微型硬盤是一種應(yīng)用廣泛的關(guān)鍵信息存儲器件，研究它的抗振動、沖擊控制技術(shù)" title="控制技術(shù)">控制技術(shù)對于工作在惡劣環(huán)境下的硬盤和便攜式計算機具有重要意義。對數(shù)據(jù)存儲業(yè)來說，磁盤驅(qū)動器生產(chǎn)商通過增加磁道密度和磁盤轉(zhuǎn)速來擴大計算機硬盤驅(qū)動器的容量并改善其性能。但隨著磁密度的增加、兩相鄰磁道間距離的變小，允許讀/寫頭和磁道的偏離誤差也相應(yīng)降低，很容易使硬盤受到傷害。本文采用外加固主動控制方案，將電磁主動控制技術(shù)用于磁存儲設(shè)備的振動沖擊外加固中，實現(xiàn)了模擬主動控制系統(tǒng)并得到實驗驗證。
1 主動沖擊振動控制技術(shù)
　　提高微型硬盤的抗沖擊與抗振動性能始終是國內(nèi)外十分重視的研究課題。20世紀(jì)80年代初至90年代中期，多采用被動控制技術(shù)，如鋼絲繩減振器、油膜減振器、復(fù)剛度雙橡膠減振器等。隨后，主動控制技術(shù)逐步實施于磁盤驅(qū)動器的振動與沖擊加固中，它可對低頻振動和高g值沖擊有效兼容，克服了被動控制方式難以同時滿足這兩項指標(biāo)的缺點。計算機加固主動控制技術(shù)從物理實現(xiàn)形式來說分為內(nèi)加固和外加固兩種。內(nèi)加固是在硬盤內(nèi)部進行取數(shù)臂的主動控制加固，我國從20世紀(jì)90年代中期開始對被動外加固技術(shù)進行深入研究，已獲得一些可實施的較好成果^[1]，如無諧振峰隔振緩沖器等。隨著對強沖擊、較低頻振動抗振要求的提高，研究主動控制理論及裝置將成為提高抗振技術(shù)水平的必經(jīng)之路。
　　實際應(yīng)用中，控制系統(tǒng)要承受來自各個方向的振動和沖擊，對于頭盤系統(tǒng)而言，主要是承受來自垂直于盤面方向的沖擊，故將系統(tǒng)考慮為單自由度系統(tǒng)，如圖1所示。其中，傳感器、控制器、功率放大器是系統(tǒng)的電路部分，而執(zhí)行裝置、彈簧、阻尼和質(zhì)量塊則是系統(tǒng)的機械部分。

　　本系統(tǒng)的受控對象是微型硬盤；加速度傳感器" title="加速度傳感器">加速度傳感器、前置放大器等構(gòu)成系統(tǒng)的測量模塊；控制器按基礎(chǔ)傳感信號和控制策略發(fā)出控制信號；電磁執(zhí)行裝置為作動器；功率放大器將控制信號放大并提供控制能源，驅(qū)動作動器產(chǎn)生執(zhí)行動作?？刂葡到y(tǒng)工作原理是通過基礎(chǔ)加速度傳感器拾取基礎(chǔ)振動沖擊加速度信號，經(jīng)前置放大器放大后送入控制器，在控制器中完成對信號的一次積分(轉(zhuǎn)換為速度信號)和二次積分(轉(zhuǎn)換為位移信號)運算，將兩次積分結(jié)果作求和運算，之后輸入功率放大器，最后將功率放大器輸出信號以控制電壓的形式加在執(zhí)行機構(gòu)上，執(zhí)行機構(gòu)便會產(chǎn)生相應(yīng)的作動力抵消來自基礎(chǔ)的振動和沖擊。
2 模擬主動控制系統(tǒng)電路設(shè)計
2.1傳感器選擇
　　壓電式傳感器是一種將機械量(作用于傳感器上的加速度或壓力)轉(zhuǎn)換成電荷量的換能器，可等效為電荷源或電壓源。由于壓電傳感器的泄漏電阻通常較大，所以能較長時間地保存電荷，但若負(fù)載電阻很小，傳感器受力后產(chǎn)生的電荷就會以時間常數(shù)τ按指數(shù)規(guī)律很快放電。因此，要求壓電傳感器負(fù)載電阻足夠大，以減小測量誤差。按照主動控制方案討論的結(jié)果，采用壓電式加速度傳感器，從成本的角度考慮,本文選用不帶放大器的YD-1型加速度傳感器，其輸出信號精度為0.01mv/g，并在加速度傳感器后端設(shè)計了電荷放大電路。
2.2 電荷放大器" title="電荷放大器">電荷放大器設(shè)計
　　電荷放大器是輸出電壓正比于輸入電荷的一種放大器，通常用來放大壓電傳感器產(chǎn)生的電荷量。電荷放大器與壓電傳感器的連接電路如圖2所示。

