CN1542744A - 盘驱动器中具有干扰补偿的头定位方法及装置 - Google Patents

盘驱动器中具有干扰补偿的头定位方法及装置 Download PDF

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Abstract

公开了一种头定位控制系统，其中，因非线性元件而出现包含有不同与干扰频率的频率分量，如更高谐振的内部振动时，系统有效抑制了内部干扰。系统具有非线性滤波器(11)，以产生更高次谐波作为用于执行前馈控制的自适应滤波器(12)的输入。

Description

盘驱动器中具有干扰补偿 的头定位方法及装置
技术领域
本发明通常涉及盘驱动器，具体涉及具有干扰补偿的头定位控制。
背景技术
近年来，在以硬盘驱动器为典型的盘驱动器领域，为避免外界施加的振动及冲击(通常指干扰)，已提出振动消除技术和用于消除噪声的噪声消除器技术的应用。
在盘驱动器中，加入了用于将头定位在盘介质上的目标位置(目标轨道)的头定位控制系统。在该系统中，当干扰影响较大时，会降低头定位的准确性。因此，克服影响头定位准确性的外界振动的干扰补偿技术，对于盘驱动器而言特别重要。
在盘驱动器中，通常采用前馈控制系统，该系统通过由加速传感器构成的干扰传感器检测干扰(外界振动)，并通过自适应滤波方法(例如，参考USP No.5,663,847)抑制干扰的影响。
在现有技术文献中所给出的方法可用于干扰与干扰传感器的振动传递特性具有充分的线性特性的情形。实际中，在消除振动的目标盘驱动器中加入了与头或盘介质相关的机械装置。因此，由于例如接触摩擦滞后特性的机械限制以及有关上述结构在操作范围中的限制，盘驱动器具有某种非线性元件。
在这样的盘驱动器中，对于施加干扰，例如，外界以单一频率激发的干扰的情形，在盘驱动器内部可产生整数倍于单一频率的更高谐振的内部振动。换而言之，在存在非线性元件的驱动器中，除干扰频率的振动外，还出现了具有其它频率分量的内部振动(尤其是更高谐振的分量)。这种内部振动不能通过在现有技术文献中所述的方法来抑制。
发明内容
本发明的目的在于提供一种盘驱动器，其包含用于抑制具有干扰频率之外的其它频率分量的振动的装置。
该盘驱动器包括：第一控制器，其执行头定位控制，在该控制下通过反馈控制将头定位在盘介质的目标位置；内部传感器，其检测头关于目标位置的位置误差；外部传感器，其将等效于外界所施加的振动或冲击的干扰检测为信号；和第二控制器，其根据干扰检测信号计算控制补偿值并将其输出到第一控制器，第二控制器包括：非线性滤波器，其对外部传感器检测的干扰检测信号执行非线性滤波处理；和自适应滤波单元，其根据非线性滤波器处理的干扰检测信号和内部传感器检测的位置误差，计算控制补偿值，并根据干扰检测信号调整滤波参数。
附图说明
包含在说明书中并构成说明书一部分的附图，说明了本发明的实施例，并与以上给出的概括描述和后面给出的实施例的详细描述一起用于解释本发明的原理。
图1的方块图显示出根据本发明实施例的头定位控制系统的基本结构。
图2的方块图显示出根据本实施例的盘驱动器的结构。
图3的方块图显示出根据本实施例的头定位控制系统的具体结构。
图4的流程图显示出根据本实施例用于产生限幅波(limiter)的非线性滤波处理步骤。
图5的流程图显示出根据本实施例用于产生方波的非线性滤波处理步骤。
图6的流程图显示出根据本实施例用于产生半波的非线性滤波处理步骤。
图7说明根据本发明的非线性滤波器的操作。
图8在频域说明根据本发明的非线性滤波器的操作。
图9和图10显示出有关本实施例效果的位置误差频谱。
图11在时域说明根据本实施例的非线性滤波器的效果。
图12在频域说明根据本实施例的非线性滤波器的效果。
具体实施方式
下面，将参照附图详细说明本发明的一个实施例。
图1的方块图显示出根据本实施例的头定位控制系统的基本结构。图2的方块图显示出根据本实施例的盘驱动的结构。图3的方块图显示出根据本实施例的头定位控制系统的具体结构。
(头定位控制系统)
如图1所示，根据本实施例的头定位控制系统主要由外部传感器10，非线性滤波器11，第一滤波器12，致动器13，内部传感器14，第二滤波器15和自适应算法16构成。
外部传感器10在预定采样时间检测作为外界施加的振动或冲击的干扰(外界激发作用力a)。非线性滤波器11对外部传感器10检测的干扰检测信号执行后面所述的非线性滤波处理。
第一滤波器12是与自适应算法16一起执行自适应滤波处理，并模拟包括非线性元件的振动传递特性G的线性滤波器(参数F)。振动传递特性G是包含在盘驱动器内部加入的机构的非线性元件(与头或盘介质相关的元件)的内部振动特性。
致动器13是头定位控制的对象(设备P)，具体指音圈马达(VCM)。内部传感器14是检测出现在驱动器内部的内部振动(具体而言，为头位置误差e)的位置误差检测单元。第二滤波器15是模拟致动器13和内部传感器14的传递特性的滤波器。
图3显示出实际应用于盘驱动器的头定位控制系统。在该系统中，内部传感器14是检测在目标位置T，与作为控制对象(设备P)330而被致动器13移动的头的位置之间的位置误差e的位置误差检测单元17。
随后的控制器(第一控制器，传递特性C)280确定控制值以驱动和控制致动器13，从而通过反馈控制来消除位置误差e。该控制值具体等效于VCM的驱动电流值。
在另一方面，前馈控制系统(第二控制器)实现对外部传感器10检测出的干扰的补偿。前馈控制系统通过加法单元120将来自线性滤波器12的干扰补偿值相加到位置误差e上，并将其输出到随后的控制器(第一控制器)280。
前馈控制系统包括非线性滤波器11，第一滤波器(线性滤波器)12，和具有互补灵敏度特性(CP/(1+CP))的第二滤波器15。如上所述，第二滤波器等效于模拟致动器13(330)和内部传感器14(17)的特性的滤波器。
外部传感器10检测的干扰通过外界激发作用力a使得盘介质或驱动器的外壳变形，并且作为目标位置T的波动被施加给反馈控制系统。该传递特性为振动传递特性G。本实施例的目的在于实现一种头定位控制系统，其包含抑制干扰对位置误差e的影响的前馈控制系统。
(盘驱动器的结构)
如图2所示，根据本实施例的盘驱动器具有这样的机构，其中包括其上记录有伺服数据和用户数据的盘介质20，主轴马达21，和安置在致动器23上的头22，以及头定位控制系统(伺服系统)。
盘介质20由主轴马达21以预定角速度转动。在盘介质20中，同心地形成多个轨道100。对每个轨道100以预定间隔提供伺服区110。除伺服区110外，在每个轨道100中还形成数据区，且将数据区分为多个数据扇区。
包含在头22中的读出头以预定的时间间隔从转动的盘介质20读出伺服数据。头22包含有仅用于读出的读出头和仅用于写入的写入头。
通过音圈马达(VCM)24的驱动力沿盘介质20的径向旋转驱动致动器23。从VCM驱动器33向VCM 24提供驱动电流，以便在CPU 28的控制下驱动和控制VCM 24。
根据本实施例的头定位控制系统是通过信号处理电路25，位置检测电路26，控制器27，加速传感器30，加速信号处理电路31，和A/D转换器32来实现。
信号处理电路25是读出通道，其中对头22的读出头读出的伺服数据或用户数据进行还原处理(包括误差校正处理)。位置检测电路26根据由信号处理电路25还原的伺服数据检测头22的位置。
控制器27是实现如图1和3所示头定位控制系统的主要元件，并包含有微处理器(CPU)28和存储器29。存储器29包括主要用于存储CPU 28的程序的ROM，快擦写EEPROM和RAM。
在如图1和3所示的头定位控制系统中，除外部传感器10外，CPU 28实现了反馈控制系统(第一控制器)和前馈控制系统(第二控制器)。根据在预定时间间隔的检测的头位置，CPU 28计算用于驱动和控制VCM 24(设备330)的控制值。
加速传感器30是实现外部传感器10，并检测出干扰(振动或冲击)以将其作为模拟电压信号输出的元件。加速信号处理电路31包括用于将来自加速传感器30的干扰检测信号放大以降低传感器噪声的滤波器。A/D转换器32将来自加速信号处理电路31的干扰检测信号(加速检测信号)输出转换成数字数据，以将其发送到CPU 28。
(头定位控制操作)
除图1至3外，还将参看图4至12，详细描述根据本实施例的头定位控制操作。
首先，在盘驱动器中，CPU 28构成采样值控制系统，采样值控制系统以预定时间间隔(采样间隔)确定作为控制对象的VCM 24的控制值。即，CUP 28对应于如图1和3所示的非线性滤波器11，第一和第二滤波器12和15，以及自适应算法16。这里，提供给VCM 24的驱动电流值预先由VCM驱动器33根据机械和电气约束加以限制。
加速传感器对应于外部传感器10，在预定采样时间间隔处检测干扰。CPU 28与获得头位置检测信号的定时相同步地从A/D转换器32获得干扰检测信号的数字值。
此外，内部振动对应于头位置误差e。内部传感器14对应于位置检测电路26和计算位置误差e的CPU 28。
这里将简要说明在具有如图1所示基本结构的系统中，当不包括非线性滤波器11的功能时的操作。
当不执行该控制时，干扰a通过振动传递特性G导致内部振动e。系统通过外部传感器10检测出干扰a，使干扰通过模拟振动传递特性G的线性滤波器12(传递特性F)，再由致动器13执行控制以消除(抑制)内部振动e。
这里，为简化起见，若将外部传感器10和致动器13的传递特性表示为1，则内部振动e由以下式(1)表示：
e＝(G-F)×a             (1)
也就是，振动传递特性G与滤波器12的传递特性F之间的误差影响着内部振动e。因此，系统通过内部传感器14检测内部振动e，以通过自适应算法16改变滤波器12的传递特性(参数)F，从而消除内部振动e(近似为0)。自适应算法16使来自干扰传感器10的干扰检测信号通过滤波器15，并将其与内部振动e一起输入。
这里，在盘驱动器中，通过CPU 28的数字滤波处理来实现包括自适应算法16和滤波器12的自适应滤波器的功能。作为实现自适应滤波器的数字滤波操作的示例，将描述FIR数字滤波处理。
用n表示滤波器次序，k表示采样时间，利用滤波器系数Ri(k)(i＝1，…n-1)，干扰a(k)，a(k-1)，…a(k-n+1)，用下面的公式(2)表示滤波器输出y(k)。
y(k)＝R0(k)a(k)+R1(k)a(k-1)+…+Rn-1(k)a(k-n+1)(2)
自适应算法根据下式(3)利用内部振动e(k)对滤波器系数进行更新。
R0(k+1)＝R0(k)+Me(k)a(k)
R1(k+1)＝R1(k)+Me(k)a(k-1)
Rn-1(k+1)＝Rn-1(k)+Me(k)a(k-n+1)         (3)
其中，M表示自适应增益，对其选择使滤波器系数收敛的常数。
(非线性滤波器)
对于上述系统，在实际盘驱动器中包含尤其例如一种机构的非线性元件。因此，产生具有不同于干扰频率的频率分量(特别是更高谐振)的内部振动(头位置误差e)。
根据本实施例的系统利用非线性滤波器11的功能，根据外部传感器10(加速传感器30)测量的干扰检测信号产生更高谐振。系统消除位置误差e，并执行控制以对包含更高谐振的干扰进行补偿，从而抑制包含更高谐振的内部振动。
根据本实施例，假设存在这样的情形，其中加速传感器30检测出单一频率正弦波的干扰，且在驱动器内部出现包含整数倍于干扰频率的更高谐振的内部振动(位置误差)e。CPU 28对来自加速传感器30的干扰检测信号(A/D转换器32的输出)执行非线性滤波处理，以产生以下三种更高谐振的任一种。
具体而言，作为更高谐振，假设其振幅峰值受限的正弦波(后面称之为限幅波)701，方波702和半波正弦波703与正弦波700相关，如图7所示。这里，图7在时域显示出非线性滤波器11的操作(CPU28的非线性滤波处理)的特性。
图8在频域显示出在非线性滤波器11的操作(CPU 28的非线性滤波处理)的特性。即，图8显示出经傅里叶变换后的干扰检测信号，附图标记800，801，802和803分别表示正弦波，限幅波，方波和半波正弦波。这里，限幅波801和方波802包括奇次(odd-order)分量。半波正弦波803包括偶次(even-order)分量。
图4，5和6的流程图分别显示出在每个采样周期通过CPU 28的非线性滤波处理分别产生限幅波，方波和半波的操作步骤。
首先，将参看图4的流程图描述用于计算限幅波的操作步骤。CPU 28从加速传感器30获得干扰检测信号(步骤S1)。此处，由加速传感器30产生的干扰检测值称为观测值。CPU 28计算出观测值的最小值，最大值，平均值，和偏移消除值(offset removal value)(步骤S2至S7)。其中，当观测值高与前面的最大值或低于前面的最小值时，将其记录为新的最大值或最小值。
CPU 28根据由“(最大值-最小值)/2”所表示的公式计算平均值。另外，根据由“观测值-平均值”所表示的公式计算出偏移消除值。
此外，例如根据(最大值-平均值)/2计算出的1/2振幅值，以作为限幅波701峰值的限制值(步骤S8)。此处，虽然为实现限幅器(limiter)没有必要将限制值限制在1/2振幅，不过过小的限制值易导致观测噪声的影响。反过来，过大的限制值会减少更高谐振分量。因此，根据控制对象(VCM 24)的特性确定出合适的限制值。
此外，CPU 28将偏移消除值的绝对值与限制值(1/2振幅值)相比较，且当偏移消除值不高于限制值时，将偏移消除值设置为非线性滤波器11的输出值(在步骤S9中若否，则执行S11至S13)。在另一方面，当偏移消除值高于限制值时，将限制值(1/2振幅值)设置为非线性滤波器11的输出值(在步骤9中若是，则执行S10)。
下面，参看图5的流程图，将描述用于计算方波的操作步骤。
象在限幅波中那样，CPU 28从加速传感器30获得干扰检测信号(步骤S21)。CPU 28计算出观测值的最小值，最大值，平均值和偏移消除值(步骤S22至S27)。
此处，对于方波的情形，当偏移消除值为正时，CPU 28将最大值设置为非线性滤波器11的输出值(在步骤S28中为是，则执行S29)。在另一方面，当偏移值为负时，将最小值设置为非线性滤波器11的输出值(在步骤S28中为否，则执行S30)。
此外，参看图6的流程图，描述用于计算半波正弦波的操作步骤。
象在方波中那样，CPU 28从加速传感器30获得干扰检测信号(步骤S31)。CPU 28计算出观测值的最小值，最大值，平均值和偏移消除值(步骤S32至S37)。
此处，对于半波正弦波的情形，当偏移消除值为正时，CPU 28将偏移消除值设置为非线性滤波器11的输出值(在步骤S38中为是，则执行S39)。在另一方面，当偏移值为负时，将非线性滤波器11的输出值设置为0(在步骤S38中为否，则执行S40)。
(本实施例的效果)
概括地讲，根据本实施例的盘驱动器通过应用如图2和3所示的头定位控制系统，可有效抑制包含当施加振动或冲击的干扰时在驱动器内部出现的更高谐振分量的内部振动(位置误差e)。在该系统中，通过非线性滤波器11(CPU 28的非线性滤波处理)，前馈控制系统根据外部传感器10(加速传感器30)检测的干扰检测信号产生更高谐振分量，诸如限幅波，方波和半波。通过利用线性滤波器12中的前馈输入包含更高谐振分量的干扰补偿值，控制器280(CPU 28)可执行反馈控制，以消除具有非线性元件的振动特征的头位置误差e。
换而言之，即使在出现盘驱动器机构中因非线性元件而导致的干扰波动和内部振动时，也能抑制干扰对头位置误差的影响。
图9和图10显示出有关本实施例系统效果的位置误差频谱。图9显示出在施加160Hz频率干扰的情形中的一般特性。在图9中，附图标记900表示不具有非线性滤波器的情形，附图标记903表示不进行抑制控制的情形。另外，附图标记901和902分别表示当施加160Hz频率干扰时产生作为奇次更高谐振的限幅波和方波的情形。
此外，图10是当施加160Hz频率干扰并且显著出现800Hz(5倍)的更高谐振时，在800Hz附近的放大图。在图10中，附图标记1001表示不具有非线性滤波器的情形，附图标记1004表示不进行抑制控制的情形。另外，附图标记1002和1003分别表示当施加160Hz频率干扰时产生作为奇次更高谐振的限幅波和方波的情形。
图11和12在时域和频域中显示出对观测的加速(干扰)执行非线性滤波处理所获得的结果(非线性滤波器的输出)。在图11中，附图标记1100表示不具有非线性滤波器的情形。另外，附图标记1101和1102分别表示当施加160Hz频率干扰时产生作为奇次更高谐振的限幅波和方波的情形。
在观测的加速(干扰)中，160Hz的分量显著居多，等于160Hz的三倍的480Hz分量居次，而等于160Hz的五倍的800Hz分量几乎不存在。在不使用非线性滤波器的传统方法中，尽管能够抑制可观测到的160Hz的干扰频率分量，而在改善位置误差方面，不能观测到的800Hz更高谐振分量不起任何作用。
在另一方面，非线性滤波器11(CPU 28的非线性滤波处理)的功能增加了干扰的奇次分量，从而产生与800Hz(在该频率处位置误差较大)更高谐振分量互相关的加速信号。因此，自适应滤波器操作很有效，从而在反馈控制系统中改善了位置误差。在限幅波与方波之间的比较中，尽管在方波中除更高谐振分量以外的噪声分量大大增加，然而奇次分量也会增加，如图12所示。因此，在图10中，显然方波对800Hz分量有极好的抑制率。
顺便提一句，通过在非线性滤波器11(CPU 28的非线性滤波处理)中组合限幅波和半波的非线性元件，可解决出现多个更高谐振的问题。在此情形中，需增大自适应滤波器的阶次，以匹配所要抑制的更高谐振分量的数量。
简而言之，当因非线性元件而出现包含不同于干扰频率的内部振动，诸如更高谐振时，可有效抑制内部振动。因此，能够实现可靠的头定位控制。
本领域技术人员易于想到其它优点和变型。因此，广义而言，本发明并不限于此处给出和描述的具体细节和代表性实施例。因此，在不偏离所附权利要求及其等效所限定的一般发明原理的精神和范围的条件下，可进行多种变型。

Claims (14)

1.一种盘驱动器，特征在于包括：
第一控制器(280)，用于执行头定位控制，在该控制下通过反馈控制将头定位在盘介质的目标位置上；
内部传感器(14，17)，用于检测头关于目标位置的位置误差；
外部传感器(10)，用于将等效于外界施加的振动或冲击的干扰检测为信号；和
第二控制器，用于根据干扰检测信号计算控制补偿值并将其输出到第一控制器(280)，第二控制器包括：
非线性滤波器(11)，用于针对外部传感器(10)检测的干扰检测信号执行非线性滤波处理；和
自适应滤波单元(12，16)，用于根据非线性滤波器(11)处理的干扰检测信号和内部传感器(14，17)检测的位置误差，计算控制补偿值，并根据干扰检测信号调整滤波参数。
2.根据权利要求1的盘驱动器，其特征在于，
外部传感器(10)在预定的采样时间检测干扰，并且
第二控制器包括：
第一滤波器(12)，用于根据非线性滤波器(11)处理的干扰检测信号在每个采样时间计算控制补偿值；
用于组合第一滤波器(12)的输出与位置误差，以将结果输出到第一控制器(120)的单元(120)；
第二滤波器(15)，用于模拟反馈控制的闭环传递特性；和
自适应单元(16)，用于根据由非线性滤波器(11)和第二滤波器(15)处理的干扰检测信号和位置误差，调整第一滤波器(12)的参数。
3.根据权利要求1的盘驱动器，其特征在于，非线性滤波器(11)根据干扰检测信号产生包含更高谐振分量的干扰检测信号。
4.根据权利要求1的盘驱动器，其特征在于，非线性滤波器(11)作为限制干扰检测信号的最大振幅值的限幅器进行操作。
5.根据权利要求1的盘驱动器，其特征在于，非线性滤波器(11)根据干扰检测信号产生方波信号。
6.根据权利要求1的盘驱动器，其特征在于，非线性滤波器(11)根据干扰检测信号产生半波信号。
7.一种盘驱动器，其特征在于包括：
头(22)，用于针于盘介质(20)执行数据的读出和写入；
致动器(23，24)，其安装有头(22)，并将其沿盘介质(20)的径向移动。
位置检测单元(26)，用于检测头(22)关于盘介质(20)上目标位置的位置误差；
加速传感器(30)，用于将等效于外界施加的振动和冲击的干扰检测为信号；和
控制器(27)，用于控制致动器(23，24)对头(22)执行定位控制，以消除位置误差，其中
控制器(27)包括功能：对加速传感器(30)检测的干扰检测信号执行非线性滤波处理；根据处理的结果和位置误差，执行自适应滤波处理，其中计算用于控制干扰的控制补偿值；和根据干扰检测信号调整自适应滤波处理的参数。
8.根据权利要求7的盘驱动器，其特征在于，
加速传感器(30)在预定采样时间检测干扰，并且
控制器(27)组合位置误差与根据非线性滤波处理所获得的干扰检测信号由自适应滤波处理在每个采样时间计算的控制补偿值，以将结果设置为定位控制的输入，
控制器(27)包括，根据定位误差和经过模拟定位控制的闭环传递特性的滤波处理以及非线性滤波处理的干扰检测信号，对自适应滤波处理的定位误差参数进行调整的单元(28)。
9.根据权利要求7的盘驱动器，其特征在于，控制器(27)执行非线性滤波处理，以根据干扰检测信号产生包含更高谐振分量的干扰检测信号。
10.根据权利要求7的盘驱动器，其特征在于，控制器(27)执行非线性滤波处理，以限制干扰检测信号的最大振幅值。
11.根据权利要求7的盘驱动器，其特征在于，控制器(27)执行非线性滤波处理，以根据干扰检测信号产生方波。
12.根据权利要求7的盘驱动器，其特征在于，控制器(27)执行非线性滤波处理，以根据干扰检测信号产生半波。
13.一种用于在盘驱动器中进行头定位的方法，盘驱动器包括执行头定位控制的头定位控制系统，其中在该控制下，通过反馈控制将头定位在盘介质的目标位置上；和前馈控制系统，其计算关于头定位控制系统的控制补偿值以输入结果值，所述方法包括：
获得头关于目标位置的位置误差；
获得等效于外界施加的振动和冲击的干扰的干扰检测信号；
对干扰检测信号执行非线性滤波处理；
执行自适应滤波处理，其中，根据位置误差和经过非线性滤波处理的干扰检测信号计算控制补偿值；和
根据干扰检测信号调整自适应滤波处理的参数。
14.一种用于在盘驱动器中进行头定位的方法，盘驱动器包括对盘介质执行数据读出和写入的头，安装有头并后沿盘介质径向移动头的致动器，和控制致动器以执行头定位控制的控制器，所述方法包括：
获得头关于盘介质上目标位置的位置误差；
使用加速传感器获得等效于外界施加的振动和冲击的干扰；
对加速传感器检测的干扰检测信号执行非线性滤波处理；
执行自适应滤波处理，其中，根据位置误差和非线性滤波处理的处理结果计算用于控制干扰的控制补偿值；和
根据干扰检测信号调整自适应滤波处理的参数。
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