KR100611963B1

KR100611963B1 - 피드포워드 학습 제어 입력을 이용한 듀얼-스테이지 서보시스템

Info

Publication number: KR100611963B1
Application number: KR1019990052655A
Authority: KR
Inventors: 문정호; 전진훈; 정수열; 서중언
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 1999-11-25
Filing date: 1999-11-25
Publication date: 2006-08-11
Also published as: KR20010048110A

Abstract

본 발명은 피드포워드 학습 제어 입력을 이용한 디스크 드라이브의 듀얼-스테이지 서보 시스템에 관한 것이다. 피드포워드 학습 제어 입력을 이용한 듀얼-스테이지 서보 시스템은 기록 매체 상에 데이터를 기록하거나 기록된 데이터를 재생하기 위해 헤드의 위치를 변경하는 제1 액츄에이터 수단, 상기 제1 액츄에이터 수단과의 상대적인 변위를 변화시키면서 상기 헤드의 위치를 미세하게 조정하기 위한 제2 액츄에이터 수단, 상기 기록 매체 상의 기준 위치와 상기 헤드의 실제 위치 사이의 차이를 검출하는 오차 검출수단, 상기 오차 검출 수단의 출력으로 상기 제1 액츄에이터 수단을 구동 제어하기 위한 신호를 출력하는 제1 제어수단, 상기 오차 검출 수단의 출력으로 상기 제2 액츄에이터 수단을 구동 제어하기 위한 신호를 출력하는 제2 제어수단, 상기 제1 액츄에이터를 구동하기 위한 소정의 제어 입력을 읽어 내어 상기 제1 제어 수단의 출력과 함께 상기 제1 액츄에이터 수단에 가해주는 제3 제어수단을 포함한다. 본 발명에 따르면, 피드포워드 학습 제어 입력을 사용함으로써 피드백 제어기의 부담을 완화시켜 듀얼-스테이지 피드백 제어기의 설계를 용이하게 하고 피드백 제어기만으로 이루어진 제어 시스템에 비해서 제어 성능을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

피드포워드 학습 제어 입력을 이용한 듀얼-스테이지 서보 시스템{Dual-stage servo system using feedforward learning control input}

도 1은 일반적인 듀얼-스테이지 서보 제어 시스템의 구성을 보이는 블록도 이다.

도 2는 바람직한 루프 이득의 형태를 보이는 도면이다.

도 3은 본 발명에 따른 피드포워드 학습 제어 입력을 이용한 듀얼-스테이지 서보 시스템의 구성을 보이는 블록도 이다.

도 4는 각 제어 루프와 전체 제어 루프의 보드선도 이다.

도 5는 도 3의 시스템에 대한 시뮬레이션 결과를 보이는 도면이다.

본 발명은 디스크 드라이브 서보 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 피드포워드 학습 제어(feedforward learning control) 입력을 사용하여 피드백 제어기의 부담을 완화시키고 전체 제어 성능을 향상시킬 수 있는 듀얼-스테이지 액츄에이터를 이용한 디스크 드라이브 서보 시스템에 관한 것이다.

도 2는 바람직한 루프 이득의 형태를 보이는 도면이다.

일반적인 듀얼-스테이지 서보 시스템은 VCM 액츄에이터(10), 마이크로 액츄에이터(11), VCM 액츄에이터(10)의 제어를 위한 VCM 액츄에이터 제어기(12), 마이크로 액츄에이터(11)의 제어를 위한 마이크로 액츄에이터 제어기(13)로 구성되어 있으며 광학 에러 검출기(14)는 기준 트랙과 헤드 사이의 위치 오차를 검출한다.

기존의 하드 디스크 드라이브는 주로 보이스 코일 모터(voice coil motor : VCM)을 이용한 회전형 암(rotary arm)을 트래킹 액츄에이터로 사용하고 있다. 디스크의 기록 밀도가 높아질수록 트랙 사이의 간격이 줄어들기 때문에 허용 가능한 트래킹 오차도 감소하므로 보다 높은 정밀도의 트래킹 제어가 요구된다. 디스크의 회전 속도를 높여 데이터 전송 속도를 높이거나 데이터 액세스 시간을 줄이기 위해서는 필연적으로 제어에 필요한 주파수 대역을 넓혀야 한다.

지금까지는 기존의 VCM 액츄에이터(10)로도 비교적 만족할만한 제어 성능을 얻을 수 있었다. 하지만 광을 이용한 NFR(Near Field Recording) 장치는 하드 디스크 드라이브에 비해서 편심이 훨씬 크고 트랙 피치(track pitch)가 작기 때문에 기존의 VCM 액츄에이터(10) 구조로는 요구되는 설계 사양을 만족시키는 제어 시스템을 설계하는 것이 힘들어질 것으로 예상된다.

