现代控制理论大作业

专业综合调研报告 电气工程与智能控制专业

分类号：TH89 单位代码：10110 学 号：

中 北 大 学

综 合 调 研 报 告

题 目: 磁盘驱动器读写磁头的定位控制

系 别: 计算机科学与控制工程学院 专业年级: 电气工程与智能控制2014级 姓 名: 何雨 贾晨凌 朱雨薇 贾凯 张钊中 袁航 学 号: 14070541 39/03/04/16/33/47 指导教师: 靳鸿 教授 崔建峰 讲师

2017年5月7日

专业综合调研报告 电气工程与智能控制专业

摘 要

硬盘驱动器作为当今信息时代不可缺少的存储设备，在人们日常生活中正扮演着越来越重要的角色，同时它也成为信息时代科学技术飞速发展的助推器。然而，随着信息量的日益增长，人们对硬盘驱动器存储容量的要求越来越高。但另一方面由于传统硬盘驱动器的低带宽、低定位精度，导致磁头很难准确地定位在目标磁道中心位置，从而限制了存储容量的持续增加。

自IBM公司于1956年向全球展示第一台磁盘存储系统R.AMAC以来，随着存储介质、磁头、电机及半导体芯片等相关技术的不断发展，硬盘的存储容量成倍增长、读写速度不断提高。要保证可靠的读写性能，盘片的转速控制和磁头的定位控制问题具有重要意义。其中磁头的定位控制主要包括寻道控制与定位跟踪控制两个问题，如PID控制、自适应控制、模态切换控制等，这些控制方法大大提高了硬盘磁头伺服系统的性能。为达到更高的精度，磁头双级驱动模型成近年的研究热点，多种控制策略已有相关报道，但目前仍处于实验水平。

关键词：?磁盘驱动器；磁头；定位；控制

Abstract

Hard disk drive (HDD), acted as requisite storage equipment in current information age,plays a more and more vital role in people’s daily life, and it becomes a roll booster in rapid development of science and technology. However, with the increase of information capacity, we put forward a severe request for HDD data storage capacity. Unfortunately, due to the low bandwidth, low positioning accuracy in conventional HDD, magnetic head is hard to be positioned onto the destination track center, thus it limits the continuing increase in storage capacity.

Since IBM brought the first disk-the random access memory accounting machine(RAMAC) to market in 1956, the storage capacity and read/write speed have continuously increased along with the development of the techniques of media,read/write head, actuators and semiconducting chips. The problems of R/W head's settling control is definitely important in order to ensure the reliability of read and write performance. Track seeking and track following are two main stages of the hard disk servo system. Researchers have developed kinds of control strategies to implement the servo control from PID control to advanced control methods.Dual-stage actuator has attracted many researchers and engineers for its broaderbandwidth compared with single-stage actuator.

Key Words：Hard Disk Drive;Heads; Location; Control

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第1章 磁盘驱动器的介绍

自上世纪50年代计算机发明以来，随着科技的进步，软硬件技术都获得了相当大的发展。目前无论日常生活还是工作学习，计算机正扮演着越来越重要的角色。相对于基本遵循了摩尔定律不断更新的芯片技术，计算机中的数据存储器硬盘也在容量和速度上不断突破，这对磁头的控制问题提出了更高的要求。本章简要介绍硬盘驱动器的基本结构以及硬盘驱动器控制的发展与现状[1]。

我们通常看到的个人计算机中的硬盘驱动器为一密封的金属容器，其内部主要由盘片机构和磁头机构两部分组成。数据记录在盘片表面的磁敏感材料上，一个或数个盘片层叠固定在盘片电机主轴上。每一盘面都配有相应的读写磁头，多个磁头及其悬臂层叠组合成为磁头组并固定在其中部的磁头主轴上。硬盘工作时，盘片在电机驱动下作恒定的高速运转，音圈电机带动磁头在盘片上方移动以寻找数据所在磁道并以允许偏离误差跟踪在其上方;当数据所在磁道经过读写磁头，磁头根据电磁感应原理读取或写入数据。这是一系列复杂且微妙的控制动作，通过本章节的介绍，对于硬盘结构和磁头控制将会有一个较为清晰的概念。

