JP2007242148A

JP2007242148A - 磁気ディスク装置

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Publication number: JP2007242148A
Application number: JP2006063745A
Authority: JP
Inventors: Takenori Atami; 武憲熱海; Atsushi Okuyama; 淳奥山
Original assignee: Hitachi Global Storage Technologies Netherlands BV
Current assignee: HGST Netherlands BV
Priority date: 2006-03-09
Filing date: 2006-03-09
Publication date: 2007-09-20
Also published as: US20070211371A1; US7576943B2

Abstract

【課題】磁気ディスク装置の位置決め制御系において、磁気ヘッドのシーク前とシーク後の特定振動成分の位相が無相関である場合においても、その周波数での振動に対して共振フィルタを高速に追従させる。
【解決手段】周期外乱が存在する周波数を目標周波数Ft[Hz]として選定する。次に、周波数Ftにおいてピークゲインを有する共振フィルタ３０を設計する。そして、共振フィルタ３０への入力に対して、シーク終了時からの時間に依存して変化する時変ゲインＫ(ｔ)を導入する。この時変ゲインＫ(ｔ)は、共振フィルタ３０の動作開始持において１より大きな値を有し、一定時間経過後に段階的に１となる。
【選択図】図２

Description

本発明は、磁気ディスク装置に係り、特に磁気ヘッドの位置決め制御に関する。

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標とするトラックに追従し、そのトラック上にデータの記録再生を行っている。このためには、磁気ヘッドを目標とするトラック上へ正確に位置するようにするための制御が必要である。最近では、磁気ディスク装置の記憶容量を増加させるため、トラック幅が小さくなる傾向にあり、更なる位置決め精度の向上と高速化が必要となっている。

位置決め精度を悪化させる要因の１つに、ディスクの回転に同期した位置信号の振動や機構系の振動がある。これらの振動は、ディスクの回転周波数の整数倍や機構系の固有振動数等の特定周波数に現れる。このような振動に対しては、その周波数において共振点を有するディジタルフィルタ(共振フィルタ)を用いた制御系設計が有効である。このような共振フィルタは、過渡応答の発生を防ぐためにシーク動作中は計算を停止させており、ヘッドが目標トラック近傍に到達後に動作開始となる。そのため、目標近傍に到達してから外乱を抑圧するまでに時間を要することとなる。

このような課題を解決する技術として特許文献１には、特定周波数での振動に対して共振フィルタを過渡応答無しに高速に追従させる手法が開示されている。この従来技術では、シーク動作中には、共振フィルタへの入力を０として共振フィルタの計算を続け、共振フィルタにより実現した共振特性を自由振動させるという方法を用いている。非特許文献１には、繰り返し制御系の学習速度を高速化する方法が開示されている。この従来技術では、回転に同期した振動に対して、２種類のフィルタを切り替えて学習時間を短縮する方法が取られている。

米国特許第５６０８５８６号明細書 "Compensation for Repeatable Tracking Errors in Hard Drives Using Discrete-Time Repetitive Controllers"IEEE／ASME TRANSACTIONS ON MECHATRONICS， VOL． 6, NO． 2, JUNE 2001, p.132-136

特許文献１に記載されるような、シーク動作中に共振フィルタへの入力を０とする手法では、共振フィルタの内部変数はシーク前の振動特性に対して追従する条件となっている。そのため、対象とする周波数での振動特性が、シーク前後においてゲイン差や位相差を有する場合、位置決め精度が悪化することも考えられる。特に、ヘッドチェンジを伴うシークや長距離でのシーク、高周波数での周期外乱では、シーク前とシーク後の振動成分は無相関である場合もあるため、これらの条件下では、本手法は適用困難となる。

非特許文献１記載の方法では、回転に同期した振動成分全てに対して学習を行うため、特定周波数に対してのみ学習時間を短縮することが難しいという問題点がある。実際の磁気ディスク装置では、回転に同期した振動が一様に発生するのではなく、ある特定の周波数の振動が支配的となることから、特定周波数に対する適用に制限があることは大きな制約である。

本発明の目的は、磁気ヘッドのシーク前とシーク後の特定振動成分の位相が無相関である場合においても、その周波数での振動に対して共振フィルタを高速に追従させることである。

