JP4347854B2 - サーボ制御方法及びそれに適した装置 - Google Patents

Description

本発明は、レファレンス軌跡を使用するサーボ制御方法に係り、さらに詳細には、レファレンス信号以外にも、その導関数信号を利用してプラントの向上した精度をもってレファレンス軌跡を追従するように制御するサーボ制御方法、それに適した装置及び記録媒体に関する。

一般的に、コンピュータのデータ保存装置のハードディスクドライブ（Ｈａｒｄ Ｄｉｓｋ Ｄｒｉｖｅ：ＨＤＤ）は、ディスクに／からデータを記録／再生する装置である。

ＨＤＤは、ＨＤＡ（Ｈｅａｄ Ｄｉｓｋ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）とＨＤＡを電気的に制御して情報の記録及び再生に関与するＰＣＢ（Ｐｒｉｎｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｂｏａｒｄ）アセンブリで構成されており、ＨＤＡは、情報を保存または復元するヘッド、ヘッドから情報が記録されるディスク、ディスクを回転させるためのスピンドルモータ、ヘッドを動かすためのアクチュエータアームとＶＣＭ（Ｖｏｉｃｅ Ｃｏｉｌ Ｍｏｔｏｒ）及びアクチュエータアームの変位を制限するＯＤＣＳ（Ｏｕｔｅｒ Ｄｉｓｋ Ｃｒａｓｈ Ｓｔｏｐ）及びＩＤＣＳ（Ｉｎｎｅｒ Ｄｉｓｋ Ｃｒａｓｈ Ｓｔｏｐ）で構成される。

ここで、ＯＤＣＳ及びＩＤＳＣは、ヘッドが、ディスクのサーボ情報が使われない位置まで移動することを防止するために、アクチュエータアームの変位を制限する緩衝手段である。

ＨＤＤ業界の一般的な傾向は、保存装置の物理的なサイズを減らすと同時に、情報容量を高めることである。これは、ＨＤＤのトラック密度を向上させることによって達成される。サーボトラックは、ＨＤＤ動作時の位置情報源である。その結果、ＨＤＤのサーボライティングにおいて主に２つの傾向がある。

一つは、サーボトラックライティングのための精度を向上させることであり、もう一つは、サーボトラックライティングのための新たな方法を開発することである。

特許文献１には、複数の基準サーボ信号をスパイラル状にディスクに記録し、この基準サーボ信号を参照して、最終的なサーボ信号を記録するスパイラルセルフサーボ記録方法が開示されている。基準サーボ信号の精度は、最終サーボ信号の品質を決定するので、基準サーボ信号の精度は、厳格に管理することが重要である。すなわち、基準サーボ信号を記録するための記録ヘッドの動きを制御する位置制御器は精密でなければならない。

業界ではより高い精度を求める傾向にあるため、サーボ記録の制御において、幾つかの物理的な現象を考慮することが重要である。このような現象の例としては、摩擦、機械的な遅延、そしてねじれ効果がある。このような現象の制御における問題は、これら現象が非常に非線形的であるという点である。さらに、物理的な観点で、これら現象のモデリングは可能であっても、このようなモデリングは非常に複雑であり、かつ意味のある実験、そして専門的な知識を要する。しかも、セルフサーボライティングのための新たな方法も新たな課題を呈する。

図１は、従来のＰＩＤ制御器の構造を示す図面である。ＰＩＤ制御は、自動制御方式のうち最も良く利用される方式であって、比例、積分、そして微分操作の３つの組合わせで制御することを称す。

図１において、ｒ（ｔ）は、レファレンス信号、ｙ（ｔ）は、位置測定信号であり、ｅ（ｔ）は、ＰＩＤ制御器１０２に印加される誤差信号であり、そして、ｕ（ｔ）は、制御信号である。

従来のサーボライティング動作は、比較的長い周期を有する一定のレファレンス信号を提供する。このような制御アルゴリズムによれば、このような状況は、点レファレンストラッキングを設定することが知られている。その結果、一定のレファレンス信号の導関数は、サーボライティング動作の間には‘０’である。

新たなサーボライティング方法が開発されるにつれて、位置情報は、他の形態にディスク上に符号化され、サーボライティングの間に、位置符号化方法によってレファレンス位置が変化する。

この結果、レファレンス信号の導関数は‘０’ではなくなる。フィードバック制御器は、サーボトラックライティングヘッドの位置が正確に、かつ非常に高い精度をもって所望のレファレンス軌跡によることを確保するように設計される。図１のＰＩＤ制御器１０２による制御は、フィードフォワード制御と見なすことができる。このようなフィードフォワード制御を使用すれば、複雑な軌跡を高い精度で追跡しうる。

