低周波外乱補償制御装置とそれを利用したディスクドライブ
【課題】ディスクドライブのサーボ制御装置に係り、特に、ディスクドライブに引き込まれる低周波外乱を効果的に補償するための装置を提供する。
【解決手段】ディスクドライブのサーボ制御装置において、ヘッドの動きを制御する制御入力及び位置エラー信号を入力して、所定の状態方程式を利用して位置予測誤差を算出する状態変数予測器、外乱と位置予測誤差との数学的な関係を利用して、位置予測誤差から外乱推定値を算出する推定フィルタ、及び制御入力から前記外乱推定値を減算する減算器を備えることを特徴とする低周波外乱補償制御装置である。
【解決手段】ディスクドライブのサーボ制御装置において、ヘッドの動きを制御する制御入力及び位置エラー信号を入力して、所定の状態方程式を利用して位置予測誤差を算出する状態変数予測器、外乱と位置予測誤差との数学的な関係を利用して、位置予測誤差から外乱推定値を算出する推定フィルタ、及び制御入力から前記外乱推定値を減算する減算器を備えることを特徴とする低周波外乱補償制御装置である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ディスクドライブのサーボ制御装置に係り、特に、ディスクドライブに引き込まれる低周波外乱を効果的に補償するための装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、データ保存装置の一つであるハードディスクドライブは、磁気ヘッドによりディスクに／からデータを記録／再生することによりコンピュータシステム運営に寄与する。このようなハードディスクドライブは、次第に高容量化、高密度化及び小型化されつつ、ディスクの回転方向の記録密度であるＢＰＩ（Ｂｉｔ Ｐｅｒ Ｉｎｃｈ）と半径方向の記録密度であるＴＰＩ（Ｔｒａｃｋ Ｐｅｒ Ｉｎｃｈ）が増大しつつあるので、それにより更に精巧なメカニズムが要求される。
【０００３】
ハードディスクドライブでトラック追従制御の目的は、ヘッドを目的トラックの真中に位置させるところにある。ところが、多様な外乱によってトラックの追従制御誤差が発生する。特に、携帯用ドライブであるマイクロドライブの場合、常に低周波振動及び衝撃に曝されている。
【０００４】
図１に示すように、従来の技術によるディスクドライブのサーボ制御システムは、ＲＲＯ補償器１１０、状態推定器１２０、状態帰還制御器１３０Ａ、１３０Ｂ、合算器１４０Ａ、１４０Ｂ及びボイスコイルモーター（Ｖｏｉｃｅ Ｃｏｉｌ Ｍｏｔｏｒ：ＶＣＭ）ドライバ＆アクチュエータ１５０から構成される。
【０００５】
一般的に、ＲＲＯ補償器１１０、状態推定器１２０、状態帰還制御器１３０Ａ、１３０Ｂ及び合算器１４０Ａ、１４０Ｂから構成された回路ブロックをトラック追従制御回路１０００と称し、本発明では、−Ｃ（ｚ）の伝達関数を有すると表示した。
【０００６】
そして、図１に示す合算器１６０Ａ、１６０Ｂは、ディスクドライブのヘッドディスクアセンブリに外乱ｄ及びディスクランアウトが発生することを等価的に表示したものである。
【０００７】
状態推定器１２０は、位置エラー信号（Ｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｅｒｒｏｒ Ｓｉｇｎａｌ：ＰＥＳ）と制御入力から位置、速度及びバイアス値を推定する機能を行う。ＲＲＯ補償器１１０は、ディスクの偏心によって発生するＲＲＯ外乱ｘＲＵＮＯＵＴを補償する機能を行う。状態帰還制御器１３０Ａ、１３０Ｂは、それぞれの位置、速度及びバイアス推定値を組み合わせ・演算して制御入力信号を計算し、それをＶＣＭドライバ＆アクチュエータ１５０に印加する。推定値のうち、バイアス推定値が制御回路で積分器の機能に利用されて、システムに引き込まれた外乱ｄ成分のうち低周波外乱を補償する。しかし、低周波外乱補償性能を向上させるために積分器利得を増加させる場合、制御システムの安定性が低下するという問題が発生する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明が達成しようとする技術的課題は、前記問題点を解決するために、ディスクドライブに引き込まれる外乱のうち、低周波外乱成分を精密に推定して補償するための低周波外乱補償制御装置とそれを利用したディスクドライブを提供するところにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記技術的課題を達成するために、本発明による低周波外乱補償制御装置は、ディスクドライブのサーボ制御装置において、ヘッドの動きを制御する制御入力及び位置エラー信号を入力して、所定の状態方程式を利用して位置予測誤差を算出する状態変数予測器、外乱と位置予測誤差との数学的な関係を利用して、前記位置予測誤差から外乱推定値を算出する推定フィルタ、及び前記制御入力から前記外乱推定値を減算する減算器を備えることを特徴とする。
【００１０】
前記他の技術的課題を達成するために、本発明によるディスクドライブは、データ保存システムにおいて、位置エラー信号からヘッドの位置、速度及びバイアス値を含むヘッド動きの状態情報値を推定し、前記推定された状態情報値に基づいて、所定の状態帰還制御プロセスによってトラック追従制御入力を生成させるトラック追従制御回路、前記トラック追従制御入力及び前記位置エラー信号から位置予測誤差を算出し、外乱と位置予測誤差との数学的な関係を利用して設計された伝達関数によって、前記位置予測誤差から外乱推定値を生成させる外乱観測器、前記トラック追従制御入力から前記外乱推定値を減算する減算器、及び前記減算器の出力に相応する駆動電流を生成させてヘッドをトラック上で移動させ、前記ヘッドの移動によって位置エラー信号を生成させるＶＣＭドライバ＆アクチュエータを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、ディスクドライブに引き込まれる外乱を正確に推定して補償するようにサーボ制御システムを制御することにより、ディスクドライブのトラック追従性能を向上させる効果が発生し、特に、携帯用機器に装着されるディスクドライブに本発明を適用する場合に、振動による低周波外乱を効果的に補償できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、添付した図面を参照して、本発明を詳細に説明する。
【００１３】
ディスクドライブは、機構的な部品から構成されたＨＤＡ（Ｈｅａｄ Ｄｉｓｋ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）と電気回路との結合により形成される。
【００１４】
図２は、本発明が適用されるディスクドライブのＨＤＡ １０の構成を示す。ＨＤＡ １０は、スピンドルモーター１４によって回転される少なくとも一つの以上の磁気ディスク１２を備えている。ＨＤＡ １０は、ディスクの表面に隣接して位置した変換器（図示せず）をさらに備えている。
【００１５】
変換器は、それぞれのディスク１２の磁界を感知及び磁化させることにより、回転するディスク１２に／から情報を記録／再生できる。典型的に変換器は、各ディスクの表面に結合されている。単一の変換器として説明されているが、これはディスク１２を磁化させるための記録用の変換器と、ディスク１２の磁界を感知するための分離された再生用の変換器とからなっていると理解されねばならない。再生用の変換器は、磁気抵抗（Ｍａｇｎｅｔｏ−Ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ：ＭＲ）素子から構成される。
【００１６】
変換器は、ヘッド１６に統合されうる。ヘッド１６は、変換器とディスクの表面との間に空気軸受を生成させる構造になっている。ヘッド１６は、ヘッドスタックアセンブリ（Ｈｅａｄ Ｓｔａｃｋ Ａｓｓｅｍｂｌｙ；ＨＳＡ）２２に統合されている。ＨＳＡ ２２は、ボイスコイル２６を有するアクチュエータアーム２４に付着されている。ボイスコイル２６は、ＶＣＭ ３０を特定するマグネチックアセンブリ２８に隣接して位置している。ボイスコイル２６に供給される電流は、軸受アセンブリ３２に対してアクチュエータアーム２４を回転させるトルクを発生させる。アクチュエータアーム２４の回転は、ディスクの表面を横切って変換器を移動させる。
【００１７】
情報は、典型的にディスク１２の環状トラック内に保存される。各トラック３４は、一般的に複数のセクターを備えている。各セクターは、データフィールド及び識別フィールドを備えている。識別フィールドは、セクター及びトラック（シリンダー）を識別するグレーコードを備えている。変換器は、他のトラックにある情報を再生または記録するためにディスクの表面を横切って移動する。
【００１８】
図３に示すように、本発明による低周波外乱補償制御装置が適用されるディスクドライブのサーボ制御システムは、トラック追従制御回路１０００、ＶＣＭドライバ＆アクチュエータ１５０、状態変数予測器２１０、推定フィルタ２２０及び減算器２３０を備える。
【００１９】
前記の構成手段のうち、状態変数予測器２１０及び推定フィルタ２２０を備える回路ブロックを外乱観測器２０００と称する。
【００２０】
そして、合算器１６０Ａ、１６０Ｂは、ディスクドライブのヘッドディスクアセンブリに外乱ｄ及びディスクランアウトが発生することを等価的に表示したものである。
【００２１】
トラック追従制御回路１０００は、図１に示す従来の技術と同じ構成を有する。したがって、本発明は、従来の技術によるサーボ制御システムに外乱観測器２０００及び減算器２３０が追加されたものである。
【００２２】
状態変数予測器２１０は、制御入力ｕ及び位置エラー信号ｘＰＥＳを利用して位置及び速度信号を予測し、位置予測誤差
【数１】
を生成させる機能を行い、数式２のように表現される。
【００２３】
【数２】
【００２４】
推定フィルタ２２０は、位置予測誤差を利用して外乱値を推定して補償する役割を行う。
【００２５】
振動外乱ｄがディスクドライブに引き込まれる場合、位置予測誤差に外乱値が反映されて示される。したがって、位置予測誤差を適切に設計された推定フィルタ２２０に通過させれば、外乱値を推定できる。
【００２６】
これにより、優れた性能を有する外乱観測器２０００の設計のために、外乱と位置予測誤差との間の数学的な関係の誘導及び適切な推定フィルタ２２０の設計が必要である。下記で詳細に説明するが、最も好ましい推定フィルタＨＥＳＴ（ｚ）は、低域通過フィルタの伝達関数ＨＬＰＦ（ｚ）を最小位相システムの伝達関数ＨＭＩＮ（ｚ）で割った形態であって、数式３のように表現される。
【００２７】
【数３】
【００２８】
次いで、外乱と位置予測誤差との間の数学的関係の誘導及び推定フィルタ２２０の設計方法について詳細に説明する。
【００２９】
数式２で表現される状態変数予測器２１０を構成する２個の式を統合すれば、数式４のように表現される。
【００３０】
【数４】
【００３１】
数式４を利用して図３を図４のように等価変形させうる。また、行列理論及び線形システム理論を利用すれば、数式５のように表現できる。
【００３２】
【数５】
【００３３】
そして、数式５を利用して図４を図５のように等価変形させうる。図５を利用すれば、外乱によって発生する位置予測誤差を数式６で表現できる。
【００３４】
【数６】
【００３５】
本発明では、設計しようとする推定フィルタ２２０を数式７のように選択する。
【００３６】
【数７】
【００３７】
数式７のように推定フィルタを選択すれば、数式８によって正確な外乱推定値を得ることができる。
【００３８】
【数８】
【００３９】
ところが、ＨＩＮＶ（ｚ）は、非因果システムであるため、実際の具現が不可能である。したがって、数式９のように与えられる低域通過フィルタを追加する。
【００４０】
【数９】
【００４１】
数式９のような特性を有する低域通過フィルタを追加して推定フィルタ２２０を設計すれば、数式１０のように表現される。
【００４２】
【数１０】
