现代控制理论大作业

专业综合调研报告电气工程与智能控制专业分类号：TH89单位代码：10110学号：中北大学综合调研报告题目:磁盘驱动器读写磁头的定位控制系别:计算机科学与控制工程学院专业年级:电气工程与智能控制2014级姓名:何雨贾晨凌朱雨薇贾凯张钊中袁航学号:1407054139/03/04/16/33/47指导教师:靳鸿教授崔建峰讲师2017年5月7日专业综合调研报告电气工程与智能控制专业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。自IBM公司于1956年向全球展示第一台磁盘存储系统R.AMAC以来，随着存储介质、磁头、电机及半导体芯片等相关技术的不断发展，硬盘的存储容量成倍增长、读写速度不断提高。要保证可靠的读写性能，盘片的转速控制和磁头的定位控制问题具有重要意义。其中磁头的定位控制主要包括寻道控制与定位跟踪控制两个问题，如PID控制、自适应控制、模态切换控制等，这些控制方法大大提高了硬盘磁头伺服系统的性能。为达到更高的精度，磁头双级驱动模型成近年的研究热点，多种控制策略已有相关报道，但目前仍处于实验水平。关键词：磁盘驱动器；磁头；定位；控制AbstractHarddiskdrive(HDD),actedasrequisitestorageequipmentincurrentinformationage,playsamoreandmorevitalroleinpeople’sdailylife,anditbecomesarollboosterinrapiddevelopmentofscienceandtechnology.However,withtheincreaseofinformationcapacity,weputforwardasevererequestforHDDdatastoragecapacity.Unfortunately,duetothelowbandwidth,lowpositioningaccuracyinconventionalHDD,magneticheadishardtobepositionedontothedestinationtrackcenter,thusitlimitsthecontinuingincreaseinstoragecapacity.SinceIBMbroughtthefirstdisk-therandomaccessmemoryaccountingmachine(RAMAC)tomarketin1956,thestoragecapacityandread/writespeedhavecontinuouslyincreasedalongwiththedevelopmentofthetechniquesofmedia,read/writehead,actuatorsandsemiconductingchips.TheproblemsofR/Whead'ssettlingcontrolisdefinitelyimportantinordertoensurethereliabilityofreadandwriteperformance.Trackseekingandtrackfollowingaretwomainstagesoftheharddiskservosystem.ResearchershavedevelopedkindsofcontrolstrategiestoimplementtheservocontrolfromPIDcontroltoadvancedcontrolmethods.Dual-stageactuatorhasattractedmanyresearchersandengineersforitsbroaderbandwidthcomparedwithsingle-stageactuator.KeyWords：HardDiskDrive;Heads;Location;Control专业综合调研报告电气工程与智能控制专业-1-第1章磁盘驱动器的介绍自上世纪50年代计算机发明以来，随着科技的进步，软硬件技术都获得了相当大的发展。目前无论日常生活还是工作学习，计算机正扮演着越来越重要的角色。相对于基本遵循了摩尔定律不断更新的芯片技术，计算机中的数据存储器硬盘也在容量和速度上不断突破，这对磁头的控制问题提出了更高的要求。本章简要介绍硬盘驱动器的基本结构以及硬盘驱动器控制的发展与现状[1]。我们通常看到的个人计算机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。每一盘面都配有相应的读写磁头，多个磁头及其悬臂层叠组合成为磁头组并固定在其中部的磁头主轴上。硬盘工作时，盘片在电机驱动下作恒定的高速运转，音圈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;当数据所在磁道经过读写磁头，磁头根据电磁感应原理读取或写入数据。这是一系列复杂且微妙的控制动作，通过本章节的介绍，对于硬盘结构和磁头控制将会有一个较为清晰的概念。1.1硬盘驱动器结构图1.1所示，为一个典型的硬盘驱动器内部结构，其中磁头组件包括音圈电机(voice-coilmotor，VCM)，一组磁头悬臂及读写磁头;盘片组件包括一组盘片及一个主轴电机。在盘面上有数以千计按同心圆划分的数据磁道，磁头距盘片大约为10-8um的数量级，并可沿盘片平面作径向运动。本节将简要介绍硬盘驱动器的组成[2]。图1.1硬盘驱动器内部结构专业综合调研报告电气工程与智能控制专业-2-1.1.1盘片与磁介质数据按等距的同心圆以两种模态存储于盘片的磁介质上，但存储密度的大小由多种性质决定。物理性质的主要影响包括磁性介质上偶极子的大小和同一性，磁化方向以及磁介质的矫顽性和温度稳定性等，这些都决定于磁介质材料及加工工艺。另一方面，为提高存储容量，盘片表面被划分为更多的磁道，相邻存储单元的间距也更小，因此在硬盘技术发展过程中介于磁头和盘片上磁介质之间的磁场不断被减弱以避免干扰。此时磁头在磁盘上某一较小区域进行的读取或写入操作密度取决于磁头和磁性盘片间的距离，即通常所说的航高(flyingheight)航高越小，读写区域越精确。但是，随着航高的减小，物理性质如盘片表面镀层的厚度等仍将成为主要影响读写精度的因素。硬盘盘片的直径从最初的14英寸发展到8英寸，后又缩小至5.25英寸，3.5英寸，2.5英寸或更小，已成为硬盘规格的主要参数之一。盘片面积的减小，伴随着容量的成倍增加以及读写速度的不断提高，这对制造工艺提出了更高的要求，需要盘片具有更为平滑的表面，更高的介质磁畴密度:磁头具有更小的磁性耗散，更低的航高。目前常用的硬盘尺寸主要有以下三种规格:台式机硬盘(主流)为3.5英寸，高速视频设备及笔记本电脑硬盘为2.5英寸，掌上电脑及移动通讯设备使用的微硬盘(MicroDrive)为1.8英寸[3]。1.1.2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。磁头通常安装于悬臂末端，由于盘片两面都有磁介质镀层，因此每个盘片对应两个读写磁头。悬臂在音圈电机的带动下在盘片表面沿径向移动，使得每个磁头在对应表面的相对位置均一致。但是，同一时刻一般只有一个磁头在读取或写入数据。现在有些磁盘可在同一时刻用两个或两个以上的磁头同时读写数据，但是这一技术尚未获得广泛应用。磁头的发展经历了五次大的飞跃:镍铁导磁合金头((permalloyhead)，铁酸盐磁头(ferritehead),MIG磁头，超薄感应磁头(thin-filminductivehead)和磁阻磁头(magnetoresistivehead)。无论是什么材料的磁头，都是基于电磁感应原理进行读写的[4]。然而，感应磁头有一个致命的弱点，即只有在磁通量随(magneticdomaintransition,MDT)改变时，磁头才会有响应。如果MDT信号不足，则相对适量的信噪比，有效的读取信号量将会过低。解决这一问题的手段，即为目前应用最为广泛的巨磁阻反向读取磁头，这类磁头响应于磁畴磁通量本身而不是MDT[6]。1.1.3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。这一概念于1953年研究薄型磁鼓计算机时便开始研究。IBM将之用于1956年的RAMAC上。空气轴承的一个突出优点,就是保证磁头与盘片之间的最小距离。早期的空气轴承需要将空气通过磁头泵入，而将磁头推离盘片，这使得航高和磁头的尺寸都保持在一个较专业综合调研报告电气工程与智能控制专业-3-大值上。如前所述，航高对于磁盘存储密度来说是一个关键参数，因此，提高存储密度并加速主轴旋转的决定性要素就是降低航高。滑座的尺寸直接影响了航高值，根据空气动力学原理，一般滑座越小航高值也越小。1.1.4磁头驱动器磁头驱动器的功能是使悬臂在磁盘表面移动，从而带动磁头寻找目的磁道，即前文所指的磁头定位。最原始的驱动器仅有一对步进电机，在垂直方向与径向运动来获取数据，如软驱的磁头驱动，这种方式所提供的磁头移动速度非常有限。取而代之的是音圈电机(VoiceCoilMotor)，这种电机可根据通过它的电流的大小来使线圈移近或离开一块永久磁铁[7]。这种方法的精度很高，但是亦非常敏感，因为电流大小的微小变化都可能引起磁头位置的变动。显然这种电机是一种模拟系统，它的移动量取决于通过它的电流的大小。在寻道过程中磁头的实际位置取决于记录在磁道上的伺服信息，这是由硬盘生产商在出厂时写入的，该操作称为低级格式化(lowformat)。磁头在磁道上的跟踪定位也是根据这个信息进行调整的。1.1.5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，并且控制着数据流量。1.2硬盘磁头控制技术发展简介最先将控制的概念引入硬盘驱动器中的是温彻斯特硬盘(Winchesterdrive)在机械制造上以其质量轻巧且经润滑的滑座而闻名，而它的控制系统相对于机械制造更为声名显赫，因为这是第一台应用反馈控制回路的硬盘。在DickOswald1974年所撰写的文章中(Oswald1974)，使用对bang-bang控制做了一些修正后而得到的控制策略，这一控制方法在日后被普遍应用并被M.L.Workman在其博士论文中总结并命名(Workman1987)为近似时间最优伺服控制((ProximatetimeoptimalservoPTOS)(Franklin,Powelletal.1998)[8]。1.2.1模拟，采样数据及数字控制从硬盘发展之初，就是采用数字电路将数据传入或导出计算机，尽管当时的控制回路是模拟制式的。早期的数字控制器是针对性能和经济上的要求而出现的。很好的一个例子就是昆腾(Quantum)公司，为了降低价格而采用数字控制制造出了一些低端的专业综合调研报告电气工程与智能控制专业-4-驱动器，采用微处理器实现伺服控制极大地减少了耗费在模拟电路上的支出。IBM则为设计微皿}l计算机硬盘而致力于先进控制算法的研究(Stick1987)，虽然当时仍旧依靠模拟电路来完成控制律的实现，研究者却想到了划分了扇区的伺服系统，这也就是采样数据的控制系统。惠普(HP)在1980年代中期开始制造具有这一特点的驱动器，直到1980年代末期，惠普才彻底地转到数字控制驱动器上[9]。1.2.2状态空间分析随着DSP技术的发