JP3162828B2 - サーボ制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明はサーボ制御装置に関
し、特に光ディスク装置に用いるインダクタンス分を含
む駆動手段を制御する閉ループ制御のサーボ制御装置に
関する。

【０００２】

【従来の技術】既に情報が記録されているＣＤ（コンパ
クト・ディスク）やＬＤ（レーザ・ディスク）等の光デ
ィスクを用いる再生専用光ディスク装置、或いは情報の
記録及び再生が可能な光ディスクや光磁気ディスクを用
いる情報記録再生用光ディスク装置は、その記憶容量と
記録密度の大きさ、データ転送の高速性、ランダムアク
セスが可能であること、低コストで装置が小型である等
の理由から広く使用されている。

【０００３】しかしながら、ランダムアクセスを行なう
ためには、情報の記録／再生を行なう光ピックアップが
光ディスクの半径方向に高速移動して、目的とする（記
録）トラックを探し当てる必要がある。また、高速回転
する光ディスクの偏心によるトラックの搖動を追尾する
トラッキング系や、光ディスクのそり等による面の上下
動を補正するフォーカシング系等、各所に応動特性の速
いサーボ制御装置が使われている。

【０００４】例えばフォーカシング系の場合、図８に示
すように、面の上下動に合せて対物レンズを駆動するム
ービングコイル型のアクチュエータ８を制御するサーボ
制御装置の従来例は、アナログの減算器１，Ａ／Ｄコン
バータ２と、位相補正フィルタ４の特性に応じたデジタ
ル演算を行なう演算器５ｃと、Ｄ／Ａコンバータ６，リ
ニア特性のアンプ１０とから構成されている。

【０００５】減算器１は、入力する目標位置信号Ｘ０と
フィードバックされた対物レンズの位置信号Ｘｆの差を
とって誤差信号ｅを出力し、誤差信号ｅはＡ／Ｄコンバ
ータ２によりデジタル値に変換され、演算器５ｃにより
演算された後、Ｄ／Ａコンバータ６によりアナログ値に
戻され、アンプ１０によって電力増幅されてアクチュエ
ータ８を誤差信号ｅが０になる方向にドライブする。

【０００６】このように、対物レンズの重量による慣性
や位置を検出して位置信号Ｘｆを出力する位置センサの
遅れ等による閉ループ系全体の高周波帯域の位相を補正
するデジタルの位相補正フィルタ４を通すことにより、
応答の遅れや発振を生じない安定したサーボ制御が行な
われていた。

【０００７】しかしながら、アクチュエータ８のコイル
に多少の抵抗ＲとインダクタンスＬとがあるため、リニ
ア特性のアンプ１０に図６の（Ａ）に示すような電圧制
御型アンプを用いると、図７の（Ａ）に示すように、Ｒ
とＬから決まるクロスオーバ周波数ｆｃ（＝Ｒ／２π
Ｌ）以上の高周波帯域で−２０dＢ／dec（デシベル／デ
シマル）の傾斜でゲインが低下する。

【０００８】また同時に、図７の（Ｂ）に示すように、
クロスオーバ周波数ｆｃで既に４５°にもなる位相遅れ
が発生する。図７に示したゲイン低下と位相遅れのた
め、クロスオーバ周波数ｆｃの前後で不安定になった
り、高域で発振を起す等の問題があるため、アンプ１０
として図６の（Ｂ）に示すような電流帰還型アンプが用
いられていた。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、電流帰
還型アンプはアクチュエータ８のコイルによる障害を防
止するのに有効ではあるが、図６の（Ｂ）から明らかな
ように、図８に示した大きな閉ループ系の中に電流帰還
の小さな閉ループ系が設けられたため、電流帰還ループ
のゲイン特性，位相特性と、位相補正フィルタ４のゲイ
ン特性，位相特性との関係を、相当のマージン（余裕
度）をとって設定しないと相互に干渉して発振し易く不
安定になる。逆に、マージンを大きくとって安定化を計
ると、高速応答特性を得ることが難しいという問題があ
った。

