磁存储设备的振动冲击电磁主动控制技术的研究
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摘要
研究硬盘驱动器振动、冲击控制技术是军用硬盘和便携式计算机抗恶劣环境的要求。论文分析了微型盘主动隔振系统的一维机电动力学方程模型，确立了采用前馈控制的外加固主动控制方案。微型盘外加固主动控制技术不仅在于理论分析设计，更重要的是执行装置及控制器的物理实现：本文共研制了两台执行装置样机；为能适应对复杂模型的控制，拟采用数字控制器，对其控制算法进行了初步研究。对整套系统进行试验测试的结果表明：该系统可以兼顾振动与冲击控制，具有较宽的频率响应范围，能够明显提高微型盘抗冲减振性能。论文还对控制系统进行了仿真，设计仿真软件包一个。基于执行装置中干摩擦力的影响，本文又重新修改了控制系统动力学模型，并进行仿真，仿真结果表明，考虑干摩擦的新模型更能反应实际情况。最后，作为探讨性研究，本文提出了两种完全避免干摩擦的新型执行装置模型：一种是双层簧片式电磁执行装置，另一种是电磁永磁混合悬浮式三维执行装置。
该项研究具有机械、电气、控制和检测多学科技术交叉的特色，可兼顾解决宽带振动与强冲击的控制，这是传统被动控制很难做到的，可广泛应用于车载、舰载、机载和航天运载的军用计算机外部设备加固。
The research on anti-vibration and anti-shock of hard disk drivers (L{DD) stems from the need of military hard disk and portable computer against severe environment. The thesis analyses the mechatronics dynamics model of the one-dimension active vibration isolation system used in miniature HDD, then confirms the plan of active control and reinforce from outside. The technique lies on not only the theoretical analysis and design, but also the physical implement of the execute equipment and the controller. We develop two execute sample machines. In order to control the more complicated model, we plan to use digital controller and we carry an initial research on it's algorithm. We also have a test to the complete set of system equipment. The test results show that the active control system can not only control wide-band vibration and shock together, but also improve the performance of vibration and shock isolation apparently. The thesis also designs a simulation software, and simulates the control system. In view of the influence of the dry friction force in execute equipment, the thesis remodifles the mechatromcs dynamics model and simulates the new model with the result that the new model can be in accord with the practice more perfectly. At last, two new execute equipment models without dry friction force are put forward as the discussable research. One is the double-reed electromagnetic execute equipment, and the other is the electromagnetic and permanent magnet suspension one.
This research has the multi-disciplinary characteristic that involves machinery, electric, control and measurement. It can control wide-band vibration and strong shock at the same time which is hardly achived by traditional passive control system. Its achievements can be widely used in reinforcement of the computer peripheral on vehicles, naval vessels and spaceflighters ,etc.
该项研究具有机械、电气、控制和检测多学科技术交叉的特色，可兼顾解决宽带振动与强冲击的控制，这是传统被动控制很难做到的，可广泛应用于车载、舰载、机载和航天运载的军用计算机外部设备加固。
The research on anti-vibration and anti-shock of hard disk drivers (L{DD) stems from the need of military hard disk and portable computer against severe environment. The thesis analyses the mechatronics dynamics model of the one-dimension active vibration isolation system used in miniature HDD, then confirms the plan of active control and reinforce from outside. The technique lies on not only the theoretical analysis and design, but also the physical implement of the execute equipment and the controller. We develop two execute sample machines. In order to control the more complicated model, we plan to use digital controller and we carry an initial research on it's algorithm. We also have a test to the complete set of system equipment. The test results show that the active control system can not only control wide-band vibration and shock together, but also improve the performance of vibration and shock isolation apparently. The thesis also designs a simulation software, and simulates the control system. In view of the influence of the dry friction force in execute equipment, the thesis remodifles the mechatromcs dynamics model and simulates the new model with the result that the new model can be in accord with the practice more perfectly. At last, two new execute equipment models without dry friction force are put forward as the discussable research. One is the double-reed electromagnetic execute equipment, and the other is the electromagnetic and permanent magnet suspension one.
This research has the multi-disciplinary characteristic that involves machinery, electric, control and measurement. It can control wide-band vibration and strong shock at the same time which is hardly achived by traditional passive control system. Its achievements can be widely used in reinforcement of the computer peripheral on vehicles, naval vessels and spaceflighters ,etc.
引文
[1]Nishimura H, Kojima, A., Active vibration control for a multi-degree-of-freedom structure with uncertain base dynamics, JSME Series C, Vol.41, No.1, 1998.3, P37-45.
