JP2007305233A - 磁気ディスク装置およびヘッド位置決め制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】目標速度に対するモデル速度の追従性を向上させることができるともに、制御指令の加速から減速への切替えを滑らかにして機械共振の励起を抑制すること。
【解決手段】磁気ディスク装置において、ヘッド位置決め制御系に、ヘッドの目標位置と前記ヘッドの実際の位置の誤差に基づいてフィードバック制御を行う位置誤差フィードバック制御系２６０と、予め定められた制御数式モデルによって、制御指令ｕと位置誤差フィードバック制御系２６０に対して目標位置の指令として出力するモデル位置とヘッドの目標速度に追従させるためのモデル速度とを求める制御系であってヘッドの目標位置を入力して、モデル位置から目標位置までの残り距離に対応する目標速度の微分値に基づいて制御指令ｕとモデル位置を求めるモデル制御系２５０と、を備えた。
【選択図】 図２

Description

本発明は、ヘッドを磁気ディスク上の目標位置に位置決め制御する機構を備えた磁気ディスク装置およびヘッド位置決め制御方法に関する。

従来から、磁気ディスク装置のヘッド位置決め制御系においてはマイクロコンピュータを用いたディジタル制御系が構成されることが一般的であり、離散的に得られたヘッドの位置情報からマイクロプロセッサ内部で制御指令を計算し、Ｄ／Ａコンバータを介してアクチュエータの駆動ドライブに制御指令を与えている。

一般的にアクチュエータは、高周波帯域に機械共振を有しているので、ヘッドを高速、低振動かつ低騒音で磁気ディスク上の目標位置に移動させるためには、機械共振を励起しないフィードフォワード制御入力を生成することが非常に重要となってくる。このため、ヘッドを短距離だけ高速で移動させるためには、機械共振を励起しないようなアクチュエータへのフィードフォワード制御入力とフィードバック制御系への目標位置指令を最適化手法を用いて予め計算してメモリ等にテーブルとして保持しておき、ヘッドの位置決めの際に、このテーブルを参照してアクチュエータへのフィードフォワード制御入力とフィードバック制御系への目標位置指令を決定する手法が考えられる。

しかしながら、このようなヘッド位置決め制御の手法では、全シーク距離に対してアクチュエータへのフィードフォワード制御入力とフィードバック制御系への目標位置指令をテーブルに保持することが必要となり、マイクロプロセッサのメモリ容量の制限から実現が不可能である。

このため、長距離のシークの場合、アクチュエータへのフィードフォワード制御入力と目標位置指令を逐次計算して求めることが必要となる。例えば、位置決め制御系の内部にアクチュエータのモデル制御系を保持し、モデル速度を目標速度曲線に追従させることにより、モデル制御系への制御指令とモデル位置をアクチュエータへのフィードフォワード制御入力と目標位置指令としてフィードバック制御系に出力する技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開平９−７３６１８号公報

このような従来技術では、モデル制御系への制御指令とモデル位置をアクチュエータへのフィードフォワード制御入力と目標位置指令としてフィードバック制御系に出力しており、短距離のシーク動作の場合のように、アクチュエータへのフィードフォワード制御入力と目標位置指令を最適化手法などを用いて予め用いることができない。このため、モデル速度を目標速度曲線へ追従させる制御系の構成が非常に重要になってくる。

しかしながら、このような従来技術では、例えば、特許文献１の段落００４４に開示されているように、「補償要素３５は差分要素３４の速度誤差に定数値Ｋのゲインを掛ける要素である」と記載されているように、モデル速度を目標速度に追従させることから単純な速度フィードバック制御系しか構成されていない。

このため、目標速度を高速にした場合にモデル速度が追従しきれなくなり、モデル位置がオーバーシュートを起こしてしまうという問題がある。

また、モデル速度の目標速度への追従性を向上させるために速度フィードバックゲインを高い値に設定することも考えられる。しかしながら、この場合には、モデル速度が目標速度に到達した時点で急速に減速に切り替わり、加速から減速への切り替えが急峻なフィードフォワード制御指令がアクチュエータに与えられてしまい、その結果、機械共振の励起を抑制することができないという問題がある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、ヘッドの磁気ディスク上の目標位置へのシーク制御時において、目標速度に対するモデル速度の追従性を向上させることができるともに、制御指令の加速から減速への切替えを滑らかにして機械共振の励起を抑制することができる磁気ディスク装置およびヘッド位置決め制御方法を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、データの記録が可能な磁気ディスクと、磁気ディスクに対してデータの記録再生を行うヘッドと、前記ヘッドを前記磁気ディスクの径方向に移動させるヘッド駆動手段と、前記ヘッド駆動手段に対して制御指令を与え、前記ヘッドを前記磁気ディスク上の目標位置に位置決め制御する位置決め制御手段と、を備え、前記位置決め制御手段は、前記ヘッドの目標位置と前記ヘッドの実際の位置の誤差に基づいてフィードバック制御を行う位置誤差フィードバック制御手段と、予め定められた制御数式モデルによって、前記制御指令と、前記位置誤差フィードバック制御手段に対して前記目標位置の指令として出力するモデル位置と、前記ヘッドの目標速度に追従させるためのモデル速度とを求める制御系であって、前記ヘッドの目標位置を入力して、前記モデル位置から前記目標位置までの残り距離に対応する前記目標速度の微分値に基づいて前記制御指令と前記モデル位置を求めるモデル制御手段と、を備えたことを特徴とする磁気ディスク装置である。

また、本発明は、位置誤差フィードバック制御手段によって、磁気ディスクに対してデータの記録再生を行うヘッドの目標位置と前記ヘッドの実際の位置の誤差に基づいてフィードバック制御を行って、前記ヘッドを磁気ディスク上の目標位置に位置決め制御する工程と、予め定められた制御数式モデルによって、前記ヘッドを磁気ディスクの径方向に移動させるヘッド駆動手段に対して与える制御指令と、前記位置誤差フィードバック制御手段に対して前記目標位置の指令として出力するモデル位置と、前記ヘッドの目標速度に追従させるためのモデル速度とを求める工程であって、前記ヘッドの目標位置を入力して、前記モデル位置から前記目標位置までの残り距離に対応する前記目標速度の微分値に基づいて前記制御指令と前記モデル位置を求める工程と、を含むことを特徴とするヘッド位置決め制御方法である。

