CN1253855C - 致动器、磁盘驱动系统和补偿盘颤动诱发的磁道对准不良的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及控制一个用于定位存储设备(例如盘驱动器)中的读/写头的致动器。更具体地说，本发明涉及使用传感器来检测与盘表面垂直的盘振动幅度，并使用前馈控制来消除或抵消读/写头由于盘振动而造成的离道偏差倾向。提出了多种方法来检测盘的垂直振动。
Description
技术领域
本发明涉及通过前馈控制来控制存储设备(例如盘驱动器)中的磁头定位致动器，以便减少或抵消由盘颤动诱发的读写头的离道偏差(off-trackdeviation)。更具体地说，本发明涉及采用传感器来检测与磁盘表面垂直的磁盘振动，并使用前馈控制来消除或抵消由盘振动造成的磁头离道偏差。提出了多种用于检测盘垂直振动的方法。还提出了一种控制系统结构。
背景技术
典型的磁盘驱动器(HDD)包括一个或多个读/写(R/W)头，用于从或向一个或多个安装在主轴电机上的盘读取或写入数据。数据被存储在盘表面上的通常为同心的磁道中。在驱动器操作期间，在盘由主轴电机旋转的同时，读/写头被定位在所选择的径向位置。经常采用旋转致动器来把读/写头运送到希望的位置。致动器通常耦合到一个音圈电机，音圈电机提供使致动器围绕其枢轴旋转的转矩。
在磁盘驱动器领域中，需要提供一种高性能、可靠的、快速伺服控制系统，其应该是经济的、紧凑的和强健的。此外，为了提高R/W元件的寻道精度并因此支持更高的表面密度数据存储，伺服控制器应该抑制诸如风阻、放大器噪声等所有扰动，而不会放大测量噪声。此外，需要精确地跟踪磁盘的移动以及R/W头从磁道中心的相对移动。为了抑制机械扰动和非机械噪声，通常需要一个高带宽伺服系统。
典型地，在HDD伺服系统中有两种窄带宽机械扰动，这两种扰动都对R/W头的离道偏差有贡献。第一种是可重复的跳动(repeatable runout)(RRO)，其与盘的旋转同步。消除RRO影响的一种方法是对位置参考信号进行调制，使得致动器的输出跟随跳动信号的一个或多个分量。例如，Sacks等人1995年3月在IEEE的磁学报中发表的名称为“用于可重复跳动补偿的高级方法”的论文中描述了多个用于HDD的前馈跳动消除方案。Zhang等人2001年3月在IEEE的磁学报中发表的名称为“用于双级伺服系统的改进的自适应前馈跳动补偿”的论文中提出了自适应前馈跳动补偿(或AFC)方法的一个双级致动器型式。尽管这些自适应控制方法似乎非常复杂，在实施这些方法的过程中，可以仅通过记录(“标定”)对应于盘表面每个位置的必要控制动作并重放所记录的信号来校正由RRO造成的控制误差。
对付RRO的另一种方法是把一个窄带滤波器插入伺服环路中以提高在所需频率的伺服环路增益。结果，可以更有效地抑制跳动信号。2000年8月1日授予Sri-Jayantha等人的美国专利No.6,097,565描述了一种窄带宽滤波器，其在所选择的频率(盘旋转速度的倍数)提高伺服环路增益以增大衰减。该专利进一步提出了一种初始化滤波器以使滤波器的瞬变最小的方法。因此可以减轻在具有窄带滤波器的伺服系统中存在的被延长的振荡。
HDD伺服控制系统中存在的第二种窄带宽机械扰动是由盘振动引起的，因此与盘的旋转不同步。该窄带振动不与盘的旋转相位同步，因此它被称为不可重复的跳动或NRRO。对付NRRO的一种方式是消除或减轻盘振动。这可以通过以下措施来尝试：提供一个平衡电机和盘组，改善盘的阻尼，优化盘的刚性或弹性，选择正确的旋转速度。机械系统的这种优化将减弱由盘颤动引起的盘振动。
