KR20020051641A - 액튜에이터 구동 제어 회로 - Google Patents

Abstract

본 발명은 하드 디스크 드라이버의 액튜에이터의 구동을 제어하는 위치 제어 신호(u(t))를 제공하는 액튜에이터 구동 제어 회로에 관한 것으로서, 본 발명의 액튜에이터 구동 제어 회로는 액튜에이터에 의하여 이동하는 헤드 위치에 대한 상태 추정기 이득(), 헤드의 이동 속도에 대한 상태 추정기 이득() 및 헤드의 공진에 대한 상태 추정기 이득()이 각각 저장되어 있는 제 1 메모리와; 사용자의 위치 설정 신호(y(t))와 제 1 메모리의 상태 이득을 이용하여 추정 상태 정보()를 제공하는 추정기와; 헤드 위치에 대한 제어 이득(), 헤드의 속도에 대한 제어 이득(), 헤드의 공진에 대한 제어 이득()을 각각 구비하는 제 2 메모리와; 제어 이득과 추정 상태 정보()를 이용하여 위치 제어 신호(u(t))를 제공하는 승산기를 구비한다.

즉, 본 발명에서는 액튜에이터의 기계적 공진을 고려하여 액튜에이터의 구동을 제어함으로써 보다 정밀하게 그 구동을 제어할 수 있다는 효과가 있다.

Description

액튜에이터 구동 제어 회로{CIRCUIT FOR CONTROLLING AN ACTUATOR DRIVER}

본 발명은 액튜에이터 구동 제어 회로에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 액튜에이터를 이용하여 소정 기기를 이동시킬 때에 발생하는 기계적 진동을 고려하여 액튜에이터의 구동을 제어하는 액튜에이터 구동 제어 회로에 관한 것이다.

액튜에이터를 이용하여 기기를 이동시키는 장치의 예로는 하드 디스크 시스템을 들 수 있다. 하드 디스크 시스템에서는 하드 디스크를 회전시키면서, 헤드를 이동시킴으로써 헤드가 하드 디스크의 소정 위치의 정보를 기록/독출할 수 있도록 구성된다.

컴퓨터 기록 장치의 하나인 하드 디스크를 고 집적하는 방법으로는 인치당 트랙 수를 (track per inch : TPI) 많이 하는 방법 즉, 단위 트랙 폭을 좁게 형성함으로써 하드 디스크 내에 트랙 수를 증가시키는 방법이 제안되고 있다. 그러나 트랙 폭을 좁게 하기 위해서는 헤드(head)가 트랙을 더욱 정밀하게 추종하도록 액튜에이터를 구성하여야 한다. 따라서, TPI를 높이기 위해서는 헤드의 위치를 제어하는 액튜에이터의 서보 밴드 폭(servobandwidth)을 넓혀야 하나, 액튜에이터로 구동하는 VCM(Voice Coil Motor) 내 회전축(pivot)의 비선형성(nonlinearity)과 모델화되지 않은 기구학적 동적 특성 등에 의하여 필요로 하는 넓은 서보 밴드 폭을 얻을 수 없었다.

VCM의 과도 응답(transient response)과 서보 밴드 폭은 VCM의 베어링의 히스테리시스와 VCM의 아암(arm)에 부착된 서스펜션(suspension)의 기계적 공진(mechanical resonance)에 의하여 제한되며 특히, 서스펜션의 기계적 공진은 VCM의 과도 응답에 많은 제약을 가한다. 즉, 헤드가 설정 위치에 도달하는데 필요한 상승 시간(rising time)과 설정 시간(settling time)을 빠르게 하면 VCM 공진이 여기된다. 따라서, 현재의 제어 방법에서는 공진이 발생되지 않을 정도의 상승 시간 및 설정 시간을 갖도록 VCM의 구동을 제어하였다.

그러나 이런 수동적인 제어 방법으로는 600∼700㎲ 이하의 빠른 상승 시간 및 설정 시간을 얻을 수 없다는 문제가 있다.

본 발명은 이러한 문제를 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 기계적공진을 고려하여 액튜에이터의 구동을 제어할 수 있는 장치를 제공하는데 있다.

