JP2005317130A - ディスク記憶装置、ヘッド位置決め制御システム及びその方法 - Google Patents

Abstract

【課題】加速度センサなどを使用することなく、外乱を効果的に抑制できるヘッド位置決め制御機能を備えたディスクドライブを提供することにある。
【解決手段】ディスクドライブに適用するヘッド位置決め制御システムにおいて、フィードフォワード制御システム２は、フィードバック制御システム１から得られる位置誤差信号ＥＳを入力し、外乱の振幅及び位相を検出し、当該振幅及び位相の乗算から外乱を補償するための制御補償値（ＦＦ信号Ａ４）を算出して、フィードバック制御システム１に出力する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、一般的にはディスク記憶装置の分野に関し、特に、外乱補償機能を含むヘッド位置決め制御技術に関する。

従来、ハードディスクドライブを代表とするディスク記憶装置（以下ディスクドライブと表記する）の分野では、ディスク媒体上の目標位置（目標トラック）にヘッドを位置決めするためのヘッド位置決め制御システムが組み込まれている。

ヘッド位置決め制御システムは、振動や衝撃などの外乱の影響が大きい場合には、ヘッドの位置決め精度が低下する。このため、ディスクドライブのヘッド位置決め制御システムでは、ヘッド位置決め精度に影響を与える外乱を抑制するための外乱補償機能が重要である。

従来では、外乱補償機能として、当該外乱の影響を適応フィルタリング方法により抑制するフィードフォワード制御系を使用した位置決め制御システムに関する先行技術が提案されている（例えば、特許文献１を参照）。
米国特許第５，６６３，８４７号

先行技術のフィードフォワード制御系を使用した位置決め制御システムは、外乱を効果的に抑制できるため、ディスクドライブのヘッド位置決め制御システムとして有効である。しかしながら、先行技術のシステムは、外乱を観測（検出）するために加速度センサが必要であるため、ディスクドライブに適用する場合には、部品点数の増大や構造の複雑化を招く問題がある。

本発明の目的は、加速度センサなどを使用することなく、外乱を効果的に抑制できるヘッド位置決め制御機能を備えたディスクドライブを提供することにある。

本発明の観点に従ったディスクドライブは、ディスク媒体上の目標位置にヘッドを位置決めするためのアクチュエータ機構と、フィードバック制御により前アクチュエータ機構を制御して、前記ディスク媒体上の目標位置に前記ヘッドを位置決め制御するヘッド位置決め制御手段と、前記ヘッド位置決め制御手段により算出される前記目標位置に対するヘッドの位置誤差情報を入力し、当該位置誤差情報から狭帯域外乱の振幅及び位相を検出する手段と、当該検出結果から前記狭帯域外乱を解消するための制御補償値を算出する手段とを含み、前記ヘッド位置決め制御手段に前記制御補償値を出力するフィードフォワード制御手段とを備えた構成である。

本発明によれば、加速度センサなどを使用することなく、ヘッドの位置誤差情報から外乱を観測し、かつ当該外乱を効果的に抑制できるヘッド位置決め制御システムを備えたディスクドライブを提供することができる。

以下図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。

図１は、本実施形態に関するヘッド位置決め制御システムの構成を説明するためのブロック図である。図２は、本実施形態に関するディスクドライブの要部を示すブロック図である。

（ディスクドライブの構成）
図２に示すように、本実施形態のディスクドライブは、ハードディスクドライブを代表とする磁気ディスク装置であり、ディスク媒体３０と、ヘッド３１と、ヘッド位置決め制御システム（サーボシステム）とを有する。

ディスク媒体３０は、スピンドルモータ４０により回転される。ディスク媒体３０上には、データ記録領域である同心円状の多数のトラック３００が構成される。各トラック３００は、サーボデータ（位置情報）が記録されているサーボエリア３１０と、ユーザデータの記録領域であるデータセクタ３２０とを含むサーボセクタが配列されている構成である。

ヘッド３１は、ボイスコイルモータ（ＶＣＭ）３３により回動するアクチュエータ３２に搭載されている。アクチュエータ３２は、ヘッド位置決め制御システムの制御により、ヘッド３１をディスク媒体３０上の目標位置に位置決めする。

