JP2006216063A

JP2006216063A - 低周波外乱補償制御装置とそれを利用したディスクドライブ

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Publication number: JP2006216063A
Application number: JP2006028752A
Authority: JP
Inventors: Sang-Eun Baek; 尚恩白; Sang-Min Suh; 相▲ミン▼ 徐; Jun Seok Shim; 俊錫沈; Chang-Ik Kang; 彰益姜
Original assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 2005-02-04
Filing date: 2006-02-06
Publication date: 2006-08-17
Anticipated expiration: 2026-02-06
Also published as: JP4263727B2; CN100358009C; KR20060089837A; US7292403B2; US20060176605A1; KR100618885B1; CN1815563A

Abstract

【課題】ディスクドライブのサーボ制御装置に係り、特に、ディスクドライブに引き込まれる低周波外乱を効果的に補償するための装置を提供する。
【解決手段】ディスクドライブのサーボ制御装置において、ヘッドの動きを制御する制御入力及び位置エラー信号を入力して、所定の状態方程式を利用して位置予測誤差を算出する状態変数予測器、外乱と位置予測誤差との数学的な関係を利用して、位置予測誤差から外乱推定値を算出する推定フィルタ、及び制御入力から前記外乱推定値を減算する減算器を備えることを特徴とする低周波外乱補償制御装置である。
【選択図】図３

Description

本発明は、ディスクドライブのサーボ制御装置に係り、特に、ディスクドライブに引き込まれる低周波外乱を効果的に補償するための装置に関する。

一般的に、データ保存装置の一つであるハードディスクドライブは、磁気ヘッドによりディスクに／からデータを記録／再生することによりコンピュータシステム運営に寄与する。このようなハードディスクドライブは、次第に高容量化、高密度化及び小型化されつつ、ディスクの回転方向の記録密度であるＢＰＩ（ＢｉｔＰｅｒＩｎｃｈ）と半径方向の記録密度であるＴＰＩ（ＴｒａｃｋＰｅｒＩｎｃｈ）が増大しつつあるので、それにより更に精巧なメカニズムが要求される。

ハードディスクドライブでトラック追従制御の目的は、ヘッドを目的トラックの真中に位置させるところにある。ところが、多様な外乱によってトラックの追従制御誤差が発生する。特に、携帯用ドライブであるマイクロドライブの場合、常に低周波振動及び衝撃に曝されている。

図１に示すように、従来の技術によるディスクドライブのサーボ制御システムは、ＲＲＯ補償器１１０、状態推定器１２０、状態帰還制御器１３０Ａ、１３０Ｂ、合算器１４０Ａ、１４０Ｂ及びボイスコイルモーター（ＶｏｉｃｅＣｏｉｌＭｏｔｏｒ：ＶＣＭ）ドライバ＆アクチュエータ１５０から構成される。

一般的に、ＲＲＯ補償器１１０、状態推定器１２０、状態帰還制御器１３０Ａ、１３０Ｂ及び合算器１４０Ａ、１４０Ｂから構成された回路ブロックをトラック追従制御回路１０００と称し、本発明では、−Ｃ（ｚ）の伝達関数を有すると表示した。

そして、図１に示す合算器１６０Ａ、１６０Ｂは、ディスクドライブのヘッドディスクアセンブリに外乱ｄ及びディスクランアウトが発生することを等価的に表示したものである。

状態推定器１２０は、位置エラー信号（ＰｏｓｉｔｉｏｎＥｒｒｏｒＳｉｇｎａｌ：ＰＥＳ）と制御入力から位置、速度及びバイアス値を推定する機能を行う。ＲＲＯ補償器１１０は、ディスクの偏心によって発生するＲＲＯ外乱ｘ_{ＲＵＮＯＵＴ}を補償する機能を行う。状態帰還制御器１３０Ａ、１３０Ｂは、それぞれの位置、速度及びバイアス推定値を組み合わせ・演算して制御入力信号を計算し、それをＶＣＭドライバ＆アクチュエータ１５０に印加する。推定値のうち、バイアス推定値が制御回路で積分器の機能に利用されて、システムに引き込まれた外乱ｄ成分のうち低周波外乱を補償する。しかし、低周波外乱補償性能を向上させるために積分器利得を増加させる場合、制御システムの安定性が低下するという問題が発生する。

本発明が達成しようとする技術的課題は、前記問題点を解決するために、ディスクドライブに引き込まれる外乱のうち、低周波外乱成分を精密に推定して補償するための低周波外乱補償制御装置とそれを利用したディスクドライブを提供するところにある。

