CN1285946A - 使位置误差非线性模型化以改进伺服性能 - Google Patents

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Abstract

一种用来改进磁盘驱动器(100)的伺服性能的装置和方法。磁盘驱动器包括靠近在其上有多个磁道(164)存储数据可旋转磁盘(106)的磁头(126)。伺服电路(144)通过产生实际的(原始的)位置误差信号(PES)(218,458),用来控制磁头的位置,而实际位置误差信号的特征是对在选择的磁道宽度的部分上是非线性的,并且表示磁头相对于选择的磁道的位置。伺服电路还产生一预计的PES(456)作为实际PES的近似,并且随后通过将实际的PES与预计的PES(236)相加,来控制磁头的位置。伺服电路包括一脉冲信号发生器(300),当磁头读取磁盘上的伺服脉冲波形(176)时,它产生预计的脉冲信号(350,370),作为由来自磁头的回读信号确定的实际脉冲信号(208,210)的近似。误差值表(302,304)通过补偿磁头的非对称响应,提供改进的实际脉冲信号的近似。

Description

使位置误差非线性模型化以改进伺服性能
发明领域
本发明一般涉及磁盘驱动数据存储装置领域，本发明尤其涉及(但不局限于)采用驱动器磁头/磁盘组件的自适应非线性模型来改进磁盘驱动器的伺服性能。
发明背景
磁盘驱动器通常是用作现代计算机系统和网络中的主要数据存储装置，这是因为它是一种可以存储和检索大量计算机化数据的有效的并且是成本低廉的方法。当代的磁盘驱动器具有超过几千兆字节(GB)的数据存储能力，并且可以单独使用(如用在典型的个人计算机结构中)，或用在多驱动器的数据存储阵列中(如互联网伺服器或主计算机的情况)。
典型的磁盘驱动器包含多个硬磁性存储盘，它们沿一主轴电机轴向排列并使其在恒定的高速(如每分旋转10，000圈)下旋转。提供一个读/写磁头阵列，用来在磁盘的磁道和安装该磁盘驱动器的主机之间转发数据。磁头安装在可转动的致动器组件上，并且可以由一闭环伺服器系统控制定位于靠近磁道处。
伺服器系统主要以两种可选择的方式中的一种方式进行工作：搜寻和磁道跟随。搜寻操作使得所选择的磁头先时加速然后减速离开初始磁道，并朝向目标磁道，从相关磁盘表面上的初始磁道移动到目标磁道上。采用速度控制的方法，从而重复测量磁头的速度，并与确定所要求的用于搜寻的速度轨迹的速度曲线比较。一旦该磁头被移到目标磁道上，伺服系统进入操作的磁道跟随方式，使磁头跟随目标磁道，直到进行下一个搜寻操作。
磁道搜寻和磁道跟随操作通常需要产生位置误差信号(PES)，它给出磁头相对于磁盘上的磁道的径向位置。在高性能的磁盘驱动器中，PES是从用相应的伺服磁头(专用的伺服系统)的预先记录的伺服磁盘得到的，或者是从以预定的间隔在每一记录表面上嵌入在用户数据块中的伺服信息得到的。
磁头将伺服信息提供给伺服系统，当磁头位于磁道中心时(“磁道上”)，它产生具有通常等于零的幅度的PES，并且以一定比例线性正比于磁头和磁道中心之间的相对误定位(misposition)距离(“偏离磁道”)，极性代表径向偏离磁道的方向。为了提供稳定的操作，有关PES对实际径向误定位的传递函数应当是常数，并且在存在磁头信号幅度、线性记录位密度、磁头与介质的间距和磁头倾斜角的变化时，是独立于偏离磁道的距离的。
近年来，由于与磁电阻(MR)磁头有关的卓越的磁性记录特性，MR磁头取代了以前使用的薄膜磁头。通常，MR磁头包括磁电阻读元件，其特征是具有基线(baseline)直流(DC)电阻，该电阻在受到选定方向的磁场作用时发生变化。当预定大小的读偏置电流通过MR元件时，根据MR磁头上测得的电压变化，MR磁头可以检测预先记录的数据。MR磁头使得当代的磁盘驱动器能够实现比每厘米4，000个磁道(约为每英寸10，000个磁道)更高的磁道密度。
尽管MR磁头能够实现更高水平的磁记录密度，但当用作位置传感器时，这种磁头是有缺点的，这是因为对应于位置的非线性回读响应引起的。这种非线性是由于各种因素引起的，包括MR元件偏置、MR元件极表面的几何形状的灵敏度差异以及末端边缘场(end fringing field)固有非线性恶化，这是因为典型的MR元件回读间隙宽度通常显著小于相关磁盘上的磁道宽度。
历史上，PES非线性主要影响磁道搜寻性能，产生到达磁道时的过冲或欠冲，使到达设定时间延长。PES非线性不会这样负面影响磁道的跟随性能(即，不会引起显著的磁道误登记或TMR)，这是因为由伺服信息的伺服脉冲(通常称为A、B、C和D脉冲)定义的读和写的磁道中心通常与定位脉冲信号的零响应A-B=0是一致的。
然而，采用MR磁头，PES非线性还影响磁道跟随期间的TMR控制，这是因为MR元件在物理上与磁头的写元件是隔开一个磁头设计时确定的距离；所以，会产生因磁头(相对于磁盘的)倾斜和磁头制造容差所造成的不精确性。由于写间隙和读间隙具有略微不同的径向位置，PES必须在A≠B的位置上工作，以恰当确定写间隙在磁道上的中心。另外，回读磁场灵敏度的非均匀性通常在脉冲A-B=0的零响应时产生位置移动。除非恰当地加以区别和得到补偿，这种非线性将产生与所要求位置的偏差，并在伺服系统中引起不稳定。
所以，采用MR磁头所致的PES非线性不仅会负面影响搜寻性能，而且会影响磁道的跟随性能。其后果还可以进一步影响到对可实现的磁道密度(因此也是数据存储容量)的限制，这是因为TMR的安排必须使与相邻磁道的干扰(如改写)为最小。
因此，人们一直在努力，进行改进，从而通过使位置误差信号的非线性影响为最小来优化磁盘驱动器性能。
发明概述
本发明提供了一种改进磁盘驱动器伺服控制性能的装置和方法。
按照一些较佳实施例，所提供的磁盘驱动器具有一个磁头，该磁头可以受控定位靠近具有多个磁道的可旋转磁盘。伺服电路通过产生实际的(原始的)位置误差信号(PES)，控制磁头靠近磁道的位置，而PES通常表示磁头相对于所选择的磁道的位置。由于各种影响，包括磁电阻(MR)磁头的不对称性，PES通常的特征是对于所选磁道宽度部分的非线性。以后产生一种预计的(predicted)PES，作为实际的PES的近似，并且包括实际PES的非线性特征。伺服电路对应于实际PES与预计的PES之间的差值控制磁头的位置。
