КТОП теория

Накопитель на магнитных дисках (НМД). Современный НМД представляет собой сложную мехатронную систему. НМД типа винчестер состоит из компонентов показанных на схеме (рис. 17.4). Дадим характеристику этих компонентов.

Привод шпинделя включает дисковый пакет (1-3 диска), насаженный на вал – шпиндель, и встроенный электродвигатель, создающий вращающееся магнитное поле. Это достигается размещением по окружности двигателя нескольких обмоток, через которые при помощи специальной схемы по очереди пропускается ток. На самом шпинделе закреплен постоянный магнит, который под действием этого поля тоже начинает вращаться, раскручивая дисковый пакет.

Привод головок размещается на периферии дискового пакета и представляет собой систему поворотных рычагов, на концах которых установлены магнитные головки записи / считывания. Для перемещения головок служит линейный электродвигатель. Этот двигатель не имеет какойлибо 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 магнитное поле, взаимодействующее с магнитным полем постоянного магнита. Это позволяет 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 радиусу дисков. Отсюда название системы – линейная или прямая.

Здесь же обычно расположена “магнитная защелка” – постоянный магнит, который при крайнем внутреннем положении головок притягивается к поверхности статора и фиксирует рычаг в этом положении, образуя посадочную зону или парковочное положение головок. Головки лежат на поверхности диска, соприкасаясь с нею. При запуске НМД схема управления линейным двигателем “открывает” фиксатор, подавая на двигатель усиленный импульс тока. В посадочной зоне информация не записывается.

Гермоблок представляет собой камеру, в которой размещенны основные механические и часть электронных компонентов. Кроме пакета дисков и блока головок, гермоблок содержит микросхему коммутатора головок и первичного усилителя, размещенную внутри для ослабления помех, и воздушный фильтр для пылеулавливания. Внутри гермоблок заполнен обеспыленным воздухом под атмосферным давлением. Гермоблок имеет систему выравнивания внешнего и внутреннего давлений для избежания деформации конструкции при перепаде давлений.

Несущая конструкция объединяет гермоблок и плату, на которой расположены электронные компоненты. Она состоит из массивной металлической рамы, которая своими размерами точно совпадает со стандартным отсеком крепления и защищает механику от деформаций. Для дополнительной защиты от вибраций на некоторых НМД предусмотрены резиновые амортизаторы. Кроме того, несущая конструкция выполняет функции охлаждения.

Пакет дисков. Диски выполняют чаще из алюминиевого сплава, реже – из керамики или стекла, и покрыты тонким слоем окиси хрома, которая имеет высокую износостойкость. Диски несут пользовательскую информацию. Кроме того, на диске записана контрольно-служебная информация и сервометки, предназначенные для точного позиционирования головок и управления скоростью вращения дисков, которая составляет до 7200 оборотов в минуту.

Считывающие и записывающие головки. Для считывания применяют магниторезистивные головки, а для записи – индуктивные. Основной недостаток индуктивной головки считывания – сильная зависимость амплитуды сигнала от скорости движения носителя и высокий уровень шумов, затрудняющий верное распознавание слабых сигналов. Магниторезистивная головка представляет собой резистор, сопротивление которого изменяется в зависимости от напряженности магнитного поля, причем амплитуда уже практически не зависит от скорости изменения поля. Это позволяет намного повысить предельную плотность записи.

Схемы усиления и распознавания: в старых винчестерах декодирование считанной информации выполнялось путем непосредственного слежения за амплитудой, частотой и фазой считанного сигнала. На сегодня плотность записи стала такой большой, что уже невозможно четко и однозначно считывать сигнал с поверхности диска – уровень помех и искажений очень велик. Вместо прямого преобразования сигнала используется его сравнение с набором образцов, и на основании максимальной схожести делается заключение о приеме того или иного кодового слова. Эту работу выполняют данные схемы. Такую технологию называют PRML (Partial Response Maximum Likelihood) – максимальное правдоподобие при неполном отклике.

Источники энергии. Внешний источник энергии – блок питания компьютера. Внутренний источник энергии используется в аварийном режиме – при внезапном отключении внешнего питания очень важно не повредить информацию. Для этого необходимо заблокировать подачу тока записи в магнитные головки и переместить их в посадочную зону. Источниками энергии при этом являются либо оставшийся заряд конденсаторов на плате электроники, либо работа электродвигателя привода шпинделя в режиме генератора.

17.4. Миниатюризация и микроминиатюризация как факторы мехатроники

Рассмотрим основные задачи микроэлектроники и исходные принципы проектирования микроэлектрон­ной аппаратуры. Использование средств микроэлектроники (МЭ) − основа современного этапа развития всех отраслей информатики, вычислительной техники, а также радио- и электронного приборостроения.

В основе МЭ, а теперь и мехатроники, лежит, возможно, более полное использование групповых, хорошо контролируемых автоматизированных методов обработки материалов, что позволяет резко повысить качество, технологичность и надежность аппаратуры за счет интегра­ции компонентов или технологических процессов. Применение групповых технологических ме­тодов оправдывает использование различных форм схемной, технологической и конструкторской избыточности, вводимой для дальнейшего улучшения технико-экономических характеристик из­делий и повышение их надежности.

Микроэлектронные изделия − это прежде всего интегральные схемы (ИС) и функциональные компоненты. К последним относят оптоэлектронные, ионные, тепловые, акустические, электромеханические и другие приборы. Микроэлектронные изделия включают также навесные электрорадиодетали, микроразъемы, индикаторы, кнопки, кабели, эле­ менты конструкций, многослойные печатные платы и т. д.

В настоящее время ИС, являясь основной элементной базой микроэлектроники, позволяют реализовать подавляющее большинство аппаратурных функций, причем сферы применения ИС продолжают расширяться, а степень интеграции компонентов в пределах конструктивной единицы повышаться. ИС являются конструктивной неделимой едини­цей (деталью), изготовленной групповыми технологическими методами. ИС условно разделяют на универсальные (общего применения), используемые во многих разработках, и специализиро­ванные (частного применения или заказные).

Функциональные компоненты основаны на различных физических законах. Их работа основана на механических, электромеханических, электрооптических, пьезоэлектрических, галь­ваномагнитных и электромагнитных явлениях в твердом теле и жидких кристаллах. Эти компоненты, примененные в комплексе, позволяют создавать многофункциональные изделия.

17.5. Функциональная сложность изделий мехатроники

Классификацию изделий мехатроники (ИМ) по ее функциональной сложности можно выполнить на следующих уровнях: система. Подсистема (комплекс устройств, являющийся ее частью), устройство, блок. ячейка (субблок) и функциональный узел.

Устройство, являясь основной составной частью любого комплекса, решает конкретную техническую задачу и представляет собой функционально и конструктивно законченное изделие мехат­роники, эксплуатируемое автономно. Примерами устройств могут быть ЭВМ, радиоприемные, радиопе­редающие, радиолокационные устройства, роботы и др. Конструкция ИМ зависит от его функциональной сложности и степени интеграции используемых микрокомпонентов. Например, при высокой степени интеграции и соответствующей ей функциональной сложности все устройство может быть заключено в один объем и иметь форму моноблока. Если же степень интеграции микрокомпонентов не соответствует функциональной сложности устройства, его формообразование идет по пути создания многоблочной конструкции.