XI’AN JIAOTONG
UNIVERSITY
工业系统的测量
陈永森
工程训练中心
2004年 12月
,工程训练, 之一
讲义 V 1.1
Industry Training Center, 工程训练, —— 力的测量与差动放大 2-2
第十一讲 软驱分析
训练目的
? 了解一个典型机电一体化产品的设计思
想，形成对机电一体化设计的基本认识。
? 培养机电产品分析的初步能力
Industry Training Center, 工程训练, —— 力的测量与差动放大 2-3
第十一讲 软驱分析
本讲内容（ 2课时）
? 软驱的结构和原理
? 磁头系统
? 主轴系统
? 磁头系统和主轴系统的协同工作
? 磁盘进出机构
? 软驱主板
? 盘片和盘套
? 软驱主要技术特性
? 训练内容
Industry Training Center, 工程训练, —— 力的测量与差动放大 2-4
软盘的存储容量
?早期,5.25英寸 盘 1.2MB
?现在,3.5英寸 盘 1.44MB
5.25英寸盘
3.5英寸盘
§ 11.1 软盘结构及原理
Industry Training Center, 工程训练, —— 力的测量与差动放大 2-5
磁盘 用硬磁性材料作
介质，利用材料的剩
磁表示信息
§ 11.1 软盘结构及原理
3.5英寸软盘结构
Industry Training Center, 工程训练, —— 力的测量与差动放大 2-6
写保护拨块盘片密度
主定位凹坑次定位 凹坑
活门
定位孔
驱动孔
盘毂
磁盘
§ 11.1 软盘结构及原理
Industry Training Center, 工程训练, —— 力的测量与差动放大 2-7
5 1 2 1 8 8 0 2 1 4 7 4 5 6 0
1 4 7 4 5 6 0 1 0 2 4 1 4 4 0/
B
KB
? ? ? ?
?
§ 11.1 软盘结构及原理
? 格式化 (format)：新软盘格式化后才可以存储数据。所
谓“格式化”就是在软盘上按一定标准划分出所谓“磁
道”和“扇区”。
? 通常,3.5英寸软盘格式化为 80磁道 （同心圆）,18扇
区 。一个磁道在某一扇区内的一段称为 扇段,每个扇段
可以存储 512字节 (Byte)的数据。除 18个扇段外，在扇段
00和扇段 17之间还设有间隙区。数据被存放在这些磁道
扇区上，在读取数据时，也会以这些磁道扇区为基准进
行检索。
? 软盘格式化后，盘上所有数据将被全部清除。
Industry Training Center, 工程训练, —— 力的测量与差动放大 2-8
磁道 i
扇区 j
扇区 00
扇区 01
磁道 00
磁道 79
扇区 17
GAP4GAP1
盘片
转动
磁头径向
直线运动
§ 11.1 软盘结构及原理
Industry Training Center, 工程训练, —— 力的测量与差动放大 2-9
磁盘旋转，
形成相对高
速运动
磁头的电磁
感应线圈铁磁薄膜介质，
磁化方向表示
0,1
磁盘
§ 11.1 软盘结构及原理
Industry Training Center, 工程训练, —— 力的测量与差动放大 2-10
§ 11.2 磁头系统
? 磁头系统,磁头小车、导轴、丝杠螺母副和步进电机、
00号磁道检测传感器。
? 导轴和丝杠以主板为参照基准，共同决定了磁头的直线
运动轨迹。丝杠由步进电机带动。
Industry Training Center, 工程训练, —— 力的测量与差动放大 2-11
§ 11.2 磁头系统
? 磁头小车：
? 有上、下两个磁头，上、下磁头的通过扁平线束与控制电路连
接。
? 小车的一侧有滑孔，导轴穿过滑孔后固定在主板上。小车的另
一侧有简化为一根钢针的螺母，与丝杠共同构成丝杠 -螺母副。
? 滑孔、导轴和丝杠 -螺母都具有很高的加工精度和光洁度。
? 磁头小车的运动：
? 丝杠和导轴构成一个平面，保证小车的平稳运动。
? 丝杠由步进电机带动，步进电机在控制器发出的步进脉冲和方
向信号控制下转过预定的角位移，通过丝杠 -螺母副转换为磁头
