[发明专利]对于运用电压方式音圈马达的硬盘驱动器的数字伺服控制系统

说明书

发明背景

在由图1以简化形式示出的一个硬盘驱动器组件中，读/写(R/W)磁头101附在致动器臂102的一端，该致动器臂绕枢轴点103旋转。一个音圈马达VCM104位于该臂的另一端，而且当驱动时，该音圈马达产生相对于枢轴的一个扭矩T_vcm，以控制磁头的位置θ_h。主轴马达105驱动多个含有储存信息的母板(platter)106。在图2中示出简化的HDD组件的等同电路模型，该组件在本学科中称为‘设备’(‘Plant’)。

因为在伺服写处理中的错误和主轴轴承的不完整性，一条指定磁道的真实位置，y201，在磁头底下移动。通过伺服写处理，将磁头位置信息编码到磁盘表面的伺服扇区上，该扇区是沿着磁盘圆周分隔的一个有限数的等间隔的区域(at a finite number of equally spaced locations)，在每个伺服扇区，读磁头用作VCM伺服系统的位置传感器，提供所测得的相对于磁道中心线的磁头位置信号Y_m202。该位置测量由一个补偿算法进行处理，并产生控制信号u203。在存在各种骚动扭矩和磁盘出错的情况下，该信号表示所希望的将R/W磁头保持在磁道上所必需的VCM扭矩。一个功率驱动器用于将该控制信号转换成驱动致动器臂和移动磁头所必需的功率信号v_d204。

音圈马达

该VCM，包括夹在两个永久磁铁间的一个线圈，在致动臂上产生一个驱动扭矩，带动R/W磁头。该扭矩是线圈电流和在两永久磁铁间的线圈位置的一个函数，能按以下公式描述，

T_vcm＝K_i(i，θ)                     (1)

如果假定磁场强度B是一个在致动器移动的整个范围内是不变的，那末扭矩公式接近线性关系，K_t(i，θ)＝K_t，而公式(1)能写成，

T_vcm＝K_ti                 (2)

如果N是线圈中的圈数，l是线圈中每圈的长度，而r是从线圈中心到致动臂轴的距离，那末K_t由下列公式给出，

K_t＝NBlr                  (3)

因为在磁场中的一个移动线圈产生一个电势，通称为反(back)e.m.f.电压，线圈上的有效电压V_c是一个由功率驱动器提供的电压V_d和反e.m.f.电压的组合V_b，

V_c＝V_d-V_b              (4)

该反e.m.f.电压是移动线圈角速度ω的一个函数，并由下列公式给出，

V_b＝K_tω                                  (5)

这里K_t由方程式(3)给出。

传统的硬盘驱动器控制器

在传统的硬盘驱动器中的音圈马达是用给跨导回路的一个电流指令来控制的。在图3中描述的原理是，该宽带电流环301能抑制扰动，并且比窄带控制系统能给不确定的系统参数提供更多的保护。当硬盘驱动器厂商在生产数百万个硬盘驱动器时，制造该电流环的电路和元件所需的费用是昂贵的。传统的电流方式控制结构要求有测量的线圈电流301，和测量的位置302两个分量，以获得稳定的配置。