磁盘驱动读取系统.doc

磁盘驱动读取系统
这个设计实例将在本教材的各章中循序渐进的加以讨论。按照图1所示的设计流程,各章都将讨论该章所能完成的设计步骤。例如在第一章中,我们将完成设计步骤1、2、3、4,即:(1)确立控制目标,(2)确定控制变量,(3)初步确定各变量的初始设计指标,(4)初步确定系统结构。
图1控制系统设计过程
磁盘可以方便有效的储存信息。磁盘驱动器则广泛用于从便携式计算机到大型计算机等各类计算机中。考察图2所示的磁盘驱动器结构示意图可以发现,磁盘驱动器读取装置的目标是要将磁头准确定位,以便正确读取磁盘磁道上的信息(第一步)。要精确控制的变量是磁头(安装在一个滑动簧片上)的位置(第2步)。磁盘旋转速度在1800转/分和7200转/分之间,磁头在磁盘上方不到100nm的地方“飞行”,位置精度指标初步定为(第3步);如有可能,我们还要进一步做到使磁头由磁道a移动到磁道b的时间小于50ms。至此,我们可以给出图3所示的初步的系统结构,该闭环系统利用电机驱动磁头臂到达预期的位置。
图2 磁盘驱动器结构示意图
图3 磁盘驱动器磁头的闭环控制系统
在上述内容中,我们指出了磁盘驱动系统的基本设计目标:尽可能将磁头准确定位在指定的磁道上,并且使磁头从1个磁道转移到另一个磁道所花的时间不超过10ms。现在,我们将完成设计流程(图1)的第4、5步。首先应选定执行机构、传感器和控制器(第4步),然后建立控制对象和传感器等元部件的模型。磁盘驱动读取系统采用永磁直流电机驱动读取手臂的转动(见图2)。磁头安装在一个与手臂相连的簧片上,它读取磁盘上各点处不同的磁通量并将信号提供给放大器,簧片(弹性金属制成)保证磁头以小于100nm的间隙悬浮于磁盘之上(见图4)。图5a中的偏差信号是在磁头读取磁盘上预先录制的索引磁道时产生的。如图5b所示,我们假定磁头足够精确,传感器环节的传递函数为;作为足够精确的近似,我们用图6给出的电枢控制直流电机模型()来对永磁直流电机建模;此外,图中也给出了线性放大器的模型;而且我们还假定簧片是完全刚性的,不会出现明显的弯曲。
图4 磁头安装结构图
图6 电枢控制直流电机框图
图5 磁盘驱动读取系统系统框图模型
表1 磁盘驱动读取系统典型参数
参数
符号
典型值
手臂与磁头的转动惯量
1N·m·s2/rad
摩擦系数
放大器系数
电枢电阻
电机系数
5N·m/A
电枢电感
1mH
表1给出了磁盘驱动读取系统的典型参数,于是我们有:
还可以改写为:
其中,。由于,因此常被略去不计,因此有:,或
该闭环系统的框图模型见图7。利用框图变换化简规则,我们有
利用的2阶近似表示,可以有,当时,最后可得:
图7 闭环系统的框图模型
使用MATLAB的函数step,可以得到时如图8所示的系统阶跃响应。
图8 时,图7所示系统的时间响应
设计磁盘驱动器系统可以联系如何进行折中和优化。磁盘驱动器必须保证磁头的精确位置,并减小参数变化和外部振动对磁头定位造成的影响。机械臂和支撑簧片将在外部振动(如对笔记本电脑的振动)的频率点上产生共振。对驱动器产生的干扰包括物理振动、磁盘转轴轴承的磨损和摆动,以及元器件老化引起的参数变化等。本节将讨论磁盘驱动器对干扰和参数变化的响应特性,讨论调整放大器增益时,系统对阶跃指令的瞬态响应和稳态误差。本节内容对应于图1所示设计流程的第6步和第7步。
考虑图9所示的系统,该闭环系统将可调增益放大器用作控制器。根据表1给定的参数,可得到图10所示的传递函数。
图9 磁盘驱动器磁头控制系统
图10 具有表1所示典型参数的磁盘驱动器磁头控制系统
首先我们确定当输入为单位阶跃信号,干扰为时,系统内部的稳态误差。当时,我们有:,于是。即系统对单位阶跃输入的稳态跟踪误差为零,这个结论不会随着系统参数的改变而改变。
MATLAB文本1:
Ka=10;%选择Ka
nf=[5000];df=[1 1000];ng=[1];dg=[1 20 0];
[num,den]=series(Ka*nf,df,ng,dg);
[n,d]=cloop(num,den);
t=[0::2];
y=step(n,d,t);
plot(t,y),grid;
ylabel('y(t)'),xlabel('Time(sec)')
(a) Ka=10时的阶跃响应曲线
(b) Ka=80时的阶跃响应曲线
图11 闭环系统
现在我们来研究调整时系统的瞬态响应特性。时的闭环传递函数为:
应用MATLAB文本1,可得到和时系统的响应如图11(a)和图11(b)所示。可以看出,当时系统对输入指令的响应速度明显加快,但响应却出现了振荡。
接下来研究干扰对系统的影响[令]。我们希望将干