CN101276592A - 磁盘设备和用于控制磁头的方法 - Google Patents

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CN101276592A CNA2008100903493A CN200810090349A CN101276592A CN 101276592 A CN101276592 A CN 101276592A CN A2008100903493 A CNA2008100903493 A CN A2008100903493A CN 200810090349 A CN200810090349 A CN 200810090349A CN 101276592 A CN101276592 A CN 101276592A
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Abstract

一种磁盘设备包括：驱动单元；位置错误反馈控制系统；和速度控制系统。驱动单元被配置以移动可操作用于磁盘上信息的磁记录/再现的磁头。位置错误反馈控制系统被配置以基于目标磁轨位置和被探测的磁头位置之间的差异进行驱动单元的反馈控制。速度控制系统被配置以基于磁头移动前的位置，磁头的目标磁轨位置和将要受记录/再现的数据扇区的位置改变目标速度曲线，用于使用驱动单元的控制数学模型控制驱动单元，从而驱动单元的速度跟随目标速度曲线。

Description

磁盘设备和用于控制磁头的方法
                      相关申请的交叉引用
本申请基于2007年3月27日提交的第2007-081901号在先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而结合在本文中。
技术领域
本发明涉及磁盘设备和磁头在旋转磁盘上方移动时控制磁头的方法。
背景技术
用于磁盘设备的磁头的定位控制系统通常包括基于微计算机的数字控制系统。更具体地，根据离散获得的磁头的位置信息，控制命令在微计算机中进行计算并且通过D/A(数字/模拟)转换器提供到促动器的驱动单元。通常，促动器具有高频频带中的机械共振。因此，为了以高速度，低振动和低噪音将磁头移动到目标位置，产生避免激发机械共振的前馈控制输入是非常重要的。
作为快速短距离移动磁头的方法，向促动器的避免激发机械共振的前馈控制输入和向反馈控制系统的目标位置命令可以使用最优化技术事先进行计算并且作为表格保存。然而，由于微处理器的存储容量的问题，使用这样的用于每个查找距离的方法是不可能的。因而，在长距离查找的情况下，向促动器的前馈控制输入以及目标位置命令必需在线产生。
作为用于该目的的方法，可以在控制系统中设置促动器模型，并且可以使模型速度跟随目标速度曲线。因此向模型的控制命令以及模型位置能够分别作为向促动器的前馈控制输入以及目标位置命令向反馈控制系统提供。然而，由于数据的在线产生因此难以使用最优化技术，并且难以实现避免激发机械共振的快速查找。
另一方面，在磁盘设备中，只有在期望数据扇区到达磁头下方后才能进行数据读/写。更具体地，当期望数据扇区在查找开始时位于远处时，以可能导致激发促动器的机械共振的高速度移动磁头是毫无意义的，因为然后必须在到达目标磁轨后等待将要写入的数据扇区到达磁头下方。在该方面，JP-A 2000-040317(Kokai)揭示了一种取决于查找开始时将要被写入的数据扇区的位置改变磁头的目标速度的最大值的方法。
发明内容
