JPH087954B2 - ディスク装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 A.産業上の利用分野 本発明は、データ記録用ディスク・ファイル中の読み
書きヘッド位置決め用サーボ制御システムに関する。よ
り具体的には、本発明は、ヘッドが特定のデータ・トラ
ックを追従しているか、それともトラックからトラック
へと移動しているかに応じて、サーボ位置情報を異なる
速度でサンプリングするディジタル式サーボ制御システ
ムに関する。

B.従来技術 ディスク・ファイルは、情報を含む同心データ・トラ
ックを備えた回転可能なディスク、様々のトラック上で
データを読み書きするヘッド、それにヘッドを所望のト
ラックまで移動させそれを読取り操作または書込み操作
の間中トラック中心線の上方に維持するための支持アー
ム・アセンブリによってヘッドに接続されたアクチュエ
ータを利用する、情報記憶装置である。ヘッドを所望ト
ラックまで移動させることはトラック・アクセシングま
たは「シーク」と呼ばれ、読取り操作または書込み操作
中にヘッドを所望のトラック中心線の上方に維持させる
ことはトラック「追従」と呼ばれる。

アクチュエータは、通常は、永久磁石固定子の磁界中
を移動できるコイルを含む、「ボイス・コイル・モー
タ」（VCM）である。ボイス・コイル・モータに電流を
印加すると、コイルが、したがって付属ヘッドも半径方
向に移動する。コイルの加速度は印加電流に比例するの
で、理想的な場合、ヘッドが所望のトラックの上方で完
全に停止している場合、コイルへの電流は変わらない。

ディスク上のデータ・トラックが比較的高密度なディ
スク・ファイルでは、読取り操作または書込み操作中に
ヘッドを所望のトラックの中心線上方で精密に維持する
サーボ制御システムを組み込む必要がある。それを実現
するには、専用サーボ・ディスク上に、またはデータ・
ディスク上のデータの間に傾斜して隔置されたセクタ上
に事前に記録されたサーボ情報を利用する。読み書きヘ
ッド（専用サーボ・ディスクを使用する場合は、専用サ
ーボ・ヘッド）によって感知されたサーボ情報を復調し
て、最も近いトラック中心線からのヘッドの位置誤差を
示す位置誤差信号（PES）を発生する。

ディスク・ファイルのディジタル式サーボ制御システ
ムでは、マイクロプロセッサが、制御信号アルゴリズム
を使って、位置誤差信号、ボイス・コイル・モータ電
流、ヘッド速度など若干の状態変数のディジタル値に基
づきディジタル制御信号を計算する。ディジタル制御信
号をアナログ信号に変換し増幅して、ボイス・コイル・
モータに入力電流を供給する。このようなディジタル式
サーボ制御システムは、米国特許第4412161号明細書に
記載されている。この特許では、ディジタル制御信号を
前の制御信号と前の位置誤差信号値から繰り返し計算す
る。

ディジタル式ディスク・ファイル・サーボ制御システ
ムにおける最近の発展は、本出願人の米国特許第467910
3号明細書に記載されているように、アクチュエータに
送る制御信号を算出する一部として状態推定アルゴリズ
ムを使ってヘッドの位置と速度を推定する、ディジタル
式サーボ制御システムである。この種のシステムでは、
マイクロプロセッサが、個々のサンプリング時に、位置
誤差及びアクチュエータ入力電流に対応するディジタル
値を受け取って、状態推定アルゴリズムを使ってディジ
タル制御信号を算定する。次いで、ディジタル制御信号
をアナログ信号に変換して増幅し、新たなアクチュエー
タ入力電流を生成する。このようなディジタル式サーボ
制御システムで制御しようとする実プラントの状態を推
定する方法は、フランクリン（Franklin）とパウエル
（Powell）の共著「動的システムのディジタル制御（Di
gital Control of Dynamic Systems）」アディソン・ウ
ェズレー出版社（Addison-Wesley Publishing Co.）、1
983年刊の第６章、131〜139ページにその誘導方法が記
載されている、推定定数を使う必要がある。ディスク・
ファイルの場合、これらの推定定数は、コイル及びヘッ
ド／アーム・アセンブリーの質量、アクチュエータの力
の定数（入力電流１単位当りのコイルに加えられる
力）、ボイス・コイル・モータ用電力増幅器の利得、位
置誤差信号利得、位置誤差信号サンプル相互間の時間
（位置誤差信号サンプリング間隔）など、ディスク・フ
ァイルの若干の物理的パラメータの値に依存する。

