Основы мехатроники и робототехники

81 
5.2. Накопитель на жестких дисках - винчестер 
Различные мехатронные изделия отличаются отношением в этих 
электронно-технических системах роли и содержания механической части к 
электронной. Например, в некоторых системах управляющая функция является 
главенствующей, а механическая часть обеспечивает вспомогательную 
функцию. К такому МУ можно отнести применяемый в компьютерах в качестве 
носителей информации: винчестер, дисковод гибких дисков и дисковод 
компакт-дисков CD-ROM, имеющие подобные конструкции. 
Первый винчестер, также называемый накопитель на жестких дисках (Hard 
Disc Drive, HDD) был разработан фирмой IBM в самом начале 70-х годов. Этот 
громоздкий 14-дюймовый диск позволял записать 30 дорожек по 30 секторов в 
каждой из них; обозначение диска "30/30" напоминало название широко 
распространенной модели ружья фирмы "Winchester", в результате чего в 
английском языке для обозначения дисковых устройств с несъемными дисками 
стали широко применять слово "winchester" (винчестер). В 1973 году фирма 
IBM создала первый накопитель с несколькими дисками емкостью 140 Мб, 
который продавался по цене $8600. 
При разработке первой модели компьютера IBM PC в нем не был 
предусмотрен встроенный винчестер, однако уже в следующей модели он был 
установлен (20 Мб). В компьютере PC AT винчестер уже являлся основным 
средством повышения эффективности компьютера - пользователям не 
требовалось больше загружать операционную систему с дискет и искать 
каждый раз новую дискету при начале работы с какой-либо программой. 
Возможность хранения на встроенном диске больших объемов данных и 
программ значительно расширила диапазон использования персональных 
компьютеров. Сегодня HDD стал неотъемлемой частью любого компьютера. 
Современный винчестер представляет собой сложную мехатронную систему. 
На виде винчестера со снятой головкой (рис.5.3.) показаны основные узлы 
винчестера:
1 - блок дисков; 
2-
головки чтения/записи; 
3-
управляющая электроника; 
4-
привод головок. 
Рассмотрим ряд узлов более подробно. Основными исполнительными 
устройствами являются привод шпинделя и привод поворотного рычага 
головок. 
Привод шпинделя включает двигатель, находящийся под блоком дисков и 
создающий магнитное поле. Это достигается размещением по окружности 
двигателя нескольких обмоток, через которые при помощи специальной схемы 

82 
по очереди пропускается ток. На самом шпинделе закреплен постоянный 
магнит, который под действием этого поля тоже начинает вращаться, 
раскручивая дисковый блок. Для перемещения поворотных рычагов головок 
используется так называемый линейный двигатель, подобный звуковой 
катушке, который не имеет какой-либо дискретности, а установка на дорожку 
производится по сигналам, записанным на дисках, что дает значительное 
увеличение точности привода и плотности записи на дисках. Линейный 
двигатель представляет собой две обмотки, закрепленные на противоположном 
головкам конце рычага, которые находятся в поле постоянного магнита. При 
прохождении тока через обмотки создается второе магнитное поле, 
взаимодействующее с первым и стремящееся установить поворотную систему в 
строго определенное положение, зависящее от силы и полярности тока в 
обмотках. При плавном изменении тока система рычагов будет плавно 
поворачиваться вокруг своей оси, перемещая головки по дуге близкой к ра-
диусу дисков. Фиксация системы рычагов в исходном положении посадочной 
зоне) производится с помощью магнитной защелки, которая при крайнем 
внутреннем положении головок притягивается к поверхности статора и 
фиксирует рычаг в этом положении. Это так называемое парковочное 
положение головок, которые при этом лежат па поверхности диска, 
соприкасаясь с нею. При запуске винчестера схема управления линейным 
двигателем "отрывает" фиксатор, подавая на двигатель усиленный импульс 
тока. В посадочной зоне дисков информация не записывается. 
Управляющий комплекс винчестера представляет собой самостоятельный 
микрокомпьютер - с собственным процессором, памятью, устройствами 
ввода/вывода и т.п. Его основные функции: 
-
диагностика всех систем при подаче питания; 
-
слежение за работой исполнительных устройств; 
-
нахождение необходимых данных на поверхности диска, пози-
ционирование головок; 
-
исправление ошибок чтения с поверхности диска; 
-
обмен данными с контроллером жестких дисков; 
-
перекалибровка следящих систем, необходимая при изменении 
температурного режима; 
-
парковка головок, т.е. перемещение их в посадочную зону, при 
неожиданном выключении питания; 
-
ведение учета рабочих параметров (S.M.A.R.T. (Seif Monitoring Analysis 
and Report Technology) - технология самостоятельного следящего анализа 
и отчетности); 
-
усиление и распознавание сигналов.
Для распознавания сигналов используется технология, называемая PRML 
(Partial Response, Maximum Likelihood) - максимальное правдоподобие при 
неполном отклике, основанное на сравнении полученных сигналов с набором 
образцов. При этом на основании максимальной похожести делается 

