盤存儲系統中應用迭代學習控制法的可重複偏心補償的製作方法

2023-06-18 11:19:56

專利名稱：盤存儲系統中應用迭代學習控制法的可重複偏心補償的製作方法
技術領域：
本發明一般涉及盤驅動器數據存儲系統，尤其涉及伺服系統的誤差補償。
讀寫頭最好繞盤沿一全圓的路徑移動，但有兩類誤差阻止了頭遵循這一理想的路徑。第一類誤差是在伺服寫過程中創建伺服欄位時產生的寫入誤差。出現寫入誤差是因為用於產生伺服欄位的寫入頭並不總是遵循全圓的路徑，主要原因在於有諸多因素對寫入頭產生預料不到的壓力作用，如頭在盤上飛行的空氣動力學、盤抖動、主軸電機振動、盤彎曲和支承頭的萬向接頭振動。由於這些擾動，寫在盤上的道不是一條全圓的路徑，於是頭在盤中將跟隨一條非圓形路徑。
妨礙圓形路徑的第二類誤差是道跟隨擾動。道跟隨誤差在頭試圖跟隨伺服欄位限定的路徑時發生。擾動可由造成寫入誤差同樣的空氣動力學與振動作用引起。此外，造成道跟隨誤差的原因還有伺服系統帶寬有限；在伺服欄位限定的路徑中，頭對高頻變化的響應還不夠快。
這裡主要關注寫入誤差。通常把寫入誤差稱作可重複偏心誤差，因為頭沿道每次通過時，會在同一位置造成同樣的誤差。隨著道密度的提高，這類可重複偏心誤差開始限制了道距。具體而言，理想道路徑與伺服欄位形成的實際道路徑之間的變化，會造成幹擾外道路徑的內道路徑。在第一寫入誤差使頭處於內道的理想圓形路徑之外，而第二寫入誤差使頭處於外道的理想圓形路徑之內時，這種情況尤為嚴重，通常將它稱為道擠壓問題。為避免限制道距，就要求有一種能補償這些可重複偏心誤差的系統。
將存貯的補償值注入伺服環路，可以補償該寫入誤差，但確定補償值要作複雜的運算，一般難以在盤存儲系統中實現。本發明對該問題和其它一些問題提出了一種簡便的解決方法，且比原有技術具有其它一些優點。
根據本發明一實施例，在盤存儲系統中設置了可重複偏心補償法，其中從盤面讀出的伺服位置指示出相對於盤面上某一道的頭位置。因此，可從補償值表檢索補償值，並根據檢索的補償值補償伺服位置值。
根據本發明另一實施例，盤驅動器包括使頭在盤上定位的伺服環路。盤用於在道上存貯數據，而道包含的伺服欄位用來存貯指示位置的伺服信息。頭用來讀出位於盤上的伺服信息，並由該信息產生伺服位置信號。該伺服位置信號與基準信號一起產生位置誤差信號，表示頭相對於該道的實際上期望位置之差。伺服控制器根據該位置誤差信號產生一伺服控制信號。與伺服控制耦接的驅動器按伺服控制信號移動該頭。貯存在存儲器或伺服欄位裡的補償表向伺服控制信號提供寫入可重複偏心補償值。
通過閱讀以下的詳細說明並參見有關附圖，就能明白表徵本發明的種種特點和優點。
圖2是盤截面的俯視圖，表示一理想道和實現的寫入道。
圖3是已有技術的伺服環路的框圖。
圖4是本發明一示例實施例的伺服環路的框圖。
受伺服控制(未示出)控制的音圈電機124使驅動組件122繞軸126轉動，HGA112在盤內徑132與盤外徑134之間的精密路徑130內運行。當頭正確定位時，寫電路控制(未示出)對貯存在盤上的數據編碼，並通過內部電路128將編碼的信號發送給HGA112中的頭，以將信息寫到盤上。在其它時間裡，HGA112中的讀出頭從該盤讀出貯存的信息，並把復原的信號提供給檢測電路與解碼電路控制(未示出)，以產生復原的數據信號。