【００１０】さらに、アクチュータ８のドライブにリニ
ア特性のアンプを用いると、電力効率が低いため発熱が
大きく、放熱板が必要になって小型化が難かしい。発熱
を抑えるため、電力効率の高いＰＷＭ（パルス幅変調）
アンプを使用する場合、電圧制御型に比べて電流帰還型
は部品数が増え、回路が複雑になるという問題があっ
た。

【００１１】この発明は上記の点に鑑みてなされたもの
であり、サーボ制御装置の回路構成が簡単で安定性に優
れ、しかも高速応答特性を得ることを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】この発明は上記の目的を
達成するため、制御対象の位置の目標位置からの誤差に
応じて制御対象の駆動手段を制御することにより制御対
象を目標位置に近づける閉ループ制御のサーボ制御装置
であって、デジタル演算器を用いて予め設定した第１の
周波数から第２の周波数まで周波数の増加に応じてゲイ
ンを上昇させることにより閉ループ系全体の高周波帯域
の位相を補正する演算を行う位相補正フィルタを備えた
サーボ制御装置において、デジタル演算器を用いて予め
設定した第３の周波数から第４の周波数まで周波数の増
加に応じてゲインを上昇させることにより駆動手段の抵
抗とインダクタンスとによって生じるゲインの低下と位
相遅れを補正する演算を行なうコイル補正フィルタと、
駆動手段をドライブする電圧制御型の電力増幅手段とを
設けたものである。

【００１３】また、位相補正フィルタ及びコイル補正フ
ィルタからなる２段の補正フィルタのうち、ゲインの上
昇幅の少ない補正フィルタを第１段目の補正フィルタと
したものである。

【００１４】さらに、第２又は第４の周波数のいずれの
周波数よりも高く設定した第５の周波数以上の高周波帯
域のゲインを抑えるデジタル積分器を、位相補正フィル
タ及びコイル補正フィルタからなる２段の補正フィルタ
の第１段目の補正フィルタの前、又は第１段目と第２段
目の補正フィルタの間に設けたものである。

【００１５】

【作用】上記のように構成したサーボ制御装置は、コイ
ル補正フィルタが、予め設定した第３の周波数から第４
の周波数まで、周波数の増加に応じてゲインを上昇させ
ることにより、駆動手段の抵抗とインダクタンスとによ
って生じるゲインの低下と位相遅れを補正するから、高
速応答特性が得られると共に、電圧制御型の電力増幅手
段によって駆動手段をドライブすることが出来る。

【００１６】したがって、閉ループ系が２重にならず１
ループで済むから、サーボ制御系全体の安定性が増大
し、しかも位相補正フィルタ特性の演算を行なうデジタ
ル演算器でコイル補正フィルタ特性の演算も行なうか
ら、ハードウェアとしては全く変更しないで済み、回路
構成は簡単でコスト上昇もない。

【００１７】また、補正フィルタを２段にしてゲインを
上昇させるため、当初制御対象がリニア制御範囲外にあ
って、入力する誤差が過大であると、デジタル演算器の
処理中にゲインがオーバーフロー又は飽和状態になる恐
れがあるが、いずれかゲインの上昇幅の少ない補正フィ
ルタを第１段目の補正フィルタとしたことにより、ゲイ
ンがオーバーした場合でも位相の誤差が小さくなるか
ら、サーボ制御系全体の安定性を保持することが出来
る。

【００１８】さらに、デジタル積分器は第２又は第４の
周波数よりも高く設定した第５の周波数以上の高周波帯
域のゲインを抑えるから、サーボ制御に必要な帯域外の
高周波成分によってオーバーフロー又は飽和状態になる
ことを防止する。このデジタル積分器の特性をデジタル
演算器により演算すれば、回路構成が複雑化したり、コ
ストが上昇することはない。

