CN108877843B - 一种用于硬盘中压电执行器的阈值判断抗饱和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于硬盘中压电执行器的阈值判断抗饱和方法，与现有技术相比解决了未考虑不同高低饱和水平情况下抗饱和问题的缺陷。本发明包括以下步骤：阈值分段函数的设计；饱和块信号值的获取；饱和度的分析；低水平抗饱和处理；高水平抗饱和处理。本发明采用分段线性函数设计非线性补偿函数，可以调节在较高和较低的饱和水平下不同的抗饱和增益。

Description

一种用于硬盘中压电执行器的阈值判断抗饱和方法
技术领域
本发明涉及硬盘技术领域，具体来说是一种用于硬盘中压电执行器的阈值判断抗饱和方法。
背景技术
随着高轨道密度和高数据存储密度需求的不断增加，改善了HDD行业伺服系统精确定位的性能，目前，安装在音圈电动机(VCM)驱动器的高带宽压电执行器(PZT)已经被用于HDD上，而对于这些双极驱动器(DSA)系统伺服控制，虽然PZT比VCM具有更好的频率响应，但是控制技术仍存在挑战。
由于微驱动器的位移范围非常有限，因此必须考虑PZT环路的振幅和转换速率的饱和度。由于饱和限制，线性控制设计只能让PZT在有限的范围内正确工作。当PZT受制于延长的饱和时间时，HDD的跟踪错误登记(TMR)性能急剧下降，这甚至会增加HDD产品中环路不稳定的危险。
现有技术中，为了PZT饱和问题开发的抗饱和补偿方案有效降低了饱和引起的PES降阶和应用中环路不稳定情况。但是，在大多数情况下，这些技术并没有考虑转换速率饱和问题，高转换速率饱和同样可能会引起高频振动和大幅度降低性能。
然而，通常情况下，高转换速率饱和大多是温和的。当控制输入信号仅略超过PZT饱和限制时，需要允许一个更积极和更高性能的抗饱和增益，这就导致了需要不同水平饱和的基于非线性补偿的抗饱和。然而，大多数算法需要重新设计基于非线性饱和的控制器，需要解决线性矩阵不等式(LMI)来确保系统稳定性，这在实际HDD实现中是不现实的。
因此，如何开发出一种非线性补偿的抗饱和技术来调整不同高低饱和水平情况下不同的抗饱和反馈增益已经成为急需解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中未考虑不同高低饱和水平情况下抗饱和问题的缺陷，提供一种用于硬盘中压电执行器的阈值判断抗饱和方法来解决上述问题。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种用于硬盘中压电执行器的阈值判断抗饱和方法，包括以下步骤：
阈值分段函数的设计，根据压电控制器的控制信号来设计阈值分段函数f(Δu)；
饱和块信号值的获取，获取压电执行器环路的振幅和转换速率的饱和度；
饱和度的分析，将压电执行器的饱和度信号值与饱和阈值进行对比，低于饱和阈值的进行低水平抗饱和处理，高于饱和阈值的进行高水平抗饱和处理；
低水平抗饱和处理，对于低水平饱和度，激活阈值分段函数f(Δu)的高抗饱和增益kn(kn>1)；
高水平抗饱和处理，对于高水平饱和度，激活阈值分段函数f(Δu)中，所有的死区信号Δμ1、Δμ2、...、Δμn激活其自己对应的抗饱和增益k1、k2、...、kn。
所述阈值分段函数的设计包括以下步骤：
设定f(.)为待设计的多阈值分段非线性函数；
死区信号较弱时，非线性函数||f(Δu)||标准增大；死区信号较强时，非线性函数||f(Δu)||标准减小；利用若干个分段函数设计非线性函数||f(Δu)||，其表达式如下：
||f(Δu)||＝k1·Δμ1+k2·Δμ2+...+kn·Δμn，
Δμ1+Δμ2+...+Δμn＝Δμ，
其中，Δμ1、Δμ2、...、Δμn为基于不同饱和阈值的死区信号，k1、k2、...、kn为对应的抗饱和增益；
针对于Δμ1、Δμ2、...、Δμn定义如下：
Δμ1＝μ-sat1(u)，
Δμ2＝sat1(u)-sat2(u)，
…
Δμn＝satn-1(u)-satn(u)，
其中，u为饱和前压电控制器的控制信号，satn(u)为经过第n个临界饱和块的信号值。
还包括双极驱动器中压电执行器阈值分段函数的设计，其包括以下步骤：
假定双极驱动器中压电执行器饱和已发生；
将DAS系统转换为LTI系统G和死区形式，其表示如下：
其中，Cv和Pv是音圈发动机的控制器和设备，Cm和Pm是压电执行器的控制器和设备，m是高饱和界限和低饱和界限的比率，k是轻度饱和情况下高和积极的增益，M为音圈发动机和压电执行器的数量，sat(w)为临界饱和块的信号值，w为饱和前压电执行器控制信号，为饱和前压电执行器控制信号的死区信号。
有益效果
本发明的一种用于硬盘中压电执行器的阈值判断抗饱和方法，与现有技术相比采用分段线性函数设计非线性补偿函数，可以调节在较高和较低的饱和水平下不同的抗饱和增益。
本发明通过饱和阈值的设定判断，使得重度和轻度饱和情况能够自动分离，抗饱和增益被视为一个分段线性函数，实现高精度控制和进一步提高PES性能并降低HDD系统中压电执行器(PZT)的微驱动器双级的饱和度数值。
附图说明
图1为本发明的方法顺序图；
图2为抗饱和非线性补偿实现结构框图；
图3为基于DSA环的阈值判断抗饱和方法的稳定性检验图。
具体实施方式
为使对本发明的结构特征及所达成的功效有更进一步的了解与认识，用以较佳的实施例及附图配合详细的说明，说明如下：
如图1所示，本发明所述的一种用于硬盘中压电执行器的阈值判断抗饱和方法，包括以下步骤：
第一步，阈值分段函数的设计。
在现有的抗饱和技术中，只有一组抗饱和线性增益是用来确保全局稳定性和最小化由任意扰动引起的饱和性能降低。在本发明中提出了一种抗饱和非线性补偿方法来解决饱和问题引起的性能降低，当PZT控制命令略高于饱和限制或者控制命令明显增大时，抗饱和补偿增益是非线性变化的。由此，根据压电控制器的控制信号来设计阈值分段函数f(Δu)。其具体步骤如下：
(1)设定f(.)为待设计的多阈值分段非线性函数。
(2)所需设计的非线性函数，特点为死区信号较弱时，非线性函数||f(Δu)||标准增大；死区信号较强时，非线性函数||f(Δu)||标准减小。
利用若干个分段函数设计非线性函数||f(Δu)||，其表达式如下：
||f(Δu)||＝k1·Δμ1+k2·Δμ2+...+kn·Δμn，
Δμ1+Δμ2+...+Δμn＝Δμ，
其中，Δμ1、Δμ2、...、Δμn为基于不同饱和阈值的死区信号，k1、k2、...、kn为对应的抗饱和增益。
(3)针对于Δμ1、Δμ2、...、Δμn定义如下：
Δμ1＝μ-sat1(u)，
Δμ2＝sat1(u)-sat2(u)，
…
Δμn＝satn-1(u)-satn(u)，
其中，u为饱和前压电控制器的控制信号，satn(u)为经过第n个临界饱和块的信号值。多临界饱和块的主要好处是约束扇区非线性特性，分开处理轻饱和重饱和情况，这将灵活的让低饱和度信号有更加有效、更积极的抗饱和增益kn。
第二步，饱和块信号值的获取，利用传统技术获取压电执行器环路的振幅和转换速率的饱和度。
第三步，饱和度的分析。将压电执行器的饱和度信号值与饱和阈值进行对比，饱和阈值可以根据经验人为设定。低于饱和阈值的进行低水平抗饱和处理，高于饱和阈值的进行高水平抗饱和处理。
第四步，低水平抗饱和处理，对于低水平饱和度，激活阈值分段函数f(Δu)的高抗饱和增益kn(kn>1)。
第五步，高水平抗饱和处理，对于高水平饱和度，激活阈值分段函数f(Δu)中，所有的死区信号Δμ1、Δμ2、...、Δμn激活其自己对应的抗饱和增益k1、k2、...、kn。
对于低水平饱和度，在此只激活更高抗饱和增益kn(kn>1)；对于高水平饱和度，所有的死区信号Δμ1、Δμ2、...、Δμn只激活其自己的抗饱和增益k1、k2、...、kn。
因此，整体的抗饱和增益等于非线性函数
f(Δμ)＝k1·Δμ1+k2·Δμ2+...+kn·Δμn。
如图2所示，以图2的抗饱和非线性补偿实现结构图为例，如果PZT饱和发生，整个DSA转换为LTI系统G和死区形式，其分段函数设计部分如下：
(1)假定双极驱动器中压电执行器饱和已发生；
(2)将DAS系统转换为LTI系统G和死区形式，其表示如下：
其为死区非线性增益的定义。
其中，Cv和Pv是音圈发动机的控制器和设备，Cm和Pm是压电执行器的控制器和设备，m是高饱和界限和低饱和界限的比率，k是轻度饱和情况下高和积极的增益，M为音圈发动机和压电执行器的数量，sat(w)为临界饱和块的信号值，w为饱和前压电执行器控制信号，为饱和前压电执行器控制信号的死区信号。
基于圆准则，LTI系统G的Nyquist图位于-1线的右手边，整个DSA系统利用所提出的双阈值抗饱和发明可以确保稳定性。
例如，设m＝1.25,k＝1.5，利用LTI系统G的公式，LTI系统G的Nyquist图如图3所示，LTI系统G的Nyquist图位于-1的右手边，因此，利用双阈值抗饱和设置的DSA系统是稳定的。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (3)

1.一种用于硬盘中压电执行器的阈值判断抗饱和方法，其特征在于，包括以下步骤：
11)阈值分段函数的设计，根据压电控制器的控制信号来设计阈值分段函数f(Δu)；
12)饱和度信号值的获取，获取压电执行器环路的振幅和转换速率的饱和度；
13)饱和度的分析，将压电执行器的饱和度信号值与饱和阈值进行对比，低于饱和阈值的进行低水平抗饱和处理，高于饱和阈值的进行高水平抗饱和处理；
14)低水平抗饱和处理，对于低水平饱和度，激活阈值分段函数f(Δu)的高抗饱和增益kn(kn＞1)；
15)高水平抗饱和处理，对于高水平饱和度，激活阈值分段函数f(Δu)中，所有的死区信号Δμ1、Δμ2、...、Δμn激活其自己对应的高 抗饱和增益k1、k2、...、kn。
2.根据权利要求1所述的一种用于硬盘中压电执行器的阈值判断抗饱和方法，其特征在于，所述阈值分段函数的设计包括以下步骤：
21)设定f(.)为待设计的多阈值分段非线性函数；
22)死区信号较弱时，非线性函数||f(Δu)||标准增大；死区信号较强时，非线性函数||f(Δu)||标准减小；利用若干个分段函数设计非线性函数||f(Δu)||，其表达式如下：
||f(Δu)||＝k1·Δμ1+k2·Δμ2+...+kn·Δμn，
Δμ1+Δμ2+...+Δμn＝Δμ，
其中，Δμ1、Δμ2、...、Δμn为基于不同饱和阈值的死区信号，k1、k2、...、kn为对应的高抗饱和增益；
23)针对于Δμ1、Δμ2、...、Δμn定义如下：
Δμ1＝μ-sat1(u)，
Δμ2＝sat1(u)-sat2(u)，
…
Δμn＝satn-1(u)-satn(u)，
其中，u为饱和前压电控制器的控制信号，satn(u)为经过第n个临界饱和度的信号值。
3.根据权利要求1所述的一种用于硬盘中压电执行器的阈值判断抗饱和方法，其特征在于，还包括双极驱动器中压电执行器阈值分段函数的设计，其包括以下步骤：
31)假定双极驱动器中压电执行器饱和已发生；
32)将DAS系统转换为LTI系统G和死区形式，其表示如下：
其中，Cv和Pv是音圈发动机的控制器和设备，Cm和Pm是压电执行器的控制器和设备，m是高饱和界限和低饱和界限的比率，k是轻度饱和情况下高和激进 的增益，M为音圈发动机和压电执行器的数量，sat(w)为临界饱和度的信号值，w为饱和前压电执行器控制信号，为饱和前压电执行器控制信号的死区信号。
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