盤驅動器的磁軌尋道模式中的自適應穩定控制方法和設備的製作方法

2023-04-29 20:19:56 3

專利名稱：盤驅動器的磁軌尋道模式中的自適應穩定控制方法和設備的製作方法
技術領域：
本發明涉及的盤驅動器的伺服控制技術公開在公開號為第5,072,318號和第6,636,376號美國專利中。
一般地，硬碟驅動器(HDD)，一種數據存儲裝置，通過使用磁頭來再現盤上記錄的數據或在盤上寫入數據。根據HDD的大容量、高密度和壓縮性的趨勢，表示沿盤旋轉方向記錄密度的每英寸比特數(BPI)和表示沿盤直徑方向記錄密度的每英寸磁軌數(TPI)已經被增加。因此，對於HDD，需要更精細的操作機制。
當信息被記錄到盤上或被從盤讀取時，為了將磁頭從一個磁軌移動到另一個磁軌，HDD執行尋道例行程序。在尋道例行程序期間，為了將磁頭移動到在盤表面上的新的磁軌位置，音圈電機(VCM)通過電流勵磁。為了保證將磁頭移動到正確的柱面位置和磁軌的中心，控制器執行伺服例行程序。
從盤讀取信息或在盤上寫入信息所需要的時間最好被最小化。因此，由HDD執行的尋道例行程序應該在最短的時間內將磁頭移動到目標磁軌位置。另外，為了磁頭迅速地寫入或讀取信息並且磁頭立即被定位為與目標磁軌相鄰，磁頭懸架組件(HGA)的穩定時間應該被最小化。
這個磁軌尋道模式包括加速/減速控制模式和穩定控制模式。加速/減速控制模式是用於迅速地將磁頭移動到與目標磁軌相鄰的位置的模式，並且穩定控制模式是用於在加速/減速控制模式之後使磁頭跟隨到目標磁軌的中心的模式。
一般地，諸如最優時間控制器的非線性控制器被用於加速/減速控制模式，並且線性控制器被用於穩定控制模式。穩定控制模式中的響應特性由在穩定控制模式開始時刻的磁頭運動的初始狀態來確定。例如，當初始速率較快時，由於超調的產生，尋道時間可被增加，相反地，當初始速率太慢時，超調不會產生，但是響應較慢。實際上，穩定控制模式開始的初始狀態取決於磁軌尋道距離。
因為根據磁軌尋道距離，穩定控制性能不平滑，所以磁軌尋道伺服性能降低，特別地，磁軌尋道時間是較長的。

發明內容
本發明提供了一種在盤驅動器的磁軌尋道模式中的自適應穩定控制方法和設備，即使在磁軌尋道模式中磁頭運動的初始狀態在穩定控制模式的開始時刻變化，所述方法和設備也能保持平滑的穩定控制性能。
根據本發明的一方面，提供了一種在控制盤驅動器的磁軌尋道模式的方法中的在盤驅動器的磁軌尋道模式中的自適應穩定控制方法，該方法包括通過在從磁軌尋道模式的加速/減速控制模式轉換到穩定控制模式的時刻將磁頭運動的初始狀態轉換到系統的特徵向量線上，控制磁頭沿著特徵向量收斂到目標位置和目標速率。
根據本發明的另一方面，提供了一種在盤驅動器的磁軌尋道控制設備中的在盤驅動器的磁軌尋道模式中的自適應穩定控制設備，該設備包括狀態估計器，從位置誤差信號估計包括磁頭位置、速率和控制輸入信息的磁頭運動的狀態信息值；狀態反饋控制器，產生通過將狀態信息值和預定的狀態反饋增益相乘獲得的狀態反饋控制信息；單模式控制電路，產生通過將在穩定控制模式的開始時刻的狀態信息初始值和用於將在磁軌尋道模式的穩定控制模式開始時刻的磁頭運動的初始狀態轉換到系統特徵向量線上的預定方陣相乘獲得的初始狀態補償信息；求和單元，將初始狀態補償信息和狀態反饋控制信息的負值相加；以及音圈電機(VCM)驅動器和致動器，通過產生與求和單元的輸出相應的驅動電流來移動磁頭，並且產生位置誤差信號。


通過參照附圖對其示例性實施例進行詳細的描述，本發明的以上和其他特徵和優點將會變得更清楚，其中圖1是應用本發明實施例的HDD的HDA的示意性俯視圖；
