JP4504830B2 - 磁気ディスク装置 - Google Patents

Description

本発明は、磁気ディスク装置に係り、特に磁気ヘッドを含む制御対象の位置決め制御を行なう制御部を備えた磁気ディスク装置に好適なものである。

磁気ディスク装置では、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の記録（書き込み）、再生（読み出し）を行っている。このような磁気ディスク装置では、スピンドルモータの回転軸に記録媒体である磁気ディスクが固定されており、磁気ディスクはスピンドルモータに駆動されて定められた回転数で回転する。また、スピンドルモータの回転軸に保持された磁気ディスクの半径方向の外側に、ピボット軸受がスピンドルモータ軸に平行になるように設けられ、磁気ヘッドを先端に固定したキャリッジがピボット軸受に揺動可能に固定されている。キャリッジは、ボイスコイルモータ（ＶＣＭ）により駆動されて、ピボット軸受を中心に揺動する。つまり、磁気ヘッドは、キャリッジの揺動により、磁気ディスクの面上を半径方向に移動して目的のトラックに到達し、そのトラックに追従してデータの記録、再生を行なう。

磁気ヘッドはＶＣＭにより移動される。磁気ヘッドは磁気ディスク上のサーボセクターに記録されている位置信号を検出して現在位置を知る。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により増幅され、サーボ信号復調器により復調されてサーボ信号となる。サーボ信号はＡＤ変換器を経てデジタル位置信号となり、バスを介して制御部であるＭＰＵに取り込まれる。

このバスには、ＡＤ変換器、ＤＡ変換器、ＭＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、インターフェースコントローラが接続されており、ＲＯＭにはＭＰＵ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。

ＭＰＵに取り込まれた位置信号はＭＰＵで処理され、以下の方法でＶＣＭ制御信号が生成される。まず、インターフェースコントローラが、ホスト側コントローラのコマンドを受けて、ＭＰＵに対して記録、再生のアクセス要求を出す。データの記録、再生を要求するコマンドが発行されると、ＭＰＵはＲＯＭに記録されている位置決めの方法を実行して、取り込んだ位置信号で示される現在のヘッド位置から目標位置までの距離に応じて最適なＶＣＭ制御信号を生成する。生成されたＶＣＭ制御信号はバスに出力され、ＤＡ変換器を経てパワーアンプ制御信号となり、パワーアンプに入力される。入力されたパワーアンプ制御信号はパワーアンプで電流に変換され、ＶＣＭへ印加される。ＶＣＭは印加された電流に応じてアクチュエータの駆動力を発生し、磁気ヘッドを目標とする位置に位置決めする。

コンピュータの外部記憶装置である磁気ディスク装置では、記憶容量を増加させるためにトラック幅が年々微小になっており、磁気ヘッドをトラック幅に対して高精度に位置決めするためには、年々微小になるトラック幅に追随して位置決め精度を向上させることが必要であり、それを高速動作で達成することが必要である。位置決め精度を悪化させる要因であるディスクの回転に同期した振動や装置内部に発生する風の影響による振動などは、ある特定周波数において位置決め精度を悪化させることとなる。例えば、磁気ディスクの回転中心とトラックの中心が偏心していると、同じトラックを磁気ヘッドが追従するときでも、磁気ヘッドは半径方向に位置を変えてトラックを追従しなければならない。トラックが真円でなくて歪んでいても同じである。この場合の磁気ヘッドの動きは、磁気ディスクの回転に同期した周波数の振動となり、この周波数での追従の精度が悪化する。また、磁気ディスクの回転に伴なって磁気ディスク表面付近で風が生じ、この風によって磁気ヘッドの振動が生じ、位置決め精度を悪化させる。この振動は、磁気ヘッドやキャリッジの構造や磁気ディスクの回転数に影響される、ある特定の周波数で生じる。

上述したように、位置決め精度を悪化させる要因として、ディスクの回転に同期した位置信号の振動や機構系の振動があり、これらは位置信号の振動となって現れ、このような振動を十分に抑圧する制御が必要である。このための従来技術としては、例えば特開平５−２９８８４２号公報（特許文献１）があり、位置情報に含まれる偏心成分に追従して磁気ヘッドを位置決めする手法が開示されている。この特許文献１の磁気ディスク装置では、ディスク回転や外乱等に起因する振動周波数に共振点を持つ数学モデルと帯域を制限するローパスフィルタとを用いてその振動を抑制するための制御信号を生成し、この制御信号を磁気ヘッドの位置決めのためのサーボ制御信号として加えるという方法が示されている。

