JP4297440B2 - ハードディスクドライブのシーク制御のための電流軌跡生成方法及びそれによるシーク制御システム - Google Patents

Description

本発明は、ハードディスクドライブ(ＨＤＤ)のシーク制御のための電流軌跡生成方法及びそれによるシーク制御システムに係り、特にＨＤＤのシーク制御時に電力を減少させる電流軌跡生成方法及びそれによるシーク制御システムに関する。

ＨＤＤは回転する一または複数のディスクが磁界を感知して磁化されることによって情報を記録し、読み出す複数の磁気変換器を含んで構成されている。この情報は、典型的には環状トラック内に位置した複数のセクタ内にフォーマットされている。トラック番号は、ディスクの各表面を横切って振られている。垂直的に類似したトラックの番号をシリンダという。したがって、各トラックはシリンダ番号によって定義される場合もある。

各磁気変換器は、一般的にヘッドジンバルアセンブリ(ＨＧＡ：Head Gimbal Assembly)に組み込まれているスライダ内に一体化されている。各ＨＧＡはアクチュエータに結合されている。アクチュエータは、磁気アセンブリに隣接して、ボイスコイルモータ(ＶＣＭ：Voice Coil Motor)を構成するボイスコイルを有している。

ＨＤＤは、ＶＣＭを励起させる電流を供給する駆動回路及び制御器を含んでいる。励起されたＶＣＭはアクチュエータを回動させて、磁気変換器をディスクの表面を横切って移動させる。

情報を記録し、または読み出す時、ＨＤＤは磁気変換器を一つのシリンダから他のシリンダに移動させるためのシークルーチンを実行する。このシークルーチンの間に、ＶＣＭは、磁気変換器をディスク表面から新しいシリンダ位置に移動させるための電流によって励起される。制御器はまた、磁気変換器の正確なシリンダ位置及びトラックの中央への移動を保証するサーボルーチンを実行する。

シークルーチン実行時に、最短時間で磁気変換器を正確な位置に移動させることについて多くの研究がなされている。しかし、カムコーダやＭＰ３プレーヤー等のモバイル機器に装着されるＨＤＤでは、消費電力が深刻な問題である。モバイル機器は、システムがバッテリーで駆動されるため、消費電力は可能な限り少ないことが必要である。消費電力を減らせる要素としてはアプリケーションプログラムによりドライブを駆動/停止するスケジューリング、スピンドルモータの起動、そしてＶＣＭのシーク制御などがある。

従来のＶＣＭのシーク制御は、前記のようにトラック探索時間を最小化するために最適時間制御に集中された。しかし、最適時間制御は、加速度波形が不連続であるために機械的システムの高周波モードを刺激して望ましくない機械的ノイズ及び振動を増加させる問題があった。このような問題のために矩形波の代わりに正弦波形態の緩やかな加速度波形を使用するシーク制御器が使われている。

しかし、モバイル機器に使われるハードディスクはシーク時間及びノイズよりは省エネルギー性に主力を置くべきである。特に、ランダムファイルのアクセスにおいてシーク制御時に消費される電力量は無視できない。したがって、モバイル機器に使われるＨＤＤは少なくとも要求されるシーク時間性能は維持しつつも電力消費は最小化する制御が必要である。

本発明が解決しようとする技術的課題は、ＨＤＤの電力消費を最小化する電流軌跡を発生させる電流軌跡発生方法及びこれを用いてＶＣＭを制御するシーク制御システムを提供することである。

前記技術的課題を達成するための本発明の電流軌跡生成方法は、(ａ）正弦波の高調波から電流軌跡を設定する段階と、(ｂ）前記電流軌跡を用いてハードディスクドライブのボイスコイルモータによって駆動されるアクチュエータで消費される電力を計算する段階と、(ｃ）前記アクチュエータの運動方程式によって前記電流軌跡によるアクチュエータの位置、速度及び加速度を求める段階と、前記アクチュエータの位置、速度及び加速度を用いて前記ハードディスクドライブのシーク距離及びシーク時間に対して前記電流軌跡による消費電力を求める段階と、前記消費電力を最小化する所定の最適化方法によって前記電流軌跡の係数を求める段階と、を含むことを特徴とする。

