KR20050084332A - 반복 제어기 및 이를 구비한 드라이브 서보 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 일반적으로, 반파 대칭으로 주기신호들을 억제하는 반복 제어기 분야에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, 메모리 루프의 형태가 주기 NT의 주기신호를 공급하되, 상기 메모리 사이즈는 N/2개의 메모리 소자를 구비하고, 피드백 연결은 네가티브이며, 그 메모리 루프의 출력에 있어서 -½배를 제공한다. 이러한 반복 제어기는, 예를 들면, 기록매체에 데이터를 기록하는 헤드를 구비한 기록 및 재생장치에서 드라이브 서보 시스템의 외란 보상모듈에서 사용되어도 된다.

Description

반복 제어기 및 이를 구비한 드라이브 서보 시스템{REPETITIVE CONTROLLER AND DRIVE SERVO SYSTEM INCLUDING IT}
본 발명은 반파 대칭인 주기 신호들을 억제하는 반복 제어기에 관한 것이다(주기 T의 주기신호 x(t)는 x(t+T/2)=-x(t)(모든 t)가 성립하는 경우 반파 대칭을 이룬다고 한다).
반복 학습 제어로서도 알려진 반복 제어는, 입력 기준신호들 또는 외란들이 주기적이고, 그들의 주기가 예를 들면, 주기적인 외란(예를 들면, 광 디스크 또는 자기 디스크 드라이브, 또는 철강 밀링 머신)으로부터 받거나 동일한 작업을 반복적으로 수행해야 하는(로봇, 피크 및 플레이스 머신,...) 제어 시스템에 있어서 공지된 경우 수많은 제어 어플리케이션에서 아주 효과적인 제어방법이다. 이러한 방법은, 여러 가지 문헌에 설명되어 있는데, 예를 들면 M.Steinbuch,Automatica, In Press,September 4,2002,pp 1-7에 의한 "Repetitive control for systems with uncertain period-time"에 설명되어 있다. 도 1에 도시된 반복 제어기의 아주 간단한 구성은, 샘플링 시간 TS의 N배가 주기적 외란을 갖는 기본 주기와 같은 경우 포지티브 피드백 루프 내측에 N탭이 포획된 FIFO(First-In-First-Out) 메모리 버퍼(즉, N개의 메모리 소자)를 기본적으로 구비한다(실제로, 반복 제어기도, 안정화용 필터를 구비하지만, 후술하는 본 발명에 관련되지 않는다).
소위 메모리 루프라고 불리는 루프 내측의 상기와 같은 버퍼를, 자율 주기적 신호 발생기로서 간주할 수 있다. 신호 발생기로서 메모리 루프를 사용하는 것의 단점은, 일부의 경우에는 대량의 메모리를 필요로 한다는 단점이 있다. 샘플링 시간 TS과 신호주기 T에 따라, 메모리 장소의 수 N은 커질 수 있다. 그래서, 두 종류의 해결책으로 N개의 메모리 소자를 갖는 메모리 루프를 보다 적은 메모리를 필요로 하는 주기신호 발생기로 대체하는 것을 제안하였다. 첫 번째 해결책은, 다운샘플링, 즉 보다 긴 샘플링 시간을 적용하는데에 있어서, 필요한 메모리 소자의 수를 감소시키지만, 이러한 해결책의 중요한 단점은 제어 대역폭이 감소된다는 것이다. 두 번째 해결책은, 주기신호에 존재하는 모든 고조파 성분을 처리하는데 필요한 수만큼의 사인파 신호 발생기의 직렬 또는 병렬 접속을 적용하는데에 있고, 발생기마다 2개의 상태 또는 메모리 소자만을 필요로 한다. 이러한 방법의 단점은, 구성의 복잡도가 종래의 메모리 루프와 비교할 경우 크다는 것이다.
(발명의 요약)
따라서, 본 발명의 목적은, 아주 간단한 반복 제어기의 구성을 제안하는데 있다.
이를 위해, 본 발명은, 메모리 루프의 형태가 주기 NT의 주기신호를 공급하는 반복 제어기에 관한 것으로, 여기서 메모리 사이즈는 N/2개의 메모리 소자를 구비하고, 피드백 연결은 네가티브이며, 그 메모리 루프의 출력에 있어서 ½배를 제공한다.
그러나, 종래의 해결책에 비해 메모리의 절반만을 필요로 하는 이러한 구조는, 상기 종래의 해결책과 같은 제어 대역폭을 갖고 매우 단순하게 구현한다.