また、他の従来技術としては、特開２００２−３５２５３４号公報（特許文献２）及び特開２００３−３３１５４３号公報（特許文献３）に記載されたものがあり、位置決め精度を改善する周波数付近に共振点を持つ機構共振モードを実現する共振フィルタを設計する方法が示されている。特許文献２の磁気ディスク装置では、安定な位相条件を持つ共振フィルタを制御対象に対して直列に結合する方法が示されており、特許文献３の磁気ディスク装置では、安定な位相条件を持つ共振フィルタを制御対象に対して並列に結合する方法が示されている。

特開平５−２９８８４２号公報 特開２００２−３５２５３４号公報 特開２００３−３３１５４３号公報

特許文献１に示されるような、帯域を制限するローパスフィルタを用いた手法では、生成する共振制御信号の周波数が制御系の開ループ伝達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）や制御帯域を制限している機構系の一次共振（主共振）の周波数を超える場合に、その安定性を保証することが出来ず、制御系が発散することが起こり得る。

また、特許文献２及び特許文献３に示す方法では、位相条件の安定な共振モードが存在する周波数領域においては外乱による位置決め誤差を低減できるが、位相条件によらず共振モードが不安定となる周波数（開ループ位相特性が−１８０°付近となる周波数）領域においてはその安定性を保証することが困難であるということが分かった。特に、外乱振動が増幅される（感度関数のゲインが１より大きい）領域は、開ループ位相特性が−１８０°付近となる周波数であるため、その周波数での適用に制限があることは重大な制約である。

本発明の目的は、制御帯域や主共振を超えた周波数及び開ループ位相特性が不安定となる周波数においても、制御系の安定性を損なうことなく位置決め精度を向上させることができる磁気ディスク装置を提供することにある。

前述の目的を達成するために、本発明は、情報を記録する磁気ディスクと、前記磁気ディスクに情報を記録しまたは前記磁気ディスクの情報を再生する磁気ヘッドと、前記磁気ヘッドを駆動するアクチュエータと、与えられた目標位置信号と前記磁気ヘッドにより再生された位置信号とに基づいて、前記磁気ヘッドが目標位置となるように制御するための制御信号を生成して、前記磁気ヘッド及び前記アクチュエータを含む制御対象を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、与えられた目標位置信号と前記磁気ヘッドにより再生された位置信号とに基づく誤差信号を入力とし、前記制御対象に存在する機構振動モードを安定化するように位相補償を行なう制御信号を生成する補償器と、前記補償器で生成された制御信号を入力とし、与えられた位置決め精度向上対象周波数もしくはその近傍にその共振特性を有する共振フィルタと、前記共振フィルタに対して位相特性を操作するモード位相フィルタと、を備え、前記制御部と前記制御対象とを接続したときの開ループ伝達特性に制御対象の機構共振周波数以外の周波数に共振特性が存在し、かつ前記開ループ伝達特性のゲイン特性が０ｄＢとなる周波数よりも前記共振特性の周波数の方が高い周波数であり、かつ前記共振特性の周波数で前記開ループ伝達特性のベクトル軌跡の座標を（Ｒｏｐ，Ｉｏｐ）としたときに、前記共振特性の周波数で前記開ループ伝達特性の位相がアークタンジェント（Ｉｏｐ／（Ｒｏｐ＋１））となるように前記制御部を構成したものである。

係る本発明におけるより好ましい具体的構成例は次の通りである。
（１）前記制御部と前記制御対象とを接続したときの開ループ伝達特性をナイキスト線図上で表したベクトル軌跡が、位置決め精度向上対象周波数の近傍で周波数の増大と共にナイキスト線図上の不安定点の座標（−１，０）から遠ざかる方向の右回りの円軌跡を生成する特性を有すること。

（２）前記制御部は、前記与えられた目標位置信号と前記磁気ヘッドにより再生された位置信号との差を誤差信号として取り出しこの誤差信号を前記補償器に出力する誤差検出部と、前記モード位相フィルタで生成された制御信号と前記補償器で生成された制御信号とを加算し前記制御対象に制御信号として出力する加算部と、を備えること。
（３）前記制御部は、前記モード位相フィルタで生成された制御信号と前記磁気ヘッドにより再生された位置信号とを加算する加算部と、前記与えられた目標位置信号と前記加算部で生成された位置信号との差を誤差信号として取り出しこの誤差信号を前記補償器に出力する誤差検出部と、を備えること。
（４）前記（２）または（３）において、前記制御部と前記制御対象とを接続したときの開ループ伝達特性をナイキスト線図上で表したベクトル軌跡が、位置決め精度向上対象周波数の近傍で周波数の増大と共にナイキスト線図上の不安定点の座標（−１，０）から遠ざかる方向の右回りの円軌跡を生成する特性を有すること。
（５）前記（２）または（３）において、前記制御部は複数の共振フィルタと複数のモード位相フィルタとを備えること。

