（电路与系统专业论文）硬盘伺服信息自写入中基于嵌入式的马达伺服控制系统的应用[电路与系统专业优秀论文].pdf

摘要 自丛1 2 墅生硬垄间世型现在垦经q 生工：瞳羞拱燕的发羼塑 信息赫会鲢到塞：硬煮在僮熬握庭用鳆越裹蕉亡捶! 拱蘧的进垄也馕 廑履王照盘自巍的蘧杰丕断的发羼! 瞳羞太规撞塞虞电路剑造捷盔的：越发羼：磋燕的撞剑电整鲍塞 威焦越塞蕉商：逮给墩式囊统鲢廑用堂塞工亡闷的窒间! 殛龚鳆控 制电路翅直工自己的微处理器：瞳羞处理遑廑数丕断握矗。筮鲑越塞 越多的熊鲞工硬鲑所邀的王经! 垡勤趣式塞啦竖往系统的强太塞挂 程度熊碹的缝垃变绳友馑工迕垒：功宣曼攥缝鲢增加也变馒笸璺工迕 多：丕恿丛颜缠墅岱碹! 杰塞鲤王佳是：撩嵌式塞时握佳丕统艘! ! ：! ! 整植到硬盘徽艇 理器史i 毅硬盘的控制搭建= 仝熬鲑垩台! 差旦在这仝垩盒土逼过熬 鲑锁扭塞现怼硬煮圭麴里达煞逵的趟确控制：塞毖工饲腿信息自里厶 研究的部盆王维! 关键词：送惑丞绫塞啦握雏亟缠艘q = ! !錾鲑毯担 垦型查兰! 塑! 星堡圭堡塞 a b s t r a c t t h ef i r s th a r dd i s kw a si n v e n t e di n195 6 d u r i n gt h e5 0 w i t ht h ed e v e l o p m e n t o fi n f o r m a t i o nw o r l d , m a g n e t i c s t o r a g ei sm o r ea n dm o r ep o p u l a r a n dt h ed e v e l o p m e n to f t h em a g n e t i cs t o r a g et e c h n o l o g ym a d eh a r dd i s k sh a v em o r e c _ _ a p a c i t ya n d a c c e l e r a t et h es p e e do fd a t at r a n s m i s s i o n t h et e c h n o l o g yo fv l s ih a sb e e nu s e di nt h ei c so fh a r d d i s k , i th a s d e c r e a s et h ee l e c t r i cc o m p o n e n t so fh a r dd i s k a 一一一n ，一，d ，e m b e d d e ds y s t e mc a nb e u s e di nt h eh a r dd i s k b yh i g h s p e e dm i r c o p r o c e s s o r ss o f t w a r ei n s t e a do fh a r d w a r ed ol o t s o ，f w o r k s i n e m b e d d e ds y s t e m , b yt h es u p p o r to fr t o s o rr e d e s i g no fa p p l i c a t i o np r o g r a mb e c o m ee a s i e r t h _ t _ 壁_ j o bo ft h i st h e s i si sr e s e a r c ht h e i c so fh a r dd i s k , a n d ar e a l - t i m ek e r n e lo f 丛c o s - i it ot h em i c r o p r e s s o r i ni t , a n dr e a l i z e dt h es o f tp l lt oc o n t r o lt h es p e e do fm i c r o 贼n d l e , w h i c h i st h ep a r tw o r ko fs e l f - s e r v ow r i t e r 、 k e yw o r d s ：e m b e d d e d s y ! ! 曼婴：墨! q 曼c 脞f f _ _ o s - i i s o f t w a r e p l l d 贵州大学2 0 0 6 届硕士论文 第一章序论 1 1 硬盘的发展 1 9 5 6 年9 月，i b m 的一个工程小组向世界展示了第一台磁盘存储系统i b m3 5 0 r a m a c ( r a n d o ma c c e s sm e t h o do fa c c o u n ti n ga n dc o n t r 0 1 ) 。 1 9 6 8 年i b m 公司首次提出“温彻斯特w i n c h e s t e r ”技术，探讨对硬盘技术 做重大改造的可能性。“温彻斯特”技术的精隋是：“密封、固定并高速旋转的镀 磁盘片，磁头沿盘片径向移动，磁头悬浮在高速转动的盘片上方，而不与盘片直 接接触”，这也是现代绝大多数硬盘的原型。 1 9 7 3 年i b m 公司制造出第一台采用“温彻期特”技术的硬盘，从此硬盘技术 的发展有了正确的结构基础。 