KR100648747B1 - 디스크 드라이브의 자체 조정 모델 기준 컨트롤러 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 모델 기준 전류(380,392)를 생성하여 액추에이터 모터(380,392)에 인가함으로써, 회전가능한 디스크(108)의 기록 표면상에 디스크 드라이브(100)의 헤드(118)를 초기 위치에서 목적 위치로 이동시키는 장치 및 방법에 관한 것이다. 서보 회로(140)는 베이스라인 기준 전류 프로파일(270)을 생성하는 전류 프로파일 생성기(215)를 포함한다. 이득 계산기(217)는 헤드의 초기 속도와 관련하여 제 1 및 제 2 이득 인자를 계산한다. 이득 블록(216)은 제 1 인자를 헤드를 가속시키는데 사용되는 베이스라인 기준 전류 프로파일의 제 1 부분에 적용하고, 제 2 인자를 헤드를 감속시키는데 사용되는 베이스라인 기준 전류 프로파일의 제 2 부분에 적용하며, 여기서 제 1 및 제 2 인자는 0이 아닌 헤드의 초기 속도를 보상하기 위해서 각각 서로 다른 크기를 가진다.

Description

디스크 드라이브의 자체 조정 모델 기준 컨트롤러 {SELF TUNING MODEL REFERENCE CONTROLLER IN A DISC DRIVE}
본 발명은 일반적으로 디스크 드라이브의 저장 장치와 관련된 것으로, 보다 상세하게는, 그러나 이에 제한됨이 없이, 위치 제어되는 탐색을 개시할 때 0이 아닌 헤드의 초기 속도를 보상함으로써 디스크 드라이브 서보 시스템의 동작 응답을 향상시키는 것이다.
하드 디스크 드라이브는 일반적으로 현대의 컴퓨터 시스템에 있어서 기본적인 데이터 저장 및 검색 장치로서 사용되고 있다. 전형적인 디스크 드라이브에 있어서, 데이터는 하나 이상의 디스크에 자기적으로 저장되며, 상기 디스크는 일정 속도로 회전하며 회전식 액추에이터 어셈블리에 의해 액세스되고, 액추에이터 어셈블리는 디스크 표면 위를 인접하여 플라잉(flying)하는 다수의 판독/기록 헤드를 구비한다. 판독 채널 및 인터페이스 회로는 디스크로부터 호스트 컴퓨터로 이전에 저장된 데이터를 복구하기 위해 사용된다.
Duffy 등에 의해 1993년 11월 16일 특허된 미국 특허 제 5,262,907호에 개시된 바와 같이, 폐루프 디지털 서보 시스템은 디스크상의 트랙과 관련된 헤드의 위치를 제어하기 위해 사용된다. 트랙은 제조 과정에서 디스크 표면에 기록되는 서보 데이터로부터 정의된다. 디스크 드라이브의 서보 시스템은 서보 데이터를 이용하여 2개의 기본적인 동작들, 즉 탐색(seeking) 및 트랙 추종(track following)을 수행한다.
트랙 추종은 상응하는 선택된 트랙상에 선택된 헤드를 계속하여 위치시키는 것을 의미한다. 위치-제어 방식은 트랙 중심에 대한 헤드의 상대적 위치가 결정되고 헤드의 원하는 위치와 비교될 때 사용된다. 그 결과인 위치 에러는 헤드를 트랙에 대하여 원하는 위치에 유지시키기 위해 액추에이터 코일에 인가되는 전류의 양을 제어하는데 사용된다.
탐색은 초기 트랙에서 목적 트랙으로의 선택된 헤드의 움직임을 의미한다. 소정 길이 이상의 탐색에 대하여, 속도-제어 방식(velocity-control approach)은 헤드의 속도가 반복적으로 결정되고 헤드가 타겟 트랙으로 이동할 때 헤드에 대한 최적의 속도 궤도를 정의하는 속도 프로파일과 비교될 때 사용된다. 액추에이터 코일에 인가되는 전류의 양은 속도 에러에 비례하여 변하고, 액추에이터 코일은 헤드의 위치를 제어하는데 사용되는 보이스 코일 모터의 일부이다.
짧은 탐색(드라이브의 구성에 따라 변하지만, 예컨대 100 트랙 정도)에 대하여, 몇몇 디스크 드라이브는 위치 제어 방식을 사용한다. 위치 제어 방식에서는 헤드를 목적 트랙으로 위치시키기 위해 기준 전류, 기준 속도 및 기준 위치 프로파일이 생성되고 이용된다. 종종 "모델 기준(model reference)" 탐색으로 언급되는데, 이러한 탐색은 속도-제어 탐색(velocity-controlled seek)보다 더 빠른 응답과 더 좋은 정착 특성을 제공한다. 모델 기준 탐색은 통상 사인파에 기초한 기준 전류 프로파일(예컨대 1-cos 함수)을 수반하고, 이는 각 탐색에 있어 트랙 수에 기초하여 적절한 스케일 인자(scale factor)를 사용하여 스케일된다. 스케일된 전류 프로파일은 상응하는 기준 속도 및 기준 위치를 제공하기 위하여 적분된다. 모델 기준 탐색은, 예컨대 Gregg에 의한 미국 특허 제 6,031,684호에 개시되어 있다.
향상된 위치 제어를 위하여 서보 시스템을 개선시키는 동안, 트랙 밀도의 증가는 모델 기준 탐색을 수행하기에 더 어렵게 한다. 하나의 트랙으로부터 다음 트랙으로 헤드가 조금 움직일 경우에는 보다 적은 전류를 요구하고, 이는 서보 시스템이 액추에이터를 정밀하게 제어할 수 없게 하므로 헤드 위치의 편차를 증가시킨다. 또한, 트랙 밀도가 증가함에 따라서, 진동 뿐만 아니라 서보 데이터의 방사상 위치에 있어 에러가 증가하여, 헤드는 작지만 0이 아닌 속도(디스크의 내경 또는 외경을 향하는 속도)를 가지게 된다. 서보 시스템은 선택된 트랙을 따라가도록 헤드 위치를 조정함으로써 이러한 에러를 보상하도록 계속하여 동작한다.
0이 아닌 헤드의 초기 속도는 헤드를 초기 트랙에서 목적 트랙(destination track)으로 정확하게 이동시키는 서보 시스템의 성능을 상당히 감소시킨다. 만약 모델 기준 탐색이 개시될 때 헤드가 이미 목적 트랙으로 이동하고 있다면, 기준 제어 입력은 헤드가 목적 트랙을 언더슈트(undershoot)하도록 야기할 수 있다. 반대로, 만약 모델 기준 탐색이 개시될 때 헤드가 목적 트랙으로부터 반대 방향으로 이동하고 있다면, 기준 제어 입력은 헤드가 목적 트랙을 오버슈트(overshoot)하도록 야기할 수 있다. 2가지 경우에 있어서, 헤드를 목적 트랙상의 원하는 위치에 정확히 이동시키기 위해서는 부가적인 시간이 요구되며, 이는 디스크 드라이브의 이동 속도의 성능을 떨어뜨린다.
따라서, 데이터 저장 능력에 있어 지속적인 향상과 함께, 드라이브가 0이 아닌 헤드의 초기 속도를 보상하는 짧은 위치 제어 탐색을 수행할 수 있도록 할 필요성이 존재한다. 본 발명에 의해서 이러한 장점이 성취될 수 있다.
본 발명은 디스크 드라이브의 디스크상의 트랙들에 인접하게 헤드를 위치시키는데 사용되는 디스크 드라이브 서보 회로의 이득(gain)을 최적화하는 장치 및 방법을 제공한다. 바람직한 실시예에 따르면, 본 발명은 위치 제어 탐색동안 모델 기준 컨트롤러에 사용되는 피드포워드(feed-forward) 제어를 보상하는 장치 및 방법을 제공한다.
모델 기준 컨트롤러는 탐색을 수행하기 위해 피드포워드 전류를 액추에이터에 인가하는 제어 시스템이다. 요구되는 탐색 길이에 기초하여 피드포워드 전류를 생성하기 위해서 소정의 피드포워드 테이블이 사용된다. 모델 기준 컨트롤러는 폐루프인 경우 피드포워드 전류로부터 기준 위치 및 기준 속도를 생성하기 위해 플랜트 모델(plant model) 및 관측기(observer) 회로를 사용한다. 다중-속도(multi-rate) 관측기 회로는 각 다수의 다중-속도 탐색 주기에 대하여 헤드의 위치를 각 주기에서 기준 위치(reference position) 및 추정 위치(estimated position) 사이의 차에 상응하는 위치 에러를 통해 계산한다.
전류 프로파일은, 탐색의 가속 부분동안 제 1 이득을 인가하고 탐속의 감속부분동안 제 2 이득을 인가하여, 제 1 및 제 2 이득에 의해 스케일된다. 제 1 및 제 2 이득은 헤드의 초기 속도가 0이 아닐 때 서로 다른 크기를 가지도록 선택된다.
헤드의 초기 속도를 고려하는 모델 기준 컨트롤러 외에도, 본 발명은 모델 기준 탐색 컨트롤러 루프를 조정하는데 소요되는 시간을 효과적으로 감소시킨다. 본 발명은 모델 기준 컨트롤러가 각 피드포워드 기준 테이블에 대응하는 미리 계산된 인자에 따라서 자체 조정(self-tune) 할 수 있게 한다.
본 발명의 특성으로부터의 다양한 특징 및 장점들은 관련 도면을 기준하여 이하의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라서 구성된 디스크 드라이브의 평면도이다.
도 2는 도 1의 디스크 드라이브의 기능 블록도이다.
도 3은 본 발명에 따라서 구성된 서보 제어 회로의 제어 흐름도이다.
도 4는 모델 기준 탐색동안 도 3의 기준 생성기에 의해 출력된 기준 전류, 기준 속도 및 기준 위치 신호를 나타내는 그래프이다.
도 5는 도 1의 초기 트랙, 목적 트랙 및 헤드의 초기 속도를 나타내는 그래프이다.
도 6은 본 발명에 의해 보상된 이득 계산 및 탐색 루틴의 흐름도이다.
도 7은 모델 기준 탐색동안 도 3의 기준 생성기에 의해 출력된 기준 전류, 기준 속도 및 기준 위치 신호를 나타내는 그래프인데, 여기서 헤드는 도 5에 도시된 목적 트랙과 관련하여 양의 초기 속도를 가진다.
도 8은 모델 기준 탐색동안 도 3의 기준 생성기에 의해 출력된 기준 전류, 기준 속도 및 기준 위치 신호를 나타내는 그래프인데, 여기서 헤드는 도 5에 도시된 목적 트랙과 관련하여 음의 초기 속도를 가진다.
도 1에는 사용자 데이터를 자기적으로 저장하고 검색하기 위해 호스트 컴퓨터와 인터페이스를 통해 연결된 형태의 디스크 드라이브(100) 평면도가 도시되어 있다. 디스크 드라이브(100)는 디스크 드라이브(100)의 다양한 컴포넌트가 장착되는 베이스 데크(102)를 포함한다. 부분적으로 절단되어 도시된 상부 커버(104)는 베이스 데크(102)와 함께 디스크 드라이브의 밀봉된 내부를 형성한다.
스핀들 모터(106)는 동축상에 정렬된, 강성의(rigid) 자기적 기록 디스크(108)를 화살표(109)로 표시된 회전방향으로 일정한 고속(분당 수 천 바퀴 회전)으로 회전시키기 위해 구비된다. 사용자 데이터는 디스크(108) 근처에 위치하는 베어링 축 어셈블리(bearing shaft assembly; 112)를 중심으로 회전하는 액추에이터 어셈블리(actuator assembly; 110)를 이용하여 디스크(108)상 트랙에 대해 기록 및 판독된다.
액추에이터 어셈블리(110)는 디스크(108)를 향해 연장되어 있는 단단한 다수의 액추에이터 암(114)을 포함하며, 액추에이터 암(114)은 각각의 액추에이터 암(114)으로부터 연장되는 하나 이상의 플렉서블한 서스펜션 어셈블리(flexible suspension assembly; 116)(flexure: 만곡부)를 포함한다. 각 만곡부(116)의 말단에는 헤드(118)가 장착되며, 헤드(118)는 관련 디스크(108)의 대응하는 표면에 거의 밀접하여 헤드(118)를 비행(fly)할 수 있게 하는 슬라이더 어셈블리(slider assembly(미도시)를 포함한다. 헤드(118)는 각각 박막의 유도성 기록 엘리먼트 및 자기 저항(magneto-resistive; MR) 헤드 엘리먼트를 구비하는 자기 저항(MR) 헤드의 특성을 가지는 것이 바람직하다.
디스크 드라이브(100)가 사용되지 않을 때에는, 헤드(118)는 디스크(108)의 내경 가까이의 랜딩 영역(landing zone; 120)으로 이동하여 정지되고, 액추에이터 어셈블리(110)는 액추에이터 래치(latch) 어셈블리를 이용하여 보호된다.
헤드(118)의 방사상 위치는 보이스 코일 모터(VCM; 124)를 사용하여 제어되고, 보이스 코일 모터는 액추에이터 어셈블리에 부착된 코일(126) 및 코일(126) 주위에 자기장을 형성하는 영구자석(128)을 포함한다. 제 2의 자속 경로가 영구자석(128) 상부에 형성되지만, 도면의 간결성을 위해 도시하지 않았다. 코일(126)에 전류를 인가하면 코일(126)과 자석(128) 사이에 자기적 상호작용이 발생하여, 헤드(118)는 디스크(108) 표면을 가로질러 이동하게 된다.
플렉스 어셈블리(flex assembly; 130)는 액추에이터 어셈블리(110)에 대하여 필요한 전기적 연결 경로를 제공하여, 동작시 액추에이터 어셈블리(110)의 피봇 운동을 할 수 있게 한다. 플렉스 어셈블리(130)는, 기록 동작 동안 헤드(118)의 기록 엘리먼트에 기록 전류를 인가하고 판독 동작 동안 헤드(118)의 MR 판독 엘리먼트에 판독 바이어스 전류를 인가하는, 전치증폭기(preamplifier)/드라이버 회로(132)(preamp: 프리앰프)를 포함한다. 프리앰프(132)는 판독 동작 동안 얻어진 재판독(readback) 신호를 부가적으로 증폭시키고, 이를 베이스 데크(102) 하부에 부착된 디스크 드라이브 인쇄회로기판(PCB)상에 배치된 디스크 드라이브 제어 전자장치(미도시)에 제공한다.
도 2는 헤드(118)의 위치를 제어하기 위해 디스크(108)상에 배치된 서보 데이터를 이용하는 도 1의 디스크 드라이브(100) 서보 회로(140)의 기능 블록도를 도시한 것이다. 서보 데이터는 선택된 헤드(118)에 의해 변환되고, 프리앰프(132)에 의해 전치 증폭되어, 복조 회로(142)에 제공된다. 복조 회로(142)는 서보 프로세서(144), 바람직하게는 디지털 신호 처리기(DSP)를 포함하는 서보 프로세서에 의한 프로세싱을 위하여 서보 데이터를 조절한다. DSP(144)는 최상위 레벨 디스크 드라이브 프로세서(미도시)에 의해 발생된 명령 뿐만 아니라 DSP 메모리(146; MEM)에 저장된 프로그래밍 단계를 이용하여, 코일(126)에 인가된 전류의 양을 교대로 조절하는 코일 드라이버 회로(148)에 전류 명령 신호를 출력한다.
도 3을 살펴보면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따라서 위치 제어 탐색("모델 기준 탐색")을 수행하기 위한 서보 회로(140) 동작의 제어 흐름도를 도시한 것이다. 도 3의 제어 흐름도의 일부는 DSP(144)에 의해 실행되는 적절한 프로그래밍을 통해서 쉽게 구현될 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, "플랜트(plant)"로 언급되는 디스크 드라이브(100)의 일부는 블록(200)으로 표시되어 있으며, 일반적으로 코일 드라이버(148), 액추에이터 어셈블리(110), 프리앰프(132) 및 복조기(142)를 포함한다. 플랜트(200)는 헤드(118)를 선택된 트랙상에 위치시키기 위하여 전류 명령 신호("Icmd")를 신호 경로(202)를 통해서 수신한다. 선택된 트랙상의 서보 데이터에 대한 응답으로, 플랜트(200)는 실제 위치 신호("Xact")를 생성하여 신호 경로(204)상에 출력한다.
도 3의 제어 흐름도는 또한 플랜트(200)와 동일한 공칭 입력/출력 응답 특성을 가지는 다중-속도(multi-rate) 관측기(206)를 도시한다. 관측기(206)는 위치 추정값("Xest"), 속도 추정값("Vest") 및 바이어스 추정값("Best")를 신호 경로(208)(210)(212)상에 반복해서 생성한다. 바이어스 추정값은 플렉스 어셈블리(가령 도 1의 130)로 인한 액추에이터에 작용되는 스프링력(spring force) 및 헤드에 작용하는 유극력(windage force)을 고려하며, 선택된 헤드를 상기 힘의 관점에서 현재 위치에 유지시키는데 필요한 전류의 양을 나타낸다.
모델 기준 컨트롤러(214)는 모델 기준 탐색동안 플랜트(200)에 대하여 원하는 위치, 속도 및 전류 상태를 나타내는 위치 기준 신호("Xref"), 속도 기준 신호("Vref") 및 전류 기준 신호("Iref")를 제공한다. 모델 기준 컨트롤러(214)는 전류 생성 프로파일(215), Ks의 이득을 가진 이득 블록(216), 이득 계산기(217) 및 적분기 블록(218)을 포함한다. 모델 기준 컨트롤러(214)의 동작은 도 3의 나머지 동작을 설명한 후 이하에서 보다 상세히 설명될 것이다.
합산 접합부(summing junction; 222)는 위치 기준값(Xref) 및 위치 추정값(Xest) 사이의 차로서 위치 에러("Xerr")를 결정한다. 마찬가지로, 합산 접합부(224)는 속도 기준값(Vref) 및 속도 추정값(Vest) 사이의 차로서 속도 에러("Verr")를 결정한다. 위치 에러(Xerr)는 Kx의 계수기 이득(scaler gain)을 가지는 이득 블록(226)에 제공되고, 속도 에러(Verr)는 Kv의 계수기 이득을 가지는 이득 블록(228)에 제공되어, 출력된 양은 (전류 기준(Iref)와 함께) 합산 접합부(230)에서 합쳐진다.
합산 접합부(230)의 출력은 도시된 바와 같이 합산 접합부(232)에서 바이어스 추정값(Best)와 합쳐진다. 합산 접합부(232)의 출력은 신호 경로(234)상에 제공되어 관측기(206)의 제어 입력이 되고, 이는 플랜트(200)에 인가될 전류 양을 나타낸다.
합산 접합부(232)의 출력은 또한 이득 Kp의 계수기 이득을 가지는 이득 블록(236)에 제공되고, 이득 블록(236)은 전류 명령(Icmd) 신호를 경로(202)상에 출력한다. 이득 블록(236)은 서보 회로(140)에 대한 최초 이득을 제공한다.
마지막으로, 신호 경로(204)상의 실제 위치 신호(Xact)는 경로(208)상의 위치 추정값(Xest)와 합산 접합부(238)에서 합쳐져서, 관측기(206)로 입력되는 관측기 에러("Oerr") 신호를 생성한다. 기준로, 관측기(206)는 4X 관측기이고, 따라서 관측기 에러(Oerr) 신호의 각 입력에 대하여 4개 세트의 추정 파라미터들이 경로(208)(210)(212)상에 출력된다. 그러므로, 관측기는 디스크(108)로부터 서보 데이터의 샘플링 속도의 4배인 다중-속도을 제공한다.
도 4를 기준하면, (유니트에서 다중-속도 주기에 상응하는) 시간을 나타내는 X축(260) 및 상대적 크기를 나타내는 Y축(262)(0은 전류 및 속도가 없다는 것을 나타냄)을 기준으로, 모델 기준 탐색에 대한 공칭 기준 전류, 속도 및 위치 곡선(270)(280)(290) 집합이 도시되어 있다. 공칭 전류 기준 곡선(270)의 이산 기준 전류값은 다음 방정식으로부터 쉽게 결정된다:
Figure 112001026958308-pct00001
(1)
Figure 112001026958308-pct00002
(2)
Figure 112001026958308-pct00003
(3)
여기서, N은 모델 기준 주기의 길이이고, C는 모델 기준 탐색의 원하는 지속시간과 관련된 소정의 수이고, mod는 몫 N/C의 나머지를 계산하는 모듈로 연산자이다. 따라서, 공칭 전류 기준 곡선(270)은 방정식 (1)-(3)으로부터 쉽게 얻어질 수 있다. 그러므로, 도 4의 공칭 기준 속도 곡선(280)은 기준 전류 곡선(270)을 적분함으로써 얻어질 수 있으며, 공칭 기준 위치 곡선(290)은 기준 속도 곡선(280)을 적분함으로써 얻어질 수 있다.
비록 방정식 (1)-(3)은 낮은 트랙 밀도를 갖는 디스크 드라이브에 대해 허용가능한 공칭 기준 전류를 제공하지만, 트랙 밀도가 높아짐에 따라, 헤드 런-아웃 정정과 관련된 초기 속도가 너무 커서 헤드가 목적 트랙상에 적절히 정착되는 것을 방해할 수도 있다. 이는 도 5에 도시되어 있다.
특히, 도 5는 액추에이터 암(114)이 해당 디스크(108)의 초기 트랙 x(0) 위에 헤드(118)를 지지시키는 것을 도시한 것이다. 목적 트랙 x(N)(302)은 초기 트랙 x(0)로부터 떨어져 위치한 선택된 트랙 번호이며, 모델 기준 탐색의 N 주기의 종단에서 헤드(118)의 원하는 위치를 정의한다. 디스크의 각 운동 방향은 화살표(109)로 표시되어 있다. 트랙 추종동안 트랙 런-아웃의 결과로, 헤드(118)는 화살표(304 또는 306)으로 방향으로 초기에 0이 아닌 속도를 가진다. 만약 액추에이터 코일(126)에 전류가 전혀 인가되지 않는다면, 모델 기준 주기(N)가 끝나는 시점에 헤드(118)는 초기 속도가 벡터(304) 방향인 경우에는 목적 트랙 x(N)을 향해서 또는 초기 속도가 벡터(306) 방향인 경우에는 목적 트랙 x(N)으로부터 멀어져서 초기 트랙 x(0)으로부터 약간 떨어진 거리로 이동할 것이다.
전술한 미국 특허 제6,031,684호에서 논의된 바와 같이, 종래 기술에서 모델 기준 탐색을 수행하는 방식은 탐색 주기(N)의 원하는 수 이상의 적절한 전류 프로파일을 선택하는 단계, 전류 기준(Iref)을 생성하기 위해 탐색 길이에 적절한 이득 인자를 곱하여 전류 프로파일을 스케일하는 단계, Vref를 얻기 위해 Iref를 적분하는 단계, Xref를 얻기 위해 Vref를 적분하는 단계, 그리고 모델 기준 탐색을 실행하기 위해 N Iref, Vref 및 Xref 샘플값을 인가하는 단계를 포함한다. 그러나, 이하의 분석에서와 같이, 헤드가 0이 아닌 속도를 가질 때 하나의 인가된 이득에 대한 수학적 해가 존재하지 않는다.
위치 제어 시스템(가령 서보 회로(140))에 대한 이산, 선형, 시불변 상태-공간 방정식은 다음과 같다.
Figure 112001026958308-pct00004
(4)
여기서, x(k)는 시간 k에서의 상태 벡터이고, A는 상태 메트릭스, B는 입력 메트릭스, u(k)는 시간 k에서의 입력 또는 출력이다. 모델 기준 탐색 컨트롤러는 다음 방정식을 만족한다.
Figure 112001026958308-pct00005
(5)
Figure 112001026958308-pct00006
(6)
여기서, Iref는 전류를, Kpt는 플랜트 이득을, Vref는 생성된 기준 속도를, Xref는 생성된 기준 위치를 나타낸다. 모델 기준 탐색이 시작될 때(k=0), Xref는 전류 위치로 초기화되고, Vref는 0으로 설정된다(즉, 초기 속도는 0으로 가정한다). 방정식 (5) 및 (6)은 가속도, 속도 및 위치(상기 시스템에서 전류 또는 Iref는 가속도와 등가이다)와 관련된 공지된 물리 방정식에서 나온 것이다.
상태 벡터를
Figure 112001026958308-pct00007
(7)
으로 선택하고, 입력을
Figure 112001026958308-pct00008
(8)
로 하여, 방정식 (5) 및 (6)을 (4)의 상태 공간 시스템 방정식에 대입한다. 여기서, Ks 는 탐색 길이에 대해 선택된 전류 이득이다.
방정식 (4)-(8)을 계산하면 다음과 같다.
Figure 112001026958308-pct00009
(9)
여기서,
Figure 112001026958308-pct00010
(10)
이다.
초기 조건에 기초하여 시스템의 미래 상태 x(k)가 하기의 이산 시간, 비제차, 상태 천이 방정식을 사용하여 결정된다.
Figure 112001026958308-pct00011
(11)
여기서, Φ(k,j)는 상태 천이 행렬이고, B(j-1) = B (즉, B는 상수)이며, 그리고 u(j-1) = Ks *Iref(j-1) 이다.
Φ(k,j)를
Figure 112001026958308-pct00012
(12)
로 정의하고, 여기서 A는 방정식(10)에서의 상태 형렬이다. 이는 상대적 확장 수(간결성을 위해 여기서는 생략됨)를 통해서 다음과 같이 표현된다.
Figure 112001026958308-pct00013
(13)
방정식 (8) 및 (13)을 방정식 (11)에 대입하면 다음과 같다.
Figure 112001026958308-pct00014
,또는
Figure 112001026958308-pct00015
(14)
이를 이항하면,
Figure 112001026958308-pct00016
(15)
이고, 다시
Figure 112001026958308-pct00017
(16)
이 된다.
만약, 피드 포워드 테이블(Iref)에 N개의 점이 존재하면, k를 N으로 대체하고 그 결과는 다음과 같다.
Figure 112001026958308-pct00018
(17)
방정식 (17)을 살펴보면, 탐색 시작시 탐색 x(0), B, Iref, N의 초기 조건 및 상태 천이 행렬은 알려져 있다. 원하는 최종 상태 x(N)도 또한 알고 있기 때문에, 상기 방정식을 풀기 위해 남은 것은 Ks이다. Ks를 구하면, x(0)에서 x(N)으로 가는데 필요한 피드-포워드 이득을 알 수 있다.
그러나, x(0)에서 초기 속도를 상기 방정식에 대입함으로써 Ks에 대한 하나의 해가 존재하지 않는다는 것을 알 수 있다. 그러나, 만약 테이블의 양의 부분 및 음의 부분에 대해 상이한 이득이 사용된다면, 해가 존재하게 된다.
이득(KsA 및 KsB)을 방정식(17)에 각각 대입하면 다음과 같이 된다.
Figure 112001026958308-pct00019
(18)
방정식 (18)의 좌측은 2 ×1 벡터이고, 이는 우측 2부분의 합의 결과이다. 그러므로, 상기 방정식은 다음과 같은 형태가 된다.
Figure 112001026958308-pct00020
(19)
여기서, b는 방정식 (18)의 좌측 결과이고, b의 제 1항은 최종 위치 x(N)와 전류가 인가되지 않았을 때 도달할 위치 사이의 차를 나타낸다. b의 제 2항은 전류가 더 이상 인가되지 않을 때 나타나는 속도에서 공제된 최종 상태에서 헤드의 속도를 나타낸다. S는 2 ×2 행렬인데, 여기서 제 1행은 방정식 (18)의 첫번째 합의 전치(trasnpose) 행렬이고, 제 2행은 방정식 (18)의 두번째 합의 전치 행렬이다.
S의 제 1행 제 1항은 모델 기준 탐색의 가속 상태동안 플랜트에 인가된 전류 양의 증가에 대한 헤드의 위치 변화와 관계한다. S의 제 2행 제 1항은 모델 기준 탐색의 가속 상태동안 플랜트에 인가된 전류 양의 증가에 대한 헤드의 속도 변화와 관계한다. S의 제 1행 제 2항은 모델 기준 탐색의 감속 상태동안 플랜트에 인가된 전류 양의 증가에 대한 헤드의 위치 변화와 관계한다. S의 제 2행 제 2항은 모델 기준 탐색의 감속 상태동안 플랜트에 인가된 전류에 대한 헤드의 속도 변화와 관계된다. 따라서, 2 ×1 벡터는 다음과 같다.
Figure 112001026958308-pct00021
(20)
2개의 이득 KsA, KsB는 S의 역(inverse)을 취하고, 양측을 곱함으로써 얻어진다.
Figure 112001026958308-pct00022
(21)
그 결과는 피드 포워드 신호의 제 1 반쪽 또는 양의 반쪽에 대한 하나의 이득(KsA) 및 기준 전류 프로파일의 제 2 반쪽 또는 음의 반쪽에 대한 하나의 이득(KsB)이다.
S 및 S-1의 개별 항들은 각 모델 기준 주기 길이(N)를 위하여 제조하는 동안 미리 계산되어, 후속의 검색을 위해 메모리에 저장된다. 초기 위치(Xest), 목적 트랙 x(N), 및 초기 속도(Vest)를 알고 있으므로, b를 풀기 위해 필요한 계산은 방정식 (18) 및 방정식(20)의 좌측 부분이다. 일단 b가 결정되면, S-1의 적절한 값이 메모리로부터 검색되고, 이득 계산기(314)는 공칭 기준 전류를 수정함으로써 후속적으로 초기 속도을 보상하는 이득의 쌍에 제공되는 y를 계산한다. 따라서, 각 모델 기준 탐색에 대하여 이득 KsA 및 KsB를 결정하기 위해, 단지 8번의 곱셈 및 6번의 덧셈이 실시간에서 실행되어야 한다.
이득 계산기(314)의 동작 결과, 모델 기준 컨트롤러(214)는 자체-조정(self-tuning) 디바이스로서 동작한다. 즉, 이득 계산기(314)는 공칭 기준 전류를 스케일하는데 필요한 이득을 결정하기 때문에, 피드포워드 테이블에 의해 생성된 각 공칭 기준 전류에 수작업 조정은 필요하지 않다. 수작업 조정을 제거하는 것은 제조 효율 및 비용 절약면에서 상당한 효과를 가져온다.
이제 모델 기준 탐색동안 2개의 이득을 사용하기 위한 바이어스는 설정되었고, 모델 기준 컨트롤러(214)가 초기 헤드 속도를 어떻게 보상하는가를 설명한다. 도 6을 기준하면, 탐색 루틴(350)은 단계(352)로 표시된 바와 같이 목적 트랙 위치 x(N)를 식별함으로써 시작된다. 결정 단계(354)는 탐색이 길어지는가, 즉 x(N)(302)이 초기 트랙 x(0)(300)에서 100 트랙 이상 떨어져 있는가를 결정한다. 만약 목적 트랙 x(N)(302)으로의 탐색이 긴 탐색으로 결정되면, 탐색 루틴은 단계(356)으로 표시된 속도 제어 방식을 이용한다. 헤드는 목적 트랙 x(N)에 도달할 때까지 종래의 속도 제어 방식을 이용하여 이동하고, 그 후에 단계(372)로 표시된 바와 같이 탐색 루틴은 끝나게 된다.
그러나, 만약 탐색이 짧은 탐색으로 결정되면, 루틴은 탐색동안 횡단되는 트랙 수와 관련하여 모델 기준 주기 길이(N)가 결정되는 단계(358)로 진행된다. 모델 기준 주기 길이(N)는 일대일(one-to-one) 바이어스상에 교차되는 트랙들의 수와 직접적으로 일치하지는 않는다. 오히려, 하나의 모델 기준 주기 길이(N)는 이러한 상이한 탐색 길이를 담당하는 상이한 탐색 프로파일과 함께 탐색 길이의 범위를 위해 사용될 수 있다.
일단 모델 기준 주기 길이(N)가 결정되면, 탐색 루틴은 단계(360)으로 진행되고, 여기서 모델 기준 컨트롤러(214)는 필요한 입력을 수신한다. 특히, 주기 길이(N)는 도 3에 도시된 바와 같이 이득 계산기(314)에 입력된다. 목적 트랙 (위치) x(N)(302), 초기 위치 추정값(Xest) 및 초기 속도 추정값(Vest)도 또한 이득 계산기(314)로 입력된다. 이득 계산기(314)로 입력되는 Xest 및 Vest에 대한 값은 각각 경로 (208) 및 (210)을 따라서 관측기(206)로부터 제공된다.
목적 트랙 x(N) 및 위치 추정값(Xest)는 또한 전류 프로파일 생성기(316)에 입력된다. 그리고, 전류 프로파일 생성기(316)로 입력되는 Xest 값은 경로 (208)을 따라서 관측기(206)로부터 제공된다. 일단, 4개의 입력들 각각이 이득 계산기 (314)에 제공되고, 2개의 입력들 각각이 전류 프로파일 생성기(316)에 제공되면, 탐색 루틴은 단계(362)로 진행되고, 여기서 전류 프로파일 생성기(316)는 기준 전류 프로파일을 계산한다.
목적 트랙 x(N)(302) 및 위치 추정값(Xest)을 수신하면, 전류 프로파일 생성기는 모델 기준 주기(N)를 결정한다. 모델 기준 주기(N)는 상기 방정식 (1)-(3)을 이용하여 공칭 기준 전류를 계산하는데 사용된다.
일단 공칭 기준 전류가 계산되면 루틴은 단계(364)로 진행되고, 여기서 이득 KsA 및 KsB가 계산된다. 전술한 바와 같이, 일단 모델 기준 주기 길이(N), 초기 트랙 x(0), 목적 트랙 x(N) 및 초기 속도가 알려지면, 이득 계산기는 방정식 (21)을 이용하여 KsA 및 KsB을 결정하고 적절한 S-1 행렬이 미리 계산되어 메모리에 저장된다. 일단 2개의 이득 KsA 및 KsB가 결정되면 탐색 루틴은 단계(366)로 진행되고, 여기서 모델 기준 전류(Iref)가 이득 회로(312)에 의해서 결정된다. 이득 회로(312)는 전류 프로파일 생성기(316)로부터 수신된 공칭 기준 전류를 이득 계산기(314)에서 유도된 이득 KsA 및 KsB로 스케일링함으로써 모델 기준 전류를 생성한다. 전술한 바와 같이, 제 1 이득 KsA는 공칭 기준 전류의 가속 부분을 스케일하고, 제 2 이득 KsB는 공칭 기준 전류의 감속 부분을 스케일한다. 그 결과인 모델 기준 전류(Iref)는 초기 헤드 속도에 대하여 모델 기준 탐색을 보상한다.
계속하여 도 6을 살펴보면, 탐색 루틴은 단계(368)로 진행하고, 여기서 적분기 블록(310)은 이득 회로(312)로부터 모델 기준 전류(Iref)를 수신한다. 전술한 바와 같이, 모델 기준 전류는 또한 경로(220)를 따라서 합산 접합부(230)으로 전송된다. 적분기 블록(310)은 모델 기준 전류(Iref)를 적분하여 모델 기준 속도(Vref)를 결정한다. 마찬가지로, 모델 기준 위치(Xref)는 모델 기준 속도(Vref)를 적분함으로써 결정된다. Xref, Vref 및 Iref의 도함수 관계는 공지의 상태-공간 방정식 (4)-(6)과 관련되어 있다.
일단 상기 값들이 결정되면, 모델 기준 위치(Xref) 및 모델 기준 속도(Vref)는 각각 경로 (216) 및 (218)을 따라서 합산 접합부 (222) 및 (224)로 전송된다. 이 때, 탐색 루틴은 단계(370)로 진행되고, 여기서 서보 회로(140)는 전술한 바와 같이 모델 기준 컨트롤러(214)에 의해 생성된 Iref, Vref 및 Xref에 대한 값으로 모델 기준 탐색을 실행한다. 탐색이 끝날 때, 루틴은 단계(372)에서 끝나게 된다.
도 7은 (유니트에서 다중-속도 주기에 상응하는) 시간을 나타내는 X축(386) 및 상대적 크기를 나타내는 Y축(388)(0은 전류 및 속도가 없다는 것을 나타냄)을 기준으로, 모델 기준 탐색에 대한 모델 기준 전류(380), 속도(382) 및 위치(384) 곡선 집합을 도시한 것이다. 속도 곡선(382)은 도 5에서 벡터(304)로 도시된 바와 같이, 양의 방향으로의 초기 헤드 속도를 나타내며 Y축(388)의 0 위쪽 부분에서 시작된다. 즉, 헤드는 0이 아닌 초기 속도를 가지며, 모델 기준 탐색 개시시 목적 트랙 방향으로 이동하고 있는 상태이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 양의 초기 속도를 보상하기 위해서, 모델 기준 전류 곡선(380)의 크기는 모델 기준 탐색의 가속 부분동안 제 1이득 KsA으로 스케일되어 더 작다. 모델 기준 탐색의 감속 부분동안, 모델 기준 전류 곡선은 제 2 이득 KsB가 공칭 기준 전류에 인가됨에 따라서 증가한다.
도 8은 도 5에서 벡터(306)로 도시된 바와 같이, 헤드가 음의 초기 속도를 가질 때 모델 기준 탐색이 수행되는 것을 도시한 것이며, 헤드는 모델 기준 탐색 개시시 목적 트랙으로부터 멀어지는 방향으로 이동하고 있는 상태이다. 모델 기준 탐색 곡선(390)은 음의 초기 속도를 나타내며 Y축의 0 아래에서 시작된다. 따라서, 모델 기준 전류 곡선(392)의 크기는 모델 기준 탐색의 가속 부분동안에 더 크다. 탐색의 감속 부분동안, 모델 기준 전류 곡선(392)의 크기는 제 2 이득 KsB가 공칭 기준 전류에 인가됨에 따라서 작아진다. 모델 기준 위치 곡선(394)은 모델 기준 속도가 초기 음의 헤드 속도를 보상하기 전에는 음의 방향을 나타낸다.
여기에 기술된 본 발명은 종래 기술에 비해 몇 가지 장점을 가진다. 첫째, 모델 기준 생성기는 초기의 0이 아닌 헤드 속도를 보상하기 위하여 모델 기준 전류(Iref), 모델 기준 속도(Vref) 및 모델 기준 위치(Xref)를 생성한다. 이에 의해서, 향상된 TPI와 함께 디스크 드라이브에서 짧은 위치 제어 탐색의 정확성 및 신뢰성이 향상된다. 둘째, 본 발명은 또한 모델 기준 컨트롤러의 자체 조정을 제공하여, 제조 비용을 절감시킨다.
요약하면, 본 발명은 모델 기준 탐색동안 모델 기준 컨트롤러에 의해 이용되는 모델 기준 전류(Iref)를 최적화하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다. 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 모델 기준 컨트롤러(214)는 서보 회로(140)의 일부이며, 적분기 블록(310), 이득 회로(312), 이득 계산기(314) 및 전류 프로파일 생성기(316)를 포함한다. 모델 기준 컨트롤러(214)는 모델 기준 탐색(가령 단계 358-370)동안 초기 헤드 속도를 보상하고 헤드(118)를 위치시키는데 이용되는 기준 전류, 기준 속도 및 기준 위치 신호(가령 220, 218, 216)를 생성한다. 다중-속도 관측기(200)는 위치(Xest), 속도(Vest) 및 바이어스(Best)의 추정값들을 제공한다. 관측기(200)의 출력 추정값들은 모델 기준 컨트롤러(214)의 출력들과 비교되어, 위치 에러 신호가 결정된다.
본 발명이 고유의 특성 뿐만 아니라 전술한 목적 및 장점을 성취하기 위해 잘 적용될 수 있다는 것은 명백하다. 비록 전술한 바람직한 실시예는 본 발명의 개시를 위한 목적으로 설명되었지만, 여기에 개시되고 하기의 청구항으로써 정의된 본 발명의 사상을 벗어나지 않고 이로부터 다양한 변형이 있을 수 있다는 것은 본 기술분야의 당업자에게는 명백한 것이다.

Claims (8)

  1. 위치 제어 시스템에서, 제어 대상물을 초기 위치에서 목적 위치로 이동시키기 위한 방법으로서,
    (a) 제어 대상물을 이동시키기 위해 연속적 시간 주기들의 수를 선택하는 단계;
    (b) 상기 연속적 시간 주기들의 수에 상응하는 전류 값을 공칭 전류 프로파일에 제공하는 단계;
    (c) 상기 제어 대상물의 초기 속도를 결정하는 단계; 및
    (d) 상기 제어 대상물을 가속하는데 사용되는 상기 공칭 전류 프로파일의 제 1 열의 전류값들에 제 1 이득 인자(gain factor)를 제공하고, 상기 제어 대상물을 감속하는데 사용되는 상기 공칭 전류 프로파일의 제 2 열의 전류값들에 제 2 이득 인자를 제공함으로써, 기준 전류(reference current) 프로파일을 생성하는 단계 - 상기 제 1 및 제 2 이득 인자는 0이 아닌 상기 제어 대상물의 초기 속도를 보상하기 위해 상이한 크기들을 가지도록 선택됨 -
    를 포함하는 제어 대상물 이동 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    (e) 상기 기준 전류 프로파일을 적분함으로써 기준 속도 프로파일을 생성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 제어 대상물 이동 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    (f) 상기 기준 속도 프로파일을 적분함으로써 기준 위치 프로파일을 생성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 제어 대상물 이동 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    (g) 상기 제어 대상물을 위치설정하는데 사용되는 전류 명령 신호를 결정하기 위해, 상기 모델 기준 전류, 모델 기준 속도 및 모델 기준 위치를 추정(estimated) 전류, 추정 속도 및 추정 위치와 비교하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 제어 대상물 이동 방법.
  5. 기록 표면을 가지는 회전식 디스크;
    액추에이터 모터, 및 상기 기록 표면에 인접하여 지지되는 헤드를 포함하는 액추에이터 어셈블리; 및
    상기 기록 표면상에서 상기 헤드를 초기 위치로부터 목적 위치로 제어가능하게 이동시키기 위해 모델 기준 전류를 상기 액추에이터 모터에 인가하는 서보 회로
    - 상기 서보 회로는,
    상기 헤드가 이동되는 동안, 연속적 시간 주기들 각각에 상응하는 전류값들의 시퀀스(sequence)로서 베이스라인 기준 전류 프로파일을 생성하는 전류 프로파일 생성기,
    상기 헤드의 초기 속도를 결정하는 속도 결정 회로,
    상기 속도 결정 회로에 응답하여, 상기 초기 속도에 대해 제 1 및 제 2 이득 인자를 계산하는 이득 계산기, 및
    상기 이득 계산기 및 전류 프로파일 생성기에 응답하여, 상기 헤드를 가속하는데 사용되는 베이스라인 기준 전류 프로파일 전류값들의 제 1 열에 상기 제 1 이득 인자를 제공하고, 상기 헤드를 감속하는데 사용되는 베이스라인 기준 전류 프로파일 전류값들의 제 2 열에 상기 제 2 이득 인자를 제공함으로써, 모델 기준 전류를 생성하는 이득 블록을 포함하며, 상기 제 1 및 제 2 이득 인자는 상기 헤드의 초기 속도가 0이 아닌 경우 각각 상이한 크기들을 가짐 -
    를 포함하는 디스크 드라이브.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 서보 회로는 모델 기준 속도를 얻기 위해 상기 모델 기준 전류를 적분하는 적분기 회로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 디스크 드라이브.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 적분기 회로는 모델 기준 위치를 얻기 위해 상기 모델 기준 속도를 추가로 적분하는 것을 특징으로 하는 디스크 드라이브.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 서보 회로는,
    추정 전류, 추정 속도 및 추정 위치를 생성하는 추정기(estimator) 회로; 및
    상기 추정 전류를 상기 모델 기준 전류와 비교하고, 상기 추정 속도를 상기 모델 기준 속도와 비교하며, 상기 추정 위치를 상기 모델 기준 위치와 각각 비교하는 비교기 회로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 디스크 드라이브.
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