前記技術的課題を達成するための本発明のＨＤＤのシーク制御システムは、アクチュエータ駆動のためのＨＤＤのシーク制御システムにおいて、所定係数を持つ高調波を生成する正弦波生成器と、前記高調波から前記アクチュエータでの消費電力を最小化するように前記アクチュエータの位置、速度、及び加速度の軌跡を生成する軌跡生成器と、前記位置、速度、及び加速度軌跡に所定係数をそれぞれ乗算し、全て加算して前記アクチュエータを駆動するための駆動電流を出力する駆動電流供給部と、を含むことを特徴とする。

本発明によれば、モバイルディバイスで使われるハードディスクのシーク制御時に電力消費を最小化するように電流軌跡を生成することによって、同じ時間内に消費される電力を節減しつつアクチュエータを駆動することができる。

以下、添付された図面を参照して本発明を詳細に説明する。

図１は、ＨＤＤの構成図である。示されたＨＤＤ１０は、スピンドルモータ１４によって回転される少なくとも一つの磁気ディスク１２を含んでいる。ドライブ１０はディスク表面１８の上に位置した変換器１６をさらに含んでいる。

変換器１６は、各ディスク１２の磁界を感知し、磁化することによって回転するディスク１２から情報を読み出しおよび／またはディスク１２に情報を記録できる。典型的には、変換器１６は、各ディスク表面１８に結合されている。図１においては、一つの変換器１６で示されているが、これはディスク１２を磁化させるための記録用変換器とディスク１２の磁界を感知するための分離された読取り用変換器とを備えている。読取り用変換器は磁気抵抗(ＭＲ:Magneto-Resistive)素子で構成される。

変換器１６はスライダ２０と一体になっている。スライダ２０は、変換器１６とディスク表面１８との間に空気軸受を構成する構造となっている。スライダ２０はＨＧＡ２２と一体化されている。ＨＧＡ２２は、ボイスコイル２６を持つアクチュエータ２４に結合されている。ボイスコイル２６は、ＶＣＭ３０を特定する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まわりにアクチュエータ２４を回転させるトルクを発生させる。アクチュエータ２４の回転により、変換器１６は、ディスク表面１８を横切って移動する。

一般的に、情報は、ディスク１２の環状のトラック３４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)を識別するグレーコードで構成されている。変換器１６は、他のトラックにある情報を読出し／記録するためにディスク表面１８を横切って移動する。

アクチュエータ２４と変換器１６の動作は制御器(図示せず)によりなされる。制御器は、シークルーチンとサーボ制御ルーチンに従って現在のトラックから新しいトラックに変換器１６を移動させる。シークルーチンの間、制御器は第１トラックから第２トラックまでのシーク距離を決定し、シーク距離に対する計算された速度と設計速度間の速度エラーに応答してシーク時間を調整し、加速度軌跡を用いて現在トラックから新しいトラックにディスク表面を横切って変換器１６を移動させるようにアクチュエータ２４を制御する。

アクチュエータ２４を駆動させるための電圧方程式及び運動方程式は次の通りである。

ここで、ｖ、ｉ、ｘはそれぞれＶＣＭ３０に印加される電圧、電流、アクチュエータ２４の位置を示し、定数Ｌ、Ｒ、Ｋ_e、Ｋ_a、Ｂはそれぞれボイスコイル(図示せず）のインダクタンス、抵抗、アクチュエータ２４の動きによって発生する逆起電力に対する定数、アクチュエータ２４の加速度定数及び摩擦係数を示す。