제어 시스템을 설계할 때 액츄에이터를 선택하는 기준은 액츄에이터의 가속 능력과 가동 범위이다. 제어에 필요한 거리를 모두 담당할 수 있도록 액츄에이터의 동작 범위는 충분히 넓어야 하며, 요구되는 제어 대역폭을 확보할 수 있을 정도 의 가속 능력이 있어야 한다.

기존의 VCM 액츄에이터(10)만으로는 동시에 만족시키기 어려운 동작 영역과 대역폭에 대한 문제점을 해결하기 위해 VCM 액츄에이터(10)와 마이크로 액츄에이터(11)로 구성된 듀얼 -스테이지 액츄에이터 서보 시스템이 제안되었다. VCM 액츄에이터(10)와 비교하면, 마이크로 액츄에이터(11)는 훨씬 빠른 응답 속도를 갖지만 그 가동 범위가 매우 제한적이다. 따라서 듀얼-스테이지 액츄에이터 시스템에서 VCM 액츄에이터(10)는 전체 디스크에 걸쳐서 헤드를 움직이며 회전 주파수 대역을 포함한 저주파 대역의 제어를 담당하고 마이크로 액츄에이터(11)는 VCM 액츄에이터(10)가 다룰 수 없는 고주파 성분의 외란을 억제하는 역할을 하게 되는데 이를 각각 VCM 액츄에이터 제어기(12) 및 마이크로 액츄에이터 제어기(13)의 제어 동작에 의해 수행한다.

이를 위해서 VCM 액츄에이터(10) 루프는 디스크의 회전 주파수를 포함하는 저주파 대역에서 높은 이득을 가지도록, 마이크로 액츄에이터(11) 루프는 저주파 대역에서 낮은 이득을 가지며 VCM 액츄에이터(10) 루프의 이득이 감소하는 고주파 영역에서 높은 이득을 가지도록 각 피드백 제어기를 설계한다.

따라서 디스크의 회전 주파수를 포함한 저주파 영역에서는 VCM 액츄에이터(10)가, VCM 액츄에이터(10)가 빠르게 반응할 수 없는 고주파 영역에서는 마이크로 액츄에이터(11)가 주도적인 역할을 한다. 트래킹 서보 시스템에 작용하는 외란의 대부분은 회전 주파수의 3배 정도 이하의 주파수 대역에 존재하므로 VCM 액츄에이터(10)가 대부분의 외란을 억압하는 역할을 한다. 그러므로 마이크로 액츄에이터(11)의 역할은 디스크의 회전 주파수에 비해서 비교적 높은 주파수의 불규칙적인 외란에 대해서 전체 제어 시스템의 반응 속도를 높이는 것이라 할 수 있다. 이와 같은 사실을 고려할 때 각 액츄에이터의 루프 이득은 도 2와 같은 형태를 가지는 것이 바람직하다.

저주파 대역에서는 VCM 액츄에이터(10) 루프 이득이 마이크로 액츄에이터(11) 루프 이득에 비해서 훨씬 크기 때문에 전체 루프의 특성은 VCM 액츄에이터(10) 루프의 특성에 의해서 결정된다. 반대로 고주파 대역에서 전체 루프의 특성은 마이크로 액츄에이터(11) 루프의 특성에 의해서 결정된다.

따라서 전체 시스템의 루프 이득(두 루프 이득의 합)은 도 2의 굵은 선 형태를 가지게 된다. 이때 VCM 액츄에이터(10) 루프와 마이크로 액츄에이터(11) 루프 각각은 안정하면서 VCM 액츄에이터(10) 루프와 마이크로 액츄에이터(11) 루프를 합한 제어 루프도 안정하도록 제어기를 설계해야 한다.

제어기 설계 시에 가장 먼저 고려해야 하는 점은 디스크의 회전 주파수 f_r에서 VCM 액츄에이터(10) 루프 이득의 크기이다. 디스크 드라이브 서보 시스템에 가해지는 외란은 디스크의 회전 주파수에서 가장 큰 성분을 가지고 있으며 이 외의 주파수에서는 이보다 작은 크기를 가지기 때문이다. 외란의 크기와 허용 가능한 오차 사이의 관계에서 회전 주파수에서 필요한 VCM 액츄에이터(10) 루프의 이득을 구할 수 있다. 예를 들어서 디스크의 트랙 피치가 0.3㎛, 외란의 최대 크기가 ±10㎛ 라고 할때 트래킹 오차를 트랙 피치의 10%인 ±0.3㎛ 이하로 유지해야 한다면, 회전 주파수에서 요구되는 VCM 액츄에이터(10) 루프 이득은 수학식 1과 같이 계산된다.

그리고 VCM 액츄에이터(10)의 특성상 1㎑ 이상의 주파수에서는 공진이 많이 발생하기 때문에 시스템의 안정성을 위해 VCM 액츄에이터(10) 루프의 제어 대역은 1㎑ 이하로 유지해야 한다.

