DE69115944T2

DE69115944T2 - System zur Positionierung eines Gegenstandes

Info

Publication number: DE69115944T2
Application number: DE69115944T
Authority: DE
Inventors: Susumu Hasegawa; Yoshifumi Mizoshita; Kazuhiko Takaishi
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1990-02-09
Filing date: 1991-02-09
Publication date: 1996-09-19
Anticipated expiration: 2011-02-10
Also published as: EP0441407A1; EP0441407B1; KR910015989A; US5151639A; DE69115944D1; KR930009998B1; JPH03233609A; CA2036024A1; JP2657561B2

Description

Die Erfindung betrifft ein System zur raschen Positionierung eines Wandlers, z. B. eines Magnetkopfs, eines optischen Kopfs, eines Druckkopfs usw.. Sie bezieht sich speziell auf ein Positionierungssteuersystem, das eine verbesserte Positionierungsgenauigkeit besitzt.
Speichervorrichtungen, wie Magnetplattengeräte und optische Plattengeräte, führen eine sogenannte Kopfsuchoperation aus, bei der der Kopf durch entsprechende Steuerung eines den Kopf tragenden Stellglieds von der jeweiligen laufenden Spurposition auf der Platte in die Zielspurposition bewegt wird. Wenn der Kopf an der festgelegten Zielspurposition positioniert ist, führt er einen Datenschreib- oder -lesevorgang aus. Auch bei Aufzeichnungsgeräten, z. B. bei seriellen Druckern, X-Y-Plottern usw., erfolgt die Aufzeichnung, beispielsweise das Drucken, durch Bewegen und Positionieren des Druckkopfes aus der laufenden Position an die Zielposition.
Fig. 1 zeigt die schematische Struktur eines herkömmlichen Magnetplattengeräts nach dem Stand der Technik in einer Schnittansicht Das Gerät besitzt ein Drehstellglied, wie es in der Veröffentlichung "Acceleration Feedforward Control For Head Positioning In Magnetic Disk Drives", The International Conference on ADVANCED MECHATRONICS, K. Aruga et al., Fujitsu Laboratories Ltd., 1989, beschrieben ist.
Bei der Anordnung von Fig. 1 sind beispielsweise drei Magnetplatten 112 mit Hilfe einer Spindel 113 an einem Gehäuse 111 drehbar gelagert. Diese Platten 112 werden von einem Spindelmotor 114 mit konstanter Geschwindigkeit, z. B. mit 3600 Umdrehungen pro Minute gedreht. An einem Kopfarm 117 ist mit Hilfe einer Tragfederanordnung 116 ein Magnetkopf 115 befestigt, der auf der festgelegten Spur der Magnetplatte 112 positioniert wird. Das Drehstellglied besteht aus einem drehbaren Teil 118, an dem der Kopfarm 117 befestigt ist und das an dem Gehäuse 111 drehbar gelagert ist, und einem Positionierungsmotor, z. B. in Form eines Tauchspulenmotors 119, zum Drehen des drehbaren Teils. Das Drehstellglied kann den Magnetkopf 115 über einen bestimmten Winkel um die Drehachse des drehbaren Teils 118 verschwenken.
Magnetplattengeräte mit hoher Aufzeichnungsdichte benutzen zur Steuerung des Stellglieds eine Servosteuereinrichtung mit geschlossener Regeischleife. Diese Servosteuereinrichtung mit geschlossener Regelschleife detektiert die laufende Position des Magnetkopfs aus seiner ursprünglicher Position, indem sie eine auf der Magnetplatte vorhandene Servoinformation mit einem Magnetkopf ausliest, dann den Abstand von der laufenden Position zu der festgelegten Spurposition berechnet, den Positionierungsmotor auf der Basis dieses Abstands antreibt und den Magnetkopf auf der festgelegten Spur positioniert. In Fig. 2 ist ein Beispiel für ein solches Servosteuersystem schematisch dargestellt, wie es von IBM im Jahre 1988 vorgeschlagen wurde.
In Fig. 2 bezeichnen 115A einen Servokopf für die Positionierung; 115B einen Dateneselschreibkopf; 121 ein Drehstellglied; 122 und 123 Verstärker; 124 einen Demoduator zur Demoduation des Servosignals; 125 einen A/D-Wandler; 126 einen D/A-Wandler; 127 eine Lese/Schreib-Steuerschaltung; 128 eine Motorsteuerschatung und 129 die aus einem Mikroprozessor bestehende Hauptsteuerung. Die gleichen Bezugszeichen werden zur Kennzeichnung des Platten-Drehantriebssystems und des Kopfpositionierungssystems verwendet. Das dargestellte Servosteuersystem enthält eine geschlossene Regelschleife, die folgende Teile umfaßt: den Servokopf 115A, den Verstärker 122, den Demoduator 124, den A/D-Wandler 125, die Hauptsteuerung 129, den Diawandler 126, den Verstärker 123 und das Drehstellglied 121. Da die Funktion dieser Elemente allgemein bekannt ist, wird hier im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung nur die Steuerung des Stellglieds näher beschrieben.
Die Hauptsteuerung 129 enthält einen Speicher zur Speicherung von tabellierten Daten, die eine Kurve der Zielgeschwindigkeit kennzeichnen, die der Bewegungsdistanz des Kopfes entspricht. Konkret wird eine auf Off-Line-Basis berechnete und in Fig. 3 dargestellte Zielgeschwindigkeitskurve als Funktion der Anzahl von Spuren in dem Abstand von der laufenden Spurposition bis zur Zielspurposition benutzt. Diese Zielgeschwindigkeitskurve, die in "Digital Control of Dynamic Systems", Franklin, Powell, Workman, Addison-Wesly Publishing Company; zweite Auflage 1990, beschrieben ist, zeigt die Verzögerungskennlinie für das Anhalten des Kopfes an der Zielspurposition aus einer bestimmten Geschwindigkeit des Kopfes. Das Stelig lied wird entsprechend dem Fehler zwischen der tatsächlichen Geschwindigkeit des Kopfes und der Zielgeschwindigkeitskurve gesteuert. Da zu Beginn der Such- Operation des Kopfes ein großer Geschwindigkeitsfehler vorliegt, wenn der Tauchspulenmotor des Betätigungsglieds mit maximal möglicher Antriebskraft angetrieben wird und die tatsächliche Geschwindigkeit des Kopfes mit der Zielgeschwindigkeitskurve zusammenfällt, wird deshalb anschließend die Verzögerungssteuerung nach Maßgabe der Zielgeschwindigkeitskurve durchgeführt.
