JP2891178B2 - 磁気ディスク装置のサーボシステム - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、磁気ディスク装置
のサーボシステムに関し、特に、磁気ディスク装置にお
けるシーク動作の制御方式に関するものである。

【０００２】磁気ディスク装置においては、記録，再生
動作の開始時、サーボシステムによって、磁気ヘッドを
ディスク面上の所望のシリンダ位置に移動させる、シー
ク機能を有している。

【０００３】磁気ディスク装置のサーボシステムにおい
ては、シーク動作時、所望のシリンダに到着するまでの
時間（シークタイム）を、できるだけ短くすることが必
要である。

【０００４】

【従来の技術】磁気ディスク装置のサーボシステムにお
いては、磁気ヘッドをディスク面上の所望のシリンダ位
置に移動させ、さらに、磁気ヘッドをそのシリンダの中
央線上に保持する機能を有している。この際、磁気ヘッ
ドをシリンダ単位で移動させる動作をシークと呼び、磁
気ヘッドの位置をシリンダの中央線上の位置に保持する
動作をトラックフォローと呼んでいる。

【０００５】従来の磁気ディスク装置のサーボシステム
においては、シーク動作は、フィードフォワード制御＋
フィードバック制御の形式で行っていた。この場合、フ
ィーどフォワード制御においては、時間の関数として、
あるいは残シーク長の関数として、予め定められた信号
をフィードバック信号に加える。また、フィードバック
制御においては、例えば特開平３−３０１５３号公報に
記載されているように、目標速度と推定速度との差のゲ
イン倍のフィードバックによって制御する場合が多い。
または、例えば特開昭５８−１９４１７４号公報に記載
されているように、目標位置と推定位置あるいは測定位
置との差のゲイン倍のフィードパックを行う例もある。
すなわち、フィードフォワードによって設計時に想定し
た予定の加減速を行わせ、フィードバックによって想定
した軌道からの誤差を修正することによって、シーク動
作を行っていた。

【０００６】図３は、磁気ディスク装置のサーボシステ
ムの一般的構成を示したものである。ＨＤＤ（ハードデ
ィスク装置）のサーボ方式としては、サーボ情報だけを
記録した専用のサーボ面の情報を用いて制御を行うサー
ボ面サーボと、データ記録面の一部に一定時間間隔でサ
ーボ情報を埋め込んだ、セクタの情報を用いて制御を行
うセクタサーボとがあるが、図３はサーボ面サーボの場
合を想定している。

【０００７】図３において、１はディスク板、２はサー
ボアンプ、３はヘッド支持系、４はボイスコイルモー
タ、５はサーボアンプ（パワーアンプ）、６は位置情報
検出回路、７はトラック横断パルス検出回路、８はトラ
ックカウンタ、９はＡＤ変換器（ＡＤＣ）、１０はＤＡ
変換器（ＤＡＣ）、１１はマイクロプロセッサ手段（Ｍ
ＰＵ）、１２は位置信号である。

【０００８】サーボヘッド２は、ディスク板１のサーボ
面に記録されたサーボ情報を読み出す。位置情報検出回
路６は、読み出されたサーボ情報を、位置信号１２に変
換する。位置信号１２は、サーボヘッド２が移動する
と、正弦波状ないしは三角波状になるので、トラック横
断パルス検出回路７では、位置信号１２を適当な電圧レ
ベルと比較することによって、トラック横断パルスを生
成する。トラックカウンタ８は、トラック横断パルスを
カウントする。

【０００９】マイクロプロセッサ手段１１は、トラック
カウンタ８の値を読み取ることによって、移動したトラ
ック数を知ることができる。また、ＡＤ変換器９を介し
て位置信号１２の大きさを読み取ることによって、トラ
ックの中心線からの１トラック以内の変位量を知ること
ができる。マイクロプロセッサ手段１１は、ＡＤ変換器
９の値と、トラックカウンタ８の値との両方を合成する
ことによって、サーボヘッド２の位置を、高分解能で認
識することができる。