小车的直线运动，使磁头找到预定的磁道。
? 当磁头移动到位于最外圈的 00号磁道时，小车上的档片就会遮
挡光电对管的光路，这个光电对管作为 00磁道传感器，立即向
控制器发出信号，表示磁头已到 00号磁道。
Industry Training Center, 工程训练, —— 力的测量与差动放大 2-12
定子绕组
层叠硅钢片
定子铁芯
霍尔转子位
置传感器
引线
永磁转子
转子外壳
漏磁窗口
索引传感器
定子电路板
柔性驱动销
§ 11.3 主轴系统
无刷直流电机
? 主轴带动盘片转动,其核心主轴电机是一个外形扁平的
直流无刷电机 。
? 读写操作中，盘片以恒速 300r/min± 1.5%作旋转运动，
也有的软驱转速是 600r/min。
Industry Training Center, 工程训练, —— 力的测量与差动放大 2-13
AI
t?0 120° 240° 360°
BI
t?0 120° 240° 360°
CI
t?0 120° 240° 360°
HA
＋ V
＋ V
＋ V
A
'A
'B
B C
'C
CE BE
AE(a)三相定子绕组的电流时序 (b)基本原理
§ 11.3 主轴系统
Industry Training Center, 工程训练, —— 力的测量与差动放大 2-14
§ 11.3 主轴系统
? 转子位置传感器,霍尔器件
? 为了使转子角位移满 360° 时重新从 0° 记起，在永磁转
子外壳的边缘开了一个漏磁窗口，在转子外壳附近的定
子印制板上，安装了一个霍尔器件或者一个电感线圈，
作为 索引传感器 。转子每转一周，窗口的漏磁使传感器
产生一个 索引脉冲 。两个索引脉冲之间，转子运动了
360° 的角位移。
? 以恒速 300r/min旋转时，索引脉冲周期为 200ms，脉宽
4ms。
? 索引脉冲除用于划分磁道的起始和终止点外，还被利用
来作转速控制。可以用频压转换，也可以用锁相技术进
行控制。与普通直流电机一样，可以用 PWM控制电枢
电流实现转速控制。
Industry Training Center, 工程训练, —— 力的测量与差动放大 2-15
上
夹
板
下夹板
盘
套
磁盘弹出按键
(将下夹板推进 )
主板
下夹板
复位弹簧
上磁头
下磁头 磁性
托盘
柔性
驱动销
盘套次水平
定位销和下
夹板导槽
§ 11.4 磁盘进出机构
Industry Training Center, 工程训练, —— 力的测量与差动放大 2-16
§ 11.4 主板
? 作用：系统的装配模块，为所有的静态零部件和动态机
构提供了定位基准和运动参照。
? 构成：
? 1)控制电路印制板；检测写保护、盘密度和盘片到位位传感器；
00号磁道传感器。
? 2)磁头系统的导轴和丝杠固定在主板上，两个轴的加工精度和
装配平行度直接影响磁头的运动精度；主轴电机也固定在软驱
主板上，它的轴心定位精度对读写操作有最为重要的作用。
? 3)上、下夹板，盘套活门拨杆底转动轴和复位弹簧也固定在主
板底面上。
? 4)盘片的主、次两个水平驱动销
? 5)上下盖、前面板
? 软驱主板是铝镁合金精密铸造件，也有用钢板精密冲压
件的，钢板的厚度应能保证足够的刚性。
Industry Training Center, 工程训练, —— 力的测量与差动放大 2-17
§ 11.4 磁头与主板协同工作
? 磁道格式,每一个扇段内，分为 ID标记段和数据区两部
分。 ID标记段以同步信号 SYNC起始，以间隙 GAP2结
束。数据区也以同步信号 SYNC起始，以间隙 GAP3结
束。
? 读写操作
? 扇段定位,同步信号确保了写在任何一个扇段里的标志、地址
和数据总能在读操作中被磁头正确地对准
? 磁道定位,寻找磁道的操作由控制器根据来自主机的命令和目
标磁道号，将当前磁道号与目标磁道号比较，从而决定磁头的
移动方向和位移量。
? 控制器,解释来自 CPU的命令，检测驱动器的工作状态，
向磁头系统和主轴系统发出各种控制信号 。
