KR20090015833A - 자기 디스크장치 및 자기 헤드의 제어 방법 - Google Patents

자기 디스크장치 및 자기 헤드의 제어 방법

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KR20090015833A
KR20090015833A KR1020080076998A KR20080076998A KR20090015833A KR 20090015833 A KR20090015833 A KR 20090015833A KR 1020080076998 A KR1020080076998 A KR 1020080076998A KR 20080076998 A KR20080076998 A KR 20080076998A KR 20090015833 A KR20090015833 A KR 20090015833A
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신지 다카쿠라
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가부시끼가이샤 도시바
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Abstract

자기 디스크장치의 시크(seek) 제어에 있어서, 외력에 대해 강인한 시크 제어계를 구성할 수 있는 자기 디스크장치 및 자기 헤드의 제어 방법을 제공한다.
자기 디스크에 정보를 기록하고 재생하는 자기 헤드를 이동시키는 구동부와, 상기 구동부를 제어하는 제어 수단을 포함하며, 상기 제어 수단은, 적분기와 진상 보상기를 구비하며, 상기 자기 헤드의 목표 위치와 검출 위치와의 차이에 근거해 위치 명령어를 구해 상기 구동부를 피드백 제어하는 위치 오차 피드백 제어계와, 상기 자기 헤드의 목표 이동거리를 입력하고, 상기 구동부의 수식 모델을 이용해 전류 명령어를 상기 구동부에 출력하는 2 자유도 제어계를 구비하며, 상기 제어 수단은, 상기 수식 모델을 갱신하고, 상기 갱신에 즈음하여, 상기 적분기의 출력은 상기 구동부에게 부여하면서, 상기 진상 보상기의 출력을 이용해 상기 수식 모델을 갱신하는 제1의 갱신 모드를 갖는 것을 특징으로 하는 자기 디스크장치가 제공된다.

Description

자기 디스크장치 및 자기 헤드의 제어 방법{MAGNETIC DISC DEVICE AND METHOD OF CONTROLLING MAGNETIC HEAD}
본 발명은, 자기 디스크장치 및 자기 헤드의 제어 방법에 관한 것으로, 구체적으로는, 회전하는 자기 디스크상에서, 자기 헤드를 이동시키는 자기 디스크장치 및 자기 헤드의 제어 방법에 관한 것이다.
자기 디스크장치의 자기 헤드 위치 결정 제어계에 있어서는, 마이크로컴퓨터를 이용한 디지털 제어계가 구성되는 것이 일반적이다. 즉, 이산적으로 얻은 자기 헤드의 위치 정보로부터 마이크로 프로세서 내부에서 제어 명령어를 계산해, D/A(디지털·아날로그 변환기)를 통해 액츄에이터의 구동 드라이브에 제어 명령어를 주고 있다. 일반적으로, 액츄에이터는 고주파 대역에 기계 공진을 가지므로, 자기 헤드를 고속·저진동·저소음으로 목표 위치에 이동시키려면, 기계 공진을 여기하지 않는 피드 포워드(feed forward) 제어 입력을 생성하는 것이 매우 중요하다.
자기 헤드를 짧은 거리만 고속으로 이동시키는 방법으로서, 기계 공진을 여기하지 않도록 하는 액츄에이터에의 피드 포워드 제어 입력과, 피드백 제어계에의 목표 위치 명령어를, 최적화 수법을 이용해 미리 계산해 두어, 테이블로서 갖고 있는 것도 생각할 수 있다. 그렇지만, 모든 시크(seek) 거리에 대해서, 이러한 방법을 취하는 것은 마이크로 프로세서의 메모리 용량으로부터 불가능하다. 그 때문에, 장거리 시크의 경우, 온라인으로 액츄에이터에의 피드 포워드 제어 입력과 목표 위치 명령어를 생성해야 한다.
이를 위한 방법으로서, 제어계 내부에 액츄에이터 모델을 마련해, 모델 속도를 목표 속도 곡선에 추종시키는 것에 의해, 모델에의 제어 명령어와 모델 위치를 액츄에이터에의 피드 포워드 제어 입력과 목표 위치 명령어으로서 피드백 제어계에 각각 부여하는 방법이 생각되어 진다(예를 들면, 특허 문헌 1). 그러나, 특허 문헌 1에 기재된 헤드 위치 결정 제어계에 있어서는, 모델의 위치와 속도가 실제의 자기 헤드의 위치와 속도에 가깝지 않으면, 세틀링(settling)시 등에 자기 헤드가 오버슛해 버린다. 그래서, 시크 중에 얼마간의 모델 보정이 필요해져 왔다.
이를 위한 방법으로서, 시크 전반에 있어서는, 피드백 제어 출력을 모델의 입력에 가하는 것에 의해 모델의 갱신을 수행해, 자기 헤드의 위치와 속도를 모델에 의해 추정하고, 추정된 모델의 위치와 속도를 이용해 속도 제어계를 구성하는 방법이 있다(예를 들면, 비특허 문헌 1). 이 방법은, 게다가, 자기 헤드가 목표 위치에 가까워진 시크 후반에 있어서는, 피드백 제어 출력을 액츄에이터에 가하도록 전환하여, 통상의 2 자유도 제어계를 구성하는 방법이다.
그런데, 자기 디스크장치와 같이 서보계를 구성해야만 하는 경우, 피드백 제어기는 적분기를 갖고 있다. 그 때문에, 이러한 시크 제어계를 구성했을 경우, 적 분기의 출력도 모델에 더해지기 때문에, 마그넷 래치(magnet latch) 힘 등의 외력이 큰 경우에 있어서는, 적분기의 출력이 커진다. 그 때문에, 통상의 2 자유도 제어계로 전환했을 때에 제어 명령어에 과도 응답이 나와 버린다.
또, 자기 디스크장치의 경우, 자기 헤드가 고속으로 이동하면 서보 패턴을 비스듬하게 횡단하게 되어, 위치 검출 노이즈가 커지게 된다. 상기 위치 검출 노이즈는 피드백 제어 출력을 통해 모델측의 속도 피드백 제어계에 영향을 주기 때문에, 진동적인 피드 포워드 제어 명령어가 생성되어 버린다. 이는, 소음의 원인으로도 된다. 이들로부터, 예를 들면 특허 문헌 1 또는 비특허 문헌 1에 기재된 제어계에 있어서는, 큰 외력이 작용하는 것 같은 환경에서는 강인한 시크 제어를 실현시키는 것이 어렵다. 게다가, 위치 검출 노이즈의 영향을 저감하는 것도 어렵다.
