磁盘驱动系统自适应控制设计

1、目录第1章 磁盘驱动器21.1磁盘驱动器工作原理21.2磁盘驱动器结构21.2.1盘片与磁介质21.2.2磁头21.2.3滑座21.2.4磁头驱动器21.2.5控制电路3第2章 磁盘电机自适应模型32.1磁盘电机的分类32.1.1硬盘32.1.2软驱32.2磁盘电机自适应模型的构建32.3控制器设计及稳定性判定4第3章 自适应仿真过程53.1simulink的构建53.2simulink运行结果63.2.1不同参数值下的结果63.2.2小结93.2.3搭建过程中的失误9第4章 PID控制简述与仿真104.1PID简述104.2磁盘系统的PID控制建模104.3PID的simulink仿真10第

2、5章 磁盘控制过程中的误差分析125.1外部干扰125.2内部干扰12参考文献15磁盘驱动系统控制第1章 磁盘驱动器1.1磁盘驱动器工作原理我们通常看到的PC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1。每一盘面都配有相应的读写磁头，多个磁头及其悬臂组合并固定在盘面中部的主轴上。硬盘工作时，盘片在电机驱动下作高速运转，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磁头，磁头会根据电磁感应原理读取或写入数据2。1.2磁盘驱动器结构1.2.1盘片与

3、磁介质这部分是磁盘的存储介质，是被驱动器操作的对象。1.2.2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。1.2.3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3。1.2.4磁头驱动器这里，该器件叫做磁头驱动器，而不是磁盘驱动器（磁盘驱动器包含了一个磁头驱动器）。磁头驱动器的功能是使悬臂在磁盘表面移动，从而带动磁头寻找目的磁道，即磁头定位。磁头驱动器的主要部件是驱动磁头运动的电机。1.2.5控制电路 硬盘密封着的内部的电路

4、部分较少，只有主轴电机和激励电机的电缆，以及连接读写磁头到控制电路的柔性电路板。硬盘外部的控制电路提供了硬盘和计算机之间的逻辑连接，它把计算机送来的寻道和读写指令传给驱动器，并且控制着数据的流动。结合1.1中对磁盘驱动器工作原理的论述和1.2中磁盘驱动器结构的描述，我们可以得出这样一个结论：控制磁盘驱动器就是控制磁头的运动，而磁头的运动由电机带动，因此，磁盘驱动器的控制问题即可转化为电机的控制问题。第2章 磁盘电机自适应模型2.1磁盘电机的分类2.1.1硬盘硬盘一般内部有两个电机：（1）主轴电机：一般为三相直流无刷电机（BLDC），工作电压12V，驱动采用无位置传感器方式，通过判断反电动势（B

5、ack-EMF）来换相；（2）磁头小车：一般老式硬盘（5寸）采用步进电机，新硬盘（3寸）都采用音圈电机（VCM），通过专门的音圈电机控制电路来控制。2.1.2软驱软驱一般内部有两个电机：（1）主轴电机：一般为三相直流无刷电机（BLDC），工作电压5V，通过位置传感器（霍尔传感器）判断换相点来换相；（1）磁头小车：一般采用两相步进电机，工作电压5V。2.2磁盘电机自适应模型的构建选取如下的步进电机模型4： （2-1）其中，J为系统的转动惯量；C 为系统的阻尼系数；K为系统的弹性系数；T(t)为步进电机提供的转矩。因为磁头是控制对象，而磁头收到电机的控制，电机受转矩驱动，所以这里我们规定：为控制变

6、量；令T(t)=u，从而通过调节电机转矩控制磁头的运动。2.3控制器设计及稳定性判定我们进行如下的推导：令： （2-2）为某一固定的转角的值。 （2-3）e为误差。由式(2-1)可得： (2-3)下面进行降阶操作： （2-4） （2-5） （2-6）其中： （2-7） （2-8）可以推导出控制器u的形式为： （2-9）其中，为K的估计值，为待估参数。根据李雅普诺夫稳定性定理，我们引入下面的李雅普诺夫函数： （2-10）其中，是K与的差值。令V>0，<0即可，在推导过程中得到如下的关系式： （2-11）通过式（2-11）我们可以对K值进行估计。至此，我们推出了如式（2-9）所示的控制

7、器，当满足式（2-11）时，系统可以保持稳定。第3章 自适应仿真过程3.1simulink的构建根据文献3的论述，我们得到了如下的等效参数：J=1，C=0.0286。这里的J和C为通过最小二乘法拟合出的参数，在我们搭建和调试simulink的过程中可以对其进行调整按照上面的推导我们进行如下图3-1的simulink搭建：图3-1 系统搭建参数对应情况如下：constant为常数项/J；gain为式（2-4）和式（2-5）中的；gain2对应于k0；gain3对应于C。因为上面叙述过J的等效参数为1，因此，在构建simulink的过程中不体现。3.2simulink运行结果3.2.1不同参数值下

8、的结果本文针对gain、constant和gain2的不同取值进行了仿真，得到的结果和结果如下：（1）constant恒定为0.1，gain=2，gain2=1时的跟踪图像如图3-2所示：图3-2 gain2=1时的跟踪图像误差e的图像如图3-3所示：图3-3 gain2=1时的误差图像（2）constant恒定为0.1，gain=2，gain2=5时的跟踪图像如下图3-4所示：图3-4 gain2=5时的跟踪图像误差e的图像如图3-5所示：图3-5 gain2=5时e的误差图像（3）constant恒定为0.1，gain=5，gain2=1时的跟踪图像如图3-6所示：图3-6 gain=5时

9、的跟踪图像误差e的图像如图3-7所示：图3-7 误差e的图像3.2.2小结根据上面的几幅图像，我们归纳了仿真结果和部分参数值变化规律：（1）该方法可以使得系统较好的跟踪（某一固定的转角的值），且误差区域0，系统可以达到稳定；（2）参数K得到了较好的估计；（3）constant影响不大，由0.1到1图形没有明显变化（仿真图像已省略）；（4）gain3是C，影响不大，c从0.026变化到2.6结果的图像没有明显变化（仿真图像已省略）；（5）由3.3.1节中（1）方案和（2）方案对比可以看出：gain2对系统的影响大，gain2的值越大调整时间越长；（6）3.3.1节中（1）方案和（3）方案对比可以

10、看出：gain值对系统影响较大，gain过大时导致系统的调整时间非常明显的延长，另外，在调试过程中发现，gain值在1-2之间取值时对系统影响不大。3.2.3搭建过程中的失误由于对simulink的使用不十分熟练，导致有以下失误：（1）布局不合理，对于其他人来说，没有推导过程很不容易看懂；（2）走线较为混乱；（3）存在忘记接线的情况，该情况还是由于上述的（1）和（2）两个问题引起的。第4章 PID控制简述与仿真4.1PID简述PID控制器的使用已经有近百年的历史，PID控制器由比例单元P、积分单元I和微分单元D组成。PID简单易懂，建模简单，不需要精确的控制模型，而且有较为成熟的应用实例。虽然

11、很多实际应用是时变、非线性的，但是通过系统简化可以化为基本线性和动态特性非时变的系统，这样系统同样适用于PID控制。4.2磁盘系统的PID控制建模采取如下的电机传递函数模型： （4-1）参数意义和经验取值如下：Km：电动机转矩系数，5N*m/A；J，手臂与磁头的转动惯量，lN*rn*s/rad； F，电动机轴的粘性摩擦系数20N*m*s/rad；R，电枢内部的总电阻，1；L，电枢内部电感，ImH。代入参数后传函表示为： （4-2）4.3PID的simulink仿真根据式（4-2）搭建PID的仿真图形如下图4-1所示：图4-1 PID的simulink仿真图各个参数值如下：gain为微分项参数，

12、gain=8；gain1为积分项参数，gain1=2；gain2为比例项参数，gain2=180，这里比例项参数越大系统稳定时间越短，但是稳定性会比较差。仿真结果如下图4-2所示：图4-2 PID仿真结果仿真结果误差如下图4-3所示：图4-3 误差图图中我们可以看出，利用PID控制器也可以得到很好的控制效果。与前面的自适应控制方法对比，这里的PID稳定时间更短。出现这种情况原因分析：（1）自适应参数选取不合理；（2）自适应的参数模型不合理；（3）自适应的公式推导过程中没有选择合适的估计方法和近似方式。第5章 磁盘控制过程中的误差分析影响磁盘控制的误差因素主要分为外部干扰、内部干扰两类。5.1外

13、部干扰外部干扰通常是由外部的撞击或振动引起的，如笔记本电脑在移动的车厢内使用时受到振动干扰；电脑放在桌上，桌子被行走的人踢到引起振动；键盘输入时，手敲击键盘引起的撞击和振动。5.2内部干扰内部干扰是由主轴的旋转以及驱动器相对于磁盘支撑板或外壳的反作用力所产生的。我在这里把通常所谓的噪声也归为内部干扰，因为其噪声源通常存在于磁盘内部。所谓噪声的产生主要是因为盘片与驱动器上气流的影响5。位于盘片和磁头之间的空气轴承导致了气流对于伺服机构的影响。盘片的直径、磁头的位置及空气动力学特性、封闭硬盘内部空间布局、盘片表面光洁度以及封闭盒内的气压大小都影响了磁盘运转时磁盘内部的气流特性，因此，也就影响了噪声的特性。参考文献1时靖,马柳. 磁盘驱动读写系统的PID控制器设计J. 办公自动化,2012,12:16-17+19.2苏子漪. 基于滑模变结构控制的硬盘磁头伺服控制技术研究