DE2404309A1

DE2404309A1 - Servoschaltung zur regelung der geschwindigkeit eines magnetkopf-tragarmes

Info

Publication number: DE2404309A1
Application number: DE2404309A
Authority: DE
Inventors: Richard Taylor
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1973-01-31
Filing date: 1974-01-30
Publication date: 1974-08-01
Also published as: FR2216641A1; CA1061461A; DE2404309C2; JPS544842B2; GB1396834A; FR2216641B1; JPS49107516A; US3936876A; IT1001173B

Description

Servoschaltung zur Regelung der Geschwindigkeit eines Magnetkopf-Tragarmes

Die Erfindung betrifft eine Servoschaltung zur Regelung der Geschwindigkeit eines Magentkopf-Tragarmes, der durch Adressenbefehle auf ausgewählte Aufzeichnungsspuren eines Magnetplattenspeichers einstellbar ist, mit einem Motor, der mit einer Anfangsbeschleunigung, einer nachfolgenden gleichbleibenden Geschwindigkeit und mit einer Verzögerung am Ende des Einstellweges betrieben wird und mit einer Vergleichsschaltung, deren Eingänge mit einem die Geschwindigkeit des Magnetkopf-Tragarmes messenden Tachometer und einem Zähler verbunden sind.

Es ist bekannt (GB-BS 1 154 761), eine Servoschaltung zur Regelung der Geschwindigkeit des Einstellelementes einer Werkzeugmaschine derart auszubilden, daß dieses während der Zurücklegung des Einstellweges während einer Einstellphase bis zu einer vorgegebenen Geschwindigkeit beschleunigt wird, daß es nach dem Erreichen dieser vorgegebenen Geschwindigkeit während einer folgenden Einstellphase mit gleichbleibender Geschwindigkeit weiter bewegt wird, und daß es kurz vor dem Erreichen des Endpunktes des Einstellweges während einer Verzögerungsphase gebremst wird. Durch die bekannte Servoschaltung kann somit erreicht wer-

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den, daß das Einstellelement mit größtmöglicher Geschwindigkeit über Einstellwege verschiedener Weglänge an Zielpunkte herangeführt werden kann, ohne daß während der Einstellung eine maximal zulässige Geschwindigkeit überschritten wird. Dadurch kann vor dem Erreichen eines Zielpunktes ein Bremsweg bestimmter Weglänge eingehalten werden, so daß das Einstellelement schwingungsfrei an den Zielpunkt herangeführt wird. Eine Servoschaltung der genannten Art kann mit Vorteil für die Bewegung eines Einstellelementes benützt werden, das eine bestimmte Massenträgheit aufweist und dem aufgrund dieses Trägheitswertes eine bestimmte Maximalgeschwindigkeit fest zugeordnet ist. Die Servoschaltung hat jedoch den Mangel, daß bei einem Betrieb für ein Einstellelement, dessen Massenträgheit nicht konstant ist, dessen spezifische Maximalgeschwindigkeit während einer Einstellbewegung nicht erreicht werden kann. Daraus ergibt sich eine Verlängerung der Einstellzeiten.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Servorschaltung zur Regelung der Geschwindigkeit eines Magnetkopf-Tragarmes so auszubilden, daß die Servoschaltung mit verschiedenen Systemen betrieben werden kann, ohne daß eine maximal erreichbare kurze Einstellzeit überschritten wird.

Die genannte Aufgabe wird durch eine Servoschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung dadurch gelöst, daß während der Dauer eines ersten Steuersignals einer Antriebswicklung des Motors Erregerstrom und einem taktgesteuerten Zähler ein Vorbereitungssignal zugeführt werden, und daß durch die Ausgangsspannung der Vergleichsschaltung dem Zähler während der Dauer des ersten Steuersignals und für eine Dauer während der die Ausgangsspannung des Zählers größer ist als die Tachometerspannung, dem Zähler Taktsignale und während der Dauer eines zweiten Steuersignals für eine Dauer, während der die Tachometerspannung kleiner ist als die Ausgangsspannung des Zählers der Antriebswicklung des Motors und für eine Dauer während der die Tachometerspannung größer ist als die Ausgangsspannung des Zählers

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einer Bremswicklung des Motors Erregerstrom zugeführt werden, und daß während einer nachfolgenden Dauer des zweiten Steuersignals für eine Dauer, während der die Tachometerspannung kleiner ist als die Ausgangsspannung eines Speichers der Bremswicklung des Motors Erregerstrom zugeführt wird.

Durch eine Servoschaltung der genannten Art kann erreicht werden, daß der Magnetkopf-Tragarm unabhängig von seiner Massenträgheit während der Beschleunigungsphase einer Einstellbewegung stets die von ihm erreichbare maximale Geschwindigkeit erreicht, bevor die Einstellbewegung mit gleichbleibender Geschwindigkeit fortgesetzt wird.

Die Erfindung wird anhand von Abbildungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Magnetplattenspeicher in vereinfachter

Darstellung,

Fig. 2 das Magnetisierungsmuster einer Servospur des

Magnetplattenspeichers,

Fig. 3 die an einer Servospur abgefühlten Signale, Fig. 4 Servospuren gerader und ungerader Zuordnung,

Fig. 5 die an einer Servospur abgefühlten Signale

gerader und ungerader Zuordnung,

Fig. 6 das Blockschaltbild einer Servoeinrichtung,

Fig. 7 das Blockschaltbild eines Teils der Servoeinrichtung,

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· 8 Signalformen der in der Schaltung nach Fig. 7 auftretenden Spannungen,

Fig. 9 das Blockschaltbild eines Teils der Servoeinrichtung,

Fig. IO das Blockschaltbild eines Teils der Servoeinrichtung ,

Fig. 11 das Blockschaltbild eines Taktgenerators,

Fig. 12 das Servo-Fehlersignal während einer Zugriffsbewegung des Hagnetkopfes,

Fig. 13 aus dem Servo-Fehlersignal während einer Zugriff sbewegung abgeleitete logische Signale,

Fign. 14 - 16 Diagramme der Traganageschwindigkeit, der Fehler- und Steuersignale bei einer Zugriffsbewegung über mehrere Spuren,

Fig. 17 Diagramm der Tragarmgeschwindigkeit, der Fehler- und Steuer-Signale bei einer Zugriffsbewegung für über eine Spur,

Fig. 18 ein Positionsfehlereignal und seine Ableitung,

Fig. 19 das Diagramm des Motor-Erregerstromes während

einer Zugriffsbewegung des Magnetkopf-Tragarms,

Fig. 20 das Digagramm eineshybriden Geschwindigkeitssignales, und

Fig. 21 das Blockschaltbild einer Servoschaltung zur

Regelung der Geschwindigkeit eines Magnetkopf-Tragarms während einer Zugriffsbewegung.

