JPH03233608A - 位置決め制御方式 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔概要〕 磁気ディスク装置等のファイル装置やロボット等の精密
位置決めを必要とする装置に於ける位置決め制御方式に
関し、 振動による位置決め誤差の増大を抑圧し、位置決め精度
を向上させることを目的とし、被制御部と、該被制御部
を移動させて位置決めを行う駆動部と、前記被制御部の
位置を測定する位置測定部と、前記駆動部を制御する制
御部とを有する装置に於いて、前記位置測定部の為の位
置基準点を持つ系を機械振動モデルとして表現し、該機
械振動モデルと前記駆動部を含む駆動部モデルとを制御
対象モデルとして前記制御部に形成し、前記位置基準点
を持つ系が振動する状況を、その時点に於ける被制御部
の位置測定部による測定位置と、前記制御対象モデルに
よる推定位置との差を用いて逐次修正しながら、前記制
御対象モデルにより位置基準点を持つ系の運動の推定値
を求め、該推定値により前記駆動部に加える駆動信号を
補正して、前記位置基準点を持つ系の振動に追従して位
置決め制御を行うように構成した。

（産業上の利用分野〕 本発明は、磁気ディスク袋置等のファイル装置やロボッ
ト等の精密位置決めを必要とする装置に於ける位置決め
制御方式に関するものである。

ファイル装置に於いては、大容量化に従って高密度化並
びに高速アクセス化が要求され、ヘッド部の位置決めの
高精度化が要求されている。又プリンタ装置のヘッド部
，数値制御工作機械に於ける工具，ロボットのアーム等
に於いても、機械振動による位置決め精度が問題となり
、その解決策が要望されている。

〔従来の技術〕

磁気ディスク装置は、例えば、第５図の概略断面図．第
６図の要部上面図及び第７図の支持機構に示すように、
筺体６ｌ内に、スピンドル５１に固定された単一或いは
複数の磁気ディスク５２と、磁気ディスク５２に対して
データの書込み又は読出しを行う磁気ヘッド５５と、磁
気ディスク５２上に磁気ヘッド５５を位置決めする為の
アクチュエータ５８とを備えている。この筐体６１は、
第７図に示すように、フレーム７１等のベースに対して
防振ゴム７２等の弾性体により支持されている。なお、
５３はスピンドルモータ、５３Ａは回転子、５３Ｂは固
定子、５４は軸受、５６は支持ばね機構、５７はへラド
アーム、５８Ａは回転子、５８Ｂは固定子、５９は回転
軸、６０は軸受である。

スピンドルモータ５３により磁気ディスク５２を固定し
たスピンドル５１は例えば３６００ｒｐｍの一定回転数
で回転され、アクチュエータ５８の回転子５８Ａのコイ
ルに駆動電流を供給することにより、アクチュエータ５
８の回転軸５９を中心にしてヘッドアーム５７が回動し
、磁気ヘッド５５を磁気ディスク５２上の指令位置に位
置決めされる。又外部からの振動等に対しては、防振ゴ
ム７２により筺体６１に加えられる振動等を緩和するこ
とになる。

前述の磁気ディスク装置に於ける磁気ディスク５２上の
指令位置に磁気ヘッド５５を位置決めする場合の変動要
因として、磁気ヘッド５５に作用する風力，Ｍ１気ヘッ
ド５５と固定部分の制御回路等との間を接続する為のリ
ード線を形成したフレキシブル・プリント板の曲げによ
る力．アクチュ工一夕５８の軸受６０の摩擦力等がある
。

このような比較的定常的な外力に対しては、例えば、メ
モリにアクチュエータ５８の制御位置対応に前述の外力
を記憶しておき、アクチュエータ５８を駆動する時に、
メモリから読出した外力を打ち消すような力に対応した
制御信号を用いることにより、比較的定常的な外力に対
しては補正することができる。

又磁気ディスク５２は、筺体６１に対して回転可能に支
持されているが、筐体６１の振動に対して磁気ディスク
５２の中心も筺体６１と一体的に振動することになる。

これに対して、磁気ヘッド５５は、筺体６１に回動可能
に支持されたアクチュエータ５８のへラドアーム５７に
支持されているから、筺体６１の振動とは異なる動きを
することになる。従って、筺体６１の振動により、磁気
ヘッド５５と磁気ディスク５２の指令位置との相対位置
がずれることになる。即ち、位置決め誤差が生じること
になる。

