基于閉環超前校正的硬盤磁頭位置控制器設計

余亮 李超

摘 要：計算機硬盤是計算機系統中重要的硬件組成部分。而硬盤讀寫磁頭的位置控制對于數據讀寫的速度與精度至關重要。因此，本文提出了一種閉環超前校正的計算機磁盤讀寫磁頭位置控制器，通過對其進行仿真分析可知，系統不僅具有較高的定位速度與精度，而且還提高了系統的穩定性。

關鍵詞：閉環控制；超前校正；讀寫磁頭；位置控制器

0 引言

計算機系統的硬件組成部分主要包括中央處理器、存儲器和輸入輸出設備組成。而其中的存儲器主要由內存和外存組成。內存一般由讀寫速度快的半導體存儲器構成，CPU能對其直接訪問；外存是輔存的最主要的表現形式，外存一般由讀寫速度慢的磁表面存儲器構成，因而也簡稱為磁盤。磁盤的存儲原理是由于磁性材料的磁滯曲線效應，使得磁盤具有兩個穩定的剩磁狀態，正好能存儲計算機中的二進制代碼1和0。而磁盤的讀寫原理是利用一種稱為“磁頭”的裝置沿磁盤的徑向運動來形成和判別磁層中的不同磁化狀態，從而來寫入或讀出相應的二進制數據。而這其中讀寫磁頭位置控制的好壞會直接影響從磁盤中讀出的數據的準確性，因此，本文設計了一種基于閉環超前校正的磁盤磁頭位置控制器，通過仿真分析，可以驗證該種控制器不僅能確保系統穩定，使得系統穩定裕度有所增加，而且有較高的位置定位精度，使得讀寫數據更加準確。

1 磁盤讀寫磁頭的數學模型

磁盤的結構如圖1所示，其中根據牛頓定律，忽略一些次要因素和條件，我們可以方便的得到讀寫磁頭的微分方程：

式中，θ（t）為磁頭角位移；i（t）為輸入電流；J為裝置的轉動慣量；C為粘滯阻尼系數；K為彈性系數；Ki為單組力矩常數。

對式（1）進行拉普拉斯變換，可以得到系統的傳遞函數為：

（2）

2 閉環超前校正控制系統設計與仿真分析

通過對磁頭位置控制器傳遞函數分析，設計了閉環超前校正控制系統如圖2所示。

設J=0.01kg·m2，C=0.004N·m，K=10N·m/rad，Ki=0.05N·m/rad，Kf=4110，通過對閉環超前校正控制系統運行，可以得到該系統的單位階躍響應曲線如圖3所示，可以明顯看出系統很穩定，其調節時間小于0.06s，即閉環超前校正磁盤驅動器系統的尋道時間小于0.07s。從目前磁盤的產品標準而言，對于一個非常小的阻尼系統開始來說，其性能能較好的達到市場需要。同時還對系統的穩定裕度進行了分析，得到了圖4所示，可以看出該種方法不僅能提高系統的定位速度和精度，還能進一步提高系統的穩定性。

參考文獻

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