JP4177815B2

JP4177815B2 - ハードディスクのｒｒｏ外乱の高速補償制御方法および装置

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Publication number: JP4177815B2
Application number: JP2005020526A
Authority: JP
Inventors: ▲尚▼ 恩白; 彰益姜
Original assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 2004-01-31
Filing date: 2005-01-28
Publication date: 2008-11-05
Anticipated expiration: 2025-01-28
Also published as: US7330332B2; US20050180042A1; JP2005216473A; KR100594243B1; KR20050078702A

Description

本発明はハードディスクにおける外乱補償に係り、特に、ハードディスクの偏心（ＲｅｐｅａｔａｂｌｅＲｕｎ−Ｏｕｔ：以下、ＲＲＯ）外乱の高速補償制御方法および装置に関する。

磁気抵抗（ＭＲ）ヘッド技術の発展につれてハードディスクドライブ（以下、ＨＤＤと略す）の記録密度は急激に増加しつつある。最近では、ディスク１枚当り８０ＧＢｙｔｅのデータを記録可能な製品が開発された。このような製品のトラック密度は９３０００ＴＰＩ（ＴｒａｃｋＰｅｒＩｎｃｈ）であって、トラック幅は０．２７μｍに過ぎない。近いうちにディスク１枚当り実に１２０ＧＢｙｔｅのデータを記録できる製品が開発されると予測されている。このように微小なトラック内において、ヘッドがデータを正確に記録／再生するためには、非常に精巧なヘッド位置制御技術が必要である。

ＨＤＤにおけるヘッド位置制御の目的は、速やかに目的トラックにヘッドを移動させ、たとえ外乱が存在するとしてもヘッドを目的トラックの正中央に位置させることである。ところが、ドライブが外部衝撃を受けたり、生産過程でディスクの締結が不完全な場合、トラック中心がディスクの回転中心からずれるＲＲＯ誤差が発生する。このようなＲＲＯ誤差は、外乱として作用してヘッド位置制御性能を低下させる。特に、ディスクがドライブに締結される前にあらかじめサーボ信号が記録されるオフラインサーボ記録方式を使用する場合、ＲＲＯはさらに明確に現れる。例えば、オフラインサーボ記録方式を使用して９３，０００ＴＰＩドライブを組立てた場合、２００トラック以上のＲＲＯ誤差が予想される。このように過度なＲＲＯ誤差は、ディスクドライブの動作速度性能を非常に低下させるため、補償対策が必要である。

図１は、従来のハードディスクにおけるＲＲＯ外乱補償装置の構成を示すブロック図であり、図１に示すように、従来は、状態帰還制御器１３０にＲＲＯ補償器１１０を並列に連結してＲＲＯ外乱を補償しようとした。ＲＲＯ補償器１１０は、ＲＲＯ周波数で無限大の利得を持つ２次フィルターであって、十分な時間が与えられれば、ＰＥＳ（ＰｏｓｉｔｉｏｎＥｒｒｏｒＳｉｇｎａｌ）、すなわち、ディスクの目的トラック中央を基準とするヘッドの相対的位置信号はゼロに収斂する。そして、ＲＲＯ補償器１１０の収斂速度向上のために、補償器が動作を始める時には正常状態値に初期化させる技法が使われている。しかし、ＲＲＯ補償器１１０と状態帰還制御器１３０との相互干渉のために、補償が完全になされるまでに２０ｍｓｅｃ以上の時間を要し、ディスクドライブの動作速度性能が非常に低下する問題がある。

本発明が解決しようとする技術的課題は、過度なＲＲＯ外乱を高速で補償するための、ハードディスクにおけるＲＲＯ外乱の高速補償方法および装置を提供することである。

本発明が解決しようとする他の技術的課題は、前記のハードディスクにおけるＲＲＯ外乱の高速補償方法をコンピュータで実行させるためのプログラムを記録したコンピュータ可読記録媒体を提供することである。

前記技術的課題を解決するために、本発明のハードディスクにおけるＲＲＯ外乱の高速補償方法は、ハードディスクドライブのヘッド位置制御において、ディスクの現在トラックから目的トラック近くまでヘッドを移動させる過程であるトラック探索モードと、前記ヘッドを前記目的トラック近くから前記目的トラックの中央に安全に誘導する過程である載置モードと、前記ヘッドが目的トラック中央に位置するように保持する過程であるトラック追従モードとを含み、（ａ）前記ハードディスクドライブにおけるディスクの目的トラックの中央を基準とするヘッドの相対的位置信号であるＰＥＳ値を得る段階と、（ｂ）前記ハードディスクドライブのヘッドが載置モードにあるかどうかを判別する段階と、（ｃ）前記ハードディスクドライブのヘッドが載置モードにある場合には、前記ＰＥＳ信号をフィードバックせずにＲＲＯ補償を行う段階と、（ｄ）前記ハードディスクドライブのヘッドがトラック追従モードにある場合には、前記ＰＥＳ信号をフィードバックしてＲＲＯ補償を行う段階と、前記（ｃ）段階は、前記ハードディスクドライブのヘッドが載置モードにあれば、サーボセクターが最初のセクターであるかどうかを判別する段階と、最初のセクターであれば、サーボセクターのＲＲＯ値を保存しているＲＲＯテーブルの値にＲＲＯ補償を初期化してＲＲＯ補償値を計算する段階と、最初のセクターでなければ、直前のセクターのＲＲＯ補償値を参照してＲＲＯ補償値を計算する段階と、状態帰還制御値に前記ＲＲＯ補償値を加えてその結果をＤ／Ａ変換器に出力する段階と、を含むことを特徴とする。

