(57)【要約】【課題】新規且つ改善された、マルチレートシステムの周波数応答の特徴付けの提供。【解決手段】閉ループ環境で動作するマルチレートシステムの機械的な構成要素の周波数応答が特徴付けられる。関心周波数とそのエイリアス周波数のそれぞれにおいて、マルチレートシステムへの入力として外乱が加えられ（ステップ５０３）、マルチレートシステムの応答の測定結果からなる行列方程式が解かれ、関心周波数及びそのエイリアス周波数のそれぞれにおける周波数応答が計算される（ステップ５０６）。結果として得られる周波数応答はシステム全体の伝達関数を合成するのに使用でき、更なる周波数応答の測定を必要とせずに、多数のコントローラ設計の相対的な性能のシミュレーション及び評価が可能となる。【選択図】    図５
2010055733.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
(a)  周波数を選択するステップと、
(b)  第１の外乱を、前記選択された周波数において、マルチレートシステムへの入力として加えるステップと、
(c)  前記第１の外乱を加えるステップ(b)の後、前記マルチレートシステムの応答を測定するステップと、
(d)  第２の外乱を、前記選択された周波数のエイリアス周波数において、前記マルチレートシステムへの入力として加えるステップと、
(e)  前記第２の外乱を加えるステップ(d)の後、前記マルチレートシステムの応答を測定するステップと、
(f)  異なる複数の周波数について、ステップ(a)から(e)を繰り返すステップと、
(g)  測定された応答を用いて、マルチレートシステムコントローラの有効性を決定するステップと、
を備える、マルチレートシステムコントローラの性能を評価する方法。
【請求項２】
ステップ(a)から(e)は、数百の異なる周波数について繰り返される、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記選択された周波数は１以上のエイリアス周波数を有し、ステップ(d)及び(e)は前記エイリアス周波数のそれぞれに対して別個に行われる、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記有効性を決定するステップは、
前記測定された応答を用いて、前記マルチレートシステムの周波数応答を決定するステップと、
前記コントローラの周波数応答をモデル化するステップと、
を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記有効性は、ゲイン余裕、位相余裕、及びベクトル余裕を含む因子に基づいて決定される、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
(a)  マルチレートシステムの周波数応答を決定するステップと、
(b)  それぞれのコントローラ設計候補の周波数応答をモデル化するステップと、
(c)  ステップ(a)において決定された前記マルチレートシステムの周波数応答と、ステップ(b)において決定された前記コントローラ設計候補の周波数応答を用いて、それぞれのコントローラ設計候補の有効性を決定するステップと、
(d)  ステップ(c)の結果に基づいて、マルチレートシステムコントローラとして、一つのコントローラ設計候補を選択するステップと、
を備える、複数のコントローラ設計候補からマルチレートシステムコントローラを選択する方法。
【請求項７】
前記有効性は、ゲイン余裕、位相余裕、及びベクトル余裕を含む因子に基づいて決定される、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記マルチレートシステムの周波数応答を決定するステップは、
(a1)  周波数を選択するステップと、
(a2)  第１の外乱を、前記選択された周波数において、前記マルチレートシステムへの入力として加えるステップと、
(a3)  前記第１の外乱を加えるステップ(a2)の後、前記マルチレートシステムの応答を測定するステップと、
(a4)  第２の外乱を、前記選択された周波数のエイリアス周波数において、前記マルチレートシステムへの入力として加えるステップと、
(a5)  前記第２の外乱を加えるステップ(a4)の後、前記マルチレートシステムの応答を測定するステップと、
(a6)  異なる複数の周波数について、ステップ(a1)から(a5)を繰り返すステップと、
を含む、請求項６に記載の方法。
【請求項９】
ステップ(a1)から(a5)は、数百の異なる周波数について繰り返される、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記選択された周波数は１以上のエイリアス周波数を有し、ステップ(a4)及び(a5)は前記エイリアス周波数のそれぞれに対して別個に行われる、請求項６に記載の方法。
【請求項１１】
(a)  ディスクドライブの周波数応答を決定するステップと、
(b)  前記ディスクドライブのコントローラの周波数応答をモデル化するステップと、
(c)  ステップ(a)において決定された前記ディスクドライブの周波数応答と、ステップ(b)において決定された前記コントローラの周波数応答を用いて、前記コントローラの有効性を決定するステップを備え、
前記ディスクドライブの周波数応答は、複数の周波数に対する前記ディスクドライブの周波数応答、及び前記複数の周波数それぞれの１以上のエイリアス周波数に対する前記ディスクドライブの周波数応答を用いて決定される、
ディスクドライブのコントローラの性能を決定する方法。
【請求項１２】
前記有効性は、ゲイン余裕、位相余裕、及びベクトル余裕を含む因子に基づいて決定される、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記複数の周波数は数百の相異なる周波数を含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１４】
前記コントローラはノッチフィルタを含む、請求項１１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の各実施形態は磁気ディスクドライブ一般に関し、より具体的には、磁気ディスクドライブ等のマルチレートシステムの周波数応答の特徴付けに関する。
【背景技術】
【０００２】
