JP2008211904A - Voltage control method for actuator - Google Patents

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裕幸 小野
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a voltage control method for an actuator capable of enhancing positioning accuracy by greatly improving acceleration disturbance removal performance in DC voltage-driving of a DC drive source. <P>SOLUTION: This voltage control method for controlling a voltage source for voltage-driving the DC motor of an actuator by a controller, includes: a step for expressing the actuator in a transfer function including the inductance, resistance and counter electromotive force of the coil of the DC motor to compensate for the gain of the inductance, resistance and counter electromotive force with the transfer function; and a step for controlling the voltage drive source of the DC motor by a control signal to which the compensated gain is applied. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、アクチュエータの制御、より具体的には、DC(直流)駆動源と位置または角度センサ等を備えるアクチュエータを電圧源にて駆動する、アクチュエータの電圧制御方法に関する。   The present invention relates to actuator control, and more specifically to an actuator voltage control method in which an actuator including a DC (direct current) drive source and a position or angle sensor is driven by a voltage source.

従来、DC駆動源であるDCモータは電流源でドライブする方法が一般的であり、DCモータを使った位置決め制御には、通常、電流源を適用した駆動回路が用いられている。電流とDCモータが発生する出力(トルク)は略比例しており、また出力とDCモータの出力可動部の位置は単純な2階積分の関係にあるので、モデル化しやすく、制御系アルゴリズムが簡単だからである。   Conventionally, a DC motor that is a DC drive source is generally driven by a current source, and a drive circuit using a current source is usually used for positioning control using the DC motor. The current and the output (torque) generated by the DC motor are approximately proportional, and the output and the position of the DC motor output movable part are in a simple second-order integral relationship, so it is easy to model and the control system algorithm is simple That's why.

一方、電圧源でDCモータを駆動する方法も古くから用いられてきた。電圧源によるDCモータの駆動は、速度(回転速度)に比例した逆起電圧と印加電圧がバランスする点がDCモータの速度となるため、定速度運動をさせたい場合などに、電流源駆動よりも有用である。しかし従来の電圧源駆動では、DCモータのコイルの性質を厳密にモデル化していない、つまり、DCモータのインダクタンスと抵抗、トルク定数(逆起電圧定数)を含めて最適化設計していなかった。そのため、DCモータ制御系のゲインが非常に低く、精度や外乱抑制性能が限定的になっている。例えば、玩具のDCモータを電池で駆動する場合などである。
そこで、コイルの特性を考慮した電圧源駆動による制御方法が提案された(特許文献1)。
特開2002-237152号公報
On the other hand, a method of driving a DC motor with a voltage source has been used for a long time. When driving a DC motor with a voltage source, the point where the counter electromotive voltage proportional to the speed (rotational speed) and the applied voltage balance is the DC motor speed. Is also useful. However, in the conventional voltage source drive, the characteristics of the coil of the DC motor are not strictly modeled, that is, the optimization design including the inductance and resistance of the DC motor and the torque constant (back electromotive voltage constant) has not been made. Therefore, the gain of the DC motor control system is very low, and accuracy and disturbance suppression performance are limited. For example, a toy DC motor is driven by a battery.
Therefore, a control method by voltage source driving in consideration of coil characteristics has been proposed (Patent Document 1).
Japanese Patent Laid-Open No. 2002-237152

しかし、特許文献1記載の電圧源駆動による制御方法は、主要な目的が回路の簡略化(電流検出用の抵抗器が一つ減っている)にあるため、熱などにより変化するコイルの特性を補償する方法、手段に関する記載や示唆がない。しかも、もう一つの積分器の付加やマイナーループに関する記載がなく、インダクタンス、トルク定数等、DCモータの特性の最適化に関する記載も示唆もない。このため特許文献1の制御方法により得られる特性、性能は、電流源による駆動方法に比較して改善することはなかった。したがってこの制御方法を、高精度な回転制御や位置制御が必要なDC駆動源、例えばVCM(Voice Coil Motor)が用いられているハードディスクドライブのヘッドアクチュエータの位置決め制御系には適用できなかった。   However, since the main purpose of the voltage source drive control method described in Patent Document 1 is to simplify the circuit (the number of resistors for current detection is reduced by one), the characteristics of the coil that changes due to heat or the like can be obtained. There is no description or suggestion regarding compensation methods and means. In addition, there is no description regarding the addition of another integrator or a minor loop, and there is no description or suggestion regarding the optimization of the characteristics of the DC motor such as the inductance and the torque constant. For this reason, the characteristics and performance obtained by the control method of Patent Document 1 are not improved as compared with the driving method using a current source. Therefore, this control method cannot be applied to a positioning control system for a head actuator of a hard disk drive using a DC drive source that requires high-precision rotation control and position control, for example, a VCM (Voice Coil Motor).

本発明は、かかる従来技術の課題を解決するためになされたものであって、DC駆動源のDC電圧駆動において、加速度外乱除去性能の大幅な改善により位置決め精度を向上させるアクチュエータの電圧制御方法を提供することを目的とする。さらに本発明は、制御器内部の二階積分により、ランプ状目標に対するゼロ偏差追従を向上させ、講習はにおける動作音を低減し、アナログ駆動系の非線形飽和を回避できるアクチュエータの電圧制御方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made to solve the above-described problems of the prior art, and provides a voltage control method for an actuator that improves positioning accuracy by greatly improving acceleration disturbance removal performance in DC voltage drive of a DC drive source. The purpose is to provide. Furthermore, the present invention provides a voltage control method for an actuator that improves zero deviation tracking with respect to a ramp target by means of second order integration inside the controller, reduces operating noise in the course, and avoids nonlinear saturation of the analog drive system. For the purpose.

かかる課題を解決する本発明のアクチュエータの電圧制御方法は、アクチュエータのDCモータを電圧駆動する電圧源を制御器により制御する電圧制御方法であって、上記アクチュエータを、上記DCモータのコイルのインダクタンス、抵抗及び逆起電力を含む伝達関数で表して、この伝達関数により、上記インダクタンス、抵抗および逆起電力のゲインを補償する段階と、該補償したゲインをかけた制御信号により前記DCモータの電圧駆動源を制御する段階とを含むことに特徴を有する。   The voltage control method for an actuator of the present invention that solves such a problem is a voltage control method for controlling a voltage source that drives a voltage of a DC motor of an actuator by a controller, and the actuator includes an inductance of a coil of the DC motor, The transfer function includes a resistance and a counter electromotive force. The transfer function compensates the gain of the inductance, the resistance, and the counter electromotive force, and the voltage drive of the DC motor is performed by a control signal multiplied by the compensated gain. And the step of controlling the source.

本発明のアクチュエータの電圧制御方法においては、上記DCモータのインダクタンス、抵抗及び逆起電力(パラメータ)を上記ゲインの補償を含めて最適化する。   In the actuator voltage control method of the present invention, the inductance, resistance and back electromotive force (parameter) of the DC motor are optimized including the compensation of the gain.

実際的には、上記DCモータの状態を検出する段階と、目標設定手段により設定された目標値と上記検出した状態信号との偏差を2階積分する段階と、この2階積分した偏差に、上記補償したゲインを加える段階を含む。
上記DCモータの状態を検出する段階は、上記DCモータに流れる電流を検出する段階を含み、上記検出した電流値に基づいて上記コイルのインダクタンスと抵抗を推定し、上記各ゲインを修正しつつ適応制御することが好ましい。
さらに、上記検出した電流からマイナーフィードバックを施して、見かけ上の上記コイルのインピーダンスを変化させる段階を含むことが好ましい。
Actually, the step of detecting the state of the DC motor, the step of second-order integration of the deviation between the target value set by the target setting means and the detected state signal, and the second-order integrated deviation, Adding the compensated gain.
The step of detecting the state of the DC motor includes a step of detecting a current flowing through the DC motor. The inductance and resistance of the coil are estimated based on the detected current value, and the gains are corrected and adjusted. It is preferable to control.
Furthermore, it is preferable that a minor feedback is applied from the detected current to change the apparent impedance of the coil.