上記目的を達成するために、本発明においては、まず、周期外乱が存在する周波数を目標周波数Ft[Hz]として選定する。次に、周波数Ftにおいてピークゲインを有する共振フィルタを設計する。そして、共振フィルタへの入力に対して、シーク終了時からの時間により変化する時変ゲインを導入する。この時変ゲインは、共振フィルタの動作開始持において１より大きな値を有し、一定時間経過後に１以下となるものである。
本発明の代表的な磁気ディスク装置においては、アクチュエータと、アクチュエータに駆動されてシーク動作を行う磁気ヘッドと、磁気ヘッドが情報記録媒体から読み出した情報からヘッド位置信号を取り出す回路とを制御対象とし、与えられた目標位置と前記回路により取り出されたヘッド位置信号の示すヘッド位置との差分である誤差信号が０となるように前記アクチュエータへの操作信号を生成する部分を制御部とし、制御部は誤差信号を入力とし制御対象の伝達特性を安定化する位相補償器と、位相補償器に時変ゲイン調整器を介して直列に接続された共振フィルタと、共振フィルタの出力と位相補償器の出力を加算する加算器とを有する。

前記制御部は位相補償器に対して時変ゲイン調整器と共振フィルタを並列に接続してもよい。
前記時変ゲイン調整器のゲインは、磁気ヘッドのシーク動作中は０であり、シーク動作終了時付近にて１より大きい規定値となり、一定時間規定値を保持した後に段階的に１となるものである。
前記時変ゲイン調整器のゲインは、磁気ヘッドのシーク動作中は０であり、シーク動作終了時付近にて１となり、一定時間経過後に段階的に１より大きい規定値となり、一定時間該規定値を保った後に段階的に１となるものであってもよい。
前記制御対象と制御部から構成される開ループ伝達特性のベクトル軌跡は、共振フィルタの共振周波数にて不安定点である座標（−１，０）から遠ざかる方向へ右回りに円軌跡を描くものである。

本発明によれば、外乱振動が現れる場合においても、磁気ヘッドは記録トラックの上を正確にトレースすることができる。

図１は、本発明の第１の実施例による磁気ディスク装置の基本構成図である。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て回転している。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おり、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（シーク、フォロイング）させるための動力はボイスコイルモータ(ＶＣＭ)２により発生する。キャリッジ４とＶＣＭ２とで磁気ヘッド１のアクチュエータを構成している。

磁気ヘッド１は磁気ディスク上のサーボセクタ７に記録されている位置信号を検出することにより、現在位置を知ることができる。磁気ヘッド１により検出された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ＡＤ変換器１０を介して位置信号２０となり、バス１３を介してＭＰＵ１６に取り込まれる。こうして得た位置信号２０をＭＰＵ１６で処理し以下の方法でＶＣＭ制御信号２１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。ＲＡＭ１４には、磁気ディスク５に書き込まれるデータ、及び磁気ディスク５から読み出されたデータが一時的に格納される。また、ＭＰＵ１６にはバス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が発行されると、ＭＰＵ１６はＲＯＭ１５に記録されているヘッド位置決めのための制御プログラムを実行して、位置信号２０から目標位置までの距離に応じて最適なＶＣＭ制御信号２１を生成する。生成されたＶＣＭ制御信号２１は、図１に示すようにＤＡ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（記録トラック）に位置決めする
次に、図２を用いて、磁気ヘッド１の現在位置と目標位置の差に基づいてＶＣＭ制御信号２１を生成する方法について説明する。図２はＭＰＵ１６で実現される位置決め制御系の数式モデルによるブロック線図である。説明の都合上、制御対象２７の数式モデルをP(ｚ)で表しておく。ここで制御対象２７とは、図１において、ＤＡ変換器１１への入力２１からＡＤ変換機１０の出力２０までを表し、その入出力特性を表したものが伝達関数P(ｚ)である。

フォロイング制御部２８は主として、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２９(伝達関数をＣｆ(ｚ)とする)と、シーク終了時からの時間によりゲインが変化する時変ゲイン調整器３１（時変ゲインをＫ(ｔ)とする）と、安定な位相条件を有する共振フィルタ３０(伝達関数をＣｒ(ｚ)とする)と、から構成される。以下、図２の信号の流れを説明する。目標位置信号２４と位置信号２０の差分である誤差信号(ＰＥＳ)２５をフォロイング補償器Ｃｆ(ｚ)２９に入力する。フォロイング補償器Ｃｆ(ｚ)２９の出力は時変ゲイン調整器３１への入力信号２６となる。Ｋ(ｔ)倍された信号２６は共振フィルタＣｒ(ｚ)３０へ入力される。共振フィルタ３０の出力とフォロイング補償器２９の出力が加算器３２で加算され、その和がＶＣＭ制御信号２１となり、制御対象Ｐ(ｚ)２７に入力される。

