在盘片驱动器伺服中用到的经改进的陷波滤波 【发明领域】
本发明一般涉及盘片驱动器。具体地说，本发明涉及减小盘片驱动器机械结构的谐振振动(resonant oscillation)。
【发明背景】
一种典型的盘片驱动器包括被安装以在围绕轮轴(hub)或主轴(spindle)旋转的一个或多个盘片。典型的盘片驱动器还包括一个或多个换能器，它们是由悬在每张盘片上的流体动力空气垫(hydrodynamic air bearing)所支撑的。换能器和流体动力空气垫被统一称为数据头。一般，将驱动器控制器用来根据从主系统接收到的命令控制盘片驱动系统。驱动器控制器控制盘片驱动器检索来自盘片的信号并将该信息存储在盘片上。
致动器在负反馈、闭环伺服系统中进行操作。致动器使数据头在盘片表面上径向移动来进行磁道搜寻操作，并使换能器直接固定(hold)在盘片表面的磁道时以进行磁道跟随操作。伺服控制器对数据头相对于一些参考点的位置进行采样，并根据实际位置和参考位置之差产生误差信号。于是，用该误差信号驱动数据头到所需参考点，这一般是通过要求电流流过形成为致动器一部分的音圈马达(VCM)做到的。
一般，通过向数据头提供写信号来将信息存储在盘片上，以在盘片的表面上对磁通反转(flux reversal)进行编码上代表要存储的数据。在检索来自盘片的数据时，驱动器控制器控制致动器，从而使数据头悬浮在盘片上、感测在盘片上的磁通反转并根据这些磁通反转产生读信号。于是，由驱动器控制器对读信号进行解码以恢复由存储在盘片上的由磁通反转表示地数据，然后在由数据头提供的读信号中体现。
盘片驱动器机械结构包括多个机械元件，将它们接合在一起以形成最终的盘片驱动器组件。这些元件中的每一个都具有多种谐振模式，如果受外部能量源的激发那么部分元件会以对于所述元件的固有振荡频率造成物理移动。这种移动会以弯曲模式(bending mode)、扭曲模式或两者组合的模式进行。如果该元件高度无阻尼(即，谐振有高幅度，窄频带)，那么它会以最小外部驱动能量振荡。该振荡导致物理上移动数据头，导致越出磁道误差(off track error)和潜在的悬浮高度(fly height)问题。通常，将这些振荡称为“谐振”。
如果在盘片驱动器中发生谐振，那么它们在搜寻模式和磁道跟踪模式下会严重地限制驱动器性能。为了获得最佳盘片驱动器性能，需要没有谐振地存在。然而，这种方案在物理上是行不通的。每个机械元件都有固有振荡频率。然而，需要减小或最小化该谐振。这样作的一种方法是机械地阻尼机械元件，从而减小谐振模式的幅度。通过小心设计可以做到这一点，最终结果是将振荡幅度减到认为获得所需驱动器性能所可接受的程度。
然而，有时不能机械地阻尼一个元件。例如，由于所用到的材料或者涉及时间限制所致。当这种情况发生时，改进驱动器性能的唯一方法是保证没有在振荡的固有频率下激发能量(excitation energy)达到机械元件以启动它的振荡。本发明的焦点在于这种方法。
如上所述，典型的盘片驱动器需要电流通过音圈马达(VCM)以驱动数据头到所需位置。当分析需要电流的频谱时，发现该频谱包含的频率分量从直流(DC)一直到高于几千赫兹(kHz)。如果VCM电流正以与机械元件的机械谐振模式的固有频率相同的频率驱动致动器，那么该能量必须足以激发机械结构发生振荡。这是不愿看到的，且至少恶化了磁盘驱动器的性能或者最坏的情况是导致伺服系统变得不稳定。
伺服引擎所采用的使机械振动可能性最小的方法是通过微处理器或数字信号处理器对VCM电流用硬件电子滤波和/或数字滤波。两种滤波器获得相同的整体结果。这减小了在所关心的频率下的驱动力能量(即，电流)。
已知广泛用来在机械谐振模式下去除驱动能量的一种滤波器是陷波滤波器。陷波滤波器是带阻滤波器，它在盘片驱动器的频响曲线中产生尖锐的凹陷口。当伺服控制环路激励陷波滤波器时，开环响应结果是原始响应以及陷波滤波器响应之和。如果陷波滤波器以发生机械谐振峰值幅度处的频率为中心，那么可减小在该频率下的驱动力能力，从而只有少量或没有能量可激励机械结构。
