(57)【要約】【課題】フィードバック制御を高速で行うデジタル制御システムを極めて低消費電力、低コストで提供すること。【解決手段】被制御対象１０１の状態をアナログ電圧Ｖとして検出するセンサ１０２と、前記センサ１０２で検出したアナログ電圧Ｖと基準電圧ｒｅｆ１、ｒｅｆ２との高低関係を比較した結果を２値のデジタル信号として出力するＡ／Ｄ変換デバイス１０３、１０４と、前記Ａ／Ｄ変換デバイス１０３、１０４から出力されたデジタル信号に基づいて、被制御対象の状態を目標値に近づけるための制御信号Ｓを出力するデジタル信号処理部１０７とを備え、前記Ａ／Ｄ変換デバイス１０３、１０４に、目標値に応じた基準電圧を入力することを特徴とするデジタル制御システムである。前記Ａ／Ｄ変換デバイスとしてはコンパレータを用いることが好ましい。【選択図】図１
2014165873.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被制御対象の状態をアナログ電圧として検出するセンサと、
前記センサで検出したアナログ電圧と基準電圧との高低関係を比較した結果を２値のデジタル信号として出力するＡ／Ｄ変換デバイスと、
前記Ａ／Ｄ変換デバイスから出力されたデジタル信号に基づいて、被制御対象の状態を目標値に近づけるための制御信号を出力するデジタル信号処理部とを備え、
前記Ａ／Ｄ変換デバイスに、目標値に応じた基準電圧を入力することを特徴とするデジタル制御システム。
【請求項２】
前記Ａ／Ｄ変換デバイスは、第一の入力端子、第二の入力端子および一つの出力端子を有し、それぞれのＡ／Ｄ変換デバイスの第二の入力端子には、それぞれ異なる基準電圧を入力し、第一の入力端子に入力された電圧が第二の入力端子に入力された電圧よりも高い場合にはあらかじめ設定された閾値電圧よりも高い電圧を該出力端子から出力し、第一の入力端子に入力された電圧が第二の入力端子に入力された電圧よりも低い場合にはあらかじめ設定された閾値電圧よりも低い電圧を該出力端子から出力するように動作するものであって、
前記複数のＡ／Ｄ変換デバイスからの出力を一列に並べて複数ビット列のデジタル信号とし、該デジタル信号をもとに上記デジタル処理装置を用いてフィードバック制御を行うことを特徴とする請求項１に記載のデジタル制御システム。
【請求項３】
前記Ａ／Ｄ変換デバイスとしてコンパレータを用いたことを特徴とする請求項１または２に記載のデジタル制御システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被制御対象の状態をデジタル信号として検出して、目標とする値と比較し、フィードバック制御するデジタル制御システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
被制御対象の状態をデジタル信号として検出し、検出した状態と目標とする状態との差を算出して、その差が小さくなるように、すなわち被制御対象の状態を目標値に近づけるように被制御対象に外力を加える、いわゆるフィードバック制御が様々な分野で行われている。
【０００３】
被制御対象の状態をデジタル信号として検出してフィードバック制御を行う方法としては、例えば非特許文献１には典型的なデジタル信号のフィードバック制御が開示されている。この方法では、被制御対象の状態をセンサによってアナログの電圧値に変換し、変換したアナログ電圧値をアナログ−デジタル・コンバータを用いて信号のアナログ電圧値に応じたビット数のデジタル信号に変換することでアナログ値をデジタル値に置き換えている。さらにデジタル信号をデジタル処理により目標値と比較し、比較した結果に基づいて制御信号を生成して被制御対象へ与えるアクチュエータからの外力としてフィードバックする。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】小堀康功ほか、「ΔΣ変調ＡＤＣを用いたモータ駆動用ディジタル信号処理方式の検討」、信学技報、vol.107、no.382、ICD2007-130、2007年12月、pp.59-64
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