以下、図２の数式モデルについて説明する。まず、制御対象Ｐ(ｚ)２７は、連続時間系の剛体モードを表す下記(１)式の機構系モデルＰ(ｓ)を、ディジタル制御系であることを想定して無駄時間を有する０次ホールドで離散化したものとする。（１）式中、ｓはラプラス変換素子である。

その際、サンプリング時間をＴｓ、無駄時間をＴｄｌとする。サンプリング時間Ｔｓを１００μｓ、無駄時間Ｔｄｌを１０μｓとしたときの制御対象Ｐ(ｚ)の周波数特性を図３に示す。

フォロイング補償器Ｃｆ(ｚ)２９は例えば次のような特性を持つように設計する。外力が制御系に作用する場合にも定常偏差を生じないように、低周波数域において１次の積分特性を与える。また、剛体モードを安定化するために７００Ｈｚ〜２ｋＨｚでの位相進みが大きくなるような位相進み特性を与える。また補償器の比例ゲインは、Ｐ(ｚ)・Ｃｆ(ｚ)におけるゲイン０ｄＢクロスオーバ周波数(入出力の振幅比が１となる周波数)が１１００Ｈｚとなるようにゲイン特性を与える。図４は、このときの制御対象Ｐ(ｚ)の周波数特性を示す。

目標となる外乱の周波数を４２０Ｈｚとする。共振フィルタＣｒ(ｚ)３０は、４２０Ｈｚに共振点を有し、下記(２)式に示す開ループ伝達特性Ｏｐ(ｚ)においてＫ(ｔ)＝１とした場合のベクトル軌跡が共振フィルタの共振周波数(４２０Ｈｚ)近傍にて不安定点(−１，０)から遠ざかる円軌跡となるように設計する。

具体的には、共振フィルタＣｒ（ｚ）３０の固有振動数ωにおける位相が下記（３）式となればよい。図５は、このときの共振フィルタＣｒ(ｚ)３０の周波数特性を示す。

共振フィルタ３０への入力信号が大きければ大きいほど、共振フィルタ３０の収束性は高速となるが、制御系の安定余裕は減少する。そのため、時変ゲインＫ(ｔ)は、その最大値において制御系の安定性が十分に保たれている必要がある。そこで、本実施例では、Ｋ(ｔ)の最大値を２０とした。Ｋ(ｔ)＝１とした場合における、開ループ伝達特性の周波数特性を図６の実線に、開ループ伝達特性のベクトル軌跡を図７の実線に、感度関数の周波数ゲイン特性を図８の実線に示す。Ｋ(ｔ)＝２０とした場合における、開ループ伝達特性の周波数特性を図６の破線に、開ループ伝達特性のベクトル軌跡を図７の破線に、感度関数の周波数ゲイン特性を図８の破線に示す。

図７と図８より、時変ゲインＫ(ｔ)を増加させた場合、位相余裕が減少し感度関数のゲインが６００Ｈｚから３ｋＨｚにかけて悪化することが確認できる。そのため、このようなゲインの大きい共振フィルタを固定値として導入した場合、共振フィルタの目標周波数以外での位置決め精度を大きく悪化させることとなる。そのため、共振フィルタの入力ゲインを時変とし、感度関数が悪化する時間を最小限に留めることが有効である。時変ゲインＫ(ｔ)は学習開始時に最大ゲインの値とし、十分に収束した後に段階的にゲインを１に近づける。これにより、Ｋ(ｔ)の変化に伴う過渡応答の発生を抑えることが可能となる。そこで、Ｋ(ｔ)を図１０のように時変の値として与える。ここで、ｔ＝０が共振フィルタ３０の動作開始時である。共振フィルタ動作後の２．５ｍｓの間はＫ(ｔ)＝２０となる。その後、徐々にＫ(ｔ)は１に近づいていく。

本実施例の効果を確認するために、位置信号２０に対して、大きさ０．５、周波数４２０Ｈｚの正弦波を外乱として加えた時のシーク動作シミュレーションを行った。共振フィルタ３０は目標トラック近傍に到達して５サンプル目から動作を開始するものとし、共振フィルタ３０の動作開始時刻をｔ＝０とする。動作開始の直前に、共振フィルタ３０の状態変数はすべて０とする。図９の実線に、本実施例を適用しない場合として、Ｋ(ｔ)＝１と固定した時の目標値近傍でのヘッド位置の応答を示す。この図より、Ｋ(ｔ)＝１と固定した場合には、外乱抑圧性能の収束性が十分でないことが確認できる。図９の破線に、本実施例による場合として、図１０のＫ(ｔ)を用いた時の目標値近傍でのヘッド位置の応答を示す。この図より、Ｋ(ｔ)を時変とすることにより、外乱振動が高速に収束していることが分かる。