1 9 7 9 年，i b m 再次发明了薄膜磁头，为进一步减小硬盘体积、增大容量、提 高读写速度提供了可能。 8 0 年代末期i b m 发明了m r ( m a g n e t or e s i s t i v e ) 磁阻，这种磁头在读取数据 时对信号变化相当敏感，使得盘片的存储密度能够比以往2 0 m 8 每英寸提高了数 十倍。 1 9 9 1 年i b m 生产的3 5 英寸的硬盘使用了m r 磁头，使硬盘的容量首次达到 了1 g b ，从此硬盘容量开始进入了g b 数量级。 1 9 9 9 年9 月7 日，m a x t o r 宣布了首块单碟容量高达1 0 2 g b 的a t a 硬盘，从 而把硬盘的容量引入了一个新里程碑。 2 0 0 0 年2 月2 3 日，希捷发布了转速高达1 5 ，0 0 0 r p m 的c h e e t a hx 1 5 系列硬 盘，其平均寻道时间只有3 9 m s 。 2 0 0 0 年3 月1 6 日，硬盘领域又有新突破，第一款“玻璃硬盘”问世，使用 玻璃取代传统的铝作为盘片材料，这能为硬盘带来更大的平滑性及更高的坚固 性。另外玻璃材料在高转速时具有更高的稳定性。 1 2 目前硬盘中所应用到的主要技术 随着计算机的普及其应用技术的发展) 诸如多媒体信息技术的发展) 每台 计算机需要存储大量数据、图形、声音、i 訇像、视频文件) 从而对目前作为汁算 贵州大学2 0 0 6 届硕士论文 机最主要存储器一二一一硬盘的容量及性能提出了更高的要求) 需要的存储量 也越来越大) 对于硬盘存储性能各项手匕标的要求会越来越高如高的传输速率、很 好的稳定性等。 1 2 1 磁头技术 硬盘技术的更新换代，其中一个非常重要的技术就是磁头技术，现在的硬盘 单碟容量一般都在4 0 g b 以上，最高的单碟容量已经达到了8 0 g b 或更高，以后硬 盘的单碟容量还将继续增大，对于单碟容量，它直接联系的技术就是磁头技术， 磁头技术越先进，硬盘的单碟容量就可以做得更高。最早的磁头是采用铁磁性物 质，它在不论磁头的感应敏感程度或精密度上都不理想，因此早期的硬盘单碟容 量均非常低，单碟低了，硬盘的总容量就受到非常大的限制，因为在一块硬盘内 封装的盘片数是非常有限的。同时早期使用的磁头在体积上也小，它使得早期的 硬盘体积上相对而言比较庞大，这给用户的使用带来了非常的不便。 8 0 年代末期，i b m 研发了m r ( m a g n e t o - - r e s i s t i v eh e a d ) 磁阻磁头技术，磁阻磁 头是基于磁致电阻效应工作的，核心是一片金属材料，其电阻随磁场的变化而变 化。磁阻元件连着一个十分敏感的放大器，可以测出微小的电阻变化。之后i b m 公司又开发了g m r ( g a i n t m a g n e t or e s i s t i v e ，巨磁阻) 磁头技术，它是在m r 技术的基础上研发成功的新一代磁头技术，现在生产的硬盘全都应用了g m r 磁头 技术。g m r 巨磁阻磁头与m r 磁头一样，是利用特殊材料的电阻值随磁场变化的 原理来读取盘片上的数据，但是g m r 磁头使用了磁阻效应更好的材料和多层薄膜 结构，比m r 磁头更为敏感，相同的磁场变化能引起更大的电阻值变化，实现更 高的存储密度，m r 磁头能够达到的盘片密度为每平方英寸3 g b - - 5 g b ( 干兆位每 平方英寸) ，而g m r 磁头每平方英寸可以达到l o g b - - 4 0 g b 以上。g m r 比m r 具有 更高的信号变化灵敏度，从而使硬盘的单碟容量可以做得更高，最新的磁头技术 为第四代g m r 磁头技术 1 2 2 电机技术 在硬盘中，与磁头技术一样重要的另一项技术就是电机技术了，它直接影响 着硬盘转速的大小。目前主流的l d e 硬盘转速主流为7 2 0 0 r p m ，而主流的s c s i 贵州大学2 0 0 5 届硕士论文 硬盘转速则为1 0 ，0 0 0 r p m 。早期的硬盘转速一般只有4 0 0 0 r p m 甚至更低，低转速 的主要原因是由于电机技术的限制，随着技术的革新，转速提高到了4 4 0 0 r p m 及4 9 0 0 r p m ，再后来就是5 4 0 0 r p m 了。电机技术发展了，直接影响的就是硬盘主 轴转速的提高，而转速就决定着硬盘的寻道时间。当然在提高硬盘主轴转速的同 时需要考虑得是硬盘的发热量及振动问题，还有就是硬盘的工作噪声问题。所以 电机技术直接决定着硬盘的快慢、工作温度及工作噪声等。 1 2 3 接口技术 硬盘接口一直是人们关心的技术，随着电脑其它配件( 如c p u 、内存、显示 等子系统) 性能的大步迈进，硬盘的接口传输率越来越体现出它在整个电脑系统 的瓶颈效应，硬盘接口越来越受到人们的关注。最早的硬盘接口是s 卜5 0 6 4 1 2 接口，它是希捷开发的一种硬盘接口，其后是e s d i 接口，它是迈拓公司于1 9 8 3 年开发的。其特点是将编解码器放在硬盘本身之中，而不是在控制卡上，理论传 输速度是前面所述的s t - 5 0 6 的2 4 倍，一般可达到l o m b p s 。但其成本较高，与 后来产生的i d e 接口相比无优势可言，因此在九十年代后就补淘汰了。