TW436700B - Direct access storage device (DASD) with a variable spindle rotation speed - Google Patents

Description

Λ367 0 0 五、發明說明（1) '------- 發明領域 本發月係有關一種直接存取儲存裝置（direct access = 1 deV1Ce，墙稱DASD)，尤係有關一種在一直接存 取儲存I置中用於可變主轴旋轉速度t方法及裝置。 習用技術之說明 直接存取儲存裝置（DASD)或硬碟機被廣泛應用於現 的電腦。通常設有若干堆疊式.共同旋轉硬碟之磁碟 ==方式將資料儲存在磁碟表面上。在礎碟表面 你韵而月μ 向間隔的若干資訊磁軌上記錄資料11沿著一 將次料寫5丨ί磁碟機軸線的路徑而被驅動的若干換能磁頭 將貝枓寫到磁碟，I自磁碟讀取資料。 ' 在現代的磁碟機中，主軸馬達的旋轉速度或每分鐘轉 (resolutions per minutes;簡稱 通常是—固定 值，例=72〇〇 RPM 。固定主軸的旋轉速度值時，然後可 將所有/、他的組件設計成在該值下工作。於設計主軸馬这 ，其=制電路時，設計工程師必須確保每一磁碟機即使^ 最壞情況下也必然可在該固定的RPM下工作。最壞情況的 例子包括下文所述的情況。電源供應電壓可能有土 1 〇 % 變動。溫度範圍是攝氏〇 - 6〇度，此種溫度範圍將影經 到，矩常數及拖良.假設馬達及繞組拖良有多達±5〇私β 的變動。線圈、繞組 '及電源裝置的電阻值之變動可多達 2 0 % ^馬達轉矩常數可以有± 5 %的變動^ 〜 一將所有的最壞情況考慮進設計時，為主軸馬達所谐 擇的最终轉矩常數必定小於在正常作業時可能達到的轉=

第6頁 436700 五 '發明說明（2) 常數。選擇此種較小的轉矩常數時，將需要較大 流，因而將會有大許多的儲存裝置電力要求。例轉電 設計一種在所有工作情況下皆可在一特定RPM下^ ’為了 磁碟機’至少必須增加2 0 - 3 0 %的電力。 作的 在以電池供電的系統中’此種較大的儲存裝置電 是一個重要的因素，限制了可用的獨立式電^之二力要求 間。在傳統的系統中，一旦電池的電力降低到一個=時 持固定馬達速度之特定值時’則磁碟儲存裝置將俾法維 作。 . τ止工 發明概述 本發明之一主要目的在於提供一種在—直接存取儲存襄 置（DASD )中用於可變主軸旋轉速度之改良式方法及裝、 置。本發明之其他重要目的在於在大致沒有反效果的情形 下提供此種方法及裝置；並提供 < 克服習用技術配置的許 多缺點之此種方法及裝置3 簡言之，本發明提供了 一種在，直接存取儲存裝置 (DASD)中用於可變主轴旋轉速度之方法及裝置。該直接 存取儲存裝置（DASD)包含一多相昱無電刷之直流（Dc)主 軸馬達。將控制信號施加到複數個主轴馬達驅動器，以便 正常地在飽和模式下操作該等複數個主軸馬達驅動器，而 執行讀取及寫入作業。偵測一主軸旋轉速度，並將該主軸 碇轉速度與與一預定主軸速度範圍比較°回應所偵測的主 轴旋轉速度係在該預定主轴速度範園内’而起動該直接存 取儲存裝置（DASD )之正常作業。在一磁碟媒體的每一表

第7頁 4367 Ο Ο L '發明說明（3) 面上設有 來 上設有一個或多個寫入同步欄位。兮e ^ .. 调证該寫入同步攔位係用 控（tiaiing)該直接存取健存步署士办 ^ 廿衣罝中寫入作業之時序a 圖式之簡單說明 若參照下文中對本發明較佳實施例之詳細說明，並配合 各圖示，將可更易於了解本發明以及上述這些及立他的目 的與優點，這些圖示有： — " 圖1是實施本發明的一資料儲存磁碟檔案之方塊 圖； ~ 圖2是根據本發明的圖^示資料健存磁碟樓案之方塊 圓， 圖3示出根據本發明的客戶資料格式； 圖4是用來根據本發明而執行可變主軸旋轉速度的例示 主軸馬達驅動控制裝置之示意方塊圖； 圖5示出用來根據本發明而執行可變主軸旋轉速度的例 示主軸反電動勢（electromotlve f0rce :簡稱emf)馬達 驅動控制信號。 圖6疋在根據本發明的圖丨所示資料儲存磁碟樓案中的主 轴馬達驅動控制作業循序步驟之流程圖；以及 圖7疋在根據本發明的圖1所示資料儲存磁碟檔案中的读 取及寫入作業循序步驟之流程圖。 κ 較佳實施例之詳細說明 現在請參閱各圖示，在圖丨中，示出—資料儲存磁碟 案（1 0 0 )，該資料儲存磁碟檔案（1 0 0 )包含一硬碟機單^ (1 1 2 )、及一介面控制單元（丨丨4 )。係以足以了解本發明&的

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436700 五、發日月說明~~~'-- 間 {匕圓 - —不形式示出單元（π 2 )。本發明之實用性並不限於 寺&磁碟機單元結構之細節。 硬碟機單元（112)具有至少一個磁碟（U6)，而磁碟 11 6 )具有至少—個磁性表面（1丨8 ) 將磁碟（1 1 6 )安裝 在 整合式主軸及馬達總成（1 2 6 )上，而可旋轉。可沿著 一條在旋轉磁碟表面（Π 8 )上有徑向分量的路徑而移動之 一對應換能磁頭總成（1 2 8 )自每一磁碟表面（1 1 8 )讀取其 上的資訊’並將資訊寫入每一磁碟表面（1 1 8 )。一懸承臂 總成（I 3 0 )承载每一換能磁頭總成（〗2 8 )。將各懸承臂總 成（1 3 0 )結合在一起，以便可由一磁頭驅動伺服馬達（丨3 2 )使這些懸承臂總成同時進行樞轉移動，該磁頭驅動伺服 馬達（132)包含一音圈（圖中未示出）、及配合的一内部 磁鐵及鐵心總成。施加到該音圈的驅動信號使各懸承臂 (1 3 0 ) —致移動，而將各換能磁頭總成（丨28 )定位到對準 兩來寫入或讀取資訊的各磁碟表面（1 1 8 )上之資訊儲存磁 軌。 控制單元（1 1 4 )提供的信號在作業中控制硬碟機單元 (1 1 2 )，這些信號包括線路（1 2 6 A )上的馬達控制信號、及 線路（1 3 2 A )上的磁頭位置控制信號。在一典型的配置 中’控制單元（Π 4 )係作為與一個提供資料讀取及寫入命 令的電腦之介面，且資料信號係經由若干對應的線路 (1 2 8 A )(其争一條線路係示於圖1 )而傳送進出換能磁頭總 成（1 2 8 )。在各磁碟表面（Π 8 )上記錄伺服位置資訊’且 換能磁頭總成（1 2 8 )讀取該伺服資訊，而將一伺服位置信

4 3 67 0 0 五、發明說明〔5) ------ 號汉供⑺控制單元（1 1 4 )。控制單元（丨丨4 )採用該資訊， 而經由線路（丨32 A )提供位置控制信號。 現在請參閱圖2 ,圖中示出磁碟儲存裝置（i〇〇)的一方 塊圖功能表示法（2 0 0 )，用以執行本發明的可變主軸旋轉 速度方法。換能器（128 )讀取伺服資訊及客戶資料，且讀 取/寫入前置放大器（22 2 )放大該等伺服資訊及客戶資 料。一資料通道（224 )在較佳實施例中使用抽樣技術，而 自包含該客戶資料的各磁碟表面（lu)中偵測讀回信號= —嵌入式磁碟控制器（226 )係耦合到該資料通道（2 24 )及 >伺，控刮器（2 2 8 )。伺服控制器（2 2 8 )執行各種伺服控 ㈣功此，而將伺服定位控制信號提供給一個耦合到音圈馬 達及主軸馬達總成〇26 )之電力驅動單元（23〇)。耦合到 磁碟，制( 22 6 ) @ -介面控制器（23 2 )執行各種介面處 理功此。一主介面⑵4 )係'經由介面控制器⑵2 )而耦合 到磁碟控制器（2 2 6 )。 ，根據本發明的特徵，磁碟儲存裝置（丨〇〇 )並不限於在一 特二，R^M下工作。在磁碟儲存裝置（1 0 0 )中，提供了一 預定议見工作範圍的主軸馬達速度。例如，在】〇，〇 〇 〇 RpM 的一標稱RPM規格下，可提供8,〇〇〇1?1^的最小RpM規 格…及1 〇’ 1 00 RPM的最大RpM規格。該標稱RPM規格被 設疋成接近該最大RPM規格》該最小RpM規格被設定成低於 該標稱見格。在較寬的主轴馬達速度可容許範圍 下’可節約更多的電力。 f科通适（2 2 4 )被配置成在—個寬於傳統磁碟儲存裝置

第10頁 43 67 0 0 五、發明說明（6) '一~ --- 的資料頻率範圍下工作。t ㊉千靶固卜工作此外，資料寫入作業的設定時序 二，二個參照圖3而示出並說明之額外寫人同步攔位。 制器(叫根據所偵測到的一主軸馬達速度，而修 ”抽樣率的變化。伺服控制器（22 8 ).對主軸RPM之量測 及對抽樣率變化之修正係在發生時動態進行之。 在傳統的以電池供電之系統中，一旦電池的電壓降低到 =個無法維持固定主軸馬達速度的特定值時，儲存裝置即 止工作。本發明在電池的電壓降低時’可讓主軸馬達的 速度’1¾下來’而磁碟機則繼續工作，直到到達主軸馬達速 度的一預定下限時為止。主軸馬達速度的該預定下限可對 應於各邏輯模組停止工作的一低電麈位準3與傳統的以電

池供電之系統比較時，本發明之電池使用時間也長了 2 0〇Z ~ 3 0/0 〇 圖3示出一個執行本發明的可變主軸旋轉速度方法之客 戶資料格式（3 0 0 )。該客戶資料格式（3 0 0 )包含：一伺服 欄位（3 0 2 )、一寫入同步欄位（3 〇 4 )、一讀取同步欄位 (306)、及客戶資料（3Q8)。寫入同夕獨位（304)是一個執 行本發明的可變主軸旋轉速度方法所需之新欄位。在製造 磁碟儲存裝置（1 0 0 )的過程中，係在寫入伺服資訊的同一 時間中寫入該寫入同步欄位（3 〇 4 )。不得重新寫入該寫入 同步欄位（3 0 4 )，此種情形與讀取同步攔位（3 0 6 )不同， 因為在磁碟儲存裝置（1〇〇)的作業中可重新寫入讀取同步 攔位（3 0 6 )。在較佳實施例令，係針對每一伺服欄位（3 0 2 )寫入一個寫入同步襴位（3 〇 4 )。下文中將參照圖7而示出

43 67 0 0 發明說明（7) 並說明在磁碟儲存裝置（丨〇 〇 )的寫入作業中如何使用寫入 同步欄位（3 0 4 )。 現在請參閱圖4，圖中一個執行根據本發明的可變主神 旋轉速度控制之一例示主軸馬達驅動控制裝置（4 ^炙 軸馬達驅動控制裝置（4 〇 〇 )將一控制驅動信號提供給主車兩 馬達（1 2 6 )，且在每一線路上標示了 MOTOR A 、MOTOR B 、及MOTOR C 。主軸馬達（126)包含三個定子線圈或馬遠 繞組（4 0 2 )、（ 4 0 4)、及（4 0 6 )，該等馬達繞組連接到一個 Y組態之一共同中間抽頭。主轴馬達驅動控制裝置（4〇 0 ) 包含多個驅動電晶體，這些驅動電晶體包含：複數個P通 道場效電晶體（field effect transistors;簡稱 FET)(408)、（410)、及（412)、複數個 N 通道 FET(414)、（416)、及（418)、以及複數個曾納二極體 (420)、（422)、及（424)。主軸馬達驅動控制裝置（4〇〇) 包含一整流及速度控制電路單元（4 3 0 )，該單元可在磁碟 儲存裝置（100)的正常運轉模式中讓各對FET(408)、 (414); (410)、（416); (412)及（418)在飽和模式下工 作。FET(408) 、（410) 、（412) 、（414) 、（416)、及（418) 係分別耦合到馬達繞組（402)、（ 404 )、及（ 40 6 )、以及曾 納二極體（ 4 2 0 )、（ 422 )、及（424 )。 由於FET(408) 、（410) 、（412) 、（414) 、（416) ' 及（418 )係在飽和模式下工作，所以不需要複雜的脈寬調變 (pulse width mdulation ;簡稱PWM )及控制電路1也消 除了傳統主軸馬達驅動器因上述電路引發的雜訊。此外，

mve 436700 五、發明說明（8) 由於 FET(408) 、（410) 、（412) 、（414) 、（416)、及（418 )在飽和模式下工作的較低整體功率耗散，所以可使用比 傳統上所需較小的FET。 根據本發明之特徵，係為多相且無電刷直流（DC)馬達 之主軸馬達總成（1 2 6 )可採用一較高之轉矩常數，且可提 供一種比通常配合固定主軸速度的傳統磁碟儲存裝置使用 的主軸馬達更有效率的主軸馬達。 圖5示出執行根據本發明的可變主轴旋轉速度之例示 主軸馬達驅動控制信號。在圖5中，示出三個正弦波 、VBC 、及VCA ，這三個正弦波分別有1 2 0度的相位差，且 分別代表跨接各组或各對馬達繞組（4 〇 2 )、（ 4 0 4 )、及（4 〇 6 )的線路MOTOR A 'MOTOR β 、及MOTOR C上之電壓。 代表最小反電動勢的各點示出在各對FET (408 )及 (4 1 4 ) ; ( 4 1 0 )及（4 1 6 ) ; (4 1 2 )及（4 1 8 )之間切換的各整 流點。介於最小電壓與峰值電壓間之平均反電動勢係示為 標示有之虛線。本發明之平均反電動勢通常等於供應 電壓+ V減掉各組馬達繞組（4 〇 2)、（ 4 〇 4 )、及（4 〇 6 )之 i*R耗損。在磁碟儲存裝置（1〇〇)中，選擇峰值反電動勢 加上I 耗損等於標稱電源供應電壓·量測其中—個正 弦波信號Vu ' VBC 、或VCA的各零交越間之時間，即可 偵測主軸旋轉速度。 4务閲圍b ，圖中示出根據本發明而由磁碟儲存裝置 i 0 0 )中的伺服控制器（2 2 8 )執行之例示主軸馬達驅動控 ^作業之循序步驟。該主軸馬達驅動控制作業開始於步驟

第13頁 Ζί 3 67 Ο Ο 五、發明說明（9) ( 6 0 0 )，而進行磁碟儲存裝置〇〇〇)之功能作 (60"所示，主軸馬達驅動器之各裝置係在飽和。如，： 作。如方塊（ 6 0 2)所示而獲得一主軸速度量測。如吴/…牛 驟(:主4i:二主軸速度與磁碟儲存二° )的主軸紅轉產度之預定範圍比較Q如果所 作則如步驟(6 0 6 )所示，繼續正常的 儲存裝置作業。以便作業程序回到步驟（60丨）， 驅動器之各裝置繼續在飽和模式下作業。如果轴 軸速度係在該預定範圍之外，則如步驟（608 ) S將 轉速度比較。如果所量大及最小主韩旋 度，則如步驟（61 0 )所示將连4$王釉奴锝！ I新#^丨μ ±# 產儲存裝置關機信號。如 ,R Τ 9 Λ ^ ,、忒取大主軸夂#速度，則如步騾

(6 1 2 )所不，停止在餘牙婼斗A # # ϋ #罢/ # u 式中的作業，並使主轴馬達驅 動1§之各裝置在線性模古Φ & 洛# ^ ^ _式中作，以便降低主軸旋轉速 度。然佼本作業裎序回到牛+ 的量測。 ❹w02) ’繼續主轴旋轉速度 ^7Λ根/Λ發Λ的磁碟儲存農置（100)中的讀取及寫 裔;:疋=作業的循序步驟之流程圖。如步驟（7〇2)所示， 循序作業開始時係使換能器（128)在磁軌之上。如步驟 f(7〇4)所示，、使一資料通道定時電屋頻率振逢器（v〇mge ,Qn,, 匕 liat〇r，簡稱VFO )與第一寫入同步攔位 回頻率同步。如步驟(6〇6)所示，保持該頻 卞 舍入VF〇與次—寫入同步攔位（3〇4 )之讀回頻

第14頁 年…Ί! 4 3 67 0 0 千'… '，！ . _▲號 87120446_f〇 年 3 月 € 曰_ί±^-_ 五、發明說明（11) 率再度同步為止。然後如步驟（7 0 8 )所示，執行所選擇的 讀取或寫入作業。在步驟（7 0 8 )的寫入作業中，係利用寫 入VF0 作為寫入時脈產生器。 雖然已參照各附圖所示的本發明各實施例之細節而說明 了本發明，但是這些細節之目的並非在限制後文的申請專 利範圍所主張的本發明之範圍。 元件符號說明

O:\55\55912.ptc 2001.03. 05.015 100 資料儲存磁碟檔案 112 硬碟機單元 114 介面控制單元 116 磁碟 118 磁碟表面 126 主軸及馬達總成 1 26Α 線路 128 換能磁頭總成 1 28Α 線路 130 懸承臂總成 132 磁頭驅動伺服馬達 1 32Α 線路 222 讀取/寫入前置放大器 224 資料通道 226 磁碟控制機 228 伺服控制器 230 電力驅動單元 232 介面控制器 第15頁 Λ367〇〇 . 案號87120446 年令月6日 修正 五、發明說明（12) 234 主介面 300 客戶資料格式 302 伺服欄位 304 寫入同步攔位 306 讀取同步攔位 308 客戶資料 400 主軸馬達驅動控制 裝 置 4 0 2, 4 04, 4 0 6 定子線圈或馬達繞 組 408,410,412 P通道場效電晶體 414,416,418 N通道場效電晶體 420,422,424 曾納二極體 430 整流及速度控制電 路 單

1 O:\55\55912.ptc 第15a頁 2001.03.05.016

Claims (1)

1. 43 67 0 0 六、申請專利範圍 1.—種在一直接存取儲存裝置（DASD)中用於可變主軸 旋轉速度之方法，該直接存取儲存裝置（DASD )包括一多 相無笔刷之直流（D C )主軸馬達，該方法包含下列步 驟： 將一控制信號施加到複數個主軸馬達驅動器，以便在該 直接存取儲存裝置的正常讀取/寫入作業期間於飽和模式 下正常操作該等複數個主軸馬達驅動器； 偵測一主轴旋轉速度； 將該福測的主轴旋轉速度與一預定主軸速度範圍比較； 以及 回應該偵測的主轴旋轉速度係在該預定主軸速度範圍 内’而致能該直接存取儲存裝置（DASD)之該正常讀取/ 寫入作業。 2 ·如申請專利範圍第1項的在一直接存取儲存裝置 (DASD )中用於可變主軸旋轉速度之方法，其申該直接存 取儲存裝置（DASD)之該致能的正常作業包含下列步驟： 在—磁碟媒體的每一表面上提供一寫入同步欄位；以及 將該寫入同步欄位用於時控（11 m i ng )該直接存取儲存裝 中.¾入作業之時序。 3，如申請專利範圍第1項的在一直接存取儲存裝置 (DASD )中用於可變主軸旋轉速度之方法，又包含下列步 驟：回應該偵測的主軸旋轉速度係在該預定主轴速度範圍 之外’而終止該直接存取儲存裝置（DASD )之正常作業= 4，如申請專利範圍第1項的在一直接存取儲存裝置

   苐16頁 436700 六、申請專利範圍 (DASD )令用於可變主軸旋轉速度之方法，又包含下列步 驟：回應該偵測的主軸旋轉速度係在該預定主軸速度範圍 之外，而將一整流控制信號施加到該等複數個主轴馬達驅 動器，以便改變該主轴旋轉速度。 5. 如申請專利範圍第I項的在一直接存取儲存裝置 (DASD )中用於可變主軸旋轉速度之方法，其中該預定主 軸速度範圍包含一最大主轴速度N、及一最小主轴速度 0. 8*N 。 6. —種在一直接存取儲存裝置（DASD )中用於可變主轴 旋轉速度之裝置，該直接存取儲存裝置（DASD )包括一多 相、無電刷的直流（DC )主轴馬達，該裝置包含： 複數個主軸馬達驅動器，用以將驅動電流施加到該主轴 馬達； 速度及整流控制裝置，用以將一控制信號施加到該等複 數個主轴馬達驅動器，以便在飽和模式下正常操作該等複 數個主轴馬達驅動器； 偵測一主軸旋轉速度之裝置： 將該偵測的主軸旋轉速度與一預定主軸速度範圍相比較 之裝置；以及 致能裝置，用以回應該偵測的主軸旋轉速度係在該預定 主轴速度範圍内，而致能該直接存取儲存裝置（DASD )之 正常作業。 7. 如申請專利範圍第6項的在一直接存取儲存裝置 (DASD )中用於可變主軸旋轉速度之裝置，更包含：終止

   第17頁 d367 〇〇 六、申請專利範圍 裝置，用以 速度範圍’ 業。 8.如申請 (DASD )中 整流控制信 大於該預定 等複數個主 9 ·如申請 (DASD )中 磁碟媒體的 將該寫入同 業的時序之 回應該偵測的主軸旋轉速度係小於該預定主轴 而終止該直接存取儲存裝置（DASD )之正常作 專利範圍第6項的在一直接存取儲存裝置 用於可二主軸旋轉速度之裝置，更包含：施加 號之裝置，用以回應該偵測的主軸旋轉速度係 f軸速度妃圍，而將-整流控制信號施加到該 轴馬達驅動器，以便降低該主轴旋轉速度。 專利祀圍第6項的在一直接存取儲存裝置 用=可變主軸旋轉速度之裝置，更包含'在一 每表面上提供一寫入同步欄位之裝f , 步攔位用於今宁4u + /4t + ’以及 裝置。、从疋5玄直接存取儲存裝置中寫入作 IS種：：以；裝置(DASD)，包含： -個被安裝而橫S3之. ’ 磁轨而移動之換能嵫二「手至ν -個磁碟上所記錄的多 '在SI碟媒體的每」表面上提供-寫入同步掏位之裝 置中寫控⑴叫)該直接存取-存 )，丨更如包申含請專利範圍第10項之直接存取儲存裝置（DA -個多相且無電刷…(DC)主軸馬達； " 4367 Ο Ο 六、申請專利範圍 複數個主軸馬達驅動器，用以將驅動電流施加到該主軸 馬達；以及 速度及整流控制裝置，用以將一控制信號施加到該等複 數個主軸馬達驅動器，以便在飽和模式下正常操作該等複 數個主軸馬達驅動器。 12.如申請專利範圍第1 I項之直接存取儲存裝置 (DASD )，更包含： 偵測一主轴旋轉速度之裝置； 將該偵測的主轴旋轉速度與一預定主轴速度範圍比較之 裝置；以及 致能裝置，用以回應該偵測的主轴旋轉速度係在該預定 主軸速度範圍内，而致能該直接存取儲存裝置（DASD )之 正常作業。 1 3.如申請專利範圍第丨2項之直接存取儲存裝置 (I) A S D )，更包含： 終止裝置，用以回應該偵測的主軸旋轉速度係小於該預 定主軸速度範圍，而終止該直接存取儲存裝置（DAS D )之正 常作業。 1 4.如申請專利範圍第1 2項之直接存取儲存裝置 (DASD)，更包含： 施加整流控制信號之裝置，用以回應該偵測的主軸旋轉 速度係在該預定主軸速度範圍之外，而將一整流控制信號 施加到該等複數個主軸馬達驅動器，以便改變該主軸旋轉 遠度。

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