第7回電気学会モーションコントロールの高機能化...

54
ハードディスクドライブの 磁気ヘッド位置決め制御 千葉工業大学 機械工学科 熱海武憲 2016年5月26日@千葉大学 第7回 電気学会 モーションコントロールの高機能化に関する 協同研究委員会

Upload: others

Post on 29-Jan-2020

0 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: 第7回電気学会モーションコントロールの高機能化 …dmec/committee/DMEC8005/presentations/...ハードディスクドライブの 磁気ヘッド位置決め制御

ハードディスクドライブの磁気ヘッド位置決め制御

千葉工業大学 機械工学科 熱海武憲

2016年5月26日@千葉大学

第7回 電気学会 モーションコントロールの高機能化に関する協同研究委員会

Page 2: 第7回電気学会モーションコントロールの高機能化 …dmec/committee/DMEC8005/presentations/...ハードディスクドライブの 磁気ヘッド位置決め制御

磁気ヘッドの位置をより精密に制御する

Page 3: 第7回電気学会モーションコントロールの高機能化 …dmec/committee/DMEC8005/presentations/...ハードディスクドライブの 磁気ヘッド位置決め制御

HDDの磁気ヘッド位置決め制御系

Voice-coil motor(VCM)

Disk Spindle motor

Magnetichead

PZT actuator

Digital controller

Position signal

Page 4: 第7回電気学会モーションコントロールの高機能化 …dmec/committee/DMEC8005/presentations/...ハードディスクドライブの 磁気ヘッド位置決め制御

Voice-coil motor(VCM)

PZT actuator

磁気ヘッドの位置決め誤差

Page 5: 第7回電気学会モーションコントロールの高機能化 …dmec/committee/DMEC8005/presentations/...ハードディスクドライブの 磁気ヘッド位置決め制御

日本機械学会誌 2016. 4 Vol. 119 No.1169 より引用

Page 6: 第7回電気学会モーションコントロールの高機能化 …dmec/committee/DMEC8005/presentations/...ハードディスクドライブの 磁気ヘッド位置決め制御

https://www.hgst.com/sites/default/files/resources/HGST-Micro-Actuator-TB.pdf より引用

Page 7: 第7回電気学会モーションコントロールの高機能化 …dmec/committee/DMEC8005/presentations/...ハードディスクドライブの 磁気ヘッド位置決め制御

https://www.hgst.com/sites/default/files/resources/HGST-Micro-Actuator-TB.pdf より引用

Page 8: 第7回電気学会モーションコントロールの高機能化 …dmec/committee/DMEC8005/presentations/...ハードディスクドライブの 磁気ヘッド位置決め制御
Page 9: 第7回電気学会モーションコントロールの高機能化 …dmec/committee/DMEC8005/presentations/...ハードディスクドライブの 磁気ヘッド位置決め制御

さらに先の技術

Page 10: 第7回電気学会モーションコントロールの高機能化 …dmec/committee/DMEC8005/presentations/...ハードディスクドライブの 磁気ヘッド位置決め制御

Takenori Atsumi,``Emerging Technology for Head-Positioning System in HDDs'',IEEJ Journal of Industry Applications, Vol. 5, No. 2, pp. 117-122, (2016-3)

Page 11: 第7回電気学会モーションコントロールの高機能化 …dmec/committee/DMEC8005/presentations/...ハードディスクドライブの 磁気ヘッド位置決め制御

Case 1: Film-coil actuator

Case 2: Thermal actuator

Page 12: 第7回電気学会モーションコントロールの高機能化 …dmec/committee/DMEC8005/presentations/...ハードディスクドライブの 磁気ヘッド位置決め制御

Case 1: Film-coil actuator

Case 2: Thermal actuator

Page 13: 第7回電気学会モーションコントロールの高機能化 …dmec/committee/DMEC8005/presentations/...ハードディスクドライブの 磁気ヘッド位置決め制御

Easy Excited Resonant Mode in HDDs

By VCM actuator(Butterfly mode: 5.2 kHz)

By external vibration(Torsion mode: 3.5 kHz)

Page 14: 第7回電気学会モーションコントロールの高機能化 …dmec/committee/DMEC8005/presentations/...ハードディスクドライブの 磁気ヘッド位置決め制御

Direction of coil current

Pads for wire bonding

Film Actuator

Thin film coil (Film actuator)

VCM with film actuator

Page 15: 第7回電気学会モーションコントロールの高機能化 …dmec/committee/DMEC8005/presentations/...ハードディスクドライブの 磁気ヘッド位置決め制御

VCM actuator Film actuator

Frequency Response of Actuator

Page 16: 第7回電気学会モーションコントロールの高機能化 …dmec/committee/DMEC8005/presentations/...ハードディスクドライブの 磁気ヘッド位置決め制御

w/ Film actuator(VCM +PZT+ Film)

w/o Film actuator(VCM+PZT)

Comparison of Sensitivity Function

Page 17: 第7回電気学会モーションコントロールの高機能化 …dmec/committee/DMEC8005/presentations/...ハードディスクドライブの 磁気ヘッド位置決め制御

Case 1: Film-coil actuator

Case 2: Thermal actuator

Page 18: 第7回電気学会モーションコントロールの高機能化 …dmec/committee/DMEC8005/presentations/...ハードディスクドライブの 磁気ヘッド位置決め制御

Single-stage actuator (VCM only)

Dual-stage actuator (VCM + PZT)

103

104

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

Frequency [Hz]

Ga

in [d

B]

Voice-coil motor(VCM)

PZT actuator

Sensitivity function

Page 19: 第7回電気学会モーションコントロールの高機能化 …dmec/committee/DMEC8005/presentations/...ハードディスクドライブの 磁気ヘッド位置決め制御

Heater

Magnetic head

Slider

Thermal Actuator

Page 20: 第7回電気学会モーションコントロールの高機能化 …dmec/committee/DMEC8005/presentations/...ハードディスクドライブの 磁気ヘッド位置決め制御

Disk for mobile HDDs

Thermalactuator

PZT actuator

VCM

Page 21: 第7回電気学会モーションコントロールの高機能化 …dmec/committee/DMEC8005/presentations/...ハードディスクドライブの 磁気ヘッド位置決め制御

Frequency Response of Thermal Actuator

Measurement data Mathematical model

Page 22: 第7回電気学会モーションコントロールの高機能化 …dmec/committee/DMEC8005/presentations/...ハードディスクドライブの 磁気ヘッド位置決め制御

Design results Experimental results

Comparison of Sensitivity Function

Single-stage actuator (VCM only) Dual-stage actuator (VCM + PZT)Triple-stage actuator (VCM + PZT + Thermal actuator) )

Page 23: 第7回電気学会モーションコントロールの高機能化 …dmec/committee/DMEC8005/presentations/...ハードディスクドライブの 磁気ヘッド位置決め制御

Single-stage actuator (VCM only), SD: 3.12 nm Dual-stage actuator (VCM + PZT), SD: 1.57 nmTriple-stage actuator (VCM + PZT + Thermal actuator) ), SD: 0.96 nm

Time domain Frequency domain

Comparison of Positioning Error

Page 24: 第7回電気学会モーションコントロールの高機能化 …dmec/committee/DMEC8005/presentations/...ハードディスクドライブの 磁気ヘッド位置決め制御

ここ最近の学会発表

Page 25: 第7回電気学会モーションコントロールの高機能化 …dmec/committee/DMEC8005/presentations/...ハードディスクドライブの 磁気ヘッド位置決め制御

Estimation Method ofUnobservable Oscillations in Sampled-Data Positioning Systems

Takenori Atsumi

Chiba Institute of Technology

The 2nd IEEJ international workshop on Sensing, Actuation, Motion Control, and OptimizationMarch 8th, 2016, Seikei University, Tokyo

Page 26: 第7回電気学会モーションコントロールの高機能化 …dmec/committee/DMEC8005/presentations/...ハードディスクドライブの 磁気ヘッド位置決め制御

Sampled-data Control System

Continuous-timePlant

Discrete-time

Controller

Hold(D/A)

Sampler(A/D)

Error

Controlled variable

Ref. Control input

Continuous-time systemDiscrete-time system

Page 27: 第7回電気学会モーションコントロールの高機能化 …dmec/committee/DMEC8005/presentations/...ハードディスクドライブの 磁気ヘッド位置決め制御

Example: Tank System

Page 28: 第7回電気学会モーションコントロールの高機能化 …dmec/committee/DMEC8005/presentations/...ハードディスクドライブの 磁気ヘッド位置決め制御

Block Diagram of Tank System

Tank System

Human Being

Hold(D/A)

Sampler(A/D)

Error

Water level

Target level

Turn fauceton/off

Continuous-time systemDiscrete-time system

Page 29: 第7回電気学会モーションコントロールの高機能化 …dmec/committee/DMEC8005/presentations/...ハードディスクドライブの 磁気ヘッド位置決め制御

If the sampling time is too long…

Page 30: 第7回電気学会モーションコントロールの高機能化 …dmec/committee/DMEC8005/presentations/...ハードディスクドライブの 磁気ヘッド位置決め制御
Page 31: 第7回電気学会モーションコントロールの高機能化 …dmec/committee/DMEC8005/presentations/...ハードディスクドライブの 磁気ヘッド位置決め制御

Voice-coil motor(VCM)

Disk Spindle motor

Magnetichead

PZT actuator

Digital controller

Head-Positioning Control System in HDDPosition signal

Page 32: 第7回電気学会モーションコントロールの高機能化 …dmec/committee/DMEC8005/presentations/...ハードディスクドライブの 磁気ヘッド位置決め制御

The control system cannot “see” intersamplingvibrations which cause destruction of users data.

The timing of reading or writing user data corresponds to the time between samples.

Position signal area Data area

Measurement signal

High-risk area for data destruction

Head movement

Page 33: 第7回電気学会モーションコントロールの高機能化 …dmec/committee/DMEC8005/presentations/...ハードディスクドライブの 磁気ヘッド位置決め制御

Continuous-timePlant

Discrete-time

Controller

Hold(D/A)

Sampler(A/D)

Actualcontrolled variable

Ref.

Observed controlled variable

Continuous-time systemDiscrete-time system

We have to know difference between observed and actualcontrolled variables

Page 34: 第7回電気学会モーションコントロールの高機能化 …dmec/committee/DMEC8005/presentations/...ハードディスクドライブの 磁気ヘッド位置決め制御

Actual variable

Ns: Number of samples for estimation, t : Sampling time

Unobserved amplitude

Ns t

Am

plit

ude

Time

Unobservable Amplitude of Oscillation

Observed variable

Page 35: 第7回電気学会モーションコントロールの高機能化 …dmec/committee/DMEC8005/presentations/...ハードディスクドライブの 磁気ヘッド位置決め制御

: Natural frequency,

: Damping ratio,

: Damped natural frequency,

: Sample number, : Sampling time: Initial phase,

Page 36: 第7回電気学会モーションコントロールの高機能化 …dmec/committee/DMEC8005/presentations/...ハードディスクドライブの 磁気ヘッド位置決め制御
Page 37: 第7回電気学会モーションコントロールの高機能化 …dmec/committee/DMEC8005/presentations/...ハードディスクドライブの 磁気ヘッド位置決め制御

Oscillation at Sampling Frequency

Event probability

Worst case Best case

Dependence of on 𝑚𝑢 𝜙0

Page 38: 第7回電気学会モーションコントロールの高機能化 …dmec/committee/DMEC8005/presentations/...ハードディスクドライブの 磁気ヘッド位置決め制御

Oscillation at Nyquist Frequency

Event probability

Worst case Best case

Dependence of on 𝑚𝑢 𝜙0

Page 39: 第7回電気学会モーションコントロールの高機能化 …dmec/committee/DMEC8005/presentations/...ハードディスクドライブの 磁気ヘッド位置決め制御

Event probabilityDependence of on 𝑚𝑢 𝜙0

Oscillation at One-third of Sampling Freq.

Worst case Best case

Page 40: 第7回電気学会モーションコントロールの高機能化 …dmec/committee/DMEC8005/presentations/...ハードディスクドライブの 磁気ヘッド位置決め制御

サンプリング定理と矛盾する?

Page 41: 第7回電気学会モーションコントロールの高機能化 …dmec/committee/DMEC8005/presentations/...ハードディスクドライブの 磁気ヘッド位置決め制御

時間領域 周波数領域

Page 42: 第7回電気学会モーションコントロールの高機能化 …dmec/committee/DMEC8005/presentations/...ハードディスクドライブの 磁気ヘッド位置決め制御

Two Index Values for Evaluation

Maximum value based

Root-Mean-Square (RMS) value based

Page 43: 第7回電気学会モーションコントロールの高機能化 …dmec/committee/DMEC8005/presentations/...ハードディスクドライブの 磁気ヘッド位置決め制御

T. Atsumi and W. Messner, "Analysis of Unobservable Oscillations in Sampled-Data Positioning Systems,” The IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 59, no. 10, pp. 3951-3960, (2012-10)

Maximum value RMS valuefixed initial phase (old)variable initial phase (new)

fixed initial phase (old)variable initial phase (new)

Comparison with Previous Work

Page 44: 第7回電気学会モーションコントロールの高機能化 …dmec/committee/DMEC8005/presentations/...ハードディスクドライブの 磁気ヘッド位置決め制御

Evaluation usingIndex value

Calculation ofIndex value

Set modalparameters

Modal parameters of mechanical system are decided by using measurement results

Index values are calculated by using resonance frequency, damping ratio and number of samples for estimation

Unacceptable sampling frequencies are estimated by using index values and target of reliability

Estimation Procedure

Page 45: 第7回電気学会モーションコントロールの高機能化 …dmec/committee/DMEC8005/presentations/...ハードディスクドライブの 磁気ヘッド位置決め制御

Example: Hard Disk Drive

Page 46: 第7回電気学会モーションコントロールの高機能化 …dmec/committee/DMEC8005/presentations/...ハードディスクドライブの 磁気ヘッド位置決め制御

Evaluation usingIndex value

Calculation ofIndex value

Set modalparameters

Modal parameters of mechanical system are decided by using measurement data

Index values are calculated by using resonance frequency, damping ratio and number of samples for estimation

Unacceptable sampling frequencies are estimated by using index values and target of reliability

Estimation Procedure

Page 47: 第7回電気学会モーションコントロールの高機能化 …dmec/committee/DMEC8005/presentations/...ハードディスクドライブの 磁気ヘッド位置決め制御

Mechanical Characteristics of HDDs

Primary mechanical resonance• Resonance frequency: 4100 Hz • Damping ratio: 0.01

Frequency response Mathematical model

Measurement data Mathematical model

Page 48: 第7回電気学会モーションコントロールの高機能化 …dmec/committee/DMEC8005/presentations/...ハードディスクドライブの 磁気ヘッド位置決め制御

Evaluation usingIndex value

Calculation ofIndex value

Set modalparameters

Modal parameters of mechanical system are decided by using measurement data

Index values are calculated by using resonance frequency, damping ratio and number of samples for estimation

Unacceptable sampling frequencies are estimated by using index values and target of reliability

Estimation Procedure

Page 49: 第7回電気学会モーションコントロールの高機能化 …dmec/committee/DMEC8005/presentations/...ハードディスクドライブの 磁気ヘッド位置決め制御

Dependence of Unobservable Amplitude on Sampling Frequency

• Resonance frequency: 4100Hz• Damping ratio: 0.01• Number of sample: 5(blue), 10(green), 20(red)

Maximum value RMS value

Page 50: 第7回電気学会モーションコントロールの高機能化 …dmec/committee/DMEC8005/presentations/...ハードディスクドライブの 磁気ヘッド位置決め制御

Evaluation usingIndex value

Calculation ofIndex value

Set modalparameters

Modal parameters of mechanical system are decided by using measurement data

Index values are calculated by using resonance frequency, damping ratio and number of samples for estimation

Unacceptable sampling frequencies are estimated by using index values and target of reliability

Estimation Procedure

Page 51: 第7回電気学会モーションコントロールの高機能化 …dmec/committee/DMEC8005/presentations/...ハードディスクドライブの 磁気ヘッド位置決め制御

• Mechanical Resonance: 4100Hz/ Damping ratio: 0.01• Number of sample for estimation: 5• Acceptable unobservable amplitude (RMS): Less 10%

Acceptable level

Unacceptable Sampling Frequency

Page 52: 第7回電気学会モーションコントロールの高機能化 …dmec/committee/DMEC8005/presentations/...ハードディスクドライブの 磁気ヘッド位置決め制御

Unacceptable frequency

• Mechanical Resonance: 4100Hz/ Damping ratio: 0.01• Number of sample for estimation: 5• Acceptable unobservable amplitude (RMS): Less 10%

Acceptable level

Unacceptable Sampling Frequency

Page 53: 第7回電気学会モーションコントロールの高機能化 …dmec/committee/DMEC8005/presentations/...ハードディスクドライブの 磁気ヘッド位置決め制御

Conclusion

Most of positioning control systems are sampled-data control systems with mechanical resonances.

We should check unobservable amplitude on our experimental systems.

Page 54: 第7回電気学会モーションコントロールの高機能化 …dmec/committee/DMEC8005/presentations/...ハードディスクドライブの 磁気ヘッド位置決め制御

ACC2016@BostonでWorkshop