具有旋转振动补偿的磁记录盘驱动器.pdf

盘驱动器以及用于操作盘驱动器的方法通过自适应地修改两个单独的线性振动传感器的增益来补偿旋转振动(RV)，以便传感器增益在任意给定条件下最优。两个传感器将两个信号S1、S2提供到盘驱动器的伺服控制处理器，其产生对于控制读/写磁头的定位的音圈电机(VCM)致动器的控制信号。处理器使用S1、S2和磁头位置误差信号(PES)作为输入以运行自适应RV前馈(RVFF)算法。自适应RVFF算法采用PES和传感器输出S1和S2作为输入，数学地确定对于传感器增益因子k1和k2所需的校正，然后相应地调整增益因子

1.  一种用于在盘驱动器的操作期间补偿旋转振动的方法，所述盘驱动器包括：可旋转磁记录盘，其具有包含伺服定位信息的多个同心数据磁道；记录磁头，其可移动通过盘，所述磁头能够读取数据磁道中的数据和伺服定位信息；音图电机，用于移动所述磁头；第一和第二线性振动传感器；以及伺服控制处理器，其响应于来自伺服定位信息的位置误差信号，用于产生音圈电机控制信号；该处理器实现的方法包括：
将第一增益因子应用于来自第一传感器的信号，以获得已缩放的第一传感器信号；
将第二增益因子应用于来自第二传感器的信号，以获得已缩放的第二传感器信号；
从已缩放的第一和第二传感器信号的差产生旋转振动信号；
将旋转振动信号施加到音圈电机控制信号；
在已经将旋转振动信号施加到音圈电机控制信号之后，测量位置误差信号；以及
响应于所测量的位置误差信号来调整第一和第二增益因子。

2.  根据权利要求1所述的方法，其中，调整第一增益因子的步骤包括：将来自第一传感器的信号乘以所测量的位置误差信号，并从第一增益因子中减去产生的乘积，并且其中，调整第二增益因子的步骤包括：将来自第二传感器的信号乘以所测量的位置误差信号，并从第二传感器因子中减去产生的乘积。

3.  根据权利要求2所述的方法，进一步包括将来自第一传感器的信号乘以调节参数，并将来自第二传感器的信号乘以所述调节参数。

4.  根据权利要求1所述的方法，其中，所述盘驱动器包括印刷电路板，并且其中，将所述第一和第二线性振动传感器安装在所述印刷电路板上。

5.  根据权利要求1所述的方法，进一步包括：当增益因子中的至少一个的调整量小于预定阈值时，终止增益因子的调整。

6.  根据权利要求1所述的方法，进一步包括：当音圈电机将磁头从一个数据磁道移动到另一数据磁道时，终止增益因子的调整。

7.  根据权利要求1所述的方法，进一步包括：当磁头不读或写数据时，启动用于补偿旋转振动的方法。

8.  根据权利要求1所述的方法，进一步包括：响应于指示由磁头读或写的数据出错了的信号，启动用于补偿旋转振动的方法。

9、  一种磁记录盘驱动器，包括：可旋转磁记录盘，其具有包含伺服定位信息的多个同心数据磁道；记录磁头，其可移动通过盘，所述磁头能够读取数据磁道中的数据和伺服定位信息；音圈电机，用于移动所述磁头；第一和第二线性振动传感器；处理器；与所述处理器相关联的存储器；以及在所述存储器中存储且可由处理器读取以执行如下方法动作的指令的程序，所述方法动作包括：
(a)从所述第一线性振动传感器接收数字化信号S1，并从所述第二线性振动传感器接收数字化信号S2；
(b)将S1乘以第一增益因子k1，并且将S2乘以第二增益因子k2；
(c)计算表示k1*S2与k2*S2之间的差的旋转振动前馈信号；
(d)从位置误差信号计算音圈电机控制信号；
(e)以旋转振动前馈信号修改音圈电机控制信号；
(f)响应于已修改的音圈电机控制信号向音圈电机的施加，接收来自伺服定位信息的位置误差信号；
(g)使用位置误差信号重新计算第一和第二增益因子k1和k2；以及
(h)使用在步骤(g)中重新计算的k1和k2来重复步骤(a)到(g)。

