信息处理机的发展趋势

信息处理机的发展趋势

1外存储器设备发展磁盘数据库具有集中量大、速度快、可以分离的优点。因此，它已成为计算机外存储器的主要设备。其主要类型有硬磁盘驱动器(HDD)和软磁盘驱动器(FDD),微特电机在这两种类型的磁盘驱动器中得到大量的应用。1.1硬磁盘驱动器1.1.1密封超净腔电机设备HDD是一种高度精密的机电一体化产品,主要由盘体、头盘组件、主轴电机、寻道取数电机及读写电路与定位驱动电路等组成。其中寻道取数电机分为摇臂式和直线式,而直线式又分为步进电机金属带式和音圈电机式两种类型。HDD的典型结构原理见图1。图1是采用温彻斯特技术制造的头/盘组合体,其显著特点是,结构紧凑、造价低、可靠性高、容量大,是相同体积软盘存储器容量的5～60倍,因此发展极快。重叠放在密封超净腔盒中的磁盘组(项3)由主轴电机(项11)驱动运转,同时由寻道取数电机(项7)按照控制电路板(项8)发出的指令,驱动小车(项6)作往复运动并精确地定位在盘面的同心圆磁道上,通过磁头(项4)、读写组件(项5)按位读取数据。磁头(项4)在工作时呈悬浮状态,其间隙仅为0.05μm,在磁盘组(项3)表面飞行的高度保持在0.3μm以下,以利提高记录密度和读写速度,也利于读取较大幅度的高信噪比的信号和提高存储数据的可靠性。考虑到盘片的惯性与稳定性,盘片的外径尺寸选用Φ130、200mm,而主轴电机(项11)通常采用无刷直流电机,是因为用电子电路取代电刷后,减少了机械磨损,可以长时间连续工作,且无换向火花及对磁盘、磁头不会产生无线电干扰。主轴驱动电机的转速一般是在3600～7200r/min。为满足HDD的存储容量、平均寻道时间、数据传输率等性能指标,对磁盘的道密度与位密度要求随之提高,对伺服定位系统的性能要求,如定位误差精度、抗干扰能力、刚度及谐振频率等指标也随之提高,以达到较短的平均寻道时间,促使高性能伺服定位系统中的微特电机运用而生。1.1.2hdd使用电机的类型和特点1.1.2.在无刷电机中的应用从HDD的发展过程来看,主轴电机(项11)的结构类型已由采用印刷绕组电机、交直流伺服电机,发展到采用无刷直流电机。其原因是随着硬盘容量不断增大的同时,要求磁盘的转速相应提高,因此也带来了机械磨损加剧、温度升高、噪声增大等一系列负面影响,而采用了无刷电机,在结构上可省略电刷、减少机械磨损,从而达到降温、减噪、提高效率的目的。特别是由于电子元器件技术和工艺性的提高,使无刷电机形成为一种十分理想的驱动源。在实际使用时,必须保证直接驱动式主轴电机的主导轴与转子同心,并与安装面保持垂直。以应用于ZPC-201型HDD中驱动主轴带动盘片转动并有空气过滤作用的无刷直流电机为例,其技术指标为:额定电压22V,额定转速2400r/min(+5%,-10%),额定转矩0.18Nm。应用在精密机械工业上的高新技术产品——液态轴承被引入到HDD中去,可大幅提高其综合性能,这是因为与采用传统滚珠轴承电机不同之处是:液态轴承电机使用的是黏膜液油轴承,其优点有三:①避免了金属面的直接摩擦,噪声的温度减至极低。②油膜有效吸震,可使抗震能力极大提高。③理论上无磨损、寿命无限长。这项高新技术虽然增加了制造成本,但是产品的整体性能和耐久性得到大幅度的提高,值得大力推广应用。1.1.2.摇臂式寻道取数方式寻道取数电机(项7)有直线式和摇臂式寻道取数方式。从HDD的发展过程来看,寻道取数电机从多种形式已集中到选用步进电机和音圈电机两种。(1)直线速度传感器音圈电机(项2)顾名思义与动圈式扬声器相似,当音频信号通入场声器,就会推动纸盆发出音频响声,而当不同极性的直流电流通入项2,就会推动音圈及与音圈相连的小车(项3),磁头臂(项4)作往复运动,并通过装在项3上的磁头组件,将信号写入或读出磁盘组(项5)。