본 발명은 아래의 첨부도면을 참조하여 더 상세히 설명하겠다:
- 도 1은 표준 메모리 루프의 블록도,
- 도 2는 본 발명에 따른 반복 제어기의 구현의 일 예시도,
- 도 3은 순수한 사인곡선에 대한 종래의 메모리 루프와 제안한 단순화된 메모리 루프의 응답을 비교할 수 있는 곡선도,
- 도 4 내지 도 6은 종래의 메모리 루프(N=32), 새롭게 제안한 메모리 루프 및 상기 새로운 메모리 루프에 대한 각각의 진폭 도면을 나타내고,
- 도 7은 이동 제어의 문제점이 있을 경우에, 전형적인 기준 궤도의 1주기를 나타낸다.
(발명의 상세한 설명)
본 발명에 의하면, 종래의 메모리 루프는, 도 2에 도시된 것처럼,
- 메모리 사이즈가 절반이고 N/2개의 메모리 소자만을 구비하고,
- 피드백이 포지티브가 아닌 네가티브이고,
- 출력신호의 이득과 위상을 조절하기 위해 상기 루프의 출력에 있어서 (-½)배이므로, 상기 제안한 루프가 종래의 메모리 루프의 이득 및 위상을 정합시키는, 단순화된 메모리 루프로 대체된다.
상기 제안된 단순화된 메모리 루프(실선)와 비교하여, 순수한 사인곡선(점선)에 대한 종래의 메모리 루프의 응답을 (주기의 수로 나타낸 시간에 대해) 나타낸 도 3에 도시된 것처럼, 주기 NT의 사인곡선을 이러한 루프에 공급할 경우, 상기 장치의 출력은, 종래의 메모리 루프의 출력과 매우 유사한 방법으로 응답한다(명백히 필요로 하는 것은, N이 실제 대부분의 경우에 진실인 짝수이다는 것이다)는 것은 분명하다.
본 발명을 보다 잘 이해하기 위해서 수학적인 관점을 이용할 수 있다. 종래의 메모리 루프의 전달함수는, 다음식과 같다.
이러한 전달함수(1)는 다음과 같이 분할될 수 있다.
식(2)의 우측의 오른쪽 항은, 새로운 메모리 루프를 나타내고, 이를 마주보는 왼쪽 항은 완전히 반파 대칭이 아닌 주기신호들을 처리하는데 사용될 수 있는 반복 제어기의 다른 실시예를 나타낸다. 라디안으로 나타낸 정규 주파수에 대해 dB로 나타낸, 그 2개의 항의 진폭 도면을 살펴보면(도 4), 오른쪽 항이 홀수 고조파에서 무한대 이득 피크를 갖고, 왼쪽 항이 짝수 고조파에서 무한대 이득 피크를 갖는다는 것은 분명하다.
그래서, 수학적인 관점에서, 상기 제안한 메모리 루프는, 종래의 메모리 루프의 절반부로서 보여질 수 있는데, 이때 그 절반은 외란신호의 홀수 고조파를 처리한다. 보다 작은 메모리 루프에서 상기 메모리 루프를 분할하는 이 특징은, N이 2의 배수인 경우 더욱 계속될 수 있고, 그래서 상기 메모리 루프는 보다 작은 메모리 루프에서 분할된다.
예를 들면, 이러한 분해에서 다음의 단계는 다음과 같다.
종래의 메모리 루프는, 이를테면, 다음식에 의해 근사화될 수 있다.
또는,
여기서, 이 두 개의 식은, 전체 N개의 메모리 소자 대신에 총 3N/4개의 메모리 소자를 갖는 메모리 루프를 필요로 한다(왼쪽 근사식은 홀수 고조파 + 제2, 제6, 제10고조파,...을 억제하고, 오른쪽 근사식은 홀수 고조파 + 제0, 제4, 제8고조파,...을 억제함).
그러나, 본 발명에 따른 구조는 제한되어 있다, 즉, 이 구조는 반파 대칭을 갖는 주기신호들만을 억제한다(달리 말하면, 이 구조는 주기신호의 홀수 고조파만을 억제한다). 그러나, 이러한 제한은, 다양한 어플리케이션에서 억제될 주기신호가 실제로 반파 대칭을 갖기 때문에 아주 크지는 않다. 이를테면, 광 디스크 저장 및 자기 디스크 저장에 있어서, 기본 외란은, 기록매체의 트랙의 이심률에 의해 생기고 본 발명에 따른 기술적인 해결책이 시용되는 경우 완전히 거절되는 순수한 사인곡선이다. 또한, 피크 앤 플레이스(pick-and-place) 메카니즘일 경우에, 예를 들면, 필요한 태스크는 종종 반파 대칭을 갖는다.