10.  根据权利要求9所述的盘驱动器，其中，用于执行重新计算所述第一增益因子k1的动作的指令的程序包括将S1乘以所测量的位置误差信号，并从第一增益因子k1中减去产生的乘积的指令，并且其中，用于执行重新计算所述第二增益因子k2的动作的指令的程序包括将S2乘以所述位置误差信号，并从第二增益因子k2中减去产生的乘积的指令。

11.  根据权利要求10所述的盘驱动器，其中，用于执行重新计算所述第一增益因子k1的动作的指令的程序包括将S1乘以调节参数的指令，并且其中，用于执行重新计算所述第二增益因子k2的动作的指令的程序包括将S2乘以所述调节参数的指令。

12.  根据权利要求9所述的盘驱动器，其中，所述盘驱动器包括印刷电路板，并且其中，将所述第一和第二线性振动传感器安装在所述印刷电路板上。

具有旋转振动补偿的磁记录盘驱动器
技术领域
本发明总的来说涉及磁记录盘驱动器，并且更具体地说，涉及包括用于消除旋转振动的影响的系统的盘驱动器。
背景技术
磁记录硬盘驱动器使用致动器(一般来说，旋转音圈电机(VCM)致动器)，用于在记录盘的数据磁道(track)上定位读/写磁头(head)。盘驱动器具有伺服控制系统，其从由磁头自数据磁道读取的伺服定位信息接收位置误差信号(PES)，并产生VCM控制信号以将磁头维持在磁道上，并将它们移动到用于数据读和写的期望的磁道上。
盘驱动器在正常操作期间经历旋转振动和扰动力(disturbance force)。这些扰动在内部(如由于VCM致动器的运动)以及在外部(如由于对支撑盘驱动器的框架的震动，或者当在盘阵列系统中一起安装多个驱动器时，由于其它盘驱动器的移动)产生。
旋转振动(RV)消除是使用传感器检测旋转振动并通过消除由旋转振动引入的偏离磁道移动来改善PES的方法。一种方法使用两个线性加速计或振动传感器(其典型地被安装在盘驱动器的印刷电路板上)来测量RV。将所测量到的RV输入到前馈控制器，该前馈控制器创建与对VCM致动器的控制信号相加的前馈补偿信号。有时将该方法称为RV前馈(RVFF)。对于有效地运行并且未创建使PES恶化的不期望的补偿信号的RVFF来说，两个线性振动传感器应该具有最小的增益失配，即：除了电路板上在其方向中的最小失配之外，还有在其主轴(primary-axis)灵敏度中的最小失配以及在其离轴(off-axis)灵敏度中的最小失配。另外，还要求电路板具有足够高的刚性和阻尼，以便在电路板上不存在显著的驻波和传播波，以引起与RV无关的错误的传感器输出(噪声)。因此，如果期望使用RVFF而不使得PES恶化以及由此不使得盘驱动器的性能恶化，则盘驱动器的制造成本以及线性振动传感器和电路板的组件成本可能显著地提高。
US 6,952,318B1描述了通过将两个传感器输出转换为单独的数字信号并缩放(scale)它们来解决两个线性振动传感器的主轴灵敏度中的失配的RVFF方法。该方法需要在盘驱动器中引入自生振动，然后将两个传感器输出的量值进行比较以减小两个传感器的增益的差异。然而，盘驱动器中的自生振动通常不是纯线性振动，而是包含大量RV。取决于RV的中心，通常期望即使对于精确匹配的主轴灵敏度，两个传感器输出的量值也是不同的。并且，该RVFF方法没有解决由于离轴灵敏度和电路板振动而引起的噪声的问题。
US 7,035,034B2描述了通过首先禁用RVFF且然后收集数据并计算最优增益(然后该增益变为用在RVFF中的固定值)来确定两个线性振动传感器的最优增益的RVFF方法。
所需要的是具有有效的RVFF方法的盘驱动器，所述方法不需要具有精确匹配的增益的线性振动传感器或者具有特殊钢性和阻尼特性的电路板，其中传感器增益是自适应的，以便在盘驱动器的操作期间在任意给定条件下都是最优的。
发明内容
本发明涉及盘驱动器以及通过自适应地修改两个单独的振动传感器的增益来补偿旋转振动(RV)以便传感器增益在任意给定条件下都最优的操作盘驱动器的方法。盘驱动器包括两个线性加速计，其分别向盘驱动器的伺服控制处理器提供两个信号S1、S2。处理器使用S1、S2和位置误差信号(PES)作为输入，以运行自适应RV前馈(RVFF)算法。自适应RVFF算法将PES以及传感器输出S1和S2作为输入，分别数学地确定对于传感器增益因子k1和k2的需要的校正，然后相应地调整增益因子k1和k2。然后分别通过其所调整的增益因子k1、k2来修改每一个信号S1、S2。修改后的S1、S2信号的差异是与控制信号相加的RVFF信号，以产生对VCM致动器的RV补偿控制信号。通过k1和k2的连续更新，该方法继续直到取得k1、k2的最优值为止。
只要RVFF是可操作的(即，当盘驱动器空闲，其中磁头维持在数据磁道上(磁道跟随)时，或者当磁头正在数据磁道上读或写数据时)，则在正常操作期间优选地在盘驱动器中实现自适应地修改增益因子以达到最优增益因子值的方法。该方法也可以作为盘驱动器制造处理的一部分来实现，或者在用于从读或写错误中恢复的盘驱动器错误恢复过程期间实现。
为了对本发明的性质和优点的更全面的理解，应该与附图一起参照下面的详细描述。
附图说明
图1是根据本发明的具有两个线性振动传感器和旋转振动前馈(RVFF)的磁记录硬盘驱动器的示意性顶视图。
图2是用于图示根据本发明的RVFF方法的图1所示的盘驱动器的采样伺服控制系统的框图。
图3是在本发明的RVFF方法期间，作为时间的函数应用于线性振动传感器信号的PES之和以及增益因子值的曲线图。
具体实施方式
图1是根据本发明的磁记录硬盘驱动器的框图。盘驱动器包括磁记录盘12，其通过安装到盘驱动器外壳或基座16的主轴电机(未示出)，以方向15绕着旋转轴13旋转。印刷电路板19附于外壳16，并支撑盘驱动电子装置。盘12具有模式化为(pattern)限定同心数据磁道(如典型的磁道50、51)以及伺服扇区(如典型的伺服扇区60、61、62)的可磁化块的磁记录层。伺服扇区通常径向延伸通过同心数据磁道，以便每一个数据磁道均具有在磁道周围延伸的多个等角度间隔的伺服扇区。数据磁道中的每一个伺服扇区典型地包含指示伺服扇区的开始的伺服定时标记(STM)、磁道标识(TID)码和磁化块的模式的一部分或高频脉冲串，所述高频脉冲串被解码或解调以提供磁头位置误差信号PES。
盘驱动器还包括在基座16上支撑的旋转音圈电机(VCM)致动器14。致动器14绕着轴17枢轴旋转并包括刚性致动器臂18。通用柔性悬架20包括弯曲元件23，并且被附于臂18的端部。将磁头移动架或气浮导轴(air-bearing slider)22附于弯曲元件23。在导轴22的后表面(trailing surface)25上形成磁记录读/写(R/W)磁头24。弯曲元件23和悬架20使得导轴能够在通过旋转盘12而产生的气垫上“俯仰(pitch)”和“滚转(roll)”。
当盘12在方向15中旋转时，由读磁头读取伺服扇区中的定位信息，并将其发送到R/W电子装置110。伺服模式解调器112接收来自R/W电子装置110的输入，并解调伺服扇区中的定位信息以提供与位置基准进行比较的数字信号，以产生对于伺服控制处理器(SCP)120的PES。SCP 120可以是专用处理器或者其它微处理器，并且耦合到相关联的存储器122。
伺服控制处理器120使用PES作为对控制算法的输入，以产生对于VCM14的控制信号。控制算法从存储器122调用作为基于被控制的“设备(plant)”(即，VCM 14)的静态和动态特性的一组参数的“控制器”。控制算法本质上是矩阵相乘算法，并且控制器参数是用在相乘中的系数，并且被存储在可由处理器120存取的存储器122中。
盘驱动器经历旋转扰动，如箭头70所示，该扰动在内部(如根据VCM 14的运动)和在外部(如根据对支撑盘驱动器的框架的震动，或者当在盘阵列系统中一起安装多个驱动器时，根据其它盘驱动器的移动)二者产生。这些扰动引起读/写磁头的磁道配准不良(track misregistration)(TMR)。因此，向盘驱动器并入用于检测旋转扰动的旋转振动(RV)传感器是已知的。优选地，RV传感器是两个线性加速度计或振动传感器201、202，其每一个附于印刷电路板19的相应侧。线性振动传感器201、202是典型地可商用的压电加速度计，如Murata Model PKGS-00LD加速度计。加速度计典型地附于印刷电路板19，但也可以附于基座16的其他部分。