フィードバック制御システムの専門用語で言えば、従来のハードディスクドライブ（ＨＤＤ）は、例えばスピンドルモータ、磁気ディスク、及びアクチュエータ・アッセンブリ等の１又は複数の可動要素を伴う“プラント(plant)”と、当該可動要素を駆動するサーボコントローラを備える閉ループサーボ制御システムを有する。マルチレートコントローラ(multirate controller)は、ＨＤＤで一般に用いられるサーボコントローラの一種であり、位置測定の都度２以上の補正値(corrections)を生成する。マルチレートコントローラは、オーバーサンプリング・コントローラ(oversampling controller)とも称され、最近のＨＤＤ上でのデータ記憶に用いられる高線密度に要する正確性をもって、ＨＤＤに含まれるデータトラックの中心に対して、ＨＤＤの読み出し／書き込みヘッドの位置決めをするために必要とされる。
【０００３】
このようなコントローラの設計及び／又はモデル化のため、例えば興味のある周波数それぞれにおけるプラントの機械的応答の大きさと位相等といった、当該プラントの開ループ周波数応答を特徴付けすることが有利である。これは、様々な周波数で活性化されるシステムの振る舞いがほとんど全ての現実的な制御システム問題、すなわち開ループ周波数応答に現れることを理解する必要性が、システムの閉ループの振る舞いを予測するため、定期的に考慮されるためである。ＨＤＤシステムの場合、出力のサンプリング周波数はディスクドライブの設計によって固定されており、システムの共鳴周波数と高周波のダイナミクスを特徴付けすることはサーボコントローラパラメータの設計やチューニングに役立ち、サーボコントローラの性能を向上させる。サーボコントローラの性能が向上すると、ディスクドライブヘッドによる、データトラックの中心に対するより正確な追跡が可能となり、同様にディスクドライブがより大きい記憶容量を得ることを容易にする。
【０００４】
ＨＤＤプラントの周波数応答を特徴付けするため、通常はサーボ制御システムのデジタル化された出力が使用される。しかしながら、デジタル制御システムの性質のために、プラントの実際の機械的応答にはエイリアシング(aliasing)が生じる。すなわち、信号が名目上のサンプリングレートのナイキスト周波数より高い周波数成分を含む場合に、当該信号、すなわちプラントの出力をデジタル的にサンプリングした結果として、エイリアス(alias)周波数成分が生成される。エイリアス周波数成分は実際の機械的応答として測定されるが、現実には、低いサンプリングレートの所産に過ぎない。
【０００５】
シャノンのサンプリング定理によれば、信号に現れる最大の周波数の半分よりもサンプリング周波数が小さければ、エイリアシングはデジタル変換の間に失われた情報の回復を不可能にする。シャノンのサンプリング定理によって決定される限界サンプリング周波数を優に上回ってサンプリング周波数を増大させることによって、エイリアシングを最小化又は回避することができる。しかしながら、ディスクの回転スピード及び磁気ディスク上の位置データセクタ(position data sector)の数が固定されているため、ＨＤＤシステムにおいてサンプリング周波数を増加させることは、一般に現実的ではない。従って、信号の復元を可能とするためには、限界周波数がサンプリング周波数の半分、すなわちナイキスト周波数とされ、ＨＤＤのサンプリング周波数の半分に近くサンプリング周波数の半分より大きい周波数に対応するＨＤＤシステムのダイナミクス及び共振モードは、従来の方法では識別できない。
【０００６】
閉ループシステムの周波数応答を数値化する従来の方法では、システムを正弦のスウィープ(sinusoidal sweep)で活性化し、サンプリングされた出力データを記録し、高速フーリエ変換法を用いて選択された周波数点における周波数応答の値を計算する。上述のようにこの方法は、エイリアシングのためにサンプリング周波数の半分に近くサンプリング周波数の半分より高い周波数において破綻を来す。特に、エイリアス成分は、システムのナイキスト周波数より高い周波数と低い周波数両方で、実際の機械的共鳴に伴って測定される。ＨＤＤプラントの周波数応答測定は閉ループ環境において行われるため、機械的共鳴とエイリアス成分の両方が、測定されている閉ループ制御システムを通してフィードバックされ、このために、エイリアス成分と本当の機械的共鳴とが混同され、結果として得られるシステムの周波数応答の特徴は不正確なものにしかならない。
【０００７】
以上の観点から、名目のサンプリング周波数のナイキスト周波数を超えた、システムの周波数応答を計算する方法が当業者に必要とされる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
そこで、本発明は、新規且つ改善された、マルチレートシステムコントローラの性能評価方法、マルチレートシステムコントローラ選択方法及びディスクドライブのコントローラの性能決定方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の１以上の実施形態では、閉ループ環境で動作するマルチレートシステムの機械的な構成要素の周波数応答が特徴付けされる。興味のある周波数及びそのエイリアス周波数のそれぞれにおいて外乱が加えられ、結果として得られる測定結果からなる行列方程式が解かれ、興味のある周波数及びエイリアス周波数のそれぞれにおける周波数応答が計算される。結果として得られる周波数応答はその後、システム全体の伝達関数を合成するのに用いられ、更なる周波数応答の測定を必要とすることなく、多数のコントローラ設計の相対的な性能のシミュレーションと評価を可能とする。
【００１０】
本発明の一実施形態によれば、マルチレートシステムコントローラの性能を評価する方法は、マルチレートシステムへの入力として、多数の興味ある周波数において第１の外乱を加えるステップと、多数の興味ある周波数のそれぞれにおいて第１の外乱を加えた後でマルチレートシステムの応答を測定するステップと、マルチレートシステムへの入力として、興味ある周波数のエイリアス周波数において第２の外乱を加えるステップと、第２の外乱を加えた後でマルチレートシステムの応答を測定するステップと、測定された応答を用いて、マルチレートシステムコントローラの有効性を決定するステップを含む。
【００１１】
一実施形態によれば、下記の方法が提供される。
【００１２】
（１）(a)  周波数を選択するステップと、
(b)  第１の外乱を、前記選択された周波数において、マルチレートシステムへの入力として加えるステップと、