本発明の磁気ディスク装置によれば、制御帯域や主共振を超えた周波数及び開ループ位相特性が不安定となる周波数においても、制御系の安定性を損なうことなく位置決め精度を向上させることができる。

以下、本発明の複数の実施例について図を用いて説明する。各実施例の図における同一符号は同一物または相当物を示す。

本発明の第１実施例の磁気ディスク装置を図１から図１０を用いて説明する。

まず、本実施例の磁気ディスク装置１００の全体構成に関して図１を参照しながら説明する。図１は本実施例の磁気ディスク装置の構成図である。磁気ディスク装置１００は、磁気ディスク５と、スピンドルモータ６と、ピボット軸受３と、キャリッジ４と、ボイスコイルモータ２と、磁気ヘッド１と、位置決め制御装置９０と、を含んで構成されている。

磁気ディスク５は、情報を記録する円盤状の記録媒体であり、各トラックの所定位置に予め位置情報等を含むサーボ情報を記録したサーボセクター７を有している。スピンドルモータ６は、この磁気ディスク５の中心部に配置され、磁気ディスク５を定められた回転数で回転させるものである。ピボット軸受３は、磁気ディスク５の半径方向の外側に配置され、ピボット軸受３の軸線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、このピボット軸受３に固定され、このピボット軸受３と共に揺動可能になっている。ボイスコイルモータ（ＶＣＭ）２は、このキャリッジ４を駆動するものであり、ピボット軸受３を中心にキャリッジ４を揺動させる。磁気ヘッド１は、このキャリッジ４の先端に固定され、キャリッジ４の揺動により磁気ディスク５の面上を半径方向に移動されて目的のトラックに到達し、そのトラックに追従してデータの記録、再生を行なう。このように、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２により発生する。また、キャリッジ４とＶＣＭ２とは磁気ヘッド１に対するアクチュエータ８０を構成する。

位置決め制御装置９０は、磁気ヘッド１とＶＣＭ２とに接続され、磁気ヘッド１から位置信号等を含むサーボ信号を受取り、ＶＣＭ２にＶＣＭ制御信号を与えるものである。この位置決め制御装置９０は、磁気ヘッド１に信号線で接続されたヘッド信号増幅器８と、ヘッド信号増幅器８に接続されたサーボ信号復調器９と、サーボ信号復調器９に接続されたＡＤ変換器１０と、ＡＤ変換器１０に接続されたバス１３と、バス１３に接続されたＲＡＭ１４、ＲＯＭ１５、ＭＰＵ１６及びインターフェースコントローラ１７と、入力側をバス１３に接続され出力側をパワーアンプ１２に接続されたＤＡ変換器１１と、入力側をＤＡ変換器１１に接続され出力側をＶＣＭ２に接続されたパワーアンプ１２と、を含んで構成されている。

磁気ディスク５上のサーボセクター７に記録されている位置情報を含むサーボ情報は、磁気ヘッド１により検出され、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によりデジタル化される。このデジタル化されたサーボ信号には位置信号２０も含まれている。こうして得られた位置信号２０はバス１３を介して制御部であるＭＰＵ１６に取り込まれる。

ＭＰＵ１６に対してはバス１３を介してＲＯＭ１５、ＲＡＭ１４が接続されている。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。また、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が接続されており、ホスト側コントローラ１８からのコマンドを受けて、ＭＰＵ１６に対して記録、再生のアクセス要求を出す。データの記録、再生を要求するコマンドが発行されると、ＭＰＵ１６はＲＯＭ１５に格納されている位置決め制御用のプログラムを実行して、入力された位置信号２０から目標位置までの距離を求め、この移動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、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へ操作信号として印加される。これによって磁気ヘッド１は磁気ディスク５の目標とする位置に位置決めされる。

本実施例の位置決め制御装置９０は、位置信号２０を入力してＶＣＭ制御装置信号２１を生成するためのＭＰＵ１６による処理方法に大きな特徴がある。

次に、位置決め制御装置９０に関して図２及び図３を参照しながら説明する。図２は、本実施例の磁気ディスク装置の制御系のブロック線図であり、共振フィルタ３０を制御対象２７に対して直列に結合する方式の構成例を示すものである。図３はこのときの制御対象２７の伝達特性Ｐ（ｚ）を示し、図３（Ａ）がそのゲイン特性４１を示し、図３（Ｂ）がその位相特性４２を示す。

