JP2001209402A - 制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】制御量以外の連続的または高速に得られる値を
用いて制御量を推定し、離散的な値の間を補間し、高周
波数の目標値に対する追従性を確保し、高域外乱の影響
を抑制すること。 【解決手段】目標値に制御対象１を追従させる制御を行
う制御手段２ａと、前記制御対象１の制御量を離散的に
検出する検出手段４ａとを備え、前記制御手段２ａは、
前記制御対象１の制御量を微分した値又は２回微分した
値を検知して前記検出手段２ａの検出した離散的な間の
値を推定して補間し、該補間した値と前記目標値により
前記制御対象１を制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】ある制御対象を制御する場
合、制御結果を測定して目標値と比較し、結果に応じて
適当な修正動作を与える、いわゆるフィードバック制御
方式がある。本発明は、このようなフィードバック制御
方式等の制御において、制御量の測定が高速に行われな
い場合においても、高速な目標値追従性能および高周波
外乱抑圧特性を実現することができる制御装置に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】図８は従来例の説明図であり、図８
（ａ）はフィードバック制御系（連続系）の説明であ
る。図８（ａ）において、制御対象１、コントローラ
２、減算器５が設けてある。

【０００３】一般にある制御量をある目標値に追従させ
る場合、図８（ａ）のように、何らかの方法で制御対象
１の制御量を観測し、減算器５から目標値との差分をコ
ントローラ２にフィードバックすることによって目標値
追従性を高め、またシステムに加わる外乱の影響を軽減
することができる。

【０００４】図８（ａ）の制御系は、連続信号で構成さ
れる連続系（アナログ系）と呼ばれるものである。実際
の制御は、コンピュータを用いて行われることが多く、
また制御量の観測が間欠的にしか行えない場合もあり、
図８（ｂ）のように連続信号（制御量）をある周波数で
サンプリングするサンプラ３を含む形、いわゆる離散
（デジタル）系になっていることが多い。

【０００５】図８（ｂ）はフィードバック制御系（離散
系）の説明である。図８（ｂ）において、制御対象１、
コントローラ２、サンプラ３、減算器５が設けてある。
図８（ｂ）の制御系は、離散系と呼ばれるものであり、
実際に観測される制御量は、サンプラ３により間欠的に
しか得られないものであった。

【０００６】図８（ｃ）は実際の制御量と観測される制
御量の説明である。図８（ｃ）において、点線は実際の
制御量、実線は観測される制御量である。図８（ｂ）の
制御系の場合、点線の実際の制御量に対して、サンプラ
３により実際に観測される制御量は図８（ｃ）の実線の
ようにステップ状になるものであった。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】前記従来のものは、次
のような課題があった。

【０００８】図８（ｂ）の従来の制御系の場合、実際に
観測される制御量は図８（ｃ）の実線のようにステップ
状になり、これ以上の周波数の成分については、制御不
能となり、高周波数の目標値に対する追従性が劣化する
とともに、高域（高い周波数）外乱の影響を抑制できな
くなっていた。

【０００９】本発明は、このような従来の課題を解決
し、制御量以外の連続的または高速に得られる値を用い
て制御量を推定し、離散的な値の間を補間し、高周波数
の目標値に対する追従性を確保し、高域外乱の影響を抑
制することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】図１は本発明の原理説明
図である。図１中、１は制御対象、２ａは制御手段、４
ａは検出手段である。

【００１１】本発明は前記従来の課題を解決するため次
のように構成した。

【００１２】（１）：目標値に制御対象１を追従させる
制御を行う制御手段２ａと、前記制御対象１の制御量を
離散的に検出する検出手段４ａとを備え、前記制御手段
２ａは、前記制御対象１の制御量を微分した値又は２回
微分した値を検知して前記検出手段２ａの検出した離散
的な間の値を推定して補間し、該補間した値と前記目標
値により前記制御対象１を制御する。

【００１３】（２）：前記（１）の制御装置において、
前記制御対象１がディスク装置のヘッドであり、前記制
御量が位置であり、前記検知する値がヘッドの加速度で
あるものとする。

【００１４】（作用）前記構成に基づく作用を説明す
る。

【００１５】目標値に制御対象１を追従させる制御を行
う制御手段２ａで、前記制御対象１の制御量を微分した
値又は２回微分した値を検知して前記検出手段２ａの検
出した離散的な間の値を推定して補間し、該補間した値
と前記目標値により前記制御対象１を制御する。このた
め、制御量以外の連続的または高速に得られる値を用い
て制御量を推定しており、高周波数の目標値に対する追
従性を確保し、高域外乱の影響を抑制することができ
る。