ヘッド３１は、ディスク媒体３０上からサーボデータ（位置情報）とユーザデータを読出すリードヘッドと、当該ユーザデータを書き込むライトヘッドとを含む。ここで、ディスク媒体３０が一定角速度で回転しているため、サーボエリア３１０からは、一定時間間隔で位置情報がリードヘッドにより読み込まれる。

ヘッド位置決め制御システムは、リードチャネル３４と、位置検出回路３５と、コントローラ３６と、ＶＣＭドライバ３９とを有する。

リードチャネル３４は、ヘッド３１のリードヘッドにより読出されたリード信号を復調するための信号処理を実行する回路である。位置検出回路３５は、リードチャネル３４により処理されたリード信号からユーザデータと位置情報（サーボデータ）とを分離して、ヘッド３１の位置を求める。

コントローラ３６は、ヘッド位置決め制御システムのメイン要素であるマイクロプロセッサ（ＣＰＵ）３７と、ＲＯＭ３８とを含む。ＣＰＵ３７は、本実施形態のヘッド位置決め制御処理を実行して、ＶＣＭ３３を駆動制御する操作制御値を算出する。ＣＰＵ３７は、一定時間毎に検出されるヘッド位置（Ｐ）、ＲＯＭ３８に格納されたプログラムと制御パラメータ、及びタイマで測定されたプログラム処理時間などに基づいて操作制御値を算出する。

ＶＣＭドライバ３９は、ＣＰＵ３７により算出された操作制御値に応じた駆動電流をＶＣＭ３３に供給して、ＶＣＭ３３を駆動制御するための駆動回路である。

（ヘッド位置決め制御システム）
本実施形態のヘッド位置決め制御システムは、図１に示すように、大別してフィードバック（ＦＢ）制御システム１およびフィードフォワード（ＦＦ）制御システム２から構成されいる。実際上では、当該システムは、ＣＰＵ３７により実現されている。

ディスク媒体３０は動作時は一定の角速度で回転し、現在のヘッド位置はディスクの回転角に同期して、各サーボセクタの先頭のサーボエリア３１０から得られる。そこで、ＣＰＵ３７（コントローラ３６)は、一定時間間隔で制御対象（プラント）への入力（操作制御値）を決定するサンプル値制御系を構成している。さらに、機械的及び電気的な制限から、ＶＣＭ３３)に与えられる操作制御値は、ＶＣＭドライバ３９により予め制限されている。

ＦＢ制御システム１は、ＦＢコントローラ（伝達関数Ｃ）１０と、制御対象であるプラント（伝達関数Ｐ）１１とを有する。ＦＢコントローラ１０は、図２に示すコントローラ３６に相当し、狭義にはＣＰＵ３７である。ＦＢコントローラ１０は、位置誤差信号ＥＳからプラント１１の操作制御値（ＶＣＭ３３の駆動電流値に相当）を決定する線形フィルタに相当する。

プラント１１は、狭義にはＶＣＭドライバ３９に相当し、ＶＣＭドライバ３９の操作量（駆動電流値）、及びヘッド３１の位置ＨＰと目標位置ＲＰとの誤差を示す位置誤差信号ＥＳに関係している。

さらに、当該システムは、ＦＦ制御システム２及び中間の閉ループ伝達特性フィルタ（伝達特性Ｆｃ）１２を有する。閉ループ伝達特性フィルタ１２は、ＦＢ制御システム１の伝達関数フィルタである。従って、Ｆｃは、「Ｆｃ＝ＣＰ／（１＋ＣＰ）」で表される。Ｃはコントローラ１０の伝達関数であり、Ｐはプラント１１の伝達関数である。

ＦＦ制御システム２は、位置誤差信号ＥＳから外乱の振幅及び位相を検出する外乱検出機能部を含む。外乱の振幅検出機能部は、絶対値算出部１３と、ローパスフィルタ（ＬＰＦ：伝達関数Ｆａ）１４とを有する。

一方、位相検出機能部は、ＬＰＦ（伝達関数Ｆｐ）１８と、積分要素を有する位相補正フィードバック特性を決定するフィルタ（伝達関数Ｆｉ）１９と、発振部とを有する。発振部は、時刻生成部２０と、位相生成部２１と、正弦波発振部２２とを含む。

