CN101071575A - 磁盘装置及磁头位置控制方法 - Google Patents

Abstract

反馈控制器根据磁头的目标位置和实际位置之间的误差进行反馈控制。模型控制器通过使用预设定的控制等式模型获取控制命令，将要作为目标位置命令输出至反馈控制器的模型位置，和用于磁头跟随目标速度的模型速度，并根据相应于从模型位置到目标位置的剩余距离的目标速度的微分值以目标位置作为输入，获取控制命令和模型位置。

Description

磁盘装置及磁头位置控制方法

相关申请的交互引用

本申请基于2006年5月11日提交的先前的第2006-133042号日本专利申请并要求对其的优先权利益；该申请的全部内容通过引用结合在本文中。

技术领域

本发明总体涉及包括用于将磁头定位在磁盘上的目标位置的定位控制机构的磁盘装置，以及磁头位置控制方法。

背景技术

在用于磁盘装置的磁头定位控制系统中，微计算机通常用来配置数字控制系统。在该数字控制系统中，在微处理器中从不连续获取的磁头位置信息计算控制命令，并将所计算的控制命令通过数模(D/A)转换器提供到致动器的驱动器。

致动器通常在高频频带具有机械共振，因此，为了在低振动和低噪声的情形下将磁头高速移动到磁盘上的目标位置，产生不会激起机械共振的前馈控制输入极其重要。为了仅是短距离高速移动磁头，可以如下考虑一种技术。该技术通过使用优化技术预先计算不会激起机械共振的致动器的前馈控制输入以及前馈控制系统的目标位置命令并作为表格储存在存储器中，在定位磁头时通过参考该表格确定致动器的前馈控制输入和前馈控制系统的目标位置命令。

然而，在磁头定位控制的技术中，需要将用于所有查找距离的致动器前馈控制输入和前馈控制系统目标位置命令保存在所述表格中。因此，无法实现此项技术，因为微处理器的存储器容量是有限的。

因此，如果要求长距离查找，必须连续计算致动器的前馈控制输入以及目标位置命令。举例来说，JP-A H9-073618(KOKAI)披露了一项技术，该技术在定位控制系统中保持致动器的模型控制系统，并使模型速度跟随目标位置曲线，从而将模型控制系统的控制命令以及模型位置作为致动器的前馈控制以及目标位置命令输出至前馈控制系统。

在上述这样的常规技术中，将模型控制系统的控制命令以及模型位置作为致动器的前馈控制输入以及目标位置命令输出至前馈控制系统。因此，当要求短距离查找操作时，无法通过使用优化技术预先计算致动器的前馈控制输入以及目标位置命令。这样，使模型速度跟随目标速度曲线的控制系统的配置变得尤其重要。

然而，在常规技术中，举例来说，JP-A H9-073618(KOKAI)的第0044段描述说“补偿元件35是将差分元件34的速度误差乘以常数值K的增益的元件”。如上所述，因为使模型速度跟随目标速度，所以只提供简单的速度反馈控制系统。

因此，当增加目标速度时，模型速度无法跟随目标速度，从而在模型位置上发生过冲。

此外，为了改进模型速度对于目标速度的跟随能力，也可以考虑将速度反馈增益设定为高值。然而，在此种情形中，模型速度一达到目标速度，速度就被突然转换到减速，并向致动器提供突然从加速转换到减速的前馈控制命令。结果，无法抑制机械共振的激起。

发明内容

根据本发明的一个方面的磁盘装置包括其上记录数据的磁盘；对于磁盘进行记录和再现数据的磁头；在磁盘的径向移动磁头的磁头驱动器；和向磁头控制器发出控制命令从而控制磁头定位到磁盘上的目标位置的定位控制器。定位控制器包括根据磁头的目标位置和实际位置之间的误差进行反馈控制的反馈控制器；和模型控制器，该模型控制器通过使用预设定的控制等式模型获取控制命令，将要作为目标位置的命令输出到反馈控制器的模型位置，和用于磁头跟随目标速度的模型速度，并且根据相应于从模型位置到目标位置的剩余距离的目标速度的微分值，以目标位置作为输入，获取控制命令和模型位置。

根据本发明的另一个方面，控制磁头在磁盘上的位置的方法包括通过根据磁头的目标位置和实际位置之间的误差进行反馈控制来控制相对于磁盘进行记录和再现数据的磁头定位到磁盘上的目标位置；和当通过使用预设定的控制等式模型获取向在磁盘的径向移动磁头的磁头驱动器发出的控制命令，将要作为用于反馈控制的目标位置的命令输出的模型位置，和用于磁头跟随目标速度的模型速度时，根据相应于从模型位置到目标位置的剩余距离的目标速度的微分值，以目标位置作为输入，获取控制命令和模型位置。

附图说明

图1是根据第一实施例的硬盘驱动器的示意图；

图2是根据第一实施例的磁头定位控制系统的控制方框图；

图3是根据第一实施例的磁头定位控制处理的过程的流程图；

图4是用于模拟的致动器控制模型的频率特性，和用于模型侧控制系统的二重积分模型的频率特性的曲线图；

图5至8是根据比较例的方法中在1/3寻道时的模拟结果的曲线图；

图9是当使用由等式(8)计算的控制命令u时模型速度对目标速度曲线的跟随性能的曲线图；

图10是当改变等式(9)中的增益λ时给予致动器的控制命令的状态的曲线图；

图11至14是当使用等式(9)中的控制命令时在致动器的位置处的状态的曲线图；

图15至18是当使用等式(9)中的控制命令时在致动器的位置处的二次微分的曲线图；

图19是由根据比较例的磁头定位控制系统的稳定波形(settling waveform)的曲线图；

图20至23是由根据第一实施例的磁头定位控制系统的稳定波形的曲线图；

图24是在连续查找1/3轨道时的噪声的1/3倍频程分析的结果的曲线图；

图25是增益和模型速度之间的关系的曲线图；

图26是根据第二实施例的磁头定位控制系统的控制方框图；

图27是根据第三实施例的磁头定位控制系统的控制方框图；以及

图28是根据比较例的磁头定位控制系统的控制方框图。

具体实施方式

以下将参照附图详细说明根据本发明的示例性实施例。在以下实施例中，根据本发明的磁盘装置被用于硬盘驱动器(HDD)。

根据第一实施例的HDD包括硬盘(HD)114，致动器130和HDD控制器140，如图1所示。具体地，致动器130具有诸如磁头111，臂112和音圈电动机(VCM)113的机构。HDD控制器140被设置为硬盘驱动器中印刷电路板上的具有磁头定位控制机构的控制电路。