이러한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 하드 디스크 드라이버의 액튜에이터의 구동을 제어하는 위치 제어 신호(u(t))를 제공하는 제어 회로에 있어서, 액튜에이터에 의하여 이동하는 헤드 위치에 대한 상태 추정기 이득(), 상기 헤드의 이동 속도에 대한 상태 추정기 이득() 및 헤드의 공진에 대한 상태 추정기 이득()이 각각 저장되어 있는 제 1 메모리와; 사용자의 위치 설정 신호(y(t))와 상기 제 1 메모리의 상태 이득값들을 이용하여 추정 상태 정보()를 제공하는 추정기와; 헤드 위치에 대한 제어 이득(), 헤드의 속도에 대한 제어 이득(), 헤드의 공진에 대한 제어 이득()을 각각 구비하는 제 2 메모리와; 제어 이득과 상기 추정 상태 정보()를 이용하여 상기 위치 제어 신호(u(t))를 제공하는 승산기를 구비한다.

본 발명은 또한 액튜에이터에 의하여 소정 이동체가 이동하는 장치에서 상기 액튜에이터의 구동을 제어하는 위치 제어 신호(u(t))를 제공하는 제어 회로에 있어서, 액튜에이터에 의하여 이동하는 이동체 위치에 대한 상태 추정기 이득(), 상기 이동체의 이동 속도에 대한 상태 추정기 이득() 및 상기 헤드의 공진에 대한 상태 추정기 이득()이 각각 저장되어 있는 제 1 메모리와; 사용자의 위치 설정 신호(y(t))와 상기 제 1 메모리의 상태 이득값들을 이용하여 추정 상태 정보()를 제공하는 추정기와; 이동체 위치에 대한 제어 이득(), 이동체의속도에 대한 제어 이득, 이동체의 공진에 대한 제어 이득()을 각각 구비하는 제 2 메모리와; 상기 제어 이득과 상기 추정 상태 정보()를 이용하여 상기 위치 제어 신호(u(t))를 제공하는 승산기를 구비한다.

도 1은 본 발명이 적용되는 하드 디스크 시스템의 블록도,

도 2는 하드 디스크 시스템 내 보이스 코일 모터의 동적 특성을 도시한 도면,

도 3은 본 발명에 따라 하드 디스크 시스템 내의 보이스 코일 모터를 모델링한 블록도,

도 4는 본 발명에 따른 액튜에이터 구동 제어 회로의 블럭도,

도 5는 본 발명을 실험한 보이스 코일 모터의 동적 특성을 도시한 도면,

도 6은 본 발명을 실험한 보이스 코일 모터의 개 루프 전달 함수(Open loop transfer function)의 제로(zero) dB 크로스오버 주파수(crossover frequency)를 도시한 도면,

도 7은 본 발명을 실험한 보이스 코일 모터의 폐 루프 전달 함수(Closed Loop Transfer function)에서 서보 밴드 폭을 도시한 도면,

도 8은 본 발명을 실험한 보이스 코일 모터의 감도 함수(sensitivity function)의 최대 주파수 피크를 도시한 도면,

도 9는 본 발명을 실험한 보이스 코일 모터의 스텝 응답을 도시한 도면,

도 10은 본 발명을 실험한 보이스 코일 모터의 트랙 추종(track following)상태를 도시한 도면,

도 11은 본 발명을 실험한 보이스 코일 모터의 TMR(3σ)값을 도시한 도면.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10 : VCM 아암(arm) 11 : 하드 디스크

12 : 디스크 구동부 13 : 헤드

14 : 보이스 코일 모터 15 : 보이스 코일 모터 구동부

16 : 제어 회로 17 : 레이저 도플러 진동기

161 : 추정기 162 : 제 1 메모리

163 : 승산기 164 : 제 2 메모리

165 : 가산기

이하, 본 발명의 일 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1에는 본 발명에 따른 하드 디스크 시스템의 개략 블록도가 도시되어 있다.

하드 디스크 시스템은 하드 디스크(11)를 회전시키기 위한 디스크 구동부(12) 및 VCM(14)을 구비한다, VCM(14)은 아암(10)을 통하여 연결된 헤드(13)를 하드 디스크(11)의 소정 위치에 이동시키기 위한 액튜에이터로 작동한다.

VCM 구동부(15)는 제어 회로(16)의 위치 제어 신호(u(t))에 따라 VCM(14)을 구동시키며, 제어 회로(16)는 사용자가 설정한 위치 설정 신호(g(t)) 및 위치 검출 신호(y(t))에 대응하는 위치 제어 신호(u(t))를 제공한다. 위치 검출 신호(y(t))는 레이저 도플러 진동기(Laser Doppler Vibrator : LDV)(17)로부터 제공되며, LDV(17)는 레이저 빔을 헤드(11)로 송신하고, 헤드(11)로부터 반사되어 귀환되는 레이저 빔의 송수신 시간을 이용하여 헤드(11)의 현재 위치를 알리는 위치 검출 신호(y(t))를 제공한다.

