JP4283979B2 - 位置決め制御装置 - Google Patents

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制御装置に係り、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】
磁気ディスク装置などのヘッドの位置決め制御系では、制御帯域より高い周波数にアクチュエータの機械的共振が複数存在する。従来これらの共振に対しては、ノッチフィルタ等により共振周波数での制御系のゲインを下げる事で不安定化を回避してきた。しかし、ノッチフィルタを用いたゲイン低下による安定化手法は、共振周波数の個体間や温度変化によるばらつきへの対応が難しく、また、位相遅れが発生するため制御系の位相余裕を減少させ位置決め精度を悪化させる原因となる。
【０００３】
このような問題に対して、特開平１１−９６７０４号公報には、複数周波数の機械的共振存在時の最適なノッチフィルタ選択を行う手法が開示されている。この手法は、２種類の異なる任意のノッチフィルタを別々に位置決め制御系に挿入し、オープンループゲイン特性に基づき最適なノッチフィルタを選定する方法である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記公報の方法では、ゲイン特性のみに着目したノッチフィルタの選定方法であるため、位相特性により安定化可能である共振に対してもノッチフィルタを選定する。そのような場合、不必要なノッチフィルタにより位相余裕を悪化させることとなる。また、ノッチフィルタにより共振周波数でのゲインを低下させた場合、その共振の振動に対しては励振を回避するのみで振動の抑圧は出来ない。
【０００５】
本発明は、アクチュエータ等により制御対象の位置決め制御を行う装置において、制御帯域より高い周波数に複数の機械的共振が存在する場合、各共振の周波数応答における位相特性を測定し、選られた位相特性データに基づき各々の共振に対して最適な安定化手法を選定する制御方式を得ることを目的とする。
【０００６】
【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。まず制御対象の周波数特性を測定する。次に、機構系に存在する複数の共振振動の中から位相補償器により安定化する共振（主共振）を決定する。次に、得られた周波数特性から、主共振と位相条件が同じ共振（同相モード）と位相条件が１８０°反対の共振（逆相モード）に分別する。ここで、逆相モードの振動はノッチフィルタによりゲインを圧縮するか位相反転フィルタにより位相を１８０°遅らせることとし、主共振と同相モードの振動は位相補償器により安定化する。これにより、安定化可能である共振に対してノッチフィルタを挿入することを防ぎ振動を抑圧することが出来る。
【０００７】
【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された位置信号は、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。こうして得た位置信号をＭＰＵ１６で処理し以下の方法でＶＣＭ制御信号２１を生成する。
【０００８】
ＭＰＵ１６に対してはバス１３を介してＲＯＭ１５、ＲＡＭ１４が設けられる。ＲＯＭ１５にはＭＰＵ１６で実行する本発明を含む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。
【０００９】
ＭＰＵ１６に対してはバス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、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。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、MPU１６はROM１５に記録される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応じて最適なＶＣＭ制御信号２１を生成する。生成されたVCM制御信号２１は、図１に示すようにDA変換器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
以上により、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。
【００１０】
次に、本発明の位置決め制御方法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ブロック線図である。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制御対象２４の伝達関数である。制御部２５は、位置信号２０と目標位置２６の差であるPES２７からVCM制御信号２１を計算しDA変換器へ出力するまでを表す。
【００１２】
図３にヘッド１と、VCM２と・ピボット軸受３と、キャリッジ４等から構成されるヘッド駆動機構部を示す。ヘッド駆動機構部はピボット軸受中心に回転運動を行うものであり、位置決め制御系での座標系はピボット軸受中心の回転座標系となる。このVCM制御入力からヘッド位置までの伝達特性にはさまざまな機械的共振振動（共振周波数）が存在することが知られている。本発明では、これらの機械的共振振動のなかで、ゲインが大きく制御系に影響を与える可能性のある機械的共振についてのみ取り扱う。
【００１３】
図４にヘッド駆動機構部におけるVCM制御入力からヘッド位置までの伝達特性４０の周波数応答（ゲイン特性４１・位相特性４２）の測定例を示す。なお、位相特性４２は無駄時間やサンプラ・ホールド等による位相遅れを取り除き、−３０６°〜０°の間で規格化した値（例えば−５４０°は−１８０°となる）である。
【００１４】
この伝達特性４０は剛体モードと複数の振動モードから構成される。４ｋHz付近にある共振４４は主共振周波数と呼ばれる振動モードであり、この主共振周波数によって制御帯域が制限される。また、主共振周波数より高い周波数に複数の共振振動（高次共振周波数）が存在し、それらも制御系の安定性に影響を与える。位相特性４２から、主共振の位相は−１８０°から−３６０°の間で遅れていくことが分かる。高次共振周波数では、主共振周波数と同様に位相が−１８０°から−３６０°の間で遅れていくものと、位相が０°から−１８０°の間で（主共振周波数とは１８０°ずれて）遅れていくものに分けられる。 そこで本発明では、高次共振周波数のうち、主共振周波数と同じように（本実施例では−１８０°から−３６０°の間で）位相が遅れていくものを「同相モード」、主共振とは１８０°異なる値で（本実施例では０°から−１８０°の間で）位相が遅れていくものを「逆相モード」と呼ぶこととする。従って図4では、共振４５は同相モードであり、共振４６は逆相モードである。
【００１５】
図５にヘッド駆動機構部における共振のモード形状の例を示す。図５(a)は主共振であるバタフライ１次モードを表したものである。このモード図はVCMとヘッドが同方向（回転座標系では逆方向）へ振動することを表している。図５(b)に同相モードの例としてバタフライ２次モードを示す。このモードは、５〜７kHz付近で共振点を持ち、VCMとヘッドが同方向へ振動するがピボット軸受部は逆方向へ振動する。図５(c)に逆相モードの例としてS字モードを示す。このモードは、７〜１０ｋHz付近に共振点を持ち、VCMとヘッドが逆方向へ振動する。つまり、主共振および前述の同相モードは、VCMとヘッドが同方向（回転座標系では逆方向）へ振動するモードであり、逆相モードとは、VCMとヘッドが逆方向（回転座標系では同方向）へ振動するモードである。このことから、VCMとヘッド位置の関係に限ると、主共振と同相モードは同じ動きをし、主共振と逆相モードは反対の動きをすることがわかる。
【００１６】
次に、本発明による複数の機械的共振に対する安定化手法について説明する。始めに、制御対象の周波数応答を測定する。この周波数応答から、位相補償器により安定化する主共振を選定し、主共振以外の主要な共振を「同相モード」と「逆相モード」に分類する。次に、逆相モードの共振周波数に中心周波数を設定したノッチフィルタを挿入し、位置信号に含まれる逆相モードの振動をアクチュエータへフィードバックしないこととする。これにより、逆相モードの励振を防ぐことができる。その後、主共振および同相モードを安定化する位相補償器を制御部に挿入する。