硬盘模型分析及控制器设计

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1、硬盘模型分析及控制器设计摘　要:本文选取硬盘驱动器作为研究对象，首先通过对该系统分析建立了其物理模型。然后针对以音圈电机作为伺服机构的硬盘磁头定位伺服系统的性能要求，对音圈电机的控制设计采用了4种控制器方案，即极点配置方法、PID控制方法、线性二次型调节器(LQR)方法、H-infinite控制器方法，并分别分析了系统的阶跃响应，与原系统进行比较。最后比较了所设计反馈系统之间的调节性能，抗干扰特性及说明了4种控制方案各自的优点和缺点。关键词:硬盘驱动器；音圈电机；极点配置；PID；LQR；H-infinite4

2、60引言硬盘驱动器作为一种存储数据信息的设备，在目前的计算机系统中起着不可替代的作用。如今，硬盘技术的发展日趋成熟，而其中又以读写磁头的定位控制为核心技术。硬盘磁头定位包括：寻道控制与跟踪控制。寻道控制要求使磁头以最快速度从起始轨道到达期望轨道，并通过跟踪控制保持磁头准确定位于目标轨道。而硬盘数据存储容量以及磁道密度显著地增大，重复干扰大大降低了磁道跟踪的效率。因此我们希望控制性能伴随着磁道宽度和扇区的减小能相应地得到提升[1]。硬盘是电子计算机磁记录机构中最为精密的一类微机电系统设备，它对振动的敏感性是由其结

3、构决定的。硬盘组件和工作原理如图l所示。硬盘驱动器由磁头驱动机构(包括音圈电机、悬架、磁头、轴承)，硬盘碟片和主轴组成。图1硬盘内部结构示意图硬盘工作时，磁盘高速旋转，磁头依靠空气的阻力悬浮于盘面上面，伺服机构驱动磁头沿着盘面的径向移动，实现对磁盘进行读/写。为了保证磁头对盘面记录信号的敏感性，磁头与盘面的间隙变得很小，一般在30～50nm之间。为了保证磁头能准确定位于盘面的某一磁道，伺服机构必须能控制磁头精确地移动，任何对硬盘驱动器的扰动都会引起磁头定位的偏差，偏差大到一定值后会造成磁头不能准确定位，造成读/

4、写失效，甚至引起硬盘物理损坏。磁头的定位过程主要是由硬盘中的音圈电机(VCM)来完成的。它接受主机发出的读写数据命令，快速的将磁头从当前磁道移动到数据所在的目标磁道上。详细的过程如下：首先音圈电机分析目标磁道和当前磁道的距离，主要是根据磁道号和磁道宽来确定。磁道号通过读取刻录在磁盘上的伺服信息中的磁道号获得然后决定是向内径还是外径移动。这个过程称为寻道。当到达目标磁道后，46磁头再紧紧跟随目标磁道，跟随过程通过读取刻录在磁盘上的伺服信息中的位置误差信号来实现。伺服控制机构通过获取磁头相对于当前磁道的位置信息，及

5、时调整磁头的位置，使磁头始终能够准确定位在磁道的中心位置，并能够有效的克服噪音干扰和机械扰动造成的磁头偏离当前磁道的问题。这个过程称为跟随。这两个过程都是由音圈电机带动滑块来完成的。通过以上分析我们知道，音圈电机（VCM）的运行性能是决定磁头准确定位的关键。在实际中，由于干扰因素，音圈电机并不能运行在理想的状态，而是会出现振荡或不稳定的情况，这样不仅不利于磁头的准确定位，还有可能损坏整个磁盘。因此需要设计控制器来改善其动态性能，本文主要讨论极点配置方法、PID控制方法、线性二次型调节器(LQR)方法和H-inf

6、inite控制器方法来设计硬盘驱动器的控制器，并讨论各方法的优点与缺点。1系统建模硬盘可以存储海量信息，考虑图1.1所示的硬盘驱动器结构示意图可以发现，硬盘驱动器读取装置的目标是将磁头准确定位，以便正确读取硬盘磁道上的信息（第1步）。要精确控制的变量的磁头（安装在一个滑动簧片上）的位置（第2步）。硬盘转速在5400r/min~7200r/min之间，磁头悬在硬盘上方100nm的位置，定位精度指标设为1μm（第3步）；如有可能，我们还要进一步做到使磁头从磁道a移动到磁道b的响应时间小于10ms。我们由此可以得到电

7、机驱动磁头臂到达预定位置的闭环系统框如图1.2所示。图1.1硬盘驱动器结构图图1.2闭环系统框图46接着选定系统的执行机构、传感器和控制器（第4步），然后建立控制对象和传感器的数学模型。由选定的参考文献3，得到传感器环节的传递函数为H(s)=1，执行机构即被控对象的传递函数为[2]。上面的模型实际上是一个二阶线性系统串接了一个高频的谐振模态，但它不包括低频区域的非线性扰动。在控制设计中，为了简化设计和兼顾鲁棒性(同一控制器适用于一大类控制对象，其高频模态可能有所偏移)，需要使用简化的对象模型。此外，在正常的工作

8、频带内，高频谐振模态并不会被激活(若有必要，也可引入适当的带阻滤波器来抑制谐振模态)。据此，暂时忽略传递函数中的高频模态，而只保留二阶模型。为了更直观地说明这种简化的效果，本文比较了原系统（带高频部分）的四阶模型与简化的（不带高频部分）二阶模型的频率响应特性和阶跃响应的差别，通过Matlab程序得图1.3，1.4所示。图1.3原系统与二阶等效系统的频率特性响应曲线46图1.4原系统与二