【００１９】このデジタル積分器を、２段の補正フィル
タの第１段目の補正フィルタの前に設ければ、デジタル
演算器の処理中にゲインがオーバーする可能性が激減す
る。また、第１段目の補正フィルタによってオーバーす
る恐れがないか又は極めてまれであれば、第１段目と第
２段目の補正フィルタの間に設けることにより、同等の
効果で、さらに有効桁不足による演算精度の低下を防止
することが出来る。

【００２０】

【実施例】図１は、この発明によるサーボ制御装置の第
１実施例の構成を示すブロック図であり、図８に示した
従来例と同様に、フォーカシング系の対物レンズを駆動
するアクチュエータ８を制御するサーボ制御装置であ
り、同一部分には同一符号を付している。

【００２１】図１に示した第１実施例は、図８に示した
従来例と略同様に、アナログの減算器１，Ａ／Ｄコンバ
ータ２，デジタルの演算器５，Ｄ／Ａコンバータ６と、
電力増幅手段である電圧制御型のアンプ７とから構成さ
れ、制御対象である図示しない対物レンズを光ディスク
面の上下動に応じて光軸方向に駆動する駆動手段である
ムービングコイル型のアクチュエータ８をサーボ制御す
る。

【００２２】第１実施例が従来例と異なる所は、位相補
正フィルタ４の特性に応じたデジタル演算のみを行なう
演算器５ｃに代えて、コイル補正フィルタ３及び位相補
正フィルタ４の各特性に応じたデジタル演算を行なう演
算器５を設けたことと、それ自体が小さな閉ループサー
ボ系を形成する電流帰還型のアンプ１０に代えて、オー
プン系の電圧制御型のアンプ７を用いたことである。

【００２３】ただし、演算器５ｃと演算器５とは演算内
容が変るだけで、ハードウェアとしては全く同一で、コ
スト上昇はない。また、電流帰還型のアンプ１０の代り
に電圧制御型のアンプ７を用いることにより、サーボ系
全体として閉ループ系が１ループになって、２重ループ
の相互干渉による不安定性が解決することは既に説明し
た。

【００２４】例えばリニア特性のオペアンプ等からなる
アナログの減算器１は、入力する目標位置信号Ｘ０と、
フィードバックされた図示しない対物レンズの位置信号
Ｘｆとの差をとって、誤差信号ｅ（＝Ｘｆ−Ｘ０）のア
ナログ値を出力し、Ａ／Ｄコンバータ２は誤差信号ｅを
デジタル値に変換して演算器５に出力する。

【００２５】図２は、図７の（Ａ）と同様に、横軸に周
波数ｆの対数値を、縦軸にゲインの対数値即ちｄＢ（デ
シベル）をそれぞれとって示したゲイン特性図であり、
図２の（Ａ）は位相補正フィルタ特性の一例を、図２の
（Ｂ）は図７の（Ａ）に示したアクチュエータ８のコイ
ル特性（破線）とコイル補正フィルタ特性（実線）と両
者の組合せによる総合特性（２点鎖線）の一例をそれぞ
れ示している。

【００２６】演算器５は、コイル補正フィルタ３と位相
補正フィルタ４の２つの機能を有しているが、一般的に
図２の（Ａ），（Ｂ）に示したように、位相補正フィル
タ４の第１，第２の（クロスオーバ）周波数ｆｐ１，ｆ
ｐ２の比（横軸の間隔）の方が、コイル補正フィルタ３
の第３，第４の（クロスオーバ）周波数ｆｃ１，ｆｃ２
の比よりも大きい。即ち、傾斜はそれぞれ２０dＢ／dec
で等しいから、ゲイン幅も位相補正フィルタ４の方が大
きい。

【００２７】したがって、演算器５は、Ａ／Ｄコンバー
タ２から入力した誤差信号ｅ（デジタル値）を、先ず第
１段目のコイル補正フィルタ３の特性に応じて演算し、
次に位相補正フィルタ４の特性に応じて演算した結果
を、Ｄ／Ａコンバータ６に出力する。

