專利名稱：用于改善伺服控制的活動磁性軸承系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明一般涉及磁性數(shù)據(jù)存儲設備的領域，尤其(但不是以限制方式)涉及優(yōu)化一個磁盤驅動器的機械構造，以便改善操作性能。
背景磁盤驅動器被用作現(xiàn)代計算機系統(tǒng)和網(wǎng)絡中的主要的數(shù)據(jù)存儲設備。一個典型的磁盤驅動器包括一個或多個剛性的磁性存儲磁盤，它們圍繞一個主軸馬達的一個旋轉軸心轉動，以形成一個磁盤疊式存儲器。一個讀/寫變換磁頭陣列在該磁盤疊式存儲器附近由一個傳動裝置支撐，以便在各個磁盤磁道與其內安裝有該磁盤驅動器的一臺主機之間傳遞數(shù)據(jù)。
傳統(tǒng)的傳動裝置使用一個音圈馬達將磁頭與磁盤表面定位。這些磁頭經(jīng)由彎曲部分被安裝在多個臂的末端，這些臂從一個傳動裝置主體徑向向外突出。該傳動裝置主體圍繞一個轉軸旋轉，該轉軸的位置非常鄰近磁盤的外部末端并被安裝在磁盤驅動器外殼上。該轉軸平行于主軸馬達和磁盤的旋轉軸，以便磁頭在平行于磁盤表面的一個平面中移動。
傳動裝置音圈馬達包括被安裝在磁頭臂對面的傳動裝置主體側邊上的一個線圈，以便被浸沒在一個磁性電路的磁場中，該磁性電路包括一個或多個永久磁鐵和有磁性穿透力的磁極塊。當電流通過線圈時，建立了一個電磁場，該電磁場與磁性電路的磁場相互作用，使線圈按照眾所周知的洛倫茲關系移動。當線圈移動時，傳動裝置主體圍繞樞轉軸旋轉，磁頭移過磁盤表面。
對磁頭位置的控制通常利用一個閉環(huán)伺服系統(tǒng)(例如，第5,262,907號、標題為“具有改善的伺服系統(tǒng)的硬盤驅動器”的美國專利中所揭示的，該專利于1993年11月16日發(fā)給Duffy等人(Duffy‘907)并轉讓給本發(fā)明的受讓人)來實現(xiàn)。一個典型的伺服系統(tǒng)使用伺服信息(在磁盤驅動器的制造過程中被寫入磁盤)，通過生成一個位置差錯信號(PES)來檢測和控制磁頭的位置，該信號指出磁頭相對于一個所選磁道的位置。伺服系統(tǒng)通過比較在磁盤表面上的伺服信息中精確定位的磁化伺服區(qū)段產(chǎn)生的脈沖信號的相對信號強度，生成PES。
伺服系統(tǒng)主要以兩種可選模式中的一種模式進行操作尋道和磁道跟蹤。尋道操作需要通過離開初始磁道和移向目標磁道的磁頭的最初加速和后來減速來將一個所選的磁頭從一個初始磁道移到相應的磁盤表面上的一個目標磁道。使用一種速度控制的方法，其中將反復對磁頭的速度進行估計(基于被測量的位置)并與該磁頭的速度分布圖比較，該圖定義了一個理想的尋道用的速度軌線。在尋道過程中，根據(jù)被估計的速度與理想速度之間的差對施加于線圈的電流量進行校正。
當磁頭達到離目標磁道有一段預定的距離(例如，離開一個磁道)時，伺服系統(tǒng)轉變?yōu)橐环N穩(wěn)定模式，在此模式中，磁頭被安放在目標磁道上。其后，伺服系統(tǒng)進入一個磁道跟蹤操作模式，其中，讓磁頭跟蹤目標磁道，直到執(zhí)行下一次尋道操作。
這樣，磁盤驅動器的設計通常使用具有速度分布圖的接近時間最佳控制在尋道過程中控制所選磁頭，使用一個基于狀態(tài)估計器的具有相對緩慢積分的控制器將磁頭安放在目標磁道上，并且使用基于同一狀態(tài)估計器的具有相對較快積分的控制器進行磁道跟蹤。
傳統(tǒng)磁盤驅動器的設計者一直使用用于使傳動組件圍繞樞軸點旋轉的球軸承夾頭。當磁頭徑向地從一個磁道移到另一個磁道時，這些軸承組件經(jīng)歷傳動臂圍繞樞軸點十分快速的反復運動。隨著現(xiàn)代磁盤驅動器的存儲量的繼續(xù)擴展，傳動臂圍繞軸承組件旋轉所需的精確度已經(jīng)大大提高。
尋道和磁道跟蹤操作的精確度取決于傳動軸承組件的性能。傳統(tǒng)的球軸承組件要承受機械限制，這對它們在當今高性能磁盤驅動器中的運用有不利的影響。尤其是，傳統(tǒng)的球軸承組件要經(jīng)歷金屬磨損、較多的諧振和摩擦，以及潤滑劑除氣處理。這些問題會加劇有選擇地在磁盤驅動器(具有提高的空氣密度)中定位一個變換器時所遇到的困難。
已經(jīng)提議將電磁軸承組件用作解決這些問題的一個方法。電磁軸承是一種支持和控制浸沒在一個被有效受控的磁場中的一個物體的位置的器件。電磁軸承具有的明顯好處是轉子-定子摩擦和機械磨損可以忽略。
磁性軸承對于旋轉地支撐一個轉子非常有效，該轉子由一個位于定子上的無源(永久磁鐵)或有源(電磁)磁鐵建立的受控磁場實行有效的浮動。通常，磁場由一個包含電感傳感器和可變電磁鐵的閉環(huán)反饋系統(tǒng)控制。于1992年5月5日發(fā)給Meeks(“Meeks‘102”)的美國第5,111,102號專利提供了對用于維持磁性懸掛的磁性軸承組件和閉環(huán)反饋控制的詳細、全面的解釋。
