在电力故障期间采用相位偏移从主轴电机生成电力的数据存储装置的制造方法
【专利摘要】本申请涉及在电力故障期间采用相位偏移从主轴电机生成电力的数据存储装置。公开一种数据存储装置，其包括：磁盘、被配置为旋转磁盘的主轴电机和在磁盘上方被致动的磁头，其中主轴电机包括多个绕组。基于换向序列使绕组换向并将周期性驱动电压施加至每个绕组，其中周期性驱动电压包括正常操作期间的工作振幅。当电源电压降至阈值以下时，通过至少将周期性驱动电压的相位调整一相位偏移并基于相位偏移调整周期性驱动电压的振幅，将主轴电机配置成电力发电机。
【专利说明】在电力故障期间采用相位偏移从主轴电机生成电力的数据存 储装置
【背景技术】
[0001] 诸如磁盘驱动器的数据存储装置包括磁盘和连接至致动器臂的远端的磁头，其中 致动器臂通过音圈电机(VCM)围绕枢轴旋转以将磁头径向定位在磁盘上方。磁盘包括多个 径向间隔的用于记录用户数据扇区和伺服扇区的同心磁道。伺服扇区包括磁头定位信息 (例如，磁道地址），该信息通过磁头读取并通过伺服控制系统处理以在磁头逐磁道寻道时 控制致动器臂。
[0002] 图1将现有技术磁盘格式2示为包括由围绕每个伺服磁道的圆周记录的伺服扇区 6〇-6n限定的若干伺服磁道4。每个伺服扇区6,包括用于存储周期图案的前导码8和用于存储 特殊图案的同步标志10,其中周期图案允许读取信号的适当增益调整和时序同步，特殊图 案用于与伺服数据字段12符号同步。伺服数据字段12存储诸如伺服磁道地址的粗磁头定位 信息，该粗磁头定位信息用于在寻道操作期间将磁头定位在目标数据磁道上方。每个伺服 扇区6,进一步包括伺服脉冲组14(例如，N和Q伺服脉冲），以相对于彼此和相对于伺服磁道 中心线的预定相位记录这些脉冲组。基于相位的伺服脉冲14提供精细磁头定位信息，该精 细磁头定位信息用于中心线追踪并在写入/读取操作期间存取数据磁道。通过读取伺服脉 冲14生成位置误差信号（PES)，其中PES表示磁头相对于目标伺服磁道的中心线的测量位 置。伺服控制器处理PES以生成应用于磁头致动器(例如，音圈电机）的控制信号，以便在减 小PES的方向上、在磁盘上方径向致动磁头。
[0003] 磁盘2通常由主轴电机以高速旋转，使得空气轴承形成在磁头和磁盘表面之间。为 了生成使得主轴电机旋转的旋转磁场，换向控制器使用具体换向序列，将驱动信号施加至 主轴电机的绕组。现有技术磁盘驱动器通常通过测量由主轴电机的绕组生成的反电动势 (BEMF)电压的过零点频率来控制绕组的换向。现有技术磁盘驱动器还可以在电力故障期间 将主轴电机生成的BEMF电压用作电源以帮助关机操作，诸如将磁头卸载在斜坡(ramp)上。
【附图说明】
[0004] 图1示出包括由伺服扇区限定的伺服磁道的现有技术磁盘格式。
[0005] 图2A示出根据一个实施例的磁盘驱动器形式的数据存储装置，该装置包括在由主 轴电机旋转的磁盘上方被致动的磁头。
[0006] 图2B是根据一个实施例的流程图，其中当电源电压降至阈值以下时，通过调整周 期性驱动电压的相位一相位偏移并基于相位偏移调整周期性驱动电压的振幅，主轴电机被 配置成电力发电机。
[0007] 图3示出根据一个实施例的控制电路系统，其包括用于基于换向序列驱动主轴电 机的绕组的多个开关。
[0008] 图4A是根据一个实施例的流程图，其中基于相位偏移配置数模转换器(DAC)值(标 量)并且基于DAC值配置周期性驱动电压的振幅。
[0009] 图4B示出根据一个实施例、针对多个不同相位偏移的若干效率随电力生成变化的 曲线。
[0010] 图5是根据一个实施例的流程图，其中当电源电压降至最小值时，减小磁盘驱动器 的负载，诸如通过降低由被配置为在磁盘上方径向致动磁头的音圈电机消耗的电力。
【具体实施方式】