導関数フィードフォワードは、図２に示したようにさらに速い速度のトラッキングにも寄与する点が重要である。

図２は、フィードフォワード制御の効果を示すグラフである。

図２に示したように、純粋なＰＩＤ制御は、ランプレファレンスに適応するための時間Ｔａを必要とする。ランプレファレンス信号は、一定の傾斜を有する信号である。位置ＰＩＤ＋フィードフォワード制御は、理論的に積分プラントのためのランプレファレンスに対する速いトラッキングを表示できる。ここで、積分プラントという用語は、当業者ならば、容易に分かる。積分プラントは、１／ｓという項を含む伝達関数を有する。

しかし、問題は、サーボトラックライティングのために使われる機械的なシステムが非線形的な特性を有することである。前述したように、これらは、摩擦、機械的な遅延、そしてねじれ効果を含む。さらに高い精密度の要求によって、これら非線形的な特性の相対的な重要性が増加している。通常的な動きに対する摩擦の影響が図３に見られる。

図３は、プラントにおいて、摩擦による影響を示すために示された図面である。図３（ａ）は、プラント（例えば、サーボライターにおいて、記録ヘッド）のレファレンス軌跡と実際の軌跡とを比較する図面であり、図３（ｂ）は、図３（ａ）に示したような動きを得るためにプラント（例えば、記録ヘッドを動かすためにボイスコイルモータ）に印加される電流のレファレンス値と実際値とを比較する図面である。

図３を参照すれば、プラントはレファレンス軌跡に沿いながら、一定の周期で振動することが分かる。プラントの振動が非線形的であるのに比べて、制御システムは、線形的である。制御変数を注意深く調整することで、幾つかの場合においてこのような振動を回避させることもできるが、適切な値を探すことは容易でないだけでなく、必ずしも成功が保証されることでもない。このような一定の周期は、例えば、サーボトラックパターンを形成するのに望ましくない効果を奏しうる。

さらに高い精度の要求を保証するためには他の手段が必要である。そのような手段として非線形制御器がある。物理的原理に基づいたそのような高いパーフォーマンスの制御器の設計は非常に難しく、非常に高いレベルの専門知識及び多くの実験を必要とし時間のかかる課題である。プラントを制御するための非線形的な制御を行う神経回路網を使用することによって、そのような複雑な手段を回避することが望ましい。

コンピュータ科学及び工学において、人工神経回路網は、生物学的な神経細胞の構造によって着想化された。神経回路網は、広い範囲の非線形的な動作の形態を学習できるということが知られている。このような神経回路網の特性は、非常に高い非線形及び複雑なシステムの行動を制御するために頻繁に使われる。異なる神経回路網の構造が異なる課題のために使われる。

図４は、従来のＰＩＤ及びフィードフォワード神経回路網を有する制御器の構造を示す図面である。図４に示した装置は、ＰＩＤ制御器４０２及びフィードフォワード神経回路網４０４を備える。

しかし、図４に示した装置では、レファレンス信号の導関数情報が使用されない。それ以外にも、閉ループ制御は依然として線形的であるため図３に示したような一定の周期及び異なる非線形的な効果を除去することが保証されない。

図５は、従来のフィードバック神経回路網を有する制御器の構造を示す図面である。図５に示した装置は、フィードバック神経回路網５０４を備える。

フィードバック神経回路網５０４は、それぞれ異なる複数の方法（例えば、当業者が精通する直接反対制御、最適制御、内部モデル制御など）によって学習する。適切に調整された神経回路のみ一定の周期を回避する。

このような手段の一つの問題は、一定の速度レファレンス信号の場合においても、‘０’の定常状態エラーを回避し難いということである。これは、‘０’の定常状態エラーを保証できるものと知られた制御器の積分行動を把握するのが比較的難しいためである。‘０’ではない定常状態エラーの例示的なシステムが図６に示される。

図６は、閉ループシステムの‘０’ではない定常状態エラーを示す図面である。

図６に示したような‘０’ではない定常状態エラーはまた、サーボトラックライティングのためにも望ましくない。

他の関連した技術的問題は、レファレンス軌跡のオンライン生成が追従されねばならないということである。現在の手段は、それぞれのサンプリング時点でデジタル制御システムのサンプリングが一定していると仮定して所望の基準位置を規定することである。これは、効果的な手段であるものの、サーボトラックライティングに対して要求される精度が増し、サンプリング周期の減少を要することになる。これは、サイズの観点からルックアップテーブルの使用を不便にする。
米国特許公開第５,６６８,６７９号（１９９７.９.１６.公開）

本発明が解決しようとする課題は、レファレンス信号及びその導関数を利用してより高い精度でプラントがレファレンス軌跡を追跡できるようにするサーボ制御方法を提供することである。

本発明が解決しようとする他の課題は、前記のサーボ制御方法に適した装置を提供することである。

本発明が解決しようとするさらに他の課題は、前記サーボ制御方法を記録したコンピュータで読み取り可能な記録媒体を提供することである。

本発明の望ましい実施形態によれば、プラントの出力に基づいて所定のレファレンス軌跡を追従するサーボ制御方法が提供され、このサーボ制御方法は、プラントの所望のレファレンス軌跡を表す多項式及びその導関数を準備するステップと、プラント入力に対するプラント出力をサンプリングするステップと、サンプル間の相対時間を参照してレファレンス信号及びその導関数信号を発生させるステップと、発生したレファレンス信号及びその導関数信号、遅延されたプラント入力、そして遅延されたプラント出力を使用してサンプリング時点でのプラント入力を決定するステップと、を含むことを特徴とする。