第８図は従来例の制御系の説明図であり、アクチュエー
タ５８の駆動電流をｉとすると、加速度αは、１ｘ（Ｂ
ｊ２／ｍ）となる。なお、ｍはアクチュエータ５８の質
量である。又ラプラス演算子をＳとして、速度Ｖは、α
／Ｓ、位置Ｘはｖ／ｓとなり、この位置Ｘを指令された
位置となるように、駆動電流ｉが制御されることになる
。従って、アクチュエータ５８のみを考慮して制御する
ものであった。

又筺体６１の振動による影響を打ち消す為に、筐体６１
に加速度センサを設け、この加速度センサの検出信号を
用いる構成が知られている。

又光デイスク装置等の他のファイル装置についても、光
学ヘッド等のヘッド部の位置決め制御については、磁気
ディスク装置と同様な構成を有するものである。

〔発明が解決しようとする問題点〕

ファイル装置の筐体は、例えば、第７図に示すように、
防振ゴム７２等の弾性体により支持されるもので、この
筐体と弾性体とにより構成される系は、成る固有の共振
周波数を持つことになり、筐体に外力が与えられると、
弾性体によって緩和されるが、共振周波数の振動成分が
残留振動して残ることになる。その為に、筐体と一体的
に振動するディスクと、異なる動きをするヘッド部との
間の相対位置がずれることになる。

従って、筐体に外力が作用した時、又はアクチュエータ
の運動の反力が筐体に作用した時に、筐体が振動してデ
ィスクとヘッド部との相対位置誤差が大きくなり、位置
決め精度が低下する欠点があった。

このような筐体の振動による影響を除（為に、加速度セ
ンサを設ける従来例の構成に於いては、加速度センサ及
び周辺回路を付加しなければならず、余分のスペースを
必要とすると共に、コストアンプとなる欠点があり、小
型、低価格のファイル装置には通用することが困難であ
った。

又筐体の振動は、防振ゴム７２等による防振機構を有す
ることによって生じる場合だけではなく、他の原因によ
り生じる場合もあり、例えば、スピンドル軸受の弾性力
によっても生じる場合もある。

又磁気ディスク装置のみでなく、他の位置決めを必要と
するプリンタ装置のヘッド部、半導体装置の製造装置等
に於けるＸＹステージ５数値制御工作機械等に於ける工
具、ロボットのアーム等の各種の精密位置決めを必要と
する装置に於いては、各種の振動により位置決め精度が
低下する欠点があった。

本発明は、振動による位置決め誤差の増大を抑圧し、位
置決め精度を向上させることを目的とするものである。

〔課題を解決するための手段〕

本発明の位置決め制御方式は、制御対象のモデルにより
推定した位置や加速度等の推定値を基に被制御部の位置
決め制御を行うものであり、第１図を参照して説明する
。

磁気ヘッドやプリンタヘッド等のヘッド部やロボットの
アーム等の被制御部１と、この被制御部ｌを移動させて
位置決めを行うモータ等の駆動部２と、被制御部１の位
置を測定する位置測定部３と、駆動部２を制御する制御
部４とを有する装置に於いて、位置測定部３の為の位置
基準点を持つ系５を機械振動モデル７として表現し、こ
の機械振動モデル７と、駆動部２を含む駆動部モデル６
とを制御対象モデル８として、制御部４に形成し、位置
基準点を持つ系５が振動する状況を、その時点に於ける
被制御部１の位置測定部３による測定位置と、制御対象
モデル８による推定位置との差を用いて逐次修正しなが
ら、制御対象モデル８により位置基準点を持つ系５の運
動の推定値を求め、この推定値により駆動部２に駆動信
号形成部９から加える駆動信号を補正して、位置基準点
を持つ系５の振動に追従して位置決め制御を行うもので
ある。

