JP2589692B2 - 回転記憶装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 A.産業上の利用分野 本発明は適応制御に関し、具体的には、閉ループ制御
および開プール制御を選択的に遂行するシステムにおい
て、閉ループの性能を変えることなく開ループの性能、
すなわち正利得、を環境変化に合せて動的に変更できる
適応制御機能付きの回転記憶装置に関する。

B.従来の技術 本発明は、磁気ハード・デイスク・データ記憶フアイ
ルに関して図示し説明するが、大部分の動的な電気／機
械システムの制御に適用できる。動的システムでは、装
置を製造する際の許容誤差、その装置の組立的や構成要
素によるばらつきが出る。動的システムは、また、温
度、湿度などの環境条件や動作サイクル内での位置など
の操作条件の結果、動作が変化することがある。最後
に、動的システムでは、老朽化や磨耗のためにばらつき
が出る。

製造上の許容誤差と構成要素のばらつきは、工場での
微調整によって補償される。しかし、これらの微調整に
よる補償は部分的にしか有効ではない。それは、こうし
た製造時の微調整によっては、動作条件や環境条件など
多くの後発的な他の要因による機構要素の変化に適応さ
せることができないからである。さらに、システムは、
初期操作、または、ならし運転によって変化するので、
製品の寿命に初期変化をもたらすことを考えると、老朽
化と磨耗も１つの要因になる。

本発明を図示し説明する環境は、剛性磁気デイスク・
データ記憶装置用の、ボイス・コイル・モータにより駆
動されるアクチュエータである。これらの装置は、半径
方向に2.54cm当り1,000本以上のトラツクおよび円周方
向に2.54cm当り12,000ビツト以上の情報ビツト密度を必
要とする仕様に適合するには、高い精度が必要である。
この高い精度は、最悪の場合の機械構成要素および電子
回路上の構成要素の許容誤差、操作環境および製品の寿
命のある間に受ける磨耗に合わせて設計しても実現でき
ない。

磁気変換器を担持するアクチュエータは、ばらつきの
出る数多くの機構要素を含む電気機械装置である。ヘツ
ドは磁気コアの幅やギヤツプの長さなどのばらつきのあ
る機械的パラメータを有する。ばらつきのあるパラメー
タの他の例としては、読取り回路中の復調器の利得、ア
クュエータの機械力定数、デイジタル−アナログ変換利
得、アナログ−デイジタル変換利得、アクチュエータの
前置ドライバの利得、パワー・ドライバの利得などが擧
げられる。外見上同一のアクチュエータ相互間の質量の
ばらつき、サンプリング周期およびトラツクのピツチも
調整されなければならない。これらのパラメータはすべ
て、温度、湿度、磨耗および初期許容誤差などの要因の
ため、変化を受ける。

これらの問題を克服するのに利用できる１つの手段
は、性能基準を許容基準にやっと到達する最も能力の低
い装置の性能基準に制限することである。もう１つは、
構成要素の失格率とコストが高くなるものの、厳格な許
容誤差を保持することによってすべての装置のレベルを
上げることである。

本発明の適応制御システムは無磨耗システムに適用で
きる。現実に磨耗のまったくない装置やシステムはない
けれども、ここで使用する無磨耗という言葉は、磨耗が
装置（図示してある実施例におけるデイスク駆動アクチ
ュエータ往復台）を駆動するのに使用される力の中で非
常に小さな要因であり、性能の要素としては無視できる
ようなシステムのことを言う。すなわち、磨耗は、正利
得要因の小さな誤差位置しか占めてないので無視でき
る。

直接アクセス磁気デイスク駆動装置の性能を最適化す
るため（すなわち、シーク停止時間を最小にするた
め）、任意の時点でのアクチュエータの電気機械的パラ
メータをできるだけ正確に知る必要がある。デイスク装
置は、性能が最高になるように製造時に微調節できる
が、時間が経つにつれて磨耗が発生したり温度や湿度が
変わるので急速に微調節が外れてくる。したがって、制
御システム自体がパラメータの変化を監視し、制御機構
を更新してアクチュエータの動的状態を最高の性能に維
持することが重要である。

C.発明により解決すべき問題点 本発明の一つの目的は、装置が寿命のある間最適性能
をもたらす動的システムの適応制御機能を有する回転記
憶装置を提供することにある。

本発明のもう一つの目的は、同じ設計の装置間でばら
つきの小さな均一な性能を実現する適応制御システムを
有する回転記憶装置を提供することにある。

本発明のもう一つの目的は、装置のコストを下げるた
め構成要素の許容誤差要件があまり厳密でない動的装置
制御システムを有する回転記憶装置を提供することにあ
る。

本発明の一つの目的は、閉ループ制御性能の微細調節
のための現場での保守を必要としない動的システムを有
する回転記憶装置を提供することにある。

本発明のもう一つの目的は、制御ループ性能が、ルー
プの正利得に影響を及ぼすパラメータ定数の変動に影響
されない動的システムを有する回転記憶装置を提供する
ことにある。

本発明の一つの目的は、制御ループの正利得の経時変
化を追跡して潜在的なシステムの問題を予測するための
診断情報を生成する動的システム制御機能を有する回転
記憶装置を提供することにある。

本発明の一つの目的は、組立体の各変換器ヘツドの個
別的制御の正利得値を生成する磁気デイスク駆動アクチ
ュエータ用の動的システムの制御を行なう回転記憶装置
を提供することにある。

D.問題点を解決するための手段 本発明の回転記憶装置は、ボイス・コイルを有し、変
換器を１つのトラツク位置から他のトラツク位置へ移動
させるためのアクチュエータと、 前記ボイス・コイルへ供給されるコイル電流に比例し
た信号および前記変換器からの位置誤差信号を、各々、
入力として受理して速度エステイメーシヨン機能の下に
前記アクチュエータの移動速度およびバイアスの力を推
定する機能を有すると共にオンライン調整可能な利得係
数を有するエステイメータと、 オンライン調整可能な利得定数を有し、前記エステイ
メータからのアクチュエータ速度の推定値に応答してア
クチュエータの移動を制御するための制御手段と、 選択信号の制御の下に、前記コイル電流比例信号およ
び前記位置誤差信号を、各々、入力として受理して正利
得エステイメーシヨン機能の下にアクチュエータ開ルー
プの正利得を推定するための手段と、 アクチュエータ開ループ制御に関して予め定められた
公称正利得と前記推定利得との差が所定レベルを越える
とき発生される誤差信号に応答して前記制御手段および
速度エステイメータの前記各利得定数を調整するための
手段とを含む。

