JP2012109026A - 位置制御装置及びこれを用いたデイスク装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】デジタル処理に適した外乱適応制御を行うための位置制御装置及びデイスク装置を提供する。
【解決手段】対象物を位置誤差に従い、目標位置に位置制御するとともに、外乱に応じた外乱適応制御を行う位置制御装置において、外乱の角周波数ωとし、サンプル周期をTとした場合に、位置誤差に基づき、適応則に従い、sinωT又はcosωTを計算し、外乱周波数を推定し、外乱適応制御器の制御変数を変更して、デジタルの外乱適応制御するので、デジタル制御において、外乱の周波数の推定精度を向上でき、外乱適応制御を精度よく実現できる。
【選択図】図5
【解決手段】対象物を位置誤差に従い、目標位置に位置制御するとともに、外乱に応じた外乱適応制御を行う位置制御装置において、外乱の角周波数ωとし、サンプル周期をTとした場合に、位置誤差に基づき、適応則に従い、sinωT又はcosωTを計算し、外乱周波数を推定し、外乱適応制御器の制御変数を変更して、デジタルの外乱適応制御するので、デジタル制御において、外乱の周波数の推定精度を向上でき、外乱適応制御を精度よく実現できる。
【選択図】図5
Description
本発明は、外乱による対象物の位置ずれを抑制するための位置制御装置及びデイスク装
置に関し、特に、未知の外乱周波数による位置ずれを抑制するための位置制御装置及びデ
イスク装置に関する。
置に関し、特に、未知の外乱周波数による位置ずれを抑制するための位置制御装置及びデ
イスク装置に関する。
近年、対象物を高精度で位置制御する装置は、広く利用されている。例えば、回転する記憶媒体(例えば、デイスク媒体)に、ヘッドで、データを記録、再生するデイスク装置では、ヘッドを記憶媒体の所望のトラックに位置決めし、そのトラックに、データをリード/ライトする。このようなディスク装置、例えば、磁気ディスク装置や光ディスク装置において、ヘッドを目標トラックに正確に位置決めすることが、記録密度向上のために極めて重要である。
この位置決めを阻害する要因の1つとして、ディスク上の同心円状のサーボ信号の中心が、モータの回転中心と異なることにより生じる偏心がある。この偏心を補正する技術として、オブザーバを利用した制御方法がある(例えば、特許文献1参照)。
偏心は、回転周波数の整数倍に同期した正弦波状の位置ゆれを発生させる。前記のオブザーバ制御方法は、このような正弦波状の位置揺れを抑圧し、目標トラックに正確に位置決めすることができる。しかしながら、このような偏心補正は、あらかじめ補正する周波数を事前に把握していなければならない。たとえば、回転数の整数倍、1倍や2倍でなければならない。
位置決めを阻害する2つ目の要因として、ディスク装置の外部から加わる振動がある。この振動はさまざまな波形があるが、ここでは、正弦波状の振動に対処する方法について検討する。前記の偏心補正制御を応用することで、回転数の整数倍以外の周波数にも対処することは可能になる。
前記の従来の構成は、外乱の周波数が既知であることを前提としている。ところが、外部振動は、どのような振動が加わるのかは、制御系の設計時点では未知であり、事前にその周波数を把握することはできない。それゆえ、なんらかの未知の周波数の検出手段が必要になり、周波数さえ検出できれば、前述の特許文献1に示したような制御方法を用いて、外部振動による位置ゆれを抑圧する(外部振動に適応追従する)ことが可能になる。
前記の従来の構成は、外乱の周波数が既知であることを前提としている。ところが、外部振動は、どのような振動が加わるのかは、制御系の設計時点では未知であり、事前にその周波数を把握することはできない。それゆえ、なんらかの未知の周波数の検出手段が必要になり、周波数さえ検出できれば、前述の特許文献1に示したような制御方法を用いて、外部振動による位置ゆれを抑圧する(外部振動に適応追従する)ことが可能になる。
図15は、従来の外乱周波数を検出し、所定の周波数の正弦波状の外乱を抑圧し、位置追従するための制御系の構成図である。図15に示すように、目標位置rと現在位置yとの位置誤差eを演算ブロック120で演算し、制御ブロック(Cn)121で制御演算し、制御量Unを計算し、プラント122(例えば、デイスク装置のVCM)を駆動する。デイスク装置では、磁気ヘッドからのサーボ信号を、復調し、プラント122の現在位置yを計算し、演算ブロック120にフィードバックする。
周波数(ω)推定器124は、位置誤差eと外乱抑圧補償器123(Cd)の内部変数を用いて、外部振動の角周波数ωを推定する。補償用テーブル125は、各周波数ωに対応した外部振動抑圧用の補償器123(Cd)の定数を格納する。外乱抑圧補償器123(Cd)は、周波数推定器124の角周波数ωにより、補償用テーブル125から読み出された定数により内部定数を修正し、位置誤差eから外乱抑圧制御量Udを計算する。加算ブロック126は、制御量Unと外乱抑圧制御量Udとを加算して、プラント122に出力する。
このように、従来は、角周波数(外乱周波数)ωを推定し、角周波数ωの値に応じて、補償器Cdの内部定数を修正し、補償器Cdの動作を、広い周波数範囲にわたり、常に最適に保っていた(例えば、特許文献2参照)。
この従来の角周波数ωの推定のために、未知の外乱周波数に適応するため、推定した角周波数ωを逐次修正する。このための適応則は、アナログ制御系で、以下のように導出していた。即ち、周期性外乱を補償する補償器の回転ベクトルを、式(1)の連続系で表現する。
式(1)のz1、z2の時間微分を求めると、下記(2)式が得られる。但し、ωは、時間に対して可変である時間関数である。
式(4)のアナログの補償器の状態方程式を展開し、z1、z2の微分式を求め、z1,z2の微分式を,式(3)に代入すると、次の式(5)が得られる。