[2]Huang Y., Bamther M., Mathur P.D., Messner W.C., Design and analysis of a high bandwidth disk servo system using an instrumented suspension, IEEE Transaction on Mechatronics Vol. 18, No.3, 1997.P323-329.
[3]Teramura E., Haseda S., Semi-active damping control system with smart actuator, JSAE Review, Vol. 18, No.3, 1997. P323-329.
[4]Suresh K., Vijay D.K., M. Sri-Jayantha, A study of the head disik interface shock failure mechanism, IEEE Trans. on Magnetics Vol. 30, No.6,1994,P4155-4157.
[5]朱可君．GS型钢丝绳减振器试制 噪声与振动控制．1994年12月第六期 P20-21．
[6]季馨．无谐振峰隔振缓冲器GWF型、GBJ型隔振器．电子机械工程．1995年02期 P63-65．
[7]陈光达、赵骥、徐光弘．温盘驱动器抗冲击主动控制技术．西安电子科技大学学报．1996年6月 Vol23，No．2 P271-276．
[8]顾仲权、马扣根、陈卫东．振动主动控制．第一版．国防工业出版社．1997年6月，P188-259．
[9]王加春、董申、李旦．超精密机床的主动隔振系统研究．振动与冲击．2000年第19卷第3期，P54-57．
[10]R.M.Lin L.M.Xu N.Guo S.Zeng Passive Damping For Robust Feedback Control of Hard Disk Drives. Proceedings of the Asia-Pacific Vibration Conference 2001.P576-583.
[11]赵云飞．硬盘驱动器振动冲击主动控制技术．西安电子科技大学硕士研究生学位论文．2000年1月，P28-41．
[12]丁文镜．减振理论．第一版．清华大学出版社．1988年7月．
[13]S. Vajpayee, etc., J.Eng. Ind., ASME, Vol. 100, No.2, 1978, P113.
[14]林其壬、赵佑民．磁路设计原理．第一版．机械工业出版社．1987年11月，P156-178．
[15]林其壬、赵佑民．磁路设计原理．第一版．机械工业出版社．1987年11月，P299-319．
[16]吴三灵．实用振动实验技术．第一版．兵器工业出版社．1993年，P147-149．
[17]丁文镜．减振理论．第一版．清华大学出版社．1988年7月，P47-49．
[18]于达仁．动态系统中干摩擦力的数值计算模型．哈尔滨工业大学学报．1995年10月，第27期，第三卷．P41—45．
[19]J. P. Den Hartog, Trans. Amer. Soc. Mech. Eng. 53, 1931, P107-115.
[20]殷雪岩．随机振动试验技术研究．北京航空航天大学学报．1995年10月，第21卷第4期，P119-123．
[21]庄表中、陈乃立．随机振动的理论及实例分析．第一版．地震出版社．1985年3月．
[22]单成祥．传感器的理论与设计基础及其应用．第一版．国防工业出版社．1999年8月．
[23]李维晖、张宏．磁悬浮装置的设计与研究．大学物理实验．2000年6月，第14卷第2期，P5-8．
[24]Jones D I, Owen R G. A Maglerically Levitated Anti-Vibration Mount. IEEE Trans. Mag-20, 1984, (5): P1687-1689.
[25]崔瑞意、申仲翰、刘玉标等．磁悬浮隔振装置的研制及基本机理研究．力学与实践．1999年第21卷，P54-56．
[26]刘尚举、晏巨、陈虬．电磁永磁混合悬浮隔振系统控制研究．西南交通大学学报．1999年6月，第34卷第3期，P279-283．
[27]陈贵荣、常文森．磁悬浮隔振系统电磁铁的设计与研究．噪声与振动控制．1994年12月第6期，P14-16．
[28]晏巨、何晓军、唐岚．电磁悬浮隔振系统控制方法．光电工程．1999年8月，第26卷第4期，P18-21．
[29]朱美玲、汪凤全．电磁式作动器及其振动主动控制系统的研究．振动、测试与诊断．1995年3月，第15卷第1期，P52-56．
[30]盖玉先、李旦、董申．电磁作动器动态特性对隔振性能的影响．航空精密制造技术．2000年8月，第36卷第4期，P1-4．
[31]龙飞．一种新型电磁式执行机主动振动控制的理论研究．华中师范大学学报(自然科学版)，1997年12月，第31卷第4期，P425-428．
[32]孟凯．三维空间六自由度刚性质量集的减振．建筑机械化．1997年No．1，P12-15．
[33]王理超、颜肖龙．野战环境下车载空调器的隔振与解耦方法．同济大学学报．2000年2月，第28卷第1期，P27-31．
[34]任勇生、李俊宝、朱德懋等．干摩擦阻尼及其在工程结构被动减振设计中的应用研究．力学与实践．1997年，第19卷第2期，P12-18．
[35]贾建援、仇原鹰、袁志刚等．方舱及装舱电子设备在道路谱随机激励下的响应预测．西安电子科技大学学报．1995年，第22卷第1期，P52-58．
[36]曹茂永、冯彦军、张逸芳．单片机高速数据采集系统．数据采集与处理．1997年6月第12卷第2期，P118-123．
[37]Yuhong Huang. Michael banther. William C. Design and Analysis of High Bandwidth Disk Drive Servo System Using an Instrumented Suspension. IEEE/ASME Transactions on Mechatronics. Vol. 4.No.2.June 1999.P 196-206.
[38]Gardonio p. Elliott S.J.,Pinning R.J., Active Isolation of Structural Vibration on a Multiple-degree of Freedom System, Part 1,Part 2,Journal of Sound and Vibration, Vol.207, No.3, 1997,P351-364.
[39]胡寿松．自动控制原理．第三版．国防工业出版社．1994年5月．
[40]方远翔、陈安宁、董卫平．振动模态分析技术．第一版．国防工业出版社．1993年5月．
[41]应怀樵．波形和频谱分析与随机数据处理．第一版．中国铁道出版社．1983年5月．
[42]朱世雄、杨荫溥、方金仰等．抗恶劣环境计算机．第一版．国防工业出版社．1986年12月．
[43]杨俊．抗恶劣环境外部设备．第一版．西安电子科技大学出版社．1992年12月．
[44]杨振江．A／D、D／A转换器接口技术与实用线路．第一版．西安电子科技大学出版社．1996年11月．
[45]陈怀琛．MATLAB及其在理工课程中的应用指南．第一版．西安电子科技大学出版社．2000年1月．
[46]贾建援、冯小平、赵钟磊等．军用硬盘抗振动冲击主动控制技术研究报告．2000年10月．
在学期间研究成果
[1]贾建援、赵钟磊、康春霞等．“微型盘振动冲击主动控制技术的研究”．西安电子科技大学学报．2002年第2期．
[2]Huang Y., Bamther M., Mathur P.D., Messner W.C., Design and analysis of a high bandwidth disk servo system using an instrumented suspension, IEEE Transaction on Mechatronics Vol. 18, No.3, 1997.P323-329.
[3]Teramura E., Haseda S., Semi-active damping control system with smart actuator, JSAE Review, Vol. 18, No.3, 1997. P323-329.
[4]Suresh K., Vijay D.K., M. Sri-Jayantha, A study of the head disik interface shock failure mechanism, IEEE Trans. on Magnetics Vol. 30, No.6,1994,P4155-4157.
[5]朱可君．GS型钢丝绳减振器试制 噪声与振动控制．1994年12月第六期 P20-21．
[6]季馨．无谐振峰隔振缓冲器GWF型、GBJ型隔振器．电子机械工程．1995年02期 P63-65．
[7]陈光达、赵骥、徐光弘．温盘驱动器抗冲击主动控制技术．西安电子科技大学学报．1996年6月 Vol23，No．2 P271-276．
[8]顾仲权、马扣根、陈卫东．振动主动控制．第一版．国防工业出版社．1997年6月，P188-259．
[9]王加春、董申、李旦．超精密机床的主动隔振系统研究．振动与冲击．2000年第19卷第3期，P54-57．
[10]R.M.Lin L.M.Xu N.Guo S.Zeng Passive Damping For Robust Feedback Control of Hard Disk Drives. Proceedings of the Asia-Pacific Vibration Conference 2001.P576-583.
[11]赵云飞．硬盘驱动器振动冲击主动控制技术．西安电子科技大学硕士研究生学位论文．2000年1月，P28-41．
[12]丁文镜．减振理论．第一版．清华大学出版社．1988年7月．
[13]S. Vajpayee, etc., J.Eng. Ind., ASME, Vol. 100, No.2, 1978, P113.
[14]林其壬、赵佑民．磁路设计原理．第一版．机械工业出版社．1987年11月，P156-178．
[15]林其壬、赵佑民．磁路设计原理．第一版．机械工业出版社．1987年11月，P299-319．
[16]吴三灵．实用振动实验技术．第一版．兵器工业出版社．1993年，P147-149．
[17]丁文镜．减振理论．第一版．清华大学出版社．1988年7月，P47-49．
[18]于达仁．动态系统中干摩擦力的数值计算模型．哈尔滨工业大学学报．1995年10月，第27期，第三卷．P41—45．
[19]J. P. Den Hartog, Trans. Amer. Soc. Mech. Eng. 53, 1931, P107-115.