この位相補償器は、ノッチフィルタと制御対象を結合した伝達特性に対し、位相補償器を結合したオープンループ位相特性が、主共振と同相モードの共振周波数にて３６０°×ｎ（ｎは整数）を中心に±９０°以内の範囲（−１８０°〜１８０°で規格化した場合は−９０°〜９０°の範囲）となる位相特性を有するように設計する。これにより、主共振と同相モードの振動を打ち消す位相条件の信号が制御部からアクチュエータへ出力され振動が抑制される。特に、オープンループ位相特性が０°に近いほど制振効果は大きくなる。ここで同相モードの共振がオープンループゲイン特性において大きなゲイン（たとえば−３dB以上）を持つ場合においても、制御系の安定性は保たれ、制御系を不安定にすることや共振周波数での振動を励振することはない。このことは、ナイキスト線図を用いたオープンループ特性のベクトル軌跡および感度関数特性により確認できる。
【００１７】
本発明を用いた制御部２５の設計例を示す。ここでは、ヘッド駆動機構部が図4の伝達特性４０を有するヘッド位置決め制御系に対して設計を行う。まず、逆相モードの共振周波数である７．５ｋHzに中心周波数を設定したノッチフィルタを制御部２５に挿入する。図６に制御対象とノッチフィルタを結合した伝達特性４８の周波数応答（ゲイン特性４９・位相特性５０）を示す。伝達特性４８は、主共振の共振周波数である４５ｋHzでの位相が１５°、同相モードの共振周波数である６ｋHzでの位相が−２９°である。従って、位相補償器の位相特性は４５ｋHzでは−１０５°〜７５°、６ｋHzでは−６１°〜１１９°の範囲となればよい。また、制御系の位相余裕を確保するため、オープンループゲイン特性が０ｄＢとなる周波数にて位相を進めることも必要となる。これらの条件を満たす位相補償器を制御部２５に挿入する。上記の仕様を満たすように設計された制御部２５の周波数特性を図７に、この制御部２５によるオープンループ特性（ゲイン特性５１・位相特性５２）を図８に示す。
【００１８】
本発明を適用した場合の効果を上記設計例の結果を用いて示す。図８に示すオープンループゲイン特性５１において、逆相モードの存在する７．５ｋHzでのゲインがノッチフィルタにより下げられており、本制御系は逆相モードを励振しないことを確認できる。図９にナイキスト線図を用いた上記設計例でのオープンループ特性のベクトル軌跡５３を示す。ベクトル軌跡５３において、主共振４４の存在する周波数は制御部２５により安定化されているため安定なベクトル軌跡である。同様に同相モードである共振４５の存在する周波数でも安定なベクトル軌跡を通過していることから、制御系は安定であることがわかる。 図１０に上記設計例での感度関数のゲイン特性５４を示す。同相モードの存在する６ｋHzにおいて感度関数のゲイン特性５４が０ｄＢ以下に圧縮されており、共振４５による振動が制振されることがわかる。
【００１９】
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。第１の実施例では、逆相モードの励振を防ぐためにノッチフィルタを挿入し、位置信号に含まれる逆相モードの振動をアクチュエータにフィードバックしない制御系であった。そこで第２の実施の形態では、逆相モードの共振周波数で位相を１８０°遅らせる位相反転フィルタＦｉ（ｓ）６１を挿入し、逆相モードの振動を制振する方法について述べる。
【００２０】
逆相モードの振動は主共振と反対の位相条件で振動する。そのため、位置信号に含まれる逆相モードの振動を主共振の振動を安定化する位相補償器に入力した場合、逆相モードの振動を励振する信号が位相補償器からアクチュエータへ出力される。しかし、位置信号に含まれる逆相モードの振動を、位相を１８０°遅らせて位相補償器へ入力すると、振動を制振する信号が位相補償器からアクチュエータへ出力される。そこで、位置信号に含まれる逆相モードの振動の位相を１８０°遅らせる位相反転フィルタＦｉ（ｓ）を位相補償器に結合する。ここで、位相反転フィルタＦｉ（ｓ）は数１で表される２次フィルタである。
【００２１】
【数１】

【００２２】
以下数１の係数ζ、ωの与え方を示す。ωは逆相モードの共振周波数に設定する。これにより、逆相モードの共振周波数にて位相を１８０°遅らせる位相特性が実現される。ζは位相を変化させる周波数の幅を決定するものであり、通常０．０５〜０．５の間で選定する。
【００２３】