Diese Steuerung wird normalerweise mit einer analog aufgebauten Schaltungsstruktur realisiert. Es wurde jedoch auch bereits eine Struktur vorgeschlagen, bei der die Steuerung mit einer digitalen Schaltung realisiert ist.
Bei der Positionierungssteuerung nach diesem Stand der Technik erfolgt die Steuerung des Kopfes in der Weise, daß man die Zielgeschwindigkeitskurve vorgibt, die die Verzögerungscharakteristik anzeigt, und grundsätzlich keine Beschleunigungssteuerung durchführt. Beim Suchvorgang mit hoher Geschwindigkeit muß man deshalb dem Tauchspulenmotor des Stellglieds zu Beginn der Suche einen starke Strom zugeführen und innerhalb einer kurzen Zeitspanne Koinzidenz zwischen der tatsächlichen Geschwindigkeit und der Zielgeschwindigkeitskurve herbeiführen. Außerdem sind große Änderungen des Antriebsstroms erforderlich.
Eine große Änderung des Antriebsstroms tritt auch dann auf, wenn vom Beschleunigungsmodus auf den Verzögerungsmodus umgeschaltet wird. Dabei verursachen die Harmonischen des Antriebsstroms eine Verstärkung der Vibrationen, die aufgrund der Resonanz des mechanischen Teils des Stellglieds, einschließlich des Magnetkopfs, auftreten. Da dies Genauigkeit der Kopfpositionierung beeinträchtigt, war es schwierig, den Suchvorgang mit hoher Geschwindigkeit durchzuführen.
Aus diesem Grund erwägt man, die Kopfgeschwindigkeit sowohl bei der Beschleunigung als auch bei der Verzögerung des Suchvorgangs zu steuern. Die Realisierung einer solchen Steuerung ist allerdings wegen der komplizierten Struktur der analogen Schaltung recht schwierig. Man kann zwar daran denken, die Steuerung mit einer digitalen Schaltung zu realisieren. Es ist jedoch selbst dann, wenn die Kopfgeschwindigkeit sowohl bei der Beschleunigung als auch bei der Verzögerung gesteuert wird, keineswegs einfach, eine derartige Steuerung zu realisieren, ohne daß Vibrationen auftreten.
Zur Beseitigung des oben erwähnten Problem, d. h. der Vibration und des Rauschens der Stellgliedanordnung beim Suchvorgang des Kopfes wurden zur Steuerung von Kopfgeschwindigkeit und -beschleunigung beim Suchvorgang zwei Verfahrensarten vorgeschlagen, die in US-PS 4 796 112 (M. Mizukami et al) und US-PS 4 937 689 (Jay. S. Sunnyvale et al) beschrieben sind. Diese Verfahren benutzen eine trapezförmige Welle für den Beschleunigungs- und Verzögerungsstrom (Beschleunigung), um Vibrationen zu unterdrücken. Deshalb muß bei diesen Verfahren für jeden "Suchhub" die Form der trapezförmigen Beschleunigung festgelegt werden. Mit anderen Worten, die Zeit, die verstreicht, bis die voreingestellte trapezförmige Beschleunigung den Maximalwert und den Minimawert erreicht, und die Zeit für die Umschaltung von der Beschleunigung auf die Verzögerung müssen im einzelnen eingestellt werden. Es ist insbesondere bei dem Verfahren nach der US-PS 4 796 112 wesentlich, daß das Verhältnis der oberen Seite und der unteren Seite der trapezförmigen Welle nach Maßgabe des Suchhubs eingestellt wird. Deshalb haben diese Verfahren den Nachteil, daß die Schaltungsstruktur oder der Algorithmus sowohl für analoge als auch für digitale Schaltungen sehr kompliziert sind.
Hauptziel der Erfindung ist die Schaffung eines Hochgeschwindigkeits-Positionierungssystems, die die Beschleunigungs- und Verzögerungssteuerung des Stellglieds durchführt, ohne daß in dem Wandler, z. B. einem Magnetkopf, einem optischen Kopf oder einer Druckkopfvorrichtung, Vibrationen erzeugt werden.
Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Positionierungssteuersystems für Wandler mit einem einfachen Algorithmus, bei dem eine digitale Rechenschaltung verwendet wird.
Die vorliegende Erfindung ist im wesentlichen gekennzeichnet durch die Steuerung der Position, der Geschwindigkeit und der Beschleunigung des Wandlers unter Minimierung einer Kostenfunktion durch die Wiedergabe der Zustandswerte als zeitliche Polynome.
Im einzelnen umfaßt das System gemäß der Erfindung einen Antrieb, z. B. ein Stellglied, zur Durchführung der Positionierung durch Bewegen des Wandlers, z. B. des Magnetkopfs, und eine arithmetische Steuereinheit für die Steuerung des Antriebs mit digitaler Arithmetik. Zielposition, Zielgeschwindigkeit und Zielbeschleunigung werden als zeitliche Polynome auf der Basis der Beschleunigungs- und Verzögerungsmuster dargestellt, die den quadratischen Integrationswert des Differentialwerts der Beschleunigung des Wandlers minimieren. Zielposition, Zielgeschwindigkeit und Zielbeschleunigung werden in der arithmetischen Steuerung mit Hilfe solcher Polynome jedesmal berechnet. Als Ergebnis der Berechnungen und der Position und der Geschwindigkeit in jeder Abtastperiode des Wandlers gibt die arithmetische Steuerung wenigstens einen Fehler zwischen der Zielposition und der Zielgeschwindigkeit aus, addiert diesen Positionsfehler oder Geschwindigkeitsfehler und die Zielbeschleunigung als Ergebnis dieser Berechnung, steuert den Antrieb mit diesem addierten Signal und positioniert dadurch den Wandler an der Zielposition.
Erfindungsgemäß ist ein System vorgesehen System zur Positionierung eines Objekts entlang einer Suchdistanz während einer Suchzeit
mit einer Einrichtung zur Messung der tatsächlichen Bewegung des Objekts,
mit einer Antriebseinrichtung zum Bewegen des Objekts
sowie mit einer Steuereinrichtung zur Steuerung der Antriebseinrichtung, wobei diese Steuereinrichtung eine Zielbewegung vorgibt und die Antriebseinrichtung auf der Basis zumindest der Differenz zwischen der Zielbewegung und der tatsächlichen Bewegung des Objekts steuert,
wobei die Steuereinrichtung
die Zielbeschleunigung (X&sub3;) nach der Gleichung
X&sub3; = -60a[(2(t/T)³ - 3(t/T)² + (t/T))/T²] und
die Zielgeschwindigkeit (X&sub2;) nach der Gleichung
X&sub2; = -60a[(0,5(t/T)&sup4;- (t/T)³ + 0,5(t/T)²)/T] und/oder
die Zielposition (X&sub1;) nach der Gleichung
X&sub1; = -60a(0,1(t/T)&sup5; - 0,25(t/T)&sup4; + (1/6)(t/T)³
arithmetisch berechnet, wobei t die Zeit vom Beginn des Suchvorgangs bedeutet, um die Antriebseinrichtung auf der Basis der Zielbeschleunigung zu steuern, die durch die Differenz zwischen der Zielgeschwindigkeit und/oder -position und der tatsächlichen Geschwindigkeit und/oder Position des Objekts korrigiert wird, um den Gesamtquadratwert der differentiellen Beschleunigung des Objekts während der Suchzeit entlang der Suchdistanz zu minimieren.
Weitere Ziele und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden Erläuterung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels, bei dessen Beschreibung auf die anliegenden Zeichnungen Bezug genommen wird.
Fig. 1 zeigt eine schematische Schnittansicht eines herkömmlichen Magnetplattengeräts mit einem normalen Drehstellgiied,
Fig. 2 und 3 zeigen Diagramme zur Erläuterung der Servosteuerung für die Kopfpositionierung in dem Magnetplattengerät nach dem Stand der Technik,
Fig. 4 zeigt ein Diagramm zur Erläuterung der Grundstruktur der vorliegenden Erfindung,
Fig. 5A, 5B und 5C zeigen ein Blockschaltbild für eine Struktur zur Steuerung der Kopfpositionierung in dem Magnetplattengerät, bei dem die vorliegende Erfindung verkörpert ist,
Fig. 6 zeigt ein Flußdiagramm zur Erläuterung der Wirkungsweise des in Fig. 5 dargestellten Ausführungsbeispiels der Erfindung,
Fig. 7 zeigt ein Diagramm zur Erläuterung der Position, Geschwindigkeit und Beschleunigung des Magnetkopfs,
Fig. 8 zeigt eine Kurve, in der die Relation zwischen der Suchdistanz und dem Kehrwert der Suchzeit des Magnetkopfs wiedergegeben ist,
Fig. 9 zeigt eine Kurve, in der die Relation zwischen der normierten Distanz und der normierten Zeit wiedergegeben ist,
Fig. 10 zeigt die Beschleunigungskennlinie eines Magnetkopfs.
Bevor ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung näher beschreiben wird, sei zunächst anhand von Fig. 4 die Grundstruktur der Erfindung erläutert.
In Fig. 4 ist mit 1 ein Wandler (zu steuerndes Gerät), z. B. ein Magnetkopf, ein optischer Kopf, ein Druckkopf o. dgl. bezeichnet, mit 2 ein Antrieb zum Bewegen des Wandlers 1 zum Zwecke der Positionierung, mit 3 eine arithmetische Steuerung mit digitalen Rechenschaltungen zum Steuern des Antriebs 2 und mit 4 eine aus einen Speicher bestehende Datentabelle. Zielposition, Zielgeschwindigkeit und Zielbeschleunigung sind bei der vorliegenden Erfindung durch zeitliche Polynome auf der Basis von Beschleunigungs- und Verzögerungsmustern angegeben, die den quadratischen Integralwert des Differentialwerts der Beschleunigung des Wandlers 1 minimieren. Der Antrieb 2 wird nach Maßgabe der Differenz zwischen dem Rechenergebnis jeder Abtastzeit gesteuert. Die arithmetische Steuerung 3 berechnet die Zielposition, die Zielgeschwindigkeit und die Zielbeschleunigung jeder Abtastperiode unter Verwendung solcher Polynome, gibt wenigstens einen Fehler zwischen Zielposition, Zielbeschleunigung als Ergebnis dieser Berechnung und der Position, Geschwindigkeit jeder Abtastperiode des Wandlers 1 aus, addiert dann den Positionsfehler oder Geschwindigkeitsfehler und die Zielbeschleunigung als Ergebnis dieser Berechnung und steuert den Antrieb 2 mit der addierten Ausgangsgröße
Die Beschleunigungs- und Verzögerungsprofile werden so eingestellt, daß der quadratische Wert des Differentialwerts der Beschleunigung minimiert wird. Die Kostenfunktion J wird in diesem Fall durch folgende Gleichung ausgedrückt:
(1) J = u²dt
Wenn der Treiberstrom des Antriebs 2 mit i bezeichnet wird, ist u als u = di/dt definiert, und der Treiberstrom i entspricht der Beschleunigung. Die Zustandsgleichung läßt sich folgendermaßen ausdrücken
(2) X = AX+Bu
Hier sind A, B und X folgendermaßen definiert,
worin m die Masse des Wandlers 1 bedeutet.
Wenn die festgelegte Suchzeit mit T und die Bewegungsdistanz mit a bezeichnet wird, lauten die Randbedingungen:

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Deshalb lassen sich die Zielposition X&sub1;, die Zielgeschwindigkeit X&sub2; und die Zielbeschleunigung X&sub3; der Positionierungssteuerung zur Minimierung der Kostenfunktion J folgendermaßen ausdrücken
(5) X&sub1; = -60a (0,1 (t/T)&sup5; - 0,25(t/T)&sup4; + (1/6)(t/T)³)
(6) X&sub2; = -60a[(0,5(t/T)&sup4; - (t/T)³ + 0,5(t/T)²)/T] und/oder
(7) X&sub3; = -60a[(2(t/T)³ - 3(t/T)² + (t/T))/T²] und
Die arithmetische Steuerung 4 berechnet für jede Abtastperiode (Ts) die Gleichungen (5), (6) und (7). Der Antrieb 2 wird so gesteuert, daß er der Position, Geschwindigkeit und Beschleunigung des wirklichen Wandlers folgt.
Da der Gewinn (die Verstärkung) der Zielgeschwindigkeit und die Verstärkung der Zielbeschleunigung in den Gleichungen (6) und (7) durch
(8) -60a/T bzw. -60a/T²
gegeben sind, werden die der Suchdistanz a entsprechende festgelegte Suchzeit T oder ihr Kehrwert 1/T oder das Verhältnis (Ts/T) zuvor in der Datentabelle 4 gespeichert, und der Zielgeschwindigkeit sgewinn und der Zielbeschleunigungsgewinn lassen sich unter Benutzung derjenigen Werte berechnen, die auf der Basis der Bewegungsdistanz a unmittelbar vor dem Suchvorgang aus der Datentabelle entnommen werden.
Die von Beginn des Suchvorgangs des Wandlers 1 an ablaufende Zeit t wird auf die festgelegte Suchzeit T normiert. Zielbeschleunigung, Zielgeschwindigkeit und Zielposition können dann unter Benutzung dieser normierten Zeit t/T berechnet werden.
Für jede Abtastperiode läßt sich die normierte Position x/a aus der Distanz X am Beginn des Suchvorgangs des Wandiers 1 und der festgelegten Suchdistanz berechnen. Aus einer anderen Datentabelle, in der die Beziehung zwischen der normierten Position x/a und der normierten Zeit t/T gespeichert ist, läßt sich auch die normierte Zeit entnehmen.
Es sei nun ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung erläutert, das dieser Grundstruktur entspricht.
Fig. 5(A), 5(B) und 5(C) zeigen Blockschaltbilder der Kopfpositionierungssteuerung für das Magnetplattengerät als bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung. Hier bezeichnet 11 einen Magnetkopf, bestehend aus einem Datenkopf und einem Servokopf; 12 einen Tauchspulenmotor für den Antrieb eines Stellglieds, das die Magnetköpfe trägt; 13 einen Verstärker; 14 einen D/A-Wandler; 15 eine Demodulatorschaltung für das Positionssignal; 16 einen A/D-Wandler; 17 einen Zähler; 18 eine digitale Rechenschaltung; 19 eine Rechenschaltung zur Addition, Subtraktion, Multiplikation und Division; 20 einen Speicher; 20a, 20b eine erste bzw. eine zweite Datentabelle.
Die Rechenschaltung 19 umfaßt in dem konkreten Beispiel von Fig. 5(B) eine Schaltung 190 zur Berechnung der Position des Magnetkopfs, eine Schaltung 191 zum Schätzen der Geschwindigkeit des Kopfes, eine Schaltung 192 zur Normierung des Positionssignals, eine Schaltung 193 zur Berechnung der Suchdistanz, eine Schaltung 194 zur Berechnung der normierten Zeit, eine Schaltung 195 zur Berechnung der Zielgeschwindigkeit, eine Schaltung 196 zur Berechnung der Zielbeschleunigung, einen Schalter 197 zum Umschalten des normierten Zeitsignals, eine Schaltung 198 zur Berechnung der Gewinne (Verstärkungsfaktoren> von Zielgeschwindigkeit bzw. Zielbeschleunigung, eine Schaltung 199 zur Berechnung des Fehlersignals zwischen der laufenden Geschwindigkeit und der Zielgeschwindigkeit und eine Schaltung 200 zum Addieren des Geschwindigkeitsfehlersignals und des Zielbeschleunigungssignals.
Die laufende Position des Magnetkopfs auf der Magnetplatte kann mit Hilfe der Positionsrechenschaltung 190 gewonnen werden, wobei der aus einem Zähler 17 gewonnene akkumulierte Wert der Spurimpulse und die von dem A/D-Wandler 16 gewonnene Abweichung des Magnetkopfes vom Spurzentrum benutzt werden. Die Kopfgeschwindigkeit läßt sich in diesem Fall dadurch gewinnen, daß das Signal für die laufende Position und ein Antriebssignal für den Tauchspulenmotor in die Geschwindigkeitsschätzschaltung 191 eingegeben und diese Eingangssignale dann mit dem üblichen Universal-Geschwind igkeitsschätz algorithmus berechnet werden, wie er z. B. in "Digital Control of Dynamic Systems", zweite Auflage, Addison-Wesley, 1990, Seiten 703 bis 749 von G. Franklin, J. Powell und M.L. Workman beschrieben ist.
