硬盘驱动器两级磁头定位研究

发布时间：2020-08-04 14:21

【摘要】： 硬盘驱动器作为当今信息时代不可缺少的存储设备,在人们日常生活中正扮演着越来越重要的角色,同时它也成为信息时代科学技术飞速发展的助推器。然而,随着信息量的日益增长,人们对硬盘驱动器存储容量的要求越来越高。但另一方面由于传统硬盘驱动器的低带宽、低定位精度,导致磁头很难准确地定位在目标磁道中心位置,从而限制了存储容量的持续增加。因此,如何设计合理的伺服系统结构和先进的算法以提高磁头定位精度日益成为硬盘存储技术研究的一大挑战,本文的研究工作就是在这样的背景下展开的。就伺服系统结构而言,传统的硬盘驱动器仅采用音圈电机作为单一的致动器驱动磁头实现数据的读写。采用这种单级磁头定位结构,由于音圈电机存在机械谐振和高频不确定性,从而限制了伺服带宽的提高,进一步制约了磁道密度的增加。为了满足磁头定位速度、精度和频率响应快的要求,本文开发出两级致动器结构,即采用粗—精两级伺服定位系统以获得高伺服带宽和定位精度。在这一结构配置中,音圈电机作为第一级致动器控制读/写磁头进行粗定位,主要运动于低频段;微致动器作为第二级精定位致动器控制磁头在数据磁道上实现精确的定位,此时该级致动器工作于高频段。就先进的算法而言,首先考虑到硬盘驱动器伺服信号存在着噪声,噪声的存在降低了磁头定位的精度,进而影响磁盘密度的提高,严重情况下还会发生误读写,因此事先需要经过滤波处理。由于噪声源和有用信号的频谱相互间有重叠,因而采用一般的数字滤波器达不到滤波的效果。本文在这样的需求下提出了一种新颖的加权递推最小二乘法。为便于展开后续的硬盘两级磁头定位研究工作,先简要介绍了单级磁头定位情况,并在此基础上首次将分数阶PI~λD~μ控制器引入到硬盘伺服控制领域。分数阶PI~λD~μ控制器作为常规整数阶PID控制器在微积分阶次上的推广,除了通常的比例、积分和微分系数可调整外,其积分阶次和微分阶次也是可调整的,这使得分数阶PI~λD~μ控制器的设计更灵活,用在硬盘驱动器磁头定位上,鲁棒性更强,控制效果更佳。在硬盘两级磁头定位研究工作中,为了实现磁头更快捷、更精确的定位,同时还避免致动器的饱和,从而取得更满意的控制效果,本文基于现代控制理论,提出了一种崭新的控制方法——复合非线性反馈控制结合跟踪微分器。前者的设计思想为开始寻道时系统的阻尼比设置较小,从而保证系统有较快的响应速度。随着磁头逐渐靠近目标磁道而动态地增加系统的阻尼比进而减小超调,这一思想使得系统在获得较快上升时间的同时还保证较低的超调。后者采用前馈的方式将其引入到伺服系统中,主要用来减小输入给致动器的控制电压,从而避免致动器的饱和。此外,本文还通过构建一个恰当的Lyapunov函数,验证了在这一控制方案作用下闭环系统的渐近稳定性。考虑到信号电缆产生的常值干扰及其它不确定干扰会使系统存在稳态误差,本文提出了一种H_∞几乎干扰解耦控制器,控制器参数可以自由调整,这尤其适用于系统有不确定性干扰的情形。本文根据硬盘驱动器模型详细地设计了H_∞鲁棒控制器,并分别在时域和频域上验证了该控制器的有效性。在磁道跟踪模式下,鉴于硬盘驱动器不可避免地存在着由主轴马达产生的重复性扰动信号,扰动信号的存在使磁头很难定位在期望的磁道上。因此,本文提出一种自适应前馈扰动补偿器。这种自适应补偿器需要求解三个参变量,即相位超前参数、自适应增益和前馈项系数。为了得到最优的参数值,首先将该补偿器等效为一个线性时不变的模型,然后利用环路成形法、奈奎斯特准则和根轨迹分析法定量地获取了这些最优参量值。仿真结果表明该自适应前馈补偿器几乎完全消除了重复性扰动信号,从而保证磁头在磁道跟踪模式下良好的跟踪效果。随着硬盘磁道密度越来越大,尺寸越来越小,导致建立准确的对象模型变得越来越困难。基于此,本文提出一种不依赖于精确被控对象模型的控制方法,即采用激活函数可调的神经网络训练分数阶PIλDμ控制器的比例、积分和微分系数。这种控制方法不仅具有对被控对象模型的弱依赖性,而且具有控制性能上的高精度、强鲁棒性。最后,对全文的研究工作做了总结,并对今后要进一步开展的研究工作进行了展望。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2008
【分类号】：TP333.35
【图文】：

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图1.1 IBM 硬盘驱动器的发展态势驱动器的现状纪 80 年代硬盘业的颠峰时期，大约有 76 家公司存在，与 20 年应商的数量已经从76 家降至目前的8 家，如果不考虑规模较小的就只剩下 6 家，其中三分之二还是“非独立”供应商(HitachiSamsung，全属日韩系)。如今，三大硬盘制造商，Seagate、Weste占据了整个硬盘市场75% 的销售量[12]。驱动器组件介绍动器是将磁头、盘片密封在一个腔体中，以避免外界灰尘及其它正常工作。打开腔体，可看到硬盘驱动器的内部结构如图 1.2 所

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5图1.2 硬盘驱动器的结构图1.3.1 磁头读/写磁头在发展过程中经历了五个过程：镍铁导磁合金(Permalloy)磁头、铁酸盐(Ferrite)磁头、金属夹层(MIG，Metal In Gap)磁头、薄膜感应(Thin-film Inductive)磁头、磁阻(MR，Magneto Resistive)磁头及巨磁阻(GMR，Giant Magneto Resistive) 磁头。1979 年，IBM 公司发明了薄膜磁头，为进一步减小硬盘体积、增大容量、提高读写速度提供了可能。20 世纪 80 年代末期，IBM 公司对硬盘发展又做出了一项重大贡献，即发明了 MR 磁头

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11图1.4 两级致动器系统结构原理图随着硬盘两级磁头定位方案的推出，研究人员也致力于改进系统的控制结构，从而尽可能地提高系统的控制性能。在目前的文献报道中主要有四种不同的控制结构[34-39]：主－从结构(Master-Slave Structure)、PQ结构(PQ Structure)、解耦结构(DecoupledStructure)和平行结构(Parallel Structure)。主－从结构中，主控制器(其输入信号为系统的绝对位置误差)用于控制微致动器，用来补偿系统的位置误差；从控制器(其输入信号为微致动器的输出信号)用于控制音圈电机，用来补偿系统的相对位置误差。该结构中音圈电机将跟随微致动器以避免微致动器的饱和。这种控制结构可以尽可能地减小系统总的位置误差，使磁头定位于目标磁道上。不足之处就在于两个致动器之间存在着机械耦合，而设计控制器时却忽略了两个致动器之间的相互作用，因而在一定程度上限制了系统整体性能的提高。PQ 结构中

【参考文献】