为磁盘驱动器设计最佳振动隔离支架的方法

专利名称：为磁盘驱动器设计最佳振动隔离支架的方法
技术领域：
该项发明是面向存储信息的磁盘驱动器，尤其是面向一种识别使磁盘驱动器干扰影响最小化的最佳受迫阻尼支架特性的方法。此发明也可应用于识别为伺服磁道写入器(writer)最小化写入径向偏差(written-in-runout)的支架参数。
背景技术：
影响磁盘驱动器工作有两种干扰内部干扰和外部干扰。内部干扰的例子包括磁头/磁臂组件由于旋转的磁盘而遇到的空气阻力、位置差错信号中的噪声(PES)、磁盘的结构谐振、致动器组件(包括音圈电机、致动器臂和悬挂装置)的运动、磁盘组组件(包括磁盘组、主轴、驱动器电动机)的不平衡、在伺服模式中由于伺服模式写入时的干扰引起的写入溢出、非模式动力和非线性如枢轴方位摩擦力，以上只提到了干扰的一小部分。外部干扰包括环境(地震)扰动和对于内部干扰的外部反作用。此外，在伺服写入时的环境振动不利地来影响伺服模式的布局，就引起了在伺服模式中写入磁盘的写入溢出。
当磁盘遭受干扰时，与面对磁盘相联系的读/写头的径向位置就可能受影响。因此，这样的干扰不利地影响磁头/磁盘的寻址。正是由于这个原因，磁头和磁盘上的数据磁道都有一些规定的宽度，这个宽度要足够大以至于确信由于干扰引起的预期运动本质上不影响磁盘驱动器的性能。因此，干扰的影响是关于磁盘驱动器的最大面数据密度的限制因素。当受迫阻尼支架用来削弱这些干扰时，由于无法充分地折衷满足削弱外部和内部干扰的互相对抗的要求时，它们不会都一起成功。
该项发明就是针对这些和其它的问题，并给予了超越现有技术的其它优势，这是为了磁盘驱动器最小化外部和内部干扰的不利影响的通过提供一种识别受迫阻尼支架的最佳阻尼特性的方法而带来的。
在此发明的另一个较佳形式中，状态估算量是卡尔曼滤波器，它的增益H是由∑(I0)’Θ-1计算得来的。最佳支架阻尼参数B和最佳支架刚度参数K是从H=M-1BM-1K]]>导出。
附图简述

图1是一个磁盘驱动器的透视图，该项发明的各方面都可以在驱动器上实现。
图2是说明该项发明原理的弹性阻尼模型的示意图。
图3是说明受迫振动隔离的基本折衷的波特图。
图4是说明在识别磁盘驱动器的最佳受迫支架系统中所采取步骤的流程图。
图5和图6是说明表示音圈电机转矩的一阶马尔可夫过程和外部地面振动干扰的功率谱密度的曲线图，这些图在解释该发明的某些方面是有用的。
图7和图8分别是磁盘驱动器在支架参数作用下运动的曲面图和等高线图。这些图在解释该发明的某些方面有用的。
实施例具体描述虽然该项发明说明与磁盘驱动器有关，但此发明的原理也可用于光盘驱动器、伺服磁道写入器和旋转台。因此，虽然本发明的说明和确定磁盘驱动器的最佳阻尼有关，本发明也可以应用于确定伺服磁道写入器、旋转台和光盘驱动器的最佳阻尼要求。
图1是磁盘驱动器100的透视图，在其中该项发明是很有用的。磁盘驱动器100包括有基座102和顶盖(没有显示)的外壳。磁盘驱动器100还包括磁盘组106，它被一个磁盘夹108装在了主轴电动机(没有显示)上。磁盘组106包括多个独立的磁盘，它们放置在一起能够围绕主轴电机的中心轴109共同旋转。每个磁盘表面都有个相联系的磁盘滑动触头110，它放置在磁盘驱动器100中使其能与相对应磁盘表面进行通信。滑动触头110包括悬空安放在与磁盘组106中的各个单独磁盘相关联的磁盘表面上飞行的滑块结构和用来向相对应磁盘表面的同心磁道写进数据及从它们中读出数据的传感头。