一方、近年、このような制御系をデジタル制御、即ち、プロセッサのデータ処理で実行する方式が採用されている。前述の従来技術では、アナログの式を元に、アナログの適応則を導出し、これをデジタルの適応則に変換していた。このため、式(7)をデジタル制御に用いると、デジタルの外乱適応制御で、外乱を良好に抑圧できない(外乱に位置追従できない)という問題が生じる。即ち、推定角周波数ωを直接導出しているが、これは、アナログの式に基づくからである。
従って、本発明の目的は、デジタル処理に適した外乱適応制御を行うための位置制御装置及びデイスク装置を提供することにある。
又、本発明の他の目的は、デジタル処理に適した外乱適応則を利用して、外乱適応制御するための位置制御装置及びデイスク装置を提供することにある。
本発明の更に他の目的は、オブザーバ制御に適した外乱適応制御を行い、より正確に外乱による位置ずれを抑圧するための位置制御装置及びデイスク装置を提供することにある。
この目的の達成のため、本発明は、対象物の位置に応じて、アクチュエータにより、前記対象物を位置制御する位置制御装置において、目標位置と前記対象物の現在位置との位置誤差に応じて、内部制御定数を使用して、外乱適応制御を含む位置制御を、所定のサンプル周期で実行するデジタル制御ブロックと、前記外乱の角周波数ωとし、前記サンプル周期をTとした場合に、sinωT又はcosωTの値に応じた前記内部制御定数を格納するテーブルとを備え、前記デジタル制御ブロックは、前記内部制御定数を使用して、外乱適応制御値を計算する外乱適応制御ブロックと、前記位置誤差と前記外乱適応制御ブロックが使用する内部制御定数とから、適応則に従い、前記外乱のsin成分及びcos成分を用いて前記sinωT又は前記cosωTを計算する周波数推定ブロックと、を有し、前記周波数推定ブロックが計算したsinωT又はcosωTの値に対応する内部制御定数を前記テーブルから読み出し、前記外乱適応制御ブロックが使用する内部制御定数を更新して、前記外乱適応制御を含む位置制御を行う。
又、本発明のデイスク装置は、デイスクから情報を読み取るヘッドと、前記ヘッドを前記デイスクのトラック横断方向に移動するアクチュエータと、目標位置と前記ヘッドの現在位置との位置誤差に応じて、内部制御定数を使用して、外乱適応制御を含む位置制御を、所定のサンプル周期で実行するデジタル制御ブロックと、前記外乱の角周波数ωとし、前記サンプル周期をTとした場合に、sinωT又はcosωTの値に応じた前記内部制御定数を格納するテーブルとを有し、前記デジタル制御ブロックは、前記内部制御定数を使用して、外乱適応制御値を計算する外乱適応制御ブロックと、前記位置誤差と前記外乱適応制御ブロックが使用する内部制御定数とから、適応則に従い、前記外乱のsin成分及びcos成分を用いて前記sinωT又は前記cosωTを計算する周波数推定ブロックと、を有し、前記周波数推定ブロックが計算したsinωT又はcosωTの値に対応する内部制御定数を前記テーブルから読み出し、前記外乱適応制御ブロックが使用する内部制御定数を更新して、前記外乱適応制御を含む位置制御を行う。
更に、本発明では、好ましくは、前記デジタル制御ブロックは、オブザーバ制御により、前記外乱適応制御を含む位置制御を行う。
更に、本発明では、好ましくは、前記デジタル制御ブロックは、前記オブザーバの状態変数と、推定ゲインと、推定位置誤差とから誤差を計算し、前記sinωT又はcosωTに加算して、前記sinωT又はcosωTを逐次更新する。
更に、本発明では、好ましくは、前記デジタル制御ブロックは、前記オブザーバの現サンプルの状態変数と、次のサンプルの状態変数とから誤差を計算し、前記sinωT又はcosωTを逐次更新する。
更に、本発明では、好ましくは、前記デジタル制御ブロックは、前記計算した前記sinωT又はcosωTの値を、所定の範囲に収めるためにクリップする。
更に、本発明では、好ましくは、前記デジタル制御ブロックは、前記位置誤差に応じて、前記アクチュエータの制御値を演算するコントロールブロックと、前記適応則に従い、前記sinωT又は前記cosωTを計算し、前記計算されたsinωT又は前記cosωTの値により、前記テーブルから読み出された内部制御定数を使用して、外乱適応制御値を計算する外乱適応制御ブロックとを有し、前記コントロールブロックの制御値と前記外乱適応制御値とで、前記アクチュエータを駆動する。
更に、本発明では、好ましくは、前記テーブルは、前記推定した前記sinωT又は前記cosωTの値に対応した前記オブザーバの状態推定ゲインを格納し、前記デジタル制御ブロックは、前記内部制御定数として、前記オブザーバの状態推定ゲインを、前記テーブルから読み出された状態推定ゲインで更新する。
更に、本発明では、好ましくは、前記デジタル制御ブロックは、下記式(29)及び(30)を計算して、前記sinωTを求め、又は下記式(31)及び(32)を計算して、前記cosωTを求める。
外乱の角周波数ωとし、前記サンプル周期をTとした場合に、sinωT又はcosωTを計算し、外乱適応制御するので、デジタル制御において、外乱の周波数の推定精度を向上でき、外乱適応制御を精度よく実現できる。
以下、本発明を図面に従い、デイスク装置、位置制御系の第1の実施の形態、位置制御系の第2の実施の形態、位置制御系の第3の実施の形態、位置制御系の第4の実施の形態、位置制御系の第5の実施の形態、他の実施の形態の順で説明するが、本発明は、下記実施の形態に限らず、種々の変形が可能である。
[デイスク装置]
図1は、本発明の一実施の形態のデイスク装置の構成図、図2は、図1の磁気デイスクの位置信号の配置図、図3は、図1及び図2の磁気デイスクの位置信号の構成図、図4は、図1のヘッド位置制御の説明図である。
図1は、本発明の一実施の形態のデイスク装置の構成図、図2は、図1の磁気デイスクの位置信号の配置図、図3は、図1及び図2の磁気デイスクの位置信号の構成図、図4は、図1のヘッド位置制御の説明図である。
