JP2005267762A - 磁気ディスク装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 磁気ディスク装置において、離散化誤差の影響を受けない多項式によるフィードフォワード制御系を実現する。
【解決手段】
磁気ディスク装置は、磁気記録媒体の記録及び再生の少なくとも一方を行うヘッドを目標とする位置へ移動させるためのものであり、フィードフォワード入力が時間関数の多項式にて算出されるシーク制御系を有し、かつ前記多項式の係数が零次ホールドの特性を含む境界条件によって導出されたものである。
【選択図】 図３

Description

本発明は、磁気ディスク装置に係り、特に磁気ヘッドを目標トラックに移動させるのに好適な磁気ディスク装置に関する。

コンピュータの外部記憶装置である磁気ディスク装置は、磁気ヘッドが回転している磁気ディスク面上の目的とするトラックに移動してデータの記録再生を行っている。

一般に、磁気ヘッド位置決め制御系には、データの読み書きを行うために同一トラックに磁気ヘッドを追従させ続けるフォロイング制御系、データが存在する目標トラックまで磁気ヘッドを移動させるシーク制御系、目標トラック近傍でシーク制御系からフォロイング制御系へ繋ぐためのセトリング制御系が存在する。

シーク制御系では、比較的短いシークスパンにおいては、加速中に制御入力の飽和が発生することはなく、移動速度の上限も超えないため、時間関数による滑らかな加速度軌道を用いた２自由度制御系が適用可能である。この２自由度制御系では、シーク動作中に発生する振動を抑えられることや、誤差圧縮特性の高い位置フィードバック系を使用可能であることが長所である。

時間関数による２自由度制御系では、フィードフォワード制御入力として与える目標加速度と、フィードバック系に対する目標位置または目標速度をどのように与えるかという点が重要な設計要素となる。

特開平３−２３３６０９号公報（特許文献１）では、目標加速度を次数３次の時間関数にて実現する方法が開示されている。この方法では、目標速度は目標加速度に用いる時間関数を積分した４次関数として導出され、目標位置は速度軌道を積分した５次関数として導出される。

特開平５−１４３１６５号公報（特許文献２）では、速度軌道を次数５次の時間関数にて実現する方法が開示されている。この際、目標加速度軌道は速度軌道を微分した４次関数にて導出され、目標位置は速度軌道を積分した６次関数によって導出される。

特開２０００−１２３５０２号公報（特許文献３）では、目標加速度は時間を入力としたサイン波とし、速度軌道は加速度軌道の積分にて、位置軌道は速度軌道の積分にて実現する方法が開示されている。

特開平３−２３３６０９号公報

特開平５−１４３１６５号公報 特開２０００−１２３５０２号公報

これらの公知例では、目標速度は、目標加速度を連続時間系において積分したものとして導出され、目標位置は、目標速度を連続時間系において積分したもの（目標加速度を連続時間系において２回積分したもの）として導出される。
しかし、実際の磁気ディスク装置におけるヘッド位置決め制御系は、サンプラ（Ａ／Ｄコンバータ）とホールド（Ｄ／Ａコンバータ）を有するサンプル値制御系である。一般的に、ホールドにはサンプル点上の値をサンプリング時間だけ保持する零次ホールドが使用されている。

Ｄ／Ａコンバータとして零次ホールドを用いた場合、目標加速度として与えた時間関数の値と、実際に指令値として与えられるフィードフォワード制御入力の間に離散化誤差が発生する。そのため、上述の公知例にて示された目標速度や目標位置は、目標加速度である時間関数の積分に基づいて計算されるため離散化誤差の影響が考慮されておらず、実際の速度軌道や位置軌道に対して誤差が生じることとなる。

そのため、上述の方法はフィードフォワード入力のみでは目標値に誤差なく到達することは困難である。また、これらの誤差は、追従誤差としてフィードバックコントローラに入力されるため、制御系の過渡応答を悪化させシークタイムを増大させる原因となる。