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Fig. 1 zeigt ein die vorliegende Erfindung enthaltendes Datenspeichersystem. Eine Magnetplatte 1 mit zwei konzentrischen Spursätzen 2 und 3 auf einer Oberfläche und einem Satz konzentrischer Servospuren 4 auf der anderen Oberfläche dreht sich unter Datenübertragern 5 und 6, die die Datenspuren 2 und 3 adressieren und über einem Servoübertrager 7, der die Positionsinformation aus den Servospuren 4 ableitet. Alle drei übertrager sind zusammen gekoppelt und werden gleichzeitig über die Oberflächen der Platte durch einen Kopfstellmechanismus unter Steuerung einer externen Steuereinheit bewegt, wobei alle diese Einheiten nicht dargestellt sind.

Der hler verwendete Kopfstellmechanismus besteht kurz gesagt aus einem schwenkbaren gabelförmigen Arm, der an einem Ende die Daten- und Servoübertragerköpfe trägt und einen Schwingspulenbetätiger am anderen Ende. Die Wicklung der Spule des Betätigers ist in der Mitte angezapft und die Erregung der einen Hälfte bewegt die Köpfe in einer Richtung über die Spuren auf der Platte 1 und die Erregung der anderen Hälfte bewegt sie in der Gegenrichtung. Eine solche Vorrichtung ist im einzelnen beschrieben in der Patentanmeldung Nr. 6817/71 und wird daher nicht näher beschrieben.

Fig. 2 zeigt die Codierung der Servospuren 4 mit Positionsinformation. Zwei Spuren 8 und 9 sind in der Figur dargestellt und sind repräsentativ für mehrere abwechselnd gerade und ungerade kreisförmige konzentrische Servospuren, die sich über die gesamte Bank von Spuren 4 erstrecken. Verschiedene Teile der Spuren 8 sind z.B. in einer Richtung magnetisiert dargestellt, kürzere Teile sind in der Gegenrichtung magnetisiert. Die Magnetisierungsrichtung wird in der Figur durch Pfeile dargestellt. Die Magnetisierungsrichtung der langen und kurzen Teile der Spur 9 verläuft im Gegensatz dazu in entgegengesetzter Richtung zu den Teilen in der Spur 8 und zu der gegenüberliegenden Spur auf der anderen Seite.

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Ein über eine Servospur gestellter übertrager erfährt eine Flußumkehrung, die einen Impuls im übertrager erzeugt, wenn ein Übergang zwischen verschieden magnetisierten Bereichen unter der übertragerspalte hindurchläuft. Polarität und Größe des Impulses sind proportional der Größe und Polarität der sie erzeugenden Flußumkehrung.

Die Servospuren werden lückenlos geschrieben und, wie aus der Figur zu ersehen ist, sind die Magnetflußumkehrungen in einer der beiden Richtungen (negativ) von einer Spur zur nächsten so ausgerichtet, daß sie kontinuierliche übergänge derselben Polarität radial über die Platte 1 liefern. Mit diesen übergängen werden Taktimpulse für den Datenkanal erzeugt. Die Flußumkehrungen in der Gegenrichtung (positiv) auf abwechselnden Spuren sind vorzeitig und verspätet um den Mittelpunkt der ausgerichteten Taktübergänge abgestuft.

Ein Servoübertrager 7 ist nach Darstellung in Fig. 2 symmetrisch über der Grenze zwischen den beiden Spuren 8 und 9 so angeordnet, daß er die negativen Taktimpulse 10 und die positiven Positionsimpulse 11 und 12 erfaßt, während die Spuren unter der übertragerspalte hindurchlaufen. Diese Impulse sind in Fig. 3(a) dargestellt, aus der zu ersehen ist, daß bei genau eingestelltem übertrager 7 über der Grenze der beiden Servospuren die Positionsimpulse 11 und 12 genauso groß sind wie jede Hälfte eines Taktimpulses 10. Eine solche Grenze zwischen zwei Servospuren wird Führungsbahn genannt.

Falls sich der Servoübertrager 7 aus seiner symmetrischen Position über der Führungsbahn zur Spur 8 hin bewegt, dann wird der Positionsimpuls 11 größer und entsprechend der Positionsimpuls 12 kleiner. Die Summer der Amplituden der beiden Positionsimpulse ist immer gleich der Amplitude des Taktimpulses und die Amplitudendifferenz zwischen den beiden Positionsimpulsen 11 und 12 ist proportional dem Positionsfehler des Servoübertragers 7 und den beiden Datenübertragern 5 und 6 auf der gegenüberliegen-

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den Seite der Platte 1. Die diese Bedingung wiedergebende Welle ist in Fig. 3(b) gezeigt.

Fig. 3(c) zeigt den Impulszug, der aus einer Verschiebung des Servoübertragers 7 gegenüber der Führungsbahn zur Spur 9 hin resultiert. Diesesmal hat der Positionsimpuls 12 eine größere Amplitude auf Kosten des Positionsimpulses 11. Ein aus den Differenzen zwischen den beiden Positionsimpulsen abgeleitetes Fehlersignal zeigt also durch seine Polarität die Verschiebungsrichtung des Übertragers und durch seine Amplitude die Größe der Verschiebung an.

Diese Positonsinformation ist jedoch, wie aus Fig. 4 zu ersehen ist, nicht eindeutig. Hier sind drei Servospuren 13, 14, 15 mit zwei Servoübertragern 16, 17 gezeigt, die über beiden in derselben Richtung falsch ausgerichteten Führungsbahnen stehen. Der vom übertrager 16 erzeugte Impulszug ist in Fig. 5(a) wiedergegeben, der vom übertrager 17 erzeugte in Fig. 5(b). Eine Verschiebung in einer Richtung, beispielsweise aus einer ungeraden Führungsbahn, erzeugt ein Fehlersignal, welches gleich aber in entgegengesetzter Position zu einer identischen Verschiebung in derselben Richtung aus einer geraden Führungsbahn ist. Die auf Positionsfehlersignale durch Neuausrichtung des Servoübertragers reagierende Schaltung muß also mit zusätzlicher Information darüber beliefert werden, ob die Verschiebung des Übertragers von einer geraden oder einer ungeraden Spur aus erfolgt. Diese Information wird von einer externen SpeicherSteuereinheit geliefert, die die von den Übertragern während einer Spursuche überlaufenen Spuren verfolgt.

Ein Blockdiagramm der die Servopositionsschleife vervollständigenden Schaltung ist in Fig. 6 gezeigt. Der Übertrager-Einstellmechanismus ist hier schematisch gezeigt. Der Servoübertrager 7 ist in einem Ende eines schwenkbaren Leichtgewichtsarmes 18 gelagert, an dessen anderem Ende sich ein Schwingspulenbetätiger 19 befindet. Der Betätiger besteht aus einer in der Mitte ange-

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zapften Spulenwicklung 20, die bei Erregung mit dem feststehenden Magnetfeld des Permanentmagneten 21 so in Wechselwirkung tritt, daß sie den Arm 18 um seinen Drehpunkt 22 schwenkt. Im Betrieb erkennt der Servoübertrager 7 das Muster auf der Platte 1 gemäß obiger Erklärung. Die resultierenden Signale werden durch den Vorverstärker 23, der sich am Ende des Armes 18 befindet, verstärkt und der Positionsabfühlschaltung 24 zugeführt. Diese Schaltung demoduliert die PositionsSignaIe und erzeugt eine dem Positionsfehler des Servoübertragers 7 proportionale Spannung. Dieses Positionsfehlersignal wird einer Kompensatorschaltung 25 zugeführt, die die Servoreaktion stabilisiert, und dann einer Treiberschaltung 26 zugeleitet. Die Treiberschaltung wandelt das kompensierte Positionsfehlersignal in einen Treiberstrom um , der an die entsprechende Hälfte der Spulenwicklung 20 angelegt wird, um den Arm 18 so zu bewegen, daß der Positionsfehler des Übertragers 7 reduziert wird.

Ein phasesstarrer Oszillator (PLO), der im Blockdiagramm nicht gezeigt ist, verriegelt auf dem Servomuster und liefert Taktimpulse für die Positionsabfühlschaltung 24. Außerdem multipliziert er die Servomusterfreguenz und erzeugt ein Schreibtaktsignal für den Datenkanal.

Positionsabfühlschaltung 24

Die Arbeitsweise dieser Schaltung wird anschließend im einzelnen im Zusammenhang mit den Fign. 7 und 8 beschrieben.

Die das Servomuster darstellenden vorverstärkten Signale werden durch den regelbaren Verstärker 27 weiter verstärkt und durch ein Filter 28 geleitet, um Störungen außerhalb der Signalbandbreite, die in diesem Fall bei etwa 4 MHz liegt, auszuschalten. Der Gleichstrompegel des Signales wird bei -1,0 V durch die Basisleitung-Steuerschaltung 29 festgesetzt. Ein typischer Impuls 30 eines Signals zeigt einen Positionsfehler an und erscheint am Ausgang der Schaltung 29 nach Darstellung in Fig. 8. Der Impulszug besteht aus den Positionsimpulsen 31, 32 und Takt-

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impulsen 33. Die Amplitudendifferenz der beiden Positionsimpulse 31 ,32 liefert das Positionsfehlersignal gemäß obiger Beschreibung in Zusammenhang mit Fig. 3.

Um das Positionsfehlersignal zu erhalten, wird ein Positionssignal einem ersten Demodulator 34 und das andere Positionssignal einem zweiten Demodulator 35 unter Steuerung von über die Leitungen 45, 46 von einem phasenstarren Oszillator gelieferten Leitimpulsen zugeführt. Der Modulator, dem die Positionsimpulse zugeführt werden, hängt davon ab, ob der Servokopf einer geraden oder ungeraden Führungsbahn folgen will gemäß obiger Erklärung im Zusammenhang mit den Fign. 4 und 5. Jeder Demodulator 34, besteht im wesentlichen aus einem Kondensator, der schnell auf den spitzen Wert des ihm zugeführten Positionsimpulses aufgeladen wird und zwischen den angelegten Impulsen langsam abfällt. Die Ausgänge von den zwei Demodulatoren sind in Fig. 8 als Impulszüge 36, 37 dargestellt. Diese Ausgänge werden durch die Widerstände Rl und R2 sowie den Kondensator Cl differenzial gefiltert, um kleinere Schritte auszuglätten, die entstehen, wenn die positiven Spitzen der Positionssignale auf den Kondensatoren des Demodulators gespeichert werden. Schließlich wird die Ausgabe durch zwei Pufferschaltungen 4ί ,42 geleitet, die ein Treibersignal für das Positionsfehlersignal mit niedriger Impedanz liefern, das dann über den Ausgangsklemmen 43, 44 erscheint. Die Anordnung ist so, daß bei einer positiveren Spannung am Anschluß 43 als am Anschluß 44 die Stellspule so erregt wird, daß die übertrager zur Plattenspindel hin bewegt werden. Wenn der Anschluß 44 eine positivere Spannung hat als der Anschluß 43 , bewegt die Verstelleinrichtung die Übertrager in der Gegenrichtung von der Plattenspindel weg. Aus diesem Grunde wird der Demodulator 34 auch "Einwärts-Demodulator" und der Demodulator 35 "Auswarts-Demodulator" genannt.

Die Toleranzen für übertragerausgang und Verstärkung erfordern eine Stabilisierung der Schaltung und so ist der Regelverstärker 27 mit einer automatischen Verstärkungssteuerspannung auf der

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Eingangsleitung 45 vorgesehen, die vom automatischen Steuerverstärker und Filter 40 geliefert wird, dem eine vom Ausgangssignal an den Anschlüssen 43, 44 abgeleitete und durch den Widerstand R3 definierte Bezugsspannung zugeführt wird.

Die am Ausgang der Schaltung 29 erscheinenden Signale werden auch an eine Schwellenwertschaltung 49 angelegt, die negative übergänge abfühlt, welche größer als -1 ,86 V sind. Fig. 8 zeigt, daß der Ausgang von dieser Schaltung am Anschluß 50 die Taktimpulse 33 sind.

Kompensator 25

Der in Fig. 9 gezeigte Kompensator 25 wandelt die an den Anschlüssen 43, 44 erscheinenden Positionsfehlersignale zu einem Endausgang am Anschluß 51 um , wie er durch die Treiberschaltung 26 gefordert wird. Die Schaltung ist ein direkter Vor-Nachlaufkompensator und arbeitet mit einem Operationsverstärker 52. Bei niedrigen Frequenzen können die Kondensatoren C2 ignoriert werden und die Verstärkung ist gleich R6/(R4+R5). Bei höheren Frequenzen wirken die Kondensatoren C2 als Kurzschlußschaltungen und die Verstärkung ist R6/R4. In dieser speziellen Anordnung beträgt die niederfrequente Verstärkung 3/4 und die hochfrequente Verstärkung 4,5.

Treiberschaltung 26

Das Fehlersignal vom Kompensator am Anschluß 51 wird einem Differenzialtreiber zugeführt, von wo es so gelenkt wird, daß es einen Stromfluß durch die eine oder die andere Hälfte der Spule 20 verursacht und so den die übertrager tragenden Arm in einer Richtung bewegt, um den Positionsfehler zu reduzieren. Der Differenzialtreiber besteht aus einem Einwärtstreiber 52 und einem Auswärtstreiber 53. Bei dieser Anordnung sieht der Auswärtstreiber 53 Strom durch die Hälfte der Spule 20, um den übertrager von der Plattenspindel wegzubewegen, wenn das Signal am Eingang 51 positiv wird. Wenn umgekehrt das Signal am Anschluß 51 negativ

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wird, übernimmt der Einwärtstreiber 52 den Strom und die andere Hälfte der Wicklung 20 wird erregt, um den übertrager in der Gegenrichtung zur Plattenspindel hinzubewegen. In seiner einfachsten Form besteht der Einwärtstreiber 52 aus einem mit einem identischen Transistor im Auswärtstreiber 53 über Kreuz gekoppelten Transistor. Die Differenzialnatur dieser Schaltung wird durch Doppelpfeil 54 dargestellt. Ein großes positives Fehlersignal erzeugt somit eine hohe Beschleunigung des Stellmechanismus in einer Richtung und ein großes negatives Fehlersignal einer hohen Beschleunigung in der Gegenrichtung. Der übergang von einer Hälfte der Treiberschaltung 52, 53 zur anderen erfolgt natürlich, wenn der Eingang zur Schaltung 0 V beträgt.

Bisher wurde beschrieben, wie der Servoübertrager symmetrisch über einer Führungsbahn und somit die Datenübertrager auf einer Spur gehalten wurden, so daß Lese/Schreiboperationen ausgeführt werden können, übertrager müssen jedoch unter Steuerung von Zugriffskommandos von einer externen Steuereinheit auch über mehrere Spuren bewegt werden.

Bei der Spuradressierungs- oder -Suchoperation, bei der z.B. die Zugriffsgeschwindigkeit des Armes während seiner Bewegung über den Spuren auf seine Bestimmungsspur gesteuert und die Anzahl der überstrichenen Spuren auch gezählt werden muß, spielt die Servoanordnung auch eine Rolle.

Bei einer Spursuchoperation wird die Bewegungsrichtung des Armes durch Kommandosignale von einer externen Steuereinheit auf Richtungsleitungen gesteuert, die entweder zum Einwärtsanschluß 57 oder zum Auswärtsanschluß 58 führen und einen Treiber 59 zur Lieferung von Signalen entsprechend der Polarität an die beiden Treiber 52, 53 veranlassen. Während der Spursuche werden die Treiber stark in der einen oder anderen Richtung unter Steuerung der noch zu beschreibenden Zugriffsschaltung getrieben.

Um die Zugriffsgeschwindigkeit über den Spuren zu steuern, muß UK 971 007 409831/1016

man die momentane Geschwindigkeit des Armes kennen. Diese erhält man teilweise durch Überwachung des durch die beiden Hälften der Wicklung 20 fließenden Stromes. Eine Stromfühlerschaltung 55 ist in Fig. 10 mit den beiden Treibern 52, 53 verbunden dargestellt und erzeugt einen dem durch ihren Ausgang 56 fließenden Strom entsprechenden Strom. Wie mit dem Strom die Armgeschwindigkeit angezeigt wird, wird später beschrieben.

Phasenstarrer Oszillator (PLQ)

Der phasenstarre Oszillator, der die Schreibtakte für den Datenkanal liefert, ist in vereinfachter Form in Fig. 11 gezeigt. Der PLO besteht grundsätzlich aus einem spannungsgesteuerten Oszillator 60, der mit etwa 14 MHz läuft und ein 2F-Schreibtaktsignal am Ausgangsanschluß 61 erzeugt. Dieses Signal wird durch die Trigger 62 durch zwei und durch die Zähler 63 durch sechzehn dividiert. Das resultiert in einem Signal mit ähnlicher Frequenz wie das von der Positionsabfühlschaltung 24, beschrieben im Zusammenhang mit Fig. 7, abgeleitete Servotaktsignal. Der am Anschluß 50 der Positionsabfühlschaltung 24 erscheinende Servotakt wird als Phasenreferenz benutzt und als ein Eingang der monostabilen Kippschaltung 64 zugeführt. Die Phasen der Signale von den Zählern 63 und der monostabilen Kippschaltung 64 werden in einer Phasenvergleicherschaltung 65 verglichen, die ein den Phasenfehler zwischen dem dividierten Oszillatorausgang und dem Servotakt darstellendes Signal erzeugt. Dieses Fehlersignal wird an ein Filternetzwerk 66 angelegt, welches bei Zuführung zum Oszillator 60 dessen Ausgang in der Richtung modifiziert, die den erkannten Phasenfehler reduziert. Auf diese Weise wird das Schreibtaktsignal mit dem Servotaktsignal synchronisiert.

In der Kurve in Fig. 12 sind die Spannungen der Servofehlersignale Ef gegen die vom Servoübertrager während einer Spursuche überlaufenen Spuren t aufgezeichnet. Beginnend mit der Position auf der Spur Pl nimmt das Fehlersignal von 0 bis zu einem Höchstwert bei P2 in der Mitte zwischen Spuren zu und fällt dann wieder zum Wert 0 am Punkt P3 ab, der nächsten Position auf der Spur.

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Das Fehlersignal wird dann negativ und erreicht einen Höchstwert bei P4 und kehrt bei der nächsten Position auf der Spur P5 wieder auf O zurück usw. Die Abrundung der Spitzen des Fehlersignales bei P2 und P4 wird durch die unvollkommene Auflösung des Übertragers und die magnetische Interferenz hervorgerufen.

Zwei zur Steuerung des Zugriffes oder der Spursuchoperationen erforderliche logische Linien werden von diesem Fehlersignal abgeleitet und sind in Fig. 13 gezeigt. Das in Fig. 13(a) gezeigte -Signal stellt durch seinen hohen Pegel den linearen Teil des Fehlersignales dar. In der Praxis überschreitet dieser Pegel + 25% einer jeden Spur an jeder Position auf der Spur. Wie aus Fig. 12 und 13(a) zu ersehen ist, existieren die linearen Bereiche für etwa 50% der Plattenoberfläche und haben einen nominalen Anstieg von 4 V pro Spur.

Das zweite in Fig. 13(b) gezeigte logische Signal stellt durch seinen hohen Signalpegel eine Position auf der Spur. Mit diesem Signal wird die Anzahl von während einer Spurzugriffsoperation überlaufenen Spuren gezählt und die Positionsgenauigkeit beim Schreiben geprüft. Dieses Signal für die Position auf der Spur verschwindet/ wenn der Servoübertrager sich mehr als 300 Mikrozoll aus der Spurposition herausbewegt.

Während eines Spurzugriffs muß die Geschwindigkeit des Armes gesteuert werden, damit die Positionsschleife den Arm einfangen und ihn auf der Spur halten kann, wenn der übertrager am geforderten Bestimmungsort angelangt ist. Wenn die Annäherungsgeschwindigkeit des Armes zu hoch ist, schießt er über die Zielspur hinaus. Eine geeignete Annäherungsgeschwindigkeit oder "Einfanggeschwindigkeit" für dieses spezielle Gerät wurde mit etwa 2,9 see. pro Spur ermittelt. Die Ausführung des gesamten Zugriffs mit dieser Geschwindigkeit würde natürlich in einer unzureichenden Zugriffsleistung resultieren und daher verläuft der größte Teil des Zugriffes mit einer höheren Geschwindigkeit

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und geeigneter Verzögerung auf die Einfanggeschwindigkeit am Ende des Zugriffsvorganges.

Ein typisches Geschwindigkeitsprofil für dieses Gerät bei der Ausführung eines Zugriffes von 8 oder mehr Spuren ist in Figur 14a gezeigt und darunter das resultierende Servofehlersignal in Fig. 14(b). Dieses Profil umfaßt vier Phasen:

1. eine Beschleunigungsphase (Spur 1 bis 3). Während der ersten drei Spuren eines Zugriffs ist einer der drei Schwingspulentreiber 52, 54 (Fig. 10) gesättigt und übersteuert dadurch das am Anschluß 51 erscheinende Positionsschleifenfehlersignal, so daß der Arm mit der Höchstgeschwindigkeit für den jeweils verwendeten Stellmechanismus beschleunigt wird. Welcher Treiber 52, 54 gewählt wird, hängt natürlich von der gewünschten Zugriffsrichtung ab.

2. eine Phase konstanter Geschwindigkeit (Spur 3 bis N-5). Mit Ausnahme der letzten fünf Zugriffsspuren wird der Arm über allen anderen Spuren auf einer gleichmäßigen Geschwindigkeit Vs gehalten, die im wesentlichen gleich ist der Geschwindigkeit, die nach der Beschleunigungsphase während der ersten drei Spuren erreicht wurde. Das wird erreicht durch Speichern der erreichten Geschwindigkeit und anschließende Auswahl eines jeden Spulentreibers 52, 54 je nachdem, ob die momentane Geschwindigkeit unter den gespeicherten Wert V_g abfällt oder ihn übersteigt. Die Schwingspuleninduktanz verhindert eine übermäßige Schwankung des Stromes und der Geschwindigkeit während dieser Phase.

3. eine Verzögerungsphase (Spur N-5 bis N). Fünf Spuren vor der Zielspur N wird die gespeicherte Geschwindigkeit V_s ersetzt durch die Einfanggeschwindigkeit V_c, so daß der Arm stark abgebremst wird, bis er sich mit

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der Einfanggeschwindigkeit bewegt. Der Arm wird auf diese Einfanggeschwindigkeit gehalten, bis er den linearen Bereich der Zielspur N erreicht.

4. eine Positionsphase (Spur N). Wenn der Arm die Zielspur N erreicht/ wird der Treiber 59 (Fig. 10) abgewählt und die Elektronik der Positionsschleife fängt den Arm ein und stellt ihn gemäß obiger Erklärung auf die Spur. Die Elektronik der Positionsschleife hält den Arm weiter auf der Spur fest, bis ein anderer Zugriff angefordert wird.

Die Wahl der vier Phasen wird bestimmt durch Zugriffssteuersignale, die von einer externen Dateisteuereinheit (nicht dargestellt) über die zwei Logikleitungen geliefert werden. Die Spannungsänderungen auf diesen mit "Suche 1" und "Suche 2" bezeichneten Leitungen, die erforderlich sind, damit der Arm dem Geschwindigkeitsprofil folgt, sind entsprechend in den Fign. 14c und I4d dargestellt.

Der Arm wird also beschleunigt, wenn das Signal auf der Leitung "Suche 1" oben und auf der Leitung "Suche 2" unten ist. Der Arm wird mit gleichmäßiger Geschwindigkeit getrieben, wenn die Signale auf den beiden Leitungen "Suche 1" und "Suche 2" oben sind und der Arm wird verzögert, wenn das Signal auf der Leitung "Suche 1" unten und auf der Leitung "Suche 2" oben ist. Die Spurverfolgungselektronik übernimmt die Steuerung, wenn die Signale auf beiden Leitungen "Suche 1" und "Suche 2" unten sind.

Die Signale auf diesen beiden logischen Leitungen werden durch die externe DateiSteuereinheit erzeugt, die nicht näher beschrieben ist und mit fortschreitendem Spurzugriff Spurüberlaufimpulse erhält. Alle Zugriffe von 8 oder mehr Spuren werden auf diese Weise gesteuert.

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Fig. 15 zeigt, wie Zugriffe zu 3 bis 7 Spuren gesteuert werden. Wie vorher sind das Geschwindigkeitsprofil in Fig. 15a, das Fehlersignal beim überqueren der Spuren in Fig. 15b und die Signale für "Suche 1" und "Suche 2" der Steuerlogik in Fig. 15c und 15d gezeigt. In diesem Fall wurde die Beschleunigungsphase von drei auf eine Spur reduziert. Die nach Beschleunigung während einer Spur erreichte Geschwindigkeit V₀ wird wie vorher gespeichert und der Arm auf dieser Geschwindigkeit V₀ gehalten, bis die Verzögerungsphase erreicht wird. Die Verzögerungsphase beginnt in diesem Fall zwei Spuren vor der Bestimmungsspur und verlangsamt den Arm auf die Einfanggeschwindigkeit V_c in einer Zeit, die für die Elektronik der Positionsschleife ausreicht, den Arm einzufangen, damit er während der Endphase der Spur folgen kann.

Bei Spurzugriffen über nur eine oder zwei Spuren wird die Geschwindigkeit des Armes auf die Einfanggeschwindigkeit V^ begrenzt. Fig. 16 zeigt das Geschwindigkeitsprofil (a), das Fehlersignal (b), das erste Suchsignal (c) und das zweite Suchsignal (d) für einen zweispurigen Zugriff. Diesesmal steigen die Signale auf der Suchleitung 1 und der Suchleitung 2 gleichzeitig an und veranlassen die Beschleunigung des Armes auf die Einfanggeschwindigkeit V_c, die gespeichert wird, bis die Signale auf beiden Leitungen abfallen und der Elektronik der Positionsschleife gestatten, den Arm wie vorher einzufangen.

Schließlich ist in Fig. 16 die Steuerung für einen einspurigen Zugriff gezeigt. Wie beim Zugriff über zwei Spuren werden die Signale auf der Suchleitung 1 (c) und der Suchleitung 2 (d) auf ihr oberes Niveau gehoben, wodurch gleichzeitig der Arm auf die Fanggeschwindigkeit V_c beschleunigt. Da der Arm auf der nächsten Spur einzufangen ist, werden die Signale auf diesen Leitungen fast unmittelbar wieder auf ihren unteren Pegel gesenkt, woraufhin die Positioneechleifenelektronik die Steuerung übernimmt und den Arm auf der Spur hält.

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Da alle Plattendatelzugrlffe von der Dateisteuereinheit gesteuert werden, sind zwischen den beiden Einheiten eine Anzahl von Anschlußleitungen erforderlich. Hierbei handelt es sich um folgende Leitungen:

Suchleitungen 1 und 2 liefern Steuersignale von der Dateisteuereinheit an die Plattendatei.

Die Spurleitung liefert Spurkreuzimpulse an die Dateisteuereinheit .

Die Suchendleitung liefert ein Signal an die Dateisteuereinheit

am Ende einer Zugriffsoperation/ um den Start einer Lese/Schreiboperation zu ermöglichen.

Gerade/Ungerade-Leitung liefert Signalabstufen und die Demodula-

toren der Plattendatei um anzuzeigen, ob die Zielspur eine gerade oder ungerade Spuradresse haben soll und dadurch die richtige Polarität des Fehlersignales sicherzustellen.

Einwärts- und Auswarts-Suchleitung. Diese beiden Leitungen liefern

Signale an die Treiberschaltung der Plattendatei, die die auszuführende Zugriffsrichtung anzeigen. Eine Auswärtssuche ist immer von der Plattenspindel weg in Richtung der steigenden Spuradresse gerichtet und eine Einwärtssuche ist zur Plattenspindel hin gerichtet.

Aus den obigen Beschreibungen der Verfahren der verschiedenen Spurzugriffe geht hervor, daß der momentane Wert der Geschwindigkeit des Übertragers bei einem Zugriff bekannt sein muß. Diesen Wert erhält man elektronisch aus zwei Quellen, nämlich dem bei überlaufen der Spuren durch den Servoübertrager erzeugten Fehlersignal und dem während des Zugriffs an den Schwingspulen-Zugriffsmechanismus gelieferten Strom.

Die Größe des Fehlersignales ist proportional der Position und demzufolge ist die Geschwindigkeit des Armes proportional der Ab-

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leitung der linearen Positionenen des Fehlersignales, d.h. Geschwindigkeit — (Fehlersignal).

Fig. 18a zeigt ein typisches Fehlersignal V , welches aus einer Spurzugriffsoperation resultiert und seine rektifizierte Äbleileitung ^~ ist darunter in Fig. 18b gezeigt. Dieses Signal ist nur über den linearen Bereichen nutzbar und wird durch aus dem Differenzierungsprozeß resultierenden Störungen begleitet. Diese Störungen werden auf ein akzeptables Maß reduziert, indem man sie durch ein Tiefpaßfilter mit einer Abschaltfrequenz von 400 Hz leitet.

Der Schwingspulenstrom Ic ist proportional der Beschleunigung der übertrager und daher ist die Geschwindigkeit proportional dem Integral des Spulenstromes über der Zeit, d.h. Geschwindigkeit <~~ C Ic. dt.

Eine typische Stromwelle während eines Zugriffs über 16 Spuren ist in Fig. 19 gezeigt. Diese Welle umfaßt die Beschleunigungsphase P5, die Phase der gleichförmigen Geschwindigkeit P6, die Verzögerungsphase P7, eine kurzfristige Phase P8 mit der Einfanggeschwindigkeit und schließlich die Spurfolgephase P9. Das Integral dieser Welle f Icdt ist in Fig. 19b gezeigt und gibt theoretisch die Geschwindigkeit des Übertragers an. Der Integrationsprozeß unterliegt jedoch der Gleichstromdrift gemäß Darstellung durch die gestrichelte Welle in Fig. 19b. Der größte Fehler E tritt also zum kritischsten Zeitpunkt am Ende der Zugriffsoperation auf.

Obwohl beide Quellen individuelle Nachteile haben, erhält man bei der Kombination ein echtes Geschwindigkeitssignal. Das differenzierte Fehlersignal wird also dazu benutzt, den Gleichstrompegel des Geschwindigkeitssignales über jedem linearen Bereich festzulegen und der integrierte Strom wird zwischen den linearen Bereichen in der Zeit benutzt, in der er keine Zeit hat, sehr weit zu driften.

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Nach Darstellung in Fig. 20 wird ein hybrides Geschwindikeitssignal erzeugt, welches aus dem differenzierten Fehlersignal bis zu 400 Hz besteht, dargestellt durch die Welle 67, und dem integrierten Spulenstrom über 400 Hz, dargestellt durch die Welle Auf diese Weise wird durch hin- und herspringen zwischen dem hybriden Signal und dem integrierten Spulenstrom bei Einwärts- und Auswärtsbewegung des Armes über linearen Bereichen während eines Spurzugriffes ein kontinuierliches Geschwindigkeitssignal mit großer Bandbreite abgeleitet.

Beschleunigungsphase

Das Blockschaltbild zur Regelung der Geschwindigkeit eines Magnetkopf-Tragarmes während einer Zugriffebewegung wird anhand der Fig. 21 beschrieben.

Die Servoschaltung wird gesteuert durch Steuersignale "Suche 1" und "Suche 2" einer nicht näher dargestellten Zugriffslogik. Durch ein Steuersignal "Suche 1" am Eingang 70 der Servoschaltung wird der Motor, der den Magnetkopf-Tragarm antreibt, beschleunigt. Dieses Steuersignal wird durch die ODER-Schaltung 71 und eine Leitschaltung 75 der Treiberschaltung 72 zugeführt, um die Antriebswicklung 73 des Motors zu erregen. Diese Erregung dauert an, bis der Motor seine maximale Beschleunigung erreicht. Die Richtung der Einstellbewegung des Magnetkopf-Tragarmes wird bestimmt durch die Leitschaltung 75, die durch ein Richtungssignal am Eingang 76 der Servoschaltung gesteuert wird.

Das Steuersignal "Suche 1" wird auch dem Eingang 77 des Zählers 78 zugeführt, so daß dieser für die Aufnahme von Zählung vorbereitet wird. Dieser ist als 6 Bit-Register ausgeführt, welches durch an den Eingang 84 der Servoschaltung angelegte Taktsignale weitergeschaltet wird. Ein nicht näher dargestellter Digital/ Analog-Wandler, der dem Zähler zugeordnet ist, liefert an den Eingang 80 der Vergleichsschaltung 81 eine Analogspannung, deren Größe dem Zählerstand proportional ist. Die Tachometerspannung,

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die den Augenblickswert der Geschwindigkeit des Magnetkopf-Tragarmes darstellt, wird über den Eingang 82 der Servoschaltung dem zweiten Eingang der Vergleichsschaltung 81 zugeführt. Die Ausgangsspannung der Vergleichsschaltung 81 ist positiv, wenn die Ausgangsspannung des Zählers 78 kleiner ist als der Augenblickswert der Geschwindigkeit des Magnetkopf-Tragarmes. Die Ausgangsspannung der Vergleichsschaltung ist negativ, wenn die Ausgangsspannung des Zählers größer ist als der Ausgenblickswert der Geschwindigkeit des Magnetkopf-Tragarmes. Der Ausgang 83 der Vergleichsschaltung 81 ist mit dem Eingang 79 des Zählers 78 verbunden. Durch eine positive Spannung am Eingang 79 des Zählers 78 werden diesem für die Dauer dieser positiven Spannung über den Eingang 84 der Servoschaltung Taktimpulse zugeführt, die dem Zählerstand fortlaufend erhöhen. Wenn die den Zählerstand anzeigende Analogausgangsspannung des Zählers 78 gleich groß wird wie die Tachometerspannung, entfällt das positive Signal am Ausgang 83 der Vergleichsschaltung 81, so daß die Zufuhr der Taktimpulse am Eingang des Zählers 78 unterbrochen wird. Bei diesem Zustand des Zählers hat der Motor am Ende der Beschleunigungsphase seine maximale Geschwindigkeit erreicht, wodurch das am Eingang 70 der Servoschaltung wirksame Steuersignal "Suche 1" entfällt.

Phase der gleichbleibenden Geschwindigkeit

Die Phase der gleichbleibenden Geschwindigkeit des Magnetkopf-Tragarmes beginnt damit, daß dem Eingang 87 der Servoschaltung das Steuersignal "Suche 2" zugeführt wird. Dieses steuersignal wird Eingängen der UND-Schaltungen 85 und 86 zugeführt, die dadurch vorbereitet werden. Die Servoschaltung bewirkt eine gleichbleibende Geschwindigkeit des Magnetkopf-Tragarmes dadurch, daß abhängig vom Vorzeichen der Ausgangsspannungen am Ausgang 83 der Vergleichsschaltung 81 über die Inverterschaltung 88 und die UND-Schaltung 85 der Beschleunigungswicklung 73 des Motors oder über die UND-Schaltung 86 der Bremswicklung 74 des Motors Erregerströme zugeführt werden. Wenn die Tachometerspannung am

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Eingang 82 der Servoschaltung kleiner ist als die den Zählerstand des Zählers 78 anzeigende Analogausgangsspannung des Zählers, wird die Spannung am Ausgang 83 der Vergleichsschaltung 81 negativ. Die Inverterschaltung 88 bewirkt eine Umkehrung dieses Signals, so daß die an den Eingängen der UND-Schaltung 85 vorhandenen Eingangssignale am Ausgang der UND-Schaltung eine Spannung hervorrufen, welche über die ODER-Schaltung 71 die Leitschaltung 75 und die Treiberschaltung 72 der Antriebswicklung 73 des Motors einen Erregerstrom zuführt. Wenn dagegen die Tachometerspannung am Eingang 82 der Servoschaltung größer ist als die den Stand des Zählers 78 anzeigende Analogausgangsspannung des Zählers, so wird die Spannung am Ausgang 83 der Vergleichsschaltung 81 positiv. Dadurch sind die Eingangsbedingungen der UND-Schaltung 86 erfüllt, deren Ausgangsspannung über die Leitschaltung 75 und die Treiberschaltung 72 der Bremswicklung 74 des Motors Erregerstrom zuführt. In dieser Weise wird abhängig vom Geschwindigkeitszustand des Magnetkopf-Tragarmes der Antriebswicklung 73 und der Bremswicklung 74 des Motors abwechselnd Erregerstrom zugeführt, so daß während der Phase der gleichbleibenden Geschwindigkeit des Magnetkopf-Tragarmes dieser abwechselnd beschleunigt und gebremst wird.

Verzögerungsphase

Die Verzögerungsphase für die Einstellung des Magnetkopf-Tragarmes beginnt damit, daß dem Eingang 89 der Servoschaltung ein Rückstellimpuls für den Zähler 78 zugeführt wird. Dieser wird dadurch auf den Zählerstand "O" zurückgestellt, wodurch die Analogausgangsspannung des Zählers ebenfalls den Wert "0" annimmt. Am Ausgang des Speichers 90 besteht eine Analogspannung, durch die dem Eingang 80 der Vergleichsschaltung 81 eine "Fangspannung" zugeführt wird. Während der Verzögerungsphase wird am Eingang 87 der Servoschaltung das Steuersignal "Suche 2" aufrechterhalten. Da bei Beginn der Verzögerungsphase die Tachometerspannung am Eingang 82 der Servoschaltung größer ist als die eine Fanggeschwindigkeit anzeigende Fangspannung am Eingang

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80 der Vergleichsschaltung 8ί ,ergibt sich am Ausgang 83 der Vergleichsschaltung ein positives Signal. Dadurch ergeben sich für die UND-Schaltung 86 die bereits erwähnten Eingangsbedingungen, so daß die Ausgangsspannung der UND-Schaltung über die Leitschaltung 75 und die Treiberschaltung 72 der Bremswicklung 74 des Motors Erregerstrom zuführt. Der Motor wird dadurch so lange gebremst/ bis die Tachometerspannung ebensogroß ist wie die Ausgangsanalogspannung am Ausgang des Speichers 90, wodurch bei Erreichen dieser Bedingung das positive Signal am Ausgang 83 der Vergleichsschaltung 81 entfällt. Damit endet die Verzögerungsphase, so daß anschließend weder die Antriebswicklung 73 noch die Bremswicklung 74 des Motors Erregerstrom erhalten.

Spurfolgephase

Wenn der am Magnetkopf-Tragarm angeordnete Magnetkopf eine Spur von der Zielspur erreicht hat, entfällt das Steuersignal "Suche 2" am Eingang 87 der Servoschaltung. Um in der anschließenden Spurfolgephase Abweichungen des Magnetkopfes von der Servospur zu berichtigen, werden den Eingängen 91, 92 der Servoschaltung Spurfolge-Fehlersignale zugeführt. Der Magnetkopf-Tragarm wird sodann bis zu einer nächstfolgenden Einstellbewegung auf eine andere Zielspur durch einen neuen Adressenbefehl in Spurfolgebetrieb gehalten .

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

Servoschaltung zur Regelung der Geschwindigkeit eines Magnetkopf-Tragarmes, der durch Adressenbefehle auf ausgewählte Aufzeichnungsspuren eines Magnetplattenspeichers einstellbar ist/ mit einem Motor, der mit einer Anfangsbeschleunigung/ einer nachfolgenden gleichbleibenden Geschwindigkeit und mit einer Verzögerung am Ende des Einstellweges betrieben wird und mit einer Vergleichsschaltung, deren Eingänge mit einem die Geschwindigkeit des Magnetkopf-Tragarmes messenden Tachometer und mit einem Zähler verbunden sind, dadurch gekennzeichnet,

daß während der Dauer eines ersten Steuersignales ("Suche 1") einer Antriebswicklung (73) des Motors Erregerstrom und einem taktgesteuerten Zähler (78) ein Vorbereitungssignal zugeführt werden, und daß durch die Ausgangsspannung der Vergleichsschaltung (81) dem Zähler während der Dauer des ersten Steuersignals und für eine Dauer, während der die Ausgangsspannung des Zählers größer ist als die Tachometerspannung, dem Zähler Taktsignale und während der Dauer eines zweiten Steuersignals "Suche 2" für eine Dauer, während der die Tachometerspannung kleiner ist als die Analog-Ausgangsspannung des Zählers, der Antriebswicklung des Motors und für eine Dauer, während der die Tachometerspannung größer ist als die Ausgangsspannung des Zählers einer Bremswicklung (74) des Motors Erregerstrom zugeführt werden, und daß während einer nachfolgenden Dauer des zweiten Steuersignals ("Suche 2") für eine Dauer, während der die Tachometerspannung größer ist als die Ausgangsspannung eines Speichers (90) der Bremswicklung des Motors Erregerstrom zugeführt wird.

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2. Servoschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster Eingang der Vergleichsschaltung (81) mit einem die Geschwindigkeit des Magnetkopf-Tragarmes anzeigenden Tachometer und ein zweiter Eingang der Vergleichsschaltung mit dem Ausgang des Zählers (78) und dem Ausgang eines Speichers (90) verbunden ist, der einen Festwert anzeigt, der kleiner ist als die höchste Ausgangsspannung des Zählers.
3. Servoschaltung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein mit dem ersten Steuersignal ("Suche 1") verbundener Eingang (70) der Servoschaltung mit einem Eingang des Zählers (78) und über eine ODER-Schaltung (71), eine Leitschaltung (75) und eine Treiberschaltung (72) mit der Antriebswicklung (73) des Motors verbunden sind.
4. Servoschaltung nach den Ansprüchen 1 bis 3 , dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang (83) der Vergleichsschaltung (81) über eine Inverterschaltung (88) und eine UND-Schaltung (85) mit einem Eingang der ODER-Schaltung (71) verbunden ist, und daß ein Eingang der UND-Schaltung mit einem Eingang (87) der Servoschaltung verbunden ist, dem das zweite Steuersignal ("Suche 2") zugeführt wird.
5. Servoschaltung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang (83) der Vergleichsschaltung (81) über eine UND-Schaltung (86), die Leitschaltung (75) und die Treiberschaltung (72) mit der Bremswicklung (74) des Motors verbunden ist, und daß ein Eingang der UND-Schaltung mit dem Eingang (87) der Servoschaltung verbunden ist, dem das zweite Steuersignal ("Suche 2") zugeführt wird.

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