本発明は、アクチュエータ制御機構自体がパラメータ
変動を自分で微調整できる機能を組み込んだ制御システ
ムを実施形態として教示するものである。剛性磁気デイ
スク駆動制御ハードウエアに関する物理的測定によれ
ば、パラメータのエステイメーシヨン（以下、推定とも
呼ぶ）精度は、±４％以内である。

機械システムの正利得算定用の各パラメータを測定す
るには多くの方法がある。本発明の方法は、マイクロプ
ロセツサによる実施形態に最も適した簡単な測定技術で
あることがその特徴である。その結果、高い精度と再現
性が達成され、システムに外部信号を追加する必要はな
く、電気機械システム全体の合成効果が得られる。個別
の磁気デイスク駆動アクチュエータ用のサーボ制御シス
テムの正規化された閉ループ正利得G1は、下記のパラメ
ータを含む多くのばらつきのあるパラメータに基づいて
計算される。

a.磁気コアの幅やギヤツプの長さなどヘツドのパラメー
タ b.復調器利得 c.アクチュエータの機械力定数 d.アナログ−デイジタル変換利得およびデイジタル−ア
ナログ変換利得 e.アクチュエータの前置ドライバとパワード・ドライバ
の利得 f.アクチュエータの質量 g.サンプリング周期（セクタ時間） h.トラツク・ピツチ こうしたパラメータはどれも多少なりとも温度、湿
度、初期許容誤差などとともに変化する。たとえば、異
なるヘツドでアクセスすると、異なる利得定数（たとえ
ば、k1、k2、k4）が得られる。

デイスク駆動アクチュエータ用のサーボ制御システム
の開ループ正利得の推定は、通常20ミリ秒未満のシーク
動作中、50ミリ秒以下の短い休止期間の任意の時間に実
行できる。この方法は、摩擦がないものと仮定して、ト
ラツク・ピツチおよびサンプリング周期に関して正規化
した線形運動の離散時間方程式から始まる線形部分（す
なわち、中距離シークの場合の非飽和パワードライバ領
域）に適用する。

位置誤差信号（PES）の連続測定とマイクロプロセツ
サが出す連続制御コマンドに基づいて正規化開ループ正
利得G1（以下、単に正利得とも呼ぶ）を計算できるの
で、正利得の推定は容易である。しかし、正利得の正確
な推定は、駆動アクチュエータがトラツクを追跡中の閉
ループ制御中および開ループ制御であるシーク・モード
中の加速段階の開始時においては、達成できないことに
注意されたい（この期間中は正確な位置測定が不可能の
ため）。正確な測定が行なわれるのは、加速段階のうち
で、アクチュエータがその最も直線的な特性を示し、か
つ依然として開ループ・モードにあるときである。この
時点は、閉ループ・モードである定速度モードまたは減
速モードに到達する直前の時期である。

正利得が推定されると、後述のように、制御機構利
得、定数（k1、k2、k4）、エステイメータ方程式および
シーク・プロフアイル・テーブルを更新して、動作条件
を最適化することができる。これにより、パラメータの
変化によって影響を受けない最上の性能がもたらされ
る。こうした制御機構利得定数の更新は、計算、または
テーブル・ルツクアツプ機能による単純利得のスケジユ
ール化によって行なわれる。

E.実施例 下記の分析では、電気機械システムの制御機構とし
て、デイジタル制御デイスク・フアイル・アクチュエー
タ用のサーボ制御システムについて説明する。その機能
は、フアイルの読取り／書込みヘツドの位置を制御する
ことである。このシステムは、アクチュエータ駆動用パ
ワードライバ回路とヘツド信号（アナログ信号）処理電
子回路以外は全くデイジタル・システムであり、環境変
化を補償することができ、通常アナログ・ループに関し
て発生する構成要素の許容誤差ないしドリフトの問題は
ない。

E1.制御システム／エステイメータの一般的説明 まず、制御システムの詳細をその２つの基本的動作モ
ードであるトラツク追跡とシークに関して説明する。ト
ラツク追跡は、閉ループ制御の下に目的のトラツク上に
変換器ヘツドを保持し、シークは、開ループ制御の下に
他のトラツクからから目的のトラツクにヘツドを移動さ
せるものである。移動速度は測定できないが、後述する
ように、当業者によく知られているカルマン（KALMAN）
のエステイメータ理論を実行するエステイメータを使っ
て計算される。この計算値が速度の推定値である。

アクチュエータの関連説明も行なう。システムのパラ
メータおよびサーボ制御システム自体がどのようにして
自動的に変化に適応するかを説明する。最後に、切捨て
の分析を説明し、有限デイジタル語長の効果がどのよう
にシステムに影響を与えるかを示す。

制御技術は、先ず、何を制御するかから始まらなけれ
ばならない。本実施例では、アクチュエータのモデルと
して、連続時間領域における２重積分器を使う。制御シ
ステムがセクタ・サーボ・システムである。次に、離散
時間領域におけるエステイメーシヨンの記号方程式につ
いて説明する。

離散時間における状態空間のエステイメーシヨン方程
式によれば（ｋ＋１）セクタにおける各変数の推定は現
セクタｋを基準にして下記の通りである。ただし、ｋは
現セクタ、ｋ＋１は次に続くセクタであり、また、G1お
よびG2はアクチュエータ組立体全体の正規化開ループ正
利得を表わしており、G2＝2G1の関係を有する。

