摘  要  根据软盘机快速访问的要求，提出采用音圈电动机驱动磁头定位机构，并对音圈电动机结构、气隙磁场、音圈等作了设计与计算，同时，给出了一种音圈电动机控制系统，对其定位信号及快速定位机理进行了分析。

     叙  词  音圈电动机磁路结构设计计算控制系统

 

    近年，由于电子计算机性能的不断提高，强烈要求缩短软盘机的存取时间和提高存贮容量。更短的存取时间和更大的道密度均靠磁头定位性能的提高而获得。目前，实用化软盘机磁头定位机构均采用步进电机驱动，这使得软盘机的工作速度慢，远远跟不上计算机主机的速度，因为在步进电机驱动方式中，找道是靠步进电机一步一步完成的，结果，道密度越高，找道时间越长。同时，这种定位方式限制了道密度的进一步提高，因为其定位精度主要靠步进电机的步距精度和传动机构精度维持，但是定位系统本身的精度误差、盘片热膨胀效应以及外界振动因素的影响，将会产生严重偏道现象，由于未设置位置反馈信号，一旦严重偏道发生，定位系统是无能为力的。因此，在大容量快速访问软盘机的研究中，采用音圈电机驱动磁头定位机构。为了缩短找道时间，要求音圈电杌的推力大，运动体质量轻，电阻电感等电气参数满足伺服控制系统要求，谐振频率高，以满足系统稳定性的要求。本文介绍音圈电机结构、特性和控制系统。

    以上所描述的特性，要通过所设计的磁路而获得，如图1所示。两块磁钢分别粘在E型铁心的两边，磁通的方向沿着磁钢的厚度方向通过。磁路分为两路，一路由间隙、E型铁心返回磁钢。一路由间隙、E型铁心的心柱、极板近回磁钢。这种双磁路结构漏磁小，工作气隙磁密均匀性好。音圈位于上、下磁钢的间隙之中，通过连接件与取数臂相连。当线圈中通以电流时，磁头就直线运动至需要的磁道，这一运动受速度和位置的反馈控制。E型铁心的心柱套了一个很薄的短路环（铜套），这是为减小动圈电感而设计的。动圈中的电流在铜套上感应产生环形电流，环形电流产生的磁通就能抵消动圈电流产生的磁通，这样，磁路中动圈电感就能减小。

   

    希望平均存取时间达到25ms，为了达到这个要求，所需的****力F为[l]：

    力常数的增加可通过增大线圈匝数以及提高工作气隙磁密实现，但线圈匝数的增加，使电感增大，带宽变窄，且体积增大，因此，提高工作气隙磁密是增加力常数的****方法。这种电机采用磁钢激励，所以选择的磁钢材料乃是关键所在。软盘机正朝着微型化发展，标准的88. 9mm软盘机只有25. 4mm高，可见，所选磁钢必须有极好的性能。经过分析和比较，选用Br=1.17T的铍铁硼JDNTB-35永磁体，其去磁曲线是一直线，因此****磁能积点D(Hd，Bd)的位置为：

 

    算得L₀≈2. 6mm，为适当提高工作气隙磁密，定磁钢厚为3mm，根据空间和行程的要求，定磁钢宽为18mm，长为24mm。

    由前述知BL= 2N/A，算得线圈有效长度L=5. 56m，线圈匝数N=154，采用铜线绕制。假定****电流为1A，工作循环为百分之50，已知铜的导电率0．05mmz/A，则所需线面积S为：

    因此，线径d=0. 178mm，薄绝缘0. 24mm的自粘直焊漆包圆铜线，密绕10层，每层20、21匝相隔，共205匝，可算得工作气隙长度L线圈厚度十内气隙十外气隙=3. 1mm，假定相符。

 

    磁头速度和位置的检测是采用刻录在数据扇区之间的伺服信息。事先记录的扇区伺服信号示于图2，每个伺服信息区由三部分组成，抹除段ERASE、同步段AGC、伺服信息段。AGC用来保持位置信号峰值不因外道内道等条件不同而变化，伺服信息段由7个双位脉冲构成，其中A、B、C、D为双相双位伺服码，以4条磁道为一个周期，用于速度控制，P、Q、R为单相双位码，用于位置控制，P、Q占8条磁道，每16条磁道重复，R占4条磁道，每8条磁道重复。图3所示为CPU根据预格式扇区伺服图形产生的定位信号，其中X- A-B，Y-C-D，U=X+Y，y—X-Y。

    音圈电机的控制由两种反馈方式实现，即粗控和精控。粗控是一种速度反馈控制，其目的是使磁头以最快的速度定位于目标磁道上；精控是一种位置信号反馈控制，一旦粗控过程结束就开始进入这一控制过程。

    要想让磁头以最快的速度移动到目标磁道位置上，必须按照一定的速度变化规律控制磁头的运行，速度变化与道差有关，也就是速度变化可以用道差的函数表示。扇段伺服的速度控制道程就是根据磁头每次采样得到的道地址信息换算出与目标磁道的偏差，利用道差查速度曲线表得到磁头移动的速度和方向，这样不断调节音圈电机使磁头以****的速度函数运动，直到磁头定位在目标磁道上。

    图3a表示从盘上读出的代表三位地址信息的信号波形，可见，从P、Q、R的图形组合可分别判断出16条磁道的地址，整个盘上的道地址以16为周期重复，这种相对地址编码避免了****地址码过长占空间过多以及要检验的问题。当磁头速度不超过16道／扇区时，只要读出伺服扇区中道地址段中的内容，就可以判定磁头所处的组内相对道地址，因此，通过磁头在前一条样扇区的磁道地址(PB)和组内道地址(/B)，以及当前采样扇区的组内道地址(/P)，可求出当前采样扇区的磁道地址(PP)，即这就为高速寻道提供了可靠的依据。

   梯形波，由于位置信号的变化及信噪比的影响，实际上很难检验到信号的斜率，而且P、Q、R不是理想的梯形波，在平坦和斜坡交界处呈曲线，这使得难以准确确定位置。为此，磁头区段内的位置Do通过信号U、y（见图3c）决定。因为U、y在磁道之间呈线性变化，Do由下式计算：

磁头速度 

    由此可见，在速度控制阶段，X、y、P、Q、R通过模拟开关AS1送到A/D转换器，CPU根据这些采样信号即可计算磁头离目标磁道的差值及磁头位置，然后将差值送到D/A转换器，转换成目标速度模拟电压，通过粗精控转换开关AS3送往音圈电机驱动电路，使磁头快速定位在目标磁道上。

    精确定位靠伺服段中的A、B、C、D码，寻道过程中由此4个伺服码得到位置信号X、Y(见图3c)。这是两个梯形波，当其一在平坦部分时，另一个则处于斜坡段。其中一相的过零点为奇道中心，另一相为偶道中心。因此，当磁头离目标磁道的距离小于1/4道宽时CPU发出精控信号，控制模拟开关AS₂，根据±X和±y信号之一进行位置控制，磁头停止在位置信号的过零点。

    (1)所设计的快速访问软盘机用音圈电机结构紧凑，体积小，重量轻，其磁路具有以下特征：

    a．动圈产生的力几乎与它的位置无关。这是因为，在磁头定位时，动圈来回运动所在的磁极间隙中，磁通密度是一常数。

    b．由于磁芯上有铜套，因此，动圈电感非常小，它们的动态特性很好，同时动态伺服控制很容易。

    c．磁路的记录磁头附近产生的漏磁很小，对读写磁头等没有影响。

    (2)采用扇段伺服控制技术，由数据头直接将伺服信息读出，经CPU处理后控制其定位，从而消除了由于磁盘的偏摆或振动和温度、湿度变化引起的盘变形所导致的定位误差，磁道跟踪性好，定位精度高，可以达到高道密度540TPI的指标。

     (3)改变伺服段中P、Q、R的编码结构或增加编码位就可以使磁头的极限速度提高。