Das so gewonnene Signal über die laufende Position (laufende Spurposition) wird der Rechenschaltung 139 für die Suchdistanz zugeführt, die die Differenz zwischen der laufenden Spur und der von der Host-Steuerung festgelegten Zielspur berechnet. Diese Suchdistanz a wird jedoch im Startzeitpunkt des Suchvorgangs berechnet und ist während des Suchvorgangs konstant. Die Beziehung zwischen dieser Suchdistanz a und der festgelegten Suchzeit T ist voreingestellt und beispielsweise in der ersten Datentabelle 20a gespeichert. Die Gewinne (A, B in der Zeichnungsfigur) der Zielgeschwindigkeit und der Zielbeschleunigung der oben erläuterten Gleichung (8) können in diesem Fall durch eine in der Schaltung 198 zur Berechnung des Gewinns ausgeführten Multiplikation gewonnen werden, indem der Kehrwert 1/T der festgelegten Suchzeit T in der Tabelle 20a gespeichert wird. Das Verhältnis Ts/T der Abtastperiode Ts zu der festgelegten Suchzeit T kann ebenfalls in der ersten Datentabelle 20a gespeichert werden. Die zweite Datentabelle 20b kann die Beziehung zwischen der normierten Zeit (t/T) und der normierten Position (X(a) speichern.
Die Kostenfunktion J läßt sich, wie oben erläutert, durch folgende Gleichung ausdrücken:
J = u²dt
worin u = di/dt ist und der Treiberstrom i der Beschleunigung proportional ist. Deshalb wird die Kostenfunktion gleich einem Wert, der durch Integration des quadratischen Werts des Differentialwerts der Beschleunigung gewonnen wird.
Die Zielposition X&sub1;, die Zielgeschwindigkeit X&sub2; und die Zielbeschleunigung X&sub3; zur Positionierungssteuerung, die die Kostenfunktion J minimiert, werden durch Ausdrücke fünfter, vierter bzw. dritter Ordnung wiedergegeben. Wenn Konstanten C&sub0; bis C&sub4; angenommen werden, läßt sich beispielsweise die Zielgeschwindigkeit X&sub2; folgendermaßen ausdrücken
X&sub2; = C&sub4; (t/T)&sup4; + C&sub3; (t/T)³ + C&sub2; (t/T)² + C&sub1; (t/T) + C&sub0;
Diese Gleichungen der Zielposition, der Zielgeschwindigkeit und der Zielbeschleunigung können in der durch die Gleichungen (5), (6) und (7) angegebenen Weise mit den Randbedingungen X&sub1; = a, X&sub2; = 0, X&sub3; = 0 für t = 0 und X&sub1; = 0, X&sub2; = 0, X&sub3; = 0 für t = T gelöst werden.
Die Rechenschaltungen 196, 197 liefern für jede Abtastperiode die Zielgeschwindigkeit X&sub2; und die Zielbeschleunigung X&sub3; mit Hilfe der Gleichungen (6), (7), (8) und liefern ein Treiberausgangssignal, das den Magnetkopf 11 veranlaßt, diesen Zuständen zu folgen. Die arithmetische Verarbeitung kann vereinfacht werden, wenn bei dem Rechenprozeß die erste und die zweite Datentabelle 20a bzw. 20b benutzt werden.
Bei der vorliegenden Erfindung kann die oben erläuterte normierte Zeit t/T während des Suchvorgangs nach zwei Methoden festgelegt werden. Bei einer dieser Methoden wird sie durch die Rechenschaltung 194 festgelegt. In diesem Fall wird t/T mit Hilfe des von der ersten Datentabelle 20a ausgegebenen Werts 1/T und des Takts der digitalen Rechenschaltung berechnet. Bei der anderen Methode benutzt man die zweite Datentabelle 20b. Hier ist in der zweiten Datentabelle die Beziehung zwischen der normierten Position X/a und der normierten Zeit t/T gespeichert, und die normierte Zeit t/T wird nach der normierten Position X/a ausgegeben, die mit Hilfe der oben erläuterten Normierungsschaltung 192 für das Positionssignal gewonnen wird.
Die Rechenschaltung 196 zur Berechnung der Zielbeschleunigung benutzt die von der Rechenschaltung 194 ausgegebene normierte Zeit t/T. Die Rechenschaltung 195 zur Berechnung der Zielgeschwindigkeit benutzt selektiv zwei Arten der oben erwähnten normierten Zeiten. Und zwar wird die von der Rechenschaltung 194 ausgegebene normierte Zeit t/T während des Beschleunigungsmodus des Suchvorgangs benutzt, während die in der zweiten Datentabelle 20b gespeicherte normierte Zeit t/T während des Verzögerungsmodus benutzt wird. Der Schalter 197 dient zur Umschaltung der normierten Zeiten.
Falls in der ersten Datentabelle 20a der Wert Ts/T für die Suchdistanz a gespeichert ist, kann t/T für jede Abtastperiode durch bloßes Akkumulieren der aus der ersten Datentabelle 20a ausgelesenen Werte gewonnen werden.
Wenn die Beziehung zwischen der normierten Zeit t/T und der normierten Position X/a in der zweiten Datentabelle 20b gespeichert ist, wird für jede Abtastperiode die laufende Distanz durch die Suchdistanz a geteilt, und die normierte Zeit t/T kann auf der Basis dieses Werts X/a (normierte Position) aus der zweiten Datentabelle 20a gewonnen werden. Dementsprechend können für jede Abtastperiode die Zielposition X&sub1;, die Zielgeschwindigkeit X&sub2; und die Zielbeschleunigung X&sub3; unter Benutzung dieser normierten Zeit t/T berechnet werden.
Das Treibersignal für den Tauchspulenmotor 12 des Stellglieds wird mit Hilfe einer Addierschaltung 200 gewonnen, die das Ausgangssignal (FF-Signal) der Rechenschaltung 196 für die Zielbeschleunigung und das Ausgangssignal einer Fehlersignal-Rechenschaltung 199 addiert. Die Fehlersignal-Rechenschaltung 199 liefert in diesem Fall die Differenz zwischen dem Ausgangssignal (Zielgeschwindigkeit) der Zielgeschwindigkeitsrechenschaltung 195 und dem Ausgangssignal (laufende Geschwindigkeit) der Geschwindigkeitsschätzschaltung 192 und gibt ein Geschwindigkeitsfehlersignal aus.
