Electromechanical Simulation of a Spindle Electromechanical Simulation of a Spindle Motor in a Free-Falling HDDMotor in a Free-Falling HDD

한양대학교 초정밀회전기기 연구실한양대학교 초정밀회전기기 연구실박사과정 박 상 진박사과정 박 상 진

2004/12/182004/12/18

- - 22 - -

MotivationMotivation Mobile HDDMobile HDD vs. Flesh Memoryvs. Flesh Memory

– Mobile HDDMobile HDD 의 장점의 장점• Flesh memoryFlesh memory 에 비하여 고 용량화가 가능에 비하여 고 용량화가 가능• 가격이 상대적으로 저렴가격이 상대적으로 저렴

– Mobile HDDMobile HDD 의 단점의 단점• 기계적 구조로 인해 내구성이 약함기계적 구조로 인해 내구성이 약함• 작동 중에 충격이 가해질 경우 작동 중에 충격이 가해질 경우 datadata 의 손실 가능성이 매우 의 손실 가능성이 매우

높음높음

Shock Detection of Mobile HDDShock Detection of Mobile HDD– 작동 중인 작동 중인 Mobile HDDMobile HDD 의 낙하상태를 충격 이전에 감지의 낙하상태를 충격 이전에 감지

• ActuatorActuator 의 의 parking parking 소요 시간 소요 시간 : 30 : 30 msec. msec. 이하이하• 30 30 cmcm 에서 낙하 시 소요 시간 에서 낙하 시 소요 시간 : : 약 약 250 250 msec.msec.• 기존에는 가속도 센서를 이용하여 감지기존에는 가속도 센서를 이용하여 감지• 동역학적 특성과 스핀들 모터의 신호를 이용한 센서리스동역학적 특성과 스핀들 모터의 신호를 이용한 센서리스 감지감지

- - 33 - -

Previous WorkPrevious Work Edwards J.R., "Finite Element Analysis of the Shock Edwards J.R., "Finite Element Analysis of the Shock

Response and Head Slap Behavior of a Hard Disk Drive," Response and Head Slap Behavior of a Hard Disk Drive," IEEE Transactions on Magnetics, 1999. IEEE Transactions on Magnetics, 1999. 외 다수외 다수

– Disk-Head interfaceDisk-Head interface 의 충격 응답 또는 강건 설계 관련 논문의 충격 응답 또는 강건 설계 관련 논문

David H. Jen and Mike Suk, "Method and Apparatus for David H. Jen and Mike Suk, "Method and Apparatus for Unloading Head from Disk before a Shock to a Disk Drive Unloading Head from Disk before a Shock to a Disk Drive System," System," United States Patent, 2000.United States Patent, 2000.

– HDD HDD 낙하 시의 동역학적 특성에 의한 스핀들 모터의 전류 낙하 시의 동역학적 특성에 의한 스핀들 모터의 전류 변화를 감지변화를 감지

– 실험적인 방법을 사용하여 감지 알고리즘을 제안실험적인 방법을 사용하여 감지 알고리즘을 제안– 볼 베어링 스핀들 모터에 한정되며 이론적인 고찰이 없음볼 베어링 스핀들 모터에 한정되며 이론적인 고찰이 없음

- - 44 - -

Method of AnalysisMethod of Analysis Electromechanical Field AnalysisElectromechanical Field Analysis

– Electromagnetic FieldElectromagnetic Field• Maxwell Maxwell 방정식의 시간 차분 유한 요소법방정식의 시간 차분 유한 요소법• 구동 회로에서 구동 회로에서 inverterinverter 의 스위칭 동작 및 환류 전류를 고려의 스위칭 동작 및 환류 전류를 고려• PI PI 속도 제어를 포함속도 제어를 포함

– Hydrodynamic-bearing FieldHydrodynamic-bearing Field• Reynolds Reynolds 방정식의 유한 요소법 방정식의 유한 요소법 ((HYBAPHYBAP 을 활용을 활용 ))

– 베어링 반력 및 마찰토크를 결정베어링 반력 및 마찰토크를 결정

– Dynamics of Free-falling HDDDynamics of Free-falling HDD• HDDHDD 를 회전부와 고정부의 두 강체로 가정를 회전부와 고정부의 두 강체로 가정• 각 강체의 병진 변위와 각 변위를 고려하여 각 강체의 병진 변위와 각 변위를 고려하여 1212 자유도의 자유도의

방정식을 유도방정식을 유도

- - 55 - -

Electromagnetic FieldElectromagnetic Field Maxwell Equation (2D)Maxwell Equation (2D)

FE Formulation by Galerkin MethodFE Formulation by Galerkin Method

y

M

x

MvJ

y

Av

yx

Av

xxyzz

PMofionmagnetizat:

potentialvectormagnetic:

densitycurrent:

materialofyreluctivit:

where,

M

A

J

v

z

ieei

ieieez

e

xyzz

NWANA

dW

y

M

x

MvJ

y

Av

yx

Av

x

,

0

0

3

1

)(

SS

- - 66 - -

Voltage Equation of Inverter CircuitVoltage Equation of Inverter Circuit

Sjj

jjjii

iii Vtd

d

td

IdLIR

td

d

td

IdLIR

0 Djj

jjjii

iii Vtd

d

td

IdLIR

td

d

td

IdLIR

Scc

cccaa

aaa Vtd

d

td

IdLIR

td

d

td

IdLIR

0 Dbb

bbbaa

aaa Vtd

d

td

IdLIR

td

d

td

IdLIR

0 cba III

A

B

C

A B C

A B C

V12

< Commutation< Commutation > > < Duty On< Duty On > >

< Duty Off< Duty Off > >

속도 제어 시 인버터 속도 제어 시 인버터 회로의 스위칭 동작을 고려회로의 스위칭 동작을 고려

비 여자상의 환류 전류를 비 여자상의 환류 전류를 고려고려

- - 77 - -

Time Dependency (Backward Difference Method)Time Dependency (Backward Difference Method)

Force and Torque CalculationForce and Torque Calculation– Maxwell Stress TensorMaxwell Stress Tensor

Moving Mesh AlgorithmMoving Mesh Algorithm– 토크에 의한 회전자의 회전각을 변경토크에 의한 회전자의 회전각을 변경– 불평형 자기력에 의한 회전자의 병진 변위를 고려 불평형 자기력에 의한 회전자의 병진 변위를 고려

t

ii

dt

di

t

AA

dt

d tttttt

,A

dABBrT

dABBF

r

rmag

0

22

0

1

)(2

1

- - 88 - -

Hydrodynamic-bearing FieldHydrodynamic-bearing Field HDB ModelHDB Model

Governing Equation of a HDB field (Reynolds Equation)Governing Equation of a HDB field (Reynolds Equation)

X

YC1

C2R

Journal

Sleeve

z

r

zz

Thrust Pad

Thrust

< Journal Bearing< Journal Bearing > > < Thrust Bearing< Thrust Bearing > >

t

hh

z

ph

zR

ph

Rz

21212

33

t

h

r

hr

r

ph

rr

phr

rrz

21212

1 33

- Journal Bearing- Journal Bearing - -

- Thrust Bearing- Thrust Bearing - -

- - 99 - -

Dynamics of Free-falling HDDDynamics of Free-falling HDD Two Rigid BodiesTwo Rigid Bodies

– Stationary Part : Base Plate + Stator Part of Motor + CoverStationary Part : Base Plate + Stator Part of Motor + Cover

– Rotational Part : PM + Hub Part + DiskRotational Part : PM + Hub Part + Disk

Body RotationBody Rotation

1n

2n

3n

1c

2c

3c

1f

2f

3f

(S)

(R)

Body c-1-2-3 Rotation

Body n-1-2-3 Rotation

< Two Rigid Bodies of HDD< Two Rigid Bodies of HDD > >

- - 1010 - -

Free Body DiagramFree Body Diagram

1c2c

3c

1e

2e

3e

)( SBody

)( RBody

BF1

BF2

BB FF 43

gmR

gmS

SG

RG

EMTFT

gmU

26UUem

EMTFT

SF

1n2n

3n

EMF

- - 1111 - -

Force and Moment EquilibriumForce and Moment Equilibrium

FrictionMagneticEMlCentrifugaR

UnbalanceGravityR

HDBRR

EMUnbalanceGravityR

lCentrifugaR

GravityR

HDBrR

FrictionMagneticEMHDBS

InitialSS

EMHDBGravityS

InitialS

rS

TTMMMMM

FFFFFF

TTMMMM

FFFFF

_

_

- - 1212 - -

Equation of Motion of Free-falling HDD (12 D.O.F.)Equation of Motion of Free-falling HDD (12 D.O.F.)– Stationary Body (Stationary Body ( 병진 운동병진 운동 ))

– Stationary Body (Stationary Body ( 각 운동각 운동 ))

1323131231

2143132312131231212131323123123113

3213132113

2143321312132113212133213123211312

233224323213221232323211

csscsFccsssF

ccFFcsscsFFccsssFFgmccFcsscsFccsssFrm

sssccFcsscsF

csFFsssccFFcsscsFFcsFsssccFcsscsFrm

csFccFsFFcsFFccFFsFcsFccFrm

EMyEMx

Bz

Bz

By

By

Bx

Bx

AAAAAA

EMyEMx

Bz

Bz

By

By

Bx

Bx

AAAAA

EMyEMxBz

Bz

By

By

Bx

Bx

AAAAA

B

yABx

Bx

ABy

By

ABx

Bx

ABy

Bz

ABx

Bz

ABx

Bx

ABz

Bx

ABz

Bz

ABy

Bz

ABy

By

ABz

By

ABz

FEMEMyBEMEMx

BEM

AA

EMxBEMEMy

BEM

AAAA

EMxBEMEMy

BEM

AAAA

FlFlFlFlQ

FlFlFlFlP

FlFlFlFlO

where

TTFlFlQFlFlcIIIsII

cFlsFlPcOscFlFlsFlFlcsIIcIIII

sFlcFlPsOcsFlFlcFlFlIIIsIIIcI

22221111

44332211

44332211

12211222132121333

333333331133322322113123132122

333333331133322332321221321211

,

- - 1313 - -

– Rotational Body (Rotational Body ( 병진운동병진운동 ))

542151432315253415313

542154321352153141533

54252433253

21441324312

24143214312

424232

421515432531235415311

425154321532131545131

45225435321

21262

6162

63432211213

21262

6162

63432211212

21262

6162

63432211211

,

ccccccsssccssccsssss

cccscsssscssscccscss

ccsccssccs

ccsccssccs

csscsssccc

ssccs

cccscsssscccscssscss

ccsssssssccssccssccs

csscsssccc

where

FFgmsemcemgmFFFFFFrmm

FFsemcemFFFFFFrmm

FFsemcemFFFFFFrmm

EMyEMxUUUUUBB

zBz

By

By

Bx

Bx

BUB

EMyEMxUUUUB

zBz

By

By

Bx

Bx

BUB

EMyEMxUUUUB

zBz

By

By

Bx

Bx

BUB

- - 1414 - -

– Rotational Body (Rotational Body ( 각운동각운동 ))

55445321

544343214534321

43212143215454321

65445321

5454321544532145321

543212121434321

6543432155454321

544343214321

543432143212145321

66

45666

62

662211

64555

62

662211

564544

,

ccsDA

csccBcsccB

sDABDcAcsccEC

Z

ccsDA

cccECscsDAcsEC

ccDACDAEsccB

Y

sccBsccEC

ssccBsEC

ccccBcCcBEcsDA

X

where

TTgMmcegLmse

WUIIZII

FlcemlgNmcegLmlFlFl

VWIIYII

FlsemlgNmsegMmlFlFl

UVIIXIcI

FEMUUUU

EMxBEM

UUUUUUUBx

BBx

B

EMyBEM

UUUUUUUBy

BBy

B

54215143253413152531

2144132431

42151543235415312531

53453

35453

5425243325

42423

4522543532

5445321

65454321

5434321

ccccccsssccssccsssssN

ccsccssccsM

cccscsssscssscccscssL

ccsssE

csscsD

ccsccssccsC

ssccsB

csscssscccA

ccsDAW

sccECV

sccBU

- - 1515 - -

Electromechanical AnalysisElectromechanical Analysis Analysis ProcedureAnalysis Procedure

Ω

Electromagnetic field analysis considering driving circuitElectromagnetic field analysis considering driving circuit Mechanical field analysisMechanical field analysis

Duty

Carrier wave

+-Ωref

Hydrodynamic bearing FE analysis (Journal and thrust)

Hydrodynamic bearing FE analysis (Journal and thrust)

eu

0

0

On OffA

A B C

A B C

V12

B C

Moving mesh algorithmfor magnetic field

Moving mesh algorithmfor magnetic field

Determination of energizing phase

Determination of energizing phase

eKeKu IP

PI controller

Time-stepping FE analysis- Maxwell equation- Circuit equation- Time dependency (Backward Diffe- rence Method)

Determination of circuit equation(Commutation, Duty on and Duty off)

Magnetic forceand torque- Maxwell stress tensorttt

- Initial Force and Moment - Equation of Motion of HDD(Runge-Kutta Algorithm)

- Initial Force and Moment - Equation of Motion of HDD(Runge-Kutta Algorithm)

Friction torqueBearing force

- - 1616 - -

Analysis ModelAnalysis Model Specification of Analysis Model (Samsung 3.5 inch HDD)Specification of Analysis Model (Samsung 3.5 inch HDD)

– Motor Spec. (Nidec P80)Motor Spec. (Nidec P80)

QuantityQuantity ValueValueInput VoltageInput Voltage 12 12 VV

PWM frequencyPWM frequency 40,000 40,000 HzHz

Rated speedRated speed 7200 7200 rpmrpm

Air gap lengthAir gap length 0.25 0.25 mmmm

Journal bearing clearanceJournal bearing clearance 2.5 2.5 μmμm

Thrust bearing clearanceThrust bearing clearance 9 9 μmμm

Disk diameterDisk diameter 3.5 inch3.5 inch

Phase resistancePhase resistance 1.933 1.933 ΩΩ

Residual flux density of permanent magnetResidual flux density of permanent magnet 0.7 0.7 TT

Viscosity of lubricantViscosity of lubricant 0.016 0.016 Pa-sPa-s

- - 1717 - -

– Mechanical Spec.Mechanical Spec.