C.発明が解決しようとする問題点 ディジタル式サーボ制御システムでは、マイクロプロ
セッサが制御信号を発生できる速度よりもはるかに高速
度でマイクロプロセッサは位置誤差信号を入手できる。
シーク制御信号アルゴリズムの方が複雑なので、マイク
ロプロセッサがトラック・シーク中に連続する制御信号
を算定するのに要する時間は、トラック追従中に連続す
る制御信号を算定するのに要する時間よりもかなり長
い。したがって、制御信号の発生速度よりもはるかに高
速度でトラック追従中に位置誤差信号を入手できるとは
いえ、ディジタル式サーボ制御システムは、トラック・
シーク中に必要な比較的遅い位置誤差信号のサンプリン
グ速度によって制約されるので、位置誤差信号の可用性
を活用できないでいる。トラック追従中、位置誤差信号
が正確にゼロのままにならない（したがって、ヘッドが
正確にトラック中心線の上方に留まらない）。位置誤差
信号は、むしろ駆動モータ軸受の不正確さ、ディスク媒
体の欠陥、位置誤差信号の量子化誤差などの要因によっ
て生じる再現性のない振れを示す。したがって、トラッ
ク追従中のディスク・ファイル動作を最適化するため
に、位置誤差信号サンプリング速度を大幅に増加させて
再現性のない振れの効果を減少させることが望ましい。

D.問題点を解決するための手段 本発明は、ディスク・ファイルがトラック・シーク中
かそれともトラック追従中かに応じて異なる位置誤差信
号のサンプリング速度で、単一マイクロプロセッサ動作
を利用するディスク・ファイルのディジタル式サーボ制
御システムである。好ましい実施例では、復調したサー
ボ・タイミング情報から生成したPESクロック信号がサ
ンプリング用クロック発生機構に入力され、２個の出力
信号を発生させる。これら２個の出力信号が、マイクロ
プロセッサに２回の別々の割込みを行なう。ディスク・
ファイル制御装置からシーク・コマンドを受け取ると、
マイクロプロセッサ割込みのうち一つが禁止される。こ
のため、マイクロプロセッサは、トラック追従制御信号
アルゴリズムを実行する速度よりもゆっくりした速度
で、シーク制御信号アルゴリズムを実行することができ
る。シークの最後に、ヘッドが目標トラック中心線のか
なり近くにきたとき、禁止されていた割込みが再び許可
される。このとき、マイクロプロセッサの割込みが両方
とも可能になり、そのためマイクロプロセッサはより速
い位置誤差信号サンプリング速度で動作できるようにな
り、これによってトラック追従中のディスク・ファイル
の性能が改善される。

本発明の本質及び利点をより完全に理解するには、添
付図面に関する以下の詳細な説明を参照されたい。

E.実施例 まず、第１図は、ディジタル式サーボ制御システム、
及び２種の位置誤差信号サンプリング用クロック速度を
発生させる手段の簡略化した構成図である。一対のディ
スク10、12がディスク・ファイル用駆動モータ16の回転
軸14上で支持されている。各ディスク10、12は、それぞ
れ２つの面20、22及び24、26を備えている。説明の都合
上、ディスク10の面20及びディスク12の面24、26はデー
タ記録面とし、ディスク10の面22は専用サーボ面で事前
に記録したサーボ情報だけを含むものとする。

ディスク10上のサーボ情報は、共心トラックに記録さ
れ、位置情報は、通常、サーボ面22上の隣接するサーボ
・トラック同志の交点が、面20、24、26のデータ・トラ
ックの中心線と半径方向に位置合せされるように書き込
まれる。通常の直角サーボ・パターンが第２図に示され
ている。サーボ・パターンは、一組のサーボ位置ブロッ
クの開始に対応するタイミング情報を与える同期域27、
及びヘッド位置情報を与えるサーボ・ブロック域29を含
んでいる。

データ・ディスク及びサーボ・ディスク上の特定のブ
ロックは、ヘッド30、32、34、36によってアクセスされ
る。これらのヘッドは、それぞれが当該ディスク面と関
連し、付随のアーム・アセンブリによって支持されてい
る。ヘッド30、32、34、36は共通のアクセス手段、すな
わちボイス・コイル・モータ40などのアクチュエータに
取り付けられている。したがって、ヘッド30、32、34、
36はすべて、その当該ディスク面上の半径方向位置に関
して、相互に固定した相対位置関係を保持している。