i d e 接口 把盘体与控制器集成在一起的做法，减少了硬盘接口的电缆数目与长度，数据传 输的可靠性得到了增强，硬盘制造起来变得更容易，因为厂商不需要再担心自己 的硬盘是否与其它厂商生产的控制器兼容。对用户而言，硬盘安装起来也更为方 便。而最新的s e r i a la t a ( 即串行a t a ) 以连续串行的方式传送资料( 1 5 0 m b s 的数据传输率) ，此做法能减小接口的针脚数目，用四个针就完成了所有的工作。 这样能降低电力消耗，减小发热量，对于s e r i a la t a 接口，一台电脑同时挂接 两个硬盘就没有主、从盘之分了，各设备对电脑主机来说，都是m a s t e r ，这样 我们可省了不少跳线功夫。 从i d e 过渡到s a t a ，已经创造了硬盘传输接口的经典历史，所以s a t a 硬盘 已经成为未来计算机平台的标准配置，但目前只有1 5 0 m b s 传输速度的第一代 s a t a 接口，显然不能够满足都数用户的需要。因此，s a t ai i 以及s a t ai i i 标 准将会逐渐进入市场，它们的传输速度分别扩展到3 0 0 m b s 和6 0 0 m b s 。因此在 8 0 0 m h z 甚至更高的f s b 下，s a t a 将会长足的发展，s a7 f a i i 的未来，要依靠主板 以及硬盘生产厂商的配合，目前来看，最新的n f o r c e4 芯片组、i n t e l 的e 7 5 2 5 贵州大学2 0 0 6 届硕士论文 主板已经支持s a t a i i 接口( 如图8 ) ，而日立等硬盘厂商也有s a i a i i 硬盘上市。 1 2 4 盘片技术 在硬盘磁头、电机及接口不断更新的过程中，存储数据的盘片也在更新中， 一般而言，早期的硬盘的盘片都是使用塑料材料作为盘片基质，然后再在塑料基 质上涂上磁性材料就可构成硬盘的盘片。其次于塑料基质后推出的采用铝材料作 为硬盘盘片基质，现在市场上的i d e 硬盘一般来说都是使用铝材料作为硬盘盘片 基质。而最新的硬盘盘片则是采用玻璃材料作为盘片基质，采用玻璃材料能使硬 盘具有更多的平滑性及更高的坚固性，此外玻璃材料在硬盘高转速时具有更高的 稳定性。 l i2 5 硬盘伺服信息写入技术 在众多与硬盘发展相关的技术中，硬盘伺服信息写入技术非常重要。在硬盘 读取或者写入数据的时候，寻找数据所在的磁道是首先要做的工作。硬盘驱动器 在进行寻道操作的时候，要根据磁道在盘片上的伺服( s e r v o ) 信号计算磁头所 到位置的确切情况，而伺服信号的写入工作是在工厂内完成的。单碟容量4 0 g b 的盘片在径向1 厘米的长度上就分布有超过2 万个磁道，这意味着伺服信号必须 在h d a 装配好且盘片处于运转状态时写入一预先写入伺服信号的做法对装配精 度的要求实在太高了( 多张盘片更是如此) 。磁盘伺服信息写入的技术目前仍掌 握在国外的大公司手中，对伺服信息本身的结构的研究和提高伺服写入的速度是 非常有意义的。 1 2 6 其它技术 硬盘的技术很多，大致来说就以上所说的那些比较关键，但除了这些外，还 有一些不可忽视的技术，如硬盘数据保护技术及防震技术，它们也随着硬盘的发 展而不断更新，但一般而言，不同硬盘厂商都有自己的一套硬盘保护技术，如迈 拓的数据保护系统m a x s a f e 、震动保护系统s h o c k b l o c k ；西部数据公司的数掘保 护系统d a t as a f e g u i d e ( 数据卫士) 等等。这些保护技术都是在原有技术的基 础上推出第二代、第三代、第四代。此外，硬盘的数据缓存也随着硬盘的刁i 断 贵州大学2 0 0 6 届硕士论文 发展而不断增大，早期i d e 硬盘的数据缓存只有1 2 8 k b 甚至更小，后来增加到 2 m b 以及目前高缓存的8 m b ，极大提高了硬盘的性能，当然这其中发热量也提高 了。硬盘缓存芯片和内存一样被集成在硬盘电路板上。硬盘的自我监测、分析和 报告技术，也就是应许多专业用户需要提前对故障进行预测的功能。s m a r t 监测磁头、磁盘、马达、电路等部件，然后根据得到的关于各部件运行情况与历 史记录的数据进行分析、比较，根据需要会自动向用户发出警告。 贵州大学2 0 0 6 届硕士论文 第二章硬盘构造以及伺服技术 2 1 硬盘的组成 现在的硬盘一般由密封顶盖、磁盘驱动器和硬盘控制p c b 板三大部分组成如 图2 1 硬盘密封顶盖 硬盘控制p c b 板 硬盘驱动器 图2 1 硬盘的密封顶盖用来密封硬盘的驱动器，驱动器中磁碟和磁头必须在非常洁 净的环境中才能工作。硬盘控制p c b 板是负责控制磁盘转动，磁头寻道，数据读 写和硬盘与外界的接e l 的工作。大部分的机械结构都在磁盘驱动器中如图2 2 悬臂主轴马达 音圈电机 图2 2 1 1 贵州大学2 0 0 6 届硕士论文 盘片： 硬盘中盘片的尺寸一般有1 0 英寸、1 8 英寸、2 5 英寸、3 5 英寸等几种规 格。盘片中间有孔，用来穿过电机主轴，从而将盘片安装在主轴电机上。盘片 般由铝合金或玻璃制成。表明覆盖一层磁性材料用来记录数据，最外面一般是 层润滑剂，他的作用是在盘片和读写头发生以外接触时保护盘片。 