[0011] 图2A示出根据一个实施例的磁盘驱动器形式的数据存储装置，该数据存储装置包 括:磁盘16、配置为旋转磁盘16的主轴电机18和在磁盘上方被致动的磁头20，其中主轴电机 包括多个绕组。基于换向序列使绕组换向并将周期性驱动电压21施加至每个绕组，其中周 期性驱动电压包括正常操作期间的工作振幅。磁盘驱动器进一步包括控制电路系统22，其 由电源电压供电并被配置为执行图2B的流程图，其中当电源电压降至阈值以下时(框24)， 通过至少将周期性驱动电压的相位调整一相位偏移(框26)并基于相位偏移调整周期性驱 动电压的振幅(框28 )，主轴电机被配置成电力发电机。
[0012]在图2A的实施例中，磁盘16包括限定多个伺服磁道32的多个伺服扇区30〇-30ν，其 中相对于伺服磁道以相同或不同径向密度限定数据磁道。控制电路系统22处理源于磁头20 的读取信号34,以解调伺服扇区30〇-30ν并生成位置误差信号(PES)，该信号表示磁头的实际 位置和相对于目标磁道的目标位置之间的误差。控制电路系统22中的伺服控制系统使用合 适的补偿滤波器将PES滤波以生成施加至音圈电机(VCM)38的控制信号36,以便在降低PES 的方向上、在磁盘16上方径向致动磁头20,其中音圈电机(VCM)38围绕枢轴旋转致动器臂 40。伺服扇区30〇-30n可以包括任何适合的磁头位置信息，诸如，用于粗定位的磁道地址和用 于精细定位的伺服脉冲。伺服脉冲可以包括任何适合的图案，诸如基于振幅的伺服图案或 基于相位的伺服图案（图1)。
[0013]图3示出根据一个实施例的控制电路系统22,其中为了驱动换向控制器44的换向 序列，可以处理由主轴电机18的绕组生成的反电动势(BEMF)电压42。主轴控制框46可以处 理BEMF信号48，该BEMF信号可以是表示由BEMF检测器50检测的BEMF过零点的方波。换向控 制器44可以生成控制信号52,该控制信号52配置BEMF检测器50以检测由每个绕组在磁盘旋 转时生成的BEMF电压的过零点。换向控制器44还生成施加至换向逻辑56的控制信号54。在 图3的实施例中，为了利用驱动电压+V和-V驱动绕组，换向逻辑56由控制信号54配置以控制 开关58状态。换向逻辑44可以以任意合适的方式操作，诸如通过将开关58驱动为线性放大 器，其中该线性放大器将连续时间正弦电压施加至绕组。在另一个实施例中，换向逻辑56可 以使用脉冲宽度调制(PWM)(诸如，使用方波PWM、梯形PWM或正弦PWM)驱动开关58。无论如何 驱动绕组，换向控制器44生成控制信号54,使得绕组以正确周期换向，从而生成使得主轴电 机旋转的期望旋转磁场。在一个实施例中，主轴控制框46可以生成控制信号60,其控制被施 加至绕组的周期性驱动电压(连续或PWM)的有效振幅，从而控制主轴电机18的速度。
[0014]如果电力故障发生并且磁盘16正在旋转，则存在剩余动能，因为磁盘16继续旋转 主轴电机18,并且因此主轴电机18能够被转换成用于向控制电路系统22供电的电力发电机 并执行关机操作(诸如在将磁头20卸载至斜坡上之前，完成至磁盘16的当前写入操作）。在 一个实施例中，主轴电机18可以在电源电压Vpwr 62降至阈值以下（例如，由于电力故障或 其它电力瞬态事件造成)时，通过向电源电压Vpwr 62供应电流来生成电力。
[0015]图4A是根据一个实施例的流程图，其中基于下式生成用于驱动主轴电机的绕组的 周期性驱动电压Vd(框64)并在正常操作期间旋转磁盘：
[0017]其中，|Vd|表示周期性驱动电压的振幅，ω^。表示旋转频率（在电循环中）， 供相位（供)表示对应于绕组的相位的相位偏移，以及Φτ表示将加速力施加至主轴电 机的相位偏移。当在框66处电源电压Vpwr 62降至阈值以下时（例如，在电力故障期间），基 于下式生成周期性驱动电压Vd(框68):
[0019] 其中，φΡ〇表示操作以制动主轴电机的相位偏移。还基于相位偏移φΡ〇减小周期性 驱动电压的振幅|Vd|，这使得主轴电机的绕组向电源电压Vpwr 62供应电流。在图4Α的实施 例中，基于数模转换器(DAC)值配置周期性驱动电压|Vd|的振幅。例如，可以基于下式配置 周期性驱动电压I Vd |的振幅(框72):
[0020] C2 · Vpwr · DAC%
