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硬盘驱动器两级磁头定位研究

作　者: 张洪波
导　师: 黄心汉
学　校: 华中科技大学
专　业: 控制理论与控制工程
关键词: 两级磁头定位加权递推最小二乘复合非线性反馈跟踪微分器几乎干扰解耦自适应前馈补偿神经网络
分类号: TP333.35
类　型: 博士论文
年　份: 2008年
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内容摘要

硬盘驱动器作为当今信息时代不可缺少的存储设备,在人们日常生活中正扮演着越来越重要的角色,同时它也成为信息时代科学技术飞速发展的助推器。然而,随着信息量的日益增长,人们对硬盘驱动器存储容量的要求越来越高。但另一方面由于传统硬盘驱动器的低带宽、低定位精度,导致磁头很难准确地定位在目标磁道中心位置,从而限制了存储容量的持续增加。因此,如何设计合理的伺服系统结构和先进的算法以提高磁头定位精度日益成为硬盘存储技术研究的一大挑战,本文的研究工作就是在这样的背景下展开的。就伺服系统结构而言,传统的硬盘驱动器仅采用音圈电机作为单一的致动器驱动磁头实现数据的读写。采用这种单级磁头定位结构,由于音圈电机存在机械谐振和高频不确定性,从而限制了伺服带宽的提高,进一步制约了磁道密度的增加。为了满足磁头定位速度、精度和频率响应快的要求,本文开发出两级致动器结构,即采用粗—精两级伺服定位系统以获得高伺服带宽和定位精度。在这一结构配置中,音圈电机作为第一级致动器控制读/写磁头进行粗定位,主要运动于低频段;微致动器作为第二级精定位致动器控制磁头在数据磁道上实现精确的定位,此时该级致动器工作于高频段。就先进的算法而言,首先考虑到硬盘驱动器伺服信号存在着噪声,噪声的存在降低了磁头定位的精度,进而影响磁盘密度的提高,严重情况下还会发生误读写,因此事先需要经过滤波处理。由于噪声源和有用信号的频谱相互间有重叠,因而采用一般的数字滤波器达不到滤波的效果。本文在这样的需求下提出了一种新颖的加权递推最小二乘法。为便于展开后续的硬盘两级磁头定位研究工作,先简要介绍了单级磁头定位情况,并在此基础上首次将分数阶PI~λD~μ控制器引入到硬盘伺服控制领域。分数阶PI~λD~μ控制器作为常规整数阶PID控制器在微积分阶次上的推广,除了通常的比例、积分和微分系数可调整外,其积分阶次和微分阶次也是可调整的,这使得分数阶PI~λD~μ控制器的设计更灵活,用在硬盘驱动器磁头定位上,鲁棒性更强,控制效果更佳。在硬盘两级磁头定位研究工作中,为了实现磁头更快捷、更精确的定位,同时还避免致动器的饱和,从而取得更满意的控制效果,本文基于现代控制理论,提出了一种崭新的控制方法——复合非线性反馈控制结合跟踪微分器。前者的设计思想为开始寻道时系统的阻尼比设置较小,从而保证系统有较快的响应速度。随着磁头逐渐靠近目标磁道而动态地增加系统的阻尼比进而减小超调,这一思想使得系统在获得较快上升时间的同时还保证较低的超调。后者采用前馈的方式将其引入到伺服系统中,主要用来减小输入给致动器的控制电压,从而避免致动器的饱和。此外,本文还通过构建一个恰当的Lyapunov函数,验证了在这一控制方案作用下闭环系统的渐近稳定性。考虑到信号电缆产生的常值干扰及其它不确定干扰会使系统存在稳态误差,本文提出了一种H_∞几乎干扰解耦控制器,控制器参数可以自由调整,这尤其适用于系统有不确定性干扰的情形。本文根据硬盘驱动器模型详细地设计了H_∞鲁棒控制器,并分别在时域和频域上验证了该控制器的有效性。在磁道跟踪模式下,鉴于硬盘驱动器不可避免地存在着由主轴马达产生的重复性扰动信号,扰动信号的存在使磁头很难定位在期望的磁道上。因此,本文提出一种自适应前馈扰动补偿器。这种自适应补偿器需要求解三个参变量,即相位超前参数、自适应增益和前馈项系数。为了得到最优的参数值,首先将该补偿器等效为一个线性时不变的模型,然后利用环路成形法、奈奎斯特准则和根轨迹分析法定量地获取了这些最优参量值。