磁盘驱动系统自适应控制设计

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1、目录第1章磁盘驱动器21.1磁盘驱动器工作原理21.2磁盘驱动器结构21.2.1盘片与磁介质21.2.2磁头21.2.3滑座21.2.4磁头驱动器21.2.5控制电路3第2章磁盘电机自适应模型32.1磁盘电机的分类32.1.1硬盘32.1.2软驱32.2磁盘电机自适应模型的构建32.3控制器设计及稳定性判定4第3章自适应仿真过程53.1simulink的构建53.2simulink运行结果63.2.1不同参数值下的结果63.2.2小结93.2.3搭建过程中的失误9第4章PID控制简述与仿真104.1PID简述104.2磁盘系统的PID控制建模104

2、.3PID的simulink仿真10第5章磁盘控制过程中的误差分析125.1外部干扰125.2内部干扰12参考文献15磁盘驱动系统控制第1章磁盘驱动器1.1磁盘驱动器工作原理我们通常看到的PC中的硬盘驱动器为一密封的金属容器，其内部主要由盘片机构和磁头机构两部分组成。数据记录在盘片表面的磁敏感材料上，一个或数个盘片层叠固定在盘片电机主轴上[1]。每一盘面都配有相应的读写磁头，多个磁头及其悬臂组合并固定在盘面中部的主轴上。硬盘工作时，盘片在电机驱动下作高速运转，电机带动磁头在盘片上方移动以寻找数据所在磁道并以允许偏离误差跟踪在其上方。当数据所在磁道经

3、过磁头，磁头会根据电磁感应原理读取或写入数据[2]。1.2磁盘驱动器结构1.2.1盘片与磁介质这部分是磁盘的存储介质，是被驱动器操作的对象。1.2.2磁头磁头使用电信号以磁通量形式将数据的二进制编码写于盘片上，并从盘片读取磁通量形式的存储单元并转换为电信号进行解读。1.2.3滑座硬盘驱动器的一个重要技术在于将读写磁头悬浮于一较薄的空气轴承上。磁头本身是固定在被称为滑座的机械构件之上，这是一个连接磁盘悬臂与磁头的装置[3]。1.2.4磁头驱动器这里，该器件叫做磁头驱动器，而不是磁盘驱动器（磁盘驱动器包含了一个磁头驱动器）。磁头驱动器的功能是使悬臂在磁

4、盘表面移动，从而带动磁头寻找目的磁道，即磁头定位。磁头驱动器的主要部件是驱动磁头运动的电机。1.2.5控制电路硬盘密封着的内部的电路部分较少，只有主轴电机和激励电机的电缆，以及连接读写磁头到控制电路的柔性电路板。硬盘外部的控制电路提供了硬盘和计算机之间的逻辑连接，它把计算机送来的寻道和读写指令传给驱动器，并且控制着数据的流动。结合1.1中对磁盘驱动器工作原理的论述和1.2中磁盘驱动器结构的描述，我们可以得出这样一个结论：控制磁盘驱动器就是控制磁头的运动，而磁头的运动由电机带动，因此，磁盘驱动器的控制问题即可转化为电机的控制问题。第2章磁盘电机自适应

5、模型2.1磁盘电机的分类2.1.1硬盘硬盘一般内部有两个电机：（1）主轴电机：一般为三相直流无刷电机（BLDC），工作电压12V，驱动采用无位置传感器方式，通过判断反电动势（Back-EMF）来换相；（2）磁头小车：一般老式硬盘（5寸）采用步进电机，新硬盘（3寸）都采用音圈电机（VCM），通过专门的音圈电机控制电路来控制。2.1.2软驱软驱一般内部有两个电机：（1）主轴电机：一般为三相直流无刷电机（BLDC），工作电压5V，通过位置传感器（霍尔传感器）判断换相点来换相；（1）磁头小车：一般采用两相步进电机，工作电压5V。2.2磁盘电机自适应模型的构

6、建选取如下的步进电机模型[4]：（2-1）其中，J为系统的转动惯量；C为系统的阻尼系数；K为系统的弹性系数；T(t)为步进电机提供的转矩。因为磁头是控制对象，而磁头收到电机的控制，电机受转矩驱动，所以这里我们规定：为控制变量；令T(t)=u，从而通过调节电机转矩控制磁头的运动。2.3控制器设计及稳定性判定我们进行如下的推导：令：（2-2）为某一固定的转角的值。（2-3）e为误差。由式(2-1)可得：(2-3)下面进行降阶操作：（2-4）（2-5）（2-6）其中：（2-7）（2-8）可以推导出控制器u的形式为：（2-9）其中，为K的估计值，为待估参数

7、。根据李雅普诺夫稳定性定理，我们引入下面的李雅普诺夫函数：（2-10）其中，是K与的差值。令V>0，<0即可，在推导过程中得到如下的关系式：（2-11）通过式（2-11）我们可以对K值进行估计。至此，我们推出了如式（2-9）所示的控制器，当满足式（2-11）时，系统可以保持稳定。第3章自适应仿真过程3.1simulink的构建根据文献3的论述，我们得到了如下的等效参数：J=1，C=0.0286。这里的J和C为通过最小二乘法拟合出的参数，在我们搭建和调试simulink的过程中可以对其进行调整按照上面的推导我们进行如下图3-1的simulink搭建：

8、图3-1系统搭建参数对应情况如下：constant为常数项/J；gain为式（2-4）和式（2-5）中的；gain2对应于