(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被制御物体を駆動する駆動手段と、
被制御物体の変動を観測する観測手段と、
観測手段からの信号と目標値とを比較し誤差を検出する検出手段と、
検出手段からの信号より高域の周波数成分を取り出すハイパスフィルターである位相補償回路と、
検出手段からの信号より低域の周波数成分を取り出すローパスフィルターであるゲイン補償回路と、
位相補償回路およびゲイン補償回路の出力信号の信号レベルをそれぞれ検出する前件部と、
前件部で検出した位相補償回路の出力信号の信号レベルに応じて位相補償回路のフィルター特性を変えると共に、前件部で検出したゲイン補償回路の出力信号の信号レベルに応じてサーボアンプのゲインを変える後件部と、
後件部からの信号により位相補償回路のフィルター特性とサーボアンプのゲインをそれぞれ設定する設定制御部とを、
有することを特徴とする制御系の固有振動の影響を抑圧する制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、制御系の固有振動の影響を抑圧する制御装置に係り、特に、コンピューターやＡＶ機器等に用いられるディスクドライブなどの高精度な位置制御／速度制御が求められる制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
情報機器の小型化、軽量化や大容量化に伴い記録装置は、微細な位置制御や正確な速度制御が求められてきている。パソコン用ディスクドライブを例にすると、同じディスク面積ならば出来る限りたくさんのデータを記録することが求められ、ディスクの半径方向にトラック密度を上げるために正確な位置制御が必要となり、ディスク回転方法には線密度を上げるため正確な速度制御が求められる。
【０００３】
また、同じディスクの記録容量ならば出来る限り、小型・軽量化することが求められ、ディスクの回転速度を正しく制御するスピンドルモーターの小型・軽量化や、ヘッドの位置制御を行なうアクチュエータの小型・軽量化が求められてきた。
【０００４】
さらに、高速伝送が求められ、モーターの駆動トルクが同じであれば、出来る限り回転するディスクの軽量化を行なうことが必要となってきた。
【０００５】
こうした傾向により、これまでに比べ、モーターやアクチュエータを駆動した場合に発生する反力の影響や自身の振動が無視出来なくなり、ディスクの速度制御や位置制御を行なうことにより駆動系自体に振動が発生するが、これが正確な位置制御や速度制御を妨げる要因となってきた。
【０００６】
こうした制御装置自体の振動に対し、正確な位置制御を行なう方法としては、例えば特開平７−２５３８０４号公報に開示された技術が挙げられる。この公開公報に示された制御装置では、系の変動に対し安定化補償器を設定して補償するようにしており、これをディスクドライブのトラッキング用アクチュエータの場合で示せば、アクチュエータが小型・軽量化したため、これを駆動したときアクチュエータ自身が振動したアクチュエータの周波数特性は、図１２のようになる。この場合の固有振動周波数を１７［ｋＨｚ］、ピークレベルは１０［ｄＢ］とすると、伝達関数は、
（ ｓ２＋ｃ１・ｓ＋ω２ ）／（ｓ２＋ｃ２・ｓ＋ω２）
となる。ここで、
ｃ１＝１．０７×１０５
ｃ２＝３．３８×１０４
ω＝１．１４  ×１０１０［ｒａｄ／ｓ］
となる。
【０００７】
この伝達関数を状態空間に変換すると、図１３で示すようなブロックにおいて、
ｄｘ／ｄｔ＝Ａｘ＋Ｂｕ
ｙ＝Ｃｘ＋Ｄｕ
で表せられる。ここで、
ｘ：状態変数
ｕ：入力
ｙ：出力
である。
【０００８】
この系に対して、
Ｊ＝∫（ｘＴＱｘ＋ｕＴＲｕ）ｄｔ
上記のような評価関数Ｊを考える。ここで、
ｘ：状態変数ベクトル
ｕ：制御ベクトル
Ｑ：重みベクトル（定常誤差を制御する）
Ｒ：重みベクトル（応答速度を制御する）
である。
【０００９】
【数１】
0003793432.tif 000002
いま、上記のようにすると、評価関数Ｊを最小にする制御ベクトルｕ（Ｔ）は、
ｕ（Ｔ）＝−Ｆｘ（ｔ）