【００１６】また、制御対象１をディスク装置のヘッド
とし、制御量を位置とし、高速に検知する値をヘッドの
加速度とする。このため、離散的にしか得られない位置
情報の間の位置を加速度から推定し、高周波数の目標位
置に対する追従性を確保し、高域外乱の影響を抑制する
ことができる。

【００１７】

【発明の実施の形態】（１）：フィードバック制御によ
る説明 図２はフィードバック制御の説明図であり、図２（ａ）
はマルチレート推定器を用いたフィードバック制御系の
説明である。

【００１８】図２（ａ）において、制御対象１、コント
ローラ２、サンプラ３、推定器４、減算器５が設けてあ
る。制御対象１は、磁気ディスク装置のヘッド（制御量
が位置の場合）、加熱器のヒータ（制御量が温度の場
合）等の制御対象である。コントローラ２は、制御対象
１を制御するものである。サンプラ３は、離散的に制御
対象１の制御量を観測（検出）するものである。推定器
４は、制御量のサンプル値と制御量以外の量（速度、加
速度等）から制御量を推定するもので、複数のサンプリ
ングレートを持つマルチレート推定器である。減算器５
は、目標値と推定器４の出力を比較するものである。

【００１９】高周波数の目標値に対する追従性が劣化す
る、高域（高い周波数）外乱の影響を抑制できなくなる
等の従来の課題は、ひとえに制御量が連続的に得られな
いこと、または、十分早いサンプリングで得られないこ
とに起因している。そこで、本発明では、推定器４によ
り、制御量以外の連続的または高速に得られる値を用い
て制御量を推定し、離散的な値の間を補間するものであ
る。これにより、推定、補間後の制御量は、連続的な情
報となり、高周波数の目標値に対する追従性を確保し、
高域外乱の影響を抑制できるようになる。

【００２０】図２（ｂ）は観測された制御量と推定され
た制御量の説明である。図２（ｂ）において、点線は観
測された制御量、実線は推定された制御量である。点線
の観測された制御量に対して、実線は推定された制御量
であり、離散的な値の間が補間されている。

【００２１】（制御量を位置とした場合の説明）ここ
で、制御量を位置とした場合、補間に用いる情報（制御
量以外の量）は、速度や加速度である。(1) 速度情報が
得られる場合、位置の補間に速度を用いる方法は以下の
式で表され、特に問題もない。(2) 一方、速度が得ら
れず、加速度情報のみが得られる場合、式のように速
度を推定した後、式で位置を推定することになる。

【００２２】 Ｘ（Ｔ＋ｔ）＝Ｘ（Ｔ）＋Ｖ（Ｔ）×ｔ・・・・・・・・・・ Ｖ（Ｔ＋ｔ）＝Ｖ（Ｔ）＋α（Ｔ）×ｔ・・・・・・・・・・ ただし、Ｘ（Ｔ）は時間Ｔの時の位置、Ｖ（Ｔ）は時間
Ｔの時の速度、α（Ｔ）は時間Ｔの時の加速度、ｔはサ
ンプリング時間（時間刻み）である。

【００２３】上記(2) の場合、速度の初期値Ｖ（Ｔ）が
不明なため、必然的に速度推定値にオフセット（ＤＣ成
分）的な誤差が重畳（発生）され、推定位置にも誤差が
発生する。そこで、式で求めた速度推定値のオフセッ
ト的な誤差を除去するため、ハイパスフィルタを通した
あと、式にて位置を推定する。これにより、推定、補
間後の位置情報は、連続的な情報となり、高周波数の目
標値に対する追従性を確保し、高域外乱の影響を抑制で
きるようになる。

【００２４】（２）：磁気ディスク装置のフォロイング
制御に適用した場合の説明 データ面サーボ方式（磁気ディスク装置）のフォロイン
グ制御に適用した場合の説明をする。データ面サーボ方
式（セクタサーボ）は、磁気ディスク（媒体）に設けら
れたセクタとセクタの間に位置情報（サーボセクタ）が
埋め込まれている。このため、媒体１回転につきセクタ
数の位置情報が得られる。

【００２５】磁気ディスク装置のヘッドの位置決め制御
では、シーク（ｓｅｅｋ）制御とそれに続くフォロイン
グ制御（微調整）が行われる。データ面サーボ方式の磁
気ディスク装置の位置決め制御（フォロイング制御）で
は、本質的にデジタル（離散的）制御方式となる。

【００２６】データ面への過度のサーボ情報の書き込み
は記録密度を落とすことになるため、サンプリング周波
数を十分高くとれない場合がほとんどである。一方でデ
ィスクの回転速度を上げればサンプリング周波数を高く
とれるが、軸受けの耐性などの問題から回転速度には制
約がある。

【００２７】本実施の形態では、サンプリング周波数よ
り高い周波数領域の位置情報を加速度センサにより推定
し、あたかもサンプリング周波数が高くとれたような系
を構築することができる。また、さらにサンプリング間
の位置情報を推定することができるので、モータへの制
御出力の時間波形がなめらかとなり、高精度な位置決め
が実現できる。