【００４３】
それにより、外乱推定値は、実際の外乱を低域通過フィルタに通過させた結果であり、数式１１のように表現される。
【００４４】
【数１１】
【００４５】
一般的に、ＶＣＭドライバ＆アクチュエータから構成されるＶＣＭ駆動システムＰ（ｚ）は、制御遅延時間のために不安定な０点が存在する非最小位相システムとなる。そして、
【数１２】
の０点は、Ｐ（ｚ）の０点と一致するため、ＨＩＮＶ（ｚ）が不安定なシステムとなる問題がある。
【００４６】
このような問題を克服するために、非最小位相システム
【数１３】
を最小位相システム伝達関数と全域通過フィルタ伝達関数との積で数式１４のように設計する。
【００４７】
【数１４】
【００４８】
例えば、非最小位相システム
【数１５】
が数式１６のように表現されるとしよう。
【００４９】
【数１６】
【００５０】
数式１６で２個の０点中、不安定な０点が
【数１７】
である場合に、最小位相システムＨＭＩＮ（ｚ）と全域通過システムＨＡＰ（ｚ）とはそれぞれ数式１８のように表現される。
【００５１】
【数１８】
【００５２】
これにより、推定フィルタ２２０を数式１９のように設計すれば、因果システムでありつつ、安定したシステムとなり、実際に具現可能となる。
【００５３】
【数１９】
【００５４】
この場合に、外乱推定値は、数式２０に表現されたように、実際外乱値を低域通過フィルタ及び全域通過フィルタを通過させた結果となることが分かる。
【００５５】
【数２０】
【００５６】
本発明を適用した時の性能を調べるために、図４で開ループ伝達関数は数式２１の通りである。
【００５７】
【数２１】
【００５８】
数式２１を利用して外乱と位置エラー信号ｘＰＥＳとの間の伝達関数を求めれば、数式２２の通りである。
【００５９】
【数２２】
【００６０】
また、ディスクランアウトｘｒｕｎｏｕｔと位置エラー信号ｘＰＥＳとの間の伝達関数を求めれば、数式２３の通りである。
【００６１】
【数２３】
【００６２】
本発明で提示した振動補償システムの性能を例証するために、実験結果を次のように提示する。
【００６３】
トラック密度、トラック幅、ディスクの回転速度がそれぞれ１３０,０００ＴＰＩ、０.１９μｍ、７２００ｒｐｍであるデスクトップドライブを実験に使用した。使用されたＶＣＭ駆動システムの伝達関数を求めれば、数式２４の通りである。
【００６４】
【数２４】
【００６５】
数式２４に表現されたように、不安定な０点（−５.２４８）を有する非最小位相システムとなる。状態変数予測器の利得は、Ｌ＝［０.４３７５ ０.１１２９ ０］に設定し、外乱と位置予測誤差との間の伝達関数
【数２５】
を計算すれば、数式２６の通りである。
【００６６】
【数２６】
【００６７】
したがって、推定フィルタ設計のための最小位相システム及び全域通過フィルタは、数式２７のように選択される。
【００６８】
【数２７】
【００６９】
そして、一例として、α＝０.９と選択すれば、低域通過フィルタは、数式２８のように表現される。
【００７０】
【数２８】
【００７１】
これにより、推定フィルタは、数式２９のように設計される。
【００７２】
【数２９】
【００７３】
まず、数式２１に提示された開ループ周波数特性の計算結果を図６に提示した。そして、外乱と位置エラー信号との間の利得特性を図７に示した。したがって、外乱観測器を使用すれば、外乱の影響を大きく減らしうることが分かる。例えば、１０Ｈｚで３０ｄＢ以上外乱の影響を減らしうるということが図６及び図７から分かる。そして、ディスクランアウト（Ｒｕｎｏｕｔ）と位置エラー信号との間の利得特性を図８に示した。外乱観測器を使用すれば、ディスクランアウトの影響も大きく減らし得ることが図８から分かる。
【００７４】
次いで、正弦波形態の振動外乱をシステムに注入して、外乱推定性能及び位置エラー信号性能の測定結果を提示する。周波数がそれぞれ５Ｈｚ、１０Ｈｚ、５０Ｈｚ、１００Ｈｚ、２００Ｈｚ、４００Ｈｚであり、振幅がそれぞれ１０２ｍＡ、５２.５ｍＡ、６.４ｍＡ、３.８ｍＡ、２.６ｍＡ、２ｍＡである正弦波外乱注入時の性能をそれぞれ図９、図１０、図１１、図１２、図１３、図１４に提示した。図９及び図１０から外乱周波数が５Ｈｚ及び１０Ｈｚである場合に、本発明に係る外乱観測器はほぼ完壁な外乱補償性能を示しているということが分かる。そして、図１１ないし図１４から低周波外乱である場合に、補償性能に優れており、周波数が高くなるにつれ、補償性能が低下するということが分かる。
【００７５】
結論的に、実験結果から本発明で提示した外乱補償器は、４００Ｈｚ以下の外乱補償に非常に効果的に使用されうる。
【００７６】
添付された図面に示されて説明された特定の実施例は、単に、本発明の例として理解され、本発明の範囲を限定するものではなく、当業界で本発明に記述された技術的思想の範囲でも多様な他の変更が発生しうるため、本発明が既に示され又は記述された特定の構成及び配列に制限されないことは明らかである。
【産業上の利用可能性】
【００７７】
本発明は、ハードディスクドライブを含む各種ディスクドライブに関連した技術分野に好適に適用され得る。
【図面の簡単な説明】
【００７８】
【図１】従来の技術によるディスクドライブのサーボ制御システムの構成図である。
【図２】本発明が適用されるディスクドライブのヘッドディスクアセンブリの平面図である。
【図３】本発明による低周波外乱補償制御装置を備えるディスクドライブのサーボ制御システムの構成図である。
【図４】図３を変形した等価回路図である。
【図５】図４を変形した等価回路図である。
【図６】外乱観測器の適用如何によるサーボ制御システムの開ループ周波数特性の変化を示す図面である。
【図７】外乱観測器の適用如何による外乱と位置エラー信号との間の利得特性を示す図面である。
【図８】外乱観測器の適用如何によるディスクのランアウトと位置エラー信号との間の利得特性の変化を示す図面である。
【図９Ａ】本発明による低周波外乱補償制御装置を適用したサーボ制御システムに５Ｈｚの外乱注入時の外乱推定性能を示す図面である。