Ｆ＝Ｒ−１ＢＴＰ
であり、ここでＰを、リカッチ型代数方程式の正定対称行列とすると、
ＰＡ＋ＡＴＰ−ＰＢＲ−１ＢＴＰ＋Ｑ＝０          ……（１）式
より求まる。これより、制御入力−Ｆｘ（ｔ）が求まり、感度関数と相補感度関数が得られる。
【００１０】
しかし、こうした最適値を求めるため、複雑な計算を行なう必要があった。この場合をｚ変換した伝達関数で表すと、
Ｙ（ｚ）／Ｕ（ｚ）＝（ａｚ−２＋ｂｚ−１＋ｃ）／（ｚ−２＋ｂｚ−１＋ｄ）
となり、この式より（１）式を解くと、係数ａ，ｂ，ｃ，ｄは、
【数２】
0003793432.tif 000003
となる。なお、
【数３】
0003793432.tif 000004
である。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
ここで、感動関数と相補感度関数は、図１４に示すような特性となる。この特性とした場合、アクチュエータの固有振動を取り除くことが可能となるが、そのために、上記のような複雑な演算を行なわなければならない。この系のサーボ帯域を１ｋＨｚとすると、このような信号処理はＤＳＰやマイコンでデジタル処理を行なう場合には、エラー信号のサンプリングをサーボ帯域の数十倍から百倍の周波数で行なう必要があり、この周波数を１００ｋＨｚとすると、あるサンプリングと次のサンプリングの間は１０μｓであり、その間で演算処理を行なう必要がある。図１２に示すアクチュエータの場合、固有振動の周波数は１７ｋＨｚであるから、固有振動の１周期に対し、約６ポイントしかサンプリングすることが出来ない。この間に１７ｋＨｚの固有振動に遅れて制御することになる。結果的には、図１４の感度関数に示すようなバンドパスフィルターを挿入することになるが、固有振動を検出してからそれによりフィルターの係数を算出するまでに１／６周期分の時間が経過しており、最適化のための誤差が大きくなる。そして最適化された特性が１度では得られず、多くのデータを取得し、最小二乗法などを用いて、確からしい係数を求めることが必要となる。しかし、この場合でも平均化のために時間がかかり過ぎて、その間にこの固有振動で発振してしまい、効果が発揮できない場合が生じていた。
【００１２】
特に、こうした傾向は携帯型の用途では著しく、機器全体の小型・軽量が求められるためアクチュエータも軽くしなければならなかったが、振動が顕著になるにもかかわらず、制御に用いるＤＳＰやマイコンは演算能力の小さいものしか用いることが出来ず、相矛盾していた。
【００１３】
また、こうした制御を行なう方法としてファジー制御を用いることが考えられ、特開平５−２２４７０４号公報のように、負荷変動が制御系に及ぼさないようにしたり、広いダイナミックレンジを実現したりすることに用いられてきた。
【００１４】
また、特開平６−５８３６７公報では、負荷の急激な変動によりアクチュエータ（油圧ジャッキ）に急激な力が加わることを防止し、滑らかな制御を実現している。
【００１５】
また、特開平６−１１９００５号公報では、サーボゲインを自動調整した際に不安定な領域に調整されても、再度、自動調整を行い安定な領域に調整させるようにしている
しかしながら、上記の３つの公開公報に開示された技術は、制御を行なう負荷の変動を少なくしたり、制御系の不安定性から過渡特性を改善するものでは無い。
【００１６】
本発明は上記した事情に鑑みてなされたものであり、小型・軽量化した機器のように、制御装置自体の固有振動が、高い精度の位置制御や速度制御を妨げる要因となる制御装置において、速やかに装置自体の固有振動による影響を抑圧しながら、精度の高い位置制御や速度制御を行なえるようにすることにある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明の制御装置では、信号の周波数帯域を低減、高域に分割するためのローパスフィルター、ハイパスフィルターからなる周波数分別手段と、周波数により分別された信号のレベルを検出し、検出されたレベルに応じて位相補償回路のフィルター特性やサーボアンプのゲインを変える制御回路とを、備える。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００１９】
