JP4508052B2

JP4508052B2 - サーボ制御装置及び制御パラメータ決定方法、並びに制御パラメータ決定プログラム

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Publication number: JP4508052B2
Application number: JP2005261089A
Authority: JP
Inventors: 禎之浦川
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2005-09-08
Filing date: 2005-09-08
Publication date: 2010-07-21
Anticipated expiration: 2025-09-08
Also published as: JP2007072898A

Description

本発明は、各種の光ディスクや光磁気ディスク等を用いた光学記録再生装置における光ピックアップによるレーザ光の集光位置制御、フロッピディスクやハードディスク等を用いた磁気記録再生装置における磁気ヘッドの位置を制御するためのサーボ制御装置、及びその制御方法に関する。

光ディスク記録再生装置、磁気ディスク記録再生装置では、光ピックアップのレーザ集光位置制御、若しくは磁気ヘッド位置制御のためにサーボ制御が行われる（例えば、特許文献１乃至６参照）。サーボ制御は、光ピックアップ若しくは磁気ヘッドで検出される誤差信号にサーボ制御器による制御演算を施し、これを駆動信号として光ピックアップ若しくは磁気ヘッド位置を電磁アクチュエータで駆動することで実現される。

上記サーボ制御器は、一般に、位相進み遅れ制御及び低域ブースターの直列接続で構成される。位相進み遅れ制御では高域位相を制御して安定化をはかり、低域ブースターは低域ゲインを上げて、周ブレ、偏心などの位置外乱を抑圧する。

具体的には、位相進み遅れ制御では、開ループ周波数特性のゲインが０ｄＢとなるゼロクロス周波数の目標値ｆｘの１／３に位相進み周波数を設定し、３倍に位相遅れ周波数を設定して高域位相を進ませてサーボ制御の安定化をはかり、低域ブースターでは高域位相に影響を与えない程度に低域ブースト周波数を高くして位置外乱を抑圧する。次に、開ループ周波数特性をみてゼロクロス周波数が目標とするｆｘに一致するようゲインを設定し、これらの制御パラメータをもとに微調整を行い最終的な制御パラメータを決定する、という制御が行われている。サーボ制御では、誤差信号に対して低周波成分をなるべく強調して低周波の位置ずれをできるだけ抑制することが望ましい。また、位相進み遅れ補償により、できるだけ高周波の誤差信号まで応答できることが望ましい。

そこで、制御器零点を複素数として低域ゲインを大きくする方法が提案されてきた。すなわち、上記低域ブースト周波数及び位相進み遅れ制御の位相進み周波数により決まる２つの制御器零点は、従来の制御器では自動的に実数に設定されるが、これを共役な複素零点と設定できるようにすることで更に低域ゲインを高くし位置外乱抑圧効果を高くする方法である。また、この制御器をディジタル制御システムで実現するときの制御器零点及び制御器極を極配置法より算出する方法も提案されている。制御系に含まれるむだ時間要素をサンプリング周波数の整数倍に近似して極配置式を導出することで、ディジタル制御器でもより正確に極配置を行うことができる。これらの手法により、低域ゲインが高く、より外乱に強い良好な制御を実現することができ、またこの制御パラメータを極配置演算により試行錯誤によらず算出することが可能である。

特開平４−３４５９２９号公報特開平９−２９３２５１号公報特開平３−１６８９３６号公報特開平２−２４９１３９号公報特開平２−２６３３３８号公報特開２０００−１２３３７７号公報

しかしながら、上述した制御パラメータの算出においては、上記極配置演算に基づく制御パラメータ算出式を用いる必要があり、各制御パラメータを決定する従来制御に比べてより煩雑である。また、算出される制御パラメータの意味合いが直観的にわかりづらく、誤りがあっても発見しづらい。更にむだ時間要素の大きさに応じて異なる制御パラメータ算出式を用いる必要があり煩雑である。

本発明は、上述した問題点に鑑みて案出されたものであり、制御器に複素零点をもち従来制御器に比べて高い外乱抑圧特性をもちながら、従来の位相進み遅れ制御と同様、直観的にわかりやすく意味合いが明確なサーボ制御の制御パラメータ生成するサーボ制御装置及び制御パラメータ決定方法、並びにサーボ制御装置に対して制御パラメータ決定処理を実行させるプログラムを提供することを目的とする。

本発明は、ディスク状記録媒体に対してデータを書き込み、又は当該ディスク状記録媒体に記録されているデータを読み取るための記録再生素子と、上記ディスク状記録媒体の記録面に対して上記記録再生素子を水平方向又は垂直方向へ駆動させるための駆動手段と、上記記録再生素子が記録再生を行うべき位置と実際の位置の差分に比例し、かつ上記差分信号に対応する誤差信号を検出する誤差信号を検出する誤差信号検出手段と、上記誤差信号検出手段により検出された誤差信号に対し、制御パラメータを用いて制御演算を行い、誤差信号をなるべく小さくするための制御出力を算出する制御演算手段と、上記駆動手段及び上記誤差信号検出手段及び上記制御演算手段が構成するサーボ制御系に要求されるサーボ性能を実現するための制御パラメータを算出する制御パラメータ算出手段を備え、上記制御パラメータ算出手段では、サーボ性能を表す指標である開ループ周波数特性のゼロクロス周波数から複素数の零点を算出することにより、上述した課題を解決する。