図２における制御系は、制御対象２７及びフォロイング制御部２８から構成されている。制御対象２７は、磁気ヘッド１及びアクチュエータ８０を含んで構成されるものであり、具体的には、ＭＰＵ１６で算出されたＶＣＭ制御信号２１を入力とし、デジタル化された位置信号２０を出力するところの、ＤＡ変換器１１からＡＤ変換器１０に至るまでの部分で構成されるものである。この制御対象２７の入出力特性を表したものが伝達特性Ｐ（ｚ）である。

フォロイング制御部２８は、誤差検出部３２と、共振フィルタ３０（伝達特性をＣｒ（ｚ）とする）とモード位相フィルタ３１（伝達特性をＣｐ（ｚ）とする）と、フォロイング補償器２９（伝達特性をＣｆ（ｚ）とする）と、加算部３３と、を備えて構成されている。共振フィルタ３０は、安定な位相条件を有する共振特性を実現するためのものであり、フォロイング補償器２９は望ましい制御性能を実現するためのものである。

このフォロイング制御部２８において、ホスト側コントローラ１８から目標位置信号２４を含むコマンドが発行されると、この与えられた目標位置信号２４と磁気ヘッド１より再生された位置信号２０との差分信号である誤差信号ＰＥＳ（position error signal）２５を誤差検出部３２により生成する。この誤差信号ＰＥＳ２５をフォロイング補償器２９に入力することにより、フォロイング補償器２９で制御対象２７に存在する機構振動モードを安定化するように位相補償を行なうための制御信号Ｕｐ２６を生成して出力する。この制御信号Ｕｐ２６を共振フィルタ３０へ入力する。共振フィルタ３０は、与えられた位置決め精度向上対象周波数もしくはその近傍にその共振特性を有しており、制御信号Ｕｐ２６をフィルタリングして出力する。共振フィルタ３０からの出力をモード位相フィルタ３１へ入力する。モード位相フィルタ３１は、共振フィルタ３０に対して位相特性を操作するものであり、共振フィルタ３０からの出力をフィルタリングして出力する。モード位相フィルタ３１から出力された制御信号とフォロイング補償器２９から出力された制御信号Ｕｐ２６とを加算部３３により加算してＶＣＭ制御信号２１を生成し、このＶＣＭ制御信号２１を制御対象２７に出力する。

制御対象２７及びフォロイング制御部２８の具体例をさらに詳細に説明する。まず、制御対象２７は、剛体モードと１つの機構共振モードとからなる式（数１）の機構系モデルＰ_ｓ（ｓ）を、デジタル制御系であることを想定して零次ホールド付で離散化したものとする。その際のサンプリング時間をＴｓとする。なお、式（数１）において、剛体モードが１／ｓ^２であり、機構共振モードがα_ｒ／ｓ^２＋２・ζ_ｒ・ｓ＋ω_ｒ ^２である。

例えば、式（数１）において、モード影響定数α_ｒ＝−１、粘性係数ζ_ｒ＝０．０３、共振周波数ω_ｒ＝６０００×２π［ｒａｄ／ｓ］とし、サンプリング時間Ｔｓを５０μｓとする。この場合における制御対象２７の伝達特性Ｐ（ｚ）のゲイン特性４１を図３（Ａ）に示し、その位相特性４２を図３（Ｂ）に示す。図３の制御対象２７においては、機構共振モードのモード影響定数α_ｒは負であり、剛体モードのモード影響定数１とは正負が反対（逆相）である。なお、ここでいう共振周波数ω_ｒは、例えばキャリッジ４等の固有振動周波数である。

次に、フォロイング補償器２９に関して図４から図７を参照しながら説明する。図４は上述の場合におけるフォロイング補償器２９の伝達特性Ｃｆ（ｚ）を示し、図４（Ａ）がそのゲイン特性４３を示し、図４（Ｂ）がその位相特性４４を示す。図５は図３の特性を持つ制御対象２７と図４の特性を持つフォロイング補償器２９を直列に結合した場合の開ループ伝達特性Ｃｆ（ｚ）・Ｐ（Ｚ）を示し、図５（Ａ）がそのゲイン特性４５を示し、図５（Ｂ）がその位相特性４６を示す。図６は図５の開ループ伝達特性Ｃｆ（ｚ）・Ｐ（ｚ）のナイキスト線図上のベクトル軌跡４７を示し、図７は図５及び図６に示す開ループ伝達特性Ｃｆ（ｚ）・Ｐ（Ｚ）に対応する感度関数のゲイン特性４８を示す。