χ１（ｋ＋１）＝χ１（ｋ）＋χ２（ｋ）＋（G1）χ３
（ｋ）＋（G1）ｕ（ｋ） （１） χ２（ｋ＋１）＝χ２（ｋ）＋（G2）χ３（ｋ）＋（G
2）ｕ（ｋ） （２） χ３（ｋ＋１）＝χ３（ｋ） （３） この記述では、状態変数χ１、χ２、χ３が正規化さ
れていることに注意すべきである。測定単位または正規
化単位は下記の通りである。

このシステムでは、ｕはコイル電流Ｉに正比例するこ
れは、ドライバ・システムが、飽和動作時を除いて、電
流ドライバとして動作するためである。飽和状態が起こ
るのは、電流が極めて大きな変化を行ない、コイルの立
上り時間が効果を現わすときである。通常は、これはシ
ークの初めと中頃だけである。上記の組の単位は、方程
式（１）における速度χ２とサンプリング周期またはセ
クタ時間Ｔとの乗算を行なわなくてもよいという利点が
ある。このパラメータ（Ｔ）は、システム中の他のすべ
てのパラメータと共に、G1とG2に組み込まれる。この単
位組では、2G1＝G2の関係を有することも判明してい
る。この単純化は、システムをパラメータ変化に適応し
やすくするのに重要である。したがって、G2は次式で表
わされる。

ただし、各パラメータは下記のように定義される。

gm 前置ドライバ／ドライバの相互コンダクタンス
（アンペア／ボルト） kf アクチュエータの力の定数（ニユートン／アンペ
ア） T セクタ時間（秒） Tpm トラツク・ピツチ（トラツク数／メートル m アクチュエータ移動質量（kg） 残余のパラメータは復調器利得（単位もボルト／トラ
ツク）であることに注意すべきである。このパラメータ
が省略されているのは、本装置では、これが常に１であ
るからである。

サーボ・システムで得られる上記システムの測定値
は、サーボ・トラツクからの位置誤差信号（PES）だけ
である。この位置誤差信号は、上記エステイメーシヨン
方程式（１）中のχ１に、ほぼ、等しい。しかし、セク
タ（ｋ＋１）におけるχ１およびχ２の推定、すなわち
χ１（ｋ＋１）およびχ２（ｋ＋１）、を算出するには
セクタｋにおける速度χ２（ｋ）の値も必要になる。こ
の値は、測定値ではないので、推定しなければならな
い。速度χ２（ｋ）を推定するために、位置の測定値χ
１（ｋ）、コイル電流値に基づいてプロセツサにより計
算された加速度ｕ、およびシステムの特性値を使用する
速度エステイメータ56（第３図）がプロセツサにより構
築された。

このエステイメータは、理論的には、χ１の推定も可
能であり、したがって、χ１の測定に付随するノイズの
混入を防止できるという意味で、「減次」型エステイメ
ータの範疇に属する。しかし、実際には、χ１に相当す
るトラツク位置誤差信号（PES）の測定が良好に達成で
きるので、χ１の推定は必要ではない。したがって、速
度およびバイアスに関する推定の減次エステイメータが
使用される。

この説明では、現在のセクタをセクタｋ＋１で表わ
す。

エステイメータ56（第３図）により使用されるエステ
イメーシヨン方程式は下記の通りである。

χ２（ｋ＋1|k＋１）＝χ２（k|k）−（G2）χ３（k|
k）＋（G2）ｕ（ｋ）＋L2［χ１（ｋ＋１）−χ１
（ｋ）− （G1）χ３（k|k）−χ２（k|k）−（G1）ｕ（ｋ）］
（４） χ３（ｋ＋1|k＋１）＝χ３（k|k）＋L3［χ１（ｋ＋
１）−χ１（ｋ）−（G1）ｕ（ｋ）− （G1）χ３（k|k）−χ２（k|k）］ （５） この各式中の変数χ２およびχ３は次のように定義され
ている。

χ２（ｋ＋1|k＋１）は、現在のセクタ（ｋ＋１）に
おける測定値、すなわちPES（ｋ＋１）、を使用して速
度エステイメータ56（第３図）により計算された現在の
セクタ（ｋ＋１）における速度の推定値を表わす。同様
に、χ３（ｋ＋1|k＋１）は、速度エステイメータ56に
より計算された現在のセクタ（ｋ＋１）におけるバイア
ス力の推定値である。L2、L3は、フイルタ係数、すなわ
ち利得定数である。これは、エステイメータ56のフイル
タ特性およびレスポンス速度を決定する。これらの各フ
イルタ係数L2およびL3は、アクチュエータの製造時の較
正時に実測された値または平均的な計算値が公称値と呼
ばれており、この各公称係数値がデイスク記憶装置の非
揮発性メモリに記憶されていて、較正動作モードが選択
されると制御システムをこの公称値レベルにブーススト
ラツプするのに使用される。

このように、速度変数の推定値χ２（ｋ＋1|k＋１）が
プロセツサ内ですべての制御方程式として上記エステイ
メーシヨン式（２）による推定値χ２（ｋ＋１）の代り
に使用されるが、それは、χ２（ｋ＋１）がアクチュエ
ータから直接測定されないからである。バイアス力の推
定値χ３（ｋ＋1|k＋１）は、エステイメータ内で、χ
２（ｋ＋1|k＋１）がそこに無い場合に発生するχ２
（ｋ＋1|k＋１）のバイアスを削除するためにのみ使用
される。「分離原理」と呼ばれる制御理論中に、エステ
イメータと制御法則を独立に設計できるという格言があ
り、エステイメータと制御法則が組み合わされたときと
同じに働く。すなわち、上記のエステイメータ56は、後
述する制御系の設計とは無関係に設計できる。実際に
は、上記の方程式は制御方程式と組み合わされ、PESの
測定値とコイル電流の出力の間で乗算と加算が一回づつ
ですむように整理される。これは、システムの位相余裕
を高く保ち、停止を滑かにするのに重要である。

次に制御系に関して言及する。トラツク追跡モードの
目的は、一定のバイアスの力、外部振動、測定信号の不
均衡とノイズによるスピンドルの揺れなどの乱れが存在
する際に、ヘツドを所定のトラツク上に保持することで
ある。このモードは、（状態空間制御の意味で）３つの
状態に重みをつけ、それらを加えてコイル電流を生成す
ることによってそれを行なう。重みの選択によって、ル
ープの特性が決まる。これら３つの状態は次のように定
義される。