前記（ｂ）段階の載置モードにあるかどうかの判別は、前記ハードディスクドライブの推定された状態値を計算する段階と、前記推定された状態値を利用して状態帰還制御値を計算する段階と、前記状態帰還制御値を利用して載置モードにあるかどうかを判別する段階と、を含むことが望ましい。

前記（ｄ）段階は、前記ハードディスクドライブのヘッドがトラック追従モードにあればＰＥＳ信号をフィードバックする段階と、ＲＲＯ補償値を計算する段階と、状態帰還制御値にＲＲＯ補償値を加えてその結果をＤＡＣに出力する段階と、ＲＲＯキャリブレーションを行う段階と、を含むことが望ましい。

前記技術的課題を解決するために、本発明によるハードディスクＲＲＯ外乱の高速補償装置は、ハードディスクドライブのヘッド位置制御において、現在トラックから目的トラック近くまでヘッドを移動させる過程であるトラック探索モードと、前記ヘッドを目的トラックの近くから目的トラックの中央に安全に誘導する過程である載置モードと、前記ヘッドが前記目的トラックの中央に位置するように保持する過程であるトラック追従モードと行い、前記トラック追従モードにおいて、ディスクサーボセクターのＲＲＯ値を保存しているＲＲＯテーブルと、ヘッド位置を制御し、状態帰還制御器の状態帰還制御信号とＲＲＯ補償器のＲＲＯ補償値との差を利用してＰＥＳを出力するボイスコイルモータアクチュエータと、前記ボイスコイルモータアクチュエータから出力されるＰＥＳを、載置モードおよびトラック探索モードでは前記ＲＲＯ補償器に入力させず、トラック追従モードでは前記ＲＲＯ補償器に入力させるフィードバックスイッチと、前記ＲＲＯテーブルのＲＲＯ初期値を参照して、前記フィードバックスイッチにより制御されるＰＥＳ信号を入力としてＲＲＯ外乱を補償するＲＲＯ補償器と、状態推定器で推定されたディスクドライブの状態によって状態帰還制御値を出力する状態帰還制御器と、前記状態帰還制御器の状態帰還制御値と前記ボイスコイルモータアクチュエータのＰＥＳ信号とを入力として、ディスクドライブの状態を推定する状態推定器と、を含み、前記ＲＲＯ補償器は、前記載置モードに遷移されるとき、前記ＲＲＯテーブルに保存されている値に初期化されてＲＲＯ外乱についての補償を始めることを特徴とする。

本発明において、前記ＲＲＯ補償器は、前記ハードディスクドライブに電源が印加される度に行われる準備過程でＰＥＳが十分に収斂するまで待った後、個々の補償器の収斂値を測定して前記ＲＲＯテーブルに保存し、前記ハードディスクドライブの準備過程以後の正常動作時にもキャリブレーションを行うことが望ましい。また、前記ＲＲＯ補償器は、複数のＲＲＯ補償器からなり、各ＲＲＯ補償器は、前記ＲＲＯテーブルのサーボセクターのＲＲＯ値を参照して、前記フィードバックスイッチにより制御されるＰＥＳ信号を入力として、複数の高調波よりなるＲＲＯ外乱を前記高調波別に補償することが望ましい。また、本発明において、前記複数のＲＲＯ補償器は、並列に連結されることが望ましい。前記並列に連結された複数のＲＲＯ補償器の利得は、前記複数の補償器を直列に構成して制御利得を設定した後、前記補償器を並列形態に変換して獲得することが望ましい。

そして、前記の発明をコンピュータで実行させるためのプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体を提供する。

本発明によるハードディスクにおけるＲＲＯ外乱の高速補償方法および装置によれば、過度なＲＲＯ外乱を高速で補償可能になる。したがって、ドライブが外部衝撃を受けたり、またはオフラインサーボ記録方式により組立てられてＲＲＯが過度に発生する場合にも、ドライブの動作速度性能が低下しない。

以下、添付図面を参照して、本発明によるハードディスクにおけるＲＲＯ外乱の高速補償制御方法および装置について詳細に説明する。

図２は、本発明によるハードディスクにおけるＲＲＯ外乱の高速補償装置の構成を示すブロック図であり、ＲＲＯテーブル２００と、ＶＣＭアクチュエータ２３０と、フィードバックスイッチ２２０と、ＲＲＯ補償器２１０と、状態帰還制御器２４０と、状態推定器２５０と、を備える。

前記ＲＲＯテーブル２００は、ハードディスクのディスクのサーボセクターのＲＲＯ値を保存する。前記ＶＣＭアクチュエータ２１０は、ヘッド位置を制御し、状態帰還制御器の状態帰還制御信号と、ＲＲＯ補償器のＲＲＯ補償値との差を利用してＰＥＳを出力する。