図1は、デイスク装置として、磁気デイスク装置を示す。図1に示すように、磁気記憶媒体である磁気デイスク4が、スピンドルモータ5の回転軸2に設けられている。スピンドルモータ5は、磁気デイスク4を回転する。アクチュエータ(VCM)1は、そのアーム先端に磁気ヘッド3を備え、磁気ヘッド3を磁気デイスク4の半径方向に移動する。
アクチュエータ1は、回転軸を中心に回転するボイスコイルモータ(VCM)で構成される。図では、磁気デイスク装置に、2枚の磁気デイスク4が搭載され、4つの磁気ヘッド3が、同一のアクチュエータ1で同時に駆動される。
磁気ヘッド3は、リード素子と、ライト素子とからなる。磁気ヘッド3は、スライダに、磁気抵抗(MR)素子を含むリード素子を積層し、その上にライトコイルを含むライト素子を積層して、構成される。
位置検出回路7は、磁気ヘッド3が読み取った位置信号(アナログ信号)をデジタル信号に変換する。リード/ライト(R/W)回路10は、磁気ヘッド3の読み取り及び書込みを制御する。スピンドルモータ(SPM)駆動回路8は、スピンドルモータ5を駆動する。ボイスコイルモータ(VCM)駆動回路6は、ボイスコイルモータ(VCM)1に駆動電流を供給し、VCM1を駆動する。
マイクロコントローラ(MCU)14は、位置検出回路7からのデジタル位置信号から現在位置を検出(復調)し、検出した現在位置と目標位置との誤差に従い、VCM駆動指令値を演算する。即ち、位置復調とサーボ制御を行う。リードオンリーメモリ(ROM)13は、MCU14の制御プログラム等を格納する。ランダムアクセスメモリ(RAM)12は、MCU14の処理のためのデータ等を格納する。
ハードデイスクコントローラ(HDC)11は、サーボ信号のセクタ番号を基準にして,1周内の位置を判断し,データを記録・再生する。バッファ用ランダムアクセスメモリ(RAM)15は、リードデータやライトデータを一時格納する。HDC11は、USB,ATAやSCSI等のインターフェイスIFで、ホストと通信する。バス9は、これらを接続する。
図2に示すように、磁気デイスク4には、外周から内周に渡り、各トラックにサーボ信号(位置信号)16が、円周方向に等間隔に配置される。尚、各トラックは、複数のセクタで構成され、図2の実線は、サーボ信号16の記録位置を示す。図3に示すように、位置信号は,サーボマークServo Markと、トラック番号Gray Codeと、インデックスIndexと、オフセット情報(サーボバースト)PosA,PosB,PosC,PosDとからなる。尚、図3の点線は、トラックセンターを示す。
図3に示すトラック番号Gray Codeとオフセット情報PosA,PosB,PosC,PosDを使い,磁気ヘッドの半径方向の位置を検出する。さらに、インデックス信号Indexを元にして,磁気ヘッドの円周方向の位置を把握する。
例えば,インデックス信号を検出したときのセクタ番号を0番に設定し、サーボ信号を検出する毎に、カウントアップして、トラックの各セクタのセクタ番号を得る。このサーボ信号のセクタ番号は,データの記録再生を行うときの基準となる。尚、インデックス信号は、1周に1つである、又、インデックス信号の代わりに、セクタ番号を設けることもできる。
図4は、図1のMCU14が行うアクチュエータのシーク制御例である。図1の位置検出回路7を通じて、MCU14が、アクチュエータの位置を確認して,サーボ演算し、適切な電流をVCM1に供給する。図4では、あるトラック位置から目標トラック位置へヘッド3を移動するシーク開始時からの制御の遷移と、アクチュエータ1の電流、アクチュエータ(ヘッド)の速度、アクチュエータ(ヘッド)の位置を示す。
即ち、シーク制御は、コアース制御、整定制御及びフォローイング制御と遷移することで,目標位置まで移動させることができる。コアース制御は、基本的に速度制御であり、整定制御、フォローイング制御は、基本的に位置制御であり、いずれも、ヘッドの現在位置を検出する必要がある。
このような,位置を確認するためには,前述の図2のように、磁気デイスク上にサーボ信号を事前に記録しておく。即ち、図3に示したように、サーボ信号の開始位置を示すサーボマーク,トラック番号を表すグレイコード,インデックス信号,オフセットを示すPosA〜PosDといった信号が記録されている。この信号を磁気ヘッドで読み出し、このサーボ信号を、位置検出回路7が、デジタル値に変換する。
[位置制御系の第1の実施の形態]
図5は、本発明の位置制御系(サーボ制御系)の第1の実施の形態のブロック図、図6は、図5の振動周波数と推定値sin(ωT)との関係図、図7は、図5の振動周波数と推定値cos(ωT)との関係図である。
図5は、本発明の位置制御系(サーボ制御系)の第1の実施の形態のブロック図、図6は、図5の振動周波数と推定値sin(ωT)との関係図、図7は、図5の振動周波数と推定値cos(ωT)との関係図である。
図5は、MCU14が実行するサーボ制御系の演算ブロック図である。即ち、目標位置rと現在位置yとの位置誤差eを演算ブロック20で演算し、制御ブロック(Cn)21に入力する。制御ブロック(Cn)21は、位置誤差eに従い、制御演算し、制御量Unを計算し、プラント22であるVCM1、3を駆動する。プラントの位置は、磁気ヘッド3からのサーボ信号を、復調し、現在位置yを計算し、演算ブロック20にフィードバックする。
周波数推定器24は、位置誤差eと外乱抑圧補償器23(Cd)の内部変数を用いて、外部振動の角周波数ωのsin(ωT)を推定する。補償用テーブル25は、角周波数ωのsin(ωT)に対応した外部振動抑圧用の補償器23(Cd)の定数を格納する。