図１に示す乗算部１６，１７は、図３に示すように、２入力の掛け算を実行する算出部である。また、除算部１５は、図４に示すように、割り算を実行する算出部である。

（ヘッド位置決め制御システムの動作）
以下図１と共に、図５から図１３を参照して本実施形態のヘッド位置決め制御システムの動作を説明する。

ＦＢ制御システム１は、コントローラ１０が、ヘッドの位置誤差信号ＥＳを入力して、ヘッドの位置を目標位置ＲＰに位置決めするための操作制御値を算出する。ここで、位置誤差信号ＥＳは、ディスク媒体１のサーボエリアから得られる位置情報と目標位置情報との誤差を示し、トラック位置を示すシリンダコード及び目標トラック内の位置を示すバーストデータを含む。

ＦＦ制御システム２は、位置誤差信号ＥＳを入力（入力信号Ａ１）として、外乱の振幅と位相の変化を検出して制御補償値ＦＦ（出力信号Ａ４）を生成して、ＦＢ制御システム１に出力する。図６は、当該入力信号Ａ１と出力信号Ａ４の時間変化を示し、入力の振幅変動に追従している様子を表している。

振幅検出機能部では、絶対値算出部１３は入力信号Ａ１の絶対値（Ａ２）を算出する。ＬＰＦ１４は、当該絶対値化信号（Ａ２）から外乱の振幅（Ａ３）を決定する。図７は、入力信号Ａ１、絶対値化信号Ａ２、及びＬＰＦ１４の出力信号（振幅）Ａ３の時間変化を示している。絶対値信号Ａ２は、周波数の低い振幅の時間変化成分と、外乱周波数の２倍周波数成分が含まれている。ＬＰＦ１４により、外乱の振幅の時間変化成分Ａ３のみが抽出される。ＬＰＦ１４の周波数０Ｈｚでのゲインは、２の平方根を掛けた値となっている。

次に、位相検出機能部では、位相を決定する前段階として、除算部１５により入力信号Ａ１を振幅Ａ３で割り算し、振幅が一定になった位相信号Ｐ１を算出する。この際、振幅がゼロになると、位相信号Ｐ１が無限大になるため、図４に示すように、振幅（ｙ）が０の場合には、位相信号（ｚ）Ｐ１も０にする。

位相検出機能部は、入力信号Ａ１の位相信号Ｐ１と、発振部により生成した位相信号Ｐ２との位相差を検出して、Ｐ２の位相を補正する位相補正フィードバックループを用いる。

発振部は、予め外乱の存在する帯域を想定し、その中心周波数を発生するように、位相信号Ｐ２を生成する。位相差の検出は、以下に示す公式（１）を利用している。

ここで、ｆは周波数、ｔは時刻、Ａ，Ｂは各ｃｏｓ波の位相を示している。右辺の第１項は周波数ｆの２倍成分、第２項は位相差成分を表しているため、第１項をＬＰＦ１８で消去して、第２項成分のみ位相補正に利用する。図８に示すように、Ｐ１とＰ２との積Ｐ３（乗算部１６の出力）は、Ｐ１，Ｐ２の２倍周波数成分と、位相差の時間変化成分とを含む。

ＬＰＦ１８は、２倍周波数でゲインが十分低く、周波数０Ｈｚでゲイン1倍となるローパスフィルタであり、図９に示すように、Ｐ３から位相差成分Ｐ４を抽出する。また、フィルタ１９は、積分要素を持つ、位相補正フィードバック特性を決定するフィルタであり、図９に示すように、位相補正信号Ｐ５を出力する。

ＦＦ制御システム２は、振幅検出機能部からの振幅信号Ａ３と、位相検出機能部からの位相信号Ｐ２との積を乗算部１７から算出して、ＦＦ信号（外乱補償値）Ａ４として出力する。

ここで、図５は、振幅検出機能部及び位相検出機能部での、各フィルタ１４，１８，１９の伝達特性を示す図である。図５において、周波数ｆａは、外乱の帯域の２倍の周波数を示す。