具体的には、開ループ周波数特性におけるゼロクロス周波数ｆｘから制御パラメータの暫定値を決定し、開ループ周波数特性に応じてゼロクロス周波数が目標とするｆｘに一致するようゲインを設定し、更に位相余裕に応じて微調整を行うことで最終的に良好な制御パラメータを決定する。

特に、制御パラメータ算出手段では、ゼロクロス周波数をｆｘとしたときに、制御演算手段中のフィルタが（１）式、（２）式で表される共役な零点をもち、かつ（１）式、（２）式中の零点周波数比Ａｒを０．２８〜０．３、零点角度θを１４３〜１４５度とする。

また、制御パラメータ算出手段では、ゼロクロス周波数をｆｘとしたときに、制御演算手段中のフィルタが（３）式に基づき設定される極をもち、かつ（３）式中の極周波数比Ｂｒを３〜７とする。

また、本発明に係る制御パラメータ決定方法は、駆動系の制御において、定位すべき位置と実際の位置との差分に比例し且つ差分信号に対応する誤差信号に対して制御パラメータを算出し、該制御パラメータを用いて制御演算を行って誤差信号をなるべく小さくするような駆動制御のための制御パラメータ決定方法において、サーボ制御系における開ループのゼロクロス周波数、制御器極とゼロクロス周波数の比である極周波数比、及び制御器ゲインを取得する取得ステップと、少なくとも取得されたゼロクロス周波数を用いて制御器零点を算出する第１の算出ステップと、取得された極周波数比及びゼロクロス周波数に基づいて、制御器極を算出する第２の算出ステップと、算出された制御器零点及び制御器極から算出される開ループ周波数特性を取得するステップと、開ループ周波数特性の測定結果に応じて制御器ゲインを再取得する取得ステップとを有することにより、最適な制御パラメータを決定する。

そして、第１の算出ステップでは、ゼロクロス周波数をｆｘとしたときに、下記式（１）、（２）で表される共役な零点をもち、かつ（１）式、（２）式中の零点周波数比Ａｒを０．２８〜０．３、零点角度θを１４３〜１４５度とする。

また、第２の算出ステップでは、ゼロクロス周波数をｆｘとしたときに、下記式（３）に基づき設定される極をもち、かつ（３）式中の極周波数比Ｂｒを３〜７とする。

本発明では、開ループ周波数特性におけるゼロクロス周波数ｆｘから制御パラメータの暫定値を決定し、開ループ周波数特性に応じてゼロクロス周波数が目標とするｆｘに一致するようゲインを設定する。これにより直観的にわかりやすく制御パラメータを求めることができ、誤りがあった場合にも簡単に検出することができる。次に、十分な位相余裕を実現できるよう微調整を行うことで最終的に最も良好な制御パラメータを決定する。これにより、むだ時間が異なる系に対しても同一のアルゴリズムでパラメータを決定することができる。

本発明の実施例として、図１に示す光ディスク記録再生装置３への適用例を示す。

光ディスク記録再生装置３は、光ディスク４に対してデータを書き込み、又は当該光ディスク４に記録されているデータを読み取るための記録再生素子３１と、所定の演算処理を実行することにより制御信号を出力する制御演算部１５と、上記制御演算部１５における制御関数に必要な制御パラメータを生成する制御パラメータ生成部２８とを備えている。

記録再生素子３１は、回転操作される光ディスク４の各記録層に光ビームを合焦し、光ディスク４の記録面にて反射した戻り光を検出することにより、誤差信号を生成し、これを制御演算部１５へ送信する。この記録再生装置３１は、半導体の再結合発光を利用した半導体レーザ等により構成され、所定の波長のレーザ光を出射するレーザ光源３２と、光ディスク４からの戻り光を受光してこれを光電変換する受光部３５と、このレーザ光源３２から出射されたレーザ光を光ディスク４側へ導くとともに、当該光ディスク４を反射したレーザ光をそのまま透過させてこれを受光部３５へと導く光分離部３３と、光分離部３３からのレーザ光を集光して光ディスク４の各記録層に合焦させるとともに、当該光ディスク４からの戻り光を平行光にするレンズ３４とを備え、更に自動制御装置２からの制御信号に応じて記録再生素子３１を光ディスク４の記録面に対して近接離間させる電磁アクチュエータ３６を備えている。

