JPH0213294A - 回転型データ記憶装置及びサーボ制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 Ａ、産業上の利用分野 本発明は、ディスク駆動装置のアクチュエータなど直流
モータで駆動される移動システムの制御に関し、具体的
には、ディスク駆動データ記憶装置中でボイス・コイル
・モータで駆動されるアクチュエータのトラック・シー
ク動作など、移動システムにおける整定モードの制御、
及び単一トラック・シークなど短い高速シーク動作を実
現する技法の使用に関する。

Ｂ、従来技術及び発明が解決しようとする問題点ディス
ク駆動装置のアクチュエータは、トラック間を移動する
際、アクチュエータ・アセンブリを加速し、かつアクチ
ュエータ・アセンブリを減速してターゲット・トラック
で停止させることを含むシーク技法を使用する。様々な
シーク・モードが満足に使用されているが、最も難しい
問題は、ヘッドをできるだけ短時間で所期のトラック上
に滑らかに停止させることであった。整定（安定待ち）
モードは、シーク動作とトラック追従モードの間の過渡
期であり、その間に読み書き動作の起動が可能となるよ
うにヘッドの動きが安定化されるが、高速アクセスのデ
ィスク駆動装置設計の最も難しい部分であった。

トラック追従動作の前にシーク・モード及び整定モード
を必要とする複数のトラック・シークを行なうシーク・
モードに加えて、単一トラック・シークは、性能を高め
る独特の機会を提供する。

最も普通のシークは同じトラックまたはシリンダに対す
るものである。単一トラック・シークは、適切に編成さ
れたデータ記憶システムにおけるトラック間で最も頻繁
に行なわれるアクチュエータの動きである。すなわち、
同一トラックまたは隣接トラックに対するシークが組み
合わされ、デバイス・アクチュエータによる大部分のシ
ークが含まれる。したがって、簡単な短い手順で単一ト
ラック・シークが実行できるなら、デバイス性能を向上
させることができる。単一トラック・シークが、シーク
・モードに入らずに、単一のトラック変位を引き起こす
エラー信号を利用できる場合、通常、最適の単純さと性
能が実現できる。

Ｃ０問題点を解決するための手段 本発明の技法では、整定モード中に速示制御を使って、
できるだけ短時間でエラ一応答をゼロにする。速示応答
の概念は離散時間システムに独特のものであり、連続時
間システムでは速示応答は存在しない。理論上、速示応
答はステップ関数入力にできるだけ速い応答を与える。

これにより、閉ループ・システムがステップ関数入力に
対して有限の整定時間を育さなければならないことが保
証される。最後に、この閉ループ・システムは、ステッ
プ関数入力に定常状態エラーなしで応答する。Ｎ次の速
示ディジタル制御システムは、Ｚ平面の原点に全部でＮ
個の閉ループ・ポールを有する。これは、周知のポール
配置設計技法を用いて行なうことができる。速示制御は
、システムが飽和しない、または非線形にならないこと
を必要とする。

連続システム用の速示制御の概念は周知であるが、その
帯域幅が無限であり、一般の応用例で作業するのに無限
量の電力を必要とする。これは物理的に不可能なので、
サーボ制御界では、速示制御を有用なサーボ技術ではな
く、学問的好奇心の対象と見てきた。しかし、ディジタ
ル・サーボの応用分野での速示制御は、無限の電力を必
要とせず、最小応答時間システムを設計するのに有用な
手段となり得る。速示制御応答は、オガタ・カッヒコ著
「離散時間制御システム（Ｄｉｓｃｒｅｔｅ−Ｔｉｍｅ
Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｓｙｓｔｅｍｓ）　Ｊ　、プレンティ
ス・ホール（Ｐｒｅｎｔ　１ｃｅ−Ｈａ　］　ｌ　）社
、１９８７年刊、ｐ、６６８以降に記載されている。

トラック・アクセスの整定モード中、速示制御技法を使
用できることが判明した。このモードでハ、一般に、ヘ
ッド整定限界が１トラツク・ピッチ以下に設定される。

したがって、無限の電力を必要とせず、速示制御シーケ
ンスにより、Ｎ個以下のサンプリング周期で、Ｎ次の閉
ループ・システムがトラックに達してトラック上で整定
することが保証される。通常、現在のセクタ・サーボ・
ディスク駆動装置の設計では、４回以下のセクタ回数で
整定か実施できる。ステップ数及びデータ・サンプル間
隔は、制御技法に本来的に付随する高い電流が直流モー
タ・コイルを飽和させる値を超えるのが防止されるよう
に、あるいは動作が非線形領域で行なわれるように選択
しなければならない。ディスク駆動データ記憶装置では
、推定機構と制御機構の両方に速示制御を使用すること
により、できるだけ速いアクセス性能が実現される。

実際には、アクチュエータまたはその他の被制御装置の
パラメータが変動するため、速示制御を実現することは
難しい。しかし、速示制御を装［置の適応制御と組み合
わせることにより、制御の理論的限界により接近するこ
とは可能である。

Ｄ、実施例 どのような高速アクセス・データ記憶ディスク駆動装置
の設計でも、その最も困難な部分はトラック整定モード
、すなわちトラック・シーク・モードとトラック追従モ
ードの間の過渡期である。第２図に、ディスク駆動装置
の３つのトラック・アクセス・サーボ・モード（シーク
、整定、追従）を仮定的に示す。ヘッドの軌跡が、トラ
ック位置ずれ（ＴＭＲ）の時間変化として示されている
。

トラック位置ずれがヘッド整定限界Ｅｓより小さい場合
、制御アルゴリズムはシーク・モードから′設定モード
に切り換える。整定モードの目的は、ディスク駆動装置
アクチュエータに蓄積された運動エネルギーを最小時間
で放散させて、ヘッドをトラック上で滑らかにオフ・ト
ラック限界±Ｅｆ以内に整定させることである。オフ・
トラック限界内で一度、トラック追従モードが制御権を
とって、トラック位置ずれの変動をＥｆを超えない値に
保つ。あるトラックから別のトラックまでのトラック・
アクセス時間は、トラック・シーク時間とトラック整定
時間の合計に、トラック位置ずれがオフ・トラック限界
±Ｅｓ以内に収まるように保証するためのトラック追従
モード内のある決まった時間を加えたものとして定義さ
れる。トラック・アクセス時間の終りに論理信号「ファ
イル準備完了」が到着して読み書き動作を開始させる。

読取り動作の場合、オフ・トラック限界が書込み動作よ
りも大きく設定されることがある。そうすると、書込み
動作の場合に、アクセス時間が読取り動作よりもやや長
くなる。トラック追従モードで、ある時間、オフ・トラ
ック限界を超えた場合、エラーが記録される。

アナログ制御システムでは、とりわけ比例・積分・微分
（Ｐ　Ｉ　Ｄ）制御機構を使用して、かなり満足な性能
を得てきている。比例・積分・微分制御機構のチューニ
ングは、比例利得、積分利得、微分利得に限られてきた
。ディジタル制御システムでは、補償アルゴリズムは比
例・積分・微分に限定されず、制御動作の無限性が利用
できる。このような制御動作の一つが、速歩制御である
。速歩制御は、出力が最小時間で最終値に達し、定常状
態エラーがなくサンプリングの合い間にリップルもない
ように最小時間で出力を整定できることを特徴としてい
る。

速歩応答するシステムの伝達関数は、すべて原点Ｚ＝０
にあるポールによって特徴付けられる。

ポール配置技法は、ディジタル・サーボ制御に関する大
抵の教科書で説明されているが、この技法を用いると速
歩制御の設計が容易に行なえる。制御機構及び推定機構
の次数がそれぞれｎ及びｍとなっている速歩システムは
、３種に分類できる。

制御機構多項式Ｄｃ　（ｚ）及び推定機構多項式Ｄｅ　
（ｚ）を用いると、３つの事例は、次のようになる。

１、速示制御機構 ＤＣ（ｚ）＝Ｚｎ Ｄ　ｅ（ｚ）＝ｚ’＋ｂ　　ｌ　　ｚｒａ＝＋−＝ｂｒ
ｎ２、速歩推定機構 Ｄｃ（ｚ）　＝ｚＩ′＋ａ　１　ｚ”＋−−−−ａｎＤ
ｅ（ｚ）＝ｚ” ３、速歩補償機構 Ｄｃ（ｚ）＝ｚｎ Ｄｅ（ｚ）＝ｚ慣 閉ループ伝達関数Ｇｃｌは、次の通りである。

４・　　　　　　　　Ｙ（ｚ）Ａ（ｚ）Ｇｃｌ（ｚ）＝
　　　　　　＝ Ｒ（ｚ）　　Ｄ　ｃ（ｚ）ＸＤ　ｅ（ｚ）第２図に概略
図で示すように、アクチュエータは、３つの動作モード
を使って、トランスデユーサ・ヘッドを動かす。シーク
・サイクルの終り近くに示しであるシーク・モードは、
通常、加速、長いシーク中に終端速度に達したときの一
定速度、目的トラックに接近する際の減速という一連の
プロセスによって速度プロファイルに追従するように、
マイクロプロセッサによって制御される。ある設計しき
い値Ｅｓに達すると、制御システムは、整定モードに入
って、駆動装置の性能全体が最適化されるように、でき
るだけ短時間にターゲット・トラックとの位置合せを得
ようとする。最終モードは、トラック追従であり、読み
書き動作が実行できるように、トランスデユーサがオフ
トラ・ツク限界±Ｅｆの間に維持される。

本発明は、速歩制御を利用して、整定モードを最適化す
ることを目的とする。第１図に、アクチュエータの制御
構造を示す。アクチュエータ１０は、アーム１１を備え
ている。アーム１１は、回転ディスク１３からデータを
読み取り、そこにデータを書き込むトランスデユーサ１
２を担持し、データを記憶し検索する間、目的トラック
をシークし、トラックに追従するため、ボイス・コイル
１５によって駆動または枢動される。セクタ・サーボか
らのサーボ信号または埋め込まれたサーボ情報が、サン
プリング時に周期的に線１６を経て復調装置１８に送ら
れる。復調装置１８は、サーボ信号を連続するアナログ
位置誤差信号（ＰＥＳ）に変換し、それが、アナログ・
ディジタル変換器によってディジタル化ＰＥＳに変換さ
れ、次に続（サーボ信号に引き継がれるまで維持される
。

マイクロプロセッサ２２は、遅延補償制御機構２４、遅
延補償次数低減推定機構２５、積分機構２６（トラック
追従モードで使用され、整定モードでは通常使用されな
い）を内蔵している。

遅延補償制御機構２４は、位置入力ＰＥ５（ｋ）、速度
人力Ｘ２、及び前の入力値ｕ（ｋ−１）によって表わさ
れる遅延を何する。これは、通常、次の特性多項式を有
する３次機構である。

Ｄｃ（ｚ）＝ｚ’十ｂ　ｌ　ｚＰ−’＋−・・・ｂｐ遅
延補償次数減少推定機構２５は、速度、バイアス、前の
制御値に関する補償を行なう。これは、通常、次の特性
多項式を宵する３次機構である。

Ｄｅ（ｚ）＝ｚ’＋ａ　ｌ　ｚ”＋−・・−ａｍ速速歩
御の場合、 Ｄｃ（ｚ）ＸＤｅ（ｚ）＝ｚ″ Ｄｃ（ｚ）：ｚｐ、Ｄｅ（ｚ）＝ｚ” Ｄｅ（ｚ）　　ＸＤｃ（ｚ）　　＝ｚ”’＝ｚ　ｎｎ：
ｍ＋１） 速歩補償機構は、推定機構及び制御機構中の係数によっ
て決定され、定常状態エラーがなく、推定機構と制御機
構の多項式の次数の和（ｍ＋ｐ）に等しい、いくつかの
サンプリング周期だけでのサーボ・サンプリングの合い
間、または６回のサンプリングの合い間にリップルもな
く、出力を整定する。初期条件を選択することを別とす
ると、唯一の選択はサンプリングの合い間の時間である
。

サンプリング周期は、ボイス・コイルを飽和させる、す
なわちアクチュエータ制御の線形部分を越える電流のボ
イス・コイル１５への供給が防止されるように選択しな
ければならない。理想的な動作モードは、このような動
作が所定のパラメータの範囲内に収まる場合、６回以下
の連続するサーボ・サンプリングを利用することである
。

制御機構の出力ｕ　（ｋ）はディジタル・アナログ変換
器２８によってアナログ値に変換され、この値が、サー
ボ・サンプリングの合い間に、ドライバ回路３０によっ
てアクチュエータのボイス・コイル１５に印加される電
流レベルを制御する。

積分機構を使用する場合、システムは７次に上がり、速
歩制御は７回のサンプリング周期だけでシステムを整定
することになる。積分機構は、システムに対してさらに
影響が可能であり、それを初期条件で使うと整定シーケ
ンス中に使用される電流値を変化させることができる。

速歩制御は、給電能力ならびにアクチュエータの電気シ
ステム及び磁気システムの線形動作範囲に対処するため
に含まれなければならない高い電流値をもたらす。

適用例によっては、速歩制御で完全にはシステムが整定
できないことがある。完全に整定を行なうには、システ
ムに影響を与える全パラメータに速示補償を設けること
が必要である。こうしたとしても、システムに影響する
小要因が非常に多く含まれているので、この技法の主な
利点が実現されなくなる。各補償要因が速歩応答に必要
なサンプルの数を増加させるので、他の制御技法にまさ
る時間上の利点が失われる。ここに記載した例では、次
数減少遅延補償推定機構及び遅延補償制御機構の使用は
３次で、３つの要因が補償される。

したがって、６回のサンプリング回数だけで、速歩制御
が実行できる。アクチュエータ・サーボ制御は、目的ト
ラックの中心線に関して±Ｅｆの位置誤差にトランスデ
ユーサをもってくることにより、できるだけ速く、非速
歩的トラック追従モードに入ることができるように、シ
ステムが整定されることを必要とするので、システムに
わずかな影響しか及ぼさない要因に対処するために、サ
ンプリング回数を増加するのは賢明でない。考慮し得る
もう一つの取捨選択は、さらに少ない制御要因を伴う速
示制御の使用である。推定機構が速度に関してだけ速示
制御を使用し、制御機構が２次の制御関数だけを有する
場合には、システム全体でも３次にしかならず、３回の
サンプリング回数だけで速歩応答が実施されるはずであ
る。応答があまり正確でないが半分の時間ですみ、ある
いは交互サンプリング時を利用するなら、サンプリング
周期を２倍にし、電流の値をより速いサンプリング速度
で必要とされる電流レベルの４分の１に減少させること
ができるはずである。

速示制御は、制御下のシステムの運動エネルギーに対抗
するための電力を供給する。２次のシステムがある定常
位置から別の定常位置まで駆動されるという、最も単純
なモードでは、最初のサンプリング時に第１の大きな加
速電流が印加され、続いて、装置を第２のサンプリング
時に目的位置でのリップルなしに停止するという定常状
態に導く、大きさが等しくて極性が反対の第２の大きな
減速電流が印加される。その結果、第１のパルスが装置
を目的位置に向けて加速し、第２のパルスが運動エネル
ギーを放散させて装置の動きを停止させる。より高次の
システムは、より複雑であり、速示制御のモードを行な
うために並外れた電流値を要する。速歩シーケンス中、
被制御装置に関連する条件に応答して、様々な形で最高
の電流値が発生し得る。電流値が大きすぎる場合、サン
プリング間の周期が長くなる。上記のようなセクタ・サ
ーボ型ディスク駆動装置では、整定モードで交互セクタ
・サーボ信号を使用できる。電流はサンプリングの合い
間の時間の２乗関数なので、サンプリング間の時間間隔
を延長するのは、電流を制限するための効果的な方法で
ある。サンプリング時間を２倍にすると、電流パルスの
大きさが４分の１に減少する。ただし、整定時間を減ら
して全体的性能全般を高めるのが目的なので、これは、
制御モードに影響を与える望ましい方法ではない。

装置の機械的設計によって、最初の時間に速示制御に影
響を与えることができる。前のシーク・モードからの過
渡条件を含めて、制御モードに入る際の初期条件を、速
示制御の整定モード中によって好都合な条件が得られる
ように修正することができる。最後に、サンプリング周
期を延長して、最大の速示制御電流レベルを減少させる
ことができる。

電源が十分で、かつ線形動作範囲が２トラック速歩制御
機能を許容する場合、単一トラック・シークに速示制御
を使用することができる。そうした場合、速歩制御モー
ドで、１つのトラック・シークが１トラツク・ピッチ誤
差の形をとることになる。

本発明をディスク・ファイル用回転式アクチュエータの
環境で説明したが、ある位置から装置を整定させるべき
別の位置へ急速に移動する、直流モータで駆動される線
形アクチュエータまたは直流モータで駆動される他の装
置やシステムにも、同じ原則及び技術が適用できる。

Ｅ３発明の効果 本発明の技法は、可動素子を所期の位置に位置決めする
際の整定時間を減少させる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、ディスク面に関するトランスデユーサの位置
決め制御用のマイクロプロセッサ及びアクチュエータを
含むディスク駆動装置の構成図である。 第２図は、アクチュエータ制御の３つのモードを示すト
ラック位置ずれの時間変化の概略図である。 １０・・・・アクチュエータ、１１・・・・アーム、１
２・・・・トランスデユーサ、１３・・・・ディスク、
１５・・・・ボイス・コイル、１８・・・・復調装置、
２２・・・・マイクロプロセッサ、２４・・・・遅延補
償制御機構、２５・・・・遅延補償次数低減推定機構、
２６・・・・積分機構、２８・・・・ディジタル・アナ
ログ変換器、３０・・・・ドライバ回路。 ｉ２図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）物体を駆動するための直流モータと、上記物体を
   ある位置から目標位置へ動かすように上記直流モータを
   制御するサーボ制御手段とを有し、該サーボ制御手段が
   上記物体を上記目標位置の近くへ動かすためのシーク・
   モード及び上記物体を上記目標位置に位置付けるための
   整定モードを含む複数の動作モードで動作可能であり、
   上記整定モードにおいては、所定数のサーボ・データ・
   サンプルの速示制御シーケンスを用いることを特徴とす
   るサーボ制御装置。
2. （２）上記サーボ制御手段が遅延補償推定手段及び遅延
   補償制御手段を含み、それらのうちの少なくとも一方が
   、原点にポールを有する特性多項式を有する特許請求の
   範囲第（１）項記載のサーボ制御装置。
3. （３）上記物体が回転型データ記憶装置におけるトラン
   スジューサである特許請求の範囲第（２）項記載のサー
   ボ制御装置。