サーボ・ヘッド32によって読み取られた信号は増幅器
42に入力され、次いで復調器44に入力される。本発明は
数多くの種類のどのサーボ・パターンやサーボ信号復調
技法でも実施できるが、第２図に表したような直角サー
ボ・パターンに関して、サーボ制御システムの説明を行
なうことにする。サーボ面22上の直角パターン中のブロ
ック域29にあるサーボ位置情報は復調器44で復調され、
第１図に示すように、１次（PESP）及び直角（PESQ）と
名付けた２つの別々のアナログ波形を発生させる。復調
器44からのアナログPESP及びPESQ信号が、それぞれアナ
ログ・ディジタル変換器88、89に送られる。任意のサン
プリング時間のPESP及びPESQの離散値をPESP（ｎ）及び
PESQ（ｎ）で表わす。ただし、ｎは各ディジタル・サン
プリングの時間指標である。

マイクロプロセッサ80は、データ・バス84及び適当な
アドレス・バス（図示せず）によって、読み書き記憶装
置（RAM）82やプログラマブル読取り専用記憶装置（PRO
M）83など適当な記憶装置に接続される。マイクロプロ
セッサ80は、米国特許第4679103号特許明細書に記載さ
れているように、制御信号アルゴリズムを用いて制御信
号ｕ（ｎ）を発生させる。制御信号ｕ（ｎ）はディジタ
ル・アナログ変換器（DAC）92に出力され、電力増幅器5
8で増幅されてボイス・コイル・モータ40へのアナログ
電流ｉ（ｔ）を発生させる。アナログ電流ｉ（ｔ）はア
ナログ・ディジタル（A/D）変換器90にフィード・バッ
クされ、後者からマイクロプロセッサ80にディジタル電
流信号ｉ（ｎ）が供給される。したがって、マイクロプ
ロセッサ80は、離散的サンプリング時間に、ディジタル
・アクチュエータ電流ｉ（ｎ）とディジタル・ヘッド位
置誤差信号PESP（ｎ）及びPESQ（ｎ）を入力として受け
取る。マイクロプロセッサ80は、米国特許第4679103号
特許明細書に記載されているように、通常の論理を用い
て、PESP（ｎ）及びPESQ（ｎ）の値から実際位置誤差信
号PES（ｎ）を算出する。また、データ・バス84を介す
るマイクロプロセッサ80への入力として、ディスク・フ
ァイル制御装置（図示せず）からのシーク・コマンド信
号SCSが示されている。シーク・コマンド信号SCSは、ヘ
ッドを位置決めし直すべき対象となる目標トラックを識
別するディジタル値である。

前述のように、復調器44は直角サーボ・パターン（第
２図）からサーボ・ブロック域29中の位置情報を復調し
て、アナログ信号PESP及びPESQを発生させる。復調器44
は、また、直角サーボ・パターンの同期域27からタイミ
ング情報を受け取ってPESクロック信号を出力する同期
検出回路45を含んでいる。PESクロック信号は、同期検
出回路45からサーボ・パターン中の同期域27がサーボ・
ヘッド32の下を通過する速度に対応する周波数で出力さ
れる。したがって、PESクロックの周波数は、専用サー
ボ・ディスク上またはデータ・ディスクのセクタ中に記
録されている、サーボ位置ブロック29の離散した組の数
（したがって対応する数の同期域27）と、駆動モータ16
の回転速度とによって決まる。記録された同期域27の数
と間隔は固定しているので、PESクロックの周波数は、
駆動モータ16の回転速度だけによって決まる。

PESクロック信号は同期検出回路45からサンプリング
用クロック発生機構65に入力され、後者からマイクロプ
ロセッサ80に２個の割込み信号（INT-0、INT-1）を供給
する。サンプリング用クロック発生機構65はディジタル
・カウンタでよく、誤差PESクロック周波数を一定値で
割ってPESクロックの入力周波数よりもかなりゆっくり
とした周波数で各割込み信号INT-0及びINT-1を生成す
る。ディジタル・カウンタは、サーボ・ディスク面22に
記録されサーボ・トラックの開始を識別するトラック起
点パルスによって、駆動モータ16が１回転するごとにリ
セットされる。

本発明の一実施例では、ディスク上に記録された同期
域27と駆動モータ16の名目速度を組み合わせて、約３メ
ガヘルツのPESクロック周波数が得られる。これは、PES
クロック・パルス間の時間が約330ナノ秒のときに対応
する。サンプリング用クロック発生機構65は、336で割
るディジタル・カウンタである。したがって、この名目
PESクロック入力周波数に応じてサンプリング用クロッ
ク発生機構65によって発生される割込み信号INT-0及び
割込み信号INT-1の周波数は、約8.9キロヘルツ（３メガ
ヘルツ/336）である。これは、約112マイクロ秒という
各INT-0信号間及び各INT-1信号間の間隔に対応してい
る。

