JP2024046962A - 磁気ディスク装置及びそのノッチフィルタ設定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】位置情報のサンプリング周期が変わっても、ノッチフィルタの特性を良好に維持する。【解決手段】磁気ディスク装置は、ノッチフィルタの抑圧角周波数、減衰比、深さの第１のパラメータと、第１のパラメータを設計したとき想定した第１のサンプリング周期を記憶し、双一次変換を用いてサンプリング周期とパラメータとから伝達関数を計算する。その計算は、サンプリング周期が第１のサンプリング周期とは異なる第２のサンプリング周期となったときに、第１のパラメータの内、減衰比パラメータを、第１のサンプリング周期及び第１のパラメータから計算される第１の伝達関数の第１の角周波数に於ける第１の絶対値と、第２のサンプリング周期及び第２のパラメータから計算される第２の伝達関数の第１の角周波数に於ける第２の絶対値が同じになるように計算して変更したものを第２のパラメータとし、ノッチフィルタとして第２の伝達関数を設定する。【選択図】図２

Description

実施形態は、磁気ディスク装置及びそのノッチフィルタ設定方法に関する。

サーバ等に搭載される磁気ディスク装置にあっては、磁気ディスクの回転数を変化させる場合があるが、回転数の変化に応じて磁気ディスクに記録される位置情報のサンプリング周期が変わってしまう。しかしながら、従来の磁気ディスク装置では、サンプリング周期が変わっても磁気ヘッドの位置決めを制御する制御器のパラメータやフィルタ係数等を変更しないため、特にノッチフィルタの周波数特性が所望の特性から変わってしまい、一連の制御精度に悪影響を及ぼしている。

米国特許第７０２３６４６号明細書 米国特許第６９９６５９２号明細書 特開２００４－０８０１４１号公報

以上のように、従来の磁気ディスク装置では、位置情報のサンプリング周期が変わると、磁気ヘッドの位置決めを行う制御器の制御内容、特にノッチフィルタの周波数特性が所望の特性から変わってしまい、一連の制御精度に悪影響を及ぼしている。

実施形態は、位置情報のサンプリング周期が変わっても、ノッチフィルタの周波数特性を良好に維持し、制御精度の向上に寄与することのできる磁気ディスク装置及びそのノッチフィルタ設定方法を提供することを目的とする。

一実施形態によれば、磁気ディスク装置は、ノッチフィルタの少なくとも抑圧角周波数、減衰比、深さに関する第１のパラメータと、前記第１のパラメータを設計する際に想定した第１のサンプリング周期と、を記憶するパラメータ記憶部と、連続時間系の伝達関数及び双一次変換（Bilinear transform / Tustin変換）を用いてサンプリング周期と前記ノッチフィルタのパラメータとから離散時間系の伝達関数を計算する計算部と、を備える。前記計算部は、前記サンプリング周期が前記第１のサンプリング周期とは異なる第２のサンプリング周期の場合に、前記第１のパラメータの内、前記第２のサンプリング周期での前記減衰比に関する減衰比パラメータを、前記第１のサンプリング周期及び第１のパラメータから計算される第１の伝達関数の第１の角周波数に於ける第１の絶対値と、前記第２のサンプリング周期及び第２のパラメータから計算される第２の伝達関数の第１の角周波数に於ける第２の絶対値とに基づいて計算して変更したものを第２のパラメータとし、ノッチフィルタとして前記第２の伝達関数を設定する。ここで、第１サンプリング周期は、連続時間系のときは０とし、このときの第１の伝達関数は第１のパラメータから計算される連続時間系のものとする。

図１は、実施形態に係る磁気ディスク装置の構成の一例を示すブロック図である。 図２は、同実施形態に係る磁気ディスク装置のノッチフィルタの設定処理のための構成を示すブロック図である。 図３は、同実施形態に係る磁気ディスク装置のノッチフィルタの設定処理の主要な流れを示すフローチャートである。 図４は、同実施形態のノッチフィルタの設定処理において、サンプリング周期の変化に対応して減衰比パラメータを変更しない場合の周波数特性を示す波形図である。 図５は、同実施形態のノッチフィルタの設定処理において、サンプリング周期の変化に対応して減衰比パラメータを変更した場合の周波数特性を示す波形図である。 図６は、同実施形態のノッチフィルタの設定処理において、ノッチフィルタの角周波数がナイキスト周波数に近い場合に乖離が生じる様子を示す波形図である。 図７は、同実施形態のノッチフィルタの実施例２の設定処理における周波数特性を示す波形図である。 図８は、同実施形態のノッチフィルタの実施例４の設定処理で、ノッチフィルタが複数段ある場合の設定選択処理を示すフローチャートである。

図９は、同実施形態のノッチフィルタの実施例７の設定処理における周波数特性を示す波形図である。

以下、実施の形態について図面を参照して説明する。なお、開示はあくまで一例にすぎず、以下の実施形態に記載した内容により発明が限定されるものではない。当業者が容易に想到し得る変形は、当然に開示の範囲に含まれる。説明をより明確にするため、図面において、各部分のサイズ、形状等を実際の実施態様に対して変更して模式的に表す場合もある。複数の図面において、対応する要素には同じ参照数字を付して、詳細な説明を省略する場合もある。

図１は、磁気ディスク装置１の構成の一例を示すブロック図である。
磁気ディスク装置１は、ヘッド・ディスクアセンブリ（head disk assembly：ＨＤＡ）１０、ヘッドアンプ集積回路（以下、ヘッドアンプＩＣ）１７と、システム・オン・チップ（ＳＯＣ）２０とから構成されている。

ＨＤＡ１０は、磁気ディスク１１と、スピンドルモータ（ＳＰＭ）１２と、アーム１３と、ボイスコイルモータ（ＶＣＭ）１６とを有する。磁気ディスク１１は、ＳＰＭ１２により回転する。アーム１３の先端にロードビーム１４が取り付けられ、ロードビーム１４の先端に磁気ヘッド１５が取り付けられる。アーム１３はＶＣＭ１６の駆動により磁気ヘッド１５を磁気ディスク１１上の指定の位置まで移動制御する。

磁気ヘッド１５は、リードヘッド素子とライトヘッド素子とが、１つのスライダ上に分離して実装されている構造である。リードヘッド素子は、磁気ディスク１１に記録されているデータを読出す。ライトヘッド素子は、磁気ディスク１１にデータを書き込む。

ヘッドアンプＩＣ１７は、リードアンプ及びライトドライバを有する。リードアンプは、リードヘッド素子により読み出されたリード信号を増幅して、リード／ライト（Ｒ／Ｗ）チャネル２２に伝送する。一方、ライトドライバは、Ｒ／Ｗチャネル２２から出力されるライトデータに応じたライト電流をライトヘッド素子に伝送する。

ＳＯＣ２０は、マイクロプロセッサ（ＣＰＵ）２１と、Ｒ／Ｗチャネル２２と、ディスクコントローラ２３と、位置決めコントローラ２４とを含む。ＣＰＵ２１は、ドライブのメインコントローラであり、位置決めコントローラ２４を介して磁気ヘッド１５の位置決めを行なうサーボ制御及びヘッドアンプＩＣ１７を介してデータのリード／ライト制御を実行する。Ｒ／Ｗチャネル２２は、リードデータの信号処理を実行するリードチャネルと、ライトデータの信号処理を実行するライトチャネルとを含む。ディスクコントローラ２３は、ホストシステム（図示せず）とＲ／Ｗチャネル２２との間のデータ転送を制御するインタフェース制御を実行する。なお、位置決めコントローラ２４はハードウェアとして実現してもよいし、ソフトウェア（ファームウェア）として実現してもよい。

メモリ２５は、揮発性メモリおよび不揮発性メモリを含む。例えば、メモリ２５は、ＤＲＡＭからなるバッファメモリ、及びフラッシュメモリを含む。メモリ２５の不揮発性メモリには、ＣＰＵ２１の処理に必要なプログラム等を記憶する記憶部（図示省略）と共に、後述するパラメータ設定処理が行われた場合にパラメータを記憶するパラメータ記憶部２６を有する。

