CN1035457C - 磁盘驱动器伺服系统 - Google Patents

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Abstract

一种如磁盘机的数据存储装置有一伺服系统，包括或安装在装载转换器的滑动子上或安装在检靠近该滑动子的传动器悬臂挠曲元件上的一微加速度计。通过获取水平加速度(平行于媒体平面)的实际值(该值被积分以便得到速度)，可得到伺服控制用的极正确速度及加速度值，以便消除现有系统速度及加速度值的不正确性，而现有系统必须容忍因可测量变量、不可测量变量及模式化与非模式化因素或信号而导致的错误。

Description

磁盘驱动器伺服系统
本发明涉及数据储存装置，其中信息储存于邻接的诸磁道上。更明确地说，本发明涉及一种改良的伺服系统，该伺服系统是用来将转换器由一磁道移至另一磁道或将转换器维持与此一装置内一期望磁道对齐。
未来磁盘机数据储存装置的趋势为更小、易携带、价廉、更高储存容量及更具可靠性的产品。对更高储存密度的要求导致更低的转换器头飞行高度、更小的压缩因素、要求更严格的搜索—稳定时间和对内部和外部干扰更敏感。新型便携式应用则要求更能抵抗冲击并排斥/感知来自伺服系统的干扰。
通过载有转换器的音圈马达的控制将转换器相对于一期望的数据磁道定位的伺服系统可有数种形式。决定磁头速度及/或加速度的最普遍技术为微分位置信息或经由一根据模式的观察器估计速度为平面的一个内部状态。采用微分技术需要预测磁头未来位置，此预测实际上使用诸如欧拉(Euler)二阶的数值分析技术而获得。借助可取得的磁头位置信号可执行数值微分。此微分估计非常混杂且不稳定并导致许多错误。估计此内部状态的另一种方法包括建立一根据模式的观察器以便产生可观察状态的估计值。此最后的方法更普遍且具可靠性。但是此第二种方法仅维持一极度依靠转换器模式的有效性的估计并需要未经测量但假设为接近以前控制状态的设施实际输入电流。这两种技术均需持续的取样及计算而需要时间并增加控制系统的经常性负担。若使用经积分的线圈电流则需较少的计算，但其较易受系统噪声导致的不正确的影响。这些方法中的任一种均亦须容忍并负责无关的外在因素。一个重要的例子为容器内未模式化力量导致加在传动器上的偏压，这些力量包括平坦电缆或载送电流至音圈并载运与转换器通讯的信息及伺服信号的电缆。这些电缆一般产生偏压于传动器上，该偏压随转换器的径向位置而改变并将一动态偏压力量加在此臂的两个移动方向上。
现行伺服控制方法的有效性与正确性对基于更高效能的未来产品而言是值得怀疑的，因为更高效能的未来产品需要具有较高磁道密度的伺服环路、较短搜索时间、更小的尺寸做为形状因素，此形状因素持续地缩减小于现有2.5英寸装置且更适应于便携式的应用。未来的小型磁盘机将仅提供一非常短的作业范围让移动中的转换器将磁头由较内侧直径载至较外侧直径。虽然此事实有利于减少数据寻找时间，但尺寸的缩减意味着譬如较小的输入和输出范围可让予驱动估计磁头线性速度状态所需的根据模式的观察器。故而系统可能不足以持续地激励以得到一独特的或好的状态估计。而且，将延迟控制变量等化成反馈环路中实际需要的加速状态是根据一理想模式及熟知的参数的假设，而该假设经常性地用以控制稳定时间和反应。
使用一加速度计来获取可被积分以得到速度值的磁头加速度真实值将可避免暴露于多重变量下，而该等多重变量中的许多个无法正确地补偿或在某些情况下甚至无法观察到。以前与磁盘机并用的加速度计的应用已被利用来检测垂直方向的加速度以便观察表面粗糙度或遭遇的粒子的存在与严重性并由渐恶化的情况指示使能判定磁盘机的可能紧急故障或剩余寿命。
日本专利第JP60-124073显示使用装载于传动器臂上两平面内的加速度计以便测量当传动器电枢打击内侧或外侧撞击止动子时的冲击力量。
美国专利3,836,835号包括一种具体实例，其中在一系统内使用一加速度计以便控制一具有数字速度反馈的同步平面马达的运行。该专利旨在使用一加速度计于一马达上，该马达在X与Y方向座标运动而无可用的位置信息。该应用是一机器人或装配台而非一数据存储装置。其获取的加速度(在X及Y方向)是移动组件(亦即磁头、传动器、端点效果器)相对于静止部份(压盘)的加速度。在本发明的磁盘机应用中，使用一微加速度计获取被载运部份(转换器磁头)的线性加速度而非受控制的音圈马达的旋转加速度。
通过使用一直接装载于诸装载转换器的滑动子(slider)之一上或诸磁头悬臂之一上的加速度计，可提供一实际加速的直接反馈予控制器。此实示加速信号也可直接加在观察器上以便改善一种需要一观察器做控制器内偏压状态估计用的装置内的估计。但是在本发明的环境内，可免除一观察器。故而使用的加速度信号对模式参数与干扰的依赖得以消除，从而形成一更健全的整体控制体系。此外，速度信号可通过加速度的实际积分得到较佳的计算。如上所述，本发明可能免除观察器部分，因为大部份的应用不需要控制器内的其他观察状态—即偏压信号，特别是当速度状态为实际加速度信号的直接积分时更是如此。这些优点可导致搜索及磁迹跟随功能的较佳控制，进而形成较高的储存密度。
使用加速度计在检测并补偿由于摇动或掉落该装置引起的诸如振动或冲击的外部干扰方面也较有效。加速度计可检测造成磁道脱轨的瞬间干扰并较仅在已发生脱轨情形之后才检测并补偿的系统更快速地暂停数据的读取或写入。因而，当写入数据时，其可能在邻接数据损毁之前即干涉并暂停写入操作。
图1显示一种典型的磁性数据储存磁盘机分解图且包括磁头一磁盘组件。图2为一包括一微加速度计的磁头一悬臂组件的放大图。图3为一现有技术的磁盘机传动器马达控制系统的方块图。图4为一包括本发明的磁盘机传动器马达伺服控制系统的方块图。图5为一类似于图4的方块图，其中包含有观察器。图6为图4的较低层方块图，该图更详细地显示本发明的控制系统。
图1显示装载于框架14上的典型磁盘机的结构。磁盘8安装于中枢6四周，中枢6包括主轴驱动马达(未显示)。形成主轴驱动马达定子的一部份的主轴轴心9由螺钉(只显示其中一个)固定于轴箱框架12的各端。传动器本体36有一代表一系列的臂37的梳状部份。最上侧与最下侧臂37载有一单一转换器38及弹性悬臂39，各自面对磁盘堆叠8的较上与较下磁盘表面，同时各中间臂延伸于面对的磁盘表面之间并载有两个转换器/悬臂组件。
在轴心40的相反侧，本体36载有支撑音圈马达线圈44的突出部41、42。传动器轴心40通过一上部螺钉45及一看不见的类似下部螺钉固定至轴承箱框架12。一对音圈马达核心元件49也通过一系列螺钉47装载于轴承箱框架12上，该对音圈马达核心元件49的形式为具有E形状的横截面的彼此毗邻的诸元件且有永久磁铁50附接在上面。此核心组件提供一空气间隙51，有一磁场维持跨越该空气间隙且音圈44垂直延伸的范围位于其中。一覆盖53及垫圈54固定于轴承箱框架12的尾端以覆盖并密封该尾端。
一震动安装销56安装于覆盖53上。销56的柄轴部份被一弹性环57环绕并容纳于框架14侧壁内一U形凹陷(看不见)内且由一夹58维持于该凹陷内。轴承箱框架突出部60包括一柄轴61，柄轴61被一弹性环65环绕并容纳于U形框架凹陷62内且由一夹64维持于该凹陷内。一由轴承箱框架12装载的类似震动安装组件容纳于U形凹陷63内。
转换器线圈与加速度计由一平坦电缆75连接至磁盘机电子电路，该电缆由传动器本体12延伸至磁头磁盘容器外部的连接器，该磁头磁盘容器部份地由轴承箱框架12限定。
图2为磁头一悬臂组件的放大图，该磁头—悬臂组件包括悬臂39与转换器磁头38。悬臂39由薄弹性金属形成且在一向后位置28处固定于传动器臂37。向前挠曲部份29通过旋转末端部份以形成凸缘30而刚性化，而弹性则由中间平坦部份31提供。挠曲部份29的末梢端当作一负载梁，负载梁与平衡环弹簧32共同作用以便将转换器磁头38与挠曲39相互连接并提供磁头38相对于负载梁部份29的前后倾斜和左右摇摆。此种固定技术在美国专利4,167,765中显示并有更完全的描述。来自转换器线圈的电线24通过一沿着挠曲39一侧延伸的诱导管25以便将转换器线圈与平坦电缆75彼此连接。
一微加速度计附接于传动器，其位置或者在如虚线位置33所示极接近载运转换器的滑动子的悬吊39中的一个上，或者如位置34所示诸滑动子中的一个之上侧表面上，而可能通过在磁头制造期间将加速度计与滑动子组装在一起而做到。加速度计是用来测量水平加速度—亦即平行于媒体表面的方向的加速度。较佳的结构是将加速度计组装入磁头组件并垂直对齐的转换间隙上方。当需要特加速度计由转换器间隙位置以一线性偏移定位时，有一线性常数转换被用来修正检测值。这些用薄层技术由矽及/或石英制造的加速度检测装置没有移动部份而且不需做零件组合，其已减低成本、消耗功率及大小且因已如此地微型化以致于要用显微镜才看得到。
在现有技术下，微加速度计在每一方向(长、宽及高)的尺寸均约为100微米且可为混合式装置以提供低频及高频加速度的正确检测。压电(电量改变)检测用以测量高频加速度而电容性(电容值改变)检测则用以测量低频加速度以形成一具有宽频能力的装置。利用悬桁梁技术，混合式微加速度计可使用标准CMOS薄层处理程序制造。
在图3(及图4和图5)中，“机器设施”(PLANT)是指磁盘机传动器的电子—机械组件。图2的图中描述利用估计速度及偏压信号的典型现有设计的伺服系统。根据音圈马达的动态模式并使用机器设施的输入/输出/参考信号，可观察(估计)速度及偏压信号。此外，加速度被假设为延迟输入(被延迟的控制状态)并被用以产生控制信号。这种对加速度的假设在出现模式/参数不确定性时不健全。而且在可能被应用于便携带式电脑中的小尺寸硬磁盘机内出现外部及内部干拢时，该假设也会产生是否成立的问题。
请注意由于有许多变量涉及，故在典型的传统磁盘机控制系统中会有许多不正确性介入估计器模式内。在一估计器模式内，为了简化推论，所有的状态均被假设为被估计，然而实际上有许多状态未被估计且许多状态甚至无法观察得到。所以必须适当地选择估计器增益矩阵的元素以确保系统能被该等元素代表。在降阶估计器型式的补偿器内，仅有速度及偏压状态实际上被估计并有经计算的估计器增益元素。被延迟的控制变量未被包括在估计器反馈内，因其已由前一离散时间取样决定。所以其未直接透过一估计器增益元素进入估计器公式中，这表示此状态的估计器增益元素必为零。但是估计器模式通过使用前一控制值当作状态以计入该延迟。整体状态变量甚至是一无法观察的状态，所以，此状态的估计器增益元素也必为零。最后，位置变量为在现行离散时间取样期间测量到的已知状态，且被用以产生实际上正被估计的变量。
图4是方块图显示将本发明用于一磁盘机环境中。实际加速度的直接反馈被提供予控制器。如此消除了被使用的加速度对模式参数及干扰的依赖，从而形成了一种更健全的整体控制体系。将加速度信号积分以产生速度而不使用昂贵且有疑问的该信号估计法是很有利的。观察器部分成为不必要，因为今日的大部份应用不使用控制器内无法控制的偏压状态，尤其是在速度状态为实际加速度信号的直接积分时更是如此。这些优点导致搜索及磁道跟随的较佳控制，并进而转变为较高的储存密度、较佳的效能及改善的干扰与震动处理能力。
图5描述使用本发明于仍然在某些应用中使用观察器的情形下，在这种应用中，控制系统设计将不可控制的估计偏压状态反馈做为理想对消用。但在此环境中，实际测量得的加速度也被反馈至观察器以便消除对模式参数与干扰的依赖。
图6的伺服系统方块图显示本发明用在一具有一专用伺服表面的磁盘机的环境中。一般称为磁头臂电子电路的传动器电子电路84一般与平坦电缆(图1中电缆75)结合，该平坦电缆将可移动的传动器组件部份与磁盘机电路做电气连接。前级放大电路85、86、87一般包含于一直接附接在平坦电缆上的电路模件内。数据磁头与伺服磁头分别各自连接至前级放大电路85和86，而输出进入一模拟电路89内的解调器90。位置信息维持在数字电路92的寄存器93内。同时，微加速度计的输出连接至前级放大器87，而其输出由模数转换器91数字化并储存于模件93内的寄存器中。处理器94包括控制演算器95，控制演算器95使用储存在模件93的寄存器内经解调的位置及加速度值利用电路96产生一音圈马达(VCM)控制信号。该VCM控制信号经过电路97及数模转换器98处理以便使电力驱动器99能将一正确大小及符号的电流加在传动器音圈上。

Claims (3)

1.数据存储装置，其中数据存储在存储媒体上的道中，该数据存储装置包括：
转换器装置，其中所述转换器装置包括一个转换器载带滑动子；
传动器装置，支撑所述转换器装置，并且是可移动的，将所述转换器装置从一个道位置重定位到另一个道位置；
伺服装置，用于定位所述传动器装置，使得所述转换器装置与选定的道位置对准；
所述伺服装置包括位置检测装置；以及
所述伺服装置包括一个用于在与所述存储媒体表面平行的方向上测量加速度的加速度计，
其特征在于：所述加速度计安装在所述转换器载带滑动子上。
2.权利要求1的数据存储装置，其特征在于：所述伺服装置包括一个控制器，该控制器对来自所述加速度计的加速度值进行积分以产生滑动子速度值。
3.权利要求2的数据存储装置，其特征在于：所述传动器由一个音圈电机驱动，并且所述控制器使用从所述加速度计的信号中获得的值以及从所述转换器装置来的位置值控制加到所述音圈电机的音圈的驱动电流。
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