本発明によれば、ヘッドの磁気ディスク上の目標位置へのシーク制御時において、目標速度に対するモデル速度の追従性を向上させることができるともに、制御指令の加速から減速への切替えを滑らかにして機械共振の励起を抑制することができるという効果を奏する。

以下に添付図面を参照して、この発明にかかる磁気ディスク装置およびヘッド位置決め制御方法の最良な実施の形態を詳細に説明する。以下の実施の形態は、本発明の磁気ディスク装置を、ハードディスクドライブ装置（ＨＤＤ）に適用したものである。

（実施の形態１）
図１は、実施の形態１にかかるハードディスクドライブ装置の構成を示すブロック図である。本実施の形態にかかるハードディスクドライブ装置（ＨＤＤ）は、ハードディスク（ＨＤ）１１４と、磁気ヘッド１１１、アーム１１２、ボイスコイルモータ（ＶＣＭ）１１３などの機構を備えたアクチュエータ１３０と、ハードディスクドライブ装置内部のプリント基板上にヘッド位置決め制御機構を有する制御回路として設けられたＨＤＤ制御部１４０とを備えた構成となっている。

ＨＤ１１４は、一枚または複数枚設けられており、スピンドルモータにより高速回転している。ＨＤ１１４上には同心円状に複数のトラックが形成されており、所定間隔ごとにサーボエリア１２０が設けられている。サーボエリア１２０にはトラックの位置情報が予め埋め込まれており、各サーボエリア１２０間にはユーザデータを記録するためのデータセクタが設けられている。

アクチュエータ１３０では、図１に示すように、ヘッド１１１がアーム１１２に保持されている。ヘッド１１１は、サーボエリア１２０からトラックの位置情報を読み出し、またデータセクタからユーザデータを読み出す。アーム１１２は、ボイスコイルモータ（ＶＣＭ）１１３の駆動力により回転運動を行い、ヘッド１１１をＨＤ１１４の半径方向に移動させる。ＶＣＭ１１３は、マグネット１１５と駆動コイル１１６とからなり、パワーアンプ１１７から供給される駆動電流により駆動する。

ＨＤＤ制御部１４０は、図１に示すように、マイクロプロセッサ（ＭＰＵ）１１８を主要構成要素として、サーボデータ処理回路１２２、ヘッドアンプ１２１、パワーアンプ１１７を備えている。

ヘッドアンプ１２１は、ヘッド１１１から読み出されたトラックの位置情報またはユーザデータに相当するリード信号を増幅してＭＰＵ１１８に出力するものである。

ＭＰＵ１１８は、Ｄ／Ａコンバータ１１９と、Ｉ／Ｏポート１２３とを有するマイクロプロセッサであり、本実施の形態におけるヘッド位置決め制御系の各種演算処理を実行し、ＶＣＭ１１３に与える制御指令を生成するものである。

パワーアンプ１１７は、パワーアンプ１１７は、ＭＰＵ１１８からの制御指令を駆動電流に変換してＶＣＭ１１３に供給するものである。

ヘッド１１１がサーボエリア１２０を走査することにより、ヘッド１１１からの信号をヘッドアンプ１２１で取り込み、リード信号を増幅してサーボデータ処理回路１２２に信号が供給される。サーボデータ処理回路１２２は、増幅されたリード信号からサーボ情報を生成し一定時間間隔でＭＰＵ１１８に出力する。ＭＰＵ１１８は、Ｉ／Ｏポート１２３から取り込んだサーボ情報からヘッド位置を算出し、得られたヘッド位置からＶＣＭ１１３に与える制御指令（フィードフォワード制御指令ｕ）を一定時間間隔で計算する。ＭＰＵ１１８は、計算された制御指令をＤ／Ａコンバータ１１９によりアナログ信号に変換してパワーアンプ１１７に与える。パワーアンプ１１７は、ＭＰＵ１１８からの制御指令を駆動電流に変換してＶＣＭ１１３に供給し、これにより、ＶＣＭ１１３が駆動して、ヘッド１１１が制御指令に従ってＨＤ１１４の半径方向に移動する。

次に、ＭＰＵ１１８が実現するヘッド位置決め制御系について説明する。本実施の形態のヘッド位置決め制御系では、ヘッド１１１を現在位置から目標位置まで移動（シーク）させるシーク制御を行っている。ここで、目標位置とは、ＨＤ１１４のアクセスがセクタ単位の方式であれば、そのセクタを含む目標トラック（シリンダ）である。

図２は、実施の形態１にかかるヘッド位置決め制御系の制御ブロック図である。本実施の形態にかかるヘッド位置決め制御系は、モデル側制御系２５０と位置誤差フィードバック制御系(C(z))２６０の２つの制御ループを有している。

位置誤差フィードバック制御系２６０は、ヘッド１１の目標位置とヘッド１１１の実際の位置の誤差に基づいてフィードバック制御を行う制御ループである。

モデル側制御系２５０は、予め定められた制御数式モデルによって、ＶＣＭ１１３へ与えるフィーフォフォワード制御指令ｕと、位置誤差フィードバック制御系２６０に対して目標位置指令として出力するモデル位置と、モデル速度とを生成してヘッド１１１の目標速度に追従させるための制御ループである。

シーク性能を向上させるには、滑らかなフィードフォワード制御指令をＶＣＭ１１３に与えることが重要となってくる。このため、モデル側制御系２５０は、アップサンプラ２６１およびダウンサンプラ２６２によって位置誤差フィードバック制御系２６０のｎ倍のサンプリング周期で計算される。

