CN1460995A - 磁盘装置 - Google Patents

Abstract

提供以提高在某任意频率的定位精度为目的的磁盘装置。测量控制对象的频率特性，设计通过相位条件而稳定化控制对象所具有的振动模式的随动补偿器。然后，设计在改善定位精度的频率附近具有共振点的共振滤波器，并相对于控制对象并列地进行结合。此时，根据通过控制系统稳定化的频率和相位－180度交叉频率的关系，确定共振滤波器的模式常数的正负，以稳定化由共振滤波器产生的振动模式。由此，即使是在控制系统的灵敏度函数为0dB以上的频率区域，也可以没有使控制系统不稳定地提高在特定频率的定位精度。

Description

磁盘装置

技术领域

本发明涉及适用于确定磁盘装置的磁头位置的定位控制装置。

背景技术

作为计算机的外部存储装置的磁盘装置，其由磁头追踪旋转着的磁盘面上的作为目标的磁道，进行该磁道上的数据的记录再现。因此，需要进行将磁头准确地控制到作为目标的磁道上的控制。最近，为了增加磁盘装置的存储容量，倾向于减小磁道宽度，从而需要进一步提高定位的精度和高速化。

使定位精度恶化的主要原因之一是同步于磁盘的旋转的位置信号的振动或来自外部的干扰。它们体现为位置信号的振动，因此，需要进行充分地抑制这样的振动的控制。作为用于此目的的以往技术，有例如特开平5-298842号公报，其开示了追踪包含于位置信息中的偏心成分来确定磁头位置的方法。在该以往技术中，使用的是利用与起因于磁盘旋转或干扰等原因的振动频率具有共振点的数学模型生成用于抑制其振动的控制信号，进而将该控制信号叠加在用于确定磁头的位置的伺服控制信号上的方法。

虽然利用上述的特开平5-298842号公报的技术可以抑制伴随着旋转等的振动成分，但当其振动频率存在于控制系统的灵敏度函数为0dB以上的频率区域时，控制系统将不稳定，易于产生发散的现象。

发明内容

本发明的目的在于提供即使在控制系统的灵敏度函数为0dB以上的频率区域中存在要抑制的频率，也可以无损于控制系统的稳定性地抑制其振动的定位控制装置。

为达成上述目的，本发明的将调节器、由该调节器驱动的磁头、以及将由该磁头从信息记录再现介质中读出的信息中取出磁头位置信号的电路作为控制对象，生成用于控制使由上述电路取出的磁头位置信号所表示的磁头位置成为被赋予的目标位置的操作信号，进而控制上述调节器的定位控制装置包括以下构成：

将上述目标位置和上述磁头的位置之差作为误差信号取出的误差检测装置；

将来自该装置的误差信号作为输入，进行相位补偿并生成上述操作信号以便至少能使存在于上述控制对象中的振动模式稳定化的补偿器；

将由该补偿器输出的操作信号作为输入，在所付与的提高定位精度对象频率或者在其附近具有其共振频率且可以将其输出相加到上述磁头位置信号上的共振滤波器。

此外，在上述的定位控制装置中，如果能在用尼奎斯特曲线图给出的、连接了具有上述补偿器以及共振滤波器的该定位控制装置和上述控制对象时的开环传递特性的矢量轨迹中，使上述共振滤波器具有在上述提高定位精度对象频率的附近随着频率的增大而生成远离尼奎斯特曲线图上的不稳定点(-1，0)的方向的右旋的圆轨迹的特性即可。

进而，在上述的定位控制装置中，当上述共振滤波器取a为模式常数，ω为共振频率的2π倍的值，ζ为粘性系数时，则可以使之具有用

a/(S²+2ζωS+ω²)