(c)  前記第１の外乱を加えるステップ(b)の後、前記マルチレートシステムの応答を測定するステップと、
(d)  第２の外乱を、前記選択された周波数のエイリアス周波数において、前記マルチレートシステムへの入力として加えるステップと、
(e)  前記第２の外乱を加えるステップ(d)の後、前記マルチレートシステムの応答を測定するステップと、
(f)  異なる複数の周波数について、ステップ(a)から(e)を繰り返すステップと、
(g)  測定された応答を用いて、マルチレートシステムコントローラの有効性を決定するステップと、
を備える、マルチレートシステムコントローラの性能を評価する方法。
【００１３】
（２）ステップ(a)から(e)は、数百の異なる周波数について繰り返される（１）に記載の方法。
【００１４】
（３）前記異なる周波数は、略０Ｈｚから略ナイキスト周波数までの範囲をとる（２）に記載の方法。
【００１５】
（４）前記選択された周波数は１以上のエイリアス周波数を有し、ステップ(d)及び(e)は前記エイリアス周波数のそれぞれに対して別個に行われる（１）に記載の方法。
【００１６】
（５）前記有効性を決定するステップは、
前記測定された応答を用いて、前記マルチレートシステムの周波数応答を決定するステップと、
前記コントローラの周波数応答をモデル化するステップと、
を含む（１）に記載の方法。
【００１７】
（６）前記有効性は、ゲイン余裕、位相余裕、及びベクトル余裕を含む因子に基づいて決定される（５）に記載の方法。
【００１８】
（７）前記有効性は、異なる複数の動作条件下で決定される（６）に記載の方法。
【００１９】
本発明の一実施形態によれば、複数のコントローラ設計候補からマルチレートシステムコントローラを選択する方法は、マルチレートシステムの周波数応答を決定するステップと、それぞれのコントローラ設計候補の周波数応答をモデル化するステップと、マルチレートシステムの周波数応答とコントローラ設計候補の周波数応答を用いて、それぞれのコントローラ設計候補の有効性を決定するステップと、各コントローラ設計候補の有効性に基づいて、マルチレートシステムコントローラとして、一つのコントローラ設計候補を選択するステップを含む。
【００２０】
この一実施形態によれば、下記の方法が提供される。
【００２１】
（８）(a)  マルチレートシステムの周波数応答を決定するステップと、
(b)  それぞれのコントローラ設計候補の周波数応答をモデル化するステップと、
(c)  ステップ(a)において決定された前記マルチレートシステムの周波数応答と、ステップ(b)において決定された前記コントローラ設計候補の周波数応答を用いて、それぞれのコントローラ設計候補の有効性を決定するステップと、
(d)  ステップ(c)の結果に基づいて、マルチレートシステムコントローラとして、一つのコントローラ設計候補を選択するステップと、
を備える、複数のコントローラ設計候補からマルチレートシステムコントローラを選択する方法。
【００２２】
（９）前記有効性は、ゲイン余裕、位相余裕、及びベクトル余裕を含む因子に基づいて決定される（８）に記載の方法。
【００２３】
（１０）前記有効性は、異なる複数の動作条件下で決定される（９）に記載の方法。
【００２４】
（１１）前記マルチレートシステムの周波数応答を決定するステップは、
(a1)  周波数を選択するステップと、
(a2)  第１の外乱を、前記選択された周波数において、前記マルチレートシステムへの入力として加えるステップと、
(a3)  前記第１の外乱を加えるステップ(a2)の後、前記マルチレートシステムの応答を測定するステップと、
(a4)  第２の外乱を、前記選択された周波数のエイリアス周波数において、前記マルチレートシステムへの入力として加えるステップと、
(a5)  前記第２の外乱を加えるステップ(a4)の後、前記マルチレートシステムの応答を測定するステップと、
(a6)  異なる複数の周波数について、ステップ(a1)から(a5)を繰り返すステップと、
を含む（８）に記載の方法。
【００２５】
（１２）ステップ(a1)から(a5)は、数百の異なる周波数について繰り返される（１１）に記載の方法。
【００２６】
（１３）前記異なる周波数は、略０Ｈｚから略ナイキスト周波数までの範囲をとる（１２）に記載の方法。
【００２７】
（１４）前記選択された周波数は１以上のエイリアス周波数を有し、ステップ(a4)及び(a5)は前記エイリアス周波数のそれぞれに対して別個に行われる（１１）に記載の方法。
【００２８】
（１５）(a)  ディスクドライブの周波数応答を決定するステップと、
(b)  前記ディスクドライブのコントローラの周波数応答をモデル化するステップと、
(c)  ステップ(a)において決定された前記ディスクドライブの周波数応答と、ステップ(b)において決定された前記コントローラの周波数応答を用いて、前記コントローラの有効性を決定するステップを備え、
前記ディスクドライブの周波数応答は、複数の周波数に対する前記ディスクドライブの周波数応答、及び前記複数の周波数それぞれの１以上のエイリアス周波数に対する前記ディスクドライブの周波数応答を用いて決定される、
ディスクドライブのコントローラの性能を決定する方法。
【００２９】
（１６）前記有効性は、ゲイン余裕、位相余裕、及びベクトル余裕を含む因子に基づいて決定される（１５）に記載の方法。
【００３０】
（１７）前記有効性は、異なる複数の動作条件下で決定される（１６）に記載の方法。
【００３１】
（１８）前記複数の周波数は数百の相異なる周波数を含む（１５）に記載の方法。
【００３２】
（１９）前記複数の周波数は、略０Ｈｚから略ナイキスト周波数までの範囲をとる（１８）に記載の方法。
【００３３】
（２０）前記コントローラはノッチフィルタを含む（１５）に記載の方法。
【発明の効果】
【００３４】
本発明によれば、新規且つ改善された、マルチレートシステムコントローラの性能評価方法、マルチレートシステムコントローラ選択方法及びディスクドライブのコントローラの性能決定方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本明細書中に述べられる発明の各実施形態から恩恵を受け得るディスクドライブの斜視図。
【図２】磁気記憶ディスクを説明する図。
【図３】図１におけるディスクドライブのサーボループに対応するマルチレート制御システムのブロック図。