フォロイング補償器２９は、例えば次のような特性を持つように設定される。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、低周波数域において１次の積分特性が与えられる。また、剛体モードを安定化するために、１ｋＨｚ〜２ｋＨｚでの位相進みが大きくなるような位相進み特性が与えられる。また、機構共振モードの位相を安定化するために、５ｋＨｚ以降の位相を遅らせる位相遅れ特性が与えられる。また、フォロイング補償器２９の比例ゲインは、制御系の開ループ伝達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１７００Ｈｚとなるように、そのゲイン特性が与えられる。このときのフォロイング補償器２９の伝達特性Ｃｆ（ｚ）は、図４（Ａ）のゲイン特性４３、図４（Ｂ）の位相特性４４で表される。

制御系が安定である場合、ある任意の周波数における感度関数の大きさは、ナイキスト線図上における開ループ伝達特性のベクトル軌跡４７と不安定点の座標（−１，０）との距離の逆数となる。そのため、対象周波数の近傍で周波数の増大と共に不安定点の座標（−１，０）から遠ざかる方向の右回りの円軌跡を有する場合、対象周波数での感度関数のゲインは小さくなる。図５の開ループ伝達特性Ｃｆ（ｚ）・Ｐ（Ｚ）及び図６のベクトル軌跡４７から、制御対象２７の有する機構共振モードの周波数にて、制御系のベクトル軌跡４７が不安定点（−１，０）から遠ざかる円軌跡となっていることが確認できる。これは、フォロイング補償器２９により制御対象２７の有する機構共振モードが安定化されていることを意味する。

次に、本発明の特徴とする位相条件の安定な共振モードを共振フィルタ３０及びモード位相フィルタ３１により実現する設計方法を示す。共振モードＦ_ｒ（ｓ）の伝達特性を式（数２）に定義する。

ここで、α_ｖはモード影響定数、ζ_ｖは粘性係数、ω_ｎｖは共振周波数を示す。機構系モデルＰ_ｓ（ｓ）に共振モードＦ_ｒ（ｓ）を付加した伝達特性は式（数３）のように示すことが出来る。

式（数３）は、機構系モデルＰ_ｓ（ｓ）に共振モードＦ_ｒ（ｓ）を付加するには（１＋Ｆ_ｒ（ｓ）/Ｐ_ｓ（ｓ））を制御対象２７に対して直列結合すれば良いことを示している。よって、共振フィルタ３０の伝達特性Ｃｒ（ｚ）は（Ｆ_ｒ（ｓ）/Ｐ_ｓ（ｓ））を双一次変換や整合Ｚ変換等により離散化した伝達特性と定義する。

モード位相フィルタ３１の伝達特性Ｃｐ（ｚ）は、共振フィルタにより付加される共振モードＦ_ｒ（ｓ）の共振周波数ω_ｎｖ付近にて、開ループ伝達特性のベクトル軌跡が不安定点（−１，０）から遠ざかる軌跡となるように位相を調整する。共振周波数ω_ｎｖでは、開ループ伝達特性のベクトル軌跡の座標を座標（Ｒｏｐ，Ｉｏｐ）とすると、不安定点の座標（−１，０）から遠ざかる方向の位相Ｄｒｍ［ｒａｄ］は式（数４）で表される。なお、式（数３）における「arctan」はアークタンジェントの略号である。

ここで、共振周波数ω_ｎｖでの共振フィルタＣｒ（ｚ）の位相をＤｃｒ［ｒａｄ］、共振周波数ω_ｎｖでの開ループ伝達特性の位相をＤｏｐ［ｒａｄ］とするとき、共振周波数ω_ｎｖでのモード位相フィルタ３１の位相Ｄｃｐ［ｒａｄ］がＤｒｍ−Ｄｃｒ−Ｄｏｐとなれば、共振モードの共振周波数にて、制御系のベクトル軌跡が不安定点（−１，０）から遠ざかる軌跡とすることができる。

以下では、モード位相フィルタ３１の伝達特性Ｃｐ（ｚ）を式（数５）で表すように双一次変換にて離散化したフィルタとした場合について説明する。

ここで、モード位相フィルタ３１の最大ゲインを１とする。周波数ω_ｎｖでのモード位相フィルタの位相Ｄｃｐが−π以上で−０．５π以下である場合、式（数５）のパラメータは式（数６）のようになる。