自動制御装置２における制御演算部１５は、受光部３５において生成された誤差信号を検出することにより、フォーカスエラー信号を生成する誤差信号検出回路５１と、誤差信号検出回路５１において生成されたフォーカスエラー信号をＡ／Ｄ変換するためのＡＤ変換部５２と、ＡＤ変換部５２においてディジタル化されたフォーカスエラー信号につき、制御パラメータ生成部２８において生成された制御パラメータを用いて所定の制御を施すことにより制御信号を生成する制御演算回路５３と、制御演算回路５３において生成された制御信号をＤ／Ａ変換するためのＤＡ変換部５４と、ＤＡ変換部５４においてディジタル化された制御信号に基づいて電磁アクチュエータ３６を駆動させるアクチュエータ駆動回路５５とを備えている。

更にこの自動制御装置２における制御パラメータ生成部２８は、制御パラメータを実際に算出する制御パラメータ算出部４１と、制御パラメータ算出部４１に対して数値設定を行う入力部４４とを備えている。

制御パラメータ算出部４１は、制御演算回路５３のそれぞれの制御関数に用いられる制御パラメータを入力部４４により指定されたゼロクロス周波数ｆｘに基づいて演算し、その演算結果を制御演算回路５３に対して出力する。

すなわち、この制御パラメータ生成部２８では、上記制御演算に必要な制御パラメータを生成する。具体的には、入力部４４において制御系開ループ伝達関数における所望のゼロクロス周波数ｆｘを入力し、制御パラメータ算出部４１において、上記入力されたゼロクロス周波数ｆｘから、後述する極配置式より算出される制御パラメータと同等の制御パラメータを近似式により簡便に算出する。この制御パラメータを制御演算回路５３へ転送することにより記録再生素子３１のサーボ制御が可能となる。

以下、制御パラメータ生成部２８において算出される極配置式について説明する。上述した構成からなる自動制御装置２を構成する制御系をディジタル制御で実現するときの制御ブロック図を図２に示す。

図２中「ｒ」（＝ｒｅｆ）は、記録再生素子３１が本来あるべき位置を表す目標位置である。「ｄ」（＝ｄｉｓ）は、目標位置に加わるディスクの周ぶれ等の外乱である。また、「ｅ」（＝ｅｒｒ）は、位置誤差を表す。この位置誤差ｅｒｒは、外乱ｄｉｓに応じて変化した記録再生素子の目標位置ｒｅｆ＋ｄｉｓと制御対象の実際の位置ｙの差ｒｅｆ＋ｄｉｓ−ｙに相当する。図２に示す制御系では、記録再生素子３１に加わる外乱ｄｉｓや実際の位置ｙは直接検出できず、誤差信号検出回路５１においてフォーカスエラー信号に対応した位置誤差ｅｒｒ＝ｒｅｆ＋ｄｉｓ−ｙを検出してサーボ制御を行う。

位置誤差ｅｒｒはサンプリングされて制御演算部Ｋ（ｚ）で制御演算が行われる。制御系の制御パラメータは、低域強調の低域カットオフ離散化角周波数ａ、低域強調の高域カットオフ離散化角周波数ｃ、位相進み離散化角周波数ｄ、位相遅れ離散化角周波数ｂ、及び制御器ゲインＫｐの５つである。この制御演算を経て１サンプリング時間後に演算結果が出力される。なお、この制御演算部Ｋ（ｚ）における演算時間遅れは、図２中のむだ時間要素に相当する。出力された演算結果は、０次ホルダを経て制御信号ｕとして出力される。０次ホルダは、図１中のＤＡ変換器５４に相当する。制御信号ｕによりアクチュエータが駆動され記録再生素子の位置ｙが決まる。制御信号ｕから記録再生素子の位置ｙへの伝達関数は、図２中の制御対象Ｐ（ｓ）で表される。また、制御対象Ｐ（ｓ）は、簡便のため２次積分要素で表す。

ここで、図２の制御系に対する従来の極配置式の算出方法の一例について述べる。図２中の制御対象Ｐ（ｓ）及び０次ホルダをｚ変換してＰ（ｚ）とし、全体を離散系で表すと図３となる。この制御系の閉ループ伝達関数は、下記式のようになる。

上記式では、分母が５次式なので極が５つ存在する。制御パラメータは、上述のように全部で５つ考えられるが、低域強調の低域カットオフ離散化角周波数ａは、制御性能とは別の要因に支配されるので、制御特性に関連する制御パラメータは実質的には４つである。４つの制御パラメータで５つの極を配置するので、１つ配置できない極が生じる。配置できる４つの極をｐ１，ｐ２，ｐ３，ｐ４とし、配置できない極の位置をｑとして、閉ループ伝達関数を表現すると下記式になる。