根据本发明的一个方面提供一种磁盘设备，该磁盘设备包括：驱动单元，其被配置以移动可操作用于磁盘上信息的磁记录/再现的磁头；位置错误反馈控制系统，其被配置以基于所述磁头的目标磁轨位置和被探测位置之间的差异进行所述驱动单元的反馈控制；和速度控制系统，其被配置以基于所述磁头移动前的位置，所述磁头的目标磁轨位置和将要受记录/再现的数据扇区的位置改变目标速度曲线，用所述驱动单元的控制数学模型控制所述驱动单元从而使所述驱动单元的速度跟随所述目标速度曲线。
根据本发明的另一个方面提供一种磁盘设备，该磁盘设备包括：驱动单元，其被配置以移动可操作用于磁盘上信息的磁记录/再现的磁头；和速度控制系统，其被配置以控制所述驱动单元，所述速度控制系统基于数据扇区到达所述磁头的目标磁轨位置下方之前的时间改变目标速度曲线，所述时间从所述磁头移动前的位置，所述磁头的目标磁轨位置和将要受记录/再现的数据扇区的位置中被找到。。
根据本发明的另一个方面提供一种控制磁盘设备的磁头的方法，该方法包括：基于目标磁轨位置和被探测的磁头位置之间的差异进行驱动单元的反馈控制；和，同时，基于所述磁头移动前的位置，所述磁头的目标磁轨位置，和将要受记录/再现的数据扇区的位置改变目标速度曲线，并且通过使用所述驱动单元的控制数学模型控制所述驱动单元从而所述驱动单元的速度跟随所述目标速度曲线。
附图说明
图1是显示根据本发明的实施例的磁盘设备的主要部分的方案图。
图2是显示该实施例的磁盘设备的查找控制系统的示意图。
图3是显示查找控制系统中进行的处理的方案图。
图4是显示比较例的磁盘设备的查找控制系统中进行的处理的方案图。
图5A和5B是说明磁头和磁盘之间的关系的示意图。
图6是说明该实施例的磁盘设备的查找控制系统的框图。
图7A和7B是说明比较例的磁盘设备的查找控制系统的框图。
图8概念地说明存储在目标速度曲线确定单元310和速度反馈增益确定单元320中的参数设定表。
图9是说明目标速度的暂时变化的曲线图。
图10A和10B显示该实例中受控目标的频率特性的曲线图。
图11A和11B显示向VCM的控制命令的曲线图。
图12A和12B显示VCM的稳定时间时的响应波形的曲线图。
具体实施方式
下文将参考附图详细描述本发明的实施例。
图1是显示根据本发明的实施例的磁盘设备的主要部分的方案图。
该实施例的磁盘设备包括主要由微处理器(MPU)18构成的磁头定位控制机构。磁头11由臂12支撑。臂12通过设置在驱动单元3中的音圈电动机(VCM)13的驱动力在磁盘14的径向移动磁头11。VCM 13包括磁铁15和驱动线圈16，并且由从功率放大器17提供的电流驱动。MPU 18计算由D/A转换器19转换成模拟信号并提供给功率放大器17的控制命令。功率放大器17将来自MPU 18的控制命令转换成驱动电流并且将其提供给VCM 13。
该设备包括一个或多个由主轴电动机快速旋转的磁盘14。多个磁轨同心地形成在带有均匀间隔的伺服区20的磁盘14上。磁轨位置信息事先嵌入伺服区20中。通过磁头11在伺服区20上的横移，来自磁头11的信号由磁头放大器21检索，磁头放大器21放大该读取的信号并将信号提供到伺服数据处理电路22。伺服数据处理电路22从经放大的读取信号产生伺服信息并且以规则的时间间隔将其输出到MPU 18。MPU 18根据从I/O 23检索的伺服信息计算磁头11的位置并且以从产生磁头位置开始的规则的时间间隔计算将要发送到VCM 13的控制命令。
图2是显示该实施例的磁盘设备的查找控制系统的示意图。
图3是显示该查找控制系统中进行的处理的方案图。
图4是显示比较例的磁盘设备的查找控制系统中进行的处理的方案图。
图5A和5B是说明磁头和磁盘之间的关系的示意图。
图2中所示的查找控制系统包括位置错误反馈控制系统(C2(Z))100，模型控制系统200和速度反馈控制器300。模型控制系统200和速度反馈控制器300形成速度控制系统。在模型控制系统200中建立促动器的虚拟数学模型。将要提供给位置错误反馈控制系统100的目标位置命令以及前馈控制输入通过使模型速度跟随目标速度而产生。从模型控制系统200输出的前馈控制输入与有关目标磁轨位置(目标位置)的信息一起输入到速度反馈控制器300，并且作为前馈控制输入通过限制器400输出到音圈电动机13。
