CN104471643A - 振动干扰估计和控制 - Google Patents

Abstract

公开了一种被配置成在存在物理干扰时准确定位磁头致动器的磁带驱动。磁带驱动包括轨道跟随控制器，用于将磁头致动器定位在磁带上的数据轨道上方。磁带驱动进一步包括干扰观测器，被配置为估计振动干扰并且输出补偿信号，以辅助轨道跟随控制器在存在振动的情况下准确地将磁头致动器定位在数据轨道上方。当估计振动干扰时，干扰观测器考虑振动频率特性，诸如从与磁带驱动相关联的振动规范得到的频率特征、或从磁带驱动所经历的已知振动干扰得到的频率特性。还公开了相应的方法。

Description

振动干扰估计和控制

技术领域

本发明涉及用于估计和控制磁带驱动中的振动干扰的装置和方法。

背景技术

磁带驱动系统的可靠运行需要在冲击和振动条件下的鲁棒性能。标准振动曲线(profile)描述了磁带驱动必须在其下可靠操作的加速度输入方面的规范。随着作为当前环境中常见的磁带驱动系统的轨道密度的增加，确保振动条件下的可靠操作变得更有挑战性。这至少部分地是因为较高的轨道密度减少了在读取/写入操作期间可以容许的错误量。

在磁带驱动中，轨道跟随控制器通常用于在存在横向磁带运动(LTM)和如振动这样的外部干扰时将磁头致动器准确地定位在数据轨道的中心线上。为了支持振动环境的特殊要求以及增加的轨道密度，需要提高的轨道跟随性能以提供可靠的磁带驱动操作。

当前，存在用于提高振动环境中的轨道跟随性能的两种方法。第一种方法涉及响应于振动改变来在两个轨道跟随控制器之间进行切换。低带宽控制器在低振动条件期间使用。高带宽控制器在高振动条件期间使用，但是在低振动条件期间不太可靠。该方法的缺点在于，需要对振动条件的开始和结束的可靠检测，当在控制器之间进行切换时呈现出瞬态行为，并且由于混合控制方案而使得难以评估稳定性和性能。

第二种方法利用干扰观测器以在振动干扰的情况下辅助轨道跟随控制器。干扰观测器使用致动器的位置测量和致动器模型的逆来估计振动干扰。该干扰估计用于补偿干扰效果。该方法的缺点在于，需要对逆系统动态性的良好和稳定的估计，并且没有考虑干扰的频率特性。低通滤波器确定提供可靠估计的频率范围。

鉴于上述内容，需要一种用于更有效地估计和控制磁带驱动中的振动干扰的装置和方法。

发明内容

已经响应于本领域当前的状态，并且具体地，响应于当前可用装置和方法还没有完全解决的本领域中的问题和需要，开发了本发明。因此，本发明已经被开发以提供用于在存在物理干扰时准确定位磁头致动器的装置和方法。本发明的特征和优点从下面的描述和所附的权利要求中将变得更加显而易见，或者可以通过实践如下所述的本发明来学习。

与上述内容一致，公开了一种被配置成在存在物理干扰时准确定位磁头致动器的磁带驱动。磁带驱动包括轨道跟随控制器，用于将磁头致动器定位在磁带上的数据轨道上方。磁带驱动进一步包括干扰观测器，被配置为估计振动干扰并且输出补偿信号，以辅助轨道跟随控制器在存在振动时将磁头致动器准确地定位在数据轨道上方。当估计振动干扰时，干扰观测器考虑振动频率特性，诸如从与磁带驱动相关联的振动规范得到的频率特征、或从磁带驱动经历的已知振动干扰得到的频率特性。

这里还公开并且要求保护相应的方法。

附图说明

为了易于理解本发明的优点，将参考附图中图示的具体实施例来呈现以上简要描述的本发明的更具体的描述。理解到这些附图仅描绘了本发明的典型实施例，并且因此不被认为是对其范围的限制，本发明将通过使用附图来更具体和详细地被描述和说明，其中：

图1是示出用于磁带驱动的振动规范的示例的图；

图2是示出用于改善磁带驱动中的轨道跟随性能的第一传统方法的高级框图；

图3是示出用于改善磁带驱动中的轨道跟随性能的第二传统方法的高级框图；

图4是示出根据本发明的改进的干扰观测器的设计方案的高级框图；

图5是示出根据本发明的用于实现改进的干扰观测器的H∞滤波器架构的示例的图；

图6是示出用于改进干扰观测器的操作的各种加权函数的图；

图7是根据本发明的适用于使用干扰观测器的磁带驱动的实验加速谱的图；

图8A示出了在前向方向中操作时在非振动环境中的三种不同场景下的磁带驱动的性能；

图8B示出了在前向方向中操作时在振动环境中的三种不同场景下的磁带驱动的性能；

图9A示出了在反向方向中操作时在非振动环境中的三种不同场景下的磁带驱动的性能；

图9B示出了在反向方向中操作时在振动环境中的三种不同场景下的磁带驱动的性能；以及

图10示出了三种不同场景下根据振动幅度变化的磁带驱动的性能。

具体实施方式

应当理解，如在这里的附图中一般地描述和图示的本发明的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，如在附图中呈现的，以下对本发明的实施例的更详细的描述不意在限制要求保护的本发明的范围，而仅仅表示根据本发明的目前考虑的实施例的具体示例。将通过参考附图来最好地理解目前描述的实施例，其中相似的部件用相似的附图标记来表示。

如本领域技术人员将理解的，本发明可以被体现为装置、系统、方法或计算机程序产品。此外，本发明可以采用硬件实施例的形式、配置为操作硬件的软件实施例(包括固件、驻留软件、微代码等)的形式、或所有这里可以通常称为“模块”或“系统”的组合软件和硬件方面的实施例的形式。此外，本发明可以采用存储有计算机可使用程序代码的任何有形介质表示中所体现的计算机可使用存储介质的形式。

可以利用一个或多个计算机可使用或计算机可读存储介质的任意组合来存储计算机程序产品。计算机可使用或计算机可读存储介质可以是例如——但不限于——电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的系统、装置或器件。计算机可读存储介质的更具体的示例(非穷举的列表)可以包括以下各项：具有一个或多个导线的电连接、便携式计算机盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM或闪存)、光纤、便携式紧凑盘只读存储器(CD-ROM)、光存储器件、磁存储器件。在本文档的上下文中，计算机可使用或计算机可读存储介质可以是任何能够包含、存储或传输程序以由指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用的任何介质。

可以以一种或多种编程语言的任意组合来编写用于执行本发明操作的计算机程序代码，所述编程语言包括面向对象的编程语言—诸如Java、Smalltalk、C++等，以及常规的过程式编程语言—诸如“C”语言或类似的编程语言。用于实现本发明的计算机程序代码还可以以诸如汇编语言的低级编程语言来编写。

下面将参考根据本发明实施例的方法、装置、系统和计算机程序产品的流程图和/或框图描述本发明。应当理解，流程图和/或框图的每个方框以及流程图和/或框图中各方框的组合，都可以由计算机程序指令或代码来实现。这些计算机程序指令可以提供给通用计算机、专用计算机或其他可编程数据处理装置的处理器，从而生成一种机器，使得这些计算机程序指令在通过计算机或其他可编程数据处理装置的处理器执行时，产生用于实现流程图和/或框图中的一个或多个方框中规定的功能/动作的装置。

也可以把这些计算机程序指令存储在计算机可读存储介质中，这些指令使得计算机或其他可编程数据处理装置以特定方式工作，从而，存储在计算机可读存储介质中的指令就产生包括实现流程图和/或框图中的一个或多个方框中规定的功能/动作的指令装置的制造品(article of manufacture)。计算机程序指令还可以被加载到计算机或其他可编程数据处理装置，以使得在该计算机或其他可编程装置上执行操作步骤序列以产生计算机执行的过程，使得在计算机或其他可编程装置上执行的指令提供用于实现在流程图和/或框图块中的一个或多个方框中规定的功能/动作的过程。

参考图1，如前所述，标准振动曲线可以用于描述磁带驱动必须在其下可靠操作的加速度输入方面的规范。图1提供了标准振动曲线的各种示例。如图所示，在每个示例性振动曲线(即“DellSpec”、“V4”、“V5”)中，加速度输入随着振动频率而变化。例如，在“V4”振动规范中，磁带驱动必须在其下可靠地操作的加速度输入增加，直到振动频率达到大约30Hz，此后加速度输入减小。其他振动曲线(即“DellSpec”、“V5”)表现出类似的特性。如在后面更详细说明的，根据本发明的改进的干扰观测器的优点之一是其能够在估计振动干扰时，考虑振动频率特性，诸如从如图1中所示的振动规范得到的频率特性。

参考图2，图示了为改善振动环境中的轨道跟随性能的第一传统方法。如示，第一方法涉及响应于振动变化而在两个轨道跟随控制器K₁、K₂之间进行切换。低带宽控制器K₁可以在低振动条件下使用。高带宽控制器K₂可以在高振动条件下使用，但是在低振动条件期间可能不太可靠。在图2中，框G表示磁头致动器——即，跟随任何横向磁带运动而运动的机械设备。框S_PES是伺服测量单元，其提供对在致动器位置和磁带位置之间的差的测量。输入d表示横向磁带运动，输入端d_i表示振动，并且输入n表示噪声。输入r表示应当跟随的参考轨道，并且输出y_m表示致动器相对于磁带位置的测量(即，位置)。

如示，从输入r中减去测量y_m以产生被馈送到当前使用的控制器K₁、K₂的位置误差信号(PES)。PES信号根据相对参考轨道的致动器偏移量而变化。响应于PES信号，当前使用的控制器K₁、K₂校正致动器的位置，以更紧密地跟随参考轨道。如前所述，该方法的缺点在于，需要可靠检测振动条件的开始和结束(以在控制器K₁、K₂之间进行切换)，在两个控制器K₁、K₂之间进行切换时表现瞬态行为，以及由于混合控制方案而使得难以评估稳定性和性能。

参见图3，图示了用于改善振动环境中的轨道跟随性能的第二传统方法。如示，第二方法利用干扰观测器300以辅助轨道跟随控制器K来补偿振动干扰。干扰观测器300使用位置测量_ym作为对致动器模型的逆的估计的输入并且致动器输入u作为对伺服测量单元的估计的输入，来估计振动干扰。从的输出中减去的输出。然后，结果通过低通滤波器302以去除高频内容。然后从控制器输出中减去估计的干扰u∞，以产生致动器输入u。该方法的主要缺点是，需要对逆系统动态性的良好和稳定的估计(这难以准确地估计)，并且没有考虑干扰的频率特性。低通滤波器302确定提供振动干扰估计的频率范围。

参考图4，图示了根据本发明的改进的干扰观测器400的设计方案。这样的干扰观测器400明显比与图2和图3相关联描述的传统方法更好地执行。如后面更详细地说明的，与图3的常规干扰观测器300不同，改进的干扰观测器400在估计振动干扰时考虑振动频率特性，诸如从振动规范得到的频率特性。在一个实施例中，可以将估计的振动添加到轨道跟随控制器K的输出，以辅助闭环轨道跟随，如关于图3描述的。替代地，估计的振动可以用于可靠地检测振动环境以在多个轨道跟随控制器K₁、K₂之间进行切换，如关于图2描述的。因此，可以在不同的配置中有利地使用改进的干扰观测器400以辅助规格轨道跟随。

在特定实施例中，根据本发明的改进的干扰观测器400包括利用H∞滤波架构(也被称为“最小最大”滤波架构)的滤波器F。在所示实施例中，滤波器F包括两个输入(即对致动器G的输入u_i和致动器位置测量y_m)和一个输出(即，振动干扰的估计)。不同于图3所示的传统干扰观测器300，滤波器F可以基于与磁带驱动相关联的振动规范来优化，或者基于已知磁带驱动经历的实际振动干扰来优化。代替估计致动器模型的逆(即，)，如常规干扰观测器300中发生的，逆致动器模型可以被并入到滤波器设计中。滤波器F还可以考虑更复杂致动器模型，诸如包含磁带到磁头的倾斜/横向位置耦合效应的模型。因此，在特定实施例中，滤波器F可以被配置为补偿磁带到磁头的倾斜振动和横向磁带振动二者。

图5是示出根据本发明的可以用于设计改进的干扰观测器400的滤波器F的H∞滤波器架构的示例的高级框图。H∞滤波器架构可以考虑磁带驱动系统402的特性以及磁带驱动的性能需要(如振动规范或其他规范指示的)以设计最优滤波器F。如图5所示，框P表示磁带驱动系统402并且框F表示滤波器。如在图5中进一步所示，w表示对系统P的输入(即，u_i、d、n)，y表示对滤波器F的输入(即，u_i、y_m)，并且u表示滤波器F的输出()，在此也称为补偿信号。该滤波方案尝试最小化值z(即，在实际振动干扰u_d和估计的振动干扰之间的差)来设计最优滤波器F。图5中所示的状态空间等式提供H∞滤波方案的一个示例，其描述了磁带系统的特性以及性能需要，如系统P所描述的，以最小化z的值。

图5中所示的状态空间等式描述了图4中描绘的系统的动态性以及增大的加权滤波器W_d、W_n。具体地，系统G，S_PES，W_d，W_n的状态变量分别由x_G，x_S，x_d，x_n，来描述。系统G由矩阵A_G，B_G，C_G，D_G以状态空间的形式来表示。类似地，S_PES由矩阵A_S，B_S，D_S，D_S以状态空间的形式来表示。W_n由矩阵A_n，B_n，C_n，D_n以状态空间的形式来表示。最后W_d由矩阵A_d，B_d，C_d，D_d以状态空间的形式来表示。

应当认识到，在此描述的H∞滤波器架构仅仅是可以用于设计根据本发明的干扰观测器400的滤波器架构的一个示例。在其他实施例中，诸如H2滤波或卡尔曼滤波的其他滤波器架构可以用于产生最优滤波器F以在根据本发明的改进的干扰观测器400中使用。

参考图6，同时通常还参考图4，如示，加权函数W_d、W_n(这里也称为加权模块W_d、W_n)可以适用于系统输入d、n使得干扰观测器400在特定振动频率处更强大。加权函数W_d可以捕获实际振动干扰d的频率特性，并且输出根据期望的加权曲线被加权(即，放大)的振动干扰信号u_d。图6示出了这样的加权曲线W_d的一个示例。如示，加权曲线W_d在大约30Hz处达到最大值，这大致对应于图1中所示的振动曲线“V4”的峰值。因此，在特定实施例中，加权曲线W_d大致可以对应于期望的振动规范。在其他实施例中，加权曲线W_d被设计为对应于磁带驱动所经历的已知频率振动。可以对噪声n提供类似的加权曲线W_n。在图6的示例中，加权曲线W_n用作高通滤波器——即消除较低频率的噪声，而使较高频率的噪声通过。其他加权曲线W_d、W_n是可能的，并且在本发明的范围内。

参考图7，为了确定根据本发明的改进的干扰观测器400的性能，本发明人使包括改进的干扰观测器400的磁带驱动受振动环境的影响。为了这样做，本发明人将磁带驱动安装到振动器设备，并且使用加速度计来测量所施加的振动。在图7中图示了在实验期间施加到磁带驱动的加速度谱。如可以从图7观察到的，所施加的加速度谱大致类似图1中所示的振动规范“V4”。然后，针对下述三种不同的情况来测量磁带驱动的性能：(1)没有干扰观测器的标准轨道跟随控制器；(2)使用如图3中所示的传统干扰观测器300的轨道跟随控制器；以及(3)使用诸如图4所示的根据本发明的改进的干扰观测器400的轨道跟随控制器。

在闭环操作期间并且在施加的振动下，没有干扰观测器的标准轨道跟随控制器生成具有604nm的标准偏差的位置误差信号(PES)；使用常规干扰观测器的轨道跟随控制器生成具有494nm的标准偏差的PES信号；并且使用根据本发明的改进的干扰观测器400的轨道跟随控制器生成具有448nm的标准偏差的PES信号。因此，改进的干扰观察器400在补偿振动干扰方面显著地改善了磁带驱动的性能。

参考图8A至图10，针对上述三种不同的场景，对振动和非振动条件下的磁带驱动执行各种测试。图8A示出了在前向方向上进行操作时的非振动环境中的三种场景下的磁带驱动的性能。图8B示出了在前向方向上进行操作时的振动环境中的三种场景下的磁带驱动的性能。图9A示出了在反向方向上进行操作时的非振动环境中的三种场景下的磁带驱动的性能。图9B示出了在反向方向上进行操作时的振动环境中的三种场景下的磁带驱动的性能。图10示出了作为振动幅度的函数的三种场景下的磁带驱动的性能。

从图8A可以观察到，当存在振动的情况下在正向方向上进行操作时，三种场景中的每一种呈现出类似的位置误差信号(PES)性能。然而，如从图8B可以观察到的，利用改进的干扰观测器400(即，使用H∞滤波架构设计的干扰观测器400)的磁带驱动的PES性能显著优于没有干扰观测器或使用传统干扰观测器300的磁带驱动的性能。

类似地，如从图9A中可以观察到的，当在存在振动的情况下在反向方向上进行操作时三种场景中的每一种呈现类似的位置误差信号(PES)性能。然而，如从图9B中可以观察到的，利用改进的干扰观测器400的磁带驱动的PES性能显著优于没有干扰观测器或使用传统干扰观测器300的磁带驱动的性能。

如从图10中可以观察到的，在变化的振动幅度下，利用改进的干扰观测器400的磁带驱动的PES性能显著优于没有干扰观测器或使用传统干扰观测器300的磁带驱动的性能。

附图中的流程图和框图示出了根据本发明的各个实施例的系统、方法和计算机可使用介质的可能实现方式的架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续示出的方框实际上可以基本并行地执行，或者这些方框有时也可以按相反的顺序执行，这依赖于所涉及的功能而定。还要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以通过执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以通过专用硬件与计算机指令的组合来实现。

Claims (20)

1.一种用于在存在物理干扰时准确定位磁头致动器的磁带驱动，所述磁带驱动包括：

轨道跟随控制器，用于将磁头致动器定位在磁带上的数据轨道上方；

干扰观测器，被配置为估计振动干扰并且输出补偿信号，以辅助所述轨道跟随控制器在存在振动时准确地将所述磁头致动器定位在所述数据轨道上方，所述干扰观测器在估计所述振动干扰时考虑振动频率特性。

2.根据权利要求1所述的磁带驱动，其中从与所述磁带驱动相关联的振动规范得到所述振动频率特性。

3.根据权利要求1所述的磁带驱动，其中从由所述磁带驱动经历的已知振动干扰得到所述振动频率特性。

4.根据权利要求1所述的磁带驱动，其中使用加权模块来设计所述干扰观测器，以将加权曲线应用于由所述磁头致动器经历的实际振动干扰，所述加权曲线描述所述振动频率特性。

5.根据权利要求1所述的磁带驱动，其中所述干扰观测器利用H∞滤波器架构来估计所述振动干扰。

6.根据权利要求5所述的磁带驱动，其中所述H∞滤波器架构利用所述磁头致动器的模型。

7.根据权利要求1所述的磁带驱动，其中所述干扰观测器接收控制所述磁头致动器的控制输入以及指示所述磁头致动器相对于所述磁带的位置的位置测量信号作为输入。

8.根据权利要求1所述的磁带驱动，其中所述补偿信号被添加到所述轨道跟随控制器的输出。

9.根据权利要求1所述的磁带驱动，其中所述补偿信号被配置成补偿所述磁带驱动内的磁带到磁头的倾斜振动和横向振动二者。

10.根据权利要求1所述的磁带驱动，其中所述轨道跟随控制器包括用于在振动条件下进行操作的第一控制器以及用于在非振动条件下进行操作的第二控制器，并且描述所估计的振动干扰的所述补偿信号用于在所述第一控制器和所述第二控制器之间进行切换。

11.一种用于在存在物理干扰时准确定位磁头致动器的方法，所述方法包括：

提供用于将磁头致动器定位在磁带上的数据轨道上方的轨道跟随控制器；

估计振动干扰并且输出补偿信号，以辅助所述轨道跟随控制器在存在振动时对所述磁头致动器进行准确定位，其中估计所述振动干扰包括在估计所述振动干扰时考虑振动频率特性。

12.根据权利要求11所述的方法，进一步包括从振动规范得到所述振动频率特性。

13.根据权利要求11所述的方法，进一步包括从实际振动干扰得到所述振动频率特性。

14.根据权利要求11所述的方法，进一步包括将加权曲线应用于由所述磁头致动器经历的实际振动干扰，所述加权曲线描述所述振动频率特性。

15.根据权利要求11所述的方法，其中估计所述振动干扰包括利用H∞滤波器架构来估计所述振动干扰。

16.根据权利要求15所述的方法，其中利用所述H∞滤波器架构包括利用H∞滤波器架构，所述H∞滤波器架构利用所述磁头致动器的模型。

17.根据权利要求11所述的方法，其中估计所述振动干扰包括接收控制所述磁头致动器的控制输入以及指示所述磁头致动器相对于所述磁带的位置的位置测量信号作为输入。

18.根据权利要求11所述的方法，进一步包括将所述补偿信号添加到所述轨道跟随控制器的输出。

19.根据权利要求11所述的方法，其中辅助所述轨道跟随控制器包括补偿磁带到磁头的倾斜振动和横向振动二者。

20.根据权利要求11所述的方法，其中所述轨道跟随控制器包括用于在振动条件下进行操作的第一控制器以及用于在非振动条件下进行操作的第二控制器，并且描述所估计的振动干扰的所述补偿信号用于在所述第一控制器和所述第二控制器之间进行切换。