JP2002501652A

JP2002501652A - 可変パラメータを持つ離散滑りモード制御を用いる対象の位置決め

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Publication number: JP2002501652A
Application number: JP54693298A
Authority: JP
Inventors: リウ，ジクイアン; ファンチズ，オティス，エル．; ハンプシャー，ランドール，ディ．
Original assignee: Seagate Technology LLC
Current assignee: Seagate Technology LLC
Priority date: 1997-04-30
Filing date: 1997-09-30
Publication date: 2002-01-15
Also published as: WO1998049677A1; DE19782274T1; GB2339328A; GB9924972D0; GB2339328B; KR20010020409A; US6046878A

Abstract

(57)【要約】可変パラメータを持つ離散時間滑りモード制御を用いて制御システムの振動および機械的衝撃応答を改善する装置と方法を開示する。ディスク駆動機構（１００）のヘッド（１１８）の位置決めを行うサーボ回路（１５０）は、位置および速度基準値を生成する基準値発生器（３１４，４１４）と、位置および速度推定値を生成するオブザーバ（３０６，４０６）と、位置誤差および速度誤差を決定する誤差回路（３２２，３２６，４２２，４２６）を含む。利得回路（３３０，３３２，３３４，３３６，３３８，３４０，４３０，４３２）は位置および速度誤差に可変位置および速度利得をそれぞれ与え、位置および速度利得は位置誤差の少なくとも大きさに従って変わる。

Description

【発明の詳細な説明】可変パラメータを持つ離散滑りモード制御を用いる対象の位置決め発明の分野本発明は一般に制御対象の位置決めに関するもので、より詳しくは、可変パラメータを持つ離散滑りモード制御方式を用いてディスク駆動サーボ装置の機械的な衝撃および振動応答を改善することに関する。しかしこれに限定されるわけではない。発明の背景ハードディスク駆動機構は、最近のコンピュータ・システムの主なデータ記憶および検索装置として良く用いられている。代表的なディスク駆動機構では、情報は１個または複数個のディスク上に磁気的に記憶され、ディスクは一定の高速で回転し、ディスクの表面に近接して動く複数の読取り／書込みヘッドを有する回転アクチュエータ組立体によりアクセスされる。すでに記憶されたデータをディスクからホスト・コンピュータに取り出すために、読取りチャンネルおよびインターフェース回路が設けられる。ディスク上のトラックに対するヘッドの位置を制御するために、閉ループ・ディジタル・サーボ装置が一般に用いられる。これは例えば、Duffy他の米国特許番号第５，２６２，９０７号、１９９３年１１月１６日発行（本発明の被譲渡人に譲渡されている）に開示されている。トラックは製造時にディスクの表面に書き込まれたサーボ情報により規定される。ディスク駆動機構のサーボ装置はこのサーボ情報を用いて、２つの主な操作であるシーキングとトラック・フォローイングを行う。シークすると、選択されたヘッドは最初のトラックから目的のトラックに移動する。より詳細に述べると、一般に用いられる速度制御方式では、ヘッドの速度を繰り返し判定して、ヘッドが目的のトラックに移動するまでの最適の速度軌道を規定する速度プロフィルと比較する。アクチュエータ・コイルに与えられる電流の量は速度の誤差に比例して変わる。アクチュエータ・コイルはヘッドの位置を制御するのに用いられるボイス・コイル・モータの一部である。トラック・フォローイングを行うときは、対応する選択されたトラック上で、選択されたヘッドの位置決めを連続的に行う。より詳しく述べると、一般に用いられる位置制御方式では、トラックの中心に対するヘッドの相対位置を判定して、ヘッドの望ましい位置と比較する。位置の誤差を示す位置誤差信号（ＰＥＳ）が生成され、これを用いてアクチュエータ・コイルに流れる電流量を制御して、トラックに対して望ましい位置にヘッドを保持する。理解されるように、最近のディスク駆動機構は一般に埋込みサーボ方式を用いる。この方式では、サーボ情報はディスクの表面のユーザ・データ・フィールド（一般に「セクタ」と呼ぶ）の間に角度的に間隔をあけて散在する。しかし一般にサーボ情報のサンプリング速度は不充分なので、所定のオフトラック境界内でヘッドを保持するのに必要な利得を与えることができない。したがってオブザーバを設けて、ヘッドがユーザ・データ・フィールド上に位置決めされたときにヘッド位置、速度、バイアス力の訂正の推定を時々行う。このように、サーボ装置はディスクから得た位置情報を用いて、シーキングおよびトラック・フォローイング中にヘッドの動きを制御するための推定に必要な入力をオブザーバに与える。このようなオブザーバ（「推定器」とも呼ぶ）はこの技術で良く知られており、例えば、Phamの米国特許番号第５，５８５，９７６号、１９９６年１２月１７日発行（本発明の被譲渡人に譲渡されている）に述べられている。ディスク駆動機構業界では、ディスク駆動機構のデータ記憶機能と転送速度機能を絶えず向上させている。例えば、現世代のディスク駆動機構のトラック密度はセンチメートル当たり３０００トラック（インチ当たり約８０００トラック）を超えている。このような高いトラック密度（および対応する高いデータ記憶機能）を持つディスク駆動機構を実現するため、外部から駆動機構に機械的衝撃と振動が与えられたときにヘッドの位置を正確に制御するという要求がディスク駆動サーボ装置に対してますます高くなっている。例えば、隣接するトラック上のデータに意図せずに上書きするのを防ぐために、書込み動作中はトラックの中心の上にヘッドの位置を固定することが大切である。残念ながら、先行技術のディスク駆動サーボ装置設計に用いられる従来の線形制御方式では、大きな衝撃や振動が与えられると十分な制御を行うことは非常に困難である。ロボット工学などの制御応用分野では、滑りモード制御（ＳＭＣ）と呼ぶ別の制御方式が有用であることが分かっている。この方式では、種々の有用なタスクを行う際にサーボモータを用いて制御対象（片持ちアームなど）の位置決めを行う。理解されるようにＳＭＣは非線形システム制御方式であって、不確定性を持つシステムを確実に処理できることが良く知られている。しかしＳＭＣの良く知られた問題はいわゆる「チャタリング現象」である。これは、例えば過剰な訂正により制御対象が望ましくない振動を起こすことである。また、制御システムの利得が増加するに従って、センサ雑音（すなわち、測定回路内の不正確さやオフセットにより、実際のパラメータと測定されたパラメータの間に生じる誤差）のために制御対象内に望ましくない振動応答が起こる。このような悪い影響は、サンプリング速度を大きくして、一般に制御システムに与えられる位置の情報をほぼ連続的にすることにより小さくすることができる。しかしヘッド位置の制御に用いるディスク駆動機構を埋め込んだサーボ設計ではサンプリング速度が比較的小さいので、ＳＭＣはディスク駆動機構の制御方式として適当でない。従来のＳＭＣアプリケーションの一般的な議論については、例えば、Kato Tetuakiの米国特許番号第５，３８４，５２５号、１９９５年１月２４日発行と、第５，４４２，２７０号、１９９５年８月１５日発行を参照していただきたい。したがって、ディスク駆動サーボ装置を改善して機械的衝撃や振動に強くすると同時に、データ記憶容量と転送速度性能をますます向上させたいという要求が常に存在する。発明の概要本発明は、外部から振動や機械的衝撃が与えられたときに、可変パラメータを持つ離散時間滑りモード制御（以後「ＤＳＭＣＶＰ」と呼ぶ）を用いて制御システムの制御応答を改善する方法と装置を提供する。本発明の第１の好ましい実施の形態では、基準値発生器がヘッド位置と速度の基準値を生成し、オブザーバがヘッド位置と速度の推定値を与え、誤差回路が、位置基準値と位置推定値の差による位置誤差だけでなく速度基準値と速度推定値の差による速度誤差を判定する、というサーボ制御回路を有するディスク駆動機構を提供する。