圖2是根據本發明實施例的在HDD的磁軌尋道模式中的自適應穩定控制設備的方框圖；圖3表示根據在穩定控制時間的磁頭運動的初始狀態的系統響應軌跡的示例，所述系統響應軌跡的示例用於表示本發明實施例被應用於其的單模式控制處理；圖4表示根據本發明實施例的磁頭運動的初始狀態被轉換為特徵向量的目標狀態的示例；圖5是表示當一個磁軌被尋道時根據單模式控制的ON/OFF的穩定控制性能的比較的示圖；圖6是表示當7000個磁軌被尋道時根據單模式控制的ON/OFF的穩定控制性能的比較的示圖；和圖7是表示當40000個磁軌被尋道時根據單模式控制的ON/OFF的穩定控制性能的比較的示圖。
具體實施例方式
硬碟驅動器(HDD)包括由機械部件組成的磁頭盤組件(HDA)和電路。
圖1是應用本發明實施例的HDD的HDA 10的示意性俯視圖。參照圖1，HDA 10包括至少一個由主軸電機14旋轉的磁碟12。HDA 10還包括鄰近地定位在盤表面上的變換器(未顯示)。
通過檢測在盤12上形成的磁場或使盤12磁化，變換器可從旋轉的盤12讀取信息或在旋轉的盤12上寫入信息。典型地，變換器與每一盤表面相關聯。雖然單一的轉換器被顯示在圖1中，但是轉換器包括使盤12磁化的寫轉換器和檢測盤12的磁場的讀轉換器。讀轉換器包括磁阻(MR)部件。
轉換器可以被包含到磁頭16中。磁頭16在變換器和盤表面之間產生氣浮軸承。磁頭16被包含到磁頭臂組件(HSA)22中。HSA 22被附加到具有音圈26的驅動臂24。音圈26與磁組件28相鄰地定位以限定音圈電機(VCM)30。提供給音圈26的電流產生使驅動臂24圍繞軸承組件32旋轉的轉矩。驅動臂24的旋轉使轉換器在盤表面上移動。
信息被存儲在盤12的環形磁軌中。一般地，每一磁軌34包括多個扇區。每一扇區包括數據欄位和標識欄位。標識欄位包括用於識別扇區和磁軌(柱面)的格雷碼。為了從另一磁軌讀取信息或在另一磁軌上寫入信息，變換器在盤表面上移動。
圖2是根據本發明實施例的在HDD的磁軌尋道模式中的自適應穩定控制設備的方框圖。
參照圖2，該自適應穩定控制設備包括狀態估計器210、狀態反饋控制器220、單模式控制器230、矩陣發生器240、求和單元250以及音圈電機(VCM)驅動器和致動器260。
狀態估計器210執行通過使用方程1的狀態方程從位置誤差信號(PES)估計包括磁頭位置、速率和控制輸入信息的磁頭運動的狀態變量x(k)值的處理。
狀態反饋控制器220產生通過將狀態變量x(k)值和狀態反饋增益k相乘獲得的狀態反饋控制信息。
單模式控制器230執行方程17的計算處理，所述計算處理用於產生通過將在穩定控制模式的開始時刻的狀態x(0)值和用於將在磁軌尋道模式的穩定控制模式開始時刻的磁頭運動的初始狀態x(0)轉換到系統特徵向量線上的方陣M相乘獲得的初始狀態補償信息USM(k)。這裡，系統特徵向量指示根據包括在該系統(HDD)中的磁頭臂組件的特性的特徵向量。
矩陣發生器240產生用於將在磁軌尋道模式的穩定控制模式開始時刻的磁頭運動的初始狀態x(0)轉換到系統特徵向量線上的方陣M。方陣M被確定以便初始狀態x(0)被轉換到特徵向量的正交點，這種方式是有效的。另外，方陣M被設計以便方陣M的值被存儲在只讀存儲器(ROM，未顯示)中並且被使用，這種方式是有效的。
求和單元250將從單模式控制器23輸出的初始狀態補償信息和從狀態反饋控制器220輸出的狀態反饋控制信息的負值求和，並且將相加的結果輸出到VCM驅動器和致動器260。
VCM驅動器和致動器260通過產生與求和單元250的輸出相應的驅動電流來移動磁頭，並且在磁軌尋道和磁軌跟隨期間產生與磁頭運動相應的PES。
由單模式控制器230執行的在穩定控制模式中的控制處理現在將被詳細地描述。
全部的VCM致動器控制處理現在將被描述。典型的VCM致動器控制模型被顯示在方程1中。
