专利名称：盘存储系统中应用迭代学习控制法的可重复偏心补偿的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及盘驱动器数据存储系统，尤其涉及伺服系统的误差补偿。
读写头最好绕盘沿一全圆的路径移动，但有两类误差阻止了头遵循这一理想的路径。第一类误差是在伺服写过程中创建伺服字段时产生的写入误差。出现写入误差是因为用于产生伺服字段的写入头并不总是遵循全圆的路径，主要原因在于有诸多因素对写入头产生预料不到的压力作用，如头在盘上飞行的空气动力学、盘抖动、主轴电机振动、盘弯曲和支承头的万向接头振动。由于这些扰动，写在盘上的道不是一条全圆的路径，于是头在盘中将跟随一条非圆形路径。
妨碍圆形路径的第二类误差是道跟随扰动。道跟随误差在头试图跟随伺服字段限定的路径时发生。扰动可由造成写入误差同样的空气动力学与振动作用引起。此外，造成道跟随误差的原因还有伺服系统带宽有限；在伺服字段限定的路径中，头对高频变化的响应还不够快。
这里主要关注写入误差。通常把写入误差称作可重复偏心误差，因为头沿道每次通过时，会在同一位置造成同样的误差。随着道密度的提高，这类可重复偏心误差开始限制了道距。具体而言，理想道路径与伺服字段形成的实际道路径之间的变化，会造成干扰外道路径的内道路径。在第一写入误差使头处于内道的理想圆形路径之外，而第二写入误差使头处于外道的理想圆形路径之内时，这种情况尤为严重，通常将它称为道挤压问题。为避免限制道距，就要求有一种能补偿这些可重复偏心误差的系统。
将存贮的补偿值注入伺服环路，可以补偿该写入误差，但确定补偿值要作复杂的运算，一般难以在盘存储系统中实现。本发明对该问题和其它一些问题提出了一种简便的解决方法，且比原有技术具有其它一些优点。
根据本发明一实施例，在盘存储系统中设置了可重复偏心补偿法，其中从盘面读出的伺服位置指示出相对于盘面上某一道的头位置。因此，可从补偿值表检索补偿值，并根据检索的补偿值补偿伺服位置值。
根据本发明另一实施例，盘驱动器包括使头在盘上定位的伺服环路。盘用于在道上存贮数据，而道包含的伺服字段用来存贮指示位置的伺服信息。头用来读出位于盘上的伺服信息，并由该信息产生伺服位置信号。该伺服位置信号与基准信号一起产生位置误差信号，表示头相对于该道的实际上期望位置之差。伺服控制器根据该位置误差信号产生一伺服控制信号。与伺服控制耦接的驱动器按伺服控制信号移动该头。贮存在存储器或伺服字段里的补偿表向伺服控制信号提供写入可重复偏心补偿值。
通过阅读以下的详细说明并参见有关附图，就能明白表征本发明的种种特点和优点。
图2是盘截面的俯视图，表示一理想道和实现的写入道。
图3是已有技术的伺服环路的框图。
图4是本发明一示例实施例的伺服环路的框图。
受伺服控制(未示出)控制的音圈电机124使驱动组件122绕轴126转动，HGA112在盘内径132与盘外径134之间的精密路径130内运行。当头正确定位时，写电路控制(未示出)对贮存在盘上的数据编码，并通过内部电路128将编码的信号发送给HGA112中的头，以将信息写到盘上。在其它时间里，HGA112中的读出头从该盘读出贮存的信息，并把复原的信号提供给检测电路与解码电路控制(未示出)，以产生复原的数据信号。
图2是盘截面198的俯视图，示出了理想的全圆形道200和实际的写入道202。截面198包括多个径向延伸的伺服字段，如伺服字段204与206，这些伺服字段包含识别实际道202沿盘截面198位置的伺服信息。在一般驱动器中，头将跟随实际道202。
在伺服写过程中，会引入定义为实际道202与理想道200之差的写入误差，它被认为是一种可重复的偏心误差，因为该同样的误差出现在盘上特定的圆周位置。对理想道200的道跟随比对实际道202的道跟随容易得多，这是因为理想道200的控制基准是简单的直流信号，而在实际道202中，该基准则是直流信号(道200)加上复杂的交流信号(写入误差)。对控制器而言，跟随复杂的基准将增大控制工作量。再者，如果伺服带宽有限且头无法完美地跟随复杂的道202，就会造成更多的头位置误差信号(PES)。
