JPH08137551A - サーボ制御装置 - Google Patents

サーボ制御装置

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JPH08137551A
JPH08137551A JP27625094A JP27625094A JPH08137551A JP H08137551 A JPH08137551 A JP H08137551A JP 27625094 A JP27625094 A JP 27625094A JP 27625094 A JP27625094 A JP 27625094A JP H08137551 A JPH08137551 A JP H08137551A
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JP
Japan
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servo
compensator
switching
poles
sampling time
Prior art date
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Pending
Application number
JP27625094A
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English (en)
Inventor
Takashi Yamaguchi
高司 山口
Kazuhisa Shishida
和久 宍田
Hiroyuki Osawa
弘幸 大澤
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Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【目的】サーボ制御系の過渡応答を向上させる。 【構成】複数のサーボ補償器を有し、これらを順次切り
換えて制御動作を行うモード切り換え型の制御系におい
て、切り換え時に、切り換え時の制御対象の状態変数を
入力とし、制御対象の状態変数から制御量までの伝達関
数の中で望ましくない極を相殺するような零点と、応答
の望ましい極を設けるような伝達関数を有する回路を通
したインパルス列入力信号をサーボ補償器に付加する。 【効果】サーボモード切り換え後の初期変位や初期速度
と制御量との伝達関数の特性を改善させ、過渡特性を向
上させることができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、制御対象を目的の位置
に移動、位置決めするサーボ制御装置に対し、特に複数
のサーボ補償器を制御動作中に切り換えるモード切り換
え型のサーボ制御装置に好適であり、例えば磁気ディス
ク装置のヘッド位置決め制御装置に対して利用される。
【0002】
【従来の技術】従来の磁気ディスク装置のヘッド位置決
め制御装置においては、ヘッドを高速に移動させる速度
制御系であるシークモード、ヘッドを目的のトラックに
位置決め、整定させる位置制御系であるセトリングモー
ド、及びヘッドを目的のトラックに追従させる位置制御
系であるフォロイングモードからなり、それぞれのモー
ドをヘッドの現在位置と目的トラックとの位置偏差に応
じて切り換えていた。切り換え後の過渡特性は、切り換
え時の制御対象とサーボ補償器との状態変数と制御量と
の伝達特性と、目標値と制御量との伝達特性、外乱と制
御量との伝達特性によって支配されるが、このなかで切
り換え時の制御対象とサーボ補償器の状態変数と制御量
との伝達特性が全体の過渡特性に大きな影響を与える。
すなわち切り換え時の初期位置や初期速度の大きさによ
って過渡特性が大きく変化する。そこで切り換え時に
は、切り換え後の制御モードのサーボ補償器の状態変数
に、切り換え時の制御対象の状態変数の値に応じた初期
値を設定していた。この方式は初期値補償方式と呼ば
れ、例えば特開平3−288913号公報、第33回自
動制御連合講演会(1990)、電子情報通信学会技術
報告MR90−66(1991)、アイイーイーイート
ランザクションオンマグネティクス第M−28巻5号,
2910頁(1992)、計測自動制御学会論文集第2
9巻7号,792/799頁(1993)、にその技術
が開示されている。従来の初期値補償方式では、初期値
を設定することによって制御対象の状態変数の初期値
(例えば切り換え時の変位や速度)と制御量(変位)と