在图1所示的例子中，滑动触头110被悬臂112所支撑，悬臂依次附着在一个致动器116的轨道访问臂114上。致动器116由一个音圈电机(VCM)驱动使致动器和它所附的滑动头110围绕主轴120旋转。致动器116的旋转使滑动头沿着一条弓形轨迹122移动，把滑动头定位在磁盘内径124和外径126之间的期望数据磁道上。音圈电机(VCM)118是由包括在电路板130上的伺服电子电路根据由滑动头110和主计算机(没有显示)产生的信号所驱动的。读写电子电路也被包括在电路板上，它们用来根据由滑动触头的读取头从磁盘组106读出的数据把信号提供给主计算机，并且把写信号提供给滑动触头的写入头来把数据写进磁盘。
受迫振动支架132支撑磁盘驱动器100的基座102。如箭头134所说明的，支架132使驱动器与地面振动隔离。支架的刚度减小，会得到更好的地面振动衰减。例如，伺服磁道写入器和旋转台经常被有低至2Hz的隔离自然频率的气动支架隔离。如此软的隔离支架会削弱由于非常低的频率下的振动干扰引起的外部振动。然而，由于内部产生的干扰如由音圈电机118产生的反作用力136(VCM转矩)和主轴的109不平衡产生的反作用力138，软隔离支架无法削弱误差运动。通常由这些干扰所引起的误差运动可由硬支架削弱的。因此，外部和内部的振动源都对磁盘驱动器的误差运动有冲突的影响，使得受迫振动支架对一个源的削弱引起对另一个源的增强。
图2是说明隔离一质量M，如磁盘驱动器10的原理的弹性阻尼模型。外部干扰134如地面振动，都用x0表示，作用于支撑质量M的平台P上，而内部干扰136、138，统一用fd表示，直接作用在质量M上。六维干扰力矢量fd模拟内部干扰如磁盘组的不平衡138和VCM转矩136。六维外部干扰矢量x0模拟磁盘驱动器所受的地面振动134。由离散隔离体支撑的刚体的运动等式可写为Mx··+Bx·+Kx=Bx·0+Kx0+fd,........(1)]]>在这里x是包含六个刚体自由度的六维矢量，M是质量/惯性矩阵，B是阻尼矩阵，而K是刚度矩阵，X0是外部干扰的六维矢量，fd是内部干扰的六维矢量。通过拉普拉斯变换和其他代数处理，转移函数 可表示为X··(s)=(Ms2+Bs+K)-1Ms2(M-1Fd(s))+(Ms2+Bs+K)-1(Bs+K)X··0(s)]]>=P(s)(M-1Fd(s))+Q(s)X··0(s),......(2)]]>在这里，和反馈控制术语相一致，P(s)是灵敏度函数，Q(s)是互补灵敏度函数。这些转移函数矩阵相加为单位矩阵I，所以P(s)+Q(s)＝I. (3)这个关系证明了基本的折衷——在外部和内部干扰两方面都有理想的削弱是不可能的。图3是P(s)和Q(s)转移函数对单一自由度系统的波特图，它证明了改进外部干扰的削弱带来了内部干扰削弱的损失且反之亦然。只是由于受迫振动隔离所带来的基本折衷。本发明面向一种最佳折衷处理来识别受迫阻尼支架的最佳刚度和阻尼。
本发明使用了状态估算量，如卡尔曼滤波器，它是用于最小化状态估算差错的平方范数的一个最佳的状态估算量，这个标准是对于受到过程干扰和传感器噪声的系统的。当这些干扰和噪声源作为白噪声过程作用时，卡尔曼滤波器提供了对于状态估算量的最佳解答。当内部和外部干扰可被模拟成白噪声过程时，本发明就面向了像卡尔曼滤波器问题一样的受迫支架参数的设计(也就是刚度和阻尼)。磁盘驱动器的最佳支架综合是计算成通用卡尔曼滤波器问题的形式的，它把设备(磁盘驱动器100)用如下形式表示成双重积分器x·(t)x··(t)=0I00x(t)x·(t)+0M-1fd(t)]]>y(t)=I0x(t)x·(t)+x0(t)........