複数の利得ブロックを設けて、位置誤差に可変位置利得を与え、速度誤差に可変速度利得を与える。詳しく述べると、位置誤差と速度誤差の値が小さいときは利得値を小さくし、位置誤差と速度誤差の値が大きいときは利得値を大きくし、位置誤差と速度誤差の値が中間の値のときは中間の利得関数を与える。中間の関数は大きな利得値と小さな利得値に対応する境界を有する。機械的衝撃または振動が入ると、一般にサーボ・システムに位置誤差と速度誤差を生じる。しかし速度誤差と位置誤差に対して大きな利得を与えるとサーボ装置の応答が改善され、従来の線形制御システムに比べてヘッドは妥当な条件に速く到達する。本発明の第２の実施の形態では、位置利得が位置誤差だけでなく速度誤差の関数になるように二次の利得ブロックを与える。同様に、速度利得は速度誤差だけでなく位置誤差の関数でもある。他のパラメータ（例えば加速度）を含む高次の利得ブロックも考えられる。本発明のこれらの特徴と利点は、以下の詳細な説明を読み、関連する図面を参照することにより明らかになる。図面の簡単な説明図１は、本発明の好ましい実施の形態に従って製作されたディスク駆動機構を示す。図２は、その中にディスク駆動機構が取り付けられているホスト・コンピュータに接続する、図１のディスク駆動機構の機能的ブロック図である。図３は、図２に示すサーボ制御回路の機能的ブロック図である。図４は、先行技術による従来の線形制御を用いたディスク駆動機構サーボ制御回路の制御図である。図５は、図４の制御図により位置誤差Ｘerrに与えられる線形位置利得を表すグラフである。図６は、図４の制御図により速度誤差Ｖerrに与えられる線形速度利得を表すグラフである。図７は、外部からの振動や衝撃入力を含む誤差源と図４の制御図のセンサ雑音により生じる、オフトラック位置誤差と利得の関係を表すグラフである。図８は、本発明の第１の好ましい実施の形態における、図１のディスク駆動機構のディスク駆動機構サーボ制御回路の制御図を示す。図９は、図８の制御図により位置誤差Ｘerrに与えられる可変位置利得を表すグラフである。図１０は、図８の制御図により速度誤差Ｖerrに与えられる可変速度利得を表すグラフである。図１１は、本発明の第２の好ましい実施の形態における、図１のディスク駆動機構のディスク駆動機構サーボ制御回路の制御図を示す。図１２は、図１１の制御図の可変位置利得を位置誤差Ｘerrと速度誤差Ｖerrの関数として示す。図１３は、図１１の制御図の可変速度利得を位置誤差Ｘerrと速度誤差Ｖerrの関数として示す。図１４は、本発明の利点を示すために、１１ミリ秒、２０ｇの衝撃入力が与えられたときの先行技術の線形コントローラと本発明のＤＳＭＣＶＰコントローラの位置誤差Ｘerrの応答を表すグラフである。図１５は、軸方向および半径方向に１０個の衝撃が与えられたときの線形コントローラとＤＳＭＣＶＰコントローラの位置誤差Ｘerrの応答を表すグラフである。図１６は、４０ヘルツ（Ｈｚ）から６００Ｈｚまでの振動周波数範囲にわたる線形コントローラとＤＳＭＣＶＰコントローラの位置誤差Ｘerrの応答を表すグラフである。詳細な説明図１は、本発明の好ましい実施の形態に従って製作されたディスク駆動機構１００を示す。ディスク駆動機構１００はベースデッキ１０２を含み、これにディスク駆動機構１００の種々の構成要素が取り付けられる。上蓋１０４（部分断面図で示す）とベースデッキ１０２により、従来の方法でディスク駆動機構を内部に封印する環境を作る。スピンドル・モータ（一般に１０６で示す）は１個または複数個のディスク１０８を一定の高速で回転させる。ディスク１０８上のトラック（番号を示さず）の情報の書込みおよび読取りを行うにはアクチュエータ組立体１１０を用いる。アクチュエータ組立体１１０はディスク１０８の近接位置にあるベアリング・シャフト組立体１１２の周りを回転する。アクチュエータ組立体１１０は複数のアクチュエータ・アーム１１４を含み、アクチュエータ・アーム１１４から１個または複数個の屈曲部１１６がディスク１０８に向かって延びる。屈曲部１１６の各末端にヘッド１１８が取り付けられる。ヘッド１１８は、関連するディスク１０８の対応する表面に近接して移動するよう設計されたスライダ組立体（番号を示さず）を含む。ディスク駆動機構１００を使用していないときは、ヘッド１１８はディスク１０８の内径の近くの着陸部１２０の上を動き、アクチュエータ組立体１１０は例えば１２２で示す従来のラッチ機構を用いて固定される。ヘッド１１８の半径方向の位置は、ボイス・コイル・モータ（ＶＣＭ）１２４を用いて制御する。ＶＣＭ１２４は、一般にアクチュエータ組立体１１０に取り付けられたコイル１２６と、コイル１２６を包む磁場を作る１個または複数個の永久磁石１２８を含む。したがって、コイル１２６に電流を制御して与えると、永久磁石１２８とコイル１２６の間に磁気的相互作用が起こり、コイル１２６は良く知られたローレンツの関係に従って動く。コイル１２６が動くと、アクチュエータ組立体１１０はベアリング・シャフト組立体１１２の周りに回転し、ヘッド１１８はディスク１０８の表面上を横方向に動く。屈曲組立体１３０はアクチュエータ組立体１１０に必要な電気接続経路を作り、これによりアクチュエータ組立体１１０は動作するときに回転運動をすることができる。屈曲組立体１３０はヘッドワイヤ（図示せず）が接続されているプリント回路板１３２を含む。ヘッドワイヤはアクチュエータ・アーム１１４と屈曲部１１６を通ってヘッド１１８まで延びる。プリント回路板１３２は一般に、書込み動作中にヘッド１１８に与えられる書込み電流を制御ずる回路と、読取り動作中にヘッド１１８が生成する読取り信号を増幅する回路を含む。屈曲組立体の端は屈曲ブラケット１３４であって、ベースデッキ１０２を通して、ディスク駆動機構１００の底部に取り付けられているディスク駆動機構プリント回路板（図示せず）と通信する。次に図２は、図１のディスク駆動機構１００の機能的ブロック図を示す。図２は、ディスク駆動機構プリント回路板上に常駐してディスク駆動機構１００の動作を制御するのに用いられる主機能回路を一般的に示す。図のディスク駆動機構１００は、ディスク駆動機構１００がその中に従来の方法で取り付けられているホスト・コンピュータ１４０に接続する。ホスト・コンピュータ１４０とディスク駆動機構マイクロプロセッサ１４２の間に制御通信経路があり、マイクロプロセッサ１４２は、マイクロプロセッサメモリ（ＭＥＭ）１４３内に記憶されるマイクロプロセッサ１４２用のプログラムにより、一般にディスク駆動機構１００の高レベルの通信と制御を行う。ＭＥＭ１４３は、ランダム・アクセス・メモリ（ＲＡＭ）と、リード・オンリー・メモリ（ＲＯＭ）と、マイクロプロセッサ１４２用の他の常駐メモリ源などを含む。ホスト・コンピュータ１４０とディスク駆動機構１００の間のデータの転送はディスク駆動機構インターフェース１４４により行われる。一般にインターフェース１４４はデータの高速転送を容易にするバッファを含む。ディスク駆動機構１００に書き込まれるデータはホスト・コンピュータからインターフェース１４４を通って読取り／書込みチャンネル１４６に入る。ここでデータを符号化しまた直列化して、必要な書込み電流信号をヘッド１１８に与える。すでにディスク駆動機構１００に記憶されているデータを検索するには、ヘッド１１８は読取り信号を生成して読取り／書込みチャンネル１４６に与え、チャンネル１４６は復号と誤り検出と訂正動作を行い、検索されたデータをインターフェース１４４に、更にホスト・コンピュータ１４０に転送する。ディスク駆動機構１００のこのような動作はこの技術で良く知られており、例えば、Shaver他の米国特許番号第５，２７６，６６２号、１９９４年１月４日発行（本発明の被譲渡人に譲渡されている）に述べられている。ディスク１０８はスピンドル制御回路１４８により一定の高速で回転する。回路１４８は逆起電力（ｂｅｍｆ）検出を用いてスピンドル・モータ１０６（図１）を整流する。１４８で示すスピンドル制御回路は良く知られており、Dinsmore の米国特許番号第５，６３１，９９９号、１９９７年５月２０日発行（本発明の被譲渡人に譲渡されている）に述べられている。上に説明したように、ヘッド１１８の半径方向の位置はアクチュエータ組立体１１０のコイル１２６に電流を与えることにより制御される。この制御はサーボ制御回路１５０により行われる。この回路の機能ブロック図を図３に示す。