本実施形態では、メモリ２５にノッチフィルタを設定するためのプログラムが格納され、パラメータ記憶部２６にノッチフィルタの設定、実行に要するパラメータが記憶される。なお、パラメータ記憶部２６はメモリ２５に記憶されていなくても磁気ディスク装置１内のいずれかの記憶領域に記憶されていればよい。

上記ノッチフィルタの設定処理について、図２及び図３を参照して説明する。図２はメモリ２５に格納されたノッチフィルタを設定するための処理プログラムがＣＰＵ２１にロードされ、メモリ２５に用意されたパラメータ記憶部２６との間でパラメータの読み出し、書き込みを行う構成を示している。また、図３は上記ノッチフィルタの設定処理の流れを示すフローチャートである。

磁気ディスク装置に於けるノッチフィルタの設計では、設計の見通しの良さの点から、離散化した伝達関数の周波数特性が望みのものとなるように、連続時間系伝達関数を基にパラメータ設計することがある。離散化にはいくつかの手法が知られているが、本実施形態では、周波数特性や計算効率等を考慮して、双一次変換での離散化を用いる。

図３において、まず、初期のサンプリング周期（第１のサンプリング周期）及び第１のパラメータでの第１の角周波数に於ける第１の絶対値を含む第１の伝達関数を計算する（ステップＳ１１）。ここで、サンプリング周期を監視して第１のサンプリング周期が第２のサンプリング周期に変わったか否かを判断する（ステップＳ１２）。第２のサンプリング周期に変わった場合には、第２のパラメータとして第１のパラメータを設定し（ステップＳ１３）、第２のサンプリング周期及び第２のパラメータでの第１の角周波数に於ける第２の絶対値を含む第２の伝達関数を計算し（ステップＳ１４）、第１の絶対値と第２の絶対値とを比較して一致するか否かを判断する（ステップＳ１５）。ここで、第１の絶対値と第２の絶対値が一致しない場合には、第２のパラメータの減衰比に関する減衰比パラメータを計算し（ステップＳ１６）、第２のパラメータの減衰比パラメータを変更して（ステップＳ１７）、ステップＳ１３での第２の伝達関数を計算し直す。ステップＳ１５で第１の絶対値と第２の絶対値が一致する場合には、ノッチフィルタの設定処理を終了する。

すなわち、本実施形態では、サンプリング周期が第１のサンプリング周期とは異なる第２のサンプリング周期となったときに、第１のサンプリング周期及び第１のパラメータから計算される第１の伝達関数の第１の角周波数に於ける第１の絶対値と、第２のサンプリング周期及び第２のパラメータから計算される第２の伝達関数の第１の角周波数に於ける第２の絶対値が同じになるように第１のパラメータの内、減衰比に関する減衰比パラメータを変更して第２のパラメータとする。ここで、第１サンプリング周期が０のときは第１の伝達関数は第１のパラメータから計算される連続時間系のものとする。

双一次変換を用いた手法では、まず、サンプリング周期Ｔに於いて所望の特性が得られるように、（１）式で表されるノッチフィルタの連続時間伝達関数のパラメータω_ｎ，ζ，ｄ_ｐ（ω_ｎ：抑圧角周波数，ζ：減衰比，ｄ_ｐ：深さ）を決定する。

次に、双一次変換（Bilinear transform / Tustin変換）による周波数歪みを考慮し、（２）式でプリワープ（Prewarp）後の抑圧角周波数ω_ｎＴを求め、（３）式を用いてs領域からz領域へ変換する。

上記変換によって求まる離散時間のノッチフィルタの伝達関数Ｎ［ｚ，Ｔ］は（４）式に示すようになる。

第１のサンプリング周期Ｔ_１、第１のパラメータω_ｎ，ζ_１，ｄ_ｐとして（４）式を用いて求めた第１の伝達関数の係数を、第１のサンプリング周期Ｔ_１とは異なる第２のサンプリング周期Ｔ_２でそのまま用いると、抑圧周波数がずれる。このため、サンプリング周期が変わるたびに伝達関数の係数を計算し直す必要がある。

