DE3128627A1 - Servoeinrichtung zur reglung der geschwindigkeit und phase einer rotierenden vorrichtung - Google Patents

Description

Ampex Corporation

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Servoeinrichtung zur Regelung der Geschwindigkeit und Phase einer rotierenden Vorrichtung

Die Erfindung betrifft eine Servoeinrichtung zur Regelung der Geschwindigkeit und Phase einer rotierenden Vorrichtung relativ zu einem Referenz-Takt der Vorrichtung, wobei die Vorrichtung eine Wirbelstrombremse mit zugeordneter Wirbelstrombremsenspule umfaßt.

Die Aufgabe der Erfindung liegt insbesondere darin mit einfachen Mitteln, insbesondere unter Vermeidung der Regelung des Antriebsstromes, eine exakte Regelung der Drehgeschwindigkeit und Phase der rotierenden Vorrichtung zu erreichen.

Diese Aufgabe wird gelöst durch einen mit der Wirbelstrombremse wirkungsmäßig verkuppelten Antrieb, der der Vorrichtung eine Drehbewegung aufprägt mit einer eine vorgesehene Betriebsdrehgeschwindigkeit geringfügig übersteigenden Drehgeschwindigkeit, und durch eine Servoschaltung, die in Abhängigkeit vom Referenz-Takt· der Vorrichtung an die Wirbelstrombremse einen kontinuierlichen Servo-Regelstrom abgibt, der die Drehgeschwindigkeit der rotierenden Vorrichtung kontinuierlich zur Einstellung der vorgesehenen Betriebsdrehgeschwindigkeit abbremst.

SAD ORIGINAL

I Λ O U Z. /

Die Erfindung liegt auf dem Gebiete von Plattenstapel-Servoeinrichtungen, insbesondere von Wirbelstrombremsen-Servoeinrichtungen zur Verwendung mit dynamischen Wirbelstrombremsen aufweisenden Vorrichtungen mit rotierenden Bauteilen.

In Plattenstapel-Geräten werden Aufnahme/Wiedergabe-Köpfe eingesetzt, die über die Oberfläche der jeweiligen rotierenden Platte in radialer Richtung schrittweise verschoben werden müssen, um hierdurch aufeinanderfolgende, konzentrische Aufnahmespuren festzulegen. Es ist offensichtlich, daß ein endliches Zeitintervall benötigt wird, damit der Kopf den Ort der nächsten Spur findet und zwar sowohl im Aufnahme- wie auch im Wiedergabebetrieb. Zusätzlich müssen die Köpfe an eine spezielle (Winkel-)Position, z.B. zum Sektor Null des Plattenstapels bewegt werden bzw. diese Stelle suchen, woraufhin die Köpfe dann hinreichend genau einzustellen sind, um die Aufnahme oder Wiedergabe (der nächsten Spur) sicherzustellen. Die während der Rotation des Plattenstapels auftretende Zeitverzögerung, während der das System das Erreichen der festgelegten (Anfangs-)Position abwartet, von welcher Position aus die Köpfe nach der nächsten Spur suchen können, wird die "Latenz" (latency) oder Latenzzeit des Plattenstapels genannt .

Ein einziger Plattenstapel ist daher nicht in der Lage, Hochgeschwindigkeitsdaten (bzw. hochfrequente Daten) richtig zu speichern aufgrund der vom Kopf benötigten Suchzeit und der dem Plattenstapelgerät innewohnenden Latenzzeit; die Daten können nämlich beispielsweise nicht darauf warten, bis der Plattenstapel zum Sektor Null gedreht ist.

Eine Möglichkeit dieses Problem zu bewältigen liegt darin, ein einziges Plattenstapelgerät mit einem sehr großen Puffer

(insbesondere Pufferspeicher) zu versehen, der die ankommenden schnellen (insbesondere hochfrequenten) Daten puffert, um hierdurch die Latenzzeit des Plattenstapels zu kompensieren ο Ein derartiges System ist relativ schwerfällig, kompliziert aufgebaut, teuer und im allgemeinen nicht anzustreben.