圖2是盤截面198的俯視圖，示出了理想的全圓形道200和實際的寫入道202。截面198包括多個徑向延伸的伺服欄位，如伺服欄位204與206，這些伺服欄位包含識別實際道202沿盤截面198位置的伺服信息。在一般驅動器中，頭將跟隨實際道202。
在伺服寫過程中，會引入定義為實際道202與理想道200之差的寫入誤差，它被認為是一種可重複的偏心誤差，因為該同樣的誤差出現在盤上特定的圓周位置。對理想道200的道跟隨比對實際道202的道跟隨容易得多，這是因為理想道200的控制基準是簡單的直流信號，而在實際道202中，該基準則是直流信號(道200)加上複雜的交流信號(寫入誤差)。對控制器而言，跟隨複雜的基準將增大控制工作量。再者，如果伺服帶寬有限且頭無法完美地跟隨複雜的道202，就會造成更多的頭位置誤差信號(PES)。
根據本發明，試圖對道202作讀寫的頭將不跟隨道202，而是更緊密地跟隨全圓形道200。這是利用補償信號實現的，該信號防止伺服系統跟蹤軌道202的不規則形狀造成的可重複偏心誤差，因而減小了頭PES。
圖3是已有技術的伺服環路208的框圖。該伺服環路包括傳遞函數為「C」的伺服控制器210和傳遞函數為「P」的盤驅動器212，前者通常用微處理器與一些附加電路構成，而後者包括驅動組件122、音圈電機124、道進入臂120、懸架118和頭萬向接頭組件112(見

圖1)。
伺服控制器210產生的控制電流214驅動盤驅動器212的音圈電機，作為響應，盤驅動器212使頭移動216。圖3中，若將圖3中的基準224作為全圓路徑，就把寫入誤差dw表示為獨立的輸入信號218，將寫入誤差218與頭移動216分開，能更好地理解本發明。另外，伺服系統中的噪聲正被分離為噪聲220，將它加到頭移動裡。頭移動216、寫入誤差218與噪聲220相加後得出該頭的伺服位置信號222，並將它從微處理器根據頭的期望位置(基準224)而產生的基準信號224中減去。從基準信號224裡減去伺服位置信號，就產生了被輸入至伺服控制器210的位置誤差信號(PES)226。
已有技術伺服環路中的頭將響應寫入誤差移動，這種移動上是不希望的，它將頭置於理想圓形道路徑之外，這樣將導致兩種效應。首先，在無寫入誤差時，PES將大於環路中的PES，這在盤控制中是不希望的。其次，跟隨實際道202(相當於寫入誤差不為零)會造成道擠壓問題。為了消除寫入誤差引起不希望有的頭移動，可以使用將補償信號插到伺服環路裡的本發明的前饋控制法。圖4的伺服環路232示出了這種減去法。在圖4中，與圖3中同樣的元件應用同樣的標號。補償信號228在過程中預先算出並存入存儲器或硬碟，當圖4的伺服環路工作時，將補償信號228從存儲器或硬碟裡讀出並插到該環路裡。在一特定道處，補償信號228包括一張有扇區編號大小的寫入可重複偏心值表。不同的道有不同的補償表。該補償技術稱為可重複偏心(RRO)補償法或零加速路徑(ZAP)補償法，因為頭在跟隨道時趨於經歷零加速。
本發明的一個方面包括識別採取迭代學習控制(ILC)方案形式的補償表。ILC是加到一般反饋控制環路裡的前饋控制，旨在減少普通控制器執行的重複控制部分，在基準命令或系統擾動為重複形式時極其有效。ILC輸出的一般控制更新規則是Uk+1(z)＝Uk(z)+KΦ(z)Ek(z)，(1)式中UK(z)是ICL命令迭代K次的Z變換，K是學習速率，Φ(z)是濾波器，EK(z)是控制誤差。更新後，UK+1(z)被加到正常反饋控制器輸出裡。