図３のサーボ制御回路１５０は前置増幅回路１５２と、サーボ・データおよび復号回路１５４と、関連するサーボＲＡＭ１５８を持つサーボプロセッサ１５６と、ＶＣＭ制御回路１６０を含み、後で詳細に説明する方法によりこれら全体でヘッド１１８の位置を制御する。参考までに、前置増幅回路１５２は一般にプリント回路板１３２（図１）上に置かれる。これは、前置増幅回路１５２をヘッド１１８の近くに置くと一般に都合が良いことが分かったからである。理解されるように、サーボ制御は一般に２つの主な動作、すなわちシーキングとトラック・フォローイングを含む。シーク動作では、選択されたヘッド１１８を関連するディスク表面上の最初のトラックから目的のトラックに移動する。最初のトラックから目的のトラックに向かって、ヘッド１１８を最初は加速し、次に減速する。ヘッド１１８が目的のトラックの上に落ち着くと、ディスク駆動機構１００はトラック・フォローイング動作モードに入り、ヘッド１１８は次のシーク動作を行うまで目的のトラックを追跡する。トラック・フォローイング中は、追跡中のトラックに関連するサーボ情報がヘッド１１８の下を通るときにアナログ・バースト信号がヘッド１１８から与えられる。バースト信号は前置増幅回路１５２により増幅され、サーボ・データ復号回路１５４に与えられる。回路１５４は、アナログ・バースト信号をディジタル形式に変換するアナログ・ディジタル変換器（ＡＤＣ）を含む。ディジタル化された信号はサーボ・プロセッサ１５６に与えられる。好ましい実施の形態では、プロセッサ１５６はディジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）である。サーボ・プロセッサ１５６はバースト信号のディジタル表現の相対的大きさから位置誤差信号（ＰＥＳ）を決定し、ディスク駆動機構マイクロプロセッサ１４２（図２）から受けた命令に従って、トラックに対するヘッド１１８の望ましい位置を決定する。理解されるように、一般に追跡中のトラックに対するヘッド１１８の最適位置はトラックの中心の上であるが、例えば誤差回復ルーチン中はオフセット（トラックの幅の百分比として）を用いる方が良いことがある。ヘッド１１８の望ましい相対的位置に応じて、サーボ・プロセッサ１５６は電流命令信号をＶＣＭ制御回路１６０に出力する。回路１６０は、電流命令信号に応じて選択された大きさと方向の電流をコイル１２６に与えるアクチュエータ・ドライバを含む。理解されるように、ディスク１０８上のサーボ情報は、ディスク駆動機構１００の製造中に非常に精密なサーボ・トラック・ライタを用いて記録される。サーボ情報は各トラックの境界を規定するもので、円周方向に多数のフレームに分割されており、その間にユーザ・データ・フィールドが配置される。したがって、サーボ制御回路１５０に十分なサンプリング速度を与えるため、後で説明するようにオブザーバを設けてヘッド位置、速度、バイアス力の推定値を生成してサーバ・プロセッサ１５６に与え、これによりヘッド１１８がユーザ・データ・フィールド上に置かれたときにヘッド位置と速度の訂正を行う。次に図４は、先行技術による線形制御方式を用いたディスク駆動機構サーボ制御回路の一般化された制御図を示す。理解されるように、図４の制御図の一部はＤＳＰで実現して良い。図４に示すように、ヘッド／ディスク組立体（ＨＤＡ）（以後、「プラント」とも呼ぶ）を一般にブロック２００で示す。プラント２００は信号経路２０２から電流命令信号（「Ｉcmd」）を受けて、選択されたヘッド（図示せず）をプラント２００の選択されたトラック（これも図示せず）に近接して位置決めする。トラック上のサーボ情報に応じて、プラント２００はＰＥＳを生成して信号経路２０４に出力する。また図４の制御図は、プラント２００と同じ入力／出力応答特性を持つよう設計されたオブザーバ２０６、すなわちプラント・モデルを示す。当業者が理解すように、オブザーバ２０６は位置推定値（「Ｘest」）、速度推定値（「Ｖest」）、バイアス推定値（「Ｂest」）を信号経路２０８、２１０、２１２上にそれぞれ生成する。これらはヘッド位置、ヘッド速度、バイアス力にそれぞれ対応する。バイアス力推定値は、ヘッド上の屈曲組立体（図１の１３０など）風損力などのためにアクチュエータにかかるばね力を考慮に入れる。また基準値発生器を設けて、プラント２００の望ましい位置と速度と電流の設定値を表す位置基準値信号（「Ｘref」）、速度基準値信号（「Ｖref」）、電流基準値信号（「Ｉref」）を与える。これらの信号は経路２１６、２１８、２２０にそれぞれ出力され、一般にサーボ回路の特定の動作モード（例えばトラック・フォローイングやシーキングなど）に依存する値を有する。理解されるように、トラック・フォローイング中は電流基準値Ｉrefは一般にゼロの値が与えられる。加算接続点２２２は、図のように位置基準値Ｘrefと位置推定値Ｘestの差として位置誤差（「Ｘerr」）を決定する。同様に、加算接続点２２４は、図のように速度基準値Ｖrefと速度推定値Ｖestの差として速度誤差（「Ｖerr」）を決定する。位置誤差Ｘerrはスカラー利得Ｋxを有する利得ブロック２２６に与えられ、速度誤差Ｖerrはスカラー利得Ｋvを有する利得ブロック２２８に与えられ、それぞれの出力量は加算接続点２３０で（電流基準値Irefと共に）加算される。加算接続点２３０の出力は加算接続点２３２で、更に図のようにバイアス推定値Ｂestと加算される。加算接続点２３２の出力は信号経路２３４を経てオブザーバ２０６に制御入力として与えられ、プラント２００に与えられる電流量を表す。しかし、プラント２００の動作に生じるわずかな(nominal)変動をなくすために、加算接続点２３２の出力はＫpで示す利得を持つ利得ブロック２３６にも与えられる。その出力は電流命令Ｉcmd信号を含んで経路２０２に出力される。理解されるように、利得Ｋpを従来の方法で調整すれば、オブザーバ２０６をプラント２００の正確なモデルにすることができる。最後に、信号経路２０４上のＰＥＳと経路２０８上の位置推定値Ｘestとを加算接続点２３８で加算してオブザーバ誤差（「Ｏerr」）信号を生成し、経路２４０からオブザーバ２０６に入力する。したがって、図４の制御システムの動作は一般に次式で支配される。Ｘerr=Ｘref-Ｘest （１）Ｖerr=Ｖref-Ｖest （２）Ｏerr=ＰＥＳ-Ｘest （３）Ｉcmd=((Ｘerr)(Ｋx)+(Ｖerr)(Ｋv)+Ｉref-Ｂest)(Ｋp) （４）次に図５は、図４の制御システムにおける位置利得Ｋxと位置誤差Ｘerrの関係を表すグラフである。詳しく述べると、図５のｘ軸（２３９で示す）は位置誤差Ｘerrを全トラック幅（すなわち「オフトラック」）の百分比で示す。したがってｘ軸の原点はトラックの中心（またはヘッドの選択された好ましいオフセット）の上にヘッドが位置決めされたことに対応し、１０％の点はヘッドが１０％オフトラックであることを示す。以下同じ。同様に、ｙ軸（２４１で示す）は図４の利得ブロック２２６のスカラ利得値に対応する位置利得Ｋxを示す。図５に示すように、位置利得Ｋx（水平線２４２で示す）は位置誤差Ｘerrに対して一定である。これは従来の線形制御方式を用いるサーボシステムに特有である。また図５には書込み障害しきい値（垂直の破線２４４で示す）を示す。書込み障害しきい値は、ディスク駆動機構の書込み動作中に書込み障害が宣言されるしきい値を示す。すなわち、図５の書込み障害しきい値２４４（１５％のオフトラック誤差に相当する）は、書込み動作中に位置誤差Ｘerrが１５％以上になると、位置誤差がしきい値以内に下がるまでは書込み動作を中止することを示す。理解されるように、書込み障害しきい値は近接するトラックにデータを意図せずに上書きすることを防ぐのに用いられ、一般に所定の応用の要求に基づいて選択される。図５に示す第２の垂直の破線２４６は約７％の位置誤差Ｘerrに相当し、ディスク駆動機構のＰＥＳ変動の代表的な分布を示す。トラック・フォローイング動作モード中はヘッドをトラックの中心（またはトラックの中心に対する選択されたオフセット点）の上に正確に位置決めするのが理想的であるが、実際にはベアリングの公差や、ディスク・スタックの心ずれや、電気的オフセットや、サーボ情報の配置の誤差などの要因により、ＰＥＳは選択された範囲内で変動する。