CN1470056A - 用于偏差控制的悬浮传感器的能力 - Google Patents
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Abstract
提供一种方法和数据存储装置(100)，用于减少由存储装置(100)内的谐振模式引起的偏离磁道的移动。通过用位于存储装置(100)的悬浮组件(200)上的传感器(301)来检测移动，可减少偏离磁道的移动。根据该检测到的移动，传感器(301)产生一个用于驱动控制系统的信号(418)，从而使该偏离磁道的移动减到最小。
Description
发明领域
本发明涉及数据存储装置。确切地说，本发明涉及数据存储装置内的磁头定位。
发明背景
在带有可移动磁头的数据存储装置中，用伺服控制反馈环路控制磁头的位置。控制环路接收一个表示记录磁头所需位置的参考信号。该信号与由记录磁头产生的表示磁头当前位置的位置信号相结合，从而产生一个位置误差信号，该位置误差信号表示所需位置和当前位置之间的距离。根据位置误差信号，环路中的控制器给一个或多个诸如音圈马达(VCM)和微型致动器之类的定位部件发送控制信号，从而将磁头移动到所需位置。
理想地，伺服环路在磁头位置上应当能完全控制。然而，在实际的存储装置中，磁头的位置会因诸如施加在数据存储单元上的外力之类的其它力，以及支撑磁头的结构内的机械谐振而发生改变。
为了防止由这些力引起的偏离磁道的磁头移动，现有技术已建议在悬浮组件上放置传感器，从而检测悬浮组件相对于致动臂末端的移动。特别地，美国专利号5,862,015介绍了一种悬浮传感器，它能够检测悬浮组件内由磁头相对于致动臂的移动所引起的应变。
虽然，现有技术已建议，将来自悬浮传感器的传感器信号用于减少磁头偏离磁道的移动，但并没有详细描述能执行该功能的控制系统。特别地，该专利没有提供指导，该怎样建立一种能够过滤由外源引起的磁头移动和来自由致动器引起的磁头移动的谐振的控制系统。
这样，需要一种控制系统，能用于根据来自悬浮传感器的信息对磁头进行定位。
发明概述
提供一种方法和数据存储装置，以减少由该存储装置内的谐振模式引起的偏离磁道的移动。通过用位于存储装置的悬浮组件上的传感器检测该移动，可减少偏离磁道的移动。根据该检测到的移动，传感器产生一个信号，该信号用于驱动控制系统，以使偏离磁道的移动减到最小。
在参考下列附图及相关的详细描述，将会更加明白附加的特征和益处。
附图简述
图1是数据存储装置的平面图，在该图中可实现本发明的实施例。
图2是本发明实施例下磁头悬浮组件的侧视图。
图3是磁头悬浮的俯视图，它示出了本发明实施例下传感器的位置。
图4是本发明一个实施例下伺服环路和前馈控制器的视图。
图5是图4中前馈控制器的简化框图。
图6是本发明实施例下双反馈系统的视图。
图7是一曲线图，它示出了第二级反馈对伺服设备的传送函数的幅度上的作用。
图8是一曲线图，它示出了第二级反馈对伺服设备的传递函数的相位上的作用。
说明性实施例的详细描述
图1是磁盘驱动器100的透视图，在该磁盘驱动器中，本发明是有用的。磁盘驱动器100包括带底座102和顶盖(未示出)的外壳。磁盘驱动器100还包括磁盘组106，该磁盘组通过磁盘夹108安装在主轴马达上(未示出)。磁盘组106包括多个单独的磁盘107，安装这些磁盘，使其绕中心轴109一起旋转。每个磁盘表面有一相关的磁头浮动块110，该磁头浮动块安装到磁盘驱动器100，用于与对面的磁盘表面进行连通。磁头浮动块110包括浮动块结构，该结构被设置得能在磁盘组106中单独磁盘的相关磁盘表面上滑行；和转换磁头111，它被设置得可将数据写到对面磁盘表面上的同心磁道上，并从该同心磁道上读取数据。实际上，磁盘上的同心磁道以不同半径互相平行。在图1所示的例子中，由悬浮体112支撑磁头浮动块110，悬浮体又连接到致动器116的磁道访问臂114。致动器116由音圈马达(VCM)118驱动，以使致动器及其连接的磁头110绕枢轴120旋转。致动器116的旋转使磁头沿弓形的轨迹122移动，从而将磁头定位在磁盘内直径124和磁盘外直径126之间的一条所需的数据磁道上。由包括在电路板130上的伺服电子部件根据由磁头浮动块110的磁头和主计算机(未示出)产生的信号，驱动音圈马达118。在电路板130上还包含读和写的电子部件，它们根据由磁头浮动块110的读磁头从磁盘组106读取的数据向主计算机提供信号，并将写信号提供给磁头浮动块110的写磁头，从而将数据写到磁盘上。
