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硬盘驱动器自伺服刻写关键技术的研究与仿真

赵小刚  
【摘要】: 硬盘驱动器伺服信息提供了硬盘驱动器正常工作的必要条件。磁头相对于磁道的时间和空间位置主要通过对伺服信息得到,准确的伺服信息可以提高磁头的定位准确度,提升读出信号的信噪比。 传统伺服信息的写入需要在造价和维护成本极高的净房中完成,并需要借助于昂贵的伺服刻写装置。随着硬盘驱动器记录密度的提高,需要升级伺服刻写装置并花费更多的净房使用时间。伺服信息自刻写技术利用硬盘驱动器自身的读写装置和伺服机构实现伺服信息的刻写,从而极大提高硬盘驱动器的生产效率、极大地降低硬盘驱动器生产成本。 硬盘驱动器伺服信息自伺服刻写过程是一个涉及到各种系统协同工作的复杂过程,伺服信息的刻写中离不开磁盘读写通道的支持。针对现有嵌入式伺服中存在的地址空间占用率较大和采样率不高从而造成伺服带宽受限的问题,提出采用双频伺服编码方式、利用读写通道日益强大的处理能力,通过鉴别数据信息的误码率,获得磁头位置误差,以期增大伺服带宽,从而提高定位精度。针对通道对自伺服刻写过程的影响,提出了自伺服刻写状态机模型,从而清楚描述了自伺服刻写过程的状态迁移,为分析自伺服过程提供了工具。 自伺服刻写技术主要涉及到硬盘驱动器磁头伺服定位系统。对影响磁头伺服定位系统性能的各种因素及自伺服刻写动态过程的进行深入分析,结果表明:定位的精度和对噪音等外界扰动良好的鲁棒性是自伺服刻写中控制器设计的关键。根据以上分析结果得出了硬盘驱动器执行期模型和三种控制方法:超前滞后补偿器、PID控制器和鲁棒控制器。对上述模型和控制算法进行的对比分析及仿真表明H_∞控制器非常适合自伺服刻写过程,它能够在对扰动有较好的抵御能力的同时保持较高的精确性。 径向误差传递是硬盘驱动器自伺服刻写的主要问题之一。分析和研究表明:噪音和依赖上一磁道形状来进行定位的刻写机制是径向误差传递的最重要原因。分离式磁头对硬盘驱动器伺服信息自刻写的影响同样不容忽视,为此提出了一种测定磁头偏移磁道能力大小的方法:通过控制磁头飞行过程,并在飞行过程中动态获取读头信号幅度和比特误差率,从而获取磁头磁道偏移能力。将该方法运用到实验中得到的实验结果表明,弯曲角的变化能引起磁头偏移磁道能力大小的变化,进而影响到自伺服刻写过程径向误差的变化。因此得到了一种定量地分析弯曲角对自伺服过程的影响的方法。 通过上述测定磁道偏移能力的方法,提出了一种考虑了弯曲角因素的硬盘驱动器径向误差抑制方法。该方法通过两次误差对消,使径向误差能够得到很好的抑制。研究发现,自伺服刻写径向误差消除的过程很类似于迭代控制过程,提出用迭代学习控制算法设计自伺服刻写环路的校正信号,并从理论上证明该校正过程能够很好适应无法获取精确致动器模型的情况,证明了迭代过程的收敛性,实验证明径向误差得到较好抑制。 定时误差的传播是自伺服刻写过程中的另一重要问题。在回顾硬盘驱动器读写通道时钟恢复原理的基础上,着重研究了定时误差传播的动态过程,分析了造成定时误差传播的各种因素,指出分离式磁头结构会造成时钟的延时,同时读头和写头的不平行会造成定时码型偏转。根据以上分析,提出了一种新的定时码型传播方法,该方法计算简便,能够确保伺服刻写过程磁道的比特一致性,同时又能抵御各种系统和随机误差的影响。 在现有自伺服刻写方法基础上,考虑定时误差和径向误差的传播等主要因素的影响,提出了一种改进的自伺服刻写办法。该方法描述了自伺服刻写过程的中磁头的运行过程,特别是给出了刻写伺服信息和时钟信息的关键步骤,写入信息的次序等。该方法能够保证写入良好和有效的伺服信息,对硬盘驱动器伺服信息的自刻写研究有一定意义。


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