文摘
本文研究了头磁盘接口的不稳定造成的音圈电机(VCM)最终崩溃事故停止在磁头的寻求。明确的整个过程,一个基于最大似然估计的原位测量方法和扩展卡尔曼滤波器组件级别的开发寻求速度第一,然后由高速摄像机校准。鉴于VCM结束之间的崩溃和紧急停车,可能是一个连续的结果增加寻求速度,寻求速度被小心控制的使用我们开发的方法来找到一个临界值,可能引发激烈的头磁盘接口不稳定。声发射传感器和激光多普勒振动计被用来捕获瞬态动态行为的磁头当崩溃发生。损伤分析和模式识别进行了揭示在磁盘表面破坏模式之间的关系和动态。这项研究的结果有助于优化跟踪寻找配置文件在硬盘操作,以及设计的组件(如头部和手臂。
1。介绍
面密度的硬盘驱动器(HDD)预计将达到multiseveral结核病/2在未来几年1,2]。在如此高的密度、数据传输需要进一步加快由于竞争的压力的固态硬盘(SSD)和用户的要求。旋转驱动器的访问时间和响应时间,开车前的时间硬盘组件的响应数据传输主要是与旋转磁盘和移动的机械性质。然而,由于机械部件的局限性在hdd,低速运动已成为主要障碍之一为进一步提高数据传输的速度(3,4]。跟踪后,寻求是一个关键步骤的循环数据传输在hdd,从而增加在hdd寻求速度提高了作为一个关键任务。
一般,寻求实现通过输入一个数字电流到音圈电机(VCM)驱动头臂组装移动。提供一个特定的速度,一个可用的方法是添加一个恒流VCM规定的时间。然而,这种方法可能不会实现精确的速度控制由于干扰,如主轴承的摩擦和阻力flex的数据电缆(5,6]。另一种方法利用回电动势(EMF)提出了创建一个负加速度为了VCM生产速度在目前广泛采用hdd [7- - - - - -9]。这种方法的机理是,反电动势代表VCM的速度将电源切断时生成。寻求速度可以达到调整电动势。
为安全考虑,两个事故停止旨在限制VCM防止头部的旋转移动的磁盘或寻求[打轴在头10]。无论哪一个方式用于VCM控制,寻求速度过高时,它有一个风险,年底VCM可能事故紧急停车。这样的崩溃可能导致硬盘不稳定等头戴上和头部/磁盘损坏。虽然这个话题是至关重要的,很少有报告文学。因此有必要更好地了解整个过程,特别是在组件级别,这通常是紧随其后的是系统集成,因此是高度相关的组件设计和最终产品的收益率。
鉴于以上考虑,本文研究了人类发展指数的不稳定性造成的VCM坠毁事故停止寻求主管在组件级别。调查的影响,寻求头磁盘接口的速度在抗冲击性能,最大似然估计(企业)和扩展卡尔曼滤波器(EKF), MLE-EKF,方法估计和控制速度灵活。EKF方法改进的卡尔曼滤波方法不能处理非线性问题(11,12]。然后,不同的速度被小心控制找到一个临界值可能诱发人类发展指数不稳定。声发射(AE)传感器和激光多普勒振动计(LDV)被用来捕获瞬态头当事故发生时的动态行为。损伤分析和模式识别进行了揭示在磁盘表面破坏模式之间的关系和动态。
2。设计和校准的速度
2.1。数学模型
在实施实验之前,头的寻求速度应控制和校准。为此,动力测试仪是用于实现寻求测试。头寻求控制方法的基于EMF的控制技术应用后所生成的EMF线圈在磁场中运动驱动VCM移动。一个简化的电子电路如图1,电动力学的VCM可以被描述为13] 在哪里线圈的电感,线圈的电阻,外加电压,是线圈的感应电动势在由于永磁体。根据楞次定律,VCM的运行产生一个反电动势与转动速度成正比。因此,EMF可以计算,是后面EMF常数。
根据VCM的机械动态模型,目前可以转移到旋转速度(14,15] 在哪里转矩常数,线圈电流,是头的惯性的手臂,轴承摩擦所产生的扭矩力,flex的刚度是电缆,是位移,是角速度。的值和在这个实验中使用0.026 Nm / A和0.1309×10−5kgm2,分别。通过集成手臂的旋转速度可以获得。考虑到手臂的长度,寻求速度可以计算。因此有必要了解当前和估计的关键参数包括实现,,在识别之前寻求速度。
可编程电源是用于控制当前的VCM寻求速度的控制。图2显示了设计的VCM电流波形和测量电流分布的示波器。测量电流分布由三个阶段组成。第一阶段提供了权力VCM脱离门闩。第二阶段生成的追求速度。第三阶段是由EMF。可以观察到第三阶段,突然下降发生在0.018 s,这意味着发生了车祸。节中给出了更详细的解释3。当前关闭时,转速的VCM可以直接由EMF回来。使用这个属性,未知参数和可以相应的估计。
2.2。参数估计
估计的参数(2),有必要重新考虑VCM的机制。当VCM电流切断,(2)成为 假设flex电缆的位移与时间呈线性关系
通过集成VCM的角速率可以通过计算
由于干扰,测量总是有测量误差。测量误差可以被视为一个独立同分布正常随机变量。考虑到测量误差角速度可以写成
接下来的角速度。估计的参数,,最大似然估计方法,然后转向角速率的对数似然函数:
通过最大化对数似函数参数,,可以获得。
三个VCM电流波形被用来构建似然函数,如图3。通过最大化对数似函数(8),估计参数,,。寻求速度可以通过集成计算(当VCM电流提供)或通过(VCM)电流被切断了。
2.3。实时速度估计
我们对待这些估计的参数作为初始参数卡尔曼滤波器;一个实时VCM速度可通过卡尔曼滤波器的预测和更新步骤。我们假设卡尔曼滤波器的状态。根据机械VCM的动态模型,卡尔曼滤波器的状态和测量函数可以表示如下。
状态模型 在哪里,,,。
测量模型 在哪里。
基于这个状态函数,可以使用一阶卡尔曼滤波器平滑原始数据。一阶卡尔曼滤波器的步骤如下(12]。
预测 在哪里定义是。
更新 在哪里定义是。
为了说明该方法的有效性,EMF诱导速度由EKF估计。如图4,估计速度的测量速度的最大相对误差为8%。这表明,我们提出的速度估计方法是有效的估计速度。
2.4。速度由高速摄像机标定
来验证上述计算寻求速度,高速相机带着头臂的快照使用4500帧每秒的速度。头臂模式在任何位置,如图5不断被相机。
使用国家仪器图像识别软件测量角位移部门主管特色模式的一个小的时间间隔在寻找过程中,速度可以计算。
我们的估计速度之间的相关性和相机的测量速度,正如图所示6。从这个图中,观察之间存在良好的相关性估计和测量结果大约是0.95。这意味着寻求速度可以量化的估计速度。
3所示。撞特性的实验装置
基于反电动势控制技术,寻求开发的组件级评价体系。实验配置的示意图如图7。一个声发射传感器安装在顶部的头臂监控手臂动力学。激光多普勒振动计(LDV)是用于检测头磁盘接触和监控瞬态动力学当崩溃发生。在这个实验中,一个典型的Pemto滑块(1.235×0.7×0.23毫米3)由2 nm类金刚石碳(DLC)薄膜进行了测试。名义飞行10 nm的态度。测试是一个碳涂层3.5英寸磁盘盘片转速为5400 rpm。收集信号的示波器和频谱分析仪。磁盘损坏是由光学表面分析仪检查(阻塞性睡眠呼吸暂停综合症)。
图8显示了信号监控整个寻求过程中从内径(ID)外径(OD)然后ID。从这个图观察,在第三阶段的VCM目前的经验,后发生的剧烈振动最大反电动势是生成的。这剧烈的振动表明事故发生。由于金融危机,寻求速度有很大的损失,导致突然下降的电动势。通过计算头部移动的位移,这种剧烈的振动可以确定为之间的崩溃点VCM和OD紧急停车。一个很小的反应是观察到ID紧急停车,表明寻求速度有重大损失后坠毁在OD紧急停车。
4所示。寻求在硬盘速度不稳定的影响
4.1。追求速度和碰撞能量
VCM结束,紧急停车之间的崩溃可能产生剧烈的振动头和胳膊,进一步导致硬盘不稳定等头戴上和头部/磁盘损坏这取决于碰撞能量。寻求速度碰撞能量的主要原因。显示速度和碰撞能量之间的关系,碰撞能量以AE信号在不同寻求速度了,正如图所示9。它可以观察到,增加的速度崩溃期间,账簿上振动迅速增加。
描述碰撞能量,根的意思是广场(RMS) AE信号的计算在不同撞击速度。一个明确的增加可以观察到胎面图10。从大约160 ips,能量已经开始大幅上升,这表明,这个临界值后硬盘驱动器可能会变得不稳定。进一步提高速度可能导致头/磁盘损坏。
4.2。头动力学
监控头瞬态动力学当崩溃发生,LDV的激光点的位置固定在OD紧急停车时捕获后缘头的振动中心负责人通过OD的位置。在实验过程中,激光将扫描头的后缘头的时候过去了。图11显示了激光扫描区域的头的时候头通过OD。
频谱分析仪是用于获取和分析激光信号的截止频率10 kHz - 200千赫。进行了三种不同的崩溃速度为了揭示头动力学和速度之间的关系,如图12。从这个图中,观察到当崩溃速度达到162 ips,一个大的头振动发生,在66 ips和106 ips,几乎没有明显的反应。这表明,162 ips,空气轴承可能崩溃,导致人类发展指数不稳定。的频谱响应主管162 ips显示,占主导地位的模式在29 kHz和63千赫。这两个模式的反应在162 ips大约10倍的其他两个速度。
露出头的动态特性在崩溃,整个头臂的有限元模型建立了识别模式两种模式的形状。空气轴承是由四个弹簧的刚度建模确定了参数识别代码(16]。有限元模型和约束如图13。模态和谐波分析进行了使用有限元模型。头侧向激励下的模式形状(单位力在线圈一端)显示,扭转头平衡模式和空气轴承的滚动模式主导头端响应。这两个模式的频率(29.8 kHz和62.3 kHz),如图14是按照由LDV测量频率,分别。
4.3。损伤检查磁盘表面
试验后,测试磁盘被阻塞性睡眠呼吸暂停综合症检查。图15测试显示了磁盘崩溃速度162 ips。从这个图中,一些特殊的模式(破坏)观察,提供证据的空气轴承崩溃。模式的宽度是0.7毫米,相当于头部宽度,表明头部滚动主导着头振动臂端崩溃崩溃时停止。这个结果是很好的按照模式的形状通过有限元模型被发现。
5。结论
本文调查了寻求速度对硬盘的影响不稳定。负责人寻求控制是一个基于emf的技术。基于MLE-EKF数学方法推导了寻求开发速度。AE传感器和LDV碰撞能量被用来描述和捕获瞬态动力学在不同速度,分别。借助有限元模型和阻塞性睡眠呼吸暂停综合症检查,发现空气轴承的滚动模式主导动力。这种模式将导致严重损坏的磁盘寻求速度高时采用。结果显示本文将有助于优化而且追踪寻找配置文件,以及设计的组件(如头部和手臂。
利益冲突
作者宣称没有利益冲突有关的出版。
确认
这项工作得到了国家自然科学基金(51405380)、中国博士后科学基金会(2014 m560765),香港创新科技基金(GHX / 003/12),和香港RGC平(121410)。