仿真结果表明该自适应前馈补偿器几乎完全消除了重复性扰动信号,从而保证磁头在磁道跟踪模式下良好的跟踪效果。随着硬盘磁道密度越来越大,尺寸越来越小,导致建立准确的对象模型变得越来越困难。基于此,本文提出一种不依赖于精确被控对象模型的控制方法,即采用激活函数可调的神经网络训练分数阶PIλDμ控制器的比例、积分和微分系数。这种控制方法不仅具有对被控对象模型的弱依赖性,而且具有控制性能上的高精度、强鲁棒性。最后,对全文的研究工作做了总结,并对今后要进一步开展的研究工作进行了展望。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-14
1 绪论  14-31
  1.1 引言  14
  1.2 硬盘驱动器的发展历史及现状  14-17
  1.3 硬盘驱动器组件介绍  17-22
  1.4 硬盘驱动器磁头定位技术  22-28
  1.5 本文的主要内容和结构  28-31
2 硬盘驱动器伺服信号滤波  31-39
  2.1 引言  31
  2.2 自适应加权递推最小二乘法  31-35
  2.3 工程应用实例  35-37
  2.4 本章小结  37-39
3 硬盘驱动器分数阶PI~λD~μ伺服控制  39-57
  3.1 引言  39-40
  3.2 分数微积分的定义  40-41
  3.3 分数阶PI~λD~μ控制器.  41-42
  3.4 有限维近似方法  42-45
  3.5 硬盘驱动器模型  45-46
  3.6 分数阶PI~λD~μ控制器五个参数对控制性能的影响  46-53
  3.7 性能验证  53-56
  3.8 本章小结  56-57
4 基于复合非线性反馈控制的硬盘两级磁头定位  57-73
  4.1 引言  57-58
  4.2 复合非线性反馈控制律  58-60
  4.3 对象模型构建  60-62
  4.4 硬盘两级伺服控制系统设计  62-68
  4.5 仿真结果及分析  68-72
  4.6 本章小结  72-73
5 带跟踪微分器的复合非线性反馈控制硬盘两级磁头定位  73-87
  5.1 引言  73-74
  5.2 改进的TDCNF 控制方案  74-76
  5.3 改进的TDCNF 控制律的稳定性论证  76-82
  5.4 改进的TDCNF 控制律设计  82-86
  5.5 本章小结  86-87
6 H_∞几乎干扰解耦控制器在硬盘两级磁头定位中的应用  87-106
  6.1 引言  87-88
  6.2 跟踪微分器和H_∞几乎干扰解耦控制器  88-93
  6.3 硬盘两级伺服系统设计  93-102
  6.4 仿真结果和分析  102-105
  6.5 本章小结  105-106
7 基于自适应前馈补偿的硬盘两级干扰补偿  106-120
  7.1 引言  106-107
  7.2 AFC 算法  107-108
  7.3 AFC 算法的等效模型  108-110
  7.4 AFC 补偿器的参数选择.  110-115
  7.5 仿真结果和分析  115-118
  7.6 本章小结  118-120
8 基于分数阶PI~λD~μ控制器和TAF-MFNN 的硬盘两级磁头跟踪控制  120-135
  8.1 引言  120-121
  8.2 控制器描述  121-125
  8.3 硬盘两级伺服系统描述  125-127
  8.4 硬盘两级伺服系统的设计  127-129
  8.5 仿真测试及结果  129-134
  8.6 本章小结  134-135
9 总结与展望  135-139
  9.1 全文总结  135-137
  9.2 研究展望  137-139
致谢  139-140
参考文献  140-156
附录A 攻读博士学位期间发表的论文目录  156-158
附录B 公开发表的学术论文与博士学位论文的关系  158-159

硬盘驱动器两级磁头定位研究

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