• 두 두 BodyBody 간의 상대 위치간의 상대 위치

SBody

RBody

mm 10

mm 2.5

1c

2c

3c

1f

2f

3f

RG

SG

QuantityQuantity ValueValueStationary BodyStationary Body MassMass 432.54 g432.54 g

IIxx 7.6221e-4 kg-m7.6221e-4 kg-m22

IIyy 3.6481e-4 kg-m3.6481e-4 kg-m22

IIzz 1.1183e-3 kg-m1.1183e-3 kg-m22

Rotational BodyRotational Body MassMass 24.97 g24.97 g

IIxx 1.6074e-5 kg-m1.6074e-5 kg-m22

IIyy 1.6074e-5 kg-m1.6074e-5 kg-m22

IIzz 3.1280e-5 kg-m3.1280e-5 kg-m22

Mass Unbalance (1 Mass Unbalance (1 Disk)Disk)

23.04 g23.04 g

Inner Clearance of DiskInner Clearance of Disk 50 50 μμmm

- - 1818 - -

Electromagnetic FieldElectromagnetic Field

Result - Result - Field PlotField Plot

< Meshed Area (8,750 elements) < Meshed Area (8,750 elements) And its Magnetic Flux Distribution >And its Magnetic Flux Distribution >

Hydrodynamic-bearing FieldHydrodynamic-bearing Field

- Journal Bearing -- Journal Bearing -

- Thrust Bearing -- Thrust Bearing -< Meshed Area (3,872 elements) < Meshed Area (3,872 elements) and its Pressure Distribution >and its Pressure Distribution >

- - 1919 - -

Result - Result - Parallel DropParallel Drop

Motion of Stationary BodyMotion of Stationary Body– 초기에 외력이 작용하지 않으므로 수평 자세를 유지 하면서 낙하초기에 외력이 작용하지 않으므로 수평 자세를 유지 하면서 낙하

< < Motion of Body SMotion of Body S > >

-0.05

0

0.05

-0.05

0

0.05

-0.1

-0.08

-0.06

-0.04

-0.02

0

Displacement x [m]Displacement y [m]

Dis

plac

emen

t z

[m]

- - 2020 - -

Motion of Rotational BodyMotion of Rotational Body– 회전자의 궤적은 큰 변화가 일어나지 않음회전자의 궤적은 큰 변화가 일어나지 않음– 자유 낙하 상태에서 변위가 다소 감소자유 낙하 상태에서 변위가 다소 감소

< < Rotor Orbit at the Mass CenterRotor Orbit at the Mass Center > > < 3< 3D Plot of Rotor Orbit >D Plot of Rotor Orbit >

-40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50

-30

-20

-10

0

10

20

30

Displacement x [nm]

Dis

plac

emen

t y

[nm

]

-50

0

50

100

-50

0

50

-50

0

50

Displacement x [nm]Displacement y [nm]

Sha

ft P

ositi

on

Top of Shaft Measuring PositionMass Center PM Position Bottom of Shaft

- - 2121 - -

Electrical ParametersElectrical Parameters– 전류전류 , , 토크토크 , , 속도속도 , , Duty ratio Duty ratio 모두 변화가 감지 모두 변화가 감지 (Duty ratio (Duty ratio 변화가 가장 변화가 가장

큼큼 ))

– 모든 변수에 회전자의 회전주파수 성분이 발생모든 변수에 회전자의 회전주파수 성분이 발생

< < Phase Current Profile >Phase Current Profile > < < Torque Profile >Torque Profile >

< < Speed ProfileSpeed Profile > > < < Duty Ratio of PWMDuty Ratio of PWM > >

1.68 1.7 1.72 1.74 1.76 1.78 1.8 1.82 1.84

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

Time [sec.]

Cur

rent

[A

]

Phase Current

Phase APhase BPhase C

1.68 1.7 1.72 1.74 1.76 1.78 1.8 1.82 1.840

1

2

3

4

5x 10

-3

Time [sec.]

Tor

que

[N-m

]

Torque

1.68 1.7 1.72 1.74 1.76 1.78 1.8 1.82 1.847199.9

7200

7200.1

7200.2

7200.3

Time [sec.]

Spe

ed [

rpm

]

Rotor Speed

1.68 1.7 1.72 1.74 1.76 1.78 1.8 1.82 1.840.76

0.765

0.77

0.775

0.78

0.785

Time [sec.]

Dut

y R

atio

Duty Ratio

- - 2222 - -

DiscussionDiscussion– 전기 변수 변화의 원인전기 변수 변화의 원인

• 두 강체두 강체 간의 상대속도 변화간의 상대속도 변화– 유체 베어링 반력에 의한 반작용 모멘트가 유체 베어링 반력에 의한 반작용 모멘트가 Stationary bodyStationary body 의 의

속도변화를 유발속도변화를 유발– 속도변화를 감지한 제어루프에서의 속도변화를 감지한 제어루프에서의 Duty Ratio Duty Ratio 변화가 발생변화가 발생– Duty ratioDuty ratio 의 변화에 따르는 전류 및 토크의 변화가 발생의 변화에 따르는 전류 및 토크의 변화가 발생

• 유체 베어링의 마찰 토크에 의한 영향유체 베어링의 마찰 토크에 의한 영향– 회전자의 궤적 변화가 크지 않으므로 영향을 거의 미치지 못함 회전자의 궤적 변화가 크지 않으므로 영향을 거의 미치지 못함

• Gyroscopic momentGyroscopic moment 의 영향의 영향– Stationary bodyStationary body 의 의 tilting tilting 각이 거의 없으므로 변화각이 거의 없으므로 변화 없음없음

< < Rotational Speed of Stationary BodyRotational Speed of Stationary Body > > < < Rotational Speed of Rotational BodyRotational Speed of Rotational Body > >

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2

x 105

-0.05

0

0.05

0.1

0.15

Time step

Spe

ed [

rpm

]

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2

x 105

7199.9

7200

7200.1

7200.2

7200.3

Time step

Spe

ed [

rpm

]

- - 2323 - -

Result - Result - θθxx-directional Rolling Drop-directional Rolling Drop

Motion of Stationary BodyMotion of Stationary Body– 낙하 초기에 외력 모멘트를 낙하 초기에 외력 모멘트를 θθxx 방향으로 가함방향으로 가함– Gyroscopic momentGyroscopic moment 의 영향으로 의 영향으로 RollingRolling 방향이 계속해서 전환 됨방향이 계속해서 전환 됨

< < θθxx-directional Initial Moment >-directional Initial Moment > < < Motion of Body SMotion of Body S > >

-0.05

0

0.05

-0.05

0

0.05

-0.1

-0.08

-0.06

-0.04

-0.02

0

Displacement x [m]Displacement y [m]

Dis

plac

emen

t z

[m]

0 1 2 3 4 5 6 7

x 105

-0.02

0

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

Step

Mom

ent

[N-m

]

- - 2424 - -

Motion of Rotational BodyMotion of Rotational Body– Gyroscopic momentGyroscopic moment 의 영향으로 의 영향으로 stationary bodystationary body 의 의 tilting motiontilting motion 이 이

발생하면서 기존의 궤적 패턴을 이탈하는 현상 발생발생하면서 기존의 궤적 패턴을 이탈하는 현상 발생

< < Rotor Orbit at the Mass CenterRotor Orbit at the Mass Center > > < 3< 3D Plot of Rotor Orbit >D Plot of Rotor Orbit >

-600 -400 -200 0 200 400 600-500

-400

-300

-200

-100

0

100

200

300

400

500

Displacement x [nm]

Dis

plac

emen

t y

[nm

]

-2000-1000

01000

2000

-1000

0

1000

-1500

-1000

-500

0

500

1000

Displacement x [nm]Displacement y [nm]

Sha

ft P

ositi

on

Top of Shaft Measuring PositionMass Center PM Position Bottom of Shaft

- - 2525 - -

Electrical ParametersElectrical Parameters– 두 두 Body Body 간의 상대속도에 의한 회전 주파수 발생 경향은 동일간의 상대속도에 의한 회전 주파수 발생 경향은 동일– 회전자의 회전자의 tilting tilting 각에 비례하는 추가적인 성분이 발생 각에 비례하는 추가적인 성분이 발생

< < Phase Current Profile >Phase Current Profile > < < Torque Profile >Torque Profile >

< < Speed ProfileSpeed Profile > > < < Duty Ratio of PWMDuty Ratio of PWM > >

1.68 1.7 1.72 1.74 1.76 1.78 1.8 1.82 1.84-0.5

0

0.5

Time [sec.]

Cur

rent

[A

]

Phase Current

Phase APhase BPhase C

1.68 1.7 1.72 1.74 1.76 1.78 1.8 1.82 1.840

1

2

3

4

5x 10

-3

Time [sec.]

Tor

que

[N-m

]

Torque

1.68 1.7 1.72 1.74 1.76 1.78 1.8 1.82 1.847199.9

7200

7200.1

7200.2

7200.3

Time [sec.]

Spe

ed [

rpm

]

Rotor Speed

1.68 1.7 1.72 1.74 1.76 1.78 1.8 1.82 1.840.75

0.76

0.77

0.78

0.79

Time [sec.]

Dut

y R

atio

Duty Ratio

- - 2626 - -

DiscussionDiscussion– 두 강체 간의 상대 속도 변화두 강체 간의 상대 속도 변화

• Gyroscopic momentGyroscopic moment 에 의해 회전자 운동 궤적이 증가함에 따라 에 의해 회전자 운동 궤적이 증가함에 따라 베어링 반력이 증가베어링 반력이 증가

• Stationary bodyStationary body 에 작용하는 베어링 반력의 반작용이에 작용하는 베어링 반력의 반작용이 증가증가– Stationary bodyStationary body 에 에 θθzz 방향의 추가적인 상대 속도 변화가 발생방향의 추가적인 상대 속도 변화가 발생

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1-0.4

-0.3

-0.2

-0.1

0

0.1

0.2

0.3

Time [sec]

Spe

ed [

rpm

]

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.17199.9

7199.95

7200

7200.05

7200.1

7200.15

7200.2

7200.25

7200.3

Time [sec]

Spe

ed [

rpm

]

< < Rotational Speed of Stationary BodyRotational Speed of Stationary Body > > < < Rotational Speed of Rotational Body >Rotational Speed of Rotational Body >

- - 2727 - -

– 유체 베어링 마찰 토크의 영향유체 베어링 마찰 토크의 영향• 회전자 궤적이회전자 궤적이 증가하면서 마찰토크도 다소 증가증가하면서 마찰토크도 다소 증가

– Gyroscopic MomentGyroscopic Moment 의 영향의 영향• Tilting motionTilting motion 에 대응하는 에 대응하는 Gyro-momentGyro-moment 가 발생가 발생

1.66 1.68 1.7 1.72 1.74 1.76 1.780

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

2x 10

-3

Time [sec]

Tot

al L

oad

Tor

que

[N-m

]

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1-0.08

-0.06

-0.04

-0.02

0

0.02

0.04

Time step

Gyr

osco

pic

Mom

ent

[N-m

]

x-directiony-direction

< < FDB Friction Torque >FDB Friction Torque > < < Gyroscopic Moment of Body BGyroscopic Moment of Body B > >

- - 2828 - -

Result - Result - θθzz-directional Rolling Drop-directional Rolling Drop

Motion of Stationary BodyMotion of Stationary Body– 낙하 초기에 외력 토크를 낙하 초기에 외력 토크를 θθzz 방향으로 가함방향으로 가함– 회전자 궤적은 불변회전자 궤적은 불변

< < θθzz-directional Initial Torque-directional Initial Torque > > < < Motion of Body SMotion of Body S > >

-0.05

0

0.05

-0.05

0

0.05

-0.1

-0.08

-0.06

-0.04

-0.02

0

Displacement x [m]Displacement y [m]

Dis

plac

emen

t z

[m]

0 1 2 3 4 5 6 7

x 105

-0.02

0

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

Step

Tor

que

[N-m

]

- - 2929 - -

Electrical ParametersElectrical Parameters– 직접적으로 상대 회전속도의 변화를 유발하게 되므로직접적으로 상대 회전속도의 변화를 유발하게 되므로 , , 초기에 초기에

각가속도가 발생하는 구간동안 큰 변화 발생각가속도가 발생하는 구간동안 큰 변화 발생

< < Phase Current Profile >Phase Current Profile > < < Torque Profile >Torque Profile >

< < Speed ProfileSpeed Profile > > < < Duty Ratio of PWMDuty Ratio of PWM > >

1.68 1.7 1.72 1.74 1.76 1.78 1.8 1.82 1.84

-0.5

0

0.5

Time [sec.]

Cur

rent

[A

]

Phase Current

Phase APhase BPhase C

1.68 1.7 1.72 1.74 1.76 1.78 1.8 1.82 1.840

2

4

6

x 10-3

Time [sec.]

Tor

que

[N-m

]

Torque

1.68 1.7 1.72 1.74 1.76 1.78 1.8 1.82 1.847199.9

7200

7200.1

7200.2

7200.3

Time [sec.]

Spe

ed [

rpm

]

Rotor Speed

1.68 1.7 1.72 1.74 1.76 1.78 1.8 1.82 1.840.76

0.78

0.8

0.82

0.84

0.86

0.88

Time [sec.]

Dut

y R

atio

Duty Ratio

- - 3030 - -

DiscussionDiscussion– 두 강체 간의 상대 속도 변화두 강체 간의 상대 속도 변화

• Stationary bodyStationary body 의 회전속도가 약 의 회전속도가 약 13 [13 [rpm]rpm] 까지 증가까지 증가

– 유체 베어링 마찰 토크의 영향유체 베어링 마찰 토크의 영향• 거의 영향 없음거의 영향 없음

– Gyroscopic momentGyroscopic moment 의 영향의 영향• 거의 영향 없음거의 영향 없음

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.080

5

10

15

Time [sec]

Spe

ed [

rpm

]

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.087199.9

7200

7200.1

7200.2

7200.3

Time [sec]

Spe

ed [

rpm

]

< < Rotational Speed of Stationary Body >Rotational Speed of Stationary Body > < < Rotational Speed of Rotational Body >Rotational Speed of Rotational Body >

- - 3131 - -

Summary of Analysis ResultSummary of Analysis Result Parallel DropParallel Drop

– 회전체의 회전체의 RRORRO 에 의해 발생하는 베어링의 반력이 에 의해 발생하는 베어링의 반력이 Body SBody S 의 의 운동을 발생시킴운동을 발생시킴

– DiskDisk 의 상대속도 변화 의 상대속도 변화 전기변수 변화 전기변수 변화 ((RRORRO 성분 발생성분 발생 , 120 , 120 Hz)Hz) θθxx-directional Rolling Drop-directional Rolling Drop

– 전기변수에 전기변수에 RRO RRO 성분이 포함되는 경향은 동일성분이 포함되는 경향은 동일– Gyroscopic MomentGyroscopic Moment 에 의한 성분이 동시에 검출에 의한 성분이 동시에 검출

θθzz-directional Rolling Drop-directional Rolling Drop– 전기변수에 전기변수에 RRO RRO 성분이 포함되는 경향은 동일성분이 포함되는 경향은 동일– 외력 작용 순간에 큰 변화가 감지 외력 작용 순간에 큰 변화가 감지

Detection Method of Free-falling HDDDetection Method of Free-falling HDD– HDDHDD 가 자유공간에 놓여진 것은 가 자유공간에 놓여진 것은 Duty ratioDuty ratio 의 의 RRO RRO 성분으로 검출성분으로 검출– Duty ratio, B-emf, Duty ratio, B-emf, 전류 등의 변화패턴을 관찰하여 전류 등의 변화패턴을 관찰하여 HDDHDD 의 의 MotionMotion

을 동시에 검출을 동시에 검출

- - 3232 - -

ExperimentExperiment Experimental SetupExperimental Setup

– 실험 대상 실험 대상 : 3.5 : 3.5 inch HDD (Samsunginch HDD (Samsung))

– 윈벨 드라이버 사용 윈벨 드라이버 사용 : 7,200 : 7,200 rpm rpm 정속 구동정속 구동– 낙하 높이 낙하 높이 : : 30 cm30 cm

– 낙하 시간 낙하 시간 : : 약 약 250 250 msms

– 낙하 시 전류낙하 시 전류 , , 전압을 측정전압을 측정

30 cm30 cm

Motor Driver

Oscilloscope

< < Experimental Setup of Free-falling HDD >Experimental Setup of Free-falling HDD >

- - 3333 - -

Experiment - Experiment - Parallel DropParallel Drop

Electrical ParametersElectrical Parameters– 중성점 전압의 변화 중성점 전압의 변화 (( 속도 및 속도 및 Duty ratio Duty ratio 정보를 포함정보를 포함 ))

• 큰 변화가 발생하지 않음큰 변화가 발생하지 않음– 상 전류의 변화상 전류의 변화

• 해석 결과에서의 회전주파수는 육안으로 검출되지 않음 해석 결과에서의 회전주파수는 육안으로 검출되지 않음

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.50

1

2

3

4

5

6

7

8

9

Time [sec]

Neu

tral

Vol

tage

[V

]

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

Time [sec]

Cur

rent

[A

]

< < Neutral Voltage ProfileNeutral Voltage Profile > > < < Phase Current Profile >Phase Current Profile >

- - 3434 - -

Frequency ResponseFrequency Response– 중성점 전압의 주파수 분석 중성점 전압의 주파수 분석 (10(10 회 평균치회 평균치 ))

– 낙하 시 낙하 시 120 120 Hz Hz 성분이 증가하지만 나머지 성분도 동반하여 증가성분이 증가하지만 나머지 성분도 동반하여 증가– 다른 영역의 주파수 변화에 대한 면밀한 분석이 필요 다른 영역의 주파수 변화에 대한 면밀한 분석이 필요

0 20 40 60 80 100 120 1400

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

0.07

0.08

0.09

0.1

Frequency [Hz]

Am

plitu

de [

V]

before dropafter drop

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5

x 104

0

1

2

3

4

5

6

Frequency [Hz]

Vol

tage

[V

]

before dropafter drop

< < Frequency Spectra of Neutral VoltageFrequency Spectra of Neutral Voltage > > < < Magnified Figure >Magnified Figure >

Rotational Frequency

- - 3535 - -

Experiment - Experiment - θθxx-directional Rolling Drop-directional Rolling Drop

Electrical ParametersElectrical Parameters– 중성점 전압의 변화중성점 전압의 변화

• Gyro-momentGyro-moment 에 의한 영향으로 상대 속도가 변화함에 의한 영향으로 상대 속도가 변화함– 상 전류의 변화상 전류의 변화

• 속도 오차를 보상하기 위해 입력 전류가 변화속도 오차를 보상하기 위해 입력 전류가 변화

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.50

1

2

3

4

5

6

7

8

9

Time [sec]

Neu

tral

Vol

tage

[V

]

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

Time [sec]

Cur

rent

[A

]

< < Neutral Voltage ProfileNeutral Voltage Profile > > < < Phase Current Profile >Phase Current Profile >

- - 3636 - -

Experiment - Experiment - θθzz-directional Rolling Drop-directional Rolling Drop

Electrical ParametersElectrical Parameters– 중성점 전압의 변화중성점 전압의 변화

• 직접적인 상대 속도의 변화 직접적인 상대 속도의 변화 (( 상대 속도 감소상대 속도 감소 ) ) 를 가함에 따라 크게 변화를 가함에 따라 크게 변화– 상 전류의 변화상 전류의 변화

• 속도 오차를 보상하기 위해 입력 전류가 크게 변화속도 오차를 보상하기 위해 입력 전류가 크게 변화

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.50

1

2

3

4

5

6

7

8

9

Time [sec]

Neu

tral

Vol

tage

[V

]

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

Time [sec]

Cur

rent

[A

]

< < Neutral Voltage ProfileNeutral Voltage Profile > > < < Phase Current Profile >Phase Current Profile >

- - 3737 - -

Summary of Experimental ResultSummary of Experimental Result Parallel DropParallel Drop

– 회전 주파수 회전 주파수 (120 (120 Hz) Hz) 성분은 육안으로 파악되지 않음성분은 육안으로 파악되지 않음– 주파수 분석에 의한 검출주파수 분석에 의한 검출

• 120 120 Hz Hz 가 증가하는 경향성만 파악가 증가하는 경향성만 파악– 다른 주파수 성분이 동반하여 변화함다른 주파수 성분이 동반하여 변화함– 새로운 성분으로의 검출 가능성 존재새로운 성분으로의 검출 가능성 존재

– 해석과의 차이점해석과의 차이점• 속도 제어루프에서 미세한 속도 변화를 인지할 수 있는 분해능의 부족 속도 제어루프에서 미세한 속도 변화를 인지할 수 있는 분해능의 부족 • 베어링 반력에 의해 베어링 반력에 의해 stationary bodystationary body 에 작용하는 모멘트가 진동 성분으로 상쇄될 가능성에 작용하는 모멘트가 진동 성분으로 상쇄될 가능성

Rolling DropRolling Drop– 해석과 실험간의 속도제어 조건 차이에 의해 경향성만 파악 해석과 실험간의 속도제어 조건 차이에 의해 경향성만 파악 – 정확한 초기 조건을 만족시키는 실험 장치의 부재로 해석과 비교에는 적절하지 않음정확한 초기 조건을 만족시키는 실험 장치의 부재로 해석과 비교에는 적절하지 않음

- - 3838 - -

Future WorkFuture Work 실험 장치의 재구성실험 장치의 재구성

– 해석과 동일한 구성의 속도제어 루프를 가지는 드라이버의 구성해석과 동일한 구성의 속도제어 루프를 가지는 드라이버의 구성– 드라이버의 속도 측정 분해능을 향상드라이버의 속도 측정 분해능을 향상– 낙하 시의 초기 조건을 정확히 실행할 수 있는 장치를 구성낙하 시의 초기 조건을 정확히 실행할 수 있는 장치를 구성

Mobile HDDMobile HDD 에의 적용에의 적용– Mobile HDDMobile HDD 에 대한 해석 및 실험을 수행에 대한 해석 및 실험을 수행

• 다양한 조건의 낙하에 대한 해석 및 실험을 수행다양한 조건의 낙하에 대한 해석 및 실험을 수행– Stationary bodyStationary body 의 상대 회전 운동을 증가시킬 수 있는 방안을 연구의 상대 회전 운동을 증가시킬 수 있는 방안을 연구

• 두 강체의 두 강체의 mass center mass center 위치 조절위치 조절• 회전체의 회전체의 mass unbalance mass unbalance 조절조절

– 인간의 평상 시 동작에 대한 해석 수행인간의 평상 시 동작에 대한 해석 수행• 낙하 상태와 구분할 수 있는 파라메터의 추출낙하 상태와 구분할 수 있는 파라메터의 추출