[특허 문헌 1] 일본특허공개공보 평9-73618호
[비특허 문헌 1] 일본기계학회 제74기 통상총회 강연논문집4 pp.41O-411(1997) 도 3
본 발명은, 이와 같은 과제의 인식에 근거해 이루어진 것이며, 자기 디스크장치의 시크 제어에 있어서, 외력에 대해서 강인한 시크 제어계를 구성할 수 있는 자기 디스크장치 및 자기 헤드의 제어 방법을 제공한다.
본 발명의 한 태양에 의하면, 자기 디스크에 정보를 기록하고 재생하는 자기 헤드를 이동시키는 구동부와, 상기 구동부를 제어하는 제어 수단을 포함하며, 상기 제어 수단은, 적분기와 진상 보상기(phase-lead compensator)를 구비하며, 상기 자기 헤드의 목표 위치와 검출 위치와의 차이에 근거해 위치 명령어를 구해 상기 구동부를 피드백 제어하는 위치 오차 피드백 제어계와, 상기 자기 헤드의 목표 이동거리를 입력하고, 상기 구동부의 수식 모델을 이용해 전류 명령어를 상기 구동부에 출력하는 2 자유도 제어계를 구비하며, 상기 제어 수단은, 상기 수식 모델을 갱신하고, 상기 갱신에 즈음하여, 상기 적분기의 출력은 상기 구동부에게 주면서, 상기 진상 보상기의 출력을 이용해 상기 수식 모델을 갱신하는 제1의 갱신 모드를 갖는 것을 특징으로 하는 자기 디스크장치가 제공된다.
본 발명의 다른 태양에 의하면, 자기 디스크에 정보를 기록하고 재생하는 자기 헤드를 이동시키는 자기 헤드의 제어 방법이며, 적분기와 진상 보상기를 이용하며, 상기 자기 헤드의 목표 위치와 검출 위치와의 차이에 근거해 위치 명령어를 구해 상기 자기 헤드의 구동부를 피드백 제어하면서, 상기 자기 헤드의 목표 이동거 리를 입력하고, 상기 구동부의 수식 모델을 이용해 전류 명령어를 상기 구동부에 출력하여 제어하며, 상기 수식 모델을 갱신하고, 상기 갱신에 즈음하여, 상기 적분기의 출력은 상기 구동부에게 주면서, 상기 진상 보상기의 출력을 이용해 상기 수식 모델을 갱신하는 모드를 갖는 것을 특징으로 하는 자기 헤드의 제어 방법이 제공된다.
본 발명에 의하면, 자기 디스크장치의 시크 제어에 있어서, 외력에 대해 강인한 시크 제어계를 구성할 수 있는 자기 디스크장치 및 자기 헤드의 제어 방법이 제공된다.
이하, 본 발명의 실시예에 대해 도면을 참조하면서 설명한다. 한편, 도면 중, 같은 구성요소에는 동일한 부호를 붙여 상세한 설명은 적당히 생략한다. 도 1은, 본 발명의 실시예에 따른 자기 디스크장치의 주요부를 나타내는 개념도이다. 본 실시예의 자기 디스크장치는, 마이크로 프로세서(MPU)(18)를 주요 구성 요소로 하는 헤드 위치 결정 제어 기구(제어 수단)를 구비한다. 자기 헤드(11)는 암(12)에 지지되고 있으며, 암(12)은 음성 코일 모터(VCM)(13)의 구동력에 의해 자기 헤드(11)를 디스크(14)의 반경 방향으로 이동시킨다. VCM(13)은, 마그넷(15)과 구동 코일(16)을 구비하며, 파워 앰프(17)로부터 공급되는 전류에 의해 구동된다. MPU(18)은 제어 명령어를 연산하고, 이 제어 명령어가 D/A 컨버터(19)에 의해 아날로그 신호로 변환되어, 파워 앰프(17)에게 전달된다. 파워 앰프(17)는, MPU(18)로 부터의 제어 명령어를 구동 전류로 변환해 VCM(13)에 공급한다.
디스크(14)는 1매 또는 복수매 설치되어 있으며, 스핀들 모터에 의해 고속 회전한다. 디스크(14) 상에는 동심원 형태로 복수의 트랙이 형성되고 있으며, 일정 간격으로 서보 영역(2O)이 설치되어 있다. 서보 영역(2O)에는 트랙의 위치 정보가 미리 채워져 있으며, 자기 헤드(11)가 서보 영역(2O)을 횡단하는 것에 의해 자기 헤드(11)로부터의 신호를 헤드 앰프(21)로 수취해, 상기 리드 신호를 증폭하여 서보 데이터 처리 회로(22)에 신호를 공급한다. 서보 데이터 처리 회로(22)는, 증폭된 리드 신호로부터 서보 정보를 생성해, 일정시간 간격으로 MPU(18)에 출력한다. MPU(18)은 I/0(23)로부터 수취한 서보 정보로부터 자기 헤드(11)의 위치를 산출하며, 얻어진 자기 헤드 위치로부터 VCM(13)에 흘려야 할 제어 명령어를 일정시간 간격으로 계산한다.
도 2는, 본 발명의 제1 실시예를 나타내는 블록도이다. 도 2에 나타낸 시크 제어계는, 위치 오차 피드백 제어계(100)와 모델측 제어계(2OO)를 구비하고 있다. 모델측 제어계(200)에 있어서는, 액츄에이터의 가상적인 수식 모델에 대한 속도 제어계가 구축되어 있으며, 모델 속도를 목표 속도에 추종시키는 것에 의해, 위치 오차 피드백 제어계(100)에 부여하는 목표 위치 명령어와, 피드 포워드 제어 입력을 생성한다. 모델측 제어계(200)로부터 출력된 피드 포워드 제어 입력은, 목표 트랙의 위치(Target Position)의 정보와 함께, 속도 피드백 컨트롤러(300)에 입력되어, 리미터(4OO)와 영차홀드(Zero Order Hold)(42O)를 매개로, VCM(13)에의 피드 포워드 제어 입력으로서 출력된다.