非特許文献１に開示された方法では、被制御対象の状態をセンサでアナログ電圧として検出した後にデジタル信号に変換するためにアナログ−デジタル・コンバータを用いる。しかしながら高速で制御を行う場合には、高速なアナログ−デジタル・コンバータが必要であるところ、高速なアナログ−デジタル・コンバータは消費電力が高く、コストが高い。例えば１マイクロ秒以下で被制御対象を目標値に近づけるためには毎秒１００メガサンプリング（＝１０ナノ秒周期）で動作するアナログ−デジタル・コンバータが必要である。この動作領域の速度のアナログ−デジタル・コンバータは、速度と消費電力、また速度とコストがほぼ比例して増大するという問題があった。
【０００６】
そこで本発明は、フィードバック制御を高速で行うデジタル制御システムを極めて低消費電力、低コストで提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の課題を解決するために、一実施形態に記載された発明は、被制御対象の状態をアナログ電圧として検出するセンサと、前記センサで検出したアナログ電圧と基準電圧との高低関係を比較した結果を２値のデジタル信号として出力するＡ／Ｄ変換デバイスと、前記Ａ／Ｄ変換デバイスから出力されたデジタル信号に基づいて、被制御対象の状態を目標値に近づけるための制御信号を出力するデジタル信号処理部とを備え、前記Ａ／Ｄ変換デバイスに、目標値に応じた基準電圧を入力することを特徴とするデジタル制御システムである。
【発明の効果】
【０００８】
本発明のデジタル制御システムによれば、高速で動作可能であるにもかかわらず、極めて低消費電力、低コストな制御システムを実現できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】第１実施形態のデジタル制御システムの構成を示す図である。
【図２】第１実施形態におけるアナログ電圧と基準電圧の関係およびこれらに対応した制御内容を示す図である。
【図３】第２実施形態のデジタル制御システムの構成を示す図である。
【図４】第２実施形態におけるアナログ電圧と基準電圧の関係およびこれらに対応した制御内容を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。
【００１１】
本発明のデジタル制御システムでは、コンパレータなどの、アナログ入力電圧と基準電圧との高低関係を比較した結果を２値のデジタル信号で出力するＡ／Ｄ変換デバイスに、目標値に応じた基準電圧を入力するとともにセンサで検出した被制御対象の状態であるアナログ電圧を入力する。この構成により、センサで検出した被制御対象の状態であるアナログ電圧について、目標値に応じた基準電圧に対する高低関係をコンパレータの出力として「１」、「０」で取り出すことで被制御対象の状態を疑似的なデジタル信号として表し、この疑似的なデジタル信号を用いて被制御対象のフィードバック制御を行う。
【００１２】
本発明のデジタル制御システムでは、１ビットにあたる分解能すなわち１ＬＳＢが等間隔ではないため、目標値に極めて近いのか、大きくはずれているのかを少数のビットで検知できる。例えば目標値に対して１０のずれまではＯＫであり、目標値に対して１１〜１００００ずれていたら制御をかける必要があり、目標値に対して１０００１以上ずれていたらＮＧであるという判断をしたい場合、従来のＡＤコンバータでは１００００以上の分解能、つまり１０ビット以上のデジタル化が必要となる。本発明のデジタル制御システムでは、絶対値の検出ではなく目標値との比較をビットで表すために、目標値が変化しても、常に同じデジタル動作（同じプログラム）で動かせることとなる。
【００１３】
＜第１実施形態＞
本発明のデジタル制御システムの第１実施形態について、図１ないし図２を参照して説明する。
【００１４】
図１は、本実施形態に係るデジタル制御システムの構成を示す図である。図１に示すように、このデジタル制御システムは、被制御対象１０１と、その状態をアナログ電圧Ｖとして検出するセンサ１０２と、二つの入力端子を有し、一方の入力端子にセンサからのアナログ電圧Ｖを入力し、もう一方の入力端子に基準電圧１（ｒｅｆ１）を入力するコンパレータ１０３と、同じく二つの入力端子を有し、一方の入力端子にセンサからのアナログ電圧を入力し、もう一方の入力端子に基準電圧２（ｒｅｆ２）を入力するコンパレータ１０４と、これらコンパレータ１０３、１０４から出力される電圧をデジタル信号として処理するデジタル処理装置１０７と、このデジタル処理装置１０７から送出されるフィードバック制御信号Ｓに従って被制御対象１０１に外力を与えるアクチュエータ１０８から構成されている。
【００１５】
