【摘要】：在這個(gè)信息時(shí)代,硬盤驅(qū)動(dòng)器(HDD:Hard Disk Drive)早已成為人們?nèi)粘Ｉ钪胁豢苫蛉钡拇鎯?chǔ)設(shè)備,與此同時(shí),它也在促進(jìn)現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展。然而,隨著電子數(shù)據(jù)的快速增長,更大的磁盤面密度是必不可少的。但是由于單級(jí)驅(qū)動(dòng)硬盤低帶寬和低定位精度,導(dǎo)致磁盤的存儲(chǔ)容量難以提升,從而限制了磁盤面密度的增加。另一方面,為提高定位精度和磁盤面密度,硬盤驅(qū)動(dòng)器雙級(jí)磁頭定位技術(shù)已經(jīng)出現(xiàn)。超大的面密度也使得磁頭定位對(duì)瞬態(tài)性能的要求變得非常嚴(yán)苛。因此,設(shè)計(jì)合理的伺服控制系統(tǒng)和優(yōu)良的控制器,以提高磁頭定位精度和磁頭定位系統(tǒng)的瞬態(tài)性能顯得尤為重要。對(duì)于傳統(tǒng)的單級(jí)硬盤驅(qū)動(dòng)器,僅采用音圈電機(jī)(VCM:voice coil motor)作為制動(dòng)器實(shí)現(xiàn)磁頭定位。但是音圈電機(jī)固有的機(jī)械諧振和一些其他的因素阻礙了伺服帶寬的提高,從而限制了磁盤面密度的提升。為了打破這種局限,雙級(jí)驅(qū)動(dòng)(DSA:dual-stage actuated)硬盤磁頭定位系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生,這種結(jié)構(gòu)中,音圈電機(jī)作為第一級(jí)致動(dòng)器控制讀/寫磁頭負(fù)責(zé)低頻區(qū)域的粗略定位,作為次級(jí)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的微執(zhí)行器(MA:Micro Actuator)則負(fù)責(zé)高頻區(qū)域的精確定位,同時(shí)抑制高頻諧振。雙級(jí)驅(qū)動(dòng)硬盤磁頭定位系統(tǒng)在一定程度上提升了伺服帶寬,但是微執(zhí)行器具有高頻諧振模式這一問題需要解決。對(duì)于雙級(jí)驅(qū)動(dòng)硬盤磁頭定位系統(tǒng)來說,我們希望獲得大的伺服帶寬用來在讀/寫磁頭定位過程中達(dá)到超高的定位精度,但是諧振模式阻礙了實(shí)現(xiàn)這種必要的超高帶寬。針對(duì)這個(gè)問題,本文提出了新型的雙級(jí)驅(qū)動(dòng)磁頭定位瞬態(tài)性能的增強(qiáng)控制方案。該控制方案是基于一種被稱作積分諧振控制(IRC:Integral Resonant Control)的反饋控制方法。IRC技術(shù)適用于阻尼高頻諧振模式,并且具有簡單且緊湊的結(jié)構(gòu)。首先,介紹了積分諧振控制技術(shù)的結(jié)構(gòu),通過實(shí)際的示例演示了該技術(shù)的作用原理,介紹了該技術(shù)的作用范圍設(shè)計(jì)步驟以及推導(dǎo)過程。針對(duì)系統(tǒng)具有特別高的高頻諧振而難以有效的消除的問題,我們提出了一種改進(jìn)的積分諧振控制控制技術(shù),該方法能夠有效的消除超高的高頻諧振,在不犧牲計(jì)算量和結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性的同時(shí),提升了系統(tǒng)的瞬態(tài)性能。然后,將IRC控制技術(shù)應(yīng)用于雙級(jí)驅(qū)動(dòng)硬盤磁頭定位系統(tǒng)中。針對(duì)硬盤磁頭的雙級(jí)驅(qū)動(dòng)模型,設(shè)計(jì)出了合理的控制系統(tǒng)。具體來說,對(duì)于音圈電機(jī)制動(dòng)器,采用一個(gè)陷波濾波器和一個(gè)超前補(bǔ)償器,以消除諧振模態(tài),第一級(jí)制動(dòng)器主要作用于低頻段;對(duì)于實(shí)現(xiàn)精定位的壓電微致動(dòng)器(MA:Micro-actuator),采用改進(jìn)的積分諧振控制補(bǔ)償器,該控制器能夠充分衰減MA的高頻諧振以獲得必要的高帶寬,第二級(jí)制動(dòng)器主要作用于高頻段。將該控制方案作用的雙級(jí)驅(qū)動(dòng)模型分別與CNF方法控制的單級(jí)驅(qū)動(dòng)模型,和線性反饋控制(LFC:Linear Feedback Control)的雙級(jí)驅(qū)動(dòng)模型進(jìn)行仿真并對(duì)比,仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,提出的控制方案的尋道時(shí)間更短,且?guī)缀鯖]有超調(diào)。進(jìn)一步,將IRC控制技術(shù)與復(fù)合非線性反饋(CNF:Composite Nonlinear Feedback)控制技術(shù)結(jié)合起來,應(yīng)用于雙級(jí)驅(qū)動(dòng)磁頭定位系統(tǒng)當(dāng)中。具體而言,對(duì)于音圈電機(jī)制動(dòng)器,采用復(fù)合非線性反饋控制(CNF)技術(shù),以確保快速響應(yīng)和小超調(diào),第一級(jí)制動(dòng)器主要作用于低頻段;對(duì)于用來實(shí)現(xiàn)精定位的壓電微致動(dòng)器,采用本文提出的改進(jìn)的IRC控制補(bǔ)償器,來確保高頻諧振被充分的衰減。該控制器能夠充分衰減MA的高頻諧振以獲得必要的高帶寬,第二級(jí)制動(dòng)器主要作用于高頻段。然后,我們證明了所提出的控制方案的有效性,并與傳統(tǒng)的單級(jí)驅(qū)動(dòng)(SSA:Single Stage Actuated)CNF方法和雙級(jí)LFC控制方法進(jìn)行了比較,仿真結(jié)果表明提出的新型控制方案實(shí)現(xiàn)了硬盤驅(qū)動(dòng)磁頭定位系統(tǒng)瞬態(tài)性能的提升。最后,分別向控制系統(tǒng)中加入階躍擾動(dòng)和周期性擾動(dòng),驗(yàn)證了所提出的控制系統(tǒng)具備良好的魯棒性能。
【學(xué)位授予單位】：山東建筑大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TP333
【圖文】：

圖 1.1 硬盤存儲(chǔ)密度發(fā)展趨勢(shì)[5]1.2.2 硬盤驅(qū)動(dòng)器磁頭定位技術(shù)最早的硬盤驅(qū)動(dòng)磁頭定位系統(tǒng)是采用單級(jí)驅(qū)動(dòng)（SSA: Single Stage Actuated）磁位技術(shù)的。單級(jí)驅(qū)動(dòng)磁頭定位技術(shù)的伺服帶寬為幾百 HZ 到 1KHZ 左右，定位的原磁頭首先快速度移動(dòng)并到達(dá)目標(biāo)磁道，這是尋道（TrackSeeking）過程，該過程是為證數(shù)據(jù)讀寫的快速性；隨后，在磁頭達(dá)到目標(biāo)磁道中心位置之前，根據(jù)反饋環(huán)節(jié)獲位置信號(hào)，得到位置偏差（PES:Positionerrorsignal），并將它送入控制回路作閉環(huán)修實(shí)現(xiàn)磁頭定位的微調(diào)節(jié)從而實(shí)現(xiàn)精確定位控制，這個(gè)過程是定道過程（TrackFollow該過程主要用來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)讀寫的可靠性[12]。下面將對(duì)不同的硬盤驅(qū)動(dòng)磁頭定位技術(shù)簡要概括。1.2.2.1 單級(jí)定位對(duì)單級(jí)磁頭定位控制系統(tǒng)的研究，最初是基于 Bangbang 控制的，即：時(shí)間最優(yōu)

法可以有效抑制主軸產(chǎn)生的低頻干擾，如主軸跳線及其諧波。1.2.2.3 三級(jí)定位近幾年，為進(jìn)一步提高磁盤存儲(chǔ)面密度，有學(xué)者在DSA磁頭定位伺服系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，提出了 3 級(jí)驅(qū)動(dòng)（TSA: Triple Stage Actuation）伺服系統(tǒng)，但是多數(shù) TSA 系統(tǒng)仍然處于實(shí)驗(yàn)當(dāng)中，因此本文不做探究。1.3 硬盤驅(qū)動(dòng)器中的組件HDD 中的組件可以大致分為 4 類，分別為磁性組件，機(jī)械組件和電子組件。 磁性組件，即磁介質(zhì)和磁頭，是存儲(chǔ)和檢索二進(jìn)制信息的主要組件。在 HDD 中，比特信息位被存儲(chǔ)在涂有磁介質(zhì)的按同心圓劃分的數(shù)據(jù)磁道上，用來被讀/寫頭檢索。 然而，要實(shí)現(xiàn)這種非揮發(fā)性存儲(chǔ)和二進(jìn)制位檢索會(huì)涉及許多其他的組件，例如，用于旋轉(zhuǎn)磁盤的電機(jī)，驅(qū)使讀/寫頭訪問目標(biāo)磁道的致動(dòng)器等機(jī)械組件和電子組件[3]。圖 1.3 為典型 HDD 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。

山東建筑大學(xué)碩士學(xué)位論文4.2.2 次級(jí)制動(dòng)的分類目前，根據(jù)次級(jí)執(zhí)行器的位置，雙級(jí)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的配置可分為三大類：致動(dòng)懸架，滑塊和致動(dòng)磁頭（參見圖 4.1）。在所有這些配置中，致動(dòng)力由壓電，靜電或電磁微器產(chǎn)生[67-68]。例如，在致動(dòng)懸架方法中，微致動(dòng)器被固定在基座和懸架之間，并驅(qū)個(gè)懸架和滑塊進(jìn)行磁頭定位[68-69]。致動(dòng)懸架的優(yōu)點(diǎn)是可以使用標(biāo)準(zhǔn)的制造工藝將壓級(jí)致動(dòng)器附接到懸架的基座；然而，其缺點(diǎn)是伺服帶寬的增加會(huì)受到懸架的諧振模限制。通過將微致動(dòng)器向讀/寫頭的方向移動(dòng)從而減少需要移動(dòng)的質(zhì)量，使微制動(dòng)器滑塊和懸架之間，從而形成制動(dòng)懸架的方法，這樣帶寬也能夠提高[70-71]。當(dāng)微致動(dòng)動(dòng)到最接近磁頭的位置，位于滑塊和磁頭之間時(shí)，就形成了制動(dòng)磁頭的方法，這種最為關(guān)鍵的挑戰(zhàn)之一是微致動(dòng)器在制造過程必須與滑塊和磁頭保持兼容[72]。

【參考文獻(xiàn)】

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1 王建敏;吳云潔;劉佑民;張武龍;;基于數(shù)字濾波器的伺服系統(tǒng)諧振抑制方法[J];北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào);2015年03期

2 李宗亞;羅欣;沈安文;;基于陷波器參數(shù)自調(diào)整的伺服系統(tǒng)諧振抑制[J];計(jì)算技術(shù)與自動(dòng)化;2013年04期

3 段麗瑋;;基于PZT的硬盤磁頭懸臂結(jié)構(gòu)振動(dòng)主動(dòng)控制[J];壓電與聲光;2009年03期

4 程國揚(yáng);金文光;;硬盤兩級(jí)伺服磁頭定位系統(tǒng)的魯棒控制[J];電機(jī)與控制學(xué)報(bào);2006年02期

5 李振杰,韓豐田,姬中華;陷波器對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性影響的分析[J];河南科學(xué);2005年04期

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1 張洪波;硬盤驅(qū)動(dòng)器兩級(jí)磁頭定位研究[D];華中科技大學(xué);2008年

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1 李杰;伺服系統(tǒng)慣量識(shí)別及諧振抑制方法研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2008年

2 蘇子漪;基于滑模變結(jié)構(gòu)控制的硬盤磁頭伺服控制技術(shù)研究[D];浙江大學(xué);2007年

3 劉愛龍;微硬盤磁頭彈性臂的研究[D];電子科技大學(xué);2006年

本文編號(hào)：2749476