JP2008130035A - 信号処理器および制御系 - Google Patents
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Abstract
【課題】コストアップを避けつつ速度情報検出の遅延量を少なくすることができる信号処理器及び制御系を提供する。
【解決手段】インターポレータ100は、センサ22からのsin信号及びcos信号を入力されて、速度V及び位置Pを制御部31に出力する。制御部31において、速度に関するフィードバック路の速度制御要素40には、インターポレータ100が出力した速度Vが直接入力される。また、位置に関するフィードバック路の位置制御要素42には、インターポレータ100が出力した位置Pが直接入力される。速度情報検出のサンプリング周期は、制御部31側のサンプリング周期に依存しなくなり、速度情報検出の遅延量を少なくすることができる。また、制御部31側にハードウェア等を追加する必要がないため、コストアップを避けることができる。
【選択図】図1
【解決手段】インターポレータ100は、センサ22からのsin信号及びcos信号を入力されて、速度V及び位置Pを制御部31に出力する。制御部31において、速度に関するフィードバック路の速度制御要素40には、インターポレータ100が出力した速度Vが直接入力される。また、位置に関するフィードバック路の位置制御要素42には、インターポレータ100が出力した位置Pが直接入力される。速度情報検出のサンプリング周期は、制御部31側のサンプリング周期に依存しなくなり、速度情報検出の遅延量を少なくすることができる。また、制御部31側にハードウェア等を追加する必要がないため、コストアップを避けることができる。
【選択図】図1
Description
本発明は、信号処理器および制御系に関し、特にエンコーダ等により検出された移動物体の変位量から移動物体の位置情報と速度情報とを制御部に対し出力可能な信号処理器及びこの信号処理器を備えた制御系に関する。
従来、XYステージ等において、デジタル処理により位置または速度のサーボ制御を行うときは、ロータリーエンコーダ及びリニアスケール等のデジタル位置検出器(以後、「エンコーダ」と表わす)からの位置信号を、パルス列等の形で制御装置であるコントローラ又はモータドライバが受け取る。制御装置では、エンコーダから受け取ったサーボサイクル1回又は数回前の位置データと最新の位置データとに基づいて、位置データを微分処理して速度データを計算する。例えば、特許文献1には、エンコーダからのパルス信号エッジを検出して、計数したパルス信号の数に基づいてモータの位置及び速度を算出する制御装置が記載されている。
特開平10−54838号公報
一般的にデジタルサーボは、速度検出をサーボ周期n回(nは1以上の整数)に入力されるエンコーダからのパルス数を(サーボ周期×n)で除算して求めている。この場合、速度検出の遅れは、サーボ周期×n/2となる。また、安定なサーボを得るため「サーボ周期×n」期間中のエンコーダのパルス数を少なくとも100程度としなければならない。このため、パルスレートの低いエンコーダを用いて低速まで安定にサーボ動作をさせようとする場合にはnを大きくせざるを得ず、速度検出の遅延(サーボ周期×n/2)が増大し、サーボの性能を悪化させる。
最近では、エンコーダのパルスレートの増加に加え、センサからのデータに処理を施すことでエンコーダに刻まれた溝の数を数百から数千倍以上に分解して読み取る技術が一般化してきた。現在では、レーザ干渉方式を用いた高分解能のエンコーダで、リニアタイプが0.1mm、ロータリータイプが千分の1度の分解能のものが実用化されている。このようにエンコーダが高分解能化してきたため、エンコーダ側ではサーボ周期n回が1未満でも十分な分解能をとれるようになってきた。
しかし、上記従来技術では、速度を検出するために、位置データを制御装置側でサンプリングしているが、制御装置側でのサンプリング速度の向上には制限がある。サーボ周期よりも短い間隔で速度を検出するためには、速度測定専用タイマーマスクを設ける方法、速度測定用の位置サンプリング用にハードウェアを追加する方法等が考えられるが、これらを制御装置側で行うためには短い時間間隔で位置データをエンコーダ側から制御装置側へ送る必要があり、高速信号伝達のための高価な装置を必要とするとともに、制御装置側に速度検出のための追加の回路を持つことになり、コストアップの原因となる。
