多目的フィードフォワード制御による 磁気ディスク装置のショートシーク制御
1. はじめに
磁気ディスク装置（HDD）の磁気 ヘッド位置決め制御系には，ms オー ダの高速性と nm オーダの精度とい う，高い制御性能が要求される．この 要求を満たすため，現在までに先進的 な制御理論・設計手法が積極的に適用 されてきた．
中でも 1～数百トラック間の移動を 行うショートシーク制御（図 1）は，
さまざまな制御系設計手法や最適化計 算が適用しやすいことから，多数の研 究成果が報告されている．本稿では，
これらの一部と，筆者らが提案する多 目的制御による設計手法を簡単に紹介 する．
2. 現在までの研究
ショートシーク制御系の先導研究 は，フィードフォワード制御入力（以 下，FF 入力）の生成方法に関するも のが多い．まず，FF 入力の加速度変 化率（以下，JERK）を最小化するこ とによって，制御対象であるキャリッ ジの機械共振励起を防ぎ，シークの高 速化と高精度化を図る手法が挙げられ る（1）．文献（2）では，FF 入力のパワー スペクトルを機械共振周波数で局所的 に低減することによって，より高精度 なシークを実現できることが報告され ている．また，ディジタル制御系の観 測周期と制御入力周期が異なるマルチ レート制御の応用として，N-Delay 制 御を用いたシーク騒音の低減化手法が 文献（3）で，完全追従制御によるシー ク高速化手法が文献（4）で提案され ている．
3. 多目的制御による FF 入力の 設計
以下から，筆者らが提案する FF 入 力の設計手法について簡単に紹介する．
提案する設計手法は，シークの高速 性に関する仕様を H2ノルム，FF 入 力の周波数成分に関する仕様を H∞ノ ルム，入力波形の滑らかさに関する仕 様を JERK によって与える，多目的 フィードフォワード制御である．
図 2 に多目的 FF 制御の評価システ ムを示す．図中 F（z）が設計すべき フィードフォワード制御器であり，イ ンパルス入力が印加されると FF 入力 を出力する．図 2 のシステムでは，ま ず，FF 入力を制御対象モデルに入力 して得られるシーク軌道と，目標ト ラックとの差の 2 乗面積，すなわち H2ノルムを評価し，シークの高速化 を図る．同時に，制御対象の共振周波 数でゲインを高く設定した周波数重み 関数を用い，F（z）の H∞ノルムを評 価する．これによって，共振周波数に おける FF 入力のパワースペクトルが 低 減 さ れ る． さ ら に，FF 入 力 の JERK も評価し，加減速の激しい切換 えがない，滑らかな入力波形を得られ るようにする．以上，三つの評価項目 を同時最小化する最適化問題を解くこ とによって，目標トラックに高速に シークし，かつ機械共振を励起しない，
滑らかな FF 入力（フィードフォワー ド制御器）を求めることができる．な お，上記の最適化問題は LMI（線形 行列不等式）として定式化され，容易 に解くことが可能である．
図 3 に提案する多目的 FF 制御を実 際の HDD に適用したときの，シーク 軌道と目標トラック到達後のヘッド位 置の残留振動スペクトルを示す．図中 実線が多目的 FF 制御による応答であ るが，従来技術である JERK 最小化 制御（点線）と比較して，目標トラッ クにより高速にシークし，かつ機械共 振の残留振動を低減できていることが わかる．
4. おわりに
本稿では HDD のショートシーク制 御についての先導研究と，筆者らが提 案する多目的制御による設計手法の紹 介を行った．今後も，より高速・高精 度なシークを実現するため，先進的な 制御理論の応用が期待される．
（原稿受付 2008 年 9 月 26 日）
〔石原義之 （株）東芝研究開発セン ター 機械・システムラボラトリー〕
（ 1 ）Mizoshita, Y. ほ か，Vibration Minimized ●文 献 Access Control for Disk Drives, IEEE Trans. Magn., 32-3（1996），1793-1798．
（ 2 ）平田光男・ほか，終端状態制御によるハー ドディスクのショートシーク制御，電気学 会論文 D，125-5（2005），524-529．
（ 3 ）高倉晋司，N-Delay2 自由度制御による目標 値追従システムの構成と磁気ディスク装置 への応用，電気学会論文集 D，119-5（1999），
728-734．
（ 4 ）藤本博志・ほか，マルチレートサンプリン グを用いた完全追従制御法による磁気ディ スク装置のシーク制御，電気学会論文集 D，
120-10（2000），1157-1164．
図 1 ショートシーク制御
１〜数百トラック
磁気ヘッド ディスク
ボイスコイル モータ
キャリッジ
ショートシーク制御
図 2 多目的 FF 制御の評価システム
−
周波数 重み関数 制御対象 モデル 目標トラック
シーク FF入力 軌道
H₂ノルム の評価出力
（シーク高速性）
H∞ノルム の評価出力
（共振励起防止）
JERK の評価出力
（入力の滑らかさ）
F（z）
ステップ 関数 インパルス
入力
フィードフォワード 制御器
同時最小化
＋
図 3 シーク軌道と残留振動スペクトル
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 0
1 2 3
60 50 40 30 20 10 0
時間（サンプル数）
残りトラック
0 1 000 2 000 3 000 4 000 5 000 6 000 7 000 周波数（Hz）
残留振動スペクトル（dB）
多目的FF制御
JERK最小化制御
機械共振の残留振動を低減
日本機械学会誌 2009. 2 Vol. 112 No.1083