上記２つの式の分母が等しくなるように係数比較式を作成すると、以下のようになる。

これより、ｂ，ｃ，ｄ，Ｋｐ，ｑが算出されるように式を解くと、以下の（４）〜（１０）式の極配置式が得られる。これより、制御パラメータ算出部４１は、（４）〜（１０）式に則り、入力ｐ１，ｐ２，ｐ３，ｐ４に対し、ｂ，ｃ，ｄ，Ｋｐ，ｑを出力する演算装置で実現される。安定判定部４２は、式（１１）の真偽を判定する装置で実現される。ここで、ｐ１、ｐ２、ｐ３、ｐ４は配置したい４つの極の位置であり、ｑは自動的に決まる「配置できない極」の位置を表す。また、低域カットオフ離散化角周波数ａは、ディスク回転周波数などの要因からあらかじめ指定される。

上述の例は、図２に示すように制御系に１サンプリング時間遅れのむだ時間要素が存在する場合の極配置式だが、２サンプリング時間遅れのむだ時間要素が存在する場合、３サンプリング時間遅れのむだ時間が存在する場合についても、同様の考え方で極配置式を求めることができる。例えば、３サンプリング時間の遅れ時間要素が存在する場合の極配置式の算出について説明する。このときの制御系のブロック線図を図４に示す。図３に示した制御系と比べて、むだ時間要素が１／ｚから１／ｚ^３に変更することにより対応できる。この制御系の閉ループ伝達関数は、下記式になる。

上記式では、分母が７次式なので、極が７つ存在する。制御パラメータは１サンプリング時間の演算時間遅れをもつ場合と同様に、実質的には４つである。４つの制御パラメータで７つの極を配置するので、３つ配置できない極が生じる。配置できる４つの極をｐ１，ｐ２，ｐ３，ｐ４とし、配置できない極の位置をｑ１，ｑ２，ｑ３として、閉ループ伝達関数を表現すると下記式になる。

上記２つの式の分母式が等しくなるように係数比較式を作成すると、以下の式になる。

これより、ｂ，ｃ，ｄ，ｂ，ｃ，ｄ，Ｋｐ，Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３が算出されるように式を解くと（１２）〜（２１）式の極配置式が得られる。これにより、制御パラメータ算出部２８は、ｐ１，ｐ２，ｐ３，ｐ４を入力することで、ｂ，ｃ，ｄ，ｂ，ｃ，ｄ，Ｋｐ，Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３を算出する演算装置で実現される。また安定判別部４２は、以下に示す（２１）式の全ての根が単位円内にあるかどうかを安定判別する手段として実現される。

したがって、このような方法を用いれば、極配置式を用いて４つの極ｐ１、ｐ２、ｐ３、ｐ４を同じ位置に重ねて配置することで、外乱に強い制御系を実現する制御パラメータを算出できる。

しかしながら、算出されるパラメータの意味が直観的にわかりづらく、また（４）〜（１０）式に挙げたように極配置式の数も多く煩雑である。更に、例えば１サンプリング時間遅れのむだ時間要素をもつ制御系の制御パラメータは、前述の（４）〜（１０）式より求められるが、３サンプリング時間遅れのむだ時間要素をもつ制御系の制御パラメータに関しては、極配置式として（１４）〜（２０）式を用いる必要があり、むだ時間要素の大きさにより極配置式を選択する必要があるため煩雑である。

そこで、本発明の一実施例では、上述した制御パラメータ生成部２８において算出される制御パラメータが、直感的にわかりやすく、意味が明確で、むだ時間が異なる系に対しても同一のアルゴリズムで決定できる方法を提案する。すなわち、制御パラメータ生成部２８で開ループ周波数特性のゼロクロス周波数に基づいて複素数の零点を算出する。具体的には、４つの極ｐ１、ｐ２、ｐ３、ｐ４を同じ位置に重ねて配置する場合に限定して、極配置式から算出される制御パラメータを別の簡便な近似式で表す。

すなわち、極配置を外乱に強い制御系を実現できる位置に限定すると、算出される制御パラメータは、下記式（１）、（２）、（３）に示される近似式で表される。

この制御系の周波数特性と従来の周波数特性とを図５に示す。図５に示す実線は、本実施例における周波数特性を示し、破線は、従来の周波数特性を示す。縦軸は、レベル（ｄＢ、ｄｅｇ）、横軸は周波数（ｒａｄ／ｓ）を示している。図５（ａ）において定数ａは、低周波数成分の強調特性の下限周波数を決定し、定数ｃは、低周波数成分の強調特性の上限周波数を決定している。定数ｄは、高周波での位相進み周波数を決定し、定数ｂは、高周波での位相遅れ周波数を決定する、定数ｋは、制御系全体のゲインを決める。通常、ａ，ｂ，ｃ，ｄは、実数値をとり、ａ＜ｃ＜ｄ＜ｂである。