外乱抑圧補償器23(Cd)は、周波数推定器24の角周波数ωのsin(ωT)により、補償用テーブル25から読み出された定数により内部定数を修正し、位置誤差eから外乱抑圧制御量Udを計算する。加算ブロック26は、制御量Unと外乱抑圧制御量Udとを加算して、プラント22に出力する。外乱抑圧制御量とは、外乱に対し、デイスクとヘッドとの位置関係がずれないように制御するための制御量であり、外乱が印加されると、通常ヘッドの位置ずれが生じるため、ヘッドを駆動するVCMの駆動値を適応制御する。
ここで、本発明では、周波数推定器24は、sin(ωT)を導出している。この理由を説明する。制御ブロック21、補償器23、周波数推定器24を、オブザーバで構成した制御系で説明する。先ず、予測オブザーバの適応則を説明する。
予測オブザーバでの補償器23は、下記式(8)で表される。尚、式(8)において、z1は、外乱のsin成分、z2は、外乱のcos成分、L4,L5は、入力ゲイン、eは、位置誤差である。
次に、現在オブザーバの適応則を説明する。現在オブザーバは、デジタル制御において、予測オブザーバより広く利用されている。
現在オブザーバでの補償器23は、下記式(16)で表される。尚、式(16)において、z1は、外乱のsin成分、z2は、外乱のcos成分、L4,L5は、入力ゲイン、eは、位置誤差である。
一方、本願は、振動周波数を、sin(ωT)で推定しているため、デジタル制御において、正確に振動周波数を推定でき、振動周波数成分に適応する位置制御が実現できる。
又、デジタル制御において、sin(ωT)を、振動周波数fの推定値に使用することは、デジタル制御のサンプリング周波数をFsとすると、次式(28)の周波数を推定することになる。
又、図7は、振動周波数と推定値cos(ωT)との関係図である。図7に示すように、cos(ωT)を推定値に用いる場合には、0からFs/2の範囲で、単調減少の特性が得られる。従って、sin(ωT)の推定の場合に、生じていたFs/4の上限の制約はない。
一方、cos(ωT)を利用すると、低周波数領域では、カーブが平坦近くなり、周波数の推定精度が劣化する。例えば、12kHzのサンプル周波数の場合には、500Hz程度の低周波数領域までは、カーブが平坦であり、推定精度が低下する。
従って、低い周波数側の推定精度を重要視する場合には、sin(ωT)の推定式を使用し、高い周波数側の推定精度を重要視する場合には、cos(ωT)の推定を行うことが望ましい。
更に、デイスク装置の使用形態では、外部振動が、通常、低い周波数側で問題になることが多い。例えば、数100Hz程度の外部振動が、外部から加わることが多い。そのため、デイスク装置では、低い周波数の振動を精度よく推定できるsin(ωT)推定式を利用することが、都合が良い。
次に、図5のsin(ωT)(又は、cos(ωT))推定器24は、次のように、sin(ωT)又はcos(ωT)を推定して、適応制御する。
第1の適応制御は、正しく、推定できて、制御系が外乱周波数を抑圧できれば、式(24)又は式(27)のe[k]は、「0」になるので、式(24)、式(27)の右辺第2項は、「0」となるはずである。
そこで、sin(ωT)推定の場合には、式(24)の右辺第2項E[k]を,次式(29)で計算する。
第2の適応制御の計算方法を説明する。固定小数点方式のプロセッサを使用する場合には、桁数が限られる。上記の、z1[k+1],z2[k+1],e[k],L4,L5の5つの値を利用する場合に、z1[k+1],z2[k+1]の値と,e[k],L4,L5の値との桁が相違する。そこで、限られた桁数を有効に利用するため、以下の手順で、計算する。
sin(ωT)推定の場合には、式(24)の右辺第1項G[k]を,次式(33)で計算する。
次に、図5で示した補償器23は、オブザーバで構成され、下記式(39)により、外乱抑圧制御量(電流)Udist(又は、Ud)を計算する。
従って、サンプル毎に、sinωT(cosωT)演算器24で計算されたsinωT(cosωT)に対応するL4、L5、cosωT又はsinωTの値が、テーブル25から読み出され、補償器23にセットされる。補償器23は、セットされた制御定数と、位置誤差から、式(39)を計算し、外部抑圧制御量Udistを計算し、加算ブロック26に出力する。
このようにして、デイタル位置制御系において、外乱周波数に適応した位置制御を行う場合に、外乱周波数を精度良く推定し、外乱周波数に適応した位置制御が可能となる。
[位置制御系の第2の実施の形態]
図8は、本発明の第2の実施の形態の位置制御系のブロック図、図9は、図8の制御定数テーブルの説明図である。図8において、コントローラ21、補償器23を、一体の現在オブザーバで構成した例である。又、sinωT演算部24を、第1の適応制御の計算方法を適用した例である。
図8は、本発明の第2の実施の形態の位置制御系のブロック図、図9は、図8の制御定数テーブルの説明図である。図8において、コントローラ21、補償器23を、一体の現在オブザーバで構成した例である。又、sinωT演算部24を、第1の適応制御の計算方法を適用した例である。
図8の位置制御系は、外乱周波数を検出し、外乱を適応制御により、抑圧するため、下記式(40)、(41)、(42)で示される外乱抑圧を行う現在オブザーバである。
即ち、この実施の形態は、コントローラのモデルと外乱モデルを含むオブザーバによる位置制御系の例である。図8において、図5で示したものと同一のものは、同一の記号で示してある。
図8において、第1の演算ブロック20は、ヘッド3(図1参照)が読み取った前述のサーボ情報を復調して得た観測位置y[k]から目標位置rを差し引き、実位置誤差er[k]を演算する。
第2の演算ブロック32は、実位置誤差er[k]からオブザーバの推定位置x[k]を差し引き、推定位置誤差e[k]を演算する。状態推定ブロック34は、この推定位置誤差e[k]と、内部変数である式(40)の推定ゲインL(L1,L2、L3,L4,L5)を用いて、推定修正値(式(40)の右辺第2項)を、演算する。