しかしながら、第２のサンプリング周期Ｔ_２、第１のパラメータω_ｎ，ζ_１，ｄ_ｐとして（４）式を用いて求めた伝達関数の周波数特性は、図４（ａ）のゲイン特性、図４（ｂ）の位相特性に示すようになり、特にゲインを抑圧する周波数幅が第１の伝達関数の第１の周波数特性と異なるため、所望の特性が得られない。

そこで、本実施形態では、サンプリング周期が変化しても、第１の角周波数ω≠ω_ｎに於いて周波数特性がほぼ変わらないように、減衰比パラメータζをサンプリング周期によって変える。具体的には、第１のサンプリング周期Ｔ_１、第１のパラメータω_ｎ，ζ_１，ｄ_ｐとして（４）式を用いて求めた第１の伝達関数Ｎ［ｚ,Ｔ_１］の各第１の角周波数ω≠ω_ｎに於ける第１の絶対値|Ｎ[ｅ^jωＴ１,Ｔ_１]|と、第２のサンプリング周期Ｔ_２、第２のパラメータω_ｎ，ζ_２，ｄ_ｐとして（４）式を用いて求めた第２の伝達関数Ｎ［ｚ,Ｔ_２］の各第１の角周波数に於ける第２の絶対値|Ｎ[ｅ^jωＴ２,Ｔ_２]|との第１の差が、第１の角周波数が１点のときは０と、第１の角周波数が複数点のときは各第１の角周波数での第１の差の絶対値の和が最小となるように第２のパラメータの減衰比パラメータζ_２を決める。

第１の角周波数は、例えば実装上の最小深さ（量子化幅）となる角周波数範囲に他のノッチフィルタがある場合はその他のノッチフィルタの角周波数を設定し、他のノッチフィルタがない場合は、実装上の最小深さとなる角周波数を設定する。

他のノッチフィルタの角周波数に応じて設定した第１の角周波数ωに応じて、パラメータζ_２計算に近似を用いてもよい。

また、別の実施形態として、第１のサンプリング周期が０、すなわち連続時間系の場合は、第１の伝達関数を（１）式で表される連続時間の伝達関数とし、第１の角周波数に於ける、連続時間系の伝達関数の絶対値と離散時間系の伝達関数が同じになるように、減衰比に関する減衰比パラメータζをサンプリング周期によって変えてもよい。

本実施形態により、図５（ａ）のゲイン特性、図５（ｂ）の位相特性に示すように、サンプリング周期が変化しても常に所望の特性のノッチフィルタを得ることができる。ただし、ノッチフィルタの抑圧角周波数ω_ｎがナイキスト周波数に近いと、ナイキスト周波数付近が特に歪む傾向にあるため、図６（ａ）のゲイン特性、図６（ｂ）の位相特性に示すように、本実施形態を用いても乖離が生じる。このような場合は、低域への影響を低減するため第１の角周波数ωをω_ｎよりも小さくした方がよい。

以下、具体的な実施例を説明する。

（１）実施例１
１点の第１の角周波数ωに於いて、（５）式を満たす第１のパラメータの減衰比パラメータζ_１と第２のパラメータの減衰比パラメータζ_２の関係は（６）式となる。そこで、第１のサンプリング周期Ｔ_１が第２のサンプリング周期Ｔ_２とは異なるときに、ノッチフィルタとして、（６）式から求めた第２のパラメータの減衰比パラメータζ_２と、ω_ｎ，ｄ_ｐ、第２のサンプリング周期Ｔ_２を用いて（４）式により求めた第２の伝達関数を設定する。

（２）実施例２
１点の第１の角周波数ωが抑圧角周波数ω_ｎの近傍のとき、（６）式で表される第２のパラメータの減衰比パラメータζ_２を（７）式で近似する。

サンプリング周期Ｔが変化したときに本実施例で設計したノッチフィルタの周波数特性を図７（ａ）のゲイン特性、図７（ｂ）の位相特性に示す。図７では、Ｔ_１＝1/50000、Ｔ_２＝1/60000, 1/70000としている。図７から、サンプリング周期Ｔが変化したときでも所望の特性が得られることがわかる。