Eine zweite Möglichkeit, um schnelle Daten bei sehr hohen Datenraten übertragen zu können, wie z.B. beim Einlesen von Satellitendaten, besteht darin ein Parallel-Transfer-Plattensystem (PTD von £arallel transfer disk) einzusetzen, bei welchem zwei Plattenstapelgeräte Verwendung finden. In einem derartigen PTD-System werden die schnellen Daten in einen der Plattenspeicher eingelesen bzw. aus diesem ausgelesen, während die Köpfe des anderen Plattenspeichers den Suchvorgang durchführen. Die einkommenden Daten werden anschließend auf den zweiten Plattenstapel umgeschaltet, während die Köpfe beim ersten Plattenstapel den Suchvorgang durchführen. Dieses wechselweise Umschalten zwischen Plattenstapeln erlaubt ein kontinuierliches Einlesen oder Auslesen von schnellen Daten ohne Unterbrechung.

Bei der Verwendung eines PTD-Systems ist es jedoch unbedingt erforderlich, daß jeder Plattenstapel sich in einer äußerst präzisen Drehstellung befindet, d.h. die Plattenstapel sind derart miteinander zu verriegeln bzw. zu -verkoppeln, daß ein Umschalten zwischen ihnen in der richtigen Drehstellung, beispielsweise bei Sektor Null, möglich ist. Es muß daher eine Servoeinrichtung zur präzisen Steuerung der Geschwindigkeit und der Ortsphase beider Plattenstapel und zur Verriegelung der beiden Plattenstapel miteinander eingesetzt werden.

Es sind Servoeinrichtungen erhältlich, die einen Motor, wie ζ·^Β einen 745,7 W (1 horsepower) starken, bei einem Platten-

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stapelgerät verwendeten WechseIstronunotor folgesteuern/ wobei diese Servoeinrichtung einen Gleichstrom-Wechselstrom-Regler zur Reglung der Motorfrequenz verwendet. Eine derartige Servoeinrichtung benötigt eine Energie in der Größenordnung von 1491,4 W £=1 ,5 horsepower) zur Regelung des Motors, wobei die Servoeinrichtung selbst mit relativ hohen Wattanforderungen umzugehen hat. Eire derartige Servoeinrichtung ist im allgemeinen nicht sehr wirksam und dabei relativ teuer und relativ unzuverlässig.

Bei rotierenden Plattenstapeln o. dgl. werden häufig dynamische Wirbelstrombremsen ( eddy current dynamic brakes) eingesetzt, um für schnelles Abbremsen des Plattenstapels zu sorgen, sobald der Antrieb ausgeschaltet worden ist. Eine derartige Bremse wird dadurch in Betrieb gesetzt, daß ein Strom durch eine elektromagnetische Bremsenspule geschickt wird, der Magnetflußlinien erzeugt, die durch eine an der Datenstapelwelle angebrachte feste Bremsscheibe hindurchtreten. Diese Flußlinien induzieren wiederum Wirbelströme, die ihrerseits ein eigenes Magnetfeld erzeugen. Dieses Magnetfeld ist dem der elektromagnetischen Spule entgegengesetzt; die entsprechenden, einander entgegengesetzten Kräfte erzeugen die Bremswirkung. Die Größe der Bremskraft ist direkt proportional zur Rotationsgeschwindigkeit und zu dem von der elektromagnetischen Spule erzeugten Fluß; der Bremsvorgang selbst spiegelt diese Bedingungen wieder.

Die dynamische Bremse wird also nur in dem Zeitintervall betätigt, indem die Plattenstapel-Rotation angehalten werden soll.

Bei der erfindungsgemäßen Wirbelstrombremsen-Servoeinrichtung wird dagegen die bereits vorhandene dynamische Wirbelstrombremse des Plattenstapelgeräts nicht nur zum Abstoppen der Plattenstapelrotation eingesetzt, sondern darüber

hinaus als Mittel zur Regelung der Geschwindigkeit und der Ortsphase des Plattenstapels. Das erfindungsgemäße System löst eine Reihe von Problemen beim Stand der Technik; es benötigt nämlich keine übermäßig hohe Energie zur Steuerung des Antriebsmotors, da der Plattenstapel selbst (bzw. dessen Bewegung) und nicht der Motor über die Servo-Digitallogik geregelt bzw. gesteuert wird.

Die Antriebsriemenscheibe des die Plattenstapelwelle antreibenden Wechselstrom-Asynchronmotors wird durch eine Scheibe mit etwas größerem Durchmesser ersetzt, um zu erreichen, daß der Plattenstapel (disk pack) um in der Größenordnung von 2% schneller als erforderlich rotiert. Von der Servoeinrichtung wird an die Wirbelstrombremse Strom angelegt, um einen viskosen (d.h. geschwindigkeitsproportionalen) Bewegungswiderstand auf die an der Plattenstapelwelle befestigte Bremsscheibe auszuüben, so daß die Geschwindigkeit des Plattenstapels sich auf die gewünschte Arbeitsgeschwindigkeit reduziert. Die Regelung wird über den Servo-RegeIstrom vorgenommen, der den viskosen Widerstand zur Einstellung der richtigen Geschwindigkeit und Phase entweder erhöht oder erniedrigt.