【図４】開ループ環境におけるプラント出力のデシメーション及びアップサンプリングを説明するブロック図。
【図５】本発明の一実施形態による、閉ループ環境におけるマルチレートシステムの周波数応答を決定する方法を要約したフロー図。
【図６】閉ループ制御システムのブロック図。
【図７Ａ】２倍のオーバーサンプリングを採用する閉ループマルチレートシステムの測定された開ループ応答を説明する図。
【図７Ｂ】２倍のオーバーサンプリングを採用する閉ループマルチレートシステムの測定された開ループ応答、合成された開ループ応答、及び開ループ応答の２つの複素成分を説明する図。
【図８】本発明の一実施形態による、自動化されたフィルタ及び／又はコントローラ選択の方法を要約したフロー図。
【発明を実施するための形態】
【００３６】
本発明の各実施形態は、閉ループ環境において動作するマルチレートシステムの機械的な構成要素の周波数応答を数値化する方法を意図するものである。この方法によって、名目上のサンプル周波数のナイキスト周波数を超えた周波数応答の測定が可能となる。この方法は、関心のある周波数(以下、関心周波数と称する)及びそのエイリアス周波数のそれぞれにおいて外乱を加えること、結果として得られる測定結果からなる行列方程式を解き、関心周波数及びエイリアス周波数のそれぞれにおける周波数応答を計算することを含む。一実施形態において、結果として得られる周波数応答は、ループ全体の開ループ伝達関数を合成するのに用いられることができ、更なる周波数応答の測定を必要とせずに、多数のコントローラ設計の相対的な性能のシミュレーションと評価とを可能とする。
【００３７】
図１は、本明細書中に述べられるように、本発明の各実施形態から恩恵を受け得るディスクドライブ１１０の斜視図である。明確化のため、ディスクドライブ１１０は、トップカバー無しで図示されている。ディスクドライブ１１０は、スピンドルモータ１１４によって回転される磁気記憶ディスク１１２を含む。スピンドルモータ１１４は、ベースプレート１１６上に取り付けられている。アクチュエータアーム・アッセンブリ(actuator arm assembly)１１８は、同様にベースプレート１１６上に取り付けられ、フレクシャアーム(flexure arm)１２２に取り付けられたＲ／Ｗヘッド１２０を含む。フレクシャアーム１２２は、ベアリングアッセンブリ(bearing assembly)１２６を軸として回転するアクチュエータアーム１２４に取り付けられている。ボイスコイルモータ(voice coil motor)１２８は、磁気記憶ディスク１１２に対してＲ／Ｗヘッド１２０を動かし、これによって、磁気記憶ディスク１１２の面上に配置された所望の同心のデータ記憶トラック上で、Ｒ／Ｗヘッド１２０が位置決めされる。スピンドルモータ１１４、Ｒ／Ｗヘッド１２０、及びボイスコイルモータ１２８は複数の電子回路１３０に接続され、複数の電子回路１３０はプリント基板(printed circuit board)１３２上に取り付けられている。電子回路１３０は、リードチャネル(read channel)、マイクロプロセッサを用いるコントローラ、ファームウェア、アナログ・デジタル変換器（ＡＤＣ）、デジタル・アナログ変換器（ＤＡＣ）及びランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）を有する。説明の明確化のため、ディスクドライブ１１０は単一の磁気記憶ディスク１１２及びアクチュエータアーム・アッセンブリ１１８を伴って図示されているが、ディスクドライブ１１０は、多数のディスク１１２及び多数のアクチュエータアーム・アッセンブリ１１８を備えてもよい。
【００３８】
図２は、当業者に周知である通常の方法で編成されたデータを有する磁気記憶ディスク１１２を説明する図である。磁気記憶ディスク１１２は、データを記憶するための複数の同心のデータ記憶トラック２４２を含む。同心のデータ記憶トラック２４２はそれぞれセンターラインとして概略的に図示されているが、同心のデータ記憶トラック２４２のそれぞれは、対応するセンターラインの周囲に有限の幅を取る。磁気記憶ディスク１１２は放射状に配置された複数のサーボスポーク(servo spoke)２４４を含み、サーボスポーク２４４はサーボウェッジ(servo wedge)とも称される。サーボスポーク２４４は、同心のデータ記憶トラック２４２を横切り、同心のデータ記憶トラック２４２におけるサーボセクタ(servo sectors)にサーボ情報を記憶する。以下で詳述されるように、所望のトラック２４２上でヘッド１２０の位置を定めるため、読み出し及び書き込み動作中に、Ｒ／Ｗヘッド１２０によってサーボ情報が読み出される。明確化のため、少数の同心のデータ記憶トラック２４２とサーボスポーク２４４が示されている。通常、磁気記憶ディスク１１２上に含まれる同心のデータ記憶トラック２４２及びサーボスポーク２４４の実数は、相当に大きい。
【００３９】
ディスクドライブ１１０は、プラント(plant)とサーボコントローラを含むサーボ制御システムを有する。当該プラントは、システムの機械的な構成要素として定義され、ディスクドライブ１１０、磁気記憶ディスク１１２、スピンドルモータ１１４、ベースプレート１１６、及びアクチュエータアーム・アッセンブリ１１８を含む。サーボ制御システムによって制御されるプラントの可動要素は、アクチュエータアーム・アッセンブリ１１８、フレクシャアーム１２２、及び／又はＲ／Ｗヘッド１２０として可変に定められてもよい。サーボコントローラはハードウェアの組み合わせであり、マイクロプロセッサとファームウェア、及びディスクドライブ１１０のＤＡＣとＡＤＣを介したプラントとのインタフェースを含む。プラントとサーボコントローラは共に、ディスクドライブ１１０の閉ループ・サーボ・フィードバック制御システム、すなわち“サーボループ”を構成する。
【００４０】
動作中、ディスクドライブ１１０のサーボループは、サーボスポーク２４４からＲ／Ｗヘッド１２０で位置情報を読み出すことによって、磁気記憶ディスク１１２上の所望の同心のデータ記憶トラック２４２上で正確にＲ／Ｗヘッド１２０の位置決めを行う。当業者に周知であるように、Ｒ／Ｗヘッド１２０の近くで磁気記憶ディスク１１２が回転すると、サーボスポーク２４４内に位置するサーボバースト(servo burst)によって位置誤差信号(position error signal)（ＰＥＳ）が生成される。サーボループによってＰＥＳが用いられると、Ｒ／Ｗヘッド１２０の実際の位置が決定されてフィードバックされ、誤差信号が生成され、可動要素、すなわちアクチュエータアーム・アッセンブリ１１８、フレクシャアーム１２２、又はＲ／Ｗヘッド１２０が誤差信号を低減させる方向に駆動される。