χ１（ｋ＋１） 位置 ほぼPES（ｋ＋１）に
等しい。

χ２（ｋ＋1|k＋１） 速度 エステイメータによって
計算される。

χ４（ｋ＋１） 積分位置 積分位置を計算する方程式は、 χ４（ｋ＋１）＝χ４（ｋ）＋χ１（ｋ） （６） である。この積分計算は積分器58（第３図）により遂行
される。

すなわち、χ４は位置χ１を順々に合計したものであ
り、したがってχ１の任意の平均オフセットは、最後に
は、必ずゼロになる。それが起こる速さは、状態χ４の
重みづけによって決まる。したがってトラツク追跡中の
コイル電流の方程式は、 ｕ（ｋ）＝−（k1）χ１（ｋ）−（k2）χ２（k|k）−
（k4）χ４（ｋ） （７） で表わされる。方程式（７）における係数k1、k2、k4
は、制御機構の変更可能な利得定数であり、第３図にお
いて右上りの矢印で可変機能を表わした乗算器ブロツク
内に示されている。これらの各利得定数は、前述したフ
イルタ係数と同様に、アクチュエータ組立体の製造時の
較正時に実測された値または平均的な予め計算された値
を有し、これを公称値と呼んでいる。この公称値のk1、
k2、k4は、較正動作モードの開始時にシステムに初期値
としてロードされる。これらの各定数k1、k2、k4は環境
条件、経年などにより変化するので、後述するように、
較正モードの間、正利得エステイメータ62の出力および
公称正利得値との誤差信号に応じて修正される。

式（７）における利得定数k1、k2、k4の選択は、極配
置方法と周波数応答基準によって決まる。目的のシステ
ムの極にもたらされるｋを決定する公式と計算方法は、
フランクリン（Franklin）とパウエル（Powell）の「動
的システムのデイジタル制御」（Digital Control of D
ynamics Systems）、アジソン−ウエズリー出版社（Add
isoN-Wesley Publishing Company）、1980年、などのテ
キストに掲載されている。

シーク・モードの目的は、できるだけ迅速にトラツク
間でヘツドの移動を行なうことである。このモードに
は、ヘツド停止時間、コイル電流立上り時間、共振励起
など多くの考慮事項がある。シーク・モードは、「シー
ク・プロフアイル」上のデータに基づいてヘツドを移動
させるように設計されている。シーク・プロフアイルと
は、目的トラツクへの接近距離の関数として目標速度を
予め設定し（たとえば、目的トラツクに近づくにつれて
目標速度を減少させる）、これらの相関関係を記録しプ
ロセツサに内蔵されたテーブルを指称する。プロセツサ
内においてこのプロフアイル・テーブル上の速度から推
定速度が差し引かれて正味の速度が算出され、これに上
記係数k1を乗算して目的のコイル電流を得る。このよう
に、シーク・モードでは、コイル電流の方程式は、 ｕ（ｋ）＝＋kv［Profile（χ１（ｋ）−χ２（k|k）］
−（k4）χ４（ｋ） （８） で表わされる。

シーク・プロフアイルは、実際には、目標トラツクま
での移動距離（トラツク幅単位の距離）を使ってアクセ
スされるが、これは基本的に位置変数χ１（ｋ）のモジ
ユーロ値である。式（８）の最初の項では、プロフアイ
ルを追跡するのに必要な電流が計算され、第２項では、
予想されるバイアス力を打ち消すためそれに定数を加え
る。バイアス力の取扱いに関する注釈は、方程式（８）
の最後の項の説明を含んでいる。定数kvは利得定数であ
り、停止中の過渡的運動を最少限に抑えるためトラツク
追跡モードからのk2に等しく設定される。

ヘツドが目標のトラツクから非常に離れているとき、
ｕ（ｋ）を計算すると、駆動システムの飽和値を限度と
する極めて大きな数になる。したがって、アクチュエー
タは、できる限り迅速に加速する。ひとたび、位置／速
度の組合せがプロフアイルに到達すると、制御システム
は線形モードに入り、目標トラツクまでプロフアイルを
追跡する。シーク特性の大半は、プロフアイルの周知の
設計によって制御できる。第１段階は、プロフアイルの
減速中にどの程度の電流がコイル中で必要なのかを決定
することである。次に、この電流が（数値シミユレーシ
ヨン・プログラムで）２度積分され、位置と速度が得ら
れる。この位置と速度から、次いで、プロフアイル・テ
ーブルがつくられる。このようにして、任意の電流波形
について、プロフアイルを数値で生成できる。この電流
は、次の要因を考慮に入れなければならない。

Vps 電源電圧 Rcoil コイル抵抗 Vec ドライバ飽和電圧 Re エミツタ・センス抵抗 kf 力の定数 公称コイル電流を得るための方程式は、次の通り表わさ
れる。

この電流値は、バイアス力を抑えるのに必要な量だけ
減少される。したがって、アクチュエータはシークする
のに必要な電流の量を得て、さらに、バイアス力がシー
ク方向の反対に作用している場合その力を打ち消す。シ
ークの終りの最後の数セクタで電流をさらに減少させる
ことにより、電流遮断時におけるコイル・インダクタン
スによる過渡電流を抑制することができる。これには、
急跳が抑えられるのでシークの終りでの共振の励起が減
少するという別の利点もある。

プロフアイルは、最小限の加速変動動作でアクチュエ
ータの制御をトラツク追跡モードに受け渡すように、設
計されている。すなわち、シークモードの最終段階で
は、トラツク追跡モード固有ベクトルに沿って移行する
ように、プロフアイルが設計されているので、アクチュ
エータは、トラツクの直前では、固有ベクトルに沿って
追跡することになる。この移行が起こるのは、ここで説
明するシステムでは、目標トラツクの中心線から0.15倍
のトラツク幅の所である。