これに対して、本発明に係る実施例では、周波数特性を複素数で表現し、制御パラメータ生成部２８で開ループ周波数特性のゼロクロス周波数ｆｘに基づいて複素数の零点を指定する。すなわち、（１）式、（２）式を用いて、開ループ周波数特性におけるゼロクロス周波数ｆｘから制御パラメータｃｓ、ｄｓを決定し、また（３）式でＢｒ＝３としてｂｓの暫定値を決定する。この暫定値を用いて開ループ周波数特性を測定し、ゼロクロス周波数が目標とするｆｘに一致するようゲインを設定する。更に、制御器極ｂｓの微調整を行うことで最終的に最も良好な制御パラメータを決定する。これにより、直感的にわかりやすく、むだ時間が異なる系に対しても同一のアルゴリズムで制御パラメータを決定できる。

まず、ゼロクロス周波数ｆｘから制御パラメータを決定するための（１）式、（２）式、（３）式の根拠について説明する。１サンプリング時間遅れのむだ時間要素を含む場合、２サンプリング時間遅れのむだ時間要素を含む場合、３サンプリング時間遅れのむだ時間要素を含む場合の各場合について、極を４つ重ねてさまざまな周波数に配置する場合の制御パラメータを算出し表１に示す。

このとき、低域カットオフ離散化角周波数ａに対応する低域カットオフ周波数ａｓは、通常４０Ｈｚ相当程度以下であり、制御系の高域特性に大きく影響しない。例えば、サンプリング周波数１００ｋＨｚでａ＝１．０（ａｓ：０Ｈｚ相当）として極を５００Ｈｚに配置する制御パラメータを算出し、ａのみａ＝０．９９７５（ａｓ：４０Ｈｚ相当）に変更して制御したときの外乱抑圧特性を図６に示す。１００Ｈｚ以下の低い周波数は異なるが、１００Ｈｚ以上ではほとんど同一の特性が得られる。そこで、簡便のため本発明では、ａ＝１．０として制御パラメータを検討した。

実際にディスク回転周波数に応じて低域カットオフ周波数ａｓを４０Ｈｚ相当程度まで高く設定しても、図６からわかるように１００Ｈｚ以上の制御特性にはほとんど影響しない。また、ゲインＫｐは、前述のように開ループ周波数特性からゼロクロス周波数が目標とするｆｘに一致するよう設定することができるので、ここではｂ、ｃ、ｄのみ考慮する。１サンプリング時間遅れの場合の結果を表１に、２サンプリング時間遅れの場合の結果を表２に、３サンプリング時間遅れの場合の結果を表３に示す。

表１、表２、表３より、極位置（Ｈｚ）をサンプリング周波数で規格化した規格化極位置が同じであれば、サンプリング周波数が違っても算出される制御パラメータｂ、ｃ、ｄは同一となることがわかる。

したがって、サンプリング周波数や極位置周波数の絶対値ではなく、各規格化周波数での挙動を把握すれば十分であることがわかる。以降の説明ではサンプリング周波数５００ｋＨｚの例に基づいて説明するが、規格化周波数の値が同じであれば、他のサンプリング周波数でも同様であり、一般性をもって説明できることに留意されたい。

次に、極配置の周波数とゼロクロス周波数ｆｘの関係を確認する。例えばサンプリング周波数が５００ｋＨｚで極位置を１ｋＨｚとしたときの開ループ周波数特性を図７に示す。図７（ａ）は、ゲイン（ｄＢ）、図７（ｂ）は、位相を示し、それぞれ縦軸は、レベル（ｄＢ、ｄｅｇ）、横軸は周波数（ｒａｄ／ｓ）を示している。図７より、この場合、ゲインが０ｄＢとなるゼロクロス周波数ｆｘは、１．４２ｋＨｚであることが読み取れる。同様に、表１、表２、表３の各場合についての極位置とゼロクロス周波数ｆｘの関係をグラフより読み取った結果を表４に示す。グラフより読み取った位相余裕も併せて載せる。３サンプリング時間遅れの場合で極位置１２．５ｋＨｚが空欄となっているが、これは配置できない極が不安定となり、極配置不能だったためである。

制御パラメータは連続系で考慮した方が直観的にわかりやすいので、ｂ、ｃ、ｄを連続系に直し、更に周波数表現に変換してゼロクロス周波数ｆｘとの比で表現する。具体的には表１、表２、表３中のｂ、ｃ、ｄをＺ＝ｅ^ｓＴに基づいて連続系に直してｂｓ、ｃｓ、ｄｓとして表し、更に共役な零点ｃｓ、ｄｓは、（２２）式、（２３）式のように制御器の零点周波数ｆｒと零点角度θに分けて表現する。

零点周波数ｆｒとゼロクロス周波数ｆｘの比を零点周波数比Ａｒ（＝ｆｒ／ｆｘ）とし、また極ｂｓを周波数に直しゼロクロス周波数ｆｘとの比をとって極周波数比Ｂｒ（＝ｂｓ／２π・ｆｘ）として、表５、表６、表７に表示する。Ａｒ、Ｂｒいずれも、制御器パラメータをゼロクロス周波数ｆｘに対する比率で表したものであり、従来制御器での位相進み周波数、位相遅れ周波数がゼロクロス周波数ｆｘの１／３倍、３倍に設定されていることに対応するものである。ゼロクロス周波数ｆｘをサンプリング周波数で規格化した規格化ゼロクロス周波数ｆｘｎも併せて示す。