そして、加算ブロック36は、この推定修正値と、遅延ブロック46から状態量(式(40)の右辺第1項)x[k],v[k]、b[k],z1[k],z2[k]とを加算し、式(40)のように、推定位置x[k],推定速度v[k]、推定バイアス値b[k],推定外乱抑圧値z1[k],z2[k]を得る。尚、式(40)では、推定位置誤差e[k]を、(y[k]−x[k])で表示する。
この推定値は、第4の演算ブロック38で、状態フィードバックゲイン(一Fa=F1,F2,F3,F4,F5)を乗算され、式(41)のように、アクチュエータ1の駆動値u[k]を得る。一方、加算ブロック36からの式(40)の推定値は、第5の演算ブロック42で、推定ゲインAa(式(42)の右辺第1項の行列)を乗じられる。
第4の演算ブロック38の駆動値u[k]は、第6の演算ブロック40で、推定ゲインB(式(42)の右辺第2項のu[k]に乗じる値)を乗じられる。両乗算結果は、加算ブロック44で、加算され、式(42)の次のサンプルの推定状態量x[k+1],v[k+1]、b[k+1],z1[k+1],z2[k+1]を得る。
この次のサンプルの推定状態量は、前述のように、遅延ブロック46に入力し、状態推定ブロック34で、推定修正値で、修正される。そして、加算ブロック36からの式(41)の推定値は、第7の演算ブロック48で、推定位置x[k]が取り出され、前述の第2の演算ブロック32に入力する。
この現在オブザーバに、周波数推定器24と、制御定数テーブル25とを付与する。周波数推定器24は、sinωTの第1の適応則である式(29)、(30)を演算し、sin(ωT)を計算する。即ち、周波数推定器24では、推定誤差(E[k])演算器24−1が、推定位置誤差e[k]、推定状態量z1[k+1],z2[k+1]、推定ゲインL4,L5を受け、式(29)を計算し、推定誤差E[k]を出力する。
ゲイン乗算器24−2は、推定誤差E[k]にゲインKを乗算し、式(30)の右辺第2項を計算する。加算器24−4は、遅延ブロック24−3からの1サンプル前のsin(ω[k]T)と、ゲイン乗算器24−2の出力とを加算し、式(30)のsin(ω[k+1]T)を出力する。このsin(ω[k+1]T)は、遅延ブロック24−3で1サンプル遅延され、加算器24−4に入力する。
周波数推定器24の出力sin(ω[k+1]T)は、制御定数テーブル25に入力する。図9に示すように、制御定数テーブル25は、推定値sinωTに対応する、推定ゲインL1、L2,L3,L4,L5、cosωTの値を格納する。sinωTは、図6で説明したように、0〜Fs/4までを使用するため、図9のテーブルは、33個のsinωTの値を、0〜Fs/4の範囲に割り振る。
そして、制御定数テーブル25は、推定値sinωTに対応する推定ゲインL、cosωTを、引き出し、且つブロック34,42に設定する。これにより、ブロック34の式(40)の推定ゲインL1〜L5、ブロック42の式(42)の制御定数a11〜a22(=cosωT又はsinωT)が更新され、オブザーバの外乱抑圧特性を、外乱周波数に応じて、変更する。
このように、現在オブザーバで構成すると、設計が容易であり、且つ外乱抑圧機能を容易に設定できる。又、周波数推定器24が、cosωTを推定する場合にも、同様の構成で実現できる。
図10は、図8の周波数推定器24の他の実施の形態のブロック図である。図10において、図8で示したものと同一のものは、同一の記号で示してある。
前述のように、0〜Fs/4の周波数の範囲に対応するsinωTの値は、0〜1である。従って、推定したsinωTの値は、常に0から1の範囲に制限する必要がある。この実施の形態は、加算ブロック24−4の出力を、0から1の範囲に制限するクリップブロック24−5を設けたものである。
クリップブロック(飽和処理ブロック)24−5は、入力されたsinωTが、「0」より小さい場合は、「0」に、「1」より大きい場合は、「1」に制限する。このため、状態変数からsinωTを推定しても、図6の周波数範囲の外乱周波数成分を得ることができる。
又、cosωTを推定する場合には、図7のように、クリップ範囲を、「−1」〜「+1」に制限することにより、同様の作用効果を奏する。
[位置制御系の第3の実施の形態]
図11は、本発明の第3の実施の形態の位置制御系のブロック図である。図11において、コントローラ21、補償器23を、一体の現在オブザーバで構成した例である。又、sinωT演算部24Aに、第2の適応制御の計算方法を適用した例である。
図11は、本発明の第3の実施の形態の位置制御系のブロック図である。図11において、コントローラ21、補償器23を、一体の現在オブザーバで構成した例である。又、sinωT演算部24Aに、第2の適応制御の計算方法を適用した例である。
図11において、図8で示したものと同一のものは、同一の記号で示してある。図11の位置制御系は、図8と同様に、外乱周波数を検出し、外乱を適応制御により、抑圧するため、前述の式(40)、(41)、(42)で示されるバイアス補償を含む現在オブザーバである。従って、現在オブザーバ21,23,26の説明は、省略する。
図11に示すように、この現在オブザーバに、周波数推定器24Aと、制御定数テーブル25とを付与する。周波数推定器24は、sinωTの第2の適応則である式(33)乃至式(35)を演算し、sin(ωT)を計算する。即ち、周波数推定器24Aでは、推定誤差(G[k])演算器24−6が、推定状態量z1[k],z1[k+1],z2[k],z2[k+1]を受け、式(33)を計算し、第1の推定誤差G[k]を出力する。
第1の演算ブロック24−7は、第1の推定誤差G[k]から、遅延ブロック24−9からの1サンプル前のsin(ω[k]T)を引き、式(34)の第2の推定誤差E[k]を出力する。
