JP4268164B2 - 非周期的な外乱補償制御装置、その方法及びそれを利用したディスクドライブ - Google Patents

Description

本発明は、ディスクドライブサーボ制御装置及び方法に係り、特にディスクドライブの非周期的な外乱（Ｎｏｎ−Ｒｅｐｅａｔａｂｌｅ Ｒｕｎ Ｏｕｔ：ＮＲＲＯ）を高速で精密に補償するための装置及び方法に関する。

一般的に、データ保存装置の一つであるハードディスクドライブ（ＨＤＤ）は、磁気ヘッドによりディスクに記録されたデータを再生するか、またはディスクにデータを記録することによってコンピュータシステム運用に寄与する。かかるＨＤＤは、次第に高容量化、高密度化及び小型化されつつ、ディスクの回転方向の記録密度であるＢＰＩ（Ｂｉｔ Ｐｅｒ Ｉｎｃｈ）及び厚さ方向の記録密度であるＴＰＩ（Ｔｒａｃｋ Ｐｅｒ Ｉｎｃｈ）が増大する趨勢であるので、それによりさらに精巧なメカニズムが要求される。

ＨＤＤでのトラック追従制御の目的は、外乱が存在してもヘッドを目的トラックの中央に位置させるためのものである。外乱は、ディスクの偏心により発生する周期的な外乱（Ｒｅｐｅａｔａｂｌｅ Ｒｕｎ Ｏｕｔ：ＲＲＯ）と、ディスクの振動により発生するＮＲＲＯとに区分される。ここで、周期的とは、外乱の信号の位相がディスクのサーボセクタに同期されることを意味する。ＲＲＯ補償制御に関する研究は活発に進められてきたが、ＮＲＲＯ補償制御に関する研究は技術的な難しさによりその成熟度が不十分な状態である。

ＮＲＲＯ補償制御の技術的な難しさは、大きく二点を挙げることができるが、第１は、外乱信号の周波数が製品によって変動するという点であり、第２は、外乱信号の位相がディスクサーボセクタに同期されないという点である。かかるＮＲＲＯの二つの固有特性のため、速くて正確なＮＲＲＯ補償制御器を開発し難かった。

ＨＤＤの動作速度の向上のためにディスクの回転速度を速める場合、ディスクの振動現象がひどく発生してＮＲＲＯが大きくなるのでディスクサーボ性能を低下させるという問題点があった。

かかるＮＲＲＯを補償するために開発された公知技術としては、特許文献１に記載されたＮＲＲＯ補償技術がある。この技術は、位置エラー信号（Ｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｅｒｒｏｒ Ｓｉｇｎａｌ：ＰＥＳ）からＮＲＲＯの周波数、振幅、位相を同時に推定して補償する方法を次のように提示した。

ＨＤＤのＮＲＲＯ値ｘ_ＮＲＲＯ（ｎ）は、式（１）で表現できる。

ＮＲＲＯ補償のために、式（２）のように表現される推定式を使用した。

そして、推定結果による補償値は、式（３）のように表現される。

かかる従来の技術によれば、推定式で周波数自体の値ω（ｎ）を推定するので、推定の安定性及び収斂速度が低下するという問題点があった。また、ＮＲＲＯ補償のために推定された周波数の三角関数値ｓｉｎ（ω（ｎ）ｎＴ）が必要であるので、正確な具現が難しいという問題点もあった。

ＮＲＲＯを補償するための他の公知技術として、特許文献２にディスクドライブの共振周波数除去技術が提示されている。この特許文献２に提示された技術は、ＤＦＴ（Ｄｉｓｃｒｅｔｅ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）により周波数をオフラインに推定し、その結果をＮＲＲＯ補償器で利用する技法が提示されたが、周波数が経時的に変動する場合にその性能が低下するという問題点があり、またＮＲＲＯ補償の具現時に三角関数の計算が依然として必要であるという問題点があった。
米国特許第５，０７２，３１８号明細書 米国特許第６，６３６，３７６号明細書

