KR20020041011A - Process for designing an optimal vibration isolation mount for a disc drive - Google Patents

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KR20020041011A
KR20020041011A KR1020027005368A KR20027005368A KR20020041011A KR 20020041011 A KR20020041011 A KR 20020041011A KR 1020027005368 A KR1020027005368 A KR 1020027005368A KR 20027005368 A KR20027005368 A KR 20027005368A KR 20020041011 A KR20020041011 A KR 20020041011A
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프라딥 케이. 서브라만얀
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추후
시게이트 테크놀로지 엘엘씨
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Abstract

디스크 드라이브(100)에 사용하기 위한 최적으 진동 마운트는 디스크 드라이부에 대한 외부 및 내부 방해 모델(Ξ 및 Θ)을 계산하고 디스크 드라이브에 대한 관성 매트릭스(M)을 한정함으로써 설계된다. 칼맨 필터와 같은 상태 변수 추정량은 관성 매트릭스와 내부 및 외부 방해 모델에 기초하여 한정되며, 공분산 매트릭스(Σ)는 필터 대수 리카티 방정식에 기초하여 유도된다. 상태 변수 추정량 게인(H)은로부터 계산되며, 최적의 마운트 댐핑(B) 및 강성도(K) 파라미터는 상태 변수 추정량 게인 및 관성 매트릭스(H=(a))로부터 유도된다.Optimal vibration mounts for use in the disk drive 100 are designed by calculating external and internal disturbance models Ξ and Θ for the disc drive and defining the inertia matrix M for the disc drive. State variable estimators, such as Kalman filters, are defined based on the inertia matrix and internal and external disturbance models, and the covariance matrix Σ is derived based on the filter logarithmetic equation. State variable estimator gain (H) is And the optimal mount damping (B) and stiffness (K) parameters are derived from the state variable estimator gain and inertia matrix H = (a).

Description

디스크 드라이브용 최적의 진동 방지 마운트를 설계하는 프로세스{PROCESS FOR DESIGNING AN OPTIMAL VIBRATION ISOLATION MOUNT FOR A DISC DRIVE}PROCESS FOR DESIGNING AN OPTIMAL VIBRATION ISOLATION MOUNT FOR A DISC DRIVE

디스크 드라이브의 동작에 영향을 미치는 방해 요인은 두 가지 타입 즉, 내부 방해와 외부 방해가 있다. 내부 방해의 예는 회전하는 디스크로 인해 헤드/암 어셈블리에 의해 직면하는 공기압, 위치 에러 신호(PES)에서의 노이즈, 디스크 드라이브의 구조적 공진, (보이스 코일 모터, 엑추에이터 암 및 서스펜션을 포함하는) 엑추에이터 어셈블리의 움직임, (디스크 팩 스핀들 및 드라이브 모터를 포함하는) 디스크 팩 어셈블리의 불안정, 서보 패턴의 기록 동안의 방해에 의한 서보 패턴에서의 기록 런아웃, 피봇 베어링 마찰과 같은 모델링되지 않은 원동력 및 비선형성 등이 있다. 외부 방해는 환경상의 진동(지진 진동) 및 내부 방해에 대한 외부 반작용을 포함한다. 더욱이, 서보 기록 동안 환경상의 진동은 서보 패턴 배치에 불리하게 영향을 미쳐서 디스크에 기록된 서보 패턴에서 기록 런아웃을 초래한다.There are two types of disturbances that affect the operation of disk drives: internal disturbances and external disturbances. Examples of internal disturbances include air pressure encountered by the head / arm assembly due to the rotating disk, noise in the position error signal (PES), structural resonance of the disk drive, actuators (including voice coil motors, actuator arms and suspensions) Movement of the assembly, instability of the disk pack assembly (including the disk pack spindle and drive motor), recording runout in the servo pattern due to interference during recording of the servo pattern, unmodeled motive forces and nonlinearities such as pivot bearing friction, etc. There is this. External disturbances include environmental vibrations (earthquake vibrations) and external reactions to internal disturbances. Moreover, environmental vibrations during servo recording adversely affect the servo pattern arrangement, resulting in write runout in the servo pattern recorded on the disc.

디스크 드라이브가 방해를 받는 경우, 해당 디스크와 관련한 판독/기록 헤드의 방사상 위치에 영향을 미칠 수 있다. 결론적으로, 이러한 방해는 헤드/디스크 트래킹에 불리하게 작용한다. 이러한 이유로, 디스크 상의 헤드 및 데이터 트랙은 방해로 인한 예상된 움직임이 디스크 드라이브의 성능에 실질적으로 영향을 미치지 않는 것을 보장할 만큼 충분히 큰 한정된 폭을 갖는다. 결론적으로, 방해의 효과는 디스크 드라이브의 최대 면적의 데이터 밀도 상의 제한적인 팩터이다. 수동 댐핑 마운트가 이러한 방해를 감쇠시키기 위해 사용되지만, 이들은 내부 및 외부 방해 감쇠를 위한 상반된 요구가 상충할 경우 부적절한 절충으로 인해 전적으로 성공적인 것은 아니다.If the disk drive is disturbed, it can affect the radial position of the read / write head relative to the disk. In conclusion, this disturbance adversely affects head / disk tracking. For this reason, the head and data tracks on the disc have a finite width large enough to ensure that the expected movement due to interference does not substantially affect the performance of the disc drive. In conclusion, the effect of interference is a limited factor on the data density of the largest area of the disk drive. Passive damping mounts are used to damp these disturbances, but they are not entirely successful due to improper compromise if there is a conflict between conflicting demands for internal and external disturbance attenuation.