シーク動作時、印加される電流及び電圧によってアクチュエータ２４に印加される平均入力電力は下記式（２）のようにＶＣＭ電圧と電流との乗算で表される。

ここで、定数Ｔはシーク時間を示す。

インダクタンスによる電力消費は０であるので、ボイスコイル抵抗によって熱として消費される電力は下記式（３）のように表される。

アクチュエータ２４に印加される機械的な出力は数式（１）及び（２）から下記式のように表される。

前記式からアクチュエータ２４の機械的摩擦による電力消費は下記式（５）のように得られる。

したがって、全体電力消費量は数式（３）及び（５）から下記式（６）のように表される。

数式（６）から電力消費量を最小化する電流軌跡が求められる。このために、まず電流軌跡を正弦波の高調波から下記式（７）のように設定する。

ここで、電流係数Ｉ₁,Ｉ₂，…，Ｉ_Nは未知数であって、電力消費を最小化するために最適に選択される。電力消費の最小化のために数式（１）において摩擦係数は０と仮定され、これによって数式（７）に対応する加速度軌跡はＫ_aｉ（ｔ）で求められる。また、速度及び位置の軌跡は加速度軌跡を積分及び二重積分することによって下記式（８）のように得られる。

したがって、数式（８）の位置軌跡から得られたシーク距離Ｘ_sとシーク時間ｔ＝Ｔから電流係数Ｉ₁,Ｉ₂，…，Ｉ_Nは下記式（９）で表される。

数式（７）の電流軌跡を使用する場合、電力消費量は下記式（１０）のように得られる。

したがって、電力消費量の最小化問題は行列式ＡＹ＝ｂに対して電力消費量Ｊ(Ｙ)＝Ｙ^TＱＹを最小化する問題に帰結される。ここで、正方行列Ｑ、ベクトルＹ、ベクトルＡ、及び定数ｂは下記式（１１）のように定義される。

したがって、前記最適化問題の解Ｙ、すなわち、電流軌跡の各高調波係数は公知のリカチ(Ｒｉｃａｔｔｉ)方程式によって下記式（１２）のように決定される。

したがって、前記数式から摩擦係数Ｂ＝０であり、電流の２次高調波まで考慮した場合、すなわち、

を考慮した場合、電力消費を最小化する電流軌跡は、図２に示された波形のように求められる。図２は、従来の正弦波電流軌跡と本発明により生成された電流軌跡を比較して示したものである。図２を参照すれば、本発明に係るアクチュエータ２４の動きは従来の場合に比べてピーク値到達時間が速く、ピーク値に到達した後にはゆっくりと動く。電力消費量において本発明の電流軌跡による電力消費量は従来の正弦波電流軌跡による電力消費量より２０％程度減少する。

図３は、本発明に係るシーク制御システムに対するブロック図である。図３に示されたシーク制御システムは、電流生成部２００、増幅器２１０、及びアクチュエータ２２０を含む。また、シーク制御システムはアクチュエータ２２０から出力された位置情報から位置、速度、及び加速度を推定する推定器２３０を含む。

電流生成部２００は、アクチュエータ２２０を駆動するための電流を生成し、増幅器２１０は、電流生成部２００で生成された電流を増幅する。アクチュエータ２２０は増幅器２１０で増幅された電流によって駆動されて図１に示す変換器１６を目標位置に移動させる。推定器２３０は、アクチュエータ２２０から出力される位置情報から現在のアクチュエータ２２０の位置ｘ_e（ｎ）、速度ｖ_e（ｎ）、及び加速度ｗ_e（ｎ）を推定し、推定された値を電流生成部２００にフィードバックする。

電流生成部２００は、正弦波生成器２０１、軌跡生成器２０２、第１加算器２０３、第１係数乗算器２０４、第２加算器２０５、第２係数乗算器２０６、第３係数乗算器２０７及び第３加算器２０８を備える。

正弦波生成器２０１は、正弦波の高調波、すなわち数式（７）に示されたような高調波を生成する。その係数は数式（１２）によって決定される。軌跡生成器２０２は、生成された高調波から数式（８）によるｘ^*（ｎ）、速度ｖ^*（ｎ）、及び加速度ａ^*（ｎ）の軌跡を生成する。

