CN1221184A - 具有可变轴旋转速度的直接存取存储装置 - Google Patents

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Abstract

这里提供了一种用于一直接存取存储器件(DASD)的可变轴旋转速度的方法和装置。直接存取存储器件(DASD)包括一多相无刷直流(DC)轴马达。在执行读写操作的同时,将速度和整流控制信号加到多个轴马达驱动器上,使多个轴马达驱动器正常地工作在饱和模式下。检测轴旋转速度,并将其与一预定轴速度范围进行比较。响应于检测到的轴旋转速度位于所述预定轴速度范围内,允许直接存取存储器件(DASD)的正常操作。在一个磁盘介质的每个表面上提供一个或多个写同步字段。写同步字段用于对直接存取存储器件中的写操作定时。

Description

具有可变轴旋转速度的 直接存取存储装置
本发明涉及一种直接存取存储装置(DASD)，特别涉及用于在直接存取存储装置中的可变轴旋转速度的方法和装置。
直接存取存储装置(DASD)或硬盘驱动器广泛地使用于现代计算机中。常常装有层叠的、通常是旋转的硬磁盘的硬盘驱动器单元被用于在磁盘表面上以磁形式存储数据。数据被记录在排列在磁盘表面上的径向分布的数据信息磁道上。沿着朝向和远离驱动轴的路径被驱动的换能头(transducer head)向磁盘写数据以及从磁盘读数据。
在现在的磁盘驱动器中，轴马达旋转速度或马达每分钟转数(RPM)一般是一个固定值，例如7200RPM。通过固定轴旋转速度值，则可以将所有其他部件都设计成在该值工作。在设计轴马达及其控制电路时，设计者必须确保在最坏的条件下每个驱动器总能在这个固定RPM下工作。不利条件的例子包括下列一些情况。电源电压可以为+/-10％。温度范围为0-60摄氏度，这会影响转矩常数和制动。假定各个部件的马达和线圈制动变化量为+/-50％。线圈、接线和电源设备电阻的变化量为20％。各个部件的马达转矩常数变化量为+/-5％。
一旦在设计中考虑进了所有这些不利条件，所得的为轴马达选定的转矩常数必须小于在标称条件下的可能值。选择较小的转矩常数会导致需要较大的运行电流，其结果是需要大得多的存储功率。例如，为了将一个硬盘驱动器设计为使其能在所有工作条件下在一给定RPM工作，需要的功率至少要多20％-30％。
在电池驱动的系统中，这种增大的存储功率需要是一个很重要的因素，限制了可用的独立使用的电池的寿命。在常规系统中，一旦电池降到低于一给定值，从而不能达到固定的马达速度，则磁盘存储器停止工作。
本发明的一个主要目的是提供一种用于直接存取存储装置(DASD)中的可变轴旋转速度的改进的方法和装置。本发明的其他重要目的是提供基本上没有副作用的这样的方法和装置；以及提供克服了现有技术的许多缺陷的这样的方法和装置。
简要地说，提供了一种用于直接存取存储装置(DASD)中的可变轴旋转速度的改进的方法和装置。直接存取存储装置(DASD)包括一个多相、无刷、直流(DC)轴马达。在执行读和写操作的同时，将控制信号加到多个轴马达驱动器上，用于在饱和模式正常地控制多个轴马达驱动器。对轴旋转速度进行检测，并将其与一预定轴速度范围进行比较。响应于检测到的轴旋转速度处于所述预定轴速度范围内，允许直接存取存储装置(DASD)的正常操作。在一个磁盘介质的每个表面上提供一个或多个写同步字段。写同步字段用于对直接存取存储装置中的写操作定时。
通过下面结合附图对本发明的最佳实施例的详细说明，将更好地理解本发明和上述的及其他目的和优点，其中：
图1是体现本发明的一个数据存储磁盘存储器的示意和方框图；
图2是显示依据本发明的图1中的数据存储磁盘存储器的方框图；
图3是显示依据本发明的定制数据格式的示意图；
图4是显示依据本发明的用于实现可变轴旋转速度的例示性轴马达驱动控制装置的示意和方框图；
图5是显示依据本发明的用于实现可变轴旋转速度的例示性轴反电动势(EMF)马达驱动控制信号的示意图；
图6是显示依据本发明的图1的数据存储磁盘存储器中的轴马达驱动控制操作的顺序步骤的流程图；以及
图7是显示依据本发明的图1的数据存储磁盘存储器中的读写操作的顺序步骤的流程图。
现在参考附图，在图1中显示了一个数据存储磁盘存储器，用100表示，包括一个硬磁盘驱动单元112和一个接口控制单元114。单元112是以一种足以理解本发明的简化的和概括的形式显示的。本发明的使用并不局限于一特定驱动单元结构的细节。
磁盘驱动单元112包括至少一个磁盘116，该磁盘116具有至少一个磁性表面118。磁盘116被安装在一个整体的轴和马达组件126上，并绕其旋转。在每个磁性磁盘表面118上的信息由一个相应的换能头组件128从磁盘表面118读出或写入磁盘表面118，该换能头组件128可以沿一个具有通过旋转磁盘表面118的径向分量的路径移动。每个换能头组件128由一个悬臂组件130来支承。悬臂组件130由一个磁头驱动伺服马达132联结在一起，以便进行同步枢轴运动，其中磁头驱动伺服马达132包括一个协同内部磁铁和磁心组件的声音线圈(未显示)。加到声音线圈上的驱动信号使得悬臂130一致地运动，以便将换能头组件128对准定位于磁盘表面118上的信息存储磁道，从这里写入或读出信息。
磁盘驱动单元112由控制单元114提供的信号控制其操作，其中控制信号包括线126A上的马达控制信号和线132A上的磁头定位控制信号。在一个典型布局中，控制单元114提供与一个提供数据读写命令的计算机的联系，并且通过对应的线128A将数据信号传送到换能头组件128或从其传送出来，其中之一如图1所示。伺服定位信息记录在磁盘表面118上，换能头组件读取该伺服信息以便向控制单元114提供一个伺服定位信号。控制单元114采用该信息来提供线132A上的定位控制信号。
现在参考图2，显示了用于实现本发明的可变轴旋转速度方法的磁盘存储器100的功能表示的方框图，整体用200代表。伺服信息和定制数据由换能器128读出，由读/写预放大器(preamp)222放大。数据通道224使用最佳实施例的采样技术来检测来自包含定制数据的磁盘表面118的读回信号。嵌入的一个磁盘控制器226与数据通道224和伺服控制器228相连。伺服控制器228执行伺服控制功能，向一个与VCM和轴马达组件126相连的功率驱动器块230提供伺服定位控制信号。一个与磁盘控制器226相连的接口控制器232执行接口处理器功能。一主机接口234通过接口控制器232与磁盘控制器226相连。
依据本发明的特征，磁盘存储器100并不限于工作在一给定RPM上。在磁盘存储器100中，提供了一个预先确定的宽工作范围的轴旋转速度。例如，对于标称RPM规格为10,000RPM的，可以提供最小RPM规格为8,000RPM，最大RPM规格为10,100RPM。将标称RPM规格设置为接近最大RPM规格。将最小RPM规格设置为远远低于标称RPM规格。应用一个更宽范围的轴旋转速度，可以节省更多的功率。
将数据通道224安排在一个比常规的磁盘存储器宽的数据频率范围内工作。还需要一个另外的写同步字段对数据写操作定时，将结合图3和7对该写同步字段进行显示和说明。伺服控制器228根据一个检测到的轴旋转速度修正其采样速率的变化。伺服控制器228测量轴RPM，并且当出现采样速率变化时动态地提供对采样速率变化的修正。
在常规的用电池驱动的系统中，一旦电池降到低于一给定值，从而不能保持固定的轴马达速度，则存储器停止工作。本发明允许随着电池降低轴马达速度也降低，同时驱动器继续工作，直到达到一预先确定的低阈值轴马达速度。预先确定的低阈值轴马达速度可以相应于一个逻辑模块将停止工作的低电压电平。与常规的电池驱动的系统相比，使用本发明的电池寿命也延长大约20-30％。
图3显示了一种用于实现本发明的可变轴旋转速度方法的定制数据格式，用300表示。定制数据格式300包括一个伺服字段302、一个写同步字段304、一个读同步字段306和用户数据308。写同步字段304是实现本发明的可变轴旋转速度控制方法所需的新字段。在磁盘存储器100制造期间，与伺服信息同时写入写同步字段304。写同步字段304此后不再重写，不象读同步字段306可以在磁盘存储器100操作期间重写。在最佳实施例中，为每个伺服字段302写入一个写同步字段304。后面将结合图7显示和描述在磁盘存储器100的写操作期间对写同步字段304的使用。
现在参考图4，显示了依据本发明的用于实现可变轴旋转速度控制的轴马达驱动控制装置的例子，整体上用400表示。轴马达驱动控制装置400向轴马达126提供一个控制驱动信号，轴马达126由每个标为马达A、马达B和马达C的线表示。轴马达126包括三个以Y形与一个共同的中心抽头相连的定子线圈或马达线圈402、404和406。轴马达驱动控制装置400包括多个驱动器晶体管，包括多个P沟道场效应晶体管(FET)408、410和412，多个N沟道FET414、416和418，以及多个齐纳二极管420、422和424。轴马达驱动控制装置400包括一个整流和速度控制电路单元430，该整流和速度控制电路单元430使得各个对FET408、414；410、416；412和418在磁盘存储器100的正常运行模式期间在饱和模式工作。FET408、410、412、414、416和418分别与马达线圈402、404和406以及齐纳二极管420、422和424相连。
FET408、410、412、414、416和418在饱和模式下工作的结果是，消除了对复杂的脉宽调制(PWM)和控制电路的需要，并且消除了伴随着的常规轴马达驱动器的电子噪声。FET408、410、412、414、416和418在饱和模式下工作的结果还在于，降低了全部功率耗散，从而可以使用比常规需要的更小的FET。
依据本发明的特征，可以提供一种具有比常规的具有固定轴速度的磁盘存储器一般所使用的更高的转矩常数和一个更有效的轴马达的轴马达组件126、多相无刷直流(DC)马达。
图5显示了依据本发明的用于实现可变轴旋转速度的轴马达驱动控制信号的例子。在图5中显示了三个正弦波，分别标为VAB、VBC和VCA，相位相互分开120°，分别表示线马达A、马达B和马达C在通过对应的成组或成对马达线圈402、404和406时的电压。在各对FET408和414；410和416；412和418之间切换的饱和点由表示最小反EMF电压的点来指示。在最小电压和峰值电压之间的平均反EMF电压用标为平均BEMF电压的虚线表示。本发明的平均反EMF电压一般等于电源电压+V减去马达线圈组402、404和406的I*R损耗。在磁盘存储器100中，将峰值反EMF加上I*R损耗选择为等于标称电源电压。可以通过测量在正弦波信号VAB、VBC或VcA中的一个的零交叉之间的时间来检测轴旋转速度。
参考图6，显示了依据本发明的由数据存储磁盘存储器100中的伺服控制器228执行的轴马达驱动控制操作的例示性顺序步骤。轴马达驱动控制操作开始于用于磁盘存储器100的功能操作的方框600。在方框601，轴驱动器设备工作在饱和状态。在方框602，获得对轴速度的测量。在判决框604，将测量出的轴速度与磁盘存储器100的轴旋转速度的预定范围进行比较。如果测量出的轴速度处于该预定范围内，则在方框606继续正常的存储器操作。然后操作返回到方框601，继续轴驱动器设备在饱和模式的操作。如果测量出的主速度在预定范围之外，则在方框608将测量出的轴速度与磁盘存储器100的最小轴旋转速度和最大轴旋转速度进行比较。如果测量出的轴速度小于最小轴旋转速度，则在方框610产生一个存储器关闭信号。如果测量出的轴速度大于最大轴旋转速度，则在方框612停止在饱和模式的操作，使轴驱动器设备工作在线性模式，以降低轴旋转速度。然后操作返回到方框602，继续测量轴旋转速度。
图7是显示依据本发明的数据存储磁盘存储器100中的读和写定时操作的顺序步骤的流程图。在方框702，在换能器128到达磁道后，开始该顺序操作。在方框704，一个数据通道定时电压频率振荡器(VFO)与来自第一写同步字段304的读回频率同步。在方框706，将该频率一直保持到写VFO与来自下一个写同步字段304的读回频率再次同步。然后在方框708执行选择的读或写操作。对于在方框708的写操作，采用写VFO作为写时钟。
这里已经参考由附图显示的本发明的详细实施例说明了本发明，但这些细节并不限制由附带的权利要求书所要求的本发明的范围。

Claims (14)

1．一种用于一直接存取存储器件(DASD)中的可变轴旋转速度的方法，其中直接存取存储器件(DASD)包括一多相无刷直流(DC)轴马达，其特征在于，包括下列步骤：
将一个控制信号加到多个轴马达驱动器上，用于在直接存取存储器件的正常读/写操作期间正常地控制所述多个轴马达驱动器工作在饱和模式；
检测轴旋转速度；
将所述检测到的轴旋转速度与一个预定的轴速度范围进行比较；以及
响应于所述检测到的轴旋转速度处于所述预定轴速度范围内，允许所述直接存取存储器件(DASD)的正常读/写操作。
2．如权利要求1所述的用于一直接存取存储器件(DASD)中的可变轴旋转速度的方法，其特征在于，所述允许直接存取存储器件(DASD)的正常操作包括下列步骤：
在一个磁盘介质的每个表面提供一个写同步字段；以及
将所述写同步字段用于对直接存取存储器件中的写操作定时。
3．如权利要求1所述的用于一直接存取存储器件(DASD)中的可变轴旋转速度的方法，其特征在于，还包括步骤，响应于所述检测到的轴旋转速度位于所述预定轴速度范围之外，结束直接存取存储器件(DASD)的正常操作。
4．如权利要求1所述的用于一直接存取存储器件(DASD)中的可变轴旋转速度的方法，其特征在于，还包括步骤，响应于所述检测到的轴旋转速度位于所述预定轴速度范围之外，向所述多个轴马达驱动器提供一个调节的整流控制信号，以改变轴旋转速度。
5．如权利要求1所述的用于一直接存取存储器件(DASD)中的可变轴旋转速度的方法，其特征在于，所述预定轴速度范围包括一最大轴速度N和一最小轴速度0.8*N。
6．一种用于一直接存取存储器件(DASD)中的可变轴旋转速度的装置，其中直接存取存储器件(DASD)包括一多相无刷直流(DC)轴马达，其特征在于，包括：
多个轴马达驱动器，用于将驱动电流加到轴马达上；
速度和整流控制装置，用于将一个控制信号加到所述多个轴马达驱动器，正常地控制所述多个轴马达驱动器工作在饱和模式；
用于检测轴旋转速度的装置；
用于将所述检测到的轴旋转速度与一个预定的轴速度范围进行比较的装置；以及
用于响应于所述检测到的轴旋转速度处于所述预定轴速度范围内、允许直接存取存储器件(DASD)正常操作的装置。
7．如权利要求6所述的用于一直接存取存储器件(DASD)中的可变轴旋转速度的装置，其特征在于，还包括用于响应于所述检测到的轴旋转速度小于所述预定轴速度范围、结束直接存取存储器件(DASD)的正常操作的装置。
8．如权利要求6所述的用于一直接存取存储器件(DASD)中的可变轴旋转速度的装置，其特征在于，还包括用于响应于所述检测到的轴旋转速度大于所述预定轴速度范围、将一个调节的整流控制信号加到所述多个轴马达驱动器以减小轴旋转速度的装置。
9．如权利要求6所述的用于一直接存取存储器件(DASD)中的可变轴旋转速度的装置，其特征在于，还包括用于在一个磁盘介质的每个表面提供一个写同步字段的装置；以及将所速写同步字段用于对直接存取存储器件中的写操作定时的装置。
10．一种直接存取存储器件(DASD)包括：
至少一个为旋转而安装的磁盘；
一个为沿记录在至少一个磁盘上的磁道运动而安装的换能头；
用于在一个磁盘介质的每个表面提供一个写同步字段的装置；以及
将所述写同步字段用于对直接存取存储器件中的写操作定时的装置。
11．如权利要求10所述的直接存取存储器件(DASD)，其特征在于，还包括：
一个多相无刷直流(DC)轴马达；
多个轴马达驱动器，用于将驱动电流加到轴马达上；以及
速度和整流控制装置，用于将一个控制信号加到所述多个轴马达驱动器，使所述多个轴马达驱动器正常地工作在饱和模式。
12．如权利要求11所述的直接存取存储器件(DASD)，其特征在于，还包括：
用于检测轴旋转速度的装置；
用于将所述检测到的轴旋转速度与一个预定轴速度范围进行比较的装置；以及
用于响应于所述检测到的轴旋转速度处于所述预定轴速度范围内、允许直接存取存储器件(DASD)正常操作的装置。
13．如权利要求12所述的直接存取存储器件(DASD)，其特征在于，还包括：用于响应于所述检测到的轴旋转速度小于所述预定轴速度范围、结束直接存取存储器件(DASD)的正常操作的装置。
14．如权利要求12所述的直接存取存储器件(DASD)，其特征在于，还包括用于响应于所述检测到的轴旋转速度处于所述预定轴速度范围之外、将一个调节的整流控制信号加到所述多个轴马达驱动器以改变轴旋转速度的装置。
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