この表５、表６、表７を元に、まず（１）式、（２）式に基づいてｃｓ、ｄｓを算出する方法を説明する。表５、表６、表７の各場合のｃｓ、ｄｓを複素平面上にプロットすると、図８のようにほぼ一直線上にならぶことが確認できる。また、表と照らし合わせると、規格化ゼロクロス周波数ｆｘｎが大きいほど原点と零点との距離、すなわち零点周波数ｆｒも大きいことがわかる。

更に詳細に確認する。まず、図８にプロットしたｃｓ、ｄｓと実軸との角度、すなわち（２２）式、（２３）式での零点角度θを図９にグラフ化する。規格化ゼロクロス周波数ｆｘｎが変化しても１４３°〜１４５°の範囲でほぼ一定値となる。そこで、今回提案する本発明に係る制御パラメータの調整法では、規格化ゼロクロス周波数ｆｘｎがどのような場合でも制御器零点は常に実軸から１４３°〜１４５°の直線上に存在するようパラメータを決定する。ここでは例えば１４４°とする。次に、零点周波数比Ａｒについて図１０にグラフを示す。これも規格化ゼロクロス周波数ｆｘｎが変化しても０．２８〜０．３の範囲でほぼ一定である。そこで今回提案する制御パラメータ決定法では、規格化ゼロクロス周波数ｆｘｎがどのような場合でも、零点周波数ｆｒは、ゼロクロス周波数ｆｘの０．２８〜０．３倍とする。ここでは例えば０．２８８倍とする。

以上より、制御器零点ｃｓ、ｄｓは、零点周波数比Ａｒ＝０．２８８、零点角度θ＝１４４°としてゼロクロス周波数ｆｘより（１）式、（２）式で近似的に算出できる。

次に、（３）式に基づいて簡便にｂｓの暫定値を決定する方法について説明する。極周波数比Ｂｒを図１１にプロットする。規格化ゼロクロス周波数ｆｘｎが小さいとき、ｂｓは、ｆｘのほぼ３倍でＢｒ＝３程度だが、規格化ゼロクロス周波数ｆｘｎが大きくなる、若しくはむだ時間要素が大きい場合、Ｂｒが大きくなり、Ｂｒ＝７程度まで大きくなることがわかる。これは位相遅れの影響軽減のため、極配置式ではｂｓが大きく算出されるためと考えられる。逆に言えば、本発明に係る制御パラメータ決定法では位相遅れの影響を十分軽減できる程度にＢｒを大きく設定すればよいと考えられる。そこでＢｒは暫定値を３として開ループ周波数特性を測定し、位相余裕が十分確保できるところまで調整して大きくすることとする。ただし、余り大きいと高域ノイズが大きくなる。図１１にあるようにＢｒ＝３〜７が現実的な範囲と考えられる。

どの程度の位相余裕があれば十分かを確認するため、規格化ゼロクロス周波数ｆｘｎと各場合の位相余裕の関係を図１２にプロットする。４２°から３２°の範囲にあることがわかる。これより、場合によっては位相余裕３２°でも閉ループの極を実軸上に配置できることがわかる。以上より、ｂｓの決定法としては、暫定値をＢｒ＝３としてサーボをかけ、閉ループ周波数特性を測定して位相余裕が小さければ４２°〜３２°になるよう、Ｂｒを大きくする。Ｂｒ＜７の範囲で大きくしても位相余裕を３２°より大きくできない場合は、そのゼロクロス周波数ｆｘでは制御パラメータ算出不能とし、ｆｘを小さくする。

以上より本発明に係る制御パラメータ決定法のアルゴリズムは以下のようになる。
１）実現したいゼロクロス周波数ｆｘを決定し、零点周波数比Ａｒ＝０．２８８、零点角度θ＝１４４°として（１）式、（２）式からｃｓ、ｄｓを決定する。
２）極周波数比Ｂｒ＝３としてｂｓ＝Ｂｒ・２πｆｘより制御器極を決定する。
３）ディジタル制御器を求めてサーボをかけ、ゼロクロス周波数がｆｘとなるよう制御器ゲインＫｐを調整する。
４）位相余裕を測定し、十分でなければ位相余裕が３２°以上となるまでＢｒを次第に大きくする。Ｂｒが７以下の範囲で位相余裕３２°が確保できない場合はゼロクロス周波数ｆｘを小さくする。

