This dissertation deals with design problems for the track-following control system of optical disk drives. A disturbance observer (DOB) is utilized to attenuate disturbances in the high frequency region, and the stability of the overall system should be preserved after the DOB is added on. In addition, we present a compensator design method for a dual-stage actuator that is a general mechanism to track a spiral data track on an optical disk. The validity of the proposed design methods is proved using simulations and experiments.
First, a design procedure of a DOB for a track-following control system is presented. A robust stability condition under uncertain plant dynamics is introduced with intuitive graphical representation. A stability measure is defined using structured singular value of the overall control system with respect to the cutoff frequency of the Q-filter in the DOB structure. Because the relationship between robust stability and cutoff frequency is easily represented, the design procedure results in one dimensional search of the maximum cutoff frequency that satisfies the rotust stability condition. Because the performance of DOB is enhanced as the cutoff frequency increases, we can achieve the best disturbance attenuation performance without destabilizing the overall system.
Secondly, we propose a new DOB structure for asymptotic disturbance rejection in a track-following control system. Due to the increase of disk rotational speed for the improvement of data transfer rate, the resultant disturbance frequency is also increased. Conventional DOBs are no longer effective in disk drive systems with a high-speed rotation mechanism because the performance of conventional DOBs is severely degraded as the disk rotational frequency increases. We can achieve an asymptotic tracking property against an external disturbance of a very high frequency by adopting a band-pass filter in the DOB structure, which is tuned based on the information on the disturbance frequency. Even when the disturbance frequency is slightly deviated from an assumed value by incomplete spindle control, the disturbance attenuation performance achieved by the proposed DOB is still satisfactory.
Finally, a systematic design method for the dual-stage actuator in a track-following control system is presented. Because a coarse actuator is one of the two actuators that comprise the dual-stage actuator, a compensator for the coarse actuator should be designed to satisfy overall system stability and required performance specifications. A compensator for the coarse actuator is designed in the PQ system framework. Relationships between the original system and the corresponding PQ system are explained based on two reasonable assumptions regarding the stability and the control bandwidth of the fine actuator control loop. Finally, compensators for the two actuators can be designed independently.
본 논문에서는 고배속 광디스크 드라이브 트랙 추종 제어 시스템을 위한 제어기 설계 문제를 다룬다. 회전하는 디스크의 편심에 의하여 발생하는 고주파 외란을 효과적으로 제거하고 시스템의 안정성을 보장하기 위한 외란 관측기 설계 방법을 제안한다. 또한, 나선형의 트랙을 추종하기 위한 2단 액츄에이터 제어기 설계 방법을 제시한다. 외란 관측기를 포함한 제안된 방법의 타당성을 검증하기 위하여 실제 시스템에 적용하고 그 결과를 제시한다.
우선, 트랙 추종 제어 시스템을 위한 외란 관측기 설계 방법을 제시한다. 대상 플랜트인 미동 액츄에이터를 비구조적 불확실성 모델로 표현하고, 궤환 제어기를 포함한 전체 시스템의 강인 안정성 조건을 유도한다. 외란 관측기의 성능을 포함한 전체 시스템의 특성은 Q 필터의 차단 주파수에 의하여 결정되므로 Q 필터의 차단 주파수에 대한 전체 시스템의 구조적 특이값 (structured singular value)을 시스템의 안정성 척도로 정의한다. 이 안정성 척도를 이용하여 강인 안정성과 최상의 성능이 보장되는 외란 관측기를 설계한다. 외란 관측기의 도입과 그 성능의 극대화는 궤환 제어기의 설계 사양을 완화하여 보다 쉽게 궤환 제어기를 설계할 수 있다.
아울러, 매우 높은 디스크 회전 속도에서의 트랙 추종 제어를 위한 새로운 외란 관측기를 제안한다. 기존의 외란 관측기에서는 Q 필터로 저역 통과 필터를 사용하므로 비교적 낮은 주파수 대역의 외란에 대해서만 효과적이며, Q 필터의 차단 주파수를 증가시켜서 확보할 수 있는 트랙 추종 성능의 향상에는 한계가 있다. 이 문제를 해결하기 위하여 외란의 주파수에 관한 정보를 바탕으로 정현파 외란을 점근적으로 제거할 수 있는 새로운 외란 관측기 구조를 제안한다. 새로운 필터를 추가하여 Q 필터의 차수에 대한 제약 조건을 제거함으로써 보다 자유롭게 Q 필터를 선택할 수 있다. 점근적 외란 제거 성능을 위하여 Q 필터를 대역 통과 필터로 사용하며, 그 중심 주파수는 외란의 주파수와 같은 디스크 회전 주파수로 설정한다. 결국, 외란 주파수에 대한 정보가 정확하다면 점근적 외란 제거 성능에 의하여 완벽하게 트랙을 추종할 수 있다. 디스크 회전 제어 오차로 인하여 외란 주파수가 약간 변하는 경우에도 기존의 외란 관측기보다 우수한 외란 감쇄 성능을 거둘 수 있다.
트랙 추종 제어를 위한 기구는 조동 액츄에이터도 포함된 2단 액츄에이터 구조이므로 조동 액츄에이터 제어기도 전체 시스템의 안정성을 보장하도록 설계하여야 한다. 또한, 나선형의 트랙을 추종하는 과정에서 발생하는 미동 액츄에이터의 변위를 일정 범위 이내로 제어하여야 한다. 2단 액츄에이터는 일종의 이중 입력 단일 출력 (dual-input single-output) 시스템이므로 원칙적으로는 2개의 제어기를 독립적으로 설계할 수 없다. 하지만, 2단 액츄에이터를 구성하는 두 개의 액츄에이터는 뚜렷이 구별되는 역학적 특성을 가지므로, 이 특성을 적절히 활용하면 두 개의 제어기를 서로 독립적으로 설계할 수 있다. 미동 액츄에이터 제어기는 기존의 방법에 따라 편심에 의한 높은 주파수 대역의 외란을 제거하도록 설계하며, 이 결과를 바탕으로 조동 액츄에이터 제어 루프는 PQ 궤환 시스템으로 근사화할 수 있다. 결국, PQ 설계 방법을 이용하면 조동 액츄에이터 제어기에 요구되는 성능과 안정성 요구 사양을 쉽게 만족시킬 수 있다.
