使用用于抑制旋转振动的前馈控制系统和方法的盘驱动器

摘要

盘驱动器使用消除旋转扰动的混合模拟数字加速度前馈控制系统和方法。与模拟电路一同使用旋转振动(RV)传感器以产生模拟前馈信号，该信号与来自伺服控制处理器的模拟致动器控制信号相加。将模拟前馈信号转换为数字前馈信号且输入到处理器。当致动器增益从其设计值偏离时，处理器从查询表中检索适当致动器增益值。处理器使用致动器增益值和数字前馈信号计算作为数字前馈信号的分数的经修改的前馈信号。处理器从伺服定位信息和反馈控制器计算反馈控制值。然后将经修改的前馈信号与反馈控制值相加产生数字致动器控制信号，将该信号转换为模拟致动器控制信号。如果致动器增益处于其设计值，则所计算的经修改的前馈信号为零，所以不使用数字前馈信号。

说明书

技术领域

本发明总体涉及盘驱动器，更具体地说，涉及包括用于消除旋转振动效应的系统的磁记录盘驱动器。

背景技术

磁记录硬盘驱动器(HDD)使用致动器(一般是旋转音圈电机(rotaryvoice-coil-motor，VCM)型的致动器)来将读写头定位在记录盘的数据道上。盘驱动器具有从该读写头从数据道中读取的伺服定位信息中接收位置误差信号(PES)的伺服控制系统，并且产生VCM控制信号以在道上维持读写头并且将它们移动到所期望的道以读写数据。

盘驱动器在正常操作期间经历旋转振动和扰动力(disturbance force)。这些扰动由诸如VCM致动器的运动之类的内部原因产生，并且由诸如对支持盘驱动器的框架的冲击或者当将驱动器一同安装在盘阵列系统中时其他盘驱动器的运动之类的外部原因产生。

旋转振动(RV)消除是使用传感器(通常为加速度计)来检测旋转振动并且通过消除旋转振动导致的离道(off-track)运动来改进PES的方法。将RV传感器信号输入到前馈控制器，该控制器产生与到VCM致动器的控制信号相加的前馈补偿信号。以这种方式使用RV传感器和前馈补偿是公知的，如下列文献所述的那样：Jinzenji等人，“Acceleration Feedforward Control Against RotationalDisturbance in Hard Disk Drives”，IEEE Transactions on Magnetics，Vol.37，No.2，2001年3月，第888-893页；M.T.White等人，“Increased Disturbance Rejection inMagnetic Disk Drives by Acceleration Feedforward Control”，Proceeding of the 13^thTriennial IFAC World Congress，1996年6月30日-7月5日，San Francisco，CA，第489-494页。

RV消除性能依赖于到VCM致动器的RV传感器信号的增益和相位匹配的准确度。VCM增益，即其输出或者对控制信号输入的响应，不固定在其设计或者最佳值上，而是随着盘上的头的温度和位置两者变化。通常，VCM增益可能变化至多到离开其最佳值的大约20％。

用于RV消除的加速前馈控制的两种传统实现是模拟和数字式的。模拟实现使用模拟电路来产生与模拟VCM控制信号相加的模拟前馈补偿信号。因为没有相位延迟，所以模拟方法具有RV消除良好的优点。  然而，被设计来使得RV传感器增益与设计或者最佳VCM增益匹配的模拟电路不能针对关于VCM增益的变化进行调节。数字实现使用数字处理器来产生数字VCM控制信号，其需要模拟到数字转换和RV传感器信号的数字采样，因此其导致相位延迟。处理器可以实施数字滤波器来恢复相位延迟，但是相位超前(phase lead)滤波器增加高频增益，所以增益匹配在高频变得更差。

所需要的是使用用于RV消除的方法的盘驱动器，该方法使用模拟和数字实现两者的优点同时将它们的缺点最小化。

发明内容

本发明涉及带有用于旋转扰动的消除的混合模拟数字加速前馈控制系统和方法的盘驱动器。可以是单轴线性加速度计对的旋转振动(RV)传感器与模拟电路一同使用，以产生与来自伺服控制处理器的模拟致动器控制信号相加的模拟前馈信号。还将模拟前馈信号转换为数字前馈信号并且输入到伺服控制处理器。盘驱动器包括温度传感器和致动器增益值的查询表。当作为盘上的读写头的温度和/或位置的变化的结果，致动器增益偏离其设计或者最佳值时，处理器从查询表中检索适当的致动器增益值。处理器使用致动器增益值和数字前馈信号来计算经修改的前馈信号，其为数字前馈信号的分数。处理器还从伺服定位信息和反馈控制器计算反馈控制值。然后将经修改的前馈信号与反馈控制值相加，以产生数字致动器控制信号，将该信号转换为模拟致动器控制信号。因此，因为将整个模拟前馈信号与模拟致动器控制信号相加，所以最小化了相位延迟，但是还可以针对致动器增益中的变化进行某些调节。如果致动器增益在其设计或者最佳值上，即在致动器增益中没有变化，则所计算的经修改的前馈信号为零，所以不使用数字前馈信号。在这种情况下，只有模拟前馈信号正在作为加速度前馈控制工作，并且因为不存在RV传感器信号的模拟到数字转换和数字采样因此存在最小的相位延迟，从而获得最佳的振动消除性能。

为了更加完全地理解本发明的性质和优点，将结合附图参照下面说明。

附图说明

图1是使用根据现有技术的旋转振动的加速度前馈控制的模拟实现和旋转振动(RV)传感器的磁记录硬盘驱动器的示意顶视图；

图2是旋转振动的加速度前馈控制的现有技术模拟和数字实现两者的控制系统环；

图3是使用根据现有技术的旋转振动的加速度前馈控制的数字实现和RV传感器的磁记录硬盘驱动器的示意顶视图；

图4是使用根据本发明的旋转振动的加速度前馈控制的混合模拟数字实现和RV传感器的磁记录硬盘驱动器的示意顶视图；

图5A是比较旋转振动的加速度前馈控制的现有技术的模拟和数字实现的旋转振动抑制特性的图；和

图5B是示出根据本发明的加速度前馈控制的混合模拟数字实现的旋转振动的抑制特性的图。

具体实施方式

图1是根据现有技术的磁记录HDD的框图。盘驱动器包括通过安装到盘驱动器外壳(housing)或者基座(base)16的主轴电机(spindle motor)(未示出)沿方向15以旋转轴13为轴旋转的磁记录盘12。盘12具有带有诸如典型道50、51之类的同心数据道和诸如典型伺服扇区60、61、62之类的伺服扇区的磁记录层。伺服扇区一般径向跨越同心数据道延伸，使得每个数据道具有在道周围延伸的多个等角(equally-angularly)间隔的伺服扇区。在数据道中的每个伺服扇区包含指示伺服扇区开始的伺服定时标记(STM)、道标识(TID)代码和被解码来提供头位置误差信号(PES)的磁化块或者高频脉冲串(burst)的图案部分。

盘驱动器还包括诸如旋转音圈电机(VCM)型致动器之类的、被支撑在基座16上的致动器14。致动器14以轴17为轴旋转并且包括硬致动器臂18。一般柔软的悬架(suspension)20包括弯曲部分(flexure)23并且附连到臂18的一端。头承载器或者气浮滑块(air-bearing slider)22被附连到弯曲部分23。在滑块22的尾(trailing)表面25上形成磁记录读写(R/W)头24。弯曲部分23和悬架20使得滑块能够在旋转盘12所产生的气浮(air bearing)上“投掷(pitch)”和“滚动(roll)”。

当盘12沿方向15旋转时，伺服扇区中的定位信息由读出头读出并且被发送到R/W电子部件13。伺服电子部件112接收来自R/W电子部件113的输入，并且将数字信号提供给伺服控制处理器115。伺服控制处理器115将数字致动器控制信号191提供给数字到模拟转换器(DAC)192，其通过加法结(summingjunction)194将模拟致动器控制信号193发送到VCM驱动器195。VCM驱动器195控制到VCM 14的电流以将读写头24移动到所期望的数据道，并且将其维持在道上以读出或者写入数据。

在伺服电子部件112内，STM解码器160从读写电子部件113接收被时钟定时的数据流。一旦已经检测到STM，则产生STM已发现信号。使用STM已发现信号来调节定时电路170，其控制用于其余伺服扇区的操作序列。在检测STM之后，道标识(TID)解码器180从定时电路170接收定时信息，读取通常被格雷代码(Gray-code)编码的被时钟定时的数据流，然后将经解码的TID信息传送到伺服控制处理器115。随后，PES解码器190(也被称为伺服解调器)从读写电子部件113中捕获位置信息，并且将位置误差信号(PES)传送到伺服控制处理器115。

伺服控制处理器115包括微处理器117和可以由微处理器117存取的存储器118。微处理器117使用PES作为对控制算法的输入以产生数字控制信号191。该控制算法是存储器118中的反馈“控制器”116并且包括程序指令和基于被控制的“设备(plant)”(即VCM 14)的静态和动态特性的一组参数。该控制算法实质上是矩阵相乘算法，而反馈控制参数是在该相乘中所使用的系数。设计反馈控制器116的方法在数字伺服控制和盘驱动器伺服控制领域是公知的。可以在频域中设计反馈控制器116以实现所期望的VCM 14的开环输入输出频率响应。通常可以通过分别代表衰减/放大和相位偏移的量的增益(G)和相位(ф)的两个参数来表示在任何频率上的动态系统的输入输出行为。动态系统的增益和相位表示系统的频率响应并且通过试验产生。

VCM 14的增益是反馈控制器116的参数之一。然而，VCM增益不固定在其设计或者最佳值而是随温度变化。而且，因为磁体组件所产生的磁力线(flux)的不均匀性，所以VCM致动器在它们整个冲程(stroke)范围上不具有恒定增益，因此VCM增益也随盘上的头的位置而变化。通常，这种VCM增益变化可能至多到其设计或者最佳值的大约20％。例如，最高VCM增益的头位置通常接近在盘上直径的中间。如果在头位置接近盘的外径的情况下将VCM增益设置在为1.0的其设计或者最佳值，则典型的VCM增益振动在直径中间头位置可能是1.10，而在内径头位置可能是0.9。为了针对VCM增益随温度和头位置的变化进行调节，盘驱动器包括位于接近VCM 14的位置的温度传感器、模拟到数字转换器131和存储器118中的查询表119。温度传感器130发送模拟信号到提供数字温度值给微处理器117的ADC 131。然后，微处理器在表119中查询与该温度值相关联的致动器增益值。查询表119通常包括与一组头位置相关联的一组致动器增益值。因此，在伺服控制系统的操作期间，反馈控制器116从查询表119中选择适当的致动器增益值，并且使用这种参数作为数字控制信号191的计算的一部分。例如，如果在盘驱动器的设计期间知道VCM可能至多变化大约20％，则查询表119可以包含范围从0.9到1.10的一组21个增益值，通过基于温度和/或头位置，从为1.0的其设计或者最佳值增加或者减小增益值，选择适当的增益值作为反馈控制器116中的增益参数。

如箭头70所示，盘驱动器经历旋转扰动，这些扰动由诸如VCM致动器的运动之类的内部原因产生，并且由诸如对支持盘驱动器的框架的冲击或者当将驱动器一同安装在盘阵列系统中时其他盘驱动器的运动之类的外部原因产生。这些扰动导致读写头的道误注册(track misregistration，TMR)。因此，已知将耦合到用于消除旋转扰动效应的前馈补偿电路的旋转振动(RV)传感器合并到盘驱动器中。

图1示出了用RV传感器200和前馈补偿电路203的加速度前馈控制的现有技术的模拟实现。RV传感器200可以是旋转加速度计，其被示出作为两个线性加速度计201、202，每个附连到基座16的对应端。线性加速度计201、202是可通过商业方法获得的、诸如Murata型号PKGS-00LD加速度计之类的单轴压电加速度计。示意地将加速度计示出为被直接附连到基座16，但是还可以将其附连到包含盘驱动器电子部件的、被固定到基座16的印刷电路板或卡(未示出)。旋转加速度计还可以是单片角度(single-piece angular)加速度计。可以从STMicroelectronics和Delphi以商业方法获得其他类型的旋转加速度计。

RV传感器200将其模拟输出提供给前馈补偿电路203。如果RV传感器是带有两个线性加速度计的类型，则将来自线性加速度计201、202的输出发送到电路203中的相应放大器205、207。将两个放大器205、207的输出中的差异在加法器208中相加。通过低通滤波器(LPF)209传送加法器208的输出，其是作为模拟前馈信号210从电路203的输出。LPF 209消除来自RV传感器200的高频噪声。前馈补偿电路203还可以可选地包括用于消除RV传感器200的谐振频率的陷波滤波器(notch filter)。可以将模拟前馈信号210发送到加法结194，其中将模拟前馈信号210与来自DAC 192的模拟致动器控制信号193相加。

在图2中示出了使用加速度前馈控制的盘驱动器的控制系统环。P(s)是致动器(VCM 14)或者“设备”传递函数，其中s是拉普拉斯变换变量。该传递函数从盘驱动器设计过程期间的建模(例如，有限元建模)得知，通过盘驱动器测试过程期间的标准频率响应测量来确认，并且可以在制造或者重新校准操作期间在每个独立的盘驱动器上进行测试。C(s)表示VCM反馈控制器116传递函数，其在盘驱动器设计期间被确定。其还可以在测试过程期间通过标准频率响应测量技术进行验证，而且可以在制造或者重新校准操作期间在每个独立的盘驱动器上进行测试。旋转振动R(s)影响盘驱动器动态状态D(s)因此产生被添加到对VCM 14的控制信号的扰动。然而，RV传感器200检测旋转振动，而前馈控制器(前馈补偿电路203)通过产生与来自VCM反馈控制器116的VCM控制信号193相加的前馈信号210，W(s)，来补偿该扰动。F(s)代表前馈控制器116传递函数。因此W(s)＝R(s)F(s)，而且在RV前馈补偿的情况下由下面公式给出实际PES：

$y\left(s\right)=\frac{P\left(s\right)}{1+P\left(s\right)+C\left(s\right)}(D\left(s\right)R\left(s\right)+F\left(s\right)R\left(s\right))$公式(1)

虽然可以将图2示出的控制环应用于加速度前馈控制的模拟和数字实现两者，但是图1示出了现有技术的模拟实施。振动消除性能依赖于被添加到VCM致动器的RV传感器信号的增益和相位匹配的准确度。在模拟实现中，将来自电路203的模拟前馈信号210直接添加到在结194处的模拟VCM控制信号193，所以存在最小的相位延迟，因此振动消除较好。模拟电路203被设计为使得RV传感器200增益匹配于设计或者最佳VCM增益。然而，模拟电路203不能针对关于VCM增益的变化进行调节。

图3示出了加速度前馈控制的现有技术数字实现。在该实现中，由ADC 211将电路203的输出转换为数字前馈信号212，然后将其输入到微处理器117。将前馈控制器121存储在存储器118中，微处理器117使用前馈信号212和前馈控制器121来计算前馈补偿值，将该值与所计算的反馈值相加以产生数字致动器控制信号191。前馈控制器121还可以执行数字滤波以代替模拟电路203的某些功能。前馈控制器121使用来自查询表119的致动器增益值，使得在计算期间考虑致动器增益中的变化。然而，对于低成本盘驱动器来说，ADC 211的采样频率和速度不足以将相位延迟最小化，这不利地影响振动消除的性能。微处理器117可以实施数字滤波以恢复相位延迟，但是由于相位超前滤波器在高频增加增益，所以增益匹配在高频变得更差。

在本发明中，如图4所示，使用混合模拟数据加速度前馈控制方法。将模拟前馈信号210添加到模拟致动器控制信号193中，如图1中那样，但是还由ADC 211将其转换为数字前馈信号212并且输入到微处理器117。当致动器增益从为1.0的其最佳值偏离时，微处理器117使用数字前馈信号212和来自查询表119的致动器增益值来计算经修改的前馈信号。将数字前馈信号212乘以从来自查询表119的实际致动器增益值中得出的乘数，其结果表示经修改的前馈信号。在优选实施方式中，该乘数为[(1.0/致动器增益)-最佳增益]。例如，如果作为输入到微处理器117的温度值和/或头位置的结果，从查询表119中提取的致动器增益值是1.08，则将数字前馈信号212乘以[(1.0/1.08)-1.0]或者-0.074以达到经修改的前馈信号。因此，所计算的经修改的前馈信号是数字前馈信号212的分数。然后，将该经修改的前馈信号与来自反馈控制器116的反馈控制值相加以产生数字致动器控制信号191。因此，因为在结194处加入了模拟前馈信号210所以将相位延迟最小化，但是作为致动器增益变化的结果，在数字控制信号192中还存在某些调节。当在致动器增益中存在离开其最佳增益的变化时仅仅使用数字前馈信号212，这是因为如果致动器增益是1.0，则数字前馈信号212会被乘以0。如果致动器增益在为1.0的其设计或者最佳值，则微处理器117因此不使用数字前馈信号212，从而数字致动器控制信号191仅仅是反馈控制器116的结果。在这种情况下，只有模拟信号210作为前馈补偿工作，而且因为不存在RV传感器信号的模拟到数字转换和数字采样，所以相位延迟最小，因此获得最好的振动消除性能。

在上面的例子中，根据[(1.0/致动器增益)-1.0]在乘法器中使用实际致动器增益。在该优选实施方式中，对致动器的总增益会归因于经修改的前馈信号和模拟前馈信号210。因为将模拟前馈信号210设计为使得致动器增益总是1.0，所以所得出的对致动器的增益是{(1.0/致动器增益)-1.0]+1.0}或者只是(1.0/致动器增益)。然而，乘数可以仅仅是近似的估计，而不是精确的计算。例如，乘数可以是致动器增益离开最佳值的偏离，即(1.0-致动器增益)。在上面的例子中，这将导致乘数为-0.08而不是-0.074。

图5A示出了使用盘驱动器的现有技术加速度前馈方法的旋转振动的抑制特性，其中致动器增益在其设计或者最佳值，而所期望的旋转扰动在大约100到1000Hz之间。较低的增益表示旋转振动的较好的消除。曲线310是针对图3的数字实现的抑制特性。曲线320是针对图1的模拟实现的抑制特性，其示出比数字实现更好的抑制。

图5B示出了使用本发明的混合模拟数字加速度前馈方法的旋转振动的抑制特性，而且针对其中所期望的旋转扰动在大约100到1000Hz之间的盘驱动器。曲线410是其中致动器增益在其设计或者最佳值使得所计算的经修改的前馈信号为0，即不归因于来自数字信号的前馈补偿的抑制特性。曲线420是其中致动器增益高15％但是将数字前馈补偿“关闭”所以不归因于来自数字信号的前馈补偿的抑制特性。曲线430是其中致动器增益针对本发明的混合系统高15％，即将数字前馈补偿“开启”的抑制特性。因此在曲线420中，使用致动器增益值1.15来通过将其乘以[(1.0/1.15)-1.0]或者-0.13以达到经修改的前馈信号来调节数字前馈信号，然后将该经修改的前馈信号与反馈控制值相加以产生数字致动器控制信号191。曲线430所示出的抑制与最佳致动器增益的情况(曲线410)相对接近，并且显然比图5A中曲线310示出的数字实施更好。

已经将本发明描述为实施在磁记录HDD中。然而，还可以将本发明应用于诸如光盘驱动器(例如CD和数字多功能盘(DVD)类型的只读和可写盘驱动器)之类的使用光盘和光学读或者读写头的其他类型的盘驱动器。

虽然已经参照优选实施方式具体示出和描述了本发明，但是本领域的技术人员应该理解，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以在形式和细节上进行各种修改。因此，所公开的本发明仅仅是示例性的，仅仅由所附权利要求中所指定的范围来限制本发明。