JP2007220302A - ディスクドライブアクチュエータの滑動モード制御において改良されたチャタリング低減 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明によって提供される滑動モードコントローラは、アクチュエータに接続された音声コイルモータが、磁気媒体に記録された選択されたデータトラックの上方の読出し/書込みヘッドの位置を調整するように作動する。滑動モードコントローラは、このようなコントローラに固有の動作、すなわちゲイン間を迅速に切り替えて観測可能な位相状態を所定の位相状態軌道に従わせる動作に関連するチャタリングを低減させる改良された方法を含む。滑動モードコントローラは、アクチュエータ位置誤差およびアクチュエータ位置誤差速度にそれぞれの切り替えゲインを掛けることによってモータ制御コマンドを生成する。ゲインは、位相状態と位相状態軌道との間の所定の関係σに従って切り替えられる。
【選択図】図1
Description
本出願は、1995年3月7日出願の米国特許出願第08/399,679号の継続出願である、1995年5月10日出願の米国特許出願第08/438,937号の一部継続出願である。
本発明はコンピュータ技術に関する。詳しくは、ディスクドライブの読出し/書込みヘッドアクチュエータの制御に関する。
磁気ディスク格納システムでは、変換ヘッドがデジタルデータを磁気格納媒体の表面に書き込む。デジタルデータは、読出し/書込みヘッドのコイルの電流を変調させ、これにより、対応する磁束変化シーケンスが磁気媒体上の一連の同心円状データトラックに書き込まれる。この記録されたデータを読み出すためには、磁気媒体が再び読出し/書込みヘッドの下を通過するようにし、読出し/書込みヘッドによって磁気変化がアナログ信号のパルスに変換される。次にこれらのパルスは読出しチャネル回路によって復号されデジタルデータが再生される。
C.Denis MeeおよびEric D. Daniel著、Magnetic Recording Volume II: Computer DataStorage、McGraw-Hill, Inc.、1988、64-65頁
本発明においては、スピンモータが読出し/書込みヘッドの下の磁気ディスクを回転させる。磁気ディスクには、サーボ情報を埋め込んだいくつかの同心円状のデータトラックが記録されている。読出し/書込みヘッドに接続される読出しチャネル回路は、デジタルで記録されたデータを復号しサーボデータを状態推定器に転送する。状態推定器はサーボデータを処理してアクチュエータ位置信号を生成し、これを参照アクチュエータ位置から減算してアクチュエータ位置誤差信号を生成する。滑動モードコントローラは、アクチュエータ位置誤差信号に応答して、正および負のフィードバックゲイン間(「バンバン」制御のように正および負の最大値間ではない)で切り替えを行い、これによりモータ制御信号を生成する。モータ制御信号は増幅され、アクチュエータの一方の端部に接続されるVCMに印加される。アクチュエータの他方の端部には読出し/書込みヘッドが取り付けられている。VCMはアクチュエータの動きを制御し、これにより読出し/書込みヘッドを選択トラックの上に位置決めする。
図1は、本発明のディスクドライブ制御システムの概観である。スピンモータ2は、読出し/書込みヘッド6の下のコンピュータデータが記録された磁気ディスク4を回転させる。アクチュエータ8は読出し/書込みヘッド6を選択トラックの上に位置決めし、音声コイルモータ(VCM)10はアクチュエータ8の動きを制御する。読出し/書込みヘッド6からアナログ信号を受け取るように接続された読出しチャネル回路12は、磁気ディスクに記録されたデジタルデータを復号し、サーボ情報を状態推定器14に転送する。状態推定器14はVCM制御システムをモデル化して推定アクチュエータ位置16を生成し、これが加算器20で参照アクチュエータ位置18から減算され、アクチュエータ位置誤差X122が生成される。参照アクチュエータ位置18とは、データが書き込まれるかまたは読み出される予定の選択トラックの位置である。滑動モードコントローラ26は、アクチュエータ位置誤差X122に応答して、加速モータ制御信号U 28を計算し、この信号は増幅器30によって増幅され、VCM10に印加され、これにより読出し/書込みヘッドが選択トラックの上に位置決めされる。状態推定器14はまた、推定アクチュエータ位置16を生成するためにモータ制御信号U28を処理する。
動作の理論
