JP4996069B2 - 磁気ディスク装置及びその制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、磁気ディスク装置及びその制御方法に係り、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磁気ディスク装置及びその制御方法に好適なものである。

コンピュータの外部記憶装置である磁気ディスク装置は、磁気ヘッドが回転しているディスク面上の目標トラックに追従してデータの記録／再生を行っている。このヘッド位置決め制御系では、所定のサンプル時間毎にディスク面からヘッド位置情報を読み込み、サンプリング毎にディジタルコントローラにて制御を行なうサンプル値制御系が適用されている。

このような方式では、ナイキスト周波数よりも高い周波数領域の振動はエイリアシングにより異なった周波数成分の振動として観測される。そのため、ナイキスト周波数よりも高い周波数域で振動が発生した場合、位置決め精度を悪化させるだけでなく、エイリアシング先の周波数において制御系を不安定にさせる可能性がある。

このような問題に対して、特開平８−１２６３７０号公報（特許文献１）では、ノッチフィルタの出力の周波数をサンプリング周波数の整数倍の周波数とするマルチレートホールドを用いた制御系設計法を開示している。この特許文献１に開示され手法は、ナイキスト周波数よりも高い周波数に存在する機構共振が制御系によって励起されることを防ぐ手法である。

特開平８−１２６３７０号公報

特許文献１の手法は、ナイキスト周波数よりも高い周波数における振動に対して、その振動と同じ周波数成分を制御信号から除去する方法であり、実際に磁気ヘッドの振動振幅が小さくできる訳ではない。そのため、特許文献１の手法では、ナイキスト周波数よりも高い周波数にてヘッド位置が振動した場合、その振動は抑圧されることはなく、位置決め精度は悪化したままの状態である。

本発明は、ナイキスト周波数よりも高い周波数に存在する振動を抑圧することが可能な磁気ディスク装置及びその制御方法を得ることを目的とする。

前述の目的を達成するために、本発明は、磁気ディスク面に位置信号を書込んだ磁気ディスクと、前記磁気ディスク面に書込まれた位置信号を読み取る磁気ヘッドと、前記磁気ヘッドで読み取られた位置信号をサンプリング時間毎にサンプリングするサンプラと、前記磁気ヘッドを駆動するアクチュエータと、フォロイング補償器、ホールド、マルチレートサンプラ、共振フィルタ、マルチレートホールドを含み、与えられた目標位置信号と前記サンプラによりサンプリング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制御系と、を備える磁気ディスク装置であって、前記制御系は、前記サンプラからの位置信号を受ける部分から前記アクチュエータへの制御信号を出力する部分までの伝達特性において、前記サンプラのサンプリング時間により決定するナイキスト周波数よりも高い周波数にて共振点を有し、前記共振点でゲインが突出している構成にしたことにある。

係る本発明のより好ましい具体的な構成例は次の通りである。
（１）前記制御系は前記サンプリング時間の整数分の１のサンプリング時間で動作するマルチレートディジタルフィルタで前記共振点を実現するものであること。
（２）前記サンプラと同じサンプリング時間を用いて表現される制御系の一巡伝達特性は、前記共振点の周波数が前記位置信号をサンプリングするサンプラによりエイリアシングされる周波数にて共振特性を有し、該共振特性の描くベクトル軌跡がナイキスト線図上にて不安定点から遠ざかる方向の軌跡であること。
（３）前記制御系は前記目標位置信号と前記位置信号との差分信号をフォロイング補償器で所定の信号に生成してマルチレートディジタルフィルタに入力するものであること。
（４）前記フォロイング補償器は、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、位相余裕として２０〜４０°を実現するような１次の位相進み特性を与え、ゲイン余裕として３〜１０ｄＢを持つように、かつ制御系の一巡伝達特性におけるゲイン０ｄＢクロスオーバ周波数が設定値となるようにゲイン特性を与えるものであること。
また、本発明は、磁気ディスク面の位置信号を読み取る磁気ヘッドの位置を制御する磁気ディスク装置の制御方法において、前記磁気ヘッドで読み取られた位置信号をサンプラのサンプリング時間毎にサンプリングし、前記磁気ヘッドを駆動し、フォロイング補償器、ホールド、マルチレートサンプラ、共振フィルタ、マルチレートホールドを含み、与えられた目標位置信号と前記サンプラによりサンプリング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系により制御すると共に、前記制御系は、前記サンプラからの位置信号を受ける部分から前記アクチュエータへの制御信号を出力する部分までの伝達特性において、前記サンプラのサンプリング時間により決定するナイキスト周波数よりも高い周波数にて共振点を有し、前記共振点のゲインは前記共振点より低い周波数のゲインに対して突出していることにある。

