JP2632205B2 - 回転型データ記憶装置及びサーボ制御装置 - Google Patents

回転型データ記憶装置及びサーボ制御装置

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JP2632205B2
JP2632205B2 JP1031276A JP3127689A JP2632205B2 JP 2632205 B2 JP2632205 B2 JP 2632205B2 JP 1031276 A JP1031276 A JP 1031276A JP 3127689 A JP3127689 A JP 3127689A JP 2632205 B2 JP2632205 B2 JP 2632205B2
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    • G11B21/081—Access to indexed tracks or parts of continuous track
    • G11B21/083—Access to indexed tracks or parts of continuous track on discs

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  • Control Of Linear Motors (AREA)
  • Moving Of Head For Track Selection And Changing (AREA)
  • Moving Of The Head To Find And Align With The Track (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 A.産業上の利用分野 本発明はディスク駆動装置のアクチュエータなど直流
モータで駆動される移動システムの制御に関し、具体的
にはディスク駆動データ記憶装置中でボイス・コイル・
モータで駆動されるアクチュエータのトラック・シーク
動作など移動システムにおける整定モードの制御及び単
一トラック・シークなど短い高速シーク動作を実現する
技法の使用に関する。
B.従来技術及び発明が解決しようとする問題点 ディスク駆動装置のアクチュエータはトラック間を移
動する際アクチュエータ・アセンブリを加速し次いでア
クチュエータ・アセンブリを減速してターゲット・トラ
ックで停止させることを含むシーク技法を使用する。様
々なシーク・モードが満足に使用されているが、最も難
しい問題はヘッドを出来るだけ短時間で所期のトラック
上に滑らかに停止させることである。整定モードはシー
ク動作及びトラック追従モードの間の過渡期であり、そ
の間に読み書き動作の起動が可能となるようにヘッドの
動きが安定化されるが高速アクセスのディスク駆動装置
設計の最も難しい部分である。
トラック追従動作の前にシーク・モード及び整定モー
ドを必要とする複数のトラック・シークを行なうシーク
・モードに加えて単一トラック・シークは性能を高める
独特の機会を提供する。最も普通のシークは同じトラッ
ク又はシリンダに対するものである。単一トラック・シ
ークは適切に編成されたデータ記憶システムにおけるト
ラック間で最も頻繁に行なわれるアクチュエータの動き
である。即ち、デバイス・アクチュエータによる大部分
のシークが含まれるように同一トラック又は隣接トラッ
クに対するシークが組み合わされる。従って、簡単な短
い手順で単一トラック・シークが実行出来るならばデバ
イス性能を向上させることが出来る。単一トラック・シ
ークがシーク・モードに入らずに単一のトラック変位を
引き起こすエラー信号を利用出来る場合、通常最適の単
純さと性能が実現出来る。
C.問題点を解決するための手段 本発明の技法では、整定モード中に速示制御（デッド
ビート）を使って出来るだけ短時間でエラー応答をゼロ
にする。速示応答の概念は離散時間システムに独特のも
のであり、連続時間システムでは速示応答は存在しな
い。理論上速示応答はステップ関数入力に出来るだけ速
