PDF《调谐质量阻尼器用于改善硬盘驱动器 读写头动臂的动力特性》

调谐质量阻尼器用于改善硬盘驱动器 读写头动臂的动力特性 ! 曾胜 浙江大学玉泉化工机械研究所 杭州# $ % &

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( ) 徐利梅 新加坡南洋理工大学微系统力学研究中心 新加坡# * $ + ( + , ) 摘要通常计算机硬盘中的读写头动臂在 $ -.

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01 的频率范围内有一个准刚性模态# 这个准则性模态限制了 伺服带宽进而限制了硬盘存储密度的提高2设计了一种调谐阻尼器结构来降低准刚性模态导致的振动# 该阻尼器 安装在音圈马达的线圈内部# 结构简单# 不影响动臂移动2所使用的阻尼材料取材于硬盘本身的密封橡胶# 也避免 了 可能的气体污染2实验证明# 该阻尼器能够很好地降低动臂在准刚性模态下的振动# 因而有利于存储密度的 提高2 关键词3 固有频率4 模态4 动力特性4 硬盘驱动器4 读写头动臂 中图分类号3

5 6+ % %

45 7 % '

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作为

8 9电脑和工作站的基本存储设备# 近年 来硬盘驱动器发展很快2 存储容量不断提高# 单位存 储容量的价格不断下降2硬盘的存储容量决定于两 方面# 即磁盘磁碟数和单碟存储密度2 目前高存储容 量的硬盘已经达到 .碟和 :碟# 继续增加碟数以增 加存储容量已经非常困难2因而人们希望通过提高 存储密度的方法来提高存储容量2硬盘驱动器是一 个典型的机电一体化设备# 其中运用了较为复杂且 可靠的伺服控制系统;

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2存储密度的大小是由伺服 系统的伺服带宽决定的2 从技术上看# 硬盘驱动器的 电子部分的带宽可以做得很高2但是由于机械方面 的原因# 限制了带宽的提高2 实践证明驱动器中的读 写头动臂的动力特性是目前制约存储密度提高的瓶 颈2 = 硬盘驱动器结构及存在的动力学问 题图% >

)为一硬盘的实物照片图2图中 %为存储 数据的磁盘# '

为读写头动臂# $为音圈马达2 其中读 写头动臂是最关键和紧凑的部件# 如图 % ? ) 中小图 所示2在读写头动臂的顶端有合成位置传感器的读 写头 . # 臂身 :通过滚珠轴承支承在枢轴 *上2在动 臂的另一端为音圈马达的线圈 ( 2当线圈馈入由控 制驱动电路来的电流时就能使动臂绕枢轴转动# 从 而带动读写头沿磁盘的径向移动2读写头还能将本 身相对于磁盘的位置检测后返回给控制驱动电路控 制器# 形成闭环# 实现动臂停留在某一磁道的闭环精 确定位2读写头定位的精度一般取决于闭环控制回 路的伺服带宽2而当前伺服带宽又取决于动臂的动 力特性2 如果在线圈内输入等幅的不同频率的正弦电压 信号# 同时检测读写头的位置就能得到如图 % ? ) 所 示的频响曲线2 可以看出在 $ -./

01 的范围内有一 峰值响应# 这一响应限制了控制器伺服带宽的提高2 对读写头动臂的有限元分析表明;

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# 图% ?)中的响应峰值对应的模态为蝶状的准刚性模态# 如图 % ? ) 中的小图所示2该模态是由支承动臂的滚珠轴 承柔性@ 动臂本身的柔性和质量共同引起的# 主要是 在动臂的整体 刚体) 横向移动的基础上耦合有动臂 的小幅蝶状变形2这个模态在硬盘工业界称为准刚 性模态2要提高伺服宽度# 有两种方法3 % ) 总体设 计# 提高频响峰值的频率4 '

) 引入阻尼# 降低频响峰 值的幅度2 对于第一种方法# 由于动臂的结构已是优 化过的# 再优化效果也不明显2 所以目前的思路主要 是在原有伺服机构的基础上增加一个二级伺服驱动 机构;

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2该思路已经在实验室成功实现# 但是造价 非常高2相比之下# 第二种方法就容易得多2引入阻 尼的要求是# 不引入污染物# 不影响动臂转动的灵活 性2 本文就是要采用这种方法# 用调谐阻尼器来降低 频响峰值幅度# 提高动力学特性2 另外# 动臂经常在磁道之间移动# 因此对动臂动 第%*卷第 .期'

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月振动工程学报ABCDE>

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J I B EK E L I E M M D I E L HB F N % *6B N . O M P N '

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$ ! 收稿日期3 '

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4 修改稿收到日期3 '

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万方数据 ! # 硬盘驱动器结构 ! $ # 动臂频响特性 图%硬盘驱动器结构及动臂频响特性 力学的要求除了要求! 稳态# 频响特性以提高磁道定 位精度外&

还要求它从一磁道到另一磁道的瞬态响 应时间尽量短'

调谐阻尼器同样也可以改善这一方 面的动力特性'

( 调谐阻尼器 调谐阻尼器已被广泛用于降低构件的振动&

它 可以是单自由度的也可以是多自由度的) * +, - '

从图 % 中的动臂结构图可以看出动臂上的线圈内部是空 的&

因此可以利用这一空间安装调谐阻尼器'

所设计 的调谐阻尼器如图 . ! # 所示'

该调谐器为弹性铝材 板框结构&

线切割加工'

中间的实体为调谐质量&

调 谐质量通过两根弹性梁支承在边框上'

调整梁的长 度就能改变阻尼器的固有频率'

调谐质量与边框之 间填充阻尼橡胶'

阻尼橡胶取材于硬盘本身内部的 橡胶密封圈以避免普通橡胶挥发出来的气体造成污 染'

阻尼器的厚度与线圈的厚度相同&

这样不影响动 臂转动的灵活性'

根据调谐阻尼器的原理&

阻尼器的 固有频率应当与所要调谐结构的频率一致'

在本文 中&

该频率为 /

0 123 *

045 '

阻尼器安装到动臂后的 ! # ! $ # 图.调谐阻尼器 情形见图 . ! $ # '

图中音圈马达上半部磁极被移取&

以利于观察'

6 实验装置 图2! #为实验装置的原理框图'

该装置用于测 量硬盘驱动器中读写头动臂的动力特性'

图中47

2 * ,

8 0

9 为波形发生器&

它产生的扫描正弦电压 信号馈入动臂线圈'

在音圈马达磁极的同时作用下 产生正弦电磁激扰力'

动臂上读写头的响应最为关 键&

而读写头的尺寸又非常小&

因而它的响应只能用 非接触的多普勒激光测振仪

7 : ;

2

0 0获得'

对动臂 的激励和它的稳态响应都导入47

2 * ,

8 0 9&

在47

2 * ,

8 0

9 中可计算出动臂的频响函数'

47 2 * ,

8 0 9还和计算机连接以提取频响函数实验数 据'

图2!$#为测量调谐阻尼器中阻尼值的实验装 置原理框图'

激励信号仍然由

47 2 * ,

8 0 9产生'

信 号经过放大后馈入激振台'

调谐阻尼器的外框就紧 固在激振台上'

振动台的激励振动和调谐质量的响 应都由

7 : ;

2

0 0来取得'

比较它们之间的振动就能 计算出调谐阻尼器的阻尼值'

0 * <

振动工程学报第%,卷 万方数据 ! # ! $ # 图%实验装置框图 &

调谐阻尼器阻尼的确定 调谐阻尼器阻尼值必须在合适的范围内才具有 减振效果'

图(!$#所示的模态是准刚性模态'

因而 在这个模态对应的频率附近可将整个动臂看作一集 中质量'

同时考虑调谐阻尼器动臂的力学模型可用 图 )所示的简化模型代表'

图中 * 和 +分别为动 臂的质量和调谐质量! *,( - . /+,-

0 % . # /

1 和2分别为动臂枢轴的刚度和调谐阻尼器的梁刚度/

3 图)简化模型 和4分别为动臂枢轴的阻尼和调谐阻尼'

设计使得 调谐阻尼器的固有频率与准刚性模态的频率相同/ 为5-,%6

7 -89 '

经过计算在不同调谐阻尼时动臂 的频响如图 7所示'

可以看出理想的调谐阻尼范围 为(:;

? @'

对本文中调谐阻尼器的结构/ 可以 通过增加或减少调谐质量与边框之间的阻尼橡胶的 长度来调整'

图7计算结果 A 实验结果 在不同阻尼值时用图 % ! $ # 的装置测试调谐阻 尼器的频响/ 并拟合实验数据得到实际的阻尼值'

图B给出了一个例子'

经数据拟合得到该例的阻尼 比为C,4 ? ! ;

+5 - # ,-

0 - D B / 或绝对阻尼值

4 , (

0 ( ? @'

这个阻尼值刚好在理想范围内/ 所以可用 来对动臂进行减振'

图B实验结果 将带有上述阻尼值的调谐阻尼器安装到动臂上 测试/ 其频响曲线如图 D ! # 所示'

没装阻尼器的曲 线也在图中示出作为比较'

可以看出在响应峰值的 幅度从最初的E( ;

(F G降低到了E( % (

0 ;

6F G / 或 幅值降低了 %

0 7倍/ 降振效果还是很明显的'

图中还 可以看出在原峰值附近/ 明显地出现了两个峰/ 前一 个峰值的频率为 %7 ) %

89 而后一个为 )- - -89 / 原 峰值的频率为 %6

7 789 / 这情形与图 7预测的相近'

动臂装上调谐阻尼器后/ 实验证明其瞬态响应 的特性也提高了'

将同一形状的电脉冲输入动臂的 线圈/ 读写头在安装和未安装调谐阻尼器时的瞬态 响应如图 D ! $ # 所示'

可以看出安装了阻尼器的动臂 瞬态响应在 (@>

内就衰减到 -

0 ;

7@@? >

以下/ 而(7)第)期 曾 胜等H 调谐质量阻尼器用于改善硬盘驱动器读写头动臂的动力特性 万方数据 未安装的则用了 ! # $ % &

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频响特性 % ( '

瞬态响应 图)动臂动力特性比较 * 结论本文设计了一种调谐阻尼器+ 该阻尼器用来降 低硬盘读写头动臂的准刚........