至少一个HD114被设置于HDD，并由转轴电动机高速度转动。多个轨道同心地形成在HD114上，并且各个轨道具有以预定间隔形成的伺服区120。轨道位置信息预先嵌入在各个伺服区120中，并且数据扇区设置在伺服区120之间，以将用户数据记录在其中。

如图1所示，磁头111由致动器130中的臂112保持。磁头111从伺服区120读取轨道位置信息，或从数据扇区读取用户数据。使臂112通过VCM113的驱动力枢轴转动，从而在HD 114的半径方向中移动磁头111。VCM 113包括磁铁115和驱动线圈116，并由提供自功率放大器117的驱动电流转动。

如图1所示，HDD控制器140包括作为主要部件的微处理器(MPU)118，伺服数据处理电路122，磁头放大器121和功率放大器117。

磁头放大器121放大对应于轨道位置信息的读信号，或从磁头 111读取的用户数据，并将读信号输出至MPU 118。

MPU 118包括D/A转换器119和输入输出(I/O)端口123。MPU 118执行根据第一实施例的磁头定位控制系统的各种运算处理，并产生将要提供至VCM 113的控制命令。

功率放大器117将输入自MPU 118的控制命令转换为驱动电流，并将驱动电流提供至VCM 113。

磁头111从伺服区120读取信号，且磁头放大器121接收来自磁头111的读信号，放大该读信号，并将放大的读信号提供至伺服数据处理电路122。伺服数据处理电路122从放大的读信号产生伺服信息，并以预定的时间间隔将伺服信息输出至MPU 118。MPU 118从输入自I/O端口123的伺服信息计算磁头位置，并从获取的磁头位置计算以预定的时间间隔提供至VCM 113的控制命令(前馈控制命令u)。MPU 118将所计算的控制命令通过D/A转换器119转换为将要提供到功率放大器117的模拟信号。功率放大器117将输入自MPU118的控制命令转换为驱动电流，并将驱动电流提供至VCM113。从而VCM 113转动，且磁头111根据该控制命令在HD 114的半径方向中移动。

以下说明由MPU118实现的磁头定位控制系统。根据第一实施例的磁头定位控制系统进行查找控制，以将磁头111从当前位置移动(查找)到目标位置。如果HD 114的访问方法基于扇区单元，则此处提到的目标位置表示包括该扇区的目标轨道(磁道柱面(cylinder))。

根据第一实施例的磁头定位控制系统包括两个控制回路，诸如模型侧控制系统250和位置误差反馈控制系统(C(z))260，如图2所示。

位置误差反馈控制系统260是用于根据磁头111的目标位置及其实际位置之间的误差进行反馈控制的控制回路。

模型侧控制系统250是通过使用预设定的控制等式模型产生提供至VCM 113的前馈控制命令u，作为将要输出至位置误差反馈控制系统260的目标位置命令的模型位置以及模型速度，和使模型速度跟随磁头111的目标速度的控制回路。

为了改进查找性能，向VCM 113提供平滑的前馈控制命令很重要。因此，在模型侧控制系统250中，由上取样器261和下取样器262以位置误差反馈控制系统260的频率的n倍的采样频率进行计算。

位置误差反馈控制系统260在查找时具有观测模式和二自由度控制模式。在查找操作的前半部分，所提供的控制使开关连接至模型侧控制系统250以转换到观测模式，反馈控制器(C(z))210的输出信号被加到模型侧控制系统250的输入终端中，并且模型状态(模型位置和模型速度)接近致动器130的移动。在查找操作的后半部分，开关连接至VCM 113以转换到二自由度控制模式，并且反馈控制器(C(z))210的输出信号被输入到VCM 113。以上述方式提供的控制使查找时的电流饱和效应和位置检测误差效应减少。ZOH 208是零阶保持器，ZOH 208将正被取样的反馈控制器(C(z))210的输出信号转换为连续时间信号，并将所转换的信号输出至VCM 113。

图28是根据比较例的磁头定位控制系统的控制方框图。根据比较例的磁头定位控制系统包括位置误差反馈控制系统260，与图2相似。模型侧控制系统2850在加速时有电流饱和，且常数反馈增益β被应用于目标速度和模型速度之间的速度误差。目标速度表2851是这样的图表，其中预先将目标速度与目标位置和模型位置之间的差值，即与从模型位置到目标位置的距离(剩余距离)相关联而作为目标速度曲线。

在根据比较例的磁头定位控制系统中，如果增加目标速度以加速查找速度，则常数反馈增益控制无法跟随目标速度，导致目标位置过冲。为了减少模型速度对目标速度的误差，需要增加速度的常数反馈增益β。然而，如果增加常数反馈增益β，则模型速度在到达目标速度时立即改变为减速。因此，对模型从加速到减速的控制命令(对致动器的前馈控制)被突然改变。带有突然改变的前馈控制命令激起致动器的机械共振，引起完成查找时的残余振动或查找过程中的噪声。因此，在第一实施例中，模型侧控制系统250配置为包括速度控制系统，其中使从加速到减速的控制命令的改变变得平滑，同时不牺牲对目标速度的跟随能力。