[0021] 其中，C2表示标量，以及DAC%表示作为DAC范围的百分比（从0至100%)的DAC值 (标量）。在一个实施例中，主轴电机18包括三相主轴电机，使得以上公式中的标量C2可以是
。在一个实施例中，配置上述公式中的DAC值(框70)，以便在电力故障事件期间，在最 坏情况负载条件下，相对于所选的相位偏移Φρο,大体上最大化由主轴电机18生成的电力。 为了满足这个条件，在一个实施例中，基于下式配置DAC值：
[0023] 其中，C1表示标量，|Vbo|表示由绕组中的一个生成的正弦反电势(BEMF)电压的振 幅，L表示绕组的电感，ω ecyc。表示由绕组生成的正弦BEMF电压的频率，R表示绕组的电阻以 及Vpwr_min表不电源电压的最小振幅。在一个实施例中，主轴电机18包括三相主轴电机，使 得上述公式中的标量C1可以是_
[0024] 图4B示出针对多个不同相位偏移值的若干效率随电力生成变化的曲线。在这个实 施例中，随着相位偏移增加，主轴电机18生成的峰值电力增加，而电力生成的效率降低。可 以选择任何适合的相位偏移以实现峰值电力和效率之间的期望平衡。对于所选的相位偏移 (例如，Φρο = -5度），当电源电压Vpwr供电的负载最小时，电源电压Vpwr将达到最大Vpwr_ max。随着负载增加，电源电压Vpwr将降低，使得主轴电机供应更多电流(提供更多电力）。当 负载增加至最坏情况条件时，电源电压Vpwr将达到上述最小值Vpwr_min，其中主轴电机18 生成最大电力。可以针对最小值Vpwr_min选择任何适合的值，其中在一个实施例中，在电力 故障事件期间，基于磁盘驱动器的最坏情况负载条件来选择该值(即，安全执行电力故障操 作(诸如停止磁头)需要的最大电压）。
[0025] 图5是在图4B的流程图上扩展的流程图，其中，在这个实施例中，在电力故障事件 期间监测电源电压Vpwr 62的振幅，并且如果振幅大体上等于最小值Vpwr_min时(框74)，减 小磁盘驱动器的负载(框76)。例如，在一个实施例中，在最坏情况条件下，基于（如，在斜坡 上)停止磁头需要的峰值电力，选择Vpwr_min。如果电源电压Vpwr降至Vpwr_min，则在一个 实施例中，可以通过降低停止磁头时消耗的电力来减小负载。例如，可以通过降低图2A中的 VCM 38消耗的电力来降低停止磁头时消耗的电力（例如，通过降低驱动电流并因此降低停 止操作的速度）。在这个实施例中，减小磁盘驱动器的负载导致电源电压Vpwr上升并保持在 图4B中例示的Vpwr_min之上。在一个实施例中，当磁盘驱动器上的负载降低导致电源电压 Vpwr显著上升至Vpwr_min以上时，控制电路系统可以重新配置负载，诸如通过增加 VCM 38 消耗的电力量(例如，通过增加驱动电流以增加停止操作的速度）。
[0026]下面是用于选择DAC值(针对三相主轴电机）的上述实施例的推导过程，该DAC值在 电源电压Vpwr在最坏情况负载条件下达到最小值Vpwr_min时，导致主轴电机18生成最大电 力。主轴电机的向量模型：
[0029]主轴电机生成的电力：
[0033]当Vpwr达到最小值Vpwr_min时，为最大化生成的电力：
[0039]可以采用任何适合的控制电路系统(诸如任何适合的（一个或更多个)集成电路） 以实现以上实施例中的流程图。例如，可以在读通道集成电路中或与读通道分离的组件(诸 如磁盘控制器）中实现控制电路系统，或者可以由读通道执行上述特定操作并由磁盘控制 器执行其它操作。在一个实施例中，读通道和磁盘控制器被实现为分离的集成电路，并且在 一个另选的实施例中，它们被制造在单个集成电路或片上系统(S0C)中。此外，控制电路系 统可以包括实现为分离的集成电路、集成在读通道或磁盘控制器电路中或集成在S0C中的 适合的前置放大电路。
[0040] 在一个实施例中，控制电路系统包括执行指令的微处理器，该指令可操作以使微 处理器执行本文描述的流程图。可以在任何计算机可读介质中存储指令。在一个实施例中， 指令可以被存储在微处理器的外部或与微处理器一起集成在S0C中的非易失性半导体存储 器上。在另一个实施例中，指令被存储在磁盘上并且在磁盘驱动器上电时被读取到易失性 半导体存储器中。在又一个实施例中，控制电路系统包括诸如状态机电路系统的适合的逻 辑电路系统。