【図９Ｂ】本発明による低周波外乱補償制御装置を適用したサーボ制御システムに５Ｈｚの外乱注入時の位置エラー信号を示す図面である。
【図１０Ａ】本発明による低周波外乱補償制御装置を適用したサーボ制御システムに１０Ｈｚの外乱注入時の外乱推定性能を示す図面である。
【図１０Ｂ】本発明による低周波外乱補償制御装置を適用したサーボ制御システムに１０Ｈｚの外乱注入時の位置エラー信号を示す図面である。
【図１１Ａ】本発明による低周波外乱補償制御装置を適用したサーボ制御システムに５０Ｈｚの外乱注入時の外乱推定性能を示す図面である。
【図１１Ｂ】本発明による低周波外乱補償制御装置を適用したサーボ制御システムに５０Ｈｚの外乱注入時の位置エラー信号を示す図面である。
【図１２Ａ】本発明による低周波外乱補償制御装置を適用したサーボ制御システムに１００Ｈｚの外乱注入時の外乱推定性能を示す図面である。
【図１２Ｂ】本発明による低周波外乱補償制御装置を適用したサーボ制御システムに１００Ｈｚの外乱注入時の位置エラー信号を示す図面である。
【図１３Ａ】本発明による低周波外乱補償制御装置を適用したサーボ制御システムに２００Ｈｚの外乱注入時の外乱推定性能を示す図面である。
【図１３Ｂ】本発明による低周波外乱補償制御装置を適用したサーボ制御システムに２００Ｈｚの外乱注入時の位置エラー信号を示す図面である。
【図１４Ａ】本発明による低周波外乱補償制御装置を適用したサーボ制御システムに４００Ｈｚの外乱注入時の外乱推定性能を示す図面である。
【図１４Ｂ】本発明による低周波外乱補償制御装置を適用したサーボ制御システムに４００Ｈｚの外乱注入時の位置エラー信号を示す図面である。
【符号の説明】
【００７９】
１０００ トラック追従制御回路
１５０ ＶＣＭドライバ＆アクチュエータ
２１０ 状態変数予測器
２２０ 推定フィルタ
２３０ 減算器
２０００ 回路ブロックを外乱観測器
１６０Ａ、１６０Ｂ 合算器
ｕ 制御入力
ｘＰＥＳ 位置エラー信号
ｄ 外乱
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ディスクドライブのサーボ制御装置に係り、特に、ディスクドライブに引き込まれる低周波外乱を効果的に補償するための装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、データ保存装置の一つであるハードディスクドライブは、磁気ヘッドによりディスクに／からデータを記録／再生することによりコンピュータシステム運営に寄与する。このようなハードディスクドライブは、次第に高容量化、高密度化及び小型化されつつ、ディスクの回転方向の記録密度であるＢＰＩ（Ｂｉｔ Ｐｅｒ Ｉｎｃｈ）と半径方向の記録密度であるＴＰＩ（Ｔｒａｃｋ Ｐｅｒ Ｉｎｃｈ）が増大しつつあるので、それにより更に精巧なメカニズムが要求される。
【０００３】
ハードディスクドライブでトラック追従制御の目的は、ヘッドを目的トラックの真中に位置させるところにある。ところが、多様な外乱によってトラックの追従制御誤差が発生する。特に、携帯用ドライブであるマイクロドライブの場合、常に低周波振動及び衝撃に曝されている。
【０００４】
図１に示すように、従来の技術によるディスクドライブのサーボ制御システムは、ＲＲＯ補償器１１０、状態推定器１２０、状態帰還制御器１３０Ａ、１３０Ｂ、合算器１４０Ａ、１４０Ｂ及びボイスコイルモーター（Ｖｏｉｃｅ Ｃｏｉｌ Ｍｏｔｏｒ：ＶＣＭ）ドライバ＆アクチュエータ１５０から構成される。
【０００５】
一般的に、ＲＲＯ補償器１１０、状態推定器１２０、状態帰還制御器１３０Ａ、１３０Ｂ及び合算器１４０Ａ、１４０Ｂから構成された回路ブロックをトラック追従制御回路１０００と称し、本発明では、−Ｃ（ｚ）の伝達関数を有すると表示した。
【０００６】
そして、図１に示す合算器１６０Ａ、１６０Ｂは、ディスクドライブのヘッドディスクアセンブリに外乱ｄ及びディスクランアウトが発生することを等価的に表示したものである。
【０００７】
状態推定器１２０は、位置エラー信号（Ｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｅｒｒｏｒ Ｓｉｇｎａｌ：ＰＥＳ）と制御入力から位置、速度及びバイアス値を推定する機能を行う。ＲＲＯ補償器１１０は、ディスクの偏心によって発生するＲＲＯ外乱ｘＲＵＮＯＵＴを補償する機能を行う。状態帰還制御器１３０Ａ、１３０Ｂは、それぞれの位置、速度及びバイアス推定値を組み合わせ・演算して制御入力信号を計算し、それをＶＣＭドライバ＆アクチュエータ１５０に印加する。推定値のうち、バイアス推定値が制御回路で積分器の機能に利用されて、システムに引き込まれた外乱ｄ成分のうち低周波外乱を補償する。しかし、低周波外乱補償性能を向上させるために積分器利得を増加させる場合、制御システムの安定性が低下するという問題が発生する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明が達成しようとする技術的課題は、前記問題点を解決するために、ディスクドライブに引き込まれる外乱のうち、低周波外乱成分を精密に推定して補償するための低周波外乱補償制御装置とそれを利用したディスクドライブを提供するところにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記技術的課題を達成するために、本発明による低周波外乱補償制御装置は、ディスクドライブのサーボ制御装置において、ヘッドの動きを制御する制御入力及び位置エラー信号を入力して、所定の状態方程式を利用して位置予測誤差を算出する状態変数予測器、外乱と位置予測誤差との数学的な関係を利用して、前記位置予測誤差から外乱推定値を算出する推定フィルタ、及び前記制御入力から前記外乱推定値を減算する減算器を備えることを特徴とする。
【００１０】