x(k+1)＝Ax(k)+Bu(k)x(k+1)v(k+1)u(k)=1TsKa(2TsTd-Td2)/201KaTd000x(k)v(k)u(k-1)+Ka(Ts-Td)2/2Ka(Ts-Td)1u(k)(1)]]>這裡，包括在狀態變量x(k)中的x(k)、v(k)和u(k-1)分別指示磁頭位置、速率和前一控制輸入，並且常數Ka、Ts和Td分別指示加速常數、採樣時間和控制延遲時間。由狀態反饋控制器220執行的穩定控制處理使用方程2。
u(k)＝-Kx(k) …(2)這裡，K指示狀態反饋增益。用於穩定控制處理的動態方程被表示為方程3。
x(k+1)＝(A-BK)x(k)…(3)因此，穩定控制處理的響應由方程4中表示的初始狀態來確定。
x(k+1)＝(A-BK)kx(0) …(4)這裡，初始狀態x(0)取決於尋道距離。
因此，為了將初始狀態x(0)補償為與尋道距離無關的常數，單模式控制補償處理被應用於本發明實施例。即，單模式控制補償處理的主過程是將初始狀態x(0)轉換到系統特徵向量線上。
根據本發明實施例的穩定控制系統的設計現在將被描述。
穩定控制系統的響應如方程5使用極點來分析。
x(k)＝(A-BK)kx(0)=P1k0002k0003kP-1x(0)]]>=1kp1q1x(0)+2kp2q2x(0)+3kp3q3x(0)]]>…(5)這裡，常數λ1、λ2和λ3是極點並且與矩陣A-BK的特徵值相應，p1、p2和p3是特徵向量。矩陣P包括特徵向量p1、p2和p3，並且向量q1、q2和q3是P的逆矩陣P-1的水平向量。因此特徵向量p1、p2和p3和水平向量q1、q2和q3具有方程6中顯示的垂直或水平相關。
qipj=1,i=j0,ij(6)]]>三個極點λ1、λ2和λ3和初始狀態x(0)與方程5中的穩定控制系統的響應有關。
如果初始狀態在某條特徵向量線上，那麼在穩定控制系統的響應中只有相應的極點出現。例如，如果初始狀態在第二特徵向量線上，即，如果x(0)＝ap2，這裡α是常數，那麼如根據方程5和方程6的方程7所示，在穩定控制系統響應中第二特徵值λ2出現，並且系統狀態一直在第二特徵向量線上並且系統狀態收斂到零點。收斂速率由第二特徵值λ2來確定。
x(k)=a2kp2(7)]]>如果相平面分析方案被使用，那麼這個概念可被容易地理解。
圖3表示根據初始狀態的系統響應軌跡的三個示例。因為如方程1所示，系統的階數是3，所以最初需要三維空間，但是為了概念轉換的簡化，使用由位置和速率組成的二維平面。對於高的初始速率(情況A)，在系統響應中出現三個極點λ1、λ2和λ3。因此，一般地，系統狀態軌跡變成曲線，並且產生超調。對於低的初始速率(情況C)，三個極點也被包括。因此，系統狀態軌跡變成曲線。在這種情況下，雖然沒有產生超調，但是響應很慢。對於在特徵向量線上的初始狀態(情況B)，系統狀態軌跡是特徵向量直線並且沿著該特徵向量直線收斂到零點。因此，可避免超調。另外，如果特徵向量的特徵值非常大，那麼系統狀態收斂到零點的速率較快。即，如果初始狀態在具有高速率的特徵向量線上，那麼可預測穩定控制系統的最佳性能可被獲得。
然而，初始狀態根據諸如溫度的環境而變化，特別地，根據尋道距離而顯著地變化。因此，為了獲得快速和優良的穩定控制性能，必須另外使用用於將初始狀態轉換到特徵向量線上的控制輸入。
如上所述，因為當系統狀態在特徵向量線上開始時，在系統響應中只有單一極點出現，所以在本實施例中執行這個功能的控制器被稱為單模式控制器230。
包括單模式控制器230的整個穩定控制器被表示為方程8。
u(k)＝-Kx(k)+uSM(k) …(8)這裡uSM(k)表示單模式控制輸入。在這種情況下，整個系統的動態方程被表示為方程9。
