CN104137183B - 数据存储设备中的振动控制 - Google Patents
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Abstract
提供了一种其中寻轨控制适于应对振动影响的数据存储设备(1)。存储设备具有设备主体(2)以及在使用中用于对设备主体(2)所携带的存储介质(5)的数据轨道(10)中的数据进行读取和写入的读/写头(6)。致动器系统(7)被安装在设备主体(2)上以用于实施读/写头(6)相对于数据轨道(10)的移动以将该头与数据轨道对准。该致动器系统(7)具有用于实施所述移动的多个自由度，并且控制器(12)对致动器系统(7)进行控制以实施所述移动。至少一个主体振动传感器(8)设置在设备主体(2)上以用于生成指示该主体的振动的信号。至少一个致动器振动传感器(9)设置在致动器系统(7)上以用于生成指示该致动器系统的振动的信号。控制器(12)被适配为对来自主体和致动器振动传感器(8，9)的信号进行处理以得出指示所述自由度之间的振动耦合的至少一个耦合信号，并且依据所述至少一个耦合信号以及来自所述至少一个主体振动传感器(8)的信号对致动器系统(7)进行控制。
Description
技术领域
本发明总体上涉及数据存储设备中的振动控制，尤其涉及这样的设备中的振动条件下的寻轨控制。提供了其中寻轨控制被适配为抗衡振动影响的数据存储设备。
背景技术
在诸如带式驱动器和磁盘驱动器的数据存储设备中，致动器系统实施读/写头相对于存储介质的数据轨道的移动以将该头与数据轨道对准。伺服控制系统使用从存储介质所读取的伺服信息对致动器系统进行控制从而在操作期间保持头/轨道的对准。例如，在带式驱动器中，伺服控制系统通常校正头相对于带上的纵向数据轨道的横向位置以及旋转定位以抗衡头与带之间的歪斜。这样的存储设备的可靠操作要求伺服控制系统在振动条件下的鲁棒性能。标准振动概况(profile)通常被用来在加速度输入方面对存储设备必须在其下持续可靠操作的振动规范进行描述。对提高存储密度的要求使得在振动条件下满足性能规范越来越具有挑战。例如，在带式驱动器中，提高带轨道密度进一步收紧了读/写操作期间的可接受轨道跟随误差的公差，从而需要轨道跟随性能有所改进以将振动条件下的可靠带操作所需的附加轨道跟随余量保持为最小值。
当前有两种主要技术来改善振动环境中的轨道跟随性能。在带式驱动器中所采用的第一种技术涉及两个轨道跟随控制器之间的切换。高带宽控制器在振动期间的性能更好但是在正常操作期间不太可靠。因此，当检测到振动时，带式驱动器从低带宽控制器切换到更高带宽的控制器。这种方案的主要缺陷在于其依赖于振动条件的起始的可靠检测，并且因此在两个控制器的切换期间存在着瞬态表现。由于混合控制方案，也难以对稳定性和性能进行估计。
用于处置振动条件的第二种技术使用加速度计来测量所施加的振动。例如在美国专利号6,407,876和5,426,545中所描述的磁盘驱动器中，该技术的一些实施方式使用安装在头致动器上的加速度计。该技术的其它实施方式采用安装在驱动器主体而不是致动器上的加速度计。其示例在美国专利号7,468,857以及White和Tomizuka在1997年ControlEng.Practice，第5卷，第6期，741-751页的“Increased disturbance rejection inmagnetic disk drives by acceleration feedforward control and parameteradaptation”中有所描述。
发明内容
根据本发明一个方面的实施例，提供了一种数据存储设备，包括：
设备主体；
读/写头，其在使用中用于对设备主体所携带的存储介质的数据轨道中的数据进行读取和写入；
致动器系统，其安装在设备主体上用于实施读/写头相对于数据轨道的移动以将该头与数据轨道对准，该致动器系统具有用于实施所述移动的多个自由度；
控制器，其用于对致动器系统进行控制以实施所述移动；
至少一个主体振动传感器，其设置在设备主体上以用于生成指示该主体的振动的信号；以及
至少一个致动器振动传感器，其设置在致动器系统上以用于生成指示该致动器系统的振动的信号；
其中该控制器被适配为对来自主体和致动器振动传感器的信号进行处理以得出至少一个指示所述自由度之间的振动耦合的耦合信号，并且依据所述至少一个耦合信号以及来自所述至少一个主体振动传感器的信号对致动器系统进行控制。
体现本发明的存储设备在设备主体和致动器系统两者上均采用例如加速度计的传感器。来自这些传感器的分别指示设备主体和致动器系统的振动的信号由控制器进行处理以获得至少一个指示致动器系统的不同自由度之间的振动耦合的耦合信号。该耦合信号随后连同(多个)主体振动传感器信号一起由控制器用来对致动器系统进行控制以实施头/轨道对准。这在经由如以下进一步讨论的组合前馈控制方案来方便地实施。因而，在本发明的实施例中，致动器系统的不同自由度之间的耦合效应能够由伺服控制系统进行估计并加以考虑。例如，带式驱动器中的横向位置和歪斜程度之间的耦合效应能够以这种方式进行估计并且由轨道跟随控制器适当解决。作为结果，在振动条件下能够实现有所提高的轨道跟随性能，这允许在存储密度有所提高的情况下更为可靠的操作。
在其上提供(多个)主体振动传感器的设备主体包括该设备的主要部分，该致动器系统相对于上述主要部分实施头/轨道对准移动。显然，该主体自身可以包括多个组成部分，诸如连同各种其它基本上固定的组件的框架和/或外壳，头和/或存储介质关于其移动以便进行对准控制。
制动系统的移动的不同自由度总体上将取决于存储设备、存储介质、头和致动器系统的特定属性和设计。给定系统中所采用的额定数量和部署形式的振动传感器将类似地取决于系统设计。如以下所详细描述的，在针对头/带对准移动具有横向和旋转自由度的带式驱动器中，主体和致动器系统中的每一个上的单个传感器就可能是足够的。然而，在仅具有两个自由度的系统中可能采用附加的传感器，例如为了有所改进的准确性/均等性的目的或者为了感应不同维度中的不同运动。具有多于两个自由度以及附加的耦合效应的系统能够采用附加的传感器以适应这些附加参数。对主体和致动器传感器信号进行处理以得出(多个)所期望的耦合信号的特定方式能够相应地发生变化。然而，体现本发明的设备的基本操作原理由于这里的描述是显而易见的，并且给定系统的适当实施方式对于本领域技术人员将是轻易明显的。
致动器系统总体上可以包括一个或多个构成的致动器机制，例如用于以对准操作的给定自由度利用不同准确性水平移动头和/或存储介质。例如，可以针对任意给定维度提供粗糙和精细致动器机制。总体上，致动器系统可能移动头和/或存储介质以实施头/轨道的对准。然而，典型地，读/写头被安装在致动器系统上，并且至少部分通过头的移动来执行头/轨道对准的相对移动。为了在这种情况下对不同自由度之间的耦合进行良好估计，该设备优选地包括第一致动器振动传感器，其被定位以感应被传输至头的致动器系统的振动。该传感器因而提供了头所经历的振动的良好测量。该设备优选地还包括在头的区域中位于主体上的第一主体振动传感器以感应被传输至头的主体振动。该传感器因而提供了所施加振动的良好测量。根据如以上所指出的设备设计，可以或可以不提供其它传感器。
控制器可以被适配为依据来自所述致动器振动传感器的信号与来自所述主体振动传感器的信号之间的差异而得出所述耦合信号。这样的耦合信号可以直接或间接地取决于该差异，例如经由信号的直接减法或者在以某些方式对信号进行处理之后。在优选实施例中，该控制器包括前馈控制逻辑，其用于生成对致动器系统进行控制的控制信号，该控制逻辑适于根据来自所述主体振动传感器的信号对该控制信号应用第一校正，并且根据所述耦合信号对该控制信号应用第二校正。
附图说明
现在将参考附图通过示例对本发明的优选实施例进行描述，其中：
图1是体现本发明的带式驱动器的示意性表示形式；
图2指示了用于图1的带式驱动器中的头/带对准的移动的两个自由度；
图3是带式驱动器中的伺服控制系统的示意性表示形式；
图4图示了轨道跟随控制系统中的两个自由度之间的耦合；
图5示出了每个自由度的致动器机制的频率响应；
图6a和6b示出了驱动器在振动条件下的测量结果；
图7是用于图1的驱动器的横向位置控制系统的示意性表示形式；
图8示出了由图1的驱动器中所采用的振动传感器的测量结果；以及
图9指示了利用图7的控制系统所获得的结果。
具体实施方式
图1是示出所要描述的操作中所涉及的关键元件的体现本发明的示例性带式驱动器的简化示意图。驱动器1包括驱动器主体2，驱动器主体2具有用于插入以4示意性指示的带式卡盒的插槽3。在操作中，卷到卷以及带式导引系统(未示出)将磁带5从卡盒4送过读/写头6以便对在带上的纵向数据轨道中的数据进行读取和写入。读/写头6安装在致动器系统7中，致动器系统7进而被安装在设备主体2上。在驱动器1中提供两个振动传感器以用于在操作中感应振动。以加速度计8形式的主体振动传感器被安装在驱动器主体2上以用于生成指示驱动器主体的振动的信号。以加速度计9形式的致动器振动传感器被安装在致动器系统7上以用于生成指示致动器系统的振动的信号。加速度计8、9的布置和功能在下文中更为详细地进行讨论。
例如可以基于IBM LTO(线性带开口)或企业磁带驱动器的驱动器1的致动器系统7具有用于实施头6相对于5的移动以将头与数据轨道对准的两个自由度(IBM是国际商业机器公司的商标)。特别地，致动器系统7可操作以在相对于纵向数据轨道的横向方向实施头6的平移移动，并且还实施头6的旋转移动以抗衡头与带之间的歪斜。这在图2中示意性进行了图示，其示出了相对于带5上的纵向数据轨道10进行布置的头6。(实际上，头6通常包括用于在带5上的多个平行数据轨道中进行同时的读/写操作的多个读/写元件。然而，为了理解所要描述的系统，考虑有关于单个轨道10的操作就足矣。)如所指示的，致动器系统所进行的平移移动对头垂直于数据轨道的横向位置进行调节。旋转移动调节头方位与磁带的横向方向之间的角度θ以解决操作中在头与带之间所出现的歪斜。理想情况下，歪斜角度θ在操作中为零。横向位置和旋转(歪斜)调节由致动器系统7的相应致动器所实施以用于移动头6。个体致动器机制通常为已知形式并且自身可以包括提供不同移动准确性水平的多个致动器。例如，横向位置致动器通常包括分别用于粗糙和精细调节的粗糙致动器和精细致动器。
驱动器1包括用于控制致动器系统7(此后简单地称作“致动器”)的伺服控制系统以实施头6的适当移动从而维持头/轨道的对准。该伺服控制系统在图3中示意性地进行指示。在读/写操作期间，头6上的伺服传感器读取记录在带5上的专用伺服轨道中所记录的信息。所产生的伺服读取信号被伺服控制器12所接收，伺服控制器12包括用于实施横向位置和歪斜控制功能的控制逻辑。该表示形式中的伺服控制器12包括用于对伺服读取信号以获得当前横向位置误差和带到头的歪斜角度的估计。该伺服控制器随后生成用于控制致动器7的控制信号uy和us以分别实施横向位置和歪斜自由度的适当校正。
在理想系统中，横向位置和歪斜自由度将是完全独立的，由此一个维度的移动将不会被其它维度中的移动所影响。然而，驱动中(in-drive)致动器特征示出了两个自由度之间存在耦合。这在图4中进行了图示，这是横向位置控制系统的机械特性的示意性表示。这里，Ky表示伺服控制器12中由框20所表示的横向位置(TP)控制逻辑的转移函数。TP控制器20接收位置误差信号(PES)，其在伺服控制器12中根据所测量的如从伺服读取信号得出的头相对于带的横向位置ym以及所期望的或目标横向位置yt进行计算。包括TP致动器21和歪斜致动器22的致动器7的特征在图中由标记为Gyy、Gys、Gss和Gsy的四个框所表示。Gyy表示TP致动器21响应于来自TP控制器20的横向位置控制信号uy的转移函数。Gys表示TP致动器21响应于图3中的伺服控制器12所产生的歪斜控制信号us的转移函数。对框Gyy和Gys的位置输出进行求和以产生受到操作中的横向带运动所导致的扰动dy影响的横向位置y而给出头相对于带的最终横向位置。歪斜致动器22响应于控制信号us和uy的特性类似地由转移函数Gys和Gsy所表示，这给出了受到由于带歪斜所导致的扰动dθ的影响的歪斜角度θ，以产生头相对于带的最终旋转位置。该图中带阴影的框Gys和Gsy因此表示致动器7中的耦合效应。图4中的各种转移函数能够以适当的驱动中测量为特征，并且针对示例性驱动器1中这样的测量所获得的频率响应在图5中示出。
驱动器1中的伺服控制系统必须被适配为应对驱动器操作中所经历的振动，例如由于外部施加的振动或冲击或者由于驱动器自身的各部分的内部操作所导致的振动。图1中所指示的加速度计8、9出于该目的而提供，并且这些加速度计的输出由伺服控制系统以特定方式由于高度有效的振动拒绝。振动拒绝在下文中特别参考伺服系统中的横向位置控制进行描述。
主体和致动器加速度计8、9分别布置在主体和致动器上以便感应头6的横向移动方向中的振动。在该特定实施例中，加速度计8、9是提供三维操作的MEMS(微机电系统)数字输出“纳米”加速度计，其在三个正交方向中具有感应轴线。如图1所示，主体加速度计8在头6的区域中位于驱动器主体2上，以便感应主体上传输至头部的振动。主体加速度计8的输出因而提供了接近于头位置而传播至驱动器主体的所施加振动的良好测量。致动器加速度计9被安装在致动器7上从而感应致动器传输至头的振动。虽然为了易于在图1中进行表示而在致动器7的顶部示出，但是在该示例中，该加速度计优选地安装在横向位置致动器的精细致动器机制的底部。致动器加速度计9的输出因而提供了致动器所经历并且被传播至头的总体振动的良好测量。
为了图示驱动器1中的振动效应，图6a基于示例性驱动器1中的加速度计测量而示出了加速度PSD(功率谱密度)相对频率的图形。该驱动器安装在进行驱动以使得驱动器1发生振动的振动器上，另外的加速度计安装在振动器上以测量所施加的振动。图6a中所示出的三条轨线对应于来自振动器加速度计(振动器)、主体加速度计8(驱动器)和致动器加速度计9(致动器)的测量。能够看出，主体加速度计8妥善测量了以高达大约100Hz的频率发出的所施加振动。致动器加速度计9还测量致动器上由于以上所讨论的歪斜和横向位置自由度之间的耦合所导致的附加效应。该振动耦合的影响还出现在如图6b所示的在100至200Hz的PES(位置误差信号)频谱中。
驱动器1中的伺服控制器对来自主体和致动器加速度计8、9的信号进行处理以提供将以上所描述的耦合效应纳入考虑的振动控制。图7是表征振动条件下的横向位置控制系统30的示意性框图，其指示了在图3的伺服控制器12中所采用的横向位置(TP)控制器的形式。一般由31所指示的TP控制器包括前馈控制逻辑，其用于实施考虑耦合效应的组合前馈控制方案。TP控制器31生成横向位置控制信号uy以用于如以上所述通过致动器7控制头在横向方向上的移动。TP控制器包括具有转移函数Ky的功能模块33，其响应于如已经针对图4所描述的位置误差信号PES而实施基本横向位置控制。控制器31包括分别具有转移函数KFFv和KFFc的两个另外的功能模块34和35。模块34采用主体加速度计8所输出的加速度信号aD作为输入并且根据信号aD对控制信号uy应用第一校正。模块35采用耦合信号aC作为输入并且根据该耦合信号对控制信号uy应用第二校正。耦合信号aC由控制器31所得出并且指示歪斜和横向位置自由度之间的振动耦合。特别地，控制器31从致动器加速度计9接收加速度信号aD和加速度信号aA两者，并且依据这两个加速度信号之间的差异得出耦合信号aC。在该简单示例中，耦合信号aC通过从致动器加速信号aA直接减去主体加速度计信号aD而产生。图8基于示例性驱动器1中的测量示出了与信号aA、aD和aC相对应的加速度对频谱。所产生的耦合信号aC提供了由于歪斜/横向位置耦合所导致的致动器和头上的振动耦合效应的良好测量。控制器31因而依据耦合信号aC和主体加速信号aD以及位置误差信号PES对致动器7进行控制。
TP控制系统30中的致动器7的特性在图7中由分别具有转移函数Gyy、Gya和Gysa的模块37、38和39所表示。Gyy表示响应于横向位置控制信号uy的基本转移函数。Gya表示TP致动器21响应于如加速度计信号aD所测量的所施加振动的转移函数。这形成针对模块37的横向位置输出yG的调节da。Gysa表示TP致动器21响应于耦合信号ac所表示的振动耦合效应的转移函数。形成针对模块37的横向位置输出yG的调节dc。所产生的位置y由于横向的带运动而受到另外扰动dLTM的影响以给出头相对于带的最终横向位置。
控制器31的逻辑模块34和35被设计为抗衡所施加的振动和振动耦合的影响。为了得出函数KFFv和KFFc，能够使用致动器模块37、38、39的转移函数Gyy、Gya和Gysa。这些转移函数能够基于驱动中测量被估计。因此能够基于利用所要求的准确性程度而获得的转移函数的模型设计控制器模块34和35，例如KFFv＝-Gyy -1Gya。总体上，控制器31的功能逻辑模块可能以软件或硬件或者其组合来实施，例如经由软件和数字电路的组合来实施。适当实施方式对于本领域技术人员将是轻易明显的。例如基于公知形式的数字滤波器电路的数字电路能够被轻易设计为实施所期望的转移函数。
在控制器31的基本实施方式中，前馈控制模块34和35能够简单地被实施为固定增益放大器。图9图示了采用转移函数KFFv＝-1和KFFc＝+1的这样的实施方式的结果。该图中示出了三条轨线，它们将不同控制情形中获得的PES谱进行比较。标记为“有FF2”的轨线指示采用具有KFFv＝-1和KFFc＝+1的控制器31而获得的结果。标记为“有FF1”的轨线指示仅利用用于控制器31中的前馈控制的模块34而获得的结果，即排除了模块35所实施的耦合项(KFFv＝-1和KFFc＝0)。标记为“没有FF”的轨线指示不具有前馈控制的结果(KFFv＝0和KFFc＝0)。每种情况下的位置误差信号的标准偏差如下：
没有FF 194nm
有FF1 186nm
有FF2 155nm
能够看出，即使利用项KFFv和KFFc的这种简单实施方式，通过考虑歪斜和横向位置自由度之间的耦合，控制器31的组合前馈控制方案仍提供了PES性能的实质性提高。控制模块34和35的更为复杂的实施方式能够按照需要进行设计以提供所期望的性能水平。然而，通常能够预见到关于PES信号的标准偏差而有所提高的性能以及可能导致读/写操作停止的峰值PES数值的减小。
虽然上文中的操作集中于横向位置控制，但是能够针对歪斜维度以类似方式实施前馈控制系统以便考虑歪斜控制系统上的振动耦合效应。例如，在这样的实施例中，可以使用加速度计8、9的一条感应轴线来利用被用来感应旋转移动的另外两条轴线感应横向方向中的振动。可替换地，可能将另外的加速度计用于旋转测量。以下给出了其它可能的替换形式和修改形式的一些示例。
虽然加速度计信号的直接减法被用来得出以上的耦合信号，但是总体上，耦合信号可以在以一些方式对主体和致动器信号进行处理之后得出，例如在通过对信号应用特定增益进行加权之后或者在可从另外加速度计获得多个信号的情况下进行平均化处理之后得出。
虽然在所描述的优选实施例中使用了MEMS加速度计，但是总体上可能使用其它传感器来提供指示所要测量的振动的信号。例如，在致动器系统整合了可在磁场中移动的音圈的情况下，由于振动所导致的线圈移动导致在该线圈中引发反电动势，并且这可以作为振动的量度而被检测。
虽然已经针对带式驱动器对实施方式进行了描述，但是该组合前馈控制系统显然能够在诸如磁盘驱动器的类似考虑在其中得以应用的其它存储设备中进行应用。具有多于两个自由度和附加耦合效应的系统可以采用另外的传感器，并且另外的耦合信号可以由控制系统得出并采用。总体上，在给定系统中采用的传感器的数量和部署可以取决于存储设备、存储介质、头和致动器系统的特定属性和设计，并且对主体和致动器传感器信号进行处理以得出(多个)所期望耦合信号的特定方式能够相应地发生变化。针对给定系统的适当实施方式对于本领域技术人员将是显而易见的。
将会意识到的是，能够针对所描述的示例性实施例进行许多其它改变和修改而并不背离本发明的范围。
Claims (14)
1.一种数据存储设备(1)，包括：
设备主体(2)；
在使用中用于对所述设备主体(2)所携带的存储介质(5)的数据轨道(10)中的数据进行读取和写入的读/写头(6)；
致动器系统(7)，被安装在所述设备主体(2)上以用于实施所述读/写头(6)相对于所述数据轨道(10)的移动以将所述头与所述数据轨道对准，所述致动器系统(7)具有用于实施所述移动的多个自由度；
控制器(12)，用于对所述致动器系统(7)进行控制以实施所述移动；
至少一个主体振动传感器(8)，设置在所述设备主体(2)上以用于生成指示所述主体的振动的信号；以及
至少一个致动器振动传感器(9)，设置在所述致动器系统(7)上以用于生成指示所述致动器系统的振动的信号；
其中所述控制器(12)被适配为对来自所述主体振动传感器(8)和所述致动器振动传感器(9)的信号进行处理以得出指示所述自由度之间的振动耦合的至少一个耦合信号，并且依据所述至少一个耦合信号以及来自所述至少一个主体振动传感器(8)的所述信号对所述致动器系统(7)进行控制。
2.根据权利要求1所述的设备，其中所述控制器(12)被适配为依据来自所述致动器振动传感器(9)的所述信号与来自所述主体振动传感器(8)的所述信号之间的差异而得出所述耦合信号。
3.根据权利要求1或2所述的设备，其中所述控制器(12)包括前馈控制逻辑(31)以用于生成对所述致动器系统(7)进行控制的控制信号(uy)，所述控制逻辑被适配为根据来自所述主体振动传感器(8)的所述信号对所述控制信号应用第一校正，并且根据所述耦合信号(ac)对所述控制信号应用第二校正。
4.根据权利要求1或2所述的设备，其中所述读/写头(6)被安装在所述致动器系统(7)上。
5.根据权利要求4所述的设备，具有第一致动器振动传感器(9)，所述第一致动器振动传感器(9)被定位以感应所述致动器系统(7)被传输至所述头(6)的振动。
6.根据权利要求5所述的设备，具有第一主体振动传感器(8)，所述第一主体振动传感器(8)在所述头(6)的区域中被定位于所述主体(2)上以感应所述主体的被传输至所述头的振动。
7.根据权利要求6所述的设备，所述设备是带式驱动并且所述致动器系统被适配为在相对于所述带上的纵向数据轨道(10)的横向方向实施所述头(6)的平移移动并且实施所述头(6)相对于所述数据轨道(10)的旋转移动，以抗衡在所述头与带之间的歪斜。
8.根据权利要求7所述的设备，其中所述致动器系统(7)被适配为移动所述头(6)以实施所述平移移动和所述旋转移动两者。
9.根据权利要求7所述的设备，其中所述第一致动器振动传感器(9)和所述第一主体振动传感器(8)被布置为感应所述横向方向中的振动。
10.根据权利要求9所述的设备，其中所述控制器(12)被适配为依据来自所述第一致动器振动传感器(9)和所述第一主体振动传感器(8)的所述信号之间的差异而得出第一耦合信号(ac)。
11.根据权利要求10所述的设备，其中所述控制器(12)被适配为通过从来自所述第一致动器振动传感器(9)的所述信号减去来自所述第一主体振动传感器(8)的所述信号而得出所述第一耦合信号(ac)。
12.根据权利要求10或11所述的设备，其中所述控制器(12)包括前馈控制逻辑(31)以用于生成通过所述致动器系统(7)对所述横向方向中的所述移动进行控制的横向位置控制信号(uy)，所述控制逻辑(31)被适配为根据来自所述第一主体振动传感器(8)的所述信号对所述横向位置控制信号(uy)应用第一校正，并且根据所述第一耦合信号(ac)对所述横向位置控制信号(uy)应用第二校正。
13.根据权利要求5至11中任一项所述的设备，其中所述第一致动器振动传感器(9)包括用于生成指示加速度的信号的加速度计。
14.根据权利要求6至11中任一项所述的设备，其中所述第一主体振动传感器(8)包括用于生成指示加速度的信号的加速度计。
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