前記技術的課題を達成するために、本発明による低周波外乱補償制御装置は、ディスクドライブのサーボ制御装置において、ヘッドの動きを制御する制御入力及び位置エラー信号を入力して、所定の状態方程式を利用して位置予測誤差を算出する状態変数予測器、外乱と位置予測誤差との数学的な関係を利用して、前記位置予測誤差から外乱推定値を算出する推定フィルタ、及び前記制御入力から前記外乱推定値を減算する減算器を備えることを特徴とする。

前記他の技術的課題を達成するために、本発明によるディスクドライブは、データ保存システムにおいて、位置エラー信号からヘッドの位置、速度及びバイアス値を含むヘッド動きの状態情報値を推定し、前記推定された状態情報値に基づいて、所定の状態帰還制御プロセスによってトラック追従制御入力を生成させるトラック追従制御回路、前記トラック追従制御入力及び前記位置エラー信号から位置予測誤差を算出し、外乱と位置予測誤差との数学的な関係を利用して設計された伝達関数によって、前記位置予測誤差から外乱推定値を生成させる外乱観測器、前記トラック追従制御入力から前記外乱推定値を減算する減算器、及び前記減算器の出力に相応する駆動電流を生成させてヘッドをトラック上で移動させ、前記ヘッドの移動によって位置エラー信号を生成させるＶＣＭドライバ＆アクチュエータを備えることを特徴とする。

本発明によれば、ディスクドライブに引き込まれる外乱を正確に推定して補償するようにサーボ制御システムを制御することにより、ディスクドライブのトラック追従性能を向上させる効果が発生し、特に、携帯用機器に装着されるディスクドライブに本発明を適用する場合に、振動による低周波外乱を効果的に補償できる。

以下、添付した図面を参照して、本発明を詳細に説明する。

ディスクドライブは、機構的な部品から構成されたＨＤＡ（ＨｅａｄＤｉｓｋＡｓｓｅｍｂｌｙ）と電気回路との結合により形成される。

図２は、本発明が適用されるディスクドライブのＨＤＡ１０の構成を示す。ＨＤＡ１０は、スピンドルモーター１４によって回転される少なくとも一つの以上の磁気ディスク１２を備えている。ＨＤＡ１０は、ディスクの表面に隣接して位置した変換器（図示せず）をさらに備えている。

変換器は、それぞれのディスク１２の磁界を感知及び磁化させることにより、回転するディスク１２に／から情報を記録／再生できる。典型的に変換器は、各ディスクの表面に結合されている。単一の変換器として説明されているが、これはディスク１２を磁化させるための記録用の変換器と、ディスク１２の磁界を感知するための分離された再生用の変換器とからなっていると理解されねばならない。再生用の変換器は、磁気抵抗（Ｍａｇｎｅｔｏ−Ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ：ＭＲ）素子から構成される。

変換器は、ヘッド１６に統合されうる。ヘッド１６は、変換器とディスクの表面との間に空気軸受を生成させる構造になっている。ヘッド１６は、ヘッドスタックアセンブリ（ＨｅａｄＳｔａｃｋＡｓｓｅｍｂｌｙ；ＨＳＡ）２２に統合されている。ＨＳＡ２２は、ボイスコイル２６を有するアクチュエータアーム２４に付着されている。ボイスコイル２６は、ＶＣＭ３０を特定するマグネチックアセンブリ２８に隣接して位置している。ボイスコイル２６に供給される電流は、軸受アセンブリ３２に対してアクチュエータアーム２４を回転させるトルクを発生させる。アクチュエータアーム２４の回転は、ディスクの表面を横切って変換器を移動させる。

情報は、典型的にディスク１２の環状トラック内に保存される。各トラック３４は、一般的に複数のセクターを備えている。各セクターは、データフィールド及び識別フィールドを備えている。識別フィールドは、セクター及びトラック（シリンダー）を識別するグレーコードを備えている。変換器は、他のトラックにある情報を再生または記録するためにディスクの表面を横切って移動する。

図３に示すように、本発明による低周波外乱補償制御装置が適用されるディスクドライブのサーボ制御システムは、トラック追従制御回路１０００、ＶＣＭドライバ＆アクチュエータ１５０、状態変数予測器２１０、推定フィルタ２２０及び減算器２３０を備える。

前記の構成手段のうち、状態変数予測器２１０及び推定フィルタ２２０を備える回路ブロックを外乱観測器２０００と称する。

そして、合算器１６０Ａ、１６０Ｂは、ディスクドライブのヘッドディスクアセンブリに外乱ｄ及びディスクランアウトが発生することを等価的に表示したものである。

トラック追従制御回路１０００は、図１に示す従来の技術と同じ構成を有する。したがって、本発明は、従来の技術によるサーボ制御システムに外乱観測器２０００及び減算器２３０が追加されたものである。