設G(z)是設備輸入U(z)到設備輸出Y(z)的Z傳遞函數，且Z＝eJωT，若在所有頻率時滿足ρ(jω)＝|1-KΦ(ejωT)G(ejωT)|＜1(2)則系統誤差EK(z)將每迭代一次衰減。這在ILC中是個主要的不等式。在每個迭代步驟中滿足這一條件，將保證減少公式(1)中的E。在一個ZAP補償方案中，補償(或ZAP)表有類似的更新規則ZAPk+1(j)=ZAPk(j)+K1+P^C^(j)RROk(j)]]>或ZAP(k+1)=ZAP(k)+KinvDFT{1+P^C^(j)RROk(j)},---(3)]]>式中K是學習速率， 是用正弦注入測試法測得的1+PC(jω)，而RROK(jω)是可重複偏心RROK迭代K次的離散富裡葉變換(DET)。注意，ZAP(k)與RROK都是矢量。比較式(3)與(1)可見，在(3)中=1+P^C^,---(4)]]>和G=11+PC.---(5)]]>若將Δ(jω)定義為Φ(jω)G(jω)，可將長期穩定性條件(2)改為ρ(jω)＝|1-KΔ(jω)|＜1.(6)若ρ在所有頻率下都滿足該條件，則偏心補償在每次迭代中都將減小所有頻率下的可重複偏心分量。
這樣，可把該可重複偏心(ZAP)補償歸類為ILC。在理想情況下，若Δ為1，即1+PC(jω)的估值很精確，則在每次迭代後，Kin(0，2)將保證使RRO衰減。但在實際中，Δ可能與頻率相關，且可能離1有一大段距離。然而，對迭代穩定性而言，這種建模失配(Δ不接近1)不成為問題。如果正確地選用K且滿足條件(2)，即使有點模型失配，ZAP補償仍能減少RRO。這在ILC中是一種主要的思路。
若學習速率選用合理，RRO標準偏差可對前幾次迭代迅速衰減，然後迅速發散或擾動而不是收斂。在「迭代學習控制」領域裡的研究者們也觀察到這一現象，其原因在於在某些頻率下未滿足穩定性條件。有若干技術可解決這一問題(1)設法準確地確定 。然而，有時可能很困難。(2)在每個迭代步驟選擇合理的學習。學習速率不一定要固定，通過優化其順序可在每次迭代時實現最大誤差減小。(3)用零相濾波器減小濾波中的相移。(4)在不確定性大的頻率截斷學習。
ZAP補償是迭代學習控制的特殊情況。在ZAP補償中，要求與ILC有點不同。在ZAP補償中，關注於(1)如何以最少的迭代步驟得到最大的RRO減小。(2)在每個迭代步驟最大地減小RRO。(3)在RRO補償中，長期穩定性不成為問題，因為RRO補償可在以下情況出現之前停止(i)RRO標準偏差變得不穩定，如增大或波動；(ii)或已將RRO的標準偏差減至要求的範圍。
根據式(1)中的迭代學習控制更新規則，最簡實施法是設EK(z)為RROK(z)、Φ(z)為1，得ZAPk+1(jω)＝ZAPk(jω)+K·RROk(jω)]. (7)然而，這在C中有積分器時(常常如此)就不工作，因為ρ在低頻時將大於1。
在硬碟伺服系統中，Φ(z)的最佳選擇是 ，其中 或 分別是1+PC或PC的估值。 或 可通過正弦注入試驗得到。更新規則為ZAP(k+1)=ZAP(k)+KinvDFT{1+P^C^(j)RROk(j)}.]]>要得到ZAP(k+1)，要求對RROK作離散富裡葉變換(DFT)以得到RROK(jω)，並要求作反DET以計算ZAP(k+1)。然而，DFT是種費時的運算，並要求對數據的實部與虛部有相當大的代碼空間與變量空間。 是一種複雜運算，要用微處理器作甚至更複雜的運算。為了減少運算，本發明應用了一種新的運算方法。