【００１０】なお、セクタサーボ方式の場合は、サーボ
情報が連続的には得られないので、トラック横断パルス
を生成することができない。その代わりに、サーボ情報
としてトラックアドレスを書き込んであるので、このア
ドレス情報を読み取ることによって、トラックカウンタ
８の値に相当する値を、直接得ることができる。すなわ
ち、トラック横断パルス検出回路７とトラックカウンタ
８の代わりに、アドレスデコーダを用いる点を除いて、
サーボ制御の方法としては同じであり、本発明は、サー
ボ面サーボと、セクタサーボのどちらにも適用できる。

【００１１】マイクロプロセッサ手段１１は、現在（最
新の位置情報サンプリング時点）および過去のサーボヘ
ッド２の位置情報と、ボイスコイルモータ４に流す電流
値の情報とから、制御対象であるボイスコイルモータの
ディジタルモデルを使用して、次のサンプリング時点に
おけるサーボヘッド２の位置と速度を推定する。

【００１２】この計算方法は、制御理論の状態観測器
（ state observre あるいは state estimator）として
知られているものである。なお、ボイスコイルモータ４
の電流値は、もともとマイクロプロセッサ手段１１が、
ＤＡ変換器１０に出力した結果であり、サーボアンプ５
は通常電流アンブとして構成されているので、アンブが
飽和しない場合、ＤＡ変換器１０への出力値から算出で
きるが、飽和する場合は、電流値を出力する回路を設
け、その値をＡＤ変換器９の別のチャンネルを介して、
マイクロプロセッサ手段１１に取り込むようにする必要
がある。サーボアンプ５の出力がＡＤ変換器９の入力に
接続されているのは、この電流検出機能を示している。

【００１３】図４は、従来の磁気ディスク装置のサーボ
システムにおける、制御系を示すブロック図である。図
中、サーボアンプ５，ＤＡ変換器１０は、図３の場合と
同様である。

【００１４】図４において、２１は制御対象、２２は位
置検出手段、２３は状態観測器、２４は引き算器、２５
は状態観測器の誤差フィードバック係数（Ｋf ）、２６
はＡＤ変換器（ＡＤＣ）である。２７はヘッド支持系３
に加わる外力を打ち消すための電流値からなる外力打ち
消し値、２８は引き算器、２９は加算器である。３０，
３１，３４は、制御理論においてＰＩＤ制御として知ら
れる制御を行うときの、比例係数Ｋp , 積分係数Ｋi ,
微分係数Ｋd である。

【００１５】３２は、Ｚ変換の記憶素子であって、３３
に示す加算器と合わせて、積分動作を行っている。３
５，３５Ａは加算器であって、ＰＩＤ制御のための、３
つの制御用信号の加算を行う。３６はフィルタであっ
て、制御対象の機械共振を抑制するために、信号の帯域
制限を行う。３７は遅延素子であって、マイクロプロセ
ッサ手段１１が計算を行うのに必要な時間遅延に対応し
ている。３８は、ＰＩＤ制御の積分器の動作のオン／オ
フを制御するスイッチである。

【００１６】サーボ系は、目標のトラック上でサーボヘ
ッド２の追従動作を行うトラックフォローモードと、サ
ーボヘッド２を別のトラックに移動させる（シークさせ
る）シークモードとの２つの動作モードを有している。
３９は、サーボ系の動作モードの切り換えを行うスイッ
チであって、スイッチ３９を、図の下側に切り換えた状
態では、トラックフォローモードとなり、ＰＩＤ制御に
よってサーボヘッド２の位置の制御を行っている。

【００１７】トラックフォローモードにおいては、４０
で示す、状態観測器２３からの目標（そのトラックの中
心線）に対する位置誤差情報Ｘe に対して、３０で示す
比例係数Ｋp を乗算した結果と、４１で示す、状態観測
器２３からの速度推定値に対して、３４で示す微分係数
Ｋd を乗算した結果と、４０で示す位置誤差情報Ｘeに
対して、Ｚ変換の記憶素子３２と加算器３３とによって
積分動作を行った結果に、積分係数Ｋi を乗算した結果
とを、加算器３５，３５Ａで加算して得た信号を、フィ
ルタ６を経て期間することによって、ＰＩＤ制御によっ
て、サーボヘッド２の位置の制御が行われる。