본 발명은 상기한 문제 등을 다루며, 내부 및 외부 방해의 불리한 영향을 최소화하기 위해 디스크 드라이브에 사용하는 수동 댐핑 마운트의 최적의 댐핑 특성을 한정하기 위한 프로세스를 제공함으로써 종래 기술에 비해 다른 장점을 제공한다.The present invention addresses the above problems and the like, and provides other advantages over the prior art by providing a process for defining the optimal damping characteristics of passive damping mounts used in disk drives to minimize the adverse effects of internal and external disturbances. do.

본 발명은 정보를 저장하기 위한 디스트 드라이브에 관한 것이며, 특히 방해를 최소화하기 위해 디스크 드라이브에 대한 최적의 수동 댐핑 마운트의 특성을 식별하는 프로세스에 관한 것이다. 본 발명은 또한 기록 런아웃(written-in-runout)을 최소화하기 위해 서보 트랙 기록기에 대한 마운트 파라미터를 식별하는 데 적용할 수 있다.The present invention relates to disk drives for storing information, and more particularly to a process for identifying the characteristics of an optimal passive damping mount for a disk drive in order to minimize interference. The invention is also applicable to identifying mount parameters for a servo track recorder to minimize written-in-runout.

도1은 본 발명의 특징을 실행할 수 있는 디스크 드라이브의 투시도이다.1 is a perspective view of a disk drive capable of implementing the features of the present invention.

도2는 본 발명의 원리를 설명하는 스프링 댐핑 모델의 도면이다.2 is a diagram of a spring damping model illustrating the principles of the present invention.

도3은 수동 진동 방지의 기본적인 트레이드오프를 나타낸 그래프이다.3 is a graph showing the basic tradeoff of passive vibration prevention.

도4는 디스크 드라이브에 사용하는 최적의 수동 마운트 시스템을 설명하는데 사용되는 단계를 나타낸 흐름도이다.4 is a flow chart showing the steps used to describe an optimal manual mount system for use with a disk drive.

도5 및 6은 본 발명의 특징을 설명하는데 유용한 보이스 코일 모터 및 외부지진 방해 토크의 1계 마코브(Markov) 프로세스 표현의 파워 스펙트럼 밀도를 나타낸 그래프이다.5 and 6 are graphs showing power spectral densities of first-order Markov process representations of voice coil motors and external earthquake disturbance torques useful in describing features of the present invention.

도7 및 8은 본 발명의 소정의 특징을 설명하는데 유용한 마운트 파라미터의 함수로서 디스크 드라이브 모니터의 표면 플롯(surface plot) 및 제어 플롯을 각각 나타낸 도면이다.7 and 8 illustrate surface plots and control plots of a disk drive monitor, respectively, as a function of mount parameters useful for explaining certain features of the present invention.

본 발명은 디스크 드라이브에 사용하기 위한 최적의 진동 마운트를 설계하는 프로세스에 관한 것이다. 내부 및 외부 방해 모델은 디스크 드라이브에 대해 계산되며, 디스크 드라이브에 대한 내부 매트릭스가 한정된다. 상태 변수 추정량은 내부 매트릭스와, 외부 및 내부 방해 모델에 기초하여 한정되며, 상태 변수 추정량은상태 변수 추정 에러의 2-표준(2-norm) 같은 한정된 표준을 최소화한다. 상태 변수 추정량의 게인은 필터 대수 리카티 방정식(filter algebraic Riccati equation)에 대한 해로써 계산되며, 최적의 마운트 및 댐핑 파라미터는 계산된 상태 변수 추정량의 게인에 기초하여 유도된다. 본 발명의 실시예에서, 상태 변수 추정량의 게인은의 형태인 필터 대수 리카티 방정식(FARE)에 대한 유일하고, 대칭적이며 적어도 양의 값인 근사적으로 한정된 해로서 Σ인 공분산 매트릭스를 구함으로써 계산되며, 여기서 M은 관성 매트릭스이며, Θ은 관성 방해 세기 매트릭스이고 Ξ은 외부 방해 세기 매트릭스이다.The present invention relates to a process for designing an optimal vibration mount for use in a disk drive. Internal and external disturbance models are calculated for the disk drive and the internal matrix for the disk drive is defined. The state variable estimator is defined based on an internal matrix and external and internal disturbance models, and the state variable estimator minimizes a limited standard, such as a 2-norm of state variable estimation error. The gain of the state variable estimator is calculated as a solution to the filter algebraic Riccati equation, and the optimal mount and damping parameters are derived based on the gain of the calculated state variable estimator. In an embodiment of the invention, the gain of the state variable estimator is Calculated by finding the covariance matrix, Σ, as a uniquely symmetric, at least positive, approximate finite solution to the filter logarithmical equation (FARE), where M is the inertial matrix and Θ is the inertial disturbance Is the intensity matrix and Ξ is the external disturbance intensity matrix.

본 발명의 또다른 실시예에서, 상태 변수 추정량은로부터 게인(H)이 계산되는 칼맨(Kalman) 필터이다. 광학 마운트 댐핑 파라미터(B) 및 광학 마운트 강성도 파라미터(K)는으로부터 유도된다.In another embodiment of the invention, the state variable estimator is Is a Kalman filter from which the gain H is calculated. Optical mount damping parameter (B) and optical mount stiffness parameter (K) Derived from.

비록 본 발명이 자기 디스크 드라이브와 관련하여 설명될 것이지만, 본 발명의 원리는 광 디스크 드라이브, 서보 트랙 기록기 및 스핀 스탠드(spin stand)에 적용될 수 있다. 따라서, 본 발명이 자기 디스크 드라이브에 대한 최적의 댐핑을 결정하는 것과 관련하여 설명되지만, 본 발명은 또한 서보 트랙 기록기, 스핀 스탠드 및 광 디스크 드라이브에 사용하는 최적의 댐핑을 결정하기 위해 적용될 수 있다.Although the present invention will be described in connection with a magnetic disk drive, the principles of the present invention can be applied to an optical disk drive, a servo track recorder and a spin stand. Thus, while the present invention is described in terms of determining optimal damping for a magnetic disk drive, the present invention can also be applied to determine optimal damping for use in servo track recorders, spin stands and optical disk drives.