Industry Training Center, 工程训练, —— 力的测量与差动放大 2-18
§ 11.4 磁头与主板协同工作
工作状态检测
? 工作状态检测
? 1)00磁道传感器,一个红外发射 -接收对管，当磁头移动
到 00号磁道，也就是最外面的磁道时，磁头小车上的挡
板遮断光电对管的光路，输出到达 00号磁道的信号。
? 2)写保护传感器,一个微动开关，如果盘套上的拨块被
拨到写保护位置，此微动开关不被压下。
? 3)磁盘到位传感器,一个微动开关，每当盘片被推到底
时，上夹板下降，此开关就被盘套压下，发出盘片已到
位的信号。
? 4)磁盘密度传感器,一个微动开关，高密度磁盘的盘套
上有一个方孔，磁盘到位时不会压下此开关，而低密度
磁盘的盘套上没有方孔，磁盘到位时此开关被压下，由
此区分盘片的密度。
Industry Training Center, 工程训练, —— 力的测量与差动放大 2-19
1.采用何种传感器检测以下物理量？
角位移：
直线位移：
00磁道：
2.磁盘写保护、磁盘密度如何检测？
3.主轴电机转速 300r/min± 1.5％，如何保证误差
不累积？
4.磁头和主轴分别用什么电机驱动？
霍尔传感器
对步进电机的脉冲计数
光电对管
微动开关
每转一圈输出一个索引脉冲，转速 300r/min时，索引
脉冲周期为 200ms，脉宽 4ms。
步进电机、直流无刷电机
思考题
Industry Training Center, 工程训练, —— 力的测量与差动放大 2-20
1.怎样保证盘片不会放反？
2.如何保证磁盘不被弹射出来？
3.磁盘怎样与主轴同心、同步？
4.怎样保证磁头小车直线运动？
软盘上的斜角和软驱中的阻尼弹簧共同作用
阻尼弹簧的阻力
软盘上定位孔与主轴电机轴心的对准，软盘上
的驱动孔于主轴电机上的柔性驱动销对准
磁头小车上的导轴与丝杠安装在同一平面上，共
同决定下车的直线运动
思考题
UNIVERSITY
工业系统的测量
陈永森
工程训练中心
2004年 12月
,工程训练, 之一
讲义 V 1.1
Industry Training Center, 工程训练, —— 力的测量与差动放大 2-2
第十一讲 软驱分析
训练目的
? 了解一个典型机电一体化产品的设计思
想，形成对机电一体化设计的基本认识。
? 培养机电产品分析的初步能力
Industry Training Center, 工程训练, —— 力的测量与差动放大 2-3
第十一讲 软驱分析
本讲内容（ 2课时）
? 软驱的结构和原理
? 磁头系统
? 主轴系统
? 磁头系统和主轴系统的协同工作
? 磁盘进出机构
? 软驱主板
? 盘片和盘套
? 软驱主要技术特性
? 训练内容
Industry Training Center, 工程训练, —— 力的测量与差动放大 2-4
软盘的存储容量
?早期,5.25英寸 盘 1.2MB
?现在,3.5英寸 盘 1.44MB
5.25英寸盘
3.5英寸盘
§ 11.1 软盘结构及原理
Industry Training Center, 工程训练, —— 力的测量与差动放大 2-5
磁盘 用硬磁性材料作
介质，利用材料的剩
磁表示信息
§ 11.1 软盘结构及原理
3.5英寸软盘结构
Industry Training Center, 工程训练, —— 力的测量与差动放大 2-6
写保护拨块盘片密度
主定位凹坑次定位 凹坑
活门
定位孔
驱动孔
盘毂
磁盘
§ 11.1 软盘结构及原理
Industry Training Center, 工程训练, —— 力的测量与差动放大 2-7
5 1 2 1 8 8 0 2 1 4 7 4 5 6 0
1 4 7 4 5 6 0 1 0 2 4 1 4 4 0/
B
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§ 11.1 软盘结构及原理
? 格式化 (format)：新软盘格式化后才可以存储数据。所
谓“格式化”就是在软盘上按一定标准划分出所谓“磁
道”和“扇区”。
? 通常,3.5英寸软盘格式化为 80磁道 （同心圆）,18扇
区 。一个磁道在某一扇区内的一段称为 扇段,每个扇段
可以存储 512字节 (Byte)的数据。除 18个扇段外，在扇段
00和扇段 17之间还设有间隙区。数据被存放在这些磁道
扇区上，在读取数据时，也会以这些磁道扇区为基准进
行检索。
? 软盘格式化后，盘上所有数据将被全部清除。
Industry Training Center, 工程训练, —— 力的测量与差动放大 2-8
磁道 i
扇区 j
扇区 00
扇区 01
磁道 00
磁道 79
扇区 17
GAP4GAP1
盘片
转动
磁头径向
直线运动
§ 11.1 软盘结构及原理
Industry Training Center, 工程训练, —— 力的测量与差动放大 2-9
磁盘旋转，
形成相对高
速运动
磁头的电磁
感应线圈铁磁薄膜介质，
磁化方向表示
0,1
磁盘
§ 11.1 软盘结构及原理
Industry Training Center, 工程训练, —— 力的测量与差动放大 2-10
§ 11.2 磁头系统
? 磁头系统,磁头小车、导轴、丝杠螺母副和步进电机、
00号磁道检测传感器。
? 导轴和丝杠以主板为参照基准，共同决定了磁头的直线
运动轨迹。丝杠由步进电机带动。
Industry Training Center, 工程训练, —— 力的测量与差动放大 2-11
§ 11.2 磁头系统
? 磁头小车：
? 有上、下两个磁头，上、下磁头的通过扁平线束与控制电路连
接。
? 小车的一侧有滑孔，导轴穿过滑孔后固定在主板上。小车的另
一侧有简化为一根钢针的螺母，与丝杠共同构成丝杠 -螺母副。
? 滑孔、导轴和丝杠 -螺母都具有很高的加工精度和光洁度。
? 磁头小车的运动：
? 丝杠和导轴构成一个平面，保证小车的平稳运动。
? 丝杠由步进电机带动，步进电机在控制器发出的步进脉冲和方
向信号控制下转过预定的角位移，通过丝杠 -螺母副转换为磁头
小车的直线运动，使磁头找到预定的磁道。
? 当磁头移动到位于最外圈的 00号磁道时，小车上的档片就会遮
挡光电对管的光路，这个光电对管作为 00磁道传感器，立即向
控制器发出信号，表示磁头已到 00号磁道。
Industry Training Center, 工程训练, —— 力的测量与差动放大 2-12
定子绕组
层叠硅钢片
定子铁芯
霍尔转子位
置传感器
引线
永磁转子
转子外壳
漏磁窗口
索引传感器
定子电路板
柔性驱动销
§ 11.3 主轴系统
无刷直流电机
? 主轴带动盘片转动,其核心主轴电机是一个外形扁平的
直流无刷电机 。
? 读写操作中，盘片以恒速 300r/min± 1.5%作旋转运动，
也有的软驱转速是 600r/min。
Industry Training Center, 工程训练, —— 力的测量与差动放大 2-13
AI
t?0 120° 240° 360°
BI
t?0 120° 240° 360°
CI
t?0 120° 240° 360°
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＋ V
＋ V
＋ V
A
'A
'B
B C
'C
CE BE
AE(a)三相定子绕组的电流时序 (b)基本原理
§ 11.3 主轴系统
Industry Training Center, 工程训练, —— 力的测量与差动放大 2-14
§ 11.3 主轴系统
? 转子位置传感器,霍尔器件
? 为了使转子角位移满 360° 时重新从 0° 记起，在永磁转
子外壳的边缘开了一个漏磁窗口，在转子外壳附近的定
子印制板上，安装了一个霍尔器件或者一个电感线圈，
作为 索引传感器 。转子每转一周，窗口的漏磁使传感器
产生一个 索引脉冲 。两个索引脉冲之间，转子运动了
360° 的角位移。
? 以恒速 300r/min旋转时，索引脉冲周期为 200ms，脉宽
4ms。
? 索引脉冲除用于划分磁道的起始和终止点外，还被利用