以下说明根据第一实施例的磁头定位控制系统中的模型侧控制系统250的原理。

首先，模型的状态等式用等式(1)表示，其中，x₁是模型位置到目标位置的距离(剩余距离)，x₂是模型速度。

$\left(1\right),\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{x}}_1\\ {\stackrel{\·}{x}}_2\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{A}_{11}& A_{12}\\ A_{21}& A_{22}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{x}_1\\ x_2\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}0\\ B\end{array}\right]u$

如果目标速度用f(x₁)表示，则速度误差σ用等式(2)表示。

(2)σ＝f(x₁)-x₂

当模型速度跟随目标速度时，速度误差σ＝0，从而等式(3)成立。

$\left(3\right),\frac{\mathrm{d\σ}}{\mathrm{dt}}=\frac{\mathrm{df}\left(x_1\right)}{{\mathrm{dx}}_1}\frac{{\mathrm{dx}}_1}{\mathrm{dt}}-\frac{{\mathrm{dx}}_2}{\mathrm{dt}}=\frac{\mathrm{df}\left(x_1\right)}{{\mathrm{dx}}_1}{\stackrel{\·}{x}}_1-{\stackrel{\·}{x}}_2=0$

如果将等式(3)代入等式(1)，则等式(4)成立。

$\left(4\right),[\frac{\mathrm{df}\left(x_1\right)}{\mathrm{dx}}-1]\left[\begin{array}{cc}{A}_{11}& A_{12}\\ A_{21}& A_{22}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{x}_1\\ x_2\end{array}\right]+[\frac{\mathrm{df}\left(x_1\right)}{{\mathrm{dx}}_1}-1]\left[\begin{array}{c}0\\ B\end{array}\right]u=0$

因为致动器用二级系统和机械共振表示，如果选择完全二重积分作为模型，则等式(1)的参数如等式(不等式)(5)所示。

A₁₁＝0，A₁₂＝-1，A₂₁＝0，A₂₂＝0，B＞0    (5)

当等式(不等式)(5)中的参数代入等式(4)时，跟随目标速度所需要的控制输入u_eq用等式(6)表示。

$\left(6\right),u_{\mathrm{eq}}=-\frac{1}{B}\·\frac{\mathrm{df}\left(x_1\right)}{{\mathrm{dx}}_1}\·x_2$

此处，考虑了等式(6)的物理意义。等式(6)可以修改为等式(7)。

$\left(7\right){,u}_{\mathrm{eq}}=-\frac{1}{B}\·\frac{\mathrm{df}\left(x_1\right)}{{\mathrm{dx}}_1}\·x_2=-\frac{1}{B}\·\frac{\mathrm{df}\left(x_1\right)}{{\mathrm{dx}}_1}\·\frac{{\mathrm{dx}}_1}{\mathrm{dt}}=-\frac{1}{B}\·\frac{\mathrm{df}\left(x_1\right)}{\mathrm{dt}}$

换言之，等式(6)所示的控制输入u_eq表示加速前馈。然而，因为在模型速度到达目标速度并且不包括速度误差项之后对于跟随需要控制输入u_eq，模型速度就无法加速至目标速度。反馈控制器210的输入在查找操作的前半部分被加至模型侧控制系统250，从而在目标速度和模型速度之间仅因为等式(6)中的控制输入而发生误差。因此，考虑等式(8)所示的控制输入。

$\left(8\right),u=-\frac{1}{B}\·\frac{\mathrm{df}\left(x_1\right)}{{\mathrm{dx}}_1}\·x_2+\mathrm{\α}\frac{\mathrm{\σ}}{\left|\mathrm{\σ}\right|+\mathrm{\β}}$

等式(8)中的第一项是加速前馈，第二项是速度误差的非线性反馈，该两项形成二自由度控制系统。对于第二项，当速度误差大时反馈量小，但当速度误差较小时反馈量较大。然而，因为第一项从模型和目标速度曲线确定，等式(8)表示的控制输入没有自由度来调节到达目标速度曲线的方式，但该方式由第二项的α和β确定。通过使α较小而β较大，可以使到达目标速度的方式变得更平滑。与此同时，在查找操作的前半部分中添加的反馈控制器210的输出也引起对目标速度曲线的跟随性能变差。因此，在第一实施例中，实现等式(9)的模型侧控制系统250如图2所示配置，允许等式(9)所示的控制输入。

$\left(9\right),u=-\frac{1}{B}\·\frac{\mathrm{df}\left(x_1\right)}{{\mathrm{dx}}_1}\·x_2+\mathrm{\α}\frac{\mathrm{\σ}}{\left|\mathrm{\σ}\right|+\mathrm{\β}}-\mathrm{\λ}\·\frac{1}{B}\·\frac{\mathrm{df}\left(x_1\right)}{{\mathrm{dx}}_1}\·x_1$

在等式(9)中，第一项是基于相应于从模型位置到目标位置的剩余距离的目标速度的微分值乘以模型速度所获得的乘积值的数值。第二项是基于模型速度和目标速度之间的误差σ的数值。第三项是基于相应于剩余距离的目标速度的微分值和剩余距离的乘积值乘以增益常数λ所获得的值的数值。由等式(9)表示的根据第一实施例的模型侧控制系统250从这三项的数值获取前馈控制命令u。

更具体而言，前馈控制命令u用以下方式计算。如图2所示，当目标位置被设定而输入至模型侧控制系统250时，差分元件211获取剩余距离x₁，该剩余距离x₁是目标位置和由二重积分模型207计算的模型位置之间的差值。于是，通过参考目标速度表201中的目标速度曲线获取对应于剩余距离x₁的目标速度f(x₁)。目标速度表201是其中目标速度f(x₁)和剩余距离x₁被作为目标速度曲线预先相互关联的图表，并预先储存在诸如MPU 118中的存储器的存储单元中。

于是，差分元件212计算速度误差σ，该速度误差σ是所获取的目标速度f(x₁)和由二重积分模型207计算的模型速度x₂之间的差值。速度误差σ分别在补偿元件203和204中计算，并且等式(9)中第二项的数值被输出自补偿元件204。