본 발명에 따른 메모리 루프는, 기록매체에 데이터를 기록하거나 그 기록된 데이터를 상기 기록매체로부터 재생하는 헤드와 상기 기록매체용 드라이브 서보 시스템을 구비한 기록 및 재생장치에서 반복 제어기로서 사용될 수 있다는 것이 명백하다. 상기 서보 시스템은, 반복 학습제어를 사용하여 상기 기록매체의 이심률을 보상하는 외란 보상모듈을 구비하고, 이 모듈 자체가 주기 NT의 주기신호를 공급한 메모리 루프의 형태의 반복 제어기를 구비한다. 상술한 것처럼, 이러한 메모리 루프에 있어서, 메모리 사이즈는 N/2개의 메모리 소자를 구비하고, 피드백 연결은 네가티브이고, 그 메모리 루프의 출력에 있어서 -½배를 제공한다.
상기에서 알 수 있는 것은, 상기 제안한 제어기는, 반파 대칭의 주기신호들에 대해 작용하는 것이 바람직하다는 것이다. 그러나, 외란 신호가 짝수 고조파(예를 들면, 제 2 고조파)의 기본 성분을 포함하고, 상기 제어기는 이러한 특별한 주파수 성분을 처리하기 위해서, 적절한 정현파 신호 발생기를 증가시킬 수 있다. 이것은, 2개의 상태만 - 즉 메모리 소자들- 을 상기 제어기에 추가하고, 종래의 반복 제어기에 비해 필요한 메모리의 감소는, 특히 N이 큰 경우 아주 중요하다.
상기 제안한 제어기의 또 다른 중요한 이점은, 그 제어이득을 종래의 반복 제어기의 이득의 2배의 크기로 할 수 있고, 동일한 레벨의 안정 강건성을 유지할 수 있다는 것이다. 보다 구체적으로, 상기 이득은, 종래의 제어기에 대해서는 0∼2 사이로 유지해야 하고, 새로운 제어기에 대해서는 0∼4 사이로 유지해야 하고, 이것이 의미하는 것은, 새로운 제어기의 수렴 속도가 종래의 제어기와 비교하여 (강건성을 희생하지 않고) 2배로 될 수 있다는 것이다. 광 또는 자기 디스크 기록시에, 예를 들면, 이것은 판독/기록을 시작하기 전의 대기시간이 원리상 감소된다는 것을 의미하여, 드라이브의 성능을 향상시킨다.
(집적회로 제조시에 사용된 것과 같은 예를 들면 웨이퍼 스테핑 시스템과 같은 태스크를 반복적으로 실행해야 하는 피크-앤-플레이스 머신 또는 다른 동작제어 시스템 등의) 반복학습제어 어플리케이션에 있어서, 이것도, 필요한 학습 사이클의 수가 감소될 수 있다는 것을 의미한다. 그것들의 제어 문제점에 있어서, 기준신호들은 거의 항상 다음의 이유 때문에 반파 대칭적이다. 통상, 일방향으로의 동작 후에 역방향으로의 동일한 동작을 하고, 이들 동작은 아주 종종 서로의 정확한 거울 화상이다. 통상, DC 또는 램프(ramp) 성분을 제외하고는, 명백히 반파 대칭적인 일부의 필터링된 뱅뱅(bang-bang) 프로파일을 수반해야 한다. 이러한 특징은 결코 이용하지 않았다. 첨부된 도 7은, 이동 제어 문제점에 대해서, 반파 대칭적인 전형적인 기준 궤도 프로파일의 1주기의 픽쳐의 원하는 위치를 도시한 것이다.

Claims (2)

  1. 메모리 루프의 형태가 주기 NT의 주기신호를 공급하되, 상기 메모리 사이즈는 N/2개의 메모리 소자를 구비하고, 피드백 연결은 네가티브이며, 그 메모리 루프의 출력에 있어서 -½배를 제공하는 것을 특징으로 하는 반복 제어기.
  2. 기록매체에 데이터를 기록하거나 그 기록된 데이터를 상기 기록매체로부터 재생하는 헤드와 상기 기록매체용 드라이브 서보 시스템을 구비한 기록 및 재생장치에서, 상기 드라이브 서보 시스템은 상기 기록매체의 이심률을 보상하는 외란 보상모듈을 구비하고, 상기 모듈은 반복 학습제어를 사용하고 상기 모듈 자체는 주기 NT의 주기신호를 공급하는 메모리 루프의 형태의 반복 제어기를 구비하고, 여기서 상기 메모리 사이즈가 N/2개의 메모리 소자를 구비하며, 피드백 연결이 네가티브이며, 그 메모리 루프의 출력에 있어서 -½배를 제공하는 것을 특징으로 하는 드라이버 서보 시스템.
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