ゲイン乗算器24−8は、第2の推定誤差E[k]にゲインKを乗算し、式(35)の右辺第2項を計算する。加算器24−10は、遅延ブロック24−9からの1サンプル前のsin(ω[k]T)と、ゲイン乗算器24−8の出力とを加算し、式(35)のsin(ω[k+1]T)を出力する。このsin(ω[k+1]T)は、遅延ブロック24−9で1サンプル遅延され、演算ブロック24−7、加算器24−10に入力する。
周波数推定器24Aの出力sin(ω[k+1]T)は、制御定数テーブル25に入力する。制御定数テーブル25は、図9で示したように、推定値sinωTに対応する、推定ゲインL1、L2,L3,L4,L5、cosωTの値を格納する。sinωTは、図6で説明したように、0〜Fs/4までを使用するため、図9のテーブルは、33個のsinωTの値を、0〜Fs/4の範囲に割り振る。
そして、制御定数テーブル25は、推定値sinωTに対応する推定ゲインL、cosωTを、引き出し、且つブロック34,42に設定する。これにより、ブロック34の式(40)の推定ゲインL1〜L5、ブロック42の式(42)の制御定数a11〜a22(=cosωT又はsinωT)が更新され、オブザーバの外乱抑圧特性を、外乱周波数に応じて、変更する。
このように、現在オブザーバで構成すると、設計が容易であり、且つ外乱抑圧機能を容易に設定できる。又、第2の適応式を用いているので、入力の桁数に差異がなく、固定小数点方式のプロセッサでも、精度良く、計算できる。更に、周波数推定器24Aが、cosωTを推定する場合にも、同様の構成で、式(36)〜式(38)を計算できる。
図12は、図11の周波数推定器24Aの他の実施の形態のブロック図である。図12において、図8、図10、図11で示したものと同一のものは、同一の記号で示してある。
前述のように、0〜Fs/4の周波数の範囲に対応するsinωTの値は、0〜1である。従って、推定したsinωTの値は、常に0から1の範囲に制限する必要がある。この実施の形態は、図11の構成に対し、加算ブロック24−10の出力を、0から1の範囲に制限するクリップブロック24−11を設けたものである。
クリップブロック(飽和処理ブロック)24−11は、入力されたsinωTが、「0」より小さい場合は、「0」に、「1」より大きい場合は、「1」に制限する。このため、状態変数からsinωTを推定しても、図6の周波数範囲の外乱周波数成分を得ることができる。
又、cosωTを推定する場合には、図7のように、クリップ範囲を、「−1」〜「+1」に制限することにより、同様の作用効果を奏する。
[位置制御系の第4の実施の形態]
図13は、本発明の第4の実施の形態の位置制御系のブロック図である。図13は、コントローラ21と、補償器23を、分離した現在オブザーバで構成した例である。又、sinωT演算部24に、第1の適応制御の計算方法を適用した例である。
図13は、本発明の第4の実施の形態の位置制御系のブロック図である。図13は、コントローラ21と、補償器23を、分離した現在オブザーバで構成した例である。又、sinωT演算部24に、第1の適応制御の計算方法を適用した例である。
図13の位置制御系は、外乱周波数を検出し、外乱を適応制御により、抑圧するため、下記式(43)、(44)、(45)、(46)、(47)で示される外乱抑圧を行う現在オブザーバである。
即ち、この実施の形態は、コントローラのモデルと外乱モデルを含むオブザーバによる位置制御系の例である。図13において、図5、図8、図11で示したものと同一のものは、同一の記号で示してある。
図13において、第1の演算ブロック20は、ヘッド3(図1参照)が読み取った前述のサーボ情報を復調して得た観測位置y[k]から目標位置rを差し引き、実位置誤差er[k]を演算する。
第2の演算ブロック32は、実位置誤差er[k]からオブザーバの推定位置x[k]を差し引き、推定位置誤差e[k]を演算する。状態推定ブロック34−1は、この推定位置誤差e[k]と、内部変数である式(43)の推定ゲインL(L1,L2)を用いて、推定修正値(式(43)の右辺第2項)を、演算する。
そして、加算ブロック36−1は、この推定修正値と、遅延ブロック46−1から状態量(式(40)の右辺第1項)x[k],v[k]とを加算し、式(43)のように、推定位置x[k],推定速度v[k]を得る。尚、式(43)では、推定位置誤差e[k]を、(y[k]−x[k])で表示する。
この推定値は、第4の演算ブロック38−1で、状態フィードバックゲイン(一Fa=F1,F2)を乗算され、式(44)のように、アクチュエータ1の駆動値u[k]を得る。一方、加算ブロック36−1からの式(43)の推定値は、第5の演算ブロック42−1で、推定ゲインAa(式(46)の右辺第1項の行列)を乗じられる。
第4の演算ブロック38−1の駆動値u[k]は、第6の演算ブロック40で、推定ゲインB(式(46)の右辺第2項のu[k]に乗じる値)を乗じられる。両乗算結果は、加算ブロック44で、加算され、式(46)の次のサンプルの推定状態量x[k+1],v[k+1]を得る。
この次のサンプルの推定状態量は、前述のように、遅延ブロック46−1に入力し、状態推定ブロック34−1の推定修正値で、修正される。そして、加算ブロック36−1からの式(46)の推定値は、第5の演算ブロック48で、推定位置x[k]が取り出され、前述の第2の演算ブロック32に入力する。
同様に、外乱モデルにおいても、第2の状態推定ブロック34−2は、この推定位置誤差e[k]と、内部変数である式(43)の推定ゲインLd1(L3、L4,L5)を用いて、推定修正値(式(43)の右辺第2項)を、演算する。
そして、第2の加算ブロック36−2は、この推定修正値と、第2の遅延ブロック46−2から状態量(式(40)の右辺第1項)b[k],z1[k],z2[k]とを加算し、式(43)のように、推定バイアスb[k],推定外乱量z1[k],z2[k]を得る。
