JP2010164540A - コントローラおよび加工装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】高速で運動する物体の位置の検出および/または制御に有利な技術を提供する。
【解決手段】エンコーダから提供される互いに位相が異なる2つの周期信号に基づいて物体の位置を検出しながら前記物体の駆動を制御するための駆動指令を発生するコントローラは、前記2つの周期信号のいずれか一方の周期をカウントするカウンタと、前記2つの周期信号の値の比のアークタンジェント値と前記カウンタから提供されるカウント値とに基づいて前記物体の位置を検出し、その位置に基づいて前記駆動指令を発生する演算部とを備える。前記演算部は、前記アークタンジェント値と前記カウント値とに基づいて計算される前記物体の加速度と過去に発生した前記駆動指令とに基づいて前記カウント値の誤りを補正し、その補正されたカウント値に基づいて前記物体の位置を計算する。
【選択図】図7

Description

本発明は、コントローラおよびそれを備える加工装置に関する。
物体の位置をエンコードするエンコーダが発生する互いに90度の位相差を有する2つの周期信号に基づいて該物体の位置を検出する技術が知られている。2つの周期信号のいずれか一方の周期をカウントしたカウント値は、物体の位置を周期を単位として示す値である。一方、2つの周期信号の値の比のアークタンジェント値は、1周期中における物体の位置を示す値である。そして、カウント値とアークタンジェント値とを合成することによって最終的な物体の位置を示す信号を得ることができる。ここで、周期のカウント動作とアークタンジェント値の演算動作とが完全に同期していないと、カウント値とアークタンジェント値とを合成した値に周期的な誤差が生じる。従来は、2つの周期信号の現在値のみに基づいて周期的な誤差を補正するための処理を行っていた。
特開平7−229757号公報 特開平11−295105号公報
しかしながら、物体の運動がサンプリング周期に対して高速になってくると、周期のカウント動作とアークタンジェント値の演算動作とが同期していないことに起因する上記のような周期的な誤差を補正することが難しくなる。
本発明は、上記の課題認識を契機としてなされたものであり、例えば、高速で運動する物体の位置の検出および/または制御に有利な技術を提供することを目的とする。
本発明の第1の側面は、エンコーダから提供される互いに位相が異なる2つの周期信号に基づいて物体の位置を検出しながら前記物体の駆動を制御するための駆動指令を発生するコントローラに係り、前記コントローラは、前記2つの周期信号のいずれか一方の周期をカウントするカウンタと、前記2つの周期信号の値の比のアークタンジェント値と前記カウンタから提供されるカウント値とに基づいて前記物体の位置を検出し、その位置に基づいて前記駆動指令を発生する演算部とを備え、前記演算部は、前記アークタンジェント値と前記カウント値とに基づいて計算される前記物体の加速度と過去に発生した前記駆動指令とに基づいて前記カウント値の誤りを補正し、その補正されたカウント値に基づいて前記物体の位置を計算する。
本発明の第2の側面は、エンコーダから提供される互いに位相が異なる2つの周期信号に基づいて物体の位置を検出しながら前記物体の駆動を制御するための駆動指令を発生するコントローラに係り、前記コントローラは、前記2つの周期信号のいずれか一方の周期をカウントするカウンタと、前記2つの周期信号の値の比のアークタンジェント値と前記カウンタから提供されるカウント値とに基づいて前記物体の位置を検出し、その位置に基づいて前記駆動指令を発生する演算部とを備え、前記演算部は、前記アークタンジェント値と前記カウント値とに基づいて計算される前記物体の現在の加速度と過去の加速度とに基づいて前記カウント値の誤りを補正し、その補正されたカウント値に基づいて前記物体の位置を計算する。
本発明の第3の側面は、加工装置に係り、前記加工装置は、物体を駆動する駆動機構と、前記物体の位置を検出するエンコーダと、前記エンコーダから提供される互いに位相が異なる2つの周期信号に基づいて前記物体の位置を検出しながら該位置に基づいて前記駆動機構を制御するように構成された上記のコントローラとを備える。
本発明によれば、例えば、高速で運動する物体の位置の検出および/または制御に有利な技術が提供される。
以下、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態を説明する。
この出願書類において、位置という用語には角度が包含され、速度という用語には角速度が包含され、加速度という用語には角加速度が包含されるものとする。