の伝達関数の零点を移動させ、同伝達関数の望ましくな
い極を相殺して切り換え後の過渡特性を向上させるとい
う効果があった。この方式は閉ループ系の伝達関数を変
化させることがないため、切り換え後の制御モードの安
定性や感度特性とは独立して過渡特性のみ向上させると
いう効果があった。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
方式では望ましくない極を、極零点相殺によってその応
答を除去することはできたが、残りの閉ループ系が有す
る極によって過渡特性が支配されていた。実用上はこの
場合でも特性の改善がはかれたが、制御モードを切り換
えた後の過渡特性を任意に制御することはできなかっ
た。
【0004】本発明では、制御モードを切り換えた後の
過渡特性を更に向上させて、位置決め時間の短縮、位置
決め精度の向上をはかることを課題とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明では制御モードの
切り換え直後のサンプリング時刻から、サーボ補償器の
切り換え時点での制御対象の状態変数の値を用いて、制
御対象の状態変数から制御対象の制御量との伝達関数に
望ましい極を付加し、望ましくない極を相殺する零点を
付加するインパルス列をサーボ補償器に入力する。
【0006】
【作用】制御モードの切り換え時から、サーボ補償器に
インパルス列を入力することによって、制御モードの切
り換え時の制御対象の状態変数と制御量との伝達特性
が、ある設計仕様を満たすように変化するので、過渡特
性を向上させることができる。
【0007】
【実施例】以下、本発明の実施例を説明する。図1に、
本発明を磁気ディスク装置ヘッド位置決め制御系へ適用
した例の全体構造を示す。磁気ディスク1の表面には、
ある一定角度で半径方向にサーボ信号2が記録されてい
る。ヘッド3はこのサーボ信号をある一定時間間隔にて
読み取り、AD変換器4にてサーボプロセッサ5に入力
する。サーボプロセッサでは、図示していない上位のプ
ロセッサからトラック移動(シーク)命令などを受け取
り、制御モードを指定する。指定された制御モードに応
じたサーボ補償器が選択され演算が行われる。本実施例
ではサーボ補償器は、シークモード9、セトリングモー
ド10、フォロイングモード11の3つの補償器であ
る。なお、それぞれ異なった構造の補償器を含む閉ルー
プ系全体をここではサーボモードと称している。演算結
果はDA変換器6へ出力され、パワーアンプ7を介しV
CM(ボイスコイルモータ)8に印加される。VCMの
発生する推力に応じてヘッド及び支持体が移動する。こ
のように複数のサーボモードを順次切り換えて1つの制
御動作をおこなうサーボ系はモード切り換え型制御系と
呼ばれ、その基本的な構造は例えば計測自動制御学会論
文集第29巻7号,792/799頁(1993)、ア
イ・エヌ・ジー社、最適な制御系設計法と各種制御方式
の基礎・理論・応用の実際(1993)に詳述されてい
る。ヘッドが目的とするトラックから略1トラック手前
まで移動してくるとシークモード9からセトリングモー
ド10に切り換わり、更にある一定時間経過後にフォロ
イングモード11に切り換わる。
【0008】ここではシークモードからセトリングモー
ドに切り換わるときを例に本発明を説明する。セトリン
グモードは、図2に示すようなサーボ補償器13をもつ
単一ループの出力フィードバック位置制御系であり、こ
のモードに切り換えた直後のサンプリング時刻から、切
り換え時の制御対象の状態変数15を入力にもつ初期入
力補償回路14を起動させ、この出力であるインパルス
列12がサンプリング時刻毎に図2のように加えられて
いる。補償器は例えば位相進み遅れ補償器であり、その
構造並びに設計法は例えば中野、美多著の制御基礎理論
7章に詳述されている。
【0009】次に、初期入力補償回路14は以下の設計
によって求められる。ここではディジタルサーボで実現
するため離散時間領域で定式化する。まず、DA変換器
からAD変換器までの制御対象とサーボ補償器の状態方
程式をそれぞれ次式とする。
【0010】
【数1】
【0011】
【数2】
【0012】ここで、Xpはm次の制御対象の状態ベク
トル、Xcはn次の補償器の状態ベクトル、uは制御対
象への操作量、rは目標値、yは制御量、Ap、Bp、
Cp、Ac、Bc、Cc、Dcはそれぞれm×m、m×
1、1×m、n×n、n×1、1×n、1×1の実数行
列である。ただし、目標値は磁気ディスク装置のセトリ