【００１８】一方、スイッチ３９を上側に切り換えた状
態では、シークモードとなり、サーポヘッド２の移動速
度を制御して軌道に合わせる制御を行っている。４２
は、目標位置までの残りのシーク距離に対する、速度軌
道を記憶したテーブル（数表）である。

【００１９】図４の右下の部分が、シークの制御部であ
る。４０で示す、状態観測器２３からの位置誤差状態Ｘ
e （目標までの残りの距離）から、速度軌道テーブル４
２によって目標速度信号を生成する。またこれから、引
き算器４３によって、４１で示す、状態観測器２３から
の速度推定値Ｖelを差し引いて得られた誤差に、４４で
示す係数Ｋv を乗算して、フィードバック量を定める。
一方、４５はフィードフォワード部であって、４０で示
す、状態観測器２３からの位置誤差状態Ｘe に応じて、
予め定められているフィードフォワード量を出力する。
４６は加算器であって、フィードバック量とフィードフ
ォワード量とを加算して、シークモードにおける制御量
を生成する。

【００２０】

【発明が解決しようとする課題】磁気ディスク装置のサ
ーボシステムにおいて、位置検出を一定サンプリング周
期で行うディジタルサーボの場合は、目標との誤差の情
報が離散的に、とびとびの値でしか得られないため、上
述のような、従来の技術のフィードバック方式では、誤
差を滑らかに減少させてゆくことができない。従って、
目標位置に到着する際の応答が振動気味になり、整定時
間が延びてしまうという問題がある。特に、サンプリン
グ周期が長い場合、この傾向が顕著になり、同じシーク
動作を繰り返した場合のばらつきも大きくなる。

【００２１】また、シークタイムを短縮するためには、
急加速，急減速の速度制御が必要となるが、従来のフィ
ードフォワード＋フィードバックの制御では、個々のＨ
ＤＡ（ヘッド・ディスク組立）のパラメータにバラツキ
があると、急減速の際の誤差を十分吸収できず、目標ト
ラック到着時の速度が変動して、位置の整定に時間がか
かるという問題があった。

【００２２】本発明は、このような従来技術の課題を解
決しようとするものであって、磁気ディスク装置のサー
ボシステムにおいて、シーク制御時における、速度制御
のばらつきを減少させることができ、従って、シークタ
イムを短縮することが可能な、新規な制御方式を提供す
ることを目的としている。

【００２３】

【課題を解決するための手段】本発明の磁気ディスク装
置のサーボシステムにおいては、ディジタルサーボシス
テムにおいて、残シーク長と速度の未来値を推定計算し
て、得られた残シーク長と速度の未来値の関係が、予め
設定した軌道パターンに漸近するように、アクチュエー
タ（ボイスコイルモータ）の電流値を逐次計算するもの
である。

【００２４】さらに具体的には、本発明のディジタルサ
ーボシステムでは、磁気ディスク装置において、ディジ
タルサンプリング制御によって、ヘッドの位置情報とア
クチュエータの電流情報とから、１サンプル先の位置と
速度を推定し、その上で、２サンプル先の位置と速度の
推定値が、位置対速度の軌道パターンに漸近するよう
に、次の期間の電流値を逐次計算する。そして、２サン
プル先の位置における推定速度と軌道速度との誤差が予
め設定した誤差以内になるか、または予め設定した計算
回数に達するまで、この逐次計算を繰り返すことによっ
て、アクチュエータの電流値を軌道に追従するように定
めて制御する。