表示的传递特性。

附图说明

图1所示是本发明的定位控制装置的构成例的方框图；

图2所示是磁盘装置的磁头定位控制系统的功能框图；

图3是控制对象的增益特性和相位特性例；

图4是随动补偿器的增益特性和相位特性例；

图5是串联结合了具有图3的特性的控制对象和具有图4的特性的随动补偿器时的增益特性和相位特性；

图6是图5的特性矢量轨迹；

图7是共振滤波器的增益特性和相位特性例；

图8是控制部的传递特性Cpf(z)的增益特性和相位特性例；

图9是连接了具有图8的特性的控制部和具有图3的特性的控制对象时的开环传递特性的增益特性和相位特性；

图10是图9的特性矢量轨迹；

图11是反转了图7的共振滤波器的振动模式常数的符号时的开环传递特性的矢量轨迹；

图12是在图11的共振滤波器中进一步加大了粘性系数时的开环传递特性的矢量轨迹；

图13是对应图9的开环传递特性的灵敏度函数的增益特性；

图14是对应图5的开环传递特性的灵敏度函数的增益特性；

图15是对位置信号的正弦波的干扰信号的例子；

图16是在利用具有图8的特性的控制部进行了控制时的对应图15的干扰信号的位置信号的时间响应；

图17是在利用具有图4的特性的控制部进行了控制时的对应图15的干扰信号的位置信号的时间响应；

图18是共振滤波器的另外的增益特性和相位特性；

图19是适用了具有图18的特性的共振滤波器时的开环传递特性的矢量轨迹；

图20所示是将压电元件作为微动调节器使用的磁头驱动机构控制部的图；

图21是串联结合了作为控制对象的微动调节器和其随动补偿器时的增益特性和相位特性例；

图22是图21的特性矢量轨迹；

图23是对图22的矢量轨迹进行共振滤波器补偿后生成的特性矢量轨迹。

具体实施方式

下面，详细地说明本发明的实施形态。图2所示是磁盘装置的磁头定位控制系统的功能框图。同图中，在主轴电机6上固定有作为记录介质的磁盘5，其按规定的转速旋转。此外，在保持在主轴电机6上的磁盘5的侧方向上，与主轴电机轴平行地设置了枢轴轴承3。托架4可摇动地固定在枢轴轴承3上，磁头1固定在托架4的前端。用于使磁头1移动的动力由音圈电机(VCM)2产生。记录在磁盘上的伺服扇区7的位置信号等信号被磁头1检测出来，通过磁头信号放大器8放大，由伺服信号解调器9进行解调。解调后的伺服信号19由AD变换器10进行数字化，其中也包含被数字化了的位置信号20。这样得到的位置信号20经由总线13被取入MPU16。

相对于MPU16，经由总线13设置了ROM15、RAM14。在ROM15中，保存有由MPU16运行的各种控制程序，此外，还保存了各种控制所需要的参数。另外，通过相对于MPU16经由总线13连接接口控制器17，可以接受来自主机侧控制器18的指令，并对MPU16发出进行读写的访问要求。如果发出了要求进行数据的读写的指令，则MPU16将运行保存在ROM15中的定位控制用的程序，求出从输入的位置信号20到目标位置的距离，并对应于该移动距离生成最佳的VCM控制信号21。所生成的VCM控制信号21经由DA变换器11成为功率放大器控制信号22并经由功率放大器12被变换成电流23外加到VCM2上。由此，磁头被确定位置于作为目标的位置上。

虽然以上的示于图2的功能框图在本发明的定位控制装置也是同样的，但本发明的特征在于采用的是输入位置信号20并通过用于生成VCM控制装置信号21的MPU16进行的处理方法。图1所示是本发明的定位控制装置的构成例的框线图。图1中，控制对象30以利用图2的MPU16计算出来的VCM控制信号21为输入，相当于在输出被数字化了的位置信号20时的、从DA变换器11直到AD变换器10的部分，表示其输入输出特性的关系是传递函数P(z)。此外，控制部27由在作为本发明的特征的共振滤波器29(设传递函数为Cp(z))和磁盘装置中用于实现众所周知的期望的控制性能的随动补偿器28(设传递函数为Cf(z))构成。在该构成中，如果从图2的主机侧控制器发出包含目标位置的指令，则通过将作为该目标位置和位置信号20的差分信号的PES(position error signal)25输入到随动补偿器28，可以生成作为随动补偿器28的输出信号的VCM控制信号21。该VCM控制信号21被作为对控制对象30以及共振滤波器29的输入。进而，将来自共振滤波器29的输出26相加在位置信号20上。