本発明の他の望ましい実施形態によれば、プラントの出力に基づいて所定のレファレンス軌跡を追従するサーボ制御装置が提供され、このサーボ制御装置は、レファレンス信号及びその導関数信号を発生させるレファレンス信号生成器と、前記レファレンス信号生成器から発生するレファレンス信号及びその導関数信号、前記プラントの遅延された入力、そして前記プラントの遅延された出力を入力して前記サンプリング時点でのプラント入力を発生させる神経回路網と、を備えることを特徴とする。

本発明のさらに他の望ましい実施形態によれば、プラントの出力に基づいて前記プラントが所定のレファレンス軌跡を追従するように制御するサーボ制御方法を記録したコンピュータで読み取り可能な記録媒体が提供され、この記録媒体は、プラントの所望のレファレンス軌跡を表す多項式及びその導関数を準備するステップと、プラント入力に対するプラント出力をサンプリングするステップと、サンプル間の相対時間を参照してレファレンス信号及びその導関数信号を発生させるステップと、発生したレファレンス信号及びその導関数信号、遅延されたプラント入力、そして遅延されたプラント出力を使用してサンプリング時点でのプラント入力を決定するステップと、を含むプログラムが記録されたことを特徴とする。

本発明によるサーボ制御方法は、レファレンス信号以外にも、その導関数信号を利用してより高い精度でプラントがレファレンス軌跡を追従するように制御できる。

以下、添付された図面を参照して本発明の構成及び動作を詳細に説明する。

図７は、本発明による制御器の構成を示すブロック図である。図７に示した本発明によるサーボ制御装置は、スプラインレファレンス生成器７０２及び神経回路網７０４を備える。図７に示した装置は、サーボトラックライター７０６に適用された例を示すものである。

スプラインレファレンス生成器７０２は、レファレンス信号ｒ（ｔ）及びそのｎ次までの時間導関数信号ｒ'（ｔ），．．．，ｒ^ｉ（ｔ），．．．，ｒ^ｎ（ｔ）を提供するために使われる。

スプラインレファレンス生成器７０２は、非常に高い精度を有しつつも、自然かつ効果的なプラントモデルを提供するスプラインあるいは曲線、あるいは、この曲線を表す区分的な多項関数を提供する。一般的に、スプラインは、数個の点をつなぐ曲線を表し、点間の部分的な曲線は、多項関数によって表される。このようなスプラインは、数値解析において、補間法や近似法に多く使われている。

スプラインレファレンス信号ｒ（ｔ）は、それぞれがｍ次である１個の多項式の集合Ｐによって表される。

スプラインレファレンス信号ｒ（ｔ）によるサーボ制御動作において、集合Ｐ内の各多項式Ｐ_ｋは、タイムシーケンスＴ内でのある時間間隔ｔ_ｋの間に動的である。すなわち、スプラインを構成する各点の間隔をｔ_ｋとし、区間インデックスｋがｋ＝１，．．．，ｌというとき、Ｐ_ｋは、第ｋの区間で動的な多項式であり、それぞれのＰ_ｋは、ｍ次である。また、ｊは、多項式Ｐ_ｋの次数を表すためのインデックスである。

数式２の多項式は、相対時間で表現される。ここで、相対時間は、それぞれのサンプル間の時間を称す。

集合Ｐ内の多項式Ｐ_ｋの次数は、レファレンス信号ｒ（ｔ）を適切に表すように選択される。幾つかの例は、次の通りである。

１）位置レファレンス設定（一般的なサーボライティングの場合）；この場合、全ての導関数は０であり、多項式は定数のみを含む。

２）ランプレファレンス信号（スパイラルサーボライティングの場合）；この場合、第１導関数（速度）は０ではない。Ｐ内の多項式は、１次であり、そして第１導関数に対する多項式は定数である。

３）高次レファレンス信号；

４）矩形波レファレンス信号（矩形波軌跡によるトラック探索の場合）；第１導関数（速度）及び第２導関数（加速度）は０ではない。

５）指数信号；限定された数の導関数は０ではない。信号は、所定の時間間隔に対して任意の精度を有するある程度の多項式を使用して近似化されうる。

６）正弦信号（正弦波軌跡によるトラック探索の場合）；限定された数の導関数が０ではない。しかし、信号は、所定の時間間隔に対して所定精度を有する多項式を使用して近似化されうる。

スプラインレファレンス生成器７０２の動作のうち重要な部分は、スプラインレファレンス信号の多項構造を使用して効果的に具現されるオフラインで準備されうる。

オフライン動作；

１）スプラインレファレンス生成器の区分的な多項関数Ｐとスイッチング時点Ｔとが、これらによって結果される軌跡が十分な精度を有して所望の動きを記述する方法で選択される。