したがって、この変動の性質が一般にガウス分布と考えられる場合は、線２４６はＰＥＳ分布の３シグマ点に対応すると考えることができる。理解されるように、利用可能な余裕はこのＰＥＳ変動により更に減るので、衝撃や振動の量が比較的小さくても位置誤差Ｘerrは書込み障害しきい値２４４より大きくなる可能性がある。図６は、図４の制御システムにおいて位置誤差Ｘerr（ｘ軸２５１で示す）に対する速度利得Ｋv（ｙ軸２４９で示す）の関係を表すグラフである。図６のグラフは図５のグラフと同様であり、速度利得Ｋv（水平線２４８で示す）は位置誤差Ｘerrに対して一定である。参考までに、書込み障害しきい値とＰＥＳ分布カットオフ点をそれぞれ破線２５０と２５２で示す。図５と図６から分かるように、大きな位置誤差Ｘerrを生じるような衝撃事象を訂正するには相当の時間が必要である。なぜなら、図４の制御システムに与えられる利得は線形で、位置誤差Ｘerrに対して一定だからである。一般に、システムに大きな位置誤差Ｘerrをもたらす衝撃入力に対して、サーボ制御システムの全利得が大きいほどシステムの応答は速い。しかし最適点を超えて全利得を大きくすると、センサ雑音（すなわち、オブザーバ２０６が与える推定パラメータの誤差）のためにサーボ・ループに位置誤差が追加される。図７はこの状態を示すグラフで、ループ利得を表すｘ軸（２５９）とオフトラック誤差を表すｙ軸（２６１）に対してプロットした２つの曲線を示す。曲線２６０は衝撃や振動などの機械的外乱によるオフトラック誤差が全利得の増加と共に減少することを示し、曲線２６２は、センサ雑音によるオフトラック誤差が全利得の増加と共に増加することを示す。したがって妥協点として、ディスク駆動機構サーボシステムの最適な全利得は、一般にこの２つの曲線２６０と２６２の交点（破線２６４で示す）が選ばれている。これまでの説明は、先行技術のディスク駆動機構サーボシステムにおける従来の線形制御方式の特性についてであった。次に、本発明の第１の好ましい実施の形態における図１のディスク駆動機構１００の制御図である図８を参照する。図４の制御図の場合と同じように、図８に示す種々の構成要素は図３のサーボ・プロセッサ（ＤＳＰ）１５６が用いるプログラムにより実現されることが好ましい。図８はＨＤＡ（すなわちプラント）ブロック３００を含み、ＨＤＡは一般的にディスク駆動機構１００の選択された部分（例えば、ディスク１０８、ヘッド１１８、ＶＣＭ１２４、サーボ制御回路１５０の一部）に対応する。図４のプラント２００と同様に、図８のプラント３００は経路３０２から電流命令Ｉcmdを受け、これに応じて信号経路３０４にＰＥＳを生成する。図８の制御図は更にオブザーバ（プラント・モデル）３０６を含む。これも同様にヘッド位置推定値Ｘest、ヘッド速度推定値Ｖest、バイアス力推定値Ｂest を経路３０８、３１０、３１２上にそれぞれ生成する。基準値発生器３１４は位置基準値信号Ｘref、速度基準値信号Ｖref、電流基準値信号Ｉrefを経路３１６，３１８，３２０上にそれぞれ生成する。図４と同様に、図８の位置推定値Ｘestと位置基準値Ｘrefが加算接続点３２２に与えられ、その出力は位置誤差Ｘerr信号を含んで経路３２４に出力される。同様に、速度推定値Ｖestと速度基準値Ｖrefが加算接続点３２６に与えられ、その出力は速度誤差Ｖerr信号を含んで経路３２８に出力される。しかし図４の従来の線形制御システムとは異なり、図８のシステムは可変パラメータを持つ離散時間滑りモード制御（ＤＳＭＣＶＰ）を用いる。詳しく述べると、位置誤差Ｘerrと速度誤差Ｖerrは３組の利得ブロックに与えられ、それらの出力は位置誤差Ｘerrの大きさに基づいて選択される。これについて次に説明する。一般に、利得ブロックの第１の組は利得Ｋxlを持つ低位置利得ブロック３３０と利得Ｋvlを持つ低速度利得ブロック３３２を含み、位置誤差Ｘerrが小さいときはこれらが用いられる。利得ブロックの第２の組は利得関数ｆ₁(Ｘerr)を持つ中間位置利得ブロック３３４と利得関数ｇ₁(Ｘerr)を持つ中間速度利得ブロック３３６を含み、利得ブロック３３４と３３６は位置誤差Ｘerrが中間の値を持つときに用いられる。後で詳細に説明するが、中間ブロック３３４と３３６の利得は位置誤差Ｘerrに従って変化する。最後に、利得ブロックの第３の組は位置誤差Ｘerrが比較的大きい値のときに用いられるもので、利得Ｋxhを持つ高位置利得ブロック３３８と利得Ｋvhを持つ高速度利得ブロック３４０を含む。各利得ブロック３３０、３３２、３３４、３３６、３３８、３４０の出力は、対応する加算接続点３４２、３４４、３４６で、信号経路３２０からの電流基準値Ｉrefと図のように加算される。加算接続点３４２、３４４、３４６の出力は、位置誤差Ｘerrで制御されるスイッチ３４８のＡ、Ｂ、Ｃ入力に与えられる。位置誤差Ｘerrの値に従って、Ａ、Ｂ、Ｃ入力の対応する１つが通って加算接続点３５０に進み、バイアス力推定値Ｂestと加算される。前と同様に、加算接続点３５０の出力は電流命令信号としてオブザーバ３０６に与えられ、また利得Ｋp を持つ利得ブロック３５２に与えられる。利得Ｋpは、オブザーバ３０６の伝達特性がプラント３００の伝達特性と一致するように選択される。最後に、理解されるように、利得ブロック３５２の出力は電流命令Ｉcmd信号を含んで経路３０２に出力され、経路３０４上のＰＥＳと経路３０８上の位置推定値Ｘestが加算接続点３５４で加算されて、オブザーバ誤差Ｏerr信号がオブザーバ３０６に与えられる。図９を参照して図８の制御システムの動作を示す。図９は位置誤差Ｘerr（ｘ軸３６１）に対するシステムの位置利得（ｙ軸３５９）の関係を表すグラフである。位置利得を関係f(Ｘerr)で示し、図９のように分割された曲線３６０でプロットする。詳しく述べると、位置利得f(Ｘerr)は次式で定義される。このように、位置誤差Ｘerrが原点と垂直の破線３６２（わずかなＰＥＳ分布カットオフ点に対応し、この例では７％である）の間にあるときは、位置利得の値はＫxlである。ただし、Ｋxlは比較的小さなスカラ利得値である。更に、位置誤差Ｘerrが垂直の破線３６４（この例では１５％）で示す書込み障害しきい値より大きいときは、位置利得の値はＫxhである。ただし、Ｋxhはスカラ利得Ｋxlより大きなスカラ利得値である。最後に、位置誤差Ｘerrの値が境界３６２と３６４の間（すなわち、７％と１５％の間）にあるときは、位置利得は関数f₁(Ｘerr )に従って変化する。関数f₁(Ｘerr)はＫxlとＫxhに対応する境界値を持ち、全関数f(Ｘerr)は連続である。しかし関数f₁(Ｘerr)の形は必要に応じて選択して良く、直線でも良いし図９に示すような曲線でも良い。更に、f₁(Ｘerr)の値はその都度計算しても良いし、またはサーボ・プロセッサ１５６が用いるルックアップ・テーブル内に記憶しても良い。同様にして、図１０は図８の制御システムの位置誤差Ｘerr（ｘ軸３７１）に対する速度利得（ｙ軸３６９）の関係を表すグラフである。詳しく述べると、速度利得は図１０のように分割された曲線３７０でプロットされた関数g(Ｘerr)で表され、次のように定義される。したがって、速度利得g(Ｘerr)は位置誤差Ｘerrの大きさに依存し、位置誤差Ｘe rrが０％と７％（垂直の破線３７２で示すようにＰＥＳ分布のカットオフ点に相当する）の間にあるときはスカラ値Ｋvlを持つ。位置誤差Ｘerrが１５％（垂直の破線３７４で示すように書込み障害しきい値に相当する）より大きいときは、速度利得はスカラ値Ｋvhを持つ。最後に、位置誤差Ｘerrが７％と１５％の間にあるときは速度利得の値は変化し、速度利得g₁(Ｘerr)は位置誤差Ｘerrの関数である。前と同様に、中間速度の利得関数g₁(Ｘerr)は境界値ＫvlとＫvhを持つが、応用に従ってその他の種々の形を取ることもできる。したがって、システム内に存在する位置誤差Ｘerrが小さいときは、図８の制御システムは線形制御方式を用いて動作する。すなわち、通常の動作中は位置誤差Ｘerrは一般に線３７２（図９）で規定される範囲内にあり、利得ＫxlとＫvl が適用される。しかし衝撃または振動事象によりシステム内の位置誤差Ｘerrが大きくなると、高い利得を用いて迅速に位置誤差Ｘerrを減少させてヘッド１１８を望ましい制御位置に戻す。例えば或るディスク駆動機構応用では、１１ミリ秒、２０gの衝撃事象により位置誤差Ｘerrはトラック幅の３０％より大きくなった。