도1은 본 발명에 유용한 디스크 드라이브(100)의 투시도이다. 디스크 드라이브(100)는 베이스(102)와 상부 커버(미도시)를 갖는 하우징을 포함한다. 디스크 드라이브(100)는 디스크 클램프(108)에 의해 스핀들 모터(미도시) 상에 장착된 디스크 팩(106)을 더 포함한다. 디스크 팩(106)은 스핀들 중심축 주위로 동시 회전하도록 장착된 스핀들(109)에 장착된 복수개의 개별 디스크를 포함한다. 각각의 디스크 표면은 마주하고 있는 디스크 표면과 통신하기 위해 디스크 드라이브(100)에 장착되어 있는 관련된 디스크 헤드-슬라이더(110)를 갖는다. 헤드 슬라이더(110)는 디스크 팩(106)의 개별 디스크의 관련된 디스크 표면 위를 비행하도록 배치된 슬라이더 구조 및 마주하는 디스크 표면 상의 동심의 트랙으로 데이터를 기록하고 그로부터 데이터를 판독하기 위해 배치된 변환 헤드를 포함한다. 도1에 도시된 예에서, 헤드 슬라이더(110)는 엑추에이터(116)의 암(114)을 액세싱하는 트랙에 차례로 부착된 서스펜션(112)에 의해 지지된다. 엑추에이터(116)는 피봇축(120) 주위로 엑추에이터 및 엑추에이터에 부착된 헤드(100)를 회전시키 위한 보이스 코일 모터(VCM)(118)에 의해 구동된다. 엑추에이터(116)의 회전은 디스크 내부 직경(124)과 디스크 외부 직경(126) 사이의 소정의 데이터 트랙 위에 헤드를 위치시키기 위해 동작 경로(122)를 따라 헤드를 이동시킨다. 보이스 코일 모터(VCM)(118)는 헤드-슬라이더(110) 및 호스트 컴퓨터(미도시)에 의해 발생된 신호에 기초하여 회로 기판(130) 상에 포함된 서보 장치에 의해 구동된다. 판독 및 기록 장치는 또한 헤드-슬라이더(110)에 의해 디스크 팩(106)으로부터 판독된 데이터에 기초하여 호스트 컴퓨터에 신호를 제공하고 디스크에 데이터를 기록하기 위해 헤드-슬라이더(110)의 기록 헤드에 기록 신호를 제공하기 위해 회로 기판(130)에 포함된다.1 is a perspective view of a disk drive 100 useful in the present invention. Disk drive 100 includes a housing having a base 102 and a top cover (not shown). The disk drive 100 further includes a disk pack 106 mounted on a spindle motor (not shown) by the disk clamp 108. The disc pack 106 includes a plurality of individual discs mounted on the spindle 109 mounted to rotate simultaneously about the spindle center axis. Each disk surface has an associated disk head-slider 110 mounted to the disk drive 100 to communicate with the disk surface that is facing. The head slider 110 is a conversion head arranged to record data to and read data from a slider structure arranged to fly over an associated disk surface of an individual disk of the disk pack 106 and concentric tracks on the opposing disk surface. It includes. In the example shown in FIG. 1, the head slider 110 is supported by a suspension 112 that is in turn attached to a track that accesses the arm 114 of the actuator 116. The actuator 116 is driven by a voice coil motor (VCM) 118 for rotating the actuator and the head 100 attached to the actuator about the pivot axis 120. Rotation of the actuator 116 moves the head along the motion path 122 to position the head over a predetermined data track between the disc inner diameter 124 and the disc outer diameter 126. Voice coil motor (VCM) 118 is driven by a servo device included on circuit board 130 based on signals generated by head-slider 110 and a host computer (not shown). The reading and writing apparatus also provides a signal to the host computer based on the data read from the disk pack 106 by the head-slider 110 and writes to the recording head of the head-slider 110 for writing data to the disk. It is included in the circuit board 130 to provide a write signal.

수동 진동 마운트(132)는 디스크 드라이브(100)의 베이스(102)를 지지한다. 마운트(132)는 화살표(134)로 표시한 지진 진동으로부터 드라이브를 차단시킨다. 마운트(132)의 강성도가 감소함에 따라, 더 양호한 지진 진동의 감소를 얻을 수 있다. 예를 들어, 서보 트랙 기록기 및 스핀 스탠드는 2Hz 만큼 낮은 방진 고유 주파수를 갖는 공기 마운트(pneumatic mount)에 의해 차단되기도 한다. 이러한 연질의 방지 마운트는 상당히 낮은 주파수로 지진 방해에 기인한 외부 진동을 감소시킨다. 그러나, 연질의 방지 마운트는 보이스 코일 모터(118)에 의해 발생된 반작용력(136)(VCM 토크) 및 스핀들(109)의 불균형에 의해 발생된 반작용력(138)과 같은 내부적으로 발생된 방해에 기인한 에러 움직임을 감소시킨다. 통상적으로 이러한 방해에 기인한 에러 움직인은 경질의 마운트(132)에 의해 감소된다. 따라서, 외부 및 내부 진동 소스는 디스크 드라이브의 에러 움직임에 대해 상충 효과를 가져서 수동 마운트에 의한 하나의 소스의 감쇠가 다른 하나의 소스의 증폭을 초래한다.The passive vibration mount 132 supports the base 102 of the disk drive 100. Mount 132 isolates the drive from seismic vibrations, indicated by arrow 134. As the stiffness of the mount 132 decreases, a better reduction in seismic vibrations can be obtained. For example, the servo track recorder and spin stand may be blocked by a pneumatic mount with a vibration free natural frequency as low as 2 Hz. This soft mount prevents external vibrations due to seismic disturbances at significantly lower frequencies. However, the soft preventive mount may be subjected to internally generated disturbances such as reaction force 136 (VCM torque) generated by voice coil motor 118 and reaction force 138 generated by imbalance of spindle 109. Reduces error movement caused by Typically the error movement due to this disturbance is reduced by the hard mount 132. Thus, the external and internal vibration sources have a conflicting effect on the error movement of the disc drive such that attenuation of one source by manual mounting results in amplification of the other source.