前記他の技術的課題を達成するために、本発明によるディスクドライブは、データ保存システムにおいて、位置エラー信号からヘッドの位置、速度及びバイアス値を含むヘッド動きの状態情報値を推定し、前記推定された状態情報値に基づいて、所定の状態帰還制御プロセスによってトラック追従制御入力を生成させるトラック追従制御回路、前記トラック追従制御入力及び前記位置エラー信号から位置予測誤差を算出し、外乱と位置予測誤差との数学的な関係を利用して設計された伝達関数によって、前記位置予測誤差から外乱推定値を生成させる外乱観測器、前記トラック追従制御入力から前記外乱推定値を減算する減算器、及び前記減算器の出力に相応する駆動電流を生成させてヘッドをトラック上で移動させ、前記ヘッドの移動によって位置エラー信号を生成させるＶＣＭドライバ＆アクチュエータを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、ディスクドライブに引き込まれる外乱を正確に推定して補償するようにサーボ制御システムを制御することにより、ディスクドライブのトラック追従性能を向上させる効果が発生し、特に、携帯用機器に装着されるディスクドライブに本発明を適用する場合に、振動による低周波外乱を効果的に補償できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、添付した図面を参照して、本発明を詳細に説明する。
【００１３】
ディスクドライブは、機構的な部品から構成されたＨＤＡ（Ｈｅａｄ Ｄｉｓｋ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）と電気回路との結合により形成される。
【００１４】
図２は、本発明が適用されるディスクドライブのＨＤＡ １０の構成を示す。ＨＤＡ １０は、スピンドルモーター１４によって回転される少なくとも一つの以上の磁気ディスク１２を備えている。ＨＤＡ １０は、ディスクの表面に隣接して位置した変換器（図示せず）をさらに備えている。
【００１５】
変換器は、それぞれのディスク１２の磁界を感知及び磁化させることにより、回転するディスク１２に／から情報を記録／再生できる。典型的に変換器は、各ディスクの表面に結合されている。単一の変換器として説明されているが、これはディスク１２を磁化させるための記録用の変換器と、ディスク１２の磁界を感知するための分離された再生用の変換器とからなっていると理解されねばならない。再生用の変換器は、磁気抵抗（Ｍａｇｎｅｔｏ−Ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ：ＭＲ）素子から構成される。
【００１６】
変換器は、ヘッド１６に統合されうる。ヘッド１６は、変換器とディスクの表面との間に空気軸受を生成させる構造になっている。ヘッド１６は、ヘッドスタックアセンブリ（Ｈｅａｄ Ｓｔａｃｋ Ａｓｓｅｍｂｌｙ；ＨＳＡ）２２に統合されている。ＨＳＡ ２２は、ボイスコイル２６を有するアクチュエータアーム２４に付着されている。ボイスコイル２６は、ＶＣＭ ３０を特定するマグネチックアセンブリ２８に隣接して位置している。ボイスコイル２６に供給される電流は、軸受アセンブリ３２に対してアクチュエータアーム２４を回転させるトルクを発生させる。アクチュエータアーム２４の回転は、ディスクの表面を横切って変換器を移動させる。
【００１７】
情報は、典型的にディスク１２の環状トラック内に保存される。各トラック３４は、一般的に複数のセクターを備えている。各セクターは、データフィールド及び識別フィールドを備えている。識別フィールドは、セクター及びトラック（シリンダー）を識別するグレーコードを備えている。変換器は、他のトラックにある情報を再生または記録するためにディスクの表面を横切って移動する。
【００１８】
図３に示すように、本発明による低周波外乱補償制御装置が適用されるディスクドライブのサーボ制御システムは、トラック追従制御回路１０００、ＶＣＭドライバ＆アクチュエータ１５０、状態変数予測器２１０、推定フィルタ２２０及び減算器２３０を備える。
【００１９】
前記の構成手段のうち、状態変数予測器２１０及び推定フィルタ２２０を備える回路ブロックを外乱観測器２０００と称する。
【００２０】
そして、合算器１６０Ａ、１６０Ｂは、ディスクドライブのヘッドディスクアセンブリに外乱ｄ及びディスクランアウトが発生することを等価的に表示したものである。
【００２１】
トラック追従制御回路１０００は、図１に示す従来の技術と同じ構成を有する。したがって、本発明は、従来の技術によるサーボ制御システムに外乱観測器２０００及び減算器２３０が追加されたものである。
【００２２】
状態変数予測器２１０は、制御入力ｕ及び位置エラー信号ｘＰＥＳを利用して位置及び速度信号を予測し、位置予測誤差
【数１】
を生成させる機能を行い、数式２のように表現される。
【００２３】
【数２】
【００２４】
推定フィルタ２２０は、位置予測誤差を利用して外乱値を推定して補償する役割を行う。
【００２５】
振動外乱ｄがディスクドライブに引き込まれる場合、位置予測誤差に外乱値が反映されて示される。したがって、位置予測誤差を適切に設計された推定フィルタ２２０に通過させれば、外乱値を推定できる。
【００２６】
これにより、優れた性能を有する外乱観測器２０００の設計のために、外乱と位置予測誤差との間の数学的な関係の誘導及び適切な推定フィルタ２２０の設計が必要である。下記で詳細に説明するが、最も好ましい推定フィルタＨＥＳＴ（ｚ）は、低域通過フィルタの伝達関数ＨＬＰＦ（ｚ）を最小位相システムの伝達関数ＨＭＩＮ（ｚ）で割った形態であって、数式３のように表現される。
【００２７】
【数３】
【００２８】
次いで、外乱と位置予測誤差との間の数学的関係の誘導及び推定フィルタ２２０の設計方法について詳細に説明する。
【００２９】
数式２で表現される状態変数予測器２１０を構成する２個の式を統合すれば、数式４のように表現される。
【００３０】
【数４】
【００３１】
数式４を利用して図３を図４のように等価変形させうる。また、行列理論及び線形システム理論を利用すれば、数式５のように表現できる。