図１は、本発明の一実施形態に係る制御装置の構成を示すブロック図であり、本実施形態は、光ディスクドライブのトラッキングサーボ系への適用例である。
【００２０】
レーザー（半導体レーザー）２から発光されたレーザー光は、ビームスピリッター４を透過し、対物レンズ３で集光された後、ディスク１に照射される。そして、ディスク１で反射され、再び対物レンズ３を通り、ビームスピリッター４に入光する。そして、今度はビームスピリッター４のハーフミラーで反射し、ピックアップ５に入射する。ピックアップ５には、複数の光を電流に変換するディテクターがあり、光の強弱より、それに応じた電気信号が取り出される。
【００２１】
このピックアップ５の構造は、図２に示すような分割された受光素子の集まりであり、レーザー光２０がディスク１のトラックの中央を正しくトレースしている場合には、受光素子「１」２１からの信号レベルＤ１と受光素子「２」２２からの信号レベルＤ２が等しくなるが、レーザー光２０がトラックの中心を正しくトレースせず、ディスク１の中心方向にずれている場合には、受光素子「１」２１からの信号レベルＤ１と受光素子「２」２２からの信号レベルＤ２が等しくならず、図２の場合にはＤ１の信号が大きくなる。逆に、レーザー光２０が外周方向にずれている場合には、受光素子「１」２１からの信号レベルＤ１と受光素子「２」２２からの信号レベルＤ２は、Ｄ２の信号が大きくなる。
【００２２】
したがって、Ｄ１の信号とＤ２の信号のレベルを比較することにより、正しくトレースされているか否かを判別することが出来る。エラーアンプ２３は、このＤ１の信号レベルとＤ２の信号レベルの比較動作を行なっている。この信号レベルの大小が、ディスク１のトラックセンターからどの位ずれているかを示すトラッキングエラー信号である。その後、エラーアンプ２３の出力（トラッキングエラー信号）はＲＦアンプ７に入力される。ＲＦアンプ７では、Ａ／Ｄ変換出来るようなレベルに増幅される。
【００２３】
そして、ＲＦアンプ７で増幅されたトラッキングエラー信号は、デジタル信号処理を行なうためＡ／Ｄ変換回路８に入力されて、デジタル信号に変えられる。こうして、デジタル信号となったエラー信号は、ＤＳＰ１４に入力される。ＤＳＰ１４は、位相補償回路９とゲイン補償回路１０とで構成され、位相補償回路９は、図３で示すサーボ特性において、サーボゲインが零となるクロスオーバー周波数付近で位相が回り、サーボ系全体が発振することを防ぐために、位相を進める。これにより、制御系全体の位相余裕を得るようになっている。
【００２４】
また、ゲイン補償回路１０は、低域のサーボゲインを上げるための回路である。レーザー光が正しくトレースすることを妨げる要因としては、主に、ディスクの回転中心とディスクを回転させるスピンドルモーターの回転中心とがずれる等のメカニズムによる偏心と、ディスクに刻まれている溝が真円からずれ曲折しているために発生するディスクによる偏心とに分けられる。しかし、メカニズムによる偏心はディスクの回転により発生するため、ディスクの回転数より高い周波数成分は存在しない。それに対し、ディスクの偏心はディスクを生成する際の加工精度によるものであるため、ディスクの回転周波数よりも高い周波数の偏心が発生する。したがって、ディスクの回転周波数より低い帯域では、ディスクの偏心を抑圧するだけでなく、メカニズムの偏心も抑圧するためサーボゲインを上げる必要がある。このため、ゲイン補償回路１０では低域のサーボゲインを上げている。
【００２５】
これら位相補償回路９とゲイン補償回路１０の特性は、位相の乱れが生じないように、かつ、サーボゲインが不足しないように、４つの時定数（τ１〜τ４）を注意深く選びながら設定される。これらの回路でそれぞれ補正された後、信号はサーボアンプ１１で増幅され、Ｄ／Ａ変換回路１２でアナログ信号に変換される。Ｄ／Ａ変換回路１２の出力は、アクチュエータドライバー回路１３において、アクチュエータ６を駆動するのに必要な電流に変換された後、アクチュエータ６に駆動電流として出力される。アクチュエータ６は、この電流に基づき対物レンズ３を移動させ、レーザー光２０がディスク１のトラックの中心をトレースするように調整する。これらは、従来技術と同様である。
