【摘要】： 硬盤驅(qū)動器作為當今信息時代不可缺少的存儲設備,在人們?nèi)粘Ｉ钪姓缪葜絹碓街匾慕巧?同時它也成為信息時代科學技術飛速發(fā)展的助推器。然而,隨著信息量的日益增長,人們對硬盤驅(qū)動器存儲容量的要求越來越高。但另一方面由于傳統(tǒng)硬盤驅(qū)動器的低帶寬、低定位精度,導致磁頭很難準確地定位在目標磁道中心位置,從而限制了存儲容量的持續(xù)增加。因此,如何設計合理的伺服系統(tǒng)結構和先進的算法以提高磁頭定位精度日益成為硬盤存儲技術研究的一大挑戰(zhàn),本文的研究工作就是在這樣的背景下展開的。 就伺服系統(tǒng)結構而言,傳統(tǒng)的硬盤驅(qū)動器僅采用音圈電機作為單一的致動器驅(qū)動磁頭實現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀寫。采用這種單級磁頭定位結構,由于音圈電機存在機械諧振和高頻不確定性,從而限制了伺服帶寬的提高,進一步制約了磁道密度的增加。為了滿足磁頭定位速度、精度和頻率響應快的要求,本文開發(fā)出兩級致動器結構,即采用粗—精兩級伺服定位系統(tǒng)以獲得高伺服帶寬和定位精度。在這一結構配置中,音圈電機作為第一級致動器控制讀/寫磁頭進行粗定位,主要運動于低頻段;微致動器作為第二級精定位致動器控制磁頭在數(shù)據(jù)磁道上實現(xiàn)精確的定位,此時該級致動器工作于高頻段。 就先進的算法而言,首先考慮到硬盤驅(qū)動器伺服信號存在著噪聲,噪聲的存在降低了磁頭定位的精度,進而影響磁盤密度的提高,嚴重情況下還會發(fā)生誤讀寫,因此事先需要經(jīng)過濾波處理。由于噪聲源和有用信號的頻譜相互間有重疊,因而采用一般的數(shù)字濾波器達不到濾波的效果。本文在這樣的需求下提出了一種新穎的加權遞推最小二乘法。 為便于展開后續(xù)的硬盤兩級磁頭定位研究工作,先簡要介紹了單級磁頭定位情況,并在此基礎上首次將分數(shù)階PI~λD~μ控制器引入到硬盤伺服控制領域。分數(shù)階PI~λD~μ控制器作為常規(guī)整數(shù)階PID控制器在微積分階次上的推廣,除了通常的比例、積分和微分系數(shù)可調(diào)整外,其積分階次和微分階次也是可調(diào)整的,這使得分數(shù)階PI~λD~μ控制器的設計更靈活,用在硬盤驅(qū)動器磁頭定位上,魯棒性更強,控制效果更佳。 在硬盤兩級磁頭定位研究工作中,為了實現(xiàn)磁頭更快捷、更精確的定位,同時還避免致動器的飽和,從而取得更滿意的控制效果,本文基于現(xiàn)代控制理論,提出了一種嶄新的控制方法——復合非線性反饋控制結合跟蹤微分器。前者的設計思想為開始尋道時系統(tǒng)的阻尼比設置較小,從而保證系統(tǒng)有較快的響應速度。隨著磁頭逐漸靠近目標磁道而動態(tài)地增加系統(tǒng)的阻尼比進而減小超調(diào),這一思想使得系統(tǒng)在獲得較快上升時間的同時還保證較低的超調(diào)。后者采用前饋的方式將其引入到伺服系統(tǒng)中,主要用來減小輸入給致動器的控制電壓,從而避免致動器的飽和。此外,本文還通過構建一個恰當?shù)腖yapunov函數(shù),驗證了在這一控制方案作用下閉環(huán)系統(tǒng)的漸近穩(wěn)定性。 考慮到信號電纜產(chǎn)生的常值干擾及其它不確定干擾會使系統(tǒng)存在穩(wěn)態(tài)誤差,本文提出了一種H_∞幾乎干擾解耦控制器,控制器參數(shù)可以自由調(diào)整,這尤其適用于系統(tǒng)有不確定性干擾的情形。本文根據(jù)硬盤驅(qū)動器模型詳細地設計了H_∞魯棒控制器,并分別在時域和頻域上驗證了該控制器的有效性。 在磁道跟蹤模式下,鑒于硬盤驅(qū)動器不可避免地存在著由主軸馬達產(chǎn)生的重復性擾動信號,擾動信號的存在使磁頭很難定位在期望的磁道上。因此,本文提出一種自適應前饋擾動補償器。這種自適應補償器需要求解三個參變量,即相位超前參數(shù)、自適應增益和前饋項系數(shù)。為了得到最優(yōu)的參數(shù)值,首先將該補償器等效為一個線性時不變的模型,然后利用環(huán)路成形法、奈奎斯特準則和根軌跡分析法定量地獲取了這些最優(yōu)參量值。仿真結果表明該自適應前饋補償器幾乎完全消除了重復性擾動信號,從而保證磁頭在磁道跟蹤模式下良好的跟蹤效果。 隨著硬盤磁道密度越來越大,尺寸越來越小,導致建立準確的對象模型變得越來越困難�；诖�,本文提出一種不依賴于精確被控對象模型的控制方法,即采用激活函數(shù)可調(diào)的神經(jīng)網(wǎng)絡訓練分數(shù)階PIλDμ控制器的比例、積分和微分系數(shù)。這種控制方法不僅具有對被控對象模型的弱依賴性,而且具有控制性能上的高精度、強魯棒性。 最后,對全文的研究工作做了總結,并對今后要進一步開展的研究工作進行了展望。
【學位授予單位】：華中科技大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2008
【分類號】：TP333.35
【圖文】：

圖1.1 IBM 硬盤驅(qū)動器的發(fā)展態(tài)勢驅(qū)動器的現(xiàn)狀紀 80 年代硬盤業(yè)的顛峰時期，大約有 76 家公司存在，與 20 年應商的數(shù)量已經(jīng)從76 家降至目前的8 家，如果不考慮規(guī)模較小的就只剩下 6 家，其中三分之二還是“非獨立”供應商(HitachiSamsung，全屬日韓系)。如今，三大硬盤制造商，Seagate、Weste占據(jù)了整個硬盤市場75% 的銷售量[12]。驅(qū)動器組件介紹動器是將磁頭、盤片密封在一個腔體中，以避免外界灰塵及其它正常工作。打開腔體，可看到硬盤驅(qū)動器的內(nèi)部結構如圖 1.2 所

5圖1.2 硬盤驅(qū)動器的結構圖1.3.1 磁頭讀/寫磁頭在發(fā)展過程中經(jīng)歷了五個過程：鎳鐵導磁合金(Permalloy)磁頭、鐵酸鹽(Ferrite)磁頭、金屬夾層(MIG，Metal In Gap)磁頭、薄膜感應(Thin-film Inductive)磁頭、磁阻(MR，Magneto Resistive)磁頭及巨磁阻(GMR，Giant Magneto Resistive) 磁頭。1979 年，IBM 公司發(fā)明了薄膜磁頭，為進一步減小硬盤體積、增大容量、提高讀寫速度提供了可能。20 世紀 80 年代末期，IBM 公司對硬盤發(fā)展又做出了一項重大貢獻，即發(fā)明了 MR 磁頭

11圖1.4 兩級致動器系統(tǒng)結構原理圖隨著硬盤兩級磁頭定位方案的推出，研究人員也致力于改進系統(tǒng)的控制結構，從而盡可能地提高系統(tǒng)的控制性能。在目前的文獻報道中主要有四種不同的控制結構[34-39]：主－從結構(Master-Slave Structure)、PQ結構(PQ Structure)、解耦結構(DecoupledStructure)和平行結構(Parallel Structure)。主－從結構中，主控制器(其輸入信號為系統(tǒng)的絕對位置誤差)用于控制微致動器，用來補償系統(tǒng)的位置誤差；從控制器(其輸入信號為微致動器的輸出信號)用于控制音圈電機，用來補償系統(tǒng)的相對位置誤差。該結構中音圈電機將跟隨微致動器以避免微致動器的飽和。這種控制結構可以盡可能地減小系統(tǒng)總的位置誤差，使磁頭定位于目標磁道上。不足之處就在于兩個致動器之間存在著機械耦合，而設計控制器時卻忽略了兩個致動器之間的相互作用，因而在一定程度上限制了系統(tǒng)整體性能的提高。PQ 結構中

【參考文獻】

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本文編號：2780669