【００３２】
【数５】
【００３３】
そして、数式５を利用して図４を図５のように等価変形させうる。図５を利用すれば、外乱によって発生する位置予測誤差を数式６で表現できる。
【００３４】
【数６】
【００３５】
本発明では、設計しようとする推定フィルタ２２０を数式７のように選択する。
【００３６】
【数７】
【００３７】
数式７のように推定フィルタを選択すれば、数式８によって正確な外乱推定値を得ることができる。
【００３８】
【数８】
【００３９】
ところが、ＨＩＮＶ（ｚ）は、非因果システムであるため、実際の具現が不可能である。したがって、数式９のように与えられる低域通過フィルタを追加する。
【００４０】
【数９】
【００４１】
数式９のような特性を有する低域通過フィルタを追加して推定フィルタ２２０を設計すれば、数式１０のように表現される。
【００４２】
【数１０】
【００４３】
それにより、外乱推定値は、実際の外乱を低域通過フィルタに通過させた結果であり、数式１１のように表現される。
【００４４】
【数１１】
【００４５】
一般的に、ＶＣＭドライバ＆アクチュエータから構成されるＶＣＭ駆動システムＰ（ｚ）は、制御遅延時間のために不安定な０点が存在する非最小位相システムとなる。そして、
【数１２】
の０点は、Ｐ（ｚ）の０点と一致するため、ＨＩＮＶ（ｚ）が不安定なシステムとなる問題がある。
【００４６】
このような問題を克服するために、非最小位相システム
【数１３】
を最小位相システム伝達関数と全域通過フィルタ伝達関数との積で数式１４のように設計する。
【００４７】
【数１４】
【００４８】
例えば、非最小位相システム
【数１５】
が数式１６のように表現されるとしよう。
【００４９】
【数１６】
【００５０】
数式１６で２個の０点中、不安定な０点が
【数１７】
である場合に、最小位相システムＨＭＩＮ（ｚ）と全域通過システムＨＡＰ（ｚ）とはそれぞれ数式１８のように表現される。
【００５１】
【数１８】
【００５２】
これにより、推定フィルタ２２０を数式１９のように設計すれば、因果システムでありつつ、安定したシステムとなり、実際に具現可能となる。
【００５３】
【数１９】
【００５４】
この場合に、外乱推定値は、数式２０に表現されたように、実際外乱値を低域通過フィルタ及び全域通過フィルタを通過させた結果となることが分かる。
【００５５】
【数２０】
【００５６】
本発明を適用した時の性能を調べるために、図４で開ループ伝達関数は数式２１の通りである。
【００５７】
【数２１】
【００５８】
数式２１を利用して外乱と位置エラー信号ｘＰＥＳとの間の伝達関数を求めれば、数式２２の通りである。
【００５９】
【数２２】
【００６０】
また、ディスクランアウトｘｒｕｎｏｕｔと位置エラー信号ｘＰＥＳとの間の伝達関数を求めれば、数式２３の通りである。
【００６１】
【数２３】
【００６２】
本発明で提示した振動補償システムの性能を例証するために、実験結果を次のように提示する。
【００６３】
トラック密度、トラック幅、ディスクの回転速度がそれぞれ１３０,０００ＴＰＩ、０.１９μｍ、７２００ｒｐｍであるデスクトップドライブを実験に使用した。使用されたＶＣＭ駆動システムの伝達関数を求めれば、数式２４の通りである。
【００６４】
【数２４】
【００６５】
数式２４に表現されたように、不安定な０点（−５.２４８）を有する非最小位相システムとなる。状態変数予測器の利得は、Ｌ＝［０.４３７５ ０.１１２９ ０］に設定し、外乱と位置予測誤差との間の伝達関数
【数２５】
を計算すれば、数式２６の通りである。
【００６６】
【数２６】
【００６７】
したがって、推定フィルタ設計のための最小位相システム及び全域通過フィルタは、数式２７のように選択される。
【００６８】
【数２７】
【００６９】
そして、一例として、α＝０.９と選択すれば、低域通過フィルタは、数式２８のように表現される。
【００７０】
【数２８】
【００７１】
これにより、推定フィルタは、数式２９のように設計される。
【００７２】
【数２９】
【００７３】
まず、数式２１に提示された開ループ周波数特性の計算結果を図６に提示した。そして、外乱と位置エラー信号との間の利得特性を図７に示した。したがって、外乱観測器を使用すれば、外乱の影響を大きく減らしうることが分かる。例えば、１０Ｈｚで３０ｄＢ以上外乱の影響を減らしうるということが図６及び図７から分かる。そして、ディスクランアウト（Ｒｕｎｏｕｔ）と位置エラー信号との間の利得特性を図８に示した。外乱観測器を使用すれば、ディスクランアウトの影響も大きく減らし得ることが図８から分かる。
【００７４】
次いで、正弦波形態の振動外乱をシステムに注入して、外乱推定性能及び位置エラー信号性能の測定結果を提示する。周波数がそれぞれ５Ｈｚ、１０Ｈｚ、５０Ｈｚ、１００Ｈｚ、２００Ｈｚ、４００Ｈｚであり、振幅がそれぞれ１０２ｍＡ、５２.５ｍＡ、６.４ｍＡ、３.８ｍＡ、２.６ｍＡ、２ｍＡである正弦波外乱注入時の性能をそれぞれ図９、図１０、図１１、図１２、図１３、図１４に提示した。図９及び図１０から外乱周波数が５Ｈｚ及び１０Ｈｚである場合に、本発明に係る外乱観測器はほぼ完壁な外乱補償性能を示しているということが分かる。そして、図１１ないし図１４から低周波外乱である場合に、補償性能に優れており、周波数が高くなるにつれ、補償性能が低下するということが分かる。
【００７５】
結論的に、実験結果から本発明で提示した外乱補償器は、４００Ｈｚ以下の外乱補償に非常に効果的に使用されうる。
【００７６】
添付された図面に示されて説明された特定の実施例は、単に、本発明の例として理解され、本発明の範囲を限定するものではなく、当業界で本発明に記述された技術的思想の範囲でも多様な他の変更が発生しうるため、本発明が既に示され又は記述された特定の構成及び配列に制限されないことは明らかである。
【産業上の利用可能性】
【００７７】
本発明は、ハードディスクドライブを含む各種ディスクドライブに関連した技術分野に好適に適用され得る。