【００２８】図３は磁気ディスク装置の位置決め制御の
説明図である。図３において、磁気ディスク装置の位置
決め制御には、減算器５、磁気ディスク装置１１、コン
トローラ（制御器）１２、サンプラ１３、サンプラ１
４、バンドパスフィルタ１５、速度推定器１６、ハイパ
スフィルタ１７、位置推定器１８が設けてある。

【００２９】減算器５は、推定位置と目標位置から位置
誤差を算出するものである。磁気ディスク装置１１は、
磁気ディスクへ情報のリード／ライトを行うものであ
る。コントローラ１２は、推定位置誤差情報を使用して
モータへ電流出力を行うものである。サンプラ１３は、
磁気ディスクから位置情報を得て、サンプリング時間Ｔ
ｓ保持するものである。サンプラ１４は、加速度を検出
して、サンプリング時間Ｔｓｍ保持するものである。バ
ンドパスフィルタ１５は、必要以外の雑音を除去するも
のである。速度推定器１６は、加速度より速度を推定す
るものである（式参照）。ハイパスフィルタ１７は、
オフセット（ＤＣ成分）を除去するものである。位置推
定器１８は、速度より位置を推定するものである（式
参照）。

【００３０】（動作説明）磁気ディスク装置１１から得
られる情報は、磁気ディスクのデータ面に書き込まれた
位置情報（Ｘ）と、磁気ディスクヘッドのアーム先端に
搭載された加速度センサからの情報（α）である。サン
プラ１３による前者（Ｘ）のサンプリング時間をＴｓ、
サンプラ１４による後者（α）のサンプリング時間をＴ
ｓｍとする。そして、ＴｓｍをＴｓの５分の１とした。
すなわち加速度信号のループ（＠Ｆ）は位置信号ループ
（＠Ｅ）の５倍のサンプリングレートとなるような、マ
ルチレート（周波数）制御系を構成している。以下、図
３に基づいて制御動作を説明する。

【００３１】(1) ：サンプラ１４は、アーム先端に搭載
の加速度センサから加速度αを取得してサンプリングし
た加速度α（ｎ）を出力する。

【００３２】〔α⇒α（ｎ）〕 (2) ：加速度α（ｎ）をバンドパスフィルタ１５を通し
て不要な雑音を除去した加速度α'(ｎ) を得る。

【００３３】〔α（ｎ）⇒α'(ｎ) 〕 (3) ：速度推定器１６により、推定速度ｖ'(ｎ) を算出
する。ｖ'(ｎ) ＝ｖ'(ｎ−１) ＋ａ（ｎ）×ｔ（式相
当） 〔α'(ｎ) ，ｖ'(ｎ−１) ⇒ｖ'(ｎ) 〕 (4) ：推定速度ｖ'(ｎ) をハイパスフィルタ１７を通し
オフセットを除去して真の推定速度Ｖ'(ｎ) を得る。

【００３４】〔ｖ'(ｎ) ⇒Ｖ'(ｎ) 〕 (5) ：位置推定器１８により、真の推定速度Ｖ'(ｎ) と
サンプラ１３からの位置情報Ｘ（ｋ）から推定位置Ｘ'
(ｎ) を算出する（式相当）。

【００３５】〔Ｖ'(ｎ) ，Ｘ（ｋ）⇒Ｘ'(ｎ) 〕 (6) ：減算器５により、推定位置Ｘ'(ｎ) と目標位置Ｔ
（ｋ）から位置誤差Ｅ'(ｎ) を算出する。

【００３６】〔Ｘ'(ｎ) ，Ｔ（ｋ）⇒Ｅ'(ｎ) 〕 (7) ：推定位置誤差Ｅ'(ｎ) 情報を使用して、コントロ
ーラ１２によりモータへ電流ｉ（ｎ）の出力を行う。

【００３７】〔Ｅ'(ｎ) ⇒ｉ（ｎ）〕次に、ｎをインク
リメント（ｎ＝ｎ＋１）して (1) に戻ることになる。

【００３８】ただし、推定値には変数の右肩に「’」を
付した。上記変数の意味は次の通りである。

【００３９】 加速度 ：α バンドパスフィルタ通過後の加速度 ：α' 推定速度 ：ｖ' 真の推定速度 ：Ｖ' 推定位置 ：Ｘ' 目標位置 ：Ｔ 推定位置誤差 ：Ｅ' 制御出力 ：ｉ 位置信号のサンプル番号 ：ｋ （ｋ＝ｉｎｔ（Ｔｓｍ／Ｔｓ）×ｎ）なお「ｉｎｔ」は
整数を意味する。また、この例ではｎが５増えるとｋが
インクリメントされる。