図3Aを参照して、滑動モードコントローラ26の動作を示す。図示する例示的な2次システム44は、大きさは必ずしも同じではない正のゲイン47と負のゲイン48との間で切り替えを行うスイッチ46を有する例示的な滑動モードコントローラ45によって制御される。位置誤差X149は、所望の位置参照コマンド52から被制御システムの推定位置51を減算することによって加算器50から出力される。位置誤差X1 49は、スイッチ46の状態に依存して正のゲイン47または負のゲイン48によって乗算され、加速コマンドU53が被制御システム44への入力として生成される。積分器54の出力は被制御システム44の速度であり、これはまた位置誤差速度の負の値-X255でもある。スイッチ46が正のゲイン47を選択するときは、これは負のフィードバックシステムであり、スイッチ46が負のゲイン48を選択するときは、これは正のフィードバックシステムである。これらの構造のそれぞれではシステムは不安定である。しかし、2つの構造の間で繰り返し切り替えを行うことによってシステムは安定にされ得る。
σ2 = X2- X2I、および (12)
σ3 = X2+ C2・X1
ここで、
X1 = アクチュエータ位置誤差位相状態、
X2 = アクチュエータ位置誤差速度位相状態
C1 = 第1セグメントの傾き
C2 = 第3セグメントの傾き
XI = 最初のアクチュエータ位置誤差、および
X2I = 所定の一定位置誤差速度
第1線形セグメントσ1 72はアクチュエータ8の加速を表し、第2線形セグメントσ2 74はアクチュエータ8の等速度を表し、第3線形セグメントσ376は選択トラックの方向へのアクチュエータ8の減速を表す。
σ2 = X2- X2I (14)
σ3 = -C2・X2 2+ X1 (15)
σ4 = X2+ C3・X1 (16)
ここで、
X1 = アクチュエータ位置誤差位相状態、
X2 = アクチュエータ位置誤差速度位相状態
C1 = 所定の加速定数
X1I = 最初のアクチュエータ位置誤差
X2I = 所定の一定位置誤差速度
C2 = 所定の減速定数、および
C3 = 線形減速セグメントの所定の傾き
放物線減速セグメントσ3 84の傾きは原点付近で急激になりすぎて(すなわち、減速が大きくなりすぎて)滑動モードをサポートすることができないため、線形減速セグメントσ486が必要となる。トラック間シーク距離が十分に短い場合は線形等速セグメントσ2 82は必要ない(すなわち、最初の位置誤差が所定のしきい値より小さい場合は位相状態はσ1から直接σ3に転移する)。
Kv = 粘性減衰係数、および
J = 慣性
モータへの入力90は加速コマンドであり、出力92は速度である。従って、モータ自体が積分器94としてモデル化される。サーボフィールド38、読出しチャネル回路12、および状態推定器14もまた積分器96としてモデル化される。何故なら、VCM10の出力速度92を積分することによりアクチュエータ位置16が生成されるからである。
ハードウェアの説明
図6は、本発明のディスクドライブアクチュエータ滑動モード制御システムの詳細図である。アクチュエータ位置誤差X1 22は滑動モードコントローラ26に入力され、微分器102はアクチュエータ位置誤差X122を微分して、アクチュエータ位置誤差速度信号X2 100を生成する。図示はしないが別の実施態様では、状態推定器14が位置誤差速度X2を生成する。2つの切り替えゲイン回路104および106は、それぞれ位置誤差〜X122および誤差速度〜X2 100制御信号を乗算する。乗算器108および110は、位相状態〜X1およびX2ならびに現在の軌道セグメントσiに応答し、ゲイン回路の切り替え動作を制御する。得られる乗算値の符号によりスイッチの状態が決定され、これにより、位相状態X1およびX2を図4に示す所定の滑動ライン軌道の方向に駆動する。σ処理ブロック112は、位相状態X1およびX2に応答し、軌道セグメント切り替えロジックを具現化し、これにより位相状態が位相状態軌道のセグメントσiのいずれに従うのかを決定する。σ処理ブロック112、積分器116、参照誤差速度発生器114、ならびにマルチプレクサ118、120、および122の動作について以下に詳述する。
図6に示す滑動モードコントローラの動作を、図7A、図7B、および図7Cのフローチャートを参照してさらに説明する。サーボ制御システムは最初は図7Aのトラッキングモード200の状態にあり、アクチュエータ8は、シーク前向きまたはシーク逆向きコマンドを受け取るまで現在選択されているトラックをトラックする204ものと仮定する。前向きシークが開始されると、シーク?206はYESであり、アクチュエータ位置参照POSRef 18が新しく選択されたトラックに更新される。加算器20の出力での最初のアクチュエータ位置誤差X1 22は、状態推定器14から出力された現在のトラック16と新しく選択されたトラックとの間の差である。この最初の位置誤差はまた、図4ではX1Iにおける軌道セグメントσ=σ180の発端として示される。セグメントσ=σ1 80は、選択トラックに向かうアクチュエータの所望の加速を示す放物線の軌道である。
加速の実施態様