本発明は、シーク動作時に用いる目標加速度を零次ホールドによる離散化誤差が発生しない多項式にて実現することを目的とする。

前記目的を達成するために、本発明は、磁気記録媒体の記録及び再生の少なくとも一方を行う磁気ヘッドを目標とする位置へ移動させるための磁気ディスク装置において、フィードフォワード入力が時間関数の多項式にて算出されるシーク制御系を有し、かつ前記多項式の係数が零次ホールドの特性を含む境界条件によって導出されたものである構成にしたことにある。

本発明によれば、シーク動作時に用いる目標加速度を零次ホールドによる離散化誤差が発生しない多項式にて実現することができる。

以下、図面を参照して本発明の一実施例を説明する。

図１は、本発明の一実施例の磁気ディスク装置のヘッド位置決め制御系の構成図である。スピンドルモータ６には、記録媒体である磁気ディスク５が固定されており、定められた回転数により回転している。また、スピンドルモータ６に保持された磁気ディスク５の側方向には、ピボット軸受３が、スピンドルモータ軸に平行になるように設けられている。キャリッジ４はピボット軸受３に揺動可能に固定されている。磁気ヘッド１はキャリッジ４の先端に固定されている。磁気ヘッド１を移動させるための動力はボイスコイルモータ(以下、ＶＣＭという)２により発生する。磁気ヘッド１は磁気ディスク上のサーボセクター７に記録されている位置信号を検出して現在位置を知ることが可能となる。磁気ヘッドにより検出する位置信号はヘッド信号増幅器８により増幅され、サーボ信号復調器９により復調される。復調されたサーボ信号１９はＡ／Ｄ変換器１０を介して位置信号Ｐとなり、バス１３を介してＭＰＵ１６に取り込まれる。こうして得たヘッド位置信号ＰをＭＰＵ１６で処理し以下の方法でＶＣＭ制御信号Ｄを生成する。

ＭＰＵ１６に対してはバス１３を介してＲＯＭ１５、ＲＡＭ１４が設けられる。ＲＯＭ１５にはＭＰＵ１６で実行する本実施例を含む各種の制御プログラムが格納され、また各種の制御に必要なパラメータも格納されている。ＭＰＵ１６に対してはバス１３を介してインターフェースコントローラ１７が接続され、ホスト側コントローラ１８のコマンドを受けて、ＭＰＵ１６に対してリードライトのアクセス要求を出す。データのリードライトを要求するコマンド（シークコマンド）が発行されると、ＭＰＵ１６はＲＯＭ１５に記録される位置決めの方法を実行して、現在のヘッド位置Ｐから目標トラックＲｅｆまでの距離に応じて最適なＶＣＭ制御信号Ｄを生成する。生成されたＶＣＭ制御信号Ｄは、図１に示すようにＤ／Ａ変換器１１を介してパワーアンプ制御信号２２となり、パワーアンプ１２を介して電流２３に変換され、ＶＣＭ２へ印加される。ＶＣＭ２はヘッドアクチュエータの駆動力を発生し、磁気ヘッド１を目標とする位置に位置決めする。

以上により、本実施例の磁気ディスク装置に関してその動作方法を説明した。本実施例は、前記の現在位置を表すヘッド位置信号Ｐと目標トラックＲｅｆの差に基づいてＶＣＭ制御信号Ｄを生成する位置決め方法に関し、本実施例による位置決め制御方法の構成の詳細を以下に説明する。

図２は、本実施例の磁気ディスク装置におけるヘッド位置決め制御系の構成例を示すブロック線図で、図１で説明したＭＰＵ１６の処理により実現される。図２において、制御対象２００は、図２のＭＰＵ１６で計算されるＶＣＭ制御信号Ｄを入力とし、磁気ヘッド１のトラック位置がディジタル化されて位置信号Ｐとして出力されるまでの伝達特性を指す。一方、制御部１００は、データの読み書きを行う目標トラックＲｅｆ、現在のヘッド位置を示す位置信号Ｐが入力され、これらの入力値に基づき磁気ヘッド１を位置決めするＶＣＭ制御信号Ｄが計算され、ＶＣＭ２へ印加される。本実施例では、ヘッド位置信号Ｐのサンプリング周期およびＶＣＭ制御信号Ｄの入力周期はともにτ秒とする。