したがってこのような事象の場合はシステムに高い利得Ｋxh、Ｋvhとf₁(Ｘerr)、g₁(Ｘ err)を与える。これにより、位置誤差Ｘerrを許容できるレベルまで下げるのに必要な時間は大幅に短縮する。このような衝撃や振動事象が存在する制御システムの安定性と、種々の位置および速度利得値を選択するときに考慮すべき要因については後で詳細に説明する。次に図１１は、本発明の第２の好ましい実施の形態の制御図を示す。図１１の制御図は一般に図８に関して前に説明した制御図と同様であり，図１１の制御図の一部は図３のサーボ・プロセッサ（ＤＳＰ）１５６で容易に実現することができる。図１１に示すように、ＨＤＡ(プラント)４００を設けて経路４０２に電流命令Ｉcmd入力を与えると、これに応じて経路４０４にＰＥＳが出力される。オブザーバ(プラント・モデル)４０６は位置、速度、バイアス力の推定値(Ｘest、Ｖes t、Ｂest)を経路４０８、４１０、４１２に出力する。同様に基準値発生器４１４は位置、速度、電流の基準値（Ｘref、Ｖref、Ｉref）を経路４１６、４１８、４２０上に生成する。前と同様に位置誤差Ｘerrは、位置推定値Ｘestと位置基準値Ｘrefを加算接続点４２２で加算して決定される。図のように、位置誤差Ｘerrは加算接続点４２２から経路４２４に出力される。同様に速度誤差Ｖerrは、速度推定値Ｖestと速度基準値Ｖrefを加算接続点４２６で加算して決定され、経路４２８に出力される。位置誤差Ｘerrと速度誤差Ｖerrは、位置利得関数ｆ_x(Ｘerr,Ｖerr)と速度利得関数ｆ_v(Ｘerr,Ｖerr)を持つ２つの利得ブロック４３０と４３２に入力としてそれぞれ与えられる。利得ブロック４３０と４３２の出力は加算接続点４３４で経路４２０からの電流基準値Ｉrefと加算され、加算接続点４３４の出力と経路４１２からのバイアス力推定値Ｂestが加算接続点４３６で図のように加算される。前と同様に、加算接続点４３６の出力はプラント４００のアクチュエータ・コイルに与えられる電流を表し、経路４３８によりオブザーバ４０６に与えられる。加算接続点４３６の出力は利得Ｋpを持つ利得ブロック４４０にも与えられ、利得ブロック４４０の出力は電流命令Ｉcmd信号を含んで経路４０２に出力される。最後に、前と同様にＰＥＳと位置推定値Ｘestが加算接続点４４２で加算されて、オブザーバ誤差(Ｏerr)信号がオブザーバ４０６に与えられる。利得ブロック４３０の位置利得関数ｆ_xと利得ブロック４３２の速度利得関数ｆ_vは図１２と図１３のグラフで表され、位置誤差Ｘerrと速度誤差Ｖerrに対して変化する。まず図１２では位置利得関数ｆ_xを曲線４５０で表し、位置利得ｙ軸（４４９）と組合せ関数ｇ(Ｘerr，Ｖerr)で表すｘ軸（４５１）に対してプロットする。関数ｇ(Ｘerr，Ｖerr)は次式で定義される。ｇ(Ｘerr，Ｖerr) ＝ｈＸerr ＋Ｖerr （７）ただし、ｈは定数である(例えば、ｈ＝０．０１)。図１２の位置利得曲線４５０はｇ(Ｘerr，Ｖerr)に従って変化し、一般に位置誤差Ｘerrと速度誤差Ｖerrの値が小さいときは比較的小さな値である。これを図の曲線４５０の原点と値ｇ(Ｘe rr，Ｖerr)＝ｂ₁（垂直の破線４５２で示す）の間の部分で示す。境界ｂ₁は、位置誤差Ｘerrと速度誤差Ｖerrのわずかな分布を考慮に入れていることを除けば、一般に図５、６、９、１０に関して前に説明したＰＥＳ分布カットオフ点に相当する。大きな位置誤差Ｘerrと速度誤差Ｖerrに対しては、位置利得曲線４５０は比較的大きな値を有する。これを図のｇ(Ｘerr，Ｖerr)＝ｂ₂の値に対応する垂直の破線４５４を超える曲線４５０の部分で示す。前と同様に、境界ｂ₂は一般に位置誤差Ｘerrと速度誤差Ｖerrで表す書込み障害しきい値に対応する。最後に、位置利得曲線４５０は線４５２と４５４の間では図に示すような曲線である。図１３では、境界ｂ₁とｂ₂として線４６２と４６４を持つ同様の速度利得曲線４６０を、速度利得ｙ軸４５９とｇ(Ｘerr，Ｖerr)で表すｘ軸４６１に対してプロットする。図８と図１１の制御システムのトラック・フォローイング中の動作について説明したが、制御システムはシーキング中のディスク駆動機構の性能も改善する。すなわち、振動および衝撃事象により速度誤差Ｖerrが生じてヘッド１１８の軌道がシークのために確立された速度プロフィルから変化しても、上の説明に従って位置利得と速度利得を変えることにより容易に訂正することができる。更に理解されるように、図１１の制御システムは位置利得関数ｆ_xと速度利得関数ｆ_vに二次モデルを用いたが、高次モデルを用いる（更に例えば加速度誤差なども含む）こともできる。本発明の好ましい実施の形態の説明が終わったので、衝撃および振動事象が存在する制御システムの安定性と、種々の位置利得値と速度利得値を選択するときに考慮すべき要因について以下に述べる。理解されるように、ディスク駆動機構１００（図１）の動作は、次の状態式を持つ単一入力、単一出力の連続線形時間不変（ＳＩＳＯＬＴＩ）システムとしてモデル化することができる。ただし、x(t)はｎ次元の状態ベクトル、u(t)はスカラ入力、y(t)はスカラ出力、 w(t)は内外の不確定性を反映するｎベクトル外乱、v(t)はセンサ雑音を表すスカラである。Ａ、Ｂ、Ｃは式（８）と（９）のシステムを記述する適当な次数の一定マトリクスで、集合｛Ａ，Ｂ，Ｃ｝は完全（すなわち、制御可能で観測可能）である。ディジタル・コントローラと制御入力ｕを与えるゼロ次ホールドを用いると、等価離散時間モデルは次式で与えられる。ただし、またＴは、式（１０）と（１１）の離散時間システムがやはり制御可能で観測可能になるように選んだサンプリング周期である。切替え関数を状態の線形関数として次のように定義する。ただし、ｘ_dは基準入力、Ｇは行ベクトルである。理想的な擬似滑りモードを存在させるために或る到達条件が用いられる。すなわち所定の到達条件の下では、システム状態は状態空間内の任意の出発点から滑り表面またはその近傍に移動して、最終的に原点（またはその近傍）に収束するはずである。なぜなら、滑り表面は安定な多様体(manifold)として選ばれているからである。次の到達条件が用いられる。ただし、Ｋは制御システムの制御利得と呼ぶ正の数、ηは到達位相内の応答を決定する正の数、φは境界層の厚さと呼ぶ正の定数、sat(.)は飽和関数である。滑り表面を吸引的にするには、０＜Ｋ＜φおよび０＜η＜１になるようにＫとηと φを選ぶ。理解されるように、０＜Ｋ＜２φおよび−１＜η＜０になるようにＫとφを選ぶ場合も、滑り表面は吸引的である。しかし、ディスク駆動機構１００内でモデル化されていないダイナミックスを刺激するポテンシャルがあるために望ましくない振動的応答を生じる。式（１３）の到達条件はいくつかの利点を持つ。第１に、この式はｓ（ｋ＋１）とｓ（ｋ）の間の直接の関係を記述するので、制御法則を得るのが容易になる。第２に、飽和関数を用いれば、ＤＳＭＣＶＰの到達位相における望ましくない振動と線形領域におけるチャタリングを簡単に効率的に減らすことができる。これについて以下に詳細に説明する。前に定義した式（１３）の到達条件を用いて、式（１０）と（１１）を式（１３）に代入してu(k)について解くと次の制御法則が得られる。理解されるように、外乱項w_d(k)は未知なので、実現可能な制御法則を得るいときは、全状態を推定するためにオブザーバ（図８のオブザーバ３０６、または図１１の４０６など）が必要である。したがって、制御法則は次のようになる。ただし、式（１５）の制御法則の全状態を推定するオブザーバ（図８の３０６、または図１１の４０６など）を設計するには、カルマン・フィルタなどの任意の従来のオブザーバ設計を用いてよい。しかし、収束を速くし、雑音拒否性能を良くすることに重点を置かなければならない。好ましい実施の形態では、オブザーバはルーエンベルガ(Luenberuger)型であって、次のように記述され、推定誤差ダイナミックスは次式で与えられる。ただし、制御システムの安定性は次のように示すことができる。第１に、固有値（Ａ_d −ＬＣ）を単位円内に選ぶと仮定すると、式（１６）のオブザーバを用いた式（１５）の制御法則の下で式（１０）と（１１）の離散時間システムは次の特性を有する。すなわち、不確定性とセンサ雑音がない場合は滑り表面は漸近的に吸引的である。