本実施例において、本発明を適用した制御部２５の設計方法を示す。ここでは、ヘッド駆動機構部が図4の伝達特性４０を有するヘッド位置決め制御系に対して設計を行う。制御部２５は、逆相モードの共振周波数である７．５ｋHzにて位相を１８０°遅らせる位相反転フィルタFi(s)６１と主共振と同相モードを安定化する位相条件を有した位相補償器を結合することで構成される。 位相反転フィルタＦｉ（ｓ）６１の周波数応答を図１１に示す。
【００２４】
本実施例において、本発明を適用した場合の効果を示す。図１２に本実施例でのナイキスト線図を用いたオープンループ特性のベクトル軌跡６３を示す。ベクトル軌跡６３は、主共振４４の存在する周波数では制御部２５により安定化されているため安定なベクトル軌跡である。同様に同相モードである共振４５ならびに逆相モードである共振４６の存在する周波数においても安定なベクトル軌跡を通過していることから、制御系は安定であることがわかる。
【００２５】
図１３に本実施例での感度関数のゲイン特性６４を示す。同相モードの存在する６ｋHzおよび逆相モードの存在する７．５ｋHzにおいて感度関数のゲイン特性６４が０ｄＢ以下に圧縮されており、共振４５および共振４６による振動が制振されることがわかる。
【００２６】
第３の実施例は、第１及び第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。第１及び第２の実施例では、ヘッド駆動機構部はVCMを唯一のアクチュエータとして持つものであった。第３の実施例は、ヘッド駆動機構部において、VCMを粗動アクチュエータとして備え、他に微動アクチュエータを備えた構成としたものである。すなわち、２段アクチュエータ駆動系としたものである。本実施例では、微動アクチュエータとして２つのピエゾ素子をキャリッジとヘッドを連結するサスペンション上に取り付けた方式としたものである。
【００２７】
図１４にヘッド１と、キャリッジ４と、サスペンション１０５と、ピエゾ素子１０６と、ピエゾ素子１０７と、ピエゾ素子制御部１０８から構成される微動アクチュエータ機構制御部を示す。微動アクチュエータはピエゾ素子制御入力１０９によりピエゾ素子１０６、１０７の伸縮させヘッド1を移動させる。このピエゾ素子制御入力１０９からヘッド位置２０までの伝達特性にはさまざまな機械的共振振動が存在する。
【００２８】
図１５にピエゾ素子制御入力１０９からヘッド位置２０までの伝達特性の周波数応答例（ゲイン特性１４１・位相特性１４２）を示す。ここで、６ｋHz付近にある共振１４４をピエゾ素子制御系における主共振とみなし位相補償器により安定化することとする。位相特性１４２から、主共振の位相は０°から−１８０°の間で遅れていくことが分かる。よって本実施例においては、主共振と同じく位相が０°から−１８０°の間で遅れていく共振が「同相モード」であり、位相が−１８０°から−３６０°の間で遅れていく共振が「逆相モード」である。従って図１５では、共振１４５は同相モードであり、共振１４６は逆相モードである。
【００２９】
【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、制御対象が複数の機械的共振を有する場合、各共振の位相特性に応じて安定化手法を選定することにより、不必要なノッチフィルタを除去し、安定化可能な振動を抑制することが可能となる。これにより、位置決め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の実施例を示す位置決め制御方式のブロック図。
【図３】本発明の第１の実施例を示すヘッド駆動機構部を示す図。
【図４】本発明の第１の実施例を示すヘッド駆動機構部におけるVCM制御入力からヘッド位置までのゲイン特性と位相特性図。
【図５】本発明の第１の実施例を示すヘッド駆動機構部における振動モードのモード図。
【図６】本発明の第１の実施例を示すノッチフィルタと制御対象を結合した伝達特性を示す図。
【図７】本発明の第１の実施例を示す本発明を適用した場合の制御部の伝達特性を示す図。
【図８】本発明の第１の実施例を適用した場合の制御系のオープンループ特性を示す図。
【図９】本発明の第１の実施例を適用した場合の制御系のベクトル軌跡を示すナイキスト線図。
【図１０】本発明の第１の実施例を適用した場合の制御系の感度関数ゲイン特性を示す図。