1.1 硬盘驱动器结构

图1.1所示，为一个典型的硬盘驱动器内部结构，其中磁头组件包括音圈电机(voice-coil motor，VCM)，一组磁头悬臂及读写磁头;盘片组件包括一组盘片及一个主轴电机。在盘面上有数以千计按同心圆划分的数据磁道，磁头距盘片大约为10-8um的数量级，并可沿盘片平面作径向运动。本节将简要介绍硬盘驱动器的组成[2]。

图1.1硬盘驱动器内部结构

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1.1.1 盘片与磁介质

数据按等距的同心圆以两种模态存储于盘片的磁介质上，但存储密度的大小由多种性质决定。物理性质的主要影响包括磁性介质上偶极子的大小和同一性，磁化方向以及磁介质的矫顽性和温度稳定性等，这些都决定于磁介质材料及加工工艺。另一方面，为提高存储容量，盘片表面被划分为更多的磁道，相邻存储单元的间距也更小，因此在硬盘技术发展过程中介于磁头和盘片上磁介质之间的磁场不断被减弱以避免干扰。此时磁头在磁盘上某一较小区域进行的读取或写入操作密度取决于磁头和磁性盘片间的距离，即通常所说的航高(flying height)航高越小，读写区域越精确。但是，随着航高的减小，物理性质如盘片表面镀层的厚度等仍将成为主要影响读写精度的因素。 硬盘盘片的直径从最初的14英寸发展到8英寸，后又缩小至5.25英寸，3.5英寸，2.5英寸或更小，已成为硬盘规格的主要参数之一。盘片面积的减小，伴随着容量的成倍增加以及读写速度的不断提高，这对制造工艺提出了更高的要求，需要盘片具有更为平滑的表面，更高的介质磁畴密度:磁头具有更小的磁性耗散，更低的航高。目前常用的硬盘尺寸主要有以下三种规格:台式机硬盘(主流)为3.5英寸，高速视频设备及笔记本电脑硬盘为2.5英寸，掌上电脑及移动通讯设备使用的微硬盘(MicroDrive)为1.8英寸[3]。

1.1.2 磁头

磁头使用电信号以磁通量形式将数据的二进制编码写于盘片上，并从盘片读取磁通量形式的存储单元并转换为电信号进行解读。磁头通常安装于悬臂末端，由于盘片两面都有磁介质镀层，因此每个盘片对应两个读写磁头。悬臂在音圈电机的带动下在盘片表面沿径向移动，使得每个磁头在对应表面的相对位置均一致。但是，同一时刻一般只有一个磁头在读取或写入数据。现在有些磁盘可在同一时刻用两个或两个以上的磁头同时读写数据，但是这一技术尚未获得广泛应用。

磁头的发展经历了五次大的飞跃:镍铁导磁合金头((permalloy head)，铁酸盐磁头(ferrite head), MIG磁头，超薄感应磁头(thin-film inductive head)和磁阻磁头(magnetoresistive head)。无论是什么材料的磁头，都是基于电磁感应原理进行读写的[4]。然而，感应磁头有一个致命的弱点，即只有在磁通量随(magnetic domain transition, MDT)改变时，磁头才会有响应。如果MDT信号不足，则相对适量的信噪比，有效的读取信号量将会过低。解决这一问题的手段，即为目前应用最为广泛的巨磁阻反向读取磁头，这类磁头响应于磁畴磁通量本身而不是MDT[6]。

1.1.3 滑座

硬盘驱动器的一个重要技术在于将读写磁头悬浮于一较薄的空气轴承上。磁头本身是固定在被称为滑座的机械构件之上,这是一个连接磁盘悬臂与磁头的装置。这一概念于1953年研究薄型磁鼓计算机时便开始研究。IBM将之用于1956年的RAMAC上。空气轴承的一个突出优点,就是保证磁头与盘片之间的最小距离。早期的空气轴承需要将空气通过磁头泵入，而将磁头推离盘片，这使得航高和磁头的尺寸都保持在一个较

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