이러한 구성을 갖는 하드 디스크 시스템 내 제어 회로(16)는 위치 설정 신호(g(t)) 및 위치 검출 신호(y(t))를 이용하여 적절한 위치 제어 신호(u(t))를제공하여야 하며, 이러한 제어 회로(16)를 설계하기 위해서 위치 제어 신호(u(t))에 VCM(17)이 응답하는 응답 특성을 모델링하여 적절한 위치 제어 신호(u(t))를 제어 회로(16)에 설정할 필요가 있다.

도 2에는 VCM(17)의 동적 특성이 도시되어 있다. 도시된 바와 같이 도 2는 DSA(Dynamic Signal Analyser) LDV를 이용하여 VCM(14)의 특성을 측정한 것이다. 도시된 바와 같이 첫 번째 공진(First resonance)은 3.1㎑근방에서 발생하고, 최고 주파수(frequency peak)는 18dB이다.

도 3에는 VCM(14)을 모델링한 블록도가 도시되어 있다. 도 3의 모델링 블록도는 위치 제어 신호(u(t))에 응답하는 VCM(14) 2차시스템(simple rigid body)의 동적 특성을 모델링하는 부분(31)과, VCM(14)에서 발생하는 공진 특성을 모델링하는 부분(32)으로 구분된다.

종래의 VCM(14) 모델링은 VCM(14) 2차시스템(simple rigid body) 모델링 부분(31)만이 존재하며 부분(32)을 이용하여 공진 특성을 같이 모델링하는 것은 본 발명자에 의하여 새로이 제안되는 신규 부분이다.

연속 시간 영역(Continuous time domain)에서 공진 특성 모델링 부분(32)의 공진 특성은 수학식 1로 표현된다.

,

여기서

이며,는를 미분한 값을 의미한다.

연속 시간 영역에서 고정 부분(31)의 동적 특성은 수학식 2로 표현된다.

여기서,

이며,는의 미분값을 의미한다.

여기서로 표현할 수 있으며,

(t)는 VCM 위치 상태,는 VCM 속도 상태,및는 공진 상태는 공진주파수,는 댐핑 율(damping ratio)을 각각 의미한다.

상기 수학식 1과 2를 합산(augment)하면 공진이 고려된 VCM(14)의 특성은 수학식 3과 같이 표현된다.

여기서,, 즉

이 된다.

한편, 도 3의 모델링 블록도 내의 상태 정보(x(t))가 실재 VCM(14)의 상태와 동일하도록 구성하기 위해서는 모델링 블록 내의 상태 정보(x(t))에 대하여 추정상태와 실제 상태의 차이가 빠르게 0(zero)으로 수렴하기 위하여 게인(L)을 곱해줄 필요가 있으며, 이러한 작동을 행하는 기능 블록을 추정기(estimator)라 한다.

상태 변수(x(t)) 및에 대응하는 추정기 내 상태() 및는 수학식 4와 같다.

여기서,는 추정기의 이전 상태를 의미한다.

수학식 4로 추정기 상태 이득(L)을 계산할 수 있으며, 상태 이득(L)을 계산하는 방법은 종래의 어떠한 방법도 채용할 수 있음은 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 용이하게 알 수 있을 것이다. 종래의 모델링 블록은 상술한 바와 같이 VCM(14) 고정 블록의 동적 특성을 모델링하는 부분(31)만을 고려하므로 추정기의 상태 이득(L)은 수학식 5와 같이 VCM(14) 위치에 대한 이득과 VCM(14)의 이동 속도에 대한 이득()의 2 차 행렬로 표현된다.

그러나, 본 발명에서는 VCM(14)의 공진 특성을 같이 모델링하는 부분(32)이 존재하며, 상기 수학식3에서 알 수 있는 바와 같이 추정기의 상태 이득(L)은 수학식 6과 같이 4 차 행렬로 표현된다.

여기서는 VCM(14) 위치에 대한 이득을 의미하고,는 VCM(14)의 이동 속도에 대한 이득을 의미하며,는 VCM(14)의 공진에 대한 이득을 각각 의미한다.

한편, 제어 회로(16)를 상태 궤환(State feedback) 방법으로 설계하고자 할 때에는 상기 수학식 3 및 4를 이용하여 용이하게 설계할 수 있다. 즉, 상태 궤환 제어 회로는 추정기에서 추정된 추정 상태 ()에 기 설정된 제어 이득을 승산함으로써 VCM(14)의 제어신호를 얻을 수 있으며, 제어 이득은 실험 등을 통하여 결정할 수 있다. 따라서, 제어 회로(16)가 제공하는 위치 제어 신호(u(t))는 수학식 7과 같이 쓸 수 있다.