磁性傳動軸承組件在磁盤驅動器設計與制造的技術領域是已知的。例如，1998年9月18日發(fā)給Dunfield等人(“Dunfield‘839”)的美國第5,808,839號專利揭示了一種被機械地圍繞其軸耦合的磁性軸承組件。但是，Dunfield‘839不能使用完全的三軸懸浮，而只能提供兩個(X-Y)軸懸掛。此外，原先技術的磁性軸承組件不能將傳動裝置的磁性懸掛與其伺服控制聯(lián)系起來。所以，迫切需要開發(fā)一種全浮動的傳動軸承組件，該傳動軸承組件可有利地使受控傳動裝置懸浮與其復雜的伺服控制相互關聯(lián)。
發(fā)明概要本發(fā)明提供了一個改善過的軸承夾頭，用于按樞軸的方式將一個旋轉傳動裝置附著于一個硬盤驅動器的基臺(basedeck)。改善的軸承夾頭還改善了尋道和磁道跟蹤操作過程中旋轉傳動裝置的伺服控制。
根據(jù)較佳實施例，改善的軸承夾頭包括一個活動磁性軸承組件，該組件用三維方法在嚴格定義的公差范圍內懸掛旋轉傳動裝置。該活動磁性軸承組件較佳地組合了多個定向電磁驅動器、多個定向永久磁鐵和多個檢測線圈。
對應于活動磁性軸承組件的電路提供了一個控制方案，該方案使活動磁性軸承能夠檢測傳動裝置中的擾動并將糾正電流施加于適當?shù)碾姶膨寗悠?。該電路還提供一種前饋信號，指示傳動裝置變換到一個音圈馬達(VCM)伺服控制電路，調節(jié)被施加于用來定位該傳動裝置的一個VCM的電流量。另一方面，VCM伺服控制電路前饋信號指出一個即將發(fā)生的尋道的一個尋道期待信號。提醒活動磁性軸承組件一項即將發(fā)生的尋道操作，使活動磁性軸承控制能預先“支撐”其自身，以合成由圍繞樞軸旋轉的傳動臂產(chǎn)生的扭矩力。
通過閱讀以下詳細的描述并觀察有關的附圖，構成本發(fā)明特征的這些和其他特征與優(yōu)點將一目了然。
附圖簡述

圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個較佳實施例構建的一個磁盤驅動器的頂部平面視圖。
圖2是圖1的磁盤驅動器的功能方框圖。
圖3是根據(jù)本發(fā)明的一個較佳實施例構建的一個活動磁性軸承組件和傳動裝置的透視圖。
圖4是圖3的活動磁性軸承組件和傳動裝置的橫截面視圖。
圖5是圖3的活動磁性軸承組件的橫向懸掛組件的頂部平面視圖。
圖6是圖3的活動磁性軸承組件的垂直懸掛組件的側仰角視圖。
圖7是圖3的活動磁性軸承組件的檢測線圈組件的頂部平面視圖。
圖8是來自圖7的檢測線圈組件內部的剖面?zhèn)纫晥D。
圖9是圖2中伺服電路與活動磁性軸承電路的功能方框圖。
圖10是速度受控尋道操作的功能方框圖，展示了伺服電路與活動磁性軸承電路之間的前饋控制方案。
圖11是位置受控操作的功能方框圖，展示了伺服電路與活動磁性軸承電路之間的前饋控制方案。
詳細描述為了對本發(fā)明各種當前較佳實施例進行詳細的描述，首先參照圖1，該圖表示了用于存儲計算機數(shù)據(jù)的一個磁盤驅動器100的頂部平面視圖。磁盤驅動器100包括一個磁頭-磁盤組件(HDA)101和一個印刷的配線組件(PWA)，支持磁盤驅動器100使用的控制電子電路。PWA被安裝于HDA101的下側，因此在圖1中看不見。
HDA101包括一個基臺102，該基臺用于支撐以恒定的高速度旋轉多個磁盤106的主軸馬達104。雖然未被示出，但不言而喻，磁道使用在按一種傳統(tǒng)方式制造的過程中被寫到磁盤驅動器100的伺服數(shù)據(jù)而被確定在每個磁盤表面上。一個磁盤夾108將磁盤106和位于鄰近磁盤(在圖1中看不見)之間的一系列磁盤定位架固定于主軸馬達104。一個頂蓋(未示出)與基臺102配對，為HDA101提供了一個內部環(huán)境。
一個旋轉傳動裝置110被構造成圍繞由基臺102支撐的一個活動磁性軸承組件(AMBA)112旋轉。一般而言，AMBA112被用作一個活動磁性軸承夾頭進行操作，該夾頭通過使用受控電磁引力來在AMBA112內三維地懸掛傳動臂。下面將更加詳細地討論具體部件和AMBA112的相互關聯(lián)的功能。
通過將電流受控地施加于一個音圈馬達(VCM)114的一個傳動線圈113，來旋轉傳動裝置110。一個E塊115包括傳動裝置110的中心部分，并用作多個傳動臂116的支架。多個傳動臂116從E塊115突出并支撐彎曲組件118，這些彎曲組件又在磁盤106的表面上支撐多個對應的磁頭120。當不使用磁盤驅動器時，一個插銷/停止組件122將磁頭固定以磁盤106的內直徑構造的登陸區(qū)(未指定)；并且包括限制器(未分開指定)，以限制傳動裝置110的徑向長度(沖程)。一個彎曲線路組件124和一個前置放大器驅動器(前置放大器)132促進傳動裝置110與磁盤驅動器PWA之間的電氣通信。
現(xiàn)在參照圖2，其中提供了圖1的磁盤驅動器100的相關部分的一個概括的功能方框圖，包括布置在前述磁盤驅動器PWA上的電路。顯示出磁盤驅動器100可被操作而耦合到一個主機設備150，磁盤驅動器100與該主機設備相關聯(lián)。例如，主機設備150可以包括其內安裝有磁盤驅動器的一臺個人計算機(PC)。