本発明のアクチュエータの電圧制御方法において、上記伝達関数は、上記DCモータの電圧を制御する制御入力を u、DCモータの角度出力を x、角速度を v、DCモーターに流れる電流を i、上記電圧駆動源と上記DCモータの状態を検出する状態検出器のゲインをまとめて g とおき、上記制御入力 u から上記角度出力 x への伝達関数G(s)を下記式1で表す。
G(s) = x(s) / u(s)
= g k / [s (k2 + J R s + J L s2)] ・・・式1
(ただし、R はDCモータの抵抗、L はインダクタンス、kはトルク定数、Jは慣性モーメント、wはトルク外乱である。)
In the voltage control method for an actuator according to the present invention, the transfer function includes u as a control input for controlling the voltage of the DC motor, x as an angle output of the DC motor, v as an angular velocity, i as a current flowing through the DC motor, and the voltage as described above. The gain of the state detector for detecting the state of the drive source and the DC motor is collectively expressed as g, and the transfer function G (s) from the control input u to the angle output x is expressed by the following equation (1).
G (s) = x (s) / u (s)
= gk / [s (k 2 + JR s + JL s 2 )] ・ ・ ・ Equation 1
(Where R is the resistance of the DC motor, L is the inductance, k is the torque constant, J is the moment of inertia, and w is the torque disturbance.)

トルク外乱 wに対する感度関数S(s)は、下記式2により表される。
S(s) = (R + L s) / [s (k2 + J R s + J L s2)] ・・・式2
The sensitivity function S (s) with respect to the torque disturbance w is expressed by the following equation 2.
S (s) = (R + L s) / [s (k 2 + JR s + JL s 2 )] Equation 2

さらに本発明のアクチュエータの電圧制御方法において、上記電圧源駆動の感度関数を(R + L s) / [ s (k2 + J R s + J L s2) ]、電流源駆動の感度関数を1 /(J s2)としたときに、これらの比を下記式3で表し、式3を、ゲインを a、零点を q、極を p1、p2 で下記式5に変形したときに、極p1、p2が複素極となる領域を使用することが好ましい。
J s (R + L s) / (k2 + J R s + J L s2) ・・・式3
a s (s + q) / [(s + p1)(s + p2)] ・・・式5
Furthermore, in the voltage control method of the actuator of the present invention, the sensitivity function of the voltage source drive is (R + L s) / [s (k 2 + JR s + JL s 2 )], and the sensitivity function of the current source drive is 1 / (J s 2 ), these ratios are expressed by the following formula 3, and when the formula 3 is transformed into the following formula 5 with the gain a, the zero point q, and the pole p1, p2, the pole p1, It is preferable to use a region where p2 is a complex pole.
J s (R + L s) / (k 2 + JR s + JL s 2 ) Equation 3
as (s + q) / [(s + p1) (s + p2)] ... Equation 5

電流関数i(s)を下記式7で表して、 x、u、i の履歴から R、 L、 g、 k を推定する。
i(s) = (g u(s) − k v(s)) / (R + s L) = (g u(s) − k s x(s)) / (R + s L) ・・・式7
The current function i (s) is expressed by the following formula 7, and R, L, g, and k are estimated from the history of x, u, and i.
i (s) = (gu (s) − kv (s)) / (R + s L) = (gu (s) − ksx (s)) / (R + s L) Equation 7

角度出力関数x(s)を下記式8で表して、x、 i、の履歴と上記 k の推定値から w と J を推定する。
x(s) = (k i(s) + w(s)) / (J s2) ・・・式8
The angle output function x (s) is expressed by the following equation 8, and w and J are estimated from the history of x and i and the estimated value of k.
x (s) = (ki (s) + w (s)) / (J s 2 ) Equation 8

h = Rとした場合は、感度関数S(s)が下記式12で表される。
S(s) = 1 /(J s2 + k2/L) ・・・式12
h = R + s L1とした場合は、感度関数S(s)が下記式13で表される。
(ただし、L1 < L である。)
h = -R1とした場合は、感度関数S(s)が下記式15で表される。
S(s) = ((R + R1) + L s) / [s (k2 + J (R + R1) s + J L s2)] ・・・式15
(ただし、 L1 < L である。)
When h = R, the sensitivity function S (s) is expressed by the following formula 12.
S (s) = 1 / (J s 2 + k 2 / L) Equation 12
When h = R + s L1, the sensitivity function S (s) is expressed by the following equation (13).
(However, L1 <L.)
When h = −R1, the sensitivity function S (s) is expressed by the following formula 15.
S (s) = ((R + R1) + L s) / [s (k 2 + J (R + R1) s + JL s 2)] ··· Equation 15
(However, L1 <L.)

本発明によれば、加速度外乱除去性能の大幅な改善およびアクチュエータの位置決め精度が向上する。
DCモータの駆動状態を検出する検出手段の出力を二階積分することにより、ランプ状目標に対するゼロ偏差追従が可能になり、高周波における動作音が低減し、アナログ駆動系の非線形飽和を回避できる。
According to the present invention, the acceleration disturbance removal performance is greatly improved and the positioning accuracy of the actuator is improved.
By integrating the output of the detection means for detecting the driving state of the DC motor second-order, it is possible to follow the zero deviation with respect to the ramp-like target, reduce the operating noise at high frequencies, and avoid nonlinear saturation of the analog drive system.

以下本発明を適用した最良の実施形態について図を参照して説明する。図1には、本発明の電圧制御装置のハードウエア構成の実施形態をブロックで示した。この電圧制御装置は、DC駆動源としてのDCモータ11と、DC駆動源の状態を検出する手段としての位置(角度)検出器13とを備えた制御対象に対して、位置(角度)検出器13の出力から制御入力を算出する制御器15と、制御入力 u に基づいてDCモータ11を駆動する電圧ドライバ(電圧源)17と、DCモータ11に流れる電流を検出する電流センサとしての電流検出器(AD変換器)19を備えている。   The best mode to which the present invention is applied will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a block diagram showing an embodiment of the hardware configuration of the voltage control apparatus of the present invention. This voltage control apparatus is a position (angle) detector for a control object including a DC motor 11 as a DC drive source and a position (angle) detector 13 as means for detecting the state of the DC drive source. A controller 15 for calculating a control input from the output of 13, a voltage driver (voltage source) 17 for driving the DC motor 11 based on the control input u, and a current detection as a current sensor for detecting a current flowing through the DC motor 11. A device (AD converter) 19 is provided.

制御器15は、DSPなどのディジタル演算器21によって構成される。このディジタル演算器21にはさらに、位置角度検出器13からのアナログ信号をディジタル信号に変換するAD変換器23、及びディジタル演算器21からの出力をアナログ信号に変換して制御入力を生成するDA変換器25が付随する。   The controller 15 is composed of a digital computing unit 21 such as a DSP. The digital calculator 21 further includes an AD converter 23 that converts an analog signal from the position angle detector 13 into a digital signal, and a DA that converts the output from the digital calculator 21 into an analog signal to generate a control input. A converter 25 is attached.

電流検出器19は、DCモータ11の負入力に直列接続された低抵抗器 Rs の端子電圧 Vs をAD変換して電流値を出力するA/D変換器である。なお、低抵抗器 Rs に替えてホール素子等を用いてもよい。   The current detector 19 is an A / D converter that AD converts the terminal voltage Vs of the low resistor Rs connected in series to the negative input of the DC motor 11 and outputs a current value. A Hall element or the like may be used instead of the low resistor Rs.