【００２８】Ｄ／Ａコンバータ６は、２段の補正フィル
タによってフィルタリングされた誤差信号を、アナログ
値に逆変換してアンプ７に出力する。例えばＰＮＰ型と
ＮＰＮ型のパワートランジスタを直列に接続したコンプ
リメンタリ回路からなるアンプ７は、入力信号電圧をリ
ニア電力増幅してアクチュエータ８をドライブし、対物
レンズを誤差信号ｅ＝０の位置まで駆動させることによ
り、サーボ制御が行なわれる。

【００２９】コイル補正フィルタ３のゲイン特性は、図
２の（Ｂ）に示したように、第３の周波数であるクロス
オーバ周波数ｆｃ１を、アクチュエータ８のコイル特性
のクロスオーバ周波数ｆｃと一致するように設定してあ
る。

【００３０】このコイル補正フィルタ３を設けたことに
より、総合特性すなわち実効コイル特性は、そのクロス
オーバ周波数がコイル補正フィルタ３の第４の周波数で
あるクロスオーバ周波数ｆｃ２まで上昇し、４５°位相
がズレる周波数もｆｃ１からｆｃ２まで上昇するから、
それだけ高速応答性が改善される。

【００３１】図３は、図１に示した演算器５におけるコ
イル補正フィルタ３，位相補正フィルタ４の構成の一例
を示すシグナルフロー図である。図３において、３１，
４１はそれぞれ変数Ｚ１，Ｚ２を記憶する遅延要素、３
２〜３４，４２〜４４はそれぞれ係数ａ１，ｂ１，ｃ
１，ａ２，ｂ２，ｃ２に対応する乗算要素、３５，３
６，４５，４６はそれぞれ加算要素である。

【００３２】コイル補正フィルタ３を例とすれば、Ａ／
Ｄコンバータ２のサンプリング周期毎に入力する入力値
は、加算要素３５により、遅延要素３１に記憶されてい
る旧の変数Ｚ１に乗算要素３２の係数ａ１が乗算された
値と加算され、新の変数Ｚ１として遅延要素３１に記憶
される。

【００３３】一方、新の変数Ｚ１は、加算要素３６によ
り、旧の変数Ｚ１に乗算要素３３の係数ｂ１が乗算され
た値と加算された後、その加算値に乗算要素３４の係数
ｃ１が乗算されて位相補正フィルタ４に出力される。

【００３４】上記の演算がサンプリング周期毎に行なわ
れることにより、コイルの特性を補正するコイル補正フ
ィルタ３のフィルタリング効果が得られる。位相補正フ
ィルタ４についても係数ａ２，ｂ２，ｃ２がそれぞれ異
なるだけで、演算及び効果は全く同様である。各係数ａ
１，ｂ１，ｃ１及びａ２，ｂ２，ｃ２は、設計段階にお
いてそれぞれコイル補正フィルタ３及び位相補正フィル
タ４の伝達関数をＺ変換することにより決定されたもの
である。

【００３５】以上、フォーカシング系のサーボ制御を例
として一般的なサーボ制御を説明するために、減算器１
により目標位置信号Ｘ０と位置信号Ｘｆとから誤差信号
ｅを演算したが、実際の光ピックアップのフォーカシン
グ・サーボ制御系では、光ディスクの記録面と対物レン
ズとの正規の間隔からの誤差信号ｅそのものが、光ピッ
クアップの複数の出力を合成して得られるので、得られ
た誤差信号ｅは直接Ａ／Ｄコンバータ２に入力する。

【００３６】図４は、この発明の第２実施例の構成を示
すブロック図であり、図１に示した第１実施例と同一部
分には同一符号を付して説明を省略する。図４に示した
第２実施例は、光ピックアップを光ディスクの半径方向
に移動させるためのトラッキング系に用いられるリニア
モータを制御するサーボ制御装置である。