控制處理器152根據(jù)存儲在動態(tài)隨機存取存儲器(DRAM)154和閃爍(flash)存儲器156中的程序與參數(shù)值來提供對磁盤驅動器100的操作的高級控制。接口電路158包括一個用于臨時緩沖被傳遞的數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)緩沖器(未分開示出)和在數(shù)據(jù)傳遞操作過程中指導讀/寫通道160和前置放大器132的操作的一個順序控制器(“定序器”，也未分開示出)。如圖1中所示，前置放大器132較佳地被安裝于傳動裝置110上。
通過主軸馬達104的反電動勢(bemf)交流，主軸電路164被提供來控制磁盤106的旋轉。伺服電路166控制所選磁頭120相對于磁盤106的位置。AMBA電路168控制AMBA112的操作。在觀察AMBA112的構造之后，下面將更加詳細地描述AMBA電路168的詳細操作和AMBA電路168與伺服電路166之間特殊的相互關系。
參照圖3，該圖表示了根據(jù)本發(fā)明一個較佳實施例構建的AMBA112的透視圖。AMBA112包括四個主要組件、一個支撐框架組件172、多個橫向懸掛組件178、多個垂直懸掛組件182和多個檢測線圈組件184。支撐框架組件172的特征一般在于一個“C”字形的元件，它具有兩塊水平板174和一塊垂直取向的垂直板176，以便使兩塊水平板174實質上彼此平行并位于垂直板176的相對兩端。在本發(fā)明的一個較佳實施例中，支撐框架組件172由一種導磁材料構建而成，從而提供了一條有效的磁力線路徑。對于該技術領域中的普通技術人員不言而喻的是，支撐框架組件172位于基臺102上，使得支撐框架組件172不會抑制傳動裝置110的操作。圖1中展示了支撐框架組件172的一個較佳的取向。
每個橫向懸掛組件178的位置十分接近，并且其基本上平行于支撐框架組件172的一個各自的水平板174。以下將參照圖5來更加詳細地描述橫向懸掛組件178的具體部件。應該注意，每個橫向懸掛組件178在結構上與另一個橫向懸掛組件相同。兩個橫向懸掛組件178由位于橫向懸掛組件178外圍周圍的多個支座(standoffs)180保留在相對于水平板174的位置中。
圖3進一步表示了垂直懸掛組件182，它們將位于由支撐框架組件172和橫向懸掛組件178的水平板174之間的支座180提供的空間中。應該注意，每個垂直懸掛組件182在結構上與另一個垂直懸掛組件相同。不言而喻，用于指定具體懸掛組件的術語“橫向”和“垂直”是指其操作所指向的三維(X，Y，Z)幾何軸。
AMBA112還包括兩個檢測線圈組件184，它們牢固地連接到各自的橫向懸掛組件178的內側。除了AMBA112的前述部件外，圖3表示了傳動裝置110的各個部件。傳動裝置110包括傳動線圈113、E塊115、傳動臂116和一個轉軸192。轉軸192牢固地附著于E塊115并基本上平行于支撐框架組件172的垂直板176而延伸。轉軸192被懸掛在橫向懸掛組件178內，以便轉軸192的每個終端末端在垂直懸掛組件182的附近被支撐。轉軸192一般是直徑有一個變化的圓柱體(表示為一個轉軸臺階194)。較佳地，轉軸192同樣是由一種高傳導性的鐵磁材料構建而成的。
現(xiàn)在參照圖4，該圖表示了AMBA112和傳動裝置110的所選部件的透視橫截面視圖。從圖4中可見，轉軸192連續(xù)延伸通過E塊115。圖4還展示了檢測線圈組件184和橫向懸掛組件178的相對布置。應該注意，為了展示其相對于轉軸192的位置，所以夸張了檢測線圈組件184與橫向懸掛組件178之間的距離的表現(xiàn)。圖4還展示了轉軸臺階194與檢測線圈組件184的接近性，以及轉軸192的終端末端和垂直懸掛組件182的相對定位。
圖5表示了一個單獨的橫向懸掛組件178的頂部平面視圖。通過圖3和圖4將更容易理解，在本發(fā)明的一個較佳實施例中，有兩個結構相同的橫向懸掛組件178。橫向懸掛組件178主要包括一個橫向磁力線管道200、多個橫向電磁組件202和一個孔204。在本發(fā)明的一個較佳實施例中，多個橫向電磁組件202在橫向磁力線管道200周圍被等距離隔開，以便孔204的周長由橫向電磁組件202的遠端大致限定?？?04是圓形的，最好位于橫向磁力線管道200的中心并且邊上的直徑大于轉軸192的直徑。多個凹進的區(qū)域(未分開指定)由鄰近的電磁組件202的各個側邊確定。
在一個典型的實施例中，有四個單獨的橫向電磁組件202。第一對橫向電磁組件位于孔204的相對兩側，并控制轉軸橫向位移(例如，由箭頭203表示)的第一分量(“X”軸)。第二對橫向電磁組件位于第一對橫向電磁組件202附近并控制轉軸橫向位移(例如，由箭頭205表示)的第二分量(“Y”軸)。將容易理解，橫向電磁組件202的具體構造可以隨設計而變化，在本發(fā)明的范圍內可預期有這些變化。