さらに電圧制御装置は、位置角度検出器13の出力の目標を設定する目標値設定回路27を備えている。ディジタル演算器21は、位置角度検出器13の出力が目標値設定手段27から出力された目標値 ref との偏差を解消するようにDCモータ11を駆動する電圧を演算する。   The voltage control device further includes a target value setting circuit 27 for setting a target of output of the position angle detector 13. The digital calculator 21 calculates a voltage for driving the DC motor 11 so that the deviation of the output of the position angle detector 13 from the target value ref output from the target value setting means 27 is eliminated.

この電圧制御装置をハードディスクドライブに適用する場合は、DCモータ11がVCM(Voice Coil Motor)に、位置角度検出器13の出力が、磁気ヘッドが読み込んだPES(Position Error Signal)、または磁気ヘッドをトラッキングするアームの回転角を検出するエンコーダー出力に相当する。この明細書では簡単のためロータリー型DCモータ(VCM)に適用した場合について説明するが、リニア型のDCモータに適用した場合の構成も同様である。   When this voltage control device is applied to a hard disk drive, the DC motor 11 is applied to a VCM (Voice Coil Motor), the output of the position angle detector 13 is a PES (Position Error Signal) read by the magnetic head, or the magnetic head is applied. This corresponds to the encoder output that detects the rotation angle of the arm to be tracked. In this specification, a case where the present invention is applied to a rotary type DC motor (VCM) will be described for the sake of simplicity, but the configuration when applied to a linear type DC motor is also the same.

図1に示した電圧制御装置を含む制御対象全体の伝達関数のブロック図を図2に示した。ここで、制御入力を u、角度出力を x、角速度を v、DCモータ11に流れる電流を i、及び電圧ドライバ17と位置角度検出器13のゲインをまとめて g とおく。さらに、DCモータ11の抵抗を R、インダクタンスを L、トルク定数を k、慣性モーメントを J 、トルク外乱を w とおく。このとき、制御入力 u から角度出力xへの伝達関数G(s)は、下記式1のようになる。
G(s) = x(s) / u(s)
= g k / [s (k2 + J R s + J L s2)] ・・・式1
トルク外乱 w から角度出力 x への伝達関数、すなわち外乱に対する感度関数S(s)は、下記式2のようになる。
S(s) = (R + L s) / [s (k2 + J R s + J L s2)] ・・・式2
A block diagram of a transfer function of the entire control target including the voltage control device shown in FIG. 1 is shown in FIG. Here, the control input is u, the angle output is x, the angular velocity is v, the current flowing through the DC motor 11 is i, and the gains of the voltage driver 17 and the position angle detector 13 are collectively g. Furthermore, the resistance of the DC motor 11 is R, the inductance is L, the torque constant is k, the moment of inertia is J, and the torque disturbance is w. At this time, the transfer function G (s) from the control input u to the angle output x is expressed by the following equation 1.
G (s) = x (s) / u (s)
= gk / [s (k 2 + JR s + JL s 2 )] ・ ・ ・ Equation 1
The transfer function from the torque disturbance w to the angle output x, that is, the sensitivity function S (s) for the disturbance is expressed by the following equation (2).
S (s) = (R + L s) / [s (k 2 + JR s + JL s 2 )] Equation 2

図2に示した伝達関数について詳細に説明する。制御入力 u に対して一定ゲイン g がかかり、それが電圧となってDCモータ11に印加される。その印加電圧とDCモータ11のインピーダンス 1 / (R + s L) により電流 i が流れ、電流 i にトルク定数 k を乗じたものがトルク(i k)となる。トルク(i k)を慣性モーメント J で割り、一階積分すると角速度 v が得られ、角速度 v をさらに一階積分すると角度出力 x が得られる。また、角速度 v に逆起電圧定数( = トルク定数) k を掛けて生じる電圧が逆起電圧であり、入力からの電圧と逆方向に働く。   The transfer function shown in FIG. 2 will be described in detail. A constant gain g is applied to the control input u, which is applied to the DC motor 11 as a voltage. The current i flows by the applied voltage and the impedance 1 / (R + s L) of the DC motor 11, and the current i multiplied by the torque constant k is the torque (i k). Dividing the torque (i k) by the moment of inertia J and first-order integration gives the angular velocity v, and further angular integration of the angular velocity v gives the angular output x. The voltage generated by multiplying the angular velocity v by the counter electromotive voltage constant (= torque constant) k is the counter electromotive voltage, and works in the opposite direction to the voltage from the input.

以上により、トルク外乱 w = 0 として式、
v(s) = [g u(s) − k v(s)] [1 / (R + s L)] k [1 / (s J)]
x(s) = v(s) / s
を解くと、前記式1が得られる。
また、制御入力 u = 0として式、
v(s) = [w(s) − k2 / (R + s L) v(s)] [1 / (s J)]
x(s) = v(s) / s
を解くと、前記式2が得られる。
From the above, assuming that torque disturbance w = 0,
v (s) = [gu (s) − kv (s)] [1 / (R + s L)] k [1 / (s J)]
x (s) = v (s) / s
Equation 1 is obtained by solving.
Also, if the control input u = 0,
v (s) = [w (s) − k 2 / (R + s L) v (s)] [1 / (s J)]
x (s) = v (s) / s
Equation (2) is obtained by solving.

次に、式1と式2から、本発明を適用した実際の制御系における外乱除去比について、従来の電流源駆動における外乱除去比と比較しながら説明する。なお、電流源駆動では、トルク外乱wから角度出力xへの伝達関数(感度関数)は 1 / (J s2) である。 Next, from Equation 1 and Equation 2, the disturbance rejection ratio in an actual control system to which the present invention is applied will be described in comparison with the disturbance rejection ratio in a conventional current source drive. In the current source drive, the transfer function (sensitivity function) from the torque disturbance w to the angle output x is 1 / (J s 2 ).

電圧源駆動の感度関数 (R + L s) / [ s (k2 + J R s + J L s2) ] と電流源駆動の感度関数 1 /(J s2) の比(前項÷後項)をとり、その値が1より小さくなれば、電圧源駆動の方がトルク外乱 w に対する感度が低くなり、制御目的に適っている。上記感度関数の比を演算すると、
J s (R + L s) / (k2 + J R s + J L s2) ・・・式3
となる。
式3を 1 / s で整理すると
[R / (L s2) + 1] / [k2 / (J L s2) + R / (L s) + 1] ・・・式4
となるから、 s が無限大の場合におけるゲインは1である。
Voltage source drive sensitivity function (R + L s) / [s (k 2 + JR s + JL s 2 )] and current source drive sensitivity function 1 / (J s 2 ) If the value is smaller than 1, the voltage source drive is less sensitive to torque disturbance w and is suitable for control purposes. When calculating the ratio of the above sensitivity functions,
J s (R + L s) / (k 2 + JR s + JL s 2 ) Equation 3
It becomes.
If we organize Equation 3 by 1 / s
[R / (L s 2 ) + 1] / [k 2 / (JL s 2 ) + R / (L s) + 1]
Therefore, the gain is 1 when s is infinite.

また、式3を、ゲインを a、零点を q、極を p1、p2 として、
a s (s + q) / [(s + p1)(s + p2)] ・・・式5
と変形し、周波数特性を両対数プロットで表すと、極 p1 と極 p2 の値により、概ね図3の(A)、(B)、(C)のパターンに大別される。図3の各グラフにおいて、縦軸はゲイン(dB)、横軸は周波数である。
Equation 3 is expressed as follows: gain is a, zero is q, pole is p1, p2
as (s + q) / [(s + p1) (s + p2)] ... Equation 5
When the frequency characteristic is expressed by a log-log plot, it is roughly divided into patterns (A), (B), and (C) in FIG. 3 according to the values of the poles p1 and p2. In each graph of FIG. 3, the vertical axis represents gain (dB) and the horizontal axis represents frequency.