도2는 디스크 드라이브(100) 같은 질량(M)을 차단시키는 원리를 나타내는 스프링 댐퍼 모델이다. 일괄하여 x0로 표현된 지진 움직임과 같은 외부 방해(134)는 질량(M)을 지지하는 플랫폼(P)에 인가되며, fd로 일괄하여 표현된 내부 방해(136, 138)는 질량(M)에 직접 작용한다. 6차원의 방해력 벡터(fd)는 디스크 팩 불균형(138) 및 VCM 토크(136) 같은 내부 방해를 모델링한다. 6차원 외부 방해 벡터(x0)는 디스크 드라이브에 영향을 주기 쉬운 지진 진동(134)을 모델링한다. 분산된 방지 장치에 의해 지지된 견고한 몸체부에 대한 움직인 방정식은이며, 여기서 x는 6개의 견고한 몸체부 자유도를 포함하는 6차원 벡터이며, M은 질량/관성 매트릭스이며, B는 댐핑 매트릭스이고 K는 강성도 매트릭스이며, x0는 외부 방해의 6차원 벡터이고 fd는 내부 방해의 6차원 벡터이다. 라플라스 변환과 다른 수학적 계산을 통해, 전달함수()는로 나타낼 수 있으며, 여기서 피드백 제어 용어와 조화롭게 P(s)는 민감도 함수이며 Q(s)는 상보적인 민감도 함수이다. 이러한 전달 함수 매트릭스는 합산하여 항등 매트릭스(I), 즉이 된다. 이러한 관계는 기본적인 트레이드오프를 설명하며, 내부 및 외부 방해의 완전한 감쇠는 불가능하다. 도3은 신호 자유도를 위한 P(s) 및 Q(s)의 보드 플롯이며 외부 방해의 향상된 감쇠가 내부 방해의 감쇠를 이용하여 발생하고 그 반대의 경우도 마찬가지임을 나타낸다. 이는 수동 진동 방지에 기인한 기본적인 트레이드오프이다. 본 발명은 최적의 강성도를 식별하기 위해 트레이드오프를 최적화하고 수동 댐핑 마운트를 댐핑하는 프로세스에 관한 것이다.2 is a spring damper model showing the principle of blocking a mass M such as a disk drive 100. External disturbances 134, such as earthquake movements collectively represented by x 0 , are applied to the platform P supporting the mass M, and internal disturbances 136, 138 collectively represented by f d are the masses M Acts directly). The six-dimensional disturbance vector f d models internal disturbances such as disk pack imbalance 138 and VCM torque 136. The six-dimensional external disturbance vector (x 0 ) models the seismic vibration 134 which is susceptible to the disk drive. The equation of motion for a rigid body part supported by a decentralized prevention device Where x is a six-dimensional vector containing six rigid body degrees of freedom, M is a mass / inertia matrix, B is a damping matrix, K is a stiffness matrix, x 0 is a six-dimensional vector of external disturbances, and f d Is a six-dimensional vector of internal disturbances. Through the Laplace transform and other mathematical calculations, the transfer function ( ) In harmony with feedback control terms, P (s) is a sensitivity function and Q (s) is a complementary sensitivity function. These transfer function matrices add up to the identity matrix (I), i.e. Becomes This relationship explains the basic tradeoffs, and full attenuation of internal and external disturbances is not possible. 3 is a board plot of P (s) and Q (s) for signal degrees of freedom, indicating that enhanced attenuation of external disturbances occurs using attenuation of internal disturbances and vice versa. This is a basic tradeoff due to passive vibration protection. The present invention is directed to a process for optimizing tradeoff and damping passive damping mounts to identify optimal stiffness.

본 발명은 프로세스 방해 및 센서 노이즈에 영향을 받기 쉬운 시스템에 대한 상태 변수 추정 에러의 2-표준을 최소화하기 위해 사용된 최적의 상태 변수 추정량인 칼맨 필터 같은 상태 변수 추정량을 사용한다. 이러한 방해 및 노이즈 소스가 백색 잡음 프로세서로 작용할 경우, 칼맨 필터는 상태 변수 추정량 문제에 대한 최적의 해를 제공한다. 본 발명은 내부 및 외부 방해가 백색 잡음 프로세스로 모델링될 수 있는 경우 칼맨 필터링 문제로서 수동 마운트 파라미터(예를 들어, 강성도 및 댐핑)의 설계를 어드레싱한다. 디스크 드라이브에 대한 최적의 수동 마운트 통합체는형태의 이중 적분기로서 플랜트(디스크드라이브(100))를 나타냄으로써 일반적인 칼맨 필터링의 형태로 캐스팅되며, 여기서 M은 디스크 드라이브 질량의 관성 매트릭스이고 fd(t) 및 x0(t)는 독립적인 가우스의 제로-평균 백색 잡음 프로세스로 가정된다. 상기 식(4)를 일반적인 칼맨 필터링 문제로 나타내면,,이며, 여기서 A는 매트릭스이며, L은 매트릭스이고, C는 매트릭스이다. 따라서, [A,L]이 안정화(제어가능)될 수 있고 [A,C]가 검출가능(관찰가능)한 칼맨 필터의 조건이 충족된다.The present invention uses a state variable estimator, such as a Kalman filter, which is an optimal state variable estimator used to minimize the two-standard of state variable estimation error for a system susceptible to process disturbances and sensor noise. When these disturbances and noise sources act as white noise processors, the Kalman filter provides an optimal solution to the state variable estimator problem. The present invention addresses the design of passive mount parameters (eg, stiffness and damping) as a Kalman filtering problem where internal and external disturbances can be modeled as white noise processes. Optimal manual mount integration for disk drives It is cast in the form of general Kalman filtering by representing the plant (disk drive 100) as a double integrator of the form, where M is the inertia matrix of the disk drive mass and f d (t) and x 0 (t) are independent Gaussian Is assumed to be a zero-averaged white noise process. If equation (4) is expressed as a general Kalman filtering problem, , Where A is the matrix Where L is the matrix Where C is the matrix to be. Thus, the condition of the Kalman filter where [A, L] can be stabilized (controllable) and [A, C] is detectable (observable) is satisfied.