　　圖中，C_f為反饋電容，R_f為反饋電阻。并聯(lián)反饋電阻的目的是避免電容上不斷累積直流電荷而造成運放輸出飽和。在理想運放條件下，輸入電流I等于反饋電流。經(jīng)分析可得，電荷放大器輸出電壓僅取決于輸入電荷Ｑ及反饋電路參數(shù)C_f，即：
　　
　　這里，反饋電容必須采用高質(zhì)量電容，否則會由于電容漏電引起誤差。
　　由以上討論可知，作為核心器件的運算放大器，其輸入阻抗應(yīng)高于10¹²Ω，并應(yīng)具有高開環(huán)增益、低漂移的特性。本文選用成本較低的超低漂移高精度運算放大器AD707。為保證足夠高的靈敏度又不影響電荷放大器的低頻特性，實際電路中取C_f=2000pF,R_f=10MΩ。另外，為避免后級影響同時便于調(diào)節(jié)，在電荷放大器后端增加了一級輸入阻抗較高、增益可調(diào)的反相放大器，如圖3所示。

?

2.3 積分電路設(shè)計
　　本系統(tǒng)中采用放大器實現(xiàn)有源模擬積分器。理想模擬積分器如圖4所示。這只是一種理想化的電路^[2～3]，而實際應(yīng)用中積分電路前后級都有運放器件，電路每次上電后電容兩端積累的電荷不能迅速放掉，一旦上電，沖擊電壓幅值較大，電容兩端的電壓即會維持在較高幅度，對積分器的初始狀態(tài)影響較大。且其響應(yīng)帶寬很窄，在低頻段的漂移現(xiàn)象也比較顯著。因此，在電容兩端并聯(lián)阻值較大的反饋電阻，以提高積分器放電速度，擴展電路動態(tài)范圍。在積分運算之前設(shè)置反相放大器，校正輸入信號極性并調(diào)節(jié)積分輸出的信號幅度。一次積分實際電路如圖5所示，二次積分與一次積分具有相似的電路結(jié)構(gòu)。

2.4功率放大器設(shè)計
　　根據(jù)系統(tǒng)仿真計算結(jié)果，要求控制系統(tǒng)對作動器的輸出能力為：最大電壓Umax=13.5V，最大電流Imax=2.0A。因此，要求功放的輸出峰值功率為40W。本文選用OPA541作為功率放大器的主要器件，該芯片可以連續(xù)輸出5A的電流，常用作電動機、音頻放大器的功率輸出級。功放部分的電路如圖6所示。
　　實際使用時，由于OPA541芯片的工作溫度不能超過150℃，且該器件本身的散熱部分和芯片的負(fù)電源相連，因此應(yīng)格外注意外加散熱器和芯片負(fù)電源之間的絕緣措施，以免引起不良后果。另外，為避免加電時功放輸出沖擊電壓引起執(zhí)行裝置跳動產(chǎn)生的不利影響，功放輸出經(jīng)10～15秒延時后接通為宜。
3 實驗測試結(jié)果
3.1振動實驗
　　振動實驗采用正弦掃頻實驗，在基礎(chǔ)振動頻率為50Hz以上、加速度恒為5g的條件下，正弦掃頻實驗結(jié)果如圖7所示。圖中折線部分為基礎(chǔ)激勵加速度，曲線值為控制后的加速度。實驗過程中，硬盤工作正常。

?

3.2 沖擊實驗
　　在最大沖擊加速度為30g條件下的沖擊實驗曲線如圖8所示，實驗采用持續(xù)時間為9ms的半正弦波。其中，實驗圖的上半部分為沖擊信號圖線，下半部分為沖擊信號與控制后檢測到的加速度圖線的合成圖。