专利名称：用于在传动装置饱和时维持伺服稳定性的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及磁盘驱动器。本发明尤其涉及伺服系统。
背景技术：
在计算机磁盘驱动器中，数据是存储在同心磁道中的计算机磁盘上的。在磁道密度相对较高的磁盘驱动器中，采用伺服反馈环在读或写操作时期将磁头保持在所需的磁道上。这是通过将伺服信息预先记录在专用的伺服磁盘或沿磁盘分布的扇区上来实现的。在磁道跟踪时期，由磁头感知的伺服信息被解调，生成位置误差信号(PES)，该信号指出磁头与磁道中心之间的距离。然后，PES被转换成传动装置控制信号，用于控制使磁头定位的传动装置。
历史上，仅采用一个传动装置(通常是音圈马达)来确定磁头的位置。最近，人们建议，采用微传动装置与音圈马达组合来为磁头定位。由于这些装置较小，这种微传动装置的频率响应通常要比音圈马达的频率响应好。这样，它们就能更好地跟随高频控制信号。
虽然微传动装置的频率响应要比音圈马达的频率响应好，但是，它们的运动范围却受到很多限制。当微传动装置达到其运动范围的极限时，微传动装置的控制信号的增加不会导致微传动装置有任何更多的运动。在这些条件下，微传动装置被称作“达到饱和”。
当微传动装置在伺服环中饱和时，会产生两个问题。首先，由于伺服环的稳定性是根据微传动装置响应的内涵来设计的，因此，当微传动装置饱和时，会使整个伺服环变得不稳定。其次，对应于微传动装置的传动装置控制器通常包括某种形式的过去状态反馈。当微传动装置不能移到由控制器设置的位置时，存储在控制器中的过去状态不再与磁头的运动有联系。甚至在控制器的输入降落到使微传动装置饱和的某一值以下之后，过去状态的这种差异也会影响控制器的性能。由过去状态差异导致的误差称作“终结(windup)”。
现有技术的系统一直试图通过修改微传动装置和音圈马达控制器的增益来避免不稳定性和终结。虽然这些系统可以防止微传动装置饱和，但是，它们会降低伺服环的总体性能，因为它们会使微传动装置对不会使微传动装置饱和的控制信号的响应减弱。
这样，需要一种伺服系统来防止与微传动装置饱和有关的不稳定性和终结，但又不影响微传动装置不饱和时的伺服环性能。
发明概要本发明提供了一种方法和装置，用于将磁头定位在磁盘驱动器中的磁盘上，同时保持伺服环的稳定性。该装置包括具有一个大传动装置和一个微传动装置的传动装置一磁头组件，该大传动装置和微传动装置都能够使磁头在磁盘上移动。抗终结补偿部件检测微传动装置控制器何时产生将使微传动装置饱和的微传动装置控制值。采用微传动装置控制值，抗终结补偿部件产生饱和跟踪误差信号。然后，求和部件将根据磁头在磁盘上的位置而产生的位置值与该饱和跟踪误差信号结合起来，形成屏蔽微传动装置饱和的位置误差值。
附图简述
图1是可以实现本发明各个方面的磁盘驱动器的透视视图。
图2是现有技术伺服环的方框图。
图3是具有本发明抗终结补偿的伺服环的方框图。
图4是饱和运算器的转换函数图。
图5是减少伺服环中终结的流程图。
图6是现有技术伺服环的扰动加速函数的位置误差图。
图7是本发明伺服环的扰动加速函数的位置误差图。
详细描述图1是本发明采用的磁盘驱动器100的透视图。磁盘驱动器100包括一个具有基座102的外壳，以及一个顶盖(未示出)。磁盘驱动器100还包括磁盘组106，该磁盘组通过磁盘夹108安装在转子马达(未示出)上。磁盘组106包括多个磁盘，这些磁盘安装用于围绕中心轴109一起旋转。每个磁盘表面都有一个相关的磁盘磁头滑块110，它被安装在磁盘驱动器100上，用于和磁盘表面进行数据交换。在图1所示的例子中，滑块110由悬挂件112支撑，而悬挂件附着于传动装置116的磁道存取臂114上。图1中所示的传动装置是一种旋转移动线圈传动装置，它包括图标为118的音圈马达(VCM)。音圈马达118使具有附着的磁头110的传动装置116围绕枢轴120旋转，以便将磁头110沿磁盘内径124与磁盘外径126之间的弓形路径122定位在所需的数据磁道上。音圈马达118根据磁头110和主计算机(未示出)生成的信号由伺服电子部件130而驱动。