ングモードやフォロイングモードの場合トラック中心で
あり、r=0となる。また制御量はヘッドの変位であ
る。数1、数2をパルス伝達関数で表現して、目標値と
各状態変数の初期値から制御量までの伝達関数を求める
と数3のようになる。
【0013】
【数3】
【0014】ここでD(z)、Nr(z)はスカラでzの高次
多項式、Np(z)、Nc(z)はそれぞれ1×m、1×nの
高次多項式行列である。
【0015】ここで目標値以外の入力を切り換え時に挿
入し、かつ補償器の初期状態変数をクリアする。目標値
が0なのでこの入力を新たにrとおき、次式で定義す
る。
【0016】
【数4】
【0017】ここで、d(z)はスカラのzの高次多項式
であり、n(z)は1×mの高次多項式行列である。初期
入力補償回路はこの式で表わされる。
【0018】さて、数4を数3に代入し、Xc(0)=0
とすると次式となる。
【0019】
【数5】
【0020】数5より以下のことが言える。本来の閉ル
ープ系がもっている極のうち過渡特性に望ましくない極
を、n(z)をうまく設計することによって零点を移動さ
せてこれを相殺し、かつd(z)によって従来の閉ループ
系のもっていない極を制御対象の初期値応答に対して新
たに付加することができる。従来の初期値補償では、応
答の望ましくない極を極−零点相殺によってマスクする
ことで過渡特性の改善を図っている。この方式では、更
に極を付加することが可能であるので過渡特性の改善の
自由度が向上している。ここではこのようにモード切り
換え時から新たな入力を加えて過渡特性の改善を図る方
法を初期入力補償と呼ぶ。
【0021】以下、具体的な初値入力補償回路の設計例
を示す。
【0022】制御対象を慣性体と等価むだ時間遅れから
なる3次系とする。サーボ補償器は2次の位相進み遅れ
補償とする。制御対象の状態変数のうち変位と速度は切
り換え時にある大きさをもち(それぞれ初期変位、初期
速度とする)かつ条件によって変動する。またモード切
り換え後の特性はこれら初期変位や初期速度からの自由
応答となるので、初期変位と制御量(変位)の伝達特性
と初期速度と制御量との伝達特性を初期入力補償回路を
用いて改善することが過渡応答の改善に有効である。な
お制御量と初期状態変数及び目標値との関係は数3で表
わされる。
【0023】さて、新たに付加したい極を1つ設け、こ
の値をz領域でたとえば0.7とする。一方、数3の右
辺第2項の伝達関数は5次であるから極が5つ存在す
る。これをすべて相殺するため数4の分子多項式には少
なくとも5つの未知係数を有することが必要である。従
って4次であることが必要である。数4がプロパーであ
るためには、数4の分母多項式は少なくとも4次でなけ
ればならない。そこで、数4の分母多項式は、数3の右
辺第1項の伝達関数で安定な3つの零点と新たに付加し
たい極1つからなる4次式とする。これで初期入力補償
回路の特性である数4は4次/4次の伝達特性となっ
た。ここで分子多項式は5つの未知係数を有している。
これを数5に代入する。数5の分子多項式の根、すなわ
ち零点の5つが数5の分母多項式の5つの根すなわち極
の値を持てばよい。数5の分子多項式に5つの極を代入
した5つの連立方程式から5つの未知係数が計算でき
る。以上より、数4の伝達特性が求まった。この結果、
数5はz=0.7の1つの極を有する伝達特性となる。
なお、数3の右辺第3項の影響がないように、切り換え
時に補償器の状態変数をゼロクリアする。切り換え直後
のサンプリング時刻に初期変位と初期速度の値を初期入
力補償回路に入力すれば数4に従った特性のインパルス
列が各サンプリング時刻毎に発生する。
【0024】図3にシミュレーションによる特性の向上
の様子を示す。初期変位2.5um、初期速度−10m
m/sとしたときの初期入力補償のない自由応答波形
と、上記設計によって得られた初期入力補償ありの場合
の応答波形を比較して示す。図より明らかなように過渡
特性が改善されることがわかる。
【0025】
【発明の効果】以上、本発明では、サーボモードの切り
換え時からインパルス列の初期入力補償信号を印加する
ことにより、切り換え後のサーボ系の制御対象の初期状
態変数とヘッド変位との伝達特性の中で、応答の望まし
くない極を相殺し、かつ望ましい応答の極を付加するこ
とができるので、過渡特性が向上する。更に、本方式
は、閉ループ系の特性を変化させていないので、過渡状
態後の外乱抑圧特性、ロバスト安定特性に影響を与えな
い。これら閉ループ系の緒特性と独立して過渡特性を向
上させることができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】磁気ディスク装置ヘッド位置決め制御系であ
る。
【図2】切り換え後のサーボモードのブロック線図であ
る。
【図3】応答の改善の様子をしめすシミュレーションで
ある。
【符号の説明】
1…磁気ディスク、 2…サーボ信号、 3…ヘ
ッド、4…AD変換器、 5…サーボプロセッサ、
6…DA変換器、7…パワーアンプ、 8
…VCM(ボイスコイルモータ)、9…シークモード
9、 10…セトリングモード、11…フォロイング
モード、 12…インパルス列入力信号、13…サ
ーボ補償器、 14…初期入力補償回路、15…切
り換え時の制御対象の状態変数。

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】制御対象を目的の位置に移動、位置決めさ
    せるディジタルサーボ制御装置であって、2つ以上のサ
    ーボ補償器と、前記サーボ補償器を切り換える切り換え
    回路と、前記サーボ補償器が切り換えられた直後のサン
    プリング時刻から目標値以外の入力信号を前記サーボ補
    償器に入力する回路と、前記サンプリング時刻で前記サ
    ーボ補償器の状態変数をクリアする回路とを有すること
    を特徴とするサーボ制御装置。
  2. 【請求項2】前記入力信号は、前記サーボ補償器の切り
    換えられた直後のサンプリング時刻での前記制御対象の
    状態変数の値を、前記サンプリング時刻での前記制御対
    象の状態変数から前記制御対象の制御量との伝達関数に
    任意の大きさで任意の数の極を付加しかつ任意の大きさ
    で任意の数の極を相殺するための零点を付加するような
    伝達関数に入力することによって得られるインパルス列
    であることを特徴とする請求項1記載のサーボ制御装
    置。
  3. 【請求項3】磁気ヘッドを磁気ディスク上の目的のトラ
    ックに移動、位置決めするサーボ制御回路とを有する磁
    気ディスク装置において、2つ以上のサーボ補償器と、
    前記磁気ヘッドの現在位置と目的トラック位置との偏差
    に応じて前記サーボ補償器を切り換える切り換え回路
    と、前記サーボ補償器の切り換えられた直後のサンプリ
    ング時刻での前記制御対象の状態変数の値を、前記サン
    プリング時刻での前記制御対象の状態変数から前記制御
    対象の制御量との伝達関数に任意の大きさで任意の数の
    極を付加しかつ任意の大きさで任意の数の極を相殺する
    ための零点を付加するような伝達関数に入力することに
    よって得られる入力信号を前記サーボ補償器に入力する
    回路と、前記サンプリング時刻で前記サーボ補償器の状
    態変数をクリアする回路とを有することを特徴とする磁
    気ディスク装置のサーボ制御装置。
JP27625094A 1994-11-10 1994-11-10 サーボ制御装置 Pending JPH08137551A (ja)

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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6335845B1 (en) 1996-01-22 2002-01-01 Hitachi, Ltd. Magnetic disk apparatus having an accelerometer for detecting acceleration in the positioning direction of the magnetic head
US6407876B1 (en) 1996-01-22 2002-06-18 Hitachi, Ltd. Magnetic disk apparatus having an accelerometer for detecting acceleration in the positioning direction of the magnetic head
JP2005221845A (ja) * 2004-02-06 2005-08-18 Hitachi Via Mechanics Ltd 移動体のサーボ制御装置及びレーザ加工装置

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