DE2215045A1

DE2215045A1 - Servo-Steuerung für die Einstellung eines Magnetkopfes

Info

Publication number: DE2215045A1
Application number: DE19722215045
Authority: DE
Inventors: Richard Karl San Jose Calif. Oswald (V.StA.)
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1971-04-01
Filing date: 1972-03-28
Publication date: 1972-10-12
Also published as: US3725764A; GB1382907A; FR2135974A5; JPS5221152B1

Description

Aktenzeichen der Anmelderin: Docket SA 970 048

Servo-Steuerung für die Einstellung eines Magnetkopfes.

Die Erfindung betrifft eine Servo-Steuerung für die Einstellung eines Magnetkopfes auf eine kreisförmige Aufzeichnungsspur eines rotierenden Aufzeichnungsträgers/ mit einem, einen Servo-Magnetkopf entlang einer kreisförmigen Servo-Spur führenden Regelkreis, in welchem Abtastsignale des Servo-Magnetkopfes dem Stellglied des Regelkreises zugeführt werden.

Bei den in der datenverarbeitenden Technik verwendeten Magnetplattenspeichern mit auswechselbaren Magnetplatten oder Plattensätzen läßt es sich trotz größter Präzision bei der Herstellung der Magnetplatten nicht vermeiden, daß beim Auswechseln der Platten die zur Magnetplattenwelle konzentrische Lage der Aufzeichnungsspuren verloren geht.

Da bei diesen Magnetplattenspeichern die Aufzeichnungsspuren sehr dicht aneinanderliegen, müssen diese Abweichungen unbedingt ausgeglichen werden, da sonst die Signale der ausgewählten Datenspur verloren gehen können oder gar Signale einer Nachbarspur aufgenommen werden können.

Die bekannten Servo-Steuerungen, bei denen ein Servo-Magnetkopf entlang einer separaten Servo-Spur geführt wird und die Daten-Magnetköpfe synchron mit dem Servo-Magnetkopf bewegt werden, sind für den Ausgleich dieser Abweichungen nicht ausreichend, da die

209842/1073

Reaktion der Steuerung auf die Servo-Signäle nicht gleichzeitig erfolgt. Diese kleine, nicht weiter reduzierbare zeitliche Verzögerung verhindert somit die exakte Kompensation der radialen Abweichung, die einer weiteren Verdichtung der Datenspuren im Wege steht.

Die Frequenz der radialen Abweichung entspricht der Rotationsgeschwindigkeit der Magnetplatte. Die inhärente zeitliche Verzögerung des Servo-Systems kann daher durch Auswertung der übertragungsfunktion des Systems bei dieser Frequenz bestimmt werden. Unter Zugrundelegung dieses Wertes könnte dem Servo-System ein zusätzliches Element in Reihenschaltung hinzugefügt werden, so daß die übertragungsfunktion des neuen Servo-Systems bei der gegebenen Frequenz die Zeitverzögerung Null haben würde. Das zugefügte Element müßte jedoch mechanischer Natur sein und wäre deshalb nur schwierig und kostspielig herzustellen.

Eine andere Möglichkeit bestünde darin, das vorhandene Servo-System durch ein Transpositionsverfahren so abzuändern, daß es die zuzufügende Komponente enthält. Dies würde jedoch bedeuten, daß dem Rückkopplungsteil des Systems eine Komponente zugefügt werden müßte. Da jedoch die mechanische Konfiguration der Servo-Steuerung für die Magnetkopfeinstellung so definiert ist, daß die Rückkopplungsschleife die Güte 1 besitzt, würde diese direkte Transposition kein praktisch realisierbares System ergeben.

Eine bekannte Lösung dieses Problems (US-Patentschrift 3,362,021) besteht darin, daß an einer bestimmten Stelle vor dem Servo-Magnetkopf ein zweiter Magnetkopf über der Servo-Spur angeordnet ist, derart, daß das erzeugte Signal, das der radialen Abweichung entspricht, gerade zu der richtigen Zeit erzeugt wird, die notwendig ist, um die zeitliche Verzögerung des Servo-Systems zu kompensieren. Diese Anordnung besitzt zwar verschiedene Vorteile, z.B. daß sie leicht herzustellen und nicht kostspielig ist, daß die Information der Servo-Spur nicht für diesen Zweck herangezogen werden muß und daß das Ausgangssignal, dessen Amplitude der radialen Ab-

Docket SA 970 048 2 0 9 8 4 2/1073

Weichling entspricht, stets sinusförmig ist, sie hat aber einen wichtigen Nachteil, der zutage tritt, wenn die Abweichung mehr als der Abstand zweier Spuren beträgt. In diesem Falle würde nämlich kein Fehlersignal erzeugt. Es wäre natürlich möglich, diesen Servo-Magnetkopf auf einem Arm anzuordnen, dessen Verschiebungsmöglichkeit nicht größer als eine halbe Spurbreite nach beiden Seiten ist. Dies ergäbe jedoch kein sinusförmiges Signal entsprechend der Rotationsgeschwindigkeit der Magnetplatte sondern eine komplexe Wellenform oder ein sinusförmiges Signal, das einem Vielfachen der Rotationsfrequenz entspricht.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Servo-Steuerung anzugeben, die auch bei größeren Spurabweichungen eine einwandfreie Regelung gestattet und die den Servo-Magnetkopf mit großer Exaktheit der Servo-Spur nachführt.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe bei einer Servo-Steuerung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß die Abtastsignale des Servo-Magnetkopfes, die seiner Abweichung von der Servo-Spur entsprechen und der Abweichungsgeschwindigkeit entsprechende Tachometersignale in einem Addierer zusammenführbar und dem Stellglied zuführbar sind, und daß die Amplitude und die Phase der Signale beeinflussende Kompensatoren vorgesehen sind, durch welche die zeitliche Verzögerung des Regelkreises ausgleichbar ist.

Die erfindungsgemäße Steuerung ist in vorteilhafter Weise derart ausgebildet, daß die der Abweichung des Servo-Magnetkopfes entsprechenden, vom Servo-Magnetkopf abgetasteten Signale über einen Detekor und die der Abweichungsgeschwindigkeit des Servo-Magnetkopfes entsprechenden Signale über einen am Servo-Magnetkopf angeordneten Tachometer und einen ersten Kompensator dem Addierer zuführbar sind und daß das Ausgangssignal des Addierers über einen zweiten Kompensator dem Stellglied zuführbar ist. Weitere Vorteile der erfindungsgemäßen Steuerung bestehen darin, daß der erste Kompensator ein Tiefpaßfilter und der zweite Kompensator eine Voreilungsschaltung ist.

Docket SA 9 70 04b 209842/ 1073

Die Erfindung wird anhand eines in den Zeichnungen erläuterten Ausführungsbeispiels beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel der Servo-Steuerung, schematisch in schaubildlicher Ansicht und im Blockdiagramm dargestellt,

Fig. 2 einen üblichen Regelkreis, im Blockdiagramm,

Fig. 3 den in Fig. 2 dargestellten Regelkreis mit einem

in Reihe geschalteten Kompensator zur Erzielung einer gewünschten übertragungsfunktion und

Fig. 4 ebenfalls im Blockdiagramm, den Regelkreis entsprechend den Merkmalen der Patentansprüche.

In Fig. 1 ist eine Servo-Steuerung für einen Magnetplattenspeicher dargestellt, bei der ein Magnetkopf einer Servo-Spur folgt. In der Figur sind jedoch nur diejenigen Elemente enthalten, die für das Verständnis der Erfindung erforderlich sind. Der Servo-Mechanismus 1, der einen Arm 2 aufweist, an dem der Servo-Magnetkopf 10 befestigt ist, stellt den Servo-Magnetkopf auf eine bestimmte Servo-Spur der Servo-Magnetplatte 3 ein. Die Servo-Magnetplatte 3 ist auf der Welle 4 abnehmbar befestigt. Die Aufzeichnungen in den Spuren der Servo-Magnetplatte sind so angeordnet, daß die vom Servo-Magnetkopf 10 abgetasteten Signale seine Abweichung von der gewünschten Spur anzeigen. Diese Abtastsignale werden dem Detektor 11 zugeführt, der ein Positionierungs-Fehlersignal erzeugt, das der Abweichung des Servo-Magnetkopfes von seiner Soll-Lage entspricht.

Der zweite Detektor 12 erzeugt ein Signal, das die radiale Geschwindigkeit des Servo-Magnetkopfes angibt. Das Ausgangssignal des Detektors 12 entspricht bezüglich seiner Amplitude und seiner Frequenz der radialen Abweichung und der Umlauffrequenz der Servo-Magnetplatte

Docket SA 970 04 8

209842/1073

3. Der Detektor 12 kann beispielsweise als Tachometer ausgebildet sein.

Das Ausgangssignal des Detektors 12 wird dem Kompensator 13 zugeführt, der die Phase und die Amplitude des Signals verändert. Das Ausgangssignal des !Compensators 13 wird im Addierer 14 mit dem Positions-Fehlersignal des Detektors 11 kombiniert und an den Kompensator 15 weitergeleitet. Das Ausgangssignal des Kompensators 15 ist ein neues Positions-Fehlersignal, das den Servo-Mechanismus 1 derart steuert, daß in dem Servo-System keine zeitliche Verzögerung auftritt. Insgesamt bestehen die kompensierenden Mittel somit aus dem Kompensator 13, dem Addierer 14 und dem Kompensator 15.

Die übertragungsfunktionen der Kompensatoren 13 und 15 werden folgendermaßen abgeleitet.

In Fig. 2 ist ein üblicher Regelkreis dargestellt, dessen Vorwärtsübertragungsfunktion mit G bezeichnet und dessen Rückkopplungsübertragungsfunktion gleich 1 ist. Die tatsächlich komplexe übertragungsfunktion G ist so gestaltet, daß das System stabil ist. Die übertragungsfunktion des Regelkreises lautet somit

(D G

1+G

Wie bereits erwähnt, kann die bezüglich der radialen Abweichungen inhärente Zeitverzögerung ermittelt werden, indem die übertragungs funktion bei der Frequenz der radialen Abweichungen ausgewertet wird. Die Zeitverzögerung wird durch einen Phasenvektor mit der Größe X bei einem Winkel Θ dargestellt:

(2) X^Q = G

wobei ω₀ die Frequenz der radialen Abweichungen bedeutet. Die Theorie lehrt, daß der Phasenvektor gleich Null gemacht werden kann, indem in den Regelkreis in Reihenschaltung ein weiteres Element mit

Docket SA 970 048 209842/ 10 7 3

der gewünschten Übertragungsfunktion eingeführt wird. Ein derartiger Regelkreis ist in Fig. 3 dargestellt. Die übertragungsfunktion dieses Systems lautet

KG
1+G ,

KG

1+G

= 1

Gleichung (4) zeigt, daß K berechnet werden kann, wenn G bekannt ist. Die einfachste praktische Form von K ist

K =

+ 1)

Unter dieser Annahme ist es, um die Werte für die Variablen τ und τ zu finden, und damit der Gleichung (4) zu genügen, lediglich erforderlich, die Winkelbedingung Θ = 0° zu berücksichtigen. Wenn somit Θ und ω bekannt sind, können τ und τ durch Lösen der simultanen Gleichungen gewonnen werden:

Ό =

Θ = arc tan/T- -

ψι

Der Regelkreis der in Fig. 1 dargestellten Servo-Steuerung ist in Fig. 4 im Blockdiagramm gezeichnet. Hierbei entspricht das Element mit der übertragungsfunktion K dem Kompensator 15 und das Element mit der übertragungsfunktion K dem Kompensator 13. Der in Fig. 4 dargestellte Regelkreis soll nun dieselbe Wirkungsweise wie der Regelkreis der Fig. 3 besitzen. Die übertragungsfunktion des Regelkreises der Fig. 4 lautet:

Docket SA 970 048

209842/1073

Daraus folgt

(7) KG

1+G
Dieser Gleichung wird genügt, wenn

(8) K = K₁ und

(9) 1 = K₁(1+K₂S)

Durch Einsetzen von (8) in (9) und Auflösen nach K₀ erhält man

(10) K,

IM-*

Wird schließlich Gleichung (5) in (8) und (10) eingesetzt und (10) vereinfacht, so ergibt sich

(11) _ ^(τ2 " ^τ

K_{2 =}

(St₁+ 1) (12) _K _m <^St1 ^{+ υ}

Hieraus ist zu ersehen, daß K₁ eine Zeitvoreilungsschaltung und K₂ ein Tiefpaßfilter ist. Diese beiden übertragungsfunktionen lassen sich auf bekannte Weise schaltungsmäßig realisieren.

Docket SA 9 70 048

209842/ 1073

Claims

- 8 PATENTANSPRÜCHE

Servo-Steuerung für die Einstellung eines Magnetkopfes auf eine kreisförmige Aufzeichnungsspur eines rotierenden Aufzeichnungsträgers, mit einem, einen Servo-Magnetkopf entlang einer kreisförmigen Servo-Spur führenden Regelkreis, in welchem Abtastsignale des Servo-Magnetkopfes dem Stellglied des Regelkreises zugeführt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtastsignale des Servo-Magnetkopfes (10) die seiner Abweichung von der Servo-Spur entsprechen, und der Abweichungsgeschwindigkeit entsprechende Tachometersignale in einem Addierer (14) zusammenführbar und dem Stellglied (1) zuführbar sind, und daß die Amplitude und die Phase der Signale beeinflussende Kompensatoren (13, 15) vorgesehen sind, durch welche die zeitliche Verzögerung des Regelkreises ausgleichbar ist.
2. Steuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

die der Abweichung des Servo-Magnetkopfes (10) entsprechenden, vom Servo-Magnetkopf abgetasteten Signale über einen Detektor (11) und die der Abweichungsgeschwindigkeit des Servo-Magnetkopfes entsprechenden Signale über einen am Servo-Magnetkopf angeordneten Tachometer (12) und einen ersten Kompensator (13) dem Addierer (14) zuführbar sind, und daß das Ausgangssignal des Addierers (14) über einen zweiten Kompensator dem Stellglied (1) zuführbar ist.
3. Steuerung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Kompensator (13) ein Tiefpaßfilter ist.
4. Steuerung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Kompensator (15) eine Voreilungsschaltung ist.
5. Steuerung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Kompensator (13) die übertragungs-

209842/ 1073

Docket SA 970 O4Ö

- 9 funktion

ST +

aufweist, in welcher S ein Laplace-Symbol ist und τ. und T₂ Zeitkonstanten bedeuten.
6. Steuerung nach den Ansprüchen 1, 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Kompensator (15) die übertragungsfunktion

+1

ST₂ +1

aufweist.

SA 970 04_S 209842/1073

Leerseite