【００２５】本発明方式によれば、目標軌道は予めわか
っているので、未来の位置と速度を予測して、将来の制
御結果がその軌道に近づくように制御することによっ
て、現在または過去の情報だけに基づいて制御していた
従来の方法と比べて、制御の遅れがなく、従来方式の場
合よりも、軌道からのずれを減少させることができる。

【００２６】以下、本発明の課題を解決するための具体
的手段を掲げる。

【００２７】(1) 磁気ディスク装置において、残シーク
長と速度の未来値を推定し、この推定された残シーク長
と速度の未来値との関係が、予め設定されている軌道パ
ターンに漸近するように、サーボヘッド２を駆動するボ
イスコイルモータ４の電流値を逐次計算して定めてシー
ク動作を行う。

【００２８】(2) サーボヘッド２を駆動するボイスコイ
ルモータ４の電流を制御してサーボヘッド２をディスク
板１の所定のシリンダ位置に移動させるシーク動作をデ
ィジタルサンプリング制御によって行う磁気ディスク装
置において、サーボヘッド２の位置情報とボイスコイル
モータ４の電流情報とから、状態観測器２３によって１
サンプル先のサーボヘッド２の位置と速度を推定すると
ともに、シーク電流計算手段４７を備えて、この推定さ
れた位置と速度とから２サンプル先の位置と速度とが、
速度軌道テーブル４２から与えられる位置対速度の軌道
に漸近するように次の期間の電流値を逐次計算し、この
電流値による２サンプル先の位置における推定速度と軌
道速度との差が予め設定された誤差以内になるか、また
は予め定められた計算回数に達するまで、逐次計算を繰
り返すことによって、ボイスコイルモータ４の電流値を
定めてシーク動作を行う。

【００２９】(3) (2) の場合に、１サンプル先の推定速
度で１サンプリング周期移動した位置における軌道速度
を求めて、この期間における速度差の１／２の変化に必
要な電流値を求め、さらにこの電流を流したときの位置
と速度を計算して、この位置における軌道上の速度との
速度差の１／２の変化に必要な電流値を求める計算を繰
り返すことによって、軌道に漸近するボイスコイルモー
タ４の電流値を求める。

【００３０】

【発明の実施の形態】図１は、本発明の一実施形態を示
すブロック図であって、図３の場合と同様に、サーボ面
サーボを想定している。図３および図４の場合と同じも
のを同じ番号で示し、それらの機能，動作は図３および
図４の場合と同様なので、以下においては、詳細な説明
を省略する。

【００３１】図１の構成において、トラックフォローモ
ードにおける構成，動作は、図４に示された従来回路の
場合と同様である。４７はシーク電流計算手段、４８は
ゲインの補正係数Ｋa である。

【００３２】シーク電流計算手段４７は、速度軌道テー
ブル４２における、目標位置までの残りのシーク距離に
対する速度軌道を記憶したテーブル（数表）を参照しな
がら、４０で示す、状態観測器２３からの位置誤差情報
Ｘe と、４１で示す、状態観測器２３からの速度推定値
Ｖelとから、次の期間に設定する電流値を決定する。こ
の電流値に対して、４８で示すゲインの補正係数Ｋa を
乗算することによって、フィルタ３６，遅延素子３７，
加算器２９，ＤＡ変換器１０，サーボアンプ５の持つゲ
インを補正して、サーボアンプ５までのＤＣゲインを１
にする。

【００３３】なお、図１において、ＤＡ変換器１０，サ
ーボアンプ５，制御対象２１，位置情報検出手段２２，
ＡＤ変換器２６以外は、図３に示されたマイクロプロセ
ッサ手段１１の計算機能によって実現することができ
る。ＤＡ変換器１０とサーボアンプ５は、図３の場合と
同じである。制御対象２１は、図３に示されたヘッド支
持系３，ボイスコイルモータ４に相当する。位置情報検
出手段２２は、図３に示されたサーボヘッド２，位置情
報検出回路６，トラック横断パルス検出回路７，トラッ
クカウンタ８，ＡＤ変換器９を合わせた機能を表してい
る。ＡＤ変換器２６は、図３に示されたＡＤ変換器９の
一つのチャンネル（電流値検出用）に相当する。