２）要求される数ｎの導関数が決定される。

３）Ｐ内の多項式の導関数を表す多項式が数式６を使用してあらかじめ計算される。

オンライン動作；

１）あるサンプリング時点でそれぞれの時間区間内の相対時間が数式５を使用して計算される。

２）数式２を使用して当該時間区間に相応する多項式Ｐ_ｋが相対時間に対して評価される。スプラインレファレンス生成器７０２は、相対時間を参照して要求された時間でのレファレンス信号を算出する。

３）オフライン動作の３）ステップであらかじめ計算された多項導関数（６）を利用して、要求された時間でのレファレンス信号の導関数信号が算出される。

言い換えれば、オンライン動作の２）ステップでは、レファレンス信号が決定され、３）ステップでは、レファレンス信号の導関数信号が決定される。

これにより得られたレファレンス信号及びその導関数信号は、図８の神経回路網７０４に提供される。

神経回路網７０４は、サンプリング時間時点でプラント入力及び出力の遅延された値、レファレンス信号、そしてレファレンス導関数信号を使用することによって動作する。信号処理用語と同様に、表記ｚ^−ｋは、ｋタイムサンプルの遅延を表す。レファレンス信号及び導関数信号及び遅延されたプラント入力及び出力を使用することによって、次のサンプリング時点でのプラント入力が決定されることを注目せねばならない。

１）プラント出力ベクトル

２）プラント入力ベクトル

３）レファレンス及び導関数ベクトル

数式７、８、及び９のベクトルは、図７の神経回路網７０４の入力を形成するように結合される。神経回路網７０４の出力は、次のサンプリング時点でのプラント入力である。

図８は、図７に示した神経回路網７０４の構成例を示す図面である。

図８に示したネットワークは、多層パーセプトロン状であるが、これは、本発明を具現するために必ずしも必要なものではない。多層パーセプトロンネットワーク出力は、ニューロンの階層、スケール、そしてシフトを使用して計算される。

神経回路網分野において公知であるように、ネットワーク入力は、第１の神経階層の入力を形成するために、まず加重値マトリックスによって乗算され、次いで、バイアスベクトルを使用してシフトされる。この第１の神経階層の出力は、再びマトリックス乗算を使用してスケールが調整され、そして、バイアスベクトルを使用してシフトされる。神経回路網の入力Ｉｎに対する神経回路網の出力Ｏｕｔを記述する一般的な表現は、

である。

ここで、Ｗ_１、Ｗ_１、ｂ_１、及びｂ_２は、それぞれ図８に示した第１の神経階層の加重値マトリックス、第２の神経階層の加重値マトリックス、第１の神経階層のバイアスマトリックス、そして第２の神経階層のバイアスマトリックスを表す。

これらマトリックスＷ_１、Ｗ_１、ｂ_１、ｂ_２は、適切な次元を有し、ネットワーク調整変数を含み、そしてｆ（.）は、神経刺激関数のベクトルである。これら変数は、レファレンス信号に対するプラント出力のエラーを最小化させる方法によってオフライントレーニングを使用して選択される。

刺激関数ベクトルｆ（.）は、可能な限り他の機能のシグモイド型あるいは確認機能を有するｋ個のニューロンを有する。これは、次のような形態の関数を有する。

ログシグモイド伝達関数

双曲線タンジェントシグモイド伝達関数

３）確認

図９は、ＬｕＧｒｅ摩擦モデルを示す図面である。

動的システムの摩擦モデル（ＬｕＧｒｅ）が図９に示される。シミュレーションは、基本的なＰＩＤモデルとスプラインレファレンス及び神経回路網フィードバック／フィードフォワード神経回路網を有する所望の制御器を使用して行われた。

図１０は、図９に示されたＬｕＧｒｅ摩擦モデルを有するプラントに対する従来のＰＩＤ制御によるトラッキング軌跡の一例を示す図面である。図１０は、ステップ形態のレファレンス軌跡に対するトラッキング軌跡を示す。

図１０を参照すれば、太い実線で示したレファレンス軌跡に対して、細い点線で示されるような軌跡を示しつつ追従することが分かる。すなわち、従来のＰＩＤ制御方法によれば、レファレンス軌跡のステップが発生する所でトラッキング軌跡が遅延されるか、またはオーバーショットが発生する。言い換えれば、レファレンス軌跡に適応する時間が必要である。

図１１は、図９に示したＬｕＧｒｅ摩擦モデルを有するプラントに対する本発明による制御器によるトラッキング軌跡を示す図面である。図１１及び図１０を比較すれば、本発明による制御器によるトラッキング軌跡は、レファレンス軌跡のステップが発生する所でトラッキング軌跡が遅延されるか、またはオーバーショットが発生することが非常に少ない。言い換えれば、レファレンス軌跡に適応する時間が非常に短い。