伺服电路最好包含一种解调器，当磁头读取与所选磁道相关的伺服脉冲图形时，它根据来自磁头的回读信号产生脉冲信号。实际的PES发生器输出实际的PES作为脉冲信号的选择组合，并且加法块将实际的PES与预计的PES相加，产生PES误差。估算和预计电路根据来自加法块的PES误差，产生磁头的估计位置。
重要的是，伺服电路还具有脉冲信号预告器，它产生预计的脉冲信号，作为该解调器产生的脉冲信号的近似，伺服电路还包括根据预计脉冲信号产生预计位置误差信号的预计PES发生器，预计PES发生器与实际的PES发生器是相同的。特别是，脉冲信号预告器使来自解调器的实际脉冲信号模型化(model)成施加饱和阈值的大体呈三角形的波形，而该饱和阈值通常与磁头宽度相关，并且是以自适应方式确定的。饱和阈值限定的饱和区可以呈曲线形，用以改进来自解调器的脉冲信号的预告。
另外，最好提供一种表格，通过考虑脉冲信号预告器未考虑的非对称的更高阶次的影响，来改进脉冲信号的估计。该表格中存储了一组与来自解调器的脉冲信号与脉冲信号发生器产生的预计脉冲信号之间差异相关的误差值。这些伺服电路运行的主要部分最好由可编程处理器装置如数字信号处理器执行。
现有技术通常通过采用PES线性化运算来补偿磁电阻(MR)磁头的非线性响应特征，与现有技术磁盘驱动器不同的是，本发明的较佳实施例以实际系统非线性很精确的非线性模型进行运算。所以，PES线性化的缺点不成为可实现的伺服性能和磁道密度水平的限止，这是因为不必使PES线性化。
另一个重要的优点是具有更宽范围的磁头宽度变化，这可以采用本发明的实施例来实现。由于这样可以使磁头宽度容差放宽而使制造成本降低、产量的提高以及制造成本的降低，从而具有显著的经济效益。
最后，由于脉冲信号预告器所使用的饱和阈值直接与磁头宽度相关，本发明可以进一步用来向磁头供应商反馈信息，改进磁头的制造过程控制。正如人们知道的那样，磁盘驱动器制造商的一个通常的难题是对大量的磁头进行有效读元件磁头宽度变化的估计，而不花费大量的时间和资源。
在结合附图阅读了下述详细描述以后，读者将会清楚地了解本发明的各种特性和优点。
附图简述
图1是按照本发明的较佳实施例构成的磁盘驱动器的俯视图。
图2是图1所述磁盘驱动器的功能方框图。
图3是图2所述伺服电路的功能方框图。
图4是图1所述磁盘上所选的磁道的一部分的表示，描述了伺服块和数据块的布局。
图5是图4中所示的一个伺服块更详细的表示。
图6描述的是对多个相邻位置磁道，图4所示伺服块的位置。
图7是描述控制磁头相对于相应磁盘的位置时现有技术的伺服系统运行的控制图。
图8是根据图6所示的位置产生的位置信号PS1和PS2的图。
图9是根据图8中的PS1和PS2的信号产生的原始位置误差信号(PES)图，该原始位置误差信号的特征是包含非线性。
图10是线性化PES的图，它给出一种理想的要求的响应。
图11是按照本发明的较佳实施例的图3所示伺服系统运行的控制图。该控制图代表图3所示数字信号处理器(DSP)的编程运行。
图12是图11所示位置信号(PS)预告器运行的控制图，该预告器分别产生PS1p信号和PS2p信号，作为图8所示PS1和PS2信号的预告。
图13是图11所示预告器观察块产生的对应于相关磁盘磁道中测得的位置的预告位置XPRED的图。
图14是图12中小数块(fraction block)的运行，它从图13的曲线产生一系列小数部分。
图15是图12所示减二分之一(1/2)块的运行，用以调节图14小数部分的相对值。
图16给出的是图12所示反相块的运行，反相块使图15所示部分每隔一个部分反相，产生三角波形的响应。
图17是图12所示应用(apply)PMAX块的运行，用以将饱和阈值PMAX应用于图16所示的波形，以产生PS1p信号。
图18给出的是图12所示移位二分之一(1/2)磁道和小数块的运行，以产生与图14所示部分相似的一系列小数部分，不同的是图18所示部分移位1/2磁道。
图19是图12所示反相块的运行，用以从图18所示的各段产生标称的三角波形响应。
图20是图12所示应用PMAX块的运行，用以将饱和阈值PMAX应用于图19所示的波形，以产生PS2p信号。
图21给出的是图11的控制图，所增加的块用来在按照本发明的较佳实施例中自适应设置图11和21所示PS预告器使用的饱和阈值PMAX。
图22是“PS预告器适配”程序步骤的流程图，表示图3所示DSP的编程，以及列出设置饱和阈值PMAX时图21所示控制程序的运行。
图23给出的是PS1p和PS2P信号归一化部分的图，它通常描述了一种最好对PS1p和PS2p采用附加的第二阶二次形状的方式来得到PS1和PS2信号的更好的预告。
图24描述的是采用图11所示的PS1和PS2表进一步适配补偿MR磁头不对称性，以便得到PS1和PS2信号的更好的估计。
图25是“表格适配”程序的步骤流程图，它代表设置图3的PS1和PS2中合适值时图3的DSP的编程，用以针对图24中所涉及的MR磁头的不对称性。
详细描述
为了描述本发明的各个方面，首先简单描述按照本发明较佳实施例构成的磁盘驱动器的结构和运行是有帮助的。
参见图1，图中示出了磁盘驱动器100的俯视图，它包括磁头一磁盘组件(HDA)100和安装在HDA 101下方因此在图1中是看不见的磁盘驱动器印刷线路组件(PWA)。PWA提供了控制HDA 101的运行并在HDA 101和可以在用户环境中安装磁盘驱动器100的主机之间转发数据的电路。
HDA 101包括安装各种磁盘驱动元件的基板102。顶盖与基板102一起形成具有受控空气压力、湿度和清洁度的磁盘驱动器100的内部环境。顶盖在图1中是省去的，以便看清感兴趣的内部元件。主轴电机104用来使一叠磁盘106在恒定的高速下旋转，磁盘夹持装置108使磁盘106固定在主轴电机104上。