【００４１】
ディスクドライブ１１０のサーボループは、閉ループ動作において安定していなくてはならない。すなわち、Ｒ／Ｗヘッド１２０は、プラントが可撓であり、雑音、共鳴及び衝撃による外乱にさらされても“オン・トラック(on track)”を維持しなくてはならない。ＰＥＳはサーボスポーク２４４から得られるため、Ｒ／Ｗヘッド１２０は、固定されたサンプリング周波数での周期性に基づく位置のみを取り得る。従ってサーボループは、変動する振幅、位相、及び周波数（システムのナイキスト周波数を超えた周波数を含む）の相殺摂動(countervailing perturbation)の一定の導入を補償するのに、周期的な位置情報が使用できるに過ぎない。
【００４２】
ＰＥＳの固定サンプリングレートによって生成されるサーボループの固有の周波数限界を克服するために、マルチレートコントローラが一般に用いられる。マルチレートコントローラによって、位置測定の都度２以上の補正値が生成され、ナイキスト周波数より高い周波数において生じるプラントに現れる機械的共鳴をコントローラが補償することが可能となる。これは、ナイキスト周波数に満たない、より低いエイリアス周波数ではなく、共鳴が生じる周波数において共鳴をノッチ(notch)するよう構成されたノッチフィルタ(notch filter)を制御アルゴリズムに含むことによって成し遂げられる。しかしながら、このようなノッチフィルタの構成は、ＰＥＳサンプリングレートのナイキスト周波数を超えたプラントの開ループ周波数応答の正確な特徴付けを必要とする。上述のように、プラントの開ループ周波数応答のこのような特徴付けは、従来の方法を用いては成し得ないが、これは、プラントからの利用可能な出力が、プラント入力より低いサンプリングレートで生成されたデシメート(decimate)された出力であるためである。このデシメートされた出力は、プラント周波数応答の信頼性の高い測定を得るために理解され数値化されるべきエイリアス成分を含む。
【００４３】
図３は、図１におけるディスクドライブ１１０のサーボループに対応するマルチレート制御システム３００のブロック図である。マルチレート制御システム３００は、マルチレートコントローラ３０１、プラント３０２、デシメータ(decimator)３０３、及び“補間器(interpolator)”とも称されるアップサンプラ(upsampler)３０４を含む。マルチレートコントローラ３０１は、例えばファームウェア内にある制御アルゴリズムのような離散時間コントローラであり、ディスクドライブ１１０のマイクロプロセッサによって実行され、伝達関数C(z)を有する。マルチレートコントローラ３０１は、Ｍ倍のオーバーサンプリング・コントローラであり、各測定されたＰＥＳサンプル、すなわちデシメートされたプラント出力yd(n)についてＭ個の補正信号を含むプラント３０２への入力系列x(n)を生成する。プラント３０２はディスクドライブ１１０の物理プラントを表し、伝達関数H(z)を有する。伝達関数H(z)は、入力信号に対するプラント３０２の機械的応答を表す。デシメータ３０３は、プラント出力y(n)のダウンサンプリング(downsampling)を意味し、プラント出力y(n)はＰＥＳに対応する。ＰＥＳのダウンサンプリングは、マルチレート制御システム３００において本質的に必要とされるが、これは、マルチレートコントローラ３０１がＰＥＳ測定の都度２以上の補正信号を生成するためである。実際には、デシメータ３０３は、マルチレートコントローラ３０１によって生成される補正信号ごとに１以上の位置サンプルを“除去(throw out)”するが、“除去”された位置サンプルは、マルチレートコントローラ３０１によって生成される補正信号とＲ／Ｗヘッド１２０によって得られる位置測定結果との間に１対１の対応があれば測定されたであろう位置サンプルを意味する。しかし、サーボスポーク２４４の間に位置する場合にはＲ／Ｗヘッド１２０は更新されたＰＥＳ値を生成できないため、これらの仮想のＰＥＳ測定結果がデシメータ３０３によって“失われ”、Ｒ／Ｗヘッド１２０の実際の位置は測定されない。例えば、マルチレートコントローラ３０１が３倍のオーバーサンプリング・コントローラであり、位置サンプルごとに３つの補正信号を生成するなら、デシメータ３０２は更新された位置サンプル、すなわちデシメートされたプラント出力yd(n)を、プラント３０２に入力する３つの補正信号ごとに生成し、従って、他の２つの補正信号に対応する位置情報が“失われる”。アップサンプラ３０４は、出力サンプルレートを入力サンプルレートと等しくなるよう上昇させる、制御アルゴリズム内の数学関数である。プラント出力に関する新しい情報はアップサンプラ３０４によっては付加されないが、代わりに、デシメートされたプラント出力yd(n)を構成するサンプルのストリーム間にゼロ値が入れられる。マルチレートコントローラ３００はまた、アップサンプラ３０５、ゼロ次ホルダ(zero order holder)（ＺＯＨ）３１１、及びノッチフィルタ等の第２の設計コンポーネント(design component)３１１を含む更なる数学関数を含んでもよい。
【００４４】
動作中は、マルチレートコントローラ３０１が誤差信号を受信し、補正信号３２１を生成するが、この誤差信号は基準入力u(n)とデシメートされたプラント出力yd(n)との間の差分である。補正信号３２１は、もし存在するなら、アップサンプラ３０５、ゼロ次ホルダ３１１、及び第２の設計コンポーネント３１２によって処理されてもよい。本発明の各実施形態によれば、外乱d(n)が補正信号３２１に加えられ、入力系列x(n)が生成される。この入力系列x(n)はその後、図示のように、プラント３０２に入力する。プラント３０２の伝達関数H(z)はそれから、プラント出力系列y(n)を生成し、これはデシメータ３０３０によってダウンサンプルされ、デシメートされたプラント出力yd(n)が生成される。デシメートされたプラント出力yd(n)はその後、基準入力u(n)との比較のためにフィードバックされ、またアップサンプラ３０４によって入力サンプルレートと同じサンプルレートにアップサンプルされ、デシメート及びアップサンプルされた(decimated-upsampled)プラント出力ydu(n)が生成される。
【００４５】
