基于RCBode图的控制器设计，用于硬盘驱动器（HDD）中的双级执行器

《Mechatronics》：RCBode plot-based controller design for dual-stage actuators in HDDs

硬盘驱动器（HDD）磁头定位控制中提出基于鲁棒控制器Bode图（RCBode）的DISO系统扩展方法，通过独立频率域设计实现双输入单输出控制，有效抑制机械振动和温度波动引起的误差，实验验证优于传统SISO方法。

　　

德山龙太郎 | 朝美武则

日本千叶县成田市津田沼2-17-1，千叶工业大学机械工程系，邮编275-0016

摘要

硬盘驱动器（HDD）在现代以人工智能为导向的服务器基础设施中对于大规模数据管理至关重要。本文提出了一种新的控制策略，以提高磁头定位的精度。我们的方法核心是一个频域框架——鲁棒控制器Bode（RCBode）图，它为基于经典控制理论的环路整形滤波器设计提供了一个直观的平台。我们进一步将这种方法推广到双输入单输出（DISO）配置，特别是针对HDD中的双级执行器架构。通过基准测试场景验证了所提出的控制方案的性能，证明了其与实际数据的高度相关性，并确认了其有效性和实用性。

引言

人工智能（AI）技术的快速发展在很大程度上得益于AI数据中心的计算能力，这些数据中心处理着海量信息。在这些数据中心中，超过80%的存储数据位于硬盘驱动器（HDD）上，导致每年容量需求增长约23%。因此，维持AI的进步不仅取决于处理器的进化，还需要显著提升HDD的性能。

HDD通过将磁头精确地定位在快速旋转的盘面上来访问存储在同心轨道上的数据。提高磁头定位的精度需要一个能够减轻外部干扰（如来自文件服务器机械结构的振动）引起的误差的控制系统。此外，控制系统必须设计成能够适应定位机制内的内部扰动，包括由于老化以及运行环境温度变化引起的性能下降。系统性地解决这些不确定性的控制策略被称为鲁棒控制系统设计[1]、[2]、[3]、[4]、[5]、[6]。

尽管鲁棒控制在处理系统不确定性方面具有显著优势，但由于其设计流程的复杂性，其应用仍然有限。为了简化这一过程，先前的研究引入了鲁棒控制器Bode（RCBode）图技术，该技术仅使用经典控制理论就能直观地设计出满足鲁棒性能要求的环路整形滤波器[7]、[8]、[9]。这种方法涉及根据现有系统测量数据指定所需的鲁棒性标准，并直接在控制器的Bode图上可视化可行的参数区域。通过这种方式，控制工程师可以直观地识别和实现满足鲁棒性约束的滤波器设计，而无需依赖详细的传递函数模型。这种图形表示为将不确定性考虑纳入设计过程提供了实用的指导。

然而，这种方法的适用性目前仅限于单输入单输出（SISO）系统。相比之下，广泛用于HDD磁头定位系统的双级执行器（DSA）架构构成了双输入单输出（DISO）配置，这超出了原始RCBode框架的范围。

本文介绍了为DISO系统量身定制的RCBode图技术的扩展。与传统的基于SISO的策略不同，所提出的框架允许对DISO结构中的每个控制器进行独立的频域设计。通过HDD中的磁头定位示例展示了该方法的有效性和简便性。

章节片段

HDD中的磁头定位

图1(a)展示了移除了顶部外壳的HDD内部结构。磁头定位系统由几个关键组件组成：音圈电机（VCM）、压电（PZT）执行器、磁头堆栈组件（HSA）、磁头、旋转盘和主轴电机。VCM使HSA在盘面上径向移动，而PZT执行器则对磁头的位置进行微调，其行程有限[10]、[11]、[12]、[13]、[14]。在现代...

背景

对于非HDD制造商的研究人员来说，在最新的HDD平台上进行实验验证极其困难，因为存在专有技术和硬件访问限制。为了解决这一限制，由来自领先学术机构和一家专注于HDD伺服技术的日本制造商的研究人员组成的技术委员会开发了一个开源的HDD伺服控制基准问题[21]。这个基准问题已经正式...

背景

在实际的机电系统中，受控系统会受到制造公差和环境温度变化等扰动的影响。在鲁棒控制理论中，鲁棒稳定性的概念保证了控制系统在这些扰动下仍然保持稳定，而鲁棒性能则确保系统同时满足其性能规格[39]。

在工业应用中，产品通常被设计为即使在...

使用RCBode图改进DISO系统的控制器（提出的方法）

本小节描述了使用RCBode图为DISO系统设计的控制系统，这是本文提出的方法。

验证研究

为了评估所提出方法的有效性，我们使用HDD基准问题进行了验证研究。

图32和图33分别展示了使用传统SISO环路整形方法的$y_c$和$y_c$的验证结果。图34和图35展示了使用所提出的DISO环路整形方法获得的结果。在所有图中，子图(a)展示了时域特性，而子图(b)展示了频域特性（幅度谱）。

图。

结论

本研究引入了一个基于RCBode图的频域控制框架，以改进DSA系统中的磁头定位。虽然传统的基于SISO的方法能够直观地进行环路整形并在某些频率范围内提高抗干扰能力，但由于无法在多个驱动路径之间隔离环路整形效果，它也倾向于增加PZT执行器的行程。

相比之下，所提出的DISO RCBode框架允许独立地对...

CRediT作者贡献声明

德山龙太郎：撰写——原始草案、验证、软件开发、数据整理。朝美武则：撰写——审稿与编辑、验证、软件开发、方法论研究、资金获取、概念构思。

利益冲突声明

作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：朝美武则表示获得了日本学术振兴会的财务支持。如果有其他作者，他们声明没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作的部分内容得到了JSPS, Japan KAKENHI资助（资助编号：JP22K04170）的支持。

德山龙太郎于2024年在日本成田市的千叶工业大学获得了机械工程学士学位。他目前在同一机构的同一领域攻读硕士学位。