用于RRO补偿的窄带宽滤波器方法看起来对NRRO有用，因为它改善了在滤波器频率的扰动抑制。但是，大多数盘颤动频率在500Hz和以上的范围内，而大多数伺服系统的带宽是从几百赫兹到小于2kHz。因此，插入一个在几百赫兹的窄带宽滤波器的能力受到伺服系统的闭环的稳定性的限制。此外，当在环路中使用窄带滤波器时，稳定过程非常慢。实际上，减小被延长的稳定过程已经是Sri-Jayantha的论文中提出的关键问题之一。在IEEE的磁学报的2001年3月版中由R.Ehrlich发表的论文中也讨论了这个问题。
通过使用双级伺服来扩大伺服环路增益和通过增加各种传感器来使用多重感测可以有助于改善在具有和没有窄带宽滤波器的两种情况下对NRRO的抑制。
Huang Fu-Ying等人，IBM，在1998年3月提交，在2000年5月16日被授权的名称为“用于稳定伺服控制器致动器系统的主动控制”的美国专利No.6,064,540使用应变传感器来检测致动器横向振动，因此主动地控制致动器的面内振动(in-plane vibration)。该方法可以消除前两个致动器振动模式，并且非常有效地提供了一个强健的伺服环路，可以允许更高的伺服带宽。
授予Quantum公司的M.Hatch的美国专利No.5,526,208提出了一种位于一个旋转致动器和一个盘驱动器的电子器件之间的、用于感测振动的挠性电路(flex circuit)。该装置包含一个附接到或嵌入于挠性电路中的应变仪。应变仪的电阻率响应于挠性电路的振动而变化，而挠性电路的振动对应于由旋转致动器支持的读/写头的离道振动。可以把该电阻变化变换为由伺服系统使用的电信号，以便以补偿方式移动致动器组件，从而消除由振动造成的读/写头的任何离道移动。
1999年1月19日授予Evans等人的名称为“具有谐振反馈转换器的磁头悬架”的美国专利No.5,862,015公开了一种包括一个负载梁的磁头悬架组件，负载梁具有一个刚性区域、一个在负载梁的近端的安装区域、和一个在负载梁的远端的挠曲(flexure)。磁头悬架组件的变形使磁头附接区域移位。把一个用作应变仪的应变传感器电路安装在磁头悬架组件上。应变传感器电路的电阻随电路中的应变而变化，而电路中的应变随读/写头的移位而变化。应变传感器电路的电阻变化的幅度表示磁头离开中间位置的移动幅度。
Huang Yuhong等人在1999年IEEE/ASME机电学报第2期第4卷中发表的名称为“使用测量悬架的高带宽盘驱动器伺服系统的设计和分析”的论文在悬架中使用应变传感器来抑制它的面内振动，因此扩大了闭环伺服的带宽。
尽管这些传感器有助于扩大伺服带宽并改善稳定性能，带宽改善通常只达到几百赫兹。因此误差抑制的改善被限制到几dB。
2001年1月30授予富士通的Fukuda的名称为“具有接触检测装置的磁头浮动块(slider)和盘单元”的美国专利No.6,181,520公开了一种悬架，其上安装有浮动块，并且在悬架上形成的电阻图形用于检测当浮动块体与盘记录介质接触时在电阻图形上产生的应变。但是，这种方法不能帮助改善寻道精度。
随着近来磁数据存储介质上每英寸磁道数(TPI)的快速增长，需要一种简单但有效的机械电子控制方案以显著改善寻道精度，尤其是改善由盘颤动诱发的磁道对准不良(TMR)。
本说明书中包含的文件、动作、材料、设备、物品等等的任何讨论仅是用于提供本发明的实现环境。而不应认为这是承认，这些内容的任何部分或全部因为在本申请所要求的优先权日期之前存在而构成了现有技术基础的部分或者是与本发明相关领域中的普通常识。
发明内容
根据第一方面，本发明提供一种用于支持读/写头和用于把读/写头靠近磁数据存储盘定位的致动器，磁数据存储盘可以围绕盘轴旋转并且包括围绕该轴的多个同心的数据磁道，该致动器包括：
用于检测由盘颤动诱发的致动器相对于盘的轴向位移、并用于产生一个在一个盘颤动控制系统中使用的输出信号的装置。
通过监测致动器相对于盘的轴向(即，垂直于盘表面的)移动，本发明提供一种监测盘颤动的方式。当盘颤动通过气垫表面(air bearing surface)(ABS)造成读/写头移动时，读/写头和致动器的轴向移动是盘颤动的表示，通常与盘颤动近似成比例。因此，对致动器相对于盘的轴向移动的测量使得能够从用于检测的装置的输出信号产生补偿控制信号，以便抵消盘颤动的影响，尤其是抵消盘颤动诱发的由致动器支持的读/写头的离道偏差。例如，控制信号可以具有与用于检测的装置的输出信号的幅度成比例的幅度，并且可以具有一个相对于用于检测的装置的输出信号的相位被校正的相位。然后，可以把控制信号传送到一个致动器驱动装置，以便抵消由盘颤动造成的读/写头的偏移。
相应地，在第二方面中，本发明提供一种磁盘驱动系统，包括：
磁数据存储盘，可以围绕盘轴旋转，并且包括围绕该轴的多个同心的数据磁道；
支持一读/写头的致动器，用于把读/写头靠近磁数据存储盘的数据磁道定位；
用于检测致动器相对于盘的轴向位移、并用于产生对应于所述位移的输出信号的装置；和
控制系统，用于从用于检测的装置的输出信号确定一个盘颤动校正驱动信号。
应该理解，在本发明的第二方面的实施例中，用于检测致动器位移的装置可以定位在致动器上。在本发明的第一和第二方面的实施例中，为了提供相对较高的灵敏性，用于检测的装置最好被定位为，检测致动器的被预期响应于盘颤动而移动相对较大量的那部分的移动。例如，在致动器包括一个用于固定读/写头的头部的实施例中，该头部由一个臂部通过一个悬架支持，用于检测的装置优选定位为邻近悬架，更优选定位在悬架上。应该理解，由盘颤动诱发的头部的移动将使悬架拉紧，并造成悬架挠曲。因此，悬架是放置用于检测的装置的一个有利位置，特别是在用于检测的装置是一个应变传感器的实施例中。此外，由于来自读/写头的数据电缆通常经过这样一个悬架，并因此而沿着悬架挠曲，可以把用于检测的装置定位在数据电缆上或内。
应该理解，在这种实施例中，臂部通常相对较硬并且在轴向是相对不可挠曲的，并且大多数挠曲将发生在相对挠性的悬架中。
另选地，用于检测的装置可以位于致动器上的任何其他位置，例如致动器的驱动部。在这种实施例中，致动器相对于盘的轴向移动将造成驱动部的一个已知的相应移动。因此，当用于检测的装置检测到驱动部的这种已知移动时，可以确定致动器已经在轴向移动，并因此可以从用于检测的装置导出一个适当的前馈信号，以便抵消盘颤动的影响，尤其是抵消致动器支持的读/写头的离道偏差。应该理解，驱动部可以包括一个诸如VCM线圈的线圈，位于致动器的枢轴相对于读/写头的相反侧。另选地，驱动部可以包括一个MEMS致动器驱动的浮动块或头，并且用于检测的装置可以包括一个安装在MEMS致动器驱动的浮动块或头上的静电或压电加速度计。
虽然用于检测的装置可以包括一个被定位为检测悬架的挠曲的应变传感器，应该理解，用于检测的装置可以另选地包括一个用于检测致动器的振动或移动的加速度计。
用于检测的装置甚至可以位于磁盘驱动器中的任何其他位置。例如，用于检测的装置可以包括一个光传感器，该光传感器安装在磁盘驱动器的外壳上并且可操作地以光学方式检测致动器的轴向移动。
根据第三方面，本发明提供一种补偿硬盘驱动系统中的盘颤动的方法，该方法包括以下步骤：
围绕盘轴旋转一个磁数据存储盘，该盘具有围绕盘轴的多个同心的数据磁道；
把一个读/写头靠近磁数据存储盘的数据磁道定位，读/写头由一个致动器支持；
检测致动器相对于盘的轴向位移；和
从所述检测的位移产生一个补偿控制信号，用于补偿盘颤动的影响。
检测步骤可以包括对致动器的位移的直接检测，例如通过把一个应变传感器放置到致动器上，或者通过对致动器进行光学监测。另选地，检测步骤可以包括对致动器的位移的间接检测，例如通过把一个应变传感器放置到一个与致动器可移动地连接的部件上。由于该部件与致动器可移动地连接，致动器的位移将造成该部件的一个已知的相应移动。因此，当在检测步骤中检测到该部件的这种已知移动时，可以确定致动器已经相对于盘发生轴向位移。
应该理解，对于不同类型传感器布置的前馈控制配置实质上可以是相同的，尽管特定的参数通常不同。用于检测的装置的输出，例如电阻变化或加速度计输出，可以被变换为由一个伺服系统使用的控制信号，以便以补偿方式移动致动器组件，从而消除或抵消可能由盘颤动造成的读/写头的离道偏差。
本发明提供基于传感器的寻道控制方法和装置，它们很容易结合到传统磁道跟踪控制器中。此外，由于外部注入的信号在闭环伺服控制外部是有利的，它不会影响系统的稳定性。这避免了在接近交叉频率的频率处对伺服环路的响应进行整形所涉及的困难。因此，对于伺服环路带宽的要求和相应的对于致动器或双级致动器的要求的严格性变小。
应该理解，上下文中提到的术语“硬盘驱动系统”(例如根据本发明的第二和第三方面)包括伺服磁道写入(STW)过程中的普通硬盘驱动器和/或磁硬盘驱动器。
附图说明
现在参考附图对本发明的示例进行说明，其中：
图1a显示一个盘驱动器致动器伺服系统；
图1b显示一个盘驱动器致动器伺服系统的方框图；
图2是一个HDD硬盘组件的结构；
图3a显示根据本发明的一个在悬架上设置应变传感器的盘驱动器致动器；
图3b是图3a的一部分的放大图；
图4是采用所建议的应变传感器的HDD伺服系统的方框图；
图5a是所建议的方法的另外两个配置，其中传感器在悬架上的挠性电缆或倒装芯片中实现；
图5b显示把应变传感器嵌入挠性电缆内部的一个可能配置；和
图6显示把加速度计嵌入浮动块内部的一个另选配置。
具体实施方式
现在参考图1a，显示了具有多个可旋转盘(2)的盘驱动器(1)，可旋转盘(2)可以由主轴电机(3)旋转。旋转致动器(4)移动一个用于支持R/W头的悬架(5)，R/W头访问盘表面上的同心数据磁道。由R/W头拾取的信号被放大和滤波。把该信号传送到一个检测位置误差信号(PES)和磁道号的电路(7)。例如，R/W头可以是一个磁阻(MR)头或一个巨磁阻(GMR)头，因此，在这种实施例中，从PES解调器(7)获得的PES通常被线性化。线性化的PES信号和磁道号被传送到伺服控制器(8)，伺服控制器(8)计算一个数字格式的所需控制信号并通过一个数模转换器(DAC)(9)把该控制信号输出到一个音圈电机(VCM)驱动电路(10)。依据伺服环路带宽和访问速度需求，还可以提供一个背负搭载(rides piggyback)在VCM上的次级致动器。在此情况下，VCM将提供粗略移动控制，而次级致动器将提供精细定位控制。因此可能需要控制器(8)计算用于VCM和次级致动器二者的必要控制信号。
控制器(8)可以被实现为一个数字信号处理器(DSP)，一个或多个微控制器，或一个数字无限脉冲响应(IIR)滤波器的形式。控制器(8)应该有各种校正函数来对付诸如风阻、盘颤动、放大器噪声、外部振动、和测量噪声等各种扰动。通常，伺服系统设计者会仔细地选择误差抑制传递函数(或灵敏性传递函数)(sensitivity transfer function)和互补灵敏性传递函数(complementary sensitivity transfer function)以确保足够的扰动抑制和噪声衰减能力。
图1b是图1a所示伺服系统的方框图。此处，包括诸如VCM、臂、悬架、和浮动块等因素在内的致动器组件的动态特性被表示为致动器模型(11)，其可以被表示为一个传递函数或一个状态空间模型。为简便起见，VCM驱动器(10)的传递函数也被表示为(11)的部分，而它的饱和被表示为另一个部分(12)。伺服环路中包括可重复跳动(RRO)和不可重复跳动(NRRO)在内的各种扰动可以被集总为一个时间序列(15)。伺服环路中存在的各种噪声源可以被集总为噪声数据，这是另一个数据序列(16)。数字磁道跟踪控制器有两个部分，即处理致动器的挠性模式的滤波器(13)和基本反馈控制部分(14)。在某些情况下，(14)采用一种比例积分微分(PID)动作的形式，而(13)是一种陷波滤波器以便抑制致动器挠性模式。
依据R/W头要被移动的磁道数量，参考命令(17)可以是一个具有变化幅度的阶跃信号。另选地，参考信号可以是阶跃信号的一个平滑型式，并且在很多情况下，它被预先计算并存储为一个查找表(LUT)。在那些要消除相同的RRO分量的系统中，对于每个磁道的稳定状态操作，参考信号可以具有相同的预定值，使得在致动器输出处的预先计算值的相应响应消除这些RRO分量。
现在参考图2，显示了一个具有线圈(21)，枢轴承(22)，臂或E-块(24)和悬架(5)的盘驱动器致动器。在悬架的尖端是读写头(30)。挠性电缆(26)连接读写头(30)和HDD的主印刷电路板(PCB)，主印刷电路板包含大部分电子电路并且在图2中未示出。挠性电缆可以包括一个位于悬架顶部(例如位置(29))的R/W放大器芯片。挠性电路(27)的一端连接到主PCB。
致动器(4)被设计为在横向具有高刚性，在相对于盘的垂直方向或轴向具有相对较低的刚性。较高的横向刚性导致较高的谐振频率，因此导致较高的伺服环路带宽。在盘驱动器的操作期间，读/写头(30)由于气垫表面(ABS)的作用在盘表面稍上方悬浮。
图3a显示根据本发明具有设置在悬架上的应变传感器的盘驱动器致动器，图3b是图3a的一部分的放大图。根据本发明的一个实施例，应变传感器(31)与悬架5形成为一体，或者另选地附接到悬架5的顶部。应变传感器(31)的输出连接到挠性电缆26，并被传送到用于对该信号放大和滤波的主PCB。
图4显示图1b的一个改进型式，说明根据本发明使用的传感器。参考该图，并根据本发明，应变传感器检测盘的垂直振动。来自传感器的信号被传送到主PCB，主PCB在(34)对信号进行放大和滤波，该操作可以以模拟或数字方式进行。把该信号的滤波型式添加到来自数字伺服控制(13&14)的反馈信号，然后传送到功率放大器(12)。功率放大器驱动致动器，并且由于对致动器的垂直或轴向位移的测量和对适当校正信号的计算，使磁头除了其他振动源以外还响应盘振动的移动。
在图5a所示的一个另选配置中，把一个应变传感器集成到挠性电缆(33)中并牢固地附接到悬架上。传感器检测悬架在轴向的位移，即，悬架的垂直弯曲或挠曲。图5b显示一种可能的配置，其中，在挠性电缆(33)内把应变传感器(41)并排印刷在通常的印刷电路旁。另选地，可以把应变传感器掩埋在挠性电缆内。
在如图5a所示的另一个另选配置中，把一个加速度计集成到挠性电缆上的倒装芯片(32)中。加速度计可以是一个压电、静电、MEMS、或其他类型的加速度计。加速度计检测悬架的垂直或轴向振动，并且由加速度计输出的信号被放大并传送回到主PCB以由控制电路使用。
在上述配置的另一个另选方式中，如图6所示，把加速度计集成到一个浮动块中。加速度计可以是压电、静电、MEMS或其他类型的加速度计。加速度计检测浮动块的悬架的轴向和面内振动，并且把信号放大并传送回到主PCB以由控制电路使用。
在使用加速度计时的控制系统配置可以与在使用应变传感器时的控制系统配置相同。只需改变各种频率的各自增益和幅度，就可以校正由于盘颤动造成的R/W头离道偏差。
应该理解，本公开只是示意性的，并且可以对其细节进行修改而不偏离本发明的精神和范围，尤其是对于所使用的传感器和控制器/滤波器的结构、配置和参数的修改。
还应该理解，本公开中的技术不限于硬盘驱动器中的应用，而还可应用于盘驱动器伺服磁道写入(STW)过程。如图1a所示，在该过程期间，介质或盘(2)，主轴电机(3)可以处于与盘驱动器(1)的最终组装形式。致动器(4)和悬架(5)可以是根据本发明专门用于STW过程的外部设计。也可以是使用本发明的普通HDD致动器(4)和悬架。使用上述公开的方法监测盘的垂直振动。
本领域技术人员应该理解，在不偏离广义描述的本发明的精神或范围的情况下，可以对特定实施例中表示的本发明内容进行很多变型和/或改进。因此，应认为这些实施例是示意性的，并不用于限制。
Claims (20)
1.一种用于支持读/写头和用于把读/写头靠近磁数据存储盘定位的致动器，磁数据存储盘可以围绕盘轴旋转并且包括围绕该轴的多个同心的数据磁道，该致动器包括：
用于检测由盘颤动诱发的致动器相对于盘的轴向位移、并用于产生一个在一个盘颤动控制系统中使用的输出信号的装置。
2.根据权利要求1所述的致动器，其中致动器包括一个用于固定读/写头的头部，该头部由一个臂部通过一个悬架支持，并且其中用于检测的装置邻近悬架定位并检测悬架的轴向移动。
3.根据权利要求2所述的致动器，其中致动器与悬架形成为一体。
4.根据权利要求2所述的致动器，其中致动器被安装在悬架上。
5.根据权利要求2所述的致动器，其中用于检测的装置是应变传感器。
6.一种磁盘驱动系统，包括：
磁数据存储盘，可以围绕盘轴旋转，并且包括围绕该轴的多个同心的数据磁道；
支持一读/写头的致动器，用于把读/写头靠近磁数据存储盘的数据磁道定位；
用于检测致动器相对于盘的轴向位移、并用于产生对应于所述位移的输出信号的装置；和
控制系统，用于从用于检测的装置的输出信号产生一个补偿控制信号以用于抵消盘颤动的影响。
7.根据权利要求6所述的磁盘驱动系统，其中补偿控制信号与用于检测的装置的输出信号在幅度上成比例，并且其相位相对于用于检测的装置的输出信号被校正。
8.根据权利要求6所述的磁盘驱动系统，其中补偿控制信号被传送到一个致动器驱动装置以便抵消由盘颤动造成的读/写头的移动。
9.根据权利要求6所述的磁盘驱动系统，其中用于检测的装置被定位在致动器上。
10.根据权利要求6所述的磁盘驱动系统，其中致动器包括一个用于固定读/写头的头部，该头部由一个臂部通过一个悬架支持，并且其中用于检测的装置邻近悬架定位并检测悬架的轴向移动。
11.根据权利要求10所述的磁盘驱动系统，其中致动器与悬架形成为一体。
12.根据权利要求10所述的磁盘驱动系统，其中致动器被安装在悬架上。
13.根据权利要求10所述的磁盘驱动系统，其中用于检测的装置是应变传感器。
14.根据权利要求10所述的磁盘驱动系统，其中一个来自头部的数据电缆经过悬架，并且其中用于检测的装置定位在数据电缆上或内。
15.根据权利要求6所述的磁盘驱动系统，其中用于检测的装置邻近致动器的驱动部分，并检测驱动部分的移动。
16.根据权利要求6所述的磁盘驱动系统，其中用于检测的装置包括一个加速度计，用于检测致动器相对于盘的轴向振动或移动。
17.根据权利要求6所述的磁盘驱动系统，其中用于检测的装置包括一个安装在磁盘驱动器外壳上的光传感器，光传感器可操作地以光学方式检测致动器的轴向移动。
18.一种补偿硬盘驱动系统中的盘颤动的方法，该方法包括以下步骤：
围绕盘轴旋转一个磁数据存储盘，该盘具有围绕盘轴的多个同心的数据磁道；
把一个读/写头靠近磁数据存储盘的数据磁道定位，读/写头由一个致动器支持；
检测致动器相对于盘的轴向位移；和
从所述检测的位移产生一个补偿控制信号以用于补偿盘颤动的影响。
19.根据权利要求18所述的方法，其中检测步骤包括直接检测致动器的轴向位移。
20.根据权利要求18所述的方法，其中检测步骤包括通过检测一个与致动器可移动地连接的部件的移动来间接检测致动器的轴向位移。
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