図3の各グラフにおいて、斜線で示した領域が本実施形態の電圧制御の方が外乱に対する感度が低い領域、つまり外乱に強い領域であることを示している。なお、横線で示した領域では逆であることを示している。
図3(A)のケースは極 p1、p2 が実数かつ p1≠p2 のときである。このケースは、感度関数の比はほぼ全域で0dB、すなわち殆ど差はない。
図3(B)のケースは極 p1 = p2 のときである。このケースでは、中域以上の周波数域において、本実施形態の電圧制御が好ましいことが分かる。
図3(C)のケースは、極 p1、p2 が複素極の場合である。このケースでは電圧制御により大きな感度低下が達成されていて、本実施形態において最も好ましい状態であることが分かる。本発明の実施形態における電圧制御方法ではこのモード、すなわち (k2 + J R s + J L s2) = 0 が s について複素根を持つ場合を主に用いる。ただし、極 p1、p2 の周波数周辺においては、逆に感度関数が高くなる領域 P があるので、この領域 P は排除するように設定し、またこの領域 P を使用しないように設定する。
In each graph of FIG. 3, the hatched area indicates that the voltage control according to the present embodiment is less sensitive to disturbance, that is, is more resistant to disturbance. The region indicated by the horizontal line indicates the opposite.
The case of FIG. 3A is when the poles p1 and p2 are real numbers and p1 ≠ p2. In this case, the ratio of the sensitivity function is 0 dB in almost the entire region, that is, there is almost no difference.
The case of FIG. 3 (B) is when the pole p1 = p2. In this case, it can be seen that the voltage control of the present embodiment is preferable in the frequency range above the middle range.
The case of FIG. 3C is when the poles p1 and p2 are complex poles. In this case, a large sensitivity reduction is achieved by voltage control, and it can be seen that this is the most preferable state in the present embodiment. The voltage control method in the embodiment of the present invention mainly uses this mode, that is, a case where (k 2 + JR s + JL s 2 ) = 0 has a complex root with respect to s. However, in the vicinity of the frequencies of the poles p1 and p2, there is a region P where the sensitivity function is high, so this region P is set to be excluded and this region P is set not to be used.

実際のDCモータを使用した電圧制御装置のパラメータの一例を、ハードディスクドライブのヘッドアクチュエータおよびこのヘッドアクチュエータを駆動するDCモータとしてのVCMについて説明する。このハードディスクドライブのアクチュエータ位置制御においては、VCMのコイル抵抗 = 8Ω、インダクタンス = 5mH、トルク定数 = 1N/A、慣性モーメント = 10-3kg、等が普通である。これは、VCMの永久磁石にフェライト磁石を適用した一般的なケースである。さらに強力な永久磁石、例えばネオジウム系の磁石を用いることで、トルク定数を数倍に上げることが可能である。例えばトルク定数を10にすると、
零点 = R/L = 1600 (rad/sec)
極 = 800 ± I 4500 (rad/sec)
となって、零点は約254Hz、極は約728Hzにおいて得られ、図3(C)に示した特性が得られる。
As an example of parameters of a voltage control device using an actual DC motor, a head actuator of a hard disk drive and a VCM as a DC motor for driving the head actuator will be described. In the actuator position control of this hard disk drive, VCM coil resistance = 8Ω, inductance = 5 mH, torque constant = 1 N / A, moment of inertia = 10 −3 kg, etc. are common. This is a general case in which a ferrite magnet is applied to a VCM permanent magnet. Furthermore, the torque constant can be increased several times by using a strong permanent magnet, such as a neodymium magnet. For example, if the torque constant is 10,
Zero point = R / L = 1600 (rad / sec)
Pole = 800 ± I 4500 (rad / sec)
Thus, the zero point is obtained at about 254 Hz and the pole is obtained at about 728 Hz, and the characteristics shown in FIG. 3C are obtained.

一方、式1の伝達関数の、特に低域に着目すると、電圧源駆動の場合の伝達関数は一階の積分特性と同等である。なお、電流源駆動における入出力間伝達関数は、二階の積分特性と同等である。すなわち、低周波数域において、伝達関数は、電圧源駆動の場合は -6dB/oct、電流源駆動の場合は -12dB/octであり、位相はそれぞれ -90度、-180度回っている(図4参照)。目標値に定常偏差ゼロで追従させることが目的であるサーボ系では、制御器内部に積分器を一つ以上含む。この積分器により、電流源駆動の場合は位相がさらに90度回って -270度になる。ここから適当な周波数に零点を2つ挿入して、開ループゲインが1になる周波数での位相を -150度(位相余裕30度)程度まで回復させることで閉ループを安定化させる。本発明の電圧制御方法では、低周波数域での位相は -90度であるから、電流制御の場合と同じ位相余裕を得ても、制御器内にもう一つの積分器を入れる余裕がある。そこで本発明では、制御器内に積分器を2つ含む制御系を構成した。これにより、通常のステップ状の目標値入力のみならず、ランプ状の目標値に対して、偏差ゼロで追従できる。   On the other hand, paying attention to the low-frequency range of the transfer function of Equation 1, the transfer function in the case of voltage source driving is equivalent to the first-order integral characteristic. Note that the input / output transfer function in current source driving is equivalent to the second-order integral characteristic. In other words, in the low frequency range, the transfer function is -6 dB / oct for voltage source drive and -12 dB / oct for current source drive, and the phases are -90 degrees and -180 degrees, respectively (Fig. 4). In the servo system whose purpose is to follow the target value with zero steady-state deviation, one or more integrators are included in the controller. With this integrator, in the case of current source driving, the phase is further rotated 90 degrees to -270 degrees. From here, two zeros are inserted at an appropriate frequency, and the closed loop is stabilized by restoring the phase at the frequency at which the open loop gain becomes 1 to about -150 degrees (phase margin 30 degrees). In the voltage control method of the present invention, the phase in the low frequency region is −90 degrees, so that even if the same phase margin as in the current control is obtained, there is a margin to put another integrator in the controller. Therefore, in the present invention, a control system including two integrators in the controller is configured. Thereby, not only a normal step-like target value input but also a ramp-like target value can be followed with zero deviation.

本発明の電圧制御方法及び電圧制御装置によれば、ベアリングの非線形挙動等があっても低周波数域でのゲインが高く、ランプ状の目標値に対する偏差をゼロにできる。これは、例えばDVDやCD等のドライブで使用されているスパイラルトラックへの追従性能を大きく改善する。さらに、ハードディスクドライブにおいても、従来の同心円として配置されたトラック構成のみならず、スパイラルトラックに追従する制御系を実現できることを示しており、特に連続した大きなファイル、例えば最近需要の大きい動画や音楽データへのアクセス性能を大きく改善できることを示している。   According to the voltage control method and the voltage control apparatus of the present invention, the gain in the low frequency range is high even when there is a nonlinear behavior of the bearing, and the deviation from the ramp-shaped target value can be made zero. This greatly improves the follow-up performance to spiral tracks used in, for example, DVD and CD drives. Furthermore, it has been shown that a hard disk drive can realize a control system that follows a spiral track, as well as a conventional track configuration arranged as concentric circles. It shows that the access performance to can be greatly improved.