다음으로 고려할 사항은 마이크로 액츄에이터(11)의 가동 범위이다. 마이크로 액츄에이터(11)는 VCM 액츄에이터(10) 회전 암 위에 장착되기 때문에 구조적으로 그 가동 범위가 제할될 수 밖에 없다. 마이크로 액츄에이터(11)의 가동 범위가 ±1㎛ 이라면 트래킹 제어가 이루어 지는 동안 마이크로 액츄에이터(11)의 변위를 항상 이 가동 범위 내에 유지해야 한다.

만일 마이크로 액츄에이터(11)의 변위가 가동 범위를 초과하도록 제어가 이루어지면, 마이크로 액츄에이터(11)가 한 쪽 방향으로 치우쳐서 움직이지 못하는 현상이 발생한다. 이와 같은 상태에서는 듀얼-스테이지 액츄에이터가 비선형 시스템의 특성을 나타내므로 전체 제어 시스템은 설계 의도대로 동작하지 않는다.

마이크로 액츄에이터(11)의 변위가 포화될 가능성이 가장 큰 주파수는 디스크의 회전 주파수이다. 회전 주파수에서 VCM 액츄에이터(10) 루프의 이득이 50dB 이상 되어서, 디스크의 회전 주파수에서 트래킹 오차가 허용 가능한 ±0.03㎛ 이내에서 유지된다고 가정할 때 마이크로 액츄에이터(11)의 변위를 가동 범위 ±1㎛ 이내에 유지하려면 회전 주파수에서 마이크로 액츄에이터(11) 루프의 이득을 수학식 2 이하로 제한해야 한다.

마지막으로 생각할 점은 두 루프의 이득이 같은 크기를 가지는 주파수 f_e에서 두 루프 이득 사이의 위상차 이다. 주파수 f_e에서는 두 루프의 이득이 같은 크기를 가지기 때문에 이 주파수에서 두 루프의 위상차가 커지면 두 루프를 합한 전체 시스템의 루프 이득이 주파수 f_e에서 매우 작아지는 현상이 발생한다. 결과적으로 전체 시스템의 루프 이득이 도 2의 굵은 선처럼 되지 않고 주파수 f_e근처에서 급격히 감소하기 때문에 이 주파수에서의 외란을 억제하는 능력이 현저히 떨어진다. 따라서 주파수 f_e에서 VCM 액츄에이터(10)와 마이크로 액츄에이터(11) 루프 이득의 위상차를 가능하면 120。 이내로 유지해서 이 주파수에서 전체 루프의 이득이 감소하는 것을 방지해야 한다.

피드백 제어기를 설계할 때 위의 조건을 반드시 만족시켜야 한다. 하지만 피드백 제어기만으로는 위의 조건을 모두 만족시키면서 VCM 액츄에이터(10) 루프와 마이크로 액츄에이터(11) 루프 각각을 안정하게 설계하는 것은 거의 불가능하다.

첫번째 이유는 VCM 액츄에이터(10) 루프가 저주파 대역에서 필요한 높은 이득을 가지며 동시에 충분한 안정성 여유(stability margin)를 가지도록 설계하기 어렵다는 것이다. VCM 액츄에이터(10) 루프는 저주파 영역에서 50dB 정도의 상당 히 큰 이득을 가져야 하지만 제어 주파수 대역은 1㎑ 미만으로 좁은 편이다. 그러므로 VCM 액츄에이터(10) 루프의 이득은 회전 주파수인 50㎐ 이후로 매우 가파른 기울기를 가지며 감소해야 하는데 이를 위해서는 50㎐에서 1㎑ 사이에 많은 극점을 배치해야 한다. 하지만 극점은 위상 지연을 가져오므로 결국 시스템의 위상 여유를 감소시키게 된다. 따라서 저주파 대역에서 큰 루프 이득을 가지면서 동시에 주파수 대역을 1㎑ 미만으로 제한하려면 폐루프를 안정하게 하기 위한 위상 보상을 할 여유가 없다. 결론적으로 VCM 액츄에이터(10)와 마이크로 액츄에이터(11)로 이루어진 전체 시스템을 안정하게 하더라도 VCM 액츄에이터(10) 루프는 불안정한 시스템이 되는 것이다. VCM 액츄에이터(10) 루프를 안정화시키려면 저주파 영역에서 루프 이득을 감소시켜야 하는데 이 때는 트래킹 오차가 허용 가능한 범위를 초과하게 된다.

