JP6118291B2 - 位置制御装置及び位置制御方法 - Google Patents
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Description
また、一般に、入力信号と、この入力信号に応じた変位とが一次関数で表されるデバイスは、線形運動デバイスと言われている。この種の線形運動デバイスには、例えば、カメラのオートフォーカスレンズなどがある。
磁気センサ1は、移動体8に取り付けられている磁石(図示せず)が発生する磁場を検出し、検出された磁場の値に対応する検出位置信号値Vipを出力するものである。この磁気センサ1はホール素子であることが望ましい。
また、PID制御回路3は、移動体8の現在位置と目標補正位置信号値とにより指示される移動体8の目標位置とから、この移動体8を目標位置に移動させるための制御信号を出力するものである。このPID制御回路3からの出力信号は、D/A変換回路5によりD/A変換され、出力ドライバ6により駆動コイル7に駆動電流が供給される。
上述したような従来の線形運動デバイスの制御装置については、例えば、特許文献1に開示されている。
図2に示した線形運動デバイス31の制御装置20は、駆動コイル29の漏れ磁場により、磁気センサ21がその漏れ磁場の影響を受けて検出誤差が生じるのを防止する対策を設けたものである。キャリブレーション演算回路24は、検出磁場を取得する直前において駆動コイル29への通電を停止する時間を有し、A/D変換回路23によりA/D変換された検出位置信号値Vipに基づいて、線形運動デバイス31のホーム位置に対応する第1の位置信号値NEGCALと、線形運動デバイス31のフル位置に対応する第2の位置信号値POSCALとから検出位置演算信号値VPROCを得る。
図2において、PID制御回路25は、キャリブレーション演算回路24と漏れ磁場補正回路34に接続され、キャリブレーション演算回路24からの検出位置演算信号値VPROCと漏れ磁場補正回路34からの目標補正位置信号値VTARG’とを入力し、レンズ(移動体)33の現在位置と目標補正位置信号値VTARG’とにより指示されるレンズ33の目標位置とから、このレンズ33を目標位置に移動させるための制御信号を出力するものである。
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、小さい回路面積で操作対象が過渡状態から定常状態に遷移するまでに起こるオーバーシュートを抑制し、高い応答性及び安定性を可能とする位置制御装置及び位置制御方法を提供することにある。
また、請求項3に記載の発明は、請求項2に記載の発明において、前記PID制御回路(25)は、前記絶対値と、前記帰還部(48)の出力信号とを乗算器(49)の乗算により前記帰還量を調整することを特徴とする。(実施例2;図7)
また、請求項5に記載の発明は、請求項4に記載の発明において、前記絶対値演算部は、前記目標値フィルタ回路を経由する前の前記目標位置指令信号と、ローパスフィルタ回路を経由した前記位置信号との差の絶対値を演算することを特徴とする。
また、請求項7に記載の発明は、請求項1〜6のいずれか一項に記載の発明において、前記比例演算部は、前記第1の差(E)の比例動作を行う、か、前記位置信号の比例動作を行い、前記微分演算部は、前記第1の差(E)の微分動作を行う、か、前記位置信号の微分動作を行うことを特徴とする。
また、請求項8に記載の発明は、請求項1〜7のいずれか一項に記載の発明において、前記移動体が、オートフォーカスレンズの線形運動デバイスであることを特徴とする。
PID制御は、制御対象の入力信号VPROCと目標値VTARGとの偏差(差)Eに基づいて制御出力(操作量)MVを演算することで、入力信号VPROCを目標値VTARGに近づけ目標値に近い値に保持することを可能にしている。
比例演算部42は、偏差演算部45から出力された偏差Eに比例した比例値KPを出力するためのものであり、従来のPID制御におけるP動作に該当する。
