JP4109812B2

JP4109812B2 - 位置決め制御装置

Info

Publication number: JP4109812B2
Application number: JP2000006255A
Authority: JP
Inventors: 武憲熱海; 真介中川; 洋介濱田; 弘幸大澤; 正人小林
Original assignee: 株式会社日立グローバルストレージテクノロジーズ
Priority date: 2000-01-12
Filing date: 2000-01-12
Publication date: 2008-07-02
Anticipated expiration: 2020-01-12
Also published as: JP2001195850A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁気ディスク装置のヘッドの位置決め方法とそれを実施する装置に係り、特に、磁気ヘッドを目標トラックに追従させる動作に関する。
【０００２】
【従来の技術】
コンピュータの外部記憶装置である磁気ディスク装置は、磁気ヘッドが回転している磁気ディスク面上の目的とするトラックに追従してデータ記録再生を行っている。このような方式では、記憶容量を増加させるため、年々微小になるトラック幅に対して、高精度に位置決めするために追従制度を向上させる必要がある。しかし、追従精度を向上させるためには、制御系の帯域を高くとり、アクチュエータの応答周波数を高めることが必要であるが、機構系振動モードの共振点がヘッド位置決めサーボ機構の安定性を確保するための制約となり、制御系の帯域を高くすることには限界がある。これに対して、従来から、機構系の共振点における振動を制御系内で減衰させるためにノッチフィルタが用いられているが位相遅れを増加させ安定性の確保を阻むこととなる。そのため、特開平１０−２６９６７５号公報では、加速度センサをキャリッジアームに装着し、加速度センサ出力をアクチュエータ駆動回路に位相補償器（加速度フィードバック補償器）を介して電圧信号としてフィードバックする。これにより、制御対象であるヘッド位置決め機構と駆動回路に対して、加速度フィードバックによるマイナーループが付与され、特に加速度フィードバック補償器を３次以上の位相補償器とすることで機構系共振点の振動のゲインを抑え、かつ位相遅れの少ない特性とすることが可能となる。このような加速度フィードバックのマイナーループを付与した特性を新たに制御対象の特性とみなすことにより、安定性確保の制約となる共振点の振動には減衰が付与され、制御系の帯域を高くすることが可能となる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、特開平１０−２６９６７５号公報の方法では、加速度フィードバックを必要とするため、加速度センサ等をキャリッジアームに装着する必要があり、部品数の増加によりコストが増加するという問題や、高速移動のため軽くなければならないキャリッジアームの重量が増加するという問題がある。
【０００４】
本発明は、機構系の有する振動モードの制御を、新たなセンサ等の機構部品を導入することなく行うことにより、制御系の帯域の高帯域化を可能とする制御方式を得ることを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
前記した課題に対する解決方法は、以下の構成からなる。機構系の有する振動モードの共振周波数特性を整形することを目的としたフィルタ（以下、共振補償フィルタと呼ぶこととする）を制御対象に対して直列に付加する。このフィルタは、機構系の共振周波数付近の振動をフィルタの零点による反共振特性で相殺することで機構系の共振によるゲイン増加を抑え、機構系の振動モードの共振周波数より通常1〜1.5倍の周波数に共振特性を持つ極を設定することで設定した零点による高周波数域のゲイン増加を抑制する。この制御対象と共振補償フィルタを直列に結合したものを新たな制御対象とみなすとき、機構系の振動モードの共振周波数が高周波数に移動した特性と同等になる。これにより、目的とする制御系の帯域の高帯域化が可能となる。
【０００６】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の位置決め制御方法の実施例を説明するための、磁気ディスク装置のヘッド位置決め制御系の構成図である。スピンドルモータ６には、記録媒体である磁気ディスク５が固定されており、定められた回転数により回転している。また、スピンドルモータ６に保持された磁気ディスク５の側方向には、ピボット軸受３が、スピンドルモータ軸に平行になるように設けられている。キャリッジ４はピボット軸受３に揺動可能に固定されている。磁気ヘッド１はキャリッジ４の先端に固定されている。磁気ヘッド１を移動させるための動力はボイスコイルモータ（ＶＣＭ）２により発生する。磁気ヘッド１は磁気ディスク上のサーボセクター７に記録されている位置信号を検出して現在位置を知ることが可能となる。磁気ヘッドにより検出する位置信号は、ヘッド信号増幅器８により増幅され、サーボ信号復調器９により復調される。復調されたサーボ信号１９は、ＡＤ変換器１０を介して位置信号２０となり、バス１３を介してＭＰＵ１６に取り込まれる。この位置信号をＭＰＵ１６で処理し、以下の方法でＶＣＭ制御信号２１を生成する。
【０００７】
ＭＰＵ１６には、バス１３を介してＲＯＭ１５、ＲＡＭ１４が設けられている。ＲＯＭ１５には、ＭＰＵ１６で実行する各種の制御プログラムが格納され、また各種の制御に必要なパラメータも格納されている。
【０００８】
また、ＭＰＵ１６には、バス１３を介してインターフェースコントローラ１７が接続されている。インターフェースコントローラ１７は、ホスト側コントローラ１８のコマンドを受けて、ＭＰＵ１６に対してリードライトのアクセス要求を出す。ＭＰＵ１６は、データのリードライトを要求するコマンドが発行されると、ＲＯＭ１５に記録された位置決めの方法を実行して、現在のヘッド位置２０から目標位置までの距離に対応して目標速度を与え、図示しない速度制御系（シーク制御）によりＶＣＭ制御信号２１を生成する。
【０００９】
ヘッドが目標位置に近づくと、位置制御系（フォロイング制御）に切り替え、現在位置と目標位置の差に基づいてＶＣＭ制御信号を生成する。
【００１０】
このように生成されたＶＣＭ制御信号２１は、図１に示すようにＤＡ変換機１１を介してパワーアンプ制御信号２２となり、パワーアンプ１２を介して電流２３に変換され、ＶＣＭ２へ印加される。ＶＣＭはヘッドアクチュエータの駆動力を発生し、ヘッドを目標とする位置に位置決めする
以上、本発明の位置決め制御装置に関してその動作方法を説明した。本発明は、上記の現在位置と目標位置の差に基づいてＶＣＭ制御信号２１を生成する位置決め方法に関するものである。本発明の位置決め制御方法における構成の詳細を以下に説明する。
【００１１】
図２は、本発明の位置制御系の数式モデルによるブロック線図である。説明上制御対象の数式モデル３０をＰ（ｚ）で表しておく。ここで制御対象とは、図１において、ＭＰＵ１６で計算されるＶＣＭ制御信号２１から、ＭＰＵ１６による処理が可能となるように生成した位置信号２０までを表し、その入出力特性を表したものが伝達関数Ｐ（ｚ）である。
【００１２】
本実施例では、制御対象Ｐ（ｚ）３０は剛体モードと１つの振動モードからなる数３の機構系モデルＰｃ（ｓ）をディジタル制御系を想定して零次ホールド付で離散化したものとする。
【００１３】
【数３】

【００１４】
その際、サンプリング時間をＴｓとする。例えば、α_r＝−１、ζ_r＝０．０５、ω_r＝４０００(Hz)とし、サンプリング時間Ｔｓを５０μｓとする。
【００１５】
フォロイング制御部２７は、機構系の有する振動モードの周波数特性を望ましい形に整形する共振補償フィルタ２９（伝達関数をＣｘ（ｚ）とする）と、望ましい制御性能を実現するためのフォロイング補償器２８（伝達関数をＣｆ（ｚ）とする）から構成される。以下、図２の信号の流れを説明する。目標位置２４と位置信号２０の差分信号であるＰＥＳ２５を、フォロイング補償器Ｃｆ（ｚ）２８に入力することにより、フォロイング補償器Ｃｆ（ｚ）の出力信号ｕｐ２６を生成し、ｕｐ２６を共振補償フィルタＣｘ（ｚ）２９へ入力することによりＶＣＭ制御信号２１を生成する。
【００１６】
フォロイング補償器Ｃｆ（ｚ）２８は、次のような特性を持つように設定する。外力が制御系に作用する場合にも定常偏差を生じないように１次の積分特性を与え、かつ所望の位相余裕として通常２０〜４０°をとれるような１次の位相進み特性を与え、かつ所望のゲイン余裕として通常４〜７ｄＢを持つように、かつ制御系の開ループ特性におけるゲイン０ｄＢクロスオーバ周波数（入出力の振幅比が１となる周波数）が最も高く取れるようにゲイン特性を与える。
【００１７】
本発明の共振補償フィルタＣｘ（ｚ）２９は数４に示す２次の離散時間フィルタとし、離散化におけるサンプリング時間をＴｓとする。
【００１８】
【数４】