い応答を与える。これにより閉ループ・システムがステ
ップ関数入力に対して有限の整定時間を有することが保
証される。最後にこの閉ループ・システムはステップ関
数入力に定常状態エラーなしで応答する。Ｎ次の速示デ
ィジタル制御システムはＺ平面の原点に全部でＮ個の閉
ループ・ポールを有する。これは周知のポール配置設計
技法を用いて行なうことが出来る。速示制御はシステム
が飽和しない又は非線形にならないことを必要とする。
連続システム用の速示制御の概念は周知であるが、そ
の帯域幅が無限であり、一般のアプリケーションで動作
するのに無限量の電力を必要とする。これは物理的に不
可能なので、サーボ制御界では速示制御を有用なサーボ
技術ではなく学問的好奇心の対象と見てきた。しかし、
ディジタル・サーボのアプリケーションの分野で速示制
御は無限の電力を必要とせず最小応答時間システムを設
計するのに有用な手段となり得る。速示制御応答はオガ
タ・カツヒコ著「離散時間制御システム（Discrete−Ti
me Control Systema）」、プレンティス・ホール（Pren
tice−Hall）社、1987年刊、P.668以降に記載されてい
る。
トラック・アクセスの整定モードで速示制御技法を使
用出来ることが判明した。このモードでは、一般にヘッ
ド整定限界が１トラック・ピッチ以下に設定される。従
って、無限の電力を必要とせず速示制御シーケンスによ
りＮ個以下のサンプル周期でＮ次の閉ループ・システム
がトラックに達してトラック上で整定することが保証さ
れる。通常現在のセクタ・サーボ・ディスク駆動装置の
設計では、４セクタ時間以内で整定を実施出来る。ステ
ップ数及びデータ・サンプル間隔は制御技法に本来的に
付随する高い電流が直流モータ・コイルを飽和させる値
を超えるのが防止されるように又は動作が非線形領域で
行なわれるのを防止するように選択しなければならな
い。ディスク駆動データ記憶装置では推定機構と制御機
構の両方に速示制御を使用することにより出来るだけ速
いアクセス性能が実現される。実際にはアクチュエータ
又はその他の被制御装置のパラメータが変動するため速
示制御を実現することは難しい。しかし、速示制御を装
置の適応制御と組み合わせることにより制御の理論的限
界により接近することは可能である。
D.実施例 どのような高速アクセス・データ記憶ディスク駆動装
置の設計でもその最も困難な部分はトラック整定モー
ド、即ちトラック・シーク・モードとトラック追従モー
ドの間の過渡期である。第２図にディスク駆動装置の３
つのトラック・アクセス・サーボ・モード（シーク、整
定、追従）を仮定的に示す。ヘッドの軌跡がトラック位
置ずれ（TMR）の時間変化として示されている。トラッ
ク位置ずれがヘッド整定限界ESより小さい場合、制御ア
ルゴリズムはシーク・モードから整定モードに切り換え
る。整定モードの目的はディスク駆動装置アクチュエー
タに蓄積された運動エネルギーを最小時間で放散させて
ヘッドをトラック上で滑らかにオフ・トラック限界±EF
以内に整定させることである。オフ・トラック限界内で
はトラック追従モードが制御権をとってトラック位置ず
れの変動をEFを超えない値に保つ。あるトラックから別
のトラックまでのトラック・アクセス時間はトラック・
シーク時間とトラック整定時間の合計にトラック位置ず
れかオフ・トラック限界±EF以内に収まるように保証す
るためのトラック追従モード内にある決まった時間を加
えたものとして定義される。トラック・アクセス時間の
終りに論理信号「ファイル準備完了」が到着して読み書
き動作を開始させる。読取り動作の場合、オフ・トラッ
ク限界が書込み動作よりも大きく設定されることがあ
る。そうすると、書込み動作の場合にアクセス時間が読
取り動作よりもやや長くなる。トラック追従モードであ
る時間の間オフ・トラック限界を超えた場合エラーが記
録される。
アナログ制御システムではとりわけ比例・積分・微分
（PID）制御機構を使用してかなり満足な性能を得てい
る。比例・積分・微分制御機構のチューニングは比例利
得、積分利得、微分利得に限られている。ディジタル制