또, 모델측 제어계(200)에 있어서는, 상태방정식인 A 매트릭스(21O), B 매트릭스(22O), C 매트릭스(240), 1 샘플 지연(23O)이 조합되어 있다.
액츄에이터(VCM(13))의 시크 성능을 향상시키는 데에는, 순조로운 피드 포워드 제어 입력을 액츄에이터에게 부여하는 것이 중요하기 때문에, 모델측 제어계(200)에 있어서는, 위치 오차 피드백 제어계(1OO)의 주기 Ts의, 예를 들면, 2배의 샘플링 주기 Ts/2로 연산이 실행되고 있다.
또, 속도 제어계의 구성에 관해서는 가속시의 전류 포화가 있는 것으로부터, 속도 오차에 대해서 정수 이득 피드백이 제공되고 있다. 액츄에이터(VCM(13))의 고성능인 시크를 실현하기 위해서는 정확한 모델이 필요하지만, 미리 고정밀도의 모델을 준비해 두는 것은 불균형 등 때문에 어렵다. 그래서, 시크 중에 모델측 제어계(200)의 갱신을 수행해, 모델 상태를 액츄에이터(VCM(13))의 상태에 접근하도록 한다.
위치 오차 피드백 제어계(100)는, 적분기(110)와 진상 보상기(120)를 구비한다. 제어 명령어가 포화하지 않을 때에 있어서는, 스위치 sw2를 단자 2에 접속하여 적분기(110)의 출력을 액츄에이터(VCM(13))에 가한다(제1의 갱신 모드). 그리고, 제어 명령어가 포화할 때에 있어서는, 스위치 sw2를 단자 1에 접속해 적분기(110)의 출력을 모델측 제어계(200)의 입력에 가하도록 한다(제2의 갱신 모드). 또, 나머지 거리가 긴 시크 전반에 있어서는, 스위치 sw1를 단자 1에 접속해 진상 보상기(120)의 출력을 모델측 제어계(200)의 입력에 가하는 것에 의해 모델측 제어계(200)의 갱신을 수행한다(제1의 갱신 모드). 그리고, 나머지 거리가 짧아진 시 크 후반에 있어서는, 스위치 sw1를 단자 2로 스위칭해 통상의 2 자유도 제어계로 한다.
도 3은, 본 실시예에 있어서, 외력이 큰 방향으로 시크시켰을 때의 제어 명령어를 나타내는 그래프(실험 결과)이다. 또, 도 4는, 본 실시예에 있어서, 외력이 작은 방향으로 시크시켰을 때의 제어 명령어를 나타내는 그래프(실험 결과)이다. 도 3, 도 4에 나타낸 그래프의 가로축은 시간(밀리 세컨드)을 나타내고 있으며, 세로축은 D/A컨버터(19)(도 1 참조)에게 제공하는 제어 명령어 수치를 나타내고 있다.
도 3에 나타낸 그래프에 있어서, 시크 종료시의 제어 명령어 수치의 크기 A로부터, 이 실험에서 이용한 자기 디스크 장치에 있어서는, 최대 제어 명령어 수치의 약 1O% 정도의 외력이 작용하고 있는 것을 알 수 있다. 또, 마그넷 래치 힘 등의 외력이 큰 방향에의 시크에 있어서는, 시크 제어계의 스위치 sw1를 스위칭했을 때의 과도 응답이 나와 있지 않은 것을 알 수 있다. 게다가, 도 4에 나타낸 그래프보다, 외력이 작은 방향에의 시크에 있어서도, 스위치 sw1의 스위칭시에 불연속인 제어 명령어는 발생하지 않은 것을 알 수 있다.
이와 같이, 적분기(110)의 출력을 액츄에이터(VCM(13))에 가하도록 하고, 진상 보상기(120)의 출력을 모델측 제어계(200)의 입력에 가하도록 하고 있기 때문에, 마그넷 래치 힘 등의 외력이 큰 방향에의 시크와, 외력이 작은 방향에의 시크와의, 양쪽 모두의 시크에 있어서, 도 2에 나타낸 시크 제어계의 스위치 sw1를 스위칭했을 때의 과도 응답은 나와 있지 않다.
도 5는, 비교예를 예시하는 블록도이다. 도 5에 나타낸 시크 제어계에 있어서는, 도 2에 나타낸 본 실시예의 시크 제어계에 대해서, 위치 오차 피드백 제어계(100)는 적분기(110)와 진상 보상기(120)로 구분되어 있지 않다. 이러한 제어계에 있어서는, 시크 제어로부터 위치 결정 제어에의 이행을 원활히 실시하기 위해, 시크 전반에 있어서는 위치 결정 제어기를 이용해 모델측 제어계(200)의 갱신을 수행하고, 목표 위치에 가깝게 되었을 때에 있어서 통상의 2 자유도 제어계로 전환하도록 하고 있다.
즉, 시크 전반의 모델측 제어계(200)의 갱신에 있어서는, 위치 오차 피드백 제어계(100)의 출력을 모델측 제어계(200)의 입력에 가해(스위치 sw1를 단자 2에 접속), 모델의 상태(위치와 속도)가 액츄에이터의 움직임에 가깝게 되도록 하고 있다. 그리고, 시크 후반에 있어서는, 위치 오차 피드백 제어계(100)의 출력을 액츄에이터에 넣고(스위치 sw1를 1에 접속), 통상의 2 자유도 제어계로 하고 있다. 이와 같이 함에 의해, 시크 시의 전류 포화의 영향과 위치 검출 노이즈의 영향을 작게 하고 있다.
그렇지만, 이러한 시크 제어계에 있어서는, 액츄에이터(VCM(13))에 마그넷 래치 힘 등의 큰 외력이 작용하고 있는 경우, 스위치 sw1를 스위칭했을 때에 제어 명령어에 과도 응답이 발생하는 경우가 있다. 게다가, 암(12)을 고속으로 이동시키면, 자기 헤드(11)는 서보 영역(2O)을 비스듬하게 횡단하기 때문에, 실린더 코드를 잘못 읽어내게 되어, 위치 검출 노이즈가 커진다. 그 때문에, 위치 오차 피드백 제어계(1OO)를 통해 노이즈가 속도 피드백 컨트롤러(300)에 영향을 주어, 노이 즈에 의한 진동 성분이 제어 명령어로 나와 버린다.
액츄에이터(VCM(13))의 시크 성능을 향상시키는 데에는, 순조로운 피드 포워드 제어 입력을 액츄에이터에게 부여하는 것이 중요하다. 그 때문에, 모델측 제어계(200)에 있어서는, 위치 오차 피드백 제어계(100)의 주기 Ts의 n배의 샘플링 주기 Ts/n으로 연산이 실행되고 있다.
또, 속도 제어계의 구성에 관해서는 가속시의 전류 포화가 있는 것으로부터, 속도 오차에 대해서 정수 이득 피드백이 제공되고 있다. 액츄에이터(VCM(13))의 고성능인 시크를 실현하기 위해서는 정확한 모델이 필요하지만, 미리 고정밀도의 모델을 준비해 두는 것은 불균형 등 때문에 어렵다. 그래서, 시크 중에 모델측 제어계(200)의 갱신을 수행해, 모델의 상태를 액츄에이터(VCM(13))의 상태에 접근하도록 한다.
도 6은, 비교예에 있어서, 외력이 큰 방향으로 시크시켰을 때의 제어 명령어를 나타낸 그래프(실험 결과)이다. 또, 도 7은, 비교예에 있어서, 외력이 작은 방향으로 시크시켰을 때의 제어 명령어를 나타내는 그래프(실험 결과)이다. 도 6, 도 7에 나타낸 그래프의 가로축은 시간(밀리 세컨드)을 나타내고 있으며, 세로축은 D/A컨버터(19)(도 1 참조)에게 부여되는 제어 명령어 수치를 나타내고 있다.
도 6에 나타낸 그래프에 있어서, 시크 종료시의 제어 명령어 수치의 크기 A로부터, 이 실험에서 이용한 자기 디스크장치에 있어서는, 최대 제어 명령어 수치의 약 1O% 정도의 외력이 작용하고 있는 것을 알 수 있다. 또, 마그넷 래치 힘 등의 외력이 큰 방향에의 시크에 있어서는, 스위치 sw1를 스위칭한 때에 불연속인 제 어 명령어 수치가 발생하고 있는 것을 알 수 있다.
한편, 도 7에 나타낸 그래프보다, 외력이 작은 방향으로의 시크에 있어서는, 불연속인 제어 명령어 수치는 액츄에이터(VCM(13))에게 부여되고 있지 않은 것을 알 수 있다. 이러한 것들로부터, 도 5에 나타낸 비교예와 같이, 위치 오차 피드백 제어계(100)의 출력을 모델측 제어계(200)의 입력에 가하는 방법은, 외력이 작은 경우에 있어서는, 스위치 sw1의 스위칭에 의한 과도 응답은 매우 작아서 문제는 없지만, 암(12)에 마그넷 래치 힘 등의 큰 외력이 작용하고 있는 것 같은 경우에 있어서는, 외력에 대해서 강인성이 낮은 것을 알 수 있다. 제어 명령어의 급격한 과도 응답은, 기계 공진을 여기해 세틀링시의 불균형을 일으켜 버린다. 그 때문에, 기입 금지 회수가 많아져, 성능을 열화시켜 버린다.
도 8은, 도 7에 나타낸 제어 명령어 수치의 평균치로부터의 불균형을 나타내는 그래프이다. 가로축은 시간(밀리 세컨드)을 나타내고 있으며, 세로축은 D/A 컨버터(19)(도 1 참조)에게 부여하는 제어 명령어 수치를 나타내고 있다. 시크시의 불균형은, 시크가 종료한 온 트랙 상태에 있어서의 불균형에 대해 매우 크다. 또, 제어 명령어 수치의 불균형은, 목표 위치에 가깝게 되어 헤드 스피드가 늦어지는 것에 따라 작아지고 있다. 이것은, 위치 검출 노이즈가 모델측 제어계(200)의 갱신을 통해 모델 속도를 이용한 속도 제어계에 영향을 주고 있기 때문에 있다고 생각된다. 시크시에 전류의 불균형이 발생하는 것은, 시크시의 소음을 크게 함과 동시에, 세틀링시의 불균형을 일으키기 쉬워지게 된다.
이하, 관측기를 구성했을 때의 샘플점상에서의 본 실시예에 따른 시크 제어 계의 안정성에 대해 설명한다. 도 9는, 모델 입력단의 멀티 레이트 관측기를 나타내는 블록도이다. 또, 도 1O은, 모델 갱신의 타이밍을 나타내는 모식도이다. 도 9에 나타낸 관측기에 있어서는, 진상 보상기(120)의 출력을 모델측 제어계(2OO)의 입력에 가해, 모델의 상태를 프런트의 상태에 접근하도록 한다.
액츄에이터(VCM(13))의 시크 성능을 향상시키는 데에는, 순조로운 피드 포워드 제어 입력을 액츄에이터에게 부여하는 것이 중요하다. 그 때문에, 도 1O에 나타낸 모델 갱신의 타이밍과 같이, 모델측 제어계(200)에 있어서는, 위치 오차 피드백 제어계(100)의 주기 Ts의 r배의 샘플링 주기 Ts/r로 연산이 실행되고 있다.
VCM(13)의 모델을 식 (1), VCM(13)을 식 (2), 및 진상 보상기(120)를 식 (3)으로 나타낸다.
Figure 112008056506587-PAT00001
Figure 112008056506587-PAT00002
Figure 112008056506587-PAT00003
또, 도 9에 나타낸 것 같은 관측기를 구성했을 경우, 상기 관측기는 식 (4) 로 나타내어 진다.
Figure 112008056506587-PAT00004
관측 오차는, 식 (5)로 나타내어 진다.
Figure 112008056506587-PAT00005
샘플점상의 모델과 VCM(13)과의 상태는, 각각 식 (6), 식 (7)과 같이 나타내어지며, 식 (5)는 식 (8)과 같이 된다.
Figure 112008056506587-PAT00006
Figure 112008056506587-PAT00007
Figure 112008056506587-PAT00008
이들 식으로부터, 샘플점상의 오차 시스템은, 식 (9)와 같이 된다.
Figure 112008056506587-PAT00009
이상의 계산으로부터, 식 (9)의 고유치가 단위원 내에 존재하면 관측기는 안정한 것을 알 수 있다.
이하, 반드시 이 조건이 만족되는지 아닌지를 검토한다. 도 11은, 단순한 모델측 제어계(200)의 피드백 제어계를 나타내는 블록도이다. 도 11에 나타낸 제어계에 있어서, 제어 대상은 위치 오차 피드백 제어계(100)가 계산되는 주기 Ts의 1/r로 계산된다. 이 제어계는, 샘플점상의 응답을 고려하면, 주기 Ts의 피드백 시스템과 같다. 따라서, 우선, 식 (1O)과 식 (11)이 성립된다.
Figure 112008056506587-PAT00010
Figure 112008056506587-PAT00011
이들 식으로부터, 이하의 식이 유도된다.
Figure 112008056506587-PAT00012
지금부터, 이하의 식이 성립된다.
Figure 112008056506587-PAT00013
여기서, 일반적으로 다음의 식이 성립되는 것이 알려져 있다.
Figure 112008056506587-PAT00014
이상으로부터, 식 (13)과 식 (9)의 행렬식이 같아지는 것을 알 수 있다. 따라서, 주기 Ts로 이산화된 제어 대상에 대해서 피드백 루프가 안정되도록 위치 오 차 피드백 제어계(1OO)를 설정하면, 식 (9)는 안정된다.
이상 설명한 것처럼, 본 실시예에 의하면, 위치 오차 피드백 제어계(100)를 적분기(110)와 진상 보상기(120)로 구분하고 있다. 적분기(110)의 출력을 액츄에이터(VCM(13))에 가하고, 게다가 진상 보상기(120)의 출력을 모델측 제어계(200)의 입력에 가하는 것에 의해, 모델측 제어계(2OO)의 갱신을 수행하고 있다. 다만, 제어 명령어가 포화하고 있는 경우에 있어서는, 적분기(110)의 출력을 모델측 제어계(200)의 입력에 가하도록 한다. 이에 의해, 외력이 큰 환경에 있어서도, 제어계의 전환에 의한 과도 응답을 작게 할 수가 있어서, 외력에 대해서 강인한 시크 제어계를 구성할 수 있다.
다음으로, 본 발명의 제2의 실시예에 따른 시크 제어계에 대해 설명한다. 도 12는, 본 발명의 제2의 실시예를 나타내는 블록도이다. 도 12에 나타낸 시크 제어계에 있어서는, 도 2에 나타낸 시크 제어계와 같이, 위치 오차 피드백 제어계(1OO)가, 적분기(110)와 진상 보상기(120)로 구분되어 있다. 또, 도 12에 나타낸 시크 제어계는, 모델측 제어계(200)를 구비하고 있다. 모델측 제어계(200)에 있어서는, 액츄에이터의 가상적인 수식 모델에 대한 속도 제어계가 구축되어 있으며, 모델 속도를 목표 속도에 추종시키는 것에 의해, 위치 오차 피드백 제어계(1OO)에 부여하는 목표 위치 명령어와, 피드 포워드 제어 입력을 생성한다. 모델측 제어계(200)로부터 출력된 피드 포워드 제어 입력은, 목표 트랙의 위치의 정보와 함께, 속도 피드백 컨트롤러(300)에 입력되어, 리미터(4OO)와 영차홀드(42O)를 매개로, VCM(13)에의 피드 포워드 제어 입력으로서 출력된다.
또, 모델측 제어계(200)에 있어서는, 도 2에 나타낸 시크 제어계와 같이, 상태방정식인 A 매트릭스(21O), B 매트릭스(22O), C 매트릭스(24O), 1 샘플 지연(23O)이 조합되어 있다.
액츄에이터(VCM(13))의 시크 성능을 향상시키는 데에는, 순조로운 피드 포워드 제어 입력을 액츄에이터에게 부여하는 것이 중요하다. 그 때문에, 모델측 제어계(200)에 있어서는, 위치 오차 피드백 제어계(100)의 주기 Ts의, 예를 들면, 2배의 샘플링 주기 Ts/2로 연산이 실행되고 있다.
또, 속도 제어계의 구성에 관해서는 가속시의 전류 포화가 있는 것으로부터, 속도 오차에 대해서 정수 이득 피드백이 제공되고 있다. 액츄에이터(VCM(13))의 고성능인 시크를 실현하기 위해서는 정확한 모델이 필요하지만, 미리 고정밀도의 모델을 준비해 두는 것은 불균형 등 때문에 어렵다. 그래서, 시크 중에 모델측 제어계(200)의 갱신을 수행해, 모델 상태를 액츄에이터(VCM(13))의 상태에 접근하도록 한다.
제어 명령어가 포화하지 않을 때에 있어서는, 스위치 sw2를 단자 2에 접속해 적분기(110)의 출력을 액츄에이터(VCM(13))에 가한다. 그리고, 제어 명령어가 포화할 때에 있어서는, 스위치 sw2를 단자 1에 접속하여 적분기(110)의 출력을 모델측 제어계(200)의 입력에 가하도록 한다. 또, 나머지 거리가 긴 시크 전반에 있어서는, 스위치 sw1를 단자 1에 접속하여, 진상 보상기(120)의 출력을 고정치의 이득 L5OO을 통해, 모델측 제어계(200)의 입력에 가하는 것에 의해 모델측 제어계(200)의 갱신을 수행한다. 그리고, 나머지 거리가 짧아진 시크 후반에 있어서는, 스위 치 sw1를 단자 2로 스위칭하여 통상의 2 자유도 제어계로 한다.
도 13은, 본 실시예에 있어서, 외력이 큰 방향으로 시크 시켰을 때의 제어 명령어를 나타내는 그래프(실험 결과)이다. 또, 도 14는, 본 실시예에 있어서, 외력이 작은 방향으로 시크 시켰을 때의 제어 명령어를 나타내는 그래프(실험 결과)이다. 도 13, 도 14에 나타낸 그래프의 가로축은 시간(밀리 세컨드)을 나타내고 있으며, 세로축은 D/A 컨버터(19)(도 1 참조)에게 부여하는 제어 명령어 수치를 나타내고 있다. 한편, 이득 L5OO는, L=[1 1]T로 설정했다.
도 13에 나타낸 그래프에 있어서, 시크 종료시의 제어 명령어 수치의 크기 A로부터, 이 실험에서 이용한 자기 디스크장치에 있어서는, 최대 제어 명령어 수치의 약 1O% 정도의 외력이 작용하고 있는 것을 알 수 있다. 또, 마그넷 래치 힘 등의 외력이 큰 방향에의 시크에 있어서는, 시크 제어계의 스위치 sw1를 스위칭했을 때의 과도 응답이 나와 있지 않은 것을 알 수 있다. 게다가, 도 14에 나타낸 그래프보다, 외력이 작은 방향으로의 시크에 있어서도, 스위치 sw1의 스위칭시에 불연속인 제어 명령어가 발생하고 있지 않는 것을 알 수 있다.
도 15는, 도 14에 나타낸 제어 명령어 수치의 평균치로부터의 불균형을 나타내는 그래프이다. 가로축은 시간(밀리 세컨드)을 나타내고 있으며, 세로축은 D/A 컨버터(19)(도 1 참조)에게 부여하는 제어 명령어 수치를 나타내고 있다. 본 실시예에 따른 시크 제어계에 있어서도, 시크시의 불균형은, 시크가 종료한 온 트랙 상태에 있어서의 불균형에 대해서 매우 큰 것을 알 수 있다. 이는, 제어 명령어가 모델측 제어계(200)의 속도 제어계에 있어서 생성되기 때문에, 진상 보상기(120)의 출력을 통해 모델에 영향을 주고 있기 때문이라고 생각되어 진다.
이하, 관측기를 구성했을 때의 샘플점상에서의 본 실시에 따른 시크 제어계의 안정성에 대해 설명한다. 도 16은, 모델 상태단의 멀티 레이트 관측기를 나타내는 블록도이다. 도 16에 나타낸 관측기는, 카르만 필터와 같이, 모델 상태에 진상 보상기(12O)의 출력을 더하고 있다.
액츄에이터(VCM(13))의 시크 성능을 향상시키는 데에는, 순조로운 피드 포워드 제어 입력을 액츄에이터에게 부여하는 것이 중요하다. 그 때문에, 도 1O에 나타낸 모델 갱신의 타이밍과 같이, 모델측 제어계(200)에 있어서는, 위치 오차 피드백 제어계(100)의 주기 Ts의 r배의 샘플링 주기 Ts/r로 연산이 실행되고 있다.
VCM(13)의 모델을 식 (1), 및 진상 보상기(120)를 식 (3)으로 나타내면, 이하의 식 (15)가 성립된다.
Figure 112008056506587-PAT00015
이러한 식으로부터, 똑같이 샘플점상의 오차 시스템은 식 (16)과 같이 구해진다.
Figure 112008056506587-PAT00016
이상의 계산으로부터, 식 (16)의 고유치가 단위원 내에 존재하도록 이득 L5OO를 결정하면 좋다.
이상 설명한 것처럼, 본 실시예에 의하면, 위치 오차 피드백 제어계(100)를 적분기(110)와 진상 보상기(120)로 구분하고 있다. 적분기(110)의 출력을 액츄에이터(VCM(13))에 가하고, 또 진상 보상기(120)의 출력을 모델측 제어계(200)의 입력에 가하는 것에 의해, 모델측 제어계(200)의 갱신을 수행하고 있다. 다만, 제어 명령어가 포화하고 있는 경우에 있어서는, 적분기(110)의 출력을 모델측 제어계(200)의 입력에 가하도록 한다. 이것에 의해, 외력이 큰 환경에 있어서도, 제어계의 전환에 의한 과도 응답을 작게 할 수가 있어서, 외력에 대해 강인한 시크 제어계를 구성할 수 있다.
다음으로, 본 발명의 제3 실시예에 따른 시크 제어계에 대해 설명한다. 도 17(a)는, 본 발명의 제3 실시예를 나타내는 블록도이며, 도 17(b)는, 고속 피드백 컨트롤러(300)를 예시하는 모식도이다. 도 17(a)에 나타낸 시크 제어계에 있어서는, 도 2에 나타낸 시크 제어계와 같이, 위치 오차 피드백 제어계(1OO)가, 적분기(110)와 진상 보상기(120)로 구분되어 있다. 또, 도 17(a)에 나타낸 시크 제어계는, 모델측 제어계(200)를 구비하고 있다. 모델측 제어계(200)에 있어서는, 액 츄에이터의 가상적인 수식 모델에 대한 속도 제어계가 구축되어 있으며, 모델 속도를 목표 속도에 추종시키는 것에 의해, 위치 오차 피드백 제어계(100)에 주는 목표 위치 명령어와, 피드 포워드 제어 입력을 생성한다. 모델측 제어계(200)로부터 출력된 피드 포워드 제어 입력은, 목표 트랙의 위치의 정보와 함께, 속도 피드백 컨트롤러(3OO)에 입력되어, 리미터(4OO)와 영차홀드(42O)를 매개로, VCM(13)에의 피드 포워드 제어 입력으로서 출력된다.
또, 모델측 제어계(200)에 있어서는, 도 2에 나타낸 시크 제어계와 같이, 상태방정식인 A 매트릭스(21O), B 매트릭스(22O), C 매트릭스(24O), 1 샘플 지연(23O)이 조합되어 있다.
액츄에이터(VCM(13))의 시크 성능을 향상시키는 데에는, 순조로운 피드 포워드 제어 입력을 액츄에이터에게 부여하는 것이 중요하다. 그 때문에, 모델측 제어계(200)에 있어서는, 위치 오차 피드백 제어계(1OO)의 주기 Ts의, 예를 들면, 2배의 샘플링 주기 Ts/2로 연산이 실행되고 있다.
또, 속도 제어계의 구성에 관해서는 가속시의 전류 포화가 있는 것으로부터, 속도 오차에 대해서 정수 이득 피드백이 제공되고 있다. 액츄에이터(VCM(13))의 고성능인 시크를 실현하기 위해 정확한 모델이 필요하지만, 미리 고정밀도의 모델을 준비해 두는 것은 불균형 등 때문에 어렵다. 그래서, 시크 중에 모델측 제어계(200)의 갱신을 수행해, 모델 상태를 액츄에이터(VCM(13))의 상태에 접근하도록 한다.
속도 피드백 컨트롤러(300)에 설치된 목표 속도 곡선 결정부(310)와 모델 속 도 곡선 결정부(320)에 있어서는, 각각 목표 속도 곡선Vref와 모델 속도 곡선 Vmodel가 격납되어 있다. 또, 속도 피드백 이득 결정부(33O)에 있어서는, 목표 속도 곡선 Vref 또는 모델 속도 곡선 Vmodel에 따라 변화하는 속도 피드백 이득 G1이 격납되어 있다.
