CN1783222A - 非可重复脱离轨道补偿装置和方法及盘驱动器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种快速并精细地补偿盘驱动器的非可重复脱离轨道(NRRO)的装置和方法。系统的脱离轨道补偿装置中的NRRO补偿控制装置包括：频率估计器，使用陷波滤波器的滤波器系数和陷波频率之间的相互关系从响应于所述系统的预定信号直接估计NRRO频率的三角函数值；NRRO补偿器，使用由频率估计器估计的NRRO频率的三角函数值消除所述系统的NRRO。

Description

非可重复脱离轨道补偿装置和方法及盘驱动器

                        技术领域

本发明涉及一种盘驱动伺服控制装置及方法，更具体地讲，涉及一种用于快速并精细地补偿盘驱动器的非可重复脱离轨道(NRRO)的装置及方法。

                        背景技术

通常，作为一种数据存储设备的硬盘驱动器(HDD)使用磁头再现记录在盘上的数据或者将数据写在盘上。根据HDD向高容量、高密度和紧凑的方向发展的趋势，已经增加了每英寸的比特数(BPI)和每英寸的轨道数(TPI)，每英寸的比特数表示在盘的旋转方向上的记录密度，而每英寸的轨道数表示在盘的直径方向上的记录密度。因此，HDD需要更加精巧的操作机构。

在HDD中进行循轨控制的目的是即使存在脱离轨道(run out)也将头放置在目标轨道的正中心。脱离轨道分为由于盘的偏心而产生的可重复脱离轨道(RRO)和由于盘的颤动而产生的非可重复脱离轨道(NRRO)。这里，“重复”意味着脱离轨道信号的相位与盘的伺服扇区同步。尽管已经广泛开展与RRO补偿控制相关的研究，但是由于技术上的困难还没有广泛开展与NRRO补偿控制相关的研究。

NRRO补偿控制的技术困难主要分为两方面：脱离轨道信号的频率根据产品的不同而不同；脱离轨道信号的相位不能与盘的伺服扇区同步。因为NRRO的这两个固有特性，所以难以开发快速并精细的NRRO补偿控制器。

当增加盘的旋转速度以提高HDD的操作速度时，剧烈地产生盘的颤动效果，NRRO增加，盘的伺服性能降低。

为补偿NRRO而开发的一种公开技术是美国专利第5,072,318号中公开的NRRO补偿技术。这一技术提出一种如下所述的通过从位置误差信号(PES)估计NRRO的频率、振幅和相位来对NRRO进行补偿的方法。

可把HDD的NRRO值x_NRRO(n)表达为方程1。

x_NRRO(n)＝A(n)cos(ω(n)nT+φ(n))                    ...(1)

为了补偿NRRO，使用方程2作为估计方程。

a(n+1)＝a(n)+μcos(ω(n)nT)x_PES(n)

b(n+1)＝b(n)+μsin(ω(n)nT)x_PES(n)

ω(n+1)＝ω(n)+μnT[b(n)cos(ω(n)nT)-a(n)sin(ω(n)nT)]x_PES(n)

                                                 ...(2)

根据估计结果的补偿值表达为方程3。

u(n)＝a(n)cos(ω(n)nT)+b(n)sin(ω(n)nT)          ...(3)

根据传统的技术，由于在估计方程中估计频率值ω(n)，所以估计稳定性和收敛速度降低。此外，由于估计的频率的三角函数值sin(ω(n)nT)是补偿NRRO所必需的，所以难以精确实现。

为补偿NRRO而开发的另一种公开技术是美国专利第6,636,376中公开的消除盘驱动器的谐振频率的技术。这一技术提出一种使用离散傅立叶变换(DFT)和使用NRRO补偿器中的估计结果来估计离线频率的方法。然而，当频率随时间变化而变化时，性能降低。此外，当实现NRRO补偿时，三角函数的计算也是必需的。

                        发明内容

本发明提供一种非可重复脱离轨道(NRRO)补偿控制装置和方法，用于通过当NRRO只在NRRO检测被预测的频带中实现时直接估计所需要的cos(ωT)值来补偿NRRO，以及提供一种使用该非可重复脱离轨道补偿控制装置和方法的盘驱动器。

根据本发明的一个方面，提供一种系统的脱离轨道补偿装置中的非可重复脱离轨道(NRRO)补偿控制装置，所述装置包括：频率估计器，使用陷波滤波器的滤波器系数和陷波频率之间的相互关系从响应于所述系统的预定信号直接估计NRRO频率的三角函数值；NRRO补偿器，使用由频率估计器估计的NRRO频率的三角函数值来消除所述系统的NRRO。