位置誤差フィードバック制御系２６０は、シーク時においてはオブザーバモードと２自由度制御モードを有している。シーク動作前半では、スイッチをモデル側制御系２５０に接続してオブザーバモードに切替え、フィードバック制御器（Ｃ（z））２１０の出力をモデル側制御系２５０の入力端に加え、モデルの状態(モデル位置とモデル速度)がアクチュエータ１３０の動きに近くなるように制御している。そして、シーク動作後半では、スイッチをＶＣＭ１１３側に接続して２自由度制御モードに切り替え、フィードバック制御器（Ｃ（z））２１０の出力をＶＣＭ１１３に入力している。このように制御することにより、シーク時の電流飽和の影響と位置検出誤差の影響を小さくしている。ここで、ＺＯＨ２０８はゼロ次ホールド装置であり、サンプリングされたフィードバック制御器（Ｃ（z））２１０の出力信号を連続時間信号に変換して、ＶＣＭ１１３に出力する。

図２８は、比較例のヘッド位置決め制御系の制御ブロック図である。比較例のヘッド位置決め制御系では、図２と同様の位置誤差フィードバック制御系２６０を備えている。モデル側制御系２８５０に関しては、加速時の電流飽和があることから、目標速度とモデル速度の速度誤差に対して定数ゲインフィードバックβが施されている。ここで、目標速度テーブルは、目標位置とモデル位置との差、すなわち目標位置までのモデル位置からの距離（残り距離）に対する目標速度の関係を目標速度曲線として予め対応づけたテーブルである。

比較例のヘッド位置決め制御系において、シーク速度を速くするために目標速度を速くしていくと、定数ゲインフィードバック制御では追従出来なくなり目標位置がオーバーシュートを起こしてしまう。モデル速度の目標速度との誤差を小さくするには速度の定数フィードバックゲインβを大きくする必要があるが、定数フィードバックゲインβを大きくするとモデル速度が目標速度へ到達すると直ぐに減速状態となるために、モデルへの制御指令（アクチュエータへのフィードフォワード制御）の加速から減速への変化が急峻になってしまう。このような急峻に変化するフィードフォワード制御指令はアクチュエータの機械共振を励起してしまい、シーク終了時の残留振動やシーク時騒音の原因となってしまう。このため、本実施の形態では、モデル側制御系２５０において、目標速度への追従性を犠牲にすることなく、制御指令の加速から減速への変化が緩やになる速度制御系を構成してる。

本実施の形態にかかるヘッド位置決め制御系におけるモデル側制御系２５０の原理について説明する。

まず、モデルの状態方程式を（１）式で示す。ここで、ｘ₁はモデル位置の目標位置までの距離（残り距離）を示し、ｘ₂はモデル速度を示す。

ここで、目標速度曲線をｆ（ｘ₁）で示すと、速度誤差σは（２）式で表される。

モデル速度が目標速度に追従している場合には、速度誤差σ＝０であるため、（３）式が成立する。

（１）式に（３）式を代入すると（４）式が成立する。

アクチュエータは２次系と機械共振で表されるので、モデルとして完全２重積分を選ぶと（１）式の各パラメータは（５）式のようになる。

（５）式のパラメータを（４）式に代入して計算すると、目標速度に追従するために必要な制御入力ｕは（６）式で表される。

ここで、（６）式の物理的意味を考える。（６）式は（７）式に変形することができる。

すなわち、（６）式で示される制御入力ｕ_eqは、加速度フィードフォワードを表している。ただし、この制御入力ｕ_eqは、モデル速度が目標速度に到達してから追従するために必要な制御入力であり、速度誤差の項を含んでいないため、目標速度までモデル速度を加速させることができない。また、シーク動作の前半においてはフィードバック制御器２１０の出力がモデル側制御系２５０に加えられるので、（６）式の制御入力だけでは目標速度とモデル速度に誤差が生じてしまう。そこで、（８）式に示す制御入力を考える。

（８）式の第一項は加速度フィードフォワードであり、第二項は速度誤差の非線形フィードバックであり、２自由度制御系を構成している。第二項は速度誤差が大きい時はフィードバック量が小さく、速度誤差が小さくなるとフィードバック量が大きくなる。しかしながら、第一項はモデルと目標速度曲線から定まるため、（８）式で表される制御入力では、目標速度曲線への到達の仕方を調整する自由度は無く、目標速度曲線への到達の仕方は第二項のαとβによって決まってしまう。αを小さくしてβを大きくする事により目標速度への到達の仕方を滑らかにすることはできるが、同時に、シーク動作前半において加えられるフィードバック制御器２１０の出力によって目標速度曲線への追従性能も劣化させてしまう。そこで、本実施の形態では、（９）式に示す制御入力を考え、（９）式を実現するモデル側制御系２５０を図２に示すように構成している。

（９）式において、第１項は、モデル位置から目標位置までの残り距離に対応する目標速度の微分値とモデル速度の乗算値に基づく値であり、第２項は、モデル速度と目標速度の誤差σに基づく値であり、第３項は残り距離に対応する目標速度の微分値と残り距離の乗算値にゲイン定数λを乗算した値に基づく値である。（９)式で表される本実施の形態にかかるモデル側制御系２５０は、これらの３項の値から、フィードフォワード制御指令ｕを求めている。

具体的には、以下のようにフィードフォワード制御指令ｕが算出される。図２に示すように、目標位置が設定され、モデル側制御系２５０に入力されると、差分要素２１１により、目標位置と２重積分モデル２０７により算出されたモデル位置との差である残り距離ｘ₁を求める。そして、残り距離ｘ₁に対応する目標速度ｆ（ｘ₁）を目標速度テーブル２０１の目標速度曲線を参照して求める。ここで、目標速度テーブル２０１は、残り距離ｘ₁に対する目標速度の関係を目標速度曲線ｆ（ｘ₁）として予め対応づけたテーブルであり、ＭＰＵ１１８内のメモリ等の記憶手段に予め記憶されている。