橫向電磁組件202還包括多個鐵磁突出物(“柱”)206、驅動器線圈208、橫向布置的永久磁鐵210和磁力線接收器212。突出物206傳導地附著于橫向磁力線管道200。橫向磁力線管道200較佳地由一種有磁性穿透力的材料構建而成，以便在鄰近的橫向電磁組件202之間提供有效的磁力線傳遞。驅動器線圈208被纏繞在突出物206的周圍并連接到AMBA電路168。AMBA電路168通過驅動器線圈208來控制電流的應用，從而產(chǎn)生一個理想大小的磁場。驅動器線圈208被纏繞在層狀鋼柱206周圍的方向在鄰近的橫向電磁組件202之間交替改變，以顛倒鄰近的電磁鐵的極性并提供一個連續(xù)的磁力線傳遞。
繼續(xù)參照圖5，確定永久磁鐵210的方位，改變鄰近的橫向電磁鐵組件202上的極性。接收器212控制轉軸192與永久磁鐵210之間的氣隙，并防止永久磁鐵210因橫向轉軸192的變換而接觸。箭頭214展示了由永久磁鐵210和驅動器線圈208產(chǎn)生的磁力線路徑。
現(xiàn)在參照圖6，該圖表示了牢固地附著于支撐框架組件172的兩個水平板174的兩個垂直懸掛組件182，它們合作控制轉軸192在垂直(“Z軸”)方向(由箭頭217表示)上的位移。如上所述，支撐框架組件172實質上是具有兩個水平板174和垂直板176的一個“C”字形元件。支撐框架組件172還包括被插入一個鋁支柱220的C字形磁力線管道218(在圖1、3和4中也可以看見這種構造)。磁力線管道218較佳地組合了多個層狀的鋼元件，以便提供所示的有效的磁力線路徑。
如同圖5，圖6的組件包括突出物206、驅動器線圈208、永久磁鐵210和接收器212。每個接收器附著于對應的永久磁鐵210，并且在保護垂直懸掛組件182不垂直位移轉軸192時幫助進行磁力線傳遞。不言而喻，接收器212的開放面的特殊形狀將被銑削成與轉軸192對應的遠端相匹配。
現(xiàn)在參照圖7，該圖表示了檢測線圈組件184中的一個檢測線圈組件的頂部平面視圖。從圖3和4中將回憶起，有兩個在結構上相同的檢測線圈組件184，它們位于轉子組件190的相對側并接近轉軸192和轉軸臺階194。每個檢測線圈組件184包括多個橫向傳感器組件240、一個垂直傳感器組件242和一個支撐環(huán)244。在本發(fā)明的一個較佳實施例中，檢測線圈組件有四個橫向傳感器組件240，它們等距離地位于支撐環(huán)244的內部圓周周圍。支撐環(huán)244可以由適合用于安裝橫向傳感器組件240和垂直傳感器組件242的一種模制聚合物構造而成。
每個橫向傳感器組件242包括一個鐵氧體柱246和一個檢測線圈248。鐵氧體柱246實質上是“U”字形的，其定位使鐵氧體柱246的終端接近鐵磁轉軸192。檢測線圈248由一種傳導材料(例如，銅)構造而成，并緊緊纏繞在鐵氧體柱246的周圍。檢測線圈248具有連接到AMBA電路168的導線(未分開示出)。
繼續(xù)參照圖7，檢測線圈組件184的功能以基本電磁原理為前提。當轉軸192中發(fā)生橫向位移時，該轉軸移向至少一個橫向傳感器組件240。轉軸192朝向橫向傳感器組件240的位移在橫向傳感器組件240中產(chǎn)生一個信號，該信號被傳送到AMBA電路168，經(jīng)由檢測線圈248進行處理。下面將更加詳細地討論對來自檢測線圈組件184的信號的處理。
圖8沿8-8觀察圖7中的檢測線圈組件184的側視圖，展示了附著于支撐環(huán)244的內部圓周的一個垂直傳感器組件242。應該注意，垂直傳感器組件242的各個部件較佳地在形式、安排布置和標號上與橫向傳感器組件240的各個部件相同。垂直傳感器組件242被確定方位，以便鐵氧體柱246的終端被放置在轉軸臺階194的附近。和橫向傳感器組件240一樣，垂直傳感器組件242檢測轉軸臺階194相對于垂直傳感器組件242的位置的變化。尤其是，在垂直變換過程中，轉軸臺階194使一個信號在垂直傳感器組件242的檢測線圈248中產(chǎn)生。然后，代表信號從檢測線圈248被輸出到AMBA電路168用于處理。現(xiàn)在將參照圖9進一步解釋檢測線圈組件184、橫向懸掛組件178、垂直懸掛組件182和AMBA電路168的相互關聯(lián)的功能。
參照圖9，該圖表示了圖3的AMBA電路168和伺服電路166的功能方框圖。伺服數(shù)據(jù)由一個所選的磁頭120變換，以生成一個由前置放大器132放大的讀回(read back)信號。該放大的讀回信號接下來經(jīng)歷一個自動增益控制(AGC)電路252的振幅歸一化功能，它將讀回信號的振幅范圍調節(jié)到適合于伺服電路166的保持部分的范圍。
接著，讀回信號被提供給解調器電路(demod)254，它為伺服數(shù)據(jù)解碼并對其加以限制，以便將數(shù)字輸入提供給伺服數(shù)字信號處理器(伺服DSP)256。伺服DSP256從磁盤驅動器控制處理器152接收高級指令并利用存儲在伺服DSP存儲器中的程序執(zhí)行尋道和磁道跟蹤操作(未分開示出)。磁盤驅動器控制處理器152使用高級程序來控制磁盤驅動器100的整個操作，包括磁頭120與其內安裝有磁盤驅動器100的主機150(圖3)之間的數(shù)據(jù)的傳遞。
伺服DSP256將一系列電流命令信號輸出到線圈驅動器電路258，該電路將電流施加到線圈113，從而調節(jié)所選磁頭120的徑向位置。