【００３７】第１実施例の対物レンズに比べて遙かに質
量が大きい制御対象である光ピックアップの駆動手段で
あるリニアモータ１８は、アクチュエータ８よりも遙か
に大きなパワーを必要とするので、電力効率のよいアン
プを使用しないと発熱が問題になる。そのため、第２実
施例においては電力増幅手段としてＰＷＭアンプ１７を
使用している。

【００３８】電力効率に優れたＰＷＭ（パルス幅変調）
アンプ１７を使用するためには、その入力信号である補
正フィルタを通った誤差信号の電圧に応じたＰＷＭ信号
を出力するＰＷＭ変調器１６が必要になるが、この第２
実施例では演算器５ａによって位相補正フィルタ４の出
力をデジタル演算することにより、ＰＷＭ信号を形成し
てＰＷＭアンプ１７に出力している。

【００３９】この第２実施例においては、パワーのみな
らずリニアモータ１８のインダクタンスもアクチュエー
タ８に比べて遙かに大きいから、コイル補正フィルタ３
を設けた効果は第１実施例に比べてさらに顕著である。

【００４０】また、目標位置信号Ｘ０は当初目標とする
トラックのあるべき位置が入力し、フィードバックされ
る位置信号Ｘｆはその時点における光ピックアップの位
置が入力することにより、通常のサーボ制御が行なわれ
るが、一度、光ピックアップが目標とするトラックをキ
ャッチすると、それ以降はトラックの左右動に応じて光
ピックアップの複数の出力を合成して得られた誤差信号
が直接Ａ／Ｄコンバータ２に入力してトラッキングする
点はフォーカシング系の場合と同様である。

【００４１】以上説明した第１及び第２実施例におい
て、演算器５又は５ａの内部で２段の補正フィルタ３，
４の演算が行なわれる時、各補正フィルタ３，４はそれ
ぞれ低い方のクロスオーバ周波数ｆｃ１，ｆｐ１から２
０dＢ／decの傾斜でゲインを上げ、再びフラットになる
高い方のクロスオーバ周波数ｆｃ２，ｆｐ２以上の高周
波域はそれぞれ最高のゲインになっている。

【００４２】したがって、仮りに演算器５，５ａに１６
ビットの演算器を用いたとしても、入力する誤差信号ｅ
のレベルが大きくなると、演算結果あるいは演算の途中
データがオーバーフローしてデータが飽和する恐れがあ
る。制御対象が目標位置からサーボ制御範囲を超えて大
きく外れている時は、可及的速やかに目標位置に接近す
る必要があるから、データが飽和していても差支えな
い。

【００４３】しかしながら、一度サーボ制御範囲内に収
まって、正常なサーボ制御が行なわれている時にオーバ
ーフローが発生するとリニアな制御が出来なくなる。ま
た、オーバーフローが生じるような時には位相関係も怪
しくなっているから、異常な発振が発生する等不安定に
なる。

【００４４】図５は、この発明の第３実施例の構成を示
すブロック図であり、図１に示した第１実施例と同一部
分には同一符号を付して説明を省略する。図５に示した
第３実施例は、第１実施例の演算器５の内部におけるオ
ーバーフローを防止するためのものであり、演算器５に
代る演算器５ｂ内の２段の補正フィルタ３，４の前にデ
ジタルの積分器１２を設けたものである。

【００４５】積分器１２は、このサーボ制御装置が必要
とする周波数帯域外の高周波成分によって演算器５ｂの
内部でオーバーフローが発生しないように、第２，第４
のクロスオーバ周波数ｆｐ２，ｆｃ２のいずれよりも高
く設定した第５のクロスオーバ周波数ｆｉを有するデジ
タル・ローパス・フィルタであり、演算器５ａによるデ
ジタル演算により誤差信号ｅに含まれる高周波成分をカ
ットする。