83 
заключение о приеме того или иного кодового слова, эти работы и выполняют 
данные схемы.
1
2
3
4
Рис.5.3. Винчестер со снятой крышкой 
Винчестер работает следующим образом. При включении питания 
микропроцессор винчестера выполняет тестирование электроники, после чего 
выдает команду включения двигателя привода блока дисков. При достижении 
некоторой 
критической 
скорости 
вращения 
плотность 
увлекаемого 
поверхностями дисков воздуха становится достаточной для преодоления силы 
прижима головок к поверхности и поднятия их на высоту сотых долей микрона 
над поверхностями дисков. С этого момента и до снижения скорости ниже 
критической головки "парят" на воздушной подушке (зазор в 5-10 раз меньше 
толщины волоса) и совершенно не касаются поверхностей дисков, поэтому ни 
диски, ни сами головки практически не изнашиваются. Хотя малейшая частица 
представляет потенциальную угрозу для разрушения дисков. После достижения 
дисками скорости вращения, близкой к номинальной, головки выводятся из 
посадочной зоны, и начинается поиск сервометок для точной стабилизации 
скорости вращения. Поскольку в любой зоне дисков присутствует 
серворазметка, то ссрвоимпульсы начинают поступать с головок сразу же после 
начала вращения, и но их частоте можно судить о скорости вращения дисков. 
Система стабилизации вращения УК постоянно следит за потоком 
сервоимпульсов, и при достижении номинальной скорости происходит так 
называемый "захват", при котором любое отклонение скорости вращения сразу 
же корректируется изменением тока в обмотках двигателя. При достижении 
номинальной скорости вращения освобождается фиксатор привода головок, и 
система управления проверяет его способность поворачиваться и удерживаться 
на выбранном месте. Для этого делается серия быстрых поворотов в разные 
стороны, что на слух воспринимается, как характерное "тарахтение" винчестера 
через несколько секунд после старта. Во время перемещения головок постоянно 
идет слежение за поступающими с головок сервоимпульсами, и система 
управления всегда знает, над сколькими дорожками прошла головка. 
Аналогично происходит и удержание головки над выбранной дорожкой - при 

84 
отклонении от центра дорожки изменяется величина и форма сервоимпульсов, 
и система управления ликвидирует отклонение, изменяя ток в обмотках 
привода. Во время тестирования привода головок заодно делается и его 
калибровка - подбор параметров управляющих сигналов для наиболее быстрого 
и точного перемещения головок при минимальном количестве "промахов". 
Затем выполняется считывание информации из служебной зоны. В ПЗУ 
винчестера хранится только программа начального запуска. В ОЗУ же 
загружаются остальные части управляющей программы. Кроме всего прочего, в 
ОЗУ загружается так называемая карта переназначения дефектов, в которой от-
мечены дефектные секторы, выявленные при заводской разметке дисков; эти 
секторы исключаются из работы и подменяются резервными, которые имеются
Рис.5..4. Ризографический комплекс 
на каждой дорожке и еще в отдельных зонах каждого диска. Таким 
образом, даже если диски и имеют дефекты (а при современной плотности 
записи они имеют их всегда), для пользователя создается впечатление 
"чистого" винчестера, свободного от сбойных секторов. После начальной 
настройки электроники и механики микрокомпьютер УК винчестера переходит 
в режим ожидания команд от контроллера, расположенного на системной 
плате. Получив команду, он включает нужную головку, по сервоимпульсам 
отыскивает нужную дорожку, дожидается, пока до головки "доедет" нужный 
сектор, и выполняет считывание или запись информации. Если контроллер 
запросил чтение/запись не одного сектора, а нескольких - винчестер может 

85 
работать в так называемом блочном режиме, используя ОЗУ в качестве буфера 
и совмещая чтение/запись с передачей информации к контроллеру или от него. 
Во время работы постоянно работает система слежения за положением головки 
на диске: из непрерывно считываемого сигнала выделяется сигнал рассо-
гласования, который подается в схему обратной связи, управляющую током 
обмоток привода головок. При отклонении головки от центра дорожки в 
обмотках возникает сигнал, стремящийся вернуть ее на место. При отключении 
питания УК выдает команду на установку головок в парковочное положение, 
которая успевает выполниться до снижения скорости вращения ниже 
критической. 

жүктеу/скачать 3,35 Mb.

Достарыңызбен бөлісу: