磁盘驱动器的读取系统

磁盘驱动器必须能够保证磁头的精确位置，并尽可能减小参数变化和外部振动对磁头定位造成的影响。磁盘驱动器可能受到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。磁盘驱动系统在考虑扰动作用时的结构图如图3.11.1所示。根据表2.11.1给定的参数，图3.11.1可表示为如图3.11.2所示。我们的设计目标是使系统对阶跃输入r（t）有最快的响应，同时①使系统的超调量小于5%；②减小干扰对磁头输出位置的影响，对单位阶跃干扰的最大响应值小于5×10-3；③调节时间小于250 ms（Δ=2%）。

图3.11.1　磁盘驱动器读取控制系统

图3.11.2　具有典型参数的磁盘驱动器读取控制系统

【解】忽略直流电机线圈感应的影响，可得到如图3.11.3所示的磁头闭环控制系统。

图3.11.3　磁盘驱动器读取控制系统（二阶模型）

当D（s）=0，R（s）=时，系统的输出为

系统在Ka=30和Ka=60时的单位阶跃响应如图3.11.4所示。由图可见，当Ka=60时，系统对输入指令的响应速度明显加快，但响应出现了振荡。

图3.11.4　磁头控制系统的单位阶跃响应

系统在Ka=30和Ka=60时的单位阶跃扰动响应，如图3.11.5所示。

表3.11.1则给出了Ka取不同值时系统性能指标的计算结果。从表3.11.1中可以看出，当Ka从30增加到60时，干扰作用的影响已减小了近一半，但系统的超调量也随之增大。显然，要想达到设计目的，就必须选择一个合适的增益。这里折中选取了Ka=40，但它并不能满足所有的性能指标。

表3.11.1　磁头控制系统的单位阶跃响应

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图3.11.5　磁头控制系统对单位阶跃扰动的响应

为了使磁头控制系统的性能满足设计要求，我们在系统中增加了速度传感器，其结构图如图3.11.6所示。

图3.11.6　带速度反馈的磁盘驱动器磁头闭环控制系统

首先讨论速度传感器回路断开的情况，这时系统的闭环传递函数为

当Ka=4 080时，b1=0，出现了临界稳定的情况。借助辅助方程，即

可知系统在虚轴上的根为s=±j141.4。为了保证系统的稳定性，应该要求0＜Ka＜4 800。

现在将图3.11.6中的开关闭合，相当于加入了速度反馈，如图3.11.7所示。

图3.11.7　当速度反馈开关合上时的等价系统

此时，系统的闭环传递函数为

为保证系统的稳定性，在Ka＞0的条件下，参数Ka、K1应使得b1＞0。

当K1=0.05，Ka=100时，系统单位阶跃响应的调节时间（Δ=2%）近似为262 ms，超调量为零，对单位阶跃扰动的最大响应为-2×10-3。

可见，以上设计近似满足性能指标要求。如果需要严格满足调节时间不大于250 ms的指标要求，则应重新考虑K1的取值。