硬盤驅(qū)動(dòng)器的三級(jí)伺服控制與主動(dòng)振動(dòng)抑制.pdf

1、隨著近年來磁記錄技術(shù)的突破以及硬盤驅(qū)動(dòng)器(HDD)中數(shù)據(jù)空間密度需求的不斷增加，需要更高精度的伺服硬件和軟件來實(shí)現(xiàn)讀/寫頭的超高精度定位。近年來，有學(xué)者提出了三級(jí)作動(dòng)系統(tǒng)來改善伺服性能。三級(jí)作動(dòng)系統(tǒng)由于多了一個(gè)在高頻段具有較好特性的作動(dòng)器，為伺服帶寬提高和伺服系統(tǒng)高頻擾動(dòng)抑制提供了新的途徑。同時(shí)，由于第三級(jí)作動(dòng)器行程有限，能提供的控制輸入也有限制，又給控制器設(shè)計(jì)帶來巨大挑戰(zhàn)。本文從伯德積分定理、穩(wěn)定性、魯棒性等方面出發(fā)，研究了HDD三級(jí)

2、伺服系統(tǒng)的磁道保持控制性能、基本的磁道保持控制器設(shè)計(jì)方法以及振動(dòng)控制的新策略問題等，為三級(jí)伺服系統(tǒng)的應(yīng)用提供理論依據(jù)，具有重要的學(xué)術(shù)價(jià)值和工程意義。
　　本文首先分析了三級(jí)作動(dòng)系統(tǒng)能夠提高閉環(huán)系統(tǒng)性能的原理，給出了方差約束下三種作動(dòng)配置的性能對(duì)比。介紹了伯德積分定理，利用該定理分析了三級(jí)作動(dòng)配置的HDD能夠提高閉環(huán)系統(tǒng)性能的基本原理。研究了在控制輸入和作動(dòng)器行程的方差約束下，最小化系統(tǒng)輸出方差的優(yōu)化問題。分別估計(jì)了不同配置下的性能

3、并進(jìn)行對(duì)比，仿真結(jié)果表明，三級(jí)作動(dòng)配置比雙級(jí)作動(dòng)配置理論上能夠獲得更高的帶寬和更小的位置誤差信號(hào)(PES)。
　　進(jìn)一步，本文研究了三級(jí)作動(dòng)配置中為實(shí)現(xiàn)最小PES的魯棒控制設(shè)計(jì)方法，分別給出了三級(jí)作動(dòng)系統(tǒng)磁道保持控制的靈敏度解耦設(shè)計(jì)和μ-綜合設(shè)計(jì)。首先，根據(jù)對(duì)三個(gè)作動(dòng)器不確定性分析，確定三級(jí)作動(dòng)系統(tǒng)靈敏度解耦設(shè)計(jì)的唯一性，使用簡(jiǎn)單的回路成形方法，進(jìn)行仿真驗(yàn)證，對(duì)比所得到的低頻擾動(dòng)抑制和伺服帶寬提升。然后基于μ-綜合設(shè)計(jì)方法，提出了

4、系統(tǒng)的控制器整定方法，并應(yīng)用于三級(jí)作動(dòng)系統(tǒng)的伺服磁道跟蹤設(shè)計(jì)。
　　針對(duì)HDD中存在的非周期性振動(dòng)，本文提出了抑制振動(dòng)的快速收斂算法。給出了利用實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)導(dǎo)出振動(dòng)抑制問題的維納解。提出并分析了兩種快速收斂的前饋控制算法，用來解決濾波器的輸入高度相關(guān)時(shí)濾波-x最小均方(Fx-LMS)算法收斂速率較慢的問題。分析結(jié)果表明，本文提出的正交化-x算法相對(duì)于Fx-LMS算法總可以改進(jìn)收斂速率，而正交化-a算法只能在滿足一定條件時(shí)才能優(yōu)于F

5、x-LMS。
　　針對(duì)寬頻擾動(dòng)，本文給出了利用第三級(jí)作動(dòng)器抑制高頻振動(dòng)的頻率分割解決方案。提出了一種可以同時(shí)辨識(shí)系統(tǒng)和補(bǔ)償外部振動(dòng)的基于頻域分割的自適應(yīng)前饋控制算法。該算法從第一個(gè)區(qū)域開始，同時(shí)辨識(shí)前饋控制器參數(shù)和對(duì)象的低階模型參數(shù)，參數(shù)收斂后保持不變，然后移動(dòng)到下一區(qū)域直至所有區(qū)域的控制器參數(shù)和對(duì)象模型參數(shù)都得到辨識(shí)。仿真結(jié)果驗(yàn)證了所提算法的有效性。
　　針對(duì)硬盤驅(qū)動(dòng)器中存在的周期性振動(dòng)，本文提出了一種基于自抗擾控制(AD

6、RC)和擾動(dòng)估計(jì)的振動(dòng)抑制算法。當(dāng)擾動(dòng)頻率已知時(shí)，帶有多一階的擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器的基本ADRC算法不能利用頻率信息達(dá)到完美補(bǔ)償。本文提出了一種基于內(nèi)模的ADRC方法，該方法可以利用已知的頻率，在簡(jiǎn)單的假設(shè)下實(shí)現(xiàn)對(duì)干擾的完美估計(jì)。首先給出了簡(jiǎn)單的積分串聯(lián)型系統(tǒng)的算法與證明，再推廣到更為一般的單輸入單輸出系統(tǒng)。所提出的方法的有效性通過仿真和與基本的自抗擾控制算法的比較來驗(yàn)證，也對(duì)硬盤中存在的周期性擾動(dòng)進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。
　　本文給出了HDD

7、三級(jí)作動(dòng)系統(tǒng)周期性振動(dòng)直接自適應(yīng)算法的詳細(xì)分析和仿真。為了避免矩陣求逆，降低計(jì)算復(fù)雜度，本文給出了直接自適應(yīng)前饋控制的一種改進(jìn)算法。對(duì)于數(shù)字實(shí)現(xiàn)時(shí)已知頻率的正余弦表的周期性進(jìn)行了分析。對(duì)HDD單/雙/三級(jí)作動(dòng)配置下的振動(dòng)抑制進(jìn)行了仿真和對(duì)比，一方面驗(yàn)證了所提算法的有效性，另一方面驗(yàn)證了三級(jí)作動(dòng)配置的優(yōu)越性。
　　本文對(duì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)、擴(kuò)展和測(cè)試，給出了HDD雙級(jí)作動(dòng)系統(tǒng)多個(gè)測(cè)量性實(shí)驗(yàn)以及周期性/非周期性振動(dòng)補(bǔ)償?shù)膶?shí)現(xiàn)技術(shù)和結(jié)果。