然而，陷波滤波器的问题是如果机械谐振的中心频率不与陷波滤波器的中心频率对准，那么驱动电流的衰减将不足以阻止该结构振荡。如果机械谐振频率产生移位，那么会发生这种情况。对于从一种驱动器驱动基座(basis)到另一种驱动器基座或甚至从一个数据头到另一个数据头而言，可能容易地发生这种情况。
本盘片驱动器固定陷波滤波器，它被设计成覆盖机械扩展。例如，在美国专利号5,032,776号中描述这种滤波器。对于给定的数据头或者对于给定的驱动器，这种滤波器去除驱动能量而不导致机械结构在频率下振荡。因而，它们都不是最佳方案。此外，这种滤波器不能保证谐振增益保持在0dB下。
还存在一些通过在伺服控制器中执行数字信号处理算法来执行自适应滤波技术的方法。例如，在美国专利号5,325,247中描述这种方法。这种方法包含复杂的微控制器代码，并且所费计算的时间很多。此外，这种方法还不能在所有情况下都保证最佳结果。
当盘片驱动器伺服系统继续要求更高的开环带宽精确地跟随磁道时，不断要求提高滤波技术。本发明提供一种使机械谐振频率高度衰减的经济的方法，并提供优于现有技术的其他优点。
发明概述
本发明涉及一种改进在盘片驱动器中机械谐振频率衰减的方法和装置。
本发明的一个实施例是一种对致动器驱动能量滤波来减小频率分量的方法，其中所述谐振频率分量接近等于盘片驱动器机械结构的谐振频率。本方法包含选择一种数据头来读取或写入并根据选择哪个数据头而调节数字陷波滤波器的结构。
在本发明的一个实施例中，将对于每个数据头的数字陷波滤波器常数存储在存储器中。数字陷波滤波器常数定义了数字陷波滤波器的频率响应，使得滤波器减小谐振频率。当选择特定的数据头来读取或写入时，从存储器检索对应于所选数据头的数字陷波滤波器常数。于是，通过根据从存储器检索到的数字陷波滤波器常数实施数字陷波滤波器，对致动器驱动能量滤波。
本发明的另一个实施例是针对计算机盘片驱动器，它至少包含一个盘片，多个数据头、一个致动器、一个伺服控制处理器和一个数字陷波滤波器。盘片能够存储数据。数据头能够从盘片读取数据并将数据写入其中。致动器耦连到数据头以响应于驱动能量，相对于盘片定位数据头。将伺服控制处理器耦连到致动器并能够向致动器提供驱动能量。数字陷波滤波器减小接近于盘片驱动器机械机构的谐振频率的驱动能量的频率分量。伺服控制处理器根据所选的数据头调节数字陷波滤波器的结构。
根据本发明的盘片驱动器的一个实施例包括伺服控制处理器可存取的数据存储装置并存储定义每个数字头的数字陷波滤波器的频响的数字陷波滤波器常数。当选择数据头来读取或写入时，该伺服控制处理器检索对应于来自数据存储装置的最新选择的数据头的数字陷波滤波器常数并向数字陷波滤波器提供数字陷波滤波器常数。
本发明的另一个实施例是针对一种盘片驱动器，它包括由驱动能量驱动的致动器以及用来滤波驱动能量以减小基本上等于盘片驱动器机械结构的谐振频率的频率分量的装置。阅读下面的详细描述和相关附图，本发明的这些和其他特征以及优点将显而易见。
【附图说明】
图1是根据本发明的一个实施例的盘片驱动器100的顶视图。
图2是示出在盘片驱动器中的机械谐振的波特图。
图3是示出根据本发明的一个实施例的负反馈、闭环伺服系统的方框图。
图4是根据本发明的一个实施例的伺服控制处理器的简化方框图。
图5是示出根据本发明的数字陷波滤波器的效果的波特图。
图6是表示根据本发明的对致动器驱动能量滤波的方法的流程图。
示例实施例的详细描述