図5(A)、(B)には制御系の開ループ伝達関数のプロット例を示した。上述の複素極がゼロクロス周波数より高い周波数にあるのか(図5(A))、低い周波数にあるのか(図5(B))によって制御系の構成は異なる。すなわち、複素極がゼロクロス周波数より低い周波数にある場合、複素極は単なるピークフィルタとしてループに含んでかまわないが、高い周波数にある場合は、ノッチフィルタを用いるか位相補償するなどの手段により安定化を施す必要がある。この補償においてはDCモータ11の各パラメータの依存度が大きいため、制御しやすい制御対象とすべく、各パラメータの最適化が重要である。   5A and 5B show plot examples of the open loop transfer function of the control system. The configuration of the control system differs depending on whether the above complex pole is at a frequency higher than the zero cross frequency (FIG. 5A) or at a lower frequency (FIG. 5B). In other words, when the complex pole is at a frequency lower than the zero cross frequency, the complex pole may be included in the loop as a simple peak filter, but when it is at a high frequency, it is stabilized by means such as using a notch filter or phase compensation. It is necessary to apply. In this compensation, since the dependence of each parameter of the DC motor 11 is large, optimization of each parameter is important in order to make the control target easy to control.

また、本発明の電圧制御方法及び電圧制御装置ではコイルのインダクタンス、トルク定数をパラメータとして含むが、これらは熱、経時変化などにより変動する。そこでその変化を同定し、適応制御する方法が有用である。そのために本発明の実施形態では、VCMを駆動する電圧源において、VCMの動作状態を検出する手段として、VCMを流れる電流を検出するセンサを設けることが好ましい。このセンサは、ホールセンサによる電流検出でもよいし、VCMと直列に接続された微小抵抗に発生する電圧を測定する構成(図1参照)でもよい。本発明は、原理的にはこの電流検出センサがなくとも各パラメータを同定することは可能であるが、電流検出センサがあれば外乱を分離して負荷トルクを計測できるので、同定精度を改善できる。   The voltage control method and voltage control apparatus of the present invention include the coil inductance and the torque constant as parameters, which vary with heat, changes with time, and the like. Therefore, a method of identifying the change and adaptively controlling it is useful. Therefore, in the embodiment of the present invention, it is preferable to provide a sensor for detecting the current flowing through the VCM as means for detecting the operating state of the VCM in the voltage source for driving the VCM. This sensor may be current detection by a Hall sensor, or may be configured to measure a voltage generated in a minute resistor connected in series with the VCM (see FIG. 1). In principle, the present invention can identify each parameter without the current detection sensor. However, if there is a current detection sensor, the disturbance torque can be separated and the load torque can be measured, so that the identification accuracy can be improved. .

以下、パラメータ同定方法の実施例を示す。
(1)電流センサがない場合
式1と式2から角度出力関数x(s)は、
x(s) = [a / (s (s2 + b s + c))] u(s) + [(R + L s) / (s (s2 + b s + c))] w(s) ・・・式6
となる。 x(s)、u(s)、w(s) が十分にリッチ(制御に必要な全ての周波数成分を含む)であると仮定して、角度出力 x と制御入力 u の履歴から R、L、a、b、c、w をそれぞれ推定して設定する。
ただし、 a = g k / (J L) 、 b = R/L 、 c = k2 / (J L)
である。電流センサがない場合は、 g、k、J を個別に推定により設定することはできないが、制御のためには a、 b、c を推定により設定できれば十分である。
Examples of parameter identification methods will be described below.
(1) When there is no current sensor From Equation 1 and Equation 2, the angle output function x (s) is
x (s) = [a / (s (s 2 + bs + c))] u (s) + [(R + L s) / (s (s 2 + bs + c))] w (s) ..Formula 6
It becomes. Assuming that x (s), u (s), and w (s) are sufficiently rich (including all frequency components required for control), R and L are obtained from the history of angle output x and control input u. , A, b, c, w are estimated and set.
Where a = gk / (JL), b = R / L, c = k 2 / (JL)
It is. If there is no current sensor, g, k, and J cannot be set individually by estimation, but it is sufficient for control if a, b, and c can be set by estimation.

この方法の場合は、トルク外乱wが未知かつ非常に大きい状況で全てのパラメータを設定しなければならないので、精度が低い。   In the case of this method, since all parameters must be set in a situation where the torque disturbance w is unknown and very large, the accuracy is low.

(2)電流センサがある場合
図2の伝達関数から電流関数i(s)は、
i(s) = (g u(s) − k v(s)) / (R + s L) = (g u(s) − k s x(s)) / (R + s L) ・・・式7
となるので、x、u、i の履歴から R、 L、 g、 k を推定して設定する。電流センサがある場合は外乱項(トルク外乱w)を含まないので、高精度な推定による設定が可能である。
(2) When there is a current sensor From the transfer function in Fig. 2, the current function i (s) is
i (s) = (gu (s) − kv (s)) / (R + s L) = (gu (s) − ksx (s)) / (R + s L) Equation 7
Therefore, R, L, g, and k are estimated and set from the history of x, u, and i. When there is a current sensor, the disturbance term (torque disturbance w) is not included, and therefore setting by high-precision estimation is possible.

同様に図2の伝達関数から角度出力関数x(s)は、
x(s) = (k i(s) + w(s)) / (J s2) ・・・式8
となるので、 x、 i、の履歴と上記 k の推定値から w と J を推定により設定できる。この式8は外乱項(w(s))を含むが、求めるパラメータがトルク外乱wと慣性モーメントJだけなので、(推定)精度への影響は無視できる。
Similarly, the angle output function x (s) from the transfer function in FIG.
x (s) = (ki (s) + w (s)) / (J s 2 ) Equation 8
Therefore, w and J can be set by estimation from the history of x and i and the estimated value of k. Although this equation 8 includes a disturbance term (w (s)), since the parameters to be obtained are only the torque disturbance w and the moment of inertia J, the influence on the (estimation) accuracy can be ignored.

上記いずれの方法も、公知の推定アルゴリズム、例えば最小二乗法や勾配法を利用できる。そうして推定したパラメータを用いて、制御系のゲインを決定し、設定する。このゲインの決定方法には、LQ法、極配置法など、公知のアルゴリズムを利用できる。また、上記はパラメータ推定であるが、制御系を含めた閉ループ系を常に同じ伝達関数に保つという方針で一括して適応制御することも可能である。   In any of the above methods, a known estimation algorithm such as a least square method or a gradient method can be used. The gain of the control system is determined and set using the parameters thus estimated. For this gain determination method, a known algorithm such as LQ method or pole placement method can be used. Although the above is parameter estimation, it is also possible to perform adaptive control collectively with a policy that a closed loop system including a control system is always kept at the same transfer function.

さらに、図2のブロックで示す伝達関数系に、DCモータ11に流れる電流 i から制御入力 uに戻るマイナーフィードバックh(s)を加え、図6に示した伝達関数系(制御系)を構成することもできる。これにより見かけ上のDCモータ11のコイルインピーダンスは、
1 / (R + s L − h(s)) ・・・式9
となり、マイナーフィードバックh(s)により制御できる。このとき、制御対象全体の伝達関数G(s)と、トルク外乱 w に対する感度関数S(s)は、それぞれ式10、式11で表される。
G(s) = x(s) / u(s) = g k / [s(k2 + J s (R + L s − h(s)))] ・・・式10
S(s) = (R + L s − h(s)) / [s(k2 + J s (R + L s − h(s)))] ・・・式11
Further, a minor feedback h (s) returning from the current i flowing through the DC motor 11 to the control input u is added to the transfer function system shown by the block in FIG. 2 to constitute the transfer function system (control system) shown in FIG. You can also. As a result, the apparent coil impedance of the DC motor 11 is
1 / (R + s L − h (s)) Equation 9
And can be controlled by minor feedback h (s). At this time, the transfer function G (s) of the entire control target and the sensitivity function S (s) with respect to the torque disturbance w are expressed by Expression 10 and Expression 11, respectively.
G (s) = x (s) / u (s) = gk / [s (k 2 + J s (R + L s −h (s)))] Equation 10
S (s) = (R + L s −h (s)) / [s (k 2 + J s (R + L s −h (s)))] Equation 11