ここでコンパレータ１０３は、センサからのアナログ電圧ｖが基準電圧１よりも高い場合には、あらかじめ決められた閾値電圧よりも高い電圧（デジタル信号としては「１」）を出力し、逆にセンサからのアナログ電圧が基準電圧１よりも低い場合には、あらかじめ決められた閾値電圧よりも低い電圧（デジタル信号としては「０」）を出力する。またコンパレータ１０４も基準電圧２に対してコンパレータ１０３と同様の動作をする。
【００１６】
図２は、本実施形態に係るデジタル制御システムにおける目標値、基準電圧１、基準電圧２、センサからのアナログ電圧値Ｖの関係、およびセンサからのアナログ電圧値Ｖに応じたコンパレータ１０３、１０４からの出力、さらにコンパレータ１０３、１０４からの出力に対応したフィードバック制御内容の関係を示す図である。図２に示すように、目標値よりも一定の電圧だけ高い電圧に基準電圧１を設定し、目標値よりも一定の電圧だけ低い電圧に基準電圧２を設定する。例えば、目標値よりも一定の電圧だけ高い電圧として、制御をかける必要がある限界の電圧を設定し、目標値よりも一定の電圧だけ低い電圧として、制御をかける必要がある限界の電圧を設定する。
【００１７】
ここでセンサからのアナログ電圧値が基準電圧１よりも高い場合、図１のコンパレータ１０３、１０４はともにデジタル信号として「１」を出力する。またセンサからのアナログ電圧値が基準電圧１よりも低く、かつ基準電圧２よりも高い場合、コンパレータ１０３は「０」を出力し、コンパレータ１０４は「１」を出力する。さらにセンサからのアナログ電圧値が基準電圧２よりも低い場合、コンパレータ１０３、１０４はともに「０」を出力する。このように二つの基準電圧に対してのセンサからのアナログ電圧の位置が、２ビットのデジタル信号として表されることになる。
【００１８】
コンパレータ１０３からの出力を上位ビット、コンパレータ１０４からの出力を下位ビットとすると、デジタル処理装置１０７は、デジタル信号が「００」の場合には、アナログ電圧が大きくなるようなフィードバック制御信号Ｓをアクチュエータ１０８に対して送り、デジタル信号が「１１」の場合には、アナログ電圧が小さくなるようなフィードバック制御信号Ｓをアクチュエータ１０８に対して送るように制御する。またデジタル信号が「０１」の場合には、デジタル処理装置１０７はアクチュエータ１０８に対してフィードバック制御を行わない。このようにシステムを動作させることで、被制御対象の状態は常に基準電圧１と基準電圧２の間の状態にとどまるため、被制御対象の状態を目標値付近に近づけておくことができる。
【００１９】
本実施形態のデジタル制御システムによれば、アナログ信号からデジタル信号へ変換する構成を、目標値に応じた基準電圧に対する高低関係を出力するコンパレータで構成したことにより、アナログ電圧を複数ビットのデジタル信号パターンに変換して、そのデジタル信号パターンを判定してフィードバック制御を行うデジタル制御システムを、消費電力が極めて低く低コストに、提供することができる。
【００２０】
＜第２実施形態＞
本発明のデジタル制御システムの第２実施形態について、図３ないし図４を参照して説明する。
【００２１】
図３は、本実施形態に係るデジタル制御システムの構成を示す図である。図３に示すように、このデジタル制御システムは、被制御対象２０１と、その状態をアナログ電圧Ｖとして検出するセンサ２０２と、二つの入力端子を有し、一方の入力端子にセンサからのアナログ電圧Ｖを入力し、もう一方の入力端子に基準電圧３（ｒｅｆ３）を入力するコンパレータ２０３と、同じく二つの入力端子を有し、一方の入力端子にセンサからのアナログ電圧Ｖを入力し、もう一方の入力端子に基準電圧４（ｒｅｆ４）を入力するコンパレータ２０４と、同じく二つの入力端子を有し、一方の入力端子にセンサからのアナログ電圧Ｖを入力し、もう一方の入力端子に基準電圧５（ｒｅｆ５）を入力するコンパレータ２０５と、同じく二つの入力端子を有し、一方の入力端子にセンサからのアナログ電圧Ｖを入力し、もう一方の入力端子に基準電圧６（ｒｅｆ６）を入力するコンパレータ２０６と、これらコンパレータ２０３ないし２０６から出力される電圧をデジタル信号として処理するデジタル処理装置２０７と、このデジタル処理装置２０７から送出されるフィードバック制御信号Ｓに従って被制御対象２０１に外力を与えるアクチュエータ２０８から構成されている。
【００２２】