在项5中间装有一个专门用作位置传感的伺服盘面,以便让伺服磁头可以在盘面上直接测量磁头与磁道之间的相对位置,从而使磁头定位精度达到1μm,确保平均存取时间可达20～30ms。直线速度传感器(项1)装在音圈电机(项2)的内铁心中,当小车(项3)运动时,项1中线圈会因细长磁棒运动而感应出与速度成正比的信号,以作速度反馈用。这是高精度快速直线定位系统的典型实例。(2)对磁圈式直线电机的应用直线寻道取数方式是使磁头取数臂沿盘片的径向作直线移动。典型方式有步进电机/金属带式及音圈式直线电机结构。后一种方式继承了355.6mm(14英寸)磁盘的HDD成熟技术,磁头取数臂沿盘片径向作直线移动,而且采用了伺服面盘片和直线速度传感器,可以达到较高的道密度和位密度。但是由于使用的零件多,使硬件的体积大而成本高,因此多在203.2mm(8英寸)以上的HDD中应用。a.步进电机金属带式结构示意图(见图3)当步进电机(项2)步进驱动运行时,使主动轮毂(项1)由旋转动作通过金属带(项3),使滑块(项4)变成直线运动。这种结构应用在133.35～203.2mm(5.25～8英寸)的HDD上,道密度达256道(相当于10道/mm),寻道时间相邻道为2～3ms,平均为85～120ms,最大为205～360ms,容量可达12～12.76M字节。因为磁道的位移量是由步进电机(项2)来控制的,主动轮毂(项1)转过的弧长即位移量的大小与步进电机的角位移及与传动机构钢带连接的主动轮毂的直径有关,由于结构上的原因,要使步进电机的角位移做小是很困难的,但是这种结构对实现HDD的小型化有利,因为零部件少,成本也低,装在机外步进电机散发的热量使盘腔内的温升不会很高。其他如步进电机/滚子金属带式结构,原理同上,因步进电机走步时的惯量更小,所以平均寻找时间仅为18ms。由于永磁感应式步进电机具有步距角小、启动频率高、功耗小、电磁阻尼大、自锁能力强、造价低等优点,因而得到大量应用。BYG系列永磁感应式步进电机的外形尺寸有:圆形从Φ42～110mm;方形有40mm×36mm、57mm×52mm等规格。步矩角度有:0.9°、1.8°、3.6°;控制电压有:12、15、24V等;内部结构为四相双段式。因为步进电机的取数时间较长,定位精度和刚度都较低,因此多应用于性能较低的单片或双片HDD中。在大容量、高密度的多片盘HDD中,现趋向于采用音圈式直线电动机。b.音圈式直线电动机具有体积小、比推力大、控制简便、寻道取数速度快、定位精度和刚度都较高,是性能最先进的一种寻道取数驱动方式。音圈式直线电动机外形尺寸有:Φ104～240mm;有效行程52～60mm,附加行程38～46mm;比推力12～14Nm。与其配套的直线测速发电机作速度反馈用,外形从Φ11～20mm;输出斜率从1.8～8mV/mm/s;工作行程从10～72mm。短音圈双磁路结构的直线电动机已应用于11片盘、50M字节HDD。短音圈单磁路结构的直线电动机已应用于6片盘、14.5M字节HDD。短音圈开放磁路结构的直线电动机已应用于2片盘、6M字节HDD。长音圈磁路结构的直线电动机已应用于11片盘、29M字节HDD。国际上在美、日的音圈式直线电机已大量生产,国内的产业化生产还是空白点。图4表示出应用于2片盘、6M字节HDD中短音圈开启式双磁路结构的定位组件构成。项2、3、5均置于音圈电机(项1)的外侧,整体结构紧凑,制造与维护都比较简便。其主要指标:音圈电机工作行程52mm,比推力6Nm,不均匀度±3%。(3)摇臂式音圈电机在摇臂式寻道取数定位方式中,采用音圈电机结构的多,它是由走弧线式的摇臂结构来代替走直线的小车。