CN1335991A - 用于磁盘驱动器中离散时间伺服控制器的闭环定标 - Google Patents

Abstract

一种配置定点数字信号处理器(DSP)中的离散时间伺服控制器以便控制磁盘驱动器(110)中伺服致动器(206)的方法。该方法获得包括获得伺服控制器(204)和伺服致动器(206)的稳定闭环表示。根据该稳定闭环表示导出对控制器状态的限定。根据控制器状态限定对控制器状态定标。在DSP中,根据经定标的控制器状态来配置伺服控制器(204)。

Description

用于磁盘驱动器中离散时间伺服控制器的闭环定标

发明领域

本发明一般涉及磁盘驱动器中的伺服系统。更具体地说，本发明涉及实现一种磁盘驱动器中的稳健伺服控制系统。

发明背景

典型的磁盘驱动器包括一个或多个固定在毂或轴上旋转的磁盘。典型的磁盘驱动器还包括一个或多个由流体动力空气轴承(hydrodynamic air bearing)支承的换能器，换能器在每个磁盘上方浮动。换能器和流体动力空气轴承统称为数据磁头。按照惯例，驱动器控制器用来根据从主机系统接收到的命令控制磁盘驱动器系统。驱动器控制器控制磁盘驱动器从磁盘取得信息，以及将信息存储在磁盘上。

致动器在负反馈闭环伺服系统内工作。致动器一般包括用于支承挠性部分或挠性组件的致动器臂，再由挠性部分支承数据磁头。致动器在盘面上沿径向移动数据磁头，进行寻道操作，并且使换能器正对盘面上的磁道，完成磁道跟踪操作。

一般通过以下方式将信息存储在磁盘上，即向数据磁头提供写信号，以便将信息编码到盘面上，表示欲存数据。当从磁盘取回数据时，驱动器控制器控制致动器，使数据磁头在磁盘上浮动，从而感测磁盘上的信息，并且根据这些信息产生读信号。然后，驱动器控制器对读信号解码，恢复由磁盘上所存信息表示的、随后在数据磁头提供的读信号中体现的数据。

在向磁盘写入数据和从磁盘读取数据时，把数据磁头精确定位在磁盘磁道上是极为重要的。

在现有系统中，伺服操作是根据专用伺服磁头来完成的。在一种专用伺服类型的系统中，所有伺服信息都写在磁盘驱动器中磁盘的一个专用表面上。磁盘驱动器中的所有磁头都与用来访问伺服信息的伺服磁头机械上耦连。因此，专用伺服磁盘驱动器中的所有磁头都是根据从伺服表面读取的伺服信息来定位的。这种类型的系统允许磁盘驱动器很方便地进行读写并行操作。换句话说，利用驱动器控制器中的适当电路，可以按并行方式用固定在致动器上的多个数据磁头进行读和写，根据从专用伺服表面读取的伺服信息对这些数据磁头同时定位。

但是，多年来磁盘的磁道密度持续增加。磁盘上磁道密度的增加要求定位更精确、分辨率更高。专用伺服系统中磁头之间的机械偏离可以超过一个道宽。因此，在某些应用方面，本行业已转向嵌入伺服信息。

在嵌入伺服系统中，伺服信息嵌在每个磁盘的每个表面的每个磁道上。因此，每个数据磁头均可独立于其它数据磁头返回位置信号。所以，当特定数据磁头正在访问盘面上的信息时，可以用伺服致动器对该数据磁头定位。用磁道的嵌入伺服数据进行定位，然后数据磁头浮动至该磁道上方。

尽管这在定位过程中可以提高定位精度和分辨率(因为该数据磁头独立于任何其它数据磁头定位)，但是由于磁头密度增大以及机械方面的原因，存在一些缺点。一个缺点是，在典型的嵌入伺服系统中，失去了用多个磁头进行读写并行操作的能力。这是因为伺服系统是根据一个单独的数据磁头接收到的信息进行定位的，并且机械容差不适合在高磁道密度的系统中对其余数据磁头精确定位。另外，到目前的致动器不能对数据磁头独立定位。因此，到目前为止，嵌入伺服系统还不能进行读写并行操作，例如在磁盘驱动器上同时读或写整个磁道柱面。

由于专用伺服系统与嵌入伺服系统之间的这些差别，所以需要在伺服采样率和有效用户数据存储之间进行折衷。

另外，两种系统都存在许多影响伺服系统定位精度的问题。以下是一些最重要的问题：

1.伺服采样率。在嵌入伺服系统中，采样率受转轴速度和每条磁道伺服扇区数的限制。

2.臂和磁头悬浮的结构模式。

3.外部冲击和振动。它们可以是直线的或旋转的，或者两者都有。

4.写入位置误差。当对伺服磁道写操作时，因发生跟踪误差而引起写入位置误差。这会导致可重复振摆(repeatable runout)。当进行磁道跟踪操作时，振摆是指定位总误差。当长时间跟踪时；一般把振摆称为静态偏移。由于写入位置误差与转轴速度同步，所以将其称为可重复振摆。