ところで、ＦＦ制御システム２から出力されるＦＦ信号Ａ４は、ＦＢ制御システム１に出力されると共に、閉ループ伝達特性フィルタ１２を介して位置誤差信号ＥＳに加算される。この加算された信号が、ＦＦ制御システム２の入力信号Ａ１となる。閉ループ伝達特性フィルタ１２は、ＦＢ制御システムの伝達特性を有するフィルタであり、いわば補償値により解消される外乱の値を戻すための要素である。

以上のように本実施形態のヘッド位置決め制御システムであれば、外乱を補償して、ヘッド位置決め精度を向上することができる。この場合、本実施形態のシステムは、加速度センサなどを使用せずに、位置誤差信号ＥＳから外乱の振幅及び位相を検出する検出機能により外乱を観測する構成を実現している。以下、本実施形態の効果を具体的に示す。

図１０は、狭帯域の外乱が加わったときのヘッド位置誤差の時間変化を示す。また、図１１は狭帯域の外乱が加わったときのヘッド位置誤差の周波数領域の特性を示す。いずれの場合も、フィードフォワード（ＦＦ）制御の有無で比較している。即ち、ＦＦ制御がない場合（ＦＦｎ）に対して、本実施形態のＦＦ制御がある場合（ＦＦｙ）には、位置誤差精度を向上させていることが分かる。

さらに、図１２は、帯域幅と位置誤差改善度の比較を示す。本手法では、一定周波数範囲で変動する位置誤差信号にＦＦ入力が追従するため、帯域幅が大きいと位置誤差改善度が劣化する。図１３は、帯域幅と外乱帯域の中心周波数を定義している。帯域幅と中心周波数の比率を、図１２のＸ軸とし、ＦＦ制御を行わないときの位置決め精度と、行うときの精度の比率を図１２のＹ軸としている。

図１２からは、帯域幅が広がると改善度が劣化することが分かる。例えば、狭帯域の外乱を半分にするには、帯域幅を中心周波数の３０％程度にすることが好ましいことが分かる。ただし、外乱の過渡的な特性、ヘッド位置決め精度系のサンプリング周波数、フィードバックコントローラ１０の周波数特性や、ＦＦ制御システム２の振幅位相検出機能部のローパスフィルタの特性などにも、位置決め改善度は左右される。

（他の実施形態）
図１４は、他の実施形態に関するヘッド位置決め制御システムの構成を示す図である。

本実施形態のシステムは、位置誤差信号ＥＳのスペクトルを検出するスペクトル検出機能部２５と、スペクトル検出と振幅位相検出とを切り替える選択機能部２６とを有する構成である。

外乱の中心周波数は、ディスクドライブに加わる振動状態などによって変化するため、予め決まった値を想定することは困難である。そこで、位置誤差の周波数スペクトルのうち、最大の振幅値を示す周波数を検出し、当該周波数をＦＦ制御システムの位相検出機能部の中心周波数として設定することで、振動状態が変化しても、正確な外乱の位相検出を実現し、結果として位置誤差精度を改善することができる。

スペクトル検出機能部２５は、図１５のフローチャートに示すような検出処理の手順を実行する。選択機能部２６は、スペクトル検出機能部２５の動作時には、スイッチ２３，２４を切換えて、ＦＢ制御システム１からの位置誤差信号ＥＳをスペクトル検出機能部２５に入力させて、ＦＦ信号Ａ４のＦＢ制御システム１への出力を停止させる。

スペクトル検出機能部２５は、予めスペクトル検出を行う周波数の範囲と精度を決定し、その範囲内で測定周波数を順に変化させて、各周波数のスペクトル値を算出する（ステップＳ６）。スペクトル検出機能部２５は、当該スペクトル値が最大になる周波数を決定する（ステップＳ８）。

スペクトル検出機能部２５は、スペクトル検出の開始時に、測定周波数とスペクトル最大周波数に周波数初期値、スペクトル最大値に０を代入する（ステップＳ１〜Ｓ３）。次に、各測定周波数毎に位置誤差の測定サンプル数を決定する（ステップＳ４）。即ち、下記式（２）に示すとおりである。