プロフアイルについては考慮しなければならないもう
一つの要因は、短いシークの際の行き過ぎの問題であ
る。アクチュエータがプロフアイルを通り過ぎるのは、
主に、計算の遅れ、切換えの遅れ、およびコイル電流の
立上り時間のせいでアクチュエータが加速しているとき
である。長いシークのときは回復するのに充分な時間が
あるため、これは問題にはならない。しかし、短いシー
クでは、そのために目標トラツクをかなり行き過ぎてし
まうこともある。これを処理する１つの方法は、プロフ
アイルを予測し、当該の遅延を知って事前に電流を切る
ことである。しかし、これには、シーク中に余分なマイ
クロプロセツサによる計算時間が必要であり、また予測
量はシークの長さに依存する傾向がある。訂正し過ぎる
と、アクチュエータは目標にとどかない。これに対する
１つの方法は、プロフアイルを設計中にシークの最後の
２−４ミリ秒の間電流を減少させることであろう。こう
すると、その領域に余分の上方空間が確保され、短いシ
ークがより迅速に回復される。この方法では、長いシー
クの場合、シーク時間は僅かに増加するが、試験による
と、増加量は非常に小さい。電流の減少の規模と長さ
は、試行およびシミユレーシヨン・プログラムの使用に
よって設計される。シークの長さがどのくらいであれば
行き過ぎの問題が起こるか、およびその減速電流時間を
知ることが、出発点となる。この方法の主な利点は、プ
ロセツサ時間の点で自由なことである。

プロフアイルが生成された後、プロフアイル中の各デ
ータは、プロセツサにロードするのに適した可変位置刻
みの解像度（精度）でテーブルに変換される。その目的
は、アクチュエータが目標トラツクから離れているとき
にはテーブル中で高精度が必要ではないが、シークの終
端付近では極めて高い精度が必要なことである。これに
よって、プロフアイルを記憶するのに必要なメモリ空間
を約8,000語から300語に削減できる。その結果、目標ト
ラツク近傍のデータに関するテーブルの精度は、１トラ
ツク幅の1/32倍の高精度であるが、目標から500トラツ
ク離れた位置では、精度は８トラツクとなる。精度は、
目標トラツクに接近するにつれて段階的に増大する。

これまで記述したプロフアイルの設計、生成、ローデ
イングなどは、よく知られている手法であり、本発明の
要部ではないので、これ以上の説明は省略する。

一般に、アクチュエータには、一定の力学的な力の発
生源がいくつかある。それらの力は、「バイアス」とい
う言葉でまとめられ経時的には変化しない力である。し
かし、それらはヘツドの半径方向の位置に応じて変化す
る。これらの力の例としては、デイスク回転により生じ
る動力学的な空気流の半径方向成分、デイスク面の傾
き、アクチュエータに接続された可撓性ケーブルのバイ
アス力およびドライバ回路中の電気的オフセツトなどが
ある。前述のように、トラツク追跡モードの間、これら
のバイアスは、前記方程式（５）を用いてエステイメー
タ56内で測定され、制御機構中の積分位置χ４によって
打ち消される。しかし、それらのバイアスは半径に応じ
て変わるので、シークの実施中に特別な初期設定を行う
必要がある。

デイスクは、半径方向において各々が32本のトラツク
から成る43個の等しいバンドに分離され、各バンド内に
バイアスに関するデータが予め記憶されているので、所
定のバンドへのシークが実行されるとき、デイスクは迅
速にその記憶データ値に初期設定される。最初に、すべ
てのバンドがゼロに設定される。バイアス力がゼロとは
大いに異なっている場合、所定のバンドへの最初のシー
クはあまり迅速に停止できない。アクチュエータが所定
のバンドを離れるとき、χ４の値がそのバンド用のメモ
リに記憶される。速度エステイメータ56からバイアスχ
３が、常時、出力されているので。それを記憶する必要
はないが、シークモードの間、積分位置χ４が目標トラ
ツクから遠く離れており、意味がない。したがって、シ
ークの間は積分しない。積分位置χ４はシークの始めに
目標バンドの記憶値によって初期設定され、定数として
シーク・コイル電流に加えられ、積分動作がオンに戻る
のに充分なほどヘツド停止するまでバイアスが抑えられ
る。

制御システムに使用される数の位取りは、プロセツサ
内で固定小数点演算によってもたらされるエラーが大き
くなり過ぎないようにするのに重要である。この実施例
で使用される復調器は11ビツト数としてPESを生成す
る。最初の２ビツトは整数のトラツク番号であり、下位
９ビツトは、トラツクの少数部分である。プロセツサ内
では、すべての数は、長さ16ビツトであり、少数部分は
長さ10ビツト符号ビツトを含めて整数部分は６ビツトで
あるかのように取り扱われる。誤差を最小にするために
特別の位取りが行なわれる領域が２つある。

1.ドライバ回路は、精度が最大になるよう高利得と低利
得の間で切り換えられる。高利得は、大きな電流が必要
なシーク・モードで使用される。低利得は、精度が重要
なトラツク追跡で使用される。どちらの場合でも、利得
を正規化するのに定数が使用される。ドライバはわずか
８ビツトでプロセツサは16ビツトなので、正規化を行な
っても位取りの目的は妨げられない。

2.エステイメータ中の変数のうち２つが、トラツク追跡
中に16倍に拡大される。それらの変数とは、速度χ２
（k|k）と推定バイアスχ３（k|k）である。この２つの
変数はトラツク追跡中に非常に小さくなるので、各種の
計算でそれらの変数を切り捨てると、性能に悪影響が及
ぶ。バイアスは外部では使用されないので、元に戻す必
要はない。速度は、単にk2を16で割って元に戻されるの
で、コイル電流に及ぼす速度の全体的効果は正確であ
る。

システムの性能を向上させるには、エステイメータお
よび制御機構に関する方程式を整理して組み合わせ、サ
ンプリング時間からコイル電流の出力までの間の遅延を
最小にする。シークもトラツク追跡も、同じやり方で整
理できる。