为了访问磁盘106，有一个可受控定位的致动器组件110，它根据话音线圈电机(VCM)114的线圈(113处所示的一部分)上的电流，绕夹头轴承组件(cartridgebearing assembly)112旋转。致动器组件110包括多个臂116，相应的弯曲组件118从臂116上延伸。磁头120位于弯曲组件118的末端上，并由磁盘106旋转所建立起来的气流所建立的气垫保持在磁盘106上。磁头120最好是磁电阻(MR)磁头。
有一个锁定组件122用来在磁盘驱动器100没有启动时将磁头固定在磁盘106最内直径的区域(未示出)内。弯曲电路组件124提供致动器组件110与磁盘驱动器PWA(如上所述安装在磁盘驱动器100的下方)之间的电通信路径。
图2是图1所示磁盘驱动器100的功能方框图，在工作时，它与主机140相连。如图2所示，用来控制HDA 101的电路包括主轴控制电路142、伺服控制电路144和读/写通道146，它们都与系统处理器150相连。人们将认识到，系统处理器150以一种已知的方式(除非下文中所讨论的)与这些电路进行通信，并控制这些电路的运行。另外，所示的接口电路152与读/写通道146和系统处理器150相连，并且接口电路152用作磁盘驱动器的数据接口和缓冲器。接口电路152包括序列发生器(未单独示出)，该序列发生器包含用于在读/写通道146工作期间建立起改变时序序列的硬件。
主轴控制电路142控制主轴电机104的旋转速度(图1)。伺服控制电路144(本文中也称为“伺服电路”)根据磁头120读取的伺服信息，通过向致动器线圈113施加电流，控制磁头120相对于磁盘106的位置。根据从接口电路152提供到通道的用户数据，通过对数据编码并使之串行化，以及产生磁头120所使用的写电流，而使磁盘106上所选磁道的一部分磁化，借此读/写通道146将数据写到磁盘106上。
相应地，当磁头通过磁盘106上所选的磁道时，通过对磁头120产生的读信号得到的数据译码，由读/写通道146检索先前存储的数据。按照存储器(MEM)154中存储的编程，磁盘驱动器100的各种运行受系统处理器150的控制。存储器(MEM)154包括易失存储装置，如动态随机存取存储器(DRAM)，以及非易失存储装置，如熔断式(flash)存储器。
现在参见图3，图中示出的是图2所示伺服电路144的功能方框图。如图3所示，伺服信息由选择的磁头120读取，并由前置放大器电路156(“前置放大器”)放大。前置放大器156最好在HDA 101中，并如图1所示安装在致动器组件110中。经放大的回读信号被提供给解调器电路158(“解调器”)，它调整该信号(包括模一数转换)，并将其提供给数字信号处理器(DSP)160。
下面更详细地讨论按照本发明的较佳实施例的DSP 160的运行；然而，通常DSP 160根据从解调器158来的信号产生位置误差信号(PES)，该信号指示磁头120相对于磁盘106的位置。根据得到PES，以及由系统控制器150(图2)提供到DSP 160的控制输入，DSP 160向线圈驱动器162输出校正信号，线圈驱动器162接着将电流施加到线圈113上，以调节磁头120的位置。
图4中示出了将伺服信息安排在磁盘106上最好的方式，图中给出所选的磁道164的一部分。磁道164包括多个伺服块(S)166，它等间隔地散布在数据块(D)168中间，伺服块存储伺服电路144(图3)使用的伺服信息，而数据块(也称为“扇区”)存储读/写通道146(图3)访问的用户数据。正如本领域中所知道的那样，伺服块166是在磁盘驱动器制造期间写入的，并且角度上对齐，类似于轮子辐条，以致于在磁盘的每一个记录表面上形成多个沿径向延伸的楔形体。随后在磁盘驱动器格式化操作期间，定义数据块168。
图5更详细地示出了所选的一个图4中所示伺服块166的一般化的情况。如图4所示，每一伺服块166包括用来优化伺服电路144(图3)的性能的自动增益控制(AGC)和同步(sync)字段170、表示角度位置的索引段172、表示径向位置(磁道地址)的葛莱(Gray)码(GC)字段174，和使伺服电路144能够分辨磁头120相对于伺服块166因此也是所选的磁道164的位置的位置字段176。
图6描述了对于多个相邻磁道(如164)的图4和图5所示伺服块166的位置字段176。更确切地说，位置字段176包含多个脉冲图形178、180、182和184，分别表示为A、B、C和D脉冲图形。作为参照，脉冲图形178、180、182和184的排列A、B、C和D称为零正交图形；然而，在这一点处，我们将会认识到，图6所示的排列是为了说明的目的，但如权利要求所述的本发明并非仅限于此。
相邻C和D脉冲图形182、184定义了多个磁道边界186、188、190、192和194(在图6中标识为边界0-4)，从而C和D脉冲图形182和184的每一个有一个大体对应于相应磁道的宽度(沿磁盘半径测得的)。为参考起见，具有C脉冲图形182的磁道表示为“偶数”磁道，而具有D脉冲图形184的磁道表示为“奇数”磁道。
A和B脉冲图形178、180相对于C和D脉冲图形182、184偏移半个磁道宽度，从而给出每一磁道的磁道中心，这些中心是用相邻磁道间二分之一处的虚线表示的。同样如图6所示的是选择的磁头120，当磁盘沿用箭头196所表示的方向相对于磁头120旋转时，读取相关的A、B、C和D脉冲图形178、180、182、184。
现在参见图7，图中示出了现有技术伺服系统的控制图。图7主要代表可编程处理装置，如DSP或类似的控制器，所使用的编程，它是用来更好地理解下面描述的本发明较佳实施例的结构和运行的。因此，用来标识图7中所示各种元件的标号对应于出现在其他诸图中任何一处相同或相似的元件的标号。
如图7中所示，设备200通常包含磁头、磁盘、致动器组件和VCM(如先前图1中所示的这种元件)。设备200在路径202上将伺服信息回读信号从位置字段(如图5和6的176)输出到解调器(图3中的158)，据此分别在路径204、206上输出脉冲信号PS1和PS2。由于图7中的伺服系统是一个数字系统，读者容易理解，PS1和PS2信号以及从中产生的信号，它们每一个包含一个以一定采样频率的采样序列，此频率相应于与将伺服块166提供给伺服系统的速率。