相对于在上述的特开平5-298842号公报中，具有共振特性的数学模型的输入是上述的PES，且其输出也相加到PES，数学模型作为对应PES的随动补偿器而使用，相对于此虽然本发明的图1的构成中在共振滤波器29想要抑制的频率中具有共振点这一点上与上述众所周知侧相同，但通过将作为控制部27的输出的VCM控制侧21作为共振滤波器29的输入并将其输出反馈给PES，进行对PES的补偿。

下面，叙述图1的详细内容。首先，控制对象30取将由刚体模式和一个振动模式组成的(表达式1)的机构系统模型Pc(s)设定为数字控制系统并按附带0次保持(hold)而离散化了的形态。

(表达式1) $p_c\left(s\right)=\frac{1}{s^2}+\frac{a_r}{s^2+2{\mathrm{\ζ}}_r{\mathrm{\ω}}_{r}s+{{\mathrm{\ω}}_r}^2}$

此时，设采样时间为Ts。例如，取模式常数a_r＝-1，粘性系数ζr＝0.03，共振频率ω_r/2π＝6000Hz，则采样时间Ts＝50μs。图3所示是此时的控制对象30的传递特性P(z)(增益特性31，相位特性32)。在该控制对象30中，振动模式的模式常数a_r是负的，与刚体模式的模式常数1是正负相反(逆相)的。这里，此处所说的共振频率ω_r例如是托架等的固有振动频率。

随动补偿器28的设定可以使之具有如下这样的特性。即，在低频区域给予1次的积分特性，以便即使在外力作用于控制系统时也不产生恒常偏差。此外，为了稳定化刚体模式，给予按1kHz～2kHz的超前相位增大这样的1次的超前相位特性。另外，为了稳定化振动模式的相位，给予使之迟滞5kHz以下的相位的1次的相位滞后特性。进而，补偿器的比例增益给予使控制系统的开环传递特性的增益0dB交叉频率(输入输出的振幅比为1的频率)为170Hz的增益特性。图4所示是此时的随动补偿器28的传递特性(增益特性33，相位特性34)。

图5是串联地结合了具有图3的特性的控制对象30和具有图4的特性的随动补偿器28时的开环传递特性Cf(z)·P(z)的增益特性36和相位特性37。图6给出了上述图5的开环传递特性Cf(z)·P(z)的尼奎斯特曲线图上的矢量轨迹38。在该尼奎斯特曲线图上，矢量轨迹38与实轴交叉的频率(相位-180°交叉频率)是3.4kHz，在低于该相位-180°交叉频率(位于下半平面的频率)的频率中，模式常数a_r是正的模式是稳定的，在高于该相位-180°交叉频率(位于上半平面的频率)的频率中，模式常数a_r是负的模式是稳定的。因为具有图3的特性的控制对象30的共振频率是ω_r/2π＝6kHz，故这意味着利用随动补偿器28可以使控制对象具有的振动模式通过尼奎斯特曲线图的上半平面并稳定化。即，相对于托架等的固有振动等，利用随动补偿器可以控制磁头稳定地进行追踪。

下面给出作为本发明的特征的共振滤波器29的构造和设计方法。共振滤波器29的传递特性CP(z)将(表达式2)所示的2次的连续时间滤波器Cpc(s)作为通过0次保持(hold)而离散化了的滤波器，并取其采样时间为Ts。【表达式2】 $C_{\mathrm{pc}}\left(s\right)=\frac{a}{s^2+2\mathrm{\ζ\ωs}+{\mathrm{\ω}}^2}$