御システムでは補償アルゴリズムは比例・積分・微分に
限定されず、数々の制御動作が利用出来る。このような
制御動作の一つが速示制御である。速示制御は、出力が
最小時間で最終値に達し、定常常態エラーがなくサンプ
ルとサンプルの間にリップルもないように最小時間で出
力を整定出来ることも特徴としている。
速示応答するシステムの伝達関数はすべてのポール原
点Ｚ＝０にあることによって特徴付けられる。ポール配
置技法はディジタル・サーボ制御に関する大抵の教科書
で説明されているが、この技法を用いると速示制御の設
計が容易に行なえる。制御機構及び推定機構の次数をそ
れぞれｎ及びｍとして速示システムは３種に分類出来
る。制御機構多項式Dc（ｚ）及び推定機構多項式De
（ｚ）を用いると３つの事例は次のようになる。
1.速示制御機構 Dc（ｚ）＝zn De（ｚ）＝zm＋b1zm-1＋‥‥＋bm 2.速示推定機構 Dc（ｚ）＝zn＋a1zn-1＋‥‥＋an De（ｚ）＝zm 3.速示補償機構 Dc（ｚ）＝zn De（ｚ）＝zm 閉ループ伝達関数Gc1は次の通りである。
第２図に概略図で示すように、アクチュエータは３つ
の動作モードを使ってトランスジューサ・ヘッドを動か
す。シーク・サイクルの終り近くに示してあるシーク・
モードは通常加速、長いシーク中に終端速度に達したと
きの一定速度、目標トラックに接近する際の減速という
一連のプロセスによって速度プロファイルに追従するよ
うにマイクロプロセッサによって制御される。ある設計
しきい値ESに達すると、制御システムは整定モードに入
って駆動装置の性能全体が最適化されるように出来るだ
け短時間にターゲット・トラックとの位置合せを得よう
とする。最終モードはトラック追従であり読み書き動作
が実行出来るようにトランスジューサがオフトラック限
界±EFの間に維持される。
本発明は速示制御を利用して整定モードを最適化する
ことを目的とする。第１図にアクチュエータの制御構造
を示す。アクチュエータ10はアーム11を備えている。ア
ーム11は回転ディスク13からデータを読み取り、そこに
データを書き込むトランスジューサ12を担持しデータを
記憶し検索する間目標トラックをシークし、トラックに
追従するためのボイス・コイル15によって駆動又は回動
される。セクタ・サーボからのサーボ信号又は埋め込ま
れたサーボ情報がサンプル時に周期的に線16を経て復調
装置18に送られる。復調装置18はサーボ信号を連続する
アナログ位置誤差信号（PES）に変換し、それがアナロ
グ・ディジタル変換器によってディジタルPESに変換さ
れ、次に続くサーボ信号に引き継がれるまで維持され
る。
マイクロプロセッサ22は遅延補償された制御機構24、
遅延補償された推定機構25及び積分機構26（トラック追
従モードで使用され、整定モードでは通常使用されな
い）を内蔵している。
遅延補償された制御機構24は位置入力PES（ｋ）、速
度入力X2及び前の値Ｕ（ｋ−１）によって表わさる遅延
を有する。これは通常次の特性多項式を有する３次機構
を与える。
Dc（ｚ）＝zp＋1zp-1＋‥‥＋bP 遅延補償された推定機構25は速度、バイアス、前の制
御値に関する補償を行なう。これは通常次の特性多項式
を有する３次機構を与える。
De（ｚ）＝zm＋a1zm-1＋‥‥＋am 速示制御の場合、 Dc（ｚ）×De（ｚ）＝zn Dc（ｚ）＝zp,De（ｚ）＝zm De（ｚ）×Dc（ｚ）…＝zm+p＝zn である。
速示補償機構は推定機構及び制御機構中の係数によっ
て決定され、指定機構と制御機構の多項式の次数の和
（ｍ＋ｐ）に等しいサンプル周期、即ち６サンプル周期
以内にサーボ・サンプルとサーボ・サンプルの間で出力
を定常常態がエラーがなしに且つリップルなしに整定す
る。初期条件を選択することを別とすると、唯一の選択
はサンプルとサンプルの間の時間である。
サンプル周期はボイス・コイルを飽和させる、即ちア
クチュエータ制御の線形部分を越える電流のボイス・コ
イル15への供給が防止されるように選択しなければなら
ない。理想的な動作モードはこのような動作が所定のパ
ラメータの範囲内に収まる場合、６以下の連続するサー