又回転記録媒体を構成するディスクと、このディスク上
に位置決めされてデータの書込み又は読出しを行うヘッ
ド部と、このヘッド部を移動させて位置決めする為のア
クチュエータとを備え、ディスクとヘッド部とアクチュ
エータとが筐体により支持され、且つアクチュエータを
駆動制御する制御部を有するファイル装置に於いて、筐
体の機械振動を機械振動モデルとして表現し、この機械
振動モデルとアクチュエータを含む駆動部モデルとを制
御対象モデルとして制御部に形成し、筐体が振動する状
況を、その時点に於けるヘッド部の測定位置と、制御対
象モデルによる推定位置との差を用いて逐次修正しなが
ら、制御対象モデルにより筐体の運動の推定値を求め、
この推定値によりアクチュエータに加える駆動信号を補
正して、筐体の振動に追従して位置決め制御を行うもの
である。

又制御部は、ヘッド部からの信号によりヘッド部の位置
を測定する位置測定部と、駆動信号形成部とを有し、位
置測定部による測定位置と、制御対象モデルによる推定
位置との差を基に、制御対象モデルの推定位置を補正す
ると共に、筐体の運動の推定値を求め、この推定値を用
いてアクチュエータに加える駆動信号を補正するように
駆動信号形成部を制御するものである。

〔作用〕

位置測定部３は、系５の位置基準点を基に被制御部１の
位置を測定し、又制御部４に形成した制御対象モデル８
は、被制御部ｌの位置を推定し、測定位置と推定位置と
の差により推定位置を逐次補正し、系５の運動による位
置、速度、加速度等を推定する推定値を求める。この推
定値を基に系５の振動に追従するように、駆動信号形成
部９から駆動部２に加える駆動信号を補正する。それに
より、系５の振動による被制御部１の位置誤差を小さく
するように制御することができる。

又ファイル装置に適用した場合には、ヘッド部が被制御
部１に相当し、アクチュエータが駆動部２に相当し、ヘ
ッド部の読取信号を基に位置を測定する部分が位置測定
部３に相当し、筐体が位置の基準点を持つ系５に相当す
る。そして、ヘッド部の測定位置と、制御対象モデルに
よるヘッド部の推定位置との差を用いて推定位置を逐次
修正しながら、制御対象モデルにより筐体の運動による
推定速度、推定加速度、推定外力等の推定値を求め、こ
の推定値を基にアクチュエータに加える駆動信号を補正
するもので、筐体の振動によっても、ディスク１とヘッ
ド部２との相対位置誤差を小さくすることができる。

〔実施例〕

以下図面を参照して本発明の実施例について詳細に説明
する。

第２図は本発明の実施例のブロック図であり、磁気ディ
スク装置等のファイル装置に適用した場合を示す。同図
に於いて、１１は磁気ディスク等のディスク、１２はヘ
ッド部、１２ａはディスク１１のサーボ情報を読取るサ
ーボヘッド、１２ｂはデータの書込み或いは読出しを行
うデータヘッド、１３はアクチュエータ、１４はディス
クを一定速度で回転させる為のスピンドルモータ、１５
はサーボ系制御回路、１６．１７は増幅器、１８はサー
ボ信号の復調回路、１９はＡＤ変換器（Ａ／Ｄ）、２０
はＤＡ変換器（Ｄ／Ａ）　、２１はマイクロプロセッサ
（ＭＰＵ）、２２はディスクコントローラ、２３はデー
タの書込み又は読出しの制御を行うリード・ライト制御
回路、２４はモータ制御回路、２５は外部装置との間の
インタフェース回路である。

このインタフェース回路２５は、ホストコンビュータ等
との間でデータの送受信を行うものであり、又ディスク
コントローラ２２は、ファイル装置内の各部を制御する
と共に、ディスクｌｌ上のトランク位置等を指定して、
データの書込み又は読出しを制御するものである。

ディスク１１は、スピンドルモータ１４により回転され
、そのスピンドルモータ１４は、モータ制御回路２４に
より一定速度となるように制御される。又サーボヘッド
１２ａからのサーボ信号は、増幅器１６により増幅され
、復調回路１８により復調されて、ＡＤ変換器１９によ
りディジタル信号に変換され、マイクロプロセッサ２１
に加えられる。

マイクロプロセッサ２１は、サーボ信号によりへ、ド部
１２の現在トラック位置を認識し、指令されたトラック
位置へヘッド部１２を移動させる為の制御信号を出力す
るものであり、この制御信号は、ＤＡ変換器２０により
アナログ信号に変換され、増幅器１７により増幅されて
アクチュエータ１３に加えられる。

ヘッド部１２の位置決めが終了すると、ライトモードの
場合は、上位装置からインタフェース回路２５を介して
ディスクコントローラ２２に加えられたデータが、リー
ド・ライト制御回路２３を介してデータヘッド１２ｂに
加えられて、ディスク１１の指令トラックに書込まれる
。又リードモードの場合は、データヘッド１２ｂにより
読出されたデータがリード・ライト制御回路２３を介し
てディスクコントローラ２２に加えられ、インタフェー
ス回路２５を介して上位装置に転送される。

ディスク１１とヘッド部１２とアクチュエータ１３とス
ピンドルモータ１４とは、筐体（図示せず）内に収納さ
れ、その筐体は、前述のように防振ゴム等の弾性体によ
り支持されている。従って、筐体と弾性体とにより構成
される系は、成る共振周波数を有するものとなる。この
ような筐体を含む系を機械振動モデルとして表現し、こ
の機械振動モデルと、アクチュエータ１３を含む駆動部
モデルとを制御対象モデルとして、マイクロプロセンサ
２１のプログラムにより形成しておくものである。

そして、厘体がアクチュエータ１３の運動による反力を
受けて振動する状況又は筐体が外力を受けて振動する状
況を、その時点のヘッド部１２のサーボ信号による測定
位置と、制御対象モデルによる推定位置との差を用いて
推定位置を修正しながら、制御対象モデルにより筐体の
加速度を推定値の一つとして求めるものである。即ち、
加速度センサを設けなくても、筐体の加速度を求めるこ
とができることになる。

アクチュエータ１３によるヘッド部１２の位置をＸ、ヘ
ッド部１２の速度をｖ１アクチュエータ電流Ｕで駆動し
た時、ラプラス演算子をＳとして、ｓ　ｘ　＝　ｖ　　
　　　　　　　　　　　　−（１）となる。

固体は、アクチュエータ１３の運動による反力を受ける
ものであり、又前述のように筐体は防振ゴム等の弾性体
で支持されるから、この系の共振角周波数をω。とじた
時、２次の共振系とすると、減衰定数をことして、 で表される応答を示すことになる。なお、Ｍはアクチュ
エータ１３の質量ｍを含む筐体全体の質量である。この
時の筐体の移動量をＸ□、運動速度をＶＤ！、筐体に作
用する外力の大きさをｆとすると、 Ｓ　Ｉ　ＤＥ　＝　Ｖ　ＤＥ　　　　　　　　　　　　
　　−−（４）ｆ Ｓ　ＶＤ！＝　　（Ｌ）０２ＸＤＥ　　２ζω＠　　Ｘ
、Ｅ　−−ｕよ−　　　　　　　　　　　　　　　　　
・・−・（５）となる。これより、オフトラック量ｙは
、ｙ　＝　ｘ　＋　ｘ　ｏｔ　　　　　　　　　　　　
　　−−−−（６）となる。

又筐体に作用する外力の大きさｆは、時間に関して一定
であるとすると、 ５ｆ＝ｏ　　　　　　　　　　　　　　　　・−（７）
となる。

前述の各式を用いてマイクロプロセッサ２１に於いて演
算し、各変数の値を求める。

各サンプリング時刻毎のアクチュエータ１３と筐体との
それぞれの移動した距離と速度とを求めて、筐体の加速
度α、を次式で求める。

・・−（８） この場合、筐体に外力が作用しない場合は、ｆ＝０とし
て、アクチュエータ１３の運動の反力による筐体の加速
度を求めることなる。又サーボ信号を得る為のサンプリ
ング周期に比較して、充分に長い周期の外乱振動の場合
には、数サンプリング周期内では、外力の大きさｆは一
定と見做せるから、低周波の外乱振動に対しても推定で
きることになる。