【００２６】
本実施形態では、位相補償回路９を構築しているハイパスフィルターとゲイン補償回路１０を構築しているローパスフィルターの出力は、トラッキングサーボを行なうためにサーボアンプ１１に入力される他に、ファジー制御回路１８に入力される。ファジー制御回路１８は、図４に示すような、前件部１５と、後件部１６と、フィルター／サーボゲイン設定部１７とによって構成されている。
【００２７】
ゲイン補償回路１０はローパスフィルターであるから、図５のような特性であり、主に偏心成分が多い低域の周波数成分を取り出す。また、位相補償回路９はハイパスフィルターであるから、図６のような特性であり、固有振動などの成分が含まれる高域の成分を取り出す。
【００２８】
そして、前件部１５には、位相補償回路９とゲイン補償回路１０の出力信号がそれぞれ入力されるので、それぞれの信号レベル検出を行なう。すなわち、位相補償回路９からの信号が入力される前件部１５のレベル検出部１５ａは、固有振動などが含まれる高域の周波数成分のレベル検出を行い、ゲイン補償回路１０からの信号が入力される前件部１５のレベル検出部１５ｂは、主に偏心成分が含まれる低域の周波数成分のレベル検出を行なう。
【００２９】
レベル検出信号として前件部１５のレベル検出部１５ａおよびレベル検出部１５ｂからそれぞれ出力された信号は、後件部１６に入力される。この後件部１６は、前件部１５からの信号レベルに応じて、位相補償回路９のフィルター特性とサーボアンプ１１のゲインを決める。
【００３０】
まず、後件部１６の係数設定部１６ａは、前件部１５のレベル検出部１５ａからのレベル検出信号に対して、図７に示す特性となる。また、後件部１６の係数設定部１６ｂは、前件部１５のレベル検出部１５ｂからのレベル検出信号に対して、図８に示す特性となる。
【００３１】
そして、係数設定部１６ｂの出力レベルによって、フィルター／サーボゲイン設定部１７において、サーボアンプ１１のゲインを設定し、これにより、サーボ特性が、図９に示すように変えられる。サーボゲインが変わることにより、サーボ帯域が変化する。すなわち、低域の周波数成分が多い場合は、偏心等の本来サーボ回路で抑圧しなければならない成分が多いということであるから、サーボゲインを上げて押さえ込むものであり、低域の周波数成分がそれほど多く無い場合は、固有振動の影響を少なくするためにサーボゲインを下げるものである。
【００３２】
しかし、サーボゲインが増減しただけでは、図３に示す、位相補償のピークとサーボゲインが“０”となる周波数がずれて、十分な位相余裕を得ることが出来ず、サーボ回路が発振する可能性がある。
【００３３】
そのため、フィルター／サーボゲイン設定部１７では、図３に示すように、サーボゲインが“０”となる周波数（サーボ帯域）で、位相の進み（余裕）のピークにする必要がある（時定数τ３、τ４を調整する必要がある）。
【００３４】
いま、係数設定部１６ｂの出力をＬ１とし、係数設定部１６ａの出力をＬ２とすると、
Ｌ１が小さく、Ｌ２が小さい場合は、Ｔ＝Ｔ１１
Ｌ１が小さく、Ｌ２が中間の場合は、Ｔ＝Ｔｍ１
Ｌ１が小さく、Ｌ２が大きい場合は、Ｔ＝Ｔｍｍ
Ｌ１が中間で、Ｌ２が小さい場合は、Ｔ＝Ｔｍ１
Ｌ１が中間で、Ｌ２も中間の場合は、Ｔ＝Ｔｍｍ
Ｌ１が中間で、Ｌ２が大きい場合は、Ｔ＝Ｔｍｈ
Ｌ１が大きく、Ｌ２が小さい場合は、Ｔ＝Ｔｍｍ
Ｌ１が大きく、Ｌ２が中間の場合は、Ｔ＝Ｔｍｈ
Ｌ１が大きく、Ｌ２も大きい場合は、Ｔ＝Ｔｈｈ
となる。
【００３５】
そして、制御する系のサーボ帯域によりこの値が大きく変わるが、例えば、
Ｔ１１の場合の時定数を、τ３＝６２５Ｈｚ、τ４＝１０ｋＨｚ、
Ｔｍ１の場合の時定数を、τ３＝６２０Ｈｚ、τ４＝１２．２ｋＨｚ、
Ｔｍｍの場合の時定数を、τ３＝６００Ｈｚ、τ４＝１５ｋＨｚ、
Ｔｍｈの場合の時定数を、τ３＝５７４Ｈｚ、τ４＝１８．４ｋＨｚ、
