KR100377844B1 - 헤드 서스펜션 어셈블리 공진 주파수를 식별하고 필터링하기 위한 시스템 및 방법 - Google Patents

헤드 서스펜션 어셈블리 공진 주파수를 식별하고 필터링하기 위한 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

데이터 저장 매체와 근접하게 판독/기록 헤드를 지지하는 지지 구조의 공진 주파수를 식별하고 필터링하는 방법 및 장치가 바람직하게는 괴르첼 알고리즘(Goertzel's algorithm)을 사용하여 위치 에러 신호(PES) 주파수 변환의 특정 샘플을 획득하는 것을 개시한다. 데이터 저장 매체의 속도는 변경되고, 특정 PES 주파수 변환 샘플의 크기는 각각의 속도에 대해 계산된다. 상기 지지 구조의 공진 주파수는 최대 크기를 갖는 특정 샘플과 연관된 속도를 사용하여 산출된다. 판독/기록 헤드 서스펜션과 연관된 하나 이상의 공진 주파수 영향은 각 서보 루프내에 제공된 하나 이상의 프로그램 가능 필터를 사용하여 위치 에러 신호에서 제거될 수 있다. 프로세서는 산출된 공진 주파수를 사용하는 필터를 프로그래밍하고 선택된 프로그램 가능 필터에 의해 각각의 서보 루프 내로 도입된(introduced) 부가된 지연(lag)을 보상하도록 조정한다. 본 발명의 원리에 따라서 하나 이상의 판독/기록 헤드 지지 구조의 하나 이상의 공진 주파수를 식별하기 위한 방법 및 장치는 데이터 저장 시스템에서 구현될 수 있고, 바람직하게는 데이터 저장 시스템의 외부 회로를 사용하지 않고 데이터 저장 시스템에서 곧 바로(in-situ) 구현될 수 있다.

Description

헤드 서스펜션 어셈블리 공진 주파수를 식별하고 필터링하기 위한 시스템 및 방법 {SYSTEM AND METHOD FOR IDENTIFYING AND FILTERING A HEAD SUSPENSION ASSEMBLY RESONANCE FREQUENCY}
본 발명은 데이터 저장 시스템(data storage system)에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 판독/기록 헤드를 위한 기계식 지지 어셈블리(mechanical support assembly)에서 바람직하지 않은 공진과 관련된 주파수를 식별하고(identifying) 필터링(filtering)하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다.
기계식 헤드(head)/서스펜션(suspension)/암(arm)(HSA) 어셈블리의 공진이 하드 드라이브 시스템에서 정상적인 서보 트랙킹 동작(servo tracking operation) 중에 가혹도(severity)를 변경시키는 문제를 발생시킨다는 것은 디스크 드라이브 시스템 제조 업계에서는 잘 알려져 있다. 이러한 바람직하지 않은 기계 공진(mechanical resonance)은 각각의 개별 판독/기록 헤드의 위치 에러 신호(position error signal; PES)의 주파수를 해석하여 제조 및 선별 과정(screening)에서 통상적으로 식별된다. 상이한 HSA 어셈블리들 간의 유사한 서스펜션 공진 주파수 변화는 상당히 중요한 문제일 수 있다. 예를 들면, 단일 디스크 드라이브 시스템에서 서스펜션들 간의 굽힘 모드(bending mode) 및 비틀림 모드(torsional mode)시에 ±20Hz 이상의 주파수 변화가 발생하는 것은 흔한 일이다. 또한 20개 이상의 HSA 어셈블리를 구비하는 디스크 드라이브 시스템도 흔히 볼 수 있다.
디스크 드라이브 서보 루프(disk drive servo loop)내의 원치 않은 기계식 HSA 어셈블리의 공진을 처리할 때(addressing) 상당히 어려운 점은 PES 측정으로 획득된 바람직하지 않은 공진 주파수를 정확하게 식별할 수 없다는 것이다. 이러한 식별 불가능에 대한 한가지 이유는 통상적인 디스크 드라이브 시스템과 연관된 제한된 서보 샘플링 비율(sampling rate)에 있다. 예를 들면, 소정의 디스크 드라이브 시스템은 7,200RPM(revolutions per minute)으로 회전하는 다수의 디스크 각각에 대해 90개의 서보 섹터를 사용할 수 있다. 그런 디스크 드라이브 시스템은 120Hz(=7,200/60)의 낮은 주파수 분해능(frequency resolution)을 제공하는 10.8kHz(=90·7,200/60)의 서보 샘플링 비율을 갖는다. 이러한 상대적으로 낮은 120Hz의 주파수 분해능은 HSA 어샘블리 공진이 ±60Hz 내의 정확도내에서만 식별될 수 있다는 것을 의미한다. 10,000RPM 이상으로 회전하는 디스크를 구비하는 향후 디스크 드라이브 시스템은 보다 불량한 주파수 분해능을 가질 것이다. 예를 들면, 회전당 80개의 서보 섹터를 갖고 10,000RPM으로 회전하는 데이터 저장 디스크를 사용하는 디스크 드라이브 시스템은 단지 166.7Hz의 주파수 분해능만을 가질 것이다.
데이터 저장 시스템에서 발생하는 기계식 HSA 어셈블리의 유해한(bothersome) 공진 주파수를 매우 정밀하게 식별하기 위한 시스템 및 방법이 필요하다. 또한 기계식 HSA 어셈블리의 유해한 공진을 매우 효율적으로 적당히 필터링하기 위한 시스템 및 방법이 필요하다. 본 발명은 이러한 필요성 및 다른 필요성을 실현한다.
도 1은 상부 하우징 덮개가 제거된 디스크 드라이브 시스템의 상부 투시도.
도 2는 다수의 데이터 저장 디스크를 포함하는 디스크 드라이브 시스템의 측면도.
도 3은 시뮬레이트된 이산 푸리에 변환(Discrete Fourier Transform; DFT) 주파수 샘플이 전달 함수 크기 응답(transfer function magnitude response) 상에 중첩되어 도시된, 시뮬레이트된 개방 루프(open-loop) PID(Proportional-Integral- Derivative) 보상 액츄에이터 전달 함수의 주파수 크기 응답에 도시된 서스펜션 공진의 크기를 예시한 그래프.
도 4는 본 발명의 원리에 따라 공진 피크치(peak apex)에 정렬되도록 공진 피크치 근처의 DFT 샘플의 위치를 이동시킨 결과를 예시한 도.
도 5는 디스크 드라이브 시스템 환경 그 곳에서(in-situ) 사용된 본 발명의 실시예에 대한 블록도.
도 6은 하드 디스크 드라이브 시스템에 제공된 하나 이상의 HSA 어셈블리 공진 주파수를 식별하기 위해 도 5의 블록(122)에 도시된 적응형 계산 알고리즘(adaptive computing algorithm) 그 곳에서(in-situ) 사용하기 위한 처리-순서도.
도 7은 본 발명의 실시예에 따라서 시뮬레이트된 PID 및 노치 보상된 디스크 드라이브 시스템 액츄에이터 개방 루프 전달 함수를 도시한 도면.
본 발명은 데이터 저장 매체와 근접하게 판독/기록 헤드를 지지하는 지지 구조의 공진 주파수를 식별하고 필터링하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다. 위치 에러 신호는 데이터 저장 매체상에 제공된 서보 정보를 사용하여 생성되고 상기 위치 에러 신호의 주파수 변환의 특정 샘플이 획득된다. 상기 특정 샘플의 크기는 괴르첼(Goertzel) 알고리즘을 사용하여 계산되는 것이 바람직하다. 데이터 저장 매체의 속도는 변경되고, 특정 PES 주파수 변환 샘플의 크기가 각각의 속도에 대해서 계산된다. 상기 지지 구조의 공진 주파수는 최대 크기를 갖는 특정 샘플과 연관된 속도를 사용하여 산출된다.
상기 위치 에러 신호의 주파수 변환은 이산 푸리에 변환(Discrete Fourier Transform; DFT), 고속 푸리에 변환(Fast Fourier Transform; FFT), 단시간 이산 푸리에 변환(Short-Time Fourier Transform; STFT), 또는 웨이블렛 변환(wavelet transform) 기술을 포함하는 여러 주파수 변환 기술 중에서 하나를 사용하여 발생될 수 있다. 일 실시예에 따라 PES 주파수 변환의 특정 샘플을 획득하는 것은 지지 구조의 공진 주파수보다 큰 주파수를 표시하는 PES 주파수 변환 샘플을 획득하는 것을 포함한다. 데이터 저장 매체의 속도는 본 발명의 실시예에 따른 공진 주파수 식별 처리중에 감소된다.
본 발명의 다른 실시예에 따라, 특정 샘플을 획득하는 것은 지지 구조의 공진 주파수보다 작은 주파수를 표현하는 PES 주파수 변환 샘플을 획득하는 것을 포함한다. 데이터 저장 매체의 속도는 본 발명의 실시예에 따라 공진 주파수 식별 처리동안 증가된다.
본 발명의 다른 특징은 위치 에러 신호에서 판독/기록 헤드 서스펜션과 연관된 하나 이상의 공진 주파수 영향을 제거하는 것과 관련이 있다. 일 실시예에 따라서, 각각의 지지 구조 상에 지지된 하나 이상의 변환기(transducer)는 데이터 저장 매체와 근접하게 위치된다. 변환기는 각각 각자의 서보 루프 내에 정해진다. 위치 에러 신호는 변환기 중 각자의 변환기를 사용하여 각 서보 루프 내에서 발생된다. 하나 이상의 프로그램 가능 필터(programmable filter)는 각각의 서보 루프 내에 제공된다. 프로세서는 각자의 위치 에러 신호에서 각 지지 구조와 연관된 하나 이상의 공진 주파수의 영향을 사실상 제거하도록 프로그램 가능 필터중에서 선택된 필터를 프로그래밍한다.
본 발명의 또 다른 특징에서, 선택된 프로그램 필터 각각은 자신의 각 서보 루프 내로 지연(lag)을 부가하고, 상기 프로세서가 각각의 서보 루프에 부가된 지연을 보상하도록 조정한다. 상기 프로세서는 예를 들면, 각각의 서보 루프 내로 리드(lead)를 부가하여 부가된 지연을 보상할 수 있다. 프로세서는 비례-적분-미분((Proportional-Integral-Derivative; PID) 컨트롤러를 포함할 수 있고, 프로그램 가능 필터는 프로그램 가능 노치 필터(programmable notch filter) 또는 프로그램 가능 타원 필터(programmable elliptic filter)를 포함할 수 있다.
본 발명의 원리에 따라서 판독/기록 헤드 지지 구조의 공진 주파수를 식별하기 위한 방법 및 장치는 데이터 저장 시스템에서 구현될 수 있고, 바람직하게는 데이터 저장 시스템 외부의 회로와 무관하게 데이터 저장 시스템 내에서 구현될 수 있다.
본 발명의 상기 개요는 본 발명의 각 실시예 또는 모든 구현을 기술하기 위한 것이 아니다. 본 발명에 대한 좀더 완전한 이해와 함께 장점 및 기능은 첨부된 도면과 함께 다음의 상세한 설명 및 청구범위를 참조하여 명확하게 이해될 것이다.
본 발명이 다양한 변형 및 대안적 형태를 실시할 수 있는 반면에, 본 발명의 명세서는 도면에 대해 예시적으로 도시되고 이하 상세하게 기술된 것이다. 그러나 기술된 특정 실시예에 본 발명을 한정하기 위한 의도가 아니고, 반대로, 본 발명은 첨부된 청구범위에 의해 한정되는 바와 같이 본 발명의 범위 내에서 해당하는 모든 변형, 균등물, 및 대안을 포함하기 위한 것이다.
예시된 실시예에 대한 다음의 기술에서, 본 명세서의 일부를 형성하고 첨부된 도면에 대한 참조가 이루어지고, 예시적인 방식으로 도시되는 본 발명의 다양한 실시예가 행해질 수 있을 것이다. 다른 실시예가 사용될 수 있고, 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 구조, 변경 및 기능 변경이 이루어질 수 있다는 것이 이해될 것이다.
본 발명의 적응형 필터링 시스템(adaptive filtering system) 및 방법은 바람직하게 디스크 드라이브 시스템의 기계식 헤드/서스펜션/암(HSA) 어셈블리에서 유해한 공진 주파수를 정확히 식별하기 위하여 디스크 드라이브 시스템에 사용된다. 본 발명의 시스템 및 방법은 또한 디스크 드라이브 시스템의 각 HSA 어셈블리용 서보 위치지정 시스템(servo positioning system)에서 바람직하지 않은 공진 주파수의 영향을 제거하기 위하여 사용될 수 있다. 서보 위치지정 시스템상의 유해한 HSA 어셈블리 공진의 영향은 각 HSA 서보 제어 루프 내에 제공된 하나 이상의 디지털 노치 필터(digital notch filter)를 적당히 조정하여 바람직하게 제거할 수 있다. 상기한 디스크 드라이브 시스템의 기계식 HSA 어셈블리에서 유해한 공진 주파수 영향을 제거하는 것은 서보 트랙킹 성능 및 데이터 신뢰성을 향상시키고, 하드 디스크 드라이브 시스템에 사용된 데이터 저장 디스크의 가능한 트랙 밀도(potential track density)를 향상시킨다.
도면, 특히 도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 대한 헤드 서스펜션 공진 추정(estimation) 및 보상 방법이 실행될 수 있는 데이터 저장 시스템(20)이 예시된다. 도 2에 가장 잘 도시된 바와 같이, 디스크 드라이브 시스템(20)은 통상적으로 세로방향 직렬로 이격된 관계로 동축상에 적층되는 하나 이상의 강성(rigid) 데이터 저장 디스크(24)를 포함하고 상대적으로 높은 회전 비율(rate of rotation)로 스핀들 모터(26)를 중심으로 회전한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 디스크(24)는 각각 통상적으로 복수의 이격된 동심형 트랙(spaced concentric track; 50)을 포함하도록 포맷된다. 하나 이상의 디스크(24)는 대안적으로 나선형 트랙 구조(spiraled track configuration) 또는 동심형 트랙 구조와 나선형 트랙 구조가 조합된 구조를 포함하도록 형성될 수 있다. 디지털 정보는 통상적으로 트랙(50)을 따라서 자기 변화(magnetic transition) 형태로 저장된다. 트랙(50)은 일반적으로복수의 섹터(52)로 분할되고, 상기 섹터(52)는 각각 예를 들면 데이터, 및 섹터 식별 정보(sector identification information)와 동기 정보(synchronization information)를 저장하기 위한 필드를 포함하는 복수의 정보 필드(information field)를 포함한다.
자기 데이터 저장 디스크(24)로의 데이터 기록 동작은 일반적으로 디스크 표면(24)의 특정 위치를 자화하는 자속선(magnetic lines of flux)을 발생하도록 변환기 어셈블리(27)의 기록 소자(write element)를 통해 전류를 전달하여 이루어진다. 디스크 표면(24)의 특정 위치로부터의 데이터 판독 동작은 디스크 표면(24)의 자화된 위치로부터 방사되는 자기장(magnetic field) 또는 자속선을 감지하는 변환기 어셈블리(27)의 판독 소자(read element)에 의해 이루어진다. 판독 장치가 회전하는 디스크 표면(24) 위를 통과함에 따라, 상기 판독 소자와 디스크 표면(24) 상의 자화된 위치 사이의 상호 작용이 일반적으로 판독 신호로 불리우는 전기 신호를 판독 소자에 발생시킨다.
액츄에이터(30)는 통상적으로 각각 데이터 저장 디스크(24)에(로부터) 정보를 전송하기 위하여 로드 빔(load beam; 25)에 장착된 하나 이상의 변환기(27) 및 슬라이더 어셈블리(slider assembly; 35)를 갖는 각 암을 구비하는 다수의 인터리브형 액츄에이터 암(interleaved actuator arm; 28)을 포함한다. 상기 슬라이더(35)는 통상적으로 스핀들 모터 회전 비율이 증가하여 변환기(27)가 디스크(24)의 고속 회전에 의해 발생된 공기 베어링(air bearing)상의 디스크(24) 위로 부양시키는 것처럼 디스크(24) 표면에서 변환기(27)를 들어올리는 공력상승체(aerodynamic lifting body)로 설계된다. 일반적으로 슬라이더(35)와 디스크 표면(24) 사이의 거리는 통상적으로 40㎚ 내지 100nm인 헤드 대 디스크(head-to-disk)의 간격(clearance) 또는 공간(spacing)으로 불리운다.
액츄에이터(30)는 통상적으로 고정 액츄에이터 샤프트(stationary actuator shaft; 32)에 탑재되고 데이터 저장 디스크(24) 안팎으로 액츄에이터 암(28)을 이동시키도록 샤프트(32) 상에서 회전한다. 액츄에이터(30)의 코일 프레임(34)에 탑재된 코일 어셈블리(36)는 일반적으로 액츄에이터 암(28)이 회전하여 데이터 저장 디스크(24)의 표면 위로 지나갈 수 있도록 하는 영구 자석 구조(permanent magnet structure, 38)의 상하부 자석 어셈블리(40, 42) 사이의 정해진 갭(gap, 44) 내에서 회전한다. 통상적으로 스핀들 모터(26)는 다위상 AC 모터(poly-phase AC motor), 또는 대안적으로 전원 공급부(46)에 의해 동력을 얻고 데이터 저장 디스크(24)를 회전시키에 적합한 DC 모터를 포함한다.
코일 어셈블리(36)와, 영구자석 구조(38)의 상부 및 하부 자석 어셈블리(40, 42)는 서보 프로세서(56)에 의해 발생된 제어 신호에 응답하는 액츄에이터 음성 코일 모터(voice coil motor; 39)와 함께 상호 작용하여 동작한다. 서보 프로세서(56)는 상기 보이스 코일 모터(39)에 공급되는 제어 전류의 방향과 크기를 제어한다. 방향과 크기를 변경하는 제어 전류가 영구자석 구조(38)에 의해 발생된 자기장 내에서 코일 어셈블리(36)에 흐를 경우 액츄에이터 보이스 코일 모터(39)는 액츄에이터 코일 프레임(34)에 토크(torquing force)를 발생시킨다. 액츄에이터 코일 프레임(34)에 인가된 토크는 코일 어셈블리(36)에 흐르는 제어 전류의 극성에따른 방향과 일치하게 액츄에이터 암(28)이 회전 운동할 수 있도록 한다.
도 1에 도시된 데이터 저장 시스템(20)은 데이터 저장 디스크(24) 상의 특정 저장 위치에 판독/기록 변환기(26)를 위치시키기 위한 폐루프 서보 제어 시스템을 사용하는 것이 바람직하다. 정상적인 데이터 저장 시스템 동작 중에, 일반적으로 판독/기록 변환기와 근접하게 장착되거나 또는 대안적으로 변환기 어셈블리(27)의 판독 장치로서 일체화된(incorporated) 서보 변환기는 통상적으로 특정 트랙을 추적(즉, 트랙 추적(track following))하고 디스크 표면(24)의 특정 트랙과 데이터 섹터의 위치를 지정(즉, 탐색(seeking))하기 위해 정보를 판독하도록 사용된다.
하나의 서보 기술에 따라서, 매입형(embedded) 서보 패턴 정보는 디스크(24)의 중심으로부터 일반적으로 외측 방향으로 연장되는 세그먼트(segment)를 따라서 디스크(24)에 기록된다. 따라서 매입형 서보 패턴은 각 트랙(50)의 데이터 저장 섹터들 사이에 형성된다. 서보 섹터는 트랙(50)상의 특정 데이터 섹터로(로부터) 데이터를 전송할 경우 통상적으로 트랙(50)의 중심선 위에서 판독/기록 변환기(27)가 최적의 정렬 상태를 유지하도록 사용되는 통상적으로 서보 버스트 패턴(servo burst pattern)으로 언급되는 데이터 패턴을 포함한다. 서보 정보는 또한 변환기 어셈블리(27)의 위치를 식별하기 위해 사용되는 섹터 식별 부호(sector identification code) 및 트랙 식별 부호(track identification code)를 포함할 수 있다.
판독 채널 전자장치(read channel electronics, 57)와 상호 동작하는 서보 프로세서(56)는 디스크(24)로 데이터를 기록하고 디스크(24)로부터 데이터를 판독할 경우 미리 정해진 트랙(50) 위치와 섹터(52) 위치로 액츄에이터 암(28)과 변환기(27)를 이동하도록 액츄에이터 보이스 코일 모터(39)를 조정한다. 서보 프로세서(56)는 디스크 드라이브 컨트롤러(58)에 느슨하게(loosely) 연결된다. 디스크 드라이브 컨트롤러(58)는 통상적으로 데이터 저장 디스크(24)로(로부터)의 데이터 전송을 제어하는 제어 회로 및 소프트웨어를 포함한다. 서보 프로세서(56) 및 디스크 드라이브 컨트롤러(58)가 도 1에서는 분리된 두 장치로 도시되었지만, 서보 프로세서(56)와 디스크 드라이브 컨트롤러(58)의 기능은 통상적으로 하나의 다목적 프로세서로 구현화되어 부품 원가를 절감시킬 수 있다는 것이 이해될 것이다.
통상적인 디스크 드라이브 시스템은 디지털 데이터를 저장하기 위해 예를 들면 10개의 디스크와 같이 다수의 데이터 저장 디스크를 사용한다. 디스크 드라이브 시스템(20)과 같은 이러한 소정 구조는 통상적으로 20개의 판독/기록 헤드와 20개의 HSA 어셈블리를 포함한다. 각 판독/기록 헤드는 각 서보 루프의 일부분이고, 본 발명의 실시예에서 상기 서보 루프는 총 20개이다. 디스크가 각각 회전당 90개의 서보 섹터를 포함하도록 포맷될(formatted) 경우, 디스크 회전당 90개의 위치 에러 신호가 20개의 각 서보 루프 내에서 발생된다.
서보 프로세서 상의 계산 부하(computational load)를 줄이기 위해, 20개의 HSA 어셈블리 각각과 연관된 하나 이상의 공진 주파수를 식별하기 위하여 디스크 회전당 20개의 각 서보 루프에서 발생된(developed) 90개의 DFT 샘플로부터 단지 하나의 DFT 샘플만을 선택하는 것이 가능하다. 잘 알려지지 않은 괴르첼 알고리즘(Goertzel's algorithm)이 이러한 하나의 DFT 주파수 샘플을 계산하도록사용될 수 있다. 다음에 기술되는 바와 같이, 일단 식별된 HSA 어셈블리 공진과 연관된 바람직하지 않은 주파수는 본 발명의 원리에 따른 필터링 방법(filtering methodology)을 사용하여 20개의 서보 루프 각각의 위치 에러 신호로부터 사실상 제거될 수 있다.
배경 기술에서 이미 기술된 바와 같이 기계식 HSA 어셈블리의 공진은 디스크 드라이브 시스템의 정상적인 서보 트랙킹 중에 특이한 문제를 발생시킨다. PES 측정으로부터 획득한 HSA 어셈블리의 유해한 공진 주파수를 정밀하게 식별하는 문제는 도 3 및 도 4를 참조하여 기술될 것이다. 도 3은 디스크 드라이브 시스템을 위한 시뮬레이트된 PID 보상 액츄에이터 개방 루프 전달함수를 예시한다. 도 3은 회전당 90개의 서보 샘플을 갖고 7,200RPM으로 회전하는 데이터 저장 디스크로부터 획득한 위치 에러 신호를 사용하여 계산된 많은 DFT 주파수 샘플을 예시한다. 도 4는 본 발명의 실시예에 따라 회전당 90개의 서보 샘플을 갖고 7,097RPM으로 회전하는 데이터 저장 디스크로부터 획득한 위치 에러 신호를 사용하여 계산된 다수의 DFT 주파수 샘플의 위치를 예시한다.
도 3에서, 4,140Hz의 고유 주파수(natural frequency)와 0.02의 댐핑율(damping ratio)을 갖고 서스펜션 공진의 크기가 시뮬레이트된 개방 루프 PID 보상 액츄에이터 전달 함수 GH(z)의 주파수 크기 응답으로 도시된다. 10.8kHz의 서보 샘플링 비율과 120Hz의 주파수 분해능을 갖는 디스크 드라이브 시스템으로부터 획득하여 도트(dot)로 도시되는 시뮬레이트된 이산 푸리에 변환(Discrete Fourier Transform; DFT) 주파수 샘플이 전달함수 크기 응답 위에 도시된다. 도 3으로부터 응답 피크의 정점(apex)과 바로 일치하는 도트(즉, DFT 주파수 샘플)가 없다는 것을 알 수 있다.
4,140Hz에 위치한 응답 피크 정점에 가장 근접한 도트는 4,080Hz(=34·120Hz)의 34번째 주파수 샘플이다. 4,140Hz에 위치한 응답 피크 정점에 두 번째로 근접한 도트는 4,200Hz(=35·120Hz)의 35번째 주파수 샘플이다. 도 3은 전형적인 디스크 드라이브 시스템 구조의 제한된 고유 서보 샘플링 비율로 인하여 HSA 어셈블리의 공진 주파수를 정확하게 식별하는 것에 대한 문제를 명백하게 예시한다. 10,000RPM이상으로 회전하는 향후의 디스크 드라이브 시스템은 더욱 불량한 주파수 분해능을 갖는다는 것이 인식될 것이다. 예를 들면, 10,000RPM으로 회전하는 디스크 드라이브는 166.7Hz의 주파수 분해능을 가질 수 있다. 80개의 서보 섹터를 사용하는 상기 디스크 드라이브 시스템에 대해, 34번째 주파수 샘플은 4,000Hz로 떨어질 것이고 35번째 주파수 샘플은 4,167Hz로 떨어질 것이다.
본 발명의 실시예에 따라서, 데이터 저장 디스크의 회전 속도는 기계식 HSA 어셈블리의 유해한 공진 주파수를 매우 정밀하게 식별할 수 있는 방식으로 변경된다. 디스크 속도는 디스크를 회전시키는 스핀들의 속도를 일정 속도(constant velocity)로부터 조금 변화시킬 정도로 약간 조정된다. 디스크/스핀들 속도에 대한 이러한 조정은 모든 DFT 샘플 주파수를 비례적으로 위치 이동시킨다. 예를 들면, 도 3을 참조하여 이미 기술된 35번째 주파수 샘플은 스핀들 속도가 7,200RPM에서 7,000RPM으로 2.8% 감소할 경우에 4,200Hz에서 4,083Hz로 위치 이동될 것이다. 35번째 DFT 샘플은 스핀들 속도가 7,200RPM에서 7,097RPM으로 1.43% 감소하면 도3에 도시된 공진 피크의 정점에 정확하게 위치되도록 위치 이동될 수 있다. 공진 피크의 정점에 35번째 DFT 샘플을 자리 이동시킨 결과가 도 4에 도시된다.
유사한 방식으로, 스핀들 속도는 감소되기 보다 오히려 증가될 수 있으므로 34번째 DFT 샘플이 4,140Hz 공진 피크와 일치하도록 위치 이동된다. 그러나, 정격속도(rated velocity) 이상으로 스핀들 속도를 증가시키는 것은 불리하게 전력 낭비를 증가시키고, 또한 시간이 지날수록(over time) 스핀들 베어링에 대해 불리하게 작용될 수 있다고 여겨진다. 그런 점 때문에 스핀들 속도는 바람직하게 공진 피크와 인접하게 DFT 샘플이 다운시프트(downshift)되도록 조금 감소되어, 다운시프트된 DFT 샘플은 공진 피크의 주파수와 정렬된다.
상술한 어려움 이외에, 서보 마이크로프로세서와 같은 온-보드(즉, 제 위치에서의(in-situ)) 디스크 드라이브 시스템 계산 설비(on-board disk drive system computing facility)만을 사용하는 DFT를 통해 HSA 주파수 응답을 정하려고 할 때에 더욱 복잡해진다는 문제가 발생한다. 예를 들면, N=90일 경우, DFT의 접근방식(approach)은 전체 24,300(=3·90·90)개의 복잡한 연산 수행이 요구된다. 하나의 복잡한 연산(예를 들면 곱셈 및 덧셈)을 수행하기 위한 시간은 일반적으로 두 개의 실수 연산(real operation)을 수행하기 위해 요구된 시간과 동일하다는 것이 주목된다. 부가적인 예로서, 고속 푸리에 변환(Fast Fourier Transform; FFT) 알고리즘이 사용되고 N=90일 경우, 128개의 점을 갖는 FFT가 요구되고(N=128) 복잡한 연산 개수는 896(=N log2(N))개가 된다. N=128일 경우에, 38개의 영점(zero)이 128개의 점을 갖는 FFT를 사용하기 위하여 90개의 PES 샘플에 부가되어야 한다. FFT 알고리즘은 모든 주파수 샘플이 필요할 경우에는 유용하지만, N-섹터 PES 샘플이 사용되는 경우에는 계산적으로 효율적이지 않은 것으로(insensitive) 간주된다. DFT의 접근방식은 FFT의 접근방식보다 27배 이상 계산적으로 효율적일 것이다. 많은 서보와 판독/기록 채널 애플리케이션(application)에서는, 다른 애플리케이션과는 반대로 단지 한 개 또는 적은 개수의 주파수 샘플만이 요구된다.
한정된 온-보드 계산 자원의 문제를 처리하는 하나의 접근방식은 공지의 괴르첼 알고리즘을 사용하는 것이다. 괴르첼 알고리즘은 단지 하나 또는 적은 개수의 DFT 샘플이 요구되는 경우 DFT를 계산할 때에 매우 반복적인 접근 방식(elegant recursive approach)으로 이루어진다. 괴르첼 알고리즘은 거의 모두 실수 덧셈 및 곱셈을 사용하여 이루어지기 때문에 애플리케이션 그 자체(in-siut)에는 상당히 매력적이다. 주파수 샘플마다 단지 하나의 복잡한 곱셈 및 덧셈만이 요구된다. 괴르첼 알고리즘을 사용하는 접근방식은 N이 제곱될 필요가 없다.
N=90인 이미 예시된 실시예를 참조하면, 괴르첼 알고리즘을 사용할 경우에 실수 곱셈 연산의 개수는 184(=2(N+2))개이고 실수 덧셈 연산 개수는 364(=4(N+1))개이며, 총 548개의 실수 연산(real operation)이 이루어질 것이다. 이것은 FFT 실행을 실시할 경우 상대적으로 필요한 1,792개의 동일한 실수 연산과 비교할 경우 상당한 실수 연산이 감소됨을 나타낸다. 계산 부하는 괴르첼 알고리즘의 사용으로 3배 이상까지 감소된다. 전반적으로, 괴르첼 알고리즘을 사용하여 디스크 드라이브 시스템 애플리케이션의 비용과 성능이 개선할 수 있다. 본 명세서에 기술된 방법은 괴르첼 알고리즘을 사용하지 않지만, 괴르첼 알고리즘은 디스크 드라이브 시스템 애플리케이션에서 DFT 연산 그 자체(in-situ)를 수행할 경우에 계산 부하를 상당히 감소시킬 수 있다는 것이 이해되어야 한다.
본 발명의 실시예에 대한 좀 더 상세한 기술은 도 5 내지 도 7를 참조하여 기술될 것이다. 본 발명의 실시예에 따라, 기계식 HSA 어셈블리의 공진의 정확한 주파수 위치는 스핀들 속도를 조금 증가하도록 변화시켜 변화를 초래하고 위치 에러 신호에 대한 DFT의 고유 주파수 샘플(unique frequency sample) 하나를 계산하여 정해진다. 이러한 정보는 기계식 HSA 어셈블리의 공진에 의해 발생된 특정 PES 성분(component)이 완전히 감소(attenuation)(예를 들면, 제거)되도록 디지털 노치 필터의 계수(coefficient)를 다시 계산하는 것과 같이, HSA 서보 루프 각각에 대해 하나 이상의 디지털 노치 필터를 조정하도록 사용된다.
특정 공진이 온도와 시간의 함수로 변화하는 주파수와 댐핑율을 갖는다는 것이 매우 복잡한 HSA 어셈블리의 공진을 가지고 실시한 실험을 통하여 발명자에 의해 밝혀졌다. 그러므로 디스크 드라이브 시스템 그 곳에서(in-situ), PES 신호의 이러한 원치 않은 공진 주파수를 최대로 감소시키는 각 HSA에 대한 노치 필터 계수를 재 계산할 필요가 있다. 이것은 특히 디스크 드라이브 시스템 워밍업 동안 중요하다. 실시예에 따라, 느슨한 스웨이지 조인트(loose swage joint)는 소정의 HSA 어셈블리의 주파수 특성 및 댐핑 특성 양자 모두를 상당히 변경할 수 있다. 또한 디스크 공기 난류(air turbulence)는 디스크의 내경(inner diameter)에서보다 디스크의 외경(outer diameter)에서 더 많은 HSA 어셈블리 공진을 야기시킬 수 있다.
소정 HSA 구조에 대한 하나 이상의 노치 필터의 도입(introduction)은 서보 루프의 이득 마진(gain margin) 및 위상 마진(phase margin)을 일반적으로 변경한다. 또한, HSA 서보 루프 각각의 이득 특성 및 위상 특성은 예를 들면 전 시간에 걸쳐 온도 변화에 응답하여 변화할 수 있다. 그런 것 때문에, 각 HSA 어셈블리에 대한 서보 루프는 디스크 드라이브 시스템 동작 중에 반복적으로 재조정되도록(to retunning) 영향을 받을 수 있다. 서보 프로세서는 HSA 서보 루프 각각의 노치 필터중에서 선택된 노치 필터를 사용하여 이득 마진 및 위상 마진에 대한 변화를 일반적으로 보상해야 한다. 특정 서보 루프에서 액티브(active)인 노치 필터는 통상적으로 서보 루프내에 딜레이(delay)나 지연(lag)을 발생시킨다. PID 컨트롤러가 사용되는 실시예에서, PID 컨트롤러의 미분 제어(differential control)는 노치 필터가 액티브 동작중인 HSA 서보 루프내로 리드량(amount of lead)을 오프셋(offset)하기 위하여 적분 제어에 비해 상대적으로 스큐(skew)될 수 있다.
도 5를 참조하면, 디스크 드라이브 시스템 환경 그곳에서 실시된 본 발명의 일 실시예에 대한 블록도가 예시된다. 도 5의 블록도는 바람직하지 않은 기계식 HSA 어셈블리의 공진을 적당히 필터링하기 위한 온-보드 시스템에 대한 실시예를 개념적으로 기술한다. 데이터 저장 디스크(104)의 디스크 표면(103) 상에 기록된 정보 트랙을 따라가는 기록 헤드(recording head, 102)가 도시된다. 디스크(104)는 속도 컨트롤러(107)의 제어 하에 스핀들 모터(106)에 의해 회전된다. 디스크 표면(103)은 PES 정보가 서보 복조기(demodulator)를 경유하여 획득되어 이미 기록된 서보 패턴을 포함한다. 기계식 액츄에이터 및 HSA(116)는 폐루프 서보 제어 하에 있다. 기록된 정보 트랙을 따라가기 위한 폐루프 서보는 서보 복조기(108), 디지털 서보 보상기(digital servo compensator, 110), 하나 이상의 디지털 노치 필터(112), 제로-오더-홀드(Zero-Order-Hold; ZOH)와 파워 증폭기(114), 및 이동하는 기계식 액츄에이터(moving mechanical actuator)와 HSA 어셈블리(116)를 포함한다.
ku-번째 DFT 주파수 샘플 x(ku)은 블록(120)에서 괴르첼 알고리즘을 사용하여 획득된다. DFT 주파수 샘플 x(ku)은 블록(122)에서 적응형 계산 알고리즘(Adaptive Computing Algorithm; ACA)에 의해 처리된다. 본 발명의 실시예에 따라 블록(122)에서 실시된 적응형 계산 알고리즘의 처리 순서도는 도 6에 도시되고, 그에 대한 상세한 설명은 다음에 기술된다. 일반적으로, 적응형 계산 알고리즘은 라인(124) 상의 신호로서 증가하는 스핀들 속도 변화(ΔRPM)를 계산한다. 적응형 계산 알고리즘은 또한 라인(124) 상에 재 계산된 샘플링 비율(fs) 및 추정된 공진 주파수(estimated resonance frequency; fr)를 표시하는 신호를 제공한다.
이미 기술된 바와같이, RPM이라는 용어로 쓰여진 스핀들 속도에 대한 변화는 위치 에러 신호의 샘플링 비율(fs)을 변화시킨다. 샘플링 비율(fs)과 샘플링 주기(Ts)는 다음과 같이 표현될 수 있다.
여기에서, N은 회전 당 PES 샘플 개수를 표시한다. 추정된 공진 주파수(fr)는 다음과 같이 표현될 수 있다.
각 HSA 어셈블리에 대한 공진 주파수 각각에 대해 수행된 추정 처리 동안, 블록(112)의 노치 필터는 비액티브된다. 노치 필터는 다음의 "수학식 5"에서 필터 계수(bo)를 "1"로 설정하고 다른 모든 계수를 "0(zero)"로 설정하여 비액티브될 수 있다. 특정 공진 주파수(fr)가 추정된 후, 대응 노치 필터는 적당한 계수에 의해 액티브된다. 그런 다음 이전에 액티브된 서보 루프의 노치 필터를 사용하는 동일한 HSA 구조에서 다른 공진에 대한 처리가 이루어질 수 있다. 다음 공진 주파수가 식별될 경우, 다른 노치 필터가 서보 루프에서 액티브된다. 각 HSA 구조에 대해 하나 이상의 공진 주파수를 정하고 서보 루프의 연관된 노치 필터를 형성하기 위한 이러한 처리는 반복된다. 추정되고 조정된 노치 필터 계수[bj, aj]는 블록(128)에서 계산되어, 라인(130)을 경유하여 블록(112)의 노치 필터 알고리즘에 제공된다.
각 HSA와 연관된 블록(112)에 하나 이상의 노치 필터가 존재할 수 있다는 것이 재강조된다. 불필요한 다수의 HSA 어셈블리 공진이 존재할 경우, 하나 이상의 버터워스(Butterworth) 또는 체비셰프(Chebyshev) 노치 필터가 필요할 수도 있다. 캐스케이드된(cascaded) 여러개의 2차(2nd order) 노치 필터를 사용하는 대신에, 도 3 및 도 4와 관련하여 사용된 예에서 2kHz에서부터 5kHz까지 정해진 노치(notch)처럼, 매우 넓은 노치를 효과적으로 제공하는 하나의 4차 타원 노치 필터(4th order elliptic notch filter)를 사용하는 것이 바람직할 수 있다.
일반적으로, 온 보드 적응형 필터링 시스템(100)에 의해 실행된 디지털 알고리즘은 샘플링 비율(fs)의 함수이다. 그러므로 디지털 서보 보상기(digital servo compensator; 110)를 제어하는 알고리즘 계수는 샘플링 주파수(fs)의 변화에 응답하여 변화하도록 영향을 받아야 한다. 예를 들면, 서보 보상기(110)가 PID 컨트롤러로서 실시되었다면, 전달 함수 C(z)는 다음과 같이 주어진다.
여기에서, Kp, Ti, Td는 각각 비례 이득(proportional gain), 적분 시간(integral time), 및 미분 시간(derivative time)을 표시한다. 통상적으로 파라메터(Kp, Ti, Td)는 공지된 지글러 니콜스 조정법칙(Ziegler-Nichol tuning rule)에 따라서 조정된다. 전달 함수 C(z)는 샘플링 비율(fs)의 간단한 함수이기 때문에 전달함수 C(z)의 값은 용이하게 재계산될 수 있다는 것이 주목된다.
일반적으로, 서보 보상기(110)의 동적 응답(dynamic response)은 블록(112)의 HSA 서보 루프에 도입된 노치 필터의 개수와 주파수 응답에 대한 함수이다. 예를 들면 노치 필터가 서보 루프내로 지연을 도입하여 서보 루프를 보다 불안정하게 만들다는 것이 알려져 있다. 이러한 지연은 서보 보상기(110)에 의해 서보 루프 내로 리드를 부가하여, 통상적으로 PID 컨트롤러의 적분 이득에 비례하는 미분 이득(differential gain)을 증가시켜 보상될 수 있다.
서보 보상기(110)의 조정 동작(tuning)은 여러 방식으로 달성될 수 있다. 하나의 접근방식은 탐색(seek)/오버슈트(overshoot)를 수행함에 따라 조정 동작에 영향을 받는 HSA 서보 루프 각각에 대한 동력학적 특성(dynamics)을 테스트하는 것이다. 특정 HSA 어셈블리에 대한 헤드 오버슈트 양은 스텝 기능에 응답하여 실린더(500)로부터 실린더(510)까지와 같이 짧은 탐색 동작을 수행하는 동안 정해질 수 있다. 오버슈트(overshoot)와 세틀링(settling) 특성에 따라서 서보 보상기(110)의 적분 및/또는 미분 PID 제어 성분은 소정의 HSA 서보 루프 내의 지연량 및 리드량을 증가하거나 감소하도록 조정될 수 있다. 상기 "수학식 4"를 참조하면, 미분 PID 제어 성분은 Td로 정의되고 적분 PID 제어 성분은 Ti로 정의된다.
다른 짧은 탐색 동작이 수행될 수 있고 HSA 서보 루프의 지연/리드 특성이 재추정될 수 있다. 이러한 처리는 소정 HSA 서보 루프의 오버슈트 및 세틀링 특성이 달성될 때까지 반복될 수 있다. 탐색/오버슈트 테스트는 디지털 노치 필터가 동작하는 HSA 서보 루프 각각에 대해 수행될 수 있다.
블록(112)에서 사용된 디지털 노치 필터나 필터들도 역시 샘플링 비율(fs)에 의존한다. 예를 들면, 소정 애플리케이션에 사용된 노치 필터가 2차 버터워스 노치 필터로 실시될 경우, 상기 필터에 대한 전달함수 Gn(z)는 다음과 같이 정의된다.
여기에서 계수 b0, b2는 다음과 같은 매치드-z 변환(Matched-z transform)을 사용하여 정해질 수 있다.
여기에서,
추정된 노치 필터 에지 주파수(notch filter edge frequency; F1, F2)는 F1= fr-△f 및 F2= fr+ △f으로 산출된다. 여기에서 2△f는 바람직하게 -3dB의 노치폭(notch width)이다. 상기 "수학식 5"는 샘플링 비율(fs)의 적은 변화(예를 들면 ±5%)에 따라 계수(b0, b2)가 변화하는 매우 선형적이고 비례적인 관계(linear, positive relationship) Q를 갖는다. "수학식 5"에서 다른 계수에 대해서도 동일하다. 이것은 노치 필터 계수(bj, aj)가 [bj= Q(bj)·fs]로 주어진 수학식에 의해 간단한 선형 공식으로 샘플링 비율(fs)의 적은 변화에 대해서도 추정될 수 있다는 것을 의미한다. 따라서, 상기 주어진 "수학식 6a"는 사용할 필요가 없거나, 필터 계수를 정하기 위해 다른 관련 수학식을 사용할 필요가 없다. "수학식 4"에 주어진 PID 보상 계수는 샘플링 비율(fs)의 적은 변화에 대해서도 동일한 선형성을 갖는다.
도 6을 참조하면, 디스크 드라이브 드라이브에 제공된 하나 이상의 HSA 어셈블리의 공진 주파수를 식별하기 위하여 도 5의 블록(122)에 도시된 적응형 계산 알고리즘을 실행하기 위한 처리-순서도(200)가 예시된다. 이미 기술된 바와 같이, 모든 디지털 노치 필터(112)는 공진 주파수 추정 처리가 소정 HSAi에 대해 시작되기 전에 비액티브된다. 모든 노치 필터는 상기 "수학식 5"의 노치 필터 계수(b0)를 "1"로 설정하고 다른 계수를 "0"으로 설정하여 비액티브된다. i번째 HSA 어셈블리에 대한 통상적인 공진 주파수 범위[F1, F2]는 제조(manufacturing), 개발(development), 선별(screening)하는 동안 특정 디스크 드라이브 시스템으로부터 획득한 테스트 데이터에 대한 통계학적인 해석을 사용하는 바와 같이 공지된 것으로 가정된다.
예를 들면, 특정 HSAi어셈블리는 다음과 같은 방식으로 특성이 부여된 제2비틀림 서스펜션 공진(fr)을 가질 수 있다.
여기서, fn은 나이퀴스트(Nyquist) 주파수와 동일하다. 상기 나이퀴스트 주파수는 샘플링 주파수의 1/2인 주파수를 표시하는 것으로 이해된다. 문제가 되는 HSA 어셈블리 공진에 대한 통계적인 3-시그마 주파수 범위 [F1, F2]는 특히 흥미롭다. 에일리어싱 문제(aliasing problem)를 방지하기 위해,이 통상적으로 요구된다. 여기에서 fn은 나이퀴스트 주파수를 표시한다.
이산 푸리에 변환(DFT) 주파수 샘플링 인덱스(ku) (여기서 ku= N/2)는 다음과 같이 정해진다(단계 206 참조).
여기에서, Fu는 F2이상인 제1 DFT 인덱스 주파수를 표시하고, RPM0는 예를 들면, 7,200RPM과 같은 정격 스핀들 주파수(rated spindle frequency)를 표시한다. 그런 다음 액츄에이터 서보의 개방 루프 보상 전달 함수를 표시하는 DFT 샘플 GH0(ku)의 크기가 계산된다(단계 208 참조). ku번째 DFT샘플 GH'(ku) 크기를 계산하는 것은 괴르첼 방법을 사용하여 정해질 수 있다는 것이 주목된다.
스핀들 속도(RPM0)는 RPM = RPM0-△RPM이라고 가정하면 좀더 느린(lower) 새로운 스핀들 속도를 제공하도록 △RPM 양에 의해 약간 감소된다(단계 210 참조). △RPM를 선택하기 위한 방법이 많이 존재한다는 것이 이해될 것이다. "분할 해결법(divide-and-conquer)"와 같은 방법이 사용될 수 있다. 상대적으로 단순한 접근방식은 예를 들면 10Hz만큼의(by) Fu 변화에 대응하는 속도로 고정된 △RPM를 유지하는 것이다. 이것은 △RPM = 10·60/ku이라는 것을 의미한다. 예를 들면, 도 3 및 도 4와 관련하여 이미 기술된 바와 같이 ku=35일 경우에, △RPM는 대략 17이 되도록 계산된다. 7,200RPM에 대한 주파수 분해능이 120Hz이기 때문에, 각각 17RPM씩 12번 증가하는 스핀들 속도 변화는 주파수 분해능 간격을 120Hz로 벌려 놓을 것이다. 이러한 예시적인 실시예에서, 증가하는 스핀들 속도 변화(△RPM)는 효율적으로 12배까지 주파수 분해능을 증가시킨다.
단계(208)에서 정해진 개방 루프 보상 전달 함수 GH'(ku)의 이전 크기는 감소된 스핀들 속도(RPM)에서 GH(ku)의 크기를 계산하도록 사용된다(단계 212 참조). 이러한 계산을 수행하기 위해 다시 한번 괴르첼 방법이 사용될 수 있다. 그런 다음 ｜GH(ku)｜와 ｜GH'(ku)｜간의 비교가 수행된다(단계 214 참조). ｜GH(ku)｜가 ｜GH'(ku)｜이상인 것으로 판정되면, 스핀들 속도는 부가적인 증가량(additional increment; △RPM)에 의해 감소되고, 이전에 정해진 ｜GH(ku)｜값은 ｜GH'(ku)｜로서 저장된다. 그런 다음 새로운 ｜GH(ku)｜의 크기는 재계산된다(단계 212 참조). 판정 블록(214)에서의 비교는 수학식이 만족하지 않을 때까지 반복된다.
｜GH(ku)｜이 ｜GH'(ku)｜보다 적은 것으로 판정되면, 특정 공진 주파수(fr)는 상기 "수학식 3"을 사용하여 추정된다(단계 218 참조). 일단 특정 HSA 어셈블리 공진 주파수(fr)가 추정되면(단계 218 참조), 대응 노치 필터 계수([bj, aj])(여기서, j = 0, 1, 2)가 계산된다(단계 218 참조). 특정 공진 피크가 크다라고 간주될 경우, 즉 낮은 댐핑율을 가질 경우, 상기 대응 노치 필터는 서보 루프에서 액티브된다. 특정 HSA 어셈블리 공진의 댐핑 양이 큰지 여부를 관찰하는 것은 통상적으로 대응 노치 필터를 사용할 필요가 없도록 한다.
그런 다음 i번째 HSA 어셈블리와 연관된 다른 HSA 어셈블리의 공진 주파수는 이미 기술된 방식으로 식별되거나(단계 220 참조) 또는 다음 HSA 어셈블리, 즉 i+1번째 HSA 어셈블리는 (204)단계 내지 (220)단계의 처리 순서에 영향을 받게 될 것이다. 특정 HSA 어셈블리에서 문제가 되는 모든 공진이 처리될 경우, 처리는 디스크 드라이브 시스템의 다음 HSA어셈블리에 대해서도 계속 이루어진다.
도 7은 도 3 및 도 4에 도시된 4,140Hz의 HSA 어셈블리 공진용으로 400Hz의 -3dB폭을 갖는 적당히 조정된 노치 필터를 도입한 경우를 예시한다. 도 7은 4,140Hz의 서스펜션 공진 주파수와 0.02의 댐핑율을 갖는 시뮬레이트된 PID 및 노치 보상 디스크 드라이브 시스템 액츄에이터 개방 루프 전달 함수를 도시한다는 것이 주목된다. 버터워스 노치는 4,140Hz의 중심 주파수와 600Hz의 -3dB폭을 갖는다. 도트는 회전당 90개의 서보 샘플을 갖고 7,200RPM으로 회전하는 데이터 저장 디스크를 사용하는 디스크 드라이브 시스템의 위치 에러 신호로부터 획득한 DFT 주파수 샘플의 위치를 예시한다.
본 발명의 실시예 그 곳에서, 디스크 드라이브 시스템의 식별된 다수의 모든 HSA 어셈블리 공진에 관한 통계치(statistics)는 향후 참고자료용으로 저장되는 것이 바람직하다. 추정된 공진 댐핑율(δ)과 같은 파라메터에 대한 시간 순서적 기록은 고장분석(failure analysis)을 예측할 목적으로 추정된 고유 공진 주파수(fr)와 함께 저장된다. 예를 들면, 특정 HSA 어셈블리에 대한 댐핑율과 공진 주파수에 대한 커다란 변화는 느슨한 스웨이지 조인트를 암시한다. 느슨한 스웨이지 조인트는 치명적인 디스크 파손(crash)을 유발할 수 있다.
본 발명의 원리와 일치하는 방식으로 스핀들 속도를 약간 조정하는 것은 DFT 샘플에 대한 실제로 무한한(infinite) 주파수 분해능을 산출한다(yield). 이것은 디스크 드라이브 시스템의 HSA 어셈블리 공진에 대한 정확한 식별에 매우 중요하다. 디스크 드라이브 시스템의 기계식 HSA 어셈블리의 유해한 공진 주파수를 정확하게 식별하는 것은 제한된 개수의 서보 섹터(N)만이 이용 가능하고 디스크 스핀들이 고정 속도로 회전할 경우에는 일반적으로 달성되지 않는다는 것은 해당 분야의 당업자에 의해 이해될 것이다. 괴르첼의 DFT 알고리즘을 사용하는 것은 각각의 노치 조정 동작을 수행할 경우 보다 실용적으로 서보 프로세서를 사용할 수 있도록 한다. 괴르첼 알고리즘에서 필요로 하는 계산 부하는 FFT 접근방식에 의해 필요로하는 계산 부하보다 휠씬 적고, 상당히 적은 램(RAM)과 롬(ROM)을 필요로 한다.
일반적으로, 디스크 스핀들이 일정 속도로 회전하고 있는 경우 노치 필터에 대한 정확한 조정 동작은 종래 기술을 사용해서는 이루어지지 않는다. 종래 방법을 사용할 경우, HSA 어셈블리의 공진 주파수는 단지 ±RPM/60의 허용 범위내에서만 추정될 수 있다. 이것은 대응 노치의 조정 동작이 정확히 이루어지지 않을 것(off-centered)이라는 것을 암시한다. 스핀들 속도가 고정 개수의 서보 섹터를 위해 증가함에 따라, 주파수 분해능은 더욱 감소된다. 향후의 고성능 디스크 드라이브 시스템은 아마도 보다 적은 개수의 서보 섹터를 사용하여 10,000RPM 이상으로 회전할 것이다. 그래서, DFT 주파수 분해능 문제는 스핀들 속도가 증가함에 따라 보다 대두된다.
본 발명의 원리에 따른 적응형 필터링 방법을 사용하는 것은 높은 효율성을 갖는 현재 및 향후의 디스크 드라이브 시스템에서의 불필요한 기계식 HSA 어셈블리의 공진 문제를 제거하도록 사용될 수 있다. 각각의 HSA 어셈블리에서의 공진에 대한 개별적인 조정 동작 그 자체(in-situ)는 시간과 온도에 따라 변화하는 비틀림과 굽힘 모드 주파수 및 댐핑에 대한 변화를 추적할 수 있도록 한다.
소정의 기계식 HSA 어셈블리 구조는 다른 것보다도 좀더 나은 제조 공차(tolerance)를 가질 수 있다. 그래서 이러한 개선된 구조(well-behaved structure)는 서보 루프에서 여기(excitation)가 덜 발생될 것이다. 상기 구조는 보다 적은 개수의 보상 노치 필터를 필요로 하거나 보상 노치 필터가 불필요하다. 이러한 경우에, 상기와 같은 개선된 HSA 어셈블리를 노치 보상할 필요가 없어진다. 노치 보상을 요구하는 HSA 어셈블리만이 적절히 조정된 노치 필터를 구비할 것이다. 노치 보상을 할 것인가 또는 하지 않을 것인가의 여부를 결정하는 것은 디스크 드라이브 시스템 바로 그곳(in-situ)에서 이루어질 수 있다. 초기에 소정의 노치 보상을 요구하지 않는 HSA는 나중에 자신이 내구 기간(operating life) 중에 상기와 같은 노치 보상을 시간이 지나면서(over time) 요구할 수 있다. 도 5를 참조하면, 디지털 서보 보상기(110)가 각 HSA에 대한 블록(112)에 도입된 디지털 노치 필터의 함수로서 조정된다는 것이 주목된다.
일반적으로, 요구된 바와 같이 노치 필터를 사용하는 것은 공진 노칭을 요구하지 않은 각각의 HSA 서보 루프에 대한 이득 마진 및 위상 마진을 전반적으로 향상시킨다. 이것은 디스크 드라이브 시스템 액세스 및 트랙 추종 성능이 전반적으로 개선된다는 것을 의미한다. 고속 액세스를 요구하는 데이터는 노치 보상을 요구하지 않거나 다른 HSA 어셈블리보다 더 나은 위상 마진 특성 및 이득 마진 특성을 갖는 HSA 어셈블리에 의해(with) 동적으로(dynamically) 이동할 수 있다.
시간 순으로 기록된 공진 주파수와 대응 댐핑율과 함께, 각각의 노치 필터 그곳에서의(in-situ) 조정 동작은 HSA 어셈블리에 대한 전반적인 상태(health)를 효율적으로 추정할 수 있도록 한다. 하나 또는 두 개의 파라메터에 대한 커다란 변화는 느슨한 스웨이지 조인트, 손상된 서스펜션, 헤드 슬라이더 상에 많은 양의 미세 파편(debris)의 축적과 같은 기계적인 결함이나 비정상 상태(irregularity)를 암시할 수 있다. 따라서 본 발명의 원리는 예측적 고장 해석을 수행할 목적으로 적용될 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예에 대한 상기 기술은 예시 및 설명 목적으로 제시된다. 기재된 정확한 형태는 본 발명을 한정하려는 것이 아니고, 상기 교시 내용에 따라 많은 변형 및 변경이 가능하다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명에 의해 한정되지 않고, 첨부된 청구범위에 의해 한정되도록 하기 위한 것이다.
본 발명에 의하여 데이터 저장 시스템에서 발생하는 기계식 HSA 어셈블리의 유해한 공진 주파수를 매우 정확하게 식별하고, 효율적으로 필터링하므로, 불필요한 공진 동작으로 인한 기계 손상을 방지하여 기계 수명을 연장하고, 정확한 고장 예측을 실행하여, 커다란 경제적인 손실을 예방한다.

Claims (26)

  1. 데이터 저장 매체와 근접하게 판독/기록 헤드를 지지하는 지지구조의 공진 주파수를 식별하는 방법에 있어서,
    a) 상기 데이터 저장 매체 상에 제공된 서보 정보를 사용하여 획득된 위치 에러 신호의 주파수 변환을 발생하는 단계;
    b) 상기 주파수 변환의 특정 샘플을 획득하는 단계;
    c) 상기 특정 샘플의 크기를 계산하는 단계;
    d) 상기 데이터 저장 매체의 속도를 복수의 속도로 변경하고, 상기 속도 각각에서 상기 발생, 획득, 및 계산의 상기 단계를 반복하는 단계; 및
    e) 최대 크기를 갖는 특정 샘플과 연관된 속도를 사용하여 상기 지지 구조의 공진 주파수를 산출하는 단계
    를 포함하는 공진 주파수 식별 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 특정 샘플 획득 단계는 지지 구조의 공진 주파수보다 더 큰 주파수를 표시하는 주파수 변환 샘플을 획득하는 단계를 포함하고,
    상기 속도 변경 단계는 데이터 저장 매체의 속도를 감소시키는 단계를 포함하는
    공진 주파수 식별 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 특정 샘플 획득 단계는 지지 구조의 공진 주파수보다 작은 주파수를 표시하는 주파수 변환의 샘플을 획득하는 단계를 포함하고,
    상기 속도 변경 단계는 데이터 저장 매체의 속도를 증가시키는 단계를 포함하는
    공진 주파수 식별 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 위치 에러 신호의 주파수 변환 발생 단계는 위치 에러 신호의 이산 푸리에 변환(Discrete Fourier Transform; DFT), 고속 푸리에 변환(Fast Fourier Transform; FFT), 단시간 이산 푸리에 변환(Short-Time Fourier Transform; STFT), 또는 웨이블렛 변환(wavelet transform)을 사용하여 주파수 변환을 발생하는 단계를 포함하는 공진 주파수 식별 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 위치 에러 신호의 주파수 변환 발생 단계는 이산 푸리에 변환(DFT)을 사용하여 주파수 변환을 발생하는 단계를 포함하고,
    상기 특정 샘플의 크기는 괴르첼(Goertzel) 알고리즘을 사용하여 계산되는
    공진 주파수 식별 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    위치 에러 신호의 주파수 변환 발생 단계는 이산 푸리에 변환(DFT)을 사용하여 주파수 변환을 발생하는 단계를 포함하고,
    상기 특정 샘플 획득 단계는 DFT 샘플링 인덱스(ku)―여기서 Ku= Fu·60/RPM0로 정의되고, Fu는 예상되는 지지 구조 공진 주파수 범위의 상위 주파수이상인 제1 DFT 인덱스 주파수를 표시하고, RPM0는 RPM으로 주어진 정격 데이터 저장 매체를 표시함―를 사용하여 DFT 샘플을 획득하는 단계를 포함하고,
    공진 주파수 식별 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    최대 크기를 갖는 특정 샘플이 산출되는 속도와 연관된 샘플링 비율을 사용하여 하나 이상의 필터 계수를 계산하는 단계를 추가로 포함하는 공진 주파수 식별 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    위치 에러 신호에서 지지 구조의 공진 주파수 영향을 실질적으로(substantially) 제거하는 단계를 추가로 포함하는 공진 주파수 식별 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 공진 주파수 식별 방법이 지지 구조와 연관된 복수의 공진 주파수 각각에 대해 수행되는 공진 주파수 식별 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 공진 주파수 식별 방법이 복수의 지지 구조 각각에 제공된 복수의 판독/기록 헤드 각각에 대해 수행되는 공진 주파수 식별 방법.
  11. a) 복수의 속도로 이동 가능한 데이터 저장 매체;
    b) 상기 데이터 저장 매체와 근접하게 변환기―여기서 변환기는 상기 데이터 저장 매체로부터 정보 신호를 획득함―를 지지하는 지지 구조; 및
    c) 상기 정보 신호를 사용하여 위치 에러 신호(PES)를 획득하는 프로세서―여기서 프로세서는 복수의 데이터 저장 매체 속도 각각에 대해 PES 주파수 변환의 특정 샘플에 대한 크기를 계산하고, 최대 크기를 갖는 특정 샘플과 연관된 데이터 저장 매체 속도를 사용하여 상기 지지 구조의 공진 주파수를 산출함―
    를 포함하는 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 프로세스에 연결되고 위치 에러 신호를 수신하는 프로그램 가능 필터―여기서 필터는 위치 에러 신호에서 지지 구조와 연관된 공진 주파수 영향을 실질적으로 제거하도록 프로세서에 의해 프로그래밍됨―
    를 추가로 포함하는 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 프로세서가 최대 크기를 갖는 특정 샘플이 산출되는 데이터 저장 매체 속도와 연관된 샘플 비율을 사용하여 하나 이상의 필터 계수를 계산하여 필터를 프로그래밍하는 장치.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 프로세서가 지지 구조와 연관된 복수의 공진 주파수 각각의 영향을 위치 에러 신호에서 제거하도록 필터를 프로그래밍하는 장치.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 프로세서가 복수의 변환기 각각을 지지하는 지지 구조에 대한 공진 주파수 영향을 위치 에러 신호에서 제거하도록 필터를 프로그래밍하는 장치.
  16. 제11항에 있어서,
    상기 프로세서가 지지 구조의 공진 주파수보다 큰 주파수를 표시하는 PES 주파수 변환 샘플을 획득하여 특정 샘플의 크기를 계산하고, 데이터 저장 매체의 속도를 감소시키기 위한 속도 제어 신호를 발생하는 장치.
  17. 제11항에 있어서,
    상기 프로세서가 지지 구조의 공진 주파수보다 작은 주파수를 표시하는 PES 주파수 변환 샘플을 획득하여 특정 샘플의 크기를 계산하고, 데이터 저장 매체의 속도를 증가시키기 위한 속도 제어 신호를 발생하는 장치.
  18. 제11항에 있어서,
    상기 프로세서가 위치 에러 신호의 이산 푸리에 변환(Discrete Fourier Transform; DFT), 고속 푸리에 변환(Fast Fourier Transform; FFT), 단시간 이산 푸리에 변환(Short-Time Fourier Transform; STFT), 또는 웨이블렛 변환(wavelet transform)을 사용하여 PES 주파수 변환을 계산하는 장치.
  19. 제11항에 있어서,
    상기 프로세서가 이산 퓨리어 변환(DFT)을 사용하여 PES 주파수 변환을 계산하고, 상기 특정 샘플이 괴르첼의 알고리즘을 사용하여 계산되는 장치.
  20. a) 데이터 저장 매체;
    b) 상기 데이터 저장 매체와 근접하게 지지 구조에 의해 각각 지지되고 각각의 서보 루프―여기서 각각의 서보 루프내에서 위치 에러 신호가 발생됨― 내에 정해진 복수의 변환기;
    c) 상기 각각의 서보 루프 내에 제공된 하나 이상의 프로그램 가능 필터; 및
    d) 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 기재된 공진 주파수 식별 방법을 이용하여 상기 지지 구조와 연관된 공진 주파수의 영향을 상기 각각의 위치 에러 신호에서 실질적으로(substantially) 제거하기 위하여 프로그램 가능 필터중에서 선택된 필터를 프로그래밍하는 프로세서
    를 포함하는 장치.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 복수의 변환기가 복수의 지지 구조에 의해 지지되고, 상기 프로세서가 상기 각각의 지지 구조와 연관된 공진 주파수 영향을 각각의 위치 에러 신호에서 사실상 제거하도록 프로그램 가능 필터 중 선택된 필터를 프로그래밍하는 장치.
  22. 제20항에 있어서,
    상기 선택된 프로그램 가능 필터가 자신의 각 서보 루프에 지연(lag)을 부가하고, 상기 프로세서가 각각의 서보 루프에 부가된 지연을 보상하도록 조정하는 장치.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 프로세서가 각각의 서보 루프 내로 리드(lead)를 도입하여(introduce) 부가된 지연을 보상하도록 조정하는 장치.
  24. 제20항에 있어서,
    상기 프로세서가 PID(Proportional-Integral-Differential) 컨트롤러를 포함하는 장치.
  25. 제20항에 있어서,
    상기 프로그램 가능 필터가 프로그램 가능 노치 필터 또는 프로그램 가능 타원 필터(programmable elliptic filter)를 포함하는 장치.
  26. 데이터 저장 시스템에 있어서,
    a) 데이터 저장 디스크;
    b) 상기 데이터 저장 디스크와 근접하게 지지 구조에 의해 각각 지지되고 각자의 서보 루프 ―여기서 각자의 서보 루프 내에서 위치 에러 신호가 발생됨―내에 정해진 복수의 변환기;
    c) 상기 변환기와 상기 데이터 저장 디스크 사이에 적절한(relative) 움직임을 제공하는 액츄에이터;
    d) 상기 각각의 서보 루프 내에 제공된 하나 이상의 프로그램 가능 필터; 및
    e) 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 기재된 공진 주파수 식별 방법을 이용하여 상기 지지 구조와 연관된 공진 주파수의 영향을 각각의 위치 에러 신호에서 실질적으로 제거하도록 프로그램 가능 필터중에서 선택된 필터를 프로그래밍하는 프로세서
    를 포함하는 데이터 저장 시스템.
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