CN102082534B - 电动机控制电路和控制方法以及附带拍摄功能的电子设备 - Google Patents

Abstract

一种电动机控制电路和控制方法以及附带拍摄功能的电子设备，能够准确地对摩擦大的对象物进行定位。控制电路生成表示致动器应产生的转矩的驱动信号。第1运算部基于表示致动器的可动元件的状态的检测信号，生成位置信号、速度信号、加速度信号。第2运算部生成表示目标信号和位置信号的差分的第1差分信号。第3运算部生成表示与第1差分信号对应的信号和与速度信号对应的信号的差分的第2差分信号。第4运算部生成位置控制信号，使得第2差分信号成为零。第5运算部生成表示与驱动信号对应的信号和与加速度信号对应的信号的差分的第3差分信号。第6运算部将与位置控制信号对应的信号和与第3差分信号对应的干扰预测信号相加，生成驱动信号。

Description

电动机控制电路和控制方法以及附带拍摄功能的电子设备

技术领域

本发明涉及电动机的驱动技术。

背景技术

在数字照相机、数字摄像机、附带照相机的便携电话终端等的附带拍摄功能的电子设备中，搭载了抖动校正功能。图1(a)、(b)是表示具有抖动校正机构的拍摄装置的结构的图。参照图1(a)，拍摄装置200包括：拍摄传感器202、透镜204、透镜架(lens holder)206、致动器(电动机)208、陀螺仪传感器(gyro sensor)214、霍尔元件216、电动机控制电路218。

抖动校正用的透镜204位于光轴220上。用于保持透镜204的透镜架206由轴(shaft)209轴支撑，可在X轴方向移动。图1(b)是抖动校正机构的立体图。与图1(a)所示的X轴方向相同的可动机构，也设置在Y轴方向上，透镜架206可在XY平面上移动。为了防止由透镜在Z轴方向移动而产生的焦点(punt)的偏离，在Z轴方向上是固定的。

致动器(actuator)208由作为可动元件的磁铁210和作为固定元件的线圈212的对构成，磁铁210设置在透镜架206侧，线圈212设置在印刷电路板上。或者，相反也存在线圈212设置在透镜架206侧，磁铁210设置在印刷电路板上的情况。

霍尔元件216受到磁铁210产生的磁场，产生表示磁铁210的位置、即表示可动元件的位置的霍尔信号。陀螺仪传感器214检测拍摄装置200的振动，生成表示位移量的陀螺仪信号。控制电路218接受陀螺仪信号和霍尔信号。控制电路218通过反馈而生成对于线圈212驱动信号，使得陀螺仪信号表示的拍摄装置200的位移量和致动器208引起的透镜204的位移量相抵消。在图1中，表示了对于X轴方向的抖动校正机构，但对Y轴方向也设置相同的机构。也存在代替透镜而移动拍摄传感器而防止抖动的情况。

【专利文献1】特开2003-151231号公报

【专利文献2】特开2005-032406号公报

如上所述，为了防止Z轴方向的透镜的变动，透镜架206成为沿着轴209滑动的结构。因此，致动器208受到摩擦所产生的外力(阻力)。尤其在致动器208静止的状态下，静止摩擦力变大。

在对这样的摩擦大的对象物进行位置控制的情况下，一般通过扩大控制环路的频带来应对。但是，这个方法会产生因扩大频带而发生噪声或系统变得不稳定的问题。这样的问题不限定于上述的抖动校正机构，在各种致动器(电动机)中可能产生。

发明内容

本发明是鉴于这样的状况而进行的，本发明的一个方式的例示性的目的之一在于，提供一种能够准确地对摩擦大的对象物进行定位的电动机驱动技术。

本发明的一个方式涉及一种控制电路，基于表示驱动对象的电动机的可动元件的目标位置的目标信号、和表示电动机的可动元件的当前的位置、速度或者加速度中的任一个的检测信号，生成表示电动机应产生的转矩的驱动信号。控制电路包括：第1运算部，基于检测信号，生成表示可动元件的位置的位置信号、表示可动元件的速度的速度信号以及表示可动元件的加速度的加速度信号；第2运算部，生成表示目标信号和位置信号的差分的第1差分信号；第3运算部，生成表示与第1差分信号对应的信号和与速度信号对应的信号的差分的第2差分信号；第4运算部，生成位置控制信号，使得第2差分信号成为零；第5运算部，生成表示与驱动信号对应的信号和与加速度信号对应的信号的差分的第3差分信号；以及第6运算部，将与位置控制信号对应的信号和与第3差分信号对应的干扰预测信号相加，生成驱动信号。

