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精确定位的高带宽新型首圈电机驱动器研究

时间:2017-11-17 16:41:00   来源:本网   添加人:admin

  为了实现单碟硬盘(HDD)容量越来越高的需求,HDD应具有极高的磁道密度,这需要一个具有高伺服带宽的磁头定位系统。国际上许多研究者致力于提高磁头定位系统的伺服带宽117.其中一种方法是使用双级驱动系统一音圈电机(VCM)驱动器为第一级,微型驱动器为第二级1451;另一种方法是改善传统的单级VCM驱动器的机械动力113671.对于双级驱动系统,必须对第一级驱动进行极体的暴露会给驱动器的生产和大改进,得到高的机械带宽才能改善整个系统的性能。而对于单级定位,已开发出一种高度改进的驱动系统以支持高达100kTPI以上的磁道密度,这种方法既节约制造和装配的成本又非常可靠。这样基于VCM驱动,产生正交力或纯力矩是增加机械带宽的有效途梗13.由于传统驱动器固有的中频带共振严重限制了伺服带宽(大约为驱动器主共振频率的20%)因而使得读写头跟踪系统无法达到硬盘驱动高TIP刻录的要求。在这些难以预料的中频带共振中,横向准刚性体震动模式(QR模式)是磁头定位系统的伺服带宽受到限制的主要因素。而QR模式主要是由中枢轴承的弹力和驱动器活动部件的质量产生的。对于传统的驱动器,QR模式通常在3内。另外,第一横向面内弯曲震动模式是影响伺服带宽的又一个因素,通常位于7~10kHz.QR模式的低频明显限制了由传统驱动组件支撑的伺服系统的带宽。因此增加磁头定位系统伺服带宽的关键在于尽量减少或者完全去除QR模式。

  本文介绍了一种带有新型线圈磁体结构的高带宽动圈式音圈电机驱动器以产生正交力或者纯力矩。由于简单的扁平拉长动圈构成驱动器,与硬盘使用的传统驱动器一样简单。研究表明这种设计中由中枢轴承和轴引起的中频QR模式得到显著抑制,使得主共振频率提高到到11kHz如果使用高硬度材料制造臂件,主共振频率可提高到15kHz. 1驱动器的构造1.1传统驱动器的构造与缺陷硬盘广泛采用的传统动圈VCM定位系统如所示。由图可见,传统VCM产生的推动力Fa在横向方向有一个很大的分量。这个分量在中枢轴承装配上产生一个显著的反作用力Fr,Fr激发横向的QR模式,严重影响了磁头定位系统的精确追踪。

  表示传统驱动器自身激发的两种具有代表性的共振:QR模式(3~5kHz)和横向面内弯曲模式(7~10kHz)。对应的频率响应如所示。由图可知传统执行器的频率响应特征中有两个峰值分别对应于QR模式和横向面内弯曲模式。为了充分改进单驱动器的性能,尤其是动态特性,从而抑制反作用力激发的QR模式,研究者采用了许多方法,包括移动磁体驱动器中提到的线圈与定位平面的垂直驱动器均不相同。线圈是一个简单的扁平拉长动圈。永久磁铁被设计为4个依次紧紧安置在轭面上的可选极,可以通过有4极的磁铁或者2个各有2极的磁铁实现。单平面驱动音圈与一组磁极的独特设计加上轭部组件可以在线圈的4个部分中产生力F1、F2、F3和F4.如所示,这些力与横向面正交,因此显著抑制了该面上产生的施加在中枢轴承和轴上的反作用力。理想情况下,由中枢轴承和轴组件产生的中频带频率QR模式可被完全消除。同时,所使用的平面线圈、永久磁铁和轭面与传统VCM中几乎一样简单因此生产和装配过程也与传统驱动器一样简单。

  2电磁设计与优化新型高带宽驱动器的电磁设计和优化目标是在音圈电机体积最小、用料最少的情况下使得力矩或电机常数最大化。同时使驱动器在一定角度位移的情况下以最短的寻找时间和最小的能耗产生足够的力或者力矩去移动一定的负荷(线圈、线圈支撑、臂、悬挂和滑块)。通过使用二维有限元分析大致确定一些关键尺寸和电磁参数,包括电机高度、磁铁形状和尺寸、气隙磁通密度以及气隙长度。优化电机磁路和线圈的设计参数以满足最大力矩和电机常数。磁轭的侧面被用于平衡磁路。由于音圈的优化空间有限,线圈的设计必须满足有效导体和额定功率最大化。同时需要考虑输入充足功率以获得良好的存取性能尽可能少功耗。对于一定的场强,用最少的能耗获得最佳的存取性能是线圈设计中的关键问题。使用三维有限元分析对电磁设计进一步优化。电磁设计中预测的新型驱动器的一些参数与3.5"HDD中使用的传统驱动器参数的比较如表1所示。表中::、L、Kf、Tr、m、Te、Tm、a分别为线圈电阻、线圈电感、转矩常数、电机常数、转动惯量、电时间常数、机械时间常数、加速率。由表可见对新型驱动器的电磁设计优化得到比传统驱动器中更好的电磁性能。

  表1高带宽驱动器和传统驱动器的电磁参数驱动器。可通过有限元分析证明:用铝硼如所示,横向面内弯曲模式的频率变为8kHz(1)由于新型高带宽驱动器中音圈电机的独特左右。这样就可以解释为什么腧果限元结构和磁体排列,新型驱动器产生的力与横向正交,元分析预测的结果11. 5kHz要低很多,这主要是由驱动器的原型器件造成的。由于原型器件的线圈是手工制成的,而且驱动器VCM部分的强度比通常情况下有限元分析中使用的要低很多,导致了整个结构硬度的下降,降低了横向面内弯曲模式的频率,这一点可通过有限元分析进行验证。将线圈和线圈支持(塑料)的弹性模量分别降至原来值的1/5,炭合物取代铝作为臂部件材料,横向面内弯曲的频率变为15.7kHz,比11.5kHz高出很多。

  4结语本文设计了一种新型高带宽动圈驱动器,并对其进行优化和分析。其特点如下:得到纯力矩,使中枢轴承和轴上产生的反作用力显著降低。

  用有限元分析对一些关键的电磁参数和尺寸进行优化与预测,表明新型高带宽驱动器的电磁性能明显优于传统驱动器。

  采用三维有限元分析法对新型高带宽驱动器的动态性能进行评估,它的频率响应特征表明影响伺服带宽的横向准刚性体震动模式(QR模式)被显著抑制。因而在高磁道密度记录中,新型高带宽驱动器支持的伺服系统可以得到更高的带宽。