또다른 이유는 마이크로 액츄에이터(11)의 제한적인 가동 범위에서 기인한다. 마이크로 액츄에이터(11)의 변위가 가동 범위의 한계값에 이르러 한 쪽 방향으로 치우치게 되면 이 순간에 마이크로 액츄에이터(11)는 움직일 수 없기 때문에 VCM 액츄에이터(10) 루프가 전체 루프를 구성하는 결과를 가져온다. 하지만 위에서 설명한대로 VCM 액츄에이터(10) 루프는 그 자체로는 불안정하므로 결국 전체 폐루프 시스템이 불안정하게 된다. 마이크로 액츄에이터(11) 변위가 포화되는 것을 방지하기 위해서는 f_e 이하의 주파수 대역에서 마이크로 액츄에이터(11) 루프의 이득을 가능한 한 작게 유지해야 한다. 하지만 이 영역에서 이득을 너무 작게 만들 면 f_e이상의 고주파 대역에서 마이크로 액츄에이터(11) 루프의 이득을 필요한 값만큼 확보하면서 주파수 대역을 원하는 값인 2-3㎑로 설정하기 어려워지는 문제가 발생한다.

이와 같은 제한점 때문에 트래킹 오차를 허용 가능한 범위 이내로 유지시키기에 필요한 루프 이득을 확보하고, 마이크로 액츄에이터(11)의 변위가 그 가동 범위내에 머물도록 하면서 VCM 액츄에이터(10) 루프와 마이크로 액츄에이터(11) 루프 각각을 안정화시키고 동시에 전체 루프를 안정시킬 수 있는 피드백 제어기를 설계하는 것은 어렵다는 문제점이 있었다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적인 과제는 VCM 액츄에이터와 가동 범위가 제한된 마이크로 액츄에이터로 구성된 듀얼-스테이지 액츄에이터를 사용한 근접장 기록 장치용 서보 제어 시스템에 있어서, 피드포워드 학습 제어 입력을 이용하여 피드백 제어기의 부담을 완화시켜 피드백 제어기의 설계를 용이하게 하고 보다 향상된 제어 성능을 가지는 듀얼-스테이지 서보 제어 시스템을 제공하는데 있다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적인 과제를 해결하기 위한 피드포워드 학습 제어 입력을 이용한 듀얼-스테이지 서보 시스템은 기록 매체 상에 데이터를 기록하거나 기록된 데이터를 재생하기 위해 헤드의 위치를 변경하는 제1 액츄에이터 수단; 상기 제1 액츄에이터 수단과의 상대적인 변위를 변화시키면서 상기 헤드의 위치를 미세하게 조정하기 위한 제2 액츄에이터 수단; 상기 기록 매체 상의 기준 위 치와 상기 헤드의 실제 위치 사이의 차이를 검출하는 오차 검출수단; 상기 오차 검출 수단의 출력으로 상기 제1 액츄에이터 수단을 구동 제어하기 위한 신호를 출력하는 제1 제어수단; 상기 오차 검출 수단의 출력으로 상기 제2 액츄에이터 수단을 구동 제어하기 위한 신호를 출력하는 제2 제어수단; 및 상기 제1 액츄에이터를 구동하기 위한 소정의 제어 입력을 읽어 내어 상기 제1 제어 수단의 출력과 함께 상기 제1 액츄에이터 수단에 가해주는 제3 제어수단을 포함하는 것이 바람직하다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.

도 3에 도시된 시스템은 기록 매체(미도시) 상에 데이터를 기록하거나 기록된 데이터를 재생하기 위한 헤드(미도시)의 위치를 변경하는 VCM 액츄에이터(30), VCM 액츄에이터(30)와의 상대적인 변위를 변화시키면서 헤드의 위치를 미세 조정하는 마이크로 액츄에이터(31), 기록 매체 상의 기준 위치와 헤드의 실제 위차 사이의 차이를 검출하는 광학 에러 검출기(32), 광학 에러 검출기(32)의 출력으로 VCM 액츄에이터(30)를 구동 제어하는 VCM 액츄에이터 제어기(33), 광학 에러 검출기(32)의 출력으로 마이크로 액츄에이터(31)를 구동 제어하는 마이크로 액츄에이터 제어기(34), VCM 액츄에이터(30)를 구동하기 위한 또 다른 제어 입력을 저장하고 저장된 제어 입력을 리드하여 VCM 액츄에이터 제어기(33)의 출력과 함께 VCM 액츄에이터(30)로 출력하는 학습 제어기(35)로 구성된다.

본 시스템은 기록 매체 상에 데이터를 기록하거나 기록된 데이터를 재생하기 위한 광을 생성하는 광원(미도시)과 광원으로부터 생성된 광이 기록 매체 상에 초점이 맺히도록 하는 렌즈(미도시), VCM 액츄에이터(30)를 구동하기 위한 또 다른 제어 입력을 저장하는 저장부(미도시)를 더 포함한다.

도 4는 각 제어 루프와 전체 제어 루프의 보드선도 이다.

이어서, 도 3∼도 5를 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.

VCM 액츄에이터(30)는 기록 매체 상에 데이터를 기록하거나 기록된 데이터를 재생하기 위한 헤드의 위치를 변경한다. 이때 광을 이용하여 데이터를 기록하거나 재생하는 기록매체인 경우 VCM 액츄에이터(30)는 광의 초점이 트랙을 추종하도록 렌즈의 위치를 조절한다.

마이크로 액츄에이터(31)는 VCM 액츄에이터(30)와의 상대적인 변위를 변화시키면서 헤드의 위치를 미세 조정한다. 이때 광을 이용하여 데이터를 기록하거나 재생하는 기록매체인 경우 마이크로 액츄에이터(31)는 렌즈의 광이 렌즈로 입사하는 각을 미세하게 조정하거나 VCM 액츄에이터(30)와의 상대적인 변위를 변화시키면서 렌즈의 위치를 미세하게 조정한다.

광학 에러 검출기(32)는 기록 매체 상의 기준 위치와 헤드의 실제 위치 사이의 차이(트래킹 오차)를 검출하거나 광 스폿의 기준 위치와 실제 위치 사이의 오차를 검출한다.

VCM 액츄에이터 제어기(33)는 광학 에러 검출기(32)의 출력을 이용하여 VCM 액츄에이터(30)를 구동 제어하고 마이크로 액츄에이터 제어기(34)는 광학 에러 검 출기(32)의 출력을 이용하여 마이크로 액츄에이터(31)를 구동 제어한다.

학습 제어기(35)는 피드포워드 제어기로서 VCM 액츄에이터(30)를 구동하기 위한 또 다른 제어 입력이 저장된 저장부로부터 제어 입력을 읽어내어 VCM 액츄에이터 제어기(33)의 출력과 함께 VCM 액츄에이터(30)로 출력한다.

종래기술과 같이 피드백 제어기만으로는 요구되는 설계 사양을 만족시키도록 제어 시스템을 설계하는 것이 거의 불가능하다. 이를 해결하기 위한 방법은 학습 제어기(35)를 이용한 피드포워드 제어 입력을 사용하는 것이다. 피드백 제어 입력 외에 부가적으로 학습 제어기(35)를 이용한 피드포워드 제어 입력을 가해주면, 피드포워드 제어 입력이 제어의 일정 부분을 담당하기 때문에 상대적으로 피드백 제어기의 부담이 줄어들게 된다. 이는 피드백 제어기만 사용하는 경우에 비해서 요구되는 피드백 제어기의 이득이 감소한다는 것을 의미한다.

학습 제어기(35)를 이용한 피드포워드 제어 입력은 VCM 액츄에이터(30) 루프에만 가해진다. 종래의 피드백 제어만으로 이루어진 듀얼-스테이지 서보 시스템에서는, VCM 액츄에이터 루프가 필요로 하는 저주파 영역 이득이 50dB 정도로 상당히 큰 값이지만 제어 대역은 1㎑ 이내이기 때문에 VCM 액츄에이터 루프의 안정성을 확보하는 것이 불가능하였다.

그러나 학습 제어기(35)를 이용한 피드포워드 제어 입력을 추가로 사용하여 피드포워드 제어입력이 회전 주파수 대역에서 약 20dB 정도의 효과를 가지도록 설계하면, 피드백 제어 루프의 이득을 30dB 정도로 감소시킬 수 있다. 따라서 VCM 액츄에이터(30)의 제어 대역을 1㎑ 정도로 설정하면서 충분한 안정성 여유를 확보 할 수 있다.

회전 주파수 대역에서 VCM 액츄에이터(30) 루프의 이득이 30dB로 감소하면 마이크로 액츄에이터(31) 루프와의 이득 차이가 거의 없어지지만, 추가로 작용하는 피드포워드 제어 입력에 의해서 VCM 액츄에이터(30) 루프의 실제 이득은 30dB 보다는 훨씬 크기 때문에 마이크로 액츄에이터(31)의 변위가 가동 범위를 벗어날 가능성이 거의 없다.

학습 제어기(35)는 마이크로 액츄에이터(31)를 동작시키지 않고 VCM 액츄에이터(30) 피드백 제어기를 동작시킨 상태에서 학습을 수행한다. 따라서 학습 과정에서 측정되는 트래킹 오차(e_t)(광학 에러 검출기(32)의 출력)는 학습 제어기(35)와 피드백 제어기의 출력에 의한 VCM 액츄에이터(30)의 움직임에 의해서만 영향을 받는다. 디스크의 1회전을 한 번의 제어 과정으로 간주할 때, k번째 시도에서 사용한 학습 제어 입력을 U_k(t), 이때 측정된 트래킹 오차를 e_k(t) 라고 하면, k+1번째 시도에서 사용할 학습 제어 입력 U_k+1(t)는 수학식 3과 같이 생성할 수 있다.

여기에서

는 각각

의 라플라스(laplace) 변환이며, P(s)와 Q(s)는 학습 제어기(35)의 특성을 결정하는 일종의 필터이다. 학습 제어기(35)의 제어 입력을 업데이트(update) 시키는 방법은 수학식 3 이외에도 다양한 방법이 가능하다. 만일 P(s)와 Q(s)를 필터가 아닌 단순 이득으로 한다면 수학식 3은 아래와 같이 수학식 4로 바뀌게 된다.

또한 트래킹 오차 신호 대신에 피드백 제어기의 출력을 이용할 수도 있다.

학습 제어기(35)를 설계한다는 것은 위와 같은 업데이트 식을 정하고 각 P(s)와 Q(s) 등을 결정하는 것이다. P(s)와 Q(s)를 결정할 때에는 k가 증가함에 따라 학습제어 입력 u_k(t)가 수렴한다는 것을 보장해야 한다. 만인 학습 제어 입력 u_k(t)가 수렴하지 않고 발산한다면, 제어 시스템은 정상적으로 동작할 수 없기 때문이다. 위의 업데이트 식을 사용한다면, 모든 주파수에서 수학식 5와 같은 조건이 만족되면 학습 제어기(35) 제어 입력의 수렴이 보장된다는 것은 쉽게 보일 수 있다.

VCM 액츄에이터(30) 뿐만 아니라 마이크로 액츄에이터(31)도 같이 동작을 시킨 상태에서 학습 과정을 수행하는 것도 가능하다. 물론 이때에는 학습 제어기(35) 제어 입력의 수렴 조건이 달라지게 된다. 하지만 이 방법은 바람직하지 않다. 학습 제어기(35)의 학습이 이루어지는 과정에서는 트래킹 오차가 매우 큰 값을 보일 가능성이 크기 때문에 마이크로 액츄에이터(31)의 변위가 포화될 가능성이 크기 때문이다.

결국 피드포워드 학습 제어 입력을 사용한 듀얼-스테이지 서보 시스템을 설계하는 과정은 다음과 같이 요약할 수 있다.

1. 피드포워드 학습 제어를 사용한다는 조건 아래서 VCM 액츄에이터(30)와 마이크로 액츄에이터(31)의 피드백 제어기를 설계한다. 이때 VCM 액츄에이터(30)에는 피드포워드 제어 입력을 부가적으로 사용하므로 VCM 액츄에이터(30) 루프는 피드백 제어기만 사용할때보다 훨씬 작은 이득을 가지도록 설계할 수 있으므로 각 루프와 전체 루프 모두를 안정하게 설계할 수 있다.

2. 학습 제어 입력의 업데이트를 위한 식을 정하고 학습 제어 입력의 수렴이 보장되도록 학습 제어기(35)의 이득을 정한다.

VCM 학습 제어기(35)를 설계했다면, 위의 듀얼-스테이지 서보 시스템을 동작 시키는 과정은 다음과 같이 요약할 수 있다.

1. 마이크로 액츄에이터(31)는 동작시키지 않은 채로 VCM 액츄에이터(30) 피드백 제어루프를 동작시킨다.

2. 학습 제어기(35)를 동작시키면서 학습 과정을 수행한다.

3. 미리 정한 시간이 경과하면, 또는 트래킹 오차가 미리 설정한 범위 이내로 들어오면 학습을 종료한다.

4. 마이크로 액츄에이터(31)루프를 동작시킨다.

VCM 액츄에이터(30) 루프의 학습 과정은 전원이 들어온 후에 한 번만 수행된다. 이후에 데이터를 기록/재생하는 동작에서는 저장부에 저장되어 있는 학습 제어를 입력으로 사용하므로 학습 제어에 의해서 디스크 드라이브의 액세스 타임의 저하 등은 발생하지 않는다.

제어기 설계의 예와 시뮬레이션 결과는 다음과 같다.

VCM 액츄에이터(30)와 마이크로 액츄에이터(31)의 전달함수가 수학식 6과 같이 주어졌다고 가정한다.

디스크의 편심의 크기가 ±10㎛이며 트랙 피치가 0.3㎛일 때 허용 가능한 오차의 범위는 ±0.03㎛이다. 이와 같은 조건에서 트래킹 오차를 허용 가능한 범위 내에 유지하기 위해서, 회전 주파수에서 VCM 루프의 이득은 50dB 이상 되어야 하며, VCM 엑츄에이터의 부공진의 영향을 피하기 위하여 회전 주파수에서 VCM 액츄에이터(30) 루프의 제어 대역 폭은 1㎑ 미만이어야 한다. 마이크로 액츄에이터(31)의 변위가 포화되는 것을 막기 위해서 회전 주파수에서 마이크로 액츄에이터(31) 루프의 이득은 30dB 이하로 유지되어야 한다. 또한 마이크로 액츄에이터(31) 루프와 VCM 액츄에이터(30) 루프를 합한 전체 루프의 제어 대역폭은 1㎑ 이상이 되어야 한다.

앞에서 설명한 바와 같이 위의 조건을 모두 만족시키도록 피드백 제어 시스템을 설계하는 것은 불가능하다. VCM 액츄에이터(30)의 저주파 대역 이득이 매우 크기 때문에 VCM 액츄에이터(30) 루프의 제어 대역폭을 1㎑ 미만으로 유지하면서 충분한 안정성 여유를 확보할 수 없기 때문이다. 학습 제어기(35)에 의한 피드포워드 입력을 사용한다는 가정하에서 VCM 액츄에이터(30) 루프의 이득을 낮추면 위의 나머지 조건을 만족시킬 수 있다. 광학계의 이득 K_PD가 1.33×10⁷일 때, 설계한 VCM 액츄에이터 제어기(33)와 마이크로 액츄에이터 제어기(34)의 전달 함수는 각각 수학식 7과 같다.

도 4는 각 제어루프와 전체 제어 루프의 보드 선도이다. 도 4에서 대시(dash)로 된 선이 필요한 최소 루프 이득, 점선으로 된 선이 VCM 액츄에이터(30)의 루프 이득, 대시-닫(dash-dot)으로 된 선이 마이크로 액츄에이터(31)의 루프 이득, 실선으로 된 부분이 전체 루프의 루프 이득이다. 피드백 제어기만으로 시스템이 구성되어 있다면, 전체 루프 이득이 모든 주파수에서 필요한 최소 루프 이득보다 큰 값을 가져야 한다.

하지만 피드포워드 제어 입력이 약 300㎐ 정도까지 효과를 미치도록 설계했기 때문에 도 4에서 처럼 30㎐에서 300㎐까지 루프 이득이 최소 루프 이득보다 작은 값을 가지더라도 실제로는 최소 루프 이득보다 큰 효과를 얻을 수 있다. 도 4에서 VCM 액츄에이터(30) 루프의 제어 대역은 약 600㎐ 그리고 이때의 위상 여유가 50。 정도 확보됨을 알 수 있으며, 전체 대역폭은 약 2㎑ 그리고 위상 여유가 약 55。 정도 확보됨을 알 수 있다.

도 5는 피드백 제어기와 학습 제어기(35)를 사용한 경우의 시뮬레이션 결과이다. VCM 액츄에이터(30) 피드백 제어기만을 사용한 구간에서 트래킹 오차는 매우 큰 값을 가진다. 이는 VCM 액츄에이터(30) 루프의 이득이 요구되는 최소 이득에 비해서 작은 값을 가지며 VCM 액츄에이터(30) 루프 만으로는 제어 대역폭이 500㎐ 정도 밖에 확보할 수 없기 때문이다.

0.06초부터 학습 제어기(35)가 동작하면서 트래킹 오차는 급격히 감소한다. 이전에는 트래킹 오차에 DC 오프셋도 존재했지만, 학습 제어기(35)가 학습을 진행하면서 DC 오프셋도 거의 사라진다. 이는 학습 제어기(35)가 주기적인 오차 뿐만 아니라 DC 오프셋까지 효과적으로 감쇄시킬 수 있음을 의미한다.

0.2초에 이르러서는 학습을 끝내고 메모리에 저장된 학습제어 입력을 사용하면서 마이크로 액츄에이터(31)의동작을 시작한다. 마이크로 액츄에이터(31)가 동작하면, 제어 주파수 대역이 2㎑까지 넓어지기 때문에 VCM 액츄에이터(30)로는 다룰 수 없는 고주파 외란까지 감쇄시킬 수 있어 트래킹 오차는 더욱 감소해서 허용 가능한 범위인 ±0.03㎛ 이하로 들어간다.

본 발명은 상술한 실시 예에 한정되지 않으며 본 발명의 사상 내에서 당업자에 의한 변형이 가능함은 물론이다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 가동 범위가 작은 마이크로 액츄에이터와 VCM 액츄에이터로 구성된 듀얼-스테이지 액츄에이터를 사용하는 디스크 드라이 브 서보 시스템에서, 피드포워드 학습 제어 입력을 사용함으로써 피드백 제어기의 부담을 완화시켜 듀얼-스테이지 피드백 제어기의 설계를 용이하게 하고 피드백 제어기만으로 이루어진 제어 시스템에 비해서 제어 성능을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims

서보 시스템으로서,

기록 매체 상에 데이터를 기록하거나 기록된 데이터를 재생하기 위해 헤드의 위치를 변경하는 VCM 액츄에이터;

상기 VCM 액츄에이터와의 상대적인 변위를 변화시키면서 상기 헤드의 위치를 미세하게 조정하기 위한 마이크로 액츄에이터;

상기 기록 매체 상의 기준 위치와 상기 헤드의 실제 위치 사이의 차이를 검출하는 광학 에러 검출기;

상기 광학 에러 검출기의 출력을 이용하여 상기 VCM 액츄에이터를 구동 제어하기 위한 신호를 출력하는 VCM 엑츄에이터 제어기;

상기 광학 에러 검출기의 출력을 이용하여 상기 마이크로 액츄에이터를 구동 제어하기 위한 신호를 출력하는 마이크로 엑츄에이터 제어기;

상기 VCM 엑츄에이터를 구동하기 위한 소정의 제어 입력이 저장된 저장수단; 및

상기 저장수단에 소정의 제어 입력이 업 데이트 되는 동안, 상기 마이크로 엑츄에이터 및 마이크로 엑츄에이터 제어기를 동작시키지 않은 상태에서 상기 저장수단으로부터 상기 VCM 액츄에이터를 구동하기 위한 소정의 제어 입력을 읽어내어 상기 VCM 엑츄에이터 제어기의 출력과 함께 상기 VCM 액츄에이터에 가해주는 학습 제어기를 포함하는 듀얼-스테이지 서보 시스템.
삭제
제 1항에 있어서, 상기 저장수단에 저장된 내용은

상기 기록매체가 회전하면서 미리 지정한 회전 수 동안 또는 미리 지정한 시간 동안 업데이트 되는 것을 특징으로 하는 듀얼-스테이지 서보 시스템.
삭제
기록 매체 상에 데이터를 기록하거나 기록된 데이터를 재생하기 위한 광을 생성하는 광원;

상기 광원으로부터 생성된 광이 상기 기록매체 상에 초점이 맺히도록 구동되는 렌즈;

상기 렌즈의 위치를 변경하기 위한 VCM 액츄에이터;

상기 광원으로부터 생성된 광이 상기 렌즈로 입사하는 각을 미세하게 조정하기 위한 마이크로 액츄에이터;

상기 기록매체 상의 기준 위치와 상기 광 스폿의 실제 위치 사이의 차이를 검출하기 위한 광학 에러 검출기;

상기 광학 에러 검출기의 출력을 이용하여 상기 VCM 액츄에이터를 구동 제어하기 위한 신호를 출력하는 VCM 엑츄에이터 제어기;

상기 광학 에러 검출기의 출력을 이용하여 상기 마이크로 액츄에이터를 구동 제어하기 위한 신호를 출력하는 마이크로 엑츄에이터 제어기;

상기 VCM 엑츄에이터를 구동하기 위한 소정의 제어 입력이 저장된 저장수단; 및

상기 저장수단에 소정의 제어 입력이 업 데이트 되는 동안, 상기 마이크로 엑츄에이터 및 마이크로 엑츄에이터 제어기를 동작시키지 않은 상태에서 상기 저장수단으로부터 상기 VCM 액츄에이터를 구동하기 위한 소정의 제어 입력을 읽어내어 상기 VCM 엑츄에이터 제어기의 출력과 함께 상기 VCM 액츄에이터에 가해주는 학습 제어기를 포함하는 듀얼-스테이지 서보 시스템.
삭제
제 5항에 있어서, 상기 저장수단에 저장된 내용은

상기 기록매체가 회전하면서 미리 지정한 회전 수 동안 또는 미리 지정한 시간 동안 업데이트 되는 것을 특징으로 하는 듀얼-스테이지 서보 시스템.
삭제
기록 매체 상에 데이터를 기록하거나 기록된 데이터를 재생하기 위한 광을 생성하는 광원;

상기 광원으로부터 생성된 광이 상기 기록매체 상에 초점이 맺히도록 구동되는 렌즈;

상기 렌즈의 구동 위치를 변경하기 위한 VCM 액츄에이터;

상기 VCM 액츄에이터와의 상대적인 변위를 변화시키면서 상기 렌즈의 구동 위치를 미세하게 조정하기 위한 마이크로 액츄에이터;

소정의 기준 위치와 상기 광 스폿의 실제 위치 사이의 차이를 검출하기 위한 광학 검출기;

상기 광학 검출기의 출력을 이용하여 상기 VCM 액츄에이터를 구동 제어하기 위한 신호를 출력하는 VCM 액츄에이터 제어기;

상기 광학 검출기의 출력을 이용하여 상기 마이크로 액츄에이터를 구동 제어하기 위한 신호를 출력하는 마이크로 엑츄에이터 제어기;

상기 VCM 엑츄에이터를 구동하기 위한 소정의 제어 입력이 저장된 저장수단; 및

상기 저장수단에 소정의 제어 입력이 업 데이트 되는 동안, 상기 마이크로 엑츄에이터 및 마이크로 엑츄에이터 제어기를 동작시키지 않은 상태에서 상기 저장수단으로부터 상기 VCM 액츄에이터를 구동하기 위한 소정의 제어 입력을 읽어내어 상기 VCM 엑츄에이터 제어기의 출력과 함께 상기 VCM 액츄에이터에 가해주는 학습 제어기를 포함하는 듀얼-스테이지 서보 시스템.
삭제
제 9항에 있어서, 상기 저장수단에 저장된 내용은

상기 기록매체가 회전하면서 미리 지정한 회전 수 동안 또는 미리 지정한 시간 동안 업데이트 되는 것을 특징으로 하는 듀얼-스테이지 서보 시스템.
삭제