本発明によれば、ナイキスト周波数よりも高い周波数に存在する振動を抑圧することが可能な磁気ディスク装置及びその制御方法を得ることができる。

以下、本発明の一実施形態について図を用いて説明する。

まず、本実施形態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は本実施形態の磁気ディスク装置１００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、位置決め制御系９０と、を備えて構成されている。

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、再生を行なうと共に、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になっている。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。

位置決め制御系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２３を与えるものである。この位置決め制御系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、を備えて構成されている。

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。

以上により、本実施形態の位置決め制御系９０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に関する。本実施形態による位置決め制御の詳細を以下に説明する。

図２は本実施形態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（ｓ）で表しておく。ここで、制御対象とは、図１において、ＤＡ変換器１１の出力２２からＡＤ変換器１０への入力１９までを表し、その入出力特性を表したものが伝達関数Ｐ（ｓ）である。

フォロイング制御系は、主として、安定な位相条件を有する共振特性を実現する共振フィルタ２９（伝達関数をＣｍ（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）と、から構成される。

以下図２の信号の流れに沿って説明する。目標位置信号２４と位置信号２０との差分信号であるＰＥＳ（position error signal）２５を誤差検出部３２により生成する。このＰＥＳ２５をフォロイング補償器Ｃｆ（ｚ）２８に入力する。フォロイング補償器２９で所定の信号を生成して出力する。フォロイング補償器Ｃｆ（ｚ）２８のサンプリング時間はＴｓである。フォロイング補償器Ｃｆ（ｚ）２８の出力は、サンプリング時間Ｔｓのホールド３３を通過後、サンプリング時間Ｔｓ÷ｎ（ｎは整数）のマルチレートサンプラ３４へ入力される。本実施形態では、このｎを２とする。

マルチレートサンプラ３４によりサンプルされた信号は共振フィルタＣｍ（ｚ）２９への入力となる。共振フィルタＣｍ（ｚ）２９のサンプリング時間は、Ｔｓ÷ｎとなる。マルチレートホールド３５はサンプリング時間がＴｓ÷ｎであるＤ／Ａコンバータであり、離散時間信号である共振フィルタＣｍ（ｚ）２９の出力を連続時間信号に変換する。本実施形態では、ホールド３３及びマルチレートホールド３４は、共に零次ホールド特性であるとする。

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°を実現するような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３〜１０ｄＢを持つように、かつ制御系の一巡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）が設定値となるようにゲイン特性を与える。

本実施形態の共振フィルタＣｍ（ｚ）２９は、位置決め精度を向上する目標周波数Ｆｔにて共振点を有するマルチレートディジタルフィルタである。共振フィルタＣｍ（ｚ）２９と制御対象Ｐ（ｓ）とを直列結合したものをサンプリング時間Ｔｓにて離散化した特性をＰ２（ｚ）とした場合、オープンループ特性Ｐ２（ｚ）・Ｃｆ（ｚ）上に現れる共振フィルタＣｍ（ｚ）２９に起因する共振特性のベクトル軌跡が、ナイキスト線図上において不安定点である座標（−１，０）から遠ざかる方向に円軌跡を描くように、共振フィルタＣｍ（ｚ）２９のパラメータを設計する。

本実施形態による特定周波数での位置決め精度を向上する制御系の設計法についての一例を数値例を挙げながら説明する。本実施形態では、制御対象Ｐ（ｓ）３０は剛体モードからなる次の式（数１）の機構系モデルとする。

その際、サンプリング時間Ｔｓは１００μｓとする。ここで、制御対象Ｐ（ｓ）をサンプリング時間Ｔｓの零次ホールドで離散化した伝達特性をＰ（ｚ）とする。制御対象Ｐ（ｓ）の周波数応答を図３に示す。図３（Ａ）はそのゲイン特性であり、図３（Ｂ）はその位相特性である。また、伝達特性Ｐ（ｚ）の周波数応答を図４に示す。図４（Ａ）はそのゲイン特性であり、図４（Ｂ）はその位相特性である。

フォロイング補償器Ｃｆ（ｚ）は、一巡伝達特性におけるゲイン０ｄＢクロスオーバ周波数が１ｋＨｚとなるように、次の式（数２）のように設計した。

フォロイング補償器Ｃｆ（ｚ）の周波数応答を図５に示す。図５（Ａ）はそのゲイン特性であり、図５（Ｂ）はその位相特性である。また、共振フィルタが無い場合の一巡伝達特性であるＰ（ｚ）・Ｃｆ（ｚ）の周波数応答を図６に示す。図６（Ａ）はそのゲイン特性であり、図６（Ｂ）はその位相特性である。