分别由模拟数字转换器(ADC)203、204将线性加速计201、202的输出数字化，所述模拟数字转换器203、204分别将数字传感器信号S1、S2提供到伺服控制处理器120。尽管在图1中没有示出，但是线性加速计201、202的输出可以通过用于去噪和相位调整的合适的滤波器。伺服控制处理器120使用信号S1、S2来计算用以修改通过控制算法计算出的控制信号的RV前馈(RVFF)信号。因此，SCP 120将修改的或数字RV补偿的控制信号151提供到数字模拟转换器(DAC)152。DAC 152的输出控制VCM驱动器154，所述VCM驱动器154控制到VCM 14的电流以将读/写磁头24移动到期望的数据磁道，并将其维持在用于读和写数据的磁道上。
在本发明中，作为RVFF信号的计算的一部分，处理器120使用PES来自适应地优化用于S1、S2的增益因子。在优选实施例中，如图1所示的那样，由处理器120使用参数和包括存储器122中存储的程序指令的自适应RVFF算法(也称为RVFF控制器)来计算RVFF信号。然而，在本领域中，RVFF控制器可以以如后的模拟电路来实现也是已知的，其中该模拟电路将来自传感器201、202的信号转换为RVFF信号，然后在伺服控制处理器120已经计算出控制信号150之后将RVFF信号与控制信号150相加。
图2是图1中所示的盘驱动器的采样伺服控制系统的框图。如图2所示，VCM 14的特征在于扭矩(torque)输出参数301。伺服控制系统包括：DAC 152，其接收已修改的控制信号151；以及VCM驱动器154，其基于用于使致动器臂18携带磁头24穿过盘表面的已修改的控制信号151，将操作电流302提供到VCM 14。由输出与磁头位置信号303对应的数字信号304的伺服模式解调器112同时监控磁头24的位置(由磁头位置信号303指示)。数字信号304对应于所指示的磁道位置以及偏离磁道百分比值。然后，将数字信号304与对应于位置基座305的信号相结合，以产生由处理器120接收的位置误差信号(PES)。处理器120使用PES来运行控制算法以产生控制信号150。
盘驱动器还分别包括分别将模拟信号307、309提供到模拟数字转换器(ADC)203、204的两个线性加速计201、202，所述模拟数字转换器203、204分别将数字传感器信号S1、S2提供到伺服控制处理器120。如图2所示，传感器信号307、309是响应于同样影响磁头24的振动扰动而产生的。处理器120使用S1、S2和PES来运行自适应RVFF算法。自适应RVFF算法采用PES和传感器输出S1、S2作为输入，数学地确定对于增益因子k1和k2的所需的校正，且然后相应地调整增益因子k1和k2。这导致分别通过自适应增益因子k1和k2来修改S1、S2。已修改的S1、S2信号的差异是与控制信号150相加以产生RV补偿控制信号151的RVFF信号。
以如下方式通过自适应RVFF算法来修改数字信号S1、S2。S1、S2可以由以下等式(1)和(2)表示：
S1＝g1(LV+α1*RV+n1)    等式(1)
S2＝g2(LV-α2*RV+n2)    等式(2)
其中g1、g2是传感器增益，LV是线性振动，RV是旋转振动，n1和n2表示噪声，而α1和α2分别是传感器输出S1、S2中与LV信号相关的RV信号的量值。α1和α2的值取决于特定的传感器配置以及操作期间盘驱动器经历的LV和RV的特定组合的特性。通过自适应增益因子k1、k2来修改S1、S2，并且已修改的S1和S2之间的差异是RVFF信号，如等式(3)所给出的那样：
RVFF＝k1*S1-k2*S2    等式(3)
如果假设所有的PES归因于RV，那么RVFF信号将引起PES减小，如等式(4)所示：
PES＝RV-RVFF＝RV-[k1*S1-k2*S2]    等式(4)
自适应RVFF算法通过缩放或调整增益因子k1、k2来最小化PES。等式(4)的时间导数可以由等式(5)表示：
(d/dt)PES＝-S1*[(d/dt)k1]+S2*[(d/dt)k2]    等式(5)
通过令
(d/dt)k1＝γ*S1*PES     等式(6)和
(d/dt)k2＝-γ*S2*PES    等式(7)
其中γ是允许自适应速度和精度调整的调节参数，那么等式(5)变为：
(d/dt)PES＝-γ*[(S1)²+(S2)²]*PES    等式(8)
项γ是确定自适应速度和精度的正调节参数。一般而言，γ的值越大，则自适应速度越快，而产生的增益因子k1或k2就越不精确。因此，“调节”γ的值以平衡对于速度和精度的需求。可以示出，平方的PES的时间导数总是为负值。因此，等式(8)中PES的量值收敛到最小。
因此，在本发明中，根据等式(9)来计算RVFF信号
RVFF(m)＝k1(m)*S1(m)-k2(m)*S2(m)    等式(9)
其中m表示数字采样，并且等式(9)是等式(3)的数字采样等效。然后，根据如下等式(10)和(11)，对于S1、S2的每一个数字采样以及PES，重新计算增益因子k1、k2的数字值，等式(10)和(11)分别是等式(6)和(7)的数字采样等效，其中Ts是采样时间：
k1(m+1)-k1(m)＝γ*S1(m+1)*PES(m+1)*Ts     等式(10)
k2(m+1)-k2(m)＝-γ*S2(m+1)*PES(m+1)*Ts    等式(11)
现在将参照以上等式和图2，说明根据本发明的方法的具有自适应RVFF的盘驱动器的操作。在操作开始时，将k1和k2的值设置为初始预定值。k1和k2的初始值在理论上可以是任意值，但是“1”是适中的初始值。将线性振动传感器输出数字化，并将其作为S1和S2输入到处理器120。分别将S1、S2的值乘以k1、k2，并且根据等式(9)计算RVFF值。然后将RVFF与控制信号150相加。然后测量产生的PES，其可以看作PES(m+1)。然后，将下一采样S1(m+1)、S2(m+2)乘以调节参数γ和PES(m+1)，以计算等式(10)和(11)的右手侧。这允许k1、k2的重新计算，以根据等式(10)和(11)产生更新的k1、k2。然后，该方法继续，其中连续地更新k1和k2直到获得k1、k2的最佳值。可以选择性地终止k1和k2的更新，其中RVFF以最佳值继续，或者只要RVFF在运行中就可以继续k1、k2重新计算。例如，可以将k1、k2更新的终止设置为只要k1、k2中之一或两者的调整或改变量变得小于某一预定阈值时就发生。并且，当致动器将磁头从一个磁道移动到另一磁道(磁道查找)时，可以终止k1和k2的更新。
图3是示出在根据本发明的自适应RVFF算法的操作期间，作为时间的函数的PES标准差(PES之和)以及增益因子k1、k2值的实验结果的曲线图。将k1、k2的初始值设置为接近0，但快速收敛于1。由于RV，PES处于大约0.15磁道的相对高值。然而，快速地补偿RV，并且当k1、k2收敛到它们的最佳值时，PES移动到大约0.03磁道的稳定值。
本发明的方法不要求线性加速计具有精确匹配的主轴灵敏度，因此节省了组件和制造成本。并且，由于自适应地修改增益因子，因此所述方法快速地补偿改变的条件(如由于离轴灵敏度和电路板振动引起的噪声)以及非旋转振动的其他影响(如印刷电路板上传感器的方位的失配)。
在只要RVFF操作的正常操作期间，即：当盘驱动器空闲，其中将磁头维持在数据磁道上(磁道跟随)时或者当磁头在数据磁道上读或写数据时，优选地在盘驱动器中实现用于自适应地修改增益因子以达到最佳增益因子值的本发明的方法。然而，所述方法也可以作为盘驱动器制造处理的一部分而实现，或者在用于从读或写错误中恢复的盘驱动器错误恢复过程期间实现。
虽然已经参照优选实施例特别地示出并描述了本发明，但是本领域技术人员将理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以做出形式上和细节上的各种改变。因此，将所公开的发明仅看作是示例性的，并且仅如所附权利要求书中指定的那样来限制本发明的范围。