来作转速控制。可以用频压转换，也可以用锁相技术进
行控制。与普通直流电机一样，可以用 PWM控制电枢
电流实现转速控制。
Industry Training Center, 工程训练, —— 力的测量与差动放大 2-15
上
夹
板
下夹板
盘
套
磁盘弹出按键
(将下夹板推进 )
主板
下夹板
复位弹簧
上磁头
下磁头 磁性
托盘
柔性
驱动销
盘套次水平
定位销和下
夹板导槽
§ 11.4 磁盘进出机构
Industry Training Center, 工程训练, —— 力的测量与差动放大 2-16
§ 11.4 主板
? 作用：系统的装配模块，为所有的静态零部件和动态机
构提供了定位基准和运动参照。
? 构成：
? 1)控制电路印制板；检测写保护、盘密度和盘片到位位传感器；
00号磁道传感器。
? 2)磁头系统的导轴和丝杠固定在主板上，两个轴的加工精度和
装配平行度直接影响磁头的运动精度；主轴电机也固定在软驱
主板上，它的轴心定位精度对读写操作有最为重要的作用。
? 3)上、下夹板，盘套活门拨杆底转动轴和复位弹簧也固定在主
板底面上。
? 4)盘片的主、次两个水平驱动销
? 5)上下盖、前面板
? 软驱主板是铝镁合金精密铸造件，也有用钢板精密冲压
件的，钢板的厚度应能保证足够的刚性。
Industry Training Center, 工程训练, —— 力的测量与差动放大 2-17
§ 11.4 磁头与主板协同工作
? 磁道格式,每一个扇段内，分为 ID标记段和数据区两部
分。 ID标记段以同步信号 SYNC起始，以间隙 GAP2结
束。数据区也以同步信号 SYNC起始，以间隙 GAP3结
束。
? 读写操作
? 扇段定位,同步信号确保了写在任何一个扇段里的标志、地址
和数据总能在读操作中被磁头正确地对准
? 磁道定位,寻找磁道的操作由控制器根据来自主机的命令和目
标磁道号，将当前磁道号与目标磁道号比较，从而决定磁头的
移动方向和位移量。
? 控制器,解释来自 CPU的命令，检测驱动器的工作状态，
向磁头系统和主轴系统发出各种控制信号 。
Industry Training Center, 工程训练, —— 力的测量与差动放大 2-18
§ 11.4 磁头与主板协同工作
工作状态检测
? 工作状态检测
? 1)00磁道传感器,一个红外发射 -接收对管，当磁头移动
到 00号磁道，也就是最外面的磁道时，磁头小车上的挡
板遮断光电对管的光路，输出到达 00号磁道的信号。
? 2)写保护传感器,一个微动开关，如果盘套上的拨块被
拨到写保护位置，此微动开关不被压下。
? 3)磁盘到位传感器,一个微动开关，每当盘片被推到底
时，上夹板下降，此开关就被盘套压下，发出盘片已到
位的信号。
? 4)磁盘密度传感器,一个微动开关，高密度磁盘的盘套
上有一个方孔，磁盘到位时不会压下此开关，而低密度
磁盘的盘套上没有方孔，磁盘到位时此开关被压下，由
此区分盘片的密度。
Industry Training Center, 工程训练, —— 力的测量与差动放大 2-19
1.采用何种传感器检测以下物理量？
角位移：
直线位移：
00磁道：
2.磁盘写保护、磁盘密度如何检测？
3.主轴电机转速 300r/min± 1.5％，如何保证误差
不累积？
4.磁头和主轴分别用什么电机驱动？
霍尔传感器
对步进电机的脉冲计数
光电对管
微动开关
每转一圈输出一个索引脉冲，转速 300r/min时，索引
脉冲周期为 200ms，脉宽 4ms。
步进电机、直流无刷电机
思考题
Industry Training Center, 工程训练, —— 力的测量与差动放大 2-20
1.怎样保证盘片不会放反？
2.如何保证磁盘不被弹射出来？
3.磁盘怎样与主轴同心、同步？
4.怎样保证磁头小车直线运动？
软盘上的斜角和软驱中的阻尼弹簧共同作用
阻尼弹簧的阻力
软盘上定位孔与主轴电机轴心的对准，软盘上
的驱动孔于主轴电机上的柔性驱动销对准
磁头小车上的导轴与丝杠安装在同一平面上，共
同决定下车的直线运动
思考题