외부 방해의 공분산은 외부 방해 세기 매트릭스(Ξ)와 디락 델타 함수(δ(t-τ))의 적이며, 내부 방해의 공분산은 내부 방해 세기 매트릭스(Θ)와 디락 델타 함수(δ(t-τ))의 적이다:The covariance of the external disturbance is the product of the external disturbance intensity matrix (Ξ) and the dirac delta function (δ (t-τ), and the covariance of the internal disturbance is the internal disturbance intensity matrix (Θ) and the dirac delta function (δ (t-τ) Is the enemy of)):

칼맨 필터링 문제에서, 상태 변수 추정 에러 변화의 합인 코스트 함수(J)가 최소화된다.In the Kalman filtering problem, the cost function J which is the sum of the state variable estimation error changes is minimized.

칼맨 필터링 알고리즘을 디스크 드라이브에 대한 최적 마운트 파라미터를 결정하는 문제에 적용하면, 에러 움직인 상태 변수 벡터(디스크 드라이브(100)의 질량의 위치 및 속도)가 최소화된다.Applying the Kalman filtering algorithm to the problem of determining the optimal mount parameters for the disk drive minimizes the error moved state variable vector (position and speed of the mass of the disk drive 100).

만일 Σ가 상태 변수 움직임 에러의 고정된 공분산을 나타내는 경우, 즉인 경우, 식(7)로부터의 코스트 함수(J)는 J=tr[Σ]로 표현될 수 있다.If Σ represents a fixed covariance of the state variable motion error, i.e. In this case, the cost function J from equation (7) can be expressed as J = tr [Σ].

칼맨 필터는 외부 방해(x0) 내부 방해(fd)에 영향을 주기 쉬운 시스템에 대한 상태 변수 움직임 에러()의 최소의 2-표준을 추정한다. 칼맨 필터 방정식은로 주어지며, 여기서 H는 칼맨 필터의 게인으로이다.Kalmaen filter state variables for the motion error affects the external disturbance (x 0) internal interference (f d) Easy system ( Estimate the minimum 2-standard of Karlman filter equation Where H is the gain of the Kalman filter to be.

공분산 매트릭스(Σ)는 필터 대수 리카티 방정식(FARE)에 대한 유일하고, 대칭적이며 적어도 양의 값인 근사적으로 한정된 해로서 얻어진다.The covariance matrix Σ is obtained as a uniquely symmetric, at least positive value, approximately defined solution to the filter logarithmetic Carty equation (FARE).

수동 마운트 통합체 문제에 대해, 칼맨 게인(H)은로 파라미터화될 수 있으며, 여기서 B와 K는 최적의 마운트 댐핑 및 강성도 매트릭스이다.For the passive mount integration problem, Calman Gain (H) Where B and K are the optimal mount damping and stiffness matrices.

본 발명의 프로세스는 도4의 흐름도에 따라 실행된다. 디스크 드라이브(100)의 관성 매트릭스(M)는 단계(200)에서 얻어진다. 단계(202)에서, 내부 방해(x0)는 세기 매트릭스(Θ)를 갖는 백색 잡음으로 모델링되며, 외부 방해(fd)는 세기 매트릭스(Θ)를 갖는 독립의 백색 잡음으로 모델링되고, 여기서 Ξ 및 Θ는이며,이다.The process of the present invention is executed in accordance with the flowchart of FIG. The inertia matrix M of the disk drive 100 is obtained in step 200. In step 202, the internal disturbance x 0 is modeled as white noise with an intensity matrix Θ, and the external disturbance f d is modeled as independent white noise with an intensity matrix Θ, where Ξ And Θ is Is, to be.

단계(204)에서, 칼맨 필터링 문제는인 필터 방정식(4)으로 한정된다. 칼맨 필터에 대한 공분산 매트릭스(Σ)는으로부터 단계(206)에서 계산된다. 칼맨 필터의 게인(H)은 식(9)와의 형태로 단계(202 및 206)에서 한정된 Σ 및 Θ의 값을 사용하여 단계(208)에서 계산된다. 단계(210)에서, 식(1)은 마운트 댐핑 매트릭스(B) 및 강성도 매트릭스(K)의 값에 대해 풀이되고, 이로 인해 디스크 드라이브에 대한 최적의 진동 방지 마운트 시스템을 한정한다.In step 204, the Calman filtering problem Is defined by the in-filter equation (4). The covariance matrix (Σ) for the Kalman filter Is calculated in step 206. The gain (H) of the Kalman filter is expressed by equation (9) Is calculated at step 208 using the values of Σ and Θ defined at steps 202 and 206 in the form of. In step 210, equation (1) is solved for the values of mount damping matrix (B) and stiffness matrix (K), thereby defining an optimal anti-vibration mount system for the disk drive.