前述の数式で表される制御対象モデルを第３図に示す。

即ち、アクチュエータ１３の駆動電流ｉにより、アクチ
ュエータ１３の加速度α、速度Ｖ及び位置χは、それぞ
れα＝（Ｂ！・ｉ）／ｍ、ｖ＝α／ｓＳ　ｘ＝ｖ／ｓと
なる。

又筺体の加速度α、は前述の（８）式、速度ＶＤＥは、
Ｖ（Ｈ−αｏＥ／Ｓ、位置ＸＤＥは、Ｘ　ｏｔ＝　Ｖ　
ＤＥ／　Ｓとなる。そして、オフトラック量ｙが（６）
式により求められるから、このオフトラック量ｙが零と
なるように、アクチュエータ１３に駆動信号を加えるこ
とになる。

第４図は本発明の実施例のフローチャートであり、マイ
クロプロセッサ２１に形成した制御対象モデルにより、
時刻Ｔｋ（サンプリング時刻）でのヘッド部１２の位置
推定を行い（ａ）、その時刻になったか否かを判定しい
）、その時刻Ｔｋとなった時は、サーボヘッド１２ａに
より読出したサーボ信号を基に、現在位置の測定を行い
（Ｃ）、制御電流値を計算する（ｄ）と共に、筐体４に
働く外力を推定する。その場合に、前述のように、測定
された現在位置と制御対象モデルによる推定位置との差
に基づいて筐体の加速度を求め、次の推定位置を求める
為に、測定された現在位置によって制御対象モデルによ
る推定位置を修正する（ｅ）。そして、外力による影響
を打ち消すような補正電流を計算しげ）、制御電流値と
補正電流値とを基に駆動信号を出力しく６）、時刻Ｔｋ
のｋを、ｋ＝に＋１とする（ｈ）。

そして、ステップ（ａ）に戻る。

前述の実施例に於ける厘体の推定加速度αは、（ｒ＝に
１　　Ｘｏｔ＋Ｋｘ　ＶＩＥ＋に２　ｕ　＋　Ｋａ　ｆ
　ＤＩ（９） と表すことができる。なお、Ｋ１−に４は係数、ｆＤＥ
は外力である。この加速度αを用いてアクチュエータ１
３に加える駆動信号Ｕを補正する時、基になる駆動信号
に対してにαの補正量を加えることになる。即ち、 ｕ＝（基になる駆動信号）＋にα ＝（基になる駆動信号）＋ｋＫ＋Ｘａｔ＋　ｋ　Ｋｚ　
ＶＤＥ＋　ｋ　Ｋｚ　ｕ　＋　ｋ　Ｋａ　　ｆａｔＯ［
Ｄ となる、この場合、推定加速度αを推定値として補正量
を求める場合を示すが、各項の係数にとはそれぞれ異な
る係数Ｌｌ−Ｌ４として駆動信号Ｕを求めることもでき
る。即ち、 ｕ＝（基になる駆動信号）＋ＬＩＩＤＥ＋　Ｌ、ｚ　Ｖ
ＤＥ＋　Ｌ２　ｕ　＋Ｌａ　ｆ　Ｉｌｔ　　’−’（Ｉ
ｆ）となる。これは、１サンプリング前の筐体の位置Ｉ
ＤＥ、筐体の速度ｖｌｌＥ、駆動信号Ｕ、筐体に作用す
る外力ｆＥＩＥにそれぞれ係数を乗算して加算した値を
補正量とする場合を示し、厳密な意味の推定加速度とは
異なる推定値を用いることができることを示すものであ
る。

前述の実施例は、主として磁気ディスク装置について説
明しているが、光デイスク装置等の他のファイル装置に
対しても適用することができるものであり、又プリンタ
装置のヘッド部の位置決めに於いても、振動による位置
決め誤差が問題となるから、前述の実施例を通用するこ
とができる。

