Università degli Studi di Padova
Facoltà di Ingegneria
Corso di Laurea in Ingegneria Informatica
Tesi di Laurea
COMPENSAZIONE ADATTATIVA DELLE
VIBRAZIONI NEGLI HARD DISK
Relatore: Ch.mo Prof. Doriano Ciscato
Laureando: Alessandro Stocco
Anno Accademico 2001-2002
26 Novembre 2002
1
Compensazione adattativa delle vibrazioni negli hard disk
ARGOMENTI DELLA DISCUSSIONE
 PRINCIPI SULLA SOPPRESSIONE DELLE VIBRAZIONI NEGLI HDD
 COMPENSAZIONE
TRAMITE FEED-FORWARD STATICO E DINAMICO
 COMPENSAZIONE TRAMITE FEED-FORWARD ADATTATIVO
 ALGORITMO DI AGGIORNAMENTO DEI PARAMETRI (AAP)
FILTERED-X LMS ALGORITHM
 ORGANIZZAZIONE DEL SISTEMA SPERIMENTALE
 RISULTATI SPERIMETALI
 FEED-FORWARD STATICO MEDIANTE GUADAGNO ADATTATIVO
 FEED-FORWARD DINAMICO MEDIANTE FILTRO ADATTATIVO
 ANALISI A FILTRO BLOCCATO
 CONCLUSIONI E SVILUPPI FUTURI
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Alessandro Stocco
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Compensazione adattativa delle vibrazioni negli hard disk
SOPPRESSIONE DELLE VIBRAZIONI NEGLI HDD
Settore Dati
Servo Settore
Traccie
PERCHE’ SI VUOLE SOPPRIMERE L’EFFETTO DELLE VIBRAZIONI
• Eliminazione dei ritardi dovuti alle vibrazioni
• Aumento densità di memorizzazione delle tracce
• Uso di Accelerometri Rotazionali (MEMS)
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Alessandro Stocco
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Compensazione adattativa delle vibrazioni negli hard disk
PRINCIPI SULLA SOPPRESSIONE DELLE VIBRAZIONI NEGLI HDD :
FEED-FORWARD STATICO-DINAMICO
..
q
RAC
METODO TEMPO-INVARIANTE
..^
q
Gr ef
• Banda limitata di azione della compensazione limitata
rispetto alla banda del sensore
^
d
d
Cent r o
T r ac c ia
• Sintesi del controllo basata su uno specifico disco
Gf f
+
+
+
C
-
• Aumento rumorosità nell’inseguimento traccia
P
u
-
..
q
d
Gr ef
+
..
^
RAC
q
PES
d
G out
-
Gf f
Gout=
P
1+CP
PES
^
d
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Alessandro Stocco
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Compensazione adattativa delle vibrazioni negli hard disk
PRINCIPI SULLA SOPPRESSIONE DELLE VIBRAZIONI NEGLI HDD :
METODO ADATTATIVO
..
q
d
Gr ef
+
..
^
RAC
q
PES
G out
• Introduzione dell’algoritmo di
aggiornamento dei parametri
• Aumento della complessità
computazionale
-
Gf f
^
d
AAP
Settore Dati
PERCHE’ SI VUOLE USARE UNA TECNICA ADATTATIVA
Servo Settore
Traccie
• Migliorare le performance del controllo tempo-invariante
• Ridurre la rumorosità provocata dalla compensazione
• Aumentare la banda di azione del controllo ad azione diretta
• Sintonizzazione automatica del controllo feed-forward
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Alessandro Stocco
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Compensazione adattativa delle vibrazioni negli hard disk
ALGORITMO DI AGGIORNAMENTO DEI PARAMETRI:
FILTERED-X LMS ALGORITHM
Gff (k , z )  w0 (k )  w1 (k ) z 1  .....  wN 1 (k ) z  N 1
..
q
d
Gr ef
^..
q
+
e
PES
G o ut
-
Gff
RAC
^
d
^
G o ut
LM S
^
^
^..
Wk 1  Wk  2PES (k )[Gout q (k )]
• IDENTIFICAZIONE
• DISCRETIZZAZIONE
• REALIZZAZIONE
1
2
^
4
,
8301

14
,
0237
z

9
,
1948
z
Gout( z 1 ) 
1  1,6151z 1  0,6626 z 2
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Compensazione adattativa delle vibrazioni negli hard disk
SISTEMA SPERIMENTALE:
SCHEMA DELLE CONNESSIONI
DSP
Analizzatore di
spettro
Accelerometro
rotazionale L6671
Super 10
ALTERA
Oscilloscopio
PC
HDD
DAC 1
Controllo Shaker
LINEA
Scheda AD/DA
Bus
DAC 2
Digitale
Shaker
DAC 3
Analogica
Bit Blaster
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Compensazione adattativa delle vibrazioni negli hard disk
SISTEMA SPERIMENTALE
Accelerometro Rotazionale
Sistema complessivo
Dettaglio : Sistema di shaking
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Compensazione adattativa delle vibrazioni negli hard disk
FEED-FORWARD STATICO MEDIANTE GUADAGNO ADATTATIVO
..^
^
d  Kff  q
Funzione di Sensitività tra segnale accelerometro e PES
Funzione di Sensitività tra segnale accelerometro e PES
Non comprensato
Kff Best
Kff Adattativo
30
30
Non comprensato
Kff Best
Kff Adattativo
20
10
Magnitude [dB]
Magnitude [dB]
20
0
-10
-20
10
0
-10
-30
-20
-40
1
10
2
10
Frequency [Hz]
3,5
v
CH1
3
CH2
550
600
650
Frequency [Hz]
700
750
800
REF
SHK ACC
Convergenza parziale nella banda [40Hz - 150Hz]
Raggiungimento prestazioni KffBest [150Hz-450Hz]
PES
Adattamento-spegnimento compensazione [450 Hz-800Hz]
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500
 Problemi di innesco a basse frequenze [0-40Hz]
HP DSA 35665 A
SOURCE
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Compensazione adattativa delle vibrazioni negli hard disk
FEED-FORWARD DINAMICO CON FILTRO ADATTATIVO:
ANDAMENTO NEL TEMPO AL VARIARE DELL’ORDINE DEL FILTRO
Kff ad. Non Compensato
Tipo di compensazione
Non Compensato
FIR 10° ord. Adatt.