上記の説明のとおり、本実施例によれば、共振フィルタの動作開始時点において、時変ゲインＫ(ｔ)を最大ゲインとし、一定時間経過後に段階的にゲインを１に近づけるので、共振フィルタの外乱振動への追従を高速にし、かつ感度関数の悪化を防止することができる。したがって、磁気ヘッドが記録トラックの上を正確にトレースすることができる。

次に、第２の実施例における、ＶＣＭ制御信号２１を生成する方法について説明する。磁気ディスク装置の基本構成は上記第１の実施例と同じである。第１の実施例と同一の構成には同じ符号を付し説明は省略する。第１の実施例では、時変ゲインＫ(ｔ)は共振フィルタ３０の動作開始時に最大ゲインとなるように設計されていた。セトリング時に発生する振動成分において、制御系の過渡応答の影響が支配的な場合には、第１の実施例の方法でセトリング時の振動特性が改善されない可能性もある。そこで、第２の実施例では時変ゲインＫ(ｔ)はシーク動作後に目標セクタが来るまでの回転待ちの時間の範囲において最大値を有するものとする。図１１は、第２の実施例の時変ゲインＫ(ｔ)の値を示すものである。ここで、目標セクタにはｔ＝２６ｍｓにおいて到達するものとする。Ｋ(ｔ)は、学習開始時ｔ＝０には１とし、目標セクタに到達する約１０ｍｓ前（約１６ｍｓ）から段階的に最大値に到達し、約３ｍｓ最大値を維持した後、段階的に１まで戻るものとする。図１２の破線に、図１１に示す時変ゲインＫ(ｔ)を用いた場合の目標値近傍でのヘッド位置の応答を示す。この図より、時変ゲインＫ(ｔ)を用いることにより、目標セクタに到達するまでに目標の外乱が十分に抑圧されていることを確認できる。

図１３に第３の実施例による位置決め制御系の数式モデルによるブロック線図を示す。第１の実施例と異なる点のみを説明し、同一の構成には同じ符号を付し説明は省略する。第１の実施例では、時変ゲイン調整器３１と共振フィルタＣｒ(ｚ)３０はフォロイング補償器Ｃｆ(z)２９に対して直列に接続するものであった。しかしながら、装置上の制約により、共振フィルタＣｒ(ｚ)３０をフォロイング補償器２９に対して並列に付加する場合も考えられる。そこで、第３の実施例では、時変ゲイン調整器３１と共振フィルタＣｒ(ｚ)３０をフォロイング補償器Ｃｆ(ｚ)２９に対して並列に結合した場合を示す。共振フィルタＣｒ(ｚ)３０は、下記(４)式に示す開ループ伝達特性Ｏｐ(ｚ)において、Ｋ(ｔ)＝１とした場合のベクトル軌跡が共振フィルタの共振周波数にて不安定点(−１，０)から遠ざかる円軌跡となるように設計する。

具体的には、共振フィルタＣｒ（ｚ）３０の固有振動数ωにおける位相が下記（５）式となればよい。

以上の説明のとおり、本発明の各実施例によれば、磁気ヘッドのシーク前とシーク後の特定振動成分の位相が無相関である場合においても、その周波数での振動に対して共振フィルタを高速に追従させることができる。したがって、磁気ディスク装置の位置決め制御系において、特定周波数に発生する外乱振動を高速に抑圧することが可能となり、磁気ヘッドが記録トラックの上を正確にトレースすることができる。

本発明の第１の実施例による磁気ディスク装置の基本構成図である。第１の実施例における位置決め制御系の数式モデルによるブロック線図である。第１の実施例における制御対象P(ｚ)の周波数特性を示す図である。第１の実施例における制御対象P(ｚ)の周波数特性を示す図である。第１の実施例における共振フィルタＣｒ(ｚ)の周波数特性を示す図である。第１の実施例における開ループ伝達特性の周波数特性を示す図である。第１の実施例における開ループ伝達特性のベクトル軌跡を示す図である。第１の実施例における感度関数の周波数ゲイン特性を示す図である。第１の実施例におけるシーク動作後の目標値近傍でのヘッド位置の時刻歴応答を示す図である。第１の実施例における時変ゲインＫ(ｔ)の時刻歴特性を示す図である。第２の実施例における時変ゲインＫ(ｔ)の時刻歴特性を示す図である。第２の実施例におけるシーク動作後の目標値近傍でのヘッド位置の時刻歴応答を示す図である。第３の実施例における位置決め制御系の数式モデルによるブロック線図である。