x(k+1)＝(A-BK)x(k)+BuSM(k)…(9)因為方程9的系統的階數是3並且可被控制，所以存在這樣的控制輸入，通過該控制輸入，以三個樣本初始狀態x(0)可被轉換為預定的目標狀態xfinal。對於三個樣本的控制輸入如方程10被定義。
U＝[uSM(0)uSM(1)uSM(2)]T…(10)通過方程9，系統目標狀態xfinal可被表示為方程11。
xfinal＝(A-BK)3x(0)+(A-BK)2BuSM(0)+(A-BK)BuSM(1)+BuSM(2)…(11)為了存在於特徵向量線上，系統目標狀態xfinal應滿足關於常數α的方程12。
xfinal＝αpi…(12)通過方程11和方程12，初始狀態x(0)可通過其被轉換為特徵向量線的單模式控制輸入值如方程13被計算。
U＝[us(0)·us(1)us(2)]T＝Q[xfinal-Rx(0)]＝Q[αpi-Rx(0)]…(13)這裡，Q和R是如方程14定義的矩陣。
Q＝[(A-BK)2B(A-BK)BB]-1，R＝(A-BK)3…(14)剩餘的一個是確定唯一的目標狀態，即，確定方程12中的常數α。在本實施例中，目標狀態被確定以便單模式控制輸入被最小化。圖4表示初始狀態被轉換為目標狀態的三個示例。在目標狀態最接近初始狀態的情況下(情況B)，狀態轉換需要的控制輸入被最小化。最小化需要的成本函數(cost function)通過如方程15所示的控制輸入的大小來定義。
J(α)＝UTU＝[αpi-Rx(0)]TQTQ[αpi-Rx(0)] …(15)用於最小化方程15的常數a的值被表示為方程16。
*=piTQTQRpiTQTQpix(0)(16)]]>通過方程12和方程16優化的單模式控制輸入如方程17被確定。
U*=uSM*(0)uSM*(1)uSM*(2)=(QpipiTQTQRpiTQTQpi-QR)x(0)=Mx(0)(17)]]>方程17中表示的方陣M在矩陣發生器240中被預先計算並且存儲。簡單地說，初始狀態x(0)在穩定控制模式的開始時刻通過狀態估計器而被獲得並且與方陣M相乘，從而用於三個樣本u*SM(0)、u*SM(1)和u*SM(2)的單模式控制輸入被確定。通過順序地將這三個輸入值輸入到系統，初始狀態被轉換到特徵向量的正交位置上。
表示當由本實施例建議的單模式控制器230被使用時穩定控制性能的改進的實驗結果被表示如下。
磁軌密度、磁軌寬度和盤旋轉速率分別為130000TPI、0.19μm和7200rpm的HDD被用於實驗。對於一個磁軌尋道的系統響應在圖5中被表示。對於一個磁軌尋道，沒有加速/減速模式的情況下穩定控制模式開始。在這種情況下，與圖3的情況C相應，初始速率幾乎是0。根據圖5，如果不使用單模式控制器230，那麼系統響應較慢，並且用於搜索一個磁軌的時間較長。相反地，如果使用單模式控制器230，那麼系統響應迅速，並且尋道時間可縮短約0.4msec。對於7000個磁軌的磁軌尋道距離的性能比較結果在圖6中被表示。在這種情況下，與圖3的情況A相應，通過加速/減速模式，初始速率較高。如果不使用單模式控制器230，那麼產生超調，並且穩定時間較長。相反地，如果使用單模式控制器230，那麼超調被抑制，並且穩定時間可縮短約0.6msec。對於40000個磁軌的磁軌尋道距離的性能比較結果在圖7中被表示。在這種情況下，與圖3的情況A相應，通過加速/減速模式，初始速率也較高。如果使用單模式控制器230，那麼穩定時間可縮短約0.8msec。
如上所述，根據本發明實施例，在磁軌尋道控制中，通過控制穩定控制模式從其開始的初始狀態以轉換到系統的特徵向量線上並且沿著該特徵向量線收斂到零點，改進的和平滑的穩定控制可不管尋道距離而被執行，並且特別地，磁軌尋道時間可被縮短。