下面给出(表达式2)的系数a、ζ、ω的赋值方法。首先，设要提高定位精度，即、例如设定想要特别抑制因振动等造成的外部干扰的频率为2kHz。于是，由于2kHz是低于图6的相位-180°交叉频率3.4kHz的频率，故取正并选定模式常数a，以使之成为控制对象的6kHz振动模式的逆相。模式常数a的绝对值的大小是决定共振滤波器影响的频率区域的要素，需要对应于所期待的共振滤波器的效果的频率宽度确定。这里取a＝0.1，将共振滤波器的影响限定在2kHz附近。此外，粘性系数ζ是决定共振滤波器的峰值增益的要素，ζ越小则共振滤波器的效果越大。在此，取ζ＝0。共振频率ω的选定是要使其近似一致于提高定位精度的频率。但是，这并不是说控制系统的灵敏度函数在频率ω被最大压缩，而是说需要进行微调整以使灵敏度函数能在期望的频率处被最大压缩。这里，选定了ω＝2×π×1950[rad/s]，以使在2kHz的灵敏度函数达到最小。图7给出了此时的共振滤波器29的传递函数Cp(Z)(增益特性39，相位特性40)。

具有传递特性Cf(z)和传递特性Cp(Z)的图1的控制部27的传递特性Cpf(z)为(表达式3)。

【表达式3】 $C_{\mathrm{fp}}\left(z\right)=\frac{C_f\left(z\right)}{1+C_f\left(z\right)C_p\left(z\right)}$

图8所示是随动补偿器28的传递特性Cf(z)为图4、共振滤波器29的传递特性Cp(z)为图7时控制部27的传递特性Cpf(z)(增益特性42，相位特性43)。进而，用图9给出了连接了具有图8的特性的控制部27和控制对象30时的开环传递特性Cpf(z)·P(z)(增益特性45，相位特性46)。

如图8所示的那样，通过设置共振滤波器可知，控制部27的相位特性43在作为共振滤波器29的共振频率的1950Hz附近，具有在局部地进行了相位延迟(滞后)后又局部地进行相位超前的特性。此点也可以通过从开环传递特性中减去控制对象的传递特性来加以确认。进而还可知，图9的开环传递特性Cpf(z)·P(z)的相位特性在作为共振滤波器29的共振频率的1950Hz附近也具有在局部地进行了相位延迟后又局部地进行相位超前的特性。

图10用尼奎斯特曲线图给出了图9的开环传递特性的矢量轨迹。虽然图6是没有共振滤波器29时的随动补偿器28(传递特性Cf(z))的矢量轨迹，但通过附加共振滤波器29，在图10中成为在图6的轨迹上附加了圆状的轨迹48的形状。该被附加了的圆状的轨迹48出现在共振滤波器29的增益变大的共振频率附近的频率区域，相对于图9的特性，朝向远离作为不稳定点的坐标(-1，0)的方向右旋(顺时针)地描画出圆轨迹。虽然依存于共振滤波器29的参数，该圆轨迹的大小或形状发生变化，但矢量轨迹中，最重要的是通过共振滤波器新产生的圆轨迹在远离作为不稳定点的坐标(-1，0)的方向描画的右旋的轨迹。由此，可以在保持控制系统的稳定性的情况下，改善在共振频率附近的灵敏度函数的增益特性。

在此，考虑的是(表达式2)的连续时间滤波器Cpc(s)的模式常数a为负(a＝-0.1)的情况。其他的常数取与图7的情况相同。图11为描画出此时的开环传递特性的矢量轨迹，可以确认，在共振频率1950Hz附近是左旋地(逆时针旋转)描画出圆弧。此时，控制系统为不稳定。此外，在Cpc(s)的模式常数为负、且粘性系数较大时(a＝-0.1，ζ＝0.1)，开环传递特性Cpf(z)·P(z)描绘的矢量轨迹73为图12，在共振频率1950附近，朝向接近不稳定点(-1，0)的方向描画出右旋的圆弧。此时，由于圆弧的内部不包含不稳定点，故控制系统不会不稳定，但共振频率附近的灵敏度函数的增益特性则显著地恶化。