5.轴承非线性。这种非线性会导致旋转阻尼和滞后，尤其当致动器低速移动时。

6.因作用在致动器上的挠性电路偏置力(flex circuit bias force)而产生的非线性。换句话说，致动器通过一挠性电路与磁盘驱动器控制器耦连。当致动器将换能器定位在磁盘的不同径向位置上时，作用在致动器上的挠性电路偏置力会改变。

7.会导致不可重复振摆的磁盘抖动。磁盘抖动量依赖于转轴速度和磁盘基片的刚度。

8.因磁性换能器的非线性十字跟踪(cross-track)产生增益变化。

9.因媒体磁性改变和电子噪声等产生的位置误差采样噪声。

现有技术中传统的伺服控制器包括比例积分微分(PID)控制器，这种控制器由两个部件组成：观测器和调节器。每次跨过伺服扇区时，观测器接收输入的位置信息，并且估计位置和速度。然后，调节器对观测信号提供反馈。在寻道模式中，调节器一般将参考速度轨迹与观测到的速度之间的误差调节到零。在磁道跟踪模式中，调节器将所需的磁道位置与观测到的磁道位置之间的误差调节到零。调节器根据PID控制技术进行控制。可以说，PID控制器在许多磁盘驱动器应用中具有很大的优势。

但是，PID控制器不可能在所有磁盘驱动器应用中都有利或者都合意。例如，可能希望在挠性组件和换能器或滑块组件之间、或者在致动器臂上、或者在悬挂或挠性组件上提供微致动器。当提供微致动器时，伺服致动系统从输入是误差信号而输出是音圈电流信号的单输入单输出(SISO)系统变成一个多输入多输出(MIMO)系统，MIMO系统接收来自微致动器的各种输入，并把位置输出信号提供给音圈电动机和每个微致动器。尽管仅通过分散PID控制器就可以控制这种系统，但仍存在问题。例如，如果要对多个磁头同时定位，那么对某个数据磁头的定位会受到同时对其它相邻或邻近的数据磁头定位的影响。另外，带宽较大的定位会激励驱动器结构模式和促发振动、减幅振荡(ringing)，或者其它会影响相邻数据磁头定位的干扰。

通过使用一种普通的离散时间输出反馈控制方法，可以缓解许多这类问题。但是，当试图对磁盘驱动器中的定点数字信号处理器实行离散时间系统时，会出现许多问题。例如，在磁盘驱动器可以使用的数字信号处理器中提供的计算能力通常十分有限。这引起许多重大的问题。数字信号处理器中寄存器的大小的数目可能十分有限。当进行矩阵计算时，存储中间计算结果所需的位数可能超过数据信号处理器中寄存器的容量。因此，溢出成为一大障碍。另外，仅仅因为必须执行的计算的数量，数字信号处理器的计算速度和结构以及存储量就会造成一些矩阵计算完全不能进行。此外，基本上所有的数字信号处理器都是定点处理器。因此，在数字信号处理器中实行线性离散时间系统是完全不可行的。另外，传统DSP中的量化误差相当大，致使磁盘驱动器伺服系统中DSP的控制精度达不到。

本发明至少解决了这些和其它问题中的一些，并且提供了与现有技术相比的其它的好处。

发明内容

一种用于实现定点数字信号处理器(DSP)中离散时间伺服控制器以便控制磁盘驱动器中伺服致动器的方法包括获得伺服控制器和伺服致动器的稳定闭环表示。根据稳定闭环表示导出对控制器状态的限定(bound)。根据控制器状态的限定对控制器状态定标(scale)。

本发明还针对一种磁盘驱动器，它包括一个与伺服致动器耦合并用于控制伺服致动器活动的伺服控制器。伺服控制器用经定标的控制器状态来配置，而控制器状态是根据包括伺服控制器和伺服致动器的闭环系统之状态演变(stateevolution)的限定而被定标的。

阅读以下附图和相关描述后，本发明的这些和其他的有利特征将变得一目了然。

附图简述

图1展示了根据本发明的一个实施例的一个磁盘驱动器。

图2展示了根据本发明的一个实施例的一个致动器组件。

图3展示了根据本发明的一个实施例的一个磁头万向架组件。

图4展示了根据本发明的一个实施例的一部分磁盘驱动器的方框图。

图5展示了根据本发明的一个实施例的一部分伺服控制电路的方框图。

图6是一幅流程图，展示了根据本发明的一个实施例的一个伺服控制算法的结构。

图7是一幅表示磁盘驱动器中的一个闭环伺服系统的方框图。

图8是一幅流程图，展示了根据本发明一个实施例的一个数字信号处理器中的一个伺服控制器的执行情况。

说明性实施例的详细描述

图1是一平面图，示出了典型的磁盘驱动器110。磁盘驱动器110包括磁盘组112，它通过磁盘夹114固定在转轴电动机(未图示)上。在一实施例中，磁盘组112包括多个磁盘，它们被安装成绕中心轴115同轴旋转。存储数据的每个盘面都有一个相关的磁头万向架组件(HGA)116，该组件固定在磁盘驱动器110的致动器组件118上。图1所示的致动器组件是一种称为旋转运动线圈致动器的致动器组件，它包括图中概略地用标号120表示的音圈电动机(VCM)。在装于磁盘驱动器110内的电子电路的控制下，音圈电动机120使致动器组件118以及固定其上的HGA 116绕枢轴121旋转，从而将HGA 116定位在相关盘面中所需的数据磁道上。