(4)]]>在这里M是磁盘驱动器质量的惯性矩阵，fd(t)和x0(t)都被假定为独立的、高斯的、零均值白噪声过程。把以上等式(4)用通用卡尔曼滤波器问题的形式表示为x·(t)=Ax(t)+Lfd(t),]]>y(t)＝Cx(t)+x0(t)， (5)其中A是矩阵 L是矩阵 且C是矩阵(I 0)。这样，卡尔曼滤波器[A，L]是稳定的(或可控的)以及[A，C]可检测的(或可观测的)这些需要都满足了。
外部干扰的协方差是外部干扰强度矩阵Ξ和狄拉克δ函数δ(t-τ)的乘积，而内部干扰的协方差是内部干扰强度矩阵Θ和狄拉克δ函数δ(t-τ)的乘积
E{(fd(t)fd′(t)＝=Ξ(t-τ)，其中Ξ＝Ξ’＞0E{x0(t)x0′(t)＝Θ(t-τ)， 其中Θ＝Θ’＞0 (6)在卡尔曼滤波器问题中，代价函数J是状态估算量误差方差E 的总和，它可最小化为J=EΣi=1nx~i2(t).........(7)]]>把卡尔曼滤波器算法应用于确定磁盘最佳支架参数的问题中，误差运动状态矢量(磁盘100质量的位移和速度)被最小化了。
如果∑表示状态运动误差的平稳协方差矩阵，也就是Σ=E{x~(t)x~′(t)},]]>那么方程(7)的代价函数J可以表示为J＝tr[∑]。
卡尔曼滤波器为受到外部干扰x0和内部干扰fd的系统预测状态运动误差 的最小平方范数。卡尔曼滤波器等是由以下给出x·^(t)=Ax^(t)+H[y(t)-Cx^(t)]]]>y^(t)=Cx^(t),.........(8)]]>在这里H是卡尔曼滤波器的增益H＝∑C′Θ-1(9)得到协方差矩阵∑是作为滤波器代数Riccati方程(FARE)唯一的对称的至少是半正定的解答的A∑+∑A′+LΞL′-∑C′Θ-1C∑＝0． (10)对于受迫支架综合问题，卡尔曼增益H可用参数表示为H=M-1BM-1K,..........(11)]]>在这里B和K是最佳支架阻尼和刚度矩阵。
本发明的过程是按照图4的流程图执行的。在步骤200得到磁盘驱动器100的惯性矩阵M。在步骤202中，内部干扰x0用强度矩阵Ξ模拟成一个白噪声过程，而外部干扰fd用强度矩阵Θ模拟成一个独立的白噪声过程，在这里Ξ和Θ可表示为Ξ=E{fd·fd′}]]>和Θ=E{x0·x0′}.]]>在步骤204中，卡尔门滤波器问题由滤波器方程x·(t)x··(t)=0I00x(t)x·(t)+0M-1fd(t)]]>y(t)=I0x(t)x·(t)+x0(t).........(12)]]>确定。
卡尔曼滤波器的协方差矩阵在步骤206中由0I00Σ+Σ0I00′+0M-1Ξ0M-1′-ΣI0′Θ-1I0Σ=0......(13)]]>计算而得。卡尔滤波器的增益H在步骤208用等式(9)、∑的值和在步骤202和206确定的Θ以H＝∑(I 0)′Θ-1形式计算而得。在步骤210中，从方程(11)可求解出支架阻尼矩阵B和刚度矩阵K的值，从而可以确定磁盘驱动器的最佳振动隔离支架系统了。
举例本发明的方法应用于西加特技术有限公司的Model x15 Cheetah 9LP磁盘驱动器。磁盘驱动器的转动惯性被测得为2.47gm-in2。由于音圈电机的运动和轴不平衡导致的内部干扰用白噪声过程模拟。外部干扰用国际标准组织(ISO)对于地面振动和其它计算机设备的运动的标准来近似。