図３は、本実施例の位置決め制御系のブロック線図を示すものである。目標トラックＲｅｆは、加速度多項式４９へ入力される。加速度多項式４９は、目標トラックＲｅｆに対応するシーク移動距離Ｐｔ［m］と目標シークタイムＮ［サンプル］、シーク開始時からの時間ｎ［サンプル］に基づき、フィードフォワード入力３２を算出する。
加速度多項式４９の導出方法について説明する。磁気ディスク装置のヘッド位置決め制御系では、制御対象の有する特性は剛体モデルと仮定することが出来る。位置をｐ［ｍ］、速度をｖ［ｍ/ｓ］、入力をｕ［ｍ/ｓ^２］とした場合、連続時間系での剛体モデルの状態方程式は次の式（１）のようになる。

剛体モデルに対してサンプリング時間τ［ｓ］の零次ホールドによる離散化を行った場合、その状態方程式は次の式（２）のようになる。

式（２）より、時間０［サンプル］からｎ−１［サンプル］までの間に入力ｕが加えられた場合、時刻ｎ［サンプル］での速度ｖ［ｎ］は次の式（３）として、

時刻ｎ［サンプル］での位置ｐ［ｎ］は次の式（４）として与えられる。

ここで、加速度多項式４９をサンプル数ｎの関数ｆaccと定義し、ｕ［ｎ］＝ｆacc［ｎ］とする。多項式ｆaccの次数が４次である場合、未定係数A、B、C、D、Eを用いることで、多項式ｆaccは次の式（５）と表すことが出来る。

ここで、境界条件を次の式（６）と設定する。

すると、式（５）の未定乗数は一意に定まり、多項式ｆaccは次の式（７）として定式化される。

多項式ｆaccの次数を５次として、境界条件を次の式（８）と与えた場合、

多項式ｆaccは次の式（９）と定式化される。

多項式ｆaccの次数を６次として、境界条件を次の式（１０）と与えた場合、

多項式ｆaccは次の式（１１）と定式化される。

多項式ｆaccの次数を７次として、境界条件を次の式（１２）と与えた場合、

多項式ｆaccは次の式（１３）と定式化される。

つまり、多項式ｆaccの次数をｎとした場合、ｎ＋３の独立した境界条件を設定すると多項式ｆaccを定式化することが可能となる。

参照モデル５０には、加速度多項式４９によって算出されたフィードフォワード入力３２が入力される。図４に参照モデル５０の構成法の一例を示す。参照モデル５０は、剛体モデル５１と、制御対象２００と剛体モデル５１の間に存在するモデル化誤差を含んだ特性を有するものとする。モデル化誤差は加法的誤差５２と乗法的誤差５３とに分離し、各々の特性に積分特性が含まれないように設計する。なお、制御対象２００と剛体モデル５１とのモデル化誤差が小さい場合には、参照モデル５０は剛体モデル５１のみとすることや、モデル化誤差を乗法的誤差モデルのみとすることや、加法的誤差モデルのみとすることも可能である。

剛体モデルは、入力信号から出力信号までの伝達特性をパルス伝達関数により表現した場合、次の式（１４）として表すことが出来る。

ハードディスク装置のヘッド位置決め系において、その機構特性は剛体モードと共振モードの和にて表現することが可能である。そこで本実施例では、加法的誤差モデルは、一つの共振モードを示すパルス伝達関数Ｐ_ａｅ［ｚ］にて表現することとする。Ｐ_ａｅ［ｚ］は、共振周波数をω_ｎ［ｒａｄ/ｓ］、粘性係数をζ、モード定数をκとした場合、連続時間系での伝達関数Ｐ_ｍｒ（ｓ）をサンプリング周期τの零次ホールドにより離散化したものとして次の式（１５）のように導出する。