第１加算器２０３は、軌跡生成器２０２から生成される位置で推定器２３０からフィードバックされる推定位置を減算する。第１係数乗算器２０４は第１加算器２０３の出力に第１係数Ｋ_pをかける。第２加算器２０５は、第１係数乗算器２０４の出力と軌跡生成器２０２から出力される速度を加算し、推定器２３０からフィードバックされる推定速度を減算して電圧Ｖ_cmd(ｎ)を出力する。第２係数乗算器２０６は、第２加算器２０５の出力に第２係数Ｋ_vをかける。第３係数乗算器２０７は、軌跡生成器２０２から出力される加速度軌跡に第３係数Ｍ／Ｋ_tをかける。第３加算器２０８は、第２及び第３係数乗算器２０６、２０７の出力と推定器２３０からフィードバックされる推定加速度とを加算してアクチュエータ２２０を駆動する電流ｉ_cmd(ｎ)を出力する。

第２加算器２０５及び第３加算器２０８からそれぞれ出力される電圧及び電流軌跡は下記式のように表される。

前記シーク制御器は、数式（１３）のように表される電圧及び電流軌跡によってフィード・フォワード補償形態で制御しつつアクチュエータ２２０を駆動する。

本発明は、ＨＤＤを始めとしてシーク制御方式を採択する各種制御システムに用いられる。

ＨＤＤの構成図である。 従来の正弦波電流軌跡と本発明により生成された電流軌跡を比較して示したものである。 本発明に係るシーク制御システムのブロック図である。

符号の説明

２００ 電流生成部
２０１ 正弦波生成器
２０２ 軌跡生成器
２０３ 第１加算器
２０４ 第１係数乗算器
２０５ 第２加算器
２０６ 第２係数乗算器
２０７ 第３係数乗算器
２０８ 第３加算器
２１０ 増幅器
２２０ アクチュエータ
２３０ 推定器

Claims (7)

1. (ａ）正弦波の高調波から電流軌跡を設定する段階と、
   (ｂ）前記電流軌跡を用いてハードディスクドライブのボイスコイルモータによって駆動されるアクチュエータで消費される電力を計算する段階と、
   (ｃ）前記アクチュエータの運動方程式によって前記電流軌跡によるアクチュエータの位置、速度及び加速度を求める段階と、
   前記アクチュエータの位置、速度及び加速度を用いて前記ハードディスクドライブのシーク距離及びシーク時間に対して前記電流軌跡による消費電力を求める段階と、
   前記消費電力を最小化する所定の最適化方法によって前記電流軌跡の係数を求める段階と、を含むことを特徴とする電流軌跡生成方法。
2. 前記アクチュエータで消費される電力は、前記ボイスコイルモータの抵抗によって熱として消費される電力および前記アクチュエータの機械的摩擦によって消費される電力であることを特徴とする請求項１に記載の電流軌跡生成方法。
3. アクチュエータ駆動のためのハードディスクドライブのシーク制御システムにおいて、
   所定係数を持つ高調波を生成する正弦波生成器と、
   前記高調波から前記アクチュエータで消費される電力を最小化するように前記アクチュエータの位置、速度、及び加速度の軌跡を生成する軌跡生成器と、
   前記位置、速度、及び加速度軌跡に所定係数をそれぞれ乗算し、全て加算して前記アクチュエータを駆動するための駆動電流を出力する駆動電流供給部と、を含むことを特徴とするハードディスクドライブのシーク制御システム。
4. 前記アクチュエータの出力から現在のアクチュエータの位置、速度、及び加速度を推定して前記駆動電流供給部に出力する推定器をさらに備えることを特徴とする請求項３に記載のハードディスクドライブのシーク制御システム。
5. 前記駆動電流供給部は、
   前記推定された位置、速度、及び加速度を前記軌跡生成器から出力された位置、速度、及び加速度にそれぞれ加算することを特徴とする請求項４に記載のハードディスクドライブのシーク制御システム。
6. 前記軌跡生成器は、
   前記アクチュエータで消費される電力を最小化するように電流軌跡を決定し、決定された電流軌跡によって前記アクチュエータの運動方程式から位置、速度、及び加速度軌跡を出力することを特徴とする請求項３に記載のハードディスクドライブのシーク制御システム。
7. 前記軌跡生成器は、
   前記アクチュエータの運動摩擦係数を０と設定した時、消費電力が最小化されるように所定の最適化方法によって前記電流軌跡を決定することを特徴とする請求項６に記載のハードディスクドライブのシーク制御システム。
   

Images