为了提高促动器(VCM 13)的查找性能，向促动器提供平滑的前馈控制输入是重要的。为此，以n倍于反馈控制系统100的采样频率进行模型控制系统200中的计算。
在查找时间中，位置错误反馈控制系统100可以在″观察模式″和″两自由度控制模式″下操作。在查找的第一个半过程期间的观察模式中，反馈控制系统100的输出施加到模型控制系统200的输入端(开关sw1连接到终端2)以使模型的状态(位置和速度)接近促动器的运动。在查找的第二个半过程期间，反馈控制系统的输出施加到促动器(VCM 13)(开关sw1连接到终端1)，用于作为正常的两自由度控制系统的操作。这样就能够减小查找期间电流饱和的影响和位置探测噪音的影响。
在这样的查找控制系统中可以构造目标速度曲线和速度控制系统，从而如果只已知目标磁轨的位置(目标磁轨数)，磁头也尽快移动到目标磁轨，如在图4中所示的比较例中一样。或者，如在JP-A 2000-040317(Kokai)中的揭示，根据将要写入的数据扇区的位置只可改变目标速度的最大值。
然而，如果连续使用相同的目标速度曲线和速度控制系统参数，即如果加速/减速的变化恒定，则可能激发臂的机械共振。例如，如在图5A中所示，将要写入的数据扇区14A可能位于远离磁头11处。即，数据扇区14A到达磁头11下方之前有足够长的时间。在该情况下，如果磁头11以最大速度查找，则如在图5B中所示，当磁头11到达目标磁轨14T时将要写入的数据扇区14A还未到达磁头11下方，因此发生等待时间。然而，快速查找和磁头的减速往往激发臂12的机械共振。因此，当数据扇区14A到达磁头11下方时，写操作可能因为磁头11的振动而被禁止。
另一方面，虽然改变目标速度的最大值的方法对于减小功耗有效，但在达到最大速度的加速部分中和从最大速度到停止的减速部分中仍使用相同的目标速度，因此减速方式保持不变。因此在减速过程中的当前变化的行为保持相同，同时由于到达目标磁轨时的机械共振使避免振动的效果很小。
通常，一旦磁头11到达目标磁轨14T并非必定可以进行数据写入。只有在将要写入数据的数据扇区14A到达磁头11下方后才能进行写入操作。因此，即使磁头11快速移动，仍可能必须等待数据扇区14A到达磁头11下方。然后，当磁头11停止在目标磁轨14T时，磁头11的快速减速往往激发磁头11的振动，并且在数据扇区14A到达前磁头11可能一直不停止振动。在该情况下，直到磁盘14旋转另一圈才能写入数据。
相反，根据该实施例，使目标速度曲线和速度反馈增益独立可变。即，除了最大速度外，减速部分中的速度变化率也是变化的。然后，如在图3中所示，根据例如磁头11在查找开始时所处的磁轨的磁头11移动前的位置，和例如将要写入数据的磁轨和数据扇区的磁头的目标位置及数据扇区的位置得到被允许进行查找的时间(允许查找时间TSE)。目标速度曲线参数和速度反馈增益从事先准备的表中选择，使磁头在上述被允许的时间内移动到目标磁轨。这样就可以在将要写入数据的磁轨到达磁头的目标位置前平滑地查找磁头，没有磁头不必要的快速的加速或减速。
图6是说明该实施例的磁盘设备的查找控制系统的框图。
图7A和7B是说明比较例的磁盘设备的查找控制系统的框图。
在这两个查找控制系统中，模型控制系统200包括指示状态平衡的A矩阵210，B矩阵220，C矩阵240以及单样本延迟230的组合。
在图7中所示的比较例中，速度反馈控制器300包括目标速度曲线确定单元360和速度反馈增益确定单元370，该两单元分别存储固定的目标速度曲线Vref和速度反馈增益k。即，速度反馈控制器300根据具有加速/减速的恒定变化的目标速度曲线和固定的速度反馈增益进行速度反馈。