すなわち、ｗ_d(ｋ)＝０かつｖ(ｋ)＝０の場合は、ｋ→∞に従次に、固有値（Ａ_d-ＬＣ）を単位円内に選び、また等価ダイナミクスただしが安定であるように滑り表面を決めると仮定すると、式（１６）のオブザーバを用いた式（１５）の制御法則の下で式（１０）と（１１）の離散時間システムは次の特性を有する。第１に、不確定性とセンサ雑音がない場合はこれは漸近的に安定である。すなわち、ｗ_d（ｋ）＝０、ｖ（ｋ）＝０の場合は第２に、ｗ_d(ｋ)とｖ(ｋ)が有界の場合はＢＩＢＯ安定である。したがって、式（１５）の制御法則は次の条件の下で安定である。ただし、ｅは誤差、ｅ_lbは下側の境界（図９の線３６２、図１０の線３７２、図１２の線４５２、図１３の線４６２など）、ｅ_ubは上側の境界（図９の線３６４、図１０の線３７４、図１２の線４５４、図１３の線４６４など）、またＫ₁、Ｋ₂、Ｌ₁、Ｌ₂は式（１７）と（１８）に関して上に述べた条件を満足する。制御システムを実現する好ましい方法を以下に説明する。上に述べたように、ＳＭＣは不確定性を扱うには強いことが良く知られている。しかしＳＭＣの強さは、制御入力が連続的である、すなわちプラント・ダイナミクスに比べてサンプリング周波数が非常に高いと仮定した場合だけである。古典的制御理論から、ＳＭＣにおけるチャタリング問題は、境界内でＳＭＣが実際に固有の高利得制御特性を持つためであって、この問題はサンプリング速度が小さくなるに従って悪化する。次の式は、ディスク駆動機構１００の二重積分プラント・モデルを記述する。ただし、ＰＥＳは位置誤差信号（トラック内で）、Ｖは選択されたヘッド１１８の速度（サンプル当たりトラック内で）である。係数Ｋ_ptは次式で与えられる。ただし、Ｋ_I＝相互コンダクタンス増幅定数（アンペア／ボルト）Ｋ_T＝トルク定数（オンス・インチ/アンペア）Ｋ_D＝復調器利得（ボルト／トラック）Ｒ_a＝アーム旋回半径（インチ）Ｊ＝アクチュエータ慣性（オンス・インチ／ｓｅｃ²）Ｔ＝多速度サンプリング周期（秒）ＴＰＩ＝インチ当たりのトラック（トラック／インチ）である。このとき、プラント・モデル（状態空間形式で）は、ただし、バイアス外乱を含む拡大プラント・モデルは、ただし、式（１８）において、Ｇは閉ループ・システムが安定なように選ばなければならない。すでに分かっているように、二次システムではコントローラの１つの固有値は｛１−（Ｋ／φ）｝であり、他の１つの固有値は式Ｇ_X＝０の根である。これから、良く知られた分離原理が適用されることが分かる。したがって、閉ループ・システムの固有値はコントローラとオブザーバからの固有値で構成する。最初の設計には種々の方法を用いることができる。しかし、最終的なパラメータの最適化には何らかの試行錯誤が必要であろう。なぜなら、一般にディスク駆動機構では十分正確な外乱および雑音モデルは得られないからである。更に、位相余裕や利得余裕やセンサ雑音拒否などの性能特性は、伝統的な線形コントローラ設計の場合と同様に線形領域内に保つことが重要である。これは一般に、境界層内で動作するときは線形コントローラと同じクロスオーバ周波数を保つことにより達成される。本発明の好ましい実施の形態を実現する方法についての説明を終わったので、次に、従来の線形コントローラと本発明のＤＳＭＣＶＰコントローラを用いて、種々のコンピュータ・シミュレーションと実際のディスク駆動機構の実験的測定値から、衝撃および振動応答が改善される例を示す。まず図１４は、単一の１１ミリ秒、２０ｇの衝撃入力に対する応答をオフトラック位置誤差Ｘerr（ｙ軸５０１）と時間（ｘ軸５０３）に関して示したグラフである。詳しく述べると、曲線５００は線形コントローラの位置誤差Ｘerrに対応し、曲線５０２はＤＳＭＣＶＰコントローラの位置誤差Ｘerrに対応する。図１４に示すように、衝撃事象が起ころと、線形コントローラでは位置誤差Ｘerr の最大変位は約＋２１％と−２０％のオフトラックを生じたが、これに比べてＤＳＭＣＶＰコントローラでは最大変位は約＋１３％と−１４％であった。上に述べた±１５％の書込み障害しきい値を用いると、書込み動作中に衝撃事象が起こったときに、線形コントローラを用いた場合は書込み障害が宣言されるが、ＤＳＭＣＶＰコントローラは位置誤差Ｘerrを書込み障害許容帯内に保持する。図１５は、１１ミリ秒、２０ｇで軸方向（すなわち、ディスク１０８の軸に平行）と、２８ラジアン／ｓｅｃ²で回転方向（すなわち、ディスク１０８の軸の周り）に、衝撃入力を１０回繰返して与えたときの応答を、平均オフトラック位置誤差Ｘerr（ｙ軸５０５）と時間（ｘ軸５０７）に関して示したグラフである。曲線５０４は線形コントローラの応答に対応し、曲線５０６はＤＳＭＣＶＰコントローラの応答に対応する。図１５に示すように、線形コントローラではピーク誤差は約１８．４％であるが、ＤＳＭＣＶＰコントローラではピーク誤差は約１１．６％である。最後に、図１６は振幅が一定で周波数が４０ヘルツ（Ｈｚ）から６００Ｈｚまで変化する連続的な振動入力について、オフトラック位置誤差Ｘerr（ｙ軸５０９）と周波数（ｘ軸５１１）の関係を示したグラフである。曲線５０８は線形コントローラの応答に対応し、曲線５１０はＤＳＭＣＶＰコントローラの応答に対応する。図から分かるように、曲線５０８も５１０も、１２０Ｈｚの振動入力に対応する点５１２の最小値に収束する。このように収束する理由は、ディスク駆動機構１００がディスク１０８を毎分７２００回転の回転速度（毎秒１２０回転に相当する）で回転させ、この技術で一般に知られている繰返し可能な振れ補償技術を用いて、ディスクの心のずれにより生じる１２０Ｈｚの繰返し位置誤差周波数成分を補償するからである。したがって、ディスクの回転周波数に対応する外部振動入力はディスク駆動機構１００により自動的に補償される。それにも関わらず、１２０Ｈｚ付近の周波数を除けば、ＤＳＭＣＶＰコントローラは従来の線形コントローラに比べて極めて優れた振動応答を与えることが認められる。これまでの説明から分かるように、本発明の好ましい実施の形態は先行技術に比べて極めて優れている。詳しく述べると、ＤＳＭＣＶＰコントローラによりトラック密度を大幅に高めることができるし、しかも将来世代のディスク駆動機構に要求される強い衝撃および振動応答特性が得られる。他方で、従来の線形コントローラは固有の限界を持つので、線形コントローラを用いるディスク駆動機構の性能特性は、今後トラック密度が高くなるに従って劣化するものと思われる。本発明のＤＳＭＣＶＰコントローラではなく従来の線形制御方式に頼るディスク駆動機構の設計者は、トラック密度が高くなることを考えれば、十分な衝撃および振動応答特性を保つためにはディスクに関するサーボ情報の量を増やさなければならない。もちろん、このような方式を用いると一般にディスク駆動機構のユーザ・データ記憶容量が減少し（多くのサーボ情報が追加されるので）、または一般にディスク駆動機構のコストが高くなる（同じユーザ・データ容量を保持するには追加のディスクやヘッドが必要なので）。上に述べたことから理解されるように、本発明は可変パラメータを持つ離散時間滑りモード制御を用いて制御対象の位置を制御して、システムの振動および機械的衝撃応答を改善する装置と方法を提供するものである。開示された実施の形態では、対象（ディスク駆動機構１００のヘッド１１８など）の位置を制御するサーボ回路（１５０など）が提供される。サーボ回路は位置誤差Ｘerrを決定する位置誤差回路（３２２、４２２など）と、位置誤差Ｘerrに可変位置利得を与える可変位置利得回路（３３０、３３４、３３８、４３０など）を含む。可変位置利得は位置誤差Ｘerrの大きさに従って変化する。更に、速度誤差回路（３２６、４２６など）は速度誤差Ｖerrを決定し、可変速度利得回路（３３２、３３６、３４０、４３２など）は速度誤差Ｖerrに可変速度利得を与える。第１の開示された実施の形態では可変速度利得は位置誤差Ｘ errの関数であり、第２の開示された実施の形態では可変速度利得は位置誤差Ｘe rrと速度誤差Ｖerrの関数である。オブザーバ（３０６、４０６など）はヘッド位置および速度の推定値を生成し、基準値発生器（３１４，４１４など）はヘッド位置および速度の基準値を生成する。特許請求の範囲では、用語「回路」はハードウェアおよびソフトウェアを用いて実現したものを含むものとする。更に、用語「信号」は、ディジタル表現の信号とアナログ信号を含むものとし、用語「大きさ」はこのようなディジタル表現の信号の値と、このようなアナログ信号の振幅であるとする。本発明により前述のおよび固有の目的および利点を達成することができることは明らかである。この開示では現在好ましいと考えられる実施の形態を説明したが、多くの変更を行うことが可能である。これは当業者には容易に理解できることであり、また開示され特許請求の範囲に規定された本発明の精神に含まれるものである。さらに、本発明の好ましい実施の形態をディスク駆動機構に関して説明したが、容易に理解されるように、本発明はサーボ回路の制御の下にサーボモータで制御対象を位置決めする他のシステムに容易に拡張することができる。