下記に示す３つの方程式は、フランクリンとパウエル
（前掲）の第６章に記載されている方程式である。

1.χ（ｋ＋1|k）＝Ｆχ（k|k）＋Gu（ｋ） 6.38a 2.χ（ｋ＋1|k＋１）＝χ（ｋ＋1|k）＋Ｌ［ｙ（ｋ＋
１）−Ｈχ（ｋ＋1|k］ 6.38b 3.u（ｋ＋１）＝−ｋχ（ｋ＋1|k＋１） 6.55 （ただし、χ（ｋ＋1|k）は、セクタｋにおける測定値
に基づいてセクタ（ｋ＋１）における変数χの投影値を
表わす。

方程式（２）に方程式（１）を代入すると下記のよう
になる。

4.χ（ｋ＋1|k＋１）＝［F-LHF］χ（k|k）＋［G-LHG］
ｕ（ｋ）＋Ly（ｋ＋１） さらに方程式（３）に方程式（２）を代入すると下記
のようになる。

5.u（ｋ＋１）＝−Ｋ｛［F-LHF］χ（k|k）｝−Ｋ｛［G
-LHG］ｕ（ｋ）｝−KLy（ｋ＋１） 方程式（５）を再定義すると下記のような結果にな
る。

6.u（ｋ＋１）＝Cadd＋Cmult y（ｋ＋１） （ただし、Cadd＝−Ｋ｛［F-LHF］χ（k|k）｝−Ｋ
｛［G-LHG］ｕ（ｋ）｝、およびCmult＝−KL） 上記６に記述したように、「電流」エステイメータの
方程式を整理すると、エステイメータ−制御機構の出力
を信号ｙの入力に比べて迅速に行えなることである。信
号ｙの入力と信号ｕの出力の間でCaddを計算する必要は
ない。Caddは、信号ｙの入力前に独立して計算すること
ができる。Cmultも信号ｙの入力前に独立して計算する
ことができる。すなわち、信号ｙを入力し、それにCmul
tを掛けて、Caddに加えることにより、出力が生成され
る。

容易に適応させることができる２つの重要なパラメー
タがある。一つは、シーク中にだけ重要な電源電圧であ
り、もう一つは、シークとトラツク追跡の両方に重要な
正規化開ループ正利得G1（またはG2）である。

電源電圧は、プロセツサ・チツプに組み込まれたアナ
ログ−デイジタル変換器によって測定される。これは、
較正中に読み取られ、プロフアイルを修正するのに使用
される。動的シミユレーシヨン言語（DSL）プログラム
を使って、プロフアイルを生成するテストで、24ボルト
の電源が１％変動すると、目標トラツクまでの所定の距
離の間プロフアイルの速度が約４％変化することが判明
した。シーク動作中各セクタ毎に、サーボ・プロセツサ
が、測定した電源の値に基づいてプロフアイル速度を修
正することができる。電源電圧はトラツク追跡モードに
は影響を及ぼさない。

パラメータG1の方が測定がやや難しい。G1の測定に
は、シークの加速段階中に測定が行なわれるように特別
なシークの実行が必要である。その加速段階の間、相次
ぐセクタ（ｋ−１）および（ｋ）における各コイル電流
ｕが分かるようにするために、非飽和動作領域のドライ
ブ電流をシーク・コマンドに基づいてコイル・ドライバ
に印加しなければならない。次に、相次ぐ３つのセクタ
（ｋ−１）、（ｋ）、および（ｋ＋１）の上で各ヘツド
位置が測定される。これらのコイル電流値およびヘツド
位置信号（PES）値を用いて平均的な正利得G1が次式に
より計算されて正利得の推定値になる。

この方程式（10）は、χ３（ｋ）＝０と仮定し、方程
式（１）および（２）において、セクタ・インデックス
ｋを１だけ減数して得られた各方程式（１′）および
（２′）を元の方程式（１）および（２）から減算し、
次に置換することにより数学的に誘導される。

前述したフイルタ係数L2、L3ないし利得定数k1、k2、
k4と同様に、正規化正利得G1についても、また、アクチ
ュエータの組立時の較正時に実測された値または平均的
な予め計算された値が存在し、これを公称正利得Giと呼
んでいてプロセツサ・メモリ内に予め記憶しており、較
正モードの開始時にシステムに初期値としてロードされ
る。

較正モードの間、各コイル電流および各位置測定に基
づいて前記式（10）を用いてG1は、ヘツドをデイスク中
心に近づける向きのインバウンド・シークで１度計算さ
れ、さらにデイスク中心から遠ざける向きのアウトバウ
ンド・シークで１度計算され、その平均がとられる。こ
れにより、バイアスの力の影響が打ち消される。これら
の動作は、正規化正利得エステイメータ62（第３図）に
より遂行される。この正利得エステイメータは、プロセ
ツサ45（第２図）との協同作用の下に正規化正利得G1お
よび公称正利得Giを比較してその利得差を計算し、その
利得差が所定値を越えるとき、利得エラー信号を発生す
る機能を含んでいる。この利得エラー信号に応じて、制
御機構の利得定数k1、k2、k4および速度エステイメータ
56のフイルタ係数L3が修正されて制御機構の利得および
速度エステイメータの利得が更新される。これらの各利
得定数は、たとえば、次の通り修正される。

（ａ）制御機構に対しては： k1＝Gi×k1の公称値/G1 k2＝Gi×k2の公称値/G1 k4＝Gi×k4の公称値/G1 （ｂ）速度エステイメータに対しては： L2＝L2の公称値＝G1とは無関係 L3＝Gi×L3の公称値/G1 前記のようにL2を除くすべての利得定数が正利得の推
定値G1に逆比例することが分かるであろう。これらの利
得定数の修正により、アクチュエータの開ループ系利得
を一定に維持しながら、開ループ系利得を変更すること
ができる。

電源電圧の変化の場合と同じ手法を用いて、G1が１％
変化するとプロフアイル速度が５％変化することが決定
された。トラツク追跡の場合、G1が１％増加すると、す
べてのｋ（k1、k2、k4）が１％減少する。このため、ト
ラツク追跡モードでの設計点でシステムの閉ループの極
が保持される。