根据这个方式，通过与以往的对准的反馈控制(PI补偿)一同进行如下的反馈控制，即生成表示摩擦等所产生的外力的估计值的干扰预测信号，并将该干扰预测信号加到驱动信号中而消除外力的反馈控制，从而能够进行准确且迅速的位置控制。另外，在本说明书中，不特别区分而使用致动器和电动机。

一个方式的控制电路也可以还包括：第7运算部，通过对第3差分信号进行滤波，生成干扰预测信号。

在一个方式中，检测信号也可以表示电动机的可动元件的当前的位置。第1运算部也可以包括：第1微分器，通过对位置信号进行微分，生成表示可动元件的速度的速度信号；以及第2微分器，通过对速度信号进行微分，生成表示可动元件的加速度的加速度信号。

第4运算部也可以通过将与第2差分信号对应的信号和与第2差分信号的积分值对应的积分信号相加，生成位置控制信号。或者，也可以不加上积分信号，而将与第2差分信号对应的信号作为位置控制信号。

电动机也可以是对抖动校正用的透镜进行定位的电动机。本控制电路也可以还包括：第8运算部，接受来自位移传感器的输入信号，对该输入信号进行积分，生成目标信号，所述位移传感器检测搭载了透镜的设备的位移速度。

本发明的其他方式是一种附带拍摄功能的电子设备。该附带拍摄功能的电子设备包括：拍摄传感器；抖动校正用透镜，设置在入射到拍摄传感器的光学路径上；致动器，使透镜进行位移；位移传感器，生成表示本电子设备的位移的输入信号；霍尔传感器，生成表示致动器的可动元件的位置的位置信号；上述的任一方式的控制电路，接受输入信号和位置信号，驱动致动器。

另外，将以上的结构元件的任意的组合和将本发明的结构元件和表现在方法、装置、系统等之间相互置换的结果也作为本发明的方式是有效的。

根据本发明，在外力大的系统中，能够准确地定位对象物。

附图说明

图1(a)、(b)是表示具有抖动校正机构的拍摄装置的结构的图。

图2是表示实施方式的抖动校正系统的结构的方框图。

图3是表示图2的抖动校正系统的动作的波形图。

图4(a)、(b)是表示不具有干扰预测部的以往的抖动校正系统的动作的波形图。

标号说明

10……第1运算部、20……第2运算部、30……第3运算部、40……第4运算部、50……第5运算部、60……第6运算部、70……第7运算部、80……第8运算部、90……干扰预测部、D1……第1微分器、D2……第2微分器、K1……第1系数电路、K2……第2系数电路、K3……第3系数电路、K4……第4系数电路、K5……第5系数电路、K6……第6系数电路、ADC1……第1A/D转换器、ADC2……第2A/D转换器、DAC1……D/A转换器、S0……陀螺仪输入信号、S1……目标信号、S2……位置信号、S3……第1差分信号、S4……速度信号、S5……加速度信号、S6……第2差分信号、S7……积分信号、S8……位置控制信号、S9……第3差分信号、S10……干扰预测信号、S11……驱动信号、1……抖动校正系统、2……抖动校正单元、4……致动器、6……透镜、8……陀螺仪传感器、9……霍尔传感器、9a……霍尔元件、9b……霍尔放大器、100……控制电路、102……驱动电路

具体实施方式

以下，参照附图并基于优选的实施方式说明本发明。对于在各个附图中表示的相同或者相等的结构元件、部件、处理赋予相同的标号，适当地省略重复的说明。此外，实施方式只是例示并不是限定发明的，在实施方式中记载的全部特征和其组合并不是发明的本质性的。