图2和图3分别是支撑磁头202的悬浮组件200的侧视图和俯视图。悬浮组件200包括承载横杆203，承载横杆203含有毂板204，该毂板通过一个轮毂(未示出)连接到支撑臂206。承载横杆203包括弯曲部分210、刚性部分212和万向架部分214。万向架部分214连接到磁头202。
在本发明的实施例当中，在悬浮组件上设置一传感器，以提供表示由悬浮组件所承受应力的信息。如下面进一步描述的，传感器的信号用于消除或减小磁头位置上的外力、偏差和机械谐振的作用。
图3示出了在本发明实施例下传感器的几种可能位置300、302、304、306、308、310、312和314。位置300、302和304位于弯曲臂324和326与毂板204之间的承载横杆上，位置306和308位于弯曲臂324和326上，而位置310、312和314沿着刚性部分212分布。在图3中，所示的悬浮传感器301在位置300。
虽然示出了特定的位置，但传感器可以放置于沿悬浮组件的任何位置，包括在弯曲的电路330上，该弯曲电路330支撑将磁头连接于存储装置中的电路的电线。
在本发明中，放置在悬浮组件上的传感器可以是包括加速计和应变仪传感器的多种类型中的一种。特别地，本发明的实施例使用了压力传感器、电容板位置传感器、微电子机械系统(MEMS)加速器、基于MEMS的压电电阻传感器和聚偏二氟乙烯(PVDF)薄膜传感器。在使用应变仪的实施例中，应变仪经常放置在经受高应变力的悬浮组件的一个点上。
图4提供了具有前馈控制器的伺服控制系统的框图，该伺服控制系统利用了本发明的悬浮传感器。在图4中，以控制系统内发现的信号以及这些信号间的增益来描述伺服控制系统。这样，所示的模块就提供了一个增益，而这些模块间的路径则表示一个信号或信号的一个分量。
在图4中，悬浮组件上的偏差感应压力412作为两个传递函数414和410的输入信号。传递函数414(GWS)表示偏差扰动412和由记录磁头产生的位置误差信号400之间的关系。增益410(GD)表示偏差扰动412和由悬浮传感器产生的传感器信号之间的关系。一般来说，这些传递函数的每一个都关系到一个传感部件在输出位置测得的能量输入。特别地，传递函数反映当悬浮组件被偏差扰动激励时由其谐振模式引起的移动。
传感器信号和位置误差信号也受悬浮组件由于施加到驱动器中各种致动器上的控制信号407引起的移动的影响。传感器信号和控制信号407之间的关系示作为增益416(Gfb)，而位置误差信号400的分量404和控制信号407之间的关系示作为增益408(Gp)。
下面将进一步描述，由传递函数414和416产生的传感器信号418，该信号通过一个求和节点420，并作为悬浮传感滤波器422的输入提供。悬浮传感滤波器422使用传感信号418来产生形成控制信号407一部分的控制分量424。设置悬浮传感滤波器422，从而控制分量424可以尽可能地消除由增益410产生的位置误差信号分量406表示的偏差感应的磁头移动。控制分量424与由PES控制滤波器428根据位置误差信号400产生的PES控制分量426相结合，该位置误差信号400通过位置误差信号分量406和位置误差信号分量404的结合而形成。控制分量424和426共同形成了控制信号407。
图5提供了图4前馈控制器操作的简化框图。在图5中，将传感器信号418描述为悬浮传感滤波器422的输入X，悬浮传感器422具有传递函数H和传递函数490，GD+WS，其中的传递函数490是图4的传递函数414和410的结合。传递函数GD+WS表示传感器信号418和位置误差信号分量406之间的关系，在图5中，将该位置误差信号分量406描述为位置信号d。
悬浮传感滤波器422产生控制信号424，该控制信号424驱动设备408。设备408具有传递函数GP并产生位置误差信号分量404，在图5中，该位置误差信号分量404被描述为信号y。
在前馈补偿中，调整悬浮传感滤波器的传递函数，以使位置信号d和位置信号y之间的差(在图5中，该差被描写为误差信号e)减小到最少。根据公式，理想的前馈控制系统可尝试达到一个结果：
e(n)＝d(n)-y(n)＝0 公式1或根据输入信号x的z转换以及图5的传递函数：
E(z)＝0＝GD(z)X(z)-H(z)GP(z)X(z) 公式2
这样，如果将由悬浮传感滤波器422和设备408提供的组合传递函数设置成与传感器信号和记录磁头所得移动之间的传递函数相等，则前馈控制就能够非常有效地消除随机噪声。
悬浮传感滤波器422消除位置误差信号分量406的能力受传感器信号418(x)和位置信号406(d)之间相干性程度的限止。该相干性可算术地表示为： 公式3式中，ω表示频率，C(ω)是相干性，Sdx(ω)是复合交叉功率频谱，即，交叉相关函数的富立叶变换：
rdx(k)＝E[d(n)x(n-k)] 公式4并且Sdd(ω)和Sxx(ω)分别是d(n)和x(n)的功率自动调节装置的频谱。
公式3的相干性可在0和1之间变化，1表示强相干，而0表示没有相干。
因而，悬浮传感滤波器422的性能受传感器信号418和位置误差信号406之间相干性的限止。特别地，由悬浮传感滤波器422提供的消除可最大程度地减少位置误差信号上偏差感应的谐振对值See(ω)的影响。值See(ω)由下列公式定义：
See(ω)＝[1-C(ω)]Sdd(ω) 公式5式中See(ω)是误差信号e(n)的频谱表示。
在一个实施例中，可通过将伺服系统的各种增益414、410、416、408和428估算为频率的函数，并标明悬浮组件的各种谐振模式，来设置悬浮传感滤波器422的参数。然后使用增益和谐振频率来选择滤波器的参数，该参数可最佳地消除谐振感应的位置误差信号分量406。
在其它实施例中，图4所示的适配部件440用于训练悬浮传感滤波器422的滤波器参数。在一个实施例中，适配部件440包括最小均方(LMS)梯度逼近算法442。LMS算法接收位置误差信号400和估算的位置误差信号444，该估算的位置误差信号444通过使来自悬浮传感器的传感器信号经过控制到位置的误差信号增益408的估算466来产生。
在本发明的范围内也可以使用其他匹配的算法。例如，递归最小二乘方(RLS)、网络和模糊逻辑控制器都可用于本发明内的适配滤波器422。
在本发明的某些实施例中，提供一个稳定反馈单元450，用以防止反馈传递函数416受伺服系统不稳定的影响。特别地，由于控制信号407影响通过传递函数416的传感器信号，并且该传感器信号馈送到悬浮传感滤波器422以形成控制信号407，所以形成了一条会使伺服系统不稳定的环路。为了防止这种影响，稳定反馈单元450使用了传递函数416的估算452和延迟单元454。估算的传递函数452和延迟单元454共同提供一个消除信号，该消除信号设计成能消除控制信号对传感器信号418的影响。由稳定反馈单元450提供的消除信号被加到求和节点420处的传感器信号418上。
在其它实施例中，悬浮传感器用作双级反馈环路(例如图6的反馈环路500)的一部分。在伺服环路500中，参考信号502与位置信号504相结合，产生一个位置误差信号506。位置误差信号506提供给控制器508，后者根据该位置误差信号产生一个PES控制信号510。
PES控制信号510与由控制单元514产生的传感器控制信号512相结合，产生一个控制信号516。传感器控制信号512是根据来自本发明悬浮传感器520的传感器信号518产生的。
控制信号516被施加到一个或多个致动器，由该致动器移动悬浮组件和磁头。因为对信号到传感器移动增益524的控制，根据控制信号516，将传感器520移动一段距离522。偏差感应谐振526也会移动传感器520，从而导致传感器的总移动528。根据该总移动，传感器520产生了信号518。
在一个实施例中，对控制器514进行编程，以产生一个传感器控制信号，该控制信号可消除传感器520的谐振移动526。因而，通过传感器控制信号512，可调节控制信号516，从而只有PES控制信号510才能引起传感器520的移动。
传感器520的总移动528与由增益532引起的磁头的控制感应移动530有关。磁头的位置，如由位置信号504所表示的，也受偏差感应谐振534的影响，这与传感器520的移动是不相干的。
在图6的双级伺服环路500中，由传感器520和传感器控制单元514形成的内伺服环路的工作频率高于利用位置信号504和位置误差信号控制508的外伺服环路的工作频率。这可消除位置误差信号反馈环路带宽外的偏差感应谐振的振动。
在图7和图8中示出了图6的内反馈环路的影响。图7和图8分别提供了控制信号510到磁头位置530的传递函数的幅度和相位的曲线图。在图7中，沿水平轴700示出频率，而沿垂直轴702示出了传递函数的幅度，以分贝表示。在图8中，沿水平轴800示出频率，而沿垂直轴802示出相位。
图7包括传递函数的两条幅度曲线704和706，而图8包括传递函数的两条相位曲线804和806。曲线704和804示出了内伺服环路未激活时，一段频率范围内传递函数的幅度和相位。如从曲线704中可以看到的，幅度包括对应于悬浮谐振模式的两个峰值708和710。
曲线706和806示出了内伺服环路激活时传递函数的幅度和相位。如图7中所示，随着内伺服环路的激活，除去了峰值708和710。如图8中可以看见的，内伺服环路也除去了相位曲线内的一个相位反相。通过消除该相位反相，内伺服环路可使外伺服环路在更宽的带宽中工作。
总的来说，提供了存储装置100中减少偏离磁道移动的方法。该方法包括用位于存储装置100的悬浮组件200上的传感器301来检测移动。根据检测到的移动产生传感器信号418。然后用传感器信号418减小偏离磁道的移动。
在其它实施例中，提供了在存储装置100中阻抑谐振模式的一种方法。该方法包括用位于存储装置100的悬浮组件200上的传感器301检测移动。根据检测到的移动产生传感器信号518。然后，用传感器信号518来阻抑至少一种谐振模式。
本发明还提供用于从存储介质106读入数据的数据存储装置100。该数据存储装置包括磁头110和支撑磁头110的悬浮组件200。致动器118、320、322中至少一个致动器通过移动至少一部分悬浮组件200来移动磁头。安装在悬浮组件上的传感器301产生表示悬浮组件200移动的传感器信号418和518。传感器信号418和518提供给伺服电路，该伺服电路部分地根据传感器信号418和518为至少一个致动器产生一个控制信号407和516。
应该明白的是，虽然在先前的描述中已经阐述了本发明各种实施例的许多特性和优点，并一起详细描述了本发明各种实施例的结构和功能，但是这些披露只是描述性的，可在细节方面进行修改，特别在本发明原理内的部件结构和排列方面，可将其修改到由附加权利要求中表明的条款的一般泛指含义表明的整个范围。例如，可以根据悬浮传感器和伺服系统的特殊应用来改变这些特殊的元件，同时保持基本相同的功能而不脱离本发明的范围和精神。另外，虽然这儿描述的较佳实施例是指用于磁盘驱动系统的伺服系统，但那些技术熟练的人员应当理解，本发明的示教能在不脱离本发明的范围和精神的前提下应用于其它系统，像磁带驱动或光驱动系统。
Claims (11)
1.一种减少偏离磁道移动的方法，其特征在于，所述方法包括步骤：
(a)用位于存储装置的悬浮组件上的传感器来检测移动；
(b)根据所检测的移动产生传感器信号；及
(c)用所述传感器信号减少偏离磁道的移动。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，使用所述步骤(c)包括：
(c)(1)向前馈滤波器施加传感器信号以产生一个传感器控制信号；及
(c)(2)向一个或多个致动器施加传感器控制信号以定位所述磁头。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，向前馈滤波器施加传感器信号的步骤包括，将所述传感器信号施加给由控制系统作匹配改进的前馈滤波器。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，使用步骤(c)还包括将所述传感器控制信号施加给反馈环路，以减少传感器控制信号对传感器信号的影响
5.一种在存储装置内阻抑谐振模式的方法，其特征在于，所述方法包括步骤：
(a)用位于存储装置悬浮组件上的传感器来检测移动；
(b)根据所检测的移动产生传感器信号；及
(c)用所述传感器信号来阻抑至少一种谐振模式。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，使用步骤(c)包括：
(c)(1)将所述传感器信号施加给反馈控制器，以产生反馈控制信号；及
(c)(2)将所述反馈控制信号施加给一个或多个致动器，以定位所述磁头。
7.一种用于从存储介质读取数据的数据存储装置，其特征在于，所述数据存储装置包括：
一个磁头，用于从所述存储介质读取数据；
一悬浮组件，用于支撑所述磁头；
至少一个致动器，通过移动至少一部分所述悬浮组件来移动所述磁头；
一个安装在所述悬浮组件上的传感器，用于产生表示所述悬浮组件移动的传感器信号；以及
伺服电路，根据至少部分所述传感器信号，为至少一个致动器产生一个控制信号。
8.根据权利要求7所述的数据存储装置，其特征在于，所述伺服电路包括前馈滤波器，所述前馈滤波器根据所述传感器信号产生所述控制信号的传感器分量。
9.根据权利要求8所述的数据存储装置，其特征在于，所述伺服电路还包括一个适配元件，用于调节所述前馈滤波器的参数。
10.根据权利要求8所述的数据存储装置，其特征在于，所述伺服电路还包括稳定反馈单元，用于减少所述控制信号对所述传感信号的影响。
11.根据权利要求7所述的数据存储装置，其特征在于，所述伺服电路还包括传感器反馈控制，用于根据所述传感器信号产生一个反馈控制信号。
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