图13是适用了具有图7的特性的共振滤波器29时的灵敏度函数的增益特性。在此，灵敏度函数可以用(表达式4)计算。

【表达式4】 $\frac{1}{1+P\left(z\right)C_{\mathrm{fp}}\left(z\right)}$

此外，为了比较，图14给出了没有适用共振滤波器29时的灵敏度函数的增益特性。这里，该灵敏度函数可以用(表达式5)进行计算。

【表达式5】 $\frac{1}{1+P\left(z\right)C_f\left(z\right)}$

通过比较图14和图13可清楚地知道，在不适用本发明的图14的场合，在2kHz附近，灵敏度函数的增益约为+6dB。在上述以往技术中，这样的频率中的系统将是不稳定的。另一方面，在适用了图13所示的本发明时，可以如前述那样保持其稳定性，在其灵敏度函数中，在2kHz附近，灵敏度函数的增益约为-6dB，比较于没有适用本发明的情况，可以确认在想要提高控制性能的2kHz附近的灵敏度函数增益特性改善了约12dB。

为了给出适用了本发明时的效果，考察了在图1的位置信号20作为干扰外加了频率2kHz、振幅1的正弦波(图15)时的位置信号20的响应。设控制对象30具有图3的特性，且图16是使用了图7的共振滤波器时的响应，图17是没有使用共振滤波器时的响应。在适用了本发明时，可以确认在3ms时间以后的响应振幅与没有适用本发明的情况相比被改善到约四分之一。

在上面，针对用具有图4的特性的随动补偿器28控制具有图3的特性的控制对象的情况，说明了用于进一步提高2kHz附近的控制特性的共振滤波器29的特性。这里，虽然控制对象以及随动补偿器与上述的情况相同，但说明是关于将提高控制特性的、即提高定位精度的频率设定为高于相位-180°交叉频率5kHz时的、由共振滤波器求得的特性。此时，由于5kHz是高于相位-180°交叉频率的频率，故取(表达式2)的模式常数a为负，以使其达到与振动模式同相。在此，取a＝-0.1。此外，取粘性系数ζ＝0，共振频率ω＝2×π×5050[rad/s]。图18是此时的共振滤波器的特性Cp(z)(增益特性61，相位特性62)。

图19为将该特性付与了共振滤波器29时的开环传递特性给出的矢量轨迹，为在图6的轨迹上附加了圆轨迹63的形状。该圆轨迹63是朝向远离作为不稳定点的坐标(-1，0)的方向的右旋的轨迹，其仍然可以在保持控制系统的稳定性的情况下，降低在共振频率5kHz附近的灵敏度函数的增益。

在图2所示的磁头定位控制系统中，是磁头驱动机构部作为唯一的调节器具有VCM2的形态，在此，对磁头驱动机构部调节器除了VCM之外还具有微动调节器的2段调节器驱动系统时的微动调节器的定位控制装置进行叙述。在本实施形态中，作为微动调节器，采用将2个压电元件安装在连结托架和磁头的悬挂装置上的方式。图20给出其微动调节器的构成，其由磁头1、托架4、悬挂装置105、压电元件106、压电元件107构成，由压电元件控制部108进行控制。

该微动调节器通过压电元件控制输入109使压电元件106、107伸缩，使磁头1朝向图中箭头A、A’方向移动。此时，控制对象为从压电元件控制输入109到磁头位置20的传递特性，该控制对象的传递特性P(z)取将模式常数a_r为正的由一个振动模式组成的(表达式6)的机构系统模型Pc(s)设定为数字控制系统并通过0次保持(hold)而离散化了的形态。

(表达式6) $p_c\left(s\right)=\frac{a_r}{s^2+{2\mathrm{\ζ}}_r{\mathrm{\ω}}_{r}s+{{\mathrm{\ω}}_r}^2}$

此时，设采样时间为Ts。例如，a_r＝1，ζr＝0.01，ω_r＝2×π×8000[rad/s]，则采样时间Ts＝50μs。

与图1同样地构成了压电元件控制部108，为利用相位稳定化控制对象所具有的振动模式，其内部的随动补偿器的传递特性Cf(z)具有2次的相位延迟特性，且具有控制系统的开环传递特性的增益0dB交叉频率为2500Hz这样的增益特性。