状態変数予測器２１０は、制御入力ｕ及び位置エラー信号ｘ_ＰＥＳを利用して位置及び速度信号を予測し、位置予測誤差
を生成させる機能を行い、数式２のように表現される。

推定フィルタ２２０は、位置予測誤差を利用して外乱値を推定して補償する役割を行う。

振動外乱ｄがディスクドライブに引き込まれる場合、位置予測誤差に外乱値が反映されて示される。したがって、位置予測誤差を適切に設計された推定フィルタ２２０に通過させれば、外乱値を推定できる。

これにより、優れた性能を有する外乱観測器２０００の設計のために、外乱と位置予測誤差との間の数学的な関係の誘導及び適切な推定フィルタ２２０の設計が必要である。下記で詳細に説明するが、最も好ましい推定フィルタＨ_ＥＳＴ（ｚ）は、低域通過フィルタの伝達関数Ｈ_ＬＰＦ（ｚ）を最小位相システムの伝達関数Ｈ_ＭＩＮ（ｚ）で割った形態であって、数式３のように表現される。

次いで、外乱と位置予測誤差との間の数学的関係の誘導及び推定フィルタ２２０の設計方法について詳細に説明する。

数式２で表現される状態変数予測器２１０を構成する２個の式を統合すれば、数式４のように表現される。

数式４を利用して図３を図４のように等価変形させうる。また、行列理論及び線形システム理論を利用すれば、数式５のように表現できる。

そして、数式５を利用して図４を図５のように等価変形させうる。図５を利用すれば、外乱によって発生する位置予測誤差を数式６で表現できる。

本発明では、設計しようとする推定フィルタ２２０を数式７のように選択する。

数式７のように推定フィルタを選択すれば、数式８によって正確な外乱推定値を得ることができる。

ところが、Ｈ_ＩＮＶ（ｚ）は、非因果システムであるため、実際の具現が不可能である。したがって、数式９のように与えられる低域通過フィルタを追加する。

数式９のような特性を有する低域通過フィルタを追加して推定フィルタ２２０を設計すれば、数式１０のように表現される。

それにより、外乱推定値は、実際の外乱を低域通過フィルタに通過させた結果であり、数式１１のように表現される。

一般的に、ＶＣＭドライバ＆アクチュエータから構成されるＶＣＭ駆動システムＰ（ｚ）は、制御遅延時間のために不安定な０点が存在する非最小位相システムとなる。そして、
の０点は、Ｐ（ｚ）の０点と一致するため、Ｈ_ＩＮＶ（ｚ）が不安定なシステムとなる問題がある。

このような問題を克服するために、非最小位相システム
を最小位相システム伝達関数と全域通過フィルタ伝達関数との積で数式１４のように設計する。

例えば、非最小位相システム
が数式１６のように表現されるとしよう。

数式１６で２個の０点中、不安定な０点が
である場合に、最小位相システムＨ_ＭＩＮ（ｚ）と全域通過システムＨ_ＡＰ（ｚ）とはそれぞれ数式１８のように表現される。

これにより、推定フィルタ２２０を数式１９のように設計すれば、因果システムでありつつ、安定したシステムとなり、実際に具現可能となる。

この場合に、外乱推定値は、数式２０に表現されたように、実際外乱値を低域通過フィルタ及び全域通過フィルタを通過させた結果となることが分かる。

本発明を適用した時の性能を調べるために、図４で開ループ伝達関数は数式２１の通りである。

数式２１を利用して外乱と位置エラー信号ｘ_ＰＥＳとの間の伝達関数を求めれば、数式２２の通りである。

また、ディスクランアウトｘ_{ｒｕｎｏｕｔ}と位置エラー信号ｘ_ＰＥＳとの間の伝達関数を求めれば、数式２３の通りである。

本発明で提示した振動補償システムの性能を例証するために、実験結果を次のように提示する。

トラック密度、トラック幅、ディスクの回転速度がそれぞれ１３０,０００ＴＰＩ、０.１９μｍ、７２００ｒｐｍであるデスクトップドライブを実験に使用した。使用されたＶＣＭ駆動システムの伝達関数を求めれば、数式２４の通りである。

数式２４に表現されたように、不安定な０点（−５.２４８）を有する非最小位相システムとなる。状態変数予測器の利得は、Ｌ＝［０.４３７５０.１１２９０］に設定し、外乱と位置予測誤差との間の伝達関数
を計算すれば、数式２６の通りである。