在本说明书中，“部件A与部件B连接的状态”，除了部件A与部件B通过物理方式直接连接的情况之外，还包括部件A与部件B经由对电连接状态不产生影响的其他部件而间接连接的情况。

同样地，“部件C设置在部件A和部件B之间的状态”，除了部件A和部件C、或者部件B和部件C直接连接的情况之外，还包括经由对电连接状态不产生影响的其他部件而间接连接的情况。

图2是表示实施方式的抖动校正系统的结构的方框图。抖动校正系统1搭载在数字照相机、数字摄像机、附带照相机的便携电话终端等的附带拍摄功能的电子设备中。抖动校正系统1包括抖动校正单元2、陀螺仪传感器8、霍尔传感器9、控制电路100以及驱动电路102。

陀螺仪传感器8是检测伴随着搭载抖动校正系统1的电子设备的壳体的振动的角速度的角速度传感器。该振动在用户持有壳体时产生，用户按下快门而产生，或者由拍摄时的快门单元的动作引起而产生。陀螺仪传感器8生成表示检测出的壳体的位移的角速度[rad/sec]的陀螺仪输入信号S0。

抖动校正单元2包括透镜和透镜架(以下，简称为透镜)6、致动器(电动机)4。霍尔传感器9生成表示致动器4的可动元件(即，透镜6)的位移量的检测信号S2`。例如，霍尔传感器9包括霍尔元件9a和霍尔放大器9b。

控制电路100和驱动电路102驱动致动器4，并控制透镜6的位置，以消除陀螺仪输入信号S0表示的抖动校正系统1的振动。具体地说，控制电路100基于陀螺仪输入信号S0，生成表示驱动对象的致动器4的可动元件的目标位置的目标信号S1，并控制致动器4，使得目标信号S1和表示当前的可动元件的位置的位置信号S2一致。

以上是抖动校正系统1的整体的结构。接着，说明控制电路100的结构。控制电路100基于表示可动元件的目标位置的目标信号S1和表示可动元件的当前的位置的位置信号S2，生成表示致动器4应产生的转矩的驱动信号S11。控制电路100包括A/D转换器ADC1、ADC2、D/A转换器DAC1、以及第1运算部10～第8运算部80。

第1A/D转换器ADC1将陀螺仪输入信号S0转换为数字信号。同样地，第2A/D转换器ADC2将检测信号S2`转换为数字信号。

第8运算部80接受具有角速度的量纲(dimension)的陀螺仪输入信号S0，并对该信号进行时间积分而生成具有角度(位移量)的量纲的目标信号S1。第8运算部80包括偏移电路82、第6系数电路K6、积分器84。偏移电路82是为了消除系统的偏移而设置的。第6系数电路K6对消除了偏移的陀螺仪输入信号S0乘以系数K6。积分器84对输入的信号进行时间积分，生成目标信号S1。

第1运算部10基于来自霍尔传感器9的检测信号S2`，生成表示可动元件的速度的速度信号S4和表示可动元件的加速度的加速度信号S5。第1运算部10包括第1微分器D1和第2微分器D2。第1微分器D1对位置信号S2进行时间微分，生成表示可动元件的速度的速度信号S4[m/s]。第2微分器D2进一步对速度信号S4进行时间微分，生成表示可动元件的加速度的加速度信号S5[m/s2]。位置信号S2是直接利用检测信号S2`。

第2运算部20生成表示目标信号S1和位置信号S2的差分的第1差分信号S3。控制电路100通过位置反馈控制而控制致动器4的可动元件的位置，使得第1差分信号S3成为零。

第3运算部30生成表示与第1差分信号S3对应的信号S3`和与速度信号S4对应的信号S4`的差分的第2差分信号S6。信号S3`是对第1差分信号S3乘以系数K1的值，信号S4`是对速度信号S4乘以系数K2的值。减法器32从信号S3`中减去信号S4`而生成第2差分信号S6。

第4运算部40也被称为PI补偿器，生成第1差分信号S3`和速度信号S3`的差分成为零的位置控制信号S8。具体地说，第4运算部40通过将与第2差分信号S6对应的信号S6`和与第2差分信号S6的积分值对应的积分信号S7相加而生成位置控制信号S8。