前記フィードバックスイッチ２２０は、前記アクチュエータから出力されるＰＥＳを、載置モードおよびトラック探索モードでは前記ＲＲＯ補償器に入力させず、トラック追従モードでは前記ＲＲＯ補償器に入力させる。

前記ＲＲＯ補償器２１０は、前記ＲＲＯテーブル２００のＲＲＯ初期値を参照して、前記フィードバックスイッチにより制御されるＰＥＳ信号が入力されてＲＲＯ外乱を補償する。一般的にいろいろな高調波（１×、２×、３×、４×、…）で構成されるＲＲＯ外乱を補償するために、Ｎ個のＲＲＯ補償器が、状態帰還制御器２４０に並列に連結されている。

前記状態帰還制御器２４０は、状態推定器２５０で推定されたディスクドライブの状態によって状態帰還制御値を出力する。前記状態推定器２５０は、前記状態帰還制御器２４０の状態帰還制御値と、前記ＶＣＭアクチュエータ２３０のＰＥＳ信号とが入力されてディスクドライブの状態を推定する。

図２に示すように、本発明と従来技術との間の大きい差異は、本発明が、ＲＲＯ補償器２１０の入力端にフィードバックスイッチ２２０を使用し、ＲＲＯの全ての高調波成分を補償するためにＮ個の補償器２１２、２１４、２１６を並列に連結して使用する点である。

そして、フィードバックスイッチ２２０を使用する理由は、従来技術の問題点であるＲＲＯ補償器２１０と、状態帰還制御器２４０との間の相互干渉現象を排除して、補償器速度を顕著に向上させるためである。

ヘッドがディスクの所望の位置にデータを記録し、所望の位置からデータを読み取るために目的トラックを探索することをシーク（ＳＥＥＫ）といい、現在のトラックから目的トラック近くまでヘッドを移動させる過程をトラック探索モード（ｔｒａｃｋｓｅｅｋｉｎｇｍｏｄｅ）という。そして、前記シーク時にヘッドを目的トラック近くからトラック中央に安全に誘導する過程を載置モード（ｓｅｔｔｌｉｎｇｍｏｄｅ）、前記ヘッドが目的トラック中央に位置するように保持する過程をトラック追従モード（ｔｒａｃｋｆｏｌｌｏｗｉｎｇｍｏｄｅ）という。

前記載置モードでは、フィードバックスイッチ２２０がオフとなり、一方、トラック追従モードでは、フィードバックスイッチ２２０がオンとなる。載置モードでは、それぞれのＲＲＯ補償器２１２、２１４、・・・２１６は、ＰＥＳ情報なしに数式１によって、自分で補償値ｒ_a,kを計算して出力する。
数式１：

このようなＲＲＯ補償器２１２、２１４、・・・２１６は、載置モードが始まる時点で正常状態値に初期化されて動作を開始する。ＲＲＯ補償器２１２、２１４、・・・２１６の初期値ｒ^* _a,k（ｍ）は、ＲＲＯテーブル２３０にあらかじめ保存されていた値ｒ^* _a,k（０）と、サーボセクター番号ｍとから次の数式２のように決定される。
数式２：

また、載置モードが始まる時点では、ＰＥＳおよび速度によってパルスの大きさが決定される。それぞれのＲＲＯ補償値ｒ_a,kを合計し、また、載置モードの開始時点ではパルスを追加してＤＡＣに出力する。

ヘッドがトラック追従モードに進入すると、フィードバックスイッチがオンとなり、それぞれのＲＲＯ補償器は、数式３に示すように、ＰＥＳを利用して補償値ｒ_a,kを計算する。そして、それぞれの値が合成されてＤＡＣに出力される。
数式３：

そして、ＲＲＯ外乱は、周辺環境および時間によって変動するので、トラック追従モードでは、ヘッドがサーボセクター０を通過する時にＲＲＯ補償値ｒ^* _a,k（０）を測定してＲＲＯテーブル２００に保存するキャリブレーション過程が、リアルタイム（Ｏｎ−Ｌｉｎｅ）で行われる。

図３Ａは、本発明によるハードディスクのＲＲＯ外乱を高速で補償する方法を示すフローチャートである。最初に、ディスクドライブのＰＥＳ値を得る（３０段階）。次いで、ディスクドライブのヘッドが載置モードにあるかどうかを判別する（３２段階）。前記載置モードの判別は、ヘッドの速度および位置によって決定できる。前記ディスクドライブのヘッドが載置モードにあれば、前記ＰＥＳ信号をフィードバックせずにＲＲＯ補償を行う（３４段階）。前記ディスクドライブのヘッドがトラック追従モードにあれば、前記ＰＥＳ信号をフィードバックした後（３６段階）、ＲＲＯ補償を行う（３８段階）。

図３Ｂは、図３Ａをさらに具体的に説明するフローチャートである。

まず、サンプルを待ち（３００段階）、サンプルが入力されるとＨＤＤのＶＣＭアクチュエータ２３０からＰＥＳ値を得る（３０５段階）。また、状態推定器２５０は、ディスクドライブの状態推定値を計算し（３１０段階）、状態帰還制御器２４０は、状態帰還制御値を計算する（３１５段階）。

次いで、ヘッドが載置モードであるかどうかを判別して（３２０段階）、載置モードであれば、フィードバックスイッチをオフした後、サーボセクターが最初のセクターであるかどうかを検査する（３３０段階）。