为了更有效的存储数据，盘片上的磁性材料通常被组织成磁道( t r a c k ) 和 扇区( s e c t o r ) 。所谓磁道，是将磁性材料划分为围绕盘片中心的极为细密的同心 圆，每个园即为一个磁道。进一步将每条磁道细分为许多段圆弧，每一段称为一 个扇区。 主轴马达： 一个或者多个盘片通过主轴固定在主轴马达上，由马达带动盘片以恒定速率 旋转。随着硬盘控制技术的发展，主轴电机和盘片的转速也不断提高。 读写磁头： 由于盘片的两面都涂有磁性材料，因此一般每一张盘片需要两个读写磁头。 磁头通常安装在悬臂的末端。悬臂在音圈电机的带动下在盘的表明移动，高速旋 转着的磁盘表明形成一层气垫，从而使磁头悬浮在盘片表明不至于直接接触磁盘 表面。 2 2 硬盘主要功能模块的划分 硬盘所用到的技术是多方面多学科的，包括控制系统、通信系统、机械制造、 计算机科学、材料科学等等。为了方便我们的研究，从功能上我们把他做如下的 划分。 图2 3 为硬盘的功能结构图 贵州大学2 0 0 6 届硕士论文 d r i v ee l e c t r o n i c ss y s t e mo v e m i e w 图2 3 b u f f e rm e m o r y ：缓存。 ， i n t e r f a c ec o n t r o l l e r ：接口控制器，负责数据的输入输出的接口的转换工作。 m i c r oc o n t r o l l e r ：微控制器，主控制模块负责各个模块的协调工作。 p r m lr e a dc h a n n e l ：部分相应读信道，将读取的模拟信号转化为数据。 t i m i n ga s i c ：定时恢复，从读取的模拟信号中获取时钟信号。 s e r v od e m o d u l a t o r ：伺服解调，从读取的模拟信号中分离出伺服信号并数字化。 d i g i t a ls i g f i a lp r o c e s s o r ：数字信号处理器，根据分离出来的数字伺服信号来 补偿悬臂的误差和稳定马达的转速。 p r e a m p ：前置放大器，将从磁头读出的信号进行预放大。 p o s i t i o n i n gd r i v e r ：悬臂位置驱动器。 s p i n d l ed r i v e r ：主轴马达驱动器。 s p i n d l em o t o r ：主轴马达。 v c m ：控制悬臂转动的音圈电机。 r e a d w r it eh e a d ：渎写磁头 m a g n e t i cm e d i ad is k ：磁碟 2 3 实际中的微硬盘硬件模块划分 由于半导体集成电路的密度不断提高，已经可以做到将多个功能模块集成在 贵州大学2 0 0 6 届硕士论文 一起，不但使硬盘的小型| 匕成为可能而且降低了生产成本，同时也使产品的稳定 性大大提高。图2 4 为其原理框图 图2 4 电源管理芯片：给系统提供电力。 主轴马达和悬臂电机控制芯片：将悬臂位置驱动器和主轴马达驱动器集成在一起 并且有自己的管理控制部分，只要通过通信端口向它发送命令就可以控制主轴马 达和悬臂电机的。 外部感应器：感知外部紧急情况通知主芯片采取应对措施( 如：突然的跌落) 主芯片：包括控制读写通道，接口电路和对周围电路的管理与控制。 2 4 硬盘伺服信息 目前，驱动与定位装置都是由音圈电机驱动的，音圈电机则由电路控制。电 路按照给定的道地址，驱动载有磁头的装置到达指定的轨道，并根据位置误差信 号反馈给控制系统，使磁头能够跟踪轨道，达到准确存取数据的目的。伺服信息 是在硬盘出厂之前写在磁盘上的信息。写在磁盘上的伺服信息的好坏，决定着磁 头在读写数据时的性能。 硬盘驱动器磁头定位系统提供磁道位置信息的方式可分为： 面伺服方式：以个专用的伺服面和专用的伺服磁头( 简称面伺服) 读写位置 伺服信息和速度伺服信号( 计算通过几个磁道) 。速度伺服使磁头快速地移到目的 贵州大学2 0 0 6 届硕士论文 磁道：而位置伺服将磁头调整并保持在目的磁道中心。 嵌入式伺服方式：又称扇区伺服方式，它不象面伺服方式有专用的伺服面和 伺服磁头，而是在每个盘面的各个扇区前记录一段伺服信息头共用。 埋入式伺服方式：这是当前最先进的一种磁头位置闭环控制技术，其原理是 利用盘片上磁层磁化深度会随信号频率的高低而不同的特性，在磁层深部写入低 频的伺服信息。读出时，磁头中既含有高频的数据信息，又含有低频的伺服信息。 利用滤波电路可将定位伺服信息取出，作为控制磁头的定位信号。 光电伺服方式：采用一对光藕合元件，一边发射，另一边用光电晶体管接收 光。在这对光电祸合元件中间有两片距离很近的、精确的光刻度盘( 每英寸有 5 0 0 到2 0 0 0 个信号刻度) ，活动部分装在磁头支架上。磁头移动时，活动光刻度 盘和固定光刻度盘之间相对运动，产生莫尔条纹，通过转换电路，对磁头进行闭 环定位控制。 目前普遍应用的伺服方式嵌入式伺服方式，图2 5 为嵌入式伺服示意图，每 个扇区的开头的一段信息就是伺服信息。在伺服信息后面的才是用户的数据区。 图2 6 为伺服信息写入完成以后在仪器下拍摄的磁碟表明的图片，图片上径向上 的白线就是写入伺服信息后留下来的。 