そして、差分要素２１２によって、求めた目標速度ｆ（ｘ₁）と２重積分モデル２０７で算出されたモデル速度ｘ₂との差である速度誤差σが算出され、この速度誤差σは補償要素２０３、２０４による演算が行われて、（９）式の第２項の値が補償要素２０４から出力される。

一方、モデル側制御系２５０に目標位置が入力されると、微分値テーブル２０２を参照して、残り距離ｘ₁に対応する目標速度曲線ｆ（ｘ₁）の残り距離ｘ₁による微分値ｄｆ（ｘ₁）／ｄｘ₁を求める。ここで、微分値テーブル２０１は、残り距離ｘ₁と目標速度曲線ｆ（ｘ₁）の残り距離ｘ₁による微分値ｄｆ（ｘ₁）／ｄｘ₁を予め対応づけたテーブルであり、ＭＰＵ１１８内のメモリ等の記憶手段に予め記憶されている。なお、本実施の形態では、目標速度曲線ｆ（ｘ₁）の残り距離ｘ₁による微分値ｄｆ（ｘ₁）／ｄｘ₁を微分値テーブル２０２を参照して求めているが、これに限定されるものではなく、例えば、ＭＰＵ１１８の処理能力が高い場合には、目標速度テーブル２０１から求めた目標速度ｆ（ｘ₁）に微分演算を施すことにより求めてもよい。

微分値ｄｆ（ｘ₁）／ｄｘ₁は、乗算器２１５によって、２重積分モデル２０７によって算出されたモデル速度ｘ₂と乗算され、その乗算値が補償要素２１６で１／Ｂと乗算されて、（９）式の第１項の値が補償要素２１６から出力される。

さらに、微分値ｄｆ（ｘ₁）／ｄｘ₁は、乗算器２１７によって、残り距離ｘ₁と乗算され、乗算値が補償要素２０６により１／Ｂと乗算され、さらに補償要素２０５によりゲインλと乗算されて、（９）式の第３項の値が補償要素２０５から出力される。

そして、上述のように算出された（９）式の第１項、第２項および第３項の各値が加算要素２１８および差分要素２１４によって加減算され、制御指令ｕが求められる。制御指令ｕは、２重積分モデル２０７に入力されるとともに、アクチュエータにフィードフォワード制御指令ｕとして与えられる。

２重積分モデル２０７では、制御指令ｕを入力して、モデル速度ｘ₂とモデル位置を算出する。そして、モデル位置は、目標位置指令として、位置誤差フィードバック制御系に出力される。

このように、本実施の形態では、制御指令の加速から減速への変化を滑らかにするために、モデル速度ｘ₂の目標速度への到達を滑らかにしてやれば良いことに着目し、目標速度の残り距離ｘ₁に対する微分値ｄｆ（ｘ₁）／ｄｘ₁を用いて、モデル側制御系を構成し、目標速度の残り距離ｘ₁を用いてモデル速度ｘ₂が目標速度に追従するために必要なフィードフォワード制御指令ｕを生成している。これにより、ゲインλを必要以上に高くする必要がなくなり、モデル速度の目標速度ｘ₂への到達を滑らかにすることが可能となる。

（９）式において、目標速度に到達するまでは第２項と第３項が支配的であり、主に第２項と第３項によりモデル速度を目標速度曲線に到達させる。目標速度曲線に到達した後は第１項と第２項が支配的となる。その際、αとβはモデル速度の目標速度曲線への追従性能から決定し、モデル速度の目標速度曲線への到達の仕方はゲインλによって調整する。ゲインλを大きくするとモデル速度を滑らかに目標速度曲線に到達させることができ、加速から減速への変化を緩やかにすることができる。このため、本実施の形態では、ゲインλを変更可能に制御する。

ただし、目標速度曲線への到達が滑らかになることはシーク時間も長くなることになるので、λの大きさとシーク時間の間にはトレードオフが存在する。

次に、式（９）に示す制御入力を用いた時にモデル側制御系が安定になる条件を考える。

リアプノフ関数Ｖとして、速度誤差σを用いた式（１０）を定める。

リアプノフ関数Ｖが０に漸近する場合にはフィードバック制御系は安定になる。Ｖの微分は（１１）式で表される。

（１１）式に（９）式で示される制御入力ｕを加えると（１２）式のようになる。

（１２）式が負になる場合に、リアプノフ関数Ｖは０に漸近することになる。そこで、以下の４つに場合分けを行って考える。な、ｄｆ（ｘ₁）／ｄｘ₁＞０であり、βは｜σ｜に比べて十分小さいものとし、移動距離をｒとする。

まず、σ＜０、ｘ₁＜０の場合には、（１３）式が成り立つことから、（１４）式が成立すればよいことになる。

（１４）式から（１５）式となり、（１６）式が成立する。

以上により、σ＜０、ｘ₁＜０の場合には、ゲインλを（１７）式の条件を満たすように選んだ場合に、（１２）式は負となってリアプノフ関数Ｖは０に漸近し、モデル側制御系２５０は安定となる。

ここで、目標速度曲線は、一般的に（１８）式に示す式で表されるので、ｄｆ（ｘ₁）／ｄｘ₁ｄの最大値は、（１９）式に示すように、残り距離が少ない時の傾きＲ₁となり一定値となる。

次に、σ＜０、ｘ₁≧０の場合には、（１２）式は常に負となる。従って、この場合には、モデル側制御系２５０は常に安定となる。

次に、σ≧０、ｘ₁＜０の場合には、（１２）式は常に負となる。従って、この場合には、モデル側制御系２５０は常に安定となる。

次に、σ≧０、ｘ₁≧０の場合には、（２０）式が成り立つことから、（２１）式を満たせば、（１２）式は負となる。

（２１）式から、（２２）式となり、（２３）式が成り立つ。

以上により、σ≧０、ｘ₁≧０の場合には、ゲインλを（２４）式の条件を満たすように選んだ場合に、（１２）式は負となってリアプノフ関数Ｖは０に漸近し、モデル側制御系２５０は安定となる。