ボ・サンプルを利用することである。
制御機構24の出力Ｕ（ｋ）はディジタル・アナログ変
換器28によってアナログ値に変換され、この値がサーボ
・サンプルとサーボ・サンプルの間にドライバ回路30に
よってアクチュエータのボイス・コイル15に印加される
電流レベルを制御する。
積分機構を使用する場合、システムは７次に上がり、
速示制御は７サンプル周期内でシステムを整定すること
になる。積分機構はシステムに対してさらに影響を与え
ることが可能であり、それを初期条件で使うと整定シー
ケンス中に使用される電流値を変化させることが出来
る。速示制御は給電能力ならびにアクチュエータの電気
システム及び磁気システムの線形動作範囲に対処するた
めに含まれなければならない高い電流値をもたらす。
特定のアプリケーションでは、速示制御で完全にはシ
ステムが整定できないことがある。完全に整定を行なう
にはシステムに影響を与える全パラメータに速示補償を
設けることが必要である。このようにした場合、システ
ムに影響する小要因が非常に多く含まれているので、こ
の技法の主な利点が実現されなくなる。各補償要因が速
示応答に必要なサンプルの数を増加させるので、他と制
御技法にまさる時間上の利点が失われる。ここに記載し
た例では遅延補償された推定機構及び遅延補償された制
御機構の使用は３次で、３つの要因が補償される。従っ
て、６サンプル時間内で速示制御が実行出来る。アクチ
ュエータ・サーボ制御は目標トラックの中心線に関して
±EFの位置誤差にトランスジューサをもってくることに
より出来るだけ速く、非速示的トラック追従モードに入
ることが出来るように、システム整定されることを必要
とするので、システムにわずかな影響しか及ぼさない要
因に対処するためにサンプル時間の回数を増加するのは
賢明でない。考慮し得るもう一つの取捨選択はさらに少
ない制御要因を伴う速示制御の使用である。推定機構が
速度に関してだけ速示制御を使用し、制御機構が２次の
制御関数だけを有する場合には、システム全体でも３次
にしかならず３サンプル時間で速示応答が実施される。
これは応答があまり正確でないが半分の時間ですみ、ま
た１つおきのサンプルを利用するなら、サンプル周期を
２倍にし、電流の値をより速いサンプル速度で必要とさ
れる電流レベルの４分の１に減少させることが出来る。
速示制御は制御下のシステムの運動エネルギーに対抗
するための電力を供給する。２次のシステムがある定常
位置から別の定常位置まで駆動されるという最も単純な
モードでは最初のサンプル時に第１の大きな加速電流が
印加され、続いて大きさが等しくて極性が反対の第２の
大きな減速電流が印加され装置を第２のサンプル時に目
標位置でのリップルなしに停止するという定常状態を導
く。その結果、第１のパルスが装置を目標位置に向けて
加速し、第２のパルスが運動エネルギーを放散させて装
置の動きを停止させる。システムが高次になり程より複
雑になり、速示制御のモードを行なうために並外れた電
流値を要する。速示シーケンス中被制御装置に関連する
条件に応答して様々な形で最高の電流値が発生し得る。
電流値が大きすぎる場合、サンプルとサンプルの間の周
期が長くなる。上記のようなセクタ・サーボ型ディスク
駆動装置では整定モードで１つおきのセクタ・サーボ信
号を使用出来る。電流はサンプルとサンプルの間の時間
の２乗関数なので、サンプルとサンプルの間の時間間隔
を延長するのは電流を制限するための効果的な方法であ
る。サンプル時間を２倍にすると、電流パルスの大きさ
が４分の１に減少する。ただし、整定時間を減らして全
体的性能全般を高めるのが目的なのでこれは制御モード
に影響を与える望ましい方法ではない。
装置の機械的設計によって最初の時間に速示制御に影
響を与えることが出来る。前のシーク・モードからの過
渡条件を含めて制御モードに入る際の初期条件を速示制
御の整定モード中によって好都合な条件が得られるよう
に修正することが出来る。最後にサンプル周期を延長し
て最大の速示制御電流レベルを減少させることが出来
る。
電源が十分でかつ線形動作範囲が２トラック速示制御