图2 5 图2 6 贵州大学2 0 0 6 届硬：l 论文 2 5 伺服信息的构成 伺服信息是写在每个磁道上每个扇区开始位置的一组特殊信息，磁头通过读 取这组特殊信息，来判断是否到达用户所指定的磁道和扇区。每一个磁道都有一 个标明其地址的码字，称为磁道号。图2 7 是一种磁道伺服的格式的示意图：z b 为识别段，不记录信息；z p a 为同步段；z p o s 为位置信息段，作精定位用；z a d 为地址编码段，在其中写入的是索引标志和磁道地址，作粗定位用。当磁头读得 当前磁头所在磁道得地址后，便于目标地址比较，若已临近目标磁道，便切换为 读取位置信息得精控制模式，使磁头精定位在目标磁道上，并跟踪该磁道，使磁 头读取正确得数据信息。 图2 7 图2 8 为从磁头读出得一组完整的伺服信号。从图上可以看出伺服信号是一 组非常特殊的信号。伺服信息编码形式有多种，也是值得研究的一个课题。 图2 8 l7 贵州大学2 0 0 6 届硕士论文 2 6 伺服信息自写入的方案 将伺服信息按设计写入磁碟上的技术就是平时我们所称得伺服写入技术。 伺服信息写入技术可分为： 专用伺服写入机器写入，将磁盘放入专用设备中将伺服信息写入磁碟，然后将 磁碟装入硬盘的底座马达主轴上。这种方法必须在净房中进行，不但净房占用率 高，而且在磁碟的装配过程中很容易造成，磁道的圆心和硬盘的马达主轴不同心。 造成生产出的硬盘质量下降。 i n - - d r i v e r 方式，先将磁碟装入硬盘的底座马达主轴上，然后再用专用的伺 服写入机器进行伺服信息的写入。这种方式有效的解决了伺服磁道的圆心和硬盘 的马达主轴不同心这一问题，但是占用净房的时间依然很多。 伺服信息自写入方式，由专用设备在磁盘上写入特殊的信息，这个过程耗费 时间比较短，然后装进硬盘中密封好以后，拿出净房由硬盘自己根据磁盘上已有 的特殊信息自行写入伺服信息。这种方式减少净房的占用时间，并且解决了了伺 服磁道的圆心和硬盘的马达主轴不同心这一问题。 本文的工作内容是伺服信息自写入方式研究的部分内容。 2 7 伺服信息自写入研究任务的划分 研究任务的划分： 1 预写入信息的研究和伺服信息补全算法研究( s e l f - s e r v ow r i t e ra l g o r i t h m ) 基本要求：预写入信息机构简单，写入速度快，伺服信息补全算法高效易于 实现。 2 读写通道的研究( r e a d t r i t ec h a n n e l ) 基本要求：对预写入信号准确读取，能够准确及时写入伺服信息。 3 磁头的定位及寻道( s e e ka n df o l l o w ) 基本要求：建立音圈电机模型，建立定位及寻道控制系统的数学模型。 4 主轴马达的控制( m o t o rc o n t r 0 1 ) 基本要求：主轴马达模型的建立，马达转速控制系统模型建立。 5 嵌入式平台的建立( e m b e d d e ds y s t e m ) 基本要求：依靠现有的硬件平台，将嵌入式操作系统移植到主控芯片上建立 贵州大学2 0 0 6 届硕士论文 用于伺服信息自写入的嵌入式开发平台。 6 系统的综合与实现 基本要求：将1 至4 的数学模型和算法用程，茸代码实现，并将各个模块整合 起来，实现总的研究任务。各个任务间的关系如图2 图2 9 本文只要从事的工作是第4 和第5 部分的内容下面主要说明嵌入式平台的建 立和马达速度控制模型及其在嵌入式平台上的实现。 1 9 贵州大学2 0 0 6 届硕士论文 第三章硬盘主轴马达的伺服控制 3 1 无刷直流电机在硬盘驱动器中的应用 直流无刷电动机具有调速性能好、控制方法灵活多变、效率高、启动转矩大、 过载能力强、无换相火花、无无线电干扰、无励磁损耗及运行寿命长等诸多优点， 故其应用范围遍及各个领域，并日趋完善。 近年来，由于永磁材料的性能不断的提高及其制造成本的不断下降，极大的 促进直流无刷电机的应用领域迅速扩展。随着大规模集成电路的普及和市场竞争 的激烈化，各生产厂家纷纷推出各具特色的直流无刷电动机专用集成电路控制芯 片。把原来由通用芯片组成的、具备各种功能的电子控制电路集成在一片控制芯 片内，这不仅增加了产品的保密性和可靠性，使得控制电路的体积大大减小，同 时还减少了整个装置的调试工作。 硬盘驱动器是计算机的主要外存储设备，是集电磁学、电子学、精密机械及 空气动力学等多门学科于一体的高科技产品。硬盘对其主轴电动机的要求很高， 除了一些基本要求诸如其额定转速高，一般为4 5 0 0 5 4 0 0 7 2 0 0r m i n ，有的高 达1 0 0 0 0r m i n ，运行稳速精度0 1 以上，没有无线电干扰，运行寿命长，平 均无故障率高达4 万小时以上等以外。对它的制造和装配精度也提出了很高要 求，尤其是与盘片配合的电动机端面的跳动度，要求非常严格，否则无法工作。 硬盘驱动器中主轴电动机的结构一般都采用外转子结构，分内藏式和扁平式 两类。随着硬盘直径不断减小，其内孔直径也越来越小，内藏式外转子电动机的 结构已不再试用。转而采用扁平式结构电动机，以满足薄型硬盘存储器的要求。 由于硬盘驱动器的年产值很高，各厂家的控制电路均有各自特点，一般均制成专 用芯片，既保密，价格又低。 