AMBA電路168對AMBA112的控制始于從檢測線圈組件184輸出的一個信號。如前所述，檢測線圈組件184檢測孔206內的轉軸192的垂直和橫向位移。將注意到，檢測線圈組件184還對具有垂直和橫向分量的轉軸192變換進行檢測。
經(jīng)檢測線圈組件184對變換的檢測，一個檢測信號由檢測線圈242輸出，由軸承檢測電路259接收。軸承檢測電路259放大該檢測信號并將其輸出到一個模擬-數(shù)字變換器(A/D)260，該變換器限制用于由AMBA DSP 262進行數(shù)字操作的檢測信號。
在本發(fā)明的一個較佳實施例中，伺服DSP256和AMBA DSP 262被包含于專門執(zhí)行伺服和AMBA命令的一個單個設備的內部?；蛘撸梢蕴峁┓珠_的DSP模塊，來執(zhí)行各自的伺服和AMBA功能。這樣，圖9中的伺服DSP256和AMBA DSP262模塊可以代表一個單個的設備，或者可以代表兩個不同的設備。
AMBA DSP 262接收該數(shù)字化的檢測信號并根據(jù)被檢測的轉軸192變換的大小和方向來計算一個對應的校正信號。該數(shù)字糾正信號由一個A/D 264變換成一個模擬信號并被發(fā)送到軸承線圈驅動器電路266。軸承線圈驅動器電路266將校正信號變換成一個驅動器電流，該驅動器電流被施加到橫向懸掛組件178和垂直懸掛組件182(共同由塊268代表)。被施加到電磁鐵組件202的糾正電流沿與轉軸192變換對立的方向產(chǎn)生一個合成力，從而將轉軸192定位在孔206的中心。
在活動磁性軸承的技術領域中，AMBA電路168是眾所周知的具體化的閉環(huán)控制的基礎電路。該閉環(huán)控制必須足夠強大，以便在孔206內創(chuàng)建轉軸192的亞穩(wěn)定的牢固的懸掛。要了解活動磁性軸承控制的基礎電子學的更詳細的描述，請見Ronald Kipp和Dr.Joseph Imlach所著的《在嚴酷環(huán)境中操作的磁性軸承系統(tǒng)》和《監(jiān)督機器的健康》(PCIM，1992年11月)。
作為一個額外的考慮，由軸承線圈驅動器260發(fā)送的驅動器電流必須足夠強大，以便阻遏由永久磁鐵210展示的最大的“負彈力”效應。換言之，當轉軸192位移時，永久磁鐵210與轉軸192之間的引力隨其分開距離的減小而增大。所以，來自電磁鐵組件202的拉力必須至少與由永久磁鐵210產(chǎn)生的最大的“負彈力”效應一樣強大。例如，在磁盤驅動器關閉電源的過程中，轉軸192將停止在一套或兩套永久磁鐵210旁。在此位置中，轉軸與層狀的鋼接收器212之間將沒有氣隙，從永久磁鐵210通過轉軸192的磁力線傳遞將會是最大的。所以，當由軸承線圈驅動器260輸出的功率被應用于一個對立的電磁組件202以便從其停止的位置拉動轉軸192時，它必須足夠強大。
繼續(xù)參照圖9，伺服DSP256和AMBA DSP262還被用作伺服電路166與AMBA電路168之間的前饋發(fā)信機。第一個方面，通過從代表一個即將發(fā)生的尋道的伺服電路166前饋一個信號，伺服DSP256改善AMBA112懸掛。在一次尋道操作中，傳動臂110快速圍繞轉軸192旋轉并產(chǎn)生在被懸掛的轉軸192中實現(xiàn)的偏移力。為了阻遏這些力，一個尋道期待(SE)信號從伺服DSP256中輸出并跟隨信號路徑280到AMBA DSP262。在一個尋道程序開始時，伺服DSP256輸出SE信號，該信號提醒AMBA DSP262一個即將發(fā)生的尋道。
在本發(fā)明的一個較佳實施例中，SE信號不僅為AMBA電路168提供一個即將發(fā)生的尋道的通知，而且提供尋道的方向和大小。通過前饋一個代表由一次尋道產(chǎn)生的平移力的信號，AMBA電路168能夠減少其響應時間并改善其糾正的操作。下面參照圖10來更加詳細地描述對SE信號的協(xié)同使用。
第二個方面，通過將一個軸承變換(BT)信號前饋到伺服電路166，AMBA電路168改善對磁頭120的伺服控制。隨著空氣密度的增加，對高度精確的磁頭120定位的要求變得更為重要。轉軸192中的任何變換或振動都會引起傳動裝置110(包括磁頭120)中的從屬運動并對伺服電路166的磁道跟蹤和尋道操作產(chǎn)生不利的影響。
來自AMBA112的干擾測量是三維軸承變換、傳動裝置110的徑向與垂直位移，以及AMBA 112與傳動裝置110的基本幾何特征的一個復雜的結果。因此，BT信號從AMBA DSP262沿路徑282被輸出并由自適應LMS濾波器284接收。自適應性LMS濾波器284是一個熟悉的方法，用于通過使用由一個普通的LMS運算法則驅動的具有可變系數(shù)的傳遞函數(shù)來迅速估計復雜的干擾。
自適應LMS濾波器284的被過濾的輸出跟隨信號通路286到伺服DSP256，其中，可容易地用它來改善尋道和磁道跟蹤操作?，F(xiàn)在將通過參考尋道操作(圖10)和磁道跟蹤操作(圖11)來詳細描述對伺服電路166中被過濾的BT信號的使用。