根据本发明，试图对道202作读写的头将不跟随道202，而是更紧密地跟随全圆形道200。这是利用补偿信号实现的，该信号防止伺服系统跟踪轨道202的不规则形状造成的可重复偏心误差，因而减小了头PES。
图3是已有技术的伺服环路208的框图。该伺服环路包括传递函数为“C”的伺服控制器210和传递函数为“P”的盘驱动器212，前者通常用微处理器与一些附加电路构成，而后者包括驱动组件122、音圈电机124、道进入臂120、悬架118和头万向接头组件112(见
图1)。
伺服控制器210产生的控制电流214驱动盘驱动器212的音圈电机，作为响应，盘驱动器212使头移动216。图3中，若将图3中的基准224作为全圆路径，就把写入误差dw表示为独立的输入信号218，将写入误差218与头移动216分开，能更好地理解本发明。另外，伺服系统中的噪声正被分离为噪声220，将它加到头移动里。头移动216、写入误差218与噪声220相加后得出该头的伺服位置信号222，并将它从微处理器根据头的期望位置(基准224)而产生的基准信号224中减去。从基准信号224里减去伺服位置信号，就产生了被输入至伺服控制器210的位置误差信号(PES)226。
已有技术伺服环路中的头将响应写入误差移动，这种移动上是不希望的，它将头置于理想圆形道路径之外，这样将导致两种效应。首先，在无写入误差时，PES将大于环路中的PES，这在盘控制中是不希望的。其次，跟随实际道202(相当于写入误差不为零)会造成道挤压问题。为了消除写入误差引起不希望有的头移动，可以使用将补偿信号插到伺服环路里的本发明的前馈控制法。图4的伺服环路232示出了这种减去法。在图4中，与图3中同样的元件应用同样的标号。补偿信号228在过程中预先算出并存入存储器或硬盘，当图4的伺服环路工作时，将补偿信号228从存储器或硬盘里读出并插到该环路里。在一特定道处，补偿信号228包括一张有扇区编号大小的写入可重复偏心值表。不同的道有不同的补偿表。该补偿技术称为可重复偏心(RRO)补偿法或零加速路径(ZAP)补偿法，因为头在跟随道时趋于经历零加速。
本发明的一个方面包括识别采取迭代学习控制(ILC)方案形式的补偿表。ILC是加到一般反馈控制环路里的前馈控制，旨在减少普通控制器执行的重复控制部分，在基准命令或系统扰动为重复形式时极其有效。ILC输出的一般控制更新规则是Uk+1(z)＝Uk(z)+KΦ(z)Ek(z)，(1)式中UK(z)是ICL命令迭代K次的Z变换，K是学习速率，Φ(z)是滤波器，EK(z)是控制误差。更新后，UK+1(z)被加到正常反馈控制器输出里。设G(z)是设备输入U(z)到设备输出Y(z)的Z传递函数，且Z＝eJωT，若在所有频率时满足ρ(jω)＝|1-KΦ(ejωT)G(ejωT)|＜1(2)则系统误差EK(z)将每迭代一次衰减。这在ILC中是个主要的不等式。在每个迭代步骤中满足这一条件，将保证减少公式(1)中的E。在一个ZAP补偿方案中，补偿(或ZAP)表有类似的更新规则ZAPk+1(jω)=ZAPk(jω)+K[1+P^C^(jω)]RROk(jω)]]>或ZAP(k+1)=ZAP(k)+K·invDFT{[1+P^C^(jω)]RROk(jω)},---(3)]]>式中K是学习速率， 是用正弦注入测试法测得的1+PC(jω)，而RROK(jω)是可重复偏心RROK迭代K次的离散富里叶变换(DET)。注意，ZAP(k)与RROK都是矢量。比较式(3)与(1)可见，在(3)中Φ=1+P^C^,---(4)]]>和G=11+PC.---(5)]]>若将Δ(jω)定义为Φ(jω)G(jω)，可将长期稳定性条件(2)改为ρ(jω)＝|1-KΔ(jω)|＜1.(6)若ρ在所有频率下都满足该条件，则偏心补偿在每次迭代中都将减小所有频率下的可重复偏心分量。
这样，可把该可重复偏心(ZAP)补偿归类为ILC。在理想情况下，若Δ为1，即1+PC(jω)的估值很精确，则在每次迭代后，Kin(0，2)将保证使RRO衰减。但在实际中，Δ可能与频率相关，且可能离1有一大段距离。然而，对迭代稳定性而言，这种建模失配(Δ不接近1)不成为问题。如果正确地选用K且满足条件(2)，即使有点模型失配，ZAP补偿仍能减少RRO。这在ILC中是一种主要的思路。