根据本发明的另一方面，提供了一种系统的脱离轨道补偿方法中的非可重复脱离轨道(NRRO)补偿控制方法，所述方法包括：(a)从响应于所述系统的预定信号直接估计NRRO频率的三角函数值；(b)使用在操作(a)中估计的NRRO频率的三角函数值补偿所述系统的NRRO。

根据本发明的另一方面，提供了一种数据存储系统中的盘驱动器，所述盘驱动器包括：状态估计器，用于从位置误差信号(PES)估计头运动的状态信息值，所述信息包括：头位置、速度和控制输入信息；状态反馈控制器，通过使所述状态信息值乘以预定状态反馈增益来产生状态反馈控制信息；非可重复脱离轨道(NRRO)补偿电路，从位置误差信号直接估计NRRO频率的三角函数值，并产生对应于估计的NRRO频率的三角函数值的NRRO补偿信息；求和单元，将NRRO补偿信息加到所述状态反馈控制信息；音圈电机(VCM)驱动器和致动器，通过产生对应于求和单元的输出的驱动电流来移动头并产生位置误差信号。

                        附图说明

通过参考附图详细描述本发明的示例性实施例，本发明的上述和其他特点及优点将会变得更加清楚，其中：

图1是应用了本发明实施例的HDD的HDA的示意性俯视图；

图2是应用了根据本发明实施例的NRRO补偿控制装置的HDD的伺服控制电路的方框图；

图3是图2中所示的频率估计器的方框图；

图4中是示出应用到本发明实施例的带通滤波器的频率响应特性的图；

图5是示出为了描述本发明的效果而打开频率估计器并关掉NRRO补偿器时的频率估计和PES性能的图；

图6是为了描述本发明的效果而打开频率估计器和NRRO补偿器时的频率估计和PES性能的图；

图7是示出为了描述本发明的效果而频率估计器从预先已知的正常状态值开始时的性能的图。

                        具体实施方式

硬盘驱动器(HDD)包括头盘组件(HDA)和电路，而HDA包括机械部件。

图1是应用了本发明实施例的HDD的HDA 10的示意性俯视图。参考图1，HDA 10包括至少一个由主轴电机14旋转的磁盘12。HAD 10还包括邻于盘表面上的换能器(未示出)。

换能器可通过感测在盘12上形成的磁场或者使盘12磁化来将信息写到旋转的盘12上或者从旋转的盘12上读取信息。尽管在图1中只表示了单个换能器，但是换能器包括磁化盘12的写换能器和感测盘12的磁场的读换能器。读换能器包括磁阻(MR)元件。

换能器可包含在头16中。头16在换能器和盘表面之间产生空气轴承。头16包含在头臂组件(HSA)22中。HSA 22结合到具有音圈26的致动器臂24上。音圈26位于邻近磁组件28的位置以限定音圈电机(VCM)30。提供到音圈26上的电流产生使致动器臂24绕着轴承组件32旋转的扭矩。致动器臂24的旋转使换能器横跨盘表面移动。

信息存储在盘12的环形轨道中。通常，每个轨道34包括多个扇区。每个扇区包括数据字段和识别字段。识别字段包括用于识别扇区和轨道(柱面)的格雷码(Gray code)。为了从另一轨道上读取信息或者将信息写到另一轨道上，换能器横跨盘表面移动。

图2是应用了根据本发明实施例的NRRO补偿控制装置的HDD的伺服控制电路的方框图。

参考图2，HDD的伺服控制电路包括状态估计器210、状态反馈控制器220、带通滤波器230、频率估计器240、非可重复脱离轨道(NRRO)补偿器250、求和单元260和音圈电机(VCM)驱动器和致动器270。

包括带通滤波器230、频率估计器240、NRRO补偿器250的电路被称之为NRRO补偿电路1000。

状态估计器210使用公开的状态方程执行从位置误差信号(PES)x_PES(n)估计头的运动的状态变量值的处理，所述变量值包括头位置、速度和控制输入信息。

状态反馈控制器220通过将由状态估计器210估计的头运动的状态变量值乘以状态反馈增益而产生状态反馈控制值。

带通滤波器230确定频率特性，以通过关于能够产生NRRO的频带的PES。例如，可将带通滤波器230设计为具有方程4中所示的响应特性H_BPF(z)。

$H_{\mathrm{BPF}}\left(z\right)=K\frac{z^2-1}{z^2-2r\cos \left({\mathrm{\ω}}_{c}T\right)z+r^2}...\left(4\right)$

这里，ω_c表示中心频率，r确定带宽，K是使中心频率增益与1相匹配的常数，并由方程5确定。

$K=\frac{(1-r)\sqrt{r^2-2r\cos \left({2\mathrm{\ω}}_{c}T\right)+1}}{\sqrt{2[1-\cos \left({2\mathrm{\ω}}_{c}T\right)]}}...\left(5\right)$

图4表示其中心频率是700Hz的带通滤波器230的频率响应特性的例子。

PES包括由于多种脱离轨道导致的成分以及除NRRO成分之外的噪音，带通滤波器230增加了NRRO频率估计的精确性。

根据公知的控制模型如关于NRRO频率ω的方程6设计NRRO补偿器250。

$\left[\begin{array}{c}{x}_1(n+1)\\ x_2(n+1)\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}2\cos \left(\mathrm{\ωT}\right)& 1\\ -1& 0\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{x}_1\left(n\right)\\ x_2\left(n\right)\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}\mathrm{\α}\\ \mathrm{\β}\end{array}\right]x_{\mathrm{PES}}\left(n\right)$

$u_{\mathrm{com}}\left(n\right)=\left[\begin{array}{cc}1& 0\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{x}_1\left(n\right)\\ x_2\left(n\right)\end{array}\right]...\left(6\right)$

NRRO补偿器250的传递函数由方程7表达，其中两个极点e^±jw对应于NRRO频率ω。

$H_{\mathrm{NRRO}}\left(z\right)=\frac{\mathrm{\αz}+\mathrm{\β}}{z^2-2\cos \left(\mathrm{\ωT}\right)z+1}...\left(7\right)$

由于NRRO频率根据使用条件和产品变化而变化，因此需要精确的估计。在本实施例中，NRRO补偿器250的系数cos(ωT)可根据频率估计结果如方程8一样变化。

$\left[\begin{array}{c}{x}_1(n+1)\\ x_2(n+1)\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}2\mathrm{\λ}\left(n\right)& 1\\ -1& 0\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{x}_1\left(n\right)\\ x_2\left(n\right)\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}\mathrm{\α}\\ \mathrm{\β}\end{array}\right]x_{\mathrm{PES}}\left(n\right)$

$u_{\mathrm{com}}\left(n\right)=\left[\begin{array}{cc}1& 0\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{x}_1\left(n\right)\\ x_2\left(n\right)\end{array}\right]...\left(8\right)$

现在将详细描述直接估计由NRRO补偿器使用的系数cos(ωT)的方法，这是本发明的核心。

频率估计器240执行从PES精确估计NRRO频率的三角函数值的功能。

例如，频率估计器240可包括附图3中所示的可变系数有限冲击响应(FIR)滤波器240-1和调谐器240-2。

方程9表示可变系数FIR滤波器240-1的特征方程。

y(n)＝x(n)-2λ(n)x(n-1)+x(n-2)                    ...(9)

根据其频率响应特征，FIR滤波器240-1是陷波滤波器，陷波频率由滤波器系数λ(n)确定。如果λ(n)＝cos(ωT)，则由于滤波器零点是方程8确定的e^±jωt，所以通过λ(n)＝cos(ωT)获得滤波器系数和陷波频率之间的相互关系。因此，如果滤波器输入信号的频率等于陷波滤波器的中心频率，则滤波器的输出接近于零。使用与该因素相反的因素，在使滤波器的输出最小的方向上对滤波器系数的调整导致滤波器系数值收敛于对应于滤波器输入信号的频率的值cos(ωT)。

使用这一特征，将调谐器240-2设计为在使FIR滤波器240-1的输出最小的方向上调整滤波器系数λ(n)。因此，将用于使FIR滤波器240-1的输出最小的调谐器240-2的滤波器系数调整方程设计为基于公知的最小均方(LMS)理论的方程10。

λ(n+1)＝λ(n)+μy(n)x(n-1)                            ...(10)

这里，变量x(n)和y(n)分别表示FIR滤波器240-1的输入信号和输出信号，常数μ表示自适应增益。

如果以这种方式调整滤波器系数，则如方程11所示，滤波器系数λ(n)收敛于对应于NRRO频率的值。

λ(n)→cos(ωT)                                        ...(11)

因此，频率估计器240不象传统的技术那样估计NRRO频率值ω(n)，而是直接估计NRRO补偿器250需要的值cos(ωT)。

如果将对应于估计的NRRO频率的三角函数值cos(ωT)的滤波器系数λ(n)输入到NRRO补偿器250，则能使用方程8快速计算NRRO补偿值u_com(n)。

在本发明中，将频率估计器240设计为用预先已知的正常状态值初始化以提高频率估计速度，这是有效的。

求和单元260将从状态反馈控制器220输出的状态反馈控制值加到从NRRO补偿器250输出的NRRO补偿值，并将求和结果输出到VCM驱动器和致动器270。

VCM驱动器和致动器270通过产生对应于求和单元260的输出的驱动电流来使头移动并产生对应于头的运动的PES，同时执行寻轨和循轨。

下面示出表示通过使用本发明中提出的NRRO补偿方法能够快速并精细地补偿NRRO的实验结果。

使用其轨道密度、轨道宽度和盘旋转速度分别是130,000TPI、0.19μm和7,200rpm的HDD进行实验。将其频率和振幅分别为800Hz和0.5个轨道的NRRO输入到控制系统，将NRRO补偿电路设置为在循轨模式下开始其操作。

图5是示出打开频率估计器240并关掉NRRO补偿器250时的频率估计和PES性能。参考图5，由于NRRO而导致产生了0.4轨道的PES。然而，频率估计值从0开始并精确地收敛于对应于800Hz的值。收敛时间大约是6毫秒。

图6是示出在打开NRRO补偿器250之后的频率估计和PES性能的图。参考图6，频率估计器240的初始值被设为0。频率在6毫秒内精确地收敛，PES在10毫秒内收敛于接近0的值。

图7是示出为了减少NRRO补偿时间而频率估计器240从预先已知的正常状态值开始时的性能。参考图7，NRRO补偿时间减至4毫秒以内。因此，在根据本发明的NRRO补偿方法中，能够比传统的技术更加快速并精细地补偿NRRO。

如上所述，根据本发明的实施例，当NRRO仅在NRRO检测被预测的频带中实现时，通过直接估计需要的cos(ωT)值来补偿NRRO，能够比传统的技术更加快速并精细地补偿NRRO。

可将本发明实现为方法、设备和/或系统。当本发明被实现为软件时，本发明的组件被实施为执行需要的操作的代码段。程序或者代码段可存储在处理器可读的记录介质中并使用传输介质或者通信网络而作为与载波相结合的计算机数据信号被发送。处理器可读的记录介质是能够存储或者发送计算机系统可随后读取的数据的任何数据存储设备。处理器可读的记录介质的例子包括：电子电路、半导体存储设备、只读存储器(ROM)、闪速存储器、可擦除ROM、软盘、光盘、硬盘、光纤媒体、RF网络。计算机数据信号包括任何能够通过传输介质，如电子网络信道、光纤、空气、电场、RF网络传播的信号。

尽管已经参考本发明的优选实施例详细地表示和描述了本发明，然而本领域技术人员应当理解，在不脱离权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下可以在形式和细节上做出各种变化。上述实施例只应当被认为仅是描述的意义而不是为了限制的目的。因此，本发明的范围不是由本发明的详细描述限定而是由权利要求限定，在所述范围的所有差别将被解释为包含于本发明中。

Claims (19)

1、一种系统的脱离轨道补偿装置中的非可重复脱离轨道补偿控制装置，所述装置包括：

频率估计器，使用陷波滤波器的滤波器系数和陷波频率之间的相互关系从响应所述系统的预定信号直接估计非可重复脱离轨道频率的三角函数值；

非可重复脱离轨道补偿器，使用由所述频率估计器估计的非可重复脱离轨道频率的三角函数值来消除所述系统的非可重复脱离轨道。

2、如权利要求1所述的装置，其中，所述预定信号包括根据盘驱动器的头运动而产生的位置误差信号。

3、如权利要求1所述的装置，还包括带通滤波器，用于输入所述预定信号仅使能够产生非可重复脱离轨道的相关频带成分通过，并将所述相关频带成分输出到所述频率估计器。

4、如权利要求1所述的装置，其中，以开始时的预先已知的正常状态值初始化所述频率估计器。

5、如权利要求1所述的装置，其中，所述频率估计器包括：

有限冲击响应滤波器，用于根据预定的频率响应特性将所述预定信号滤波；

调谐器，输入所述有限冲击响应滤波器的输出并输出收敛的滤波器系数值，同时在所述有限冲击响应滤波器的输出被最小化的方向上调整所述滤波器系数。

6、如权利要求5所述的装置，其中，所述有限冲击响应滤波器的特征方程以y(n)＝x(n)-2λ(n)x(n-1)+x(n-2)来设计，其中，x(n)和y(n)分别是所述有限冲击滤波器的输入信号和输出信号，λ(n)是所述滤波器系数。

7、如权利要求5所述的装置，其中，所述有限冲击响应滤波器包括陷波滤波器。

8、如权利要求5所述的装置，其中，所述调谐器调整所述滤波器系数λ(n)，从而使用λ(n+1)＝λ(n)+μy(n)x(n-1)来使有限冲击响应滤波器的输出y(n)最小化，其中，x(n)和y(n)分别是所述有限冲击滤波器的输入信号和输出信号，μ是自适应增益常数。

9、一种系统的脱离轨道补偿方法中的非可重复脱离轨道补偿控制方法，所述方法包括：

(a)从响应于所述系统的预定信号直接估计非可重复脱离轨道频率的三角函数值；

(b)使用在操作(a)中估计的所述非可重复脱离轨道频率的所述三角函数值补偿所述系统的非可重复脱离轨道。

10、如权利要求9所述的方法，其中，所述预定信号包括根据盘驱动器的头运动而产生的位置误差信号。

11、如权利要求9所述的方法，其中，所述预定信号是只包括能够产生非可重复脱离轨道的相关频带成分的带通滤波的信号。

12、如权利要求9所述的方法，其中，在操作(a)中，用滤波器系数的收敛值估计所述非可重复脱离轨道频率的三角函数值，所述收敛值通过使用可变系数有限冲击响应滤波器被调整为使所述可变系数有限冲击响应滤波器的输出信号最小化。

13、一种数据存储系统中的盘驱动器，所述盘驱动器包括：

状态估计器，用于从位置误差信号估计头运动的状态信息值，所述信息包括：头位置、速度和控制输入信息；

状态反馈控制器，通过使所述状态信息值乘以预定状态反馈增益来产生状态反馈控制信息；

非可重复脱离轨道补偿电路，从位置误差信号直接估计非可重复脱离轨道频率的三角函数值，并产生对应于估计的所述非可重复脱离轨道频率的三角函数值的非可重复脱离轨道补偿信息；

求和单元，将所述非可重复脱离轨道补偿信息加到所述状态反馈控制信息；

音圈电机驱动器和致动器，通过产生对应于所述求和单元的输出的驱动电流来移动头并产生位置误差信号。

14、如权利要求13所述的盘驱动器，其中，所述非可重复脱离轨道补偿电路包括：

带通滤波器，用于输入所述位置误差信号并仅使能够产生所述非可重复脱离轨道的相关频带成分通过；

频率估计器，从所述带通滤波器的输出直接估计所述非可重复脱离轨道频率的三角函数值；

非可重复脱离轨道补偿器，用于使用由所述频率估计器估计的所述非可重复脱离轨道频率的三角函数值来产生所述非可重复脱离轨道的补偿信息。

15、如权利要求14所述的盘驱动器，其中，以开始时的预先已知正常状态值来初始化所述频率估计器。

16、如权利要求14所述的盘驱动器，其中，所述频率估计器包括：

有限冲击响应滤波器，根据预定的频率响应特性将所述带通滤波器的输出滤波；

调谐器，输入所述有限冲击响应滤波器的输出并输出收敛的滤波器系数值，同时在所述有限冲击响应滤波器的输出被最小化的方向上调整所述滤波器系数。

17、如权利要求16所述的盘驱动器，其中，所述有限冲击响应滤波器的特征方程以y(n)＝x(n)-2λ(n)x(n-1)+x(n-2)来设计，其中，x(n)和y(n)分别是所述有限冲击滤波器的输入信号和输出信号，λ(n)是所述滤波器系数。

18、如权利要求16所述的盘驱动器，其中，所述有限冲击响应滤波器包括陷波滤波器。

19、如权利要求16所述的盘驱动器，其中，所述调谐器调整所述滤波器系数λ(n)，从而使用λ(n+1)＝λ(n)+μy(n)x(n-1)来最小化有限冲击响应滤波器的输出y(n)，其中，x(n)和y(n)分别是所述有限冲击滤波器的输入信号和输出信号，μ是自适应增益常数。

Images