機能を許容する場合、単一トラック・シークに速示制御
を使用することが出来る。そうした場合、速示制御モー
ドで１つのトラック・シークが１トラック・ピッチ誤差
の形をとることになる。
本発明をディスク・ファイル用回転式アクチュエータ
の環境で説明したが、ある位置から装置を整定させるべ
き別の位置へ急速に移動するような直流モータで駆動さ
れる線形アクチュエータ又は直流モータで駆動される他
の装置やシステムにも同じ原則及び技術が適用出来る。
E.発明の効果 本発明の技法は可動素子を所期の位置に位置決めする
際の整定時間を減少させる。
【図面の簡単な説明】
第１図はディスク面に関するトランスジューサの位置決
め制御用のマイクロプロセッサ及びアクチュエータを含
むディスク駆動装置の構成図である。 第２図はアクチュエータ制御の３つのモードを示すトラ
ック位置ずれの時間変化の概略図である。 10……アクチュエータ、11……アーム、12……トランス
ジューサ、13……ディスク、15……ボイス・コイル、18
……復調装置、22……マイクロプロセッサ、24……遅延
補償制御機構、25……遅延補償次数低減推定機構、26…
…積分機構、28……ディジタル・アナログ変換器、38…
…ドライバ回路。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭61−138314（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−183607（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−22482（ＪＰ，Ａ)

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】トラックからトラックへ移動出来るように
    アチュエータ上に装着されたトランスジューサ手段を持
    つ回転型データ記憶装置において、 前記トランスジューサ手段をトラックからトラックへ移
    動させるために前記アクチュエータに接続されたモータ
    手段と、 前記モータ手段に前記アクチュエータ手段を位置決めさ
    せるサーボ制御手段とを具備し、 前記サーボ制御手段は前記トランスジューサ手段を初期
    位置から目標トラックの中心線から所定距離以内の位置
    まで移動させるシーク・モード制御手段及び前記所定距
    離以内の位置から前記目標トラックに整列した位置への
    前記トランスジューサ手段の位置決めを制御する整定モ
    ード制御手段を含み、 前記整定モード制御手段は特性多項式De（ｚ）＝zmを持
    つ遅延補償された速度推定機構及び特性多項式Dc（ｚ）
    ＝zpを持つ遅延補償された制御機構を含み、且つｍ＋ｐ
    を越えない数のサーボ・データ・サンプルの速示制御シ
    ーケンスを有し、前記多項式に関連するすべてのポール
    が原点におかれていることを特徴とする回転型データ記
    憶装置。
  2. 【請求項２】デバイスを１つの位置から他の位置へ移動
    させるサーボ制御装置であって、前記デバイスを１つの
    位置から他の位置へ移動させるために前記デバイスに接
    続されたモータ手段と、 前記モータ手段に前記デバイスを１つの位置から他の位
    置へ移動させるサーボ制御手段を具備し、 前記サーボ制御手段は前記デバイスを目標位置に近接し
    た位置へ移動させるシーク・モード制御手段及び前記デ
    バイスを前記目標位置にもたらす整定モード制御手段を
    含み、 前記整定モード制御手段は特性多項式De（ｚ）＝ｍを持
    つ遅延補償された速度推定機構及び特性多項式Dc（ｚ）
    ＝zpを持つ遅延補償された制御機構を含み、且つｍ＋ｐ
    を越えない数のサーボ・データ・サンプルの速示制御シ
    ーケンスを有し、前記多項式に関連するすべてのポール
    が原点におかれていることを特徴とするサーボ制御装
    置。
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