本発明が解決しようとする課題は、前述した問題点を解決するためのものであって、ＮＲＲＯ検出予想帯域のみでＮＲＲＯ具現時に必要なｃｏｓ（ωＴ）値を直接推定して、ＮＲＲＯを補償するためのＮＲＲＯ補償制御装置、その方法及びそれを利用したディスクドライブを提供するところにある。

前記の課題を解決するために、本発明によるＮＲＲＯ補償制御装置は、システムの外乱補償装置において、ノッチフィルタのフィルタ係数とノッチ周波数との関係を利用して、前記システムに反応する所定の信号からＮＲＲＯ周波数の三角関数値を直接推定する周波数推定器、及び前記周波数推定器で推定されたＮＲＲＯ周波数の三角関数値を適用して、システムのＮＲＲＯを除去するためのＮＲＲＯ補償器を備えることを特徴とする。

前記の課題を解決するために、本発明によるＮＲＲＯ補償制御方法は、システムの外乱補償方法において、（ａ）システムに反応する所定の信号からＮＲＲＯ周波数の三角関数値を直接推定するステップ、及び（ｂ）前記ステップ（ａ）で推定されたＮＲＲＯ周波数の三角関数値を適用してシステムのＮＲＲＯを補償するステップを含むことを特徴とする。

前記の課題を解決するために、本発明によるディスクドライブは、データ保存システムにおいて、ＰＥＳからヘッドの位置、速度及び制御入力情報を含むヘッド動きの状態情報値を推定する状態推定器、前記状態情報値に所定の状態フィードバック利得を乗算した状態フィードバック制御情報を生成させる状態フィードバック制御器、前記ＰＥＳからＮＲＲＯ周波数の三角関数値を直接推定し、推定されたＮＲＲＯ周波数の三角関数値に相応するＮＲＲＯ補償情報を生成させるＮＲＲＯ補償回路、前記状態フィードバック制御情報と前記ＮＲＲＯ補償情報とを合算して出力する合算器、及び前記合算器の出力に相応する駆動電流を生成させてヘッドを移動させ、前記ＰＥＳを生成させるボイスコイルモータ（Ｖｏｉｃｅ Ｃｏｉｌ Ｍｏｔｏｒ：ＶＣＭ）ドライバ＆アクチュエータを備えることを特徴とする。

本発明によれば、ＮＲＲＯ検出予想周波数帯域のみでＮＲＲＯ具現時に必要なｃｏｓ（ωＴ）値を直接推定してＮＲＲＯを補償することによって、従来の技術に比べて高速で精密にＮＲＲＯを補償できる。

以下、添付した図面を参照して、本発明の望ましい実施形態について詳細に説明する。
ＨＤＤは、機構的な部品で構成されたＨＤＡ（Ｈｅａｄ Ｄｉｓｋ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）と電気回路との結合からなる。

図１は、本発明が適用されるＨＤＤのＨＤＡ １０の構成を示す図面である。ＨＤＡ １０は、スピンドルモータ１４により回転される少なくとも一つ以上の磁気ディスク１２を備えている。また、ＨＤＡ １０は、ディスクの表面に隣接して位置した変換器（図示せず）を備えている。

変換器は、それぞれのディスク１２の磁界を感知して磁化させることによって、回転するディスク１２から／に情報を再生／記録できる。典型的に、変換器は、各ディスクの表面に結合されている。たとえ単一の変換器と説明されているとしても、これは、ディスク１２を磁化させるための記録用の変換器とディスク１２の磁界を感知するための分離された再生用の変換器とからなると理解されねばならない。再生用の変換器は、磁気抵抗（Ｍａｇｎｅｔｏ Ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ：ＭＲ）素子から構成される。

変換器は、ヘッド１６に統合されうる。ヘッド１６は、変換器とディスクの表面との間に空気軸受を生成させる構造になっている。ヘッド１６は、ヘッドスタックアセンブリ（Ｈｅａｄ Ｓｔａｃｋ Ａｓｓｅｍｂｌｙ：ＨＳＡ）２２に統合されている。ＨＳＡ ２２は、ボイスコイル２６を有するアクチュエータアーム２４に付着されている。ボイスコイル２６は、ＶＣＭ ３０を特定するようにマグネチックアセンブリ２８に隣接して位置している。ボイスコイル２６に供給される電流は、軸受アセンブリ３２に対してアクチュエータアーム２４を回転させるトルクを発生させる。アクチュエータアーム２４の回転は、ディスクの表面を横切って変換器を移動させる。