このアルゴリズムを図１に示すサーボ制御系で実現するときのフローチャートを図１３に示す。まず、ステップＳ１において、ディスク回転周波数等から制御器の低域カットオフ周波数ａｓが決定される。次に、ステップＳ２において、制御パラメータ生成部２８の入力部４４からａｓを取得する。次に、ステップＳ３において、目標とするゼロクロス周波数ｆｘを決定する。次に、ステップＳ４において、入力部４４からｆｘを取得する。次に、ステップＳ５において、制御パラメータ生成部２８の制御パラメータ算出部４１は、（１）式、（２）式に基づき制御器零点ｃｓ、ｄｓを決定する。次にステップＳ６において、暫定値を決定する。ここでは、暫定値としてＢｒ＝３とする。ステップＳ７において、決定した暫定値Ｂｒ（＝３）を取得する。続いて、ステップＳ８において、制御パラメータ算出部４１は、（３）式に基づきｂｓを算出する。算出及び入力されたａｓ、ｂｓ、ｃｓ、ｄｓをステップＳ９においてサンプリング周波数に応じて離散化し、ディジタル制御器の制御パラメータａ、ｂ、ｃ、ｄを算出する。ステップＳ１０において、制御器ゲインＫｐの暫定値を入力部４４から取得する。またステップＳ１１において、制御パラメータａ、ｂ、ｃ、ｄ、Ｋｐを制御パラメータ生成部２８から制御演算回路５３に転送する。次に、ステップＳ１２において、サーボをかけて開ループ周波数特性を測定する。ステップＳ１３において、測定した開ループ周波数特性のゼロクロス周波数が目標とするゼロクロス周波数ｆｘに一致するよう制御器ゲインＫｐを決定する。そして、ステップＳ１４において、開ループ周波数特性から位相余裕を確認し、余裕が十分（４２°から３２°）あれば（ステップＳ１４、ｙｅｓ）、このときの制御パラメータを最終的な制御パラメータとして決定する。また、位相余裕が十分でない（３２°未満）場合（ステップＳ１４、ｎｏ）、ステップＳ１５において、Ｂｒの値を大きく設定する。そして、ステップＳ１６において（３）式よりｂｓを算出して開ループ周波数特性を測定し、位相余裕が十分になるまで繰り返す。ただし、ステップＳ１６において、Ｂｒが７を超える値になっても位相余裕３２°が確保できない場合には、目標とするゼロクロス周波数ｆｘが不適であるため、ステップＳ１７において、ｆｘを小さくして再度繰り返す。

以上のように、本発明では、開ループ周波数特性におけるゼロクロス周波数ｆｘから制御パラメータの暫定値を決定し、開ループ周波数特性に応じて、ゼロクロス周波数が目標とするｆｘに一致するようゲインを設定する。これにより、直観的にわかりやすい制御パラメータを求めることができ、制御パラメータが不適当であった場合にも簡単に検出することができる。また、十分な位相余裕を実現できるよう微調整を行うことで最終的に最も良好な制御パラメータを決定する。これにより、むだ時間が異なる系に対しても同一のアルゴリズムでパラメータを決定することができる。

本発明の実施例として示す光ディスク記録再生装置のサーボ制御系を含む全体を説明する構成図である。本発明の実施例として示す自動制御装置を構成する制御系をディジタル制御で実現するときの構成図である。上記図２において制御対象Ｐ（ｓ）及び０次ホルダをｚ変換してＰ（ｚ）とし、全体を離散系で表す制御系を示す構成図である。上記図３において３サンプリング時間遅れのむだ時間が存在する場合の制御系を表す構成図である。本発明の一実施例として示す制御系の周波数特性を説明する特性図である。低域カットオフ離散化角周波数ａを変えたときの外乱抑圧特性を示す特性図である。極位置を１ｋＨｚとしたときの開ループ周波数特性を示す特性図である。１，２，３サンプリング時間遅れの各場合の制御器零点ｃｓの複素平面上の位置を示す図である。１，２，３サンプリング時間遅れの各場合の制御器零点の零点角度を示す図である。１，２，３サンプリング時間遅れの各場合の制御器零点の零点周波数に対するゼロクロス周波数の比Ａｒの関係を示す図である。１，２，３サンプリング時間遅れの各場合の制御器極ｂｓに対するゼロクロス周波数の比Ｂｒの関係を示す図である。１，２，３サンプリング時間遅れの各場合の規格化零クロス周波数に対する位相余裕の関係を示す図である。本発明の一実施例として示す制御系における制御パラメータ決定処理を説明するフローチャートである。

符号の説明

２記録再生部、３光ディスク記録再生装置、４光ディスク、３１記録再生素子、１５制御演算部、２８制御パラメータ生成部、３２レーザ光源、３５受光部、３３光分離部、３４レンズ、３６電磁アクチュエータ、５２ＡＤ変換部、５３制御演算回路、５４ＤＡ変換部、５５アクチュエータ駆動回路