图21所示是此时的开环传递特性P(z)·Cf(z)(增益特性110、相位特性111)。此外，图22是上述开环传递函数的矢量轨迹。根据图21以及图22，通过随动补偿器Cf(z)进行稳定化，可以使控制对象所具有的振动模式通过尼奎斯特曲线图的上半平面。这表示在通过尼奎斯特曲线图的上半平面的频率区域中，模式常数为正的模式具有稳定的相位条件。反之，在通过尼奎斯特曲线图的下半平面的频率区域中，与振动模式逆相的、模式常数为负的模式具有稳定的相位条件。即，在低于相位-180°交叉频率(图22中为5.8kHz)的频率中，模式常数为负的模式是稳定的，在高于相位-180°交叉频率的频率中，模式常数为正的模式是稳定的。

在此，例如取提高微动调节器的定位精度的频率为4kHz。因此，由于4kHz是低于作为相位-180°交叉频率的5.8kHz的频率，故作为与振动模式逆相的负的常数，选定表示共振滤波器的特性的(表达式2)的Cpc(s)的模式常数a。图23所示是取模式常数a＝-0.02、粘性系数ζ＝0、共振频率ω＝2×π×3950[rad/s]时的开环传递特性P(z)·Cpf(z)的矢量轨迹。该结果表明，通过设置共振滤波器产生的矢量轨迹上的圆轨迹113与图10的圆轨迹48同样地，为在远离作为不稳定点的坐标(-1，0)的方向上右旋的轨迹，可以在保持控制系统的稳定性的情况下，提高4kHz附近的控制特性。这里，例如，在取提高定位精度的频率为7kHz时，由于该频率高于相位-180°交叉频率，所以，作为与振动模式同相的正的常数，当然选定(表达式2)的Cpc(s)的模式常数a。

以上，详细地说明了本发明的若干个实施形态，其中所使用的共振滤波器是可以通过图2的MPU16的处理实现的数字滤波器。但是，也可以取其为模拟滤波器。此时，共振滤波器为用(表达式2)给出的Cpc(s)。

此外，如图1所示的那样，虽然这里是取共振滤波器的输出相加在位置信号20上，但可知从PES中减去共振滤波器的输出也是可以的。此外，虽然在以上的实施形态中仍然没有考虑控制对象所包含的多余时间的影响，但也存在涉及不能忽视控制对象所具有的多余时间对控制系统的影响的情况。此时，通过使共振滤波器包含与控制对象等同的多余时间，可以达成考虑了多余时间的设计。该情况下，共振滤波器的次数将为3次以上。

根据本发明，在磁盘装置的定位控制系统中，即使是在控制系统的灵敏度函数为0dB以上的频率区域，也可以没有使控制系统不稳定地得到提高在特定频率的定位精度的效果。

Claims (3)

1.一种定位控制装置，具有信息记录再现介质、在该信息记录再现介质上记录或者再现信息的磁头、使该磁头在上述信息记录再现介质上移动的调节器和从利用上述磁头由信息记录再现介质中读出的信息中取出磁头位置信号的电路，并生成用于如下控制的操作信号，即进行控制使得由上述电路取出的磁头位置信号所表示的磁头位置成为所提供的目标位置，从而控制上述调节器，其特征在于：具有：

将上述目标位置和上述磁头位置之差作为误差信号而取出的误差检测单元；

将来自该装置的误差信号作为输入，进行相位补偿并生成上述操作信号，以便至少能使存在于具有上述调节器、磁头以及电路的控制对象中的振动模式稳定化的补偿器；以及

将由该补偿器输出的操作信号作为输入，在所提供的提高定位精度对象频率中或者在其附近具有其共振频率，且可以将其输出相加到上述磁头位置信号上的共振滤波器，

并进行上述磁头的定位控制。

2.根据权利要求1所述的磁盘装置，其特征在于：用尼奎斯特曲线图给出在连接具有上述补偿器以及共振滤波器的定位控制装置和上述控制对象时的开环传递特性的矢量轨迹中，上述共振滤波器具有在上述提高定位精度对象频率的附近随着频率的增大而生成远离尼奎斯特曲线图上的不稳定点(-1，0)的方向的右旋的圆轨迹的特性。

3.根据权利要求1所述的磁盘装置，其特征在于：上述共振滤波器在取a为模式常数、ω为共振频率的2π倍的值、ζ为粘性系数时，具有可以用

a/(S²+2ζωS+ω²)

表示的传递特性。

Images