由于主轴109(图1)的不平衡导致的内部干扰符合高阶谐波的一个单一频率而且可以直接从驱动器设计和性能中模拟。当音圈电机118的运动刺激了更宽范围的频率时，为了现在的例子仅由音圈电机运动产生的激励才被考虑在内。由音圈电机产生转矩干扰的分布被模拟为一个一阶马尔可夫过程，这个过程由下式给出τxx(ω)=2βσ2ω2+β2.......(14)]]>更特别的是，在典型寻道期间音圈电机转矩分布的功率谱密度(PSD)被确定了，而与PSD分布接近匹配的一阶马尔可夫过程也得到了。图5就说明了这个。可以发现马尔可夫参数β＝200Hz、σ＝10nm是很好地符合寻道分布的功率谱密度的。
外部干扰(也就是地面振动和底盘中其他部件的运动)通过对计算机设备的ISO标准的近似来模拟。如图6所示，使一阶马尔可夫过程的功率谱密度与外部干扰的功率谱密度分布图相匹配。选择马尔可夫参数β＝10Hz和σ＝1500e-9弧度得到与ISO标准很好地符合。
为了这个例子，代表音圈电机转矩和外部振动的功率谱密度的频率整形都被忽略了。实践中，在使用推导卡尔曼滤波器方程中对白噪声过程的整形滤波器时频率整形可以被考虑或者也可被忽略。忽略代表这个例子功率谱密度的频率整形不会导致在精确度上大的损失，这是因为它们都有相似的频率分布(带限白噪声)。
对磁盘驱动器计算卡尔曼增益(图4的步骤208)在质量归一化的形式中得到结果，也就是在θz旋转方向上磁盘驱动器的自然频率和阻尼。图7显示了在θz方向上的磁盘驱动器100运动变化的曲面图，该图说明了最优化问题的凸性。图8说明了从中识别最佳支架参数的等高线图。从图8中可以看出，梯度中心确定了最佳自然频率为325Hz以及最佳阻尼为0.707 最佳阻尼是特别引起注意的，这是因为在复S平面上Butterworth模式中的极点所处的卡尔曼滤波过程是典型的。
图8的等高线图证明了阻尼在最小化旋转振动引起的误差运动中起了重要的作用。当阻尼是可忽略时，刚性安放在底盘上的磁盘驱动器产生高的自然频率引起磁道寄存中的问题。这样的磁盘驱动器的工作点是在图8的左上角，在这里梯度很高，等高线图中的闭合线可以证明。本发明规定的得到高阻尼比的有效的阻尼机械装置可能包括非线性阻尼原理比如库仑摩擦。
这样本发明就提供了一种为磁盘驱动器100设计最佳振动支架132的方法。在步骤202中计算磁盘驱动器上外部干扰134的模型Ξ，计算磁盘驱动器中外部干扰136、138的模型∑。在步骤200中确定磁盘驱动器一个惯性矩阵M。在步骤204中根据惯性矩阵M和外部内部干扰矩阵模型Ξ和Θ确定状态估算量。选择状态估算量最小化平方范数状态估算误差。在步骤208中根据零矩阵误差(步骤206)计算状态估算量的增益。在步骤210中从计算后的增益和惯性矩阵中得到最佳支架阻尼B和刚度K等参数。
在较佳实施例中，首先得到状态估算量的增益H，这是通过在步骤206中根据对滤波器代数Riccati方程(FARE)0I00Σ+Σ0I00′+0M-1Ξ0M-1′-Σ0I′Θ-10IΣ=0,(15)]]>的一个解答计算协方差矩阵∑以及通过在步骤208中根据协方差矩阵∑、外部干扰矩阵模型Ξ和内部干扰矩阵模型Θ计算该状态估计量。在步骤210中从关系式H=M-1BM-1K]]>中得到最佳支架阻尼B和刚度K等参数。在其他最佳实施例中状态估算量是一个卡尔曼滤波器。
虽然描述本发明是涉及了为一个磁盘驱动器设计受迫振动隔离支架系统，但是熟悉本技术的人将会了解本发明也可以应用在其他需要受迫振动隔离支架的环境中。更特别的是，本发明可以用来设计光盘驱动器的最佳阻尼和刚度参数。此外，虽然本发明结合了多磁盘面的磁盘驱动器进行描述，本发明可以应用在仅有一个独立磁盘提供内部干扰的场合。