この推定値は、第6の演算ブロック38−2で、状態フィードバックゲイン(一Fd1=F3、F4,F5)を乗算され、式(45)のように、アクチュエータ1の外乱抑圧駆動値ud[k]を得る。一方、第2の加算ブロック36−2からの式(43)の推定値は、第7の演算ブロック42−2で、推定ゲインAd1(式(47)の右辺の行列)を乗じられる。
第8の演算ブロック50は、第5の演算ブロック38−2の駆動値ud[k]と、第4の演算ブロック38−1の駆動値u[k]とを加算し、アクチュエータの駆動値u[k]を出力する。
この例でも、この現在オブザーバに、周波数推定器24と、制御定数テーブル25とを付与する。周波数推定器24は、図8、図10で説明したものである。又、制御定数テーブル25は、図9で説明したものである。
そして、制御定数テーブル25は、推定値sinωTに対応する推定ゲインL1、L2を、状態推定ブロック34−1に、推定ゲインL3,L4,L5,cosωTを、ブロック34−2,42−2に設定する。これにより、ブロック34−1,34−2の式(43)の推定ゲインL1〜L5、ブロック42−2の式(47)の制御定数a11〜a22(=cosωT又はsinωT)が更新され、オブザーバの外乱抑圧特性を、外乱周波数に応じて、変更する。
このように、外乱モデルを分離した現在オブザーバで構成すると、外乱モデルの設計が容易であり、且つ外乱抑圧機能を容易に設定できる。又、周波数推定器24が、cosωTを推定する場合にも、同様の構成で実現できる。
[位置制御系の第5の実施の形態]
図14は、本発明の第5の実施の形態の位置制御系のブロック図である。図14は、コントローラ21と、補償器23を、分離した現在オブザーバで構成した例である。又、sinωT演算部24Aに、第2の適応制御の計算方法を適用した例である。
図14は、本発明の第5の実施の形態の位置制御系のブロック図である。図14は、コントローラ21と、補償器23を、分離した現在オブザーバで構成した例である。又、sinωT演算部24Aに、第2の適応制御の計算方法を適用した例である。
図14において、図11、図13で示したものと同一のものは、同一の記号で示してある。図14の位置制御系は、外乱周波数を検出し、外乱を適応制御により、抑圧するため、前述の式(43)、(44)、(45)、(46)、(47)で示される外乱抑圧を行う現在オブザーバである。
即ち、この実施の形態は、図13と同様に、コントローラのモデルと外乱モデルを含むオブザーバによる位置制御系の例である。従って、オブザーバの説明は、省略する。
この例でも、この現在オブザーバに、周波数推定器24Aと、制御定数テーブル25とを付与する。周波数推定器24Aは、図11、図12で説明したものである。又、制御定数テーブル25は、図9で説明したものである。
そして、制御定数テーブル25は、推定値sinωTに対応する推定ゲインL1、L2を、状態推定ブロック34−1に、推定ゲインL3,L4,L5,cosωTを、ブロック34−2,42−2に設定する。これにより、ブロック34−1,34−2の式(43)の推定ゲインL1〜L5、ブロック42−2の式(47)の制御定数a11〜a22(=cosωT又はsinωT)が更新され、オブザーバの外乱抑圧特性を、外乱周波数に応じて、変更する。
このように、外乱モデルを分離した現在オブザーバで構成すると、外乱モデルの設計が容易であり、且つ外乱抑圧機能を容易に設定できる。又、周波数推定器24が、cosωTを推定する場合にも、同様の構成で実現できる。
[他の実施の形態]
以上の説明では、補償器23に、オブザーバの構成で説明した。しかしながら、図5の補償器23にフィルタを使用する場合にも、適用できる。以下に、その適応則を説明する。先ず、フィルタを使用する場合には、入力ゲインLを補正するフィルタを使用し、元となる式は、式(8)以下の予測オブザーバの式と同じである。
以上の説明では、補償器23に、オブザーバの構成で説明した。しかしながら、図5の補償器23にフィルタを使用する場合にも、適用できる。以下に、その適応則を説明する。先ず、フィルタを使用する場合には、入力ゲインLを補正するフィルタを使用し、元となる式は、式(8)以下の予測オブザーバの式と同じである。
式(10)の上側に、z2[k]を掛け、下側に、−z1[k]を掛けると、下記式(48)が得られる。
式(48)の上下の和をとると、下記式(49)が得られる。
一方、cosωTの推定を説明する。
式(10)の上側に、z1[k]を掛け、下側に、z2[k]を掛けると、下記式(51)が得られる。
式(51)の上下の和をとると、下記式(52)が得られる。
以上のように、フィルタで構成した場合には、sin,cosとも、分母のz1[k],z2[k]が、現在オブザーバの式とは、異なる。又、式(50)、(53)の右辺第2項の分子も、同じく、z1[k],z2[k]となる点が、現在オブザーバの式とは、異なる。
又、ヘッドの位置制御装置で、説明したが、他の位置制御装置にも適用できる。同様に、デイスク装置を磁気デイスク装置で説明したが、他のデータ記憶装置にも適用できる。
外乱の角周波数ωとし、前記サンプル周期をTとした場合に、sinωT又はcosωTを計算し、外乱適応制御するので、デジタル制御において、外乱の周波数の推定精度を向上でき、外乱適応制御を精度よく実現できる。このため、高精度の位置制御が要求される装置の、外乱による位置ずれを抑制することができる。
1 アクチュエータ
2 スピンドルモータの回転軸
3 ヘッド
4 ディスク
5 スピンドルモータ
6 アクチュエータのVCM駆動回路
7 位置復調回路
8 スピンドルモータの駆動回路
9 バス
10 データの記録再生回路
11 ハードディスクコントローラ
12 MCUのRAM
13 MCUのROM
14 マイクロコントローラユニット(MCU)
15 ハードディスクコントローラのRAM
16 位置信号
20 位置誤差計算ブロック
21 コントローラ
22 プラント(ヘッド、アクチュエータ)
23 外乱抑圧補償器
24 sinωT推定ブロック
25 テーブル(定数補正ブロック)
26 加算ブロック