Yes

본 발명의 프로세스는 시게이트 테크놀로지사의 ×15 Cheetah®9LP 디스크 드라이브 모델에 적용된다. 디스크 드라이브의 회전 관성은 2.47gm-in2으로 측정된다. 보이스 코일 모터 및 스핀들 불균형의 움직임에 기인한 내부 방해는 백색 잡음 프로세스를 사용하여 모델링된다. 외부 방해는 지진 진동 및 컴퓨터 장치의 다른 움직임에 대해 국제 표준화 기구(ISO)의 규격을 사용하여 추정한다.The process of the present invention is applied to the x15 Cheetah ® 9LP disk drive model from Seagate Technologies. The rotational inertia of the disk drive is measured at 2.47 gm-in 2 . Internal disturbances caused by movement of voice coil motor and spindle imbalance are modeled using a white noise process. External disturbances are estimated using the International Organization for Standardization (ISO) for seismic vibrations and other movements of computer devices.

스핀들(109)(도1)의 불균형에 기인한 내부 방해는 고계의 고조파를 갖는 단일 주파수에 대응하며 드라이브 설계 및 성능으로부터 직접 모델링될 수 있다. 보이스 코일 모터(118)의 움직임이 더 넓은 영역의 주파수를 여기시키지만, 본 발명의 예의목적을 위해 단지 보이스 코일 움직임으로부터 발생된 여기만 고려된다. 보이스 코일 모터(118)에 의해 발생된 토크 방해의 프로파일은로 주어진 1계 마코브 프로세스가 되도록 모델링된다. 더욱이, 특정 탐색 동안 보이스 코일 토크 프로파일의 파워 스펙트럼 밀도(PSD)가 결정되고 PSD 프로파일에 밀접하게 부합하는 1계 마코브 프로세스가 구해진다. 도5는 이를 설명한다. 마코브 파라미터인 β=200Hz 및 σ=10nm가 탐색 프로파일의 PSD에 상당히 적합하다는 것이 발견되었다.Internal disturbances due to the imbalance of the spindle 109 (FIG. 1) correspond to a single frequency with high harmonics and can be modeled directly from drive design and performance. While the movement of the voice coil motor 118 excites a wider range of frequencies, for the purposes of the present invention only excitations resulting from the voice coil movement are considered. The profile of the torque disturbance generated by the voice coil motor 118 is It is modeled to be a first-order Markov process given by. Moreover, the power spectral density (PSD) of the voice coil torque profile is determined during a particular search and a first-order Markov process is obtained that closely matches the PSD profile. 5 illustrates this. It has been found that the Markov parameters β = 200 Hz and σ = 10 nm are quite suitable for the PSD of the search profile.

외부 방해(즉, 지진 진동 및 섀시에서의 다른 콤퍼넌트의 움직임)는 컴퓨터 장치에 대한 ISO 규격에 근접시킴으로써 모델링된다. 1계 마코브 프로세스의 파워 스펙트럼 밀도는 도6에 도시된 바와 같이 외부 방해의 파워 스펙트럼 밀도 플롯에 부합된다. 마코브 파라미터인 β=10Hz 및 σ=1500e-9rads는 ISO 표준에 상당히 적합하도록 선택된다.External disturbances (i.e. seismic vibrations and movement of other components in the chassis) are modeled by proximity to the ISO specification for computer devices. The power spectral density of the first-order Markov process corresponds to the power spectral density plot of the external disturbance as shown in FIG. The Markov parameters β = 10Hz and σ = 1500e-9rads are chosen to be fairly compatible with ISO standards.

이러한 예를 위해, 보이스 코일 모터 토크 방해의 파워 스펙트럼 밀도의 주파수 형태와 외부 진동이 무시된다. 실제로, 주파수 쉐이핑은 칼맨 필터 방정식의 유도에서 백색 잡음 프로세스에 대한 쉐이핑 필터(shaping filter)를 사용하여 고려되거나, 무시될 수 있다. 이러한 예에 대한 파워 스펙트럼 밀도 표현의 주파수 쉐이핑을 무시하는 것은, 주파수 쉐이핑을 무시하지 않는 경우와 무시하는 경우가 유사한 주파수 프로파일(대역 한정된 백색 잡음)을 갖기 때문에 정밀도에서 주목할만한 손실을 발생시키지 않는다.For this example, the frequency form of the power spectral density of the voice coil motor torque disturbance and external vibrations are ignored. Indeed, frequency shaping can be considered or ignored using a shaping filter for the white noise process in the derivation of the Kalman filter equation. Ignoring the frequency shaping of the power spectral density representation for this example does not result in a noticeable loss in precision because the case of not neglecting and ignoring frequency shaping has a similar frequency profile (band-limited white noise).

칼맨 게인은 디스크 드라이브에 대해 계산(단계 208, 도4)되며, 결과는 질량 표준화 형태, 즉 고유 주파수 및 θz방향의 회전에서 디스크 드라이브의 댐핑으로 유도된다. 도7은 θz방향에서의 디스크 드라이브의 움직임의 변화 표면 플롯을 도시하며 최적화 문제의 컨벡시티(convexity)를 나타낸다. 도8은 최적의 마운트 파라미터가 확인될 수 있는 등고선도(contour plot)를 도시한다. 도8로부터, 경사도의 중심은 325KHz인 최적의 고유 주파수 및 0.707(1/)인 최적의 댐핑를 한정하는 것을 알 수 있다. 최적의 댐핑은 극이 복소 S-평면에서 버터워스 패턴(Butterworth pattern)에 존재하는 것이 칼맨 필터링 프로세스에 통상적이기 때문에 특히 흥미롭다.Kalmaen gain is calculated (step 208, Fig. 4) for a disk drive, the results are derived by the damping of the disk drive in the mass standard form, i.e. the natural frequency and the rotation θ z direction. Fig. 7 shows a change surface plot of the movement of the disc drive in the θ z direction and shows the convexity of the optimization problem. 8 shows a contour plot in which the best mount parameters can be identified. From Fig. 8, the center of the slope is the optimum natural frequency of 325 KHz and 0.707 (1 / It can be seen that it limits the optimal damping. Optimal damping is particularly interesting because it is common for the Kalman filtering process that the pole is present in the Butterworth pattern in the complex S-plane.