通常，PS1和PS2脉冲信号是在设备200的磁头分别通过先前在图6中示出的A和B脉冲图形178、180以及C和D脉冲图形182、184得到的。更确切地说，A和B脉冲图形178是用选择的频率和幅度的正弦写入图形写入的，其中，B脉冲图形180是用偏离A脉冲图形178的相位180度写入的；C和D脉冲图形182、184是以类似的方式写入的。所以，表示相邻A和B脉冲图形178、180测得的幅度和的PS1信号在磁头120的读元件位于磁道之上时具有零值，而当位于A脉冲图形178的中心之上时为正最大值(就象是具有图6中磁道边界1和3)，而当位于B脉冲图形180的中心之上时具有负最大值(就象是具有图6中磁道边界2和4)。
除了偏离PS1信号半个磁道以外，表示相邻C和D脉冲图形182、184测得的幅度之和的PS2信号与PS1信号是相似的。即，零将出现在磁道边界上，正的和负的最大值将出现在磁道中心处。为参考起见，典型的PS1和PS2信号在图8中示于208和210处，x轴212表示径向位置(磁道)，而y轴214表示相对幅度。PS1和PS2脉冲信号在下文中有时也称为“位置信号”。
继续看图7，将PS1和PS2信号提供给位置误差信号(PES)发生器216，它按照下面的关系式产生原始的PES信号： rawPES = PS 1 | PS 1 | + | PS 2 | · sign [ PS 2 ] - - - - - - - - - ( 1 )
从而原始的PES信号等于PS1的幅度除以PS1的绝对值与PS2的绝对值的和，取PS2的极性(符号)。尽管PES发生器216按照等式(1)产生原始的PES，但也可以采用其他众所周知的方法，本发明对所采用的方法没有限制。
正如上面所讨论的那样，PES相对于磁道宽度应当是线性的，从而使伺服系统提供稳定的响应，和精确的控制。然而，有关MR磁头的结构和运行的各种因素通常会使原始的PES具有非线性的响应，正如图9中原始PES曲线218所示出的那样，其中，x轴220表示位置(磁道)，而y轴222则表示幅度。
因此，在现有技术中，通常含有如224所示的PES线性化块，它通过路径226从PES发生器216接收原始PES，并对其进行修改，以产生线性化的PES，如图10中的曲线228所示的那样。图10所示的线性化PES曲线228中，x轴230表示位置(磁道)，而y轴232表示幅度。可以按照任何一种已知的方法来执行图7中线性化块224的运行。
线性化的PES在路径234上输出，并与路径238上预告的位置值XPRED在加法块236处比较，该预告的位置值是以下面讨论的方式产生的。块236的输出是PES预告误差，它被(通过路径239)提供给一系列的增益块240、241和242中的每一个，它们分别表示为Lx、Lv和Lw。增益块240、241和242的输出在路径243、244和245提供到加法块246、247和248，如图所示的那样，它们在路径249、250和251上提供磁头位置(XEST)、速度(VEST)和偏置(bias)(BEST)的估计值。
估计的位置XEST在加法块252处与所要求的位置XDES比较，该要求的位置表示来自命令输入块256的路径254上提供的磁头的要求位置。正如人们所理解的那样，在磁道跟随期间，磁头将位于磁道中心上方；然而，人们有时发现，使磁头离开磁道中心一个选择的量(通常是按照磁道宽度的百分比来度量的，如离开磁道±10％)有时是有利的，以考虑到磁头的倾斜，或者是在误差恢复操作期间。所以，所要求的位置XEST通常在磁道跟随期间是零。
采用类似的方法，在加法块258处，估计的速度VEST与表示要求的磁头速度的要求速度VDES相加。要求的速度VDES类似地是沿路径260由命令输入块256提供的，并且通常是在搜寻操作期间使用的，在该搜寻操作期间，速度控制方法用来在磁头从初始磁道移动到目标磁道时，控制磁头的速度轨迹。所以，在正常的磁道跟随操作期间，所要求的速度VDES也将是零。
来自加法块252、258的输出信号沿路径262、264提供到如图所示具有增益Kx和Kv的增益块266和268。由于没有图7所示伺服系统进行偏置调节，估计的偏置WEST直接施加到具有增益Kw的相应的增益块。来自增益块266、268、270的输出信号在路径272、274、176上提供，并在加法块278处相加，用以在路径280上提供误差信号。误差信号提供给观察者/预告器块282(“观察者”)，它还进一步从路径249、250和251接收估计的位置、速度和偏置XEST、VEST和WEST。响应于此，观察者282在路径284上输出上述预计的位置XPRED，它由延迟块285延迟一个取样，并且随后在路径238上提供到加法块236。
预计的位置XPRED进一步提供到第二延迟块286，从而延迟的预计位置XPRED(路径287)由加法块246相加，产生估计位置XEST。观察者282还在路径288和289上输出预计的速度和偏置力(VPRED和WPRED)值。VPRED和WPRED值由延迟块290和291延迟，从而延迟的VPRED和WPRED值(路径292和293)用加法块247和248相加，以产生估计的速度VEST和估计的偏置估计WEST。
最后，误差信号从路径280进一步提供到具有增益KP的增益块294，增益块294补偿观察者282和设备200之间的响应差异。即，根据需要，在运行期间连续调节KP，以保持观察者282的响应特征与设备200一致。
图7所示现有技术的伺服系统会受到各种影响，包括不可重复撰动(RUNOUT)(NRRO)误差、可重复摆动(RRO)误差、测量噪声以及MR磁头影响，以及笑哈哈块224的运行所不能恰当模拟因此也不能去除的过程变化。其结果是，采用图7所示现有技术的伺服系统限制了给定系统可实现的性能水平，并对设计标准(最大取样速率、磁道密度等)提出了限制。
因此，图11给出了按照本发明的较佳实施例的图3所示伺服系统运行的控制图。特别是，图11所示的控制图代表图3所示数字信号处理器(DSP)的程序控制的运行。由于图11的几个操作块和互联路径与图7中的是类似的，所以图中采用相同的标号。然而，正如从图11一开始看到的那样，图7所示的线性化块224已经从图11中去掉；而且图11提供了几个新的图7中没有的块，包括脉冲信号预告器300(也称为位置信号或PS预告器)、PS1p表302、PS2p表304，以及大体与PES发生器块216类似的第二PES发生器块305。
正如在下面将要更详细说明的那样，图11的运行通过产生预告的、非线性的PES提供伺服控制，所产生的PES用自适应的调节以配合来自系统的原始PES的非线性。预告的非线性PES提供真实的磁头位置的更精确的估计，使得与现有技术相比具有改进的控制特征。
现在再特别参照图11，伺服信号由设备200提供到解调器158，解调器与以前一样，产生并输出PS1和PS2信号(如图8所示的208和210)，这些信号由PES发生器216组合，产生由图9的曲线218表示的原始PES。尽管与图7不同，路径226上的原始PES在加法块236处与如下产生的预计PES组合。
在路径284上由观察器282输出的预告位置XPRED被提供到PS预告器300，PS预告器300在路径306和308上分别产生PS1p和PS2p信号，这两个信号经适配调节，从而变成与解调器158输出的PS1和PS2信号相同。PS1p和PS2p信号的进一步适配是由PS1p和PS2p表格302、304完成的，随后，预计的PES是由PES发生器308从路径310、312上的表格适配的PS1p和PS2p信号产生的。预计的PES在路径314上输出到延迟块285，随后，延迟预计的PES在路径316上提供到加法块236。
PS预告器300产生PS1p和PS2p信号的方式见图12所示的控制图。如图12所示，预告的位置XPRED作为输入提供到两条分开的通道路径，一条用于产生PS1p，第二条用来产生PS2p。首先讨论PS1p的产生。
图中，XPRED一开始是小数块318的输入，用来去除用于每一磁道的XPRED的小数部分。从图13可以完全理解为什么需要块318，图13给出了XPRED曲线320的图，其中，x轴322表示位置(磁道)，而y轴324表示幅度。位置和幅度之间的线性关系见图13所示，已经理解：XPRED是包含葛莱码(即磁道地址)分量以及从初始磁道测得的位置(即每一磁道中的地址)分量的多位值。所以，必须抽出(stripout)相应于磁道地址的XPRED值位置，而留下位置分量(例如，只使用最小有效位或用表示位置的位)。
合成的位置分量(小数部分)记作FRAC(XPRED)并在图14中的326处示出，采用相似的x、y轴328、330表示，其值从零到1。由于PS1和PS2信号(图8中的208、210)在零值(即，零PES表示磁道中心)周围是归一化的，图12接着进到减去1/2框332，如图15所示，将图14的小数段向下平移二分之一个磁道。图15给出了在相应的x、y轴336、338上绘出的一系列的平移的小数段334，它们的大小在-1/2到+1/2的范围内。
继续看图12，小数段接着由反相框340反相，从而每隔一个小数段反相，得到一个图16中在相应x、y轴344、346上绘出的大体为三角形的曲线。一旦有选择地经反相以后，一个应用PMAX块348将选定大小的饱和阈值PMAX施加到曲线342的正、负延伸部分，产生如图17中350所示以x、y轴352、354上绘出的PS1p信号。读者将会理解，合成的PS1p信号350是图8中PS1信号208的线段近似。
以类似的方法，采用第二小数、减去1/2、反相并应用PMAX块318、332、340和348，由图12所示PS预告器300的PS2p通道路径，产生PS2p信号。然而，因为PS2信号相对于PS1信号平移1/2个磁道(见图8)，还另外提供了平移1/2磁道块356。所以，预告器300顺序产生经调节的小数部分358(图18，对x轴和y轴360、362绘出)、大体为三角波形曲线364(图19，对x轴和y轴366、368绘出)和370处的PS2p信号(图20，对x轴和y轴372、374绘出)。与PS1p信号相似，PS2p信号370包含图8的PS2信号210的逐段线性近似。这里要注意的是，应用PMAX块348具有对PS1p和PS2p信号进行曲线成形的能力，以提供PS1和PS2信号更好的预告。然而，下面将更详细地讨论这一附加能力。
PMAX值对于每一磁头120是特有的，并且通常是与每一磁头的宽度相关的。所以，产生的PMAX值不仅便于产生PS1P和PS2p信号，而且还用于基于磁头各个宽度(相对于磁道)的其他类型的补偿努力。下面参照图21和22讨论为每一磁头适配确定PMAX值的方式。
一开始，图21给出的是图11的控制图，其中，附加的块用来按照本发明的较佳实施例适配地设置图11的PS预告器所使用的饱和阈值PMAX。与以前一样，以前讨论的附图中的相同的方框和路径在图21中用相同的标号表示。与图21相应的是图22，它给出了“PS预告器适配”程序400的流程图，它代表适配地选择每一磁头120的PMAX值时图21所执行的步骤。
如图22中的步骤402所示，程序一开始选择第一个磁头进行估算。读者将会理解，在专用伺服系统中在程序400的运行期间，将只选择一个或几个伺服磁头，但在嵌入(embedded)的伺服系统(如图3所示的伺服系统144)中，将轮流选择所有的磁头120。
继续参见图22，在步骤404处，选择PMAX的初始值。由于PMAX将是用数字值表示的，所以，最好选择可以从系统配置得到的最小非零值。步骤404还给出，一旦选择了PMAX的初始值以后，值PMAX1被设置成等于PMAX，这里，PMAX1是被PS预告器300的应用PMAX块348(图12)用来在路径306和308上产生PS1p和PS2p信号的值。
接着，在步骤406处选择递增值ΔPMAX值，ΔPMAX用来产生与ΔPMAX和ΔPMAX1的和有关的PMAX2值。PMAX2值由图21的ΔPS预告器408使用，后者具有与图11和12的PS预告器300具有相同的标称结构。
一旦得到了PMAX1和PMAX2值以后，图22的程序继续进行到步骤410，伺服电路144开始在每一伺服块166(图4)八分之一磁道宽度的较佳速率下进行磁盘106的受控扫描，从而伺服位置段信息从磁盘106顺序以1/8磁道增量提供到伺服电路144。当磁头120扫过磁盘106时，步骤410接着测量来自路径204和206(图21)的PS1和PS2信号的值以及由PS预告器300在路径306和308上输出的PS1p和PS2p信号的值。
从步骤410起，图22的流程进入判断步骤411，在该步骤处，DSP 160判断所测得的PS1、PS2是否等于预告的PS1p、PS2p值(在选择的允差内)。如果不是，则流程进入步骤413，使PMAX的值递增，并更新PS预告器300和ΔP预告器408所使用的PMAX1和PMAX2的值。
参照图21可以理解更新PMAX的方式。开始时，要注意，路径306和308的PS1p和PS2p信号通过PS1p和PS2p表302和304；然而，由于在将要在下面详细讨论的顺序运行期间表格302和304是最佳的，表格302和304此时不对信号进行修改(即，路径306、308的信号与路径310、312的信号是相同的)。
所以，如上所示，PS1p和PS2p信号从路径310、312提供到PES发生器305(它与PES发生器216是相同的)，该发生器在路径314上输出一预告的非线性PES，由延迟块286延迟，并在加法块236处与路径226的原始PES信号相加。
同时，ΔPS预告器408用PMAX2值在路径412、414上产生ΔPS1p信号和ΔPS2p信号，这些信号被提供到与PES发生器216、305相同的PES发生器416。与此类似，PES发生器416提供一个预告的非线性PES值(基于△PS1p和ΔPS2p值)，它在路径418上被输出到延迟块285，随后，该值沿路径420传送到加法块422，该加法块将来自PES发生器305、416的两个输出相加，形成路径424上的预告梯度(gradient)。
预告梯度由乘法器与从加法块236输出的PES误差信号相乘，形成施加到具有增益Kμ的增益块430的路径428上的乘积信号。增益Kμ是一个选择用来控制PMAX适配过程的收敛的收敛因子。一PMAX更新值从增益块430由路径432传回到PS预告器300和ΔPS预告器408，PMAX更新值被加到PMAX值上，从而PMAX值和PMAX2值被更新。
所以，继续图22的步骤410、411和413的运行，直到PS1p、PS2p足以等于PS1、PS2。随后，流程进入步骤434，为选择的磁头120存储最终的收敛的PMAX值。
接着，在步骤438处程序判断是否已经估计了所有的磁头(它发送伺服信息)。如果还没有，则流程进入步骤440，选择下一个磁头，并且程序回到步骤404。在估计了所有的磁头的时候，程序进入判断步骤438，并在步骤442处结束。
在结束了上述按照图22的程序的图21的电路图的运行讨论以后，下面讨论运用应用PMAX块348(图12)形成PS1p和PS2p信号饱和区的操作。参照图23，图中示出的是从PS1p和PS2p信号中选择出来的一个信号的一部分图示(表示在444处)。为了便于讨论，444部分已被归一化，并且x轴446表示位置，而y轴448表示幅度。然而，人们能够理解，图23中的一般化描述和下面的讨论是可以容易地略加修改，从而应用于PS1p和PS2p信号的每一饱和区，并且二者均沿正方向和负方向延伸。
通常，如上面讨论的那样，由PS1p和PS2p信号提供的第一次逼近(first passapproximation)(如图17中350和图20中370处更全面示出的那样)，大体为形成直线段。然而，读者将会理解，MR磁头通常不提供线性饱和区(如图23中的450处所示的那样)，而却有曲线特征。所以，应用PMAX块348接着选择曲线饱和区响应，如曲线部分452所表示的那样。下面简单描述PS预告器300修改PS1p和PS2p以包括该曲线响应的方式。
首先应当理解，可以将图23所示的曲线部分452形成第二阶、二次响应。可以要求部分452在点(x’，PMAX)和(x”，PMAX)处具有相同的斜度，从而避免不连续性，而这种不连续性会影响伺服性能。另外，如果部分452的顶点(表示在454处)具有坐标(1/2，C0)，则可以用下面的函数关系来描述部分452： f ( x - 1 2 ) = C 0 + C 2 ( x - 1 2 ) 2 - - - - - - - ( 2 ) 这里，C0和C2是常数，并且其表述如下。在X=X’处求解C2， ∂ ∂ x f ( x ′ - 1 2 ) = 2 C 2 ( x ′ - 1 2 ) - - - - - - ( 3 )
Figure 9881305500191
在x=x’处，求解C0
Figure 9881305500192
因此，图11、21中的PS预告器300根据前面公式的导出，将二次形状用到PS1p和PS2p信号的饱和区，调节有关位置轴(如图17中的352和图20中的372)饱和区相对位置的值。因此，PS1p和PS2p信号可以描述如下：
Figure 9881305500193
这里，“︱input︱”是提供给图12所示应用Pmax方框348的信号的绝对值，“output”是应用PMAX块348(路径306、308上的PS1p或PS2p)的输出，并且，“f(x-1/2)”描述的是上述二次成形。这里，应用PMAX块348通常按照等式(11)的条件工作，输出PS1p和PS2p信号。
尽管上述PS1和PS2的二阶模型给出了充分接近的近似模型以便进行稳定的伺服操作，但应当理解，还存在有关MR磁头结构和操作的更高阶的影响，它给出了实际位置信号PS1、PS2与预告位置信号PS1p、PS2p之间的小差异。这样的影响如图24所示，它给出了有关相应位置信号458的一部分选择的预告信号456。
如图24所示，上述详细的预告模型是不必考虑MR磁头有关典型非对称响应的影响的(信号458所示)。结果，在考虑这些非对称效果时，可以考虑上述PS1和PS2表302、304(图11、21)。
图25给出的是“表格适配”程序460的流程图，代表在设置图3所示PS1和PS2表格303、304的合适值时图3的DSP的编程，以便解决图24中的MR磁头非对称性。
如图25所示，一开始在步骤462处选择第一个磁头，随后选择的磁头在方框464处以1/8磁道增量扫过相应的磁盘，然后顺序进行测量PS1、PS2、PS1p和PS2p。读者将会理解，步骤464的运行与图22中步骤410的运行大致是相似的。
接着，按照下面的关系式，在步骤466处计算表格T1、T2：T1=PS1-PS1p                                         (12)T2=PS2-PS2p                                         (13)并且如步骤468所示的那样，提供给表格302、304(图11、21)。通常，T1和T2给出在1/8磁道增量下，实际PS1、PS2信号和相应预告的PS1p、PS2p信号之间的误差指示。由于图25中的程序用来将这些表格收敛到最终值，所以判断步骤470接着判断收敛范围值△T1、△T2是否充分等于零，这里，△T1、△T2分别是最近确定的T1、T2值之差(即，△T1、△T2表示最近的取样间隔上表格值的变化)。
因此，图25中的程序通过步骤464、466、468和470循环，直到对于选择的磁头，表格T1、T2大体被设置为最终值的时候为止。随后，程序继续进行到判断步骤472，判断是否估计了所有可应用的磁头；如果还没有，则步骤474选择下一个磁头，并重复该过程。当已经估计了所有的磁头从而PS1p、PS2p表格302、304包括了每一磁头的最终收敛的表格T1、T2以后，程序在476处结束。
在以后的运行期间，用线性插值技术，按照T1、T2，修改提供给PS1P、PS2p表格302、304的实际的PS1p、PS2p信号输出。最好在每一磁道八个位置取样的扫描速率下确定这些设置值，但应当理解，可以根据各种考虑，包括处理开销和表格大小(存储)容量，在不同的速率下确定这些设置值。
应当理解，上述用实施例说明的本发明具有比现有技术更好的几个重要的优点。在处理由MR磁头非线性特征引起的问题时，现有技术通常试图使从磁头得到的原始PES线性化，并在伺服控制操作中使用线性化的PES。所以，考虑到各种因素，如MR磁头大小的差异和非对称输出特征以及系统可重复的摆动(runout)(RRO)和不可重复的摆动(NRRO)效果，可实现的伺服性能和磁道密度水平大部分取决于该现有技术线性化功能给出大体为线性PES的能力。
相反，本发明不必使PES线性化，而是形成随后在伺服控制中使用的非线性原始PES的很精确的模型。所以，PES线性化所引起的缺点不会被作为是对可实现的伺服性能和磁道密度水平的限止，这是因为无需使PES线性化。另外，本发明的非线性PES预告方便了现代适配控制方法的应用。
本发明的另一个重要的优点是与现有技术相比，可以具有很宽范围的磁头宽度差异。这可以带来显著的经济效益，因为磁头通常是磁盘驱动器中最昂贵的元件之一，仅次于媒体(磁盘)。即，使用本发明可以放宽磁头宽度的限制，并提高制造产量，并且能减小制造成本。
本发明的另一个优点是提供了运行期间磁头特征变化的实时(飞行中)补偿，磁头特征的变化通常是由运行温度所引起的。
如上讨论的那样，人们已经发现，PMAX饱和阈值通常与读元件磁头宽度直接相关；因此，本发明可以用作过程质量指示器，便于向磁头的提供者进行有价值的反馈，以改进磁头制造过程控制。正如人们将能理解的那样，对于大量的磁头，在不消耗相当大资源的情况下，磁盘驱动器制造商很难估计有效读元件磁头宽度的变化。
总而言之，本发明涉及一种使磁盘驱动器(如100)的伺服性能为最佳的装置和方法。
磁头(120)靠近由伺服信息(166)定义多个磁道(164)上的可旋转磁盘(106)。通过产生实际的位置误差信号(图9中的218，如图11中路径226所提供的那样)伺服电路(144)可以控制，来确定靠近磁道的磁头的位置，并且实际位置误差信号的特征对所选磁道宽度上的部分是非线性的，并且从伺服脉冲波形(178，180，182，184)指示磁头相对于选择的磁道的位置。伺服电路接着产生预告的位置误差信号(路径314，316上)，作为偏离估计的磁头位置的实际位置误差信号的近似(路径284上的XPRED)，并比较实际位置误差信号和预计的位置误差信号。
伺服电路还可以包含：一个解调器(158)，当磁头读到所选磁道的伺服脉冲波形时它根据来自磁头的回读信号，产生脉冲信号(图8中的208、210)；一个实际位置误差信号发生器(216)，它产生实际位置误差信号作为脉冲信号的选择组合；一个加法块(236)，它将实际的位置误差信号与预计的位置误差信号比较，产生一位置误差信号误差；一个估计和预计电路(240，241，242，246，247，248，282)，它根据位置误差信号误差，产生磁头的预计位置；一个脉冲信号预告器(300)，它产生预计的脉冲信号(350，370，444，456)作为解调器所产生的脉冲信号的近似；以及一个预计位置误差信号发生器(305)，它根据预计的脉冲信号，产生预计的位置误差信号。
另外提供的表格(302，304)可以用来存储与用于产生由脉冲信号发生器生成的实际位置误差信号和预计脉冲信号的脉冲信号之间差异相关的一组误差值，用来修改脉冲信号发生器所生成的预计脉冲信号的表格采用误差值提供来自解调器的脉冲信号的改进的近似，并且其中，预计的位置误差信号发生器用由表格修改的预计脉冲信号产生预计的位置误差信号。
为了使权利要求书与上文中的讨论连贯，应当将术语“信号”理解为既包括模拟信号也包括数字信号。术语“电路”也应当被理解为既包括硬件的，也包括软件/固件型的结构。短语“位置误差信号”应当被理解为描述的是表示磁头相对于选择磁道的选择径向点(如磁道中心)的相对位置并且具有选择的范围的信号，所选择的范围中的第一个范围值通常相应于选择的磁道的一个边界，第二个范围值通常相应于选择磁道的余下的一个边界，而第一和第二范围值之间的中间范围值通常相应于磁道的中心。
短语“脉冲信号”应当被理解为是从一个或多个脉冲波形(如178、180、182、184)得到的，并且相对于选择磁道的脉冲波形排列，本质上是周期性的。例如，(但不限于)，PS1脉冲信号通常在A和B脉冲波形178、180之间的磁道中心处从零值起循环，并在A和B脉冲波形的中心处到达沿相反方向延伸的最大值。应当进一步理解，尽管为描述起见，示出的是零伺服波形，但也可以采用按照权利要求书所限定的本发明的其他类型的伺服波形。
短语“可编程处理装置”应当被理解为是描述的任何类型的执行相关程序如DSP 160中的指令的可编程处理器。术语“和”、“加和”等应当被理解成包括加上或减去值的大小的运算。术语“波形”、“曲线”等应当被理解成包括数字表述值。最后，尽管权利要求书中的某些方法具有以特定顺序排列的步骤，但应当理解，权利要求所限定的本发明并非仅限于所给步骤的顺序，除非在权利要求书中以特定的语言所指出。
很清楚，本发明具有上述很好的结果和优点。尽管为了揭示本发明已经描述了本发明的较佳实施例，但在由权利要求书所限定的本发明的精神中，本领域中的普通技术人员自己还可以对这些实施例作各种变更。

Claims (10)

1．一种控制磁头相对于磁盘驱动器可旋转磁盘的位置的方法，其特征在于，它包含下述步骤：
(a)根据与磁道相关的伺服信息，获得表示所述磁头相对于所述磁盘上磁道的相对位置的实际位置误差信号；
(b)用一非线性模型产生一预计的位置误差信号作为所述实际位置误差信号的近似，从而在预计的位置误差信号中反映所述实际位置误差信号的非线性；以及
(c)根据所述实际位置误差信号与所述预计位置误差信号之差控制所述磁头的位置。
2．如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(a)的所述实际位置误差信号是当所述磁头通过所述伺服信息附近时产生的脉冲信号的选择组合而得到的。
3．如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述产生步骤(b)包含下述步骤：
(b1)从所述磁头的估计位置，产生第一和第二个三角波形；
(b2)将选择幅度大小的饱和阈值应用于所述第一和第二个三角波形，从而形成至少第一和第二预计的脉冲信号，每一预计的脉冲信号的特征是一系列标称的线性线段；以及
(b3)将所述第一和第二预计的伺服脉冲信号组合起来，产生所述预计的位置误差信号。
4．如权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤(b2)中所述饱和阈值的应用确定了所述第一和第二预计脉冲信号中的一系列的饱和区，并且所述产生步骤(b)还包含下述步骤：
(b4)通过所述一系列的饱和区的曲线成形，修改所述预计的脉冲信号，以产生修改的预计脉冲信号，使得步骤(b3)的第一和第二预计脉冲信号的组合采用所述经修改的预计脉冲信号。
5．如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述产生预计步骤(b)还包含下述步骤：
(b4)提供有关步骤(a)的脉冲信号与步骤(b2)的预计脉冲信号之间差值的误差值表；以及
(b5)采用误差值表修改预计脉冲信号，以产生经表格修改的预计脉冲信号，从而将步骤(b3)的第一和第二预计脉冲信号的组合使用经表格修改的预计脉冲信号。
6．一种磁盘驱动器，其特征在于，它包含：
靠近具有多个磁道的可旋转磁盘的磁头；以及
伺服电路，它从选择磁道的伺服脉冲波形，通过产生表示所述磁头相对于选择的磁道的位置的实际位置误差信号、从所述磁头的估计位置产生预计的位置误差信号作为所述实际位置误差信号的近似，从而在所述预计的位置误差信号中出现所述实际位置误差信号的非线性、并且比较所述实际位置误差信号和所述预计的位置误差信号，可控地确定靠近所述磁道的所述磁头的位置。
7．如权利要求6所述的磁盘驱动器，其特征在于，所述伺服电路包含：
解调器，当所述磁头读取所述选择磁道的伺服脉冲波形时，根据来自所述磁头的回读信号，产生脉冲信号；
实际位置误差信号发生器，它与所述解调器耦合，产生所述实际的位置误差信号作为所述脉冲信号的选择组合；
加法块，它与所述实际位置误差信号发生器耦合，将所述实际误差信号与所述预计的位置误差信号相加，产生一位置误差信号误差；
估计和预计电路，它与所述加法块耦合，根据所述位置误差信号误差，产生所述磁头的所述估计的位置；
脉冲信号预告器，它与所述估计和预计电路耦合，产生预计的脉冲信号，作为所述解调器产生的所述脉冲信号的近似；以及
预计位置误差信号发生器，它与所述脉冲信号预告器和所述加法块耦合，根据所述预计的脉冲信号产生所述预计的位置误差信号。
8．如权利要求7所述的磁盘驱动器，其特征在于，所述脉冲信号预告器通过形成一系列大体为三角形的波形，并将饱和阈值应用在所述三角波形沿正、负方向延伸的部分以形成饱和区，来产生预计的位置误差信号。
9．如权利要求8所述的磁盘驱动器，其特征在于，所述脉冲信号预告器还通过曲线成形所述饱和区，产生所述预计的脉冲信号。
10．如权利要求7所述的磁盘驱动器，其特征在于，所述伺服电路还包含：
一表格，耦合到且在功能上处在所述脉冲信号预告器和所述预计位置误差信号发生器之间，它提供一组与用来产生实际的位置误差信号的脉冲信号和由所述脉冲信号发生器产生的预计脉冲信号之间的差值相关的误差值，其中，用于修改所述脉冲信号发生器产生的预计脉冲信号的所述表格，使用误差值以提供来自所述解调器的所述脉冲信号的改进的近似，并且其中，所述预计的位置误差信号发生器用所述表格修改的所述预计的脉冲信号产生预计的位置误差信号。
CN98813055A 1998-01-13 1998-05-14 使位置误差非线性模型化以改进伺服性能 Pending CN1285946A (zh)

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