シークには影響を及ぼすがトラツク追跡には影響しな
いもう一つの要因は、コイルの抵抗である。これに関す
る初期許容誤差はほとんどないが、温度により最高30％
まで変化する。サーボ・プロセツサによるオンラインで
の測定は非常に困難なので、この特定のパラメータの最
悪の場合を計算に入れて、曲線には十分な安全性が組み
込まれている。

サーボ・プロセツサ内では、すべての演算は16ビツト
の精度で行なわれる。したがって、乗算が行なわれるた
びに、答えを切り捨てるかまたは四捨五入する必要があ
る。駆動コマンドｕ（ｋ）もデイジタル・アナログ変換
器が８ビツトの幅しかないので、16ビツトから８ビツト
に減少させられる。こうした操作が実行されるとき、そ
れぞれ誤差が導入される。その後、それらの誤差がルー
プ内を回って、性能に影響を及ぼす。閉ループ・システ
ムを打切り誤差を表わす外部入力をもつものとして取り
扱うのが基本的な考えである。それには、システムを分
析して打切り誤差の影響を決定し、それを確率分布に割
り当てることを含んでいる。その後、これらの打切りの
影響による位置誤差の標準偏差が計算される。得られた
位置誤差の標準偏差は、約３マイクロ・センチメートル
である。これは、システムの他の誤差に比べると極めて
小さい。

E2.実施例の細部の説明 次に、本発明の実施例の細部を図面を参照して説明す
る。

第１図には、アクチュエータ組立体が、４枚のデイス
クから成るスピンドル組立体の下方の２枚のデイスク11
にアクセスしているデイスク駆動機構が示してある。ハ
ブ12には４枚のデイスクが装着され、各デイスクはスペ
ーサ13によって隔置されている。デイスクのスタツク
は、弾性要素15、継ぎ輪16および収縮リング17によって
ハブ上に圧縮保持されている。収縮リング17は、加熱さ
れて膨脹すると、組立後の焼きばめによってハブ12の外
面に固定される。ハブとデイスクの組立体は、デイスク
11、ハブ12と、スピンドル軸18およびスピンドル駆動モ
ータ19の回転子が一体となって軸受け20内で回転するよ
うに、スピンドル軸上に装着されている。

線形アクチュエータ往復台21は、ボビン23に巻かれた
ボイス・コイルによって駆動されると、半径方向に内方
および外方に移動する。ボイス・コイルは、半径方向に
分極された永久磁石25と磁極片26によってその中で磁界
が形成されている有効エアギヤツプ24中を往復する。ア
クチュエータ往復台21は、３対のローラ28（１対だけが
図示されている）によって半径方向の経路に沿って案内
される。これらのローラ28は、アクチュエータ往復台の
各側部でロツドまたは経路29と係合している。２対のロ
ーラは、一方の側部にあって縦方向に隔置され、他方の
側部にある残りの１対は、前記の２対の中間に縦方向に
配置されている。単一対の１つのローラはバネでバイア
スされ、往復台／ローラ組立体と経路ないしレール29と
の間のたるみをなくす。

往復台組立体は、ローラ28を支持する本体37、ボイス
・コイルと変換器懸架装置の組立体を含む。この組立体
では、アーム33に、変換器ヘツド35を支持する弾性懸架
装置34が装着されている。変換器コイルはそれぞれ、は
んだ端子38の所でたわみ導線によってアーム電子回路モ
ジユール36に接続されている。アーム電子回路モジユー
ル36は、ケーブルの平坦部分39上の導線によってデイス
ク駆動回路の残りの部分に接続されている。また、ヘツ
ド・デイスク組立体内では、ハブ12の渦巻き動作とデイ
スク11の回転によって、内部空気循環が引き起こされ
る。空気はハブの内部からスペーサ13の穴14を通って外
部へ放射状に流れる。

第２図には、アクチュエータ・システムの概略図であ
り、装置制御に影響を及ぼす関連パラメータも示す。一
体となって移動するアクチュエータの往復台21と変換器
懸架装置34は、機械力の定数kfをもつ。デイスク11から
変換器ヘツド35によって読み取られた情報は、復調器利
得kvを有する復調器／アナログ・デイジタル変換（AD
C）回路44に受け取られ、デイジタル情報は、マイクロ
プロセツサ45に送られる。マイクロプロセツサ45は、ア
クチュエータのボイス・コイルに送られる電流を制御す
る。デイジタル・アナログ変換器（DAC）46および前置
ドライバ／ドライバ回路47は、利得gmを有する。

第３図からわかるように、線48上の信号、すなわちシ
ーク・コマンド信号は、線49上に現われるコイル電流を
定義する。このコイル電流は、線50によって機械装置す
なわちデイスク駆動アクチュエータ組立体10に供給され
る。加算論理接合点51は、アクチュエータ10のボイス・
コイルによって実際に受け取られるコイル電流の変動を
引き起こすプロセス・ノイズＷをもつように示してあ
る。プロセス・ノイズとは、共振、不明確なパラメー
タ、駆動機構の利得の不明、軸受けの牽引、風損、他の
不明のノイズ発生源おびアクチュエータ移動に影響を及
ぼす不完全な信号などのことを言う。ある要因を適応さ
せなければならないものの、操作環境でのこれらの要因
は合成効果は、コイル電流に比べて小さい。

線52を介してアクチュエータから伝送されてきた信号
は、デイスク表面上に予め書き込まれたサーボ情報から
誘導された位置誤差信号（PES）である。この位置誤差
信号（PES）は、隣接する１つまたは両方のトラツクの
中心線からヘツドの位置している点までの距離の測定値
を表わす。加算論理接合点53は、誤差信号測定ノイズ
（ｖ）を説明するために図中に設けられている。このノ
イズが発生するのは、センサ、復調器、デイスク駆動機
構組立体のデイスクがすべて測定値に悪影響するノイズ
の発生源であるためである。こうしたノイズの発生源
は、ランダムにノイズを発生する傾向があり、そのた
め、連続パターンから大幅に外れたシーケンスの読取り
を無視するか、またはサーボ情報を再読取りしてあまり
影響を受けていない値を得ることによって、こうした誤
差を消すことができる。