여기서 K는 제어 이득을 의미하며, 추정기로부터의 추정 상태 정보()는4차의 행렬이므로 제어 이득(K) 역시 수학식 8과 같이 4 차의 행렬 값을 갖는다.

여기서,는 VCM(14) 위치에 대한 제어 이득을 의미하고,는 VCM(14)의 속도에 대한 제어 이득을 의미하며,는 VCM(14)의 공진에 대한 제어 이득을 의미한다.

이와 같이 본 발명에서는 VCM(14)의 공진 특성에 대한 제어 이득 즉,이 산출되나, 이에 반하여 종래에는 VCM(14)의 VCM(14)의 2차시스템(simple rigid body)의 동적 특성만을 이용하므로 제어 이득(K)의 2차 행렬 값만을 갖게 된다.

수학식 6과 8 통해서 알 수 있는 같이 본 발명은 종래의 방법 즉, VCM(14)의 공진에 의한 영향을 고려한 제어 회로를 설계하는데 그 목적이 있다. 수학식 6 과 8에 의하여 추출된 상태 추정기 이득(L)과 제어 이득(K)은 후술하는 바와 같이 제어 회로(16) 내의 팜웨어(firmware)에 저장함으로써 본 발명의 목적을 달성할 수 있다.

이하에서는 수학식 6 및 8에 따른 본 발명의 제어 회로(16)에 대하여 상세히 설명한다.

도 4에는 본 발명에 따른 제어 회로(16)의 블록도가 도시되어 있다. 도시된 바와 같이 제어 회로(16) 내에는 추정기(161)가 구성되며, 추정기(161)에는 제 1메모리(162)가 연결되어 있다. 제 1 메모리(162)내에는 상태 추정기 이득(L) 즉, VCM(14) 위치에 대한 상태 추정기 이득, VCM(14)의 이동 속도에 대한 상태 추정기 이득() 및 VCM(14)의 공진에 대한 상태 추정기 이득이 각각 저장되어 있다. 추정기(161)는 LDV(17)로부터의 위치 검출 신호(y(t))와 제 1 메모리(162) 내의 상태 추정기 이득(L)을 이용하여 수학식 4를 행함으로써 추정 상태 정보()를 검출한다.

추정기(161)에서 제공되는 추정 상태 정보()는 승산기(163)에 제공되며, 승산기(163)의 다른 일단에는 제어 이득(K) 즉, VCM(14) 위치에 대한 제어 이득, VCM(14)의 속도에 대한 제어 이득과 VCM(14)의 공진에 대한 제어 이득을 갖는 제 2 메모리(164)가 연결되어 있다. 승산기(163)는 추정 상태 정보()와 제 2 메모리(164)의 제어 이득(K)을 이용하여 수학식 7을 수행함으로써, 위치 제어 신호(u(t))를 산출한다.

승산기(163)의 위치 제어 신호(u(t))는 가산기(165)에서 사용자의 위치 설정 신호(g(t))와 가산되어 최종적인 위치 제어 신호(u(t))로 VCM 구동부(15)에 제공된다.

이하에서는 본 발명을 적용하는 예와 실험 결과를 설명한다. 본 실험 방법은 다른 모든 종류의 HDD에 적용할 수 있다. 즉 VCM의 공진 주파수가 크고, 주파수 피크(frequency peak)가 작은 신형의 HDD에 적용하면 개 루프 전달 함수(open loop transfer function)의 제로(zero) dB 크로스오버 주파수(crossover frequency)를실험한 것보다 더 높게 설정할 수 있으며 서보 밴드 폭(servobandwidth)을 더욱 높일 수 있다. 따라서, 본 실험 결과는 본 발명자가 제안한 제어기의 성능을 보여주기 위해서 임의의 한 HDD를 이용한 결과를 보여준다. 본 실험에서 설계하고 보여주는 모든 제어 회로의 샘플링 시간(sampling time)은 12㎑이고 또한 어떠한 노치 필터(notch filter)도 사용하지 않았다.

공진을 여기시키지 않으면서 빠른 전달 응답(transient response)과 넓은 서보 밴드 폭(servobandwidth)을 얻으려면 VCM 공진을 측정하여야 한다. 따라서 본 실험에서는 VCM 고정 동적 특성과 2차 공진 특성을 고려한 4차 추정기를 이용하여 제어하였다. 본 실험에서는 12㎑ 샘플링 주파수를 이용하였고, 5% 오차(overshoot)에 대해 설정 시간(settling time)은 400㎲을 얻었다. 감도 함수(Sensitivity function)에서 최대 주파수(maximum frequency peak)는 4dB이고 트랙 추종(track following) 실험에서 1track의 폭을 1㎛(25000TPI)로 설정했을 때 3σ값은 0.019㎛가 나왔다.