図１２は、図９に示したＬｕＧｒｅ摩擦モデルを有するプラントに対する従来のＰＩＤ制御によるトラッキング軌跡の他の例を示す図面である。図１２は、ランプ状のレファレンス軌跡に対するトラッキング軌跡を示す。

図１２を太い実線で示したレファレンス軌跡に対して、細い実線で示されるような遅延及び一定周期の振動を示しつつ追従することが分かる。

図１３は、従来の神経回路網によるランプトラッキング軌跡を示す図面である。図１３の例は、導関数を使用しないフィードフォワード制御に該当する。図１３を参照すれば、従来の神経回路網によるランプトラッキング軌跡は、図１０に示したような従来のＰＩＤ制御によるトラッキングより小さいものの、依然としてランプ軌跡が曲がる所で遅延が存在し、また、ランプ軌跡で一定の振動が存在することが分かる。

図１４は、本発明の望ましい実施形態による制御器によるランプトラッキング軌跡を示す図面である。

図１４を参照すれば、本発明による制御器によれば、従来の神経回路網によるランプトラッキングに比べてランプ軌跡が曲がる所で遅延がほとんどなく、ランプ軌跡で一定の振動がほとんど無いということが分かる。

本発明は、サーボトラックライターの位置制御装置、ＨＤＤのトラック探索制御装置に適用されうる。

図１５は、本発明の望ましい実施形態によるサーボ制御装置をサーボトラックライターの位置制御装置に適用した例を示す図面であって、スパイラルセルフサーボ記録方式に適用されたものである。

図１５には、回転自在なスピンドルモータ（図示せず）に装着されるディスク１５１１、ピボット回転するアクチュエータアーム１５１３に付着された位置調整が可能なリード／ライト変換器（ヘッド）１５１２、二つのクラッシュストップ１５１７及び１５１８、そしてボイスコイル１５１４が示される。

ボイスコイル１５１４が励磁されてアクチュエータアーム１５１３がディスク１５１１に対して動けば、ヘッド１５１２がディスク上のＲ_１とＲ_２との間の任意の位置に位置される。ここで、Ｒ_１及びＲ_２は、ディスク上の任意の異なる位置に設置された基準トラックを表す。ヘッド１５１２をディスク１５１１上の基準トラックＲ_１，Ｒ_２間で一定の速度で半径方向に動きつつ、ディスク１５１１に信号を記録すれば、図１５で、１５７０で示したようにスパイラル状に信号が記録される。

レファレンス信号発生器１５２０は、ライトヘッドの望ましい軌跡を表すレファレンス信号ｒ（ｔ）及びその導関数ｒ^ｉ（ｔ）、ｒ^ｎ（ｔ）を生成し、神経回路網１５３０は、レファレンス信号発生器から発生したレファレンス信号ｒ（ｔ）及びその導関数信号ｒ^ｉ（ｔ），ｒ^ｎ（ｔ）、前記ライトヘッドの実際位置を表す位置情報に基づいて前記ライトヘッドの位置を制御する。

図１６は、本発明の望ましい実施形態によるサーボ制御方法を適用したＨＤＤの探索制御装置の構成を示す図面である。

図１６に示した本発明によるトラック探索制御器１６００は、レファレンス信号生成器１６０２、神経回路網１６０４、ＤＡＣ（Ｄｉｇｉｔａｌ−ｔｏ−Ａｎａｌｏｇ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ） １６２０、ＶＣＭドライバ１６２６、ＨＤＡ １６２８、ＡＤＣ（Ａｎａｌｏｇ−ｔｏ−Ｄｉｇｉｔａｌ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ） １６２２、そして変換器１６２４を備える。図１６に示したトラック探索制御器１６００は、変換器１６２４を第１トラックからトラック探索距離Ｋ_ＳＫほど離れた目標のトラックに移動させるトラック探索制御ルーチンを実行する。

レファレンス信号生成器１６０２は、各サンプリング周期Ｔｓごとに正弦波形態の軌跡を表す位置信号ｒ（ｋ）及びその導関数である速度信号ｖ（ｋ）、そして加速度信号ａ（ｋ）を発生させる。

正弦波形態の加速度軌跡は、スプライン多項式で表現され、速度ｖ（ｋ）及び加速度ａ（ｋ）は、位置ｒ（ｋ）の第１導関数及び第２導関数として得られる。

図１７は、図１６に示した装置において、正弦波形態の位置軌跡ｒ（ｔ）、速度ｖ（ｔ）、そして加速度ａ（ｔ）を示す。図１７を参照すれば、トラック探索時間Ｔ_ＳＫは、正弦波形態の加速度軌跡ａの一周期に相応することが分かる。

トラックの位置、すなわち、トラック番号は、セクター領域に記録されたグレーコードを通じて分かり、変換器１６２４は、ディスク上で移動する間にＡＤＣ１６２２を通じてグレーコードを読出す。変換器１６２４を通じて読出されたグレーコードは、神経回路網１６０４に提供される。