以上（１７）式および（２３）式から、本実施の形態では、ゲインλを（２５）式の条件を満たすように設定することにより、（９）式で示す制御指令により、モデル側制御系２５０は安定にしている。

次に、以上のように構成された実施の形態１にかかるヘッド位置決め制御処理について説明する。図３は、実施の形態１にかかるヘッド位置決め制御処理の手順を示すフローチャートである。

まず、モデル側制御系２５０に目標位置が設定され（ステップＳ３０１）、モデル側制御系２５０はモデル位置と目標位置の差から残り距離を算出する（ステップＳ３０２）。そして、シーク動作の１サンプル目か否かを判断し（ステップＳ３０３）、シーク動作の１サンプル目である場合には（ステップＳ３０３：Ｙｅｓ）、ゲインλを（２５）式の範囲で設定する（ステップＳ３０４）。シーク動作の２サンプル目以降の場合には（ステップＳ３０３：Ｎｏ）、ゲインλの設定は行わない。

次に、残り距離から目標速度テーブルの目標速度曲線を参照して目標速度を求め、さらに、目標速度の残り距離に対する微分値を、微分値テーブルを参照して求める（ステップＳ３０５）。そして、目標速度とモデル速度との差を算出し（ステップＳ３０６）、モデル速度、モデル位置、目標速度、目標速度の残り距離に対する微分値から（９）式に従って二重積分モデル２０７への制御指令を求める（ステップＳ３０７）。また、二重積分モデル２０７への制御指令uをフィードフォワード制御指令ｕとしてアクチュエータに与える(ステップＳ３０８)。

そして、２重積分モデル２０７では、入力された制御指令ｕからモデル位置とモデル速度を算出し（ステップＳ３０９）、モデル位置を目標位置指令として位置誤差フィードバック制御系２６０に与える（ステップＳ３１０）。これにより、位置誤差フィードバック制御系２６０では、目標位置指令としてのモデル位置と、ヘッド１１１の現在の実位置とから位置誤差フィードバック制御を行って、ヘッド１１１のシーク制御を行う。

一方、モデル側制御系２５０では、次に、モデル位置と目標位置が位一致するか否かを判定し（ステップＳ３１１）、モデル位置と目標位置が一致した場合には、モデル側制御系２５０によるは終了する。一方、モデル位置と目標位置が一致しない場合には、一致するまで、ステップＳ３０２からＳ３１０までの処理を繰り返し実行する。

次に、本実施の形態にかかるハードディスクドライブ装置（ＨＤＤ）によるヘッド位置決め制御をの有効性を計算結果と実験結果を用いて説明する。

図４は、シミュレーションに使用するアクチュエータの制御モデルの周波数特性とモデル側制御系に用いる２重積分モデルの周波数特性を示す説明図である。この例では、２．５インチサイズのＨＤＤのアクチュエータをモデル化したものである。図４に示すように、主に１０．６ｋＨｚ近傍と１４ｋＨｚ近傍に機械共振を有している。ここで、位置誤差を読み取るサンプリング周期は１０．０８ｋＨｚであり、モデル側制御系は２倍周期（２０．１６ｋＨｚ）で計算される。このモデルに対して、比較例の方法での１／３トラックシーク時のシミュレーション結果を図５〜図８に示す。図５に示すアクチュエータへの制御指令の減速への切り替え変化が急峻であるために、図６に示すサンプル点間応答まで含んだアクチュエータ位置に残留振動が見られることがわかる。さらに、図７に示すアクチュエータ位置の二階微分から、減速への切り替え時に機械共振が励起されていることがわかる。このことから、比較例の手法によりヘッド位置決め制御の場合、シーク時騒音が大きいことが考えられる。また、モデル速度の目標速度への追従性は、図８に示すように目標速度に対して誤差を有しており、比較例の手法のヘッド位置決め制御では、高速な目標速度に対して追従することができないことが分かる。

次に、同じアクチュエータの制御モデルに対して、図２に示した本実施の形態にかかるヘッド位置決め制御系を使用した場合のシミュレーション結果について説明する。図９は、（８）式で算出される制御指令ｕを用いた場合のモデル速度の目標速度曲線への追従性能を示す説明図である。図９に示すように、（８）式の制御指令を用いた場合には、比較例の手法に比べて、目標速度への追従性能が向上していることが分かる。ただし、目標速度曲線が与えられると目標速度曲線の残り距離に対する微分は決まってしまうので、モデル速度の目標速度への到達の仕方を調整するにはαとβを変化させる必要がある。しかしながら、αとβを変えて到達の仕方を変えると、目標速度への追従性能にも影響してしまう。そこで、（９）式に示す制御指令を用いる。

図１０は、（９）式において、ゲインλを変化させた場合のアクチュエータへの制御指令の状態を示す説明図である。図１１〜１４は、（９）式の制御指令を用いた場合におけるアクチュエータ位置の状態を示す説明図である。図１１はλ＝０の場合、図１２はλ＝２の場合、図１３はλ＝４の場合、図１４はλ＝６の場合をそれぞれ示している。

図９に示すように、ゲインλを大きくすることにより、制御指令の加減速変化を滑らかにすることが可能となり、また、図１１〜図１４に示すようにアクチュエータのセトリング時の残留振動が小さくなっていることがわかる。この時のアクチュエータ位置の２階微分を図１５〜１８に示す。図１５はλ＝０の場合、図１６はλ＝２の場合、図１７はλ＝４の場合、図１８はλ＝６の場合をそれぞれ示している。

図１５〜１８からわかるように、制御指令の減速への変化を滑らかにできるために、減速時における機械共振の励起が比較例の方法に比べて抑えられていることが分かる。これらのことから、シーク時の低騒音が期待できる。

また、２．５インチサイズのＨＤＤに提案する制御系を実装し、本実施の形態によりヘッド位置決め制御と比較例の手法のヘッド位置決め制御を用いて１／３トラックシーク時のセトリング波形と騒音を測定した。図１９は、比較例のヘッド位置決め制御系による場合のセトリング時の波形を示す説明図である。図１９から、上記シミュレーション結果と同様に、アクチュエータの機械共振による残留振動が現れていることがわかる。