Ｔｈｈの場合の時定数を、τ３＝５４４Ｈｚ、τ４＝２２．５ｋＨｚ、
とする。これにより、位相補償回路９の時定数を確定することが出来る。
【００３６】
時定数τ４が変化した場合の固有振動周波数における、位相補償回路９により増加する振幅レベルは、図１０に示すように、τ４の逆数である高域のカットオフ周波数が低域にずれるほど（τ４は大きくなるほど）、固有振動周波数における振幅レベルが下がり影響が少なく作用する。また、図１１に示すように、τ３を大きく、τ４を小さくすることにより、位相進みがピークになる周波数が高くなり、位相進み量は大きくなる。
【００３７】
ここで上記した説明では、簡単のため、Ｌ１，Ｌ２とも３つの段階としたが、さらに細かく分類することにより、位相補償回路９の時定数も細かく設定出来ることは言うまでもない。
【００３８】
【発明の効果】
以上のように本発明では、従来の小型・軽量の制御装置では制御駆動装置自身が軽量であるため、固有振動が発生したり、駆動することにより生じる反力により振動して、正確な位置制御、速度制御が困難であったものに対して、制御系の制御誤差信号と固有振動信号レベルを検出しながら、制御ゲイン、位相特性を制御することにより、固有振動を防ぎながら、精度の高い位置制御、速度制御を実現することが可能な制御装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る制御装置の構成を示すブロック図である。
【図２】ディスクドライブの位置制御誤差信号の検出方法の原理を示す説明図である。
【図３】サーボ制御系のオープンループ特性を示す説明図である。
【図４】図１中のファジー制御回路の構成を示すブロック図である。
【図５】図１中のゲイン補償回路の周波数特性を示す説明図である。
【図６】図１中の位相補償回路の周波数特性を示す説明図である。
【図７】図４中の係数設定部１６ａの入出力特性を示す説明図である。
【図８】図４中の係数設定部１６ｂの入出力特性を示す説明図である。
【図９】図４中の係数設定部１６ｂによるサーボゲインの増減の様子を示す説明図である。
【図１０】本発明の一実施形態における、固有振動レベルの変化を示す説明図である。
【図１１】本発明の一実施形態ににおける、サーボ系の位相補償量の変化を示す説明図である。
【図１２】制御装置のアクチュエータの周波数特性を示す説明図である。
【図１３】従来技術の制御装置のブロック図である。
【図１４】従来技術の安定化補償器による最適化されたサーボ回路特性を示す説明図である。１  ディスク
２  レーザー
３  対物レンズ
４  ビームスプリッター
５  ピックアップ
６  アクチュエータ
７  ＲＦアンプ
８  Ａ／Ｄ変換回路
９  位相補償回路
１０  ゲイン補償回路
１１  サーボアンプ
１２  Ｄ／Ａ変換回路
１３  アクチュエータドライバー回路
１４  ＤＳＰ
１５  前件部
１５ａ  レベル検出部
１５ｂ  レベル検出部
１６  後件部
１６ａ  係数設定部
１６ｂ  係数設定部
１７  フィルター／サーボゲイン設定部
１８  ファジー制御回路
２０  レーザー光
２１  受光素子「１」
２２  受光素子「２」
２３  エラーアンプ
【図１】
0003793432.tif 000005
【図２】
0003793432.tif 000006
【図３】
0003793432.tif 000007
【図４】
0003793432.tif 000008
【図５】
0003793432.tif 000009
【図６】
0003793432.tif 000010
【図７】
0003793432.tif 000011
【図８】
0003793432.tif 000012
【図９】
0003793432.tif 000013
【図１０】
0003793432.tif 000014
【図１１】
0003793432.tif 000015
【図１２】
0003793432.tif 000016
【図１３】
0003793432.tif 000017
【図１４】
0003793432.tif 000018