その際、加法的誤差モデルは、想定される最も短いシークタイム（おそらく１トラックのシークタイム）の逆数に相当する周波数付近まで、制御対象の持つ共振モードの伝達特性を再現できていることが望ましい。また、加法的誤差モデル自身の過渡応答が小さくなるように、その減衰係数は大きな値（たとえば０．１以上）であることが望ましい。
また、ヘッド位置決め系においては、プログラム演算に伴う無駄時間や回路系の有する位相遅れ等が存在する。本実施例では、これらを乗法的誤差とみなして乗法的誤差モデルを設計する。乗法的誤差モデルは無駄時間要素の伝達関数を次の式（１６）のように有利関数に近似し、その連続系伝達特性を双一次変換等で離散化することで実現可能である。

ここで、Ｔｄ［ｓ］は等価無駄時間を意味し、機構系の特性以外で発生する遅れ要素に相当する。本実施例では、有理関数に近似する方法としてＰａｄｅ１次近似を用いる。

また、参照モデルに使用する状態量の初期値は、シーク開始時の制御対象の状態を反映するように決定するものとする。

図３に示す位置制御器４５は、磁気ディスク装置では公知である望ましい制御性能を実現するためのフォロイング補償器から構成され、モデル出力３４とヘッド位置信号Ｐの偏差である追従誤差２９を入力とし、その偏差を圧縮する位置フィードバック入力３０を出力する。

ＶＣＭ制御信号Ｄは、フィードフォワード入力３２と位置フィードバック入力３０の和となる。ここで、ＶＣＭ制御信号Ｄが加速度指令値ではない場合（たとえばＶＣＭへの印加電圧等）には、フィードフォワード入力３２と位置フィードバック入力３０の和と変換ゲインの積がＶＣＭ制御信号Ｄとなる。

本実施例と公知技術との比較結果について説明する。図５は、次数４次の多項式を用いた場合における本実施例によるフィードフォワード入力と公知であるフィードフォワード入力の比較を行ったものである。公知であるフィードフォワード入力では、多項式の導出時に零次ホールドの特性が考慮されていないため、ｎサンプル時点でのフィードフォワード入力は、ｎサンプル時点における４次多項式出力と（ｎ−１）サンプル時点における４次多項式出力の中間値を用いることとする。図５Ａはフィードフォワード入力として与えられる加速度信号を表しており、図５Ｂは、零次ホールドにより離散化した剛体モデルへフィードフォワード入力を与えたときの時刻歴応答を示している。ここで、サンプリング時間は３０μｓ、目標移動距離は１μｍ、目標シーク時間は１０サンプル（３００μｓ）とし、本実施例による応答は実線にて、公知の方法による応答は破線にて示している。図５Ｂより、多項式の導出時に零次ホールドの特性が考慮されていない公知の方法では、零次ホールドによる離散化誤差のために剛体モデルが目標値に到達しないことが分かる。一方、本実施例による方法では、多項式の導出時に零次ホールドの特性を考慮しているため、剛体モデルが目標値に誤差なく到達することが分かる。

本実施例をシーク制御系に適用した結果について説明する。ここで、サンプリング時間が３０μｓである制御対象に対して、目標トラックＲｅｆまでの距離を５μｍ、目標シーク時間を２０サンプルとした場合について検討する。ｆaccは次数６次の式（１１）を用いることとする。加法的誤差モデルの式（１５）および乗法的誤差モデルの式（１６）に示す係数は制御対象の特性を考慮し、κを−１、ζを０．３、ω_ｎを３９０００ｒａｄ、Ｔｄを１０μｓとした。図６にフィードフォワード入力の時刻歴応答を、図７にヘッド位置信号ｐの時刻歴応答を、図８に追従誤差の時刻歴応答を示す。本実施例によるシーク制御系では、目標となるモデル出力に対して実際のヘッド位置が精度良く追従しており、過渡応答などの残留振動もほとんど無い良好なシーク動作が実現されていることが分かる。