神経回路網１６０４は、レファレンス信号生成器１６０２から提供される位置信号ｒ（ｋ）及びその導関数である速度信号ｖ（ｋ）、そして加速度信号ａ（ｋ）を入力する。一方、神経回路網１６０４は、変換器１６２４を通じて読出されたヘッドの位置、すなわち、グレーコードによって表れるヘッドの位置を表す信号ｙ（ｔ）を入力して、ＶＣＭドライバ１６２６に印加される駆動信号ｕ（ｔ）を発生させる。駆動信号ｕ（ｔ）は、ＤＡＣ １６２０を通じてＶＣＭドライバ１６２６に提供される。神経回路網１６０４は、例えば、図８に示されるような構成を有する。ＶＣＭドライバ１６２６の駆動によってヘッドアセンブリ１６２８を通じて変換器１６２４が移動する。

図１８は、本発明の望ましい実施形態によるサーボ制御方法が適用されるＨＤＤ１８００の構成を示す図面である。図１８に示したＨＤＤ１８００は、スピンドルモータ１８１４によって回転される少なくとも一つのディスク１８１２を含んでいる。ＨＤＤ１８００は、ディスク１８１２の表面に隣接するように位置決めされた変換器１８１６も含んでいる。

変換器１８１６は、ディスク１８１２の磁界を感知し、かつ磁化させることによって、回転するディスク１８１２から/に情報を再生/記録できる。典型的に変換器１８１６は、各ディスク１８１２の表面に結合されている。たとえ単一の変換器１８１６として示されて説明されているとしても、これは、ディスク１８１２を磁化させるための記録用変換器とディスク１８１２の磁界を感知するための分離された読み取り用変換器とからなると理解されねばならない。読み取り用変換器は、磁気抵抗（ＭＲ：Ｍａｇｎｅｔｏ−Ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ）素子から構成される。

変換器１８１６は、スライダー１８２０に統合されうる。スライダー１８２０は、変換器１８１６とディスク１８１２の表面との間に空気軸受を生成させる構造になっている。スライダー１８２０は、ヘッドジンバルアセンブリ１８２２に結合されている。ヘッドジンバルアセンブリ１８２２は、ボイスコイル１８２６を有するアクチュエータアーム１８２４に付着されている。ボイスコイル１８２６は、ボイスコイルモータ１８３０を特定するマグネチックアセンブリ１８２８に隣接するように位置している。ボイスコイル１８２６に供給される電流は、軸受アセンブリ１８３２に対してアクチュエータアーム１８２４を回転させるトルクを発生させる。アクチュエータアーム１８２４の回転は、ディスク１８１２の表面を横切って変換器１８１６を移動させる。

情報は、典型的に、ディスク１８１２の環状トラック内に保存される。各トラック１８３４は、一般的に、複数のセクターを含んでいる。各セクターは、データフィールドと識別フィールドとを含んでいる。識別フィールドは、セクター及びトラック（シリンダー）を識別するグレーコードで構成されている。変換器１８１６は、他のトラックから／に情報を再生及び記録するためにディスク１８１２の表面を横切って移動する。

図１９は、図１８に示したＨＤＤ１８００を制御できる電気システム１９００を示す図面である。図１９に示した電気システム１９００は、リード／ライト（Ｒ／Ｗ）チャンネル回路１９４４及びプリアンプ回路１９４６によって変換器１８１６に結合されたコントローラ１９４２を含んでいる。コントローラ１９４２は、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ：Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラとなる。コントローラ１９４２は、ディスク１８１２から／に情報を再生／記録するために、読み取り／書き取りチャンネル１９４４に制御信号を供給する。情報は、典型的に、Ｒ／Ｗチャンネルからホストインターフェース回路１９５４に伝送される。ホストインターフェース回路１９５４は、パーソナルコンピュータのようなシステムにインターフェースするためのバッファメモリ及び制御回路を含んでいる。

コントローラ１９４２は、ボイスコイル１８２６に駆動電流を供給するＶＣＭ駆動回路１９４８にも結合されている。コントローラ１９４２は、ＶＣＭの励起及び変換器１８１６の動きを制御するために、駆動回路１９４８に制御信号を供給する。

コントローラ１９４２は、読み取り専用メモリ（ＲＯＭ：Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）またはフラッシュメモリ素子１９５０のような不揮発性メモリ及びランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ：Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）素子１９５２に結合されている。メモリ素子１９５０，１９５２は、ソフトウェアルーチンを実行させるためにコントローラ１９４２によって使用される命令語及びデータを含んでいる。ソフトウェアルーチンの一つとして、一トラックから他のトラックに変換器１８１６を移動させる探索制御ルーチンがある。探索制御ルーチンは、変換器１８１６を正確なトラックに移動させることを保証するためのサーバ制御ルーチンを含んでいる。一実施形態として、メモリ素子１９５０には、図１７を参照して説明される本発明による探索制御方法を行うための実行コードが保存される。