2 スピンドルモータの回転軸
3 ヘッド
4 ディスク
5 スピンドルモータ
6 アクチュエータのVCM駆動回路
7 位置復調回路
8 スピンドルモータの駆動回路
9 バス
10 データの記録再生回路
11 ハードディスクコントローラ
12 MCUのRAM
13 MCUのROM
14 マイクロコントローラユニット(MCU)
15 ハードディスクコントローラのRAM
16 位置信号
20 位置誤差計算ブロック
21 コントローラ
22 プラント(ヘッド、アクチュエータ)
23 外乱抑圧補償器
24 sinωT推定ブロック
25 テーブル(定数補正ブロック)
26 加算ブロック
Claims (18)
- 対象物の位置に応じて、アクチュエータにより、前記対象物を位置制御する位置制御装置において、
目標位置と前記対象物の現在位置との位置誤差に応じて、内部制御定数を使用して、外乱適応制御を含む位置制御を、所定のサンプル周期で実行するデジタル制御ブロックと、前記外乱の角周波数ωとし、前記サンプル周期をTとした場合に、sinωT又はcosωTの値に応じた前記内部制御定数を格納するテーブルとを備え、
前記デジタル制御ブロックは、前記内部制御定数を使用して、外乱適応制御値を計算する外乱適応制御ブロックと、前記位置誤差と前記外乱適応制御ブロックが使用する内部制御定数とから、適応則に従い、前記外乱のsin成分及びcos成分を用いて前記sinωT又は前記cosωTを計算する周波数推定ブロックと、を有し、前記周波数推定ブロックが計算したsinωT又はcosωTの値に対応する内部制御定数を前記テーブルから読み出し、前記外乱適応制御ブロックが使用する内部制御定数を更新して、前記外乱適応制御を含む位置制御を行う位置制御装置。 - 前記デジタル制御ブロックは、オブザーバ制御により、前記外乱適応制御を含む位置制御を行う
請求項1に記載の位置制御装置。 - 前記デジタル制御ブロックは、前記オブザーバの状態変数と、推定ゲインと、推定位置誤差とから誤差を計算し、前記sinωT又はcosωTに加算して、前記sinωT又はcosωTを逐次更新する
請求項2に記載の位置制御装置。 - 前記デジタル制御ブロックは、前記オブザーバの現サンプルの状態変数と、次のサンプルの状態変数とから誤差を計算し、前記sinωT又はcosωTを逐次更新する
請求項2に記載の位置制御装置。 - 前記デジタル制御ブロックは、前記計算した前記sinωT又はcosωTの値を、所定の範囲に収めるためにクリップする
請求項1に記載の位置制御装置。 - 前記デジタル制御ブロックは、
前記位置誤差に応じて、前記アクチュエータの制御値を演算するコントロールブロックを有し、
前記コントロールブロックの制御値と前記外乱適応制御値とで、前記アクチュエータを駆動する
請求項1に記載の位置制御装置。 - 前記テーブルは、前記推定した前記sinωT又は前記cosωTの値に対応した前記オブザーバの状態推定ゲインを格納し、
前記デジタル制御ブロックは、前記内部制御定数として、前記オブザーバの状態推定ゲインを、前記テーブルから読み出された状態推定ゲインで更新する
請求項2に記載の位置制御装置。 - デイスクから情報を読み取るヘッドと、
前記ヘッドを前記デイスクのトラック横断方向に移動するアクチュエータと、
目標位置と前記ヘッドの現在位置との位置誤差に応じて、内部制御定数を使用して、外乱適応制御を含む位置制御を、所定のサンプル周期で実行するデジタル制御ブロックと、
前記外乱の角周波数ωとし、前記サンプル周期をTとした場合に、sinωT又はcosωTの値に応じた前記内部制御定数を格納するテーブルとを有し、
前記デジタル制御ブロックは、前記内部制御定数を使用して、外乱適応制御値を計算する外乱適応制御ブロックと、前記位置誤差と前記外乱適応制御ブロックが使用する内部制御定数とから、適応則に従い、前記外乱のsin成分及びcos成分を用いて前記sinωT又は前記cosωTを計算する周波数推定ブロックと、を有し、前記周波数推定ブロックが計算したsinωT又はcosωTの値に対応する内部制御定数を前記テーブルから読み出し、前記外乱適応制御ブロックが使用する内部制御定数を更新して、前記外乱適応制御を含む位置制御を行うデイスク装置。 - 前記デジタル制御ブロックは、オブザーバ制御により、前記外乱適応制御を含む位置制御を行う
請求項10に記載のデイスク装置。 - 前記デジタル制御ブロックは、前記オブザーバの状態変数と、推定ゲインと、推定位置誤差とから誤差を計算し、前記sinωT又はcosωTに加算して、前記sinωT又はcosωTを逐次更新する
請求項11に記載のデイスク装置。 - 前記デジタル制御ブロックは、前記オブザーバの現サンプルの状態変数と、次のサンプルの状態変数とから誤差を計算し、前記sinωT又はcosωTを逐次更新する
請求項11に記載のデイスク装置。 - 前記デジタル制御ブロックは、前記計算した前記sinωT又はcosωTの値を、所定の範囲に収めるためにクリップする
請求項10に記載のデイスク装置。 - 前記デジタル制御ブロックは、
前記位置誤差に応じて、前記アクチュエータの制御値を演算するコントロールブロックを有し、
前記コントロールブロックの制御値と前記外乱適応制御値とで、前記アクチュエータを駆動する
請求項10に記載のデイスク装置。 - 前記テーブルは、前記推定した前記sinωT又は前記cosωTの値に対応した前記オブザーバの状態推定ゲインを格納し、
前記デジタル制御ブロックは、前記内部制御定数として、前記オブザーバの状態推定ゲインを、前記テーブルから読み出された状態推定ゲインで更新する
請求項11に記載のデイスク装置。
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Legal Events
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