【００１９】
以下数４の係数ｐ₀、ｐ₁、ｐ₂、ｑ₁、ｑ₂の与え方を示す。次数４次の連続時間域での伝達関数Ｃｘｃ（ｓ）を導入し数５で表す。
【００２０】
【数５】

【００２１】
本実施例ではディジタルフィルタにより適用することを考えているため、数５を双一次変換することにより、数６のディジタルフィルタを得る。
【００２２】
【数６】

【００２３】
これを数４と比較することでｐ₀、ｐ₁、ｐ₂、ｑ₁、ｑ₂を数７〜数１１で与えることが出来る。
【００２４】
【数７】

【００２５】
【数８】

【００２６】
【数９】

【００２７】
【数１０】

【００２８】
【数１１】

【００２９】
Ｃｘ（ｚ）２９の周波数特性は、機構系の振動モードの極をＣｘ（ｚ）２９の零点で相殺することで、機構系の共振によるゲインの増加を抑え、機構系振動モードの共振周波数より通常１〜１．５倍の周波数にＣｘ（ｚ）２９の極を持つように与えるため、数５のω₁、ω₂、ζ₁、ζ₂の調整方法は次のように行う。始めに、Ｃｘ（ｚ）２９の零点が機構系振動モードの共振周波数付近となるようにω₁を選定する。次に、Ｃｘ（ｚ）２９の極が機構系振動モードの共振周波数よりも高い周波数となるようにω₂を選定する。ζ₁は機構系振動モードのピークを低減させるように設定する。機構系振動モードの減衰係数ζ_r＝０．０５であれば、ζ₁は０．０５〜０．５に設定する。ζ₂は、設定した極によるフィルタの位相遅れが過度にならないようにζ₁の０．５〜２倍に設定する。
【００３０】
次に、本発明を適用した場合の効果を示す。その際、本発明を適用しない場合（共振補償フィルタが無い場合）のフォロイング補償器は、Ｃｆ０（ｚ）とし、Ｃｆ（ｚ）と同じ構造を持ち、例えば開ループ特性Ｐ（ｚ）・Ｃｆ０（ｚ）において位相余裕を４０°、かつゲイン余裕を７ｄＢとし、その条件下で開ループ特性におけるゲイン０ｄＢクロスオーバ周波数が最高となる補償器とする。
【００３１】
図３は本発明の第１の実施例に係り、共振補償フィルタＣｘ（ｚ）２９のゲイン特性３１と位相特性３２である。図３は、Ｃｘ（ｚ）が、機構系の共振点がある４０００Ｈｚで反共振特性を有し、共振点より高い５０００Ｈｚで共振特性を有し、４０００Ｈｚと５０００Ｈｚの間で位相特性３２が凸状になる、位相進み補償器であることを示している。
【００３２】
従って、本発明を適用した場合のフォロイング制御部２７の位相特性は、機構系の共振周波数付近において凸形状を有するものとなる。このことは、制御系をオープンループとしたときの制御系の一巡伝達関数の位相特性（Ｃｆ（ｚ）・Ｃｘ（ｚ）・Ｐ（ｚ））から制御対象の位相特性（Ｐ（ｚ））を差し引くことにより得られるものである。
【００３３】
図４は本発明の第１の実施例に係わり、制御対象Ｐ（ｚ）のゲイン特性３３と位相特性３５、及び制御対象に共振補償フィルタを直列結合したＰ（ｚ）・Ｃｘ（ｚ）のゲイン特性３４と位相特性３６である。図４は、共振補償フィルタＣｘ（ｚ）を制御対象Ｐ（ｚ）に付加することにより与えられる、新たな制御対象Ｐ（ｚ）・Ｃｘ（ｚ）の有する振動モードが、制御対象P(z)の有する振動モードと比較して、共振点が４０００Ｈｚから５０００Ｈｚに移動していることを示している。