（３）実施例３
（６）式で表される第２のパラメータの減衰比パラメータζ_２を（８）式で近似する。

（４）実施例４
図８は、実施例４のノッチフィルタの設定処理で、ノッチフィルタが複数段ある場合の設定選択処理を示すフローチャートである。すなわち、ノッチフィルタが複数段あり、各段のノッチフィルタの抑圧角周波数をω_ｎｉ（ｉ＝１，２，…）とし、ｄ_ｐの最小値ｄ_ｐminが|Ｎ_i［ｅ^jωＴ１,Ｔ_１］|以下となる角周波数ω_ｉｌ,ω_ｉｈを算出する（ステップＳ２１）。

このとき、第１のサンプリング周期Ｔ_１に於いてｉ段目のゲインが一定値（例えば実装するときのパラメータｄ_ｐの量子化幅）以上である周波数範囲内に他の段のノッチフィルタの抑圧角周波数ω_ｎｋ, k≠i（ω_ｉｌ≦ω_ｎｋ≦ω_ｉｈ）が存在するか判断し（ステップＳ２２）、存在する場合、第１の角周波数ωをω_ｎｋとして（６）式を用いる（ステップＳ２３）。

周波数範囲内に他の段のノッチフィルタがない場合は、ω_ｎiが十分に小さいが判断し（ステップＳ２４）、小さいときは（８）式の近似を用い（ステップＳ２５）、ω_ｎiが十分に小さくないときは（７）式の近似を用いる（ステップＳ２６）。これによって少ない計算量で所望の特性が得られる。

（５）実施例５
複数点の第１の角周波数ω_１,…,ω_ｋに於いて、サンプリング周期が第１のサンプリング周期Ｔ_１とは異なる第２のサンプリング周期Ｔ_２のときに、ノッチフィルタとして、（９）式を最小にする第２のパラメータの減衰比パラメータζ_２と、ω_ｎ，ｄ_ｐ、第２のサンプリング周期Ｔ_２を用いて（４）式から求めた第２の伝達関数を設定する。

（６）実施例６
１点の第１の角周波数ωに於いて、（１０）式を満たすパラメータ第１のパラメータの減衰比パラメータζ_１と第２のパラメータの減衰比パラメータζ_２の関係は（１１）式となるので、サンプリング周期Ｔ_２で離散化するときに、ノッチフィルタとして、（１１）式から求めた第２のパラメータの減衰比パラメータζ_２と、ω_ｎ，ｄ_ｐ、サンプリング周期Ｔ_２を用いて（４）式から求めた第２の伝達関数を設定する。

（７）実施例７
１点の第１の角周波数ωが抑圧角周波数ω_ｎの近傍のとき、（１１）式で表される第２のパラメータの減衰比パラメータζ_２を（１２）式で近似する。

サンプリング周期Ｔで離散化したときに本実施例で設定したノッチフィルタの周波数特性を図９（ａ）のゲイン特性、図９（ｂ）の位相特性に示す。図９では、Ｔ_２＝1/50000, 1/60000, 1/70000としている。図９から、サンプリング周期Ｔが変化したときでも所望の特性が得られることがわかる。

なお、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…磁気ディスク装置、１０…ヘッドディスク・アッセンブリ（ＨＤＡ）、１１…磁気ディスク、１２…スピンドルモータ（ＳＰＭ）、１３…アーム、１４…ロードビーム、１５…磁気ヘッド、１６…ボイスコイルモータ、１７…ヘッドアンプＩＣ、２０…システム・オン・チップ（ＳＯＣ）、２１…マイクロプロセッサ（ＣＰＵ）、２２…Ｒ／Ｗチャネル、２３…ディスクコントローラ、２４…位置決めコントローラ、２５…メモリ、２６…パラメータ記憶部。

Claims (10)