Um dies zu erreichen, wird bei dem System eine Servoschaltung mit zwei Schleifen eingesetzt. Eine Phasenschleife,umfassend einen Phasendetektor und eine Integrierschaltung, stellt die Stapelposition entsprechend einem "Einmal-Umlauf"-Index-Impuls relativ zu einem externen Referenz-Impuls, beispielsweise einem System-Taktimpuls fest. Eine zweite Schleife, nämlich die Geschwindigkeitsschleife, die einen Frequenz-Spannung-Wandler und einen aktiven Tiefpassfilter umfaßt, sorgt für einen Abgleich, um hierdurch die Verriegelungszeit (lock-up time) zu verlängern und die Gesamtstabilität des Systems zu verbessern. Die Ausgänge der Phasen- sowie der Geschwindigkeitsschleife werden miteinander addiert und verstärkt, um ein zusammengesetztes Fehlersignal

zu erhalten, welches zur Ansteuerung der Wirbelstrombremse eingesetzt wird. Eine Verriegelungsanzeige (lock indicator) sorgt für eine digital abgeleitete "verriegelt"-Statusanzeige (in lock) wie auch für einen dementsprechenden logischen Pegel.

Die Servoeinrichtung wird vorzugsweise dazu eingesetzt, zwei oder mehr Plattenstapel miteinander zu "verriegeln"; d.h. jedes Plattenstapelgerät enthält eine Wirbelstrombremse-Servoreinrichtung mit Hilfe derer die relativen Stapelpositionen (insbesondere Drehwinkeleinstellungen) an einen externen Referenz-Impuls starr angekuppelt werden, um hierdurch im "verriegelt"-Zustand die Plattenstapel präzise lokalisieren zu können (bzw. deren Dreheinstellung eindeutig festlegen zu können).

Erfindungsgemäß wird eine Servoeinrichtung bereitgestellt, welche eine bereits vorhandene dynamische Wirbelstrombremse zur Regelung der Geschwindigkeit und der Ortsphase eines rotierenden Gerätes in Beziehung auf beliebige Zeitsignale regelt. Weiterhin wird erfindungsgemäß eine Servoreinrichtung bereitgestellt, welche eine dynamische Wirbelstrombremse bei zwei oder mehr Plattenstapelgeräten verwenden, um die Drehbewegung der Plattenstapel miteinander zu verriegeln, d.h. streng miteinander zu synchronisieren. Erfindungsgemäß wird eine Servoreinrichtung für rotierende Geräte mit dynamischer Wirbelstrombremse bereitgestellt, wobei das rotierende Gerät etwas schneller als vorgesehen rotiert und von der Servoeinrichtung gelieferter Strom an die Wirbelstrombremse angelegt wird, um einen viskosen Widerstand auf das rotierende Gerät auszuüben zur Reduzierung seiner Drehgeschwindigkeit auf die erwünschte Geschwindigkeit. Weiterhin wird durch die Erfindung eine Servoeinrichtung bereitgestellt, welche eine Phasen- und eine Geschwindigkeitsschleife einsetzt, wobei das zusammengesetzte Fehlerstromsignal eine bzw. die dynamische Wirbelstrombremse

regelt, zur Regelung der Geschwindigkeit eines bzw. des rotierenden Gerätes.

Die Erfindung wird im folgenden an einem Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnung erläutert.

Es zeigt:

Fig. 1 ein Blockdiagramm einer erfindungsgemäßen Wirbelstrombremse-Servoeinrichtung in Verbindung mit einer vorhandenen Wirbelstrombremse; und

Fig. 2 ein Schaltschema einer Ausführungsform der Wirbelstrombremse-Servoeinriehtung gemäß Fig. 1.