若学习速率选用合理，RRO标准偏差可对前几次迭代迅速衰减，然后迅速发散或扰动而不是收敛。在“迭代学习控制”领域里的研究者们也观察到这一现象，其原因在于在某些频率下未满足稳定性条件。有若干技术可解决这一问题(1)设法准确地确定 。然而，有时可能很困难。(2)在每个迭代步骤选择合理的学习。学习速率不一定要固定，通过优化其顺序可在每次迭代时实现最大误差减小。(3)用零相滤波器减小滤波中的相移。(4)在不确定性大的频率截断学习。
ZAP补偿是迭代学习控制的特殊情况。在ZAP补偿中，要求与ILC有点不同。在ZAP补偿中，关注于(1)如何以最少的迭代步骤得到最大的RRO减小。(2)在每个迭代步骤最大地减小RRO。(3)在RRO补偿中，长期稳定性不成为问题，因为RRO补偿可在以下情况出现之前停止(i)RRO标准偏差变得不稳定，如增大或波动；(ii)或已将RRO的标准偏差减至要求的范围。
根据式(1)中的迭代学习控制更新规则，最简实施法是设EK(z)为RROK(z)、Φ(z)为1，得ZAPk+1(jω)＝ZAPk(jω)+K·RROk(jω)]. (7)然而，这在C中有积分器时(常常如此)就不工作，因为ρ在低频时将大于1。
在硬盘伺服系统中，Φ(z)的最佳选择是 ，其中 或 分别是1+PC或PC的估值。 或 可通过正弦注入试验得到。更新规则为ZAP(k+1)=ZAP(k)+K·invDFT{[1+P^C^(jω)]RROk(jω)}.]]>要得到ZAP(k+1)，要求对RROK作离散富里叶变换(DFT)以得到RROK(jω)，并要求作反DET以计算ZAP(k+1)。然而，DFT是种费时的运算，并要求对数据的实部与虚部有相当大的代码空间与变量空间。 是一种复杂运算，要用微处理器作甚至更复杂的运算。为了减少运算，本发明应用了一种新的运算方法。不用在频域中实施下式ZAP(k+1)=ZAP(k)+K·invDFT{[1+P^C^(jω)]RROk(jω)},]]>该方程在时域实施，可显著减少运算量。这里，通过使 拟合成低阶滤波器(如二阶滤波器)，可得到滤波器Φ(z)。假定已通过正弦注入试验或动态信号分析仪(DSA)得到了 为找到低阶滤波器Φ(z)，可以用MATLAB(Natick，Massachusetts的Mathworks公司有售)里的“invfreqs”函数把 的低频部分转换为二次S传递函数。再用MATLAB里的“c2dm”(“tustin”)函数得到Φ(z)。或者，可根据 用Matlab中Mu-toolbox里的“sysfit”直接算出Φ(z)。还可写入一个程序直接把 等频响特性转换成在不同频率有不同权重的Z传递函数。ZAP表更新规则为ZAP(k+1)＝ZAP(k)+K·Φ(z)·RRO(k)， (8)其中的运算只是少数几次实数的加法与乘法，减少了对代码与数据空间的要求，大大缩短了运算时间。可以将学习速率K选成使公式(2)中的ρ小于1。应用该Φ(z)和学习速率，可用公式(8)建立一张ZAP数值表。实施步骤归纳如下(1)在主轴频率fs到伺服系统Nyquist频率N/2fs(N是扇区数)的所有谐波下，测量 ω＝m·(1πfs)，m＝1，……，N/2。
(2)使用MATLAB的“invfreqs”与“c2dm”或使用其它拟合算法，将 的低频部分拟合成低阶Φ(z)。
(3)选择满足条件(2)的合适的学习速率。
(4)设置迭代，k=0。使Comp Value(0)＝0。汇集PES数据的R转数(不注入写入可重复偏心(WI-RRO)校正)并计算RRO(k)。
(5)将RRO(k)通过数字滤波器Φ(z)，计算公式(8)中的ZAP(k+1)。
(6)在注入WI-RRO校正信号ZAP(k+1)的同时，汇集PES数据的R转数。
(7)计算RRO。若RRO的标准偏差大于阈值，则k=k+1，在步骤4继续迭代，否则将ZAP置成最后ZAP(k+1)。