現(xiàn)在參照圖10，該圖表示了伺服DSP256執(zhí)行速度受控尋道的程序的功能方框圖。最初，圖10表示了一個設備塊300，代表包括VCM114、磁頭120和前置放大器132的磁盤驅動器100的電氣部分和機械部分。被構造成提供設備300的操作的數(shù)學模型的一個觀察器302，輸出對各自的路徑204、206和208上的磁頭位置、速度與偏置(XE、VE和WE)的估計。偏置代表趨于使移動磁頭120偏離磁道的力(例如，來自由磁盤106的旋轉形成的空氣流的偏差效果和來自彎曲電路124的彈力)。偏置將經(jīng)常取決于位置。
在尋道過程中，要去的磁道數(shù)目在路徑310上被輸入到輪廓器(profiler)312。如上面所討論的，要去的磁道是留在尋道中的物理距離，并根據(jù)磁頭的位置與目標磁道的位置之間的差來確定。作為響應，輪廓器通過(例如)插入技術或從存儲在一張查找表格中的值輸出路徑314上的合適的命令速度。利用求和連接點316來確定命令速度與被估計的速度VE之間的差。該差——速度誤差——被提供給具有增益KAL的增益塊318，以執(zhí)行加速限制功能。輸出通過一個陷波濾波器320并在求和連接點322與BT信號相加，該BT信號沿路徑286由LMS自適應濾波器284(在圖10中未示出)輸出。同時，目標磁道位置在輸入路徑326上被提供給偏置預測塊328，該預測塊328預測在求和連接點330處與所估計的偏置相加的偏置量。路徑332上的輸出在求和連接點322和作為第二求和連接點334處被相加，將對此作簡短的討論。
求和連接點322的輸出被提供給具有增益KT的增益塊336，用于補償VCM114的非線性扭矩特性。輸出在路徑340上與電流指零信號在求和連接點338處相加，用于使電流等于零。路徑342上產(chǎn)生的信號包括一個電流需求信號，該信號被提供給設備300，以調節(jié)所選磁頭120的位置。
電流需求信號還被用作沿路徑280被發(fā)送到AMBA DSP262的尋道期待(SE)信號。SE信號指出在尋道操作過程中被施加于設備的電流的方向和大小。如前面所討論的，AMBA DSP262接收SE信號并在期待即將發(fā)生的尋道時預先調節(jié)AMBA112控制。
作為響應，設備在路徑344上提供一個檢測輸出；伺服數(shù)據(jù)被提供給解調(demod)塊346，電流電平被提供給求和連接點348。解調之后，伺服數(shù)據(jù)利用線性化塊350被線性化，以便在路徑352上提供一個位置樣品XSAMP，它在求和連接點354處與位置估計XE不同，以便在路徑356上提供一個觀察器誤差OERR。在此方式下，觀察器302的操作名義上被保持為設備300的操作。
求和連接點348的電流輸入被用于飽和補償并相應地與來自路徑358的飽和指零信號輸入相加。增益塊360應用飽和增益KSAT，輸出不同于來自路徑332的偏置總數(shù)。有限響應濾波器(FIR)塊362將所需的時間延遲提供給陷波濾波器320的輸出端，以便觀察器302根據(jù)線圈是否處于飽和狀態(tài)來從FIR 362或飽和環(huán)路接收開關量輸入。
相應地，當大的電流變化在尋道過程中被施加到VCM線圈113，以便迅速加速和減速磁頭120時，SE信號被提供給AMBA DSP262使AMBA電路168補償傳動裝置110上的變換力發(fā)生的變化。雖然圖10的實施例預期將電流命令信號用作SE信號，但是，可以使用或請求其他信號來形成SE信號(例如，由求和連接點316輸出的速度誤差)。
現(xiàn)在參照圖11，該圖表示了位置受控或磁道跟蹤操作過程中伺服DSP256的程序的功能方框圖。呈現(xiàn)的設備塊400代表磁盤驅動器100的所選的電氣方面和機械方面。作為參考，設備400一般包括由伺服電路166建立的基本環(huán)路部分(見圖9)。設備塊400接收路徑402上的電流命令(ICMD)信號作為輸入，作為響應，在路徑404上輸出指出所選磁頭120的位置誤差的一個位置差錯信號(PES)。
圖11進一步表示了一個觀察器(OBS)塊406，它一般提供設備400的一個數(shù)學模型，周期性地分別輸出對路徑408、410和412上的磁頭位置(XE)、速度(VE)與偏置(WE)的估計(類似于圖10中的觀察器302)。與以前一樣，偏置將被理解為表示趨向于將磁頭從一個所選位置移開的力(例如，彎曲電路124施加的彈力(圖1)和由磁盤106旋轉而形成的空氣流引起的偏差效應)。
路徑408上的XE在求和連接點418處與參考位置(表示所需的磁頭位置)相加，路徑420上的輸出被應用于具有增益KX的位置增益塊422。路徑410上的VE同樣被應用于具有增益KV的速度增益塊424。位置與速度增益塊422、424的輸出分別通過路徑428、430被帶到求和連接點426。輸出(在路徑432上)在求和連接點434處與來自路徑412的WE和被過濾的BT信號(圖9)相加，以在路徑402上生成ICMD信號。