マイナーフィードバックh(s)は、マイナーループが安定(式9の極が安定)する限り任意に設定できるが、以下、マイナーフィードバックh(s)を求める方法に対応した本発明の電圧制御方法について説明する。
h = R のとき、DCモータ11のコイルインピーダンスはインダクタンス s、 L のみであるから、感度関数S(s)は
S(s) = 1 /(J s2 + k2/L) ・・・式12
となり、電流源駆動に比べ、極以下の周波数帯で一様に12dB/oct低くなる。ただし、h > R のときは系が不安定になるので、実際に搭載する場合は h を R より若干小さく設定しておく。以下同様である。
The minor feedback h (s) can be arbitrarily set as long as the minor loop is stable (the pole of Equation 9 is stable). The voltage control method of the present invention corresponding to the method for obtaining the minor feedback h (s) will be described below. To do.
When h = R, the coil impedance of the DC motor 11 is only the inductance s and L, so the sensitivity function S (s) is
S (s) = 1 / (J s 2 + k 2 / L) Equation 12
Thus, compared with the current source drive, it is uniformly 12 dB / oct lower in the sub-frequency band. However, when h> R, the system becomes unstable, so h is set slightly smaller than R when actually installed. The same applies hereinafter.

h = R + s L1 のとき
R に加え、インダクタンス L1 をマイナーフィードバックh(s)に含むことにより、感度関数S(s)を、
S(s) = 1 / [J s2 + k2/(L - L1)] ・・・式13
とすることができる。これにより極を自在に制御できる。
ただし、 L1 < L である。
h = R + s L1
By including inductance L1 in minor feedback h (s) in addition to R, the sensitivity function S (s) is
S (s) = 1 / [J s 2 + k 2 / (L−L1)] Equation 13
It can be. As a result, the pole can be freely controlled.
However, L1 <L.

h = -R1のとき
式9はQ値が無限大となっている。このような系でもフィードバックにより閉ループを安定化できるが、近くに変動の大きい機械共振がある場合など、何らかの事情によりQ値を下げる必要がある場合は、h として大きな R1 をネガティブフィードバックすることによってQ値を下げることができる。すなわち、かかる制御系は、下記式14の伝達関数G(s)で表すことができる。
G(s) = x(s) / u(s) = g k / [s (k2 + J (R + R1) s + J L s2)] ・・・式14
When h = -R1, Equation 9 has an infinite Q value. Even in such a system, the closed loop can be stabilized by feedback. However, when there is a need to lower the Q value for some reason, such as when there is a mechanical resonance with a large fluctuation nearby, Q can be reduced by negatively feeding back large R1 as h. The value can be lowered. That is, such a control system can be expressed by a transfer function G (s) of the following formula 14.
G (s) = x (s ) / u (s) = gk / [s (k 2 + J (R + R1) s + JL s 2)] ··· Equation 14

この場合の感度関数S(s)は式15のようになる。感度関数S(s)については、零点の周波数も上がるので、R1 の増加と共にトルク外乱抑制性能は劣化する。しかしそれでも電流源駆動に比べ、6dB/octの優位性がある。
S(s) = ((R + R1) + L s) / [s (k2 + J (R + R1) s + J L s2)] ・・・式15
The sensitivity function S (s) in this case is as shown in Equation 15. As for the sensitivity function S (s), the frequency of the zero point also increases, so that the torque disturbance suppression performance deteriorates as R1 increases. However, it still has an advantage of 6 dB / oct over current source driving.
S (s) = ((R + R1) + L s) / [s (k 2 + J (R + R1) s + JL s 2)] ··· Equation 15

h = -R1 + L1 s のとき
感度関数の劣化をできるだけ避け、かつQ値をできるだけ下げ、また極の周波数を高くとることが目的である場合は、インダクタンスも制御する。例えば、式14の零点と極の周波数を一致させることが一つの設計指針となる場合などである。この場合の感度関数S(s)は式16のようになる。
S(s) = [(R + R1) + (L - L1) s] / [s (k2 + J (R + R1) s + J (L - L1) s2)] ・・・式16
ただし、 L1 < L である。
When h = -R1 + L1 s When the purpose is to avoid deterioration of the sensitivity function as much as possible, to lower the Q value as much as possible, and to increase the pole frequency, the inductance is also controlled. For example, there is a case where it becomes one design guideline to match the zero point and the pole frequency in Expression 14. The sensitivity function S (s) in this case is as shown in Equation 16.
S (s) = [(R + R1) + (L-L1) s] / [s (k 2 + J (R + R1) s + J (L-L1) s 2 )] Equation 16
However, L1 <L.

上記マイナーフィードバックh(s)を含む制御系は、図1に示した低抵抗 Rs に生じる電圧 Vs 検出し、h(s) Vs/Rs としてフィードバックさせることで構成できる。これはアナログオペアンプ等のアナログ回路で構成してもよいし、図1のようにAD変換器19aを用いて電圧 Vs を取り込んだ後にマイナーフィードバック h(s)をディジタルフィルタとしてかけて、結果を制御入力 u に加算することによって構成することもできる。   The control system including the minor feedback h (s) can be configured by detecting the voltage Vs generated in the low resistance Rs shown in FIG. 1 and feeding it back as h (s) Vs / Rs. This may be constituted by an analog circuit such as an analog operational amplifier, or after the voltage Vs is taken in using the AD converter 19a as shown in FIG. 1, the minor feedback h (s) is applied as a digital filter to control the result. It can also be configured by adding to the input u.

以上の電圧源による駆動及びDCモータ11のコイルに流れる電流を検出するハードウエア回路を具備した場合の、図1に示されるディジタル演算器21内部の演算ブロック210の例を図7に示した。この演算ブロック210は、検出した位置と目標値の偏差を2階積分する積分回路211と、その微分をとる微分回路212と、一または数サンプル前までの制御入力 u にそれぞれ適当な制御ゲインf1〜f5をかけて和をとることにより制御入力を決定する制御入力決定回路213と、偏差と電流値と過去の制御入力の履歴から適応的に制御対象のパラメータを同定し、制御ゲインf1〜f5をチューニングする適応同定/適応制御器214と、DCモータ11のコイルインピーダンスを見かけ上変化させるためのコイルインピーダンス変換フィルタ215とから構成される。   FIG. 7 shows an example of the arithmetic block 210 inside the digital arithmetic unit 21 shown in FIG. 1 when the hardware circuit for detecting the current flowing through the coil of the DC motor 11 and the driving by the voltage source is provided. This calculation block 210 includes an integration circuit 211 that performs second-order integration of the deviation between the detected position and the target value, a differentiation circuit 212 that differentiates the difference, and a control gain f1 that is appropriate for the control input u up to one or several samples before. A control input determining circuit 213 for determining a control input by multiplying by ~ f5, and adaptively identifying a parameter to be controlled from the deviation, current value, and past control input history, and controlling gains f1 to f5 Is composed of an adaptive identification / adaptive controller 214 for tuning and a coil impedance conversion filter 215 for apparently changing the coil impedance of the DC motor 11.