本発明の特定の側面を充分に説明するため、マルチレート制御システム３００の各要素に対して、以下の数学的な定義が与えられるが、ここでマルチレートコントローラ３０１はＭ倍のオーバーサンプリング・コントローラであるとする。
【００４６】
系列x(n)が与えられると、xd(n)は、x(d)のサンプルをＭ個おきにのみ保持することで生成されるデシメートされた系列とされる。従って、
【数１】
2010055733.tif 000003
【００４７】
x(n)の周波数スペクトルがX(ejw)であれば、周波数スペクトルXd(ejw)は、以下のようになる。
【数２】
2010055733.tif 000004
【００４８】
本来の系列を整数の比率Ｍでデシメートすることによって、本来の周波数スペクトルはＭ−１個のエイリアス成分で破損される。これらのエイリアス成分は、系列x(n)のサンプリングの所産である。
【００４９】
xu(n)を、系列x(n)のそれぞれの要素間にＭ−１個のゼロを挿入することによって生成されるアップサンプルされた系列とすると、
【数３】
2010055733.tif 000005
【００５０】
アップサンプルされた系列xu(n)の周波数スペクトルXu(ejw)は、以下のようになる。
【数４】
2010055733.tif 000006
【００５１】
最後に、xdu(n)をＭ−１個のゼロをxd(n)の各要素間に挿入することで生成された系列、すなわちデシメート及びアップサンプルされた系列とする。
【数５】
2010055733.tif 000007
【００５２】
デシメート及びアップサンプルされた系列xdu(n)の周波数スペクトルXdu(ejw)は、以下のようになる。
【数６】
2010055733.tif 000008
【００５３】
デシメートされた系列をアップサンプルして系列xdu(n)及び関連する周波数スペクトルXdu(ejw)を生成すると、本来のサンプルレートは復元されるが、エイリアス成分は取り除かれないことが留意される。
【００５４】
本発明の一実施形態ではプラントの周波数応答が閉ループ環境において測定されるが、この位置実施形態をより良く説明するため、まず開ループシナリオが考慮される。図４は、開ループ環境におけるプラント出力のデシメーション及びアップサンプリングを説明するブロック図である。入力系列x(n)は、線形時不変システム(linear time invariant system)４００を通過する。線形時不変システム４００は、プラント４０２、デシメータ４０３、及びアップサンプラ４０４を含む。系列y(n)は出力系列であり、Y(ejw)はその周波数スペクトルである。このシステムにおいて、真の出力系列は利用できないが、これはサンプリングレートが出力レートよりも低いＭの因数であるためである。代わりに、デシメートされた出力yd(n)が利用でき、これからデシメート及びアップサンプルされた系列ydu(n)が簡単に構成される。系列ydu(n)の周波数スペクトルYdu(ejw)は、式（６）を適用することによって計算される。
【数７】
2010055733.tif 000009
【００５５】
利用可能な出力のみを用いるプラント４０２の周波数応答H(ejw)の測定が説明される。線形時不変システム４００は開ループシステムであるため、入力系列x(n)を選択することができ、式（８）〜（１０）で説明されるように、エイリアス成分は問題にならない。周波数w=Ωでの周波数応答H(ejw)を測定するには、例えば周波数Ωにおいて系列を加えることができ、以下のようになる。
【数８】
2010055733.tif 000010
【００５６】
そこで、デシメート及びアップサンプルされた系列の周波数スペクトルは、以下のようになる。
【数９】
2010055733.tif 000011
【００５７】
所望の周波数応答の測定結果は、単にYdu(ejΩ)となる。実際には、入力系列は任意の振幅と位相を有してもよく、所望の周波数応答は以下のようになる。
【数１０】
2010055733.tif 000012
【００５８】
Ω以外の周波数における応答は、同様に手順に従って計算することができる。この場合のエイリアシングは、サンプリングレートのナイキスト周波数を超えた周波数においても問題にはならない。
【００５９】
しかしながら、閉ループ環境においてシステムの周波数応答を測定する場合、入力系列x(n)を任意に選択することはできない。これは、図３に示される、マルチレート制御システム３００のプラント３０２の周波数応答H(ejw)を測定する場合である。マルチレート制御システム３００のサーボループはプラント３０２の周波数応答を測定するために動作しなくてはならないため、周波数応答の開ループ測定が実行できない。外乱d(n)をシステムに加えることはできるが、この外乱はループによってフィルタされ、マルチレートシステムの場合、このようなシステム固有のデシメーションが外乱のエイリアス成分を生成し、エイリアス成分はループ中を伝播する。
【００６０】
図５は、本発明の一実施形態による、閉ループ環境においてＭ倍のマルチレートシステムの周波数応答H(ejw)を決定する方法５００を要約したフロー図である。この方法を実行するのに、システムの振る舞いに関して特別の測定や追加の情報は必要とされない。入力系列x(n)とデシメート及びアップサンプルされた出力系列を測定することのみが必要とされる。
【００６１】
ステップ５０１では、システムの周波数応答を決定するのに最終的に用いられるだろう複数の関心周波数が選択される。実際のシステムの周波数応答を近似するため、周波数の数は例えば６００〜８００等、比較的大きな数となる。これらの周波数は、０Ｈｚの直ぐ上からナイキスト周波数までの範囲にわたってもよい。一実施形態では、関心周波数は、例えば１０Ｈｚ，２０Ｈｚ，３０Ｈｚ…といったように、０Ｈｚからナイキスト周波数の間で等しい間隔をとる。他の実施形態では、関心周波数は不均一な間隔をあけられ、選択された周波数帯においてより大きい分解能が得られる。
【００６２】
ステップ５０２では、ステップ５０３で実行される一連の試験のために周波数が選択される。選択される一周波数は、ステップ５０１で定められた関心周波数のうちの一つであり、残りの周波数は、選択された関心周波数のエイリアス周波数である。合計でＭ個の周波数が選択されるが、ここでＭは、マルチレートシステムのオーバーサンプリングのレベルである。第１の周波数Ωは、ステップ５０１で定められた関心周波数であり、更なる周波数はΩのエイリアス周波数である。従って２倍のマルチレートシステムではＭ＝２であり、２つの周波数が選択され、そのうちの一方がエイリアス周波数である。３倍のマルチレートシステムではＭ＝３であり、３つの周波数が選択され、そのうちの２つがエイリアス周波数である。ステップ５０２で選択される周波数は、以下のように定義される。