图1是根据本发明的一个实施例的盘片驱动器100的顶视图。盘片驱动器100包括盘片组106，被安装以围绕主轴109旋转。盘片组106包含多个单独盘片，其中每个盘片都包括同心磁道或圆柱面，用于接收和存储磁道上以磁通量翻转形式编码的数据。应注意，虽然参照磁盘系统描述本发明，但是本发明同样可用于采用其他数据存储装置的盘片(诸如，光盘)的盘片驱动器。盘片驱动器100包括安装在基座(base)102上的致动器116，且可相对于盘片106围绕枢轴120移动。致动器116包括致动器臂组件117，它包括多个致动器臂114。将每个致动器臂114附在一个或多个柔性臂112上。每个柔性臂112都支持一个数据头110。数据头110包含流体动力空气轴承或滑片，它支撑用于读取来自盘片106之一的信息并将信息编码到其上的换能器。在一个较佳实施例中，致动器116包含音圈马达，如118所示。盘片驱动器100还包含驱动控制器(未图示)，将它耦连到主系统或控制多个驱动器的另一个控制器。在示例实施例中，驱动器控制器是微处理器或数字计算机。驱动器控制器可安装在盘片驱动器100中，或者可以位于盘片驱动器100之外而与致动器116有适当连接。
在操作期间，驱动器控制器接收表示要访问的盘片106的磁道的位置信息。驱动器控制器接收来自操作者、来自主机或来自另一个适当的控制器的位置信息。根据位置信息，驱动器控制器向致动器116提供位置信号。位置信号导致致动器116围绕枢轴120转动(pivot)。在示例实施例中，位置信号包括向音圈马达118提供的电流、导致致动器116围绕枢轴120转动。这反过来导致数据头110在盘片116的表面上一般沿着弓形路径(箭头122所示)作径向移动。
盘片驱动器100的每个机械元件都具有多种谐振模式，如果受到外部能源激发，它将导致部件在元件的固有谐振频率下振荡。图2是示出在盘片驱动器中的机械谐振的开环波特图。为了清楚起见，已从波特图中去除相位信息且未示出标度。x轴160表示激发能量的频率，而y轴170表示以分贝(dB)为单位的开环系统增益。开环系统增益200一般以每10倍频程20dB的速率下降。然而，机械振荡导致系统增益急剧增加202。如图2所示的谐振202是以中心频率204为中心并具有峰值幅度206。如果增益大于0dB时相位响应经过180°，那么机械谐振可能导致伺服控制环路变得不稳定。因此，由于图2中的谐振频率的增益的峰值幅度超出0dB，那么谐振将导致控制不稳定。
衰减器116在负反馈、闭环伺服系统中(如图3所示的方框图)进行操作。驱动器控制器130接收命令信号，它表示要访问某一部分盘片106。响应于该命令信号，驱动器控制器130提供带有信号的伺服控制处理器132，该信号表示选择哪个数据头110来从盘片110读取或写入其中。控制器控制器130还提供带有位置信号的伺服控制处理器，它表示致动器116要将数据头110定位在其上的一特定柱面体。伺服控制处理器132将位置信号转换成向致动器116提供的模拟驱动能量信号。在示例实施例中，功率放大器134放大驱动能量信号，随后向致动器116提供该所需驱动能量。响应于驱动能量，致动器116在盘片106的表面上径向移动数据头110来进行磁道搜寻操作，并将数据头110直接保持在盘片106的磁道上以进行磁道跟随操作。在示例实施例中，驱动能量包括向音圈马达118提供的电流。一旦适当定位数据头110，驱动器控制器执行所需读或写操作。
伺服控制处理器132采样数据头110的位置并将数据头110的实际位置与驱动器控制器130所要求的所需位置相比较。根据在数据头110的实际位置和所需位置之差，伺服控制处理器132随后产生向致动器116提供的校正的能量信号。在示例实施例中，由功率放大器134放大驱动能量信号，随后功率放大器向致动器116提供所需驱动能量。响应于驱动能量，致动器116将数据头110驱动到所需位置。在示例实施例中，驱动能量包含向音圈马达118提供的电流。
图4是根据本发明的示例实施例的伺服控制处理器132的简化方框图。比较器136接收来自对应于数据头110的所需位置的驱动器控制器130的输入信号。比较器136还接收来自对应于头110的实际位置的头110的反馈信号。根据所需位置信号和实际位置信号之间的差，比较器136产生位置误差信号。向伺服处理算法138提供位置误差信号，其中伺服处理算法138产生包含频率分量的驱动能量信号，所述频率分量的范围从直流(DC)到几千赫兹或更高。向减小频率分量的数字陷波滤波器140提供驱动能量信号，其中频率分量为处于盘片驱动器机械结构的谐振频率或其附近。于是，数字陷波滤波器140直接或通过功率放大器134向致动器116提供滤波驱动能量信号。于是，致动器116可将数据头110定位在所需位置，同时减小激发盘片驱动器机械结构振荡的危险性。
