CN100367350C - 具有盘颤动电容感应和前馈控制的盘驱动器 - Google Patents

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Abstract

一种数据记录盘驱动器，具有：多个电容传感器，每个传感器面对相关联盘的表面；电容感应电路，用于转换感应电容为只代表传感器与盘面之间距离的电压；以及前馈控制器，接收该电压信号。前馈控制器具有传递函数，其增益和相位特征被设计为匹配于从面外盘颤动到读/写头位置的传递函数，同时反映传感器动态和致动器动态的影响。来自前馈控制器的输出与来自盘驱动器伺服反馈控制器的输出组合，使得盘颤动对磁头的轨道失配的影响从致动器的控制信号中去除。

Description

具有盘颤动电容感应和前馈控制的盘驱动器
技术领域
本发明一般性地涉及数据记录盘驱动器，诸如磁记录硬盘驱动器，并且更加特别地涉及这样一种盘驱动器，其能够经历在盘转动期间由气流引起的平面外(out-of-plane)盘颤动。
背景技术
数据记录盘驱动器具有通过主轴电机转动的记录盘叠层，以及跨越旋转盘表面移动读/写头的致动器。每个读/写头被形成在附着于柔性悬挂一端的气浮滑块上。悬挂的另一端连接于致动器的相对刚性臂，并允许滑块在由旋转盘产生的气垫上倾斜和摆动。盘驱动器致动器通常为旋转音圈马达(VCM)，其一般沿径向地移动致动器臂和附着的悬挂以及滑块，从而在从盘接收预先记录的伺服位置信息的伺服控制系统的控制下，定位磁头于期望的轨道。未来盘驱动器的趋势是盘上同心数据轨道的间隔持续减小，从而增大数据存储密度，以及盘叠层旋转速度的持续增加，从而降低数据传输时间。随着存储密度和旋转速度的增大，能够将读/写头定位于适当数据轨道并保持磁头在该数据轨道上变得更加困难。随着盘叠层转动速度增加，盘周围附近的气流扰动增加，其导致了盘的面外振动(buffeting)或颤动(有时误称作盘“跳动(flutter)”)。这些颤动导致读/写头的轨道失配(track-misregistration，TMR)，并由此导致由数据轨道读取数据或向其写入数据时发生错误。
为解决由气流引入的盘颤动导致的TMR问题，已经提出了较厚的盘，因为盘颤动幅度随着盘厚度增加而减小。然而，由于盘驱动器总高度的限制，最大盘厚度有限。还提出了一种设置在盘叠层周围的覆盖层，以降低气流扰动对盘的影响，但已经显示出该覆盖层仅能降低盘颤动幅度的25％或更小。盘颤动阻尼板也已经被提出，如已经公开的U.S.专利申请US2003/0072103A1中所介绍。阻尼板具有平行于盘平面并在盘周边附近延伸于盘之间的平面，从而产生薄层气流并由此降低气流扰动。然而，阻尼板也导致了对于盘的高粘滞剪切力，这需要更高的主轴电机力矩，由此需要更高的功耗来保持期望的高转速。
所需要的是一种盘驱动器，能够充分降低盘颤动引入的读/写头TMR。
发明内容
本发明为一种数据记录盘驱动器，其解决了盘颤动导致的TMR问题。该盘驱动器具有：多个电容传感器，每个传感器面对相关联盘的表面；电容感应电路，用于将感应电容转换为只代表传感器与盘面之间距离的电压；以及前馈控制器，接收该电压信号。前馈控制器具有传递函数，其增益和相位特征被设计为匹配于从面外盘颤动到读/写头位置的传递函数，同时反映传感器动态和致动器动态的影响。来自前馈控制器的输出与来自盘驱动器伺服反馈控制器的输出组合，使得盘颤动对磁头TMR的影响从致动器的控制信号中去除。
盘的颤动通常包括由盘相对于旋转轴的倾斜导致的颤动和盘的“翘曲”，由于这些影响导致的轴向位移与盘转动是同步的，因此这两者都是“可重复的”。这种“可重复的偏转(runout)”(RRO)分量被从代表传感器与盘面之间距离的信号中减去。在去除RRO分量后，前馈控制器的输入代表基本仅由于不可重复偏转(NRRO)盘扰动力导致的、电容传感器与盘面之间的距离。
前馈控制器从模型化的盘模式形状和已知的共振频率来设计，因为盘在其共振频率处的面外颤动对TMR起主要作用。盘的有限元模型(FEM)用于为每个关注的共振颤动模式产生模式形状，且盘模式形状随后拟合于多项式，以将盘的面外位移表示为径向位置的函数。由此函数和测得的传感器值，计算前馈控制器的增益和相位特征。因为期望的前馈控制器的增益和相位可以在盘的半径上稍微改变，前馈控制器可以根据盘上的径向磁头位置改变增益和/或相位。
为更充分地理解本发明的性质和优点，参考以下结合附图进行的详细描述。
附图说明
图1为采用本发明的传统磁记录盘驱动器的方框图，为便于说明，本发明以框200表示；
图2为通常用于具有扇区伺服的盘驱动器的类型的传统伺服图案的示意图，并为清晰起见示出了一个伺服扇区中几个轨道的极大简化的图案；
图3示出了在其共振频率处包括由盘的颤动导致的TMR的读/写头的轨道失配的典型频谱；
图4为采用了本发明的前馈控制器回路的传统盘驱动器的伺服反馈控制器回路的控制系统图；
图5为安装于盘驱动器机壳并支撑多个盘的主轴电机和与该些盘相关联的电容传感器的侧视图；
图6为传统电容感应电路的示意图；
图7A至7D为用于由盘的有限元模型产生的典型盘的第一四共振颤动模式形状的展示；
图8为示出与倾斜角T(r)和由滑块轴点至盘厚度中心的距离h的乘积相关的滑块出轨(off-track)位置的示意图；
图9为示出确定盘运动对TMR的影响和适合的前馈控制器设计的一种可能方式的流程图；
图10示出了基于盘共振频率处的实际测量数据的、用于期望前馈控制器的增益和相位特征；以及
图11示出了具有和没有本发明的前馈控制的情况下的关注频率范围中的PES功率谱。
具体实施方式
图1为采用本发明的传统磁记录盘驱动器的方框图，为便于说明，本发明以框200表示。传统盘驱动器包括支撑主轴电机102和音圈马达(VCM)致动器104的机壳100。至少一个磁记录盘103安装在主轴电机102上并可以通过其旋转。读/写头109在盘103的磁记录层中读取和/或写入数据。
记录头109可以是电感型读/写头或电感型写入头与磁阻型读取头的组合，并且设置在滑块108的尾端上。滑块108通过能够使滑块在由旋转盘103产生的气垫上“倾斜(pitch)”和“摆动(roll)”的悬挂107支撑在致动器臂106上。通常，有多个盘堆叠在由主轴电机102旋转的盘心上，独立的滑块和记录头与每个盘的每个表面相关联。
数据记录盘103具有关于轴111的旋转中心并且沿方向130旋转。盘103包括径向隔开的同心数据轨道。磁头必须基本保持在数据轨道的中线上，从而正确地读取和写入数据。然而，在盘驱动器的工作期间，磁头经历了来自各种干扰力的轨道失配(TMR)。由此，每个数据轨道有多个沿圆周或成角度隔开的伺服扇区，其包括可以由磁头探测并用于伺服反馈控制系统保持磁头在期望数据轨道的中线上的磁头定位信息。每个轨道中的伺服扇区沿圆周与其它轨道中的伺服扇区对准，使得它们一般沿径向方向跨过轨道而延伸，如两个典型的伺服扇区120所表现。待由磁头109写入的数据从数据控制器114传递至读/写(R/W)电子器件113，而由磁头读取的数据从R/W电子器件113传递至数据控制器114。数据控制器114还为伺服电子器件112提供了用于识别磁头序号以及数据被写入或读取的轨道序号和数据扇区序号的信息。
图2为通常用于扇区伺服系统的类型的传统伺服图案的示意图，并为清晰起见示出了一个伺服扇区120中几个轨道的极简化的图案。伺服图案沿着箭头130所示方向相对于磁头109移动。介质的两种可能的磁状态以黑白区域表示。伺服图案包括四个不同的区段：自动增益控制(AGC)区段、伺服定时标记(STM)区段、轨道ID(TID)区段和以脉冲A至D的熟知四脉冲图案表示的位置误差信号(PES)区段。AGC区段便于后面区段的定时和增益参数的校准，伺服定时标记STM区段对于读取TID区段和PES区段的后续伺服信息起定时基准的作用，而TID区段包括数据轨道序号。
位置误差信号(PES)区段包括PES脉冲A-D，其用于确定磁头径向位置的小数部分。每个PES脉冲包括一系列规则隔开的磁转变(transition)。PES脉冲径向排列，使得转变的脉冲为一个轨道宽并且由中线至中线隔开两个轨道，如中线140、141、142、143所示。A和B脉冲为主脉冲，因为当磁头在轨道中心时，来自A和B的读回信号幅度相等。当磁头处于半轨道位置时，来自C和D的幅度相等。PES脉冲由其相邻脉冲偏移，使得当磁头中心位于偶数序号轨道(例如，中线为142的轨道)上时，来自脉冲A和B的读回信号相等。随着磁头移动离开轨道，来自不同脉冲的读回信号增加或减小，且可以被解码从而检测磁头的偏离轨道位置。虽然介绍了传统的四脉冲图案，本发明完全可以应用于使用其他伺服图案的盘驱动器。
图2的图案中的伺服信息由R/W电子器件113(图1)读取，且信号输入至伺服电子器件112。伺服电子器件112解码读回伺服信号并向伺服控制处理器115提供数字PES 189。伺服控制处理器115提供磁头位置控制信号190至数模转换器(DAC)117，其发送模拟致动器控制信号191至VCM驱动器119，从而移动VCM致动器，使得磁头109保持在轨道中线上。
伺服控制处理器115包括微处理器150，其使用PES 189作为控制算法的输入，以产生磁头位置控制信号190。控制算法是反馈控制器116，它是基于受控制的“设备”，即VCM 104的静态和动态特征的一组参数。控制算法主要是矩阵相乘算法，且该些参数是用于乘法并存储在存储器152中可以由微处理器150访问的系数。
面外或轴向盘颤动(有时误称为“跳动”)是读/写头的轨道失配(TMR)的主要来源。图3示出了TMR振幅的典型频谱。700与1500Hz之间的大尖峰信号是由于轴向盘颤动导致的轨道误差。对于95mm直径盘的典型盘驱动器，盘跳动导致了总TMR的大约30％。传统的伺服反馈控制器无法总是校正由盘跳动导致的磁头位置误差，因为频率范围过高。
本发明解决了盘跳动引起的TMR的问题。图4为具有本发明的前馈控制器回路200的传统盘驱动器的反馈控制器回路199的控制系统图。GZXY为从盘跳动的外部扰动d(k)到磁头位置的传递函数。前馈控制器200具有被设计与此传递函数相匹配的传递函数GFF，同时说明了VCM驱动器和VCM的动态(GVCM)以及传感器动态(GS)的效果。来自前馈控制器200的输出与来自反馈控制器199的输出组合。
本发明在图1中一般性的表示为框200。本发明包括面对盘103表面的电容传感器210、电容感应电路220、模数转换器(ADC)230、用于消除与盘转动同步的盘颤动分量、以及所谓的可重复偏转(runout)的装置240、以及前馈控制器250。
如图1所示，示例的电容传感器210具有一般为梯形的形状，且设置在滑块108附近，但在滑块108的大致径向路径外延范围以外。电容传感器210可以是可以从市场上购买的电容探针，诸如可以从ADE Technologies(公司)获得的Model Series 5000。然而，为降低成本，电容传感器210可以是金属板，其表面区域被设计为使得其足够大来提供电容信号，但又足够小使得其基本仅检测盘的“局部”轴向位移，即滑块108附近的位移。
图5为安装于盘驱动器机壳100并支撑包括盘103(图5中示出了三个盘)在内多个盘的主轴电机102的侧视图。电容传感器与每个盘相关联，诸如面对盘103顶面的传感器210。传感器210与盘103顶面之间的间隔在约0.1mm至0.4mm的范围内，间隔被选择为足够靠近，用于获得足够的传感器灵敏度，又足够远以避免在外部振动盘驱动器期间传感器与盘之间的接触。传感器连接于安装在机壳100的支柱255上。2004年9月30日同时提交的申请号为10/956,919，名称为“DISK DRIVE WITH SUPPORTSTRUCTURE FOR DISK-VIBRATION CAPACITIVE SENSORS”的美国专利申请更详细地介绍了用于电容传感器的支撑结构。
在主轴电机102旋转期间，盘将经历颤动，通常是由气流扰动引起的，这将导致支撑在盘103顶面上的滑块108上的磁头以及盘103底面上的磁头108’上的TMR。在盘颤动期间，传感器与盘面之间的距离，诸如传感器210与盘103顶面之间，将发生变化并作为电容的改变检测出来。电容与传感器和盘面之间的间隙或距离通过关系C＝(eA)/g成反比例，其中e为介电常数，A为传感器板的面积，而g为间隔。由此，若传感器210与盘驱动器不工作时建立的参考值的电容变化ΔC为负，则传感器210与盘103顶面之间的间隔以某一值Δg增大，表示盘103的顶面倾斜从而具有“凸起”形状。另外，这表示其上设置了滑块108’的盘103的底面倾斜从而具有“凹陷”形状。由此，当电容传感器信号用于设置在与由该传感器面对的盘面相对的盘面上的磁头的前馈控制时，信号的极性需要改变。显然，可以为每个盘使用两个电容传感器，两个盘面的每一个使用一个传感器。还可以为每个盘使用两个电容传感器，使得两个传感器信号差异性地用于两个盘面的每一个。
图6为示例电容感应电路220的示意图。包括传感器210在内的电容传感器的输出被输入至多路复用器。已经选择正在读取或写入的磁头的盘驱动器控制器114(图1)向多路复用器提供信号，使得与被选定磁头在其上进行读取或写入的盘相关联的传感器被选择作为感应电路220的输入。电路在10MHz下工作，来自选定传感器的信号输入至电容桥。关注范围以外的信号通过高通滤波器(HPF)和低通滤波器(LPF)被去除，将该信号放大并作为电压输出。从电路220输出的电压信号代表了选定传感器与其相关联盘面之间的间隔或距离。
再参照图1，来自电容感应电路220的信号通过ADC 230转变为数字形式。RRO去除装置240和前馈控制器250显示为结合在伺服处理器115中。在优选实施例中，这些功能以作为由微处理器150运行的算法的一部分的软件来执行。电容传感器信号通常具有相对较大的RRO，因为盘的颤动包括由盘相对于旋转轴的倾斜导致的颤动和盘的“翘曲”，这两者都是“可重复的”，因为由于这些影响导致的轴向位移与盘转动同步。由此，由ADC230输出的每个数字值包括可以被减去的RRO分量。在去除RRO分量后，基本仅由于不可重复的盘扰动力的原因，输入到前馈控制器250的数字值代表电容传感器与盘面之间的距离。
RRO去除算法可以是“减法型”算法，其计算多次盘旋转上的RRO，随后减去计算的RRO分量。电容传感器信号可以在盘上离散数量的角度位置处测量，例如，在每个伺服扇区，并计算平均值。随后，将平均值存储在存储器152中，作为伺服扇区序号和相关联的RRO分量值的表。随后，微处理器150调用适合的RRO分量值，并在运行前馈控制器算法前，将其从传感器数字值中减去。平均值还可以在有或无存储器的情况下按照移动平均来实时计算。
前馈控制器250是频率响应匹配控制器，其基本上使盘跳动的频率响应匹配与TMR，同时说明了VCM驱动器和VCM的动态以及传感器动态的影响。前馈控制器250输出具有相反符号的扰动影响，如图1所示。
设计前馈控制器250的方法将参照图7至9说明。在盘驱动器工作期间，盘在其共振频率处的颤动促成了TMR。图7A至7D是计算机产生的对于典型盘的第一四共振模式形状的表示。TMR主要发生在盘的z轴运动，即轴向或面外运动，导致盘面倾斜时，这又影响了滑块相对于数据轨道的位置。图8为示出与倾斜角T(r)和从滑块轴点至盘厚度中心的距离h的乘积相关的滑块出轨位置的示意图。为补偿这些影响，在设计前馈控制器时必须考虑盘模式形状和共振频率。确定这些影响并产生适合的前馈控制器的一种可能方式在下面的段落中介绍并总结为图9的流程图。
首先，使用已知的材料特性和盘的几何形状产生盘的有限元模型(FEM)。对于关注的每种模式，模式形状在电容传感器的圆周位置处由FEM产生。随后，使径向盘模式形状与多项式拟合(fit)，从而代表盘的z轴位移，作为径向位置z(r)的函数。随后，根据以下关系、在每个径向位置计算倾斜角T(r)，作为相对于半径的z轴运动的导数。
T(r)＝dz(r)/dr。
按照FEM的计算，使Δzcalc为电容传感器位置处的z轴盘位移。接着，如下计算标准化的盘倾角
Tnorm(r)＝T(r)/Δzcalc。
随后利用倾斜角T(r)与从滑块轴点到盘厚度中心的距离h的乘积近似得出由于盘模式导致的在每个径向位置处的出轨(off-track)运动Δx(r)
Δx(r)＝hT(r)。
此由测得的传感器信号Δzmeas计算
Δx(r)＝hTnorm(r)Δzmeas。
随后计算在盘模式频率处由传感器到TMR的传递函数的大小
M(r)＝Δx(r)/Δzmeas。
使f为电容传感器的中心与读/写头的位置之间的角度。使i为模式(mode)序号，即模式的波节直径的序号，模式序号对于前进模式为正，而对于后退模式为负。随后，计算盘模式频率处由传感器至TMR的传递函数的相位
F(r)＝if。
接着，如上所述，对每个模式共振频率计算前馈控制器大小和相位。每个模式的加权可以使用每个模式共振频率处的TMR的大小作为标准进行。使用诸如最小二乘法的技术合成可实现的滤波器，从而最好的拟合期望的前馈控制器大小和相位。
期望的前馈控制器大小和相位还可以通过测量硬盘驱动器来确定，并随后使用标准控制器合成技术进行合成。合成这样的频率响应经常包括近似，以处理无法转化的不稳定零。额外的频率响应合成技术可以用于处理此问题。
图10示出了基于盘共振频率处的实际测量数据(三角形)的、用于期望前馈控制器的增益280和相位281特征。实线280、281表示对于该数据的拟合。使期望频率响应的增益和相位匹配从而实现盘跳动影响的最大减小是十分重要的。因为期望的前馈控制器的增益和相位可以在盘的半径上稍微变化，前馈控制器可以根据盘上径向磁头位置而改变增益和/或相位。磁头在外径位置时比磁头在内径位置时需要增益更高。实验测量显示出，增益一般应随着盘的半径线性地增大。增益和相位可以从存储在存储器152(图1)中的、增益和相位值以及相关盘径向位置或圆环盘区域的表中来选择，磁头径向位置可以从伺服电子器件112(图1)提供给伺服处理器115的TID获得。
图11示出了本发明的效率的示例。图11示出了有(线290)和没有(线291)前馈控制的情况下、关注频率范围的PES功率谱。在盘跳动频率处，有前馈控制的PES功率谱明显低于没有前馈控制的谱。前馈控制降低不可重复偏转(NRRO)近26％。
虽然已经参照优选实施例具体示出和介绍了本发明，本领域技术人员将理解可以在不脱离本发明的实质和范围的基础上进行形式和细节的各种改变。因此，所公开的发明仅应视作说明性的，而对范围的限制仅由所附权利要求指定。

Claims (18)

1.一种盘驱动器，具有包括多个数据轨道的可旋转磁记录盘和可跨过盘面移动用于在轨道中读取和/或写入数据的记录磁头，且其中轨道包括可以由磁头检测的磁头位置信息，并且磁头经历轨道失配TMR频率响应，作为该旋转盘面外颤动的结果，该盘驱动器包括：
用于在盘面上移动磁头的致动器；
响应于由磁头检测的位置信息产生磁头位置控制信号的磁头位置反馈控制器；
面向盘面的电容传感器；
与传感器耦合用于产生代表传感器与盘面之间距离的信号的电容感应电路；以及
响应于距离信号产生校正信号的前馈控制器，校正信号与磁头位置控制信号组合以产生致动器控制信号，前馈控制器的增益和相位特征匹配从面外颤动到TMR的频率响应，同时反应电容传感器和致动器的动态的影响。
2.如权利要求1所述的盘驱动器，其中前馈控制器增益可以变化，增益值响应于磁头在盘面上的径向位置来选择。
3.如权利要求2所述的盘驱动器，其中盘驱动器包括可以在与电容传感器面对的盘面相对的盘面上移动的磁头，且其中选定的增益值的极性可以响应于选择用于读取和写入的磁头而变换。
4.如权利要求1所述的盘驱动器，其中前馈控制器相位可以改变，相位值响应于磁头在盘面上的径向位置来选择。
5.如权利要求1所述的盘驱动器，其中传感器与盘面之间的距离包括对于盘面上每个角度位置可重复偏转的分量，且其中前馈控制器在去除所述分量后响应于距离信号。
6.如权利要求5所述的盘驱动器，还包括数字伺服处理器，其包括反馈控制器和前馈控制器，该处理器组合磁头位置控制信号和校正信号，并产生数字致动器控制信号。
7.如权利要求6所述的盘驱动器，还包括电容感应电路与处理器之间的模数转换器，用于转换距离信号为可以由处理器使用的数字距离信号。
8.如权利要求7所述的盘驱动器，其中处理器从数字距离信号中减去所述分量。
9.如权利要求6所述的盘驱动器，其中致动器为音圈马达VCM，且还包括数模转换器，用于转换数字致动器控制信号为到VCM的模拟致动器控制信号。
10.一种磁记录盘驱动器，包括：
机壳；
连接于机壳的主轴电机；
具有多个同心的、包括磁头位置伺服信息的数据轨道的磁记录盘，所述盘安装于主轴电机并可以通过其关于旋转轴转动，所述盘在其转动期间经历轴向颤动；
记录磁头，用于在轨道中读取和写入数据，磁头经历轨道失配TMR频率响应，作为旋转盘轴向颤动的结果；
音圈马达VCM致动器，用于沿径向在轨道上移动磁头、并用于在读取和写入期间保持磁头在期望轨道上；
伺服电子器件，用于将由磁头检测的伺服信息转换为数字位置误差信号PES；
电容传感器，连接于机壳并面向盘面；
电容感应电路，连接于传感器，用于产生代表盘轴向颤动期间传感器与盘面之间距离的模拟信号；
模数转换器，用于转换模拟距离信号为数字距离值；
数字伺服处理器，包括用于从PES产生磁头位置控制值的反馈控制器和具有匹配TMR频率响应的增益和相位特征、用于产生对来自数字距离值的磁头位置控制值的校正的前馈控制器，处理器输出校正的磁头位置控制值；以及
数模转换器，用于转换校正的磁头位置控制值为到VCM的模拟致动器控制信号。
11.如权利要求10所述的盘驱动器，其中前馈控制器增益可以变化，前馈控制器使用响应于磁头在盘面上的径向位置选择的增益值来产生对磁头位置控制值的校正。
12.如权利要求11所述的盘驱动器，其中处理器包括用于存储数字值的存储器，还包括存储在存储器中的磁头径向位置值和相关增益值的表。
13.如权利要求10所述的盘驱动器，其中前馈控制器相位可以变化，前馈控制器使用响应于磁头在盘面上的径向位置选择的相位值来产生对磁头位置控制值的校正。
14.如权利要求13所述的盘驱动器，其中处理器包括用于存储数字值的存储器，还包括存储在存储器中的磁头径向位置值和相关相位值的表。
15.如权利要求10所述的盘驱动器，其中处理器包括用于存储数字值的存储器，其中传感器与盘面之间的距离包括对于盘面上的每个角度位置可重复偏转的分量，且还包括存储在存储器中的盘角度位置和相关距离分量值的表，处理器在通过前馈控制器产生对磁头位置控制值的校正之前，利用来自该表的分量值修正数字距离值。
16.如权利要求10所述的盘驱动器，还包括堆叠在主轴电机上的多个盘和多个电容传感器，每个传感器关联于相关联盘的表面、并面向相关联盘的表面。
17.如权利要求16所述的盘驱动器，其中电容感应电路包括用于选择所述电容传感器中之一的多路复用器。
18.如权利要求16所述的盘驱动器，其中多个电容传感器包括用于每个盘面的传感器。
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