相反，在图6中所示的该实施例的查找控制系统中，设置在速度反馈控制器300中的目标速度曲线确定单元310和速度反馈增益确定单元320存储变量参数。被允许进行查找的时间使用磁头11在查找开始时所处的磁轨以及将要写入数据的磁轨和数据扇区得到。目标速度曲线参数和速度反馈增益从事先准备的表中选择，从而磁头11在该被允许的时间内逐渐移动到目标磁轨。具体地，例如在图3中所示，目标磁轨数输出到超高速缓存350，并且能够从超高速缓存350接收到被允许进行查找的时间TSE。
目标速度曲线Vref通过下面的公式给出，例如：
v ref = b x - c - d ax - - - ( 1 )
其中x是查找距离，即驱动单元的驱动量。在该情况下，通过由参数a定义的线性部分和由参数b，c和d定义的曲线部分的组合表达该目标速度曲线。当距离x处在线性部分和曲线部分之间的连接点的较小侧时遵循线性部分。当距离x处在连接点的较大侧时遵循曲线部分。
图8概念性地说明存储在目标速度曲线确定单元310和速度反馈增益确定单元320中的参数设定表。
更具体地，目标速度曲线的参数a，b，c和d以及速度反馈增益k可取决于查找距离x和允许查找时间TSE的组合预先设定。在查找开始时间，速度反馈控制器300根据磁头11在查找开始时所处的磁轨和将要写入数据的磁轨及数据扇区确定被允许进行查找的时间(允许查找时间)TSE，即将要写入数据的数据扇区到达磁头11的目标位置下方之前的时间，并且从图8的表中选择目标速度曲线的参数和速度反馈增益，从而磁头在该时间内逐渐移动到目标磁轨。
如下文参考实例的详细描述，目标速度曲线的参数a，b，c和d最好设定成使磁头能够在规定的时间内移动规定的距离，同时最小化快速减速的发生。即，在图8的表中确定参数a，b，c和d，从而使目标速度随被允许查找时间的增加而降低。例如，当允许查找时间TSE增加时最好将参数a设定得较小。
图9是说明目标速度的暂时变化的曲线图。
在该实例中，目标速度曲线Vref1使磁头11以高速度并且在短时间内快速减速地移动，而目标速度曲线Vref2使磁头11以低速度并且在较长时间内逐渐减速地移动。在该实施例中，目标速度的减速率因而是变化的。如果这些目标速度曲线Vref1和Vref2中的任何一个能够用于在规定的时间内移动磁头11规定的查找距离，则最好使用与逐渐减速相关的Vref2。这样就可以防止快速减速并且减小磁头11的振动。
另一方面，通常，最好对于高目标速度将反馈增益k设定得较大，而对于低目标速度将其设定得较小。对于高目标速度，反馈增益需要增加到跟随高目标速度的一定范围。然而，对于低目标速度，最好也降低反馈增益以防止快速加速或减速。
下文将描述本发明的模拟实例。
图10A和10B显示该实例中受控目标的频率特性的曲线图。更具体地，图10A显示从查找控制系统的控制命令到磁头位置的增益，图10B显示其相位的频率特性。
在该实例的模拟中使用的控制目标(VCM)具有9.5kHz附近的机械共振。二重积分用于模型控制系统200的VCM模型(见图2和6)。采样频率设定到10.08kHz，并且模型控制系统的计算频率设定到20.16kHz。
作为第一种情况，由公式(2)表达的目标速度曲线和由公式(3)表达的速度反馈增益应用到该用于查找操作的受控目标。公式(2)和公式(3)主要意在尽快将磁头移动到目标磁轨。
k = 1 4 - - - ( 3 )
进一步，作为第二种情况，由公式(4)表达的目标速度曲线和由公式(5)表达的速度反馈增益用于查找操作。
Figure A20081009034900112
k = 1 10 - - - ( 5 )
这些条件建立在给出16毫秒的允许查找时间的假设上。与第一种情况相比，第二种情况意在以较低的速度将磁头移动到目标磁轨。
图11A和11B显示向VCM的控制命令的曲线图。更具体地，图11A和11B分别显示用于第一和第二种情况的控制命令。在这些曲线图中，水平轴代表时间(毫秒)，垂直轴代表提供给D/A转换器19(见图1)的控制命令的数值。
在图11A所示的第一种情况中，目标速度曲线的参数a，b和c大，速度反馈增益k也大。因此命令值从+3700的上限快速下降到约-3000。即，VCM承受快速的加速和减速。相反，在图11B所示的第二种情况中，从上限值开始的下降是平缓的，并且最小值限制到约-1700。即，其结果是VCM受到更平缓的控制。
图12A和12B显示在VCM的稳定时间的响应波形的曲线图。更具体地，图12A和12B分别显示用于第一和第二种情况的响应波形。在这些曲线图中，水平轴代表时间(毫秒)，垂直轴代表从当前磁轨到目标磁轨的剩余磁轨的数量。
图12A中所示的第一种情况基于高速度和大速度反馈增益的目标速度曲线。因此，当数据扇区到达磁头11下方时仍保持振动而不能写入数据。在该情况下，必须等待另一圈转动。在该模拟的情况下，转速数为5400rpm。因此数据写入需要的时间增加11毫秒或更多给查找时间。
相反，在图12B所示的第二种情况中抑制了由于稳定时间时的机械共振引起的振动。这样就可以在将要写入的数据扇区到达磁头11下方时立即写入数据。
如上所述，根据该实施例，根据磁头11移动前的位置以及磁头的目标位置和数据扇区的位置计算允许查找时间TSE，并且目标速度曲线的参数和速度反馈增益根据该允许查找时间TSE变化。从而在数据扇区到达磁头下方时能够立即读和/或写数据。
本发明的实施例已经参考实例进行了描述。然而，本发明不限于上述实例。只要技术上可行，就能够互相组合上述参考图1到12的两个或更多实例，并且这样的组合也包括在本发明的范围内。
进一步，例如，目标速度曲线不限于由公式(1)表达的线性部分和曲线部分的组合。代替这些线性和曲线部分，目标速度曲线可以是由其它公式表达的两个或更多线性和曲线部分的组合，或者可以由单一曲线表达。
诸如磁头，臂，音圈电动机，磁盘，MPU，D/A转换器，伺服数据处理电路，位置错误反馈控制系统，模型控制系统，速度反馈控制器，目标速度曲线确定单元和速度反馈增益确定单元的其它元件不限于上述实例中的这些元件。由本技术领域的技术人员适当地做出的任何修改只要包括本发明的特征也都包括在本发明的范围内。即，本发明不限于这些实例，而能够在不背离其精神的各种修改例中实施，并且这些修改例全部包括在本发明的范围内。

Claims (20)

1.一种磁盘设备，其特征在于，包括：
驱动单元，其被配置以移动可操作用于磁盘上信息的磁记录/再现的磁头；
位置错误反馈控制系统，其被配置以基于所述磁头的目标磁轨位置和被探测位置之间的差异进行所述驱动单元的反馈控制；和
速度控制系统，其被配置以基于所述磁头移动前的位置，所述磁头的目标磁轨位置和将要受记录/再现的数据扇区的位置改变目标速度曲线，用所述驱动单元的控制数学模型控制所述驱动单元从而使所述驱动单元的速度跟随所述目标速度曲线。
2.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述速度控制系统基于所述磁头移动前的位置，所述磁头的目标磁轨位置和将要受记录/再现的数据扇区的位置改变定义所述目标速度曲线的参数。
3.如权利要求1所述的设备，其特征在于，当所述数据扇区到达所述磁头的目标磁轨位置下方之前有较长时间时，所述速度控制系统控制所述磁头从而使所述磁头逐渐减速。
4.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述速度控制系统允许所述驱动单元的速度反馈增益被改变。
5.如权利要求4所述的设备，其特征在于，当所述数据扇区到达所述磁头的目标磁轨位置下方之前有较长时间时，所述速度控制系统降低所述反馈增益。
6.如权利要求1所述的设备，其特征在于
所述驱动单元的驱动量x和所述驱动单元的目标速度v之间的关系包括由v＝ax给出的近似值，并且
当所述数据扇区到达所述磁头的目标磁轨位置下方之前有较长时间时，所述速度控制系统减小常数a。
7.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述驱动单元的目标速度曲线和速度反馈增益可独立变化。
8.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述速度控制系统存储限定所述目标速度曲线的参数和相应于直到所述数据扇区到达所述磁头的目标磁轨位置下面的时间和所述驱动单元的驱动量的结合被设定的速度反馈增益。
9.如权利要求8所述的设备，其特征在于，所述速度控制系统从所存储的参数中选择限定所述目标速度曲线的参数，从而所述磁头在所述时间内被移动到所述磁头的目标磁轨位置。
10.如权利要求8所述的设备，其特征在于，所述速度控制系统从所存储的速度反馈增益中选择所述速度反馈增益，从而所述磁头在所述时间内被移动到所述磁头的目标磁轨位置。
11.一种磁盘设备，其特征在于，包括：
驱动单元，其被配置以移动可操作用于磁盘上信息的磁记录/再现的磁头；和
速度控制系统，其被配置以控制所述驱动单元，
所述速度控制系统基于数据扇区到达所述磁头的目标磁轨位置下方之前的时间改变目标速度曲线，所述时间从所述磁头移动前的位置，所述磁头的目标磁轨位置和将要受记录/再现的数据扇区的位置中被找到。
12.如权利要求11所述的设备，其特征在于，所述速度控制系统存储限定所述目标速度曲线的参数和与所述时间和所述驱动单元的驱动量的结合相应的速度反馈增益。
13.如权利要求12所述的设备，其特征在于，所述速度控制系统从所存储的参数中选择限定所述目标速度曲线的参数，从而所述磁头在所述时间内被移动到所述磁头的目标磁轨位置。
14.如权利要求12所述的设备，其特征在于，所述速度控制系统从所存储的速度反馈增益中选择所述速度反馈增益，从而所述磁头在所述时间内被移动到所述磁头的目标磁轨位置。
15.一种用于控制磁盘设备的磁头的方法，其特征在于，包括：
基于目标磁轨位置和被探测的磁头位置之间的差异进行驱动单元的反馈控制；和，同时，
基于所述磁头移动前的位置，所述磁头的目标磁轨位置，和将要受记录/再现的数据扇区的位置改变目标速度曲线，并且通过使用所述驱动单元的控制数学模型控制所述驱动单元从而所述驱动单元的速度跟随所述目标速度曲线。
16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，限定所述目标速度曲线的参数基于所述磁头移动前的位置，所述磁头的目标磁轨位置，和将要受记录/再现的数据扇区的位置被改变。
17.如权利要求15所述的方法，其特征在于，当所述数据扇区到达所述磁头的目标磁轨位置下方之前有较长时间时，所述磁头被控制从而所述磁头逐渐减速。
18.如权利要求15所述的方法，其特征在于，所述驱动单元的速度反馈增益被使得可变。
19.如权利要求15所述的方法，其特征在于
所述驱动单元的驱动量x和所述驱动单元的目标速度v之间的关系包括由v＝ax给出的近似值，并且
当所述数据扇区到达所述磁头的目标磁轨位置下方之前有较长时间时常数a被减小。
20.如权利要求18所述的方法，其特征在于，当所述数据扇区到达所述磁头的目标磁轨位置下方之前有较长时间时所述反馈增益被降低。
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