[0041] 在各种实施例中，磁盘驱动器可以包括磁性磁盘驱动器、光学磁盘驱动器等。此 外，当以上示例涉及磁盘驱动器时，各种实施方式不限于磁盘驱动器并且能够适用于诸如 磁带驱动器、固态驱动器、混合驱动器等的其它数据存储装置和系统。此外，一些实施例可 以包括诸如计算装置、数据服务器装置、介质内容存储装置等的电子装置，该该电子装置包 括如上所述的存储介质和/或控制电路系统。
[0042] 可以互相独立使用或可以以各种方式合并以上描述的各种特征和过程。全部可能 的组合和子组合旨在落入本公开的范围内。此外，可以在一些实施方式中省略某些方法、事 件或过程框。本文描述的方法和过程还不局限于任何具体顺序，并且与此相关的框和状态 能够以合适的其他顺序执行。例如，可以以不同于具体公开的次序之外的次序执行所描述 的任务和事件，或者可以在单个框或状态中组合多个任务或事件。可以串行、并行或以一些 其它方式执行示例任务或事件。可以将任务或事件增加到所公开示例实施例中或从所公开 示例实施例中移除任务或事件。可以以不同于所描述的方式来配置本文描述的示例系统和 组件。例如，可以向本公开示例实施例添加元件、从本公开示例实施例移除元件、或重新布 置所述元件。
[0043] 尽管已经描述特定示例实施例，但仅通过示例方式呈现这些实施例，并且它们并 不旨在限制本文公开的本发明的范围。因此，上述描述都不旨在暗示任何具体特征、特点、 步骤、模块或框是必要的或不可缺少的。事实上，可以以各种其它形式体现本文描述的新颖 方法和系统;此外，可以在不偏离本文公开的实施方式的精神的情况下对本文描述的方法 和系统的形式进行各种省略、替换和改变。
【主权项】
1. 一种数据存储装置，所述数据存储装置包括： 磁盘； 主轴电机，所述主轴电机被配置为旋转所述磁盘，其中所述主轴电机包括多个绕组； 磁头，其在所述磁盘上方被致动;和 控制电路系统，其由电源电压供电，所述控制电路系统被配置为： 基于换向序列使所述绕组换向并将周期性驱动电压施加至每个绕组，其中所述周期性 驱动电压包括正常操作期间的工作振幅；以及 当所述电源电压降至阈值以下时，通过至少将所述周期性驱动电压的相位调整一相位 偏移并基于所述相位偏移调整所述周期性驱动电压的所述振幅，将所述主轴电机配置成电 力发电机。2. 根据权利要求1所述的数据存储装置，其中所述控制电路系统进一步被配置为基于 下式调整所述周期性驱动电压的所述振幅： 其中：Cl表示标量； Vbo I表示由所述绕组中的一个生成的正弦反电动势电压即正弦BEMF电压的振幅； L表示所述绕组的电感； c〇ecy。。表示由所述绕组生成的所述正弦BEMF电压的频率； R表示所述绕组的电阻； Φ P0表示相对于所述正弦BEMF电压的所述相位偏移；以及 Vpwr_min表示所述电源电压的最小振幅。3. 根据权利要求2所述的数据存储装置，其中，基于下式生成所述周期性驱动电压的振 幅： C2 · Vpwr · DAC % 其中： C2表示标量； Vpwr表示所述电源电压;并且 DAC %表示标量。4. 根据权利要求3所述的数据存储装置，其中：5. 根据权利要求4所述的数据存储装置，其中所述主轴电机在Vpwr降至Vpwr_min时生 成峰值电力。6. 根据权利要求5所述的数据存储装置，其中，基于在最坏情况条件下停止所述磁头需 要的峰值电力，选择Vpwr_min。7. 根据权利要求6所述的数据存储装置，其中，当Vpwr大体上等于Vpwr_min时，所述控 制电路系统进一步被配置为降低停止所述磁头时消耗的电力。8. 根据权利要求7所述的数据存储装置，其中，当Vpwr大体上等于Vpwr_min时，所述控 制电路系统被配置为通过以下方式降低停止所述磁头时消耗的所述电力：降低由被配置为 在所述磁盘上方径向致动所述磁头的音圈电机消耗的电力。9. 