如图5所示摇臂式音圈电机工作原理。当电流通入摇臂式音圈电机(项1)的线圈即可推动安装在支架(项3)上的摇臂架(项6)绕支轴(项4)转动,从而使安装在臂架(项6)上的磁头组件(项7)相对磁盘(项8)作弧线移动。因为磁头不是沿盘面作径向直线运动,所以在摇臂式音圈电机实际应用时,在每面磁盘上采用数个磁头,通过缩短动程来使磁头移动的圆弧线接近直线;音圈骨架采用非导磁酚醛玻璃纤维材料制成,其截面是矩形的,并在音圈中间部位采用跳越式绕线方法,目的是为了提高比推力的均匀性,同时可以确保围绕支轴偏转必需的刚性和强度,以满足闭环控制驱动功能必需的临界频率。由于摇臂运动所需的力矩小,力常数仅为1N/A左右,峰值电流也约为1A左右,因此产生的热量不是很大且可通过外壳散出,加之产品价廉且体积小,所以在小盘上的应用还是很广泛的。上述摇臂式音圈电机的加速度可达58m/sa,平均存储时间为72.5ms。其他结构还有扁平线圈摇臂式音圈电机、转臂式音圈电机及转臂式直流力矩电动机,都是比较实用的取数定位方式。1.2市场前景分析FDD是20世纪70年代发展起来的一种计算机最好的信息存储与传送设备,尤其是近年来由于PC机的迅猛发展而具有广泛的市场。其优点是,①结构简单、操作方便。②性价比高,整机价格仅是小型HDD的1/7,适应了微处理器系统对外存储器小型、可靠、价廉的需求。③用途广泛,除可代替卡片机和纸带机作为计算机的输入输出设备,还可与PC机一起构成高性能的智能终端。④使用方便,对环境无特殊要求。1.2.1发电机传动驱动先将软磁盘(项11)准确地紧压在主轴驱动轮(项10)上,当关上驱动器的门锁机构时,转动臂(项13)下压,靠压紧轮(项12)上的塔形弹簧足以压紧项11,使项11与主轴驱动轮(项10)不产生滑动。为确保项10的转速均匀、恒定且不随负载及电压波动而发生变化,同步电动机(项7)以1500r/min的额定转速,通过传动皮带(项8)来驱动项10,使项10与项11一同旋转。另一路利用丝杠(项6)的传动机构将步进电动机(项4)的转角运动转变为磁头小车(项5)的直线运动,确保项4每转过一个步距角,项5中的磁头就移过一条磁道。当加载继电器(项2)通电动作时,加载臂(项1)就把项11压向项5的磁头,使两者接触以便通过读写电路、磁头定位控制电路、索引检出和准备好电路,分别完成读写数据和控制驱动器的动作。1.2.2无刷直流电动机的fdd近年,无刷直流电动机采用外转子结构并直接驱动软磁盘(项11),这样就可省略了图6中的项7、8、9、10,提高了运转精度。图7是FDD中驱动电机的结构示意图。当关闭软盘驱动器的门时,图7杯形压紧机构中的项4(压紧轮)通过背后弹簧压力将项11(软磁盘)压紧在项5(磁盘驱动轮)上,使盘片随项5一起旋转。图7中的FDD采用无刷直流电动机,其定子结构一般采用9—12槽铁心、三相星形绕组通用型结构;也有采用由6个平面印刷绕组分布在一圆盘上、120根导体均匀依次串联、3个霍尔元件作位置检测信号用、4对轴向充磁磁钢安装在另一圆盘上的扁平结构。其电机的额定电压有5、12V;额定转矩0.184、3.92mNm;额定转速300、360、4000r/min;额定电流1.25、0.5A;起动转矩0.4、8.82mNm。FDD无刷直流电动机的控制电路由频率发生器、比较器、功率放大器等组成。1.3高速磁带机1.3.1数字音频录放机磁带机是将数据信息以磁记录方式记录在磁带上的设备。早期磁带主要用于记录类似于音频录放机的模拟信号,随着社会信息化程度的提高,又将其发展成为数字式磁带机。利用数字式磁带机可以迅速地将HDD中的系统软件、应用软件及数据转储到磁带中,成为系统备份,可以有效地防止数据丢失。