不用在頻域中實施下式ZAP(k+1)=ZAP(k)+KinvDFT{1+P^C^(j)RROk(j)},]]>該方程在時域實施，可顯著減少運算量。這裡，通過使 擬合成低階濾波器(如二階濾波器)，可得到濾波器Φ(z)。假定已通過正弦注入試驗或動態信號分析儀(DSA)得到了 為找到低階濾波器Φ(z)，可以用MATLAB(Natick，Massachusetts的Mathworks公司有售)裡的「invfreqs」函數把 的低頻部分轉換為二次S傳遞函數。再用MATLAB裡的「c2dm」(「tustin」)函數得到Φ(z)。或者，可根據 用Matlab中Mu-toolbox裡的「sysfit」直接算出Φ(z)。還可寫入一個程序直接把 等頻響特性轉換成在不同頻率有不同權重的Z傳遞函數。ZAP表更新規則為ZAP(k+1)＝ZAP(k)+K·Φ(z)·RRO(k)， (8)其中的運算只是少數幾次實數的加法與乘法，減少了對代碼與數據空間的要求，大大縮短了運算時間。可以將學習速率K選成使公式(2)中的ρ小於1。應用該Φ(z)和學習速率，可用公式(8)建立一張ZAP數值表。實施步驟歸納如下(1)在主軸頻率fs到伺服系統Nyquist頻率N/2fs(N是扇區數)的所有諧波下，測量 ω＝m·(1πfs)，m＝1，……，N/2。
(2)使用MATLAB的「invfreqs」與「c2dm」或使用其它擬合算法，將 的低頻部分擬合成低階Φ(z)。
(3)選擇滿足條件(2)的合適的學習速率。
(4)設置迭代，k=0。使Comp Value(0)＝0。匯集PES數據的R轉數(不注入寫入可重複偏心(WI-RRO)校正)並計算RRO(k)。
(5)將RRO(k)通過數字濾波器Φ(z)，計算公式(8)中的ZAP(k+1)。
(6)在注入WI-RRO校正信號ZAP(k+1)的同時，匯集PES數據的R轉數。
(7)計算RRO。若RRO的標準偏差大於閾值，則k=k+1，在步驟4繼續迭代，否則將ZAP置成最後ZAP(k+1)。
只要學習速率K選擇合理，Φ(z)和1+P(jω)C(jω)之間的模型失配並不大。對微處理器而言，雖然Φ(z)擬合可能較複雜，但是一般對驅動器僅擬合一次，而且可在一般個人計算機(PC)上運算。擬合後，可將濾波器Φ(z)的諸參數傳給微處理器。在不同的迭代步驟中，可選擇不同的K，以實現標準偏差的最大減小。
要消除RRO通過數字濾波器Φ(z)時的初始瞬變，可以應用一般的信號處理方法。一種簡單方法是在兩個周期內複製RRO，濾波該2周期RRO，再把第二周期輸出恢復成濾波輸出。對不同的驅動器，可根據環路頻響特性考慮不同的Φ(z)結構。運用本發明，每個驅動器只需作一次濾波器模型的擬合運算，其它技術則要對每條道作富裡葉變換。
在第二示例實施例中，不是將 擬合成低階濾波器，而是把PC(jω)C(jω)擬合成低階濾波器，如二階濾波器。P(jω)C(jω)可通過正弦注入試驗或動態信號分析儀得到。更新規則定義為ZAP(k+1)＝ZAP(k)+K1·RRO(k)+K2·F(z)·RRO(k).(9)這是更一般的情況。為求出濾波器F(z)，可用MATLAB裡的「invfreqs」函數把P(jω)C(jω)的低頻部分轉換成二階F(z)，後面的步驟與第一實施例中一樣。學習速率選擇後，檢查一下公式(2)中的ρ是否小於1。運用F(z)，可用上述步驟填充公式(9)限定的補償表。學習速率K1與K2可以不一樣。