図２０〜２３は、実施の形態１にかかるヘッド位置決め制御系によるセトリング時の波形を示す説明図である。図２０はλ＝０の場合、図２１はλ＝２の場合、図２２はλ＝４の場合、図２３はλ＝６の場合をそれぞれ示している。図２０〜２３に示すセトリング波形から、上記シミュレーション結果と同様に、ゲインλを大きくすることにより機械振動による残留振動を抑えられていることが分かる。

次に、図２４は、１／３トラックの連続シーク時における騒音の１／３オクターブ解析の結果を示す説明図である。図２４に示すように、騒音の１／３オクターブ解析から、高周波領域における騒音を大幅に低減することが可能となっていることがわかる。

比較例のヘッド位置決め制御系において、目標速度への追従性を犠牲にすることなく加速から減速への切り替えを滑らかにするには、速度誤差によって速度フィードバック係数を変える必要が出てくる。例えば、「モデル速度が目標速度から大きく離れている時はゲインを大きくして到達時間を短くし、モデル速度が目標速度に近くなったらゲインを小さくして目標速度への到達を滑らかにする。そして、速度誤差がある一定値より小さくなったら追従特性を向上させるためにゲインを大きくする。」といった手法が考えられる。この場合の例を図２５に示す。図２５に示すように、目標速度曲線に近くなった時にゲインを小さくすることにより減速への切り替え時の変化を滑らかにすることができる。また、目標速度への追従も大幅に劣化していない。

しかしながら、目標速度への追従性をよくするために再びフィードバックゲインを大きくした時に制御指令が急峻に変化するので、アクチュエータの機械共振を励起しやすくなってしまう。比較例の手法でこのような機械共振を回避するには、加速から減速に変化する短時間の間に多くのゲイン切り替え行う必要がある。短時間の間のゲイン切り替えはタイミングの設定が非常に困難である。また、切り替え時間とフィードバックゲインといった設定パラメータが多い。さらに、シーク距離によって加速から減速への変化の態様が変わるので、減速の切り替えタイミングをシーク距離によって変える必要があり、制御プログラムが非常に複雑になってしまう。このような事から、比較例の手法において加速から減速への切り替えの仕方を調整することは非常に困難であることがわかる。

このように実施の形態１にかかるハードディスクドライブ装置におけるヘッド位置決め制御系では、目標速度の残り距離ｘ₁に対する微分値ｄｆ（ｘ₁）／ｄｘ₁を用いて、モデル側制御系を構成し、目標速度の残り距離ｘ₁を用いてモデル速度ｘ₂が目標速度に追従するために必要なフィードフォワード制御指令ｕを生成しているので、目標速度に対するモデル速度の追従性を向上させることができるともに、制御指令の加速から減速への切替えを滑らかにして機械共振の励起を抑制することができる。

（実施の形態２）
実施の形態２にかかるハードディスクドライブ装置では、ヘッド位置決め制御系において制御指令ｕの算出方法が実施の形態１と異なっている。

図２６は、実施の形態２にかかるヘッド位置決め制御系の制御ブロック図である。本実施の形態にかかるヘッド位置決め制御系も、モデル側制御系２６５０と位置誤差フィードバック制御系(C(z))２６０の２つの制御ループを有している。ここで、位置誤差フィードバック制御系(C(z))２６０については実施の形態１と同様である。

本実施の形態では、実施の形態１における制御指令ｕの算出式（９）の代わりに、（２６）式により制御指令ｕを求めている。

すなわち、（２６）式の第３項が（９）式と異なっており、モデル側制御系２６５０は、残り距離ｘ₁に対応する目標速度曲線ｆ（ｘ₁）の残り距離ｘ₁による微分値ｄｆ（ｘ₁）／ｄｘ₁とモデル速度ｘ₂の乗算値と、微分値ｄｆ（ｘ₁）／ｄｘ₁と残り距離ｘ₁の乗算値とモデル速度ｘ₂との差にゲイン定数λを乗算した値とに基づいて制御指令ｕとモデル位置とを求めている。

具体的には、図２６に示すように、乗算器２１７によって、微分値ｄｆ（ｘ₁）／ｄｘ₁と残り距離ｘ₁が乗算され、差分要素２６０１によって、２重積分モデル２０７によって算出されたモデル速度ｘ₂からの乗算値との差が算出されて補償要素２０６、２０５によって順次、１／Ｂ、ゲインλが乗算される。これにより、補償要素２０５から（２６）式の第３項の値が出力される。（２６）式の第１項および第２項の値は、実施の形態１と同様に算出される。

そして、このように算出された（２６）式の第１項、第２項および第３項の各値が加算要素２１８および差分要素２１４によって加減算され、制御指令ｕが求められる。制御指令ｕは、２重積分モデル２０７に入力されるとともに、アクチュエータにフィードフォワード制御指令ｕとして与えられる。

このように実施の形態２にかかるハードディスクドライブ装置におけるヘッド位置決め制御系では、目標速度の残り距離ｘ₁に対する微分値ｄｆ（ｘ₁）／ｄｘ₁を用いて、モデル側制御系を構成し、目標速度の残り距離ｘ₁を用いてモデル速度ｘ₂が目標速度に追従するために必要なフィードフォワード制御指令ｕを生成しているので、目標速度に対するモデル速度の追従性を向上させることができるともに、制御指令の加速から減速への切替えを滑らかにして機械共振の励起を抑制することができる。

（実施の形態３）
実施の形態３にかかるハードディスクドライブ装置では、ヘッド位置決め制御系において制御指令ｕの算出方法が実施の形態１および２と異なっている。

図２７は、実施の形態３にかかるヘッド位置決め制御系の制御ブロック図である。本実施の形態にかかるヘッド位置決め制御系も、モデル側制御系２７５０と位置誤差フィードバック制御系(C(z))２６０の２つの制御ループを有している。ここで、位置誤差フィードバック制御系(C(z))２６０については実施の形態１と同様である。