周波数ω_ｎｖでのモード位相フィルタの位相Ｄｃｐが−０．５π以上で０以下である場合、式（数５）のパラメータは式（数７）のようになる。

周波数ω_ｎｖでのモード位相フィルタの位相Ｄｃｐが０以上で０．５π以下である場合、式（数５）のパラメータは式（数８）のようになる。

周波数ω_ｎｖでのモード位相フィルタの位相Ｄｃｐが０．５π以上でπ以下である場合、式（数５）のパラメータは式（数９）のようになる。

Ｄｃｐが−２πから−πもしくはπから２πの間の値の場合は、モード影響定数α_ｖの正負を反転し、再度、計算を行なう。

次に、具体的な数値例を挙げながら制御系を説明する。本実施例を適用する前の開ループ伝達特性は図６に示すものとする。例えば、抑制する外乱の周波数を、開ループ伝達特性の位相が−１８０°に近い３３００Ｈｚとする。共振モードＦ_ｒ（ｓ）の共振周波数ω_ｎｖを３３００×２π［ｒａｄ／ｓ］に設定する。また、モード影響定数α_ｖを０．０１、粘性係数ζ_ｖを０．００１とする。３３００Ｈｚにおける開ループ伝達特性のベクトル軌跡の座標は（−０．６０１，−０．４５６）である。この結果、共振周波数ω_ｎｖでのモード位相フィルタ３１の位相Ｄｃｐは０．４４×π［ｒａｄ］となれば良い。従って、式（数５）のパラメータを、α_ｃｐ＝９．２５×１０^−６、β_１＝４．９１×１０^−５、β_２＝０、と選定した。

図８に図２に示す本実施例の制御系を適用した場合の開ループ伝達特性のゲイン特性４９及び位相特性５０を示す。この図８より、目標周波数である３３００Ｈｚにて、共振特性が実現されていることを確認できる。図９に図８で示した開ループ伝達特性のベクトル軌跡５１を示す。図１０に、図８及び図９に示す開ループ伝達特性に対応する感度関数ゲイン特性５２を示す。これらの図より、本実施例による共振フィルタ３０とモード位相フィルタ３１とを適用することにより、開ループ伝達特性の位相が−１８０°付近である感度関数ゲインが増大している周波数においても、制御系の安定性を損なうことなく外乱の存在する局所的な周波数での感度関数を大きく改善することが確認できる。

以上の説明から明らかなように、本実施例によれば、制御帯域や主共振を超えた周波数及び開ループ位相特性が不安定となる周波数においても、制御系の安定性を損なうことなく位置決め精度を向上させることができる磁気ディスク装置１００を実現できる。

次に、本発明の第２実施例の磁気ディスク装置１００について図１１から図１３を用いて説明する。図１１は第２実施例である磁気ディスク装置１００の制御系のブロック線図であり、共振フィルタ３０を制御対象２７に対して並列に結合する方式の構成例を示すものである。図１２は第２実施例における制御系の開ループ伝達特性のベクトル軌跡５３を示す。図１３は第２実施例における制御系の開ループ伝達特性の感度関数ゲイン特性５４を示す。この第２実施例は、次に述べる点で第１実施例と相違するものであり、その他の点については第１実施例と基本的には同一である。

図１１に示す制御系の構成では、誤差信号ＰＥＳ２５をフォロイング補償器２９に入力することにより、フォロイング補償器２９で制御信号Ｕｐ２６を生成する。この制御信号Ｕｐ２６はＶＣＭ制御信号２１となり制御対象２７及び共振フィルタ３０への入力となる。そして、共振フィルタ３０からの出力をモード位相フィルタ３１へ入力し、モード位相フィルタ３１の出力信号を次サンプル時において位置信号２０に加算する。

この第２実施例での共振フィルタ３０及びモード位相フィルタ３１の設計方法を説明する。第２実施例では、共振フィルタ３０を共振モードＦ_ｒ（ｓ）を離散化したディジタルフィルタとする。ここで、共振周波数ω_ｎｖでの共振フィルタ３０の伝達特性Ｃｒ（ｚ）の位相をＤｃｒ［ｒａｄ］、共振周波数ω_ｎｖでのフォロイング補償器の伝達特性Ｃｆ（ｚ）の位相をＤｆ［ｒａｄ］とする。このとき、周波数ω_ｎｖでのモード位相フィルタ３１の位相Ｄｃｐ［ｒａｄ］がＤｒｍ−Ｄｃｒ−Ｄｆとなれば、共振モードの周波数にて、制御系のベクトル軌跡が不安定点の座標（−１，０）から遠ざかる軌跡とすることができる。