【図面の簡単な説明】
【００７８】
【図１】従来の技術によるディスクドライブのサーボ制御システムの構成図である。
【図２】本発明が適用されるディスクドライブのヘッドディスクアセンブリの平面図である。
【図３】本発明による低周波外乱補償制御装置を備えるディスクドライブのサーボ制御システムの構成図である。
【図４】図３を変形した等価回路図である。
【図５】図４を変形した等価回路図である。
【図６】外乱観測器の適用如何によるサーボ制御システムの開ループ周波数特性の変化を示す図面である。
【図７】外乱観測器の適用如何による外乱と位置エラー信号との間の利得特性を示す図面である。
【図８】外乱観測器の適用如何によるディスクのランアウトと位置エラー信号との間の利得特性の変化を示す図面である。
【図９Ａ】本発明による低周波外乱補償制御装置を適用したサーボ制御システムに５Ｈｚの外乱注入時の外乱推定性能を示す図面である。
【図９Ｂ】本発明による低周波外乱補償制御装置を適用したサーボ制御システムに５Ｈｚの外乱注入時の位置エラー信号を示す図面である。
【図１０Ａ】本発明による低周波外乱補償制御装置を適用したサーボ制御システムに１０Ｈｚの外乱注入時の外乱推定性能を示す図面である。
【図１０Ｂ】本発明による低周波外乱補償制御装置を適用したサーボ制御システムに１０Ｈｚの外乱注入時の位置エラー信号を示す図面である。
【図１１Ａ】本発明による低周波外乱補償制御装置を適用したサーボ制御システムに５０Ｈｚの外乱注入時の外乱推定性能を示す図面である。
【図１１Ｂ】本発明による低周波外乱補償制御装置を適用したサーボ制御システムに５０Ｈｚの外乱注入時の位置エラー信号を示す図面である。
【図１２Ａ】本発明による低周波外乱補償制御装置を適用したサーボ制御システムに１００Ｈｚの外乱注入時の外乱推定性能を示す図面である。
【図１２Ｂ】本発明による低周波外乱補償制御装置を適用したサーボ制御システムに１００Ｈｚの外乱注入時の位置エラー信号を示す図面である。
【図１３Ａ】本発明による低周波外乱補償制御装置を適用したサーボ制御システムに２００Ｈｚの外乱注入時の外乱推定性能を示す図面である。
【図１３Ｂ】本発明による低周波外乱補償制御装置を適用したサーボ制御システムに２００Ｈｚの外乱注入時の位置エラー信号を示す図面である。
【図１４Ａ】本発明による低周波外乱補償制御装置を適用したサーボ制御システムに４００Ｈｚの外乱注入時の外乱推定性能を示す図面である。
【図１４Ｂ】本発明による低周波外乱補償制御装置を適用したサーボ制御システムに４００Ｈｚの外乱注入時の位置エラー信号を示す図面である。
【符号の説明】
【００７９】
１０００ トラック追従制御回路
１５０ ＶＣＭドライバ＆アクチュエータ
２１０ 状態変数予測器
２２０ 推定フィルタ
２３０ 減算器
２０００ 回路ブロックを外乱観測器
１６０Ａ、１６０Ｂ 合算器
ｕ 制御入力
ｘＰＥＳ 位置エラー信号
ｄ 外乱
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ディスクドライブのサーボ制御装置において、
ヘッドの動きを制御する制御入力及び位置エラー信号を入力して、所定の状態方程式を利用して位置予測誤差を算出する状態変数予測器と、
外乱と位置予測誤差との数学的な関係を利用して、前記位置予測誤差から外乱推定値を算出する推定フィルタと、
前記制御入力から前記外乱推定値を減算する減算器と、を備えることを特徴とする低周波外乱補償制御装置。
【請求項２】
前記所定の状態方程式は、
【数１】
を含むことを特徴とする請求項１に記載の低周波外乱補償制御装置。
【請求項３】
前記推定フィルタＨＥＳＴ（ｚ）は、次の数式、
【数２】
（ここで、ＨＬＰＦ（ｚ）は、低域通過フィルタであり、ＨＭＩＮ（ｚ）は、最小位相システムである）
で設計されることを特徴とする請求項１に記載の低周波外乱補償制御装置。
【請求項４】
前記推定フィルタＨＥＳＴ（ｚ）は、外乱と前記位置予測誤差との間の伝達関数である非最小位相システム
【数３】
を、最小位相システムＨＭＩＮ（ｚ）と全域通過フィルタＨＡＰ（ｚ）との積として区分し、所定の低域通過フィルタＨＬＰＦ（ｚ）を前記最小位相システムＨＭＩＮ（ｚ）で割った形態の伝達関数を有することを特徴とする請求項１に記載の低周波外乱補償制御装置。
【請求項５】
前記推定フィルタＨＥＳＴ（ｚ）は、
【数４】
として設定されることを特徴とする請求項４に記載の低周波外乱補償制御装置。
【請求項６】
データ保存システムにおいて、
位置エラー信号からヘッドの位置、速度及びバイアス値を含むヘッドの動きの状態情報値を推定し、前記推定された状態情報値に基づいて所定の状態帰還制御プロセスによってトラック追従制御入力を生成させるトラック追従制御回路と、
前記トラック追従制御入力及び前記位置エラー信号から位置予測誤差を算出し、外乱と位置予測誤差との数学的な関係を利用して設計された伝達関数によって、前記位置予測誤差から外乱推定値を生成させる外乱観測器と、
前記トラック追従制御入力から前記外乱推定値を減算する減算器と、
前記減算器の出力に相応する駆動電流を生成させてヘッドをトラック上で移動させ、前記ヘッドの移動によって位置エラー信号を生成させるボイスコイルモータードライバ＆アクチュエータと、を備えることを特徴とするディスクドライブ。
【請求項７】
前記外乱観測器は、
制御入力及び位置エラー信号を入力して、所定の状態方程式を利用して位置予測誤差を算出する状態変数予測器と、
外乱と位置予測誤差との数学的な関係を利用して、前記位置予測誤差から外乱補償のための外乱推定値を算出する推定フィルタと、を備えることを特徴とする請求項６に記載のディスクドライブ。
【請求項８】
前記所定の状態方程式は、
【数５】
を含むことを特徴とする請求項７に記載のディスクドライブ。
【請求項９】
前記推定フィルタＨＥＳＴ（ｚ）は、次の数式、
【数６】
（ここで、ＨＬＰＦ（ｚ）は、低域通過フィルタであり、ＨＭＩＮ（ｚ）は、最小位相システムである）