【００３４】
図５は本発明の第１の実施例に係わり、本発明を適用した場合の開ループ特性Ｐ（ｚ）・Ｃｘ（ｚ）・Ｃｆ（ｚ）のゲイン特性３８と位相特性4０、及び本発明を適用しない場合の開ループ特性Ｐ（ｚ）・Ｃｆ０（ｚ）のゲイン特性３７と位相特性３９である。図５の開ループ特性はいずれも位相余裕４０°かつゲイン余裕７ｄＢを満たすように与えている。本発明を適用しない場合の開ループ特性におけるゲイン０ｄＢクロスオーバ周波数は約１０００Ｈｚであり、本発明を適用した場合の開ループ特性におけるゲイン０ｄＢクロスオーバ周波数は約１３００Ｈｚであることを示している。本発明により本実施例の制御系の帯域が約３０％向上することを示している。
【００３５】
図６は、本発明の第１の実施例に係わり、本発明を適用した場合の感度関数のゲイン特性４２と、本発明を適用しない場合の感度関数のゲイン特性４１である。図６は、本発明を適用することにより１０００Ｈｚ以下での感度関数のゲインを約２〜３ｄＢ圧縮できることを示している。
【００３６】
第２の実施例は、第１の実施例とほぼ同じであるので、異なる点のみを説明し、同一の構成には同じ符号をつけ説明は省略する。
【００３７】
第１の実施例では、制御対象Ｐ（ｚ）は、図４のゲイン特性３３と位相特性３５に示すように反共振点を持たないものであった。ところで、機構系では構成する部品のバラツキ等で反共振点を持つ場合がある。そこで第２の実施例では、制御対象Ｐ（ｚ）は、共振点及び反共振点を持つものとし、共振補償フィルタＣｘ（ｚ）の共振点が制御対象Ｐ（ｚ）の反共振点と一致するように数５のω₂を選定し、ζ₂はＰ(ｚ)の反共振点によるゲインの落ち込みを低減するように選定する。その他の構成は第１の実施例と同じである。
【００３８】
図７は本発明の第２の実施例に係わり、制御対象Ｐ（ｚ）のゲイン特性４３と位相特性４５、および制御対象に共振補償フィルタを直列結合したＰ（ｚ）・Ｃｘ（ｚ）のゲイン特性４４と位相特性４６である。図７は、共振補償フィルタＣｘ（ｚ）を制御対象Ｐ（ｚ）に付加することにより与えられる、新たな制御対象Ｐ（ｚ）・Ｃｘ（ｚ）の周波数特性において共振点が無くなることを示している。このように、共振点のない振動モードとすることにより制御する周波数帯域が拡大する効果がある。
【００３９】
第３の実施例は、第１の実施例とほぼ同じであるので、異なる点のみを説明し、同一の構成には同じ符号をつけ説明は省略する。
【００４０】
第１の実施例では、制御対象Ｐ（ｚ）３０は剛体モードと１つの振動モードからなる数３の機構系モデルＰｃ（ｓ）を零次ホールド付で離散化したものであった。ところで、第２の実施例と同様に機構系においては、部品等のバラツキによっては、２つの共振点が顕著に現われるものもある。そこで第３の実施例では、制御対象Ｐ（ｚ）３０は剛体モードと２つの振動モードからなる数１２の機構系モデルＰｃ（ｚ）を、零次ホールド付で離散化したものとする。
【００４１】
【数１２】