Die in Fig. 1 dargestellte Wirbelstrombremse-Servoeinrichtung 8 wird von einer Wirbelstrombremse-Servoschaltung 10 und einer dynamischen Wirbelstrombremse 12 eines Plattenstapelgeräts 14 gebildet. Das Plattenstapelgerat 14 hat im allgemeinen herkömmlichen Aufbau und umfaßt einen Plattenstapel 16, der mit einer Welle 18 drehfest verbunden ist, welche wiederum von einem großen Asynchron-Wechselstrommotor 20 (three phase induction motor) über einen Riemen und eine Wellen-Riemenscheibe 19 sowie eine Motorriemenscheibe 21 angetrieben wird. Eine Bremsscheibe 20 ist ebenfalls mit der Welle 18 drehfest verbunden, wobei deren äußerer Umfangsbereich innerhalb der Wirbelstrombremse 12 rotiert, die auf .diese Weise einen Teil der Bremse bildet. Die Bremse umfaßt darüber hinaus eine Wirbelstrombremse-Elektromagnetspule 24, die mit der Servoschaltung 10 verbunden ist und die zur Regelung der Rotation des Plattenstapels 16 einen entsprechenden Bremsfluß in der Bremsscheibe 20 erzeugt. Das Plattenstapelgerat 14 umfaßt weiterhin einen Servotaktgenerator 26 sowie einen Index-Impulsgenerator 28. Der Servotaktgenerator 26 stellt die Rotationsgeschwindigkeit des Plattenstapels 16 nach Art eines Tachometers fest und

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erzeugt eine dementsprechende Servo-Taktfrequenz, die bei Einhaltung der Solldrehgeschwindigkeit beispielshalber 403,2 kHz betragen kann. Der Index-Impulsgenerator 28 erzeugt bei jeder Umdrehung des Plattenstapels 16 einen Impuls, d.h. er erzeugt einen "eine Umdrehung"-Impuls (once-around pulse) jeweils an einer festgelegten Drehstellung des Plattenstapels 16. Die Wirbelstrombremse-Servoeinrichtung 8 benutzt die bereits vorhandene dynamische Wirbelstrombremse 12 als Mittel zur Regelung der Geschwindigkeit und der Ortsphase des Plattenstapels 16 und zwar durch Regelung der Rotation der Plattenstapelwelle 18 über die Bremsscheibe 22. Die Welle 18 wird von dem Wechselstrom-Motor 20 riemengetrieben, wobei die normalerweise eingesetzte Motorriemenscheibe durch die Riemenscheibe 21 mit geringfügig größerem Durchmesser ersetzt wird, so daß der Plattenstapel 16 angenähert 2% schneller als für den ordnungsgemäßen Betrieb erforderlich rotiert. Wie weiter unten noch beschrieben werden wird, erzeugt die Servoschaltung 10 einen Treiberstrom, der an die Wirbelstrombremse 12 angelegt wird, insbesondere an die Elektromagnetspule 24. Dies erzeugt einen auf die Bremsscheibe 22 einwirkenden viskosen Widerstand, der wiederum die Geschwindigkeit der Welle 18 und damit des Plattenstapels 16 bis auf die vorgesehene geeignete Geschwindigkeit reduziert. Die Regelung der Rotationsbewegung wird also durch den Treiber- bzw. Regelstrom der Servoschaltung 10 erreicht, der den viskosen Widerstand vergrößert oder vermindert zur Einstellung der korrekten Geschwindigkeit und Phase des Plattenstapels 16.

Wie Fig. 1 zeigt, umfaßt die Servoschaltung 10 zwei Rückkoppelschleifen, eine Phasenschleife 30, die die (Drehwinkel-) Position des Plattenstapels relativ zu einem äußeren Referenz-Impuls feststellt, und eine Geschwindigkeitsschleife 32, die wiederum für einen Abgleich bzw. Ausgleich zur Verlängerung der "verriegeK'-Zeit und zur Verbesserung der

Gesamtstabilität sorgt. Die Phasenschleife 30 dominiert in ihrer Wirkung bei sehr niedrigen Fehlersignal-Frequenzen, wohingegen die Geschwindigkeitsschleife 32 bei höheren Fehlersignal-Frequenzen überwiegt.

Um dies zu erreichen, empfängt ein in der Phasenschleife 30 vorgesehener Phasendetektor 34 die über eine Leitung 36 vom Index-Impulsgenerator 28 erzeugten Index-Impulse; der Phasendetektor 34 empfängt darüber hinaus über eine Eingabeleitung 38 einen externen Referenz-Impuls entsprechend einem Gesamtsystem-Taktimpuls oder irgendwelche von einer Systemuhr abgeleitete Signale. Ein erster Ausgang des Phasendetektors 34 liegt an einem Integrierer 40 an und anschließend an einem Summierverstärker 42.