贵州大学2 0 0 6 届硕士论文 3 2 直流无刷电机的基本组成环节及工作原理 孙 辫 图3 1 直流无刷电动机的结构原理如图3 1 ，它主要由电动机本体、位置传感器和 电子开关线路三部分组成。电动机本体在结构上与永磁同步电动机相似，但是没 有笼型绕组和其他启动装置。其定子绕组一般制成多相( 三相、四相、五相不等) ， 转子由永久磁钢按一定极对数组成。图中为三相两极。三相定子绕组分别与电子 开关线路中相应的功率开关器件连接。位置传感器用来跟踪电动机转轴的转动位 置。当定子绕组的某一相通电时，该电流与转子永久磁钢的磁极所产生的磁场相 互作用而产生转矩，驱动转子旋转，再由位置传感器将转予磁钢位置变换成电信 号，去控制电子开关线路，从而时定子各相绕组按一定顺序导通，定子相电流随 转子位置的变化而按一定的次序换相。由于电子开关的导通次序是与转子转角同 步的，因而起到了机械换相器的换相作用。 因此，所谓直流无刷电动机，就其基本结构而言，可以认为是一台由电子开 关线路、永磁式同步电动机以及位置传感器三者组成的“电动机系统”。其原理 框图如图3 2 贵州大学2 0 0 6 届硕士论文 图3 2 3 3 直流无刷电动机的传递函数 要十分精确的分析直流无刷电动机的运行特性和传递函数是很困难的。它涉 及非线性理论及数值解法等诸多问题，再一般工程应用上尚无此必要，故通常均 做如下假定( 即抓住直流无刷电动机中主要矛盾以简化其推导) ： 电动机的气隙磁感应将度沿气隙按正弦分布。 绕组通电时，该电流所产生的磁通对气隙磁通的影响忽略不计。 控制电路在开关状态下工作，功率晶体管压降为恒定值。 各相绕组对称，其对应的电路单元完全一致，相应的电气时间常数忽略不计。 位置传感器等控制电路的功耗忽略不计。 图5 3 为马达的电路等效图，其中各参数说明如下： 瓢 图3 3 q 输入电压缈) 环路电流) ，总的转动惯量矩( 马达主轴的转动惯量矩，。与碟片的转动惯量矩，。之和) 恼一：) 童! ! ! ：! 盔兰! 塑! 旦堡主笙塞 一 k 。电机电压常数缈r 以s ) k ，电机转矩常数嘛。，r e a ) 工。电机内部等效电感) r 。电机内部等效电阻( q ) 瓦负载转矩嘛，m ) o ) m 电机角速度( r a d s ) 口电机角加速度( r 口d s 2 ) 电压方程：巳= r 。+ 工。百d i a + k 。 转矩方程：f 。k ，= j r c t = j ri d ( o _ m 对上面两个方程进行拉普拉斯变换，联立求解得马达得传递函数： 1 监：竺 e it m t 。s2 + t m s + 1 其中t 。= 等( 公姐1 ) ，。急( 公式3 2 ) 图3 4 为马达的系统框图 图3 4 贵州大学2 0 0 6 届硕士论文 3 4 直流无刷电动机的控制方法 直流无刷电动机的应用，已遍及各个技术领域，其控制方法和运行方式五花 八门，层出不穷。从一定意义上说，直流无刷电动机是直流电动机的一个分支， 除了不能采用变励磁调速方法( 因转子磁极为永久磁钢) 外，其他一切直流电动 机的速度控制方法均可用来控制直流无刷电动机。 3 4 1 反电动势控制技术 直流无刷电动机反电动势控制换相技术的基本原理十分简单。直流无刷电 动机一旦起动后，其转子磁钢所产生的磁通要切割定子绕组而产生反电动势。其 大小正比于直流无刷电动机的转速及其气隙中磁感应强度。当转子磁钢极性改变 时，反电动势波形的正负也随着改变。所以，只要测出反电动势波形的过零点， 就可以确定转子磁钢的精确位置，并以此控制直流无刷电动机的换相。 采用反电动势控制技术省去了检测转子位置的传感器，不但节省了控制电路 的成本，而且使得直流无刷电动机结构更加简单可靠。特别是对于那些体积很小、 难于安装位置传感器的直流无刷电动机，采样反电动势控制技术的意义就更大 了。 其主要缺点是反电动势在低速时很难被精确测量，因此不太适合于要求经常 快速起动或超低速运行的直流无刷电动机，较适合于常时间稳速运行的直流无刷 电动机，如计算机系统中硬盘驱动器中的主轴电动机。 3 4 2 电机转速的锁相控制 所谓锁相就是相位同步的自动控制，完成两个电信号相位同步的自动控制系 统称为锁相环( p l l ) 。一般由三个基本单元构成：相位比较器( p d ) 、环路滤波 器( l p f ) 、压控振荡器( v c 0 ) 。其整体结构如图5 5 p dl p fv c 0 图3 5 贵州大学2 0 0 6 届硕士论文 施加于相位比较器上有两个信号：输入信号s i ( t ) 和压控振荡器的输出信号 s o ( t ) 。 相位比较器输出信号为s e ( t ) ，它正比于s i ( t ) 和s o ( t ) 的相位差，s e ( t ) 经过环路滤波后得到一个电压信号s d ( g ) ，这个信号控制压控振荡器( v c o ) 的频 率变化，使输入与输出信号频率之差不断减小，直到这个差值为零，这时称之为 锁定。锁相环首先在信号处理和数字系统中得到广泛的应用，如用于频率调制、 频率锁定、时钟同步和分频、倍频等诸多方面，而后把它移植作为电机转速控制 的种方案，其基本思想是把电机的反电动势输出看作压控振荡器。把反电动势 信号和给定信号在相位比较器中进行比较，一旦把它锁定，则反电动势信号和给 定的信号保持同步，电动机就在高精度的状态下稳定运行。 