以下、第２実施例について具体的な数値例を挙げながら説明する。第２実施例を適用する前の開ループ伝達特性は図６に示すものとする。例えば、抑制する外乱の周波数を、開ループ伝達特性の位相が−１８０°に近い３３００Ｈｚとする。共振モードＦ_ｒ（ｓ）の共振周波数ω_ｎｖを３３００×２π［ｒａｄ／ｓ］に設定する。また、モード影響定数α_ｖを０．０１、粘性係数ζ_ｖを０．００１とする。３３００Ｈｚにおける開ループ伝達特性のベクトル軌跡の座標は座標（−０．６０１，−０．４５６）である。この結果、周波数ω_ｎｖでのモード位相フィルタ３１の位相Ｄｃｐは０．２７×π［ｒａｄ］となれば良い。従って、式（数５）のパラメータを、α_ｃｐ＝４．２５×１０^−５、β_１＝６．４３×１０^−５、β_２＝０、と選定した。

図１２及び図１３図より、第２実施例による共振フィルタ３０とモード位相フィルタ３１を適用することにより、開ループ伝達特性の位相が−１８０°付近である感度関数ゲインが増大している周波数において、制御系の安定性を損なうことなく外乱の存在する局所的な周波数での感度関数を改善することが確認できる。

以上、本発明の実施の形態のいくつかを詳細に説明したが、そこで用いる共振フィルタとモード位相フィルタは一つであった。しかし、これを複数にすることも可能である。ｎ個目の共振フィルタをＣｒｎ（ｚ）、Ｃｒｎ（ｚ）に対応するモード位相フィルタをＣｐｎ（ｚ）とする。第１実施例に対して、ｎ個の共振フィルタとモード位相フィルタを適用した場合の本発明の第３実施例における制御系のブロック線図は図１４のようになる。図１４において、ｎ個の共振フィルタとモード位相フィルタからなる共振・モード位相フィルタ３９の伝達特性は式（数１０）で表される。また、第２実施例に対してｎ個の共振フィルタとモード位相フィルタを適用した場合の本発明の第４実施例における制御系のブロック線図は図１５のようになる。図１５において、ｎ個の共振フィルタとモード位相フィルタからなる共振・モード位相フィルタ３９の伝達特性は式（数１０）で表される。第３実施例及び第４実施例によれば、外乱の存在する局所的な周波数での感度関数をさらに改善することができる。

また、上述した第１実施例では、共振フィルタ３０の設計に制御対象２７の機構系モデルＰ_ｓ（ｓ）を用いた。しかしながら、制御対象２７の機構系特性が複雑な特性を有している場合には、共振フィルタ３０の次数が増大するという懸念がある。また、制御対象２７の機構系特性が不安定零点を有しているときには、共振フィルタ３０が不安定になるという問題がある。このような問題は、共振フィルタの設計に用いる機構系モデルＰ_ｓ（ｓ）を低次元化することで回避可能である。共振フィルタ３０の設計に用いる機構系モデルＰ_ｓ（ｓ）は、共振モードＦ_ｒ（ｓ）の共振周波数付近のみで、不安定零点を用いずに制御対象２７の機構系特性を再現可能であれば十分である。その際、Ｆ_ｒ（ｓ）/Ｐ_ｓ（ｓ）が適切な伝達特性でなければならない。例えば、共振モードＦ_ｒ（ｓ）の共振周波数付近で制御対象２７の機構系特性の位相が−１８０°×ｎ（ｎは整数）である場合、共振フィルタ３０の設計に用いる機構系モデルＰｓは、定数Ｋｐもしくは式（数１１）とし、共振モードＦ_ｒ（ｓ）の共振周波数付近にて機構系モデルＰｓと制御対象２７の機構系特性のゲインが一致するように定数Ｋｐを選定すれば良い。

また、第２実施例では、モード位相フィルタ３１の出力は図１１のように位置信号２０に加えるとしているが、共振フィルタ３１の出力を誤差信号ＰＥＳ２５から差引くようにしてもよい。

本発明の第１実施例の磁気ディスク装置の構成図である。 図１の磁気ディスク装置の位置決め制御系のブロック線図である。 図２の制御対象の伝達特性を示し、（Ａ）がそのゲイン特性、（Ｂ）が位相特性例である。 図３におけるフォロイング補償器の伝達特性を示し、（Ａ）がそのゲイン特性、（Ｂ）が位相特性例である。 図３の特性を持つ制御対象と図４の特性を持つフォロイング補償器から構成される開ループ伝達特性を示し、（Ａ）がそのゲイン特性、（Ｂ）が位相特性例である。 図５の開ループ伝達特性のベクトル軌跡である。 図５の開ループ伝達特性に対応する感度関数のゲイン特性である。 本発明の第１の実施例を適用した場合における開ループ伝達特性を示し、（Ａ）がそのゲイン特性、（Ｂ）が位相特性例である。 図８の特性のベクトル軌跡である。 図８の特性に対応する感度関数のゲイン特性である。 本発明の第２実施例の磁気ディスク装置の位置決め制御系のブロック線図である。 第２実施例における位置決め制御系の開ループ伝達特性のベクトル軌跡を示す図である。 第２実施例における位置決め制御系の開ループ伝達特性の感度関数ゲイン特性を示す図である。 本発明の第３実施例の磁気ディスク装置の位置決め制御系のブロック線図である。 本発明の第４実施例の磁気ディスク装置の位置決め制御系のブロック線図である。

