硬盘驱动器的三级伺服控制与主动振动抑制

摘要

随着近年来磁记录技术的突破以及硬盘驱动器(HDD)中数据空间密度需求的不断增加，需要更高精度的伺服硬件和软件来实现读/写头的超高精度定位。近年来，有学者提出了三级作动系统来改善伺服性能。三级作动系统由于多了一个在高频段具有较好特性的作动器，为伺服带宽提高和伺服系统高频扰动抑制提供了新的途径。同时，由于第三级作动器行程有限，能提供的控制输入也有限制，又给控制器设计带来巨大挑战。本文从伯德积分定理、稳定性、鲁棒性等方面出发，研究了HDD三级伺服系统的磁道保持控制性能、基本的磁道保持控制器设计方法以及振动控制的新策略问题等，为三级伺服系统的应用提供理论依据，具有重要的学术价值和工程意义。
　　本文首先分析了三级作动系统能够提高闭环系统性能的原理，给出了方差约束下三种作动配置的性能对比。介绍了伯德积分定理，利用该定理分析了三级作动配置的HDD能够提高闭环系统性能的基本原理。研究了在控制输入和作动器行程的方差约束下，最小化系统输出方差的优化问题。分别估计了不同配置下的性能并进行对比，仿真结果表明，三级作动配置比双级作动配置理论上能够获得更高的带宽和更小的位置误差信号(PES)。
　　进一步，本文研究了三级作动配置中为实现最小PES的鲁棒控制设计方法，分别给出了三级作动系统磁道保持控制的灵敏度解耦设计和μ-综合设计。首先，根据对三个作动器不确定性分析，确定三级作动系统灵敏度解耦设计的唯一性，使用简单的回路成形方法，进行仿真验证，对比所得到的低频扰动抑制和伺服带宽提升。然后基于μ-综合设计方法，提出了系统的控制器整定方法，并应用于三级作动系统的伺服磁道跟踪设计。
　　针对HDD中存在的非周期性振动，本文提出了抑制振动的快速收敛算法。给出了利用实验测量数据导出振动抑制问题的维纳解。提出并分析了两种快速收敛的前馈控制算法，用来解决滤波器的输入高度相关时滤波-x最小均方(Fx-LMS)算法收敛速率较慢的问题。分析结果表明，本文提出的正交化-x算法相对于Fx-LMS算法总可以改进收敛速率，而正交化-a算法只能在满足一定条件时才能优于Fx-LMS。
　　针对宽频扰动，本文给出了利用第三级作动器抑制高频振动的频率分割解决方案。提出了一种可以同时辨识系统和补偿外部振动的基于频域分割的自适应前馈控制算法。该算法从第一个区域开始，同时辨识前馈控制器参数和对象的低阶模型参数，参数收敛后保持不变，然后移动到下一区域直至所有区域的控制器参数和对象模型参数都得到辨识。仿真结果验证了所提算法的有效性。
　　针对硬盘驱动器中存在的周期性振动，本文提出了一种基于自抗扰控制(ADRC)和扰动估计的振动抑制算法。当扰动频率已知时，带有多一阶的扩张状态观测器的基本ADRC算法不能利用频率信息达到完美补偿。本文提出了一种基于内模的ADRC方法，该方法可以利用已知的频率，在简单的假设下实现对干扰的完美估计。首先给出了简单的积分串联型系统的算法与证明，再推广到更为一般的单输入单输出系统。所提出的方法的有效性通过仿真和与基本的自抗扰控制算法的比较来验证，也对硬盘中存在的周期性扰动进行了仿真验证。
　　本文给出了HDD三级作动系统周期性振动直接自适应算法的详细分析和仿真。为了避免矩阵求逆，降低计算复杂度，本文给出了直接自适应前馈控制的一种改进算法。对于数字实现时已知频率的正余弦表的周期性进行了分析。对HDD单/双/三级作动配置下的振动抑制进行了仿真和对比，一方面验证了所提算法的有效性，另一方面验证了三级作动配置的优越性。
　　本文对实验系统进行改进、扩展和测试，给出了HDD双级作动系统多个测量性实验以及周期性/非周期性振动补偿的实现技术和结果。

目录

声明

摘要

符号说明

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 国内外研究现状

1．2．1 硬盘驱动器磁道保持控制

1．2．2 硬盘驱动器非周期性扰动抑制

1．2．3 硬盘驱动器周期性扰动抑制

1．2．4 研究基础

1．3 本文的篇章结构

第2章 硬盘驱动器的三级伺服系统性能与磁道保持控制

2．1 引言

2．2 硬盘驱动器的三级伺服系统性能

2．2．1 伯德积分定理

2．2．2 问题描述与等价转化

2．2．3 拟牛顿法求解控制器

2．2．4 硬盘驱动器应用仿真

2．3 硬盘驱动器三级磁道保持伺服控制

2．3．1 灵敏度解耦方法

2．3．2 μ-综合设计方法

2．3．3 作动器实验建模

2．3．4 灵敏度解耦设计与分析实例

2．3．5 μ-综合设计与分析实例

2．4 本章小结

第3章 宽带振动抑制的快速算法和频谱分割前馈控制

3．1 引言

3．2 基于正交化的快速前馈振动抑制算法

3．2．1 问题描述

3．2．2 维纳解

3．2．3 基于正交化-x和正交化-a的算法

3．2．4 自适应格形预测器

3．2．5 数值及仿真算例

3．3 宽带振动基于频谱分割的自适应前馈控制

3．3．1 问题描述

3．3．2 频谱分割

3．3．3 双级硬盘驱动器应用仿真

3．3．4 三级硬盘驱动器应用仿真

3．4 本章小结

第4章 基于内模原理的正弦扰动自抗扰控制

4．1 引言

4．2 积分串联型系统情况

4．2．1 扰动观测器设计与分析

4．2．2 基于内模原理的自抗扰控制设计与分析

4．2．3 数值算例

4．3 严格正则线性定常系统情况

4．3．1 扰动观测器设计与分析

4．3．2 数值算例

4．3．3 硬盘驱动器应用仿真

4．4 本章小结

第5章 一种直接自适应前馈算法及其实现

5．1 引言

5．2 问题描述

5．3 主要结果

5．3．1 周期性扰动的直接自适应前馈控制

5．3．2 正余弦表格的周期性

5．4 仿真与实验验证

5．5 本章小结

第6章 实验平台简介与硬盘实验系统典型实验

6．1 实验平台简介

6．2 双级硬盘驱动器测量实验

6．2．1 VCM／MA回路的不确定性

6．2．2 PES的测量与分析

6．2．3 振动平台对PES影响的测量与分析

6．3 窄带扰动的前馈补偿

6．4 宽带振动基于加速度计的前馈补偿

6．5 本章小结

第7章 结束语

7．1 本文的主要贡献

7．2 本文的主要创新点

7．3 前景展望

7．4 研究体会与心得

参考文献

附录

致谢

在读期间参加的学术活动与取得的研究成果