在图5的波特图中可见陷波滤波器140的效果，其中为了清楚起见，图5不示出相位响应并未以实际尺寸显示。x轴180表示驱动能量的频率，而y轴190表示以分贝(dB)为单位的系统增益。图5示出以中心频率204为中心的机械谐振202。图中还示出陷波滤波器140的频响208。可见，陷波滤波器140可适当地衰减在机械谐振202周围的驱动能量，同时在机械谐振的中心频率204处发生最大衰减。图5还示出其中陷波滤波器140有效时的开环频响210。当由伺服控制环驱动数字陷波器时，开环响应是原始响应和陷波滤波器响应之和。可见在中心频率204的峰值幅度212低于0dB。这保证控制环路稳定性。为了保证驱动能量的最佳衰减，需要使陷波滤波器响应208精确地以中心频率204为中心，其中在所述中心频率204处发生机械谐振202的峰值幅度206。当适当地以陷波滤波器谐振208为中心，如图5所示，可减小在机械谐振202的中心频率204处的驱动例能量，从而可有少量或没有能量可用来激发机械结构。然而，如果机械谐振202的中心频率204不与陷波滤波器响应208的中心频率对准，那么驱动电流的衰减不足以阻止该结构振荡。
现有技术中已知实施数字陷波滤波器140的多种方法。在示例实施例中，数字陷波滤波器140执行下列形式的双线性传递函数：G(z)=B0+B1Z-1+B2Z-21-A1Z-1-A2Z-2]]>其中G是滤波器的增益，z是伺服系统的采样速率，而A1、A2、B0和B1是描述频率、陷波的深度和宽度的数字陷波滤波器常数。在较佳实施例中，在制造盘片驱动器100的过程中，凭经验确定数字陷波滤波器常数。
根据本发明的示例实施例，对于每个数据头100，确定一组分立的数字陷波滤波器常数。虽然许多机械谐振对于不同的数据头而言是类似的，但是对于任一特定的谐振，可看出频率、增益、相位、频带宽度或四者组合的细微差异。由于这些差异，最佳陷波滤波器140的特征根据不同的数据头而变化。这反过来导致最佳数字陷波滤波器常数随着数据头的不同而不同。于是，在示例实施例中，在制造盘片驱动器100的过程中，对于盘片驱动器100中的每个数据头110测量机械结构响应。通过迫使每个数据头110在宽的频率范围内加以驱动能量并测量在每个频率下的结构响应，可以做到这点。一旦得到结构响应特征，通过自动化制造测试处理来设计陷波滤波器，并计算数字陷波滤波器常数以产生数字陷波，从而该中心精确地处于被分析的谐振的峰值幅度206处。
将每个数据头110的数字陷波滤波器常数存储在作为计算机数据存储装置实施的存储器142中，如图3所示。由于对于每个数据头110存储一分立的数字陷波滤波器常数，而且每个数据头110潜在地具有多个谐振点，这种技术可能导致大量的数字陷波滤波器常数子集。例如，如果每数据头110存在两个谐振点，而这必须被最小化，且在盘片驱动器100中存在10个数据头110，那么需要20个分别陷波滤波器常数子集来减小两个谐振点的激发能量。而这对于盘片驱动器可用的代码存储器数量而言不是问题。
图6是表示根据本发明滤波致动器驱动能量的方法的流程图。在步骤150中，驱动器控制器130向伺服控制处理器132发出信号，它表示选择新的数据头110来执行读取、写入或搜索操作。于是，在步骤152中，伺服控制处理器132检索与来自存储器142的所选数据头110相对应的数字陷波滤波器常数。在步骤154中，伺服控制处理器132向数字陷波滤波器140提供数字陷波滤波器常数、于是，在步骤156中，根据所提供的数字陷波滤波器常数实施数字陷波滤波器140。这保证了在机械谐振频率下发生高度衰减。
