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磁盘控制新版系统.doc
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1、要求和目标磁盘驱动器作为一个存放数据信息设备,在现在计算机系统中起着不可替换作用。现在,磁盘技术发展日趋成熟,而其中又以读写磁头定位控制为关键技术。磁盘驱动器读写系统原理图1所表示。图1 磁盘驱动器读写系统原理图经过查找相关资料可知:磁头定位过程关键是由磁盘中音圈电机(VCM)来完成。它接收主机发出读写数据命令,快速将磁头从目前磁道移动到数据所在目标磁道上。具体过程以下:首先音圈电机分析目标磁道和目前磁道距离,关键是依据磁道号和磁道宽来确定。磁道号经过读取刻录在磁盘上伺服信息中磁道号取得然后决定是向内径还是外径移动,这个过程称为寻道。当抵达目标磁道后,磁头再紧紧跟随目标磁道,跟随过程经过读取刻
2、录在磁盘上伺服信息中位置误差信号来实现。伺服控制机构经过获取磁头相对于目前磁道位置信息,立即调整磁头位置,使磁头一直能够正确定位在磁道中心位置,并能够有效克服噪音干扰和机械扰动造成磁头偏离目前磁道问题,这个过程称为跟随。这两个过程全部是由音圈电机带动滑块来完成。经过以上分析我们知道,音圈电机(VCM)运行性能是决定磁头正确定位关键。在实际中,因为干扰原因,音圈电机并不能运行在理想状态,而是会出现振荡或不稳定情况,这么不仅不利于磁头正确定位,还有可能损坏整个磁盘。所以需要设计控制器来改善其动态性能,本设计关键讨论PID控制方法来设计硬盘驱动器控制器。图2所表示,磁盘驱动器由磁头驱动机构(包含音圈
3、电机、悬架、磁头、轴承),硬盘碟片和主轴组成。磁盘驱动器读取系统设计目标是将磁头正确定位,方便正确读取磁盘上磁道信息,所以需要进行正确控制变量是安装在滑动簧片上磁头位置。磁头位置精度要求为1m,且磁头由磁道a移动到磁道b时间小于50ms。 图2 磁盘驱动器结构示意图 方案概述图3给出了该系统初步方案,其闭环系统利用电机驱动磁头臂达成预期位置。图中偏差信号是在磁头读取磁盘上预先录制索引磁道时产生。 图3 磁盘驱动读写系统初步方案 假定磁头足够正确,取传感器步骤传输函数,同时采取电枢控制直流电机模型来建模,图4所表示。图4 建模框图电机具体建模过程以下:电枢控制直流电机模型以下图5所表示,电枢被模
4、拟为一个线性电阻和电枢绕组电感相串联,而电压源表示电枢中产生电压。磁激用绕组用线性电阻和线性电感表示,表示气隙磁通(以下我们均不考虑摩擦,风损和铁损,负载转矩带来损耗等)。 图5 直流电机模型图电流电动机电压平衡方程式为:依据法拉第电磁感应定律,在恒定磁场中转动导电元件产生感应电压为: 式中线圈磁链在旋转直流电机中,转子上每一个闭合导体通路中全部有(2-2)给出电压。已知正比于气隙磁通和角速度,即所以电枢感应电压为:假定激磁不变并忽略电枢电压和其它次要原因引发激磁磁通改变,则激磁磁通为定值,式(2-4)可改写为(2-5)其中直流电动机电压系数在转子载流导体上作用垂直于磁通方向力,电流大小和磁感
5、应强度及导体长度成正比,在磁场中每一根导体全部对总协力提供一个分量。因为转子结构决定了力矢量作用于转子半径力臂上,所以形成电磁转矩。由假定激磁磁通保持常数,所以电磁转矩和电枢电流成正比,即 (2-6) 式中 直流电动机转矩系数转子中产生机械功率为: (2-7)产生功率本该一部分消耗于电动机中转子风阻,机械摩擦和转子铁芯中磁滞和涡流损耗,另一部分储存于转子功效,所以不过此处我们不考虑损耗,所以 依据速度和位移关系,我们能够得出式中:摩擦损耗所需转矩,包含摩擦,风损和铁损负载转矩粘滞阻尼分量粘滞摩擦系数 转子转动惯量公式(2-1),(2-5),(2-6),(2-8)组成模拟直流电动机基础方程组,从
6、其中能够求出直流电动机在不一样工作方法下传输函数。对基础方程组进行拉普拉斯变换后可得到: (2-9) 上述基础方程组方块图以下图所表示:所以依据上图,我们得到音圈电机传输函数模型为: 代入参数,得到电机传函化简得,其中, (忽略)所以,该系统音圈电机传函为,为二阶系统。仿真设计一、 模拟PID控制我们知道,一个好控制系统,应该含有快速动态响应,而且含有最小超调量。最小节拍响应是指以最小超调量快速达成并保持在稳态响应许可波动范围内时间响应。所以,为了满足设计要求,能够尝试设计最小节拍控制系统,来达成最优设计目标。当忽略电机磁场影响时,含有PD控制器磁盘驱动系统图6所表示。(在PID控制器选择过程
7、中,因为音圈电机传函模型中已经有了一个积分步骤,所以PID控制器只需要PD控制就能达成目标,积分步骤基础上没什么影响)图6 加前置滤波器PD控制框图为了消除PD控制形成零点因式对闭环动态性能不利影响,系统配置了前置滤波器。当不考虑时,系统开环传输函数为 对应闭环传输函数为 由表1可知,二阶最小节拍响应系统标准化闭环传输函数为表1 最小节拍系统标准化传输函数经典系数和响应性能指标系统阶数闭环传输函数系数超调量调整时间21.820.10%4.8231.902.201.65%4.0442.203.502.800.89%4.8152.704.905.403.401.29%5.4363.156.508.
8、707.554.051.63%6.04表中标准化调整时间应为 依据设计指标要求,应有,于是可取,其对应调整时间能够满足设计要求。这么,二阶最小节拍系统标准化闭环传输函数为 令实际闭环传输函数和标准化闭环传输函数分母相等,有 , 解得,。于是,所需PD控制器为 为了消除PD控制器新增闭环零点不利影响,将前置滤波器取为 系统仿真框图为然后,对所设计系统进行仿真测试。无前置滤波器时单位阶跃输入响应,图所表示,仿真表明,闭环零点能够提升系统上升时间,但恶化了系统超调量; 系统无前置滤波器程序:K1=3380;K3=43.32;Gc=tf(K3,K1,1);G1=tf(5,1,20,0);G2=seri
9、es(Gc,G1);G=feedback(G2,1);figure(1);step(G)grides=1-y;ess=es(length(es)ess = -0.0017无滤波器仿真图形:超调量为11.2%,不满足要求;调整时间为39.3ms,误差精度0.17%而加上前置滤波器时,系统单位阶跃时间响应,图所表示,其动态性能大为改善,超调量,调整时间,从而满足设计指标要求。程序:K1=3380;K3=43.32;Gc=tf(K3,K1,1);G1=tf(5,1,20,0);Gp=tf(78.024,1,78.024);G2=series(Gc,G1);G3=feedback(G2,1);G=se
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