需要了解的是，即使该发明不同实施例的许多特性和优点在前述中已被阐明，加之该发明不同实施例功能的细节，这些也只是说明性的，在细节方面可能会有变化，尤其是在该项发明达到完整的原理范围内的结构方面和各部分的安排，该发明要通过各方面广泛全面的意思来说明，其中还有附加的权利要求要表述。例如，在这里描述的滤波器代数Riccati方程(FARE)在其他标准的最小化中还可能有附加的部分。除卡尔曼滤波器外，为确定最佳支架还可以使用其他状态估算量，这依靠特定应用而不离开该发明的范围和精神。不离开该发明的范围和精神也能作其他的修改。
权利要求
1.一种设计磁盘驱动器的最佳振动支架的方法包括的步骤有a)计算磁盘驱动器外部干扰模型；b)计算磁盘驱动器内部干扰模型；c)确定磁盘驱动器惯性矩阵；d)根据惯性矩阵和外部内部干扰模型确定状态估算量，以使状态估算误差的确定范数最小化；e)计算状态估算量的增益作为滤波器代数Riccati方程的解答；以及f)根据计算得到的状态估算量增益确定最佳支架阻尼和刚度参数。
2.按权利要求1所述的方法，其特征在于步骤(e)包括e1)根据滤波器代数Riccati方程的解答计算协方差矩阵，以及e2) 根据协方差矩阵计算状态估算量增益。
3.按权利要求1所述的方法，其特征在于步骤(e)的执行可以通过(e1)从滤波器代数Riccati方程的解答中计算协方差矩阵∑，该方程的形式是0I00Σ+Σ0I00′+0M-1Ξ0M-1′-Σ0I′Θ-10IΣ=0,]]>在这里M是惯性矩阵，Θ是内部干扰矩阵，Ξ是外部干扰矩阵，以及(e2)从H＝∑(I0)’Θ-1中计算状态估算量增益H。
4.按权利要求3所述的方法，其特征在于步骤(f)的执行可以通过f1)从H=M-1BM-1K]]>解出B和K，以及f2)对B设定最佳支架阻尼矩阵，对K设定最佳支架刚度矩阵。
5.按权利要求1所述的方法，其特征在于状态估算量是卡尔曼滤波器。
6.按权利要求5所述的方法，其特征在于步骤e)包括e1)根据滤波器代数Riccati方程的解答计算协方差矩阵，以及e2)根据协方差矩阵和惯性矩阵计算卡尔曼滤波器增益。
7.按权利要求6所述的方法，其特征在于步骤(e)的执行可以通过(e1)从滤波器代数Riccati方程的解答中计算协方差矩阵∑，该方程的形式是0I00Σ+Σ0I00′+0M-1Ξ0M-1′-Σ0I′Θ-10IΣ=0,]]>在这里M是惯性矩阵，Θ是内部干扰矩阵，Ξ是外部干扰矩阵，以及(e2)从H＝∑(I0)’Θ-1中计算卡尔曼滤波器增益H。
8.按权利要7所述的方法，其特征在于步骤(f)的执行可以通过f1)从H=M-1BM-1K]]>解出B和K，以及f2)对B设定最佳支架阻尼矩阵，对K设定最佳支架刚度矩阵。
全文摘要
一个磁盘驱动器(100)的最佳振动支架(132)是通过计算磁盘驱动器的外部E和内部Θ干扰模型以及确定惯性矩阵M而设计的。状态估算量比如卡尔曼滤波器是根据惯性矩阵和外部内部的干扰模型所确定的，而协方差矩阵∑是根据滤波器代数Riccati方程得到的。状态估算量增益H由∑(I0)’Θ
文档编号G05B13/04GK1408116SQ00816652
公开日2003年4月2日 申请日期2000年8月30日 优先权日1999年10月28日
发明者P·K·苏布拉赫曼洋 申请人:西加特技术有限责任公司