ここでコンパレータ２０３は、センサからのアナログ電圧Ｖが基準電圧３よりも高い場合には、あらかじめ決められた閾値電圧よりも高い電圧（デジタル信号としては「１」）を出力し、逆にセンサからのアナログ電圧Ｖが基準電圧３よりも低い場合には、あらかじめ決められた閾値電圧よりも低い電圧（デジタル信号としては「０」）を出力する。またコンパレータ２０４も基準電圧４に対してコンパレータ２０３と同様の動作をする。またコンパレータ２０５も基準電圧５に対してコンパレータ２０３と同様の動作をする。またコンパレータ２０６も基準電圧６に対してコンパレータ２０３と同様の動作をする。
【００２３】
図４は、本実施形態に係るデジタル制御システムにおける目標値、基準電圧３、基準電圧４、基準電圧５、基準電圧６、センサからのアナログ電圧値Ｖの関係、およびセンサからのアナログ電圧値に応じたコンパレータ２０３ないし２０６からの出力、さらにコンパレータからの出力に対応したフィードバック制御内容の関係を示す図である。図４に示すように、目標値よりも一定の電圧だけ高い電圧に基準電圧４を設定し、基準電圧４よりも一定電圧だけ高い電圧に基準電圧３を設定し、目標値よりも一定の電圧だけ低い電圧に基準電圧５を設定し、基準電圧５よりも一定電圧だけ低い電圧に基準電圧６を設定する。第一の実施形態と同様、コンパレータからの出力をデジタル信号のビットとみなし、コンパレータ２０３の出力を最上位ビット、２０４の出力を第２ビット、２０５の出力を第３ビット、２０６の出力を最下位ビットとみなす。ここでセンサからのアナログ電圧値が基準電圧３よりも高い場合、コンパレータからのデジタル信号は「１１１１」となる。またセンサからのアナログ電圧値が基準電圧３よりも低く、かつ基準電圧４よりも高い場合、コンパレータからのデジタル信号は「０１１１」となる。またセンサからのアナログ電圧値が基準電圧４よりも低く、かつ基準電圧５よりも高い場合、コンパレータからのデジタル信号は「００１１」となる。またセンサからのアナログ電圧値が基準電圧６よりも低い場合、コンパレータからのデジタル信号は「００００」となる。
【００２４】
デジタル信号が「０００１」の場合には、アナログ電圧が大きくなるようにデジタル処理装置２０７がアクチュエータに対してフィードバック制御信号Ｓを送り、デジタル信号が「０１１１」の場合には、アナログ電圧が小さくなるようにデジタル処理装置２０７がアクチュエータに対してフィードバック制御信号Ｓを送る。またデジタル信号が「００１１」の場合には、デジタル処理装置２０７はアクチュエータ２０８に対してフィードバック制御を行わない。さらにデジタル信号が「００００」または「１１１１」の場合には、デジタル処理装置２０７は目標値から大きく離れているため故障と判断してシステムを停止する。このようにシステムを動作させることで、被制御対象の状態は常に基準電圧４と基準電圧５の間の状態にとどまるため、被制御対象の状態を目標値付近に近づけておくことができる。またアナログ電圧が基準電圧３よりも高いかまたは基準電圧６よりも低い場合にはシステムが停止するためフィードバック制御が暴走することを回避することができる。
【００２５】
このようにデジタル制御システムにおいて、アナログ信号からデジタル信号へ変換する構成を、目標値に応じた基準電圧に対する高低関係を出力するコンパレータで構成したことにより、アナログ−デジタル・コンバータを用いたシステムと比較して低消費電力で低コストなシステムを構築することが可能となる。
【００２６】
以上、本発明の実施形態を詳述してきたが、具体的な構成は各実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更なども含まれる。
【００２７】
実施形態のデジタル制御システムでは、オペアンプを使ったコンパレータを用いる場合について説明したが、これに限らず基準電圧との比較ができるデバイス、例えばＡＮＤ回路やＯＲ回路などの論理回路を用いてもよい。
【符号の説明】
【００２８】
１０１  被制御対象
１０２  センサ
１０３  コンパレータ
１０４  コンパレータ
１０７  デジタル処理装置
１０８  アクチュエータ
２０１  被制御対象
２０２  センサ
２０３  コンパレータ
２０４  コンパレータ
２０５  コンパレータ
２０６  コンパレータ
２０７  デジタル処理装置
２０８  アクチュエータ
【図１】
2014165873.tif 000003
【図２】
2014165873.tif 000004
【図３】
2014165873.tif 000005
【図４】
2014165873.tif 000006