【００４２】
数１２の第２項に示す振動モードに対して設計する共振補償フィルタをＣｘ１（ｚ）とし、数１２の第３項に示す振動モードに対して設計する共振補償フィルタをＣｘ２（ｚ）とする。各共振補償フィルタの設計法、及びその他の構成は第１の実施例と同じとする。
【００４３】
図８は本発明の第３の実施例に係り、制御対象Ｐ（ｚ）のゲイン特性４７と位相特性４９、および制御対象に共振補償フィルタを直列結合したＰ（ｚ）・Ｃｘ（ｚ）のゲイン特性４８と位相特性５０である。図８は、２つの共振補償フィルタＣｘ１（ｚ）、Ｃｘ２（ｚ）を制御対象Ｐ（ｚ）に付加することにより与えられる、新たな制御対象Ｐ（ｚ）・Ｃｘ１（ｚ）・Ｃｘ２（ｚ）が有する２つの共振点が、制御対象Ｐ（ｚ）の有する２つの共振点に対して、それぞれ高い周波数に存在することを示している。このように、共振点を高周波数側にずらすことにより、制御する周波数帯域を拡大することができるという効果がある。
【００４４】
第４の実施例は、第２の実施例とほぼ同じであるので、異なる点のみを説明し、同一の構成には同じ符号をつけ説明は省略する。
【００４５】
第２の実施例では、制御対象Ｐ（ｚ）３０は剛体モードと共振点および反共振点を１つ持つ振動モードからなる数３の機構系モデルＰｃ（ｓ）を、零次ホールド付で離散化したものであった。ところで、第２の実施例と同様に機構系によっては、それを構成する部品等のバラツキによって、２つの共振点と、１つの反共振点を有する振動モードを発生するものもある。そこで、第４の実施例では、制御対象Ｐ（ｚ）３０は剛体モードと２つの振動モードからなる数１２の機構系モデルＰｃ（ｓ）を零次ホールド付で離散化したものとする。その際、２つの共振点の間に反共振点を有するものとする。また、共振補償フィルタＣｘ（ｚ）の反共振点がＰ（ｚ）の共振点のうち低い周波数にある共振点と一致するように数５のω₁を選定し、Ｃｘ（ｚ）の共振点が制御対象Ｐ（ｚ）の反共振点と一致するように数５のω₂を選定する。その他の構成は第２の実施例と同じとする。
【００４６】
図９は本発明の第４の実施例に係り、制御対象Ｐ（ｚ）のゲイン特性５１と位相特性５３、及び制御対象に共振補償フィルタを直列結合したＰ（ｚ）・Ｃｘ（ｚ）のゲイン特性５２と位相特性５４である。図９は、共振補償フィルタＣｘ（ｚ）を制御対象Ｐ（ｚ）に付加することにより与えられる、新たな制御対象Ｐ（ｚ）・Ｃｘ（ｚ）の周波数特性において、制御対象Ｐ（ｚ）の持つ振動モードのうち低い周波数の共振周波数のモードが無くなることを示している。このように、低い方の共振周波数の振動モードを消すことによって制御する周波数帯域を拡大することができる。
【００４７】
本実施例では、共振補償フィルタはディジタルフィルタとしているが、アナログフィルタとすることも可能である。その場合には、共振補償フィルタは数４で示すＣｘｃ（ｓ）となる。
【００４８】
本実施例では、離散化の手法は双一次変換としているが、整合Ｚ変換とすることも可能である。
【００４９】
本実施例では、共振補償フィルタを制御対象の前に直列結合しているが、制御対象の後ろに直列結合することも可能である。
【００５０】
本実施例では、制御対象は一入力一出力系としているが、多入力多出力系に対しても適用可能である。その場合には、各入力から各出力までの伝達関数のそれぞれに対して直列にそれぞれの共振補償フィルタを結合すれば良い。
【００５１】
本実施例では、制御対象の振動モードの周波数がばらつくことを想定していないが、振動モードの周波数にばらつきがある場合にも本発明は適用可能である。その場合には、ばらつきの範囲の中で最も高い周波数の振動モードに合わせて共振補償フィルタを設計すればよい。
【００５２】
【発明の効果】
磁気ディスク装置の位置決め制御系において、制御対象の持つ振動モードの周波数特性を高い周波数に移動させる位相進みフィルタを制御対象に直列結合することにより、制御系の帯域の高帯域化が可能となり、目標トラックへの追従精度の向上が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例を示す磁気ディスク装置のヘッド位置決め制御系の構成図。
【図２】本発明の第１の実施例の位置決め制御方式のブロック図。
【図３】本発明の第１の実施例の共振補償フィルタCx(z)のゲイン特性と位相特性図。
【図４】本発明の第１の実施例の制御対象P(z)のゲイン特性と位相特性、及び制御対象に共振補償フィルタを直列結合したP(z)・Cx(z)のゲイン特性と位相特性を示す図。
【図５】本発明の第１の実施例の開ループ特性P(z)・Cx(z)・Cf(z)のゲイン特性と位相特性、及び開ループ特性P(z)・Cf0(z)のゲイン特性と位相特性を示す図。
【図６】本発明の第1の実施例を適用した場合の感度関数の周波数応答と、本発明を適用しない場合の感度関数の周波数応答を示す図。
【図７】本発明の第２の実施例の制御対象P(z)のゲイン特性と位相特性、及び制御対象に共振補償フィルタを直列結合したP(z)・Cx(z)のゲイン特性と位相特性を示す図。
【図８】本発明の第３の実施例の制御対象P(z)のゲイン特性と位相特性、及び制御対象に共振補償フィルタを直列結合したP(z)・Cx1(z)・Cx2(z)のゲイン特性と位相特性を示す図。
【図９】本発明の第４の実施例の制御対象P(z)のゲイン特性と位相特性、及び制御対象に共振補償フィルタを直列結合したP(z)・Cx(z)のゲイン特性と位相特性を示す図。
【符号の説明】
1…磁気ヘッド、２…ボイスコイルモータ（ＶＣＭ）、４…キャリッジ、５…磁気ディスク、６…スピンドルモータ、１０…ＡＤ変換機、１１…ＤＡ変換機、２０…位置信号、２１…ＶＣＭ制御信号、２４…目標位置、２５…ＰＥＳ、２８…フォロイング補償器、２９…共振補償フィルタ、３０…制御対象。