したがって、推定フィルタ設計のための最小位相システム及び全域通過フィルタは、数式２７のように選択される。

そして、一例として、α＝０.９と選択すれば、低域通過フィルタは、数式２８のように表現される。

これにより、推定フィルタは、数式２９のように設計される。

まず、数式２１に提示された開ループ周波数特性の計算結果を図６に提示した。そして、外乱と位置エラー信号との間の利得特性を図７に示した。したがって、外乱観測器を使用すれば、外乱の影響を大きく減らしうることが分かる。例えば、１０Ｈｚで３０ｄＢ以上外乱の影響を減らしうるということが図６及び図７から分かる。そして、ディスクランアウト（Ｒｕｎｏｕｔ）と位置エラー信号との間の利得特性を図８に示した。外乱観測器を使用すれば、ディスクランアウトの影響も大きく減らし得ることが図８から分かる。

次いで、正弦波形態の振動外乱をシステムに注入して、外乱推定性能及び位置エラー信号性能の測定結果を提示する。周波数がそれぞれ５Ｈｚ、１０Ｈｚ、５０Ｈｚ、１００Ｈｚ、２００Ｈｚ、４００Ｈｚであり、振幅がそれぞれ１０２ｍＡ、５２.５ｍＡ、６.４ｍＡ、３.８ｍＡ、２.６ｍＡ、２ｍＡである正弦波外乱注入時の性能をそれぞれ図９、図１０、図１１、図１２、図１３、図１４に提示した。図９及び図１０から外乱周波数が５Ｈｚ及び１０Ｈｚである場合に、本発明に係る外乱観測器はほぼ完壁な外乱補償性能を示しているということが分かる。そして、図１１ないし図１４から低周波外乱である場合に、補償性能に優れており、周波数が高くなるにつれ、補償性能が低下するということが分かる。

結論的に、実験結果から本発明で提示した外乱補償器は、４００Ｈｚ以下の外乱補償に非常に効果的に使用されうる。

添付された図面に示されて説明された特定の実施例は、単に、本発明の例として理解され、本発明の範囲を限定するものではなく、当業界で本発明に記述された技術的思想の範囲でも多様な他の変更が発生しうるため、本発明が既に示され又は記述された特定の構成及び配列に制限されないことは明らかである。

本発明は、ハードディスクドライブを含む各種ディスクドライブに関連した技術分野に好適に適用され得る。

従来の技術によるディスクドライブのサーボ制御システムの構成図である。本発明が適用されるディスクドライブのヘッドディスクアセンブリの平面図である。本発明による低周波外乱補償制御装置を備えるディスクドライブのサーボ制御システムの構成図である。図３を変形した等価回路図である。図４を変形した等価回路図である。外乱観測器の適用如何によるサーボ制御システムの開ループ周波数特性の変化を示す図面である。外乱観測器の適用如何による外乱と位置エラー信号との間の利得特性を示す図面である。外乱観測器の適用如何によるディスクのランアウトと位置エラー信号との間の利得特性の変化を示す図面である。本発明による低周波外乱補償制御装置を適用したサーボ制御システムに５Ｈｚの外乱注入時の外乱推定性能を示す図面である。本発明による低周波外乱補償制御装置を適用したサーボ制御システムに５Ｈｚの外乱注入時の位置エラー信号を示す図面である。本発明による低周波外乱補償制御装置を適用したサーボ制御システムに１０Ｈｚの外乱注入時の外乱推定性能を示す図面である。本発明による低周波外乱補償制御装置を適用したサーボ制御システムに１０Ｈｚの外乱注入時の位置エラー信号を示す図面である。本発明による低周波外乱補償制御装置を適用したサーボ制御システムに５０Ｈｚの外乱注入時の外乱推定性能を示す図面である。本発明による低周波外乱補償制御装置を適用したサーボ制御システムに５０Ｈｚの外乱注入時の位置エラー信号を示す図面である。本発明による低周波外乱補償制御装置を適用したサーボ制御システムに１００Ｈｚの外乱注入時の外乱推定性能を示す図面である。本発明による低周波外乱補償制御装置を適用したサーボ制御システムに１００Ｈｚの外乱注入時の位置エラー信号を示す図面である。本発明による低周波外乱補償制御装置を適用したサーボ制御システムに２００Ｈｚの外乱注入時の外乱推定性能を示す図面である。本発明による低周波外乱補償制御装置を適用したサーボ制御システムに２００Ｈｚの外乱注入時の位置エラー信号を示す図面である。本発明による低周波外乱補償制御装置を適用したサーボ制御システムに４００Ｈｚの外乱注入時の外乱推定性能を示す図面である。本発明による低周波外乱補償制御装置を適用したサーボ制御システムに４００Ｈｚの外乱注入時の位置エラー信号を示す図面である。