系数电路K3、K4分别对第2差分信号S6乘以系数K3、K4。积分器42对第4系数电路K4的输出进行时间积分。加法器44将来自积分器42的积分信号S7和第3系数电路K3的输出S6`相加。

第5运算部50生成表示与驱动信号S11对应的信号S11`和与加速度信号S5对应的信号S5`的差分的第3差分信号S9。具体地说，延迟电路52延迟驱动信号S11。延迟电路52是为了稳定第5运算部50、第7运算部70和第6运算部60形成的环路而设置的。第5系数电路K5对加速度信号S5乘以第5系数K5。减法器54从延迟电路52的输出S11`中减去第5系数K5的输出S5`而生成第3差分信号S9。

第7运算部70是低通滤波器，基于第3差分信号S9而生成干扰预测信号S10。第7运算部70的传递函数由1/(1+s·τ)表示。其中，τ表示低通滤波器的时间常数。

第6运算部60将位置控制信号S8和干扰预测信号S10相加，生成驱动信号S11。A/D转换器ADC1将驱动信号S11转换为模拟的驱动信号S11`。

以上是控制电路100的结构。驱动电路102驱动抖动校正单元2，以能够获得与驱动信号S11`对应的转矩。在本实施方式中，致动器4以与驱动信号S11的值对应的占空比被脉宽调制驱动。驱动电路102包括H桥电路。H桥电路的导通方向(极性)和导通、截止的占空比是基于驱动信号S11而被控制。在这样的结构中，驱动电路102近似作为低通滤波器，其传递函数由

Gdrv/(1+s·τdrv)+死区提供。τdrv是低通滤波器的时间常数。另外，驱动电路102只要使用公知技术即可，其结构并不限定于H桥电路。经过驱动电路102的传递函数，获得对致动器4提供的实际的驱动电压S12。

另外，驱动电路102的形式并不限定于H桥电路的脉宽调制驱动，也可以是以BTL(Bridged Transless)驱动为代表的其他的驱动方式。此时，传递函数也可以与式(1)同样地近似。

致动器4的传递函数由

Kt×1/(R+sL)提供。1/(R+sL)是致动器4的线圈的阻抗，R是致动器4的电阻成分，L是电感成分。

若对驱动电压S12乘以传递函数1/(R+sL)，则获得流过线圈的电流[A]。通过对流过线圈的电流[A]乘以力转换系数Kt[N/A]，获得致动器4产生的力[N]。

如图1所示，在透镜架相对于轴进行滑动的情况下，致动器4受到摩擦所产生的外力FR[N]。因此，在可动元件中被施加从致动器4产生的力F中减去摩擦力FR的力。若将透镜6的质量设为m[kg]，则透镜6的加速度由

(FA-FR)/m提供。通过对加速度进行时间积分而得到速度，进一步进行积分而得到透镜6的位置。透镜6的位置由上述的霍尔传感器9检测出并反馈到控制电路100。

以上是抖动校正系统1的结构。接着，说明其动作。在图2的抖动校正系统1中，并用以下的两个反馈控制。

1.进行对准的反馈控制

2.生成表示摩擦等而产生的外力的估计值的干扰预测信号，并将该干扰预测信号加到驱动信号中而消除外力的反馈控制

对准的反馈主要通过经由第2运算部20、第3运算部30、第4运算部40以及驱动电路102、抖动校正单元2、霍尔传感器9的环路而执行。

第1微分器D1、第2微分器D2、第5运算部50、第7运算部70形成干扰预测部90。通过干扰预测部90估计摩擦等所产生的外力，生成表示该估计值的干扰预测信号S10。然后，对通过对准反馈环路而生成的位置控制信号S8重叠干扰预测信号S10而生成驱动信号S11，从而抵消外力，可进行迅速且准确的对准。