次に、第３図を参照するに、信号INT-0及びINT-1は、
サンプリング用クロック発生機構65により、半パルス幅
だけ位相をずらして出力される。したがって、INT-0及
びINT-1割込みが両方ともマイクロプロセッサ80中で許
可されている場合は、マイクロプロセッサ80は約56マイ
クロ秒ごとに割込みを受け取る。この割込み速度は、ト
ラック追従中の位置誤差信号サンプリング速度に対応し
ている。ところが、INT-1が禁止されている場合には、
マイクロプロセッサ80は、トラック・シーク中の名目位
置誤差信号サンプリング速度に対応する、約112マイク
ロ秒ごとにだけ割込み（INT-0）を受け取る。

どのディジタル式サーボ制御システムでも、制御信号
は、制御定数を係数として含む状態変数の２つの多項関
数の比として表わすことができる。制御信号の算出に状
態推定量が含まれるという米国特許第4679103号特許明
細書に記載されているようなディジタル式サーボ制御シ
ステムの場合、制御定数はgij及びPijという状態推定定
数を含んでいる。これらの推定定数は、位置誤差信号サ
ンプリング時間の関数である。したがって、本発明で
は、２組の制御定数をプログラマブルROM83中に記憶す
るか、あるいはマイクロプロセッサ80がトラック・シー
ク・アルゴリズムの計算からトラック追従アルゴリズム
の計算に切り替わる際に、制御定数を計算し直すかしな
ければならない。

位置誤差信号やボイス・コイル・モータ電流などのデ
ィジタル式サーボ制御システム中の状態変数は、トラッ
ク・シーク中とトラック追従中で異なるダイナミック・
レンジを有する。したがって、２種の異なる位置誤差信
号サンプリング速度を使用する場合、トラック・シーク
からトラック追従へ切り替える際に状態変数をスケーリ
ングし直すことが望ましい。こうすることは、位置誤差
信号の量子化誤差が減少するという利点があり、位置誤
差信号の量子化誤差によって生じる非再現性の振れへの
寄与を減らすことにより、ディスク・ファイルの性能が
大幅に向上する。たとえば、マイクロプロセッサ80が16
ビットのマイクロプロセッサである場合、位置誤差信号
の量子化は1/2¹⁵となる。したがって、シーク制御信号
のアルゴリズムを実行する時間に対応する一つの位置誤
差信号サンプリング速度を使用する場合には、１個のビ
ットが比較的広い範囲の位置誤差信号値の1/2¹⁵に対応
することになる。トラック追従中は位置誤差信号の範囲
がずっと小さくなるので、１ビットがずっと小さな値を
とるように状態変数をスケーリングし直す。本発明で
は、トラック追従中に位置誤差信号サンプリング速度を
増加させる際に、状態変数の変域を一定値たとえば32で
割って状態変数をスケーリングし直す。

次に、第４図には、ディジタル式サーボ制御システム
の位置誤差信号サンプリング速度をトラック・シークと
トラック追従の間で切り替えるステップを示す流れ図が
示されている。まずマイクロプロセッサ80がデータ・バ
ス84を介してシーク・コマンド信号SCSを受け取ると
（第１図）、ステップ100で状態変数がスケーリングし
直され、ステップ102で推定定数pij及びgijを含むシー
ク用制御定数がプログラマブルROM83からRAM82中にロー
ドされる。推定定数の値は、トラック・シークに対する
既知の名目位置誤差信号サンプリング時間に基づいて事
前に定めておく。推定定数のスケーリングし直しとシー
ク用制御定数のローディングに続いて、ステップ104で
マイクロプロセッサ80のINT-1割込みが禁止される。次
いで、サンプリング用クロック発生機構65から次のINT-
0信号を受け取ることにより、ステップ106でシーク制御
信号アルゴリズムが開始される。シーク・アルゴリズム
が１サイクル終了すると、ディジタル制御信号“u"がデ
ィジタル・アナログ変換器92に出力され（第１図）、す
ぐあと、シーク・アルゴリズムの次の実行の開始を指示
する次のINT-0信号を受け取る。INT-0割込み相互間の間
隔は、マイクロプロセッサ80がシーク制御信号アルゴリ
ズムを完了するのに要する時間よりもわずかに大きくな
るように、サンプリング用クロック発生機構65の設計に
よって事前に選定されている。

シーク用アルゴリズムは、ヘッドがあるトラックと目
標トラックの間の差のカウントがゼロに等しくなるまで
循環し続ける。ステップ108で差カウントがゼロに等し
くなり、ヘッドが目標トラックから1/2トラック以内に
あることを示す場合には、ステップ110で「切替え点」
に達すると、トラック追従シーケンスが始まる。位置誤
差信号が、切替え中に発生する過渡電流を最小に抑え、
しかも切替えが読取り操作中や書込み操作中に起こらな
いように選んだ事前指定値をとるとき、切替え点に達す
る。切替え点に達すると、ステップ112で位置誤差信号
の量子化誤差を減少させるように、トラック追従用の状
態変数がスケーリングし直しされ、ステップ114でトラ
ック追従用制御定数がプログラマブルROM83からRAM82中
にロードされる。その後、ステップ116でマイクロプロ
セッサ80のINT-1割込みが許可され、マイクロプロセッ
サ80が約56マイクロ秒ずつ離れている２種の割込み、IN
T-0及びINT-1を受け取るようになる。したがって、上記
実施例では、トラック追従の位置誤差信号サンプリング
速度は、トラック・シークの位置誤差信号サンプリング
速度の２倍である。次いで、ステップ118でマイクロプ
ロセッサ80は、シーク用アルゴリズムの実行よりも要す
る時間がかからないトラック追従制御信号アルゴリズム
を実行する。トラック追従アルゴリズムの実行は、ステ
ップ120により次のシーク・コマンドを受け取るまで続
行される。

F.発明の効果 本発明により、トラック・シーク中かそれともトラッ
ク追従中かに応じて異なる位置誤差信号のサンプリング
速度で、単一マイクロプロセッサ動作を利用するディス
ク・ファイルのディジタル式サーボ制御システムが実現
された。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明のディジタル式サーボ制御システムの
構成図である。 第２図は、直角パターンの形で記録されているサーボ・
タイミング情報及びサーボ位置情報の説明図である。 第３図は、サンプリング用クロック発生機構からの２種
の割込み信号のタイミング・パターン図である。 第４図は、トラック・シーク中及びトラック追従中に位
置誤差信号のサンプリング速度を変える方法を示した流
れ図である。 10、12……磁気ディスク、14……ディスク・ファイル用
駆動モータの回転軸、16……ディスク・ファイル用駆動
モータ、20、22、24、26……ディスク面、27……同期
域、29……サーボ・ブロック域、30、34、36……データ
記録ヘッド、32……サーボ・ヘッド、40……ボイス・コ
イル・モータ、42……増幅器、44……復調器、45……同
期検出回路構成、65……サンプリング用クロック発生装
置、58……電力増幅器、80……マイクロプロセッサ、82
……RAM、83……プログラマブルROM、84……データ・バ
ス、88、89、90……アナログ・ディジタル変換器、92…
…ディジタル・アナログ変換器。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 マンテル・マン‐ホン・ユウ アメリカ合衆国カリフォルニア州サン・ホ セ、キャピタンシージオス・ドライブ1596 番地 (56)参考文献 特開 昭53−3308（ＪＰ，Ａ)

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】複数の同心トラックを有し、サーボ情報を
   含む回転可能なディスクと、 前記サーボ情報を読取るヘッドと、 前記サーボ情報からヘッド位置誤差信号及び当該位置誤
   差信号の開始を表わすクロック信号を発生する第１手段
   と、 前記ヘッドにトラック間をシークさせたり特定トラック
   を追従させたりするアクチュエータと、 前記位置誤差信号を離散的にサンプリングする時に、前
   記位置誤差信号に対応するディジタル値を受け取って、
   前記アクチュエータのディジタル制御信号を発生する第
   ２手段と、 前記第１及び第２手段の間に接続され、前記第２手段に
   タイミング信号を発生する第３手段と、 前記第２手段に含まれ、前記タイミング信号に応答し
   て、トラック・シークの間は第１速度でそしてトラック
   追従の間は前記第１速度よりも速い第２速度でディジタ
   ル制御信号を発生する第４手段と、 サンプリングされた前記位置誤差信号に対応するディジ
   タル値を、前記第１速度で前記ディジタル制御信号が発
   生しているときには第１の範囲でスケーリングし、前記
   第２速度で前記ディジタル制御信号が発生しているとき
   には前記第１の範囲より狭い第２の範囲でスケーリング
   し直す第５手段と、 を備えたディスク装置。
2. 【請求項２】前記第３手段が、前記クロック信号の数に
   応じて前記第２手段に対する第１割込み信号を発生する
   手段及び前記第２手段に対する第２割込み信号を発生す
   る手段を含む、特許請求の範囲第（１）項記載のディス
   ク装置。