只要学习速率K选择合理，Φ(z)和1+P(jω)C(jω)之间的模型失配并不大。对微处理器而言，虽然Φ(z)拟合可能较复杂，但是一般对驱动器仅拟合一次，而且可在一般个人计算机(PC)上运算。拟合后，可将滤波器Φ(z)的诸参数传给微处理器。在不同的迭代步骤中，可选择不同的K，以实现标准偏差的最大减小。
要消除RRO通过数字滤波器Φ(z)时的初始瞬变，可以应用一般的信号处理方法。一种简单方法是在两个周期内复制RRO，滤波该2周期RRO，再把第二周期输出恢复成滤波输出。对不同的驱动器，可根据环路频响特性考虑不同的Φ(z)结构。运用本发明，每个驱动器只需作一次滤波器模型的拟合运算，其它技术则要对每条道作富里叶变换。
在第二示例实施例中，不是将 拟合成低阶滤波器，而是把PC(jω)C(jω)拟合成低阶滤波器，如二阶滤波器。P(jω)C(jω)可通过正弦注入试验或动态信号分析仪得到。更新规则定义为ZAP(k+1)＝ZAP(k)+K1·RRO(k)+K2·F(z)·RRO(k).(9)这是更一般的情况。为求出滤波器F(z)，可用MATLAB里的“invfreqs”函数把P(jω)C(jω)的低频部分转换成二阶F(z)，后面的步骤与第一实施例中一样。学习速率选择后，检查一下公式(2)中的ρ是否小于1。运用F(z)，可用上述步骤填充公式(9)限定的补偿表。学习速率K1与K2可以不一样。
在本发明的一个方面，提出了一种补偿盘驱动器100中写入可重复偏心(RRO)误差的方法，盘驱动器100的伺服环路232在旋转盘198的盘面上将头112相对于道202定位。从盘面读出的伺服位置值表明头112相对于道202的位置。从ZAP数值表检索的ZAP补偿值用来补偿伺服位置值。ZAP值的形式为ZAP(k+1)＝ZAP(k)+KΦ(z)RRO(k)，其中K是学习速率，k是迭代数，Φ(z)是滤波器，RRO(k)是PES可重复偏心误差。另外，应满足不等式ρ(jω)＝|1-kΦ(jω)/(1+PC(jω)|＜1，其中PC(jω)是伺服环路232的开环频响特性。Φ(z)可以包括低阶滤波器，如拟合成1+PC(jω)或PC(jω)的二阶滤波器。通过在盘驱动器100主轴频率的谐波测量1+PC(jω)或PC(jω)的值作拟合，可用应用于伺服环路232的正弦波注入试验来确定。合理选择K可以满足上述不等式。在另一个方面，提供的盘驱动器100具有适合在道202上存贮数据的盘198。该道包括的伺服字段适于存贮用于指示位置的伺服信息。设置的头112读出位于盘198上的该伺服信息，并产生伺服位置信号222。该伺服位置信号与基准信号224共同产生位置误差信号(PES)226，表明头112相对于道202的实际与期望位置之差。伺服控制器210根据位置误差信号226产生伺服控制信号214。耦合至伺服控制器210的驱动器122能按伺服控制信号214移动头112。贮存在存储器或盘中的补偿(ZAP)表229对伺服控制信号提供写入可重复偏心补偿值。ZAP值的形式为ZAP(k+1)＝ZAP(k)+KΦ(k)RRO(k)，其中K是学习速率，k为迭代指数，Φ(z)是滤波器，RRO(k)为可重复偏心。另外，应满足ρ(jω)＝|1-kΦ(jω)/(1+PC(jω)|＜1，其中PC(jω)是伺服器环路232的开环频响特性。较佳地，Φ(z)包括一能拟合成1+PC(jω)或PC(jω)的二阶滤波器。合理选择学习速率K，可满足上述不等式。
应该理解，虽然以上描述连同本发明各实施例中结构与功能细节说明了本发明各实施例的众多特征与优点，但是这种揭示只是示例，而在细节上尤其在本发明原理范围内诸部件的结构与配置方面可作变更，且完全符合所附权项表示的广义指出的范围，例如，可用其它类型的滤波器或拟合技术确定补偿值而不背离本发明的范围与精神。本发明可用硬件、软件或它们的组合来实施。这里参照并在图中示出的具体方框仅作示例，可以应用任意一种结构。
权利要求