ここで、Ｋは任意の自然数である。Ｋを増やすほど位置誤差の突発的な周波数変化の影響を受けなくなり、外乱の平均的なスペクトルを得ることができるが、測定時間が大きくなる。また、各測定周波数で、測定サンプル数が一定になるようにＫを調整することで、測定時間がばらつかないようにすることもできる。

次に、スペクトル検出機能部２５は、位置誤差を測定サンプル数分だけ測定し、スペクトル値を算出する（ステップＳ５，Ｓ６）。この演算は、下記式（３）に示す通りである。

ここで、測定周波数はｆ、そのスペクトル値Ｓ（ｆ）、測定サンプル数Ｎ、サンプル値を時間順につけた番号ｊ、測定位置誤差ｐ（ｊ）、サンプリング周波数ｒとする。

このスペクトル値がスペクトル最大値よりも大きい場合、スペクトル検出機能部２５は、スペクトル最大周波数に現在の測定周波数、スペクトル最大値に現在のスペクトル値を代入する（ステップＳ７のＹＥＳ，Ｓ８〜Ｓ９）。そして、スペクトル検出機能部２５は、測定周波数を変化分だけ増加させ、周波数終了値よりも大きい場合は、振幅位相検出機能の中心周波数にスペクトル最大周波数を代入して、スペクトル検出を終了する（ステップＳ１１のＹＥＳ，Ｓ１２）。

選択機能部２６は、ディスクドライブの電源投入時や位置誤差増加時に、スペクトル検出機能部２５を有効にし、スペクトル検出が終了した時点で、ＦＦ制御システム２の振幅及び位相検出機能部を有効にする。

また、振動を受けていない状態で位置誤差が十分小さい場合には、スペクトル検出機能部２５と、ＦＦ制御システム２の振幅及び位相検出機能部を無効にして、ディスクドライブのＣＰＵ３７の位置決め演算処理を削減する。これにより、ディスクドライブでは、キャッシュメモリ操作など、位置決め演算処理以外の処理効率を向上させて、パフォーマンスが改善できる効果がある。

なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

本発明の実施形態に関するヘッド位置決め制御システムの構成を説明するためのブロック図。 本実施形態に関するディスクドライブの要部を示すブロック図。 本実施形態に関するＦＦ制御システムの乗算部の機能を説明するための図。 本実施形態に関するＦＦ制御システムの除算部の機能を説明するための図。 本実施形態に関するＦＦ制御システムのフィルタ伝達特性を示す図。 本実施形態に関するＦＦ制御システムの入出力信号の時間変化を示す図。 本実施形態に関するＦＦ制御システムの内部信号の特性を示す図。 本実施形態に関する位相検出機能部の内部信号特性を示す図。 本実施形態に関する位相検出機能部の内部信号特性を示す図。 本実施形態に関するヘッド位置誤差の時間変化を示す図。 本実施形態に関するヘッド位置誤差の周波数特性を示す図。 本実施形態に関するＦＦ制御システムによる位置誤差の改善度を示す図。 本実施形態に関する外乱の中心周波数と帯域幅の定義を説明するための図。 他の実施形態に関するヘッド位置決め制御システムの構成を説明するためのブロック図。 他の実施形態の動作を説明するためのフローチャート。

符号の説明

１…フィードバック（ＦＢ）制御システム、
２…フィードフォワード（ＦＦ）制御システム、１０…ＦＢコントローラ、
１１…プラント、１２…閉ループ伝達特性フィルタ、２５…スペクトル検出機能部、
３０…ディスク媒体、３１…ヘッド、３３…ボイスコイルモータ（ＶＣＭ）、
３５…位置検出回路、３６…コントローラ、３７…ＣＰＵ、３９…ＶＣＭドライバ。

Claims (11)