特别指出的是，在通信领域中应用的锁相环与电机转速控制中应用的锁相环 之间存在着本质的差别。在电动机控制的场合下，电动机一反电动势所组成的 v c o 是一个带有惯性的压控震荡器，而普通通信环路中的v c o ，可以更加其输入 电压很快的改变其输出频率，是一个无惯性环节。但由电动机一反电动势组成的 v c o 却不是，它主要取决于电动机本身的传递函数。这一点使得伺服系统的锁定 过程大为复杂。 通信环路中应用的v c o ，它是一个无惯性环节。其输入电压和输出频率之间 的关系为：，o = k u ； 式中 l 一输出频率( h z ) k 一常数( h z v ) u 一输入电压( v ) 如果电动机一反电动势用作压控振荡器，则其传递函数为：f ( s ) = p n ；p k ( s ) u 式中女( 5 ) 一电动机控制电压u 与转速n 之间的传递函数 p 一比例系数 由于系统中储能元件的作用，使该传递函数引进了附加极点。这个极点使锁 相环的处理变得复杂了。此外，极点的位置与负载的惯性有关。在电动机运行过 程中，当其应用场合发生变化时，极点的位置也往往发生改变，这更给系统锁定 贵州大学2 0 0 6 届硕士论文 带来困难。 3 4 3 电机转速的锁相控制的改进 在本设计中用p i d 控制器来代替环路滤波器l p f 以达到对马达转速更有效的 控制。如图3 6 p d i p f v c o 图3 6 假设p i d 模块的系数分别是巧、k ，、0 ，其传递函数为 p 1 d ( s ) ：型普坠( 公龃3 ) v c o 模块的传递函数为： 土 v c o ( s ) 2 志( 公式3 4 ) 则整个系统的模型如图3 7 ： 图3 7 2 6 重型查堂! 塑! 星堡主堡苎一 3 4 4 电动机的启动过程 采用锁相技术控制马达转速，需要两个阶段。 首先让电动机启动，让电机的转速落在锁相环能捕获的范围。然后打开锁相 环的工作电路，让锁相环控制马达稳定的运转。 电机的启动算法： 由转矩方程：f 。k r = j r c t = j r l d o ) _ m可得a = i 了x _ k r 方程两边对时间积分得到。竺掣( 公式3 5 j r 再次积分得到 口：坠2 , 将公式整理即得到= 等k t ( 公式3 6 ) f 。 r 其中 k r 电机转矩常数。，。m a ) j ，总的转动惯量矩临，z 2 ) 环路电流) t 为时间( s ) 己知电动机的目标转速，选定启动的时间长度。将他们带入公式可得到启动 时所需要的电流值，输入电流经过上面选定的启动时间的延时，电动机的转速就 应该在目标转速的附近，然后交给锁相环进行速度控制。 贵州大学2 0 0 6 届硕士论文 第四章伺服信息自写入的嵌入式系统硬件平台建立方案 4 1 嵌入式系统的一般构成 嵌入式系统一般指非p c 系统，有计算机功能但又不称之为计算机的设备或 器材。它是以应用为中心，软硬件可裁减的，适应应用系统对功能、可靠性、成 本、体积、功耗等综合性严格要求的专用计算机系统。简单地说，嵌入式系统集 系统的应用软件与硬件于一体，类似于p c 中b i o s 的工作方式，具有软件代码 小、高度自动化、响应速度快等特点，特别适合于要求实时和多任务的体系。嵌 入式系统主要由嵌入式处理器、相关支撑硬件、嵌入式操作系统及应用软件系统 等组成，它是可独立工作的“器件”。 嵌入式系统的硬件部分，包括处理器微处理器、存储器及外设器件和i o 端口、图形控制器等。嵌入式系统有别于一般的计算机处理系统，它不具备像硬 盘那样大容量的存储介质，而大多使用e p r o m 、e e p r o m 或闪存( f l a s hm e m o r y ) 作为存储介质。软件部分包括操作系统软件( 要求实时和多任务操作) 和应用程序 编程。应用程序控制着系统的运作和行为：而操作系统控制着应用程序编程与硬 件的交互作用。 4 2 嵌入式处理器的选择 嵌入式系统的功能软件集成于硬件系统之中，系统的应用软件与硬件一体 化。在嵌入式系统的硬件设备中，嵌入处理器是整个系统的核心部件，其性能的 好坏直接决定整个系统的运行效果。 嵌入式系统开发面向具体应用，不同领域的应用市场需要不同款式和性能指 标的处理器来开发，于是在嵌入式处理器市场中，中低端的4 位、8 位和1 6 位 处理器依然存在，高性能的3 2 位处理器也有很多产品。随着超大规模集成电路 技术和微电子技术发展，包含嵌入式处理器以及部分外围电路的微控制器产品也 进入市场，片上系统s o c ( s y s t e mo rc h i p ) 产品也开始出现。 由于嵌入式系统应用需求的多样性，市场上基于r i s c 结构的嵌入式处理器 提供商也f f 渐增多。如ar m 、m ips 、arc 、str0ngar m ( intej ) 、 sh 系列( hita chj ) 、vr 系列( nec ) oeodesc1400 ( ns ) 、s tpc(stmcroe1e ctronics ) ela1 1sc4xxx ( 人m d ) 、 贵州大学2 0 0 5 届硕士论文 i r m 系列( qed ) ，tx39x x 系列( toshiba ) ，pr3lxx ( phi lip s ) ，rc 系列( idt ) 等。