本実施例では、シーク開始時からシーク終了時まで用いる方式であったが、ある任意の区間のみ適用することも可能である。このような場合、ｆaccを導出する際の境界条件を、想定する動作に応じて設定する必要がある。

本実施例では、制御量をヘッド位置とする方式であったが、ヘッド速度とすることも可能である。その場合、剛体モデルおよび加法的誤差モデルの出力は速度となり、位置制御系にかわり速度制御器を用いた速度フィードバック出力をフィードフォワード入力に加算して制御対象に加えることとなる。

本実施例では、目標位置をモデルにより算出しているが、多項式を使って導出することも可能である。その場合、参照モデル内の剛体モデルの出力を式（４）の出力に置き換えることとなる。

上述した公知例では、目標速度や目標位置を目標加速度の時間積分により導出する方法であったため、零次ホールドによる離散化誤差が発生することとなった。本実施例は、零次ホールドの特性を考慮した境界条件により、目標加速度として使用する多項式の係数を導出する磁気ディスク装置である。

本実施例を用いることにより、零次ホールドによる離散化誤差の影響のない目標加速度と、その加速度に対応した目標速度および目標位置を、時間関数の多項式により実現することが可能となる。その結果、本実施例によるシーク系では、観測量と制御入力のサンプリング周期が同一であるサンプル値制御系においても、毎サンプルにおいて目標値と観測量を一致させるフィードフォワード入力を実現可能となる。

本発明の一実施例を示す磁気ディスク装置のヘッド位置決め制御系の構成図である。 本実施例の磁気ディスク装置におけるヘッド位置決め制御系の構成例を示すブロック線図である。 本実施例の位置決め制御系のブロック線図である。 本実施例の参照モデルのブロック図である。 本実施例と公知技術におけるフィードフォワード入力として与えられる加速度信号を示す図である。 本実施例と公知技術における零次ホールドにより離散化した剛体モデルへフィードフォワード入力を与えたときの時刻歴応答を示す図である。 本実施例のフィードフォワード入力の時刻歴応答を示す図である。 本実施例のヘッド位置信号ｐの時刻歴応答を示す図である。 本実施例の追従誤差の時刻歴応答を示す図である。

符号の説明

１…磁気ヘッド、２…ボイスコイルモータ（ＶＣＭ）、４…キャリッジ、５…磁気ディスク、6…スピンドルモータ、１０…Ａ／Ｄ変換器、１１…Ｄ／Ａ変換器、２０…ヘッド位置信号、２１…ＶＣＭ制御信号、３０…位置フィードバック入力、３２…フィードフォワード入力、３４…モデル出力、４９…加速度多項式、５１…剛体モデル、５２…加法的誤差モデル、５３…乗法的誤差モデル、２００…制御対象。

Claims (10)

1. 磁気記録媒体の記録及び再生の少なくとも一方を行う磁気ヘッドを目標とする位置へ移動させるための磁気ディスク装置において、
   フィードフォワード入力が時間関数の多項式にて算出されるシーク制御系を有し、かつ前記多項式の係数が零次ホールドの特性を含む境界条件によって導出されたものである
   ことを特徴とする磁気ディスク装置。
2. 磁気記録媒体の記録及び再生の少なくとも一方を行う磁気ヘッドを目標とする位置へ移動させるための磁気ディスク装置において、フィードフォワード入力として与える加速度指令値がシーク開始時からのサンプル数ｎの多項式ｕ［ｎ］にて算出されるシーク制御系を有し、シーク開始からシーク完了までのサンプル数をＮ、目標移動距離をＰｔメートル、サンプリング時間をτ秒とした場合に、次の式（３）と定義されるｖ［ｎ］と、次の式（４）と定義されるｐ［ｎ］に対して、ｕ［Ｎ］＝０、ｖ［Ｎ］＝０、ｐ［Ｎ］＝Ｐｔとなる
   ことを特徴とする磁気ディスク装置。
   