图3是表示图2的抖动校正系统1的动作的波形图。图4(a)、(b)是表示不具有干扰预测部90的以往的抖动校正系统的动作的波形图。为了更加明确本发明的效果，先参照图4(a)、(b)，说明以往的致动器的动作。在图4(a)、(b)中，在时刻t0的初始状态中透镜位置为0[m]。在时刻t0，目标位置设定为0.0002[m]，在时刻t＝100[ms]，目标位置设定为-0.0002[m]。

图4(a)表示在对于致动器的可动元件的外力非常小的情况下的动作。此时，仅通过对准反馈，就能够将透镜6的位置定位在目标位置上。另一方面，图4(b)表示透镜6受到的外力(静止摩擦系数)大的情况。此时，仅通过PI补偿不能准确地控制透镜6，透镜的位置会从目标值较大脱离。

接着，参照图3。根据图2的抖动校正系统1，能够通过干扰预测部90如一点划线所示那样估计外力。然后，经由第6运算部60生成驱动信号S11，以抵消该估计出的外力，并基于驱动信号S11而驱动致动器4，从而能够准确且迅速地对透镜6进行定位。

以上，基于实施方式说明了本发明。本实施方式只是例示，在这些各个结构元件和各个处理过程以及它们的组合中，可存在各种变形例。以下，说明这样的变形例。

在实施方式中，说明了从陀螺仪传感器8接受具有速度的量纲的陀螺仪输入信号S0的情况，但本发明并不限定于此。例如，也可以使用其他的传感器接受具有位置的量纲的输入信号。此时，也可以省略第8运算部80的积分器84。

此外，在实施方式中，说明了从霍尔传感器9接受具有位置的量纲的位置信号S2的情况，但本发明并不限定于此。例如，也可以从霍尔传感器接受具有速度的量纲的速度信号。此时，也可以通过对该速度信号进行积分而生成位置信号S2，不需要第1微分器D1的微分处理。或者，也可以从两个霍尔传感器并列地接受具有速度的量纲的速度信号和具有位置的量纲的位置信号。即，第1运算部10接受表示致动器4的可动元件的位置、速度或者加速度中的任一个的检测信号，对检测信号进行微分或积分，从而可生成位置信号、速度信号、加速度信号即可。

在实施方式中，说明了抖动校正系统1，但控制电路100的用途并不限定于此，也可以用于各种位置控制中。此外，控制对象并不限定于图1所示的线性致动器，也可以应用于各种电动机、致动器。

此外，各个系数电路的位置并不限定于图2的配置，只要是本领域的技术人员，就能够进行变形。

基于实施方式，使用具体的语句说明了本发明，但实施方式只是表示本发明的原理、应用，在实施方式中，承认在不脱离在权利要求范围中限定的本发明的思想的范围中，较多变形例和配置的变更。

Claims (12)

1.一种控制电路，基于表示驱动对象的电动机的可动元件的目标位置的目标信号、和表示所述电动机的可动元件的当前的位置、速度或者加速度中的任一个的检测信号，生成表示所述电动机应产生的转矩的驱动信号，其特征在于，包括：

第1运算部，基于所述检测信号，生成表示所述可动元件的位置的位置信号、表示所述可动元件的速度的速度信号以及表示所述可动元件的加速度的加速度信号；

第2运算部，生成表示所述目标信号和所述位置信号的差分的第1差分信号；

第3运算部，生成表示与所述第1差分信号对应的信号和与所述速度信号对应的信号的差分的第2差分信号；

第4运算部，生成位置控制信号，使得所述第2差分信号成为零；

第5运算部，生成表示与所述驱动信号对应的信号和与所述加速度信号对应的信号的差分的第3差分信号；以及

第6运算部，将与所述位置控制信号对应的信号和与所述第3差分信号对应的干扰预测信号相加，生成所述驱动信号，

所述第5运算部包括：

延迟电路，使所述驱动信号延迟；

第5系数电路，对所述加速度信号乘以第5系数；以及

减法器，从所述延迟电路的输出减去所述第5系数电路的输出。

2.一种控制电路，基于表示驱动对象的电动机的可动元件的目标位置的目标信号、和表示所述电动机的可动元件的当前的位置、速度或者加速度中的任一个的检测信号，生成表示所述电动机应产生的转矩的驱动信号，所述电动机是对抖动校正用的透镜进行定位的电动机，所述控制电路的特征在于，包括：