【００３４】以下、本発明の場合のシーク動作について
説明する。図２は、シーク電流計算手段４７の動作を説
明するための図であって、軌道カーブと本発明における
シーク電流計算手順とを示している。

【００３５】図２において、横軸は、目標までの残りの
距離（残シーク長）Ｘを表し、縦軸は速度Ｖを表してい
る。図２の曲線は、目標速度軌道を示している。シーク
電流計算手段４７は、最新のサンプリング時点におけ
る、目標までの距離Ｘe とその時点に対応する速度推定
値Ｖelとから、さらに１サンプル先の位置と速度が、目
標軌道カーブ上に乗る（あるいはそれに近い状態にな
る）ような電流値を、速度軌道テーブル４２のテーブル
（数表）を参照しながら計算する。

【００３６】以下、シーク電流計算手段４７の、具体的
な計算手順の一例を説明する。現在の（最新サンプリン
グ時点の）位置情報と、ボイスコイルの電流検出値（カ
レントセンス）とから、次のサンプリング時点の位置
（Ｘ１）と速度（Ｖ１）を推定する。この位置と速度の
関係は、過去に行った制御で定まったものであって、も
はや変更することはできない。

【００３７】そのままの速度（Ｖ１）で、さらに１サン
プリング周期Ｔ進んだ位置Ｘ２＝Ｘ１−Ｖ１Ｔにおける
軌道速度（Ｖ２）を求め、（Ｖ１−Ｖ２）の１／２だけ
速度を変化させるのに必要な電流値を算出する。次式
は、電流の計算式を示し、単純化された物理モデルから
誘導されるものである。 Ｉ１＝（Ｖ１−Ｖ２）／（２ＧＴ） …(1) ここで、Ｇはボイスコイルモータ（ＶＣＭ）の加速度定
数である。

【００３８】この電流を流したときの位置は、次式で示
されるようになる。 Ｘ３＝Ｘ１−Ｖ１Ｔ＋（ＧＴ² ／２）・Ｉ１ …(2) また、このときの速度は、次式のようになる。 Ｖ３＝Ｖ１−（ＧＴ）・Ｉ１ …(3)

【００３９】次に、位置Ｘ３における軌道上の速度Ｖ４
を求め、速度差（Ｖ３−Ｖ４）の１／２だけ速度を変化
させる電流値を、次式によって求める。 Ｉ２＝（Ｖ３−Ｖ４）／（２ＧＴ） …(4)

【００４０】さらに、電流を（Ｉ１＋Ｉ２）流したとき
の位置と速度Ｘ５，Ｖ５を計算し、Ｘ５における軌道上
の速度Ｖ６を求め、速度差（Ｖ５−Ｖ６）が規定値以上
であれば、同様な計算を繰り返して行う。規定値以内な
らば、それまでの計算で得られた電流値を最終値とし
て、次の電流設定タイミングで、その電流を流すように
ＤＡ変換器１０にセットする。

【００４１】なお、処理時間がサンプリング周期を超え
ると、処理が間に合わずエラーになるので、計算能力と
サンプリング周期の関係から、最大の繰り返し回数が決
定する。計算の繰り返し回数は、それより少ない回数に
制限する。２ステップ先の予測位置が、位置対速度軌道
のテーブル上の位置の値の、刻みの中間の値になること
があるが、その場合の速度軌道の値は、折れ線近似で算
出する。

【００４２】以上の計算方法によって電流値を決定する
が、電流値が振動気味になる場合は、フィルタを追加し
たり、前回の電流値に対する変化量に制限を設ける等
の、補助手段を追加してもよい。

【００４３】また、繰り返し計算の最小の電流値候補Ｉ
１として、従来のフィードフォワード＋速度フィードバ
ック方式による制御電流値を用いてもよいし、フィード
フォワード値を用いることもできる。