   

   
3. 磁気記録媒体の記録及び再生の少なくとも一方を行う磁気ヘッドを目標とする位置へ移動させるための磁気ディスク装置において、フィードフォワード入力がシーク開始時からのサンプル数ｎの多項式ｆaccにて算出されるシーク制御系を有し、シーク開始からシーク完了までのサンプル数をＮ、目標移動距離をＰｔメートル、サンプリング時間をτ秒と設定し、次の式（６）のように与えた場合、前記多項式ｆaccが次の式（７）式である
   ことを特徴とする磁気ディスク装置。
   

   

   
4. 磁気記録媒体の記録及び再生の少なくとも一方を行う磁気ヘッドを目標とする位置へ移動させるための磁気ディスク装置において、フィードフォワード入力がシーク開始時からのサンプル数ｎの多項式ｆaccにて算出されるシーク制御系を有し、シーク開始からシーク完了までのサンプル数をＮ、目標移動距離をＰｔメートル、サンプリング時間をτ秒と設定し、次の式（８）のように与えた場合、前記多項式ｆaccが次の式（９）式である
   ことを特徴とする磁気ディスク装置。
   

   

   
5. 磁気記録媒体の記録及び再生の少なくとも一方を行う磁気ヘッドを目標とする位置へ移動させるための磁気ディスク装置において、フィードフォワード入力がシーク開始時からのサンプル数ｎの多項式ｆaccにて算出されるシーク制御系を有し、シーク開始からシーク完了までのサンプル数をＮ、目標移動距離をＰｔメートル、サンプリング時間をτ秒と設定し、次の式（１０）のように与えた場合、前記多項式ｆaccが次の式（１１）式である
   ことを特徴とする磁気ディスク装置。
   

   

   
6. 磁気記録媒体の記録及び再生の少なくとも一方を行う磁気ヘッドを目標とする位置へ移動させるための磁気ディスク装置において、フィードフォワード入力がシーク開始時からのサンプル数ｎの多項式ｆaccにて算出されるシーク制御系を有し、シーク開始からシーク完了までのサンプル数をＮ、目標移動距離をＰｔメートル、サンプリング時間をτ秒と設定し、次の式（１２）のように与えた場合、前記多項式ｆaccが次の式（１３）式である
   ことを特徴とする磁気ディスク装置。
   

   

   
7. 請求項１に記載された磁気ディスク装置において、前記シーク制御系は、前記磁気ヘッドの現在位置をディジタル化したヘッド位置信号と前記磁気ヘッドを移動させる目標とする目標トラック信号とに基づいて、前記磁気ヘッドの駆動モータに前記磁気ヘッドを位置決めする制御信号を算出して出力する制御部を有することを特徴とする磁気ディスク装置。
8. 請求項７に記載された磁気ディスク装置において、前記制御部は、前記フィードフォワード入力に基づいてモデル出力を行う参照モデルを有することを特徴とする磁気ディスク装置。
9. 請求項７に記載された磁気ディスク装置において、前記制御部は、前記目標トラック信号に基づいてフィードフォワード入力を出力する加速度多項式と、このフィードフォワード入力に基づいてモデル出力を出力する参照モデルと、前記モデル出力と前記ヘッド位置信号との偏差である追従誤差に基づいてその偏差を圧縮して位置フィードバック入力を出力する位置制御器とを有することを特徴とする磁気ディスク装置。
10. 請求項９に記載された磁気ディスク装置において、前記参照モデルは、剛体モデルと、前記磁気ヘッドと前記剛体モデルとの間に存在するモデル化誤差とを含んだ特性を有することを特徴とする磁気ディスク装置。

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