먼저, VCM(14)의 동적 특성을 살펴본다.

여기서 사용한 VCM 액튜이에터(actuator)의 동적 특성은 도 5와 같다.

첫 번째 공진은 3.1㎑근방에 있고 최대 주파수 피크가 18dB이다.

개 루프 전달 함수(Open loop transfer function)의 제로(zero) dB 크로스오버 주파수(crossover frequency)는 도 6에 도시된 바와 같이 모델화되지 않은 동적 특성을 고려하고 실제 양산성(Mass Product)시의 여유(margin)를 고려하여 500Hz(=3100Hz*(1/6))정도에 맞추었다.

폐 루프 전달 함수(Closed Loop Transfer function)에서의 서보 밴드 폭은 도 7에 도시된 바와 같이 1.35㎑를 얻었다.

또한 감도 함수(sensitivity function)의 최대 주파수 피크는 도 8에 도시된 바와 같이 4dB가 나왔다.

다음으로 스텝 응답(Step response)을 보면 1 track폭을 1㎛로 설정하고(25000TPI) 이 값을 LDV로 환산하면 300㎷이다. 도 9는 기준 신호(reference signal), 헤드 위치(head position) 및 위치 제어 신호(u(t))를 한꺼번에 도시한 것이다.

본 제어 방법을 이용하면 5% overshoot에 대하여 400㎲의 설정 시간(settling time)을 얻었다.

도 10은 200번 이상의 트랙 추종(track following) 상태를 연속적으로 겹쳐서 도시한 것이다.

다음으로 도 11은 TMR(3σ)값을 도시한 것으로서, 측정된 TMR(track misregistration)은 0.0058V로써 이 값을 LDV로 환산하면 0.019㎛에 해당한다.

TMR결과와 주파수 응답 결과는 현재 하드 디스크의 기억용량보다 2.5배∼3배 정도로 올릴 수 있는 결과를 얻었다.

상술한 예에서는 VCM에 의하여 이동되는 헤드에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 하드 디스크 시스템의 VCM 구동에 한정되는 것이 아니라 액튜에이터에 의하여 소정 기기가 이동되는 진동이 문제가 되는 모든 장치에 사용될 수 있음은 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 용이하게 알 수 있을 것이다.

이와 같이 본 발명에서는 액튜에이터의 기계적 공진을 고려하여 액튜에이터의 구동을 제어함으로써 보다 정밀하게 그 구동을 제어할 수 있다는 효과가 있다.

Claims (5)

1. 액튜에이터의 구동을 제어하는 위치 제어 신호(u(t))를 제공하는 액튜에이터 구동 제어 회로에 있어서,

   상기 액튜에이터의 위치에 대한 상태 추정기 이득, 상기 액튜에이터의 이동 속도에 대한 상태 추정기 이득및 상기 액튜에이터의 공진에 대한 상태 추정기 이득이 각각 저장되어 있는 제 1 메모리와;

   사용자의 위치 설정 신호(y(t))와 상기 제 1 메모리의 상태 이득을 이용하여 추정 상태 정보()를 제공하는 추정기와;

   상기 액튜에이터의 위치에 대한 제어 이득(), 상기 액튜에이터의 속도에 대한 제어 이득(), 상기 액튜에이터의 공진에 대한 제어 이득()을 각각 구비하는 제 2 메모리와;

   상기 제어 이득과 상기 추정 상태 정보()를 이용하여 상기 위치 제어 신호(u(t))를 제공하는 승산기를 구비하는 액튜에이터 구동 제어 회로.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 추정기는 상기 추정 상태 정보()를 하기 식으로 검출하며,

   는 이전 추정 상태 정보, C는이고,임을 특징으로 하는 액튜에이터 구동 제어 회로.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 승산기는 상기 위치 제어 신호(u(t))를 하기 식으로 검출하며,

   여기서 K는임을 특징으로 하는 액튜에이터 구동 제어 회로.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 승산기에서 검출된 상기 위치 제어 신호(u(t))에 사용자의 위치 설정 신호(g(t))를 가산하여 상기 위치 제어 신호(u(t))를 재 설정하는 가산기를 더 구비하는 액튜에이터 구동 제어 회로.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 액튜에이터는 보이스 코일 모터임을 특징으로 하는 액튜에이터 구동 제어 회로.