符号の説明

１…磁気ヘッド、２…ボイスコイルモータ(ＶＣＭ)、３…ピボット軸受、４…キャリッジ、５…磁気ディスク、６…スピンドルモータ、７…サーボセクタ、８…ヘッド信号増幅器、９…サーボ信号復調器、１０…ＡＤ変換機、１１…ＤＡ変換機、１２…パワーアンプ、２０…位置信号、２１…ＶＣＭ制御信号、２４…目標位置信号、２５…誤差信号(ＰＥＳ)、２７…制御対象、２８…フォロイング制御部、２９…フォロイング補償器、３０…共振フィルタ、３１…時変ゲイン調整器、３２…加算器。

Claims

アクチュエータと、該アクチュエータに駆動されてシーク動作を行う磁気ヘッドと、該磁気ヘッドが情報記録媒体から読み出した情報からヘッド位置信号を取り出す回路とを制御対象とし、目標位置と前記回路からのヘッド位置信号の示すヘッド位置との差分である誤差信号が０となるように前記アクチュエータへの操作信号を生成する部分を制御部とし、該制御部は前記誤差信号を入力とし前記制御対象の伝達特性を安定化する位相補償器と、該位相補償器に時変ゲイン調整器を介して直列に接続された共振フィルタと、該共振フィルタの出力と前記位相補償器の出力を加算する加算器とを有することを特徴とする磁気ディスク装置。
前記時変ゲイン調整器のゲインは、前記磁気ヘッドのシーク動作中は０であり、シーク動作終了時付近にて１より大きい規定値となり、一定時間規定値を保持した後に段階的に１となることを特徴とする請求項１記載の磁気ディスク装置。
前記時変ゲイン調整器のゲインは、前記磁気ヘッドのシーク動作中は０であり、シーク動作終了時付近にて１となり、一定時間経過後に段階的に１より大きい規定値となり、一定時間該規定値を保った後に段階的に１となることを特徴とする請求項１記載の磁気ディスク装置。
前記制御対象と前記制御部から構成される開ループ伝達特性のベクトル軌跡が、前記共振フィルタの共振周波数にて不安定点である座標（−１，０）から遠ざかる方向へ右回りに円軌跡を描くことを特徴とする請求項１記載の磁気ディスク装置。
前記共振フィルタは、周期外乱の存在する周波数においてピークゲインを有することを特徴とする請求項１記載の磁気ディスク装置。
アクチュエータと、該アクチュエータに駆動されてシーク動作を行う磁気ヘッドと、該磁気ヘッドが情報記録媒体から読み出した情報からヘッド位置信号を取り出す回路とを制御対象とし、目標位置と前記回路からのヘッド位置信号の示すヘッド位置との差分である誤差信号が０となるように前記アクチュエータへの操作信号を生成する部分を制御部とし、該制御部は前記誤差信号を入力とし前記制御対象の伝達特性を安定化する位相補償器と、前記誤差信号を入力とする時変ゲイン調整器と、該時変ゲイン調整器の出力を入力とする共振フィルタと、該共振フィルタの出力と前記位相補償器の出力を加算する加算器とを有することを特徴とする磁気ディスク装置。
前記時変ゲイン調整器のゲインは、前記磁気ヘッドのシーク動作中は０であり、シーク動作終了時付近にて１より大きい規定値となり、一定時間規定値を保持した後に段階的に１となることを特徴とする請求項６記載の磁気ディスク装置。
前記時変ゲイン調整器のゲインは、前記磁気ヘッドのシーク動作中は０であり、シーク動作終了時付近にて１となり、一定時間経過後に段階的に１より大きい規定値となり、一定時間該規定値を保った後に段階的に１となることを特徴とする請求項６記載の磁気ディスク装置。
前記制御対象と前記制御部から構成される開ループ伝達特性のベクトル軌跡が、前記共振フィルタの共振周波数にて不安定点である座標（−１，０）から遠ざかる方向へ右回りに円軌跡を描くことを特徴とする請求項６記載の磁気ディスク装置。
前記共振フィルタは、周期外乱の存在する周波数においてピークゲインを有することを特徴とする請求項６記載の磁気ディスク装置。