本発明の滑動モードコントローラの別の実施態様を図8に示す。滑動モード動作は、等速シークモード(σ=σ2)およびトラッキングモード(σ=σ4)では図6の場合と同じである。しかし、シーク加速(σ=σ1)およびシーク減速(σ=σ3)では、Xvがアクチュエータ速度誤差位相状態、Xαがアクチュエータ加速度位相状態であるとき、状態空間は面(Xv、Xα)内に定義される。
σ2 = X2 - X2I
σ3 = -[Xv - C2・Xα]
σ4 = X2 + C3・X1
ここで、
C1 = 所定の加速定数
X1I = 最初のアクチュエータ位置誤差
X2I = 所定の一定位置誤差速度
C2 = 所定の減速定数、および
C3 = 線形減速セグメントの所定の傾き
σ処理ブロックは、以下の不等式に従って軌道セグメント間の切り替えを行う。
|Vref(k)| < |Vref(k-1)|のとき、σ2からσ3へ
|X1| < 所定のトラック獲得しきい値のとき、σ3からσ4へ、そして
(X1 * Xv < 0)および(|X2|≦ |V2I|)のとき、σ1からσ3へ。
ルックアップテーブル
本発明のσ処理ブロック112は、軌道セグメント間の切り替えではなく、ルックアップテーブルを用いて具現化され得る。上述のように、位相状態軌道σを具現化するために、位相状態をルックアップテーブルへのインデックスとして用いることができる。テーブルのサイズを小さくするために、位相状態軌道は以下の導出に従って再定義される。
ここで、X1Iは、初期アクチュエータ位置誤差、
Accは、所定の加速/減速定数、および
tは時間である。
式(27)のtについて解くと、次の式が得られる。
速度 = -X2 = Acc・tであるため、式(28)のtを置き換えると次の式が得られる。
シーク中は位相状態軌道σは次のように定義される。
ここで、式(29)のX2(Ideal)は理想アクチュエータ速度であり、等式(30)のX2は推定アクチュエータ速度である。等式(29)の理想速度は、1つの位相状態X1をインデックスとするルックアップテーブルを用いて計算することができ、これにより、ルックアップテーブルのサイズおよび滑動モードコントローラの全体的な費用(cost)が削減される。図11は、σ処理ブロック112のルックアップテーブルの具現例を示す。
境界層
本発明の滑動モードコントローラは、位相状態軌道σの周りに境界層を画定することによってチャタリングの低減をさらに向上させる。これを図9に示す。同図は、σにオフセット±εを加算したものとして画定される境界層を有する位相状態軌道σの線形セグメントを示す。境界層は、システムでの切り替え量を減らすことによってチャタリングを低減させる。境界層がない場合は、位相状態が滑動ラインを横断する毎に(すなわち、σが符号を変える毎に)図6の切り替えゲインブロック104および106が切り替わる。境界層により、位相状態が境界ラインを横断した後にのみゲインブロックが切り替わるようにさせるヒステリシスが生じる。
σi = σ+ ε、
切り替えゲインブロック{104、106}がゲイン{ζi、βi}を選択するようにセットされる場合は、
σi = σ- ε である。ここで、
σ = X2 + C・X1、
εは、X1 > X1cおよびX2> X2cのときは定数、
X1 ≦ X1cおよびX2≦ X2cのときは、ε = |X1| + |X2|である。
平滑化関数
本発明の滑動モードコントローラは、sgn(σ)の積分に比例するVCM制御信号Uを生成することによって、チャタリングをさらに良好に低減させる。実際には、制御信号を平滑化して、電磁波放射および/または音波放射を生成し得る高周波成分を減衰する。
sat(x)は、x < -1 のとき -1
-1 ≦ x ≦ 1 のとき x
x > 1 のとき +1 である。
Claims (1)
- 磁気ディスクドライブ格納システムの読出し/書込みヘッドアクチュエータを制御する滑動モードコントローラであって、該アクチュエータに接続されたモータが、磁気媒体に記録された選択されたデータトラックの上方の該読出し/書込みヘッドの位置を調整するように作動する滑動モードコントローラにおいて、
(a)推定アクチュエータ位置と所望のアクチュエータ位置との間の差を示すアクチュエータ位置誤差信号X1を受信するように接続される第1入力と、
(b)該アクチュエータ位置誤差信号X1に応答する第1位相状態信号に、該第1位相状態信号と第1位相状態軌道との間の第1の所定の関係σに従って選択的に第1ゲインまたは第2ゲインを掛け、これにより第1比例位相状態信号を生成する第1切り替えゲインブロックと、
(c)該第1比例位相状態信号に応答する計算された制御信号に、該第1の所定の関係σに応答する位相状態軌道信号を掛け、これにより該モータに与えられるモータ制御信号を生成する乗算器と、
を備えた滑動モードコントローラ。
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