1.一种补偿盘驱动器可重复偏心(RRO)误差的方法，所述盘驱动器有一在旋转盘的盘面上相对于道使头定位的伺服环路，其特征在于该方法包括下述步骤(a)从盘面检索表示头相对于道的位置的伺服位置值；(b)从ZAP值表中检索补偿(ZAP)值；和(c)用ZAP值补偿所述伺服位置；(d)其中ZAP值的形式为ZAP(k+1)＝ZAP(k)+KΦ(z)RRO(k)，其中K是学习速率，k是迭代次数，Φ(z)是滤波器，RRO(k)为可重复偏心误差，并且满足下述不等式ρ(jω)＝|1-KΦ(jω)/(1+PC(jω))|＜1其中PC(jω)是伺服环路的开环频响特性。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述滤波器Φ(z)包括一低价滤波器。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，还包括通过将(1+PC(jω)拟合成低阶滤波器而确定该低阶滤波器而的步骤。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述拟合步骤包括以盘驱动器主轴频率的谐波测量(1+PC(jω))。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括将k选成使ρ(jω)＝|1-KΦ(jω)/(1+PC(jω))|＜1的步骤。
6.如权利要求3所述的方法，其特征在于还包括产生作为二阶滤波器函数的ZAP值的步骤。
7.如权利要求2所述的方法，其特征在于，还包括通过将开环频响特性PC(jω)拟合成低阶滤波器来确定所述二阶滤波器的步骤。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述拟合步骤包括以盘驱动器主轴频率的谐波测量开环频响特性PC(jω)。
9.如权利要求3所述的方法，其特征在于用正弦波注入试验确定(1+PC(jω))。
10.如权利要求7所述的方法，其特征在于，用正弦波注入试验确定开环频响特性PC(jω)。
11.如权利要求7所述的方法，其特征在于，还包括产生作为低阶滤波器函数的ZAP值的步骤。
12.一种存贮信息的盘驱动器，其特征在于包括适于在道上存贮数据的盘，所述道包含适于存贮用来指示位置的伺服信息的伺服字段；适于读出位于盘上的伺服信息并据此产生伺服位置信号的头，该伺服位置信号与基准信号共同产生一位置误差信号，指示该头相对于道的实际与期望位置之差；适于根据接收的位置误差信号产生伺服控制信号的伺服控制器；耦接至伺服控制器、能按所述伺服控制信号移动该头的驱动器；以下述形式向伺服控制信号提供写入可重复偏心ZAP值的补偿(ZAP)表ZAP(k+1)＝ZAP(k)+KΦ(z)RRO(k)其中K是学习速度，k是迭代次数，Φ(z)是滤波器，RRO(k)是可重复偏心误差，并且满足下述不等式ρ(jω)＝|1+KΦ(jω)/(1+PC(jω))|＜1其中PC(jω)是伺服环路的开环频响特征。
13.如权利要求12所述的设备，其特征在于，所述滤波器Φ(z)包括一低阶滤波器。
14.如权利要求13所述的设备，其特征在于，所述低阶滤波器被拟合成(1+PC(jω))。
15.如权利要求12所述的设备，其特征在于，K被选成使ρ(jω)＝|1-KΦ(jω)/(1+PC(jω))|＜1。
16.如权利要求13所述设备，其特征在于所述低阶滤波器被拟合成开环频响特性PC(jω)。
17.如权利要求13所述的设备，其特征在于，所述ZAP值是该低阶滤波器的函数。
18.一种盘驱动器，其特征在于包括一伺服环路，包括头和适于控制该头相对于道的位置的伺服控制器；和耦接至所述伺服环路用于补偿写入可重复偏心的补偿装置。
全文摘要
提出了一种盘存储系统(100),它包括用于补偿可重复偏心的伺服控制环路(232)。利用补偿值(k+1)=补偿值(k)+KФ(z)RRO(k)形式的表项来补偿可重复偏心,其中K是学习速率,k是迭代次数,Ф(z)是滤波器,RRO(k)是可重复偏心误差。另外,要满足ρ(jω)=|1－KФ(jω)/(1+PC(jω))|<1,其中PC(jω)是伺服环路的开环频响特性。滤波器可包含一个二阶滤波器。
文档编号G11B5/596GK1357139SQ99816620
公开日2002年7月3日 申请日期1999年12月29日 优先权日1999年5月7日
发明者毕强, K·A·戈麦司, 陈阳泉, K·K·奥意 申请人:西加特技术有限责任公司