在本發明的一個方面，提出了一種補償盤驅動器100中寫入可重複偏心(RRO)誤差的方法，盤驅動器100的伺服環路232在旋轉盤198的盤面上將頭112相對於道202定位。從盤面讀出的伺服位置值表明頭112相對於道202的位置。從ZAP數值表檢索的ZAP補償值用來補償伺服位置值。ZAP值的形式為ZAP(k+1)＝ZAP(k)+KΦ(z)RRO(k)，其中K是學習速率，k是迭代數，Φ(z)是濾波器，RRO(k)是PES可重複偏心誤差。另外，應滿足不等式ρ(jω)＝|1-kΦ(jω)/(1+PC(jω)|＜1，其中PC(jω)是伺服環路232的開環頻響特性。Φ(z)可以包括低階濾波器，如擬合成1+PC(jω)或PC(jω)的二階濾波器。通過在盤驅動器100主軸頻率的諧波測量1+PC(jω)或PC(jω)的值作擬合，可用應用於伺服環路232的正弦波注入試驗來確定。合理選擇K可以滿足上述不等式。在另一個方面，提供的盤驅動器100具有適合在道202上存貯數據的盤198。該道包括的伺服欄位適於存貯用於指示位置的伺服信息。設置的頭112讀出位於盤198上的該伺服信息，並產生伺服位置信號222。該伺服位置信號與基準信號224共同產生位置誤差信號(PES)226，表明頭112相對於道202的實際與期望位置之差。伺服控制器210根據位置誤差信號226產生伺服控制信號214。耦合至伺服控制器210的驅動器122能按伺服控制信號214移動頭112。貯存在存儲器或盤中的補償(ZAP)表229對伺服控制信號提供寫入可重複偏心補償值。ZAP值的形式為ZAP(k+1)＝ZAP(k)+KΦ(k)RRO(k)，其中K是學習速率，k為迭代指數，Φ(z)是濾波器，RRO(k)為可重複偏心。另外，應滿足ρ(jω)＝|1-kΦ(jω)/(1+PC(jω)|＜1，其中PC(jω)是伺服器環路232的開環頻響特性。較佳地，Φ(z)包括一能擬合成1+PC(jω)或PC(jω)的二階濾波器。合理選擇學習速率K，可滿足上述不等式。
應該理解，雖然以上描述連同本發明各實施例中結構與功能細節說明了本發明各實施例的眾多特徵與優點，但是這種揭示只是示例，而在細節上尤其在本發明原理範圍內諸部件的結構與配置方面可作變更，且完全符合所附權項表示的廣義指出的範圍，例如，可用其它類型的濾波器或擬合技術確定補償值而不背離本發明的範圍與精神。本發明可用硬體、軟體或它們的組合來實施。這裡參照並在圖中示出的具體方框僅作示例，可以應用任意一種結構。
權利要求
1.一種補償盤驅動器可重複偏心(RRO)誤差的方法，所述盤驅動器有一在旋轉盤的盤面上相對於道使頭定位的伺服環路，其特徵在於該方法包括下述步驟(a)從盤面檢索表示頭相對於道的位置的伺服位置值；(b)從ZAP值表中檢索補償(ZAP)值；和(c)用ZAP值補償所述伺服位置；(d)其中ZAP值的形式為ZAP(k+1)＝ZAP(k)+KΦ(z)RRO(k)，其中K是學習速率，k是迭代次數，Φ(z)是濾波器，RRO(k)為可重複偏心誤差，並且滿足下述不等式ρ(jω)＝|1-KΦ(jω)/(1+PC(jω))|＜1其中PC(jω)是伺服環路的開環頻響特性。
2.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述濾波器Φ(z)包括一低價濾波器。
3.如權利要求2所述的方法，其特徵在於，還包括通過將(1+PC(jω)擬合成低階濾波器而確定該低階濾波器而的步驟。
