KR100513731B1 - 하드 디스크 드라이브의 시크 제어를 위한 전류 궤적 생성방법 및 그에 따른 시크 제어 시스템 - Google Patents

하드 디스크 드라이브의 시크 제어를 위한 전류 궤적 생성방법 및 그에 따른 시크 제어 시스템 Download PDF

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Abstract

하드 디스크 드라이브의 시크 제어를 위한 전류 궤적 생성 방법 및 그에 따른 시크 제어 시스템이 개시된다. 본 발명에 따른 전류 궤적 생성 방법은 (a) 정현파의 고조파들로부터 전류 궤적을 설정하는 단계; (b) 상기 전류 궤적을 이용하여 제어 대상물에서 소모되는 전력을 계산하는 단계; 및 (c) 상기 전력을 최소화하도록 상기 고조파의 각 계수를 결정하는 단계를 포함함을 특징으로한다.

Description

하드 디스크 드라이브의 시크 제어를 위한 전류 궤적 생성 방법 및 그에 따른 시크 제어 시스템{Method for generating current trajectory for seek controller of hard disk drive and seek control system thereof}
본 발명은 하드 디스크 드라이브의 시크 제어를 위한 전류 궤적 생성 방법 및 그에 따른 시크 제어 시스템에 관한 것으로, 특히 하드 디스크 드라이브의 시크 제어시 전력을 감소시키는 궤적 생성 방법 및 그에 따른 시크 제어 시스템에 관한 것이다.
하드 디스크 드라이브는 회전하는 단일 또는 복수의 디스크 각각의 자계를 감지하고 자화시킴으로써 정보를 기록하고 읽을 수 있는 복수의 자기 변환기(magnetic transducer)들을 포함하고 있다. 이 정보는 환상 트랙 내에 위치한 복수의 섹터들 내에 전형적으로 포맷되어 있다. 디스크의 각 표면을 가로질러 위치한 트랙 번호가 있다. 수직적으로 유사한 트랙들의 번호를 실린더(cylinder)라 한다. 그러므로 각 트랙은 실린더 번호에 의하여 정의되기도 한다.
각 변환기(transducer)는 전형적으로 헤드 짐벌 어셈블리(HGA:Head Gimbal Assembly)에 편입되어 있는 슬라이더 내에 통합되어 있다. 각 헤드 짐벌 어셈블리는 액츄에이터에 부착되어 있다. 액츄에이터는 보이스 코일 모터(voice coil motor, VCM)를 함께 특정하는 마그네틱 어셈블리에 인접되게 위치한 보이스 코일을 갖고 있다.
하드 디스크 드라이브는 전형적으로 VCM을 여기시키는 전류를 공급하는 구동 회로 및 제어기를 포함하고 있다. 여기된 VCM은 액츄에이터를 회전시켜 변환기들을 디스크(들)의 표면을 가로질러 이동시킨다.
정보를 기록하거나 또는 읽을 때, 하드 디스크 드라이브는 변환기를 한 실린더에서 다른 실린더로 이동시키기 위한 시크 루틴을 실행한다. 시크 루틴 도중에 VCM은 변환기들을 디스크 표면에서 새로운 실린더 위치로 이동시키는 전류에 의하여 여기된다. 제어기는 또한 변환기가 정확한 실린더 위치 및 트랙의 중앙으로 이동시키는 것을 보증하는 서보 루틴을 실행한다.
많은 연구가 시크 루틴 실행시 가장 짧은 시간에 변환기를 정확한 위치로 이동시키는 것에 대해 이루어졌다. 그러나, 캠코더나 MP3 플레이어 등 모바일 기기에 장착되는 하드 디스크 드라이브에 있어서 심각한 문제로 제기되는 것은 소비전력이다. 모바일 기기의 특성상 시스템이 배터리로 구동되기 때문에 소비전력은 가능한 작아야한다. 소비전력을 줄일 수 있는 요소로는 응용 프로그램에서의 드라이브를 구동/정지하는 스케쥴링, 스핀들 모터의 기동 그리고 VCM의 시크 제어 등이 있다.
종래의 VCM의 시크 제어는 상기한 바와 같이 트랙탐색 시간을 최소화하기위하여 최적시간 제어에 초점이 맞추어졌으나, 최적시간 제어는 가속도 파형이 불연속하기 때문에 기계적 시스템의 고주파 모드를 자극하여 원하지않은 기계적 소음 및 진동을 증가시키는 문제가 있었다. 이러한 문제때문에 구형파 대신 정현파 형태의 부드러운 가속도 파형을 사용하는 시크 제어기가 사용되고 있다.
그러나 모바일 기기에 사용되는 하드 디스크는 시크 시간 및 소음 보다는 전력소비에 더 큰 비중을 두어야만 한다. 특히 랜덤 파일의 억세스에 있어서 시크 제어시 소비되는 전력량은 무시할 수 없다. 따라서 모발이 기기에 사용되는 하드 디스크 드라이브는 최소 만족해야하는 시크 시간 성능은 유지하면서 전력소비를 최소화하는 제어가 필요하다.
본 발명이 이루고자하는 기술적 과제는 하드 디스크 드라이브의 전력 소비를 최소화하는 전류 궤적을 발생하는 전류 궤적 발생 방법 및 이를 이용하여 VCM을 제어하는 시크 제어 시스템을 제공하는데 있다.
상기 기술적 과제를 이루기위한 본 발명의 전류 궤적 생성 방법은 (a) 정현파의 고조파들로부터 전류 궤적을 설정하는 단계; (b) 상기 전류 궤적을 이용하여 제어 대상물에서 소모되는 전력을 계산하는 단계; 및 (c) 상기 전력을 최소화하도록 상기 고조파의 각 계수를 결정하는 단계를 포함함을 특징으로한다.
상기 기술적 과제를 이루기위한 본 발명의 하드 디스크 드라이브의 시크 제어 시스템은 액츄에이터 구동을 위한 하드 디스크 드라이브의 시크 제어 시스템에 있어서, 소정 계수들을 갖는 고조파들을 생성하는 정현파 생성기; 상기 고조파들로부터 상기 액츄에이터에서 소모되는 전력을 최소화하도록 상기 액츄에이터의 위치, 속도 및 가속도의 궤적을 생성하는 궤적 생성기; 및 상기 위치, 속도 및 가속도 궤적에 소정 계수들을 각각 곱하고, 모두 가산하여 상기 액츄에이터를 구동하기위한 구동전류를 출력하는 구동전류 공급부를 포함함을 특징으로한다.
이하에서 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명하기로한다.
도 1은 하드 디스크 드라이브의 구성도이다. 도시된 바에 따른 하드 디스크 드라이브(10)는 스핀들 모터(14)에 의하여 회전되는 적어도 하나의 자기 디스크(12)를 포함하고 있다. 드라이브(10)는 디스크 표면(18)에 인접되게 위치한 변환기(16)를 또한 포함하고 있다.
변환기(16)는 각 디스크(12)의 자계를 감지하고 자화시킴으로써 회전하는 디스크(12)에서 정보를 읽거나 기록할 수 있다. 전형적으로 변환기(16)는 각 디스크 표면(18)에 결합되어 있다. 비록 단일의 변환기(16)로 도시되어 설명되어 있지만, 이는 디스크(12)를 자화시키기 위한 기록용 변환기와 디스크(12)의 자계를 감지하기 위한 분리된 읽기용 변환기로 이루어져 있다고 이해되어야한다. 읽기용 변환기는 자기 저항(MR : Magneto-Resistive) 소자로 구성된다.
변환기(16)는 슬라이더(20)에 통합될 수 있다. 슬라이더(20)는 변환기(16)와 디스크 표면(18)사이에 공기 베어링(air bearing)을 생성시키는 구조로 되어 있다. 슬라이더(20)는 헤드 짐벌 어셈블리(22)에 결합되어 있다. 헤드 짐벌 어셈블리(22)는 보이스 코일(26)을 갖는 액츄에이터(24)에 부착되어 있다. 보이스 코일(26)은 VCM(30)을 특정하는 마그네틱 어셈블리(28)에 인접되게 위치하고 있다. 보이스 코일(26)에 공급되는 전류는 베어링 어셈블리(32)에 대하여 액츄에이터(24)를 회전시키는 토오크를 발생시킨다. 액츄에이터(24)의 회전은 디스크 표면(18)을 가로질러 변환기(16)를 이동시킨다.
일반적으로 정보는 디스크(12)의 환상 트랙(34) 내에 저장된다. 각 트랙(34)은 일반적으로 복수의 섹터를 포함하고 있다. 각 섹터는 데이터 필드(data field)와 식별 필드(identification field)를 포함하고 있다. 식별 필드는 섹터 및 트랙(실린더)을 식별하는 그레이 코드(Gray code)로 구성되어 있다. 변환기(16)는 다른 트랙에 있는 정보를 읽거나 기록하기 위하여 디스크 표면(18)을 가로질러 이동된다.
액츄에이터(24)와 변환기(16)의 이동은 제어기(미도시)에 의해 이루어진다. 제어기는 시크 루틴과 서보 제어 루틴에 따라서 현재 트랙으로부터 새로운 트랙으로 변환기(16)를 이동시킨다. 시크 루틴 동안, 제어기는 제1트랙으로부터 제2트랙까지의 시크 거리를 결정할 수 있으며, 시크 거리에 대한 계산된 속도와 설계 속도 사이의 속도 에러에 응답하여 시크 시간을 조정하고, 가속도 궤적을 이용하여 현재 트랙으로부터 새로운 트랙으로 디스크 표면을 가로질러 변환기(16)를 이동시키도록 액츄에이터(24)를 제어한다.
액츄에이터(24)를 구동시키기위한 전압 방정식 및 운동 방정식은 다음과 같다.
여기서, ,i,x는 각각 VCM(30)에 인가되는 전압, 전류, 액츄에이터(24)의 위치를 나타내고, 상수 L, R, Ke, Ka, B는 각각 보이스 코일(미도시)의 인덕턴스, 저항, 액츄에이터(24)의 움직임에 따라 발생하는 역기전력에 대한 상수, 액츄에이터(24)의 가속도 상수 및 마찰계수를 나타낸다.
시크 동작시, 인가되는 전류 및 전압에 의해 액츄에이터(24)에 인가되는 평균 입력 전력은 다음식과 같이 VCM 전압과 전류의 곱으로 표현된다.
여기서, 상수 T는 시크 시간을 나타낸다.
인덕턴스에 의한 전력 소모는 0이므로, 보이스 코일 저항에 의하여 열로 소모되는 전력은 다음 식과 같다.
액츄에이터(24)에 인가되는 기계적 전력은 수학식 1 및 2로부터 다음 식과 같이 나타낼 수 있다.
상기 수학식들로부터 액츄에이터(24)의 기계적 마찰에 의한 전력 소모는 다음 식과 같이 주어진다.
따라서 전체 전력 소모량은 수학식 3 및 5로부터 다음 식과 같이 표현된다.
수학식 6으로부터 전력소모량을 최소화하는 전류 궤적을 구할 수 있다. 이를 위해 먼저 전류 궤적을 정현파의 고조파들로부터 다음 식과 같이 설정하기로한다.
여기서, 전류 계수들 I1,I2,…, IN은 미지수로서 전력소모를 최소화하기위하여 최적으로 선택된다. 전력소모의 최소화를 위해 수학식 1에서 마찰계수는 0으로 가정되고, 그에 따라 수학식 7에 대응하는 가속도 궤적은 로 구해진다. 또한 속도 및 위치의 궤적은 가속도 궤적을 적분 및 이중적분함으로써 다음 식과 같이 이루어진다.
따라서 수학식 8의 위치궤적으로부터 주어진 시크 거리 Xs와 시크 시간 t=T로부터 전류 계수들 I1,I2,…, IN은 다음 식으로 표현된다.
수학식 7의 전류 궤적을 사용하는 경우 상기 수학식들로부터 전력 소모량은 다음 식과 같이 주어진다.
따라서 전력 소모량의 최소화 문제는 행렬식 AY=b에 대해 전력소모량 J(Y)=YTQY를 최소화하는 문제로 귀결된다. 여기서, 정방행렬 Q, 벡터 Y, 벡터 A 및 상수 b는 다음 식과 같이 정의된다.
따라서 상기 최적화 문제의 해 Y, 즉, 전류 궤적의 각 고조파 계수들은 공지의 리카티(Ricatti) 방정식에 따라 다음 식과 같이 결정된다.
따라서, 상기 수학식들로부터 마찰계수 B=0이고, 전류의 2차 고조파까지 고려한 경우, 즉, 를 고려한 경우, 전력소모를 최소화하는 전류궤적은 도 2에 도시된 파형과 같이 구해진다. 도 2는 종래의 정현파 전류궤적과 본 발명에 의해 생성된 전류궤적을 비교하여 도시한 것이다. 도시된 바에 따르면, 본 발명에 따른 액츄에이터(24)의 움직임은 종래의 경우에 비해 피크치 도달 시간이 빠르고 피크치에 도달한 후에는 서서히 움직이게 된다. 전력 소모량에 있어서 본 발명의 전류 궤적에 의한 전력 소모량은 종래의 정현파 전류궤적에 의한 전력 소모량보다 20%정도 감소된다.
도 3은 본 발명에 따른 시크 제어 시스템에 대한 블록도이다. 도시된 바에 따른 시크 제어 시스템은 전류 생성부(200), 증폭기(210) 및 액츄에이터(220)를 포함한다. 또한 시크 제어 시스템은 액츄에이터(220)에서 출력된 위치 정보로부터 위치, 속도 및 가속도를 추정하는 추정기(230)를 포함한다.
전류 생성부(200)는 액츄에이터(220)를 구동하기위한 전류를 생성하고, 증폭기(210)는 전류 생성부(200)에서 생성된 전류를 증폭한다. 액츄에이터(220)는 증폭기(210)에서 증폭된 전류에 의해 구동되어 도 1의 변환기(16)를 목표하는 위치로 이동시킨다. 추정기(230)는 액츄에이터(220)에서 출력되는 위치 정보로부터 현재 액츄에이터(220)의 위치, , 속도, 및 가속도, 를 추정하고, 추정된 값들을 전류 생성부(200)로 피드백한다.
전류 생성부(200)는 정현파 생성기(201), 궤적 생성기(202), 제1가산기(203), 제1계수 곱셈기(204), 제2가산기(205), 제2계수 곱셈기(206), 제3계수 곱셈기(207) 및 제3가산기(208)를 구비한다.
정현파 생성기(201)는 정현파의 고조파들, 즉 수학식 7에 기재된 바와 같은 고조파들을 생성한다. 그 계수는 수학식 12에 의해 결정된 바와 같다. 궤적 생성기(202)는 생성된 고조파로부터 수학식 8에 따른 , 속도 및 가속도 의 궤적을 생성한다.
제1가산기(203)는 궤적 생성기(202)에서 생성되는 위치에서 추정기(230)로부터 피드백되는 추정 위치를 감산한다. 제1계수 곱셈기(204)는 제1가산기(203)의 출력에 제1계수 Kp를 곱한다. 제2가산기(205)는 제1계수 곱셈기(204)의 출력과 궤적 생성기(202)에서 출력되는 속도를 가산하고, 추정기(230)로부터 피드백되는 추정 속도를 감산하여 전압 vcmd(n)를 출력한다. 제2계수 곱셈기(206)는 제2가산기(205)의 출력에 제2계수를 곱한다. 제3계수 곱셈기(207)는 궤적 생성기(202)에서 출력되는 가속도 궤적에 제3계수 M/Kt를 곱한다. 제3가산기(208)는 제2 및 제3계수 곱셈기(206, 207)의 출력들과 추정기(230)로부터 피드백되는 추정 가속도를 가산하여 액츄에이터(220)를 구동할 전류 icmd(n)를 출력한다.
제2가산기(205) 및 제3가산기(208)에서 각각 출력되는 전압 및 전류 궤적은 다음 식과 같이 표현된다.
상기 시크 제어기는 수학식 13과 같이 표현되는 전압 및 전류 궤적에 따라 전치보상(feed-forward) 형태로 제어하면서 액츄에이터(220)를 구동한다.
본 발명에 따르면, 모바일 디바이스에서 사용되는 하드디스크의 시크 제어시 전력 소모를 최소화하도록 전류궤적을 생성함으로써 동일한 시간내에 소모되는 전력을 절감하면서 액츄에이터를 구동할 수 있다.
도 1은 하드 디스크 드라이브의 구성도이다.
도 2는 종래의 정현파 전류 궤적과 본 발명에 의해 생성된 전류 궤적을 비교하여 도시한 것이다.
도 3은 본 발명에 따른 시크 제어 시스템에 대한 블록도이다.

Claims (9)

  1. (a) 정현파의 고조파들로부터 전류 궤적을 설정하는 단계;
    (b) 상기 전류 궤적을 이용하여 제어 대상물에서 소모되는 전력을 계산하는 단계; 및
    (c) 상기 전력을 최소화하도록 상기 고조파의 각 계수를 결정하는 단계를 포함함을 특징으로하는 전류 궤적 생성 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 (b)단계의 제어 대상물은
    하드 디스크 드라이브의 보이스 코일 모터에 의해 구동되는 액츄에이터임을 특징으로하는 전류 궤적 생성 방법,
  3. 제2항에 있어서,
    상기 (b)단계에서 상기 액츄에이터에서 소모되는 전력은 상기 보이스 코일 모터의 저항에 의해 열로 소모되는 전력과 상기 액츄에이터의 기계적 마찰에 의해 소모되는 전력임을 특징으로하는 전류 궤적 생성 방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 (c)단계는
    상기 액츄에이터의 운동 방정식에 따라 상기 전류 궤적에 따른 액츄에이터의 위치, 속도 및 가속도를 구하는 단계;
    소정 시크 거리 및 시크 시간에 대해 상기 전류 궤적에 따른 소모 전력을 구하는 단계; 및
    상기 소모 전력을 최소화하는 소정의 최적화 방법에 따라 상기 전류 궤적의 계수들을 구하는 단계를 구비함을 특징으로하는 전류 궤적 생성 방법.
  5. 액츄에이터 구동을 위한 하드 디스크 드라이브의 시크 제어 시스템에 있어서,
    소정 계수들을 갖는 고조파들을 생성하는 정현파 생성기;
    상기 고조파들로부터 상기 액츄에이터에서 소모되는 전력을 최소화하도록 상기 액츄에이터의 위치, 속도 및 가속도의 궤적을 생성하는 궤적 생성기; 및
    상기 위치, 속도 및 가속도 궤적에 소정 계수들을 각각 곱하고, 모두 가산하여 상기 액츄에이터를 구동하기위한 구동전류를 출력하는 구동전류 공급부를 포함함을 특징으로하는 하드 디스크 드라이브의 시크 제어 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 액츄에이터의 출력으로부터 현재 액츄에이터의 위치, 속도 및 가속도를 추정하여 상기 구동전류 공급부로 출력하는 추정기를 더 구비함을 특징으로하는 하드 디스크 드라이브의 시크 제어 시스템.
  7. 제6항에 있어서, 상기 구동 전류 공급부는
    상기 추정된 위치, 속도 및 가속도를 상기 궤적 생성기에서 출력된 위치, 속도 및 가속도에 각각 가산하는 것을 특징으로하는 하드 디스크 드라이브의 시크 제어 시스템.
  8. 제5항에 있어서, 상기 궤적 생성기는
    상기 액츄에이터에서 소모되는 전력을 최소화하도록 전류 궤적을 결정하고, 결정된 전류 궤적에 따라 상기 액츄에이터의 운동 방정식으로부터 위치, 속도 및 가속도 궤적을 출력함을 특징으로하는 하드 디스크 드라이브의 시크 제어 시스템.
  9. 제8항에 있어서, 상기 궤적 생성기는
    상기 액츄에이터의 운동 마찰계수를 0으로 설정하였을 때 소모되는 전력이 최소화되도록 소정의 최적화 방법에 따라 상기 전류 궤적을 결정하는 것을 특징으로하는 하드 디스크 드라이브의 시크 제어 시스템.
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