本發明可作為方法、設備和/或系統被實現。當本發明作為軟體被實現時，本發明的部件作為用於執行需要的操作的代碼段被實現。程序或代碼段可被存儲在處理器可讀記錄介質中，並且通過使用傳輸介質或通信網絡，所述程序或代碼段可作為與載波結合的計算機數據信號被發送。處理器可讀記錄介質是任何可存儲或發送其後可被計算機系統讀取的數據的數據存儲裝置。處理器可讀記錄介質的示例包括電子電路、半導體存儲器裝置、只讀存儲器(ROM)、閃速存儲器、可擦除ROM、軟盤、光碟、硬碟、光纖媒體和RF網絡。計算機數據信號包括任何可經過諸如電子網絡通道、光纖、空氣、電場、RF網絡的傳輸媒體被傳播的信號。
儘管參照其優選實施例，本發明已經被具體地顯示和描述，但本領域技術人員應該理解，在不脫離由所附權利要求限定的本發明的精神和範圍的情況下，可在形式和細節上對其進行各種改動。上述實施例應該僅被認為是描述性的，並不用於限制的目的。因此，本發明的範圍不是通過本發明的詳細描述而是通過所附權利要求來限定，並且在該範圍內的所有不同將被解釋為包括在本發明中。
權利要求
1.一種在控制盤驅動器的磁軌尋道模式的方法中的在盤驅動器的磁軌尋道模式中的自適應穩定控制方法，該方法包括通過在從磁軌尋道模式的加速/減速控制模式轉換到穩定控制模式的時刻將磁頭運動的初始狀態轉換到系統的特徵向量線上，控制磁頭沿著特徵向量收斂到目標位置和目標速率。
2.如權利要求1所述的方法，其中，所述特徵向量取決於包括在系統中的磁頭臂組件的特性。
3.如權利要求1所述的方法，其中，通過將初始狀態的變量值和預定方陣相乘，所述初始狀態被轉換到特徵向量線上。
4.如權利要求1所述的方法，其中，通過將初始狀態的變量值和預定方陣相乘，所述初始狀態被轉換到特徵向量線的正交位置上。
5.如權利要求4所述的方法，其中，方陣M定義為M=QpipiTQTQRpiTQTQpi-QR.]]>
6.一種在盤驅動器的磁軌尋道控制設備中的在盤驅動器的磁軌尋道模式中的自適應穩定控制設備，該設備包括狀態估計器，從位置誤差信號估計包括磁頭位置、速率和控制輸入信息的磁頭運動的狀態信息值；狀態反饋控制器，產生通過將狀態信息值和預定的狀態反饋增益相乘獲得的狀態反饋控制信息；單模式控制電路，產生通過將在穩定控制模式的開始時刻的狀態信息初始值和用於將在磁軌尋道模式的穩定控制模式開始時刻的磁頭運動的初始狀態轉換到系統特徵向量線上的預定方陣相乘獲得的初始狀態補償信息；求和單元，將初始狀態補償信息和狀態反饋控制信息的負值相加；和音圈電機驅動器和致動器，通過產生與求和單元的輸出相應的驅動電流來移動磁頭，並且產生位置誤差信號。
7.如權利要求6所述的設備，其中，所述單模式控制電路包括矩陣發生器，在穩定控制模式的開始時刻產生所述預定方陣；和單模式控制器，產生通過將在穩定控制模式的開始時刻的狀態信息初始值和所述預定方陣相乘獲得的初始狀態補償信息。
8.如權利要求6所述的設備，其中，所述預定方陣被確定以便狀態信息初始值被轉換到特徵向量線的正交位置上。
9.如權利要求6所述的設備，其中，所述預定方陣M定義為M=QpipiTQTQRpiTQTQpi-QR.]]>
全文摘要
提供了一種當盤驅動器的磁軌尋道控制被執行時執行改進的不管尋道距離的穩定控制的穩定控制方法和設備。在控制盤驅動器的磁軌尋道模式的方法中，一種在盤驅動器的磁軌尋道模式中的自適應穩定控制方法包括通過在從磁軌尋道模式的加速/減速控制模式轉換到穩定控制模式的時刻將磁頭運動的初始狀態轉換到系統的特徵向量線上，控制磁頭沿著特徵向量收斂到目標位置和目標速率。
文檔編號G11B21/10GK1783225SQ20051010562
公開日2006年6月7日 申請日期2005年9月28日 優先權日2004年12月1日
發明者白尚恩, 沈俊錫, 姜彰益 申請人:三星電子株式會社