由于在精確的磁道跟蹤操作中使用位置受控操作，因此，BT信號的加權是很重要的。路徑432上的輸出進一步被應用于增益塊438并被提供給觀察器406。將注意到，到求和連接點418、426和434的各種輸入的符號指示通常已被任意分配并可以根據(jù)各個信號的極性的對應變化而進行修改。
相應地，在磁盤驅動器操作過程中，BT信號在穩(wěn)定狀態(tài)的基礎上生成并被提供給伺服電路166，以在磁道跟蹤過程中使AMBA112變換對磁盤驅動器100的影響減到最小。與圖10中提及的速度受控尋道操作不同，從位置受控操作到AMBA DSP262沒有輸出，因為預期在磁道跟蹤過程中傳動臂相對小的運動將不足以干擾AMBA112的實質上牢固的懸掛。但是，在本發(fā)明的另一個較佳實施例中，ICMD信號(或其他合適的信號，例如，位置誤差)被運用于一個前饋方案，以形成SE信號(如上面所討論的)。
為了進一步解釋AMBA電路168和伺服電路166的相互關聯(lián)的操作，圖11表示了在前饋操作中由每個電路所執(zhí)行的步驟而提出的一個“AMBA至伺服”子程序450。
在步驟452中，檢測線圈組件184檢測AMBA112內的轉軸192變換。將會認識到，AMBA 112內的轉軸192的變換可能是由許多事件引起的，這些事件可能包括偏移力，它由傳動裝置110的運動產(chǎn)生并在外部將沖擊施加到磁盤驅動器100。
經(jīng)檢測線圈組件184對干擾的檢測，檢測信號由檢測線圈242輸出并由軸承檢測電路259接收。在步驟454中，軸承檢測電路259確定轉軸192變換的大小和方向。軸承檢測電路259將變換信號傳送給AMBA DSP262，用于額外處理。
在步驟456中，AMBA DSP262進行操作，將一個軸承變換(BT)信號輸出到由步驟458展示的自適應最小平均平方(LMS)濾波器284。自適應LMS濾波器284利用自適應運算法則和具有可變系數(shù)的傳遞函數(shù)來根據(jù)許多不可估量的干擾計算被調節(jié)的BT信號。例如，自適應LMS濾波器284考慮到磁頭120的動態(tài)徑向位置和AMBA112與傳動裝置110的基本幾何結構。
在步驟460中，自適應LMS濾波器284輸出一個被過濾的BT信號，該信號是AMBA112內的轉軸192變換的一個比例的代表。接下來，在步驟462中，伺服電路166接收被過濾的BT信號并將被補償?shù)碾娏魇┘拥絍CM 114的線圈113。“AMBA至伺服”子程序450提供了一個有效的方法，通過前饋使用表示AMBA112內的變換干擾的信號，用于改善伺服控制。
圖12表示了一個“伺服至AMBA”子程序470，它提出在一個較佳實施例中由伺服電路166和AMBA電路168執(zhí)行的各個步驟。
在步驟472中，伺服電路166開始一項伺服操作。通常，伺服操作是尋道或磁道跟蹤操作。在尋道操作中，伺服電路166將電流施加到VCM114，以便控制磁頭120從第一個徑向位置移到第二個徑向位置。在磁道跟蹤操作中，伺服電路166可以涉及將電流施加到VCM114，以便將磁頭120定位在一個恒定的徑向位置。
在步驟474中，伺服電路166輸出一個尋道期待(SE)信號表示即將發(fā)生的尋道操作。應注意到，在某些實施例中，SE信號可能希望代表尋道操作和磁道跟蹤操作兩者。SE信號可以建立在由伺服電路166生成的任何數(shù)量的信號的基礎上并可以包括表示命令電流、速度誤差或位置誤差的信號部分接下來，在步驟476中，AMBA DSP262接收SE信號并計算一個被輸出到軸承線圈驅動器266的校正信號。步驟478展示了軸承線圈驅動器266將一個被校正的電流信號應用于懸掛組件268的操作?！八欧罙MBA”子程序470提供了一個方法，用于改善在AMBA112內轉軸192的三維懸掛，它通過將伺服電路166的操作分解為AMBA112的控制來實現(xiàn)。
從前面的討論中將清楚地理解，本發(fā)明是針對一種穩(wěn)定的活動磁性軸承組件和用于改善伺服控制與活動磁性軸承懸掛的方法。作為當前的較佳實施例的例子，磁盤驅動器100包括支持鄰近可旋轉磁盤106的磁頭120的旋轉傳動裝置110，和浸沒在音圈馬達114的磁場中的傳動裝置線圈113。
一個活動磁性軸承組件(AMBA)112被用于繞傳動裝置110的樞軸旋轉，并且一般包括一個支撐框架組件172、一個橫向懸掛組件178、一個垂直懸掛組件182、一個鐵磁轉軸192和多個檢測線圈組件184。AMBA電路168控制轉軸192的三維懸掛并為優(yōu)化的磁盤驅動器性能將一個前饋軸承變換(BT)信號提供給伺服電路166。伺服電路166將電流施加到傳動裝置線圈，以便給磁頭作相對于磁盤記錄表面的定位(與磁頭變換的伺服信息和BT信號相關)。伺服電路166還將一個尋道期待(SE)信號前饋到AMBA電路168，表示一項即將發(fā)生的尋道操作。SE信號允許AMBA電路168預先防止由尋道操作引起的干擾。
