基于积分共振控制技术的双级驱动HDD磁头定位系统的研究

发布时间：2020-07-10 21:35

【摘要】：在这个信息时代,硬盘驱动器(HDD:Hard Disk Drive)早已成为人们日常生活中不可或缺的存储设备,与此同时,它也在促进现代科学技术的飞速发展。然而,随着电子数据的快速增长,更大的磁盘面密度是必不可少的。但是由于单级驱动硬盘低带宽和低定位精度,导致磁盘的存储容量难以提升,从而限制了磁盘面密度的增加。另一方面,为提高定位精度和磁盘面密度,硬盘驱动器双级磁头定位技术已经出现。超大的面密度也使得磁头定位对瞬态性能的要求变得非常严苛。因此,设计合理的伺服控制系统和优良的控制器,以提高磁头定位精度和磁头定位系统的瞬态性能显得尤为重要。对于传统的单级硬盘驱动器,仅采用音圈电机(VCM:voice coil motor)作为制动器实现磁头定位。但是音圈电机固有的机械谐振和一些其他的因素阻碍了伺服带宽的提高,从而限制了磁盘面密度的提升。为了打破这种局限,双级驱动(DSA:dual-stage actuated)硬盘磁头定位系统应运而生,这种结构中,音圈电机作为第一级致动器控制读/写磁头负责低频区域的粗略定位,作为次级执行机构的微执行器(MA:Micro Actuator)则负责高频区域的精确定位,同时抑制高频谐振。双级驱动硬盘磁头定位系统在一定程度上提升了伺服带宽,但是微执行器具有高频谐振模式这一问题需要解决。对于双级驱动硬盘磁头定位系统来说,我们希望获得大的伺服带宽用来在读/写磁头定位过程中达到超高的定位精度,但是谐振模式阻碍了实现这种必要的超高带宽。针对这个问题,本文提出了新型的双级驱动磁头定位瞬态性能的增强控制方案。该控制方案是基于一种被称作积分谐振控制(IRC:Integral Resonant Control)的反馈控制方法。IRC技术适用于阻尼高频谐振模式,并且具有简单且紧凑的结构。首先,介绍了积分谐振控制技术的结构,通过实际的示例演示了该技术的作用原理,介绍了该技术的作用范围设计步骤以及推导过程。针对系统具有特别高的高频谐振而难以有效的消除的问题,我们提出了一种改进的积分谐振控制控制技术,该方法能够有效的消除超高的高频谐振,在不牺牲计算量和结构的复杂性的同时,提升了系统的瞬态性能。然后,将IRC控制技术应用于双级驱动硬盘磁头定位系统中。针对硬盘磁头的双级驱动模型,设计出了合理的控制系统。具体来说,对于音圈电机制动器,采用一个陷波滤波器和一个超前补偿器,以消除谐振模态,第一级制动器主要作用于低频段;对于实现精定位的压电微致动器(MA:Micro-actuator),采用改进的积分谐振控制补偿器,该控制器能够充分衰减MA的高频谐振以获得必要的高带宽,第二级制动器主要作用于高频段。将该控制方案作用的双级驱动模型分别与CNF方法控制的单级驱动模型,和线性反馈控制(LFC:Linear Feedback Control)的双级驱动模型进行仿真并对比,仿真实验结果表明,提出的控制方案的寻道时间更短,且几乎没有超调。进一步,将IRC控制技术与复合非线性反馈(CNF:Composite Nonlinear Feedback)控制技术结合起来,应用于双级驱动磁头定位系统当中。具体而言,对于音圈电机制动器,采用复合非线性反馈控制(CNF)技术,以确保快速响应和小超调,第一级制动器主要作用于低频段;对于用来实现精定位的压电微致动器,采用本文提出的改进的IRC控制补偿器,来确保高频谐振被充分的衰减。该控制器能够充分衰减MA的高频谐振以获得必要的高带宽,第二级制动器主要作用于高频段。然后,我们证明了所提出的控制方案的有效性,并与传统的单级驱动(SSA:Single Stage Actuated)CNF方法和双级LFC控制方法进行了比较,仿真结果表明提出的新型控制方案实现了硬盘驱动磁头定位系统瞬态性能的提升。最后,分别向控制系统中加入阶跃扰动和周期性扰动,验证了所提出的控制系统具备良好的鲁棒性能。
【学位授予单位】：山东建筑大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TP333
【图文】：

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图 1.1 硬盘存储密度发展趋势[5]1.2.2 硬盘驱动器磁头定位技术最早的硬盘驱动磁头定位系统是采用单级驱动（SSA: Single Stage Actuated）磁位技术的。单级驱动磁头定位技术的伺服带宽为几百 HZ 到 1KHZ 左右，定位的原磁头首先快速度移动并到达目标磁道，这是寻道（TrackSeeking）过程，该过程是为证数据读写的快速性；随后，在磁头达到目标磁道中心位置之前，根据反馈环节获位置信号，得到位置偏差（PES:Positionerrorsignal），并将它送入控制回路作闭环修实现磁头定位的微调节从而实现精确定位控制，这个过程是定道过程（TrackFollow该过程主要用来实现数据读写的可靠性[12]。下面将对不同的硬盘驱动磁头定位技术简要概括。1.2.2.1 单级定位对单级磁头定位控制系统的研究，最初是基于 Bangbang 控制的，即：时间最优

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法可以有效抑制主轴产生的低频干扰，如主轴跳线及其谐波。1.2.2.3 三级定位近几年，为进一步提高磁盘存储面密度，有学者在DSA磁头定位伺服系统的基础上，提出了 3 级驱动（TSA: Triple Stage Actuation）伺服系统，但是多数 TSA 系统仍然处于实验当中，因此本文不做探究。1.3 硬盘驱动器中的组件HDD 中的组件可以大致分为 4 类，分别为磁性组件，机械组件和电子组件。磁性组件，即磁介质和磁头，是存储和检索二进制信息的主要组件。在 HDD 中，比特信息位被存储在涂有磁介质的按同心圆划分的数据磁道上，用来被读/写头检索。然而，要实现这种非挥发性存储和二进制位检索会涉及许多其他的组件，例如，用于旋转磁盘的电机，驱使读/写头访问目标磁道的致动器等机械组件和电子组件[3]。图 1.3 为典型 HDD 的内部结构图。

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山东建筑大学硕士学位论文4.2.2 次级制动的分类目前，根据次级执行器的位置，双级执行机构的配置可分为三大类：致动悬架，滑块和致动磁头（参见图 4.1）。在所有这些配置中，致动力由压电，静电或电磁微器产生[67-68]。例如，在致动悬架方法中，微致动器被固定在基座和悬架之间，并驱个悬架和滑块进行磁头定位[68-69]。致动悬架的优点是可以使用标准的制造工艺将压级致动器附接到悬架的基座；然而，其缺点是伺服带宽的增加会受到悬架的谐振模限制。通过将微致动器向读/写头的方向移动从而减少需要移动的质量，使微制动器滑块和悬架之间，从而形成制动悬架的方法，这样带宽也能够提高[70-71]。当微致动动到最接近磁头的位置，位于滑块和磁头之间时，就形成了制动磁头的方法，这种最为关键的挑战之一是微致动器在制造过程必须与滑块和磁头保持兼容[72]。

【参考文献】