情報は、典型的にディスク１２の環状のトラック内に保存される。各トラック３４は、一般的に複数のセクタを含んでいる。各セクタは、データフィールドと識別フィールドとを含んでいる。識別フィールドは、セクタ及びトラック（シリンダー）を識別するグレーコードを含んでいる。変換器は、他のトラックにある情報を再生／記録するためにディスクの表面を横切って移動する。

図２は、本発明によるＮＲＲＯ補償制御装置が適用されるＨＤＤのサーボ制御回路の構成図である。

図２に示すように、本発明によるＨＤＤのサーボ制御回路は、状態推定器２１０、状態フィードバック制御器２２０、帯域通過フィルタ２３０、周波数推定器２４０、ＮＲＲＯ補償器２５０、合算器２６０及びＶＣＭドライバ＆アクチュエータ２７０を備える。

前記帯域通過フィルタ２３０、周波数推定器２４０及びＮＲＲＯ補償器２５０で構成された回路をＮＲＲＯ補償回路１０００と称する。

状態推定器２１０は、ＰＥＳ ｘ_ＰＥＳ（ｎ）から公知された状態方程式を利用して、ヘッドの位置、速度及び制御入力情報を含むヘッド動きの状態変数値を推定するプロセスを行う。

状態フィードバック制御器２２０は、状態推定器２１０で推定されたヘッドの動きの状態変数値に状態フィードバック利得を乗算した状態フィードバック制御値を生成させる。

帯域通過フィルタ２３０は、ＮＲＲＯが発生する可能性がある関心周波数帯域のＰＥＳを通過させるように周波数特性を決定する。一例として、式（４）のような応答特性Ｈ_ＢＰＦ（ｚ）を有するように設計できる。

ここで、ω_ｃは中心周波数を意味し、ｒは帯域の幅を決定し、Ｋは中心周波数利得を１に合せるための定数であって、式（５）のように決定される。

中心周波数が７００Ｈｚである帯域通過フィルタの周波数応答特性の例を図４に示した。

ＰＥＳは、色々な外乱及びノイズによりＮＲＲＯ成分以外の成分を含むが、帯域通過フィルタ２３０は、ＮＲＲＯ周波数推定の正確性を高める役割を行う。

ＮＲＲＯ補償器２５０は、ＮＲＲＯ周波数ωについて既に公知された式（６）のような制御モデルによって設計される。

ＮＲＲＯ補償器２５０の伝達関数Ｈ_ＮＲＲＯ（ｚ）を求めれば式（７）の通りであり、二つの極点ｅ^±ｊωが外乱周波数ωに該当するということが容易に分かる。

しかし、ＮＲＲＯ周波数は、通常の使用条件及び製品別に異なるので正確な推定が必要である。本発明で、ＮＲＲＯ補償器２５０の係数ｃｏｓ（ωＴ）は、周波数推定結果によって式（８）のように可変されうる。

これにより、本発明の核心的な技法であるＮＲＲＯ補償器２５０で使われる係数ｃｏｓ（ωＴ）を直接推定する方法について詳細に説明する。

周波数推定器２４０は、ＰＥＳからＮＲＲＯ周波数の三角関数値を直ちに正確に推定する機能を行う。

周波数推定器２４０は、一例として、図３に示すように、可変係数有限インパルス応答（Ｆｉｎｉｔｅ Ｉｍｐｕｌｓｅ Ｒｅｓｐｏｎｓｅ：ＦＩＲ）フィルタ２４０−１及びチューナ２４０−２で構成できる。

まず、可変係数ＦＩＲフィルタ２４０−１の特性式は、式（９）の通りである。

このＦＩＲフィルタ２４０−１の周波数応答特性を求めればノッチフィルタとなるということが分かり、そのノッチ周波数は、フィルタ係数λ（ｎ）により決定される。もしλ（ｎ）＝ｃｏｓ（ωＴ）である場合、式（８）からフィルタの零点はｅ^±ｊωＴであるので、フィルタ係数とノッチ周波数との関係はλ（ｎ）＝ｃｏｓ（ωＴ）で与えられる。したがって、フィルタ入力信号の周波数がノッチフィルタの中心周波数と一致する場合、フィルタの出力は０に接近する。かかる事実を逆に使用して、フィルタ出力が最小化される方向にフィルタ係数を調整すれば、フィルタ係数値は、フィルタ入力信号の周波数に相応する値ｃｏｓ（ωＴ）に収斂するということが分かる。

かかる特性を利用して、ＦＩＲフィルタ２４０−１の出力が最小化される方向にフィルタ係数λ（ｎ）を調整するように、チューナ２４０−２を設計する。これにより、ＦＩＲフィルタ２４０−１の出力最小化のためのチューナ２４０−２のフィルタ係数調整式は、既存に知られた最小平均二乗（Ｌｅａｓｔ Ｍｅａｎ Ｓｑｕａｒｅ：ＬＭＳ）理論に基づいて式（１０）のように設計される。

ここで、変数ｘ（ｎ），ｙ（ｎ）は、それぞれＦＩＲフィルタの入力信号及び出力信号を意味し、定数μは、適応利得を意味する。

かかる方法でフィルタ係数を調整すれば、フィルタ係数λ（ｎ）は、式（１１）のようにＮＲＲＯ周波数に該当する値に収斂する。

したがって、本発明による周波数推定器２４０では、従来の技術のようにＮＲＲＯ周波数自体の値ω（ｎ）を推定するものではなく、ＮＲＲＯ補償器２５０で必要とする値であるｃｏｓ（ωＴ）を直接推定する。

このように推定されたＮＲＲＯ周波数の三角関数値ｃｏｓ（ωＴ）に該当するフィルタ係数λ（ｎ）をＮＲＲＯ補償器２５０に印加すれば、式（８）によりＮＲＲＯ補償値ｕ_ｃｏｍ（ｎ）を速く計算できる。

本発明では、周波数推定速度を速めるために、周波数推定器２４０の動作開始に出発時に予め知っている正常状態値で初期化させるように設計することが効果的である。

合算器２６０は、状態フィードバック制御器２２０から出力される状態フィードバック制御値と、ＮＲＲＯ補償器２５０から出力されるＮＲＲＯ補償値とを合算して、ＶＣＭドライバ＆アクチュエータ２７０に出力する。

ＶＣＭドライバ＆アクチュエータ２７０は、合算器２６０の出力に相応する駆動電流を生成させてヘッドを移動させ、トラック探索及びトラック追従を行いつつヘッドの動きに相応するＰＥＳを生成させる。

本発明で提示したＮＲＲＯ補償技法を使用すれば、ＮＲＲＯを高速で精密に補償できるということを示す実験結果を下記に提示する。

トラック密度、トラック幅、ディスク回転速度がそれぞれ１３０，０００ＴＰＩ、０．１９μｍ、７２００ｒｐｍであるドライブを実験に使用した。周波数が８００Ｈｚであり、振幅が０．５トラックであるＮＲＲＯを制御システムに印加し、ＮＲＲＯ補償回路は、トラック追従モードで動作が始まるように設定した。

図５は、周波数推定器２４０は動作させてＮＲＲＯ補償器２５０はオフした場合の、周波数推定及びＰＥＳ性能を示す図面である。図５で、ＮＲＲＯのために０．４トラックほどのＰＥＳが発生するが、周波数推定値は、０から出発して８００Ｈｚに該当する値に正確に収斂するということが分かる。収斂時間は、約６ｍｓｅｃである。

図６は、ＮＲＲＯ補償器２５０をオンさせた後、周波数推定及びＰＥＳ性能を示す図面である。図６では、周波数推定器の初期値を０に設定した。図６から、周波数は６ｍｓｅｃ以内に正確に収斂し、ＮＲＲＯ補償実行により、ＰＥＳは１０ｍｓｅｃ以内に０に近く収斂するということが分かる。