도8의 등고선도는 댐핑이 회전 진동에 기인한 에러 움직임을 최소화하는데 현저한 역할을 한다는 것을 설명한다. 댐핑이 무시될 수 있지만, 섀시에 견고하게 장착된 디스크 드라이브가 트랙 등록에 대한 문제점을 유발하는 높은 고유 주파수를 발생시킨다. 이러한 디스크에 대한 동작점은 등고선도에서 근접한 라인에 의해 명시된 것처럼 경사도가 상당히 높은 도8의 좌측상부 모서리에 있다. 본 발명에 의해 규정된 높은 댐핑율을 얻기 위한 효율적인 댐핑 매카니즘은 쿨롱 마찰(Coulomb friction) 같은 비선형 댐핑 원리를 포함하기 쉽다.The contour diagram of FIG. 8 explains that damping plays a prominent role in minimizing error movement due to rotational vibration. Damping can be ignored, but a disk drive that is rigidly mounted to the chassis generates high natural frequencies that cause problems with track registration. The operating point for this disc is at the upper left corner of Figure 8, where the slope is quite high, as indicated by the adjacent lines in the contour diagram. An efficient damping mechanism for obtaining the high damping rate defined by the present invention is likely to include nonlinear damping principles such as Coulomb friction.

따라서, 본 발명은 디스크 드라이브(100)에 대한 최적의 진동 마운트(132)를 설계하는 프로세스를 제공할 수 있다. 단계(202)에서, 모델 Ξ은 디스크 드라이브의 외부 방해(134)로서 계산되며, 모델 Σ는 디스크 드라이브에서 내부 방해(136, 138)로서 계산된다. 단계(200)에서, 내부 매트릭스(M)는 디스크 드라이브에 대해 한정된다. 단계(204)에서, 상태 변수 추정량은 내부 매트릭스(M)와, 외부 및 내부 방해 매트릭스 모델(Ξ및 Θ)에 기초하여 한정된다. 상태 변수 추정량은 2-표준 상태 변수 추정량 에러를 최소화하기 위해 선택된다. 단계(208)에서, 상태 변수 추정량의 게인은 제로 매트릭스 에러에 기초하여 계산(단계206)된다. 단계(210)에서, 최적의 마운트 댐핑(B) 및 강성도(K) 파라미터는 계산된 이득 및 관성 매트릭스로부터 유도된다.Thus, the present invention can provide a process for designing an optimal vibration mount 132 for the disk drive 100. In step 202, the model is calculated as the external disturbance 134 of the disk drive, and the model Σ is calculated as the internal disturbances 136 and 138 in the disk drive. In step 200, the internal matrix M is defined for the disk drive. In step 204, the state variable estimator is defined based on the inner matrix M and the external and internal disturbance matrix models Ξ and Θ. The state variable estimator is selected to minimize the two-standard state variable estimator error. In step 208, the gain of the state variable estimator is calculated (step 206) based on the zero matrix error. In step 210, the optimal mount damping (B) and stiffness (K) parameters are derived from the calculated gain and inertia matrix.

실시예에서, 상태 변수 추정량의 게인(H)은 필터 대수 리카티 방정식(FARE) 식의 해에 기초하여 단계(206)에서 공분산 매트릭스(Σ)를 계산함으로써 우선적으로 유도되며, 단계(208)에서 공분산 매트릭스(Σ), 외부 방해 매트릭스 모델(Ξ) 및 내부 방해 매트릭스 모델(Θ)에 기초한 상태 변수 추정량 게인을 계산한다. 최적의 마운트 댐핑(B) 및 강성도(K) 파라미터는 단계(210)에서 관련식으로부터 유도된다. 다른 실시예에서, 상태 변수 추정량은 칼맨 필터이다.In an embodiment, the gain H of the state variable estimator is a filter logarithmic Riccati equation (FARE) equation. Is derived first by calculating the covariance matrix (Σ) at step 206, based on the solution, and at step 208 to the covariance matrix (Σ), the external disturbance matrix model (Ξ) and the internal disturbance matrix model (Θ). Calculate the estimated state variable estimator gain. The optimal mount damping (B) and stiffness (K) parameters are related in step 210. Derived from. In another embodiment, the state variable estimator is a Kalman filter.

비록 본 발명이 마그네틱 디스크 드라이브에 대한 수동 진동 방지 마운트 시스템을 설계에 관하여 설명되었지만, 기술 분야의 당업자는 수동 진동 방지 마운트 시스템이 요구되는 다른 환경에서 실행될 수 있음을 알 것이다. 보다 상세하게,본 발명은 광 디스크 드라이브의 최적의 댐핑 및 강성도 파라미터를 설계하는데 사용될 수 있다. 더욱이, 본 발명이 복수의 디스크 표면을 가진 디스크 드라이브와 관련하여 설명되었지만, 본 발명은 단일 디스크가 내부 방해에 원인이 되는 곳에 실행될 수 있다.Although the present invention has been described in terms of designing a passive antivibration mount system for a magnetic disk drive, those skilled in the art will appreciate that a passive antivibration mount system may be implemented in other environments where such a requirement is required. More specifically, the present invention can be used to design optimal damping and stiffness parameters of an optical disc drive. Moreover, although the present invention has been described with reference to a disk drive having a plurality of disk surfaces, the present invention can be implemented where a single disk causes the internal disturbance.