【図１１】本発明の第２の実施例を示す位相反転フィルタFi(s)のゲイン特性と位相特性を示す図。
【図１２】本発明の第2の実施例を適用した場合の制御系のベクトル軌跡を示すナイキスト線図。
【図１３】本発明の第２の実施例を適用した場合の制御系の感度関数ゲイン特性を示す図。
【図１４】本発明の第３の実施例を示す微動アクチュエータによるヘッド駆動機構制御部の図。
【図１５】本発明の第３の実施例のヘッド駆動機構部におけるピエゾ素子制御入力からヘッド位置まで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、２０…位置信号、２１…VCM制御信号、４２…本発明の第1の実施例でのＶＣＭ制御入力からヘッド位置までの位相特性、４４…本発明の第１の実施例での主共振、４５…本発明の第1の実施例での同相モード、４６…本発明の第1の実施例での逆相モード、５４…本発明の第1の実施例での感度関数ゲイン特性、６４…本発明の第２の実施例での感度関数ゲイン特性、１０５…サスペンション、１０６…ピエゾ素子、１０７…ピエゾ素子。

Claims (6)

1. 情報記録再生媒体と、
   前記情報記録再生媒体に対し相対的に移動しながら情報の記録再生を行うヘッドと、前記ヘッドを支持するキャリッジと、前記キャリッジを回転するボイスコイルモータと、前記ヘッドにより再生された信号に基づき前記ボイスコイルモータに指令を与えて前記ヘッドの移動を制御する制御部とからなるアクチュエータとを備え、前記アクチュエータが複数の機械的共振周波数を有する回転座標系の位置決め制御装置において、
   前記機械的共振周波数の一つである第１の共振周波数と、前記機械的共振周波数の中で前記第１の共振周波数と略同じ位相特性を持つ１つ以上の第２の共振共振周波数と、前記機械的共振周波数のうち前記第１の共振周波数と約１８０°異なる位相特性を持つ第３の共振周波数とを分別し、前記第２の共振周波数にて、前記制御部が前記位置決め制御装置のオープンループ特性の位相を３６０°×ｎ（ｎは整数）を中心に±９０°以内の値とし、前記第２の共振周波数における前記オープンループ特性のゲインを−３ｄB以上とすることを特徴とする位置決め制御装置。
2. 請求項１に記載の位置決め制御装置において、
   前記制御部が、前記第３の共振周波数に中心周波数を設定したノッチフィルタを備えていることを特徴とする位置決め制御装置。
3. 請求項１に記載の位置決め制御装置において、
   前記制御部が、前記第３の共振周波数の位相を約１８０°遅らせる次数２次のフィルタを備えていることを特徴とする位置決め制御装置。
4. 情報記録再生媒体と、前記情報記録再生媒体に対し相対的に移動しながら情報の記録再生を行うヘッドと、前記ヘッドを支持し、指令に応じて前記ヘッドを回転移動させる第１のアクチュエータと、前記第１のアクチュエータの駆動制御を行う第１の制御部と、指令に応じて前記ヘッドを回転移動させる第２のアクチュエータと、前記ヘッドにより再生された信号に基づき前記第２のアクチュエータに指令を与えて移動を制御する第２の制御部とを備え、前記第２のアクチュエータが複数の機械的共振周波数を有する回転座標系の位置決め制御装置において、
   前記機械的共振周波数の一つである第１の共振周波数と、前記機械的共振周波数の中で前記第１の共振周波数と略同じ位相特性を持つ１つ以上の第２の共振共振周波数と、前記機械的共振周波数のうち前記第１の共振周波数と約１８０°異なる位相特性を持つ第３の共振周波数とを分別し、前記第２の共振周波数にて、前記第２の制御部が位置決め制御装置のオープンループ特性の位相を３６０°×ｎ（ｎは整数）を中心に±９０°以内の値とし、前記第２の共振周波数における前記オープンループ特性のゲインを−３ｄＢ以上とすることを特徴とする位置決め制御装置。
5. 請求項４に記載の位置決め制御装置において、
   前記第２の制御部は、前記第３の共振周波数に中心周波数を設定したノッチフィルタを備えたことを特徴とする位置決め制御装置。
6. 請求項４に記載の位置決め制御装置において、
   前記第２の制御部が、前記第３の共振周波数にて位相を約１８０°遅らせる次数２次のフィルタを備えたことを特徴とする位置決め制御装置。

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