本実施の形態では、実施の形態１における制御指令ｕの算出式（９）の代わりに、（２７）式により制御指令ｕを求めている。

すなわち、（２７）式の第３項が（９）式および（２６）式と異なっており、モデル側制御系２７５０は、残り距離ｘ₁に対応する目標速度曲線ｆ（ｘ₁）の残り距離ｘ₁による微分値ｄｆ（ｘ₁）／ｄｘ₁が所定の閾値Ｌより小さい場合には、微分値ｄｆ（ｘ₁）／ｄｘ₁とモデル速度ｘ₂の乗算値と、微分値ｄｆ（ｘ₁）／ｄｘ₁と閾値Ｌとの差にモデル速度ｘ₂とゲイン定数λを乗算した値とに基づいて、制御指令ｕとモデル位置とを求めている。

具体的には、図２７に示すように、差分要素２７０２によって閾値Ｌから微分値ｄｆ（ｘ₁）／ｄｘ₁との差が演算され、乗算器２１７によって、この差と、２重積分モデル２０７によって算出されたモデル速度ｘ₂とが乗算される。そして、この乗算値に、補償要素２０６、２０５によって順次１／Ｂ、ゲインλが乗算される。そして、微分値ｄｆ（ｘ₁）／ｄｘ₁が閾値Ｌより小さい場合にｓｗｉｔｃｈがＯＮとなり、補償要素２０５の出力が（２７）式の第３項として出力される。一方、微分値ｄｆ（ｘ₁）／ｄｘ₁が閾値Ｌより大きい場合にｓｗｉｔｃｈはＯＦＦとなり、補償要素２０５から出力は行われない。なお、閾値と等しい場合には、ｓｗｉｔｃｈのＯＮ／ＯＦＦはいずれか一方とする。

そして、このように算出された（２７）式の第１項、第２項および第３項の各値が加算要素２１８および差分要素２１４によって加減算され、制御指令ｕが求められる。制御指令ｕは、２重積分モデル２０７に入力されるとともに、アクチュエータにフィードフォワード制御指令ｕとして与えられる。

このように実施の形態３にかかるハードディスクドライブ装置におけるヘッド位置決め制御系では、目標速度の残り距離ｘ₁に対する微分値ｄｆ（ｘ₁）／ｄｘ₁を用いて、モデル側制御系を構成し、目標速度の残り距離ｘ₁を用いてモデル速度ｘ₂が目標速度に追従するために必要なフィードフォワード制御指令ｕを生成しているので、目標速度に対するモデル速度の追従性を向上させることができるともに、制御指令の加速から減速への切替えを滑らかにして機械共振の励起を抑制することができる。

なお、本発明は、上記実施の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することができる。また、上記実施の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、種々の発明を形成することができる。例えば、実施の形態に示される全構成要素からいくつかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施の形態にわたる構成要素を適宜組み合わせても良い。

実施の形態１にかかるハードディスクドライブ装置の構成を示すブロック図である。 実施の形態１にかかるヘッド位置決め制御系の制御ブロック図である。 実施の形態１にかかるヘッド位置決め制御処理の手順を示すフローチャートである。 シミュレーションに使用するアクチュエータの制御モデルの周波数特性とモデル側制御系に用いる２重積分モデルの周波数特性を示す説明図である。 比較例の方法での１／３トラックシーク時のシミュレーション結果を示す説明図である。 比較例の方法での１／３トラックシーク時のシミュレーション結果を示す説明図である。 比較例の方法での１／３トラックシーク時のシミュレーション結果を示す説明図である。 比較例の方法での１／３トラックシーク時のシミュレーション結果を示す説明図である。 （８）式で算出される制御指令ｕを用いた場合のモデル速度の目標速度曲線への追従性能を示す説明図である。 （９）式において、ゲインλを変化させた場合のアクチュエータへの制御指令の状態を示す説明図である。 （９）式の制御指令を用いた場合におけるアクチュエータ位置の状態を示す説明図である。 （９）式の制御指令を用いた場合におけるアクチュエータ位置の状態を示す説明図である。 （９）式の制御指令を用いた場合におけるアクチュエータ位置の状態を示す説明図である。 （９）式の制御指令を用いた場合におけるアクチュエータ位置の状態を示す説明図である。 （９）式の制御指令を用いた場合におけるアクチュエータ位置の２階微分をに示す説明図である。 （９）式の制御指令を用いた場合におけるアクチュエータ位置の２階微分をに示す説明図である。 （９）式の制御指令を用いた場合におけるアクチュエータ位置の２階微分をに示す説明図である。 （９）式の制御指令を用いた場合におけるアクチュエータ位置の２階微分をに示す説明図である。 比較例のヘッド位置決め制御系による場合のセトリング時の波形を示す説明図である。 実施の形態１にかかるヘッド位置決め制御系によるセトリング時の波形を示す説明図である。 実施の形態１にかかるヘッド位置決め制御系によるセトリング時の波形を示す説明図である。 実施の形態１にかかるヘッド位置決め制御系によるセトリング時の波形を示す説明図である。 実施の形態１にかかるヘッド位置決め制御系によるセトリング時の波形を示す説明図である。 １／３トラックの連続シーク時における騒音の１／３オクターブ解析の結果を示す説明図である。 ゲインとモデル速度との関係を示す説明図である。 実施の形態２にかかるヘッド位置決め制御系の制御ブロック図である。 実施の形態３にかかるヘッド位置決め制御系の制御ブロック図である。 比較例のヘッド位置決め制御系の制御ブロック図である。