Beispielsweise wird der Kehrwert 12 der Suchzeit T auf der Basis der Suchdistanz a unmittelbar (im Startzeitpunkt) der Suchoperation gewonnen, die Gewinne (-60a/T, -60a/T²) der Zielgeschwindigkeit bzw. der Zielbeschleunigung nach Gleichung (8) werden berechnet, die normierte Zeit t/T in den Gleichungen (5) bis (7) wird für jede Abtastzeit durch Multiplizieren des Zeitablaufs t nach dem Start der Suchzeit mit dem Kehrwert 1/T der Suchzeit berechnet, und die Zielposition X&sub1;, die Zielgeschwindigkeit X&sub2; und die Zielbeschleunigung X&sub3; können durch Multiplikation von Konstanten auf der Basis dieser Werte berechnet werden.
Das Motortreibersignal wird von dem D/A-Wandler 14 in ein analoges Signal, nämlich den Treiberstrom, umgewandelt. Dieser Treiberstrom wird in dem Verstärker 13 verstärkt und dann dem Tauchspulenmotor 12 zugeführt. Dadurch wird der Tauchspulenmotor 12 angetrieben, und der Magnetkopf 11 wird auf der Zielspur positioniert.
Die digitale Rechenschaltung 18 kann aus einem digitalean Siganalprozessor mit einem Multiplizierer bestehen. Es ist ferner ein externer Speicher vorgesehen, der die erste und die zweite Datentabelle 20a bzw. 20b bilden kann.
Fig. 6 zeigt ein Flußdiagramm zur Erläuterung der Funktionen des bevorzugten Ausführungsbeispiels. Dieses Flußdiagramm umfaßt 16 Verarbeitungsschritte (1) bis (16), die in der digitalen Rechenschaltung 18 ablaufen. In dem ersten Schritt (1) werden nach Gleichung (8) durch den Start des Suchvorgangs der Zielgeschwindigkeitsgewinn und der Zielbeschleunigungsgewinn (FF-Vorwärtskopplungsgewinn) berechnet. Da die Suchdistanz a aus der Anzahl der Spuren detektiert werden kann, die gleich der Differenz zwischen der laufenden Spurposition und der Zielspurposition des Magnetkopfs 11 ist, gewinnt man in diesem Fall die festgelegte Suchzeit T oder ihren Kehrwert 1/T durch Rückgewinnung aus der ersten Datentabelle 20a. Der Zielgeschwindigkeitsgewinn und der Zielbeschleunigungsgewinn können mit Hilfe dieses Wertes 1/T berechnet werden.
In dem Schritt (2) wird für jede Abtastperiode die Information über die laufende Position des Kopfes 11 eingegeben und eine Entscheidung über die Beschleunigungsperiode die Verzögerungsperiode getroffen. Diese Entscheidung basiert auf der Information über die laufende Position, wobei der erste Halbabschnitt von dem Rand, der der halben Suchdistanz a entspricht, als Beschleunigungsabschnitt und der spätere Halbabschnitt als Verzögerungsabschnitt festgelegt wird.
In dem Schritt (4) wird t/T für den Beschleunigungsabschnitt berechnet. In dem Schritt (5) wird die Zielgeschwindigkeit nach Gleichung (6) berechnet.
In dem Schritt (10) wird das Zielbeschleunigungssignal (FF-Vorwärtskopplungssignal) nach Gleichung (7) berechnet. In dem Schritt (11) wird der geschätzte Geschwindigkeitswert (tatsächliche Geschwindigkeit des Kopfes) berechnet. In dem Schritt (12) wird der Geschwindigkeitsfehler berechnet, der gleich der Zielgeschwindigkeit vermindert um den geschätzten Geschwindigkeitswert, ist. In dem Schritt (13) wird das Ausgangssignal berechnet, das gleich dem Geschwindigkeitsfehler zuzüglich dem FF-Signal ist. In dem nächsten Schritt (14) wird das Stellgliedtreibersignal an den Verstärker 13 ausgegeben, und der Verstärker 13 liefert den Treiberstrom an den Tauchspulenmotor 12. In dem Schritt (15) wird die Beendigung des Vorgangs festgestellt. Wenn die Suche noch nicht beendet ist, springt die Operation zu dem Schritt (2). Wenn die Suche beendet ist, startet die Spursteuerung von Schritt (16).
In der Verzögerungsperiode wird X/a hingegen in dem Schritt (6) berechnet, und die normierte Zeit t/T wird auf der Basis der normierten Position X/a in dem Schritt (7) aus der zweiten Datentabelle entnommen. Die Zielgeschwindigkeit wird in dem Schritt (8) auf der Basis dieser Daten nach der Gleichung (6) berechnet. Der Vorgang schreitet dann zu dem Schritt (10) fort.
In der oben erläuterten Rechenschatung von Fig. 5(B) wird die Zielgeschwindigkeit nur als Beispiel benutzt. Die vorliegende Erfindung ist nicht auf dieses Beispiel beschränkt d. h., es kann zusätzlich zu dieser Zielgeschwindigkeit auch die Zielposition oder es kann auch nur die Zieposition benutzt werden. Fig. 5(C) zeigt ein Blockdiagramm der Rechenschatung für den Fall, daß sowohl die Zielgeschwindigkeit als auch die Zielposition benutzt werden. Die Rechenschaltung von Fig. 5(C) unterscheidet sich von der Schaltung nach Fig. 5(B) darin, daß eine Rechenschaltung 201 zur Berechnung der Zielposition hinzugefügt ist und daß die Rechenschatung 198 für den Gewinn auch zur Berechnung des Gewinns (C in der Zeichnungsfigur) der Zieposition verwendet wird.