第1运算部，基于所述检测信号，生成表示所述可动元件的位置的位置信号、表示所述可动元件的速度的速度信号以及表示所述可动元件的加速度的加速度信号；

第2运算部，生成表示所述目标信号和所述位置信号的差分的第1差分信号；

第3运算部，生成表示与所述第1差分信号对应的信号和与所述速度信号对应的信号的差分的第2差分信号；

第4运算部，生成位置控制信号，使得所述第2差分信号成为零；

第5运算部，生成表示与所述驱动信号对应的信号和与所述加速度信号对应的信号的差分的第3差分信号；

第6运算部，将与所述位置控制信号对应的信号和与所述第3差分信号对应的干扰预测信号相加，生成所述驱动信号；

第7运算部，通过对所述第3差分信号进行滤波，生成所述干扰预测信号；以及

第8运算部，接受来自位移传感器的输入信号，对该输入信号进行积分，生成所述目标信号，所述位移传感器检测搭载了所述透镜的设备的位移速度。

3.如权利要求1或2所述的控制电路，其特征在于，

所述检测信号表示所述电动机的可动元件的当前的位置，

所述第1运算部包括：

第1微分器，通过对所述位置信号进行微分，生成表示所述可动元件的速度的速度信号；以及

第2微分器，通过对所述速度信号进行微分，生成表示所述可动元件的加速度的加速度信号。

4.如权利要求1或2所述的控制电路，其特征在于，

所述第3运算部包括：

第1系数电路，对所述第1差分信号乘以第1系数；

第2系数电路，对所述速度信号乘以第2系数；以及

减法器，从所述第1系数电路的输出减去所述第2系数电路的输出。

5.如权利要求1或2所述的控制电路，其特征在于，

所述第4运算部通过将与所述第2差分信号对应的信号和与所述第2差分信号的积分值对应的积分信号相加，生成所述位置控制信号。

6.如权利要求1或2所述的控制电路，其特征在于，

所述第4运算部包括：

第3系数电路，对所述第2差分信号乘以第3系数；

第4系数电路，对所述第2差分信号乘以第4系数；

积分器，对所述第4系数电路的输出进行时间积分；以及

加法器，将所述第3系数电路的输出和所述积分器的输出相加。

7.如权利要求2所述的控制电路，其特征在于，

在将低通滤波器的时间常数设为τ时，由

1/(1+s·τ)

提供所述第7运算部的传递函数。

8.如权利要求2所述的控制电路，其特征在于，

所述第8运算部包括：

偏移电路，对来自所述位移传感器的输入信号提供偏移；

第6系数电路，对所述偏移电路的输出乘以第6系数；以及

积分器，对所述第6系数电路的输出进行时间积分。

9.一种附带拍摄功能的电子设备，其特征在于，包括：

拍摄传感器；

抖动校正用透镜，设置在入射到所述拍摄传感器的光学路径上；

致动器，使所述透镜进行位移；

位移传感器，生成表示本电子设备的位移的输入信号；

霍尔传感器，生成表示所述致动器的可动元件的位置的位置信号；

权利要求2所述的控制电路，接受所述输入信号和所述位置信号，生成所述驱动信号；以及

驱动电路，基于所述驱动信号，驱动所述致动器。

10.如权利要求9所述的电子设备，其特征在于，

进行将所述透镜对准的反馈控制。

11.如权利要求10所述的电子设备，其特征在于，

进行所述透镜的对准的反馈控制是通过经由所述控制电路的所述第2运算部、所述第3运算部和所述第4运算部、所述驱动电路、所述透镜和所述致动器、以及所述霍尔传感器的环路而执行。

12.如权利要求11所述的电子设备，其特征在于，

所述第1运算部、所述第5运算部、所述第7运算部形成干扰预测部，该干扰预测部估计摩擦所产生的外力的估计值，并生成表示该估计值的干扰预测信号，

对通过所述对准反馈的环路而生成的所述位置控制信号重叠所述干扰预测信号而生成所述驱动信号，从而抵消外力。