【００４４】

【発明の効果】本発明による第１の効果として、シーク
動作における速度軌道に対する追従特性が、従来の速度
フィードバック＋フィードフォワード制御の場合よりも
向上する。これは、フィードフォワード制御は、設計時
点で予め決定したものか、または学習によって予めある
程度まで合わせ込んだものであり、現に行っているその
シーク中の状況変化には対応できないので、状況変化に
はフィードバック制御で対処するしかないが、フィード
バック制御は将来の軌道の変化を予測して決めるもので
はなく、既に過去のものになりつつある情報だけに頼っ
た誤差改善しかできないからである。

【００４５】本発明による第２の効果として、シーク終
了時の過渡応答のばらつきが減少する。これは軌道カー
ブに対する追従が改善されたことに基づく、当然の結果
である。

【００４６】本発明による第３の効果として、追従特性
が向上するので、目標に近づく際の減速カーブ（速度軌
道）の傾斜を従来よりも急にすることができ、その結
果、シークタイムを短縮することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態を示す図である。

【図２】シーク電流計算手段の動作を説明するための図
である。

【図３】磁気ディスク装置のサーボシステムの一般的構
成を示す図である。

【図４】従来の磁気ディスク装置のサーボシステムにお
ける、制御系を示すブロック図である。

【符号の説明】

１ ディスク板 ２ サーボヘッド ３ ヘッド支持系 ４ ボイスコイルモータ ５ サーボアンプ ６ 位置情報検出回路 ７ トラック横断パルス検出回路 ８ トラックカウンタ ９ ＡＤ変換器（ＡＤＣ） １０ ＤＡ変換器（ＤＡＣ） １１ マイクロプロセッサ手段（ＭＰＵ） １２ 位置信号 ２１ 制御対象 ２２ 位置情報検出手段 ２３ 状態観測器 ３９ スイッチ ４０ 位置誤差情報Ｘe ４１ 速度推定値Ｖel ４２ 速度軌道テーブル ４７ シーク電流計算手段 ４８ ゲインの補正係数Ｋa

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 磁気ディスク装置において、残シーク長
   と速度との未来値を推定し、該推定された残シーク長と
   速度の未来値との関係が予め設定されている軌道パター
   ンに漸近するようにサーボヘッドを駆動するボイスコイ
   ルモータの電流値を逐次計算してシーク動作を行うこと
   を特徴とする磁気ディスク装置のサーボシステム。
2. 【請求項２】 サーボヘッドを駆動するボイスコイルモ
   ータの電流を制御して該サーボヘッドをディスク板の所
   定のシリンダ位置に移動させるシーク動作をディジタル
   サンプリング制御によって行う磁気ディスク装置におい
   て、 前記サーボヘッドの位置情報とボイスコイルモータの電
   流情報とから状態観測器によって１サンプル先の該サー
   ボヘッドの位置と速度を推定するとともに、シーク電流
   計算手段を備えて、該推定された位置と速度とから２サ
   ンプル先の位置と速度とが速度軌道テーブルから与えら
   れる位置対速度の軌道に漸近するように次の期間の電流
   値を逐次計算し、該電流値による２サンプル先の位置に
   おける推定速度と軌道速度との差が予め設定された誤差
   以内になるか、または予め定められた計算回数に達する
   まで前記逐次計算を繰り返すことによって、前記ボイス
   コイルモータの電流値を定めてシーク動作を行うことを
   特徴とする磁気ディスク装置のサーボシステム。
3. 【請求項３】 請求項２に記載の磁気ディスク装置のサ
   ーボシステムにおいて、前記１サンプル先の推定速度で
   １サンプリング周期移動した位置における軌道速度を求
   めて、該期間における速度差の１／２の変化に必要な電
   流値を求め、さらに該電流を流したときの位置と速度を
   計算して、該位置における軌道上の速度との速度差の１
   ／２の変化に必要な電流値を求める計算を繰り返すこと
   によって、前記軌道に漸近するボイスコイルモータの電
   流値を求めることを特徴とする磁気ディスク装置のサー
   ボシステム。