又半導体集積回路等の製造装置に於けるＸＹステージの
位置決め、数値制御（ＮＣ）工作機械の工具等の位置決
め、ロボットのアーム等の位置決め等の各種の高精度の
位置決め制御に対して通用できるものである。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明は、ヘッド部１２やロボッ
トアーム等の被制御部１と、アクチュエータ１３等の駆
動部２と、サーボ信号等による位置測定部３と、マイク
ロプロセッサ２１を含む制御部４とを有する装置に於い
て、位置測定部３の為の位置基準点を持つ筐体等を含む
系５を機械振動モデル７として表現し、この機械振動モ
デル７と駆動部２を含む駆動部モデル６とを制御対象モ
デル８として制御部４のプログラムに形成し、系５の振
動状況を、測定位置と制御対象モデル８による推定位置
との差を基に修正しながら、系５の運動による推定加速
度等の推定値を求め、この推定値により駆動部２に加え
る駆動信号を補正するものであり、筐体等を含む系５の
外力或いは内部の運動の反力による振動が発生しても、
その振動に追従して被制御部１を制御することができる
がら、被制御部１の位置決め精度を向上することができ
る。

又加速度センサ等を設ける必要がないので、高記録密度
の小型且つ廉価なファイル装置やプリンタ装置等にも容
易に適用することができる利点がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の原理説明図、第２図は本発明の実施例
のブロンク図、第３図は本発明の実施例の制御対象モデ
ルの説明図、第４図は本発明の実施例のフローチャート
、第５図は磁気ディスク装置の概略断面図、第６図は磁
気ディスク装置の要部上面図、第７図は磁気ディスク装
置の支持機構の説明図、第８図は従来例の制御系の説明
図である。 １は被制御部、２は駆動部、３は位置測定部、４は制御
部、５は位置基準点を持つ系、６は駆動部モデル、７は
機械振動モデル、８は制御対象モデル、９は駆動信号形
成部である。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）、被制御部（１）と、該被制御部（１）を移動さ
   せて位置決めを行う駆動部（２）と、前記被制御部（１
   ）の位置を測定する位置測定部（３）と、前記駆動部（
   ２）を制御する制御部（４）とを有する装置に於いて、 前記位置測定部（３）の為の位置基準点を持つ系（５）
   を機械振動モデル（７）として表現し、該機械振動モデ
   ル（７）と前記駆動部（２）を含む駆動部モデル（６）
   とを制御対象モデル（８）として前記制御部（４）に形
   成し、 前記位置基準点を持つ系（５）が振動する状況を、その
   時点に於ける被制御部（１）の位置測定部（３）による
   測定位置と、前記制御対象モデル（８）による推定位置
   との差を用いて逐次修正しながら、前記制御対象モデル
   （８）により位置基準点を持つ系（５）の運動の推定値
   を求め、該推定値により前記駆動部（２）に加える駆動
   信号を補正して、前記位置基準点を持つ系（５）の振動
   に追従して位置決め制御を行う ことを特徴とする位置決め制御方式。
2. （２）、回転記録媒体を構成するディスクと、該ディス
   ク上に位置決めされてデータの書込み又は読出しを行う
   ヘッド部と、該ヘッド部を移動させて位置決めする為の
   アクチュエータとを備え、前記ディスクとヘッド部とア
   クチュエータとが筐体により支持され、且つ前記アクチ
   ュエータを駆動制御する制御部を有するファイル装置に
   於いて、前記筐体の機械振動を機械振動モデルとして表
   現し、該機械振動モデルと前記アクチュエータを含む駆
   動部モデルとを制御対象モデルとして前記制御部に形成
   し、 前記筺体が振動する状況を、その時点に於ける前記ヘッ
   ド部の測定位置と、前記制御対象モデルによる推定位置
   との差を用いて逐次修正しながら前記制御対象モデルに
   より前記筐体の運動の推定値を求め、該推定値により前
   記アクチュエータに加える駆動信号を補正して、前記筺
   体の振動に追従して位置決め制御を行う ことを特徴とする位置決め制御方式。
3. （３）、前記制御部は、前記ヘッド部からの信号により
   該ヘッド部の位置を測定する位置測定部と、駆動信号形
   成部とを有し、 前記位置測定部による測定位置と、前記制御対象モデル
   による推定位置との差を基に、該制御対象モデルの推定
   位置を補正すると共に、前記筐体の運動の推定値を求め
   、該推定値を用いて前記アクチュエータに加える駆動信
   号を補正するように、前記駆動信号形成部を制御するこ
   とを特徴とする前記請求項２記載の位置決め制御方式。