【手続補正書】特許法第１８４条の８第１項【提出日】平成１１年７月１９日（１９９９．７．１９）【補正内容】請求の範囲１．可変パラメータを持つ離散時間滑りモード制御を用いて制御対象の位置決めを行うサーボ回路であって、前記制御対象に関する位置誤差を決定する位置誤差回路と、前記位置誤差回路に応じて、前記位置誤差の大きさに従って可変位置利得を前記位置誤差に与える位置誤差利得回路と、を含み、ここで前記可変位置利得は、第１のしきい値より小さい位置誤差では低利得値を、第２のしきい値より大きい位置誤差では高利得値を、前記第１および第２のしきい値の間の位置誤差では可変利得関数を含み、また前記高利得値は前記低利得値より大きく、前記可変利得関数は前記低および高利得値に対応する境界値を有する、制御対象の位置決めを行うサーボ回路。２．前記制御対象の推定位置を生成するオブザーバ回路と、前記制御対象の基準位置を生成する基準値発生回路と、を更に含み、ここで前記位置誤差回路は前記制御対象の前記推定位置と基準位置に応じて前記位置誤差を決定する、請求項１に記載の制御対象の位置決めを行うサーボ回路。４．前記制御対象はディスク駆動機構のヘッドであり、また前記第１のしきい値は前記ディスク駆動機構に外部衝撃および振動入力がないときの前記ディスク駆動機構のわずかな位置誤差を表すわずかな位置誤差カットオフ点を含み、また前記第２のしきい値は前記ディスク駆動機構の書込み障害しきい値を含む、請求項１に記載の制御対象の位置決めを行うサーボ回路。５．前記サーボ回路は、前記制御対象に関する速度誤差を決定する速度誤差回路と、前記速度誤差回路に応じて、前記位置誤差の大きさに従って変わる可変速度利得を前記速度誤差に与える速度誤差利得回路と、を更に含む、請求項１に記載の制御対象の位置決めを行うサーボ回路。６．前記可変速度利得は前記速度誤差の大きさに関しても変わる、請求項５に記載の制御対象の位置決めを行うサーボ回路。７．可変パラメータを持つ離散時間滑りモード制御を用いて振動および機械的衝撃応答を改善するディスク駆動機構であって、前記ディスク駆動機構の回転可能なディスク上に規定されるトラックに対して前記ディスク駆動機構のヘッドの位置決めを行うサーボ回路を含み、前記サーボ回路は、選択されたトラックに対するヘッド位置誤差を決定する位置誤差回路と、前記位置誤差回路に応じて、前記ヘッド位置誤差の大きさに従って変わる可変位置利得を前記ヘッド位置誤差に与える位置誤差利得回路と、を含み、ここで前記可変位置利得は、第１のしきい値より小さいヘッド位置誤差では低利得値を、第２のしきい値より大きいヘッド位置誤差では高利得値を、前記第１および第２のしきい値の間のヘッド位置誤差では可変利得関数を含み、また前記高利得値は前記低利得値より大きく、前記可変利得関数は前記低および高利得値に対応する境界値を有する、ディスク駆動機構。８．前記サーボ回路は、前記ヘッドの推定位置を生成するオブザーバと、前記ヘッドの基準位置を生成する基準値発生回路と、を更に含み、ここで前記位置誤差回路は前記ヘッドの前記推定位置と基準位置に応じて前記ヘッド位置誤差を決定する、請求項７に記載のディスク駆動機構。１０．前記第１のしきい値は外部衝撃および振動入力がないときの前記ディスク駆動機構のわずかなヘッド位置誤差を表すわずかな位置誤差カットオフ点を含み、また前記第２のしきい値は前記ディスク駆動機構の書込み障害しきい値を含む、請求項７に記載のディスク駆動機構。１１．前記サーボ回路は、ヘッド速度誤差を決定する速度誤差回路と、前記速度誤差回路に応じて、前記位置誤差の大きさに従って変わる可変速度利得を前記ヘッド速度誤差に与える速度誤差利得回路と、を更に含む、請求項７に記載のディスク駆動機構。１２．前記可変速度利得は前記速度誤差の大きさに関しても変わる、請求項１１に記載のディスク駆動機構。１３．可変パラメータを持つ離散時間滑りモード制御を用いてサーボ・モータにより制御対象の位置を制御する方法であって、（ａ）前記制御対象の基準位置と基準速度を決定し、（ｂ）前記制御対象の推定位置と推定速度を決定し、（ｃ）前記基準位置と推定位置の差から、或る大きさを有する位置誤差を得、（ｄ）前記基準速度と推定速度の差から、或る大きさを有する速度誤差を得、（ｅ）可変位置利得を前記位置誤差に与えて位置誤差積を決定し、（ｅ１）前記位置誤差の大きさが第１のしきい値より小さいときは低位置利得を与え、（ｅ２）前記位置誤差の大きさが第２のしきい値より大きいときは前記低位置利得より大きな高位置利得を与え、（ｅ３）前記位置誤差が前記第１および第２しきい値の間にあるときは、前記低および高利得値に対応する境界値を有する可変利得関数に従って可変利得を与える、ステップを含み、（ｆ）前記位置誤差の少なくとも大きさに従って変わる可変速度利得を前記速度誤差に与えて速度誤差積を決定し、（ｇ）前記位置誤差積と前記速度誤差積を用いて前記制御対象の位置を制御する、ステップを含む、制御対象の位置を制御する方法。１５．前記制御対象はディスク駆動機構のヘッドであり、前記第１のしきい値は外部衝撃および振動入力がないときの前記ディスク駆動機構のわずかな位置誤差を表すわずかな位置誤差カットオフ点を含み、また前記第２のしきい値は前記ディスク駆動機構の書込み障害しきい値を含む、請求項１３に記載の制御対象の位置を制御する方法。１６．ボイス・コイル・モータを用いて回転可能なディスク上のトラックに対してヘッドを制御して位置決めを行う種類のディスク駆動機構において、可変パラメータを持つ離散時間滑りモード制御を用いて前記ヘッドの位置を制御する方法であって、（ａ）前記ヘッドの基準位置を表す大きさを有する基準位置信号を生成し、（ｂ）前記ヘッドの推定位置を表す大きさを有する推定位置信号を生成し、（ｃ）前記基準位置信号と推定位置信号から、前記基準位置信号と推定位置信号の大きさの差に比例する大きさを有する位置誤差信号を得、（ｄ）前記位置誤差信号の大きさに従って変わる大きさを持つ可変位置利得信号を前記位置誤差信号に与えて位置誤差積信号を決定し、（ｄ１）前記位置誤差信号の大きさが第１のしきい値より小さいときは前記可変位置利得信号の第１の大きさを用い、（ｄ２）前記位置誤差信号の大きさが、前記第１のしきい値より大きい第２のしきい値より大きいときは、前記可変位置利得信号の前記第１の大きさより大きい第２の大きさを用い、（ｄ３）前記位置誤差信号の大きさが前記第１および第２のしきい値の間にあるときは、前記第１および第２の大きさに対応する境界値を有する可変位置利得関数に従って変わる可変位置利得信号の可変大きさを用いる、ステップを含み、（ｅ）前記位置誤差積信号を用いて前記ヘッドの位置を制御する、ステップを含む、ヘッドの位置を制御する方法。１７．前記第１のしきい値は前記ディスク駆動機構に外部衝撃および振動入力がないときの位置誤差信号の大きさのわずかな振れを表ずわずかな位置誤差カットオフ点を含み、また前記第２のしきい値は前記ディスク駆動機構の書込み障害しきい値を含み、前記位置誤差信号の大きさが前記書込み障害しきい値より大きいときは前記ディスク駆動機構は書込み障害条件を宣言ずる、請求項１６に記載のヘッドの位置を制御する方法。１８．（ｆ）前記ヘッドの基準速度を表す大きさを有ずる基準速度信号を生成し、（ｇ）前記ヘッドの推定速度を表す大きさを有する推定速度信号を生成し、（ｈ）前記基準および推定速度信号から、前記基準および推定速度信号の大きさの差に比例する大きさを有する速度誤差信号を得、（ｉ）前記位置誤差信号の大きさに従って変わる大きさを持つ可変速度利得信号を前記速度誤差信号に与えて速度誤差積信号を決定し、（ｅ）前記速度誤差積信号を用いて前記ヘッドの速度を制御する、ステップを更に含む、請求項１６に記載のヘッドの位置を制御する方法。１９．ステップ（ｉ）は、（ｉｉ）前記速度誤差信号の大きさに従って前記可変速度利得信号の大きさを更に変える、ステップを含む、請求項１８に記載のヘッドの位置を制御する方法。