【数１１】
2010055733.tif 000013
【００６３】
ステップ５０３では各wkについて個々の試験が行われる、すなわち、図３における外乱d(n)のようなシステムに対する外乱が、図３に示す入力系列x(n)のような入力に、周波数wkにおいて加えられる。それぞれの外乱試験について、Ｍ個の周波数のそれぞれにおいてデシメート及びアップサンプルされた出力Ydu(e^jwk)の周波数応答と入力の周波数応答が測定され、Xk(e^jw0)，…，Xk(e^jwM-1)が得られる。
【００６４】
ステップ５０４では、ステップ５０３で生成された周波数スペクトルが式（７）に代入され、Ｍ個の方程式による系が得られる。
【数１２】
2010055733.tif 000014
【００６５】
ステップ５０５では、式（１２）のＭ個の方程式の系から、Ｍ×Ｍ複素行列方程式が以下のように形成される。
【数１３】
2010055733.tif 000015
【００６６】
ステップ５０６では、複素行列方程式（１４）が解かれ、Ｍ個の未知複素数H(e^jw0)，…，H(e^jwM-1)が求められる。まず、k番目の行をXk(e^jwk)で割ることで、行列の全ての行が正規化され、D(e^jwk)=Ydu(e^jwk)/ Xk(e^jwk)がｋ番目の直接出力伝達関数とされ、Ck(e^jw1)=Xk(e^jw1)/ Xk(e^jwk)が周波数w１についてのｋ番目の交差入力(cross input)伝達関数とされる。正規化の後、行列は以下のようになる。
【数１４】
2010055733.tif 000016
【００６７】
この解は、関心周波数及び関心周波数の各エイリアスにおけるシステムの周波数応答、すなわち、H(e^jw0)，…，H(e^jwM-1)を与える。
【００６８】
ステップ５０７では、ステップ５０１で定められた関心周波数の全てが周波数応答についてテストされたかの確認がなされる。テストがされていなければ、ステップ５０２に戻る。全ての関心周波数でテストされていれば、方法５００は終了する。
【００６９】
要約すると、マルチレートシステムの開ループ周波数応答の正確な特徴付けが、当該システムが閉ループ環境で動作している間であっても、方法５００によって可能となる。更なる情報や特別な測定は、周波数応答の測定のために一般に用いられず、むしろ必要とされない。当業者が認識するように、システムの開ループ周波数応答の正確な理解が、制御システムの正確性及び安定性を高めるロバストなノッチフィルタの構成を可能とする。
【００７０】
機械的な感度と厳しい機械的な許容範囲は、通常のディスクドライブのプラントを構成する構成要素に関連している。従って、温度や半径方向のヘッド位置等の外的要因が、ディスクドライブのプラントの周波数応答に大きく影響する。このような観点から、方法５００及び／又はその実施形態は、温度範囲及び／又は動作条件について与えられたプラントの周波数応答の特徴付けに用いられてもよいことが意図されている。例えば、Ｒ／Ｗヘッドが磁気ディスクに対して当該磁気ディスクの内径上、外径上、及び／又は中央のトラック等様々な場所に位置付けられている間に、ディスクドライブの周波数応答が本明細書に開示される方法に従って特徴付けされてもよい。気圧や温度等の他の動作条件の、異なる値においても、ディスクドライブの周波数応答が特徴付けされてもよいこともまた意図されている。一実施形態において、ディスクドライブに含まれる多数のヘッドのそれぞれは、それぞれのヘッドの固有の周波数応答を決定するために方法５００が適用される異なるプラントとして定義されてもよい。
【００７１】
周波数応答を特徴付けする手順は、当業者に知られたものと上述の方法５００のどちらも、時間を消費し、大きな労力を要しかねない。これは、特別なテスト装置が要求され、各テストは通常数百のデータ点、すなわち興味のある周波数を必要とするためである。加えて、一連のテストは、上述のように、様々な動作条件の下で所与のドライブに対して行われてもよい。従って、候補となるコントローラ(candidate controller)を設計し、当該候補となるコントローラを用いてシステムの周波数応答を測定し、当該候補となるコントローラの性能を数値化するプロセスは、非常に長く費用のかかるプロセスとなりかねない。本発明の一実施形態において、所与の物理プラントについての候補となるコントローラの性能は、“オフライン”で、すなわち各候補となるコントローラに制御されながらのシステムの性能の再測定無しで、テスト及び数値化される。
【００７２】
正確に特徴付けされた開ループ周波数応答を伴うシステムが与えられると、ゲイン余裕(gain margin)、位相余裕(phase margin)、安定余裕(stability margin)、ベクトル余裕(vector margin)及び誤差排除(error rejection)を含む多数の性能測定基準(performance metrics)を計算することが可能となることが知られている。これらの測定基準で、システムの、特にコントローラの、性能が容易に数値化され他のコントローラと比較され得る。図６における閉ループ制御システム６００では、開ループ応答はG(ejw)=C(ejw)P(ejw)となる。プラントP(ejw)が測定されるか既知であるかし、コントローラC(ejw)がモデル化されると、コントローラはその後オフラインで設計できる。このようにして、多数の異なる候補となるコントローラの設計について、開ループ応答を合成すること、すなわちモデル化することができ、従って、コントローラ設計毎に周波数応答を再測定すること無くシステムの性能が予測される。
【００７３】
図３に示されるマルチレート制御システム３００では、コントローラ３０１の一部ではなく、ループの構成要素が、アップサンプラ３０５、ＺＯＨ３１１、第２の設計コンポーネント３１２、実際の物理プラントH(ejw)、及びデシメータから構成され、第２の設計コンポーネントはノッチフィルタやノッチフィルタのセットN(ejw)を現してもよい。開ループ応答はここで、エイリアシングの効果を含まなくてはならない。
【数１５】
2010055733.tif 000017
【００７４】