[20]殷雪岩．随机振动试验技术研究．北京航空航天大学学报．1995年10月，第21卷第4期，P119-123．
[21]庄表中、陈乃立．随机振动的理论及实例分析．第一版．地震出版社．1985年3月．
[22]单成祥．传感器的理论与设计基础及其应用．第一版．国防工业出版社．1999年8月．
[23]李维晖、张宏．磁悬浮装置的设计与研究．大学物理实验．2000年6月，第14卷第2期，P5-8．
[24]Jones D I, Owen R G. A Maglerically Levitated Anti-Vibration Mount. IEEE Trans. Mag-20, 1984, (5): P1687-1689.
[25]崔瑞意、申仲翰、刘玉标等．磁悬浮隔振装置的研制及基本机理研究．力学与实践．1999年第21卷，P54-56．
[26]刘尚举、晏巨、陈虬．电磁永磁混合悬浮隔振系统控制研究．西南交通大学学报．1999年6月，第34卷第3期，P279-283．
[27]陈贵荣、常文森．磁悬浮隔振系统电磁铁的设计与研究．噪声与振动控制．1994年12月第6期，P14-16．
[28]晏巨、何晓军、唐岚．电磁悬浮隔振系统控制方法．光电工程．1999年8月，第26卷第4期，P18-21．
[29]朱美玲、汪凤全．电磁式作动器及其振动主动控制系统的研究．振动、测试与诊断．1995年3月，第15卷第1期，P52-56．
[30]盖玉先、李旦、董申．电磁作动器动态特性对隔振性能的影响．航空精密制造技术．2000年8月，第36卷第4期，P1-4．
[31]龙飞．一种新型电磁式执行机主动振动控制的理论研究．华中师范大学学报(自然科学版)，1997年12月，第31卷第4期，P425-428．
[32]孟凯．三维空间六自由度刚性质量集的减振．建筑机械化．1997年No．1，P12-15．
[33]王理超、颜肖龙．野战环境下车载空调器的隔振与解耦方法．同济大学学报．2000年2月，第28卷第1期，P27-31．
[34]任勇生、李俊宝、朱德懋等．干摩擦阻尼及其在工程结构被动减振设计中的应用研究．力学与实践．1997年，第19卷第2期，P12-18．
[35]贾建援、仇原鹰、袁志刚等．方舱及装舱电子设备在道路谱随机激励下的响应预测．西安电子科技大学学报．1995年，第22卷第1期，P52-58．
[36]曹茂永、冯彦军、张逸芳．单片机高速数据采集系统．数据采集与处理．1997年6月第12卷第2期，P118-123．
[37]Yuhong Huang. Michael banther. William C. Design and Analysis of High Bandwidth Disk Drive Servo System Using an Instrumented Suspension. IEEE/ASME Transactions on Mechatronics. Vol. 4.No.2.June 1999.P 196-206.
[38]Gardonio p. Elliott S.J.,Pinning R.J., Active Isolation of Structural Vibration on a Multiple-degree of Freedom System, Part 1,Part 2,Journal of Sound and Vibration, Vol.207, No.3, 1997,P351-364.
[39]胡寿松．自动控制原理．第三版．国防工业出版社．1994年5月．
[40]方远翔、陈安宁、董卫平．振动模态分析技术．第一版．国防工业出版社．1993年5月．
[41]应怀樵．波形和频谱分析与随机数据处理．第一版．中国铁道出版社．1983年5月．
[42]朱世雄、杨荫溥、方金仰等．抗恶劣环境计算机．第一版．国防工业出版社．1986年12月．
[43]杨俊．抗恶劣环境外部设备．第一版．西安电子科技大学出版社．1992年12月．
[44]杨振江．A／D、D／A转换器接口技术与实用线路．第一版．西安电子科技大学出版社．1996年11月．
[45]陈怀琛．MATLAB及其在理工课程中的应用指南．第一版．西安电子科技大学出版社．2000年1月．
[46]贾建援、冯小平、赵钟磊等．军用硬盘抗振动冲击主动控制技术研究报告．2000年10月．
在学期间研究成果
[1]贾建援、赵钟磊、康春霞等．“微型盘振动冲击主动控制技术的研究”．西安电子科技大学学报．2002年第2期．