根据权利要求3所述的数据存储装置，其中，所述主轴电机的电力生成效率随着Vpwr 上升至Vpwr_m i η以上而增加。10. 根据权利要求9所述的数据存储装置，其中，当通过所述主轴电机供电的负载减小 时，Vpwr上升至Vpwr_min以上。11. 一种操作数据存储装置的方法，所述方法包括以下步骤： 使用包括多个绕组的主轴电机旋转磁盘； 在所述磁盘上方致动所述磁头； 基于换向序列使所述绕组换向并将周期性驱动电压施加至每个绕组，其中所述周期性 驱动电压包括正常操作期间的工作振幅；以及 当电源电压降至阈值以下时，通过调整所述周期性驱动电压的相位一相位偏移并至少 基于所述相位偏移调整所述周期性驱动电压的所述振幅，将所述主轴电机配置成电力发电 机。12. 根据权利要求11所述的方法，所述方法进一步包括基于下式调整所述周期性驱动 电压的所述振幅： 其中： Cl表示标量； Vbo I表示由所述绕组中的一个生成的正弦反电动势电压即正弦BEMF电压的振幅； L表示所述绕组的电感； c〇ecy。。表示由所述绕组生成的所述正弦BEMF电压的频率； R表示所述绕组的电阻； Φ P0表示相对于所述正弦BEMF电压的所述相位偏移;并且 Vpwr_min表示所述电源电压的最小振幅。13. 根据权利要求12所述的方法，其中，基于下式生成所述周期性驱动电压的振幅： C2 · Vpwr · DAC % 其中： C2表示标量； Vpwr表示所述电源电压;并且 DAC %表示标量。14. 根据权利要求13的方法，其中：15. 根据权利要求14所述的方法，其中，当Vpwr降至Vpwr_min时，所述主轴电机生成峰 值电力。16. 根据权利要求15所述的方法，其中，基于在最坏情况条件下停止所述磁头需要的峰 值电力，选择Vpwr_min〇17. 根据权利要求16所述的方法，其中，当Vpwr大体上等于Vpwr_min时，所述方法进一 步包括降低停止所述磁头时消耗的电力。18. 根据权利要求17所述的方法，其中，当Vpwr大体上等于Vpwr_min时，所述方法进一 步包括通过以下方式降低停止所述磁头时消耗的所述电力：降低由被配置为在所述磁盘上 方径向致动所述磁头的音圈电机消耗的电力。19. 根据权利要求13所述的方法，其中所述主轴电机的电力生成效率随着Vpwr上升至 Vpwr_min以上而增加。20. 根据权利要求19所述的方法，其中，当由所述主轴电机供电的负载减小时，Vpwr上 升至Vpwrjnin以上。21. -种由电源电压供电的控制电路系统，所述控制电路系统被配置为： 基于换向序列使主轴电机的绕组换向并将周期性驱动电压施加至每个绕组，其中所述 周期性驱动电压包括正常操作期间的工作振幅；以及 当所述电源电压降至阈值以下时，通过至少将所述周期性驱动电压的相位调整一相位 偏移并基于所述相位偏移调整所述周期性驱动电压的所述振幅，将所述主轴电机配置成电 力发电机。22. 根据权利要求21所述的控制电路系统，所述电路系统进一步被配置为:基于下式调 整所述周期性驱动电压的所述振幅： 其中：Cl表示标量； Vbo I表示由所述绕组中的一个生成的正弦反电动势电压即正弦BEMF电压的振幅； L表示所述绕组的电感； c〇ecy。。表示由所述绕组生成的所述正弦BEMF电压的频率； R表示所述绕组的电阻； Φ P0表示相对于所述正弦BEMF电压的所述相位偏移;并且 Vpwr_min表示所述电源电压的最小振幅。23. 根据权利要求22所述的控制电路系统，其中，基于下式生成所述周期性驱动电压的 振幅： C2 · Vpwr · DAC % 其中： C2表示标量； Vpwr表示所述电源电压;并且 DAC %表示标量。24. 根据权利要求23的控制电路系统，其中：
【文档编号】G11B5/596GK106024025SQ201610175991
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年3月24日
【发明人】M·T·尼科尔斯, J·J·克劳福特
【申请人】西部数据技术公司