出于所附權利要求的目的，根據(jù)前述討論，術語“電路”和“塊”將被理解為以硬件或軟件實現(xiàn)。短語“主機設備”將被理解為描述與所聲明的磁盤驅動器進行通訊的任何設備，例如(但不局限于)上面討論的個人計算機。雖然已經(jīng)按一種具體的順序陳述了各個方法步驟，但是，這種排序并不限制的范圍。
顯而易見，本發(fā)明很好地適應于實施對象和達到所述的目的與優(yōu)點，以及內在的目的與優(yōu)點。為揭示此目的，描述了當前的較佳實施例，但可以進行許多修改，這些修改為精通該技術領域的人所容易了解，并在所揭示的本發(fā)明和所附權利要求中所定義的精神范圍之內。
權利要求
1.一種磁盤驅動器，其特征在于包括一個可記錄的磁盤，多個磁道被徑向地確定在該磁盤上；一個可移動的傳動裝置，它支撐鄰近該磁盤的一個變換器；一個鄰近傳動裝置的固定的活動磁性軸承組件，它包括多個軸承線圈，這些軸承線圈被構建成沿第一、第二和第三個正交軸使傳動裝置懸浮，以便傳動裝置圍繞第一個軸旋轉，在由第二個和第三個軸限定的一個平面中移動變換器；一個活動磁性軸承控制電路，它耦合到活動磁性軸承組件并將電流施加到軸承線圈，以使傳動裝置懸浮；一個耦合到傳動裝置的傳動裝置馬達；以及一個伺服控制電路，它將電流施加到傳動裝置馬達以便進行變換器的定位，它與變換器讀取存儲在磁盤上的伺服數(shù)據(jù)而生成的伺服信號相關。
2.權利要求1的磁盤驅動器，其特征在于伺服控制電路被構建成通過將尋道電流施加到傳動裝置馬達以便將變換器從磁盤上的一個初始磁道移到一個目標磁道，執(zhí)行尋道操作；其中，在尋道操作開始時，伺服控制電路將一個尋道期待信號輸出到活動磁性軸承控制電路；其中，活動磁性軸承控制電路響應于尋道期待信號而調節(jié)被施加到軸承線圈的電流，以便當尋道電流被施加到傳動裝置馬達時，補償傳動裝置中引起的扭矩力。
3.權利要求2的磁盤驅動器，其特征在于尋道期待信號提供尋道電流的極性和大小的指示。
4.權利要求1的磁盤驅動器，其特征在于活動磁性軸承組件還包括一個檢測線圈組件，輸出表示活動磁性軸承組件內干擾的一個干擾信號，其中，通過調節(jié)施加到與干擾信號相關的傳動裝置馬達的電流，伺服控制電路可補償干擾。
5.權利要求4的磁盤驅動器，其特征在于干擾包括施加到磁盤驅動器的外部產(chǎn)生的機械沖擊；其中，施加到傳動裝置馬達的被調節(jié)的電流可減小變換器中由機械沖擊導致的位置誤差。
6.在其上具有確定多個磁道的旋轉磁盤的一個磁盤驅動器中，支撐鄰近磁盤的一個磁頭的一個可旋轉的傳動裝置、一個旋轉傳動裝置的傳動裝置馬達、以三個正交軸使傳動裝置懸浮的一個活動磁性軸承組件，以及多個檢測線圈組件，他們檢測與傳動裝置相對于檢測線圈組件的位移相關的傳動裝置中的干擾、用于控制磁頭與磁盤的位置的一種方法，其特征在于包括以下步驟(a)生成表示被施加到傳動裝置馬達的電流的一個基本電流命令信號，以便將磁頭定位在有關磁盤的理想位置；(b)使用檢測線圈組件來生成一個具有表示傳動裝置中的干擾的極性和大小的干擾信號；(c)結合基本電流命令信號和干擾信號，以生成一個被修改的電流命令信號；以及(d)響應于被修改的電流命令信號而將電流施加到傳動裝置馬達，以將磁頭與磁盤定位。
7.權利要求6的方法，其特征在于磁盤驅動器還包括傳動裝置馬達驅動器電路；其中，應用步驟(d)包括將被修改的電流命令信號提供給傳動裝置馬達驅動器電路的步驟，作為響應，該傳動裝置馬達驅動器電路將電流施加到傳動裝置馬達，以將磁頭與磁盤定位。
8.權利要求7的方法，其特征在于活動磁性軸承組件包括響應于軸承電流而合作使傳動裝置懸浮的多個軸承線圈；其中，該方法還包括一個步驟(e)使用被修改的電流命令信號來調節(jié)軸承電流，以補償當馬達驅動器電路將電流施加到傳動裝置馬達時在傳動裝置中引起的扭矩力。
9.權利要求6的方法，其特征在于在尋道操作過程中生成基本電流命令信號，以便根據(jù)與初始磁道和目標磁道之間的距離成比例標定的速度分布圖將磁頭從磁盤上的一個初始磁道移到一個目標磁道。
10.權利要求6的方法，其特征在于在與表示磁頭與一個理想磁道之間的距離的位置誤差相關的磁道跟蹤操作過程中，生成基本電流命令信號。
全文摘要
用于控制磁盤驅動器(100)中的磁頭(120)位置的裝置和方法,該磁頭由旋轉傳動裝置(110)支撐,活動磁性軸承組件(112)又用磁性方式使該旋轉傳動裝置懸浮。伺服控制電路(16)將電流施加到傳動裝置線圈(113),以旋轉傳動裝置;活動磁性軸承控制電路(168)將電流施加到軸承線圈(208),以使傳動裝置懸浮。當一個外部的干擾被施加到傳動裝置時,活動磁性軸承控制電路將一個軸承變換(BT)信號提供給伺服控制電路,以調節(jié)被施加到傳動裝置線圈的電流,補償干擾。相反,當伺服控制電路開始尋道操作時,一個尋道期待(SE)信號被提供給活動磁性軸承控制電路,以調節(jié)到軸承線圈的電流,補償傳動裝置上發(fā)生的扭矩力。
文檔編號G11B21/02GK1357083SQ00806518
公開日2002年7月3日 申請日期2000年4月19日 優(yōu)先權日1999年4月21日
發(fā)明者T·E·埃爾 申請人:西加特技術有限責任公司