本発明は、方法、装置、システムとして実行されうる。ソフトウェアとして実行されるとき、本発明の構成手段は、必然的に必要な作業を実行するコードセグメントである。プログラムまたはコードセグメントは、プロセッサ判読可能媒体に保存され、または伝送媒体または通信網で搬送波と結合されたコンピュータデータ信号によって伝送されうる。プロセッサ判読可能媒体は、情報を保存または伝送できるいかなる媒体も含む。プロセッサ判読可能媒体の例としては、電子回路、半導体メモリ素子、ＲＯＭ、フラッシュメモリ、ＥＲＯＭ（Ｅｒａｓａｂｌｅ ＲＯＭ）、フロッピー（登録商標）ディスク、光ディスク、ハードディスク、光ファイバ媒体、無線周波数（ＲＦ：Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）網がある。

コンピュータデータ信号は、電子網チャンネル、光ファイバ、空気、電子系、ＲＦ網のような伝送媒体上に伝播されるいかなる信号も含まれる。

本発明は、図面に示された実施形態を参考として説明されたが、これは、例示的なものに過ぎず、当業者ならば、これから多様な変形及び均等な他の実施形態が可能であるということが分かる。したがって、本発明の真の技術的保護範囲は、特許請求の範囲の技術的思想によって決定されねばならない。

本発明は、ＨＤＤ関連の技術分野に適用可能である。

従来のＰＩＤ制御器の構造を示す図面である。 フィードフォワード制御の効果を示すグラフである。 プラントにおける摩擦による影響を示すための図面である。 従来のＰＩＤ及びフィードフォワード神経回路網を有する制御器の構造を示す図面である。 従来のフィードバック神経回路網を有する制御器の構造を示す図面である。 閉ループシステムのオフセットエラーを示す図面である。 本発明による制御器の構成を示すブロック図である。 図７に示された神経回路網の構成例を示す図面である。 ＬｕＧｒｅ摩擦モデルを示す図面である。 図９に示したＬｕＧｒｅ摩擦モデルを有するプラントに対する従来のＰＩＤ制御によるトラッキング軌跡の一例を示す図面である。 図９に示したＬｕＧｒｅ摩擦モデルを有するプラントに対する本発明による制御器によるトラッキング軌跡を示す図面である。 図９に示したＬｕＧｒｅ摩擦モデルを有するプラントに対する従来のＰＩＤ制御によるトラッキング軌跡の他の例を示す図面である。 従来の神経回路網によるランプトラッキング軌跡を示す図面である。 本発明の望ましい実施形態による制御器によるランプトラッキング軌跡を示す図面である。 本発明の望ましい実施形態によるサーボ制御装置をサーボトラックライターの位置制御装置に適用した例を示す図面である。 本発明の望ましい実施形態によるサーボ制御方法を適用したＨＤＤの探索制御装置の構成を示す図面である。 図１６に示した装置において、正弦波形態の位置軌跡ｒ（ｔ）、速度ｖ（ｔ）、そして加速度ａ（ｔ）を示す図面である。 本発明の望ましい実施形態によるサーボ制御方法が適用されるＨＤＤの構成を示す図面である。 図１８に示したＨＤＤを制御できる電気システムを示す図面である。

符号の説明

７０２ スプラインレファランス生成器
７０４ 神経回路網
７０６ サーボトラックライター

Claims (24)