積分演算部43は、偏差演算部45から出力された偏差Eの時間積分に比例した積分値KIを出力するためのものであり、従来のPID制御におけるI動作に該当する。
制御出力演算部46は、比例演算部42と積分演算部43と微分演算部41とからの出力に基づいて、ゲイン増幅器44を介して制御出力値(操作量)MVを演算するためのものである。具体的には、制御出力演算部46は、比例演算部42と積分演算部43と微分演算部41とから出力された比例値KPと、積分値KIと、微分値KDとの総和を演算(加算又は減算)して制御対象へ出力する。
図4(a)に示すように、目標値が大幅に変化したときに、図4(b)に示すように、操作量が急激に増大する。それによって、図4(c)に示すように、操作対象(レンズ位置)が過渡状態から定常状態に遷移するまでにオーバーシュートが生じて安定性が悪くなる。また、過渡状態から定常状態に遷移するまでに時間がかかり、応答性が悪いという問題がある。
以下、このような問題を解決するための各実施例について説明する。
本実施例1の位置制御装置は、図1又は図2に示すように、磁石32(図2)を備えた移動体33の位置を磁気センサ21により検出して、移動体33を目標値に基づいて目標位置に駆動する位置制御装置である。
A/D変換回路は、磁気センサからの検出位置信号を増幅してA/D変換するもので、A/D変換された検出位置信号値Vipを得るものである。
目標位置指令信号生成回路(デバイス位置指令信号生成回路)26は、移動体33の目標位置指令信号VTARGを生成する。PID制御回路25は、磁気センサ21の出力信号(PID制御回路25の入力信号)VPROC及び目標位置指令信号VTARGを入力とし、移動体33の操作量信号MVを生成する。
また、積分演算部43は、第1の偏差Eと帰還部48の出力信号との帰還演算部47による第2の偏差(差)Fを積分する。また、移動体33は、オートフォーカスレンズの線形運動デバイスであることを可能としている。
つまり、積分演算部43の前段に帰還演算部47を設け、ゲイン増幅器44からの制御出力値(操作量)MVを、帰還部48を介して積分演算部43の入力へフィードバックする構成により、目標値変化時の過渡的区間においてPID制御回路の制御性が向上される。それによって、安定性が向上し、さらに、応答性も向上する。
本実施例2の位置制御装置におけるPID制御回路25は、第1の偏差Eに応じて帰還部48の帰還量が調整されるように構成されている。また、PID制御回路25は、第1の偏差Eの絶対値を演算する絶対値演算部50を備え、第1の偏差Eの絶対値に応じて帰還部48の帰還量が調整されるように構成されている。また、PID制御回路25は、第1の偏差Eの絶対値と、帰還部48の出力信号とを乗算器49の乗算により帰還量が調整されるように構成されている。
つまり、乗算部49を帰還演算部47と帰還部48との間に設け、絶対値演算部50を、偏差演算部45の出力側と乗算部49との間に設けることにより、目標値からのずれ量とフィードバック量を演算し、目標値誤差がなくなるように構成したものである。
本実施例2は、偏差Eの絶対値と帰還部48の出力を乗算する形態であるが、偏差Eの絶対値ではなく、ある時間で正側から0に収束する信号であり、且つ、制御性を高めるような信号を帰還部48の出力に乗算する形態など、定常状態でPID制御回路内部の操作量信号のフィードバック量を0にできる構成であればよい。
つまり、微分演算部41は、入力信号VPROCを直接演算するのではなく、A点からの偏差Eを演算するものである。
つまり、比例演算部42は、A点からの偏差Eを演算するのではなく、入力信号VPROCを直接演算するものである。
ここで、偏差Eを用いて帰還部48の出力に乗算する形態の場合、絶対値演算部50が必要となる。以下で、絶対値演算部50がなく、偏差Eが同じ符号のまま乗算器49に入力される形態を想定する。
レンズ移動方向が正方向の場合、偏差Eは正値であり、操作量信号MVも正値となる。そのため、乗算器49の出力信号は正値となり、偏差E(正値)に対して乗算器49の出力(正値)の差を演算した偏差Fが積分演算部43に入力されることで、操作量のピーク値を小さくすることができる。
