CN1691141A

CN1691141A - 在盘驱动器中利用干扰补偿进行头定位控制的方法和装置

Info

Publication number: CN1691141A
Application number: CN200510066811.2A
Authority: CN
Inventors: 岩代雅文
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2004-04-28
Filing date: 2005-04-26
Publication date: 2005-11-02
Anticipated expiration: 2025-04-26
Also published as: CN1328709C; US7158334B2; US20050243458A1; JP2005317130A; SG116606A1

Abstract

本发明公开了一种应用于盘驱动器上的头定位控制系统。该系统包括一个用于执行头(31)的头定位控制的反馈控制系统(1)以及一个前馈控制系统(2)。所述前馈控制系统(2)基于头(31)的位置和目标位置之间的位置误差检测干扰的幅度和相位。所述前馈控制系统(2)基于每个幅度和相位的检测结果计算消除干扰的干扰补偿值来将该干扰补偿值输出给反馈控制系统(1)。

Description

在盘驱动器中利用干扰补偿进行头定位控制的方法和装置

技术领域

本发明涉及一种盘驱动器，特别的，涉及利用干扰补偿进行头定位控制的技术。

背景技术

通常，用于将头定位在盘介质上的目标位置(目标轨道)的头定位控制系统包含在盘驱动器之中，典型的如硬盘驱动器。

在具有较大影响的干扰诸如振动和撞击的情况下，头定位控制系统中头定位的准确性将降低。因此，能够抑止那些对头定位准确性产生影响的干扰的干扰补偿功能在盘驱动器的头定位控制系统中是十分重要的。

对于具有干扰补偿功能的头定位控制系统，已经提出了一种使用自适应滤波方法，利用前馈控制系统来抑止干扰影响的系统(举例来说，参见美国专利No.5663847)。

在现有技术中，使用前馈控制系统的头定位控制系统需要一种加速度传感器来观察(检测)干扰。相应的，当现有技术的头定位控制系统被应用于盘驱动器时，就存在这样一个问题，即为了实现这一系统，组件数将增加而且系统结构也会变得复杂。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供一种包括头定位控制设备的盘驱动器，不使用加速度传感器及类似元件而能够有效地抑止干扰。

所述盘驱动器包括：致动器，用于将头定位到盘介质的目标位置上；第一控制器，用于基于目标位置和头位置之间的位置误差信息通过反馈控制来控制所述致动器将头定位到盘介质的目标位置上；以及第二控制器，用于向所述第一控制器输出干扰补偿值，其中所述第二控制器包括：幅度检测单元，用于输入位置误差信息来从该位置误差信息中检测窄带干扰幅度；相位检测单元，用于从所述位置误差信息中检测窄带干扰相位；以及一个单元，用于基于所述幅度检测单元和相位检测单元的每个检测结果来计算消除窄带干扰的干扰补偿值。

附图说明

作为说明书的一部分而包含其中的附图示出本发明的实施例，并且与上面的一般描述和下面的具体实施例的细节描述一起用于解释本发明的原理。

图1是图示根据本发明第一实施例的头定位控制系统配置的方框图；

图2是图示根据本发明第一实施例的盘驱动器的主要部分的方框图；

图3是图解根据本发明第一实施例的前馈控制系统中乘法单元的视图；

图4是图解前馈控制系统中除法单元的视图；

图5是示出在前馈控制系统中滤波传递特性的视图；

图6是示出前馈控制系统的输入和输出信号的时间变化视图；

图7是示出前馈控制系统的内部信号特征的视图；

图8和9是图解前馈控制系统中相位检测单元的操作的视图；

图10是一幅示出根据第一实施例的头位置误差的时间变化的视图；

图11是一幅示出根据本发明第一实施例的头位置误差的频率特征的视图；

图12是一幅示出前馈控制系统的位置误差的改进程度的视图；

图13是一幅图解第一实施例中的中心频率和干扰带宽的定义的视图；

图14是示出根据本发明第二实施例的头定位控制系统配置的方框图；以及

图15是图解第二实施例操作的流程图。

具体实施方式

下面，将参考附图描述本发明的实施例。

(第一实施例)

图1是示出本根据本发明第一实施例的头定位控制系统配置的方框图。图2是示出根据该第一实施例的盘驱动器的主要部件的方框图。

(盘驱动器配置)

如图2所示，第一实施例的盘驱动器是一个硬盘驱动器。该盘驱动器包括盘介质30、头31、以及头定位控制系统(伺服系统)。

主轴马达40旋转盘介质30。作为数据记录区域的许多同心轨道300形成于该盘介质30上。在每条轨道300上排列有伺服扇区。每个伺服扇区包括一个记录有伺服数据(位置信息)的伺服区域310、以及一个作为记录用户数据的区域的数据扇区320。

头31被安置于由音圈马达(VCM)33旋转的致动器32上。致动器32在头定位控制系统的控制下将头31定位到盘介质30上的目标位置。

头31包括从盘介质30读取伺服数据(位置信息)和用户数据的读头和写用户数据的写头。在这个时候，由于盘介质30正以一个恒定的角速度旋转，读头将以一个恒定的时间间隔从伺服区域310读取伺服数据。

该头定位控制系统包括读通道34、位置检测电路35、控制器36、以及VCM驱动器39。

所述读通道34是执行信号处理来解调由头31中的读头读取的读信号的电路。所述位置检测电路35包括用于将用户数据和伺服数据从读通道34处理的读信号中分离出来的电路。位置检测电路35根据伺服数据检测头31在盘介质30上的位置。

所述控制器36包括作为头定位控制系统的主要元件的微处理器(CPU)37，和ROM38。CPU37执行第一实施例的头定位控制处理来计算用于驱动和控制VCM33的致动控制值(此后简称为控制值)。CPU37基于以预定间隔检测的头位置(P)、存储在ROM38中的程序和控制参数、由计时器计算的程序处理时间等等来计算所述控制值。

VCM驱动器39是一个驱动电路，它根据由CPU37计算的控制值向VCM33提供驱动电流来驱动和控制VCM33。

(头定位控制系统)

如图1所示，第一实施例的头定位控制系统主要由反馈(FB)控制系统1和前馈(FF)控制系统2组成。实际上，头定位控制系统由包含CPU37的控制器36实现。控制器36可以被分为实现FB控制系统1的第一控制器和实现FF控制系统2的第二控制器。

在盘驱动器中，如上所述，盘介质30以一个恒定的角速度旋转。因此，从在与盘介质30旋转的角度同步的每个伺服扇区前端处的伺服区域310获得当前头位置P。

FB控制系统1形成一个以恒定的时间间隔确定输入到设备(plant)11的输入值(控制值)的采样数据控制系统。设备11是一个控制对象。由于机械和电气的局限，将限制从第一控制器10向VCM驱动器39输出的控制值。FB控制系统1被粗略分为第一控制器(传递函数C)10、设备(传递函数P)11、和检测位置误差信号ES的位置检测单元。第一控制器10相当于线性滤波器，其从位置误差信号ES确定设备11的控制值(相应于VCM33的当前驱动值)。

狭义上设备11相当于VCM驱动器39，广义上该设备11还意指其上安置有头31的致动器32。VCM33驱动致动器32在盘介质30的径向方向上移动头31。VCM驱动器39根据第一控制器10输出的控制值向VCM33提供驱动电流来驱动和控制致动器32。

位置误差信号ES指示由致动器32移动的头31的位置HP和指示作为盘介质30上的访问目标的目标位置RP之间的误差。

此外，头定位控制系统具有FF控制系统2和中间闭环传递特性的滤波器(传递特性Fc)12。闭环传递特性滤波器12是FB控制系统1的传递函数滤波器。因此，Fc由Fc＝CP/(1+CP)表示，其中C是控制器10的传递函数，P是设备11的传递函数。

FF控制系统(第二控制器)2包括一个幅度检测单元用于从位置误差信号Es检测干扰幅度、以及相位检测单元用于检测干扰的相位。幅度检测单元具有一个绝对值计算单元13以及低通滤波器(LPF[传递函数Fa])14。

相位检测单元具有LPF(传递函数Fp)18、带有积分单元用于判断相位校正反馈特征的滤波器(传递函数Fi)19、以及一个振荡单元。所述振荡单元包括时间生成单元20、相位生成单元21、以及余弦波振荡单元22。

在FF控制系统2中，如图3所示，特别是图1所示的乘法单元16和17是一个执行双输入乘法的单元。如图4所示，除法单元15是执行除法的单元。

(头定位控制系统的操作)

参考图1和图5-13，将描述第一实施例的头定位控制系统的操作。

在FB控制系统1中，第一控制器10输入头31的位置误差信号ES来计算用于将头31定位在目标位置RP上的控制值。位置误差信号ES表示目标位置RP和从盘介质1的伺服区域中获得的头31的位置P之间的误差。位置检测电路35基于该伺服数据检测头31的位置P。伺服数据包括用于指示在盘介质30上的轨道位置的柱面码和用于指示一条轨道上的位置的脉冲数据。

FF控制系统(第二控制器)2输入位置误差信号ES(输入信号A1)来检测干扰的幅度和相位的变化，并且FF控制系统2生成控制补偿值FF(输出信号A4)来向FB控制系统1输出该控制补偿值FF。图6示出了输入信号A1和输出信号A4的时间变化，其中输入幅度波动伴随着时间变化。控制补偿值FF指提供给FB控制系统1的干扰补偿值。

在幅度检测单元中，绝对值计算单元13计算输入信号A1的绝对值(A2)。LPF14从所述绝对值信号(A2)判断干扰幅度(A3)。图7示出了输入信号A1、绝对值信号A2以及LPF14的输出信号(幅度)A3的时间变化。绝对值信号A2包括在干扰频率的低频和双倍频分量中幅度的时间变化分量。LPF14仅仅提取干扰幅度的时间变化分量A3。LPF14的直流增益具有一个乘以2的平方根的值。

在相位检测单元中，在判断相位的预阶段，除法单元15将输入信号A1除以幅度A3来计算相位信号P1，其中幅度将变为常量。在此时，当幅度为0时，相位信号P1变为无穷大。因此，如图4所示，当幅度(y)为0时，相位信号(z)P1也置为0。

相位检测单元检测输入信号A1的相位信号P1和由振荡单元生成的相位信号P2之间的相位差，并且相位检测单元使用能够校正相位信号P2的相位的相位校正反馈回路。

振荡单元预先估计存在干扰的带宽，并且振荡单元产生相位信号P2以生成带宽的中心频率。利用下述公式(1)检测相位差：

\cos (ft + A) \times \cos (ft + B) = \frac{1}{2} (\cos (2 ft + A + B) + \cos (A - B))

公式(1)

其中f是频率，t是时间，A和B是余弦波的相位。由于公式右边的第一项表示频率f的双倍频分量，并且第二项表示相位差分量，第一项由LPF18消除而仅使用第二项分量来进行相位校正。如图8所示，Pl和P2的乘积P3(由乘法单元16输出)包括P1和P2的双倍频分量以及相位差的时间变化分量。

LPF18是一个低通滤波器，其中双倍频增益非常低并且直流增益归一化。如图9所示，LPF18从乘法单元16的输出P3中提取相位差分量P4。具有乘法单元的滤波器19是判断相位校正反馈特征的单元。如图9所示，滤波器19输出相位校正信号P5。

在FF控制系统2中，乘法单元17计算来自幅度检测单元的幅度信号A3和来自相位检测单元的相位信号P2的乘积，并将计算结果作为FF信号(干扰补偿信号)A4输出。

图5是一幅示出在幅度检测单元和相位检测单元中的每个滤波器14、18和19的传递特性。在图5中，频率fa表示干扰频率的两倍。

在向FB控制系统1输出的同时，从FF控制系统2输出的FF信号A4通过闭环传递特性滤波器12叠加到位置误差信号ES上。叠加所得的信号成为FF控制系统2的输入A1。闭环传递特性滤波器12是具有FB控制系统1的传递特性的滤波器。该闭环传递特性滤波器12是返回由干扰补偿值FF消除的干扰值的元件。

如上所述，根据第一实施例的头定位控制系统，可以补偿干扰以改进头定位的准确性。在这种情况下，第一实施例的系统实现由检测单元观察干扰以从位置误差信号ES中检测干扰的幅度和相位而不使用加速度传感器等元件的配置。这样，第一实施例的效果能够清楚的体现。

图10示出了当施加窄带干扰时头位置误差的时间改变。图11示出了当施加窄带干扰时头位置误差的频率特征。在这两个例子中，对前馈(FF)控制的存在或欠缺都进行了比较。当与FF控制不存在(FFn)的情况比较时，在第一实施例的FF控制存在(FFy)的情况下，已经验证位置误差准确性提高了。

图12示出了带宽和位置误差改进程度的比较。在第一实施例中，由于FF输入紧随在恒定频率范围内波动的位置误差信号，因此当带宽增加时，位置误差的改进程度将降低。在图13中，定义了干扰带的带宽和中心频率。在图13中，带宽和中心频率的比率被设置为图12的X轴，并且在没有实施FF控制时的定位准确性和实施FF控制时的定位准确性的比率被设置为图12的Y轴。

由图12可知，当带宽增加时改进的程度将降低。举例来说，为了使窄带干扰减半，最好设置带宽为大约中心频率的30％。然而，位置误差的改进程度也受干扰的瞬时特征、头定位准确性系统的采样频率、反馈控制器10的频率特征、FF控制系统2的幅度相位检测函数单元的低通滤波特征等等的影响。

(第二实施例)

图14是一幅示出根据本发明的第二实施例的头定位控制系统的配置的视图。

第二实施例的头定位控制系统包括一个用于检测位置误差信号ES的频谱的频谱检测单元25和用于在频谱检测和幅度/相位检测之间变化的选择单元26。

由于干扰的中心频率由施加到盘驱动器等的振动状态改变，很难预先估计一个确定值。因此，将从位置误差的频谱中检测指示最大幅度的频率，并且将该指示最大幅度的频率设置为FF控制系统2的相位检测单元的中心频率。由此，尽管干扰的振动状态变化，也能够精确的检测干扰的相位，由此可以改进位置误差的准确性。

频谱检测单元25执行图15所示的流程图的检测过程。在频谱检测单元25的操作过程中，选择单元26设置开关24来使得来自FB控制系统1的位置误差信号ES输入到频谱检测单元25中。在此时，选择单元26设置开关23来禁止来自FF控制系统2的FF信号A4输出到FB控制系统1。

频谱检测单元25预先确定对其执行频谱检测的频率的范围和准确性，并且频谱检测单元25在所述范围内连续的改变测量频率来计算每个频率的频谱值(步骤S6)。频谱检测单元25确定其中频谱值变为最大的频率(步骤S8)。

当频谱检测单元开始频谱检测时，该频谱检测单元25以频率初始值替代测量频率和频谱最大频率，并且该频谱检测单元25同样以0替代频谱最大值(步骤S1-S3)。而后，频谱检测单元25确定每个测量频率中的位置误差的测量采样数(步骤S4)。测量采样数由下面的公式(2)获得：

测量采样数＝(位置误差的采样频率/测量频率)×K 公式(2)其中K是任意自然数。当K增加时，位置误差频率的突然变化很难影响测量采样数，并且能够获得干扰的平均频谱；然而，测量时间将增加。也有可能通过调节K值来抑制测量时间中的波动以使得每个测量频率中测量采样的数量恒定。

频谱检测单元25测量测量采样数的位置误差来计算频谱值(步骤S5和S6)。频谱值的计算根据下述公式(3)执行：

s (f) = {(\frac{1}{N} Σ_{j = 1}^{N} p (j) \sin (\frac{2 πfj}{r}))}^{2} + {(\frac{1}{N} Σ_{j = 1}^{N} p (j) \cos (\frac{2 πfj}{r}))}^{2}

公式(3)

其中f是测量频率，S(f)是测量频率的频谱值，N是测量采样数，j是一个按照时间顺序标记采样值的数字，p(j)是测量位置误差，并且r是采样频率。

当频谱值大于频谱最大值时，频谱检测单元25以当前测量频率替代频谱最大频率，并且频谱检测单元25以当前频谱值替代频谱最大值(步骤S7、S8和S9中的“是”)。频谱检测单元25将改变量增加到测量频率上。当频谱值大于频率最终值时，频谱检测单元25以频谱最大频率替代幅度检测单元和相位检测单元的中心频率，并且频谱检测单元25结束频谱检测(步骤S11和步骤S12中的“是”)。

当电力加载到所述盘驱动器上，或者当位置误差增加时，选择单元26启动频谱检测单元25。当频谱检测结束时，选择单元26启动FF控制系统2中的幅度检测单元和相位检测单元。

当盘驱动器不受振动影响而位置误差足够小时，选择单元26禁止频谱检测单元25和FF控制系统2中的幅度检测单元和相位检测单元。因此，定位计算过程在盘驱动器的CPU37中将减少。此外，在盘驱动器中，除定位计算处理之外的那些处理诸如缓存操作等的处理效率，也能提高以改进性能。

如上所述，根据上述具体实施例，能够提供包括头定位控制系统的盘驱动器，通过从头位置误差信息中观察干扰而不使用加速度传感器等部件来有效的抑止干扰。

附加的有点和改变对于本领域的普通技术人员而言是显而易见的。因此，本发明在更广泛的方面并不局限于在此描述的具体细节和典型实施例。相应的，可以作出各种修改而不背离本由附随的权利要求及其等同物所限定的本发明的一般概念的精髓和范围。

Claims

1.一种盘驱动器，包括：

致动器(32)，用以将头(31)定位到盘介质(30)的目标位置上；

第一控制器(10)，基于目标位置和头(31)的位置之间的位置误差信息通过反馈控制控制所述致动器(32)将头(31)定位到所述盘介质(30)的目标位置上；以及

第二控制器(2)，其向所述第一控制器(10)输出干扰补偿值，其特征在于

所述第二控制器(2)包括：

幅度检测单元，用于输入位置误差信息来从所述位置误差信息中检测窄带干扰的幅度；

相位检测单元，用于从所述位置误差信息中检测窄带干扰的相位；以及

一个单元，用于基于所述幅度检测单元和相位检测单元的每个检测结果计算干扰补偿值来消除窄带干扰。

2.根据权利要求1所述的盘驱动器，其特征在于所述第二控制器(2)包含在向包含第一控制器(10)的反馈控制系统(1)输出控制补偿值的前馈控制系统之中。

3.根据权利要求1所述的盘驱动器，其特征在于所述第二控制器(2)包括一个单元，用于计算作为幅度检测单元和相位检测单元的检测结果的幅度和相位的乘积来输出所计算的结果作为干扰补偿值。

4.根据权利要求1所述的盘驱动器，其特征在于，还包括闭环传递函数滤波单元(12)，用于输入从所述第二控制器(2)输出的干扰补偿值。

5.根据权利要求1所述的盘驱动器，其特征在于，还包括闭环传递函数滤波单元(12)，用于输入从所述第二控制器(2)输出的干扰补偿值，

其中所述闭环传递函数滤波单元(12)执行包括第一控制器(10)的反馈控制系统(1)的传递函数滤波计算、并且将所计算的结果和位置误差信息相加以向所述第二控制器(2)输出相加的结果。

6.根据权利要求1所述的盘驱动器，其特征在于，窄带干扰的带宽在干扰中心频率的30％范围内。

7.根据权利要求1所述的盘驱动器，其特征在于，所述第二控制器(2)具有一个单元，用于确定位置误差信息中指示幅度最大值的干扰频带，以及

所述相位检测单元基于所述干扰频带执行检测干扰相位的过程。

8.一种将头定位在盘驱动器中盘介质上的目标位置的系统，包括：

致动器(32)，用于将头(31)移动到盘介质(30)上的目标位置；

反馈控制系统(1)，通过反馈控制将头(31)定位在盘介质(30)上的目标位置上；以及

前馈控制系统(2)，用于基于从反馈控制系统(1)和头(31)计算的目标位置的位置误差信息，向反馈控制系统(1)输出干扰补偿值来消除窄带干扰，其特征在于

前馈控制系统(2)包括：

幅度检测单元，用于检测窄带干扰的幅度；

相位检测单元，用于检测窄带干扰的相位；以及

一个单元，用于基于幅度检测单元和相位检测单元的每个检测结果计算干扰补偿值。

9.根据权利要求8所述的盘驱动器，其特征在于，所述前馈控制系统(2)计算由幅度检测单元所检测的幅度和由相位检测单元所检测的相位的乘积来输出所计算的结果作为干扰补偿值。

10.根据权利要求8所述的盘驱动器，其特征在于，还包括闭环传递函数滤波单元(12)，用于输入从所述前馈控制系统(2)输出的干扰补偿值，

其中所述闭环传递函数滤波单元(12)执行反馈控制系统(1)的传递函数滤波计算、并且将所计算的结果和位置误差信息相加以向所述前馈控制系统(2)输出相加的结果。

11.根据权利要求8的盘驱动器，其特征在于，所述前馈控制系统(2)具有一个单元，用于确定位置误差信息中指示幅度最大值的干扰频带，以及

12.一种将头定位到盘驱动器中的盘介质上的目标位置的方法，其特征在于，所述方法包括：

基于目标位置和头位置之间的位置误差信息，通过反馈控制将头定位到目标位置；

输入位置误差信息；

基于所述位置误差信息检测窄带干扰幅度和相位；以及

基于幅度和相位的每个检测结果计算干扰补偿值来消除窄带干扰。