회로 모드로부터 상기 아날로그 회로 모드로 전환하는, 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 아날로그 회로 모드에서, 상기 제어기는, 상기 스틱-슬립 피에조 모터에 전력을 제공하기 위해서, 아날로그 하드웨어 회로를 구동하는 상기 아날로그 드라이버에 드라이버 명령어를 제공하는, 방법.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 피에조 모터가 제1의 미리 규정된 속력으로 구동될 때, 상기 방법은 상기 디지털 회로 모드로부터 상기 아날로그 회로 모드로 전환하고, 상기 피에조 모터가 제1의 미리 규정된 속력보다 느린 제2의 미리 규정된 속력으로 상기 아날로그 회로 모드로 구동될 때, 상기 방법은 상기 아날로그 회로 모드로부터 상기 디지털 회로 모드로 전환하는, 방법.
  16. 제11항에 있어서,
    상기 기계적 장치를 위한 위치 피드백을 상기 전자 제어기에 제공하기 위한 위치 인코더를 포함하고, 상기 피에조 모터를 제어하기 위한 이동 제어 시스템이 폐쇄 루프 시스템인, 방법.
  17. 제11항에 있어서,
    상기 전자 제어기는 프로세서 및 비-일시적 메모리를 포함하고, 상기 전자 제어기는 사용자 인터페이스로부터 명령을 수신하는, 방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 아날로그 회로 모드에서 동작할 때, 상기 아날로그 드라이버는 아날로그 하드웨어 회로를 구동하고, 상기 아날로그 하드웨어 회로는 전류 공급원, 상기 전류 공급원에 연결된 기준 커패시터, 및 상기 기준 커패시터를 방전시키기 위한 방전 스위치를 포함하고, 상기 전류 공급원 및 상기 방전 스위치는 상기 아날로그 드라이버에 의해서 제어되는, 방법.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 디지털 회로 모드에서 동작할 때, 상기 전자 제어기는, 디지털 신호를 아날로그 신호로 변환하여 느린 동작 속력에서 저속 파형을 제공하기 위해서, 디지털-대-아날로그 변환기를 제어하는, 방법.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 아날로그 신호를 수신하도록 그리고 기계적 장치의 이동을 위해서 피에조 모터에 출력을 제공하도록 구성되는 증폭기를 포함하는, 방법.
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