본 발명의 다양한 실시예의 기능의 상세한 설명과 함께 실시예의 다양한 특성과 장점이 전술되었지만, 이는 단지 설명은 위한 것이고, 덧붙인 청구항의 범위 내에서 본 발명의 구성 및 배치에 대한 변화가 가능하다. 예를 들어, 전술된 필터 대수 리카티 방정식(FARE)은 상이한 표준의 최소화를 위한 추가의 항을 가질 수 있다. 칼맨 필터를 제외한 다른 추정량이 본 발명의 범위 및 사상을 벗어나지 않고 특정한 응용분야에 기초하여 최적의 마운트의 결정을 위해 사용될 수 있다. 다른 변경이 본 발명의 범위 및 사상을 벗어나지 않고 행해질 수 있다.While the various features and advantages of the embodiments have been described above in conjunction with the detailed description of the functionality of the various embodiments of the invention, these are for illustration only and modifications of the construction and arrangement of the invention are possible within the scope of the appended claims. For example, the filter algebraic Riccati equation (FARE) described above may have additional terms for minimizing different standards. Other estimators other than Kalman filters may be used for the determination of the optimal mount based on the particular application without departing from the scope and spirit of the present invention. Other changes may be made without departing from the scope and spirit of the invention.

Claims (8)

디스크 드라이브용 최적의 진동 마운트를 설계하는 프로세스로서,The process of designing the optimal vibration mount for a disk drive, a) 상기 디스크 드라이브에 대한 외부 방해 모델을 계산하는 단계;a) calculating an external disturbance model for the disk drive; b) 상기 디스크 드라이브에 대한 내부 방해 모델을 계산하는 단계;b) calculating an internal disturbance model for the disk drive; c) 상기 디스크 드라이브에 대한 관성 매트릭스를 한정하는 단계;c) defining an inertia matrix for the disk drive; d) 상태 변수 추정 에러의 한정된 표준을 최소화하기 위해 상기 관성 매트릭스와 상기 외부 및 내부 방해 모델에 기초하여 상태 변수 추정량을 한정하는 단계;d) defining a state variable estimator based on the inertia matrix and the external and internal disturbance models to minimize a defined standard of state variable estimation error; e) 필터 대수 리카티 방정식에 대한 해로서 상기 상태 변수 추정량의 게인을 계산하는 단계; 및e) calculating gain of said state variable estimator as a solution to a filter logarithmetic equation; And f) 상기 계산된 상태 변수 추정량 게인에 기초하여 최적의 마운트 댐핑 및 강성도 파라미터를 한정하는 단계를 포함하는 프로세스.f) defining an optimal mount damping and stiffness parameter based on the calculated state variable estimator gain. 제1항에 있어서, 상기 단계(e)는,The method of claim 1, wherein step (e) e1) 상기 필터 대수 리카티 방정식에 대한 상기 해에 기초하여 공분산 매트릭스를 계산하는 단계; 및e1) calculating a covariance matrix based on said solution to said filter logarithmetic equation; And e2) 상기 공분산 매트릭스에 기초하여 상기 상태 변수 추정량 게인을 계산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 프로세스.e2) calculating the state variable estimator gain based on the covariance matrix. 제1항에 있어서, 상기 단계(e)는,The method of claim 1, wherein step (e) (e1)형태의 필터 대수 리카티 방정식(여기서, M은 상기 관성 매트릭스, Θ는 상기 내부 방해 매트릭스 및 Ξ는 상기 외부 방해 매트릭스)의 해로부터 공분산 매트릭스(Σ)를 계산하고, 및(e1) Calculate a covariance matrix (Σ) from a solution of a filter logarithmic equation of the form where M is the inertial matrix, Θ is the internal disturbance matrix and Ð the external disturbance matrix, and (e2)로부터 상태 변수 추정량 게인(H)을 계산함으로써 실행되는 것을 특징으로 하는 프로세스.(e2) And calculating the state variable estimator gain (H). 제3항에 있어서, 상기 단계(f)는,The method of claim 3, wherein step (f) comprises: f1) B 및 K에 대해를 계산하고, 및f1) for B and K , And f2) 최적의 마운트 댐핑 매트릭스를 B로 설정하고 최적의 마운트 강성도 매트릭스를 K로 설정함으로써 실행되는 것을 특징으로 하는 프로세스.f2) a process characterized by setting the optimal mount damping matrix to B and setting the optimal mount stiffness matrix to K. 제1항에 있어서, 상기 상태 변수 추정량은 칼맨 필터인 것을 특징으로 하는 프로세스.The process of claim 1 wherein the state variable estimator is a Kalman filter. 제5항에 있어서, 상기 단계(e)는,The method of claim 5, wherein step (e) e1) 상기 필터 대수 리카티 방정식에 대한 해에 기초하여 공분산 매트릭스를 계산하는 단계; 및e1) calculating a covariance matrix based on the solution to the filter logarithmic Riccati equation; And e2) 상기 공분산 매트릭스 및 상기 관성 매트릭스에 기초하여 상기 칼맨 필터를 계산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 프로세스.e2) calculating said Kalman filter based on said covariance matrix and said inertia matrix. 제6항에 있어서, 상기 단계(e)는,The method of claim 6, wherein step (e) (e1)형태의 필터 대수 리카티 방정식(여기서, M은 상기 관성 매트릭스, Θ는 상기 내부 방해 매트릭스 및 Ξ는 상기 외부 방해 매트릭스)의 해로부터 공분산 매트릭스(Σ)를 계산하고, 및(e1) Calculate a covariance matrix (Σ) from a solution of a filter logarithmic equation of the form where M is the inertial matrix, Θ is the internal disturbance matrix and Ð the external disturbance matrix, and (e2)로부터 상기 칼맨 필터 게인(H)을 계산함으로써 실행되는 것을 특징으로 하는 프로세스.(e2) And calculating the Kalman filter gain H from. 제7항에 있어서, 상기 단계(f)는,The method of claim 7, wherein the step (f), f1) B 및 K에 대해를 계산하고, 및f1) for B and K , And f2) 최적의 마운트 댐핑 매트릭스를 B로 설정하고 최적의 마운트 강성도 매트릭스를 K로 설정함으로써 실행되는 것을 특징으로 하는 프로세스.f2) a process characterized by setting the optimal mount damping matrix to B and setting the optimal mount stiffness matrix to K.
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