そのため、レンズ移動方向の正負に関わらず操作量のピーク値を小さくし、目標値ずれを抑制する効果を得るためには、絶対値演算部50が必要となる。レンズ移動方向が負方向の場合、偏差Eは負値であり、操作量信号MVも負値となる。しかし、絶対値演算部50があるため、乗算器49の出力信号は負値となり、偏差E(負値)に対して乗算器49の出力(負値)の差を演算した偏差Fが積分演算部43に入力されることで、操作量のピーク値を小さくすることができる。
本実施例5の位置制御装置は、上述した実施例2の位置制御装置の変更例で、実施例2においては、比例演算部42は、第1の偏差演算部45の偏差Eを入力としているが、本実施例5においては、入力信号VPROCを直接入力としている。つまり、比例演算部42は、第1の偏差Eに比例した比例値を出力する比例動作を行う代わりに、磁気センサ21の出力信号VPROCに比例した比例値を出力する比例動作を行うように構成されている。このような接続関係においても、実施例2と同様な効果を奏する。
本実施例6の位置制御装置は、上述した実施例2の位置制御装置の更なる変更例で、微分演算部41の前段にLPF回路51を設けているとともに、第1の偏差演算部45の前段に目標値フィルタ回路52を設け、絶対値演算部50は、第2の偏差演算部53を介して目標値VTARGとLPF回路51の出力信号との第3の偏差(差)Gを入力としている。
つまり、本実施例6の位置制御装置におけるPID制御回路25は、微分演算部41の前段にLPF回路51を設けるとともに、第1の偏差演算部45の前段に目標値フィルタ回路52を設け、絶対値演算部50の前段に第2の偏差演算部53を設けている。
図7に示した実施例2においては、第1の偏差演算部45と帰還演算部47の中間点Aから絶対値演算部50に偏差Eを入力しているが、本実施例6においては、目標値フィルタ回路52の入力前の信号と、LPF回路51の出力信号との差分を第2の偏差演算部53を介して第3の偏差Gを入力している。
本実施例7の位置制御装置は、上述した実施例6の位置制御装置の変更例で、実施例6においては、乗算部49を帰還演算部47と帰還部48との間に設けていたが、これを取り除き、絶対値演算部50の出力信号を直接的に帰還部48に入力したものである。
1)操作量MVをフィードバックすること、2)過渡状態ではフィードバック量が出力され、定常状態ではフィードバック量がゼロもしくはほぼゼロとなること、3)帰還演算部47に入力される信号は、操作量MVの符号に対して逆の符号であること、である。
特に、オートフォーカス制御において、レンズ位置を目標位置へ大幅に駆動後、レンズを安定させる場合においては、本実施例2の構成等が好適である。これによれば、レンズを大幅に動かす操作性に加えて、レンズを安定に保持する安定性も向上する。
本発明の位置制御方法は、磁石32を備えた移動体33の位置を磁気センサ21により検出して、移動体33を操作量に基づいて目標位置に駆動する位置制御方法である。
移動体33の目標位置指令信号VTARGを生成する目標位置指令信号生成ステップと、磁気センサ21で検出した移動体の位置信号VPROC及び目標位置指令信号VTARGに基づいて操作量信号MVを生成してPID制御するPID制御ステップと、を備えている。
このようにして、操作対象が過渡状態から定常状態に遷移するまでに起こるオーバーシュートを抑制し、高い応答性及び安定性を可能とする位置制御方法を実現することができる。また、この構成は非常に簡便であり、小さな回路面積で実現ができる。
2 A/D変換回路
3 PID制御回路
4 デバイス位置(目標位置)指令信号発生回路
5 D/A変換回路
6 出力ドライバ
7 駆動コイル
8 移動体
13 PID制御装置
20 制御装置(位置制御回路)
21 磁気センサ
22 増幅器
23 A/D変換回路
24 キャリブレーション演算回路
25 PID制御回路
26 目標位置指令信号発生回路