【００４０】 加速度信号のサンプル番号 ：ｎ アームの先端位置（ヘッド位置） ：Ｙ （３）：以下、上記動作のシミュレーション結果を図４
〜図７に基づいて説明する。

【００４１】図４は加速度信号の説明図である。図４に
おいて、横軸は時間（サンプリングの刻みｎ）、縦軸は
加速度信号αの振幅を±１とした場合のサンプラ１４か
らの出力である加速度信号αの例のグラフを示してい
る。

【００４２】図５は推定速度と真の推定速度の説明図で
ある。図５において、速度推定器１６の出力である推定
速度ｖ' とハイパスフィルタ１７を通しＤＣ成分を除去
した真の推定速度Ｖ' のグラフを示している。

【００４３】図６は位置信号と推定位置信号の説明図で
ある。図６において、サンプラ１３の出力である位置信
号Ｘと位置推定器１８の出力である推定位置信号Ｘ' の
グラフを示している。

【００４４】図７は制御出力の説明図である。図７にお
いて、コントローラ１２からの制御出力ｉのグラフを示
している。

【００４５】これら全てのグラフ（図４〜図７）は、横
軸が時間（サンプリングの刻みｎ）である。そして、磁
気ディスク面に書き込まれている位置信号を初期値とし
て加速度信号から得た推定速度は、必然的にＤＣ成分が
入っており実際の速度と異なっているが、ハイパスフィ
ルタを通した真の推定速度は時間の経過とともに実際の
速度に近くなっている。これにより推定位置は、実際の
位置に近くなっており、磁気ディスク面に書き込まれて
いる位置信号よりも滑らかとなっている。これに伴って
制御出力も滑らかとなっており、高精度な位置決め制御
が可能である。

【００４６】なお、前記実施の形態では、磁気ディスク
装置の位置決め制御について説明したが、温度制御等の
他の制御にも適用することができる。例えば、電気加熱
による温度制御で温度が離散（間欠）的にしか得られな
い場合、電流が温度（制御量）を微分した値となるた
め、電流を連続して（又は高速に）検出して積分するこ
とにより、離散的（低速）な制御量の間を補間すること
ができる。また、前記実施の形態では、フィードバック
制御について説明したが、フィードフォワード制御にも
適用可能である。

【００４７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば次
のような効果がある。

【００４８】（１）：目標値に制御対象を追従させる制
御を行う制御手段で、前記制御対象の制御量を微分した
値又は２回微分した値を検知して前記検出手段の検出し
た離散的な間の値を推定して補間し、該補間した値と前
記目標値により前記制御対象を制御するため、制御量以
外の連続的または高速に得られる値を用いて制御量を推
定しており、高周波数の目標値に対する追従性を確保
し、高域外乱の影響を抑制することができる。

【００４９】（２）：制御対象をディスク装置のヘッド
とし、制御量を位置とし、高速に検知する値をヘッドの
加速度とするため、離散的にしか得られない位置情報の
間の位置を加速度から推定し、高周波数の目標位置に対
する追従性を確保し、高域外乱の影響を抑制することが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の原理説明図である。

【図２】実施の形態におけるフィードバック制御の説明
図である。

【図３】実施の形態における磁気ディスク装置の位置決
め制御の説明図である。

【図４】実施の形態における加速度信号の説明図であ
る。

【図５】実施の形態における推定速度と真の推定速度の
説明図である。

【図６】実施の形態における位置信号と推定位置信号の
説明図である。

【図７】実施の形態における制御出力の説明図である。

【図８】従来例の説明図である。

【符号の説明】

１ 制御対象 ２ａ 制御手段 ４ａ 検出手段

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｇ１１Ｂ 21/08 Ｇ１１Ｂ 21/08 Ｂ Ｆターム(参考） 5D066 DA03 DA11 DA16 5D088 BB01 PP01 SS01 UU01 5H004 GA05 GA07 GA40 GB20 HA07 HB07 HB08 HB09 JA03 JB11 JB15 JB29 JB30 KA34 MA13 MA14 MA44 5H303 AA22 CC02 DD01 EE03 FF04 GG27 JJ01 JJ04 MM05

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】目標値に制御対象を追従させる制御を行う
   制御手段と、 前記制御対象の制御量を離散的に検出する検出手段とを
   備え、 前記制御手段は、前記制御対象の制御量を微分した値又
   は２回微分した値を検知して前記検出手段の検出した離
   散的な間の値を推定して補間し、該補間した値と前記目
   標値により前記制御対象を制御することを特徴とした制
   御装置。
2. 【請求項２】前記制御対象がディスク装置のヘッドであ
   り、前記制御量が位置であり、前記検知する値がヘッド
   の加速度であることを特徴とした請求項１記載の制御装
   置。