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変換器、１１…ＤＡ変換器、２０…位置信号、２１…ＶＣＭ制御信号、２４…目標位置、２５…ＰＥＳ、２７…制御対象、２８…フォロイング制御部、２９…フォロイング補償器、３０…共振フィルタ、３１…モード位相フィルタ、３２…誤差検出部、３３…加算部、３９…共振・モード位相フィルタ、８０…アクチュエータ、９０…位置決め制御装置、１００…磁気ディスク装置。

Claims (6)

1. 情報を記録する磁気ディスクと、
   前記磁気ディスクに情報を記録しまたは前記磁気ディスクの情報を再生する磁気ヘッドと、
   前記磁気ヘッドを駆動するアクチュエータと、
   与えられた目標位置信号と前記磁気ヘッドにより再生された位置信号とに基づいて、前記磁気ヘッドが目標位置となるように制御するための制御信号を生成して、前記磁気ヘッド及び前記アクチュエータを含む制御対象を制御する制御部と、を備え、
   前記制御部は、与えられた目標位置信号と前記磁気ヘッドにより再生された位置信号とに基づく誤差信号を入力とし、前記制御対象に存在する機構振動モードを安定化するように位相補償を行なう制御信号を生成する補償器と、前記補償器で生成された制御信号を入力とし、与えられた位置決め精度向上対象周波数もしくはその近傍にその共振特性を有する共振フィルタと、前記共振フィルタに対して位相特性を操作するモード位相フィルタと、を備え、
   前記制御部と前記制御対象とを接続したときの開ループ伝達特性に制御対象の機構共振周波数以外の周波数に共振特性が存在し、かつ前記開ループ伝達特性のゲイン特性が０ｄＢとなる周波数よりも前記共振特性の周波数の方が高い周波数であり、かつ前記共振特性の周波数で前記開ループ伝達特性のベクトル軌跡の座標を（Ｒｏｐ，Ｉｏｐ）としたときに、前記共振特性の周波数で前記開ループ伝達特性の位相がアークタンジェント（Ｉｏｐ／（Ｒｏｐ＋１））となるように前記制御部を構成した
   ことを特徴とする磁気ディスク装置。
2. 請求項１に記載の磁気ディスク装置において、前記制御部と前記制御対象とを接続したときの開ループ伝達特性をナイキスト線図上で表したベクトル軌跡が、位置決め精度向上対象周波数の近傍で周波数の増大と共にナイキスト線図上の不安定点の座標（−１，０）から遠ざかる方向の右回りの円軌跡を生成する特性を有することを特徴とする磁気ディスク装置。
3. 請求項１に記載の磁気ディスク装置において、前記制御部は、前記与えられた目標位置信号と前記磁気ヘッドにより再生された位置信号との差を誤差信号として取り出しこの誤差信号を前記補償器に出力する誤差検出部と、前記モード位相フィルタで生成された制御信号と前記補償器で生成された制御信号とを加算し前記制御対象に制御信号として出力する加算部と、を備えることを特徴とする磁気ディスク装置。
4. 請求項１に記載の磁気ディスク装置において、前記制御部は、前記モード位相フィルタで生成された制御信号と前記磁気ヘッドにより再生された位置信号とを加算する加算部と、前記与えられた目標位置信号と前記加算部で生成された位置信号との差を誤差信号として取り出しこの誤差信号を前記補償器に出力する誤差検出部と、を備えることを特徴とする磁気ディスク装置。
5. 請求項３または４に記載の磁気ディスク装置において、前記制御部と前記制御対象とを接続したときの開ループ伝達特性をナイキスト線図上で表したベクトル軌跡が、位置決め精度向上対象周波数の近傍で周波数の増大と共にナイキスト線図上の不安定点の座標（−１，０）から遠ざかる方向の右回りの円軌跡を生成する特性を有することを特徴とする磁気ディスク装置。
6. 請求項３または４の何れかに記載の磁気ディスク装置において、前記制御部は複数の共振フィルタと複数のモード位相フィルタとを備えることを特徴とする磁気ディスク装置。

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