1. プラントの出力に基づいて所定のレファレンス軌跡を追従するサーボ制御方法において、
   プラントの所望のレファレンス軌跡を表すスプライン多項式及びその導関数を準備するステップと、
   プラント入力に対するプラント出力をサンプリングするステップと、
   前記スプライン多項式からサンプリング時点に対するレファレンス信号及びその導関数信号を発生させるステップと、
   発生したレファレンス信号及びその導関数信号、遅延されたプラント入力、そして遅延されたプラント出力を所定の神経回路網に適用してサンプリング時点でのプラント入力を決定するステップと、を含み、
   前記スプライン多項式は、前記レファレンス軌跡のサンプル間の曲線をサンプル間の時間を示す相対時間因子で表現される多項式であることを特徴とするサーボ制御方法。
2. 前記多項式は、スプライン多項式であることを特徴とする請求項１に記載のサーボ制御方法。
3. 前記レファレンス軌跡は、ランプ状であり、前記多項式の次数は、１次であり、前記導関数は、０でない第１導関数を含むことを特徴とする請求項１に記載のサーボ制御方法。
4. 前記レファレンス軌跡は、矩形波形態であり、前記導関数は、０でない第１導関数（速度）及び第２導関数（加速度）を含むことを特徴とする請求項１に記載のサーボ制御方法。
5. 前記レファレンス軌跡は、正弦波形態であり、前記導関数は、所定の時間間隔に対する多項式を使用して近似化されることを特徴とする請求項１に記載のサーボ制御方法。
6. 前記スプライン多項式及びその導関数は、オフラインで決定されることを特徴とする請求項２に記載のサーボ制御方法。
7. 前記多項式及び導関数を決定するステップは、
   プラントのレファレンス軌跡を表すスプライン多項式を決定するステップと、
   プラントの特性によって要求されるスプライン信号の導関数を決定するステップと、
   を含み、
   ここで、前記多項式及び導関数は、オフラインで決定されることを特徴とする請求項１に記載のサーボ制御方法。
8. 前記レファレンス信号及びその導関数信号を発生させるステップは、オンラインで行われることを特徴とする請求項１に記載のサーボ制御方法。
9. 前記レファレンス信号及びその導関数信号をオンラインで発生させるステップは、
   サンプル間の相対時間を算出するステップと、
   前記相対時間及びスプライン多項式を参照してレファレンス信号を算出するステップと、
   導関数を使用して前記レファレンス信号の導関数信号を算出するステップと、
   を含むことを特徴とする請求項８に記載のサーボ制御方法。
10. 前記プラント入力を決定するステップは、神経回路網を利用して行われることを特徴とする請求項１に記載のサーボ制御方法。
11. 前記神経回路網は、プラント出力のエラーを最小化させる方法によってオフラインでトレーニングされることを特徴とする請求項１０に記載のサーボ制御方法。
12. 前記神経回路網は、フィードバック制御方式で動作することを特徴とする請求項１１に記載のサーボ制御方法。
13. 前記神経回路網は、フィードフォワード制御方式で動作することを特徴とする請求項１１に記載のサーボ制御方法。
14. 前記神経回路網は、フィードバック及びフィードフォワード制御方式で動作することを特徴とする請求項１１に記載のサーボ制御方法。
15. プラントの出力に基づいて所定のレファレンス軌跡を追従するサーボ制御装置において、
    スプライン多項式を用いてレファレンス信号及びその導関数信号を発生させるレファレンス信号生成器と、
    前記レファレンス信号生成器から発生するレファレンス信号及びその導関数信号、プラントの遅延された入力、そして前記プラントの遅延された出力を所定の神経回路網アルゴリズムに適用してサンプリング時点での入力を発生させる神経回路網と、を備え、
    前記スプライン多項式は、前記レファレンス軌跡のサンプル間の曲線をサンプル間の時間を示す相対時間因子で表現される多項式であることを特徴とするサーボ制御装置。
16. 前記レファレンス信号生成器は、前記プラントの望ましいレファレンス軌跡を表すスプライン多項式及びその導関数を保存し、
    サンプリング時間間隔を参照して前記レファレンス信号及び導関数信号を発生させることを特徴とする請求項１５に記載のサーボ制御装置。
17. 前記スプライン多項式及びその導関数は、オフラインで決定されることを特徴とする請求項１６に記載のサーボ制御装置。
18. 前記レファレンス軌跡は、ランプ状であり、前記多項式の次数は、１次であり、前記導関数は、０でない第１導関数を含むことを特徴とする請求項１５に記載のサーボ制御装置。
19. 前記レファレンス軌跡は、矩形波形態であり、前記導関数は、０でない第１導関数及び第２導関数を含むことを特徴とする請求項１５に記載のサーボ制御装置。
20. 前記レファレンス軌跡は、正弦波形態であり、前記導関数は、所定の時間間隔に対する多項式を使用して近似化されることを特徴とする請求項１５に記載のサーボ制御装置。
21. 前記神経回路網は、多層パーセプトロン神経回路網であることを特徴とする請求項１５に記載のサーボ制御装置。
22. 前記神経回路網は、前記プラントのエラーが最小化されるようにオフラインでトレーニングされることを特徴とする請求項２１に記載のサーボ制御装置。
23. プラントの出力に基づいて所定のレファレンス軌跡を追従するサーボ制御方法を記録したコンピュータで読み取り可能な記録媒体において、
    プラントの所望のレファレンス軌跡を表すスプライン多項式及びその導関数を準備するステップと、
    プラント入力に対するプラント出力をサンプリングするステップと、
    前記スプライン多項式からサンプリング時点に対するレファレンス信号及びその導関数信号を発生させるステップと、
    発生したレファレンス信号及びその導関数信号、遅延されたプラント入力、そして遅延されたプラント出力を所定の神経回路網に適用してサンプリング時点でのプラント入力を決定するステップと、を含み、
    前記スプライン多項式は、前記レファレンス軌跡のサンプル間の曲線をサンプル間の時間を示す相対時間因子で表現される多項式である、プログラムが記録されたことを特徴とする記録媒体。
24. サーボトラック情報を記録するライトヘッドの位置を制御する位置制御装置において、
    前記ライトヘッドの望ましい軌跡を表すレファレンス信号をスプライン多項式を用いて生成するレファレンス信号生成器と、
    前記レファレンス信号発生器から発生したレファレンス信号及びその導関数信号、前記ライトヘッドの実際位置を表す位置情報を所定の神経回路網アルゴリズムに適用して前記ライトヘッドの位置を制御するための信号を生成させる神経回路網と、を備え、
    前記スプライン多項式は、前記レファレンス軌跡のサンプル間の曲線をサンプル間の時間を示す相対時間因子で表現される多項式であることを特徴とする位置制御装置。