具体地说，致动器组件118绕轴121作枢轴转动，以便大致沿弧线119旋转磁头万向架组件116，从而将每个磁头万向架组件116定位于在磁盘组112之诸盘面中所需的一条磁道上。HGA 116可以从磁盘最内侧半径处的磁道移动到磁盘最外侧半径处的磁道。每个磁头万向架组件116都有一个万向架，它相对负荷梁(load beam)有弹性地支承一滑块，以致于滑块可以跟踪磁盘的构形(topography)。而滑块包括一换能器，用于将信息(诸如磁盘驱动器中的磁通反转)编码在其上方浮动的盘面上，以及从盘面上读取信息(磁通反转)。图2是致动器组件118的透视图。致动器组件118包括底部122、多个致动器臂126、多个负荷梁128，以及多个磁头万向架组件116。底部122有一个孔，在一个实施例中，该孔被耦连成可以绕轴121作枢轴转动。致动器臂126从底部122延伸，并且每个致动器臂都与一个或两个负荷梁128的第一端相连。每个负荷梁128的第二端都与一个磁头万向架组件116耦连。

图3是磁头万向架组件116的一个实施例的高倍放大的图。磁头万向架组件116包括万向架130，它有一对撑条132和134，以及万向架结合舌片136。磁头万向架组件116还包括滑块138，滑块138有上表面140和空气轴承的表面142。另外，换能器144位于滑块138之底部的前缘(靠近右边)。滑块128和万向架130之间的特殊连接可以用任何希望的方式来实现。简要地说，在一实施例中，用粘结剂将一柔性薄层耦合在滑块138之上表面和万向架结合舌片138之下表面之间。柔性薄层允许滑块138和万向架结合舌片136之间发生相对的横向移动。作为说明，柔性薄层是厚度大约为150微米的聚酯薄膜。另外，万向架结合舌片136用固定接片146在滑块138的后缘终止，滑块138在该接片提供的表面上与万向架结合舌片136固定。

图4是一部分磁盘驱动器110的方框图，示出了依照本发明一个实施例的伺服位置控制电路。

本发明可以在一个没有微致动器的系统中实施，该系统用单个粗致动器执行伺服操作。但是，本说明书描述包括微致动器的伺服系统，该系统同样得益于本发明。图4中示出的磁盘驱动器部分包括致动器组件118、磁盘组112、与每个磁头万向架组件相关的微致动器(总称微致动器158)、前置放大器160、数据和时钟恢复电路162、检错电路164、驱动器控制器166、数据调节电路168，伺服控制处理器170、功率放大器172和可选的微致动器控制器174。

作为说明，驱动器控制器166是微处理器或数字计算机，或者其它合适的微控制器，它通过总线111与控制多个驱动器的主机系统或另一个驱动器控制器相连。

磁盘组112包括转轴176，转轴支承着多个同轴放置的磁盘178。每个磁盘178被安装成与转轴176一起绕旋转轴115旋转。每个磁盘都有第一面180和第二面182。盘面180和182包括许多同心磁道，用于接收和存储以例如磁通反转形式在磁道上编码的数据。

如参照图2和图3所述，致动器组件118包括用于支承多个致动器臂126的底部122。每个致动器臂126至少与一个负荷梁128相耦连。而每个负荷梁128支承一个位于相应盘面180或182上的磁头万向架组件116(图3中有标注)，以便访问盘面上磁道内的数据。在一个说明性的实施例中，每个万向架组件还至少包括一个微致动器158，用于将磁头万向架组件上的换能器定位在磁盘178的一条磁道内，或者定位在多条不同磁道中的一条磁道上。应该再次注意，不需要使用微致动器来获得本发明的益处。如图4所示，可以在致动器臂126上、在负荷梁128上、在万向架(或其它挠性部分)130上、在万向架130与相关滑块之间，或者在任何其它合适的位置处提供微致动器158。微致动器158可以由用来相应致偏的PZT材料、静电材料制成，这些材料受电容、流体、电磁、静磁或者热激励。

在工作时，驱动器控制器166一般接收来自主机系统的命令信号，表示将访问一个或多个磁盘178的某些部分。响应于该命令信号，驱动器控制器166向伺服控制处理器170提供位置信号(或参照信号)165，该信号表示致动器组件118将要把磁头万向架组件116定位在其上面的特定磁道柱面。伺服控制处理器170将位置信号转换成模拟信号，经功率放大器172放大，提供给致动器组件118中的音圈电动机。响应于模拟位置信号，致动器组件118将负荷梁128及其相关的磁头万向架组件116定位在想要的磁道柱面上。

磁头万向架组件116产生一读信号，该信号包含存储在待读取磁盘每条磁道之选定部分中的、来自嵌入伺服位置数据的数据，以及将从待读取磁盘选定部分中取得的正常数据。将读信号提供给前置放大器160，前置放大器160放大读信号，并将其提供给数据和时钟恢复电路162。数据和时钟恢复电路162用一种已知方式从读信号中恢复出数据写至盘面时编码在盘面上的数据。当然，数据和时钟恢复电路162可以是部分响应最大似然(PRML)通路，或者是另一种合适类型的读通道。

一旦数据恢复，便将其提供给检错电路164，检测从磁盘读回的数据是否有差错。检错电路164提供输出167。按已知的方式，用检错电路164或驱动器控制器166，或者两者的组合进行纠错。

在磁头定位期间，驱动器控制器166向伺服控制处理器170提供位置信号，使致动器组件118将磁头万向架组件116定位在选定的磁道柱面上。在扇区伺服定位驱动器(或者嵌入伺服定位驱动器)中，盘面上每个扇区的一部分包含位置信息，位置信息编码在盘面上，由数据磁头读取，并且通过读通道提供给伺服控制处理器170。定位信息不仅给出粗略的位置信息，表示数据磁头正浮动在其上方的特定磁道，而且还向伺服控制处理器提供调谐反馈，以便更好地定位。伺服控制处理器170对从磁盘读取的位置信息起反应，并相应地对磁头万向架组件116进行定位。

在一实施例中，使用了微致动器，伺服控制处理器170不仅用来控制粗致动器(音圈电动机)，而且还用来控制微致动器158。在另一较佳实施例中，提供单独的微致动器控制器(或者多个独立的微致动器控制器)174，用于响应来自驱动器控制器166的位置请求信号以及响应从磁盘读取的嵌入位置信息，控制微致动器158。

为了将信息写入磁盘，驱动器控制器166不仅接收欲写在磁盘组112上的信息的位置，而且接收要写入的实际数据。将位置信息作为参考信号提供给伺服控制处理器170(以及可选的微致动器控制器174)，以便将数据磁头相对于相应的盘面粗定位。然后，驱动器控制器166将要写入的数据提供给数据调节电路168，而数据调节电路168在输出端169将该信息提供给磁头万向架组件116上的特定换能器，以便用已知的方式将数据写到盘面上。

在一个实施例中，微致动器158有一移动范围，该范围超过由致动器组件118支承的任何两个磁头万向架组件116之间最差情况下的机械安装误差。在另一实施例中，每个微致动器158的移动范围都超过一个磁道宽度，并且可以超过多个磁道宽度。另外，在一个实施例中，磁盘驱动器110提供的读通道(在图4所示的实施例中，它包括前置放大器160、数据和时钟恢复电路162和检错电路164)能够接收多个同时且并行的数据信号，并且能够并行处理这些数据信号，然后将它们并行提供给主机系统和/或驱动器控制器166。另外，在一个实施例中，数据调节电路168还适于向数据磁头提供多个同时且并行的写信号，以便执行同时且并行的写操作。另外，在一个实施例中，伺服控制器处理器170和可选的微致动器控制器174适于同时向微致动器158提供定位信号，以便对所有或者至少多个微致动器同时定位，从而能同时将多个磁头与磁盘组112中多个盘面上的磁道对准。

尽管不需要将微致动器与本发明一起使用，但利用这一结构可以获得许多优点。例如，可以对多个数据磁头的每一个进行精确的位置控制。这允许对多个数据磁头进行精确且同时的磁道跟踪，从而允许并行的读写操作。另外，由于微致动器的工作带宽比音圈电动机的带宽大得多，所以该结构可以明显提高任何所给盘面的磁道密度，因为它以远比单单使用音圈电动机进行磁道跟踪要好的方式，来适应轴承非线性和当前技术领域中其它限制磁道密度的问题。

另外，由于在一个实施例中，每个微致动器的运动范围都超过多条数据磁道，所以微致动器本身可以用来执行短寻道操作(在微致动器的运动范围内寻磁道的寻道操作)。这使得磁盘驱动器中对结构模式的激励减至最少，并且可以在短寻道期间进行带宽较大的伺服控制。

依照本发明，可以用许多方式中的任何一种控制微致动器158。例如，用作为单输入/单输出(SISO)系统的伺服控制器控制传统磁盘驱动器中的音圈电动机。输入是从嵌入伺服数据获得的磁头位置测量结果，而输出一般通过功率放大器172驱动音圈电动机。但是，在控制微致动器158时，本发明的伺服控制系统必须具有多个输入和多个输出。输入包括从嵌入伺服信息读取的磁头位置、磁头正在其上面浮动，并且还可选地包括一个或多个微致动器相对于音圈电动机(或粗致动器)的相对位置。多个输出包括用于驱动单个粗定位器(VCM)和N个微致动器的输出。

在同时对多个数据磁头定位的现有体系结构中，存在一个潜在的问题，即对一个数据磁头的定位会受到对相邻或邻近的其它数据磁头同时定位的影响。带宽较大的定位会激励驱动器结构模式和引起振动，或者其它会影响相邻数据磁头定位的干扰。因此，在本发明的一个实施例中，伺服控制处理器170或微致动器控制器174考虑了致动器组件118上其它数据磁头的运动。

一种结构是将一个基于PID观察器的伺服控制器用作SISO控制器(没有微致动器)或MIMO控制器(有微致动器)。另一种结构包括单个伺服控制器，该伺服控制器包括用作数字信号处理器(DSP)的MIMO伺服控制器。DSP的输入表示每个磁头的磁头位置、每个微致动器的相对位置，以及来自主控制器或磁盘驱动器控制器166的参考信号。

图5示出一实施例，在该实施例中，伺服控制处理器170和微致动器控制器174合并单个伺服控制器，用作DSP 190。DSP 190接收来自主机系统或磁盘驱动器控制器166的参考信号，以及表示磁头位置的每个磁头180(磁头0-磁头N)的磁头位置信号，作为其输入。将DSP 190的输出提供给音圈电动机(VCM)173，由音圈电动机驱动致动器组件(或E-块)118。图5还示出DSP 190将输出信号提供给与致动器组件118耦连的所有微致动器158(微致动器0-微致动器N，由标号159-161表示)。因此，DSP 190的输入还包括来自相应磁头的磁头位置信号171，以及每个磁头相对VCM 173的相对位置信号179。图中，每个微致动器与一个磁头181耦连。另外，每个微致动器都具有一个相关的位置传感器183，用于检测微致动器相对音圈电动机(或致动器组件118)的相对位置。相对位置传感器183可以包括任何合适的传感器，诸如电容传感器或者任何其它合适的位置传感器。由此可见，DSP 190将粗定位信号提供给音圈电动机173，以便对整个致动器组件118定位。DSP 190还将细定位信号提供给微致动器158。

在一个实施例中，当为每个磁头相关的微致动器提供微致动器输出时，DSP190不仅考虑与每个磁头相关的磁头位置以及相对位置，而且考虑相邻或邻近磁头的移动(即，考虑磁头的交叉耦合)。用这种方式，当对每个磁头定位时，DSP 190计及结构模式激励。另外，在一个实施例中，DSP 190进行控制，以便提供干扰抑制、计及振摆、防止致动器过电流，并且提供抗噪声度。

作为说明，图5所示的DSP 190体现了一个基于PID或PID观察器的算法或一个基于模型的算法。图6(例如，方框191-199)是一流程图，示出了依照本发明设计伺服控制系统的方法，在所述伺服控制系统中，将DSP 190实现为基于模型的算法。先简要概括地讨论图6中的每个方框作为概述，然后更详细地讨论该方法和系统中有关本发明的部分。

首先构造一个标准模型，它主要是一组微分方程，表述了磁盘驱动器的结构动力学。由图6中的方框192表示。在构造标准模型时，要对驱动器动力学有准确的了解。可以利用经验数据/测量数据获得这方面的认识。这类信息用来定义系统模型中的参数，并且根据首要的原理(或微分方程)用所有这些信息构成模型。

接下来，构造磁盘驱动器的不确定性描述(uncertainty description)。由图6的方框194表示。作为说明，将不确定性描述设计成能够收集与大量驱动器相关的驱动特性和变化。用此数据修改方框192中构造的模型。

然后，规定系统的性能目标。由图6的方框196表示。提供这些目标，以便确保模型与现有的和市场上可买到的工具相容，从而使能够以各种方法直接在磁盘驱动器上执行的控制算法的设计达到最优化和最终化。

然后，验证模型。由图6的方框197表示。简而言之，至此构造的模型是一种稳健的控制模型，它是一种系统模型，不仅包含系统动力学的模型，而且包含不确定性描述和噪声描述。一般而言，将模型验证问题明确表述成一种线性时不变系统，它具有用范数有界构造的不确定性和实验数据。通过在频域中考虑模型验证问题，来进行模型验证。使用称为μ分析和μ_g分析的技术，确定模型是否与数据一致，以及控制器是否与模型一致。

最后，用市场上可买到的优化软件对模型优化。在商业名称为MATLAB μ-Analysis和Synthesis Toolbox中，可以获得用于计算μ并进行优化的算法。这由图6中方框198表示。

本发明主要针对实现数字信号处理器中的控制器。在定点处理器或DSP上的一个闭环中实现任何类型的离散时间滤波器(诸如离散时间控制系统)要求有效地将控制系统的浮点描述转换成定点描述。必须解决的一个重要问题是，保持计算中适当的分辨率，以防止引进量化误差，同时要限制分辨率，使计算要求最低。

本定标算法用于支持在磁盘驱动器中定点DSP上实现一个通用的、线性离散时间状态空间SISO或MIMO的伺服控制器。本算法的保守性较先前定标算法(例如，在上述专利申请中陈述的算法)小得多，并允许在定点DSP上用比先前算法更少的位数来执行操作。

在先前的算法中，对伺服控制器各状态的定标使得在向伺服控制器输入最坏情况的情形下，诸状态不会溢出控制器的内部寄存器。这种定标不考虑控制器是闭环伺服系统的一部分，并且最坏情况可以允许输入信号到达非位于闭环环境中的控制器。图7是一幅方框图，示出了磁盘驱动器中的一个闭环伺服系统模型。模型200包括加法节点202、伺服控制器模型204、磁盘驱动器模型206和加法节点208。P代表磁盘驱动器的结构模型。K代表伺服控制器的模型。输入r(210)代表磁头的理想位置，PES 212代表闭环位置误差。外部干扰214由d表示，代表作用在磁盘驱动器上的、导致位置误差的所有外生干扰。到达控制器204的输入u_c通常是驱动器位置误差信号(PES)，控制器204的输出y_c也是到达磁盘驱动器206的输入u_p(216)。磁盘驱动器218的输出由y_p表示，通常是读/写变换器的位置。测量结果220由y_m表示。

图8是一幅流程图，展示了DSP中伺服控制器的实现过程。图7中伺服控制器模型204可由以下公式组或实现组按离散－时间状态－空间的格式来表示：

公式(1)  x_c(k＋1)＝A_cx_c(k)＋B_cu_c(k)

公式(2)  y_c(k＋1)＝C_cx_c(k)＋D_cu_c(k)

这里的x_c是控制器状态，u_c是控制器输入，y_c是控制器输出。假设N是x_c的维数，并且也代表控制器状态的数目。图8中的方框222指出要获得这些实现(realization)。

图7中的磁盘驱动器模型206可由以下这套公式按离散－时间状态－空间的格式来表示：

公式(3)  x_p(k＋1)＝A_px_p(k)＋B_pu_p(k)

公式(4)  y_p(k)＝C_px_p(k)＋D_pu_p(k)

这里的x_p是磁盘驱动器(或伺服致动器)状态，u_p是磁盘驱动器输入，y_p是磁盘驱动器输出。图8中的方框224指出要获得这些实现。

利用以下的反馈公式，很容易从控制器和磁盘驱动器的状态－空间公式(即上述公式1-4)中导出用于支配图7的闭环状态－空间公式：

公式(5)  u_c＝r－y_m＝r－(y_p＋d)

公式(6)  u_p＝y_c

然后，由下式给出所先进的闭环状态－空间公式：

公式(7) $\left[\begin{array}{c}{x}_c(k+1)\\ x_p(k+1)\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{A}_c-B_c(I+D_p{D}_c{)}^{-1}{D}_p{C}_c& -B_c(I+D_p{D}_c{)}^{-1}{C}_p\\ B_p(I+D_c{D}_p{)}^{-1}{C}_c& A_p-B_p{D}_c(I+D_p{D}_c{)}^{-1}{C}_p\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{x}_c\left(k\right)\\ x_p\left(k\right)\end{array}\right]+$ $\left[\begin{array}{c}{B}_c(I+D_p{D}_c{)}^{-1}\\ B_p{D}_c{(I+D_p{D}_c)}^{-1}\end{array}\right](r\left(k\right)-d\left(k\right))$

公式(8) $y_m\left(k\right)=\[{(I+D_p{D}_c)}^{-1}{D}_p{C}_c(I+D_p{D}_c{)}^{-1}{C}_p\]\left[\begin{array}{c}{x}_c\left(k\right)\\ x_p\left(k\right)\end{array}\right]+$ $\[{(I+D_p{D}_c)}^{-1}{D}_p{D}_c(I+D_p{D}_c{)}^{-1}\]\left[\begin{array}{c}r\left(k\right)\\ d\left(k\right)\end{array}\right]$

图8中的方框226指出要获得闭环实现。

在对外来输入信号r和d作最差情况假设的情形下，可以限定闭环系统的状态演变，如下所示：

公式(9) $x_{\mathrm{cl}}\left(k\right)=A_{\mathrm{cl}}^{k}x\left(0\right)+\underset{m=0}{\overset{k-1}{\mathrm{\Σ}}}{A}_{\mathrm{cl}}^{k-1-m}{B}_{\mathrm{cl}}{U}_{\mathrm{cl}}\left(m\right)$

这里，

公式(10) $x_{\mathrm{cl}}\left(\text{k}\right)=\left[\begin{array}{c}{x}_c\left(k\right)\\ x_p\left(k\right)\end{array}\right]$

公式(11)

    u_d(k)＝r(k)－d(k)

公式(12) $A_{\mathrm{cl}=}\left[\begin{array}{cc}{A}_c-B_c{(I+D_p{D}_c)}^{-1}{D}_p{D}_c& -B_c{(I+D_p{D}_c)}^{-1}{C}_p\\ B_p{(I+D_c{D}_p)}^{-1}{C}_c& A_p-B_p{D}_c{(I+D_p{D}_c)}^{-1}{C}_p\end{array}\right]$

公式(13) $B_{\mathrm{cl}}=\left[\begin{array}{c}{B}_c(I+D_p{D}_c{)}^{-1}\\ B_p{D}_c{(I+D_p{D}_c)}^{-1}\end{array}\right]$

图8中的方框228指出了要获得该限定。

根据支配闭环系统之状态演变的公式中，在给定对外来输入的限定时，可以确定各状态的限定，如图8中方框130所示。一般假设，当计算这些限定时控制器的初始状态等于0。

公式(14) $\underset{k}{\max }\left|x_{\mathrm{cl}}\left(k\right)\right|=\left|\right|x_{\mathrm{cl}}|{|}_{\∞}=|\underset{m=0}{\overset{k-1}{\mathrm{\Σ}}}{A}_{\mathrm{cl}}^{k-1-m}{B}_{\mathrm{cl}}{u}_d\left(m\right)|$

公式(15) $\≤\underset{m=0}{\overset{k-1}{\mathrm{\Σ}}}\left|A_{\mathrm{cl}}^{k-1-m}{B}_{\mathrm{cl}}{u}_{\mathrm{cl}}\left(m\right)\right|$

公式(16) $\≤\underset{m=0}{\overset{k-1}{\mathrm{\Σ}}}\left|A_{\mathrm{cl}}^{k-1-m}{B}_{\mathrm{cl}}\right|\left|\right|r-d{\left|\right|}_{\∞}$

公式(17) $\≤\left|\right|\[\frac{A_{\mathrm{cl}}}{I}|\frac{B_{\mathrm{cl}}}{O}\]{\left|\right|}_1||r-d{\left|\right|}_{\∞}$

闭环传递函数的l₁范数将x_cl(k)的l_∞-l_∞导出范数从外生干扰r(k)-d(k)提供给状态x_cl(k)。l₁范数很容易根据闭环矩阵A_cl和B_cl来计算。这个范数是对A_cl和B_cl(k)之最大状态的最差情况限定。而想要的是对x_c(k)每个单独状态的最差情况限定。想想x_cl(k)的前N个元素是N个控制器状态x_c(k)。根据前面的公式，可以如下计算对控制器状态x_c(k)的限定：

公式(18) $\mathrm{\ψ}=\left|\right|r-d{\left|\right|}_{\∞}\underset{k\→\∞}{\lim }\underset{m=0}{\overset{k-1}{\mathrm{\Σ}}}\left|A_{\mathrm{cl}}^{k-1-m}{B}_{\mathrm{cl}}\right|$

公式(19) $\left|\right|x_c^i{\left|\right|}_{\∞}={\mathrm{\ψ}}_i;$ 向量Ψ的第i个分量，i＝...N

此外应该注意，如果闭环系统稳定，则保证公式18和19中的极限是收敛的。利用状态演变的各个限定，可以对控制器状态x_c(k)重新定标。这由图8中的方框232指出。重新定标各状态可以保证在最差情况的外来输入情形下，控制器的状态由数值1限定。以下的对角线状态变换提供了此定标过程：

公式(20)

利用这个状态变换，根据下式可以提供新的状态控制器实现：

公式(21) ${\hat{x}}_c=T{x}_c$

公式(22) ${\hat{x}}_c(k+1)=T{A}_c{T}^{-1}{\hat{x}}_c\left(k\right)+T{B}_c{u}_c\left(k\right)$

公式(23) $y_c\left(k\right)=C_c{T}^{-1}{\hat{x}}_c\left(k\right)+D_c{u}_c\left(k\right)$

公式(24) $\underset{k}{\max }\left|{\hat{x}}_c\left(k\right)\right|=\left|\right|{\hat{x}}_c{\left|\right|}_{\∞}\≤|$

如图8中方框234所示，利用分数二进制(fractional binary)算法可以在DSP上完成此新的实现。此外，如果外生干扰‖r-d‖_∞的l_∞范数小于用于根据上述Ψ构造状态变换的干扰水平，则保证此实现方法不溢出。

还应该注意，定标控制器状态的这种方法并不保守。人们可以轻易构造一个干扰，其l_∞范数略大于构造状态变换所用的l_∞范数。这种干扰信号会导致状态溢出。这样，对于被保证不溢出一个给定预定干扰水平的离散时间控制器而言，本技术是保守性最小的状态实现方法。还应该注意，不管设计控制器使用什么方法和是否使用微致动器，都可以采用本发明的定标技术。

根据本发明的一个方面，提供了一种方法用于实现或配置定点数字信号处理器(DSP)中基于模型的离散时间伺服控制器以便控制磁盘驱动器110中伺服致动器206的方法。该方法包括获得伺服控制器204和伺服致动器206的稳定闭环表示。根据该稳定闭环表示为伺服控制器204确定控制器状态的控制器状态限定。根据控制器状态限定对控制器状态定标。在DSP中，根据经标定标的控制器状态来配置伺服控制器。

在一个说明性的实施例中，通过获得伺服控制器204的状态－空间实现，获得伺服致动器206的状态－空间实现，并根据伺服控制器204和伺服致动器206的状态－空间实现获得闭环状态－空间实现，来获取闭环模型。

在本发明的另一个方面中，通过根据稳定闭环模型获得一个包括伺服控制器204和伺服致动器206的闭环系统的状态演变，并确定闭环系统200之状态演变的最差情况限定，来确定控制器状态限定。还通过对角线矩阵状态变换来实现定标。可以利用分数二进制格式在DSP上实现控制器。

本发明还可以包括磁盘驱动器110，它具有数据变换器和磁盘112，磁盘112具有一磁盘表面，可以相对数据变换器旋转。伺服致动器206耦合到数据变换器，可以相对磁盘表面112移动数据变换器。伺服控制器204耦合到伺服致动器，并根据闭环系统200之状态演变的限定来控制伺服致动器206的活动，其中所述闭环系统包括伺服控制器204和伺服致动器206。

在一个实施例中，状态演变建立在闭环系统的状态－空间实现的基础上。作为说明，该状态－空间实现也可以建立在伺服控制器204和伺服致动器206的各状态－空间实现的基础上。

在另一个说明性的实施例中，伺服致动器206包括一个粗致动器173和微致动器159-161中的至少一个微致动器。因此，伺服控制器204是一个多输入多输出控制器190。

虽然已参照较佳实施例描述了本发明，但本领域的熟练技术人员将认识到，可以在不脱离本发明的精神和范围的前提下进行形式和细节的改变。

Claims (16)

1.一种用于配置定点数字信号处理器(DSP)中离散时间伺服控制器以便控制磁盘驱动器中伺服致动器方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

(a)根据伺服控制器和伺服致动器的一个稳定闭环模型表示，计算对伺服控制器之控制器状态的控制器状态限定；

(b)根据控制器状态限定，对控制器状态定标；以及

(c)在DSP上，根据经定标的控制器状态配置伺服控制器。

2.权利要求1所述的方法，其特征在于，计算步骤(a)包括下述步骤：

(a)(1)根据伺服控制器和伺服致动器的状态－空间实现导出闭环状态－空间实现。

3.权利要求1所述的方法，其特征在于，计算步骤(a)包括以下步骤：

(a)(1)根据所述稳定闭环表示确定包括伺服控制器和伺服致动器的闭环系统之状态演变的最坏情况限定。

4.权利要求1所述的方法，其特征在于，定标步骤(b)包括下述步骤：

进行对角线矩阵状态变换。

5.权利要求1所述的方法，其特征在于，定标步骤(b)产生一个新的控制器实现，并且配置步骤(c)包括下述步骤：

以分数二进制格式，在DSP上用新的控制器实现来配置伺服控制器。

6.权利要求1所述的方法，其特征在于，计算步骤(a)本质上包括下述步骤：

(a)(1)根据所述稳定闭环表示，确定包括伺服控制器和伺服致动器的闭环系统之状态演变的最差情况限定。

7.权利要求1所述的方法，其特征在于，定标步骤(b)本质上包括下述步骤：

(b)(1)进行对角线矩阵状态变换。

8.权利要求1所述的方法，其特征在于，定标步骤(b)产生一个新的控制器实现；并且配置步骤(c)本质上包括下述步骤：

以分数二进制格式，在DSP上用新的控制器实现来配置伺服控制器。

9.一种磁盘驱动器，其特征在于，包括：

数据变换器；

磁盘，它具有一个磁盘表面，可以相对数据变换器旋转；

伺服致动器，它耦合到数据变换器，以便相对于磁盘表面移动数据变换器；和

伺服控制器，它耦合到伺服致动器并控制伺服致动器的活动，所述伺服控制器用控制器状态来配置，而控制器状态是根据包括伺服控制器和伺服致动器的闭环系统之状态演变的限定而被定标的。

10.权利要求9的磁盘驱动器，其特征在于，控制器状态限定建立在闭环系统的稳定闭环表示基础上。

11.权利要求9的磁盘驱动器，其特征在于，状态演变建立在闭环系统的状态－空间实现的基础上。

12.权利要求11的磁盘驱动器，其特征在于，状态－空间实现建立在伺服控制器和伺服致动器的各个状态－空间实现的基础上。

13.权利要求12的磁盘驱动器，其特征在于，伺服控制器是以分数二进制格式用经定标的控制器状态来配置的。

14.权利要求13的磁盘驱动器，其特征在于，伺服控制器包括一个定点DSP。

15.权利要求9的磁盘驱动器，其特征在于，伺服致动器包括一个粗致动器和一个微致动器；并且伺服控制器包括一个多输入多输出控制器。

16.一种磁盘驱动器，其特征在于，包括：

磁盘；

可以相对磁盘移动的数据变换器；

用于相对磁盘移动数据变换器的伺服致动器；和

用于根据经定标的控制器状态来控制伺服致动器的装置。

Images