0 4 年市场占有率排名是ar m 、motoro1a 的68k coldf ire 、mips 、日立、intel 的x86 、motorola 的pow erpc 、i1 2tel 的i9 60 、sun 的sparc 。 a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ) 是微处理器行业的一家知名企业，设计了 大量高性能、廉价、耗能低的r i s c 处理器、相关技术及软件。技术具有性能高、 成本低和能耗省的特点。 a r m 将其技术授权给世界上许多著名的半导体、软件和o e m 厂商，每个厂 商得到的都是一套独一无二的a r m 相关技术及服务。利用这种合伙关系，a r m 很快成为许多全球性r i s c 标准的缔造者。 目前，总共有3 0 家半导体公司与a r m 签订了硬件技术使用许可协议，其 中包括i n t e l 、i b m 、l g 半导体、n e c 、s o n y 、菲利浦和国民半导体这样的大 公司。至于软件系统的合伙人，则包括微软、升阳和m r i 等一系列知名公司。 另外值得一体的是2 0 0 4 年a r m 的i p 销售收入为3 1 2 2 亿美元，市场份额为 2 5 ，是排名第二的r a m b u si n c 收入的两倍多，后者的市场份额为ll 。 a r m 在嵌入式处理器市场上的主导地位，使得a r m 系列处理器被广泛的应 用。a r m 系列处理器的资料相对来说比较丰富，一定程度上降低了我们的开发 难度。 4 2 1a r m 9 系列处理器特点 a r m 9 系列于1 9 9 7 年问世，由于采用了5 级指令流水线，a r ”9 处理器能够运 行在a r m 7 更高的时钟频率上，改善了处理器的整体性能：存储器系统根据哈佛 体系结构重新设计，区分了数据d 和指令i 总线。 a r m 9 系列的第一个处理器是a r m 9 2 0 t ，包含独立的d + ic a c h e 和一个m m u 。 这个处理器能够被用在要求有虚拟存储器支持的操作系统上。a r m 9 2 2 t 是 a r m 9 2 0 t 的变种，只有一半大小的d + ic a c h e 。 a r m 9 4 0 t 包括一个更小的d + ic a c h e 和一个m p u 。他是针对不要求运行平台 的操作系统的应用而设计的。a r m 9 2 0 t 和a r m 9 4 0 t 都执行v 4 t 架构指令。 a r m 9 系列的下一个处理器是基于a r m 9 e s 内核的。这个内核是a r m 9 内核带 贵州大学2 0 0 6 届硕士论文 有e 扩展的一个可综合版本。它有2 个变种：a r m 9 4 6 e - - s 和a r m 9 6 6 e - - s 。两者 都执行v 5 t e 架构指令。它们也支持可选的嵌入式跟踪宏单元( e t m ) ，允许开发 者实时跟踪处理器上指令和数据的执行。当调试对时间敏感的程序段时，这种方 法非常重要。 a r m 9 e 系列微处理器为可综合处理器，使用单一的处理器内核提供了微控制 器、d s p 、j a v a 应用系统的解决方案，极大的减少了芯片的面积和系统的复杂程 度。a r m 9 e 系列微处理器提供了增强的d s p 处理能力，很适合于那些需要同时使 用d s p 和微控制器的应用场合。 a r m 9 e 系列微处理器的主要特点如下： 一支持d s p 指令集，适合于需要高速数字信号处理的场合。 一5 级整数流水线，指令执行效率更高。 一支持3 2 位a r m 指令集和1 6 位t h u m b 指令集。 一支持3 2 位的高速a m b a 总线接口。 一支持v f p 9 浮点处理协处理器。 一全性能的m m u ，支持w i n d o w sc e 、l i n u x 、p a l mo s 等多种主流嵌入式操 作系统。 一m p u 支持实时操作系统。 一支持数据c a c h e 和指令c a c h e ，具有更高的指令和数据处理能力。 一主频最高可达3 0 0 m i p s 。 a r m 9 4 6 e - - s 包括t c m ( t i g h t l yc o u p l e dm e m o r y 紧耦合存储器) 、c a c h e 和 一个m p u 。t c m 和c a c h e 的大小可配置。改处理器是针对要求有确定的实时响应 的嵌入式控制应用而设计的。而a r m 9 6 6 e 有可配置的t c m ，但没有m p u 和c a c h e 扩展。 a r m 内核采用r i s c 体系结构。r i s c 是一种设计思想，其目标是设计出一套 能在高时钟频率下单周期执行，简单而有效的指令集。r i s c 的设计重点在于降 低由硬件执行的指令的复杂度，这是因为软件比硬件容易提供更大的灵活性和更 高的智能。 a r m 9 系列处理器的处理速度完全可以满足硬盘伺服控制的要求。 贵州大学2 0 0 6 届硕士论文 4 2 2a r m 开发工具a d s 仅