28a,28b 出力ドライバ
29 駆動コイル
30 カメラモジュール
31 線形運動デバイス
32 磁石
33 レンズ(移動体)
34 漏れ磁場補正回路
41 微分演算部
42 比例演算部
43 積分演算部
44 ゲイン増幅部
45 第1の偏差演算部
46 制御出力演算部
47 帰還演算部
48 帰還部
49 乗算部
50 絶対値演算部
51 LPF回路
52 目標値フィルタ回路
53 第2の偏差演算部
Claims (9)
- 磁石を備えた移動体の位置を磁気センサにより検出して、前記移動体を操作量に基づいて目標位置に駆動する位置制御装置において、
前記移動体の目標位置指令信号を生成する目標位置指令信号生成回路と、
前記磁気センサで検出した前記移動体の位置信号及び前記目標位置指令信号を入力とし、前記移動体の操作量信号を生成するPID制御回路と、を備え、
前記PID制御回路は、比例動作を行う比例演算部と、積分動作を行う積分演算部と、微分動作を行う微分演算部と、前記操作量信号をフィードバックする帰還部と、を有し、
前記PID制御回路は、前記目標位置指令信号と前記位置信号との第1の差と、前記帰還部の出力信号と、の差分である第2の差を前記積分演算部が積分するように構成され、
さらに、前記PID制御回路は、前記第1の差に応じて前記帰還部の帰還量を調整する位置制御装置。 - 前記PID制御回路は、前記第1の差の絶対値を演算する絶対値演算部を有し、前記絶対値に応じて前記帰還部の前記帰還量を調整する請求項1に記載の位置制御装置。
- 前記PID制御回路は、前記絶対値と、前記帰還部の出力信号とを乗算器の乗算により前記帰還量を調整する請求項2に記載の位置制御装置。
- 前記PID制御回路は、ローパスフィルタ回路と目標値フィルタ回路を有し、前記ローパスフィルタ回路を経由した前記位置信号と、前記目標値フィルタ回路を経由した前記目標位置指令信号に対して、PID制御を行う請求項1〜3のいずれか一項に記載の位置制御装置。
- 前記絶対値演算部は、前記目標値フィルタ回路を経由する前の前記目標位置指令信号と、ローパスフィルタ回路を経由した前記位置信号との差の絶対値を演算する請求項4に記載の位置制御装置。
- 前記PID制御回路は、前記比例演算部、前記積分演算部、前記微分演算部からの出力信号を加算又は減算した信号をゲイン増幅して操作量信号として出力するゲイン増幅部をさらに有する請求項1〜5のいずれか一項に記載の位置制御装置。
- 前記比例演算部は、前記第1の差の比例動作を行う、か、前記位置信号の比例動作を行い、
前記微分演算部は、前記第1の差の微分動作を行う、か、前記位置信号の微分動作を行う請求項1〜6のいずれか一項に記載の位置制御装置。 - 前記移動体が、オートフォーカスレンズの線形運動デバイスである請求項1〜7のいずれか一項に記載の位置制御装置。
- 磁石を備えた移動体の位置を磁気センサにより検出して、前記移動体を操作量に基づいて目標位置に駆動する位置制御方法において、
前記移動体の目標位置指令信号を生成する目標位置指令信号生成ステップと、
前記磁気センサで検出した前記移動体の位置信号及び前記目標位置指令信号に基づいて操作量信号を生成してPID制御するPID制御ステップと、を備え、
前記PID制御ステップが、
前記位置信号を微分するステップと、
前記位置信号と前記目標位置指令信号との第1の差を演算するステップと、
前記第1の差に比例した比例値を演算するステップと、
前記操作量信号から帰還信号を生成するステップと、
前記第1の差から前記帰還信号を減算して第2の差を演算するステップと、
前記第2の差を積分するステップと、を有し、
さらに、前記PID制御ステップが、前記第1の差の絶対値を演算するステップと、前記絶対値と前記帰還信号とを乗算するステップと、を有し、
前記第2の差を積分するステップは、前記絶対値と前記帰還信号とを乗算した信号を積分するステップである位置制御方法。
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