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、コストアップを避けつつ速度情報検出の遅延量を少なくすることができる信号処理器及び制御系を提供することにある。
本発明は、検出された移動物体の変位量が入力される入力部と、入力部に入力された移動物体の変位量から、直接、移動物体の位置情報と移動物体の速度情報とを演算する演算部と、演算部の演算した移動物体の位置情報と移動物体の速度情報とを制御部に出力する出力部と、を備えた信号処理器である。
この構成に寄れば、信号処理器において、演算部が入力部に入力された移動物体の変位量から移動物体の位置情報と移動物体の速度情報とを演算し、出力部が演算部の演算した移動物体の位置情報と移動物体の速度情報とを制御部に出力するため、制御部では移動物体の位置情報と移動物体の速度情報とを直接に信号処理器から受け取ることができる。そのため、速度情報検出のサンプリング周期は、制御装置側のサンプリング周期に依存しなくなり、速度情報検出の遅延量を少なくすることができる。また、制御部側にハードウェア等を追加する必要がないため、コストアップを避けることができる。
この場合、出力部が制御装置に移動物体の位置情報と移動物体の速度情報とを出力する時期は互いに依存していないことが好適である。
この構成によれば、出力部が制御装置に移動物体の位置情報と移動物体の速度情報とを出力する時期は互いに依存していないため、速度情報の出力する時期を早めることができ、さらに遅延量を減少させることができる。
また、移動物体の位置情報の分解能を設定する位置計測用分解能調整部と、移動物体の速度情報の分解能を設定する速度計測用分解能調整部とをさらに備え、位置計測用分解能調整部と速度計測用分解能調整部とは、互いに依存せずに分解能を設定可能であることが好適である。
この構成によれば、位置計測用分解能調整部と速度計測用分解能調整部とは、互いに依存せずに分解能を設定可能であるため、状況に応じてそれぞれ独立した分解能の位置情報と速度情報を制御部に出力することができる。
なお本発明の信号処理器は、移動物体の変位量を検出するセンサの表面及び内部のいずれかに設置されているものとすることができる。
この構成によれば、信号処理器が移動物体の変位量を検出するセンサの表面及び内部のいずれかに設置されているため、センサとの距離が短くなり、アナログ信号を送信する場合、S/N比が大きくなり、ノイズを低減することができる。
あるいは本発明の信号処理器は、出力部から移動物体の位置情報と移動物体の速度情報とを入力される制御部を備えた制御装置内に組み込まれているものとすることができる。
この構成によれば、制御装置内に信号処理器が組み込まれていることで、制御装置との通信ラインを引き回さずに済むため、伝達速度を上げることが容易となる。
また、出力部は、移動物体の位置情報と移動物体の速度情報とを単一の回線を介して制御部に出力することが好適である。
この構成によれば、出力部は、移動物体の位置情報と移動物体の速度情報とを単一の回線を介して制御部に出力するため、回線の数を少なくすることができる。
また本発明は、上記本発明の信号処理器と、上記本発明の信号処理器に接続され、出力部から移動物体の位置情報と移動物体の速度情報とを入力される制御部とを備えた制御系である。
この構成によれば、速度情報検出の遅延量が少ないため、制御系のサーボ性能を向上させることができる。
また、本発明は、移動物体の変位量を検出する手順と、検出した移動物体の変位量から、直接、移動物体の位置情報と移動物体の速度情報とを演算する手順と、演算した移動物体の位置情報と移動物体の速度情報とに基づき、移動物体に対する指令値を算出する手順と、を有する移動物体制御方法である。
本発明の信号処理器によれば、コストアップを避けつつ速度情報検出の遅延量を少なくすることができる。また、本発明の制御系によれば、制御系のサーボ性能を向上させることができる。
以下、本発明の実施の形態に係る信号処理器及び制御系について添付図面を参照して説明する。
図1は、本発明の第1実施形態に係るシステムの構成を示す図である。図1に示すように制御系10aは、XYステージ等を駆動するモータ20の動作を制御するためのものである。制御系10aは、制御対象であるモータ20、モータ20の変位量を検出するエンコーダであるセンサ22、信号処理器であるインターポレータ100、制御装置30とから構成されている。
モータ20は、XYステージ等を所定の位置及び速度で駆動させるためのものである。センサ22は、エンコーダの目盛板を透過した光強度を検出することにより、モータ20の変位量を検出する。センサ22において、光強度を検出するエンコーダ電圧検出器は2個あり、その位置関係は目盛板の間隔Kに対して、K×(n+1/4)におかれるため、2個のエンコーダ電圧検出器からの信号は、それぞれsin信号及びcos信号となる。センサ22は、この検出したsin信号及びcos信号をインターポレータ100に出力する。
インターポレータ100は、センサ22からのsin信号及びcos信号を入力されて、速度V及び位置Pを制御装置30の制御部31に出力するためのものである。インターポレータ100の構成については後述する。
制御装置30は、制御部31とフィードバック部(電流フィードバック路45、速度フィードバック路41、位置フィードバック路43、速度制御要素40、位置制御要素42)39とから構成されている。制御部31は、位置偏差アンプ32、速度偏差アンプ34、電流偏差アンプ36、電流検出部38及び減算器33を備えており、入力された位置指令に対応した制御量を制御対象であるモータ20に与えるためのものである。フィードバック部39は、電流偏差アンプ36、電流検出部38、電流フィードバック路45及び減算器33により形成される電流制御に関するフィードバック路と、速度偏差アンプ34、電流偏差アンプ36、電流検出部38、速度制御要素40、速度フィードバック路41及び減算器33により形成される速度に関するフィードバック路と、位置偏差アンプ32、速度偏差アンプ34、電流偏差アンプ36、電流検出部38、位置制御要素42、位置フィードバック路43及び減算器33により形成される位置に関するフィードバック路とを構成する。速度に関するフィードバック路の速度制御要素40には、インターポレータ100が出力した速度Vが直接入力される。また、位置に関するフィードバック路の位置制御要素42には、インターポレータ100が出力した位置Pが直接入力される。なお、速度制御要素40及び位置制御要素42は必ずしも必要ではない。また、必要に応じてフィルタ等を挿入することでサーボの制御性能を向上させることができる。
制御装置30において、電流制御サンプリング周期Tt、速度制御サンプリング周期Ts=Tt×i(iは任意の整数)、位置制御サンプリング周期Tp=Ts×J(Jは任意の整数)、速度計測周期Tv=Tt×m(mは任意の整数)である。それぞれの周期は、互いに任意の無関係な時間に設定可能であり、互いの間に依存性はない。
図2は、第1実施形態のインターポレータの構成を示すブロック図である。図2に示すように、インターポレータ100は、入力部131、演算部132及び出力部133から成り、高速ADコンバータ102a,102b、デジタルローパスフィルタ104a,104b、リサージュ波形補正部106、位相角検出部108、tan−1テーブルメモリ110、位相角変化量算出部112、位相角変化量積算部114、位置計測用分解能調整部116、位置計測用ローパスフィルタ118、速度計測用分解能調整部120、速度算出部122、速度計測用ローパスフィルタ124及びデータ送出部126を備えている。
高速ADコンバータ102a,102bは、センサ22からのsin信号及びcos信号をAD変換するためのものである。デジタルローパスフィルタ104a,104bは、高速ADコンバータ102a,102bによりAD変換された信号の高調波ノイズを低減するためのものである。リサージュ波形補正部106は、デジタルローパスフィルタ104a,104bによりフィルタリングされた信号をデジタル信号処理により補正するためのものである。これらの高速ADコンバータ102a,102b、デジタルローパスフィルタ104a,104b、リサージュ波形補正部106は、特許請求の範囲に記載の入力部として機能する。
位相角検出部108は、tan−1テーブルメモリ110を参照して、補正されたsin信号及びcos信号より位相角データを検出するためのものである。位相角変化量算出部112は、位相角検出部108により検出された位相角データから位相角変化量を算出するためのものである。位相角変化量積算部114は、位相角変化量算出部112により算出された位相角変化量を積算するためのものである。位置計測用分解能調整部116及び速度計測用分解能調整部120は、制御系10aの都合に合わせて計測分解能を設定するためのものである。位置計測用分解能調整部116及び速度計測用分解能調整部120は、互いに依存しない任意の計測分解能が設定可能とされている。
速度算出部122は、位相角変化量積算部114からの位置変化量に基づいて、インターポレータ100内部で速度を算出するためのものである。これらの位相角検出部108、tan−1テーブルメモリ110、位相角変化量算出部112、位相角変化量積算部114、位置計測用分解能調整部116、速度計測用分解能調整部120及び速度算出部122は、特許請求の範囲に記載の演算部として機能する。
位置計測用ローパスフィルタ118及び速度計測用ローパスフィルタ124は、それぞれ位置計測信号及び速度計測信号におけるS/N比を改善するためのものである。位置計測用ローパスフィルタ118及び速度計測用ローパスフィルタ124は、互いに任意の時定数でフィルタリングが可能とされており、位置計測用ローパスフィルタ118と速度計測用ローパスフィルタ124とデータ送出部126とは、特許請求の範囲に記載の出力部として機能する。
以下、本実施形態のインターポレータ100及び制御部31の動作について説明する。図2に示すように、センサ22のエンコーダ電圧検出器24a,24bによって検出されたsin信号及びcos信号(移動物体の変位量)は、センサ22内の差動アンプ・ローパスフィルタ26a,26bによって、コモンモードノイズを除去され、高調波ノイズを低減される。
インターポレータ100の高速ADコンバータ102a,102bによってAD変換され、デジタルローパスフィルタ104a,104bによって高調波ノイズを除去されたsin信号及びcos信号は、オフセット、振幅差、位相誤差等の複数の内挿誤差要因を持ったリサージュ波形であるため、リサージュ波形補正部106はリサージュ波形をデジタル信号処理により補正し、真円に近づける。
位相角検出部108は、tan−1テーブルメモリ110を参照して、補正されたsin信号及びcos信号より位相角データを検出する。tan−1テーブルメモリ110を参照することにより、演算速度を向上させることができる。
位相角変化量算出部112は、位相角検出部108により検出された位相角データから位相角変化量を算出し、位相角変化量積算部114は位相角変化量算出部112により算出された位相角変化量を積算する。この段階で、センサ22が検出した信号から位置情報を抽出することができる。
位置計測用分解能調整部116及び速度計測用分解能調整部120により調整された計測分解能の信号の内、速度計測用分解能調整部120からの信号は、速度算出部122によって、速度情報に変換される。位置計測用ローパスフィルタ118及び速度計測用ローパスフィルタ124により、S/N比を改善された位置情報及び速度情報は、データ送出部126に送られ、制御部31に出力される。
制御部31では、インターポレータ100から直接受け渡された位置情報及び速度情報に基づいてフィードバック制御を行う。
本実施形態においては、インターポレータ100において、位相角検出部108、tan−1テーブルメモリ110、位相角変化量算出部112、位相角変化量積算部114、位置計測用分解能調整部116、速度計測用分解能調整部120及び速度算出部122が、入力されたモータ20の変位量からモータ20の位置情報と速度情報とを演算し、位置計測用ローパスフィルタ118及び速度計測用ローパスフィルタ124がノイズを除去した後に、データ送出部126が演算したモータ20の位置情報と速度情報とを制御部31に出力するため、制御部31ではモータ20の位置情報と速度情報とを直接にインターポレータ100から受け取ることができる。そのため、速度情報検出のサンプリング周期は、制御部31側のサンプリング周期に依存しなくなり、速度情報検出の遅延量を少なくすることができる。また、制御部31側にハードウェア等を追加する必要がないため、コストアップを避けることができる。
特に本実施形態においては、データ送出部126が制御部31にモータ20の位置情報と速度情報とを出力する時期は互いに依存していないため、速度情報の出力する時期を早めることができ、さらに遅延量を減少させることができる。図3に示すように、本実施形態では、位置情報サンプリングの周期Tpに比べて、速度計測用カウント(サンプリング周期)は、例えば、Tα<TpであるTαに設定することができ、インターポレータ100から制御部31への位置情報受け渡しのタイミングとは無関係な時間に、速度情報の受け渡しのタイミングを設定することができる(方式1)。あるいは、速度計測用カウントは、位置情報サンプリングの周期Tpを任意の整数mで分割したTβとすることができ、この場合、さらに高い速度検出の分解能が得られる。
図4は、本発明の第2実施形態に係る制御系の構成を示す図である。本実施形態の制御系10bでは、インターポレータ100からの速度V及び位置Pは、マルチプレクサー44によって一つの回線を介して制御部31に送出され、デマルチプレクサー46によって再び速度情報及び位置情報に分けられる。
本実施形態においては、モータ20の位置情報と速度情報とを単一の回線を介して制御部31に出力するため、回線の数を少なくすることができる。
図5は、本発明の第3実施形態に係る制御系の構成を示す図である。本実施形態の制御系10cでは、制御装置30内にインターポレータ100が組み込まれている。本実施形態では、制御装置30内にインターポレータ100が組み込まれていることで、制御装置31との通信ラインを引き回さずに済むため、伝達速度を上げることが容易となる。
あるいは、インターポレータ100は、センサ22の表面及び内部のいずれかに設置されているものとすることもできる。このようにした場合、インターポレータ100とセンサ22との距離が短くなり、アナログ信号を送信する場合、S/N比が大きくなり、ノイズを低減することができる。
尚、本発明の信号処理器及び制御系は、上記した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
10a,10b,10c…制御系、20…モータ、22…センサ、24a,24b…エンコーダ電圧検出器、26a,26b…差動アンプ・ローパスフィルタ、30…制御装置、31…制御部、32…位置偏差アンプ、33…減算器、34…速度偏差アンプ、36…電流偏差アンプ、38…電流検出部、39…フィードバック部、40…速度制御要素、41…速度フィードバック路、42…位置制御要素、43…位置フィードバック路、44…マルチプレクサー、45…電流フィードバック路、46…デマルチプレクサー、100…インターポレータ、102a,102b…高速ADコンバータ、104a,104b…デジタルローパスフィルタ、106…リサージュ波形補正部、108…位相角検出部、110…tan−1テーブルメモリ、112…位相角変化量算出部、114…位相角変化量積算部、116…位置計測用分解能調整部、118…位置計測用ローパスフィルタ、120…速度計測用分解能調整部、122…速度算出部、124…速度計測用ローパスフィルタ、126…データ送出部、131…入力部、132…演算部、133…出力部。
Claims (8)
- 検出された移動物体の変位量が入力される入力部と、
前記入力部に入力された前記移動物体の変位量から、直接、移動物体の位置情報と移動物体の速度情報とを演算する演算部と、
前記演算部の演算した移動物体の位置情報と移動物体の速度情報とを制御部に出力する出力部と、
を備えた信号処理器。 - 前記出力部が前記制御部に前記移動物体の位置情報と前記移動物体の速度情報とを出力する時期は互いに依存していない、請求項1に記載の信号処理器。
- 前記移動物体の位置情報の分解能を設定する位置計測用分解能調整部と、前記移動物体の速度情報の分解能を設定する速度計測用分解能調整部とをさらに備え、
前記位置計測用分解能調整部と前記速度計測用分解能調整部とは、互いに依存せずに分解能を設定可能である、請求項1又は2に記載の信号処理器。 - 前記移動物体の変位量を検出するセンサの表面及び内部のいずれかに設置されている、請求項1〜3のいずれか1項に記載の信号処理器。
- 前記出力部から移動物体の位置情報と移動物体の速度情報とを入力される前記制御部を備えた制御装置内に組み込まれている、請求項1〜3のいずれか1項に記載の信号処理器。
- 前記出力部は、前記移動物体の位置情報と前記移動物体の速度情報とを単一の回線を介して前記制御部に出力する、請求項1〜5のいずれか1項に記載の信号処理器。
- 請求項1〜6のいずれか1項に記載の信号処理器と、
請求項1〜6のいずれか1項に記載の信号処理器に接続され、前記出力部から移動物体の位置情報と移動物体の速度情報とを入力される前記制御部と、を備えた制御系。 - 移動物体の変位量を検出する手順と、
検出した前記移動物体の変位量から、直接、前記移動物体の位置情報と前記移動物体の速度情報とを演算する手順と、
演算した前記移動物体の位置情報と前記移動物体の速度情報とに基づき、前記移動物体に対する指令値を算出する手順と、
を有する移動物体制御方法。
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2006
- 2006-11-24 JP JP2006317531A patent/JP2008130035A/ja active Pending
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