サーボセクターが最初のセクターであれば、ＲＲＯテーブル２００を読出してＲＲＯ補償器２１０を初期化した後、ＲＲＯ補償値を計算する（３４０段階）。ＲＲＯ値はサーボセクターによって変動するので、あらゆるサーボセクターでの値をメモリに保存せねばならない。しかし、ＲＲＯテーブルのメモリ節約のために、ＲＲＯキャリブレーション時にセクター番号が０である位置（インデックス位置）でのＲＲＯ値のみをＲＲＯテーブルに保存する。載置モードの開始時、ＲＲＯ補償器を初期化する時に残りのセクターでのＲＲＯ値は三角関数整理によって計算され、それを利用してＲＲＯ値を使用できる。

もし、サーボセクターが最初のセクターでなければ、ＲＲＯ補償器２１０は、以前セクターのＲＲＯ補償値を参照してＲＲＯ補償値を計算する（３４５段階）。次いで、状態帰還制御器２４０の状態帰還制御値にＲＲＯ補償値を加えて、加算の結果をＤＡＣに出力する（３５０段階）。

一方、ヘッドが載置モードではなくトラック追従モードにある場合には、フィードバックスイッチをオンにする（３５５段階）。その後、ＲＲＯ補償値を計算して（３６０段階）、状態帰還制御値にＲＲＯ補償値を加えて、加算の結果をＤＡＣに出力した後（３６５段階）、ＲＲＯキャリブレーションを行う（３７０段階）。前記キャリブレーションは、ＲＲＯ補償値を初期化し、ＲＲＯ補償器を動作させて補償のための電流値を求める全体過程をいう。ドライブに電源が印加される度に行われる準備過程（Ｐｏｗｅｒ−ＯｎＲｅａｄｙＰｒｏｃｅｓｓ）で、ＰＥＳが０に完全に収斂するまで十分に待った後、個々の補償器の収斂値を測定してＲＲＯテーブルに保存する（Ｐｏｗｅｒ−ＯｎＣａｌｉｂｒａｔｉｏｎ）。また、ＲＲＯ外乱は、時間および環境によって変動するので、ＲＲＯキャリブレーションは、ドライブの準備過程以後の正常動作時にも行われる（Ｏｎ−ＬｉｎｅＲＲＯＣａｌｉｂｒａｔｉｏｎ）。すなわち、ヘッドがトラック追従モードに進入して一定時間経過した後、補償器の収斂値をＲＲＯテーブルに保存する。

一方、高周波特性を無視した場合、ＶＣＭアクチュエータ２３０についての数学的モデルは、次の数式４に示す通りである。
数式４：

ここで、定数Ｋ_Aは加速度定数を表し、変数ｕとｗとはそれぞれアクチュエータの入力電流およびフレックスケーブルによるバイアス外乱を表す。そして変数ｙは、アクチュエータの絶対的位置を表す。位置センサーによって実際に測定される位置信号は、絶対的位置信号ではなく、トラック中央を基準としたヘッドの相対的位置信号であって、通常ＰＥＳと呼ぶ。

ディスクが外部衝撃を受けた場合には、ディスクの中心がディスクの回転中心からずれるＲＲＯ誤差が発生する。図４は、このようなＲＲＯ誤差を図示している。この場合、アクチュエータの位置が固定されてもＲＲＯによってトラックの中央が揺れるため、ＰＥＳは次の数式５に示すようにＲＲＯ誤差を含んで現れる。
数式５：

ここで、変数ｘとｓとは、ＰＥＳとＲＲＯ誤差をそれぞれ表す。ＲＲＯ誤差は、ディスク回転に同期されて現れる周期的関数であるので、ディスク回転周波数の整数倍の周波数を持つ正弦波信号が合成された信号であると言える。ＰＥＳを出力と見なし、ＲＲＯ誤差の２次微分値を数式６のように定義してＶＣＭアクチュエータのモデルを求めれば、数式７の通りである。
数式６：
数式７：

したがって、ＲＲＯ誤差は、ＶＣＭアクチュエータの入力端に影響を与える外乱として作用する。このようなＲＲＯによる外乱は、ＲＲＯ誤差の２次微分値であるので、数式８のようにＮ個の高調波が合成された信号で表現できる。
数式８：
ここで、ω₀はディスク回転周波数を表す。

ＨＤＤのヘッド位置を制御する目的は、ＲＲＯのような外乱が存在しても迅速かつ正確にヘッドを目的トラックの中央に位置させることである。すなわち、ＰＥＳを可能なかぎり迅速かつ正確に０にするためのものである。このような目的を達成するために、一般的に制御の状態を３つのモードに区分する。すなわち、トラック探索モード、載置モード、トラック追従モードの３つに区分し、それぞれのモードに適した制御器を使用する。

前記トラック探索モードでは、現在トラックから目的トラックの近くまでヘッドを速やかに移動させるためのものとして、既定の運動軌跡を辿る軌跡追従制御器が使われる。前記載置モードでは、ヘッドを目的トラックの近くからトラック中央に安全に誘導するためのものとして、状態帰還制御器が使われる。そして、前記トラック追従モードでは、ヘッドを常に目的トラックの中央に位置させるためのものとして、載置モードと同じ状態帰還制御器が使われる。