符号の説明

１０００トラック追従制御回路
１５０ＶＣＭドライバ＆アクチュエータ
２１０状態変数予測器
２２０推定フィルタ
２３０減算器
２０００回路ブロックを外乱観測器
１６０Ａ、１６０Ｂ合算器
ｕ制御入力
ｘ_ＰＥＳ位置エラー信号
ｄ外乱

Claims

ディスクドライブのサーボ制御装置において、
ヘッドの動きを制御する制御入力及び位置エラー信号を入力して、所定の状態方程式を利用して位置予測誤差を算出する状態変数予測器と、
外乱と位置予測誤差との数学的な関係を利用して、前記位置予測誤差から外乱推定値を算出する推定フィルタと、
前記制御入力から前記外乱推定値を減算する減算器と、を備えることを特徴とする低周波外乱補償制御装置。
前記所定の状態方程式は、
を含むことを特徴とする請求項１に記載の低周波外乱補償制御装置。
前記推定フィルタＨ_ＥＳＴ（ｚ）は、次の数式、
（ここで、Ｈ_ＬＰＦ（ｚ）は、低域通過フィルタであり、Ｈ_ＭＩＮ（ｚ）は、最小位相システムである）
で設計されることを特徴とする請求項１に記載の低周波外乱補償制御装置。
前記推定フィルタＨ_ＥＳＴ（ｚ）は、外乱と前記位置予測誤差との間の伝達関数である非最小位相システム
を、最小位相システムＨ_ＭＩＮ（ｚ）と全域通過フィルタＨ_ＡＰ（ｚ）との積として区分し、所定の低域通過フィルタＨ_ＬＰＦ（ｚ）を前記最小位相システムＨ_ＭＩＮ（ｚ）で割った形態の伝達関数を有することを特徴とする請求項１に記載の低周波外乱補償制御装置。
前記推定フィルタＨ_ＥＳＴ（ｚ）は、
として設定されることを特徴とする請求項４に記載の低周波外乱補償制御装置。
データ保存システムにおいて、
位置エラー信号からヘッドの位置、速度及びバイアス値を含むヘッドの動きの状態情報値を推定し、前記推定された状態情報値に基づいて所定の状態帰還制御プロセスによってトラック追従制御入力を生成させるトラック追従制御回路と、
前記トラック追従制御入力及び前記位置エラー信号から位置予測誤差を算出し、外乱と位置予測誤差との数学的な関係を利用して設計された伝達関数によって、前記位置予測誤差から外乱推定値を生成させる外乱観測器と、
前記トラック追従制御入力から前記外乱推定値を減算する減算器と、
前記減算器の出力に相応する駆動電流を生成させてヘッドをトラック上で移動させ、前記ヘッドの移動によって位置エラー信号を生成させるボイスコイルモータードライバ＆アクチュエータと、を備えることを特徴とするディスクドライブ。
前記外乱観測器は、
制御入力及び位置エラー信号を入力して、所定の状態方程式を利用して位置予測誤差を算出する状態変数予測器と、
外乱と位置予測誤差との数学的な関係を利用して、前記位置予測誤差から外乱補償のための外乱推定値を算出する推定フィルタと、を備えることを特徴とする請求項６に記載のディスクドライブ。
前記所定の状態方程式は、
を含むことを特徴とする請求項７に記載のディスクドライブ。
前記推定フィルタＨ_ＥＳＴ（ｚ）は、次の数式、
（ここで、Ｈ_ＬＰＦ（ｚ）は、低域通過フィルタであり、Ｈ_ＭＩＮ（ｚ）は、最小位相システムである）
で設計されることを特徴とする請求項６に記載のディスクドライブ。
前記推定フィルタＨ_ＥＳＴ（ｚ）は、外乱と前記位置予測誤差との間の伝達関数である非最小位相システムを、最小位相システムＨ_ＭＩＮ（ｚ）と全域通過フィルタＨ_ＡＰ（ｚ）との積として区分し、所定の低域通過フィルタＨ_ＬＰＦ（ｚ）を前記最小位相システムＨ_ＭＩＮ（ｚ）で割った形態の伝達関数を有することを特徴とする請求項６に記載のディスクドライブ。
前記推定フィルタＨ_ＥＳＴ（ｚ）は、
として設定されることを特徴とする請求項６に記載のディスクドライブ。