例えば上述の本発明の各実施形態を用いてH(ejw)が測定され、コントローラ３０１、ＺＯＨ３１１及び第２の設計コンポーネント３１２のノッチ周波数応答が全てモデル化されると、コントローラ及びノッチは、図６の閉ループ制御システム６００について述べられた開ループの合成体(open loop synthesis)を用いてオフラインで設計され得る。
【００７５】
オフラインの設計方法は、合成された開ループが実際に測定される開ループを正しく予測する場合にのみ効果的である。証明の手段として、一例において、システムの実際に測定される開ループを正しく予測するための、閉ループマルチレートシステムの合成された開ループが示される。測定されるプラントは、２．５インチラップトップのディスクドライブのアクチュエータと関連するドライブ電子回路である。このプラントは、ドライブが用いるデジタル制御方法に固有の輸送遅れを含む。この例では、サンプルレートは２１，６００ＨｚでＭ＝２である。ナイキスト周波数は１０，８００Ｈｚであるが、図７Ａに示すように、図示の測定された開ループ応答７０１は、ナイキスト周波数をはるかに超えた共鳴特性を示す。図７Ｂは、閉ループマルチレートシステムの開ループ応答の、測定された開ループ応答７０１、合成された開ループ応答７０２、及び２つの複素成分７０３、７０４を説明する図である。開ループ応答の２つの複素成分７０３、７０４は共に、合成された開ループ応答７０２を構成する。図示のように、合成された開ループ応答７０２は、測定された開ループ応答７０１とほとんど区別ができず、１７１００Ｈｚ〜１７６００Ｈｚのプラント共鳴のエイリアスに起因する４０００Ｈｚ〜４５００Ｈｚ領域での逸脱を正しく予測している。合成された開ループ応答７０２はまた、正確な位置と範囲ではないにせよ、７７００Ｈｚ付近で生じるニア・キャンセレーション(near cancellation)の存在を正しく予測している。
【００７６】
特定のシステムのための最適なコントローラ及び／又はフィルタを実装するための処理を更にはかどらせるため、図６及び図７に関連して上述されたオフラインでの設計方法が拡張され、製造プロセスにおけるコントローラ又はノッチフィルタの選択が自動化されてもよい。図８は、本発明の一実施形態による、自動化されたフィルタ及び／又はコントローラ選択のための方法８００を要約したフロー図である。方法８００では、ｋ個の候補となるコントローラ及び／又はノッチフィルタの性能が数値化されて、他の候補のそれぞれと比較される。
【００７７】
ステップ８０１では、システムプラントの周波数応答H(ejw)が方法５００を用いて測定され、ｋの値は１にセットされる。ステップ８０２では、ｋ番目のコントローラ又はノッチフィルタが選択され、選択された候補となるコントローラ又はノッチフィルタの周波数応答Ck(ejw)又はNk(ejw)がモデル化される。ステップ８０３では、システムの開ループ周波数応答H(ejw)が合成される。この合成には、ステップ８０１で特徴付けされたように、測定されたプラント、ｋ番目の候補となるコントローラ又は候補となるノッチフィルタのモデル、及び他のループ構成要素（例えば、ＺＯＨ）のモデルが用いられる。ステップ８０４では、性能測定基準がｋ番目の候補となるコントローラ又は候補となるノッチフィルタについて計算される。性能測定基準はゲイン余裕、位相余裕、ベクトル余裕及び誤差排除といった因子を特に含んでもよい。このようにして、候補コントローラ又はノッチフィルタの性能が数値化される。ステップ８０５では、現在の候補が、テストされる最後の候補コントローラ又はノッチフィルタであるかの確認がなされる。そうであれば、ステップ８０６に進む。そうでなければ、ｋの値がｋ＋１にセットされ、ステップ８０２に戻る。ステップ８０６では、最善の性能測定基準を伴う設計候補が、システムでの使用のために選択される。
【００７８】
上述の方法５００と同様に、方法８００及び／又はその実施形態は、それぞれの設計候補(candidate design)の性能をより厳密に特徴付けするために、様々な動作条件に対して実行されてもよいことが意図されている。この実施形態では、温度、気圧、浮上量、半径方向の配置等を含む動作条件の変化又は変化の組み合わせのそれぞれについてステップ８０１を実行することが必要とされてもよい。一実施形態において、方法８００から得られる結果、すなわち各設計候補についての性能測定基準は、出荷時設定での使用のために保持される。この実施形態では、異なるコントローラ又はノッチフィルタの候補が、ドライブの物理的な特徴に基づいて当該ドライブに与えられてもよい。例えば、ディスクドライブの製造中は一組の候補コントローラが利用可能であってもよく、特定の周波数応答といった、一般的な部類の振る舞いを有すると決定されたディスクドライブが、当該部類の振る舞いに最適化されたコントローラ又はノッチフィルタを伴って与えられてもよい。あるいは、一組のコントローラ及び／又はノッチフィルタが、ディスクドライブの不揮発性メモリに保存されてもよい。このようにして、与えられた動作条件の組み合わせに対して最適なコントローラ及び／又はノッチフィルタが、ドライブの寿命を通じた使用に利用できる。例えば、１つの候補コントローラが、高温等の特定の動作条件下で用いられてもよく、他の候補コントローラがドライブによって他の動作条件下で用いられてもよい。
【００７９】
上記の記載は本発明の各実施形態を対象にしているが、本発明の他の更なる実施形態が本発明の基本的な範囲を逸脱することなく考案されてもよく、本発明の範囲は以下の特許請求の範囲によって決定される。
【符号の説明】
【００８０】
１１０…ディスクドライブ、１１２…磁気記憶ディスク、１１４…スピンドルモータ、１１６…ベースプレート、１１８…アクチュエータアーム・アッセンブリ、１２０…Ｒ／Ｗヘッド、１２２…フレクシャアーム、１２４…アクチュエータアーム、１２６…ベアリングアッセンブリ、１２８…ボイスコイルモータ、１３０…電子回路、１３２…プリント基板。
【図１】
2010055733.tif 000018
【図２】
2010055733.tif 000019
【図３】
2010055733.tif 000020
【図４】
2010055733.tif 000021
【図５】
2010055733.tif 000022
【図６】
2010055733.tif 000023
【図７Ａ】
2010055733.tif 000024
【図７Ｂ】
2010055733.tif 000025
【図８】
2010055733.tif 000026