1. ノッチフィルタの少なくとも抑圧角周波数、減衰比、深さに関する第１のパラメータと、前記第１のパラメータを設計する際に想定した第１のサンプリング周期と、を記憶するパラメータ記憶部と、
   連続時間系の伝達関数及び双一次変換を用いて前記サンプリング周期と前記パラメータとから離散時間系の伝達関数を計算する計算部と
   を具備し、
   前記計算部は、前記サンプリング周期が前記第１のサンプリング周期とは異なる第２のサンプリング周期の場合、前記第１のパラメータの内、前記第２のサンプリング周期での前記減衰比に関する減衰比パラメータを、前記第１のサンプリング周期及び第１のパラメータから計算される第１の伝達関数の第１の角周波数に於ける第１の絶対値と、前記第２のサンプリング周期及び第２のパラメータから計算される第２の伝達関数の第１の角周波数に於ける第２の絶対値とに基づいて計算して、ノッチフィルタとして前記第２の伝達関数を設定する、
   磁気ディスク装置。
2. 前記第１のサンプリング周期が連続時間の場合、前記第１の伝達関数は第１のパラメータから計算される連続時間系の伝達関数とする、請求項１記載の磁気ディスク装置。
3. 前記計算部は、前記第１の角周波数が１つのとき、前記第１の伝達関数の第１の角周波数に於ける第１の絶対値と、前記第２のサンプリング周期での第２の伝達関数の第１の角周波数に於ける第２の絶対値の第１の差が０となるように前記第２のサンプリング周期での第２のパラメータの減衰比パラメータを計算する、請求項１または２記載の磁気ディスク装置。
4. 前記計算部は、前記第２のサンプリング周期での第２のパラメータの減衰比パラメータを近似で求める請求項１または２記載の磁気ディスク装置。
5. 前記ノッチフィルタが複数段で構成されるとき、さらに前記ノッチフィルタの抑圧角周波数に基づく減衰比パラメータ計算切り替え部を備え、
   前記減衰比パラメータ計算切り替え部は、前記ノッチフィルタの抑圧角周波数に応じて事前に求められ保存されていた判断パラメータに基づき、近似を用いない計算式と複数の近似式を選択して減衰比パラメータを計算する、請求項１または２記載の磁気ディスク装置。
6. 前記減衰比パラメータ計算切り替え部は、前記ノッチフィルタの抑圧角周波数が十分に小さい時、サンプリング周期変更前のノッチフィルタのゲインが一定値以上となる周波数範囲に他のノッチフィルタの抑圧角周波数がある時、その他の時の判断パラメータを持ち、これに応じて減衰比パラメータの計算に用いる計算式を切り替える、請求項５記載の磁気ディスク装置。
7. 前記計算部は、前記第１の角周波数が複数のとき、前記第１の伝達関数の各第１の角周波数に於ける各第１の絶対値と、前記第２のサンプリング周期での第２の伝達関数の各第１の角周波数に於ける各第２の絶対値の第１の差の第１の絶対値の和が最小となるように前記第２のサンプリング周期での第２のパラメータの減衰比パラメータを求める
   請求項１または２記載の磁気ディスク装置。
8. 前記計算部は、前記ノッチフィルタが複数段あるときに、段毎に前記第２のサンプリング周期での第２のパラメータの減衰比に関する減衰比パラメータを求める
   請求項１または２記載の磁気ディスク装置。
9. 磁気ディスクに記録される位置情報のサンプリング周期が変化する磁気ディスク装置に用いられ、前記サンプリング周期とノッチフィルタの少なくとも抑圧角周波数、減衰比、深さのパラメータとから、双一次変換を用いて伝達関数を計算して前記ノッチフィルタを設定する方法であって、
   前記サンプリング周期が第１のサンプリング周期とは異なる第２のサンプリング周期となったときに、第１のパラメータの内、前記第２のサンプリング周期での前記減衰比に関する減衰比パラメータを、前記第１のサンプリング周期及び第１のパラメータから計算される第１の伝達関数の第１の角周波数に於ける第１の絶対値と、前記第２のサンプリング周期及び第２のパラメータから計算される第２の伝達関数の第１の角周波数に於ける第２の絶対値とに基づいて計算したものを第２のパラメータとし、ノッチフィルタとして前記第２の伝達関数を設定する、磁気ディスク装置のノッチフィルタ設定方法。
10. 前記第１のサンプリング周期が連続時間の場合、前記第１の伝達関数は第１のパラメータから計算される連続時間系の伝達関数とする、請求項９記載の磁気ディスク装置のノッチフィルタ設定方法。

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