Eine in der Geschwindigkeitsschleife 32 vorgesehene Frequenz-Diskriminatorschaltung 44 empfängt den 403,2 kHz Servotaktimpuls vom Servotaktgenerator 24 über eine Leitung 46 und gibt an einen aktiven Tiefpassfilter 48 ein Ausgangssignal ab. Der Filter 48 ist ebenfalls an den Summierverstärker 42 angeschlossen. Der Summierverstärker 42 stellt ein zusammengesetztes Fehlersignal der Phasen- und Geschwindigkeitsschleifen 30 und 32 bereit, welches einer Wirbelstrombremsenspule-Treiberschaltung 50 zugeführt wird. Die Treiberschaltung 50 wiederum ist mit der bereits erwähnten Elektromagnetspule 24 der Bremse verbunden.

Eine Schaltung 52 zur Feststellung und Anzeige des "verriegelt¹ Zustands ist über eine Leitung 55 mit einem zweiten Ausgang des Phasendetektors 34 verbunden und darüber hinaus an den 403,2 kHz Servotakt des Servotaktgenerators 26 über die Leitung 46 angeschlossen. Die Schaltung 52 sorgt für eine digital abgeleitete "verriegelt"-Statusanzeige (in lock status indication) beispielsweise mit Hilfe einer Leuchtdiodenanzeige 56 (in Fig. 1 mit LED von light-emitting diode bezeichnet) ; daneben stellt die Schaltung 52 über eine Leitung 58

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ein Logikpegel-Ausgangssignal bereit. Im genannten "verriegelf-Status befindet sich die Einrichtung 8 im Zustand synchronisierter d.h. starrer bzw. miteinander verriegelter Phasen (lock-up condition)„

Wie Fig. 1 zeigt, ist die erfindungsgemäße Wirbelstrombremse-Servoeinrichtung 8 besonders vorteilhaft einzusetzen bei der (Phasen-) Verriegelung (locking) zweier Plattenstapelgeräte miteinander zur Erleichterung der Aufnahme und Wiedergabe von Hochgeschwindigkeitsdaten. Insbesondere läßt sich die erfindungsgemäße Servoeinrichtung 8 mit besonderem Vorteil bei einem Parallelübertragungsplattensystem oder PTD-System (von parallel transfer disk) einsetzen, also in Fällen, in denen Daten mit hohen Übertragungsraten zu übertragen sind. In derartigen Fällen ist es aufgrund der kontinuierlich eintreffenden Daten erforderlich, zwischen mindestens zwei Plattenstapeln umzuschalten, um ein kontinuierliches Laden der Daten zu erreichen.

In Fig. 1 ist daher eine zweite Wirbelstrombremse-Servoschaltung 10a mit zugeordnetem Plattenstapelgerät 14a dargestellt, wobei der an der Eingabeleitung 38 anliegende externe Referenz-Impuls ebenfalls der zweiten Servoschaltung 10a zugeführt wird. Der Betrieb des Plattenstapelgeräts 14 ist daher in Reaktion auf den an der Leitung 38 anliegenden Referenz-Impuls mit dem des Plattenstapelgeräts 14a phasenstarr verriegelt (locked). Wie an der Stelle 60 angedeutet, können die Referenz-Impulse auch weiteren zusätzlichen Servoschaltungen und diesen zugeordneten Plattenstapelgeräten zugeführt werden, wodurch eine Vielzahl gesonderter Plattenstapelgeräte oder Paare von Plattenstapelgeräten über den Referenz-Impuls zusammengekoppelt werden können.

Fig. 2 zeigt ein Schaltschema der Servoschaltung 10 gemäß Fig. 1, wie diese im Zusammenhang mit der Elektromagnetspule 24 der Wirbelstrombremse 12 und dem zugeordneten Plat-

tenstapelgerät 14 eingesetzt wird. Einander entsprechende Baukomponente der Figuren tragen dieselben Bezugsziffern. Dementsprechend wird der System-Referenz-Impuls über die Leitung 38 dem Phasendetektor 34 der Phasenschleife 30 zugeführt, insbesondere einem Analog-Schalter 62 der Schleife 30. In gleicher Weise wird der Index-Impuls des Index-Impulsgenerators 28 (siehe Fig. 1) über die Leitung 36 dem genannten Analog-Schalter 62 zugeführt. Der Schalter 62 dient als Pegel-Umwandler zur Herstellung der Transistor-Transistor-Logik-Kompatibilität (TTL-Kompatibilität) für die Index- und Referenz-Eingangsimpulse. Der Schalter ist mit dem Phasendetektor 34 verkoppelt, der digital über die positive Signalflanke getriggert ist (digital positive edge triggