DE69602484T2

DE69602484T2 - Datenaufzeichnungs- und Wiedergabevorrichtung für Platten

Info

Publication number: DE69602484T2
Application number: DE69602484T
Authority: DE
Inventors: Daniel Y. Abramovitch
Original assignee: Hewlett Packard Co
Current assignee: Hewlett Packard Development Co LP
Priority date: 1995-03-27
Filing date: 1996-03-22
Publication date: 1999-09-16
Anticipated expiration: 2016-03-23
Also published as: US5663847A; EP0735522A1; EP0735522B1; DE69602484D1; JPH08329633A

Description

Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf eine Platten-Datenaufzeichnungs- und Datenwiedergabe-Vorrichtung, beispielsweise für die Unterdrückungssteuerung von Erschütterungen und Vibrationen bei Plattenaufzeichnungs- und/oder Wiedergabe-Systemen und beispielsweise auf eine Vorrichtung und Steuerungen für mehrere Abtastraten des Erschütterungs- und Vibrations-Unterdrückungssystems.
Bei einem Plattenaufzeichnungs- und/oder Wiedergabe-System besteht ein Ziel des Servosystems, das die radiale Position des Wandlers auf der Platte steuert, darin, den Wandler über der Mitte einer vorausgewählten Spur zu halten. Bei einem Plattendateisystem wird dies durchgeführt, sowie der Wandler Positionsinformationen von einer Spur in der Oberfläche der Platte liest, sowie sich die Platte dreht. Für ein eingebettetes oder in Sektoren aufgeteiltes Servosystem werden die Positionsinformationen aus Zwischensektorinformationen erhalten, die bei vorbestimmten Positionen in den Spuren der Platte positioniert sind. Diese Positionsinformationen werden dann verwendet, um einen Positionsfehlersignal zu entwickeln. Das Fehlersignal wird dann zurück durch einen Kompensator in den Antriebsmotor gespeist, so daß die Wandlerbetätigungsvorrichtung den Wandler in einer Richtung bewegt, um den Fehler zu reduzieren.
Das Servosystem umfaßt eine Rückkopplungsservoschleife (Kopfbetätigungsvorrichtungsschleife). Das Positionsfehlersignal wird in die Kopfbetätigungsvorrichtungsschleife gekoppelt. Aufgrund der endlichen Ansprechzeit der Rückkopplungsservoschleife beim Korrigieren von Störungen, werden diese Störungen oder Versetzungen nicht vollständig eliminiert werden können. Um Drehbetätigungsvorrichtungsplattenlaufwerke gegenüber Translationsstörungen zu desensibilisieren, ist eine ausgeglichene mechanische Betätigungsvorrichtung üblicherweise verwendet worden. Da sich die Betä tigungsvorrichtung jedoch frei drehen muß (so frei wie es die Reibung ermöglichen wird), um auf die Daten zugreifen zu können, können die Effekte der Drehstörungen um die Achse, die senkrecht zu der Plattenoberfläche ist, beträchtlich sein.
Es wurde vorgeschlagen, Drehbeschleunigungsmesser zu verwenden, um Dreherschütterungen und Vibrationen zu erfassen. Die Drehbeschleunigungsmesser erzeugen ein Signal, das als eine Vorwärtsspeisesteuerung verwendet werden kann, um das Plattenlaufwerk gegenüber Erschütterungen und Vibrationen robuster zu machen. Es gibt zahlreiche Veröffentlichungen bezüglich Beschleunigungsmesservorwärtsspeisealgorithmen, die derzeitige Verwendung von Beschleunigungsmessern ist jedoch auf die Rolle eines Schwellendetektors zum Anhalten von Schreibvorgängen auf die Platte begrenzt. Wie zum Beispiel Hewlett Packard, HP Kittyhawk Personal Storage Modules Product Brief, 1993, und U. S.-Patent Nr. 5,235,472. Insbesondere erfaßt der Beschleunigungsmesser einen Schwellenpegel der Erschütterungen oder der Vibrationen und verhindert Schreibvorgänge zu der Platte, wenn die Erschütterungen oder die Vibrationen gröber als ein vorbestimmter Betrag sind.
Die Idee Beschleunigungsmessersignale zu verwenden, um äußere Erschütterungen und Vibrationen eines Plattenlaufwerks zu kompensieren, ist nicht neu. Zurückgehend in das Jahr 1977 hat White (U. S.-Pat. Nr. 4,040,103) ein Schema vorgeschlagen, um Beschleunigungsmesser zu verwenden, um die Möglichkeit zu minimieren, daß Magnetköpfe gegen das Magnetmedium schlagen. Eine verbesserte Mechanik und steifere Luftlager haben die Notwendigkeit für ein derartiges System minimiert. White hat zwei Arten des Verwendens von Beschleunigungsmessern in Plattenlaufwerken vorgeschlagen. Die erste Art schlägt das Verwenden von Beschleunigungsmessern als eine einfache Erschütterungsschutzvorrichtung vor. Wenn der Beschleunigungsmesser eine ausreichende Erschütterung erfaßt, werden die Magnetköpfe weg von der Platte bewegt, um ein mögliches Kopfaufsitzen zu vermeiden. Die zweite Art schlägt das Verwenden des Beschleunigungsmessers in einer Steuerschleife vor. Der Effekt der Erschütterung auf die Kopf-zu-Platten-Beabstandung wird durch Speisen des Beschleunigungsmessersignals in eine Steuerschleife aktiv minimiert. Die vertikale Position des Kopfes kann durch entweder Ändern des inneren Drucks des Laufwerks und folglich der Luftlagersteife oder unter Verwendung eines Servomotors an dem Laufwerkarm in der vertikalen Richtung gesteuert werden.
In jüngster Zeit wurde die Verwendung von Beschleunigungsmessern zum Minimieren der Effekte von sowohl des Suchreaktionsdrehmoments als auch der äußeren Anregung durch Davies und Sidman (D. B. Davies und M. D. Sidman, "Active compensation of shock, vibration, and wind-up disk drives," Advances in Information Storage Systems, Band 5, ff. 5-20, ASME Press, 1993) untersucht. Ihre Schlußfolgerungen schlagen ein analytisches Berechnen eines Filters zum Filtern der Beschleunigungsmesserantwort derart vor, daß der Effekt von beiden Störungen auf Null gestellt wird. Mit einigen praktischen Einschränkungen wurde damit eine durchführbare Lösung abgeleitet. Die Lösung erfordert jedoch eine Kenntnis der Parameter, die für das spezielle Laufwerk und den speziellen Beschleunigungsmesser, die verwendet werden, charakteristisch sind. Diese Lösung erörtert nicht die Beschleunigungsmesserresonanzen in der Servobandbreite oder dem Rauschen. Dies würde bedeuten, daß teure hochwertige Beschleunigungsmesser verwendet werden. Es wird ein Tiefpaßfiltern verwendet, um die Verstärkung der Beschleunigungsmesserschleife bei hohen Frequenzen zu begrenzen, um zu verhindern, daß eine nicht geformte Kopfplattenanordnungs- (HDA-) Dynamik das System destabilisiert. Dies kann HDA- Charakteristika umfassen, die entweder unbekannt sind oder während des Entwurfs des Systems ignoriert werden.
Eines der praktischen Hauptprobleme bei Plattenlaufwerken ist der fortlaufende Druck hin zum Senken der Herstellungs kosten. Es ist nicht praktisch, teure Laborbeschleunigungsmesser bei der Herstellung von kostengünstigen Plattenlaufwerken zu verwenden. In der Arbeit von Knowles und Hanks ("Shock and vibration disturbance compensation system for disk drives," Europäische Patentanmeldung 87106555.3, veröffentlicht als EP-A-264535) wurde ein linearer Beschleunigungsmesser verwendet, um den Effekt der Translationserschütterungen auf das Positionsfehlersignal zu minimieren. Der Beschleunigungsmesser wurde direkt an der HDA derart angebracht, daß sowohl innerlich als auch äußerlich erzeugte Störungen erfaßt werden können. Jeder der Beschleunigungsmesser muß jedoch in dem Laufwerk während der Herstellung kalibriert werden, und als ein Resultat ist das Laufwerk teurer herzustellen. In jüngster Zeit hat die Arbeit von Hanks (U. S.-Patent 5,299,075) gezeigt, wie Beschleunigungsmesser zu kalibrieren sind, während dieselben noch in Betrieb sind. Dies ermöglicht es, daß kostengünstige Beschleunigungsmesser verwendet werden, und reduziert die Herstellungszeiten.
Kleine Plattenlaufwerke stehen mehreren Problemen gegenüber, die zugleich Hauptprobleme für große Plattenlaufwerke werden. Kleine Plattenlaufwerke sind inhärent für tragbare Anwendungen entworfen. In einer mobilen Umgebung muß das Plattenlaufwerk wesentlich stärkere Erschütterungen und Vibrationen tolerieren, als es in einer herkömmlichen Plattenlaufwerksumgebung erfahren wird.
Kleine Plattenlaufwerke weisen einen kleineren zum Speichern von Informationen verfügbaren Oberflächenbereich auf. Um Plattenoberflächenbereich zum Speichern von Daten zu erhalten, werden die Zwischensektor-Positionsinformationspositionen (die ferner als Servostöße bekannt sind) in der Anzahl reduziert. Daher wird eine Anzahl von Zwischensektorpositionen in einer gegebenen Spur der Platte reduziert. Dies sieht mehr Plattenraum zum Speichern von Informationen vor, reduziert jedoch ferner die Rate, mit der die Kopfbetätigungsvorrichtungsschleife Kopfpositionskorrekturinformationen empfängt. Allgemein besteht das Resultat darin, daß die Abtastrate der Kopfbetätigungsvorrichtungsschleife reduziert wird. Die Reduktion der Abtastrate begrenzt oftmals die Bandbreite der geschlossenen Schleife, was seinerseits ungünstig die Störungsunterdrückungsfähigkeit des Laufwerks beeinflussen kann. Dies macht die Kopfbetätigungsvorrichtungsschleife gegenüber mechanischen Erschütterungen und Vibrationen anfällig.
Tragbare elektronische Vorrichtungen werden populärer. Viele dieser tragbaren elektronischen Vorrichtungen erfordern kleine Plattenlaufwerke. Mit der steigenden Nachfrage nach kleineren Plattenlaufwerksystemen, die bei niedrigeren Servoschleifenabtastraten arbeiten, existiert eine Bedarf an Erschütterungs - und Vibrations-Korrektursystemen mit höherer Leistung.
Die vorliegende Erfindung strebt danach, eine verbesserte Daten-Aufzeichnung und/oder -Wiedergabe von einer Platte zu schaffen.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Platten-Datenaufzeichnungs/Datenwiedergabe-Vorrichtung gemäß Anspruch 1 geschaffen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Beibehalten einer Wandlerposition bezüglich der Aufzeichnungsspur in einer Platten-Aufzeichnungs- /Wiedergabe-Vorrichtung gemäß Anspruch 9 geschaffen.
Die Oberbegriffe der Ansprüche 1 und 9 spiegeln die EP-A- 0572789 wider. Dieses Dokument bezieht sich außerdem schon auf ein abgetastetes Servo in den Spuren (vergleiche Spalte 8, Zeilen 40-43).
Das bevorzugte Ausführungsbeispiel kann die Erschütterungs- und Vibrations-Toleranz von Plattenlaufwerken verbessern, und verwendet mindestens einen Beschleunigungsmesser, um so wohl innere als auch äußere Störungen in einem Plattenlaufwerk zu unterdrücken. Die begrenzte Abtastrate der Nennpositions- (Kopfbetätigungsvorrichtungs-) Rückkopplungsschleife wird durch Abtasten einer Beschleunigungsmessersignal-Vorwärtsspeiseschleife mit einer unterschiedlichen Rate erhöht oder verringert. Mit anderen Worten kann das Beschleunigungsmesserausgangssignal mit einer Rate abgetastet werden, die sich von der der Nennpositionsrückkopplungsschleife unterscheidet (typischerweise höher). Dies ermöglicht eine Verbreiterung der Erschütterungs- und Vibrations-Korrekturbandbreite, was die Phasenverschiebung des Beschleunigungsmesserantwortfilterns reduziert und die Entwurfsfreiheit der Beschleunigungsmesser-Vorwärtsspeiseschleife erhöht.
Um die hochvariable Verstärkung des Beschleunigungsmessers zu kompensieren, kann die Beschleunigungsmesserfilterverstärkung angepaßt werden. Im wesentlichen wird die Verstärkung des Beschleunigungsmesserfilters automatisch eingestellt, um die Variabilität der Beschleunigungsmesserverstärkung zu kompensieren. Echtzeiteinstellungen der Verstärkung des Beschleunigungsmesserfilters werden die Drift von Schaltungskomponenten des Korrektursystems kompensieren. Die Anpassung kann ein Schwellenschema umfassen, das die Anpassung abschaltet, wenn das Plattenlaufwerk keine Beschleunigung erfährt. Daher wird die Anpassung automatisch ausgeschaltet, wenn das Plattenlaufwerk keiner mechanischen Erschütterung oder Vibration ausgesetzt ist. Dies wird verhindern, daß das Beschleunigungsmesserfilter eingestellt wird, um sich einem Beschleunigungsmessersignal anzupassen, das hauptsächlich aus Rauschen zusammengesetzt ist.
Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird lediglich mittels eines Beispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen im folgenden beschrieben, in denen:
Fig. 1 eine bildliche Ansicht eines kleinen Plattenlaufwerks ist, das drehend geschüttelt wird.
Fig. 2A und 2B Graphen des Positionsfehlersignals eines Plattenlaufwerks mit und ohne äußere Vibration sind.
Fig. 3 ein Blockdiagramm eines Vorwärtsspeiseausgleichs ist.
Fig. 4A eine perspektivische Ansicht eines kostengünstigen Beschleunigungsmessers ist.
Fig. 4B eine Draufsicht eines kostengünstigen Beschleunigungsmessers ist.
Fig. 5 eine Zeitbereichsdarstellung der zusätzlichen Beschleunigungsmesserabtastungen ist.
Fig. 6A und 6B Graphen der Frequenzantwort und der Phasenantwort eines Beschleunigungsmessersystems sind, bei dem die Beschleunigungsmesserausgabe mit der gleichen Rate wie das in Sektoren aufgeteilte Servo abgetastet wird.
Fig. 7A und 7B Graphen der Frequenzantwort und der Phasenantwort eines Beschleunigungsmessersystems sind, bei dem die Beschleunigungsmesserausgabe mit der vierfachen Rate des in Sektoren aufgeteilten Servos abgetastet wird.
Fig. 8 ein Graph ist, der die Frequenzantwortfunktionen von äußeren Störungen mit dem PES vergleicht.
Fig. 9 ein allgemeines Blockdiagramm der Kompensationsstruktur zeigt.
Fig. 10 ein Blockdiagramm der Kompensationsstruktur zeigt, bei der das HDA-Positionsfehlersignal und die Beschleunigungsmesserantwort getrennt gefiltert wer den.
Fig. 11 ein vereinfachtes Blockdiagramm der Anpassung zeigt.
Fig. 12A, 12B und 12C Graphen des PES zeigen, wobei die Beschleunigungsmesserfilterverstärkung sich auf unterschiedlichen Stufen der Anpassung befindet.
Fig. 1 zeigt eine konzeptionelle Ansicht einer kleinen Plattenlaufwerksanordnung 100, die drehend geschüttelt wird. Ein Beschleunigungsmesser 102 ist an der Laufwerksbasisplatte 104 derart angebracht, daß derselbe die Bewegung der Kopfplattenanordnung (HDA; HDA = Head Disk Assembly) 106 erfassen kann. Die Ausgabe des Beschleunigungsmessers 102 wird abgetastet und durch einen digitalen Signalprozessor 108 verarbeitet. Das digital verarbeitete Beschleunigungsmesserausgangssignal unterstützt die Steuerung der Positionierung des Betätigungsvorrichtungsarms 114. Der Beschleunigungsmesser 102 wird die Drehbewegung 110 in der Ebene der Platte 112 der Plattenlaufwerksanordnung 100 erfassen.
Der Drehbeschleunigungsmesser 102 ist an der Laufwerksbasisplatte 104 und nicht an dem Betätigungsvorrichtungsarm 114 derart befestigt, daß der Beschleunigungsmesser 102 die Bewegung der HDA 106 des Plattenlaufwerks erfassen kann. Die Betätigungsvorrichtung 114 ist im wesentlichen frei von der HDA 106 schwebend. Die Nennlaufwerksrückkopplungsschleife wirkt, um den Lese/Schreib-Wandler (der ferner Lese- /Schreib-Kopf genannt wird), der an dem Ende der Betätigungsvorrichtung 114 positioniert ist, über der gewünschten Position auf der Platte 112 zu positionieren. Im folgenden werden der Wandler und die Betätigungsvorrichtung gemeinsam betrachtet, und auf dieselben wird als die Betätigungsvorrichtung Bezug genommen. Wenn die HDA 106 drehend in der Ebene der Platte 112 angestoßen wird, wird die Betätigungsvorrichtung 114 die Position derselben in dem Trägheitsraum beibehalten, und es wird ein Positionsfehler resultieren.
Die Laufwerksrückkopplungsschleife kann einen bestimmten Teil der Störung unterdrücken und die korrekte Position beibehalten. Eine wesentlicher Betrag der Störung wird jedoch nicht korrigiert, wenn die Rückkopplungsschleifenverstärkung nicht ausreichend groß ist. Außerdem vermindert das Phasennacheilen oder die Zeitverzögerung der Rückkopplungsschleife die Ausgleichsfähigkeit des Laufwerks, da die Schleifenbandbreite begrenzt wird. Durch Summieren des Beschleunigungsmessersignals in die Laufwerksrückkopplungsschleife mit der ordnungsgemäßen Verstärkung und Phase kann jedoch der Effekt der Störung auf den Positionsfehler zwischen der Plattenspur und dem Lese/Schreib-Kopf in der Betätigungsvorrichtung 114 reduziert werden.
Fig. 2A und 2B zeigen die Resultate eines tatsächlichen Experiments an einer Plattenlaufwerksanordnung, die mit einer zufälligen Drehvibration in dem Frequenzbereich von 50 bis 500 Hz geschüttelt wird. Die Fig. 2A stellt das Positionsfehlersignal (PES) dar, wenn das Plattenlaufwerk nicht gegenüber einem äußeren Schütteln ausgesetzt ist. Fig. 2B stellt das PES dar, wenn das Plattenlaufwerk gegenüber einer Vibration ausgesetzt ist. Die Vibration weist Frequenzkomponenten, die von 50 Hz bis 500 Hz variieren, und eine Vibrationsamplitude von 86,5 Radian/Sekunde-Sekunde auf. Die gestrichelten Linien 202 stellen den Signalpegel des PES dar, bei dem angenommen wird, daß sich der Kopf neben der Spur befindet, und jegliches Schreiben von Daten angehalten werden muß. Die Vibration besitzt klar einen wesentlichen Effekt auf das PES des Laufwerks.
Fig. 3 zeigt ein Blockdiagramm der bevorzugten Plattenlaufwerkssteuerschleife. Das Ziel besteht darin, ein Verfahren des Verwendens eines kostengünstigen Drehbeschleunigungsmessers zu bestimmen, um wesentlich die Effekte der Dreherschütterungen und der Drehvibrationen auf die Plattenlaufwerkssteuerschleife zu vermindern. Der Beschleunigungsmesser 302 erfaßt die Drehvibration des elektromechanischen Systems 304 des Plattenlaufwerks. Das Ausgangssignal des Beschleuni gungsmessers 302 wird durch ein Beschleunigungsmesserfilter 306 gefiltert, und die Amplitude des gefilterten Signals wird durch einen Beschleunigungsmesserfilterverstärkungsblock 308 modifiziert. Die Ausgabe des Filterverstärkungsblocks 308 wird in die Betätigungsvorrichtungssteuerschleife bei dem Schleifensummierer 310 summiert. Der Ausgang des Summierers 310 treibt die Betätigungsvorrichtung des elektromechanischen Systems 304 an. Das elektromechanische System 304 des Plattenlaufwerks bestimmt den Abstand des Lese- /Schreib-Kopfes an dem Ende der Betätigungsvorrichtung von der Spurmitte in der Platte. Dieser Abstand wird von einer Zielposition an einem Summierer 312 subtrahiert, was das tatsächliche Positionsfehlersignal ergibt. Der elektromechanische Systemblock 304 stellt alle bewegbaren Teile des Systems und viele der elektrischen Teile dar. Allgemein können viele Signale aus dem elektromechanischen Systemblock 304 extrahiert werden, und es sind wesentlich mehr Details möglich. Für den vorliegenden Zweck kann der elektromechanische Systemblock 304 als ein schwarzer Kasten betrachtet werden, bei dem lediglich zwei Signale von demselben ausgehen. Das erste Signal ist das Kopfposition-Plattenpositions-Signal. Dies wird, wie oben erwähnt, verwendet, um das Positionsfehlersignal (PES) zu erzeugen. Das zweite Signal ist die Drehbeschleunigung der gesamten Kopfplattenanordnung. Diese Beschleunigung wird durch den Drehbeschleunigungsmesser 302 erfaßt. Das Positionsfehlersignal wird mit einem Nennkompensator 314 kompensiert. Das Ausgangssignal des Nennkompensators 314 wird zu dem Ausgangssignal des Filterverstärkungsblocks an dem Schleifensummierer summiert.
Um dieses System zu implementieren, müssen mehrere Schwierigkeiten gelöst werden. Zunächst weisen die Beschleunigungsmesser eine Eigenresonanz auf, die die Bandbreite der Signalfrequenzantwort der Ausgabe des Beschleunigungsmessers begrenzt. Zweitens sind die Positionsinformationen der Platte mit den Benutzerdaten verschachtelt. Die Plattenlaufwerke sind physisch klein und erfordern, daß die Anzahl von Positionsinformationspositionen reduziert wird, um Plattenraum für Benutzerdaten zu erhalten. Das Resultat besteht darin, daß die Abtastrate der Positionsinformationen relativ niedrig ist (eine typische Abtastrate kann 3717 Hz sein). Schließlich weisen die kostengünstigen Beschleunigungsmesser, die verwendet werden, große Verstärkungsvariationen von ±50% von Einheit zu Einheit auf.
Fig. 4A zeigt eine perspektivische Ansicht eines kostengünstigen Drehbeschleunigungsmessers. Der Beschleunigungsmesser 400 weist einen Metallbalken 404 auf, der zwei getrennte Stücke aus piezoelektrischem Material 406, 408 aufweist, die mit demselben verbunden sind. Der Balken ist an einem Tragepfosten 402 angebracht, der senkrecht zu der Ebene der Platte ist. Folglich biegt sich der Balken in der Ebene der Platte. Die piezoelektrischen Stücke 406, 408 weisen jeweils eine leitfähige Kontaktfläche 410, 412 auf denselben auf. Das Biegen des Balkens induziert eine Spannung an beiden Kontaktflächen 410, 412, an denen Drähte 414, 416 befestigt sind, die Ausgangssignale erzeugen. Die Signalausgänge werden differentiell erfaßt, derart, daß die einzelnen Antworten auf die Translationsbewegung ausgeglichen werden, während die Signalausgabe während der Drehbewegung verstärkt wird. Fig. 4B zeigt eine Draufsicht des Beschleunigungsmessers 400. Die Pfeile 418, 420, 422 stellen Kräfte in dem Beschleunigungsmesser dar, die ein Ausgangssignal hervorrufen werden, das der resultierenden Beschleunigung entspricht.
Die Frequenzantwort des Beschleunigungsmessers wird durch den ersten Biegemodus des Beschleunigungsmesserbalkens begrenzt. Die Effekte der Balkenresonanz können durch Filtern der Beschleunigungsmesserantwort minimiert werden. Das erforderliche Filter ist jedoch schwer bei der niedrigen Abtastrate (3717 Hz) der Positionsinformationen zu entwerfen. Die Schwierigkeit besteht darin, daß die meisten Filterentwürfe, die bei der niedrigen Abtastrate der Positionsinformationen arbeiten, einen wesentlichen Betrag eines Phasennacheilens einführen werden. Es wurde experimentell bestimmt, daß das Minimieren des Phasennacheilens genauso kritisch ist wie die ordnungsgemäße Verstärkungseinstellung.
Die Abtastrate des Kopfpositionserfassens wird durch die Anzahl der Positionsinformationspositionen auf der Platte begrenzt. Es gibt jedoch keine physische Begrenzung der Abtastrate des Beschleunigungsmessers. Daher kann ein Mehrratenabtastschema verwendet werden. Wie in Fig. 5 gezeigt, wird das Beschleunigungsmessersignal abgetastet, wenn das Positionsfehlersignal abgetastet wird 502, und mehrere Zeitpunkte dazwischen 504 werden abgetastet. Die zusätzliche Abtastrate des Beschleunigungsmessers trägt nicht zu einem Mehraufwand des Laufwerks in dem Sinne bei, daß dieselbe keine ungünstigen Effekte dahingehend aufweist, wieviele Positionsabtastungen um die Plattenoberfläche plaziert werden müssen. Die zusätzlichen Abtastungen 504 ermöglichen jedoch eine Erleichterung und Flexibilität des Entwurfs des Filterns der Beschleunigungsmesserantwort.
Die Vorteile des Mehrratenabtastens eines Plattenlaufwerks können durch das folgende Beispiel dargestellt werden. Für ein Plattenlaufwerk mit einer Kopfpositionsabtastrate von 3717 Hz ist ein Beschleunigungsmesser an der Laufwerksbasisplatte angebracht und wird mir der vierfachen Nenn- (Positions-) Abtastrate abgetastet. Die höhere Abtastrate des Beschleunigungsmessers ermöglicht ein verbessertes Filtern, was die Bandbreite der kombinierten Antwort von 2105 Hz auf 2410 Hz (wie an dem -3 dB-Punkt gemessen) verbreitert. Die Phasenverschiebung des Filterns wird von -30,80º auf -23,77º bei 300 Hz reduziert. Insgesamt ermöglicht die höhere Beschleunigungsmesserabtastrate eine höhere Entwurfsfreiheit.
Fig. 6A zeigt die Frequenzantwort der Amplitude des Beschleunigungsmessersignals und ein bestimmtes Filtern, wenn das Beschleunigungsmessersignal mit der gleichen Rate wie die Kopfpositionsabtastrate (3717 Hz) abgetastet wird. Fig. 6B zeigt die Frequenzantwort der Phase des Beschleunigungsmessersignals und ein bestimmtes Filtern, wenn das Beschleu nigungsmessersignal mit der gleichen Rate wie die Kopfpositionsabtastrate (3717 Hz) abgetastet wird. Die Kurven 602, 604 stellen die Beschleunigungsmesserfrequenzantwort dar. Kurven 606, 608 stellen die Frequenzantwort des Filters dar. Kurven 610, 612 stellen die kombinierte Frequenzantwort dar. Die vertikale durchgezogene Linie 614 zeigt, wo die Nyquist-Frequenz von 1858,5 Hz positioniert ist. Fig. 7A und 7B zeigen die Frequenzantwort des Beschleunigungsmessersignals und das Filtern, wenn das Beschleunigungsmessersignal mit der vierfachen Rate der Kopfpositionsabtastrate (14868 Hz) abgetastet wird. Kurven 702, 704 stellen die Beschleunigungsmesserfrequenzantwort dar. Kurven 706, 708 stellen die Frequenzantwort des Filters dar. Kurven 710, 712 stellen die kombinierte Frequenzantwort dar. Die vertikale durchgezogene Linie 714 zeigt, wo die Nyquist-Frequenz von 7434 Hz positioniert ist. Das Signalverarbeiten des Beschleunigungsmesserantwortsignals umfaßt das Filtern des Signals mit einem Kerbfilter, um die Beschleunigungsmesserresonanz zu dämpfen, ein Tiefpaßfilter, um die Verstärkung über die Nyquist-Rate abzuwälzen, und eine Phasenvoreilung, um einen Teil der Phasennacheilung in dem 100- bis 600-Hz-Bereich wieder herzustellen. Der Filterentwurf bei der höheren Beschleunigungsmesserabtastrate ist aufgrund der möglichen Entwurfsflexibilität wesentlich besser. Die Konzepte, die dem Verbessern der Charakteristika von digitalen Filtern durch Erhöhen der Filterabtastrate zugeordnet sind, sind auf dem Gebiet der digitalen Signalverarbeitung gut verstanden. Es ist wahrscheinlich, daß sogar besser gefilterte Beschleunigungsmesserantworten möglich sind, als dieselben, die hier dargestellt sind. Es sei bemerkt, daß es beim Vergleich der Fig. 6 und 7 beobachtet werden kann, daß das Multiratenfilter von Fig. 7 eine breitere nutzbare Bandbreite für die kombinierte Antwort und ein geringeres Phasennacheilen als das Einzelratenfilter von Fig. 6 ergibt.
Ein Vergleich der Frequenzantwortfunktionen der Effekte von äußeren Störungen auf das Positionsfehlersignal sind in dem Graph von Fig. 8 gezeigt. Dieser Graph stellt die Unter drückung der Schwingung der HDA für vier unterschiedliche Konfigurationen dar. Alle vier Antworten wurden durch die gleiche Vibrationsquelle erzeugt. Jede Kurve stellt die Frequenzantwort des Verhältnisses zwischen dem PES und der Vibrationsstörung der HDA dar. Folglich ist, je stärker die Vibrationsfrequenz das PES beeinflußt, die Amplitude der Kurve in dem Graph umso größer. Im Gegensatz dazu ist, je mehr die äußeren Vibrationen unterdrückt werden, die Amplitude der Kurven in dem Graph von Fig. 8 umso niedriger. Kurve 802 (die dicke durchgezogene Linie) stellt die Amplitude des PES/(Vibrationsstörung) dar, wenn es kein Vorwärtsspeisesignal von einem Beschleunigungsmesser gibt. Kurve 804 (die dünne durchgezogene Linie) stellt das PES/(Vibrationsstörung) dar, wenn ein Vorwärtsspeisen von einem Beschleunigungsmesser verwendet wird, bei dem das Beschleunigungsmessersignal mit der gleichen Rate wie das PES abgetastet wird. Kurve 806 (die dicke gestrichelte Linie) stellt das PES/(Vibrationsstörung) dar, wenn das Beschleunigungsmessersignal mit der vierfachen Rate des PES abgetastet wird. Schließlich stellt Kurve 808 (die dünne gestrichelte Linie) das PES/(Vibrationsstörung) der HDA dar, wenn ein Laborbeschleunigungsmesser anstatt eines kommerziellen Beschleunigungsmessers verwendet wird, um das Beschleunigungsmessersignal zu erzeugen, und das Beschleunigungsmessersignal wird mit der vierfachen Rate des PES abgetastet.
Die Implementation der Mehrraten-HDA-Positionskorrektur ist konzeptionell nicht schwierig. Fig. 9 zeigt ein allgemeines Blockdiagramm eines Mehrraten-HDA-Positioniersystems. Das Blockdiagramm stellt die Tatsache dar, daß das PES 902 mit einer Rate 1/T abgetastet wird, und daß das Beschleunigungsmesserausgangssignal (ACC; ACC = ACCelerometer output signal) 904 mit einer Rate von M/T abgetastet wird. M stellt allgemein eine Ganzzahl dar, die ACC-Abtastrate kann jedoch kleiner sein als die PES-Abtastrate. Das Mehrratensteuersystem 906 bestimmt das Treibsignal 908 zu der Kopfbetätigungsvorrichtung. Allgemein wird das Ausgangstreibsignal 908 eine digitale Signalausgabe mit einer Rate von M/T sein.
Wie in Fig. 10 gezeigt, kann das Filtern für das PES 1002 und das ACC 1004 getrennt entworfen werden. Obwohl diese einfache Prozedur keinen vollen Vorteil aus der Wechselbeziehung zwischen dem PES 1002 und dem Signal ACC 1004 zieht, ist dieselbe auf einem digitalen Signalprozessor (DSP) ziemlich effektiv und einfach zu programmieren. In der Struktur, die in Fig. 10 gezeigt ist, ist die Nenn-PES- Schleife durch die Plattensektorinformationen getaktet. Die Beschleunigungsmesserschleife ist durch sowohl den Plattensektor als auch durch einen zusätzlichen Takt für die Zwischensektorabtastungen getaktet. In diesem Fall wird das PES 1002 durch eine Abtastvorrichtung 1006 mit einer Rate von 1/T abgetastet, und das ACC 1004 wird durch eine Abtastvorrichtung 1008 mit einer Rate von M/T abgetastet. Der Nennkompensator 1010 des PES 1002 und die Nennkompensatorverstärkung 1012 des PES 1002 sind getrennt von dem Vorwärtsspeisefilter 1014 des ACC 1004 und der Verstärkung 1016 des ACC 1004. Die verarbeiteten Antworten von sowohl dem PES 1002 als auch dem ACC 1004 werden kombiniert 1018, um das Signal zu bestimmen, das zu dem Betätigungsvorrichtungssteuereingang (durch den D/A-Wandler) gesendet wird.
Schließlich wird das Problem des Verwendens von minderwertigen Beschleunigungsmessern, die Verstärkungsvariationen von ±50% aufweisen, angegangen. Die Beschleunigungsmesserfilterverstärkung kann angepaßt werden, um die Variabilität der Beschleunigungsmesserverstärkung zu kompensieren. Dies ist für diesen speziellen Beschleunigungsmesser deshalb möglich, da trotz der Tatsache, daß die Verstärkung der Beschleunigungsmesser variabel ist, die Frequenzantwortcharakteristika der Beschleunigungsmesser von einer Einheit zu der nächsten konsistent sind. Dies unterstützt stark die Kompensation der Beschleunigungsmesser, da lediglich die variable Verstärkungscharakteristik des Beschleunigungsmessers kompensiert werden muß. Daher kann ein einziger Filterentwurf für alle Beschleunigungsmesser verwendet werden, und es muß lediglich die Verstärkung angepaßt werden. Bezugnehmend auf Fig. 10 wird die Verstärkung KACC angepaßt, während der Beschleunigungsmesserkompensator CACC konstant bleiben kann.
Es gibt zwei Verfahren zum Implementieren der Anpassung. Das erste Verfahren besteht darin, die gesamte Beschleunigungsmesserantwort zu identifizieren. Die Signale, die verfügbar sind, um verarbeitet zu werden, sind das PES, das Beschleunigungsmessersignal (ACC) und das Signal, das das verarbeitete PES und das verarbeitete ACC kombiniert darstellt. Daher würde dieses Verfahren das Schätzen der Kopfplattenanordnungs- (HAD-) Beschleunigung aus dem PES-Signal und dem Kompensatorausgangssignal erfordern. Dies könnte dann verwendet werden, um ein Fehlersignal mit dem gemessenen ACC- Signal zu bilden, und der Beschleunigungsmesser könnte daher angepaßt werden. Eine Hauptherausforderung dieses Lösungsansatzes besteht darin, daß das Schätzen der HDA-Beschleunigung das Bewerten oder Schätzen der zweiten Ableitungen erfordert. Diese Technik erfordert oftmals das Lösen von Rauschempfindlichkeitsproblemen.
Ein weitaus einfacheres Verfahren betrifft das Verstehen der Erfordernisse des Systems. Was tatsächlich gewünscht ist, ist das Entfernen der Effekte der HDA-Beschleunigung aus dem PES. Der populäre Widrow-Hoff-Least-Means-Squared (LMS-) Algorithmus, zuerst erörtert von B. Widrow und M. E. Hoff, Jr. ("Adaptive switching circuits" IRE WESCON Conv. Rec., Teil 4, ff. 96-104, 1960) und herausgearbeitet von B. Widrow und 5. D. Stearns (Adaptive Signal Processing, Englewood Cliffs, NJ: Prentice-Hall, 1985), entkorreliert im wesentlichen Signale, und kann verwendet werden, um die Effekte eines Signals aus einem anderen zu entfernen. Ein Ausführungsbeispiel erweitert dieses Verfahren durch Umfassen eines Algorithmus, der obere und untere Grenzen der Werte einstellt, an die die Verstärkung angepaßt werden kann. Beispielsweise kann die Verstärkung KACC derart beschränkt werden, daß dieselbe innerhalb ±50% eines bestimmten Durchschnitts oder eines Nennwerts liegt. Dieses Ausführungsbeispiel umfaßt ferner eine Logik, um sicherzustellen, daß die Verstärkung lediglich angepaßt wird, wenn das Beschleunigungsmessersignal größer als ein spezifizierter Pegel ist, um sicherzustellen, daß der Algorithmus sich nicht an ein Signal anpaßt, das hauptsächlich Rauschen ist. Diese Situation wird auftreten, wenn der Beschleunigungsmesser keine Beschleunigung erfährt, und das Beschleunigungsmesserausgangssignal Rauschen ist. Dieses Verfahren wurde experimentell als einfach und effektiv bestimmt.
Der bevorzugte LMS Algorithmus umfaßt eine Gleichung:
Wk+1 = Wk - 2u kXk
k ist das PES (Positionsfehlersignal), Xk ist das ACC (Beschleunigungsmessersignal), Wk ist das KACC (zu dem Zeitpunkt k), Wk-1 ist die KACC (zu dem Zeitpunkt k + 1) und u ist die Anpassungsverstärkung (d. h. ein Skalierfaktor, der die Geschwindigkeit der Anpassung bestimmt).
Fig. 11 zeigt ein vereinfachtes Blockdiagramm der Anpassung. Das Beschleunigungsmessersignal wird in den Filterverstärkungsabschnitt 1102 eingegeben, der die Schleifenverstärkung der Kompensationsschleife filtert und variiert. Der Ausgang der Filterverstärkung 1102 summiert in die Plattenlaufwerkssteuerschleife, um die Bestimmung der tatsächlichen Position der Betätigungsvorrichtung und folglich des Wandlers relativ zu der Plattenposition zu unterstützen. Die Plattenlaufwerkssteuerschleife, die die Schleifenfilter, Kompensatoren und die elektromechanischen Systeme umfaßt, ist durch den schwarzen Kasten 1104 dargestellt. Die Signaldarstellung der Betätigungsvorrichtungsposition wird mit der Zielbetätigungsvorrichtungsposition an dem Komparator 1106 verglichen. Schließlich wird das Positionsfehlersignal, das durch den Komparator 1106 erzeugt wird, verwendet, um die Filterverstärkung 1102 zu steuern. Unter Bezugnahme auf dieses einfache Anpassungsblockdiagramm von Fig. 11 kann die LMS- Gleichung modifiziert werden:
(Verstärkung)k+1 = (Verstärkung)k + 2u(Fehler)k(ACC)k,
ACC ist das Signal, das von dem nichtkalibrierten Beschleunigungsmesser kommt. Dieser Algorithmus ist derart einfach, daß derselbe lediglich sechs Anweisungen verwendet, um den LMS in einen DSP zu programmieren. Vier weitere Anweisungen sind zum Begrenzen der oberen und unteren Grenzen der Verstärkung erforderlich. Schließlich muß eine Schwellenroutine mit sechs Anweisungen umfaßt sein, um eine Anpassung lediglich dann zu ermöglichen, wenn das System eine Beschleunigung erfährt. Daher kann ein effektiver und robuster Anpassungsalgorithmus lediglich mit 16 DSP-Anweisungen implementiert werden. Das Anpassungsschema ist einfach und effektiv. Daher ist es sinnvoll, dasselbe auf einem Plattenlaufwerks- DSP zu implementieren.
Fig. 12A, 12B und 12C zeigen die effektiven Resultate des bevorzugten Algorithmus. Die Graphen zeigen das PES über eine 0,50-Sekunden-Zeitdauer, während das Plattenlaufwerk gegenüber einer Störung einer zufälligen Drehvibration zwischen 50 und 150 Hz mit einem Pegel von 57,7 Rad/Sek-Sek im quadratischen Mittel ausgesetzt ist. Fig. 12A zeigt die PES-Antwort mit einer auf Null eingestellten Filterverstärkung. Fig. 12B zeigt das PES mit angepaßter Beschleunigungsfilterverstärkung. Fig. 12C zeigt das PES, wobei die Beschleunigungsmesserfilterverstärkung schon angepaßt wurde. Das PES wird wesentlich reduziert, wenn die Beschleunigungsmesserfilterverstärkung derart angepaßt ist, wie es in Fig. 12C gezeigt ist.
Wie im vorhergehenden beschrieben, wird eine Schwellenroutine für das beschriebene Anpassungsschema verwendet. Es wurde bestimmt, daß eine ziemlich einfache Routine des Prüfens der Amplitude des ACC-Signals bezüglich eines spezifizierten minimalen Pegels ausreicht, um die Beschleuni gungsmesserfilterverstärkung davon abzuhalten, von dem "Konvergenz"-Wert derselben weg zu driften. Der "Konvergenz"-Wert der Filterverstärkung ist der Wert, auf den der Anpassungsalgorithmus die Filterverstärkung einstellt, wenn eine Serie von Dreherschütterungen über eine spezifizierte Zeitdauer auftritt. Die Schwellenroutine hält im wesentlichen die Beschleunigungsmesser-Vorwärtsspeiseschleifenparameter davon ab, zwischen dem Auftreten von Dreherschütterungen des Plattenlaufwerks zu driften. Wenn das Schwellenschema nicht vorhanden ist, wird dann während langer Zeitdauern, in denen keine Dreherschütterungen erfahren werden, die Beschleunigungsmesserverstärkung an das Signalrauschen angepaßt, das an dem Beschleunigungsmesserausgang vorhanden ist. Wenn dies passiert, kann die Beschleunigungsmesserfilterverstärkung bis zu einem Punkt derart verstellt werden, daß, wenn das Plattenlaufwerk eine Dreherschütterung erfährt, das PES stark beeinträchtigt wird.
Dieses System wurde derart beschrieben, daß die Plattenlaufwerksbeschleunigung durch ein Beschleunigungsmesser erfaßt wird. Es kann jedoch ein beliebiger Sensor, der eine Funktion der Beschleunigung erfaßt, verwendet werden. Beispielsweise kann eine Vorrichtung, die die Geschwindigkeit oder Beschleunigungsveränderungen erfaßt, verwendet werden.
Die obigen Erörterungen haben sich hauptsächlich auf Drehbeschleunigungsmesser konzentriert. Die Prinzipien können jedoch bei linearen Beschleunigungsmessern und linearen Betätigungsvorrichtungen verwendet werden.

Claims

1. Eine Platten-Datenaufzeichnungs/Datenwiedergabe-Vorrichtung mit folgenden Merkmalen:

einer Platte (112), die drehbar an der Vorrichtung (100) angebracht ist, und die eine Oberfläche aufweist, die Aufzeichnungsspuren enthält,

einem Wandler, der mit der Oberfläche gekoppelt ist, zum Erzeugen einer Ausgabe der Position des Wandlers bezüglich einer Spur,

einer bewegbaren Betätigungsvorrichtung (114), die mit dem Wandler verbunden ist, zum Bewegen des Wandlers zu unterschiedlichen radialen Positionen bezüglich der Spur,

einer Betätigungsvorrichtungssteuerung, um die Ausgabe des Wandlers zu empfangen, und die wirksam ist, um die bewegbare Betätigungsvorrichtung (114) zu steuern, um die Wandlerposition bezüglich der Aufzeichnungsspur beizubehalten,

einem Sensor (102), der eine Ausgabe aufweist, die auf die Beschleunigung der Vorrichtung (100) anspricht, und

einer Beschleunigungssteuerung, die die Ausgabe des Sensors (102) empfangen kann, und die wirksam ist, um die bewegbare Betätigungsvorrichtung (114) zu steuern, um weiter die Wandlerposition bezüglich der Aufzeichnungsspur beizubehalten, wenn die Vorrichtung (100) beschleunigt wird,

dadurch gekennzeichnet, daß

die Betätigungsvorrichtungssteuerung die Ausgabe des Wandlers mit einer ersten Frequenz abtastet, und

die Beschleunigungssteuerung die Ausgabe des Sensors (102) mit einer unterschiedlichen zweiten Frequenz abtastet.

2. Eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der der Sensor ein Beschleunigungsmesser (102) ist.

3. Eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, bei der die Vorrichtung (100) eine Mehrzahl von Sensoren und eine Mehrzahl von Beschleunigungssteuerungen zum Steuern der bewegbaren Betätigungsvorrichtung (114) aufweist.

4. Eine Vorrichtung gemäß Anspruch 3, bei der die Mehrzahl von Beschleunigungssteuerungen wirksam ist, um die Mehrzahl von Sensoren mit einer Mehrzahl von Abtastfrequenzen abzutasten.

5. Eine Vorrichtung gemäß Anspruch 3 oder 4, bei der die Sensoren Beschleunigungsmesser (102) sind.

6. Eine Vorrichtung gemäß einem beliebigen vorhergehenden Anspruch, bei der die Vorrichtung einen Signalprozessor zum Filtern und Anpassen der Ausgabe des Sensors oder der Sensoren vor dem Empfang bei der Beschleunigungssteuerung aufweist.

7. Eine Vorrichtung gemäß Anspruch 6, bei der die Vorrichtung einen Schwellendetektor zum Bestimmen, wenn eine Funktion der Ausgabe des Sensors oder der Sensoren unterhalb eines vorbestimmten Werts ist, und zum Abschalten der Anpassung des Signalprozessors aufweist.

8. Eine Vorrichtung gemäß Anspruch 4 oder 5, bei der die Vorrichtung eine Mehrzahl von Signalprozessoren zum Filtern und Anpassen der Ausgaben der Sensoren aufweist, bevor die Sensorausgaben durch die Mehrzahl von Beschleunigungssteuerungen empfangen werden.

9. Ein Verfahren zum Beibehalten einer Wandlerposition bezüglich einer Aufzeichnungsspur in einer Platten-Datenaufzeichnungs/Datenwiedergabe-Vorrichtung, die eine drehbar angebrachte Platte (112) mit einer Oberfläche, die Aufzeichnungsspuren enthält, einen Wandler, der mit der Oberfläche gekoppelt ist, zum Erzeugen einer Ausgabe bezüglich der Position der Spuren, eine bewegbare Betätigungsvorrichtung (114), die mit dem Wandler verbunden ist, zum Bewegen des Wandlers zu unterschiedlichen radialen Positionen bezüglich der Aufzeichnungsspuren, und einen Sensor (102) aufweist, der eine Ausgabe aufweist, die auf die Beschleunigung der Vorrichtung (100) anspricht, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:

Verarbeiten der Wandlerausgabe und der Sensorausgabe in einer Betätigungsvorrichtungssteuerung zum Steuern der bewegbaren Betätigungsvorrichtung (114), um die Wandlerposition bezüglich der Aufzeichnungsspur beizubehalten,

dadurch gekennzeichnet, daß

die Wandlerausgabe mit einer ersten Frequenz abgetastet wird, und die Sensorausgabe mit einer unterschiedlichen zweiten Frequenz abgetastet wird, bevor diese Ausgaben verarbeitet werden.

10. Ein Verfahren gemäß Anspruch 9, mit folgenden Schritten:

Abtasten einer Mehrzahl von Sensorausgaben bei einer Mehrzahl von Abtastfrequenzen und Verarbeiten der Mehrzahl von abgetasteten Ausgaben mit einer Mehrzahl von Beschleunigungssteuerungen zum Steuern der bewegbaren Betätigungsvorrichtung (114), um die Wandlerposition bezüglich der Aufzeichnungsspur beizubehalten.