ＮＲＲＯ補償時間を短縮させるために、周波数推定器２４０を予め知っている定常状態値から出発させた場合の性能を図７に示した。図７から、ＮＲＲＯ補償時間が４ｍｓｅｃ以内に短縮されるということが分かる。したがって、本発明によるＮＲＲＯ補償技法は、ＮＲＲＯを従来の技術に比べて高速で精密に補償できる。

本発明は、方法、装置、システムなどとして実行されうる。ソフトウェアで実行されるとき、本発明の構成手段は、必然的に必要な作業を実行するコードセグメントである。プログラムまたはコードセグメントは、プロセッサで読み取り可能な媒体に保存され、または伝送媒体または通信網で搬送波と結合されたコンピュータデータ信号により伝送されうる。プロセッサで読み取り可能な媒体は、情報を保存または伝送できるいかなる媒体も含む。プロセッサで読み取り可能な媒体の例としては、電子回路、半導体メモリ素子、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、フラッシュメモリ、消去可能ＲＯＭ（Ｅｒａｓａｂｌｅ ＲＯＭ）、フロッピー（登録商標）ディスク、光ディスク、ハードディスク、光ファイバー媒体、無線周波数（ＲＦ）網などがある。コンピュータデータ信号は、電子網チャンネル、光ファイバー、空気、電界、およびＲＦ網のような伝送媒体上に伝播可能ないかなる信号も含まれる。

添付された図面に示して説明された特定の実施形態は、単に本発明の例として理解され、本発明の範囲を限定するものではなく、本発明が属する技術分野で本発明に記述された技術的思想の範囲でも多様な他の変更が可能であるので、本発明は、見られるか、または記述された特定の構成及び配列に制限されないということは自明である。

本発明は、ＨＤＤを含む各種のディスクドライブに適用されうる。

本発明が適用されるＨＤＤのＨＤＡの平面図である。 本発明によるＮＲＲＯ補償制御装置が適用されたＨＤＤのサーボ制御回路のブロック構成図である。 図２に示した周波数推定器のブロック構成図である。 本発明に適用される帯域通過フィルタの周波数応答特性を示す図面である。 本発明の効果を説明するために、周波数推定器はオンさせてＮＲＲＯ補償器はオフした場合、周波数推定及びＰＥＳ性能を示す図面である。 本発明の効果を説明するために、周波数推定器及びＮＲＲＯ補償器をオンさせた後の周波数推定及びＰＥＳ性能を示す図面である。 本発明の効果を説明するために、周波数推定器を予め知っている定常状態値から出発させた場合の性能を示す図面である。

符号の説明

２１０ 状態推定器
２２０ 状態フィードバック制御器
２３０ 帯域通過フィルタ
２４０ 周波数推定器
２５０ ＮＲＲＯ補償器
２６０ 合算器
２７０ ＶＣＭドライバ＆アクチュエータ
１０００ ＮＲＲＯ補償回路

Claims (9)