1. ディスク媒体上の目標位置にヘッドを位置決めするためのアクチュエータ機構と、
   フィードバック制御により前記アクチュエータ機構を制御して、前記ディスク媒体上の目標位置に前記ヘッドを位置決め制御するヘッド位置決め制御手段と、
   前記ヘッド位置決め制御手段により算出される前記目標位置に対するヘッドの位置誤差情報を入力し、当該位置誤差情報から狭帯域外乱の振幅及び位相を検出する検出手段と、当該検出結果から前記狭帯域外乱を解消するための制御補償値を算出する手段とを含み、前記ヘッド位置決め制御手段に前記制御補償値を出力するフィードフォワード制御手段と
   を具備したことを特徴とするディスク記憶装置。
2. 前記フィードフォワード制御手段は、
   前記位置誤差情報から狭帯域外乱の振幅値を算出する振幅検出手段と、
   前記位置誤差情報から狭帯域外乱の位相を算出する位相検出手段と、
   前記振幅値と前記位相との積を算出し、当該算出結果を前記制御補償値として出力する手段とを有することを特徴とする請求項１に記載のディスク記憶装置。
3. 前記フィードフォワード制御手段から出力される前記制御補償値を入力とする閉ループ伝達関数フィルタ手段を有し、
   当該閉ループ伝達関数フィルタ手段の出力を、前記位置誤差情報に加算して前記フィードフォワード制御手段に入力するように構成されている請求項１または請求項２のいずれか１項に記載のディスク記憶装置。
4. 前記狭帯域外乱の帯域幅として、当該外乱の中心周波数の３０％程度の範囲内であることを特徴とする請求項１に記載のディスク記憶装置。
5. 前記位置誤差情報から振幅の最大値を示す外乱の周波数帯域を決定する手段を有し、
   前記検出手段は、当該外乱の周波数帯域に基づいて外乱の位相検出処理を実行するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載のディスク記憶装置。
6. 前記位置誤差情報から振幅の最大値を示す外乱の周波数帯域を決定する手段を有し、
   前記位相検出手段は、当該外乱の周波数帯域に基づいて外乱の位相検出処理を実行するように構成されていることを特徴とする請求項２に記載のディスク記憶装置。
7. ディスク媒体上の目標位置にヘッドを位置決めするためのアクチュエータ機構を有するディスク記憶装置に適用するヘッド位置決め制御システムであって、
   フィードバック制御により前記ディスク媒体上の目標位置に前記ヘッドを位置決め制御するフィードバック制御手段と、
   前記フィードバック制御手段により算出される前記目標位置に対するヘッドの位置誤差情報を入力し、当該位置誤差情報から狭帯域外乱の振幅及び位相を検出する検出手段と、当該検出結果から前記狭帯域外乱を解消するための制御補償値を算出する手段とを含み、前記ヘッド位置決め制御手段に前記制御補償値を出力するフィードフォワード制御手段と
   を具備したことを特徴とするヘッド位置決め制御システム。
8. 前記フィードフォワード制御手段は、
   前記位置誤差情報から狭帯域外乱の振幅値を算出する振幅検出手段と、
   前記位置誤差情報から狭帯域外乱の位相を算出する位相検出手段と、
   前記振幅値と前記位相との積を算出し、当該算出結果を前記制御補償値として出力する手段とを有することを特徴とする請求項７に記載のヘッド位置決め制御システム。
9. 前記フィードフォワード制御手段から出力される前記制御補償値を入力とする閉ループ伝達関数フィルタ手段を有し、
   当該閉ループ伝達関数フィルタ手段の出力を、前記位置誤差情報に加算して前記フィードフォワード制御手段に入力するように構成されている請求項７または請求項８のいずれか１項に記載のヘッド位置決め制御システム。
10. 前記位置誤差情報から振幅の最大値を示す外乱の周波数帯域を決定する手段を有し、
    前記検出手段は、当該外乱の周波数帯域に基づいて外乱の位相検出処理を実行するように構成されていることを特徴とする請求項７に記載のヘッド位置決め制御システム。
11. ディスク媒体上の目標位置にヘッドを位置決めするためのアクチュエータ機構を有するディスク記憶装置に適用するヘッド位置決め制御方法であって、
    フィードバック制御により前記ディスク媒体上の目標位置に前記ヘッドを位置決め制御し、
    前記フィードバック制御により算出される前記目標位置に対するヘッドの位置誤差情報を入力し、
    当該位置誤差情報から狭帯域外乱の振幅及び位相を検出し、
    当該検出結果から前記狭帯域外乱を解消するための制御補償値を算出し、
    前記制御補償値を出力することを特徴とするヘッド位置決め制御方法。

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