共振フィルタＣｍ（ｚ）２９により位置決め精度を向上させる周波数を７ｋＨｚと設定する。本実施形態では、制御量のサンプリング時間Ｔｓが１００μｓであるので、ナイキスト周波数は５ｋＨｚとなり、７ｋＨｚの振動がエイリアシングにより折り返される周波数は３ｋＨｚとなる。このエイリアシング先の周波数である３ｋＨｚにおける一巡伝達特性Ｐ（ｚ）・Ｃｆ（ｚ）のベクトル軌跡の座標は（−０，１８２、０，１６１）であり、この座標を出発点とした場合に不安定点（−１，０）から反対方向へ向かうベクトルの位相は−３４８．８３°（−３６０°から０°にて規格化した場合）となる。

これは、共振フィルタＣｍ（ｚ）２９を適用した場合の一巡伝達特性であるＰ２（ｚ）・Ｃｆ（ｚ）において、３ｋＨｚに存在する共振点での位相が３７．３°近傍となっていれば良い事をあらわしている。本実施形態では、７ｋＨｚにて共振点を有し、一巡伝達特性Ｐ２（ｚ）・Ｃｆ（ｚ）において３ｋＨｚの共振点での位相が３７．３°近傍とする共振フィルタＣｍ（ｚ）２９を次の式（数３）のように設計した。

共振フィルタＣｍ（ｚ）２９の周波数応答を図７に示す。図７（Ａ）はそのゲイン特性であり、図７（Ｂ）はその位相特性である。また、離散化特性Ｐ２（ｚ）の周波数応答を図８に示す。図８（Ａ）はそのゲイン特性であり、図８（Ｂ）はその位相特性である。さらには、一巡伝達特性Ｐ２（ｚ）・Ｃｆ（ｚ）の周波数応答を図９に示す。図９（Ａ）はそのゲイン特性であり、図９（Ｂ）はその位相特性である。

本実施形態における効果を図１０及び図１１を参照して説明する。図１０に共振フィルタＣｍ（ｚ）を使用しない場合のナイキスト線図を示し、図１１に共振フィルタＣｍ（ｚ）を適用した場合のナイキスト線図を示す。これらの図から、本実施形態により、エイリアシング先の３ｋＨｚにおいて、不安定点（−１，０）から遠ざかる方向に円軌跡を描く安定な共振特性が実現されていることを確認できる。

制御対象Ｐ（ｓ）とサンプラ３６との間に外乱信号を加算し、サンプラ３６への入力信号を評価信号とするシミュレーションを行った。サンプラへの入力信号を評価信号とすることにより、サンプル点間応答を含む連続時間系でのヘッド位置を評価することが可能となる。シミュレーションを行った制御系のブロック線図を図１２に示す。外乱信号は振幅１００、周波数７ｋＨｚの正弦波とする。本発明を適用しない場合の評価信号の時刻歴応答（定常状態）を図１３に示す。この図１３から、本実施形態を適用しない場合、ヘッド位置の連続時間信号を表す評価信号が外乱信号の約１．３倍にて振動することが確認できる。本実施形態を適用した場合の評価信号の時刻歴応答（定常状態）を図１４に示す。この図１４から、本実施形態を適用することにより、評価信号の振幅が外乱信号の約半分まで改善されていることを確認できる。

なお、本実施形態では、共振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。

また、本実施形態では、制御対象Ｐ（ｓ）は一入力一出力系としているが、ＶＣＭ駆動系のほかに微動アクチュエータ等を有する多入力多出力系の制御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フィルタを結合すれば良い。

本発明の一実施形態を示す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図である。 本実施形態の制御対象の周波数応答を示す図である。 本実施形態の制御対象をサンプリング時間の零次ホールドで離散化した後の周波数応答を示す図である。 本実施形態に用いるフォロイング補償器の周波数応答を示す図である。 本発明を適用しない場合の一巡伝達特性の周波数応答を示す図である。 本実施形態に用いる共振フィルタの周波数応答を示す図である。 本実施形態における共振フィルタと制御対象とを直列結合したものをサンプリング時間にて離散化した特性の周波数応答を示す図である。 本実施形態における一巡伝達特性の周波数応答を示す図である。 本発明を適用しない場合の一巡伝達特性のナイキスト線図を示す図である。 本実施形態における一巡伝達特性Ｐのナイキスト線図を示す図である。 本実施形態における制御系シミュレーションのブロック線図である。 本発明を適用しない場合の制御系シミュレーション結果を示す図である。 本発実施形態における制御系シミュレーション結果を示す図である。