符号の説明

１１１ ヘッド
１１２ アーム
１１３ ボイスコイルモータ（ＶＣＭ）
１１４ ハードディスク（ＨＤ）
１１５ マグネット
１１６ 駆動コイル
１１７ パワーアンプ
１１８ マイクロプロセッサ（ＭＰＵ）
１１９ Ｄ／Ａコンバータ
１２０ サーボエリア
１２１ ヘッドアンプ
１２２ サーボデータ処理回路
１２３ Ｉ／Ｏポート
１３０ アクチュエータ
２０１，２８５１ 目標速度テーブル
２０２ 微分値テーブル
２０３，２０４，２０５，２０６，２１６ 補償要素
２０７ 二重積分モデル
２０８ ゼロ次ホールド装置（ＺＯＨ）
２１０ フィードバック制御器
２１１，２１２，２１４，２７０２ 差分要素
２１５，２１７ 乗算器
２１８ 加算要素
２５０，２６５０，２７５０，２８５０ モデル側制御系
２６０ 位置誤差フィードバック制御系
２６１ アップサンプラ
２６２ ダウンサンプラ

Claims (13)

1. データの記録が可能な磁気ディスクと、
   磁気ディスクに対してデータの記録再生を行うヘッドと、
   前記ヘッドを前記磁気ディスクの径方向に移動させるヘッド駆動手段と、
   前記ヘッド駆動手段に対して制御指令を与え、前記ヘッドを前記磁気ディスク上の目標位置に位置決め制御する位置決め制御手段と、を備え、
   前記位置決め制御手段は、
   前記ヘッドの目標位置と前記ヘッドの実際の位置の誤差に基づいてフィードバック制御を行う位置誤差フィードバック制御手段と、
   予め定められた制御数式モデルによって、前記制御指令と、前記位置誤差フィードバック制御手段に対して前記目標位置の指令として出力するモデル位置と、前記ヘッドの目標速度に追従させるためのモデル速度とを求める制御系であって、前記ヘッドの目標位置を入力して、前記モデル位置から前記目標位置までの残り距離に対応する前記目標速度の微分値に基づいて前記制御指令と前記モデル位置を求めるモデル制御手段と、
   を備えたことを特徴とする磁気ディスク装置。
2. 前記モデル制御手段は、前記微分値と前記モデル速度の乗算値とに基づいて前記制御指令と前記モデル位置とを求めることを特徴とする請求項１に記載の磁気ディスク装置。
3. 前記モデル制御手段は、さらに、前記モデル速度と前記目標速度の誤差とに基づいて、前記制御指令と前記モデル位置とを求めることを特徴とする請求項２に記載の磁気ディスク装置。
4. 前記モデル制御手段は、さらに、前記微分値と前記目標位置までの残り距離の乗算値とに基づいて、前記制御指令と前記モデル位置とを求めることを特徴とする請求項２または３に記載の磁気ディスク装置。
5. 前記モデル制御手段は、さらに、前記微分値と前記目標位置までの残り距離の乗算値にゲイン定数を乗算した値に基づいて、前記制御指令と前記モデル位置とを求めることを特徴とする請求項２または３に記載の磁気ディスク装置。
6. 前記モデル制御手段は、さらに、前記ゲイン定数を変更可能に制御することを特徴とする請求項５に記載の磁気ディスク装置。
7. 前記モデル制御手段は、さらに、前記微分値に前記残り距離を乗算した値と前記モデル速度との差に、ゲイン定数を乗算した値に基づいて、前記制御指令と前記モデル位置とを求めることを特徴とする請求項２または３に記載の磁気ディスク装置。
8. 前記モデル制御手段は、前記微分値が所定の閾値より小さい場合には、前記微分値と前記モデル速度の乗算値と、前記モデル速度と前記目標速度の誤差と、前記微分値と前記閾値との差に前記モデル速度とゲイン定数を乗算した値とに基づいて、前記制御指令と前記モデル位置とを求めることを特徴とする請求項１に記載の磁気ディスク装置。
9. 前記モデル制御手段は、さらに、前記微分値が所定の閾値より大きい場合には、前記微分値と前記モデル速度の乗算値と、前記モデル速度と前記目標速度の誤差とに基づいて、前記制御指令と前記モデル位置とを求めることを特徴とする請求項８に記載の磁気ディスク装置。
10. 前記残り距離と前記目標速度の微分値とを対応づけた微分値テーブルを記憶する記憶手段をさらに備え、
    前記モデル制御手段は、前記目標位置と前記モデル位置とから前記残り距離を算出し、算出した前記残り距離に対応する前記目標速度の微分値を前記微分値テーブルを参照して求め、前記微分値に基づいて前記制御指令と前記モデル位置を求めることを特徴とする請求項１に記載の磁気ディスク装置。
11. 前記残り距離と前記目標速度とを対応づけた目標速度曲線テーブルを記憶する第２の記憶手段をさらに備え、
    前記モデル制御手段は、前記目標位置と前記モデル位置との差から前記目標速度曲線テーブルを参照して前記目標速度を求め、前記残り距離に対応する前記目標速度の微分値に基づいて前記制御指令と前記モデル位置を求めることを特徴とする請求項１に記載の磁気ディスク装置。
12. 前記モデル制御手段は、前記モデル位置と前記モデル速度を生成するため２重積分処理手段をさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載の磁気ディスク装置。
13. 位置誤差フィードバック制御手段によって、磁気ディスクに対してデータの記録再生を行うヘッドの目標位置と前記ヘッドの実際の位置の誤差に基づいてフィードバック制御を行って、前記ヘッドを磁気ディスク上の目標位置に位置決め制御する工程と、
    予め定められた制御数式モデルによって、前記ヘッドを磁気ディスクの径方向に移動させるヘッド駆動手段に対して与える制御指令と、前記位置誤差フィードバック制御手段に対して前記目標位置の指令として出力するモデル位置と、前記ヘッドの目標速度に追従させるためのモデル速度とを求める工程であって、前記ヘッドの目標位置を入力して、前記モデル位置から前記目標位置までの残り距離に対応する前記目標速度の微分値に基づいて前記制御指令と前記モデル位置を求める工程と、
    を含むことを特徴とするヘッド位置決め制御方法。

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