Claims

位置決め対象の位置を表す位置信号と、目標位置との差信号である位置誤差信号を用いて前記位置誤差信号を小さくする操作信号を前記位置決め対象のアクチュエータへ出力する位置決め制御装置において、
前記位置決め対象の有する振動モードの共振周波数付近に反共振点を持ち、前記共振周波数より高い周波数に共振点を持つ位相進みフィルタを前記位置決め対象と直列に接合したことを特徴とする位置決め制御装置。
位置決め対象の位置を表す位置信号と、目標位置との差信号である位置誤差信号を用いて前記位置誤差信号を小さくする操作信号を前記位置決め対象のアクチュエータへ出力する位置決め制御装置において、
前記位置決め対象が共振と反共振を含む振動モードを持つ場合、前記振動モードの共振周波数付近に反共振点を持ち、反共振周波数付近に共振点を持つ位相進みフィルタを前記位置決め対象と直列に接合することを特徴とする位置決め制御装置。
請求項１に記載の位置決め制御装置において、前記振動モードが少なくとも２つ以上の共振点が存在する場合、前記フィルタを２つ以上設けることを特徴とする位置決め制御装置。
位置決め対象の位置を表す位置信号と、目標位置との差信号である位置誤差信号を用いて前記位置誤差信号を小さくする操作信号を該位置決め対象のアクチュエータへ出力する位置決め制御装置において、
前記位置決め対象と位置決め装置の一巡伝達関数の位相特性から前記位置決め対象の位相特性を引くことにより得られる位相特性の形状が、前記位置決め対象の有する共振周波数の付近において凸形状を有していることを特徴とする位置決め制御装置。