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（誤差信号）、２８…フォロイング補償器、２９…共振フィルタ、３０…制御対象、３２…誤差検出部、３３…ホールド、３４…マルチレートサンプラ、３５…マルチレートホールド、３６…サンプラ、８０…アクチュエータ、９０…ヘッド位置決め制御系、１００…磁気ディスク装置。

Claims (10)

1. 磁気ディスク面に位置信号を書込んだ磁気ディスクと、
   前記磁気ディスク面に書込まれた位置信号を読み取る磁気ヘッドと、
   前記磁気ヘッドで読み取られた位置信号をサンプリング時間毎にサンプリングするサンプラと、
   前記磁気ヘッドを駆動するアクチュエータと、
   フォロイング補償器、ホールド、マルチレートサンプラ、共振フィルタ、マルチレートホールドを含み、与えられた目標位置信号と前記サンプラによりサンプリング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制御系と、を備える磁気ディスク装置であって、
   前記制御系は、前記サンプラからの位置信号を受ける部分から前記アクチュエータへの制御信号を出力する部分までの伝達特性において、前記サンプラのサンプリング時間により決定するナイキスト周波数よりも高い周波数にて共振点を有し、前記共振点でゲインが突出している
   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、前記制御系は前記サンプリング時間の整数分の１のサンプリング時間で動作するマルチレートディジタルフィルタで前記共振点を実現するものであ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、前記サンプラと同じサンプリング時間を用いて表現される制御系の一巡伝達特性は、前記共振点の周波数が前記位置信号をサンプリングするサンプラによりエイリアシングされる周波数にて共振特性を有し、該共振特性の描くベクトル軌跡がナイキスト線図上にて不安定点から遠ざかる方向の軌跡であることを特徴とする磁気ディスク装置。
4. 請求項２に記載の磁気ディスク装置において、前記制御系は前記目標位置信号と前記位置信号との差分信号をフォロイング補償器で所定の信号に生成してマルチレートディジタルフィルタに入力するものであることを特徴とする磁気ディスク装置。
5. 請求項４に記載の磁気ディスク装置において、前記フォロイング補償器は、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、位相余裕として２０〜４０°を実現するような１次の位相進み特性を与え、ゲイン余裕として３〜１０ｄＢを持つように、かつ制御系の一巡伝達特性におけるゲイン０ｄＢクロスオーバ周波数が設定値となるようにゲイン特性を与えるものであることを特徴とする磁気ディスク装置。
6. 磁気ディスク面の位置信号を読み取る磁気ヘッドの位置を制御する磁気ディスク装置の制御方法において、
   前記磁気ヘッドで読み取られた位置信号をサンプラのサンプリング時間毎にサンプリングし、
   前記磁気ヘッドを駆動し、
   フォロイング補償器、ホールド、マルチレートサンプラ、共振フィルタ、マルチレートホールドを含み、与えられた目標位置信号と前記サンプラによりサンプリング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系により制御すると共に、
   前記制御系は、前記サンプラからの位置信号を受ける部分から前記アクチュエータへの制御信号を出力する部分までの伝達特性において、前記サンプラのサンプリング時間により決定するナイキスト周波数よりも高い周波数にて共振点を有し、前記共振点でゲインが突出している
   ことを特徴とする磁気ディスク装置の制御方法。
7. 請求項６に記載の磁気ディスク装置の制御方法において、前記サンプリング時間の整数分の１のサンプリング時間で動作するマルチレートディジタルフィルタで前記共振点を実現することを特徴とする磁気ディスク装置の制御方法。
8. 請求項６に記載の磁気ディスク装置の制御方法において、前記サンプラと同じサンプリング時間を用いて表現される制御系の一巡伝達特性は、前記共振点の周波数が前記位置信号をサンプリングするサンプラによりエイリアシングされる周波数にて共振特性を有し、該共振特性の描くベクトル軌跡がナイキスト線図上にて不安定点から遠ざかる方向の軌跡であることを特徴とする磁気ディスク装置の制御方法。
9. 請求項７に記載の磁気ディスク装置の制御方法において、前記目標位置信号と前記位置信号との差分信号をフォロイング補償器で所定の信号に生成してマルチレートディジタルフィルタに入力することを特徴とする磁気ディスク装置の制御方法。
10. 請求項９に記載の磁気ディスク装置の制御方法において、外力が前記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、位相余裕として２０〜４０°を実現するような１次の位相進み特性を与え、ゲイン余裕として３〜１０ｄＢを持つように、かつ前記制御系の一巡伝達特性におけるゲイン０ｄＢクロスオーバ周波数が設定値となるようにゲイン特性を与えるものであることを特徴とする磁気ディスク装置の制御方法。

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