적분기(110)의 출력은, 액츄에이터(VCM(13))에 더해지고 있다. 한편, 도 2 또는 도 11에 나타낸 시크 제어계와 같이, 제어 명령어가 포화하지 않은 때에 있어서는, 스위치 sw2(도 2 또는 도 11 참조)를 단자 2에 접속해 적분기(110)의 출력을 액츄에이터(VCM(13))에 가해, 제어 명령어가 포화하는 때에 있어서는, 스위치 sw2를 단자 1에 접속해 적분기(110)의 출력을 모델측 제어계(200)의 입력에 가하도록 해도 괜찮다.
또, 나머지 거리가 긴 시크 전반에 있어서는, 스위치 sw1를 단자 1에 접속하고, 진상 보상기(120)의 출력을 목표 위치까지의 나머지 거리에 따라 변화하는 이득 L5OO을 통해, 모델측 제어계(200)의 입력에 가하는 것에 의해 모델측 제어계(200)의 갱신을 수행한다. 그리고, 나머지 거리가 짧아진 시크 후반에 있어서는, 스위치 sw1를 단자 2로 전환해 통상의 2 자유도 제어계로 한다.
모델측 제어계(200)의 갱신은, 진상 보상기(120)의 출력을 목표 속도 곡선 Vref에 따라 변화하는 속도 피드백 이득 G1을 통해 행해져도 괜찮다. 또는, 모델측 제어계(200)의 갱신은, 진상 보상기(120)의 출력을 모델 속도 곡선 Vmodel에 따라 변화하는 속도 피드백 이득 G1을 통해 행해져도 괜찮다.
도 18은, 이득 L의 전환 조건의 테이블을 예시하는 개념도이다. 즉, 목표 위치까지의 나머지 거리에 따라, 이득 L5OO과, 스위치 sw1의 단자 위치를 각각 설정해 둘 수가 있다.
나머지 거리가 긴 때에 있어서는, 자기 헤드의 스피드가 빠르고 위치 검출 노이즈가 크기 때문에, 이득 L5OO를 작게 해 모델에의 노이즈의 영향을 작게 한다. 이득 L5OO를 작게 하는 것에 의해 모델의 추정 오차는 커지지만, 목표 위치로부터 떨어져 있기 때문에 추정 오차가 커도 세틀링에의 영향은 작다고 생각된다. 그리고, 나머지 거리가 짧아지는 것에 따라, 이득 L5OO를 크게 해 추정 오차가 작아지도록 한다. 나머지 거리가 한층 더 짧아졌기에, 스위치 sw1를 단자 2에 접속한다.
도 19는, 본 실시예에 있어서, 외력이 큰 방향으로 시크 시켰을 때의 제어 명령어를 나타내는 그래프(실험 결과)이다. 또, 도 2O은, 본 실시예에 있어서, 외력이 작은 방향으로 시크 시켰을 때의 제어 명령어를 나타내는 그래프(실험 결과)이다. 도 19, 도 2O에 나타낸 그래프의 가로축은 시간(밀리 세컨드)을 나타내고 있으며, 세로축은 D/A 컨버터(19)(도 1 참조)에게 부여하는 제어 명령어 수치를 나타내고 있다.
도 19에 나타낸 그래프에 있어서, 시크 종료시의 제어 명령어 수치의 크기 A로부터, 이 실험에서 이용한 자기 디스크장치에 있어서는, 최대 제어 명령어 수치의 약 1O% 정도의 외력이 작용하고 있는 것을 알 수 있다. 또, 마그넷 래치 힘 등의 외력이 큰 방향으로의 시크에 있어서는, 적분기(110)의 출력을 액츄에이터(VCM(13))에 가하고 있기 때문에, 시크 제어계의 스위치 sw1를 스위칭했을 때의 과도 응답은 발생하고 있지 않는 것을 알 수 있다. 게다가, 도 2O에 나타낸 그래프보다, 외력이 작은 방향으로의 시크에 있어서도, 스위치 sw1의 전환시에 불연속인 제어 명령어는 발생하고 있지 않는 것을 알 수 있다.
도 21은, 도 2O에 나타낸 제어 명령어 수치의 평균치로부터의 불균형을 나타내는 그래프이다. 가로축은 시간(밀리 세컨드)을 나타내고 있으며, 세로축은 D/A 컨버터(19)(도 1 참조)에게 부여하는 제어 명령어 수치를 나타내고 있다. 도 21에 나타낸 그래프에 있어서, 진상 보상기(120)의 출력을 가변 이득 L5OO, 또는 가변이득 G1을 통해 모델측 제어계(200)의 갱신을 수행하고 있기 때문에, 도 8 및 도 15에 나타낸 그래프보다, 불균형을 저감할 수 있는 것을 알 수 있다.
이상 설명한 것처럼, 본 실시예에 의하면, 위치 오차 피드백 제어계(100)를 적분기(110)와 진상 보상기(120)로 구분하고 있다. 적분기(110)의 출력을 액츄에이터(VCM(13))에 가하고, 또 진상 보상기(120)의 출력을 모델측 제어계(200)의 입력에 가하는 것에 의해, 모델측 제어계(200)의 갱신을 수행하고 있다. 이것에 의해, 외력이 큰 환경에 있어서도, 제어계의 전환에 의한 과도 응답을 작게 할 수가 있어, 외력에 대해서 강인한 시크 제어계를 구성할 수 있다. 또, 진상 보상기(120)의 출력을, 목표 위치까지의 나머지 거리, 목표 속도 곡선 Vref 또는 모델 속도 곡선 Vmodel에 따라 변화하는 이득을 통해 모델측 제어계(200)의 입력에 가하는 것에 의해 모델측 제어계(200)의 갱신을 수행하기 때문에, 자기 헤드가 고속으로 이동하고 있을 때의 위치 검출 노이즈의 영향을 작게 할 수가 있다.