線52上の位置誤差信号は、速度エステイメータ56の制
御入力およびシーク論理である加算論理接合点57の１つ
の論理入力に並列に印加される。シーク論理は、シーク
・モードの間に、、ヘツドが半径方向に横断すべきトラ
ツク数をシーク・コマンドの形で他の入力から受理して
線59上に出力する。このトラツク数を使って、予めメモ
リに記憶されているシーク・プロフアイルをアクセスし
て所定の速度データを得る。プロフアイルからの所定の
速度データ信号が線54を介して加算論理接合点55へ転送
される。この信号は、アクセス・シーケンスの現在の位
置に印加される選択された電流レベルを表わす。前記メ
モリには、非線形プロフアイルを生成するのに使用され
るテーブルが記憶されている。トラツク追跡モードの
間、このメモリから一定の利得定数k1が生じる。図示さ
れた実施例では、シーク・モードからトラツク追跡モー
ドへの変換が行なわれるのは、アクチュエータが目標の
トラツクから1/4トラツク幅以下の距離にあるときであ
る。

アクチュエータ力の定数（kf）、その質量（ｍ）、お
よび前置ドライバ／パワー・ドライバの利得（gm）など
アクチュエータ／ドライバのパラメータがわかれば、速
度エステイメータ56は、数学的モデルを構築できる。速
度エステイメータ56は、この数学的モデルに関して、シ
ーク・コマンドで定義された大きさのコイル電流の１部
を１つの制御入力として線48から受理すると共に、測定
値であるPES信号を他の制御入力として線52から受理す
ることによって、良好な推定を速度（χ２）およびバイ
アス（χ３）に対して行うことができる。バイアスと
は、前述のように、風損とか、デイスクの傾きなどに起
因する力の一定のオフセツトのことである。バイアスχ
３の推定値は、速度エステイメータ56内において、前記
速度エステイメーシヨン方程式（４）を用いて算出した
速度χ２の推定値を補正するのに利用される。このエス
テイメータからの出力である速度推定値が乗算器におい
て係数k2を乗算されて前記加算論理接合点55の他の論理
入力へ印加されて制御機構を制御する。

積分器58は、トラツク追跡モードで使用される積分位
置信号を供給するが、シーク動作中はオフになる。積分
器の出力は、位置χの連続和であり、この和が定数k4と
掛け合わされ、加算論理接合点55の第３の入力に印加さ
れる。

シーク・モードでは、マイクロプロセツサ45が位置信
号と推定速度信号を結合して、線48上に信号を生成す
る。この信号は、コイル電流の大きさ（方程式８）を示
す。トラツク追跡モード（方程式７）では、マイクロプ
ロセツサが位置信号、積分位置信号および推定速度信号
を結合して、合成信号を生成する。この信号は、アクチ
ュエータのボイス・コイルに入力する電流の大きさを表
わす。

次に適応制御について記述する。

適応制御は、デイスク記憶装置の書込み、または読取
りに先立って、あるいはテストにおいて、較正モード中
に行なわれる。較正モードでは、線61上の適応制御の選
択信号はコイル電流信号（線48）とPES（線52）を正利
得エステイメータ62にゲートする。このモードの間に、
２つの特別なシークが行なわれる。それらはアウトバウ
ンド・シークとインバウンド・シークであり、データは
G1とG2の両方の較正に使用される。アクチュエータの両
移動方向における利得を計算することによって、利得の
平均がとられたときバイアスの効果が打ち消される。正
利得エステイメータ62の出力は、利得定数k1、k2、k4お
よび速度エステイメータ56のフイルタ係数L3を修正する
のに使用される。較正が行なわれるのは、装置の電源が
入って、その後、いくつかの誤差、または誤差の組合わ
せによってそれぞれが要求されるときである。こういっ
た訂正は、それほど頻繁ではないが、G1に影響を及ぼす
基本的な特性は時間の経過と共にゆっくりと変化するの
で、それで充分である。

【図面の簡単な説明】

第１図は、変換器を支持し位置決めする線形アクチュエ
ータを示す、通常のデイスク駆動装置の部分分解部断面
図、第２図は、アクチュエータ往復台組立体、協働する
デイスク、アクセスとトラツク追跡に関与するマイクロ
プロセツサと電子回路を示す概略構成図、第３図は、閉
ループの性能を変えることなく開ループ・システムの変
更を可能にする適応制御技術を示す構成図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ヤルマー・ホルムボー・オテッセン アメリカ合衆国ミネソタ州ロチェスタ ー、シャトー・ロード5905番地 (72)発明者 トッド・バリー・アンダーソン アメリカ合衆国ミネソタ州ロチェスタ ー、ノースイースト・フィフティーン ス・アベニュー933番地

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】平行なトラックにデータを記憶された回転
   記憶装置において、 変換器と、 ボイス・コイルを有し、該変換器を１つのトラック位置
   から他のトラック位置へ移動させるためのアクチュエー
   タと、 前記ボイス・コイルへ供給されるコイル電流に比例した
   信号および前記変換器からの位置誤差信号を、各々、入
   力として受理して速度エステイメーション機能の下に前
   記アクチュエータの移動速度およびバイアスの力を推定
   する機能を有すると共にオンライン調整可能な利得係数
   を有するエステイメータと、 オンライン調整可能な利得定数を有し、前記エステイメ
   ータからのアクチュエータ速度の推定値に応答してアク
   チュエータの移動を制御するための制御手段と、 選択信号の制御の下に、前記コイル電流比例信号および
   前記位置誤差信号を、各々、入力として受理して正利得
   エステイメーション機能の下にアクチュエータ開ループ
   の正利得を推定するための手段と、 アクチュエータ開ループ制御に関して予め決められてい
   る公称正利得と前記推定利得との差が所定レベルを越え
   るときに前記正利得エスティメータから出力される誤差
   信号に応答して前記制御手段及び速度エスティメータの
   前記各利得定数を調整するための手段と、 とより成る回転記憶装置。