制御ゲインf1〜f5は、位置信号と目標値 ref の偏差にかけるゲインf3と、偏差を第一積分器で積分した一階積分値にかけるゲインf2と、一階積分値を積分器で積分した二階積分値にかけるゲインf1と、偏差を微分器で微分した微分値にかけるゲインf4と、ゲインf1乃至f5をかけた出力を遅延回路で遅延された過去入力値にかけるゲインf5である。これらゲインf1〜f5がかけられた値の和が制御入力値 u として出力される。   The control gains f1 to f5 are obtained by integrating the gain f3 applied to the deviation between the position signal and the target value ref, the gain f2 applied to the first-order integral value obtained by integrating the deviation with the first integrator, and the first-order integral value integrated with the integrator. The gain f1 applied to the second order integral value, the gain f4 applied to the differential value obtained by differentiating the deviation by the differentiator, and the gain f5 applied to the past input value delayed by the delay circuit by the output multiplied by the gains f1 to f5. The sum of the values multiplied by these gains f1 to f5 is output as the control input value u.

適応同定・適応制御器214は、制御入力値 u 、AD変換器19からの電流値及び位置検出器13からの位置信号に基づいてゲインf1〜f5をチューニングする。   The adaptive identification / adaptive controller 214 tunes the gains f1 to f5 based on the control input value u, the current value from the AD converter 19 and the position signal from the position detector 13.

コイルインピーダンス変換フィルタ215は、ゲインf6、f7及びf8により構成される。AD変換器19からの電流値にはゲインf6がかけられ、その電流値が演算による遅延(DELAY)の後ゲインf7がかけられ、さらにゲインf6、f7がかけられた電流値が、遅延回路で遅延(DELAY)されてゲインf8がかけられ、これらのゲインf6、f7、f8がかけられた電流値が制御入力値 u に加算される。   The coil impedance conversion filter 215 includes gains f6, f7, and f8. The current value from the AD converter 19 is multiplied by a gain f6, the current value is multiplied by a delay (DELAY) after the calculation, and the gain f7 is further multiplied, and the current value multiplied by the gains f6 and f7 is further obtained by the delay circuit. Delayed (DELAY) is multiplied by a gain f8, and the current value multiplied by these gains f6, f7, f8 is added to the control input value u.

そうして加算された電流値と制御入力値 u の和がDA変換器25に出力され、新たなアナログの制御入力値 u に変換されて電圧ドライバ17に出力される。   The sum of the added current value and control input value u is output to the DA converter 25, converted to a new analog control input value u, and output to the voltage driver 17.

なお、図7において、制御ゲインf1〜f5は公知の制御系アルゴリズムで設定することができる。例えば伝達関数法、極配置法、LQ法、H∞法など多種の方法があり、また中間に状態推定器を入れてもよい。本発明は、いずれの制御方法を使用してもよく、制御方法には限定されない。また、コイルインピーダンス変換フィルタは、もっと次数の大きいフィルタを入れることも可能であるため、系として安定である限り、フィルタの構成について限定されるものではない。   In FIG. 7, the control gains f1 to f5 can be set by a known control system algorithm. For example, there are various methods such as a transfer function method, a pole placement method, an LQ method, and an H∞ method, and a state estimator may be inserted in the middle. The present invention may use any control method and is not limited to the control method. Further, since the coil impedance conversion filter can include a filter having a higher order, the configuration of the filter is not limited as long as it is stable as a system.

本発明は、ハードディスクドライブを始めとする、VCMなどのDC駆動源に用いた位置決め系の制御に特に有用である。   The present invention is particularly useful for controlling a positioning system used for a DC drive source such as a VCM such as a hard disk drive.

本発明の電圧制御装置のハードウエア構成の実施形態をブロックで示す図である。It is a figure which shows the embodiment of the hardware constitutions of the voltage control apparatus of this invention with a block. 図1に示した電圧制御装置の伝達関数を示す図である。It is a figure which shows the transfer function of the voltage control apparatus shown in FIG. 図2の伝達関数に基づき、周波数特性をプロットしたグラフを示す図であって、(A)、(B)、(C)はそれぞれ極極p1と極p2の値を異ならせた場合を示す図である。FIG. 3 is a diagram illustrating a graph in which frequency characteristics are plotted based on the transfer function of FIG. 2, and (A), (B), and (C) are diagrams illustrating cases in which the values of the poles p1 and p2 are different from each other. is there. 本発明の電圧駆動と従来の電流駆動の入出力間伝達関数の周波数とゲインとの関係をグラフで示す図である。It is a figure which shows the relationship between the frequency of the transfer function between input-output of the voltage drive of this invention, and the conventional current drive, and a gain with a graph. (A)、(B)はそれぞれ、本発明の電圧制御装置において制御系の開ループ伝達関数のプロット例を示す図である。(A), (B) is a figure which shows the example of a plot of the open loop transfer function of a control system, respectively in the voltage control apparatus of this invention. 図2に示した伝達関数系にマイナーフィードバックh(s)を加えた伝達関数系の実施形態をブロックで示す図である。It is a figure which shows the embodiment of the transfer function system which added minor feedback h (s) to the transfer function system shown in FIG. 2 with a block. 図1に示したディジタル演算器内部の演算ブロックの実施形態を示す図である。It is a figure which shows embodiment of the calculation block inside the digital arithmetic unit shown in FIG.

符号の説明Explanation of symbols

11 (DC駆動源)DCモータ
13 位置(角度)検出器
15 制御器
17 電圧ドライバ(電圧源)
19 電流検出器(電流センサ)
21 ディジタル演算器
23 AD変換器
27 目標値設定回路
u 制御入力
x 角度出力
v 角速度
i DCモータに流れる電流
g 電圧ドライバと位置角度検出器のゲイン
ref 目標値
R DCモータの抵抗
L DCモータのインダクタンス
K DCモータのトルク定数
J DCモータの慣性モーメント
W トルク外乱
G(s) 伝達関数(制御入力 u から角度出力 x)
S(s) 外乱に対する感度関数(トルク外乱 w から角度出力 x)
11 (DC drive source) DC motor 13 Position (angle) detector 15 Controller 17 Voltage driver (voltage source)
19 Current detector (current sensor)
21 Digital operation unit 23 AD converter 27 Target value setting circuit
u Control input
x Angle output
v Angular velocity
i Current flowing in the DC motor
g Gain of voltage driver and position angle detector
ref target value
R DC motor resistance
L DC motor inductance
K DC motor torque constant
J Moment of inertia of DC motor
W Torque disturbance
G (s) transfer function (control input u to angle output x)
Sensitivity function for S (s) disturbance (torque disturbance w to angle output x)

Claims (14)