4.如權利要求3所述的方法，其特徵在於，所述擬合步驟包括以盤驅動器主軸頻率的諧波測量(1+PC(jω))。
5.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，還包括將k選成使ρ(jω)＝|1-KΦ(jω)/(1+PC(jω))|＜1的步驟。
6.如權利要求3所述的方法，其特徵在於還包括產生作為二階濾波器函數的ZAP值的步驟。
7.如權利要求2所述的方法，其特徵在於，還包括通過將開環頻響特性PC(jω)擬合成低階濾波器來確定所述二階濾波器的步驟。
8.如權利要求7所述的方法，其特徵在於，所述擬合步驟包括以盤驅動器主軸頻率的諧波測量開環頻響特性PC(jω)。
9.如權利要求3所述的方法，其特徵在於用正弦波注入試驗確定(1+PC(jω))。
10.如權利要求7所述的方法，其特徵在於，用正弦波注入試驗確定開環頻響特性PC(jω)。
11.如權利要求7所述的方法，其特徵在於，還包括產生作為低階濾波器函數的ZAP值的步驟。
12.一種存貯信息的盤驅動器，其特徵在於包括適於在道上存貯數據的盤，所述道包含適於存貯用來指示位置的伺服信息的伺服欄位；適於讀出位於盤上的伺服信息並據此產生伺服位置信號的頭，該伺服位置信號與基準信號共同產生一位置誤差信號，指示該頭相對於道的實際與期望位置之差；適於根據接收的位置誤差信號產生伺服控制信號的伺服控制器；耦接至伺服控制器、能按所述伺服控制信號移動該頭的驅動器；以下述形式向伺服控制信號提供寫入可重複偏心ZAP值的補償(ZAP)表ZAP(k+1)＝ZAP(k)+KΦ(z)RRO(k)其中K是學習速度，k是迭代次數，Φ(z)是濾波器，RRO(k)是可重複偏心誤差，並且滿足下述不等式ρ(jω)＝|1+KΦ(jω)/(1+PC(jω))|＜1其中PC(jω)是伺服環路的開環頻響特徵。
13.如權利要求12所述的設備，其特徵在於，所述濾波器Φ(z)包括一低階濾波器。
14.如權利要求13所述的設備，其特徵在於，所述低階濾波器被擬合成(1+PC(jω))。
15.如權利要求12所述的設備，其特徵在於，K被選成使ρ(jω)＝|1-KΦ(jω)/(1+PC(jω))|＜1。
16.如權利要求13所述設備，其特徵在於所述低階濾波器被擬合成開環頻響特性PC(jω)。
17.如權利要求13所述的設備，其特徵在於，所述ZAP值是該低階濾波器的函數。
18.一種盤驅動器，其特徵在於包括一伺服環路，包括頭和適於控制該頭相對於道的位置的伺服控制器；和耦接至所述伺服環路用於補償寫入可重複偏心的補償裝置。
全文摘要
提出了一種盤存儲系統(100),它包括用於補償可重複偏心的伺服控制環路(232)。利用補償值(k+1)=補償值(k)+KФ(z)RRO(k)形式的表項來補償可重複偏心,其中K是學習速率,k是迭代次數,Ф(z)是濾波器,RRO(k)是可重複偏心誤差。另外,要滿足ρ(jω)=|1－KФ(jω)/(1+PC(jω))|<1,其中PC(jω)是伺服環路的開環頻響特性。濾波器可包含一個二階濾波器。
文檔編號G11B5/596GK1357139SQ99816620
公開日2002年7月3日 申請日期1999年12月29日 優先權日1999年5月7日
發明者畢強, K·A·戈麥司, 陳陽泉, K·K·奧意 申請人:西加特技術有限責任公司