数式６で表現されるＲＲＯ外乱は、ヘッドが目的トラックに近づくほど制御システムにさらに大きい影響を与えるため、トラック探索制御器よりは載置制御器およびトラック追従制御器の性能を明確に低下させる。したがって、載置モードおよびトラック追従モードでは、状態帰還制御器以外に新たなＲＲＯ補償器を追加して使うことが必要となる。

まず、トラック追従モードで使われる新たなＲＲＯ補償器について説明する。ＰＥＳは、ヘッドが等間隔で配置されたサーボセクターに出会う度に離散的に測定されるので、ＨＤＤ制御システムは離散制御システムとなる。デジタル信号処理器（ＤｉｇｉｔａｌＳｉｇｎａｌＰｒｏｃｅｓｓｏｒ：以下、ＤＳＰ）における演算による制御遅延時間を考慮して、既知の０次ホールド離散化技法によって、数式７のアクチュエータのモデルを離散化すれば、数式９のように与えられる。
数式９：

ここで、定数Ｔ_sとＴ_Dとはサンプリング周期と制御遅延時間とをそれぞれ表し、ｕ_dは補助変数であってｕ＋ｄを表す。離散化過程で、バイアス外乱ｗは経時的に一定であると仮定した。バイアス外乱はアクチュエータの位置によって変動するが、載置モードおよびトラック追従モードでは、アクチュエータ位置変動は極めて微少なので、この仮定は妥当である。トラック追従モードでヘッドを制御するために、次のように状態帰還制御器とＲＲＯ外乱補償器とを並列に構成する。
数式１０：

ここで、ｕ_sは状態帰還制御入力を表し、ｕ_cはＲＲＯ外乱ｄを補償するための制御入力を表す。まず、状態帰還制御器は数式１１で表現される。
数式１１：

ここで、Ｋ_sは制御器利得で構成された行ベクトルであって［ｋ_x，ｋ_v １０］を表し、
は状態変数の推定値で構成された列ベクトルであって
を表す。バイアス推定値
は直流信号であるバイアス外乱ｗを補償する機能を有する。

状態推定器は、状態帰還制御入力ｕ_sおよび測定されたＰＥＳ信号ｘを入力として
を計算する装置であって、数式９に基づいて設計され、数式１２および数式１３によって表現される。
数式１２：
数式１３：

ここで、Ｌは推定器利得で構成された列ベクトルであり、Ｃは行ベクトルであって［１０００］を意味する。

次に、数式９ないし数式１３で表現される全体閉ループ制御システムの動的反応を分析する。まず、数式９ないし数式１１によって数式１４が成立する。
数式１４：

そして、数式９から数式１２を差し引けば、次の数式１５が得られる。
数式１５：

そして、数式１３を下記のように書くことができる。
数式１６：

ここで、Ｉは単位行列を意味する。状態推定誤差
を数式１７のように定義し、数式１４ないし数式１６を結合すれば、全体閉ループ制御システムの反応を決定する動的方程式は数式１８のように表現される。
数式１７：
数式１８：

この式から、もしＲＲＯ補償器が使われなければ、すなわち、ｕ_c（ｎ）＝０である場合、ＲＲＯ外乱ｄによってＰＥＳおよび推定誤差
は、０に収斂できずに振れが生じることを予測できる。

次いで、ＲＲＯ外乱補償器の設計について説明する。数式８に示すように、ＲＲＯ外乱は、Ｎ個の正弦波信号が合成された形で表現されるので、次のように、Ｎ個の補償器を並列に連結した形でＲＲＯ外乱補償器を構成する。
数式１９：

ここで、ｒ_a,kは、ＲＲＯ外乱のｋ番目の高調波成分を補償するための信号を表し、測定されたＰＥＳ信号ｘから、下記の数式２０で表される２次状態方程式に基づいて計算される。
数式２０：

ここで、定数ａ_kおよびｂ_kは、ｋ番目の補償器の制御利得を表す。前記補償器の補償性能を確認するために伝達関数を求めれば、数式２１のように表現される。
数式２１：

前記伝達関数の極点を求めれば、
であることが若干の計算を通じて容易に分かる。したがって、公知の線形システム理論から、
は、ｋ番目外乱ｄ_kとＰＥＳｘとの間の伝達関数の零点であることが分かる。結局、数式１８によれば、正常状態では、数式２２に示すように、ＰＥＳおよび推定誤差
は０に収斂し、補償信号ｒ_a,kはｄ_kに収斂し、ｕ_cは全体外乱信号ｄに収斂する。
数式２２：

次いで、補償器利得を設定する方法を説明する。補償器は、制御システムの安定度に大きな影響を与えるため、補償器利得が適切に設定されねばならない。補償器が並列に連結された場合、補償器利得と安定性との関係は非常に複雑なので、安定性を考慮して利得を設定することは難しい。一方、補償器が直列に連結された場合には、安定度の計算が容易で制御利得を容易に決定できる。したがって、本発明では、直列形態に補償器を構成して制御利得を設定し、並列形態に変換する方法を利用する。まず、直列形態で構成される補償器の構造は下記の数式２３に示す通りである。
数式２３：

ここで、ａ_kは制御利得であって０と１との間の値を持つ。一般的に、ａ_kは１近くの値に設計され、位相応答特性は、例えば、図５に示すものが挙げられる。図５に示すように、制御利得が１から遠ざかるほど高周波領域での位相減少が激しくなり、結局、制御システムの安定性がさらに悪化することが分かる。このような補償器が直列に連結された場合、制御システムの開ループ伝達関数は、下記の数式２４に示す通りである。
数式２４：

ここで、Ｃ（ｚ）は、状態推定器と状態帰還制御器とが結合されて現れる等価の制御器伝達関数を意味する。Ｎ個の補償器による全***相減少量は個々の補償器による位相減少量の和であるので、許容可能な最大の位相減少量が決定されれば、それぞれの制御利得ａ_kを容易に選定できる。さらに、直列形態に構成された伝達関数を並列形態に変換すれば、下記の数式２５に示す通りである。
数式２５：

この場合には、それぞれの補償器毎に２個の制御利得
が設定されていることが分かる。このような制御利得は、下記の数式２６に基づいて選定されることは、若干の数式展開を通じて分かる。
数式２６：

ここで、関数Ｆｋは、下記の数式２７のように定義される。
数式２７：

さらに最終的に、数式２１から制御利得を求めれば、次の数式２８に示す通りである。
数式２８：

数式２４のＣ（ｚ）と、数式２５のＣ′（ｚ）とは、互いに正確には一致しないが、ほとんどの場合に近似的に一致すると仮定できる。図６は、このような仮定をして４個の補償器を使用した場合に、伝達関数Ｈ_s（ｚ）と伝達関数Ｈ_p（ｚ）との利得特性を比較例示した図面であるが、利得特性が互いにほぼ一致していることが分かる。

次いで、載置モードで使用するＲＲＯ補償器の構造について説明する。載置モードはＰＥＳ値が小さくない状態で開始されるので、数式２０に示されるようにモデル化されたトラック追従モードのためのＲＲＯ補償器をそのまま使用する場合、状態帰還制御器との相互干渉によって補償器の収斂速度が非常に遅くなる問題が発生する。このような問題点を解決するために、従来は補償器をあらかじめ測定された正常状態値に初期化してから動作を開始させる技法が使われた。しかし、状態帰還制御器との相互干渉が依然として存在して収斂速度が遅くなる問題が根本的に解決されなかった。このような事実は、後記の実験結果で明らかとなる。本発明は、相互干渉を完全に排除するために、数式２０のＲＲＯ補償器からＰＥＳフィードバックを除去して、次の数式２９で表されるＲＲＯ補償器を提案する。
数式２９：

この場合、前記補償器は、数式２０のトラック追従モードにおける補償器とは異なって、ＰＥＳフィードバックなしに独立的に動作するので、状態帰還制御器との相互干渉問題が完全に排除される。そして、この補償器は正弦波信号を自発的に発生させる役割を有し、振幅および位相は状態変数ｒ_a,k、ｒ_b,kの初期値によって決定される。したがって、数式２９で補償器が動作を開始する時、状態変数ｒ_a,k、ｒ_b,kがＲＲＯ外乱ｄ_kを消去できるように適切に初期化されるならば、ＲＲＯ外乱が直ちに補償される結果となる。ドライブに電源が印加される度に行われる準備過程（Ｐｏｗｅｒ−ＯｎＲｅａｄｙＰｒｏｃｅｓｓ）において、数式２０で表されるトラック追従モードの補償器を使用して、ＰＥＳが０に完全に収斂するまで十分に待った後、補償器の収斂値ｒ^* _a,k、ｒ^* _b,kを測定すれば、このような補償器の初期化値を得られる。ところが、このような初期化値はサーボセクターによって変動するので、あらゆるサーボセクターでの値をメモリに保存せねばならない難点がある。しかし、セクター番号が０である位置での初期化値のみを保存しておけば、残りのセクターでの初期化値は、三角関数整理によって次の数式３０で計算できる。
数式３０：

ここで、ｒ^* _a,k（ｍ）とｒ^* _b,k（ｍ）はセクター番号ｍの位置での初期化値を表し、ｒ^* _a,k（０）とｒ^* _b,k（０）はセクター番号０の位置での初期化値を表す。そして、ＲＲＯ外乱の振幅および位相はディスク半径および時間によって変動するので、補償器の初期化値ｒ^* _a,k、ｒ^* _b,kの測定は、ドライブの準備過程以後の正常動作時にも連続して続けねばならない。すなわち、トラック追従モードに進入した後、ヘッドが０番のサーボセクターに出会う度に補償器の値をＲＲＯテーブルに保存させておけばよい。

前記のとおり、数式２９のＲＲＯ補償器が、数式３０によって求められる値に初期化されるならば、状態帰還制御器との干渉なしにＲＲＯ外乱が直ちに補償される。すなわち、ｕ_c＝ｄであるので、数式１８によって閉ループ制御システムの動的方程式は、下記数式３１のように表現される。
数式３１：

また、数式３１において、推定器利得Ｌは、推定器行列（Ｉ−ＬＣ）Ａの極点が十分に速いように設計されるので、閉ループシステムの動的方程式は下記数式３２のように単純化できる。
数式３２：