另一方面，目标位置被输入至模型侧控制系统250，并通过参考微分值表202获得相应于剩余距离x₁的目标速度f(x₁)对于剩余距离x₁的微分值df(x₁)/dx₁。微分值表202是其中剩余距离x₁和目标速度f(x₁)对于剩余距离x₁的微分值df(x₁)/dx₁相互关联的图表，并储存在诸如MPU 118中的存储器的存储单元中。在第一实施例中，目标速度f(x₁)对于剩余距离x₁的微分值df(x₁)/dx₁是通过参考微分值表202获取的，但该数值不限于此。举例来说，如果MPU 118有高吞吐量，该微分值可以通过对获取自目标速度表201的目标速度f(x₁)进行微分获得。

微分值df(x₁)/dx₁在乘法器215中被乘以由二重积分模型207计算的模型速度x₂，乘积值在补偿元件216中被乘以1/B，并且等式(9)中第一项的数值被输出自补偿元件216。

此外，微分值df(x₁)/dx₁在乘法器217中被乘以剩余距离x₁，乘积值在补偿元件206中被乘以1/B，且进一步在补偿元件205中被乘以增益λ，并且等式(9)中第三项的数值被输出自补偿元件205。

以上述方式计算的等式(9)中第一项，第二项和第三项的数值由加法元件218和差分元件214分别加减，从而获取控制命令u。控制命令u被输入至二重积分模型207，并作为前馈控制命令u提供至致动器。

二重积分模型207接收控制命令u并计算模型速度x₂和模型位置。模型位置作为目标位置命令被输出至位置误差反馈控制系统。

在第一实施例中，为了使从加速到减速的控制命令的改变更平滑，应当注意到模型速度x₂被简单地设定为平滑地到达目标速度的事实。于是，模型侧控制系统被配置为使用目标速度对于剩余距离x₁的微分值df(x₁)/dx₁，以通过使用对应于目标速度的剩余距离x₁产生模型速度x₂跟随目标速度所需要的前馈控制命令u。通过所述产生，无需增加多于所需的增益λ，且模型速度x₂可以平滑地到达目标速度。

在等式(9)中，在模型速度到达目标速度之前，第二项和第三项是主导的，且主要由第二项和第三项使模型速度到达目标速度曲线。在到达目标速度曲线之后，第一项和第二项成为主导。在此种情形中，α和β从模型速度对目标速度曲线的跟随性能确定，且模型速度如何到达目标速度曲线由增益λ调整。增益λ的增加使模型速度平滑地到达目标速度曲线，从而能够使从加速到减速的改变变得更平滑。因此，在第一实施例中，增益λ被控制为可变。

然而，平滑到达目标速度曲线的方式会引起查找时间的增加。因此，在λ的大小和查找时间之间存在权衡。

接着考虑使用等式(9)所示的控制输入时模型侧控制系统到达稳定的条件。

所定义的等式(10)与速度误差σ相关，其中V是Lyapunov函数。

$\left(10\right),V=\frac{1}{2}\·{\mathrm{\σ}}^2$

当Lyapunov函数V接近0时，反馈控制系统变得稳定。

V的微分由等式(11)表示。

$\left(11\right),\stackrel{\·}{V}=\mathrm{\σ}\·\stackrel{\·}{\mathrm{\σ}}=\mathrm{\σ}(\frac{\mathrm{df}\left(x_1\right)}{{\mathrm{dx}}_1}{\stackrel{\·}{x}}_1-{\stackrel{\·}{x}}_2)=(-\frac{\mathrm{df}\left(x_1\right)}{{\mathrm{dx}}_1}{x}_2-B\·u)$

等式(9)所示的控制输入u被加至等式(11)，并且如下获得等式(12)。

$\left(12\right),\stackrel{\·}{V}=\mathrm{\σ}(-\frac{\mathrm{df}\left(x_1\right)}{{\mathrm{dx}}_1}{x}_2+\frac{\mathrm{df}\left(x_1\right)}{{\mathrm{dx}}_1}{x}_2+\mathrm{\λ}\·\frac{\mathrm{df}\left(x_1\right)}{{\mathrm{dx}}_1}\·x_1-\mathrm{\α}\·\mathrm{\β}\·\frac{\mathrm{\σ}}{\left|\mathrm{\σ}\right|+\mathrm{\β}})$

$=\mathrm{\σ}\·\mathrm{\λ}\·\frac{\mathrm{df}\left(x_1\right)}{{\mathrm{dx}}_1}{x}_1-\mathrm{\α}\·\mathrm{\β}\·\frac{{\mathrm{\σ}}^2}{\left|\mathrm{\σ}\right|+\mathrm{\β}}$

当等式(12)为负数时，Lyapunov函数V接近0。因此，该情形被通过将其分为以下四种情形进行考虑，其中df(x₁)/dx₁＞0，β相比于|σ|足够小，且r是移动距离。

首先，如果σ＜0且x₁＜0，等式(13)成立。因此，只需要成立等式(14)。

$\left(13\right),\mathrm{\σ}\·\mathrm{\λ}\·\frac{\mathrm{df}\left(x_1\right)}{{\mathrm{dx}}_1}{x}_1>0,\mathrm{\α}\·\mathrm{\β}\·\frac{{\mathrm{\σ}}^2}{\left|\mathrm{\σ}\right|+\mathrm{\β}}>0$

$\left(14\right),\mathrm{\&sigma;}\&CenterDot;\mathrm{\&lambda;}\&CenterDot;\frac{\mathrm{df}\left(x_1\right)}{{\mathrm{dx}}_1}{x}_1<\mathrm{\&alpha;}\&CenterDot;\mathrm{\&beta;}\&CenterDot;\frac{{\mathrm{\&sigma;}}^2}{\left|\mathrm{\&sigma;}\right|+\mathrm{\&beta;}}\&cong;\mathrm{\&alpha;}\&CenterDot;\mathrm{\&beta;}\&CenterDot;\frac{{\mathrm{\&sigma;}}^2}{\left|\mathrm{\&sigma;}\right|}=-\mathrm{\&alpha;}\&CenterDot;B\&CenterDot;\mathrm{\&sigma;}$

等式(15)获取自等式(14)，且等式(16)成立。

$\left(15\right),-\mathrm{\&sigma;}\&CenterDot;\mathrm{\&lambda;}\&CenterDot;\frac{\mathrm{df}\left(x_1\right)}{{\mathrm{dx}}_1}\left|x_1\right|<-\mathrm{\&alpha;}\&CenterDot;B\&CenterDot;\mathrm{\&sigma;}$

$\left(16\right),\mathrm{\&lambda;}\&CenterDot;\frac{\mathrm{df}\left(x_1\right)}{{\mathrm{dx}}_1}\left|x_1\right|<\mathrm{\&lambda;}\&CenterDot;\frac{\mathrm{df}\left(x_1\right)}{{\mathrm{dx}}_1}\left|r\right|<\mathrm{\&alpha;}\&CenterDot;B$

从上可知，如果σ＜0且x₁＜0，并且当增益λ被选择为满足等式(17)的条件，则等式(12)为负数，Lyapunov函数V接近0，且模型侧控制系统250稳定。

$\left(17\right),\mathrm{\&lambda;}<\frac{\mathrm{\&alpha;}\&CenterDot;B}{{\left(\frac{\mathrm{df}\left(x_1\right)}{{\mathrm{dx}}_1}\right)}_{\max }\left|r\right|}<\frac{\mathrm{\&alpha;}\&CenterDot;B}{\left(\frac{\mathrm{df}\left(x_1\right)}{{\mathrm{dx}}_1}\right)\left|r\right|}$

目标速度曲线通常用诸如等式(18)的等式表示。因此，当剩余距离小时，df(x₁)/dx₁的最大值是斜率R₁即常量，如等式(19)所示。

$\left(18\right),\left\{\begin{array}{c}f\left(x_1\right)=R_1\&CenterDot;x_1,x_1\&le;R\\ f\left(x_1\right)=R_2\&CenterDot;\sqrt{(x_1-R)}-R_3,x_1>R\end{array}\right.$

$\left(19\right),{\left(\frac{\mathrm{df}\left(x_1\right)}{{\mathrm{dx}}_1}\right)}_{\max }=R_1$

f(x₁)是目标速度曲线，R是改变目标速度曲线的剩余距离，R₁，R₂，R₃是决定目标速度曲线的参数。

如果σ＜0且x₁≥0，等式(12)总是负数。因此，在此种情形中，模型侧控制系统250总是稳定。

于是，如果σ≥0且x₁＜0，等式(12)总是负数。因此，在此种情形中，模型侧控制系统250总是稳定。

如果σ≥0且x₁≥0，等式(20)成立。因此，如果满足等式(21)，等式(12)为负数。

$\left(20\right),\mathrm{\&sigma;}\&CenterDot;\mathrm{\&lambda;}\&CenterDot;\frac{\mathrm{df}\left(x_1\right)}{{\mathrm{dx}}_1}{x}_1>0,\mathrm{\&alpha;}\&CenterDot;\mathrm{\&beta;}\&CenterDot;\frac{{\mathrm{\&sigma;}}^2}{\left|\mathrm{\&sigma;}\right|+\mathrm{\&beta;}}>0$

$\left(21\right),\mathrm{\&sigma;}\&CenterDot;\mathrm{\&lambda;}\&CenterDot;\frac{\mathrm{df}\left(x_1\right)}{{\mathrm{dx}}_1}{x}_1<\mathrm{\&alpha;}\&CenterDot;\mathrm{B\&CenterDot;}\frac{{\mathrm{\&sigma;}}^2}{\left|\mathrm{\&sigma;}\right|+\mathrm{\&beta;}}\&cong;\mathrm{\&alpha;}\&CenterDot;\mathrm{\&beta;}\&CenterDot;\frac{{\mathrm{\&sigma;}}^2}{\left|\mathrm{\&sigma;}\right|}=\mathrm{\&alpha;}\&CenterDot;B\&CenterDot;\mathrm{\&sigma;}$

等式(22)获取自等式(21)，且等式(23)成立。

$\left(22\right),\mathrm{\&sigma;}\&CenterDot;\mathrm{\&lambda;}\&CenterDot;\frac{\mathrm{df}\left(x_1\right)}{{\mathrm{dx}}_1}\left|x_1\right|<-\mathrm{\&alpha;}\&CenterDot;B\&CenterDot;\mathrm{\&sigma;}$

$\left(23\right),\mathrm{\&lambda;}\&CenterDot;\frac{\mathrm{df}\left(x_1\right)}{{\mathrm{dx}}_1}\left|x_1\right|<\mathrm{\&lambda;}\&CenterDot;\frac{\mathrm{df}\left(x_1\right)}{{\mathrm{dx}}_1}\left|r\right|<\mathrm{\&alpha;}\&CenterDot;B$

从上可知，如果σ≥0且x₁≥0，并且当增益λ选择为满足等式(24)的条件，则等式(12)为负数，Lyapunov函数V接近0，从而模型侧控制系统250稳定。

$\left(24\right),\mathrm{\&lambda;}<\frac{\mathrm{\&alpha;}\&CenterDot;B}{{\left(\frac{\mathrm{df}\left(x_1\right)}{{\mathrm{dx}}_1}\right)}_{\max }\left|r\right|}<\frac{\mathrm{\&alpha;}\&CenterDot;B}{\left(\frac{\mathrm{df}\left(x_1\right)}{{\mathrm{dx}}_1}\right)\left|r\right|}$

从等式(17)到等式(23)可知，第一实施例配置成将增益λ设定为满足等式(25)的条件，并且模型侧控制系统250通过等式(9)所示的控制命令到达稳定。

$\left(25\right),\mathrm{\&lambda;}<\frac{\mathrm{\&alpha;}\&CenterDot;B}{{\left(\frac{\mathrm{df}\left(x_1\right)}{{\mathrm{dx}}_1}\right)}_{\max }\left|r\right|}$

以下参考图3说明以上述方式配置的根据第一实施例的磁头定位控制处理。

首先，在模型侧控制系统250中设定目标位置(步骤S301)，且模型侧控制系统250从模型位置和目标位置之间的差值计算剩余距离(步骤S302)。于是，确定查找操作是否处于第一样本(步骤S303)。如果处于第一样本(步骤S303：是)，就将增益λ设定在等式(25)的范围内(步骤S304)。如果查找操处于第二样本(步骤S303：否)，则其后不设定增益λ。

通过参考目标速度表的目标速度曲线，从剩余距离获得目标速度，并且进一步通过参考微分值表获得目标速度对于剩余距离的微分值(步骤S305)。于是，计算目标速度和模型速度之间的差值(步骤S306)。并且根据等式(9)从模型速度，模型位置，目标速度和目标速度对于剩余距离的微分值获得二重积分模型207的控制命令(步骤S307)。此外，二重积分模型207的控制命令u作为前馈控制命令u提供至致动器(步骤S308)。

二重积分模型207从所输入的控制命令u计算模型位置和模型速度(步骤S309)，并将模型位置作为目标位置命令提供至位置误差反馈控制系统260(步骤S310)。通过这些处理过程，位置误差反馈控制系统260根据作为目标位置命令的模型位置和磁头111的当前实际位置进行位置误差反馈控制，并进行磁头111的查找控制。

另一方面，模型侧控制系统250确定模型位置和目标位置是否互相符合(步骤S311)。如果两个位置符合，由模型侧控制系统250进行的处理完成。如果两个位置不符合，重复执行从步骤S302到S310的处理过程。

以下通过使用计算结果和实验结果说明根据第一实施例的由硬盘驱动器(HDD)进行的磁头定位控制的效果。

图4显示用于模拟的致动器控制模型的频率特性和用于模型侧控制系统的二重积分模型的频率特性。在该实例中使用2.5英寸大小HDD的致动器模型。如图4所示，致动器主要在接近10.6kHz和接近14kHz处有机械共振。读取位置误差的取样周期是10.08kHz，并且在模型侧控制系统中，以取样周期两倍的周期(20.16kHz)进行计算。在根据比较例的方法中，1/3寻道时的模型的模拟结果显示在图5至图8中。

如图5所示，给予致动器的控制命令向减速的转换陡峭。因此，如图6所示，发现在致动器的包括取样点之间的响应时间的位置存在残余振动。还从图7所示的致动器位置的二次微分发现在转换到减速时激起机械共振。由此可见，当通过使用根据比较例的方法进行磁头定位控制时，可以认识到查找时的噪声大。此外，如图8所示，模型速度对目标速度的跟随性能相对于目标速度存在误差。因此很明显，通过根据比较例的方法的磁头定位控制模型速度无法跟随高速的目标速度。

现在说明当使用根据图2的第一实施例的磁头定位控制系统时对相同致动器的控制模型的模拟结果。作为当使用由等式(8)计算的控制命令u时模型速度对目标速度曲线的跟随性能，如图9所示，相比于根据比较例的方法，当使用等式(8)中的控制命令时，明显提高了对目标速度的跟随性能。然而，如果提供了目标速度曲线，就确定了目标速度对于剩余距离的微分。因此，为了控制模型速度如何到达目标速度，需要改变α和β。然而，如果改变α和β并从而改变到达的方式，则该改变会影响对目标速度的跟随性能。因此，使用等式(9)中显示的控制命令。

当等式(9)中改变增益λ时，图10显示给予致动器的控制命令的状态。当使用等式(9)中的控制命令时，致动器位置处的各个状态被显示为在图11中：λ＝0，图12：λ＝2，图13：λ＝4，和图14：λ＝6的情况。

很明显，如图10所示，增益λ的增加允许控制命令加速和减速的平滑改变，并且如图11至图14所示，减少对致动器稳定时的残余振动。在致动器稳定时致动器位置处的二次微分被显示为在图15中：λ＝0，图16：λ＝2，图17：λ＝4，和图18：λ＝6的情况。

从图15至图18清楚可见，能够使控制命令向减速的改变变得更平滑。因此，相比于根据比较例的方法，明显抑制了减速时激起的机械共振。从这些事实，可以期望查找时的低噪声。

通过实施2.5英寸大小的HDD中提出的控制系统，并使用根据第一实施例的磁头定位控制以及根据比较例的方法的磁头定位控制，对1/3寻道时的稳定波形和噪声进行测量。如图19所示的由根据比较例的磁头定位控制系统进行的稳定波形所示，明显发生了由于致动器的机械共振引起的残余振动，与模拟结果相似。

由根据第一实施例的磁头定位控制系统进行的稳定波形被显示为在图20中：λ＝0，图21：λ＝2，图22：λ＝4，和图23：λ＝6的情况。从图20到图23所示的稳定波形明显可见，增益λ的增加允许抑制由于机械共振引起的残余振动，与模拟结果相似。

作为连续查找1/3轨道时的噪声的1/3倍频程分析的结果，如图24所示，从噪声的1/3倍频程分析清楚可见，可以大大减少高频区的噪声。

在根据比较例的磁头定位控制系统中，为了平滑地从加速转换至减速同时不牺牲对目标速度的跟随能力，需要取决于速度误差改变速度反馈系数。举例来说，可以考虑以下方法。该方法为，“当模型速度距离目标速度很远时，增加增益来减少到达目标速度的时间，而当模型速度接近目标速度时，减少增益来更平滑地到达目标速度。接着，当速度误差小于固定值时，增加增益来改进跟随性能。”。此种情形中的实例显示在图25中。如图25所示，通过模型速度接近目标速度曲线时减少增益，能够使转换到减速时的改变变得更平滑。此外，并不大大降低对目标速度的跟随性能。

然而，当再次增加反馈增益来改进对目标速度的跟随性能时，控制命令突然改变，从而容易激起致动器的机械共振。为了通过根据比较例的方法避免机械共振，需要在从加速改变到减速的短时间段内多次进行增益转换。短时间段内的增益转换造成使时间设定极其困难。此外，还存在多个设定参数，诸如转换时间和反馈增益。此外，因为从加速到减速的改变模式取决于查找距离改变，转换到减速的时间需要取决于查找距离而改变，这样就使控制程序非常复杂。上述事实显示根据比较例的方法中从加速到减速的转换方式的控制极其困难。

在根据第一实施例的硬盘驱动器的磁头定位控制系统中，模型侧控制系统被配置为使用目标速度对于剩余距离x₁的微分值df(x₁)/dx₁，并且通过使用对应于目标速度的剩余距离x₁产生模型速度x₂跟随目标速度所需的前馈控制命令u。因此，可以改进模型速度对目标速度的跟随能力，并且通过平滑地将控制命令从加速转换到减速可以抑制机械共振的激起。

根据第二实施例的硬盘驱动器在磁头定位控制系统中控制命令u的计算方法中不同于第一实施例。

根据第二实施例的磁头定位控制系统也有两个控制回路，诸如模型侧控制系统2650和位置误差反馈控制系统(C(z))260，如图26所示。位置误差反馈控制系统(C(z))260与第一实施例相同。

在第二实施例中，控制命令u由等式(26)获取，而非第一实施例中用来计算控制命令u的等式(9)。

$\left(26\right),u=-\frac{1}{B}\&CenterDot;\frac{\mathrm{df}\left(x_1\right)}{{\mathrm{dx}}_1}\&CenterDot;x_2+\mathrm{\&alpha;}\frac{\mathrm{\&sigma;}}{\left|\mathrm{\&sigma;}\right|+\mathrm{\&beta;}}-\mathrm{\&lambda;}\&CenterDot;\frac{1}{B}\&CenterDot;(x_2-\frac{\mathrm{df}\left(x_1\right)}{{\mathrm{dx}}_1}\&CenterDot;x_1)$

换言之，等式(26)中的第三项不同于等式(9)。具体而言，在模型侧控制系统2650中，控制命令u和模型位置的获取基于相应于剩余距离x₁的目标速度f(x₁)对于剩余距离x₁的微分值df(x₁)/dx₁乘以模型速度x₂获得的乘积值，并且也基于某个差值乘以增益常数λ获得的数值，该差值是微分值df(x₁)/dx₁和剩余距离x₁的乘积值与模型速度x₂之间的差。

更具体而言，如图26所示，乘法器217将微分值df(x₁)/dx₁乘以剩余距离x₁来获得乘积值。差分元件2601计算该乘积值和由二重积分模型207计算的模型速度x₂之间的差值。于是，补偿元件206和205分别依次将该差值乘以1/B和乘以增益λ。通过该计算，等式(26)中第三项的数值被输出自补偿元件205。等式(26)中第一项和第二项的数值用和第一实施例相同的方式计算。

以上述方式计算的等式(26)中第一项，第二项和第三项的数值分别在加法元件218和差分元件214中加减，以获取控制命令u。控制命令u被输入至二重积分模型207，并且也作为前馈控制命令u提供至致动器。

在根据第二实施例的硬盘驱动器的磁头定位控制系统中，模型侧控制系统被配置为使用目标速度对于剩余距离x₁的微分值df(x₁)/dx₁，并且通过使用对应于目标速度的剩余距离x₁产生模型速度x₂跟随目标速度所需的前馈控制命令u。因此，可以改进模型速度对目标速度的跟随能力，并可以通过平滑地将控制命令从加速转换至减速抑制机械共振的激起。

根据第三实施例的硬盘驱动器在磁头定位控制系统中控制命令u的计算方法中不同于第一和第二实施例。

根据第三实施例的磁头定位控制系统也有两个控制回路，诸如模型侧控制系统2750和位置误差反馈控制系统(C(z))260，如图27所示。位置误差反馈控制系统(C(z))260与第一实施例相同。

在第三实施例中，控制命令u由等式(27)获取，而非第一实施例中用来计算控制命令u的等式(9)。

$\left(27\right),u=\left\{\begin{array}{cc}-\frac{1}{B}\&CenterDot;\frac{\mathrm{df}\left(x_1\right)}{{\mathrm{dx}}_1}\&CenterDot;x_2\&CenterDot;+\mathrm{\&alpha;}\frac{\mathrm{\&sigma;}}{\left|\mathrm{\&sigma;}\right|+\mathrm{\&beta;}}-\mathrm{\&lambda;}\&CenterDot;\frac{1}{B}\&CenterDot;(L-\frac{\mathrm{df}\left(x_1\right)}{{\mathrm{dx}}_1})\&CenterDot;x_2& \frac{\mathrm{df}\left(x_1\right)}{{\mathrm{dx}}_1}<L\\ -\frac{1}{B}\&CenterDot;\frac{\mathrm{df}\left(x_1\right)}{{\mathrm{dx}}_1}\&CenterDot;x_2\&CenterDot;+\mathrm{\&alpha;}\frac{\mathrm{\&sigma;}}{\left|\mathrm{\&sigma;}\right|+\mathrm{\&beta;}}& \frac{\mathrm{df}\left(x_1\right)}{{\mathrm{dx}}_1}\&GreaterEqual;L\end{array}\right.$

换言之，等式(27)中的第三项不同于等式(9)和等式(26)。具体而言，在模型侧控制系统2750中，如果相应于剩余距离x₁的目标速度f(x₁)对于剩余距离x₁的微分值df(x₁)/dx₁小于预定阈值L，则控制命令u和模型位置的获取基于微分值df(x₁)/dx₁和模型速度x₂的乘积值，并且也基于该微分值df(x₁)/dx₁和阈值L之间的差值分别乘以模型速度x2和增益常数λ获得的数值。

更具体而言，如图27所示，差分元件2702计算阈值L(保存在阈值保存单元2701中)和微分值df(x₁)/dx₁之间的差值，且乘法器217将该差值乘以由二重积分模型207计算的模型速度x₂以获取乘积值。该乘积值相继在补偿元件206中被乘以1/B，在补偿元件205中被乘以增益λ。如果微分值df(x₁)/dx₁小于阈值L，就接通开关，且该数值作为等式(27)中的第三项输出自补偿元件205。另一方面，如果微分值df(x₁)/dx₁大于阈值L，就切断开关，且不从补偿元件205输出任何数值。如果其等于阈值L，则开关被接通或切断。

以上述方式计算的等式(27)中第一项，第二项和第三项的数值分别在加法元件218和差分元件214中加减，以获取控制命令u。控制命令u被输入至二重积分模型207，并也作为前馈控制命令u提供至致动器。

在根据第三实施例的硬盘驱动器的磁头定位控制系统中，模型侧控制系统被配置为使用目标速度对于剩余距离x₁的微分值df(x₁)/dx₁，并且通过使用对应于目标速度的剩余距离x₁产生模型速度x₂跟随目标速度所需的前馈控制命令u。因此，可以改进对目标速度的跟随性能，并且可以通过平滑地将控制命令从加速转换至减速抑制机械共振的激起。

对本领域的熟练技术人员而言很容易实现其他优点和修改。因此，本发明在其更广大的各个方面并不限于本文显示和说明的具体细节和代表性实施例。相应地，可以进行各种修改而不背离由附后的权利要求及其等价内容定义的总体发明概念的精神和范围。

Claims (13)

1.一种磁盘装置，其特征在于，该磁盘装置包括：

其上记录数据的磁盘；

对于所述磁盘进行记录和再现数据的磁头；

在所述磁盘的径向移动所述磁头的磁头驱动器；和

定位控制器，该定位控制器向所述磁头驱动器发出控制命令，以控制磁头定位在所述磁盘上的目标位置上，其中

所述定位控制器包括

反馈控制器，该反馈控制器根据所述磁头的目标位置和实际位置之间的误差进行反馈控制；和

模型控制器，该模型控制器通过使用预设定的控制等式模型获取控制命令，要被作为目标位置的命令输出到反馈控制器的模型位置，和用于所述磁头跟随目标速度的模型速度，以及根据相应于从模型位置到目标位置的剩余距离的目标速度的微分值以所述目标位置作为输入，获取控制命令和模型位置。

2.如权利要求1所述的磁盘装置，其特征在于，

所述模型控制器根据所述微分值乘以模型速度获得的数值获取所述控制命令和所述模型位置。

3.如权利要求1所述的磁盘装置，其特征在于，

所述模型控制器根据所述模型速度和所述目标速度之间的误差获取所述控制命令和所述模型位置。

4.如权利要求1所述的磁盘装置，其特征在于，

所述模型控制器根据所述微分值乘以到达所述目标位置的剩余距离获得的数值获取所述控制命令和所述模型位置。

5.如权利要求1所述的磁盘装置，其特征在于，

所述模型控制器根据所述微分值乘以到达目标位置的剩余距离以及增益常数获得的数值获取所述控制命令和所述模型位置。

6.如权利要求5所述的磁盘装置，其特征在于，

所述模型控制器以可变方式控制所述增益常数。

7.如权利要求1所述的磁盘装置，其特征在于，

所述模型控制器根据所述微分值乘以到达所述目标位置的剩余距离获得的数值与模型速度之间的差值乘以增益常数获得的数值获取所述控制命令和所述模型位置。

8.如权利要求1所述的磁盘装置，其特征在于，

当所述微分值小于预定阈值时，所述模型控制器根据所述微分值乘以所述模型速度获得的数值，所述模型速度和所述目标速度之间的误差，和所述微分值与所述阈值之间的差值乘以模型速度和增益常数获得的数值获取所述控制命令和所述模型位置。

9.如权利要求1所述的磁盘装置，其特征在于，

当所述微分值大于预定阈值时，所述模型控制器根据所述微分值乘以所述模型速度获得的数值，以及所述模型速度和所述目标速度之间的误差获取所述控制命令和所述模型位置。

10.如权利要求1所述的磁盘装置，其特征在于，该磁盘装置进一步包括：

在其中存储微分值表的存储单元，该微分值表中将所述剩余距离与所述目标速度的微分值相关联，其中

模型控制器从所述目标位置和所述模型位置计算所述剩余距离，从所述微分值表获取相应于所计算的剩余距离的目标速度的微分值，并根据所获得的微分值获取所述控制命令和所述模型位置。

11.如权利要求1所述的磁盘装置，其特征在于，该磁盘装置进一步包括：

存储目标速度曲线表的存储单元，该目标速度曲线表中将所述剩余距离与所述目标速度相关联，其中

所述模型控制器从来自目标速度曲线表的目标位置和模型位置之间的差值获取目标速度，并根据相应于所述剩余距离的目标速度的微分值获取所述控制命令和所述模型位置。

12.如权利要求1所述的磁盘装置，其特征在于，

所述模型控制器进一步包括产生所述模型位置和所述模型速度的二重积分处理器。

13.一种控制磁头在磁盘上的位置的方法，其特征在于，该方法包括：

通过根据所述磁头的目标位置和实际位置之间的误差进行反馈控制来控制对于所述磁盘进行记录和再现数据的磁头定位到所述磁盘上的目标位置；和

当通过使用预设定的控制等式模型获取向在所述磁盘的径向移动所述磁头的磁头控制器发出的控制命令、将要作为用于反馈控制的目标位置命令输出的模型位置和用于磁头跟随目标速度的模型速度时，根据相应于从所述模型位置到所述目标位置的剩余距离的所述目标速度的微分值，以所述目标位置作为输入，获取所述控制命令和所述模型位置。

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