【００４６】このような積分器１２を演算器５ｂ内に設
けたことにより、ハードウェアとしては何等の変更をも
必要としないで、不要な高周波成分（例えばノイズ）に
よるオーバーフローを防止し、より安定なサーボ制御装
置が得られる。

【００４７】もし、第１段目の補正フィルタ（第３実施
例ではコイル補正フィルタ３）のゲインだけではオーバ
ーフローを生じない場合には、積分器１２を第１段目と
第２段目の補正フィルタの間に設けてもよい。こうすれ
ば第１段目の補正フィルタでゲインが上っているから、
積分器１２による有効桁落ちが防止され、演算精度が向
上する。

【００４８】

【発明の効果】以上説明したように、この発明によるサ
ーボ制御装置は、回路構成が簡単で安定性に優れ、しか
も高速応答性が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明によるサーボ制御装置の第１実施例の
構成を示すブロック図である。

【図２】図１に示した位相補正フィルタとコイル補正フ
ィルタのゲイン特性の一例を示す線図である。

【図３】図１に示したコイル補正フィルタと位相補正フ
ィルタの構成の一例を示すシグナルフロー図である。

【図４】この発明の第２実施例の構成を示すブロック図
である。

【図５】この発明の第３実施例の構成を示すブロック図
である。

【図６】電圧制御型アンプと電流帰還型アンプの構成の
一例を示す回路図である。

【図７】図１及び図６に示したアクチュエータのゲイン
特性と位相特性の一例を示す線図である。

【図８】サーボ制御装置の従来例の構成を示すブロック
図である。

【符号の説明】

３ コイル補正フィルタ ４ 位相補
正フィルタ ５,５ａ,５ｂ 演算器（デジタル演算器） ７ アンプ
（電力増幅手段） ８ アクチュエータ(駆動手段) １２ 積分
器（デジタル積分器） １７ ＰＷＭアンプ(電力増幅手段) １８ リニ
アモータ（駆動手段） ｆｐ１，ｆｐ２ 第１，第２の周波数 ｆｃ１，ｆｃ２ 第３，第４の周波数 ｆｉ 第５
の周波数

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G11B 21/10 G11B 7/09 - 7/095

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 制御対象の位置の目標位置からの誤差に
   応じて前記制御対象の駆動手段を制御することにより前
   記制御対象を目標位置に近づける閉ループ制御のサーボ
   制御装置であって、デジタル演算器を用いて予め設定し
   た第１の周波数から第２の周波数まで周波数の増加に応
   じてゲインを上昇させることにより閉ループ系全体の高
   周波帯域の位相を補正する演算を行う位相補正フィルタ
   を備えたサーボ制御装置において、 前記デジタル演算器を用いて予め設定した第３の周波数
   から第４の周波数まで周波数の増加に応じてゲインを上
   昇させることにより前記駆動手段の抵抗とインダクタン
   スとによって生じるゲインの低下と位相遅れを補正する
   演算を行なうコイル補正フィルタと、 前記駆動手段をドライブする電圧制御型の電力増幅手段
   とを設けたことを特徴とするサーボ制御装置。
2. 【請求項２】 請求項１記載のサーボ制御装置におい
   て、 前記位相補正フィルタ及び前記コイル補正フィルタから
   なる２段の補正フィルタのうち、前記ゲインの上昇幅の
   少ない補正フィルタを第１段目の補正フィルタとしたこ
   とを特徴とするサーボ制御装置。
3. 【請求項３】 請求項１又は２記載のサーボ制御装置に
   おいて、 前記第２又は第４の周波数のいずれの周波数よりも高く
   設定した第５の周波数以上の高周波帯域のゲインを抑え
   るデジタル積分器を、前記位相補正フィルタ及び前記コ
   イル補正フィルタからなる２段の補正フィルタの第１段
   目の補正フィルタの前、又は第１段目と第２段目の補正
   フィルタの間に設けたことを特徴とするサーボ制御装
   置。