Deshalb berechnet die Fehlersignal-Rechenschaltung 199 in diesem Fall den Fehler zwischen der Zielgeschwindigkeit und der laufenden Geschwindigkeit bzw. den Fehler zwischen der Zielposition und der laufenden Position und gibt diese Fehlersignale an die Addierschaltung 200. Die Addierschaltung 200 addiert dieses Positionsfehlersignal, das Geschwindigkeitsfehlersignal und das Zielbeschleunigungssignal. Das dieser Addition entsprechende Signal wird als Treibe rsignal für den Tauchspulenmotor verwendet.
Fig. 7 zeigt ein Diagramm zur Erläuterung der normierten Position, Geschwindigkeit und Beschleunigung des Magnetkopfs. In diesem Diagramm ist die normierte Zeit t/T auf der horizontalen Achse aufgetragen, während die normierte Position X/a, die normierte Geschwindigkeit und die normierte Beschleunigung auf der vertikalen Achse aufgetragen sind. Die Kurve al zeigt die normierte Zieposition, die Kurve a2 die normierte Zielgeschwindigkeit und die Kurve a3 die normierte Ziebeschleunigung.
Der Suchvorgang des Magnetkopfs wird in der normierten Zeit t/T = 1 beendet. Deshalb wird die Beschleunigungszeit im Bereich von 0 bis 0,5 der normierten Zeit t/T gewählt, und die Verzögerungszeit wird im Bereich 0,5 bis 1 von t/T gewählt. Die maximale normierte Beschleunigung wird in der Beschleunigungsperiode bei der normierten Zeit t/T=(3- 3)/6 erzeugt.
Fig. 8 zeigt die Beziehung zwischen der Suchdistanz a des Magnetkopfs und dem Kehrwert 1/T der festgelegten Suchzeit T in einer Kurve b. Die Suchdistanz a entspricht einer Anzahl von Spuren, die gleich der Differenz zwischen der laufenden Spur und der Ziespur des Magnetkopfs 11 ist. Wenn die Suchdistanz a gegeben ist, läßt sich der Kehrwert 1/T der festgelegten Suchzeit durch das Aufsuchen dieser Beziehung in der ersten Datentabelle 20a gewinnen. So lassen sich der Zielgeschwindigkeitsgewinn, der Zielbeschleunigungsgewinn und die normierte Zeit t/T leicht bestimmen.
Fig. 9 zeigt die Beziehung zwischen dem normierten Abstand X/a und der normierten Zeit t/T. Die Beschleunigungsperiode ist so gewählt, daß sie dem Bereich von 0 bis 0,5 der normierten Zeit t/T entspricht, während die Verzögerungsperiode dem Bereich von 0,5 bis 1,0 von t/T entspricht. Deshalb liegt die normierte Distanz X/a in der Beschleunigungsperiode im Bereich von 0 bis 0,5, während sie in der Verzögerungsperiode im Bereich von 0,5 bis 1 liegt. Die normierte Zeit t/T kann in jeder Abtastperiode aus der normierten Distanz X/a gewonnen werden, indem diese Beziehung in der zweiten Datentabelle 20b aufgesucht wird. Deshalb lassen sich Zieposition, Zielgeschwindigkeit und Ziebeschleunigung leicht berechnen.
Fig. 10 zeigt die Beschleunigungskennlinie des Magnetkopfs. Auf der vertikalen Achse ist die Beschleunigung in m/s² aufgetragen, auf der horizontalen Achse die Zeit in Milsekunden. Die Kurve a zeigt ein Beispiel für die Beschleunigungskennlinie des Ausführungsbeispiels der Erfindung, während die Kurve b die Beschleunigungskennlinie nach dem Stand der Technik zeigt. Falls die Positionierung des Magnetkopfs innerhalb einer Zeitspanne von etwa 5 ms beendet wird, ermöglicht das Ausführungsbeispiel der Erfindung eine welche Positionierungssteuerung des Magnetkopfs, da der Spitzenwert der Beschleunigung kleiner ist als beim Stand der Technik und die Beschleunigung sich auch weniger abrupt ändert.
Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel der Erfindung läßt sich die Geschwindigkeits- und Beschleunigungssteuerung für das Stellglied so realisieren, daß keine Vibrationen des Magnetkopfs auftreten. Darüber hinaus kann der Magnetkopf genau und sehr schnell auf der Zielspur positioniert werden. Diese Art der Positionssteuerung läßt sich außerdem mit digitalen Rechenschatungen mit einem vereinfachten Algorithmus ausführen.
In der vorangehenden Beschreibung wurde ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel in der Anwendung auf ein Magnetplattengerät beschrieben. Die vorliegende Erfindung läßt sich darüber hinaus auch bei der Positionierungssteuerung des optischen Kopfes eines Plattengeräts oder des Druckkopfes eines Druckers einsetzen. Das Ausführungsbeispiel läßt sich auch auf die mechanische Positionierung eines zu steuernden Objekts an der Zieposition anwenden.
Der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung wird durch die anliegenden Ansprüche bestimmt.