図1は、本発明に係る加工装置の好適な実施形態のガルバノ装置の概略構成を示す図である。本発明の好適な実施形態のガルバノ装置は、駆動対象の物体であるミラー1と、ミラー1を回転駆動する駆動機構2と、駆動機構2を制御するコントローラ3とを備えている。駆動機構2には、ミラー1の位置(角度)をエンコードするエンコーダが組み込まれている。ミラー1は、不図示の光源からの光ビームを加工対象物に向けて反射する。駆動機構2を使ってミラー1の位置(角度)を制御することによって加工対象物に対する光ビームの入射位置を変更(典型的には、走査)することができる。
駆動機構2に組み込まれたエンコーダは、互いに位相が異なる2つの周期信号4を発生する。コントローラ3は、2つの周期信号に基づいてミラー1の位置(角度)を検出しながら、ミラー1が目標角度を向くようにミラー1の駆動を制御するための駆動信号5を発生し、この駆動信号5を駆動機構2に供給する。
図2は、図1に示すガルバノ装置の構成をより具体的に示す図である。駆動機構2は、モータ2aおよびエンコーダ2bを含みうる。コントローラ3は、信号処理部3aおよび駆動回路3bを含みうる。エンコーダ2bは、2つの周期信号4a、4bを発生する。2つの周期信号4a、4bは、典型的には、互いに90度の位相差を有する。例えば、周期信号4aはサイン波信号であり、周期信号4bはコサイン波信号でありうる。
周期信号4a、4bは、アナログデジタル変換器(AD変換器)6a、6bによってそれぞれデジタル化されて周期信号4a'、4b'として演算部8に提供される。2つの周期信号4a、4bはまた、2値化回路7a、7bによってそれぞれ2値化されて2値信号15a、15bとしてカウンタ9に供給される。
カウンタ9は、値信号15a、15bのうちいずれか一方の周期をカウントする。ここで、カウント動作は、カウントアップおよびカウントダウンを含み、カウントアップするかカウントダウンするかは、2値信号15a、15bの論理レベルの組み合わせによって決定される。カウンタ9によってカウントされたカウント値11は、演算部8に提供される。演算部8は、周期信号4a、4bの比のアークタンジェント値を演算するとともに、このアークタンジェント値とカウント値11とに基づいて、モータ2aの駆動を制御するための駆動指令16を発生して駆動回路3bに送る。駆動回路3bは、駆動指令16に従って駆動信号5を発生する。
図3は、信号処理部3aにおける代表的な信号を例示する図である。ここでは、2つの周期信号4a、4b(4a'、4b')の間の位相差が90度で、オフセットが0であり、また、2つの周期信号4a、4b(4a'、4b')の振幅は同一であるとする。なお、2つの周期信号4a、4b(4a'、4b')が当該条件を満たさない場合において、2つの周期信号4a、4b(4a'、4b')を補正するための構成は周知であり、当該構成は演算部8に組み込まれうる。
以下、当該構成を説明する。まず、オフセットおよび振幅の補正に関しては、周期信号の最大値および最小値を求め、これらから周期信号の中心および振幅を計算し、これらに基づいて行うことができる。
次に、2つの周期信号の位相差を90度に補正する方法について説明する。90度に対する位相差δを持つ周期信号A、B'を次のように表現することができる。
A=cosθ
B'=sin(θ+δ)
δを求めることができれば、A相に対して正確に90度の位相差を有する以下に示すB相を計算することができる。
B=sinθ
三角関数の公式から、以下の式が得られる。
B'=sin(θ+δ)
=sinθ・cosδ+cosθ・sinδ
=B・cosδ+A・sinδ
ここで、A、B'がエンコーダから出力される周期信号であり、求めたい周期信号がBであり、以下の式に従って周期信号Bを計算することができる。
B=(B'−A・sinδ)÷cosδ
δを求める方法は、例えば特許第3524225号公報に記載されている。
周期信号4a'、4b'が互いに90度の位相差を有する場合、周期信号4a'、4b'の値の比のアークタンジェント値10は、1周期を内挿する値であり、図3に示すような三角波10となる。周期信号4a'または4b'の1周期を1024分割する場合には、1周期中における位置は、0〜1023で表現されうる。この場合は、カウンタ9から出力される階段状のカウント値11における1段分は、1024に相当する。アークタンジェント値10において段差が現れるタイミングとカウント値10において段差が現れるタイミングとが一致していれば、演算部8は、両者を合成すなわち単純に加算することによってミラー1の位置を示す位置情報12を得ることができる。
しかしながら、アークタンジェント値10において段差が現れるタイミングとカウント値11において段差が現れるタイミングとが一致していない場合には、図4に例示するように、位置情報12に不連続が生じる。この不連続の大きさは、カウント値11の1個分である。