Claims

ディスク状記録媒体に対してデータを書き込み、又は当該ディスク状記録媒体に記録されているデータを読み取るための記録再生素子と、
上記ディスク状記録媒体の記録面に対して上記記録再生素子を水平方向又は垂直方向へ駆動させるための駆動手段と、
上記記録再生素子が記録再生を行うべき位置と実際の位置の差分に比例し、かつ上記差分信号に対応する誤差信号を検出する誤差信号を検出する誤差信号検出手段と、
上記誤差信号検出手段により検出された誤差信号に対し、制御パラメータを用いて制御演算を行い、誤差信号をなるべく小さくするための制御出力を算出する制御演算手段と、
上記駆動手段及び上記誤差信号検出手段及び上記制御演算手段が構成するサーボ制御系に要求されるサーボ性能を実現するための制御パラメータを算出する制御パラメータ算出手段を備え、
上記制御パラメータ算出手段では、サーボ性能を表す指標である開ループ周波数特性のゼロクロス周波数から複素数の零点を算出する
サーボ制御装置。
上記制御パラメータ算出手段では、上記ゼロクロス周波数をｆｘとしたときに、制御演算手段中のフィルタが（１）式、（２）式で表される共役な零点をもち、かつ（１）式、（２）式中の零点周波数比Ａｒを０．２８〜０．３、零点角度θを１４３〜１４５度とする請求項１記載のサーボ制御装置。
上記制御パラメータ算出手段では、上記ゼロクロス周波数をｆｘとしたときに、制御演算手段中のフィルタが（３）式に基づき設定される極をもち、かつ（３）式中の極周波数比Ｂｒを３〜７とする請求項１に記載のサーボ制御装置。
駆動系の制御において、定位すべき位置と実際の位置との差分に比例し且つ差分信号に対応する誤差信号に対して制御パラメータを算出し、該制御パラメータを用いて制御演算を行って誤差信号をなるべく小さくするような駆動制御のための制御パラメータ決定方法において、
サーボ制御系における開ループのゼロクロス周波数、制御器極とゼロクロス周波数の比である極周波数比、及び制御器ゲインを取得する取得ステップと、
少なくとも上記取得されたゼロクロス周波数を用いて制御器零点を算出する第１の算出ステップと、
上記取得された極周波数比及びゼロクロス周波数に基づいて、制御器極を算出する第２の算出ステップと、
上記算出された制御器零点及び制御器極から算出される開ループ周波数特性を取得するステップと、
上記開ループ周波数特性の測定結果に応じて制御器ゲインを再取得する取得ステップと
を有する制御パラメータ決定方法。
上記第１の算出ステップでは、上記ゼロクロス周波数をｆｘとしたときに、（１）式、（２）式で表される共役な零点をもち、かつ（１）式、（２）式中の零点周波数比Ａｒを０．２８〜０．３、零点角度θを１４３〜１４５度とする請求項４記載の制御パラメータ決定方法。
上記第２の算出ステップでは、上記ゼロクロス周波数をｆｘとしたときに、（３）式に基づき設定される極をもち、かつ（３）式中の極周波数比Ｂｒを３〜７とする請求項４記載の制御パラメータ決定方法。
上記取得した上記開ループ周波数特性のゼロクロス周波数が目標とするゼロクロス周波数ｆｘに一致するよう制御器ゲインを調整するステップを有する請求項４記載の制御パラメータ決定方法。
上記開ループ周波数特性から位相余裕を確認し、位相余裕が４２°から３２°の間であれば、このときの上記ゼロクロス周波数、上記極周波数比、及び上記制御器ゲインを制御パラメータとして決定する請求項４記載の制御パラメータ決定方法。
上記式（３）においてＢｒが７を超えても位相余裕４２°から３２°が確保できない場合には、開ループ周波数特性におけるゼロクロス周波数ｆｘのゲインを小さくして制御パラメータの設定を繰り返す請求項８記載の制御パラメータ決定方法。
ディスク状記録媒体に対してデータを書き込み、又は当該ディスク状記録媒体に記録されているデータを読み取るために、ディスク状記録媒体の記録面に対して記録再生素子を水平方向又は垂直方向へ駆動させる駆動制御において、コンピュータ制御により、記録再生素子が記録再生を行うべき位置と実際の位置の差分に比例し且つ差分信号に対応する誤差信号に対して制御パラメータを算出し、該制御パラメータを用いて制御演算を行い、誤差信号をなるべく小さくするための制御出力を行うサーボ制御装置に対して、
サーボ制御系における開ループのゼロクロス周波数、制御器極とゼロクロス周波数の比である極周波数比、及び制御器ゲインを取得する取得ステップと、
少なくとも上記取得されたゼロクロス周波数を用いて制御器零点を算出する第１の算出ステップと、
上記取得された極周波数比及びゼロクロス周波数に基づいて、制御器極を算出する第２の算出ステップと、
上記算出された制御器零点、及び制御器極から開ループ周波数特性を測定結果を取得するステップと、
上記開ループ周波数特性の測定結果に応じて、制御器ゲインを再取得する取得ステップと
を有する制御パラメータ決定処理を実行させる制御パラメータ決定プログラム。