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Claims

【特許請求の範囲】１．可変パラメータを持つ離散時間滑りモード制御を用いて制御対象の位置決めを行うサーボ回路であって、前記制御対象に関する位置誤差を決定する位置誤差回路と、前記位置誤差回路に応じて、前記位置誤差の大きさに従って変わる可変位置利得を前記位置誤差に対して与える位置誤差利得回路と、を備える、制御対象の位置決めを行うサーボ回路。２．前記制御対象の推定位置を生成するオブザーバ回路と、前記制御対象の基準位置を生成する基準値発生回路と、を更に含み、ここで前記位置誤差回路は前記制御対象の前記推定位置と基準位置に応じて前記位置誤差を決定する、請求項１に記載の制御対象の位置決めを行うサーボ回路。３．前記位置誤差利得回路により与えられる前記可変位置利得は、第１のしきい値より小さい位置誤差では低利得値を、第２のしきい値より大きい位置誤差では高利得値を、前記第１および第２のしきい値の間の位置誤差では可変利得関数を含み、前記高利得値は前記低利得値より大きく、前記可変利得関数は前記低および高利得値に対応する境界値を有する、請求項１に記載の制御対象の位置決めを行うサーボ回路。４．前記制御対象はディスク駆動機構のヘッドであり、また前記第１のしきい値は前記ディスク駆動機構に外部衝撃および振動入力がないときの前記ディスク駆動機構のわずかな位置誤差を表すわずかな位置誤差カットオフ点を含み、また前記第２のしきい値は前記ディスク駆動機構の書込み障害しきい値を含む、請求項３に記載の制御対象の位置決めを行うサーボ回路。５．前記サーボ回路は、前記制御対象に関する速度誤差を決定する速度誤差回路と、前記速度誤差回路に応じて、前記位置誤差の大きさに従って変わる可変速度利得を前記速度誤差に与える速度誤差利得回路と、を更に含む、請求項１に記載の制御対象の位置決めを行うサーボ回路。６．前記可変速度利得は前記速度誤差の大きさに関しても変わる、請求項５に記載の制御対象の位置決めを行うサーボ回路。７．可変パラメータを持つ離散時間滑りモード制御を用いて振動および機械的衝撃応答を改善するディスク駆動機構であって、前記ディスク駆動機構の回転可能なディスク上に規定されるトラックに対して前記ディスク駆動機構のヘッドの位置決めを行うサーボ回路を含み、前記サーボ回路は、選択されたトラックに対するヘッド位置誤差を決定する位置誤差回路と、前記位置誤差回路に応じて、前記ヘッド位置誤差の大きさに従って変わる可変位置利得を前記ヘッド位置誤差に与える位置誤差利得回路と、を含む、ディスク駆動機構。８．前記サーボ回路は、前記ヘッドの推定位置を生成するオブザーバと、前記ヘッドの基準位置を生成する基準値発生回路と、を更に含み、ここで前記位置誤差回路は前記ヘッドの前記推定位置と基準位置に応じて前記ヘッド位置誤差を決定する、請求項７に記載のディスク駆動機構。９．前記可変位置利得は、第１のしきい値より小さいヘッド位置誤差では低利得値を、第２のしきい値より大きいヘッド位置誤差では高利得値を、前記第１および第２のしきい値の間のヘッド位置誤差では可変利得関数を含み、前記高利得値は前記低利得値より大きく、前記可変利得関数は前記低および高利得値に対応する境界値を有する、請求項７に記載のディスク駆動機構。１０．前記第１のしきい値は外部衝撃および振動入力がないときの前記ディスク駆動機構のわずかなヘッド位置誤差を表すわずかな位置誤差カットオフ点を含み、また前記第２のしきい値は前記ディスク駆動機構の書込み障害しきい値を含む、請求項９に記載のディスク駆動機構。１１．前記サーボ回路は、ヘッド速度誤差を決定する速度誤差回路と、前記速度誤差回路に応じて、前記位置誤差の大きさに従って変わる可変速度利得を前記ヘッド速度誤差に与える速度誤差利得回路と、を更に含む、請求項７に記載のディスク駆動機構。１２．前記可変速度利得は前記速度誤差の大きさに関しても変わる、請求項１１に記載のディスク駆動機構。１３．可変パラメータを持つ離散時間滑りモード制御を用いてサーボ・モータにより制御対象の位置を制御する方法であって、（ａ）前記制御対象の基準位置と基準速度を決定し、（ｂ）前記制御対象の推定位置と推定速度を決定し、（ｃ）前記基準位置と推定位置の差から、或る大きさを有する位置誤差を得、（ｄ）前記基準速度と推定速度の差から、或る大きさを有する速度誤差を得、（ｅ）前記位置誤差の大きさに従って変わる可変位置利得を前記位置誤差に与えて位置誤差積を決定し、（ｆ）前記位置誤差の少なくとも大きさに従って変わる可変速度利得を前記速度誤差に与えて速度誤差積を決定し、（ｇ）前記位置誤差積と前記速度誤差積を用いて前記制御対象の位置を制御する、ことを特徴とする、制御対象の位置を制御する方法。１４．ステップ（ｅ）は、（１）前記位置誤差の大きさが第１のしきい値より小さいときは低位置利得を与え、（２）前記位置誤差の大きさが第２のしきい値より大きいときは前記低位置利得より大きな高位置利得を与え、（３）前記位置誤差が前記第１および第２しきい値の間にあるときは、前記低および高利得値に対応する境界値を有する可変利得関数に従って可変利得を与える、ことを更に特徴とする、請求項１３に記載の制御対象の位置を制御する方法。１５．前記制御対象はディスク駆動機構のヘッドであり、前記第１のしきい値は外部衝撃および振動入力がないときの前記ディスク駆動機構のわずかな位置誤差を表すわずかな位置誤差カットオフ点を含み、また前記第２のしきい値は前記ディスク駆動機構の書込み障害しきい値を含む、請求項１４に記載の制御対象の位置を制御する方法。１６．ボイス・コイル・モータを用いて回転可能なディスク上のトラックに対してヘッドを制御して位置決めを行う種類のディスク駆動機構において、可変パラメータを持つ離散時間滑りモード制御を用いて前記ヘッドの位置を制御する方法であって、（ａ）前記ヘッドの基準位置を表す大きさを有する基準位置信号を生成し、（ｂ）前記ヘッドの推定位置を表す大きさを有する推定位置信号を生成し、（ｃ）前記基準位置信号と推定位置信号から、前記基準位置信号と推定位置信号の大きさの差に比例する大きさを有する位置誤差信号を得、（ｄ）前記位置誤差信号の大きさに従って変わる大きさを持つ可変位置利得信号を前記位置誤差信号に与えて位置誤差積信号を決定し、更に、（１）前記位置誤差信号の大きさが第１のしきい値より小さいときは前記可変位置利得信号の第１の大きさを用い、（２）前記位置誤差信号の大きさが、前記第１のしきい値より大きい第２のしきい値より大きいときは、前記可変位置利得信号の前記第１の大きさより大きい第２の大きさを用い、（３）前記位置誤差信号の大きさが前記第１および第２のしきい値の間にあるときは、前記第１および第２の大きさに対応する境界値を有する可変位置利得関数に従って変わる可変位置利得信号の可変大きさを用いる、ことを更に特徴とし、（ｅ）前記位置誤差積信号を用いて前記ヘッドの位置を制御する、ことを特徴とする、ヘッドの位置を制御する方法。１７．前記第１のしきい値は前記ディスク駆動機構に外部衝撃および振動入力がないときの位置誤差信号の大きさのわずかな振れを表ずわずかな位置誤差カットオフ点を含み、また前記第２のしきい値は前記ディスク駆動機構の書込み障害しきい値を含み、前記位置誤差信号の大きさが前記書込み障害しきい値より大きいときは前記ディスク駆動機構は書込み障害条件を宣言する、請求項１６に記載のヘッドの位置を制御する方法。１８．（ｆ）前記ヘッドの基準速度を表す大きさを有する基準速度信号を生成し、（ｇ）前記ヘッドの推定速度を表す大きさを有する推定速度信号を生成し、（ｈ）前記基準および推定速度信号から、前記基準および推定速度信号の大きさの差に比例する大きさを有する速度誤差信号を得、（ｉ）前記位置誤差信号の大きさに従って変わる大きさを持つ可変速度利得信号を前記速度誤差信号に与えて速度誤差積信号を決定し、（ｅ）前記速度誤差積信号を用いて前記ヘッドの速度を制御する、ことを更に特徴とする、請求項１６に記載のヘッドの位置を制御する方法。１９．ステップ（ｉ）は、（１）前記速度誤差信号の大きさに従って前記可変速度利得信号の大きさを変える、ことを更に特徴とする、請求項１８に記載のヘッドの位置を制御する方法。