1. システムの外乱補償装置において、
   ノッチフィルタのフィルタ係数とノッチ周波数との関係を利用して、前記システムに反応する所定の信号から非周期的な外乱周波数の三角関数値を直接推定する周波数推定器と、
   前記周波数推定器で推定された非周期的な外乱周波数の三角関数値を適用して、システムの非周期的な外乱を除去するための非周期的な外乱補償器と、を備え、
   前記周波数推定器は、動作開始時に予め知っている正常状態値で初期化させ、
   前記周波数推定器は、
   前記所定の信号を所定の周波数応答特性によってフィルタリングして出力する有限インパルス応答フィルタと、
   前記有限インパルス応答フィルタの出力を入力して、前記有限インパルス応答フィルタの出力が最小化される方向にフィルタ係数を調整しつつ、収斂されたフィルタ係数値を出力させるチューナと、
   を備えることを特徴とする非周期的な外乱補償制御装置。
2. 前記有限インパルス応答フィルタの特性式は、
   （ここで、ｘ（ｎ），ｙ（ｎ）は、それぞれ有限インパルス応答フィルタの入力及び出力信号であり、λ（ｎ）は、フィルタ係数である）で設計することを特徴とする請求項１に記載の非周期的な外乱補償制御装置。
3. 前記有限インパルス応答フィルタは、ノッチフィルタを含むことを特徴とする請求項１に記載の非周期的な外乱補償制御装置。
4. 前記チューナは、フィルタ係数λ（ｎ）を次の数式
   （ここで、ｘ（ｎ），ｙ（ｎ）は、それぞれ有限インパルス応答フィルタの入力及び出力信号であり、μは、適応利得定数である）により前記有限インパルス応答フィルタの出力ｙ（ｎ）が最小化されるように調整することを特徴とする請求項１に記載の非周期的な外乱補償制御装置。
5. システムの外乱補償方法において、
   （ａ）ノッチフィルタのフィルタ係数とノッチ周波数との関係を利用して、システムに反応する所定の信号から非周期的な外乱周波数の三角関数値を直接推定するステップと、
   （ｂ）前記ステップ（ａ）で推定された非周期的な外乱周波数の三角関数値を適用して、システムの非周期的な外乱を補償するステップと、を含み、
   前記ステップ（ａ）は、動作開始時に予め知っている正常状態値で初期化させ、
   前記ステップ（ａ）は、可変係数有限インパルス応答フィルタを利用して、前記可変係数有限インパルス応答フィルタの出力信号を最小化させるように調整されたフィルタ係数の収斂値で、前記非周期的な外乱周波数の三角関数値を推定することを特徴とする非周期的な外乱補償制御方法。
6. データ保存システムにおいて、
   位置エラー信号からヘッドの位置、速度及び制御入力情報を含むヘッド動きの状態情報値を推定する状態推定器と、
   前記状態情報値に所定の状態フィードバック利得を乗算した状態フィードバック制御情報を生成させる状態フィードバック制御器と、
   ノッチフィルタのフィルタ係数とノッチ周波数との関係を利用して、前記位置エラー信号から非周期的な外乱周波数の三角関数値を直接推定し、推定された非周期的な外乱周波数の三角関数値に相応する非周期的な外乱補償情報を生成させる非周期的な外乱補償回路と、
   前記状態フィードバック制御情報と前記非周期的な外乱補償情報とを合算して出力する合算器と、
   前記合算器の出力に相応する駆動電流を生成させてヘッドを移動させ、前記位置エラー信号を生成させるボイスコイルモータドライバ＆アクチュエータと、を備え、
   前記非周期的な外乱補償回路は、
   前記位置エラー信号を入力して、非周期的な外乱が発生する可能性がある関心周波数帯域成分のみを通過させる帯域通過フィルタと、
   前記帯域通過フィルタの出力から非周期的な外乱周波数の三角関数値を直接推定する周波数推定器と、
   前記周波数推定器で推定された非周期的な外乱周波数の三角関数値を利用して、非周期的な外乱補償情報を生成させる非周期的な外乱補償器と、を備え、
   前記周波数推定器は、動作開始時に予め知っている正常状態値で初期化させ、
   前記周波数推定器は、
   前記帯域通過フィルタの出力を所定の周波数応答特性によってフィルタリングして出力する有限インパルス応答フィルタと、
   前記有限インパルス応答フィルタの出力を入力して、前記有限インパルス応答フィルタの出力が最小化される方向にフィルタ係数を調整しつつ、収斂されたフィルタ係数値を出力させるチューナと
   を備えることを特徴とするディスクドライブ。
7. 前記有限インパルス応答フィルタの特性式は、
   （ここで、ｘ（ｎ），ｙ（ｎ）は、それぞれ有限インパルス応答フィルタの入力及び出力信号であり、λ（ｎ）は、フィルタ係数である）で設計することを特徴とする請求項６に記載のディスクドライブ。
8. 前記有限インパルス応答フィルタは、ノッチフィルタを含むことを特徴とする請求項６に記載のディスクドライブ。
9. 前記チューナは、フィルタ係数λ（ｎ）を次の数式
   （ここで、ｘ（ｎ），ｙ（ｎ）は、それぞれ有限インパルス応答フィルタの入力及び出力信号であり、μは、適応利得定数である）により前記有限インパルス応答フィルタの出力ｙ（ｎ）が最小化されるように調整することを特徴とする請求項６に記載のディスクドライブ。