で設計されることを特徴とする請求項６に記載のディスクドライブ。
【請求項１０】
前記推定フィルタＨＥＳＴ（ｚ）は、外乱と前記位置予測誤差との間の伝達関数である非最小位相システムを、最小位相システムＨＭＩＮ（ｚ）と全域通過フィルタＨＡＰ（ｚ）との積として区分し、所定の低域通過フィルタＨＬＰＦ（ｚ）を前記最小位相システムＨＭＩＮ（ｚ）で割った形態の伝達関数を有することを特徴とする請求項６に記載のディスクドライブ。
【請求項１１】
前記推定フィルタＨＥＳＴ（ｚ）は、
【数７】
として設定されることを特徴とする請求項６に記載のディスクドライブ。
【請求項１】
ディスクドライブのサーボ制御装置において、
ヘッドの動きを制御する制御入力及び位置エラー信号を入力して、所定の状態方程式を利用して位置予測誤差を算出する状態変数予測器と、
外乱と位置予測誤差との数学的な関係を利用して、前記位置予測誤差から外乱推定値を算出する推定フィルタと、
前記制御入力から前記外乱推定値を減算する減算器と、を備えることを特徴とする低周波外乱補償制御装置。
【請求項２】
前記所定の状態方程式は、
【数１】
を含むことを特徴とする請求項１に記載の低周波外乱補償制御装置。
【請求項３】
前記推定フィルタＨＥＳＴ（ｚ）は、次の数式、
【数２】
（ここで、ＨＬＰＦ（ｚ）は、低域通過フィルタであり、ＨＭＩＮ（ｚ）は、最小位相システムである）
で設計されることを特徴とする請求項１に記載の低周波外乱補償制御装置。
【請求項４】
前記推定フィルタＨＥＳＴ（ｚ）は、外乱と前記位置予測誤差との間の伝達関数である非最小位相システム
【数３】
を、最小位相システムＨＭＩＮ（ｚ）と全域通過フィルタＨＡＰ（ｚ）との積として区分し、所定の低域通過フィルタＨＬＰＦ（ｚ）を前記最小位相システムＨＭＩＮ（ｚ）で割った形態の伝達関数を有することを特徴とする請求項１に記載の低周波外乱補償制御装置。
【請求項５】
前記推定フィルタＨＥＳＴ（ｚ）は、
【数４】
として設定されることを特徴とする請求項４に記載の低周波外乱補償制御装置。
【請求項６】
データ保存システムにおいて、
位置エラー信号からヘッドの位置、速度及びバイアス値を含むヘッドの動きの状態情報値を推定し、前記推定された状態情報値に基づいて所定の状態帰還制御プロセスによってトラック追従制御入力を生成させるトラック追従制御回路と、
前記トラック追従制御入力及び前記位置エラー信号から位置予測誤差を算出し、外乱と位置予測誤差との数学的な関係を利用して設計された伝達関数によって、前記位置予測誤差から外乱推定値を生成させる外乱観測器と、
前記トラック追従制御入力から前記外乱推定値を減算する減算器と、
前記減算器の出力に相応する駆動電流を生成させてヘッドをトラック上で移動させ、前記ヘッドの移動によって位置エラー信号を生成させるボイスコイルモータードライバ＆アクチュエータと、を備えることを特徴とするディスクドライブ。
【請求項７】
前記外乱観測器は、
制御入力及び位置エラー信号を入力して、所定の状態方程式を利用して位置予測誤差を算出する状態変数予測器と、
外乱と位置予測誤差との数学的な関係を利用して、前記位置予測誤差から外乱補償のための外乱推定値を算出する推定フィルタと、を備えることを特徴とする請求項６に記載のディスクドライブ。
【請求項８】
前記所定の状態方程式は、
【数５】
を含むことを特徴とする請求項７に記載のディスクドライブ。
【請求項９】
前記推定フィルタＨＥＳＴ（ｚ）は、次の数式、
【数６】
（ここで、ＨＬＰＦ（ｚ）は、低域通過フィルタであり、ＨＭＩＮ（ｚ）は、最小位相システムである）
で設計されることを特徴とする請求項６に記載のディスクドライブ。
【請求項１０】
前記推定フィルタＨＥＳＴ（ｚ）は、外乱と前記位置予測誤差との間の伝達関数である非最小位相システムを、最小位相システムＨＭＩＮ（ｚ）と全域通過フィルタＨＡＰ（ｚ）との積として区分し、所定の低域通過フィルタＨＬＰＦ（ｚ）を前記最小位相システムＨＭＩＮ（ｚ）で割った形態の伝達関数を有することを特徴とする請求項６に記載のディスクドライブ。
【請求項１１】
前記推定フィルタＨＥＳＴ（ｚ）は、
【数７】
として設定されることを特徴とする請求項６に記載のディスクドライブ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９Ａ】
【図９Ｂ】
【図１０Ａ】
【図１０Ｂ】
【図１１Ａ】
【図１１Ｂ】
【図１２Ａ】
【図１２Ｂ】
【図１３Ａ】
【図１３Ｂ】
【図１４Ａ】
【図１４Ｂ】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９Ａ】
【図９Ｂ】
【図１０Ａ】
【図１０Ｂ】
【図１１Ａ】
【図１１Ｂ】
【図１２Ａ】
【図１２Ｂ】
【図１３Ａ】
【図１３Ｂ】
【図１４Ａ】
【図１４Ｂ】
【公開番号】特開２００６−２１６０６３（Ｐ２００６−２１６０６３Ａ）
【公開日】平成１８年８月１７日（２００６．８．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−２８７５２（Ｐ２００６−２８７５２）
【出願日】平成１８年２月６日（２００６．２．６）
【出願人】（３９００１９８３９）三星電子株式会社 (8,520)
【氏名又は名称原語表記】Ｓａｍｓｕｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年８月１７日（２００６．８．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年２月６日（２００６．２．６）
【出願人】（３９００１９８３９）三星電子株式会社 (8,520)
【氏名又は名称原語表記】Ｓａｍｓｕｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．
【Ｆターム（参考）】
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