FIR 20° ord. Adatt.
FIR 30° ord. Adatt.
FIR 39° ord. Adatt.
Gff 39° ord Gff 30° ord Gff 20° ord Gff 10° ord
Kff Adattativa
0.1
0
-0.1
0
IIR 6°
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
0.06
0.08
0
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
0.06
0.07
0.08
0
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
0.06
0.07
0.08
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
0.06
0.07
0.08
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
0.06
0.07
0.08
0.02
0.03
0.04
0.05
0.06
0.07
0.08
0.02
0.03
0.04
0.05
Time [Sec]
0.06
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Alessandro Stocco
0.07
0.08
1.17
0.090
0.94
0.082
0.78
0.079
0.72
0.080
0.74
0.167
0.167
0.09
0.09
0.1
0
-0.1
0.01
0.101
0.09
0.1
0
-0.1
0.01
1.87
0.09
0.1
0
-0.1
0
0.129
0.09
0.1
0
-0.1
0
EQM 103
0.09
0.1
0
-0.1
0
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0.07
0.1
0
-0.1
0
IIR 6° ord.
3s
PES in sollecitazione ai 200 Hz
0.09
10
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Compensazione adattativa delle vibrazioni negli hard disk
FEED-FORWARD DINAMICO CON FILTRO ADATTATIVO:
SPETTRO DI POTENZA PES
Spettro
di potenza PES sollecitato a circa 470 Hz
Spettro di potenza del PES sollecitato ai 500Hz
Spettro
di potenza PES sollecitato a circa 470 Hz : dettaglio
Spettro di potenza del PES sollecitato ai 500Hz: dettaglio
0
0
Non comprensato
Compensato con IIR 6° ord.
Compensato con FIR 39° ord. adattativo
-10
Non comprensato
Compensato con IIR 6° ord.
Compensato con FIR 39° ord. adattativo
-10
Power [V 2/Hz]
Power [V 2/Hz]
-20
-30
-40
-20
-30
-40
-50
-50
-60
10
1
2
10
Frequency [Hz]
10
3
10
2.3
2.5
10
Frequency [Hz]
10
2.7
Attenuazione armonica principale del disturbo
Contenuto in alta frequenza ridotto
inefficacia nella compensazione ai 90 Hz
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Compensazione adattativa delle vibrazioni negli hard disk
ANALISI A FILTRO BLOCCATO
 Aumento ordine  Aumento tempi di convergenza AAP
 Fase di apprendimento iniziale con disturbo a singola
armonica
 Convergenza dipendente dal tempo di esecuzione misura
 Disabilitazione AAP
 Problemi di convergenza AAP sulla risonanza ai 410Hz
 Funzione di sensitività filtro adattativo a velocità di
convergenza elevata
Funzione di Sensitività tra segnale accelerometro e PES
30
-3
2  = 8.30 10
30
20
0
-10
0
-10
-20
-20
-30
-30
-40
1
10
Non comprensato
Kff Best
IIR 6° ord.
FIR 39° ord. adattato su singola armonica
10
10
Magnitude [dB]
Magnitude [dB]
20
Non comprensato
Kff Best
IIR 6° ord.
FIR 39° ord. Adattativo
Funzione di Sensitività tra segnale accelerometro e PES
-40
60 70 80 90 100
2
10
Frequency [Hz]
10
3
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200
300
Frequency [Hz]
400
500 600 700 800
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Compensazione adattativa delle vibrazioni negli hard disk
CONCLUSIONI
• Realizzazione di un sistema di feed-forward digitale adattativo tramite algoritmo
Filtered-x LMS
• Valutazione delle prestazioni del sistema al variare dell’ordine del filtro adattativo
• Valutazione delle prestazioni del sistema al variare di regimi di sollecitazione
SVILUPPI FUTURI
• Estendere il funzionamento dell’algoritmo per regimi di sollecitazione elevati
• Studio del funzionamento in presenza di disturbi a più armoniche o rumore
bianco
• Studio di AAP con velocità di convergenza maggiore ( variabile)
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