在本发明的示例实施例中，把数字陷波滤波器常数存储在可擦除存储器。如果由于盘片驱动器的元件替换(replacement)或由于盘片驱动器本身的替换导致一个或多个机械谐振移位，那么这允许容易改变数字陷波滤波器常数。此外，在示例实施例中，把数字陷波滤波器常数存储在存储器位置，其中存储器位置与用来存储伺服控制码的存储装置分开。如果由于元件供应商的变化导致机械谐振在频率上移位(shift)，那么该实施例具有不要求改变实际伺服控制代码的优点。
在本发明的示例实施例中，无需逐个数据头地确定但是需要逐个驱动器地确定数字陷波伺服常数。在该实施例中，在制造驱动器期间，对于每个特定盘片驱动器100确定唯一数字陷波滤波器常数集。甚至当用基本上相同的方法来制造驱动器100时，频率、增益、相位和频带的宽度之间还存在细微的差异。由于盘片驱动器100的各个元件的容差(tolerance)，会引起这些差异。这些差异导致最佳数字陷波滤波器常数随盘片驱动器的不同而产生变化。于是，确定最佳数字陷波滤波器常数，并将它存储在存储器142中。伺服控制处理器检索数字陷波滤波器常数并根据数字陷波滤波器常数实施数字陷波滤波器140。当基本上以相同的方法制造的所有驱动器都采用具有相等的频响时，该另一实施例允许比可能达到的更加精确地衰减谐振频率。
另一方面，在本发明的示例实施例中，把数字陷波滤波器常数存储在可擦除存储器中。如果由于盘片驱动器的元件替换或盘片驱动器本身的替换导致一个或多个机械谐振点移位，那么这允许容易地改变数字陷波滤波器常数。此外，可将数字陷波滤波器常数存储在与用来存储伺服控制代码的存储装置分开的存储器位置。如果由于元件供应商的改变而导致频率的机械谐振移位，那么该实施例具有无需改变实际伺服控制代码的优点。
总之，本发明的一个实施例是一种滤波致动器驱动能量以减小接近等于盘片驱动器机械结构的谐振频率的频率分量的方法。本方法包括选择一个数据头110用来读取或写入并根据所选的那个数据头110调节数字陷波滤波器140的结构。
在本发明的一个实施例中，把对于每个数据头110的数字陷波滤波器常数存储在存储器142中。数字陷波滤波器常数定义数字陷波滤波器140的频响，从而滤波器140减小谐振频率。当选择特定数据头110用于读取或写入时，从存储器142检索对应于所选数据头110的数字陷波滤波器常数。于是，根据从存储器142检索到的数字陷波滤波器常数，实施数字陷波滤波器140，滤波致动器驱动能量。
本发明的另一个实施例是针对一种计算机盘片驱动器100，它至少包括一个盘片106、多个数据头110、一个致动器106、一个伺服控制处理器132和一个数字陷波滤波器140。盘片106能够存储数据。数据头119能够从盘片106读取数据并将该数据写入盘片106。把致动器116耦连到数据头110以响应于驱动能量，相对于盘片106定位数据头110。把伺服控制处理器132耦连到致动器116并能够向致动器116提供驱动能量。数字陷波滤波器140减小驱动能量的频率分量，该分量接近于盘片驱动器机械结构的谐振频率。伺服控制处理器132根据所选的那个数据头110调节数字陷波滤波器140的结构。
根据本发明的盘片驱动器100的一个实施例包括数据存储装置142，它可由伺服控制处理器132存取并存储对于每个数据头定义数字陷波滤波器140的频响的数字陷波滤波器常数。当选择数据头110用于读取或写入并向数字陷波滤波器140提供数字陷波滤波器常数时，伺服控制处理器132检索来自数字存储装置142的对应于最新选择的数据头110的数字陷波滤波器常数。
本发明的另一个实施例在于一种盘片驱动器，它包括由驱动能量驱动的致动器116，以及用于激励驱动能量以减小基本上等于盘片驱动器机械结构的谐振频率的频率分量的装置。
应理解，虽然在前面的描述中描述了本发明的多个实施例的多个特征和优点，以及本发明的多个实施例的结构和功能细节，但是本说明书只用来说明而已，且可做细节上的变化，特别是在本发明的原理范围内的部分结构和布局的变化，而这都落在所附权利要求书限定的范围内。例如，参照图3和4，可作为与伺服控制处理器132分开的元件实施陷波滤波器140。此外，参照图3，可将陷波滤波器140设置在功率放大器134和致动器116之间。还可进行其他修正。