結局、載置モードでのシステム応答は、ＲＲＯ外乱の影響を全く受けず、但し、システム行列Ａ−ＢＫ_sの極点およびベクトルＸの初期条件によって決定される。もし、初期値が大きい状態で載置モードが始まるならば、オーバーシュートが発生して載置制御速度性能が低下することもある。

本発明によるハードディスクにおけるＲＲＯ外乱の高速補償方法および装置によれば、過度なＲＲＯ外乱を高速で補償可能になる。したがって、ドライブが外部衝撃を受けたり、またはオフラインサーボ記録方式により組立てられてＲＲＯが過度に発生しても、ドライブの動作速度性能が低下しない。

この効果を例証するために実験結果を示す。実験に使われたドライブは、１枚のディスク当り８０ＧＢｙｔｅデータを記憶可能な高密度ＨＤＤであって、トラック密度は９３，０００ＴＰＩであり、トラック幅は０．２７μｍのものである。そして、大きさが２００トラックである１高調波ＲＲＯを制御システムに外乱として印加し、ＲＲＯ補償器は、ヘッドが目的トラックから６トラックほど離れた地点から出発した。図７および図８は、従来技術のＲＲＯ補償器を使用した場合のＰＥＳ、バイアス推定値、ＲＲＯ補償応答を図示したものである。図７は、ＲＲＯ補償器がゼロから出発した場合であり、図８は、ＲＲＯテーブルの値に初期化されて出発した場合である。２つの場合とも、状態帰還制御入力との相互干渉のために過度な振動が誘発され、トラック追従モードへの進入時までに最小限２０ｍｓｅｃ以上の時間がかかることが分かる。したがって、ディスクドライブの動作速度性能の低下が明らかに現れている。一方、図９は、本発明のＲＲＯ補償器を使用した場合であって、ＲＲＯ外乱が直ちに補償されて２ｍｓｅｃ以内にトラック追従制御モードに進入していることを明らかに示している。結局、２００トラックのＲＲＯが存在してもディスクドライブの性能が全く低下しない。図１０は、３つの場合についてＰＥＳ応答のみを互いに比較した図面である。図１１は、図９のＰＥＳ応答を拡大して示した図面であって、トラック追従制御モードへの進入時に若干のオーバーシュートが発生していることを示している。このような問題を解決するために、図１１に図示されたように、載置モードが開始される時点で二つのパルスを追加でシステムに印加して二つの極点を消去しようとした。この場合、オーバーシュートなしにトラック追従モードに進入して１ｍｓｅｃ以上載置制御性能が向上したことが分かる。

本発明は、コンピュータによって読み取り可能な記録媒体にコンピュータ（情報処理機能を持つ装置をいずれも含む）が読み取り可能なコードとして具現することが可能である。コンピュータによって読み取り可能な記録媒体は、コンピュータシステムによって読み取られるデータが保存されるあらゆる種類の記録装置を含む。コンピュータによって読み取り可能な記録媒体としては、例えば、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＣＤ−ＲＯＭ、磁気テープ、フロッピーディスク、光データ保存装置などが例として挙げられる。

以上、図面に図示された実施形態を参照して本発明を説明したが、この実施形態は例示的なものに過ぎず、当業者ならばこの実施形態から多様な変形および均等な他の実施形態が想到可能であるという点を理解できる。したがって、本発明の真の技術的保護範囲は特許請求の範囲の技術的思想により定められねばならない。

本発明は、ハードディスクに好適に利用できる。特に、ハードディスクのヘッドドライブの動作速度を向上させるために利用できる。

従来のハードディスクにおけるＲＲＯ外乱補償装置の構成を示すブロック図である。本発明によるハードディスクにおけるＲＲＯ外乱の高速補償装置の構成を示すブロック図である。本発明によるハードディスクのＲＲＯ外乱を高速で補償する方法を示すフローチャートである。図３Ａをさらに具体的に説明するフローチャートである。ディスク偏心によるＲＲＯ外乱を示す図面である。直列形態のＲＲＯ補償器の周波数位相応答特性を示すグラフである。ＲＲＯ補償器の使用時における開ループシステムの周波数利得応答特性を示すグラフである。従来技術のＲＲＯ補償器の使用時のシステム応答（補償器の初期値＝０）を示すグラフである。従来技術のＲＲＯ補償器の使用時のシステム応答（補償器の初期値＝ＲＲＯテーブル）を示すグラフである。本発明のＲＲＯ補償器の使用時のシステム応答を示すグラフである。従来技術と本発明とのＲＲＯ補償性能を比較して示すグラフである。図９のＰＥＳ応答を拡大して示した図面である。