1.3.2高速磁带机的自动控制磁带机中伺服系统是由主动轮和带盘两种伺服系统组成,分别控制文件盘和收带盘运动。为满足磁带机快启停的技术要求,目前都采用单主动轮驱动方式,其伺服系统工作框图见图8。图8中的正反斜坡发生器(项1)输入斜坡电压的作用是给定启停时间和减少对系统的冲击;倒带斜坡发生器(项8)将倒带斜坡电压和反向斜坡电压同时输入,满足倒带时的带速缓慢地上升到2倍额定转速;放大器(项2)将误差信号放大,以获得足够的驱动控制功率;反馈校正网络(项3)改善系统频率特性,提高系统的灵敏度和稳定性;主动轮电机(项5)、测速发电机(项6)组成低惯量永磁式直流电动机组,直接驱动主动轮运转,并由同轴上的项6测量项5的实际转速与输入给定的速度进行比较,根据这两者误差,系统自动调整项5的端电压,保持电动机转速与给定转速一致。在磁带速为5～7.5m/s的高速磁带机中,采用低惯量结构设计的直流伺服电动机作为主动轮驱动,其特点是转动部分采用空芯杯结构,以便满足快速起停功能要求。其主要性能指标是:额定电压36V,额定电流7.5A,额定转速3250～5000r/min,转动惯量23×10-7～26×10-7kg·m2;机械时间常数0.63～1.1ms;外形尺寸Φ130mm×234mm;重量7.5kg。1.3.3伺服电路引起的变化这是一个速度闭环调整系统,其工作原理是,当主动轮启动后,带盘伺服系统驱动带盘并使带盘转速跟上主动轮线速度,如两者有误差,则通过传感器测出积带箱(项1)中的位置或摆杆的偏摆角度所引起的变化,经伺服电路(项3)放大后控制带盘电机(项4)的转速使其与主动轮的线速度保持一致。用于5～7.5m/s高速磁带机中的带盘电动机采用直流伺服电动机结构,其主要性能指标为:激磁绕组偏置电压48V激磁绕组偏置电流0.7A,转矩常数(低速时)0.4N·m,高速时0.1N·m,电压常数(低速时)41V/(kr/min),高速时10V/(kr/min),外形尺寸Φ130mm×225mm。1.4cd-rom1.4.1fdd/存储磁带机光盘存储器是一种最有发展前途的存储设备,其特点:(1)与HDD相比,具有携带方便、体积小、重量轻、光盘可装卸等优点。(2)与FDD相比,容量大,可达640MB,相当于500多张高密度软盘容量。(3)与磁带机相比,具有随机存储、存取方便、速度快等优点。尽管CD-ROM的盘片与CD唱片和LD视片相似,但磁记录的方式有本质的区别,前者采用2进制数字编码,而CD采用模拟形式的音频信息,LD采用模拟形式的视频信息。1.4.2储器中微特电机的应用光盘存储器有三种类型:只读型(CD-ROM)、追记型(WORM)及可重写型。因为追记型(WORM)受磁光盘及可重写型光盘的影响,有逐步被淘汰的趋势,而可重写型光盘驱动器的基本原理与HDD的相似(区别之处仅是采用激光进行信息的记录),所以此处不再重复,而重点介绍CD-ROM光盘存储器中微特电机的应用,见图10。光学读出头(项2)由发射激光的GaAIAs激光二极管和聚焦透镜组组成激光发生器,以及由光电检测器和放大电路组成的光线接受器。光盘头伺服电路(项3)的功能是检测光学头的位置并产生光盘磁道跟踪和定位信号。驱动部件(项4)由音圈电机或步进电动机驱动和控制项2径向移动,寻找存储数据道,与HDD的驱动原理和要求相似。数据信号处理电路(项5)完成对项2读出信号进行整形放大、数据编码及存储缓冲等功能。由主轴和盘片驱动机构(项6)驱动主轴电机(项7)带动放置在主轴托盘内的盘片(项1)高速旋转。项7由无刷直流电动机的主轴带动项1高速旋转,其结构一般均采用三相星形接法的外转子式无刷直流电动机,具有高效、低耗、低噪声、长寿等优点