アクチュエータのDCモータを電圧駆動する電圧源を制御器により制御する電圧制御方法であって、
上記アクチュエータを、上記DCモータのコイルのインダクタンス、抵抗及び逆起電力を含む伝達関数で表して、この伝達関数により、上記インダクタンス、抵抗および逆起電力のゲインを補償する段階と、
該補償したゲインをかけた制御信号により前記DCモータの電圧駆動源を制御する段階と、を含むことを特徴とするアクチュエータの電圧制御方法。
A voltage control method for controlling a voltage source for voltage driving a DC motor of an actuator by a controller,
The actuator is represented by a transfer function including the inductance, resistance, and counter electromotive force of the coil of the DC motor, and the transfer function compensates the gain of the inductance, resistance, and counter electromotive force,
And a step of controlling a voltage driving source of the DC motor by a control signal multiplied by the compensated gain.
請求項1記載のアクチュエータの電圧制御方法において、上記DCモータのインダクタンス、抵抗及び逆起電力(パラメータ)を上記ゲインの補償を含めて最適化することを特徴とするアクチュエータの電圧制御方法。 2. The actuator voltage control method according to claim 1, wherein the inductance, resistance and back electromotive force (parameter) of the DC motor are optimized including compensation of the gain. 請求項1または2記載のアクチュエータの電圧制御方法において、上記DCモータの状態を検出する段階と、目標設定手段により設定された目標値と上記検出した状態信号との偏差を2階積分する段階と、この2階積分した偏差に、上記補償したゲインを加える段階を含むことを特徴とするアクチュエータの電圧制御方法。 3. The voltage control method for an actuator according to claim 1, wherein the step of detecting the state of the DC motor and the step of second-order integrating the deviation between the target value set by the target setting means and the detected state signal. The voltage control method for an actuator includes a step of adding the compensated gain to the second-order integrated deviation. 請求項3記載のアクチュエータの電圧制御方法において、上記DCモータの状態を検出する段階は、上記DCモータに流れる電流を検出する段階を含み、上記検出した電流値に基づいて上記コイルのインダクタンスと抵抗を推定し、上記各ゲインを修正しつつ適応制御するアクチュエータの電圧制御方法。 4. The voltage control method for an actuator according to claim 3, wherein the step of detecting the state of the DC motor includes a step of detecting a current flowing through the DC motor, and the inductance and resistance of the coil based on the detected current value. A voltage control method for an actuator that performs adaptive control while estimating each gain and correcting each gain. 請求項4記載のアクチュエータの電圧制御方法において、上記検出した電流からマイナーフィードバックを施して、見かけ上の上記コイルのインピーダンスを変化させる段階を含むアクチュエータの電圧制御方法。 5. The voltage control method for an actuator according to claim 4, further comprising a step of changing an apparent impedance of the coil by applying minor feedback from the detected current. 請求項1記載のアクチュエータの電圧制御方法において、上記伝達関数は、上記DCモータの電圧を制御する制御入力を u、DCモータの角度出力を x、角速度を v、DCモータに流れる電流を i、上記電圧駆動源と上記DCモータの状態を検出する状態検出器のゲインをまとめて g とおき、上記制御入力 u から上記角度出力 x への伝達関数G(s)が下記式1で表されるアクチュエータの電圧制御方法。
G(s) = x(s) / u(s)
= g k / [s (k2 + J R s + J L s2)] ・・・式1
(ただし、R はDCモータの抵抗、L はインダクタンス、kはトルク定数、Jは慣性モーメント、wはトルク外乱である。)
2. The voltage control method for an actuator according to claim 1, wherein the transfer function includes u as a control input for controlling the voltage of the DC motor, x as an angular output of the DC motor, v as an angular velocity, and i as a current flowing through the DC motor. The gains of the voltage drive source and the state detector for detecting the state of the DC motor are collectively expressed as g, and the transfer function G (s) from the control input u to the angle output x is expressed by the following equation 1. Actuator voltage control method.
G (s) = x (s) / u (s)
= gk / [s (k 2 + JR s + JL s 2 )] ・ ・ ・ Equation 1
(Where R is the resistance of the DC motor, L is the inductance, k is the torque constant, J is the moment of inertia, and w is the torque disturbance.)
請求項6記載のアクチュエータの電圧制御方法において、トルク外乱 wに対する感度関数S(s)が下記式2で表されるアクチュエータの電圧制御方法。
S(s) = (R + L s) / [s (k2 + J R s + J L s2)] ・・・式2
7. The actuator voltage control method according to claim 6, wherein the sensitivity function S (s) with respect to torque disturbance w is expressed by the following equation (2).
S (s) = (R + L s) / [s (k 2 + JR s + JL s 2 )] Equation 2
請求項7記載のアクチュエータの電圧制御方法において、上記電圧源駆動の感度関数を(R + L s) / [ s (k2 + J R s + J L s2) ]、電流源駆動の感度関数を1 /(J s2)としたときに、これらの比が下記式3で表され、
式3を、ゲインを a、零点を q、極を p1、p2 で下記式5に変形したときに、
極p1、p2が複素極となる領域を使用するアクチュエータの電圧制御方法。
J s (R + L s) / (k2 + J R s + J L s2) ・・・式3
a s (s + q) / [(s + p1)(s + p2)] ・・・式5
In the voltage control method of an actuator according to claim 7, the sensitivity function of the voltage source driving (R + L s) / [ s (k 2 + JR s + JL s 2)], the sensitivity function of the current source driving 1 When expressed as / (J s 2 ), these ratios are expressed by the following formula 3,
When equation 3 is transformed into equation 5 below with gain a, zero point q, poles p1 and p2,
Actuator voltage control method using a region where the poles p1 and p2 are complex poles.
J s (R + L s) / (k 2 + JR s + JL s 2 ) Equation 3
as (s + q) / [(s + p1) (s + p2)] ... Equation 5
請求項7記載のアクチュエータの電圧制御方法において、電流関数i(s)が下記式7で表され、 x、u、i の履歴から R、 L、 g、 k を推定するアクチュエータの電圧制御方法。
i(s) = (g u(s) − k v(s)) / (R + s L) = (g u(s) − k s x(s)) / (R + s L) ・・・式7
8. The voltage control method for an actuator according to claim 7, wherein the current function i (s) is expressed by the following formula 7, and R, L, g, k are estimated from the history of x, u, i.
i (s) = (gu (s) − kv (s)) / (R + s L) = (gu (s) − ksx (s)) / (R + s L) Equation 7
請求項7記載のアクチュエータの電圧制御方法において、角度出力関数x(s)を下記式8で表して、 x、 i、の履歴と上記 k の推定値から w と J を推定するアクチュエータの電圧制御方法。
x(s) = (k i(s) + w(s)) / (J s2) ・・・式8
8. The voltage control method for an actuator according to claim 7, wherein the angle output function x (s) is expressed by the following formula 8, and w and J are estimated from the history of x and i and the estimated value of k. Method.
x (s) = (ki (s) + w (s)) / (J s 2 ) Equation 8
請求項7記載のアクチュエータの電圧制御方法における上記式1の伝達関数G(s)において、制御関数に、DCモータに流れる電流 i から制御入力 u に戻るマイナーフィードバックh(s)を加えて、DCモータ11のコイルインピーダンスを下記式9
により設定したアクチュエータの電圧制御方法。
1 / (R + s L − h(s)) ・・・式9
In the transfer function G (s) of the above equation 1 in the voltage control method for an actuator according to claim 7, a minor feedback h (s) returning from the current i flowing through the DC motor to the control input u is added to the control function. The coil impedance of the motor 11 is expressed by the following formula 9
Actuator voltage control method set by.
1 / (R + s L − h (s)) Equation 9
請求項11記載のアクチュエータの電圧制御方法において、h = Rの場合は、感度関数S(s)が下記式12で表されるアクチュエータの電圧制御方法。
S(s) = 1 /(J s2 + k2/L) ・・・式12
12. The actuator voltage control method according to claim 11, wherein when h = R, the sensitivity function S (s) is expressed by the following equation (12).
S (s) = 1 / (J s 2 + k 2 / L) Equation 12
請求項11記載のアクチュエータの電圧制御方法において、h = R + s L1の場合は、感度関数S(s)が下記式13で表されるアクチュエータの電圧制御方法。
S(s) = 1 / [J s2 + k2/(L - L1)] ・・・式13
(ただし、L1 < L である。)
12. The actuator voltage control method according to claim 11, wherein when h = R + s L1, the sensitivity function S (s) is expressed by the following equation (13).
S (s) = 1 / [J s 2 + k 2 / (L−L1)] Equation 13
(However, L1 <L.)
請求項11記載のアクチュエータの電圧制御方法において、h = -R1の場合は、感度関数S(s)が下記式15で表されるアクチュエータの電圧制御方法。
S(s) = ((R + R1) + L s) / [s (k2 + J (R + R1) s + J L s2)] ・・・式15
(ただし、 L1 < L である。)
12. The actuator voltage control method according to claim 11, wherein when h = −R1, the sensitivity function S (s) is expressed by the following equation 15.
S (s) = ((R + R1) + L s) / [s (k 2 + J (R + R1) s + JL s 2)] ··· Equation 15
(However, L1 <L.)
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