이상, 본 발명의 실시예에 대해 설명했다. 그러나, 본 발명은 이러한 기술에 한정되는 것은 아니다. 상술한 실시예에 관해서, 당업자가 적당히 설계 변경을 더한 것도, 본 발명의 특징을 갖추고 있는 한, 본 발명의 범위에 포함된다. 예를 들면, 시크 제어계 등이 구비하는 각 요소 및 그 배치 등은, 예시한 것에 한정되는 것은 아니고 적당히 변경할 수가 있다. 또, 상술한 각 실시예가 구비하는 각 요소는, 기술적으로 가능한 한에 있어서 조합하는 것이 가능하며, 이들을 조합한 것도 본 발명의 특징을 포함하는 한 본 발명의 범위에 포함된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 자기 디스크장치의 주요부를 나타내는 개념도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예를 나타내는 블록도이다.
도 3은 본 실시예에 있어서, 외력이 큰 방향으로 시크 시켰을 때의 제어 명령어를 나타내는 그래프(실험 결과)이다.
도 4는 본 실시예에 있어서, 외력이 작은 방향으로 시크 시켰을 때의 제어 명령어를 나타내는 그래프(실험 결과)이다.
도 5는 비교예를 나타내는 블록도이다.
도 6은 비교예에 있어서, 외력이 큰 방향으로 시크 시켰을 때의 제어 명령어를 나타내는 그래프(실험 결과)이다.
도 7은 비교예에 있어서, 외력이 작은 방향으로 시크 시켰을 때의 제어 명령어를 나타낸 (실험 결과)이다.
도 8은 도 7에 나타낸 제어 명령어 수치의 평균치로부터의 불균형을 나타내는 그래프이다.
도 9는 모델 입력단의 멀티 레이트 관측기를 나타내는 블록도이다.
도 1O은 모델 갱신의 타이밍을 나타내는 모식도이다.
도 11은 단순한 모델측 제어계(200)의 피드백 제어계를 나타내는 블록도이다.
도 12는 본 발명의 제2의 실시예를 나타내는 블록도이다.
도 13은 본 실시예에 있어서, 외력이 큰 방향으로 시크 시켰을 때의 제어 명령어를 나타내는 그래프(실험 결과)이다.
도 14는 본 실시예에 있어서, 외력이 작은 방향으로 시크 시켰을 때의 제어 명령어를 나타내는 그래프(실험 결과)이다.
도 15는 도 14에 나타낸 제어 명령어 수치의 평균치로부터의 불균형을 나타내는 그래프이다.
도 16은 모델 상태단의 멀티 레이트 관측기를 나타내는 블록도이다.
도 17(a)는, 본 발명의 제3의 실시예를 나타내는 블록도이며, 도 17(b)는, 속도 피드백 컨트롤러(300)를 예시하는 모식도이다.
도 18은 이득 L의 전환 조건의 테이블을 예시하는 개념도이다.
도 19는 본 실시예에 있어서, 외력이 큰 방향으로 시크 시켰을 때의 제어 명령어를 나타내는 그래프(실험 결과)이다.
도 2O은 본 실시예에 있어서, 외력이 작은 방향으로 시크 시켰을 때의 제어 명령어를 나타내는 그래프(실험 결과)이다.
도 21은 도 2O에 나타낸 제어 명령어 수치의 평균치로부터의 불균형을 나타내는 그래프이다.

Claims (7)

  1. 자기 디스크에 정보를 기록하고 재생하는 자기 헤드를 이동시키는 구동부,
    상기 구동부를 제어하는 제어 수단을 포함하되,
    상기 제어 수단은,
    적분기와 진상 보상기를 구비하며, 상기 자기 헤드의 목표 위치와 검출 위치와의 차이에 근거해 위치 명령어를 구해 상기 구동부를 피드백 제어하는 위치 오차 피드백 제어계; 및
    상기 자기 헤드의 목표 이동거리를 입력하고, 상기 구동부의 수식 모델을 이용해 전류 명령어를 상기 구동부에 출력하는 2 자유도 제어계를 구비하며,
    상기 제어 수단은, 상기 수식 모델을 갱신하고, 상기 갱신에 즈음하여, 상기 적분기의 출력은 상기 구동부에게 부여하면서, 상기 진상 보상기의 출력을 이용해 상기 수식 모델을 갱신하는 제1의 갱신 모드를 갖는 것을 특징으로 하는 자기 디스크장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어 수단은, 상기 구동부에의 입력이 포화하고 있지 않은 때는, 상기 제1의 갱신 모드를 실행하고,
    상기 구동부에의 입력이 포화하고 있는 때는, 상기 적분기의 출력과, 상기 진상 보상기의 출력을 상기 수식 모델에 각각 가하여, 상기 수식 모델을 갱신하는 제2의 갱신 모드를 실행하는 것을 특징으로 하는 자기 디스크장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제어 수단은, 고정된 이득을, 상기 진상 보상기의 출력에 걸어, 상기 수식 모델을 갱신하는 것을 특징으로 하는 자기 디스크장치.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제어 수단은, 상기 자기 헤드의 목표 위치까지의 나머지 거리에 따라 변화하는 이득을, 상기 진상 보상기의 출력에 걸어, 상기 수식 모델을 갱신하는 것을 특징으로 하는 자기 디스크장치.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제어 수단은, 상기 자기 헤드의 목표 속도에 따라 변화하는 이득을, 상기 진상 보상기의 출력에 걸어, 상기 수식 모델을 갱신하는 것을 특징으로 하는 자기 디스크장치.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제어 수단은, 상기 수식 모델의 모델 속도에 따라 변화하는 이득을, 상기 진상 보상기의 출력에 걸어, 상기 수식 모델을 갱신하는 것을 특징으로 하는 자기 디스크장치.
  7. 자기 디스크에 정보를 기록하고 재생하는 자기 헤드를 이동시키는 자기 헤드의 제어 방법에 있어서,
    적분기와 진상 보상기를 이용해, 상기 자기 헤드의 목표 위치와 검출 위치간의 차이에 근거해 위치 명령어를 구해 상기 자기 헤드의 구동부를 피드백 제어하면서,
    상기 자기 헤드의 목표 이동거리를 입력하고, 상기 구동부의 수식 모델을 이용해 전류 명령어를 상기 구동부에 출력하여 제어하며,
    상기 수식 모델을 갱신하고,
    상기 갱신에 즈음하여, 상기 적분기의 출력은 상기 구동부에게 주면서, 상기 진상 보상기의 출력을 이용해 상기 수식 모델을 갱신하는 모드를 갖는 것을 특징으로 하는 자기 헤드의 제어 방법.
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