CN100367359C - 盘驱动器的磁道寻道模式中的自适应稳定控制方法和设备 - Google Patents

Abstract

提供了一种当盘驱动器的磁道寻道控制被执行时执行改进的不管寻道距离的稳定控制的稳定控制方法和设备。在控制盘驱动器的磁道寻道模式的方法中，一种在盘驱动器的磁道寻道模式中的自适应稳定控制方法包括：通过在从磁道寻道模式的加速/减速控制模式转换到稳定控制模式的时刻将磁头运动的初始状态转换到系统的特征向量线上，控制磁头沿着特征向量收敛到目标位置和目标速率。

Description

盘驱动器的磁道寻道模式中的自适应稳定控制方法和设备

技术领域

本发明涉及一种盘驱动器伺服控制方法和设备，更具体地讲，涉及一种当盘驱动器的磁道寻道控制被执行时执行改进的不管寻道距离的稳定控制(settling control)的稳定控制方法和设备。

背景技术

本发明涉及的盘驱动器的伺服控制技术公开在公开号为第5,072,318号和第6,636,376号美国专利中。

一般地，硬盘驱动器(HDD)，一种数据存储装置，通过使用磁头来再现盘上记录的数据或在盘上写入数据。根据HDD的大容量、高密度和压缩性的趋势，表示沿盘旋转方向记录密度的每英寸比特数(BPI)和表示沿盘直径方向记录密度的每英寸磁道数(TPI)已经被增加。因此，对于HDD，需要更精细的操作机制。

当信息被记录到盘上或被从盘读取时，为了将磁头从一个磁道移动到另一个磁道，HDD执行寻道例行程序。在寻道例行程序期间，为了将磁头移动到在盘表面上的新的磁道位置，音圈电机(VCM)通过电流励磁。为了保证将磁头移动到正确的柱面位置和磁道的中心，控制器执行伺服例行程序。

从盘读取信息或在盘上写入信息所需要的时间最好被最小化。因此，由HDD执行的寻道例行程序应该在最短的时间内将磁头移动到目标磁道位置。另外，为了磁头迅速地写入或读取信息并且磁头立即被定位为与目标磁道相邻，磁头悬架组件(HGA)的稳定时间应该被最小化。

这个磁道寻道模式包括加速/减速控制模式和稳定控制模式。加速/减速控制模式是用于迅速地将磁头移动到与目标磁道相邻的位置的模式，并且稳定控制模式是用于在加速/减速控制模式之后使磁头跟随到目标磁道的中心的模式。

一般地，诸如最优时间控制器的非线性控制器被用于加速/减速控制模式，并且线性控制器被用于稳定控制模式。稳定控制模式中的响应特性由在稳定控制模式开始时刻的磁头运动的初始状态来确定。例如，当初始速率较快时，由于超调的产生，寻道时间可被增加，相反地，当初始速率太慢时，超调不会产生，但是响应较慢。实际上，稳定控制模式开始的初始状态取决于磁道寻道距离。

因为根据磁道寻道距离，稳定控制性能不平滑，所以磁道寻道伺服性能降低，特别地，磁道寻道时间是较长的。

发明内容

本发明提供了一种在盘驱动器的磁道寻道模式中的自适应稳定控制方法和设备，即使在磁道寻道模式中磁头运动的初始状态在稳定控制模式的开始时刻变化，所述方法和设备也能保持平滑的稳定控制性能。

根据本发明的一方面，提供了一种在控制盘驱动器的磁道寻道模式的方法中的在盘驱动器的磁道寻道模式中的自适应稳定控制方法，该方法包括：通过在从磁道寻道模式的加速/减速控制模式转换到稳定控制模式的时刻将磁头运动的初始状态转换到系统的特征向量线上，控制磁头沿着特征向量收敛到目标位置和目标速率。

根据本发明的另一方面，提供了一种在盘驱动器的磁道寻道控制设备中的在盘驱动器的磁道寻道模式中的自适应稳定控制设备，该设备包括：状态估计器，从位置误差信号估计包括磁头位置、速率和控制输入信息的磁头运动的状态信息值；状态反馈控制器，产生通过将状态信息值和预定的状态反馈增益相乘获得的状态反馈控制信息；单模式控制电路，产生通过将在稳定控制模式的开始时刻的状态信息初始值和用于将在磁道寻道模式的稳定控制模式开始时刻的磁头运动的初始状态转换到系统特征向量线上的预定方阵相乘获得的初始状态补偿信息；求和单元，将初始状态补偿信息和状态反馈控制信息的负值相加；以及音圈电机(VCM)驱动器和致动器，通过产生与求和单元的输出相应的驱动电流来移动磁头，并且产生位置误差信号。

附图说明

通过参照附图对其示例性实施例进行详细的描述，本发明的以上和其他特征和优点将会变得更清楚，其中：

图1是应用本发明实施例的HDD的HDA的示意性俯视图；

图2是根据本发明实施例的在HDD的磁道寻道模式中的自适应稳定控制设备的方框图；

图3表示根据在稳定控制时间的磁头运动的初始状态的系统响应轨迹的示例，所述系统响应轨迹的示例用于表示本发明实施例被应用于其的单模式控制处理；

图4表示根据本发明实施例的磁头运动的初始状态被转换为特征向量的目标状态的示例；

图5是表示当一个磁道被寻道时根据单模式控制的ON/OFF的稳定控制性能的比较的示图；

图6是表示当7000个磁道被寻道时根据单模式控制的ON/OFF的稳定控制性能的比较的示图；和

图7是表示当40000个磁道被寻道时根据单模式控制的ON/OFF的稳定控制性能的比较的示图。

具体实施方式

硬盘驱动器(HDD)包括由机械部件组成的磁头盘组件(HDA)和电路。

图1是应用本发明实施例的HDD的HDA 10的示意性俯视图。参照图1，HDA 10包括至少一个由主轴电机14旋转的磁盘12。HDA 10还包括邻近地定位在盘表面上的变换器(未显示)。

通过检测在盘12上形成的磁场或使盘12磁化，变换器可从旋转的盘12读取信息或在旋转的盘12上写入信息。典型地，变换器与每一盘表面相关联。虽然单一的转换器被显示在图1中，但是转换器包括使盘12磁化的写转换器和检测盘12的磁场的读转换器。读转换器包括磁阻(MR)部件。

转换器可以被包含到磁头16中。磁头16在变换器和盘表面之间产生气浮轴承。磁头16被包含到磁头臂组件(HSA)22中。HSA 22被附加到具有音圈26的驱动臂24。音圈26与磁组件28相邻地定位以限定音圈电机(VCM)30。提供给音圈26的电流产生使驱动臂24围绕轴承组件32旋转的转矩。驱动臂24的旋转使转换器在盘表面上移动。

信息被存储在盘12的环形磁道中。一般地，每一磁道34包括多个扇区。每一扇区包括数据字段和标识字段。标识字段包括用于识别扇区和磁道(柱面)的格雷码。为了从另一磁道读取信息或在另一磁道上写入信息，变换器在盘表面上移动。

图2是根据本发明实施例的在HDD的磁道寻道模式中的自适应稳定控制设备的方框图。

参照图2，该自适应稳定控制设备包括状态估计器210、状态反馈控制器220、单模式控制器230、矩阵发生器240、求和单元250以及音圈电机(VCM)驱动器和致动器260。

状态估计器210执行通过使用方程1的状态方程从位置误差信号(PES)估计包括磁头位置、速率和控制输入信息的磁头运动的状态变量x(k)值的处理。

状态反馈控制器220产生通过将状态变量x(k)值和状态反馈增益k相乘获得的状态反馈控制信息。

单模式控制器230执行方程17的计算处理，所述计算处理用于产生通过将在稳定控制模式的开始时刻的状态x(0)值和用于将在磁道寻道模式的稳定控制模式开始时刻的磁头运动的初始状态x(0)转换到系统特征向量线上的方阵M相乘获得的初始状态补偿信息U_SM(k)。这里，系统特征向量指示根据包括在该系统(HDD)中的磁头臂组件的特性的特征向量。

矩阵发生器240产生用于将在磁道寻道模式的稳定控制模式开始时刻的磁头运动的初始状态x(0)转换到系统特征向量线上的方阵M。方阵M被确定以便初始状态x(0)被转换到特征向量的正交点，这种方式是有效的。另外，方阵M被设计以便方阵M的值被存储在只读存储器(ROM，未显示)中并且被使用，这种方式是有效的。

求和单元250将从单模式控制器23输出的初始状态补偿信息和从状态反馈控制器220输出的状态反馈控制信息的负值求和，并且将相加的结果输出到VCM驱动器和致动器260。

VCM驱动器和致动器260通过产生与求和单元250的输出相应的驱动电流来移动磁头，并且在磁道寻道和磁道跟随期间产生与磁头运动相应的PES。

由单模式控制器230执行的在稳定控制模式中的控制处理现在将被详细地描述。

全部的VCM致动器控制处理现在将被描述。典型的VCM致动器控制模型被显示在方程1中。

x(k+1)＝Ax(k)+Bu(k)

$\left[\begin{array}{c}x(k+1)\\ v(k+1)\\ u\left(k\right)\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}1& T_s& K_a({2T}_s{T}_d-T_d^2)/2\\ 0& 1& K_a{T}_d\\ 0& 0& 0\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}x\left(k\right)\\ v\left(k\right)\\ u(k-1)\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{K}_a{(T_s-T_d)}^2/2\\ K_a(T_s-T_d)\\ 1\end{array}\right]u\left(k\right)$

                 ...(1)

这里，包括在状态变量x(k)中的x(k)、v(k)和u(k-1)分别指示磁头位置、速率和前一控制输入，并且常数K_a、T_s和T_d分别指示加速常数、采样时间和控制延迟时间。由状态反馈控制器220执行的稳定控制处理使用方程2。

u(k)＝-Kx(k)

                 ...(2)

这里，K指示状态反馈增益。用于稳定控制处理的动态方程被表示为方程3。

x(k+1)＝(A-BK)x(k)                              ...(3)

因此，稳定控制处理的响应由方程4中表示的初始状态来确定。

x(k+1)＝(A-BK)^kx(0)                                         ...(4)

这里，初始状态x(0)取决于寻道距离。

因此，为了将初始状态x(0)补偿为与寻道距离无关的常数，单模式控制补偿处理被应用于本发明实施例。即，单模式控制补偿处理的主过程是将初始状态x(0)转换到系统特征向量线上。

根据本发明实施例的稳定控制系统的设计现在将被描述。

稳定控制系统的响应如方程5使用极点来分析。

$x\left(k\right)={(A-\mathrm{BK})}^{k}x\left(0\right)$

$=P\left[\begin{array}{ccc}{\mathrm{\λ}}_1^k& 0& 0\\ 0& {\mathrm{\λ}}_2^k& 0\\ 0& 0& {\mathrm{\λ}}_3^k\end{array}\right]P^{-1}x\left(0\right)$

$={\mathrm{\λ}}_1^k{p}_1{q}_{1}x\left(0\right)+{\mathrm{\λ}}_2^k{p}_2{q}_{2}x\left(0\right)+{\mathrm{\λ}}_3^k{p}_3{q}_{3}x\left(0\right)...\left(5\right)$

这里，常数λ₁、λ₂和λ₃是极点并且与矩阵A-BK的特征值相应，p₁、p₂和p₃是特征向量。矩阵P包括特征向量p₁、p₂和p₃，并且向量q₁、q₂和q₃是P的逆矩阵P^-1的水平向量。因此特征向量p₁、p₂和p₃和水平向量q₁、q₂和q₃具有方程6中显示的垂直或水平相关。

$q_i{p}_j=\left\{\begin{array}{cc}1,& i=j\\ 0,& i\≠j\end{array}\right....\left(6\right)$

三个极点λ₁、λ₂和λ₃和初始状态x(0)与方程5中的稳定控制系统的响应有关。

如果初始状态在某条特征向量线上，那么在稳定控制系统的响应中只有相应的极点出现。例如，如果初始状态在第二特征向量线上，即，如果x(0)＝ap₂，这里a是常数，那么如根据方程5和方程6的方程7所示，在稳定控制系统响应中第二特征值λ₂出现，并且系统状态一直在第二特征向量线上并且系统状态收敛到零点。收敛速率由第二特征值λ₂来确定。

$x\left(k\right)={\mathrm{a\λ}}_2^k{p}_2...\left(7\right)$

如果相平面分析方案被使用，那么这个概念可被容易地理解。

图3表示根据初始状态的系统响应轨迹的三个示例。因为如方程1所示，系统的阶数是3，所以最初需要三维空间，但是为了概念转换的简化，使用由位置和速率组成的二维平面。对于高的初始速率(情况A)，在系统响应中出现三个极点λ₁、λ₂和λ₃。因此，一般地，系统状态轨迹变成曲线，并且产生超调。对于低的初始速率(情况C)，三个极点也被包括。因此，系统状态轨迹变成曲线。在这种情况下，虽然没有产生超调，但是响应很慢。对于在特征向量线上的初始状态(情况B)，系统状态轨迹是特征向量直线并且沿着该特征向量直线收敛到零点。因此，可避免超调。另外，如果特征向量的特征值非常大，那么系统状态收敛到零点的速率较快。即，如果初始状态在具有高速率的特征向量线上，那么可预测：稳定控制系统的最佳性能可被获得。

然而，初始状态根据诸如温度的环境而变化，特别地，根据寻道距离而显著地变化。因此，为了获得快速和优良的稳定控制性能，必须另外使用用于将初始状态转换到特征向量线上的控制输入。

如上所述，因为当系统状态在特征向量线上开始时，在系统响应中只有单一极点出现，所以在本实施例中执行这个功能的控制器被称为单模式控制器230。

包括单模式控制器230的整个稳定控制器被表示为方程8。

u(k)＝-Kx(k)+u_SM(k)                                     ...(8)

这里u_SM(k)表示单模式控制输入。在这种情况下，整个系统的动态方程被表示为方程9。

x(k+1)＝(A-BK)x(k)+Bu_SM(k)                          ...(9)

因为方程9的系统的阶数是3并且可被控制，所以存在这样的控制输入，通过该控制输入，以三个样本初始状态x(0)可被转换为预定的目标状态x_final。对于三个样本的控制输入如方程10被定义。

U＝[u_SM(0) u_SM(1) u_SM(2)]^T                            ...(10)

通过方程9，系统目标状态x_final可被表示为方程11。

x_final＝(A-BK)³x(0)+(A-BK)²Bu_SM(O)+(A-BK)Bu_SM(1)+Bu_SM(2)

                                                      ...(11)

为了存在于特征向量线上，系统目标状态x_final应满足关于常数a的方程12。

x_final＝αp_i    ...(12)

通过方程11和方程12，初始状态x(0)可通过其被转换为特征向量线的单模式控制输入值如方程13被计算。

U＝[u_s(0)·u_s(1) u_s(2)]^T＝Q[x_final-Rx(0)]＝Q[αp_i-Rx(0)]

                                                        ...(13)

这里，Q和R是如方程14定义的矩阵。

Q＝[(A-BK)²B (A-BK)B B]^-1，R＝(A-BK)³

                                                        ...(14)

剩余的一个是确定唯一的目标状态，即，确定方程12中的常数a。在本实施例中，目标状态被确定以便单模式控制输入被最小化。图4表示初始状态被转换为目标状态的三个示例。在目标状态最接近初始状态的情况下(情况B)，状态转换需要的控制输入被最小化。最小化需要的成本函数(cost function)通过如方程15所示的控制输入的大小来定义。

J(α)＝U^TU＝[αp_i-Rx(0)]^TQ^TQ[αp_i-Rx(0)]                ...(15)

用于最小化方程15的常数a的值被表示为方程16。

$a^{*}=\frac{p_i^T{Q}^T\mathrm{QR}}{p_i^T{Q}^{T}Q{p}_i}x\left(0\right)...\left(16\right)$

通过方程12和方程16优化的单模式控制输入如方程17被确定。

$U^{*}=\left[u_{\mathrm{sm}}^{*}\left(0\right)u_{\mathrm{sm}}^{*}\left(1\right)u_{\mathrm{sm}}^{*}\left(2\right)\right]=(\frac{Q{p}_i{p}_i^T{Q}^T\mathrm{QR}}{p_i^T{Q}^{T}Q{p}_i}-\mathrm{QR})x\left(0\right)=\mathrm{Mx}\left(0\right)$

                                                        ...(17)

方程17中表示的方阵M在矩阵发生器240中被预先计算并且存储。简单地说，初始状态x(0)在稳定控制模式的开始时刻通过状态估计器而被获得并且与方阵M相乘，从而用于三个样本u^* _SM(0)、u^* _SM(1)和u^* _SM(2)的单模式控制输入被确定。通过顺序地将这三个输入值输入到系统，初始状态被转换到特征向量的正交位置上。

表示当由本实施例建议的单模式控制器230被使用时稳定控制性能的改进的实验结果被表示如下。

磁道密度、磁道宽度和盘旋转速率分别为130000TPI、0.19μm和7200rpm的HDD被用于实验。对于一个磁道寻道的系统响应在图5中被表示。对于一个磁道寻道，没有加速/减速模式的情况下稳定控制模式开始。在这种情况下，与图3的情况C相应，初始速率几乎是0。根据图5，如果不使用单模式控制器230，那么系统响应较慢，并且用于搜索一个磁道的时间较长。相反地，如果使用单模式控制器230，那么系统响应迅速，并且寻道时间可缩短约0.4msec。对于7000个磁道的磁道寻道距离的性能比较结果在图6中被表示。在这种情况下，与图3的情况A相应，通过加速/减速模式，初始速率较高。如果不使用单模式控制器230，那么产生超调，并且稳定时间较长。相反地，如果使用单模式控制器230，那么超调被抑制，并且稳定时间可缩短约0.6msec。对于40000个磁道的磁道寻道距离的性能比较结果在图7中被表示。在这种情况下，与图3的情况A相应，通过加速/减速模式，初始速率也较高。如果使用单模式控制器230，那么稳定时间可缩短约0.8msec。

如上所述，根据本发明实施例，在磁道寻道控制中，通过控制稳定控制模式从其开始的初始状态以转换到系统的特征向量线上并且沿着该特征向量线收敛到零点，改进的和平滑的稳定控制可不管寻道距离而被执行，并且特别地，磁道寻道时间可被缩短。

本发明可作为方法、设备和/或系统被实现。当本发明作为软件被实现时，本发明的部件作为用于执行需要的操作的代码段被实现。程序或代码段可被存储在处理器可读记录介质中，并且通过使用传输介质或通信网络，所述程序或代码段可作为与载波结合的计算机数据信号被发送。处理器可读记录介质是任何可存储或发送其后可被计算机系统读取的数据的数据存储装置。处理器可读记录介质的示例包括电子电路、半导体存储器装置、只读存储器(ROM)、闪速存储器、可擦除ROM、软盘、光盘、硬盘、光纤媒体和RF网络。计算机数据信号包括任何可经过诸如电子网络通道、光纤、空气、电场、RF网络的传输媒体被传播的信号。

尽管参照其优选实施例，本发明已经被具体地显示和描述，但本领域技术人员应该理解，在不脱离由所附权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可在形式和细节上对其进行各种改动。上述实施例应该仅被认为是描述性的，并不用于限制的目的。因此，本发明的范围不是通过本发明的详细描述而是通过所附权利要求来限定，并且在该范围内的所有不同将被解释为包括在本发明中。

Claims (9)

1.一种在控制盘驱动器的磁道寻道模式的方法中的在盘驱动器的磁道寻道模式中的自适应稳定控制方法，该方法包括：

通过在从磁道寻道模式的加速/减速控制模式转换到稳定控制模式的时刻将磁头运动的初始状态转换到盘驱动器的特征向量线上，控制磁头沿着特征向量收敛到目标位置和目标速率。

2.如权利要求1所述的方法，其中，所述特征向量取决于包括在系统中的磁头臂组件的特性。

3.如权利要求1所述的方法，其中，通过将初始状态的变量值和预定方阵相乘，所述初始状态被转换到特征向量线上。

4.如权利要求1所述的方法，其中，通过将初始状态的变量值和预定方阵相乘，所述初始状态被转换到特征向量线的正交位置上。

5.如权利要求4所述的方法，其中，方阵M定义为

$M=\frac{Q{p}_i{p}_i^T{Q}^T\mathrm{QR}}{p_i^T{Q}^{T}Q{p}_i}-\mathrm{QR}$

其中，Q＝[(A-BK)²B(A-BK)BB]^-1，R＝(A-BK)³

其中，K指示状态反馈增益，

$A=\left[\begin{array}{ccc}1& T_s& K_a({2T}_s{T}_d-{T_d}^2)/2\\ 0& 1& K_a{T}_d\\ 0& 0& 0\end{array}\right]$

$B=\left[\begin{array}{c}{K}_a{(T_s-T_d)}^2/2\\ K_a(T_s-T_d)\\ 1\end{array}\right]$

常数K_a、T_s和T_d分别指示加速常数、采样时间和控制延迟时间，p_i是特征向量，i是索引。

6.一种在盘驱动器的磁道寻道控制设备中的在盘驱动器的磁道寻道模式中的自适应稳定控制设备，该设备包括：

状态估计器，从位置误差信号估计包括磁头位置、速率和控制输入信息的磁头运动的状态信息值；

状态反馈控制器，产生通过将状态信息值和预定的状态反馈增益相乘获得的状态反馈控制信息；

单模式控制电路，产生通过将在稳定控制模式的开始时刻的状态信息初始值和用于将在磁道寻道模式的稳定控制模式开始时刻的磁头运动的初始状态转换到盘驱动器的特征向量线上的预定方阵相乘获得的初始状态补偿信息；

求和单元，将初始状态补偿信息和状态反馈控制信息的负值相加；和

音圈电机驱动器和致动器，通过产生与求和单元的输出相应的驱动电流来移动磁头，并且产生位置误差信号。

7.如权利要求6所述的设备，其中，所述单模式控制电路包括：

矩阵发生器，在稳定控制模式的开始时刻产生所述预定方阵；和

单模式控制器，产生通过将在稳定控制模式的开始时刻的状态信息初始值和所述预定方阵相乘获得的初始状态补偿信息。

8.如权利要求6所述的设备，其中，所述预定方阵被确定以便状态信息初始值被转换到特征向量线的正交位置上。

9.如权利要求6所述的设备，其中，所述预定方阵M定义为

$M=\frac{Q{p}_i{p}_i^T{Q}^T\mathrm{QR}}{p_i^T{Q}^{T}Q{p}_i}-\mathrm{QR}$

其中，Q＝[(A-BK)²B(A-BK)BB]^-1，R＝(A-BK)³其中，K指示状态反馈增益，

$A=\left[\begin{array}{ccc}1& T_s& K_a({2T}_s{T}_d-{T_d}^2)/2\\ 0& 1& K_a{T}_d\\ 0& 0& 0\end{array}\right]$

$B=\left[\begin{array}{c}{K}_a{(T_s-T_d)}^2/2\\ K_a(T_s-T_d)\\ 1\end{array}\right]$

常数K_a、T_s和T_d分别指示加速常数、采样时间和控制延迟时间，p_i是特征向量，i是索引。

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