符号の説明

２００ＲＲＯテーブル
２１０ＲＲＯ補償器
２２０フィードバックスイッチ
２３０ＶＣＭアクチュエータ
２４０状態帰還制御器
２５０状態推定器

Claims

ハードディスクドライブのヘッド位置制御において、ディスクの現在トラックから目的トラック近くまでヘッドを移動させる過程であるトラック探索モードと、前記ヘッドを前記目的トラック近くから前記目的トラックの中央に安全に誘導する過程である載置モードと、前記ヘッドが目的トラック中央に位置するように保持する過程であるトラック追従モードとを含み、
（ａ）前記ハードディスクドライブにおけるディスクの目的トラックの中央を基準とするヘッドの相対的位置信号であるＰＥＳ値を得る段階と、
（ｂ）前記ハードディスクドライブのヘッドが載置モードにあるかどうかを判別する段階と、
（ｃ）前記ハードディスクドライブのヘッドが載置モードにある場合には、前記ＰＥＳ信号をフィードバックせずにＲＲＯ補償を行う段階と、
（ｄ）前記ハードディスクドライブのヘッドがトラック追従モードにある場合には、前記ＰＥＳ信号をフィードバックしてＲＲＯ補償を行う段階とを含み、
前記（ｃ）段階は、
前記ハードディスクドライブのヘッドが載置モードにあれば、サーボセクターが最初のセクターであるかどうかを判別する段階と、
最初のセクターであれば、サーボセクターのＲＲＯ値を保存しているＲＲＯテーブルの値にＲＲＯ補償を初期化してＲＲＯ補償値を計算する段階と、
最初のセクターでなければ、直前のセクターのＲＲＯ補償値を参照してＲＲＯ補償値を計算する段階と、
状態帰還制御値に前記ＲＲＯ補償値を加えてその結果をＤ／Ａ変換器に出力する段階と、
を含むことを特徴とするハードディスクのＲＲＯ外乱の高速補償方法。
前記（ｂ）段階の載置モードにあるかどうかの判別は、
前記ハードディスクドライブの推定された状態値を計算する段階と、
前記推定された状態値を利用して状態帰還制御値を計算する段階と、
前記状態帰還制御値を利用して載置モードにあるかどうかを判別する段階と、を含むことを特徴とする請求項１に記載のハードディスクのＲＲＯ外乱の高速補償方法。
前記（ｄ）段階は、
前記ハードディスクドライブのヘッドがトラック追従モードにあればＰＥＳ信号をフィードバックする段階と、
ＲＲＯ補償値を計算する段階と、
状態帰還制御値にＲＲＯ補償値を加えてその結果をＤＡＣに出力する段階と、
ＲＲＯキャリブレーションを行う段階と、を含むことを特徴とする請求項１に記載のハードディスクのＲＲＯ外乱の高速補償方法。
ハードディスクドライブのヘッド位置制御において、現在トラックから目的トラック近くまでヘッドを移動させる過程であるトラック探索モードと、前記ヘッドを目的トラックの近くから目的トラックの中央に安全に誘導する過程である載置モードと、前記ヘッドが前記目的トラックの中央に位置するように保持する過程であるトラック追従モードとを行い、前記トラック追従モードにおいて、
ディスクサーボセクターのＲＲＯ値を保存しているＲＲＯテーブルと、
ヘッド位置を制御し、状態帰還制御器の状態帰還制御信号とＲＲＯ補償器のＲＲＯ補償値との差を利用してＰＥＳを出力するボイスコイルモータアクチュエータと、
前記ボイスコイルモータアクチュエータから出力されるＰＥＳを、載置モードおよびトラック探索モードでは前記ＲＲＯ補償器に入力させず、トラック追従モードでは前記ＲＲＯ補償器に入力させるフィードバックスイッチと、
前記ＲＲＯテーブルのＲＲＯ初期値を参照して、前記フィードバックスイッチにより制御されるＰＥＳ信号を入力としてＲＲＯ外乱を補償するＲＲＯ補償器と、
状態推定器で推定されたディスクドライブの状態によって状態帰還制御値を出力する状態帰還制御器と、
前記状態帰還制御器の状態帰還制御値と前記ボイスコイルモータアクチュエータのＰＥＳ信号とを入力として、ディスクドライブの状態を推定する状態推定器と、
を含み、
前記ＲＲＯ補償器は、前記載置モードに遷移されるとき、前記ＲＲＯテーブルに保存されている値に初期化されてＲＲＯ外乱についての補償を始めることを特徴とするハードディスクのＲＲＯ外乱の高速補償制御装置。
前記ＲＲＯ補償器は、
前記ハードディスクドライブに電源が印加される度に行われる準備過程でＰＥＳが十分に収斂するまで待った後、個々の補償器の収斂値を測定して前記ＲＲＯテーブルに保存し、前記ハードディスクドライブの準備過程以後の正常動作時にもキャリブレーションを行うことを特徴とする請求項４に記載のハードディスクのＲＲＯ外乱の高速補償制御装置。
前記ＲＲＯ補償器は、複数のＲＲＯ補償器からなり、各ＲＲＯ補償器は、
前記ＲＲＯテーブルのサーボセクターのＲＲＯ値を参照して、前記フィードバックスイッチにより制御されるＰＥＳ信号を入力として、複数の高調波よりなるＲＲＯ外乱を前記高調波別に補償することを特徴とする請求項４に記載のハードディスクＲＲＯ外乱の高速補償制御装置。
前記複数のＲＲＯ補償器は、
並列に連結されることを特徴とする請求項６に記載のハードディスクのＲＲＯ外乱の高速補償制御装置。
前記並列に連結された複数のＲＲＯ補償器の利得は、
前記複数の補償器を直列に構成して制御利得を設定した後、前記補償器を並列形態に変換して獲得することを特徴とする請求項７に記載のハードディスクのＲＲＯ外乱の高速補償制御装置。
請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のハードディスクのＲＲＯ外乱の高速補償方法をコンピュータで実行させるためのプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体。