ここで、図5を参照しながら従来の不連続性の補正方法を説明する。2つの周期信号4a、4bの値の正、負の組み合わせに従って1周期を以下のようにZ1、Z2、Z3、Z4の4つの領域に分割することができる。
Z1の領域:4a≧0、4b≧0
Z2の領域:4a≧0、4b<0
Z3の領域:4a<0、4b<0
Z4の領域:4a<0、4b≧0
2値信号15aは、領域Z1、Z2においてハイレベル、領域Z3、Z4においてローレベルになるべきであり、また、カウント値11は、領域Z4と領域Z1との境界で変化するべきである。
しかしながら、2値信号15aの変化タイミングが適正タイミングからずれて、例えば15aのようになると、カウント値の変化タイミングも11aのようにずれる。そこで、領域Z1において2値信号15aがローレベルである場合には、カウント値11aを1だけ大きくして11bのように補正する。同様に、領域Z4において2値信号15aがハイレベルである場合には、カウント値11aを1だけ小さくして11bのように補正する。
以上のような従来の方法は、領域Z1、Z2、Z3、Z4を識別することができることを前提として成り立つ。しかし、デジタル信号処理では、一定のサンプリング間隔(サンプリング周期)で信号が処理される。周期信号4a、4b信号のアナログデジタル変換も一定のサンプリング間隔でなされる。したがって、図6に示すようにサンプリング間隔(サンプリング周期)との関係で周期信号4a、4bの周期が小さくなると、アナログデジタル変換におけるサンプルホールドの時間分解能に対してアナログ信号の変化が速くなる。そして、例えばサンプリング点14a、14bにおいて、領域Z1〜Z4を正確に検出することが困難になる。
以上のように、周期信号4a、4bの現在値のみに基づいてカウント値を補正しようとしても(或いは、アークタンジェント値の変化とカウント値の変化とを同期させようとしても)、そのような方法には限界がある。
この実施形態では、演算部8は、モータ2aを駆動するための駆動指令16に基づいてカウント値11を補正する。モータ2aは、駆動信号5(または駆動指令16)に比例する力でその回転軸(ロータ)およびミラー1を回転駆動する。換言すると、モータ2aの回転軸およびミラー1の加速度(角加速度)は、駆動信号5(または駆動指令16)に比例する。
位置情報の微分値は、速度情報であり、デジタル信号処理では、速度情報としてサンプリングの時間間隔における位置情報の差分を使うと便利である。同様に、加速度情報としてサンプリング間隔(サンプリング周期)における速度情報の差分を使うと便利である。実際には、位置情報に基づいて速度情報を求めるためには位置情報をサンプリング周期で除算する必要があり、また、速度情報に基づいて加速度情報を求めるには速度情報をサンプリング周期で除算する必要がある。しかし、このサンプリング周期は、定数であるので、後述の定数Mに含めて考えればよい。
ここで、サンプリング点kにおける位置情報、速度情報、加速度情報をそれぞれPosition(k)、Velocity(k)、Accel(k)とする。
サンプリング点kにおける速度情報Velocity(k)、加速度情報Accel(k)は、(1)式、(2)式に従って計算することができる。
Velocity(k)=Position(k)−Position(k−1) ・・・(1)式
Accel(k)=Velocity(k)−Velocity(k−1) ・・・(2)式
サンプリング点kにおける駆動指令値16、ミラー1の目標位置(目標角度)をそれぞれCurr(k)、TargetP(k)とすると、演算部8は、単純な例を挙げれば、(3)式に従ってCurr(k)を決定することができる。なお、Gainは、ゲインを示す定数である。
Curr(k)=Gain×(TargetP(k)−Position(k)) ・・・(3)式
その他、演算部8は、例えばPID演算などによってCurr(k)を決定してもよいが、ここでは、説明の便宜のため、演算部8は、(3)式に従ってCurr(k)を決定するものとする。
サンプリング点(k−1)における駆動指令値16は、Curr(k−1)と表記することができる。Curr(k−1)は、(4)式のように表現することができるが、サンプリング点(k−1)において(3)式に従って計算されたCurr(k)は、サンプリング点kにおいては、Curr(k−1)である。よって、(3)式に従ってCurr(k)を計算する度にその計算によって得られた値を保持しておけば、その値を次のサンプリング点においてCurr(k−1)として使用することができる。
Curr(k−1)=Gain×(TargetP(k−1)−Position(k−1)) ・・・(4)式
駆動指令値Curr(k−1)と加速度情報Accel(k)とは、(5)式に示す関係を有する。
Accel(k)=M×Curr(k−1) ・・・(5)式
ここで、Mは比例定数である。サンプリング点(k−1)において駆動指令値Curr(k−1)に従ってミラー1が加速された結果として、サンプリング点kにおいてミラー1の加速度が加速度Accel(k)として検出される。
演算部8は、(1)式および(2)式に従うAccel(k)の計算値と、(3)式に従ってサンプリング点(k−1)において決定されたCurr(k−1)(または、(4)式に従って決定されたCurr(k−1)でもよい。)にMを乗じた値との差分Diffに基づいてカウント値を補正する。差分Diffは、(6)式のように表現される。ここで、M×Curr(k−1)は、(5)式から明らかなように、加速度の推定値である。(1)式および(2)式に従って計算されるAccel(k)は、誤りを含みうるカウント値11によって決定された位置情報Position(k)に基づいて計算されたものである。Diffの値が正の第1閾値Th(Th>0)よりも大きい場合、および、負の第2閾値−Th(Th>0)よりも小さい場合には、カウント値11に誤りがあると判断することができる。なお、Thは、カウント値の1個分に相当する誤りの有無を判断することができるように定められる。例えば、カウント値の1個分に相当する誤り量の90%の値をThとして定めることができる。
Diff=Accel(k)−M×Curr(k−1) ・・・(6)式
図7は、演算部8におけるカウント値の補正動作を示すフローチャートである。ステップS1では、演算部8は、現在のサンプリング点kにおける位置情報Position(k)と過去のサンプリング点(k−1)における位置情報Position(k−1)を用いて(1)式に従って速度情報Veleocity(k)を計算する。
ステップS2では、演算部8は、現在のサンプリング点kにおける速度情報Velocity(k)と過去のサンプリング点(k−1)における速度情報Velocity(k−1)を用いて(2)式に従って加速度情報Accel(k)を計算する。
ステップS3では、演算部8は、ステップS2で計算した加速度情報Accel(k)と、過去のサンプリング点(k−1)における駆動指令値Curr(k−1)にMを乗じた値との差分Diffを(6)式に従って計算する。
ステップS4では、演算部8は、Diffの値が正の第1閾値Th(Th>0)よりも大きいか否かを判定し、Diffの値が正の第1閾値Th(Th>0)よりも大きい場合には、カウント値11の補正(位置情報の補正)のためにステップS5に処理を進める。一方、Diffの値が正の第1閾値Th(Th>0)よりも大きくない場合には、演算部8は、ステップS6に処理を進める。ここで、Diffの値が正の第1閾値Th(Th>0)よりも大きいことは、カウント値11が誤って1個分だけ大きくなっていることを意味する。
ステップS6では、演算部8は、Diffの値が負の第2閾値−Th(Th>0)よりも小さいか否かを判定し、Diffの値が負の第2閾値−Thよりも小さい場合には、カウント値11の補正(位置情報の補正)のためにステップS7に処理を進める。一方、Diffの値が負の第2閾値−Thよりも小さくない場合には、演算部8は、図7に示す一連の処理を終了する。ここで、Diffの値が負の第2閾値−Thよりも小さいことは、カウント値11が誤って1個分だけ小さくなっていることを意味する。
ステップS5では、演算部8は、カウント値11を1だけ減らすことによって位置情報Position(k)を補正する。ここで、1周期の分割数をR(例えば、1024)とすると、補正は、(7)式に従ってなされる。また、例えば、Curr(k)を演算するためにVelocity(k)および/またはAccel(k)が必要な場合には、(7)式に従って補正されたPosition(k)に基づいて、Velocity(k)および/またはAccel(k)が計算される。
Position(k)=Position(k)−R ・・・(7)式
ステップS7では、演算部8は、カウント値11を1だけ増やすことによって位置情報Position(k)を補正する。ここで、1周期の分割数をR(例えば、1024)とすると、補正は、(8)式に従ってなされる。また、例えば、Curr(K)を演算するためにVelocity(k)および/またはAccel(k)が必要な場合には、(8)式に従って補正されたPosition(k)に基づいて、Velocity(k)および/またはAccel(k)が計算される。
Position(k)=Position(k)+R ・・・(8)式
その他の実施形態として、1つ過去のサンプリング点(K−1)における加速度Accel(k−1)と現在のサンプリング点Kにおける加速度Accel(k)とを比較することによって不連続を検出し、カウント値11を補正してもよい。これは、質量または慣性モーメントを有する運動している物体の加速度または角加速度が短時間の間に大きく変化することがないことを利用するものであり、通常動作における加速度変化の最大値に応じて決定される基準として不連続性を検出すればよい。このような実施形態における処理は、図7に示す処理のステップS3で実行される(6)式を(9)式で置き換えたものとなる。
Diff=Accel(k)−Accel(k−1) ・・・(9)式
以上の実施形態は、モータ2aがロータリーモータでありエンコーダ2bがロータリーエンコーダである場合の例であるが、モータ2aがリニアモータでありエンコーダ2bがリニアエンコーダである場合にも本発明を適用することができる。
本発明の好適な実施形態のガルバノ装置の概略構成を示す図である。 図1に示すガルバノ装置の構成をより具体的に示す図である。 信号処理部における代表的な信号を例示する図である。 位置情報の不連続性を例示する図である。 従来の不連続性の補正方法を説明する図である。 サンプリング周期と周期信号との関係を例示する図である。 演算部におけるカウント値の補正動作を示すフローチャートである。
1 ミラー
2a モータ
2b エンコーダ
3 コントローラ
3a 信号処理部
3b 駆動回路
4a、4b、4a'、4b'周期信号
5 駆動信号
6a、6b アナログデジタル変換器
7a、7b 2値化回路
8 演算器
9 カウンタ
11 カウント値
15a、15b 2値信号
16 駆動指令

Claims (8)

  1. エンコーダから提供される互いに位相が異なる2つの周期信号に基づいて物体の位置を検出しながら前記物体の駆動を制御するための駆動指令を発生するコントローラであって、
    前記2つの周期信号のいずれか一方の周期をカウントするカウンタと、
    前記2つの周期信号の値の比のアークタンジェント値と前記カウンタから提供されるカウント値とに基づいて前記物体の位置を検出し、その位置に基づいて前記駆動指令を発生する演算部とを備え、
    前記演算部は、前記アークタンジェント値と前記カウント値とに基づいて計算される前記物体の加速度と過去に発生した前記駆動指令とに基づいて前記カウント値の誤りを補正し、その補正されたカウント値に基づいて前記物体の位置を計算する、
    ことを特徴とするコントローラ。
  2. 前記カウント値の誤りは、前記アークタンジェント値において段差が現れるタイミングと前記カウント値において段差が現れるタイミングとが一致していないことによって生じる、
    ことを特徴とする請求項1に記載のコントローラ。
  3. 前記演算部は、前記物体の加速度の計算値から過去に発生した前記駆動指令を減じた値が正の第1閾値よりも大きいときは前記カウント値を1だけ小さくし、負の第2閾値より小さいときは前記カウント値を1だけ大きくする、
    ことを特徴とする請求項1または2に記載のコントローラ。
  4. エンコーダから提供される互いに位相が異なる2つの周期信号に基づいて物体の位置を検出しながら前記物体の駆動を制御するための駆動指令を発生するコントローラであって、
    前記2つの周期信号のいずれか一方の周期をカウントするカウンタと、
    前記2つの周期信号の値の比のアークタンジェント値と前記カウンタから提供されるカウント値とに基づいて前記物体の位置を検出し、その位置に基づいて前記駆動指令を発生する演算部とを備え、
    前記演算部は、前記アークタンジェント値と前記カウント値とに基づいて計算される前記物体の現在の加速度と過去の加速度とに基づいて前記カウント値の誤りを補正し、その補正されたカウント値に基づいて前記物体の位置を計算する、
    ことを特徴とするコントローラ。
  5. 前記カウント値の誤りは、前記アークタンジェント値において段差が現れるタイミングと前記カウント値において段差が現れるタイミングとが一致していないことによって生じる、
    ことを特徴とする請求項4に記載のコントローラ。
  6. 前記演算部は、前記物体の現在の加速度から前記物体の過去の加速度を減じた値が正の第1閾値よりも大きいときは前記カウント値を1だけ小さくし、負の第2閾値より小さいときは前記カウント値を1だけ大きくする、
    ことを特徴とする請求項4または5に記載のコントローラ。
  7. 物体を駆動する駆動機構と、
    前記物体の位置を検出するエンコーダと、
    前記エンコーダから提供される互いに位相が異なる2つの周期信号に基づいて前記物体の位置を検出しながら該位置に基づいて前記駆動機構を制御するように構成された請求項1乃至6のいずれか1項に記載のコントローラと、
    を備えることを特徴とする加工装置。
  8. 前記物体はミラーであり、前記駆動機構はロータリーモータであり、ガルバノ装置として構成されていることを特徴とする請求項7に記載の加工装置。
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