Claims

1. System zur Positionierung eines Objekts entlang einer Suchdistanz (a) während einer Suchzeit (T)

mit einer Einrichtung zur Messung der tatsächlichen Bewegung des Objekts (1),

mit einer Antriebseinrichtung (2) zum Bewegen des Objekts (1)

sowie mit einer Steuereinrichtung (3) zur Steuerung der Antriebseinrichtung (2), wobei diese Steuereinrichtung (3) eine Ziebewegung vorgibt und die Antriebseinrichtung (2) auf der Basis zumindest der Differenz zwischen der Zielbewegung und der tatsächlichen Bewegung des Objekts (1) steuert,

dadurch gekennzeichnet,

daß die Steuereinrichtung (3) die Zielbescheunigung (X&sub3;) nach der Gleichung

X&sub3; = -60a[(2(t/T)³ - 3(t/T)² + (t/T))/T²] und

die Zielgeschwindigkeit (X&sub2;) nach der Gleichung

X&sub2; = -60a[(0,5(t/T)&sup4; - (t/T)³ + 0,5(t,T)²)/T] und/oder

die Zieposition (X&sub1;) nach der Gleichung

X&sub1; = -60a (0,1(t/T)&sup5; - 0,25(t/T)&sup4; + (1/6)(t/T)³)

arithmetisch berechnet, wobei t die Zeit vom Beginn des Suchvorgangs bedeutet, um die Antriebseinrichtung (2) auf der Basis der Zielbeschleunigung zu steuern, die durch die Differenz zwischen der Zielgeschwindigkeit und/oder -position und der tatsächlichen Geschwindigkeit und/oder Position des Objekts (1) korrigiert wird, um den Gesamtquadratwert der differentiellen Beschleunigung des Objekts (1) während der Suchzeit (T) entlang der Suchdistanz (a) zu minimieren.

2. System zur Positionierung eines Objekts nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Datentabelle (4) vorgesehen ist, die Daten speichert, die die der Suchdistanz (a) des Objekts (1) entsprechende festgelegte Suchzeit (T) oder den Kehrwert (1/T) der festgelegten Suchzeit (T) oder das Verhältnis (Ts/T) der festgelegten Suchzeit (T) und einer Abtastperiode (Ts) angeben, und daß der Zielgeschwindigkeitsgewinn und der Zielbeschleunigungsgewinn unter Verwendung der genannten Daten bestimmt werden, die aus der genannten Datentabelle (4) zurückgewonnen werden.

3. System zur Positionierung eines Objekts nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Periode (t) vom Beginn bis zum Ende der Positionierung des Objekts (1) durch die festgelegte Suchzeit (T) für jede Abtastperiode in der Steuereinrichtung (3) normiert wird,

daß die Zielbeschleunigung (X&sub3;) unter Verwendung der normierten Zeit (t/T) berechnet wird und

daß die Ziebeschleunigung (X&sub3;) mit dem Zielbeschleunigungsgewinn multipliziert wird und das Ergebnis der Multiplikation ein der Antriebseinrichtung (2) zuzuführendes Antriebssignal beaufschlagt.

4. System zur Positionierung eines Objekts nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Datentabelle (4) zur Speicherung der Daten vorgesehen ist, die die normierte Zeit (t/T) und eine normierte Position (X/a) angeben, daß die Zielposition (X&sub1;), die Zielgeschwindigkeit (X&sub2;) und die Zielbescheunigung (X&sub3;) durch Berechnen der normierten Position (X/a) aus der laufenden Position (X) und der Suchdistanz (a) des Objekts (1) bestimmt werden und daß die normierte Zeit (t/T) auf der Basis der normierten Position (X/a) aus der genannten Tabelle zurückgewonnen wird.

5. System zur Positionierung eines Objekts nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Objekt (1) aus einem Magnetkopf besteht, der auf einer magnetischen Platte bewegbar ist, und daß die Antriebseinrichtung (2) aus einem den Magnetkopf tragenden Stellglied und einem Positionierungsmotor zum Antrieb des Stellglieds besteht.

6. System zur Position ierung eines Objekts nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Objekt (1) aus einem optischen Kopf besteht, der auf einer optischen Platte bewegbar ist, und daß die Antriebseinrichtung (2) aus einem den optischen Kopf tragenden Stellglied und einem Positionierungsmotor zum Antrieb des Stellglieds besteht.

7. System zur Positionierung eines Objekts nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Objekt (1) aus einem Druckkopf besteht, der auf einem Druckblatt bewegbar ist, und daß die Antriebseinrichtung (2) aus einem den Druckkopf tragenden Stellglied und einem Positionierungsmotor zum Antrieb des Stellglieds besteht.

8. System zur Positionierung eines Magnetplattengeräts, bestehend aus einem Stellglied zum Bewegen und Positionieren eines Magnetkopfs (11) zu einer bzw. auf einer festgelegten Spur einer Magnetplatte und einer Steuereinrichtung (17, 18, 19, 20) zur Steuerung eines Antriebsmotors (1 2) des Stellglieds auf der Basis von zumindest der Differenz zwischen der Zielbewegung und der tatsächlichen Bewegung des Magnetplattengeräts,

dadurch gekennzeichnet,

daß die Steuereinrichtung (17, 18, 19, 20) eine Recheneinrichtung ist und folgende Teile aufweist:

eine erste (201), eine zweite (195) und eine dritte (196) Rechenschaltung zum Berechnen der Zielposition, der Zielgeschwindigkeit bzw. der Ziebeschleunigung für jede zeitliche Abtastperiode mit Zeitpolynomen der Zielposition, der Zielgeschwindigkeit und der Zielbeschleunigung, die auf der Basis von Beschleunigungs- und Verzögerungsmustern erzeugt werden, die den Quadratwert eines Differentialwerts der Beschleunigung des Magnetkopfs (11) minimieren,

eine vierte (190) und eine fünfte (191) Rechenschaltung zum Schätzen der Position und Geschwindigkeit jeder Abtastperiode des Magnetkopfs (11),

eine sechste Rechenschaltung (199) zum Berechnen von zumindest einem Fehler zwischen der von der ersten und der zweiten Rechenschatung (201, 195) ausgegebenen Zielposition und Zielbeschleunigung, und der von der vierten und fünften Rechenschaltung (190, 191) ausgegebenen Position und Beschleunigung und

eine siebte Rechenschaltung (200) zum Addieren eines von der dritten Rechenschaltung (196) ausgegebenen Zielbeschleunigungssignals und eines von der sechsten Rechenschaltung (199) ausgegebenen Positionsfehlersignals oder eines von der sechsten Rechenschaltung (199) ausgegebenen Geschwindigkeitsfehlersignals und zum anschließenden Ausgeben eines Steuersignals für den Antriebsmotor (12) des Stellglieds.