图2是现有技术伺服电子部件130中伺服环202的方框图。由于伺服环的精确结构对于本发明不是很重要，因此，图中仅以简化形式示出伺服环202。本领域中的普通技术领域的人将会理解，伺服环要比图2中的简单示图要复杂。
图2中，伺服环202包括求和节点210，该求和节点接收指出磁盘上的磁头理想位置的参考信号(REF)。如下所述，求和节点210将参考信号与位置值结合起来，以产生提供至数字控制器204的位置误差信号。数字控制器204包括音圈马达控制器206和微传动装置控制器208，它们都接收位置误差信号。音圈马达控制器206根据该位置误差信号产生数字控制值，该值被提供至传动装置磁头组件214中的音圈马达212。同样，微传动装置控制器208产生数字控制值，该值被提供至传动装置磁头组件214中的微传动装置216。
这些控制值使音圈马达212和微传动装置216移动，从而改变了磁头在磁盘上的位置。具体说来，磁头的移动是由音圈马达引起的磁头移动和由微传动装置引起的磁头移动的总和。该求和效果由图2中的求和节点218表示。
磁头使用存储在磁盘上的伺服式样来生成模拟信号，该模拟信号指出从磁头到磁道中心的距离。该模拟信号在组件214内转换成数字信号，并将该数字信号y反馈到求和节点210。然后，求和节点210从参考信号中减去该数字信号，以产生位置误差信号(PES)。
图2中的伺服环的闭环增益由以下公式表示
其中，Hloop(z)是伺服环的闭环增益，“Kvcm(z)”和“Kpzt(z)”分别是音圈马达控制器206和微传动装置控制器208的离散时间转换函数，“Gvcm(z)”和“Gpzt(z)”是音圈马达212和微传动装置216的离散时间转换函数。
伺服环的稳定性由公式1的分母确定。因此，稳定性取决于微传动装置“Gpzt(z)”的转换函数。在设计过程中，设计者一般认为，不管提供给微传动装置的控制信号的数值如何，微传动装置的转换函数都将相同。但是，构成大多数微传动装置的压电电晶体受到一些限制。这样，当控制信号超过极限时，微传动装置的转换函数突然发生变化。具体说来，转换函数改变，使得控制信号的数量的进一步增加不会导致微传动装置移动。当微传动装置受到驱动但作出响应却超出其能力范围的时候，这被称作“处于饱和状态”。
由于伺服环的稳定性取决于微传动装置的转换函数，因此，微传动装置的转换函数的突然变化会导致伺服环变得不稳定。这样，当微传动装置变成饱和时，整个伺服环会出现不稳定。
此外，控制器通常包括状态信息，使控制器受伺服环的过去状态的影响。当微传动装置没有对其控制信号作出全面的响应时，存储在控制器中的过去状态不再与磁头的运动有精确的联系。这样，控制器状态在饱和时有偏移。甚至在微传动装置离开饱和状态之后，有偏移的过去状态仍然保留在控制器中一段时间，并对控制器的性能有负面的影响。这个情况经常被称作“终结”。
解决终结的一种方法是把微传动装置控制器设计成不会驱使微传动装置进入饱和状态，即使当发生扰动事件(例如，旋转振动)时也是如此。但是，为了实现这一点，必须对控制器的设计加上额外的限制。此外，用这种方法来改变微传动装置控制器所产生的转换函数，以便即使当不存在扰动事件时，伺服环的性能也会受到影响。
图3是本发明的伺服环301的方框图，该伺服环防止微传动装置出现饱和，而无须对微传动装置控制器进行额外的限制，也不会全面影响伺服环的性能。图3中，求和节点300将参考值r(k)与被修改的反馈值yc(k)组合起来，这在下文会作进一步的描述。求和节点300的输出是位置误差值303，该值被提供至数字控制器306中的音圈马达控制器302和微传动装置控制器304。音圈马达控制器302根据该位置误差值产生音圈控制值Uvcm(k)，该值被提供至传动装置磁头组件310中的音圈马达308。同样，微传动装置控制器304根据该位置误差值而产生微传动装置控制值Upzt(k)。
微传动装置控制值并非直接被提供至微传动装置，相反，该控制值通过饱和运算器312，它代表微传动装置因饱和而产生的非线性特性。具体说来，饱和运算器312提供饱和控制值USpzt，它被表示为 式中，USpzt是饱和运算器312的输出，Upzt是到饱和运算器312的输入，Uh是微传动装置饱和时的正临界饱和值，U1是微传动装置饱和时的负临界饱和值。这种关系示于图4中，其中，纵轴400表示USpzt，横轴402表示Upzt。
饱和运算器312的输出被提供至传动装置磁铁组件310的微传动装置314。微传动装置314根据这个被修改的控制信号来移动磁头。如图3中的求和节点316所示出的那样，该运动与由音圈马达308产生的运动组合起来。磁头在其新的位置产生位置值，该位置值被输出到伺服固件(未示出)，并被反馈到求和节点318。
求和节点318还接收磁头位置的计算偏差(跟踪误差)δyaw(k)，它是由微传动装置的饱和引起的。这个计算偏差是由抗终结补偿器320根据提供至饱和运算器312的命令值和饱和运算器312的输出之间的差Δpzt(k)产生的。图3中，该差值是由求和节点322形成的。
在大多数实施例中，抗终结补偿器320模仿微传动装置314的转换函数，从而抗终结补偿器320的输出表示微传动装置还没有饱和时，磁头将会移动的距离。节点318处的求和运算的净效果是隐藏因来自控制器的微传动装置饱和而导致的设备性能的退化。通过隐藏该退化，补偿器320能够防止终结，并能够进一步使伺服环在稳定的范围内操作。
饱和时，通过检查输出位置值y(z)，可在数学上看到补偿器320的各种效果。从图3中，可以看到y(z)=e(z)·[Kvcm(z)·Gvcm(z)+Kpzt(z)·Gpzt(z)]-Gpzt(z)Δpzt(z)]]>公式3其中，e(z)是离散时间信号e(k)的z转换，该信号由求和节点300输出并定义为 并且，Kvcm和Kpzt分别是音圈控制器和微传动装置控制器的转换函数，Gvcm(z)和Gpzt(z)分别是音圈和微传动装置的转换函数， 是抗终结补偿器的转换函数，r(z)是参考信号的z转换，Δpzt(z)是饱和控制运算器的输入与输出之间的差的z转换。
公式3和公式4可以组合起来并改写为 其中Q(z)＝Kvcm(z)·Gvcm(z)+Kpzt(z)·Gpzt(z) 公式6如果抗终结补偿器精确模仿微传动装置，则 ，并且公式5简化为 注意，公式7的右边第一项代表没有饱和以及没有抗终结补偿时的伺服环闭环反应。由于闭环响应被设计成在不饱和的状态下保持稳定，因此，该项表示稳定的值。还要注意的是，当微传动装置没有受驱动而进入饱和状态时，右边第二项是0。换言之，当不存在饱和条件时，抗终结补偿器被有效地与驱动器控制器分离。这样，当微传动装置以正常方式进行工作时，伺服环的响应不受抗终结补偿器的影响。这代表它比现有技术的抗终结系统更优越。在现有技术中，即使当微传动装置以正常方式工作，抗终结系统也会影响伺服环的响应。
当来自微传动装置控制器的控制信号在饱和点处增加时，公式7右边第二项也增加。这表示磁头定位的误差。换言之，右边第二项表示伺服系统失去了对磁头进行跟踪的量。注意，虽然跟踪性能在饱和时受到妨碍，但仍保存伺服环的稳定性。还要注意，虽然伺服环没有进行跟踪，但是，伺服固件继续接收有关磁头位置的精确数据。这样，如果磁头离开磁道太远，固件可以延缓读或写操作。
在一种实施例中，抗终结补偿器的驱动器控制器使用16位状态空间的定点运算来实现，该16位状态空间保证量化误差小于1LSB。数字溢出由控制器状态的适当的闭环定标(scaling)来防止，采用第三个序列(order)模型来表示抗终结补偿器中的微传动装置。具体说来，可以生成该模型的状态矩阵，将测得的微传动装置的所测量的转换函数提供给合适的控制软件，例如，MATLAB(可从马萨诸塞州的Natick的Mathworks公司获得)。
图5是本发明一种实施例抗终结补偿方案方法的流程图。在图5的步骤500中，通过将扇区或样品计数、k、控制器输出和饱和运算器的输出设置成0，使系统初始化。在步骤502，在伺服环输出处测量位置值y(k)。
在步骤504中，根据微传动装置控制器Upzt(k)的输出，确定饱和运算器的输出USpzt(k)。在步骤506中，确定饱和运算器的输出与微传动装置控制器的输出之间的差。然后，在步骤508中，采用该差值Δpzt(k)来确定跟踪误差δyaw(k)，采用具有下述形式的离散时间滤波器(discrete time filter) 其中，xaw(k)是内部状态变量， 和 是 的状态空间结构，其遵循以下关系 在步骤508中已计算了跟踪误差以后，所修改的位置值yc(k)在步骤510中被计算为yc(k)＝y(k)+δyaw(k)公式11在步骤512中，用下式来确定音圈马达控制值Uvcm(k)和微传动装置控制值Upzt(k) 其中，xcont(k)是内部状态变量，Acont、Bcont、Ccont和Dcont是设备模型的状态空间结构，它遵循以下关系
其中，Kpzt，vcm(z)是微传动装置控制器和音圈马达控制器的组合转换函数。
在步骤514中，通过将k增加到k+1，系统递增到下一个伺服样品或扇区。
图6是作为由现有技术伺服环产生的旋转加速度函数的位置误差图。以微英寸表示的位置误差示于纵轴610，以弧度/平方秒表示的旋转加速度示于横轴612。样品(例如，样品600、602、604和606)由小x表示，并表示由伺服环产生的、驱动器中对应的旋转扰动的位置值y(k)。线段608表示旋转扰动使伺服环因微传动装置饱和而不稳定时的点。
图7是作为由具有抗终结补偿的本发明伺服环产生的旋转加速度的函数的位置误差图。以微英寸表示的位置误差示于纵轴710，以弧度/平方秒表示的旋转加速度示于横轴712。样品(例如，样品700、702、704和706)用小x表示，并表示由伺服环产生的、驱动器中对应的旋转扰动的位置值y(k)。线段708表示旋转扰动使伺服环不稳定时的点。
通过比较图6和图7，可以得到本发明的性能特征。具体说来，可以发现，在现有技术中，伺服环在加速度大致为9弧度/秒2时变得不稳定。但是，在本发明中，在加速度达到21弧度/秒2之前，伺服环不会发生不稳定的情况。这样，本发明的伺服环是不可能在不丧失稳定的前提下，来处理现有技术的扰动达两次以上的。
总之，本发明提供了一种将磁头110定位在磁盘106上的磁盘驱动器100的伺服环310，并且同时保持伺服环的稳定性。伺服环310包括具有大传动装置308和微传动装置314的传动装置磁头组件310，该大传动装置和微传动装置都能够使磁头110移动。磁头110根据该磁头在磁盘上的位置来产生位置值y(k)。
微传动装置控制器304产生微传动装置控制值Upzt(k)，用于根据位置误差值303来驱动微传动装置。耦合到微传动装置控制器304的抗终结补偿部件312、322、320根据传动装置控制值，产生饱和跟踪误差δyaw(k)。然后，求和部件318、300将至少来自磁头的位置值和饱和跟踪误差组合起来，形成位置误差值303。
本发明的方法确定伺服环301中的位置误差值303，该伺服环具有传动装置314、磁头110和磁盘106。该方法包括根据磁头110在磁盘106上的位置，产生位置值y(k)。然后，产生传动装置控制值Upzt(k)，并检查该值以判断它是否大于传动装置314的临界饱和值Uh、U1。然后，根据传动装置控制值超过该临界饱和值的量来产生跟踪误差δyaw(k)。部分根据位置值和跟踪误差来产生位置误差值。
不言而喻，即使本发明的各种实施例的许多特征和优点已在前文中陈述过，该揭示也只是起说明性的作用，特别是在本发明的原则和所附中各项条款的广义的范围内，可以在各部分的结构和安排上进行详细的修改。例如，在不脱离本发明的范围和精神的前提下，抗终结补偿器可以在硬件(而非软件)中执行。还可以进行其他的修改。
权利要求
1.一种磁盘驱动器中的伺服环，用于将磁头定位在磁盘上，同时维持伺服环的稳定性，其特征在于，所述伺服环包括包含磁头、大范围传动装置和微传动装置的传动装置磁头组件，所述大范围传动装置和所述微传动装置都能够使所述磁头在所述磁盘上移动，并且所述磁头能够根据其在所述磁盘上的位置来产生一个位置值；微传动装置控制器，它能够产生微传动装置控制值，用于根据位置误差值来驱动所述微传动装置；耦合到所述微传动装置控制器的抗终结(anti-windup)补偿部件，它能够根据所述微传动装置控制值来产生饱和跟踪误差；以及，求和部件，它能够将至少来自所述磁头的位置值和所述饱和跟踪误差结合起来，以形成提供给所述微传动装置控制器的位置误差值。
2.如权利要求1所述的伺服环，其特征在于，所述抗终结补偿部件包括一个饱和运算器，所述饱和运算器接收所述微传动装置控制值并选择和提供饱和控制值，所述饱和控制值是通过将所述传动装置控制值的数量与相同极性的临界饱和值的数量相比较并选择数量较小者作为饱和控制值来选择的。
3.如权利要求2所述的伺服环，其特征在于，所述抗终结补偿部件还包括接收所述微传动装置控制值和所述饱和控制值的差节点(different node)，所述差节点产生一个差值，所述差值代表所述传动装置控制值与所述饱和控制值之间的差。
4.如权利要求3所述的伺服环，其特征在于，所述抗终结补偿部件还包括一个微传动装置模型，所述微传动装置模型模仿所述微传动装置的转换函数(function)，并根据所述差值来产生饱和跟踪误差。
5.如权利要求2所述的伺服环，其特征在于，所述饱和控制值被提供至微传动装置，以便驱动所述微传动装置。
6.一种确定具有传动装置、磁头和磁盘的磁盘驱动器伺服环中位置误差值的方法，其特征在于，它包括以下步骤(a)根据所述磁头在所述磁盘上的位置来产生一个位置值；(b)产生一个传动装置控制值；(c)根据所述传动装置控制值超过某一临界饱和值的数量来产生一个跟踪误差；以及，(d)部分根据所述位置值和所述跟踪误差来产生所述位置误差值。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，产生跟踪误差包括以下步骤(c)(1)通过在包含所述传动装置控制值和与所述传动装置控制值具有相同极性的临界饱和值的一组值中，选择最小的数量值，来产生一个饱和控制值；(c)(2)从所述传动装置控制值中减去所述饱和控制值，来产生一个差值；以及(c)(3)根据所述差值来产生所述跟踪误差。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，产生所述跟踪误差还包括将所述差值作为输入提供给一个模型，所述模型具有作为所述传动装置的一项类似的转换函数，所述模型的输出提供所述跟踪误差。
9.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述传动装置是一个微传动装置。
10.一种将信息存储到磁盘上的磁盘驱动器，其特征在于，它包含与磁头耦合的传动装置，所述传动装置能够根据由传动装置控制器产生的控制值，使所述磁头移动到所述磁盘上的不同位置；与所述传动装置控制器和所述传动装置耦合的抗终结补偿装置，它能够减少因传动装置饱和而引起的终结。
全文摘要
本发明提供了一种确定磁头(110)在磁盘驱动器(100)中磁盘(106)上的位置同时保持伺服环稳定性的方法和装置。该装置包括具有大传动装置(308)和微传动装置(314)的传动装置—磁头组件(310),该大传动装置和微传动装置都能够使磁头在磁盘上移动。抗终结补偿部件(312、322、320)检测微传动装置控制器(304)何时产生使微传动装置(314)饱和的微传动装置控制值。该抗终结补偿部件使用微传动装置控制值来产生饱和跟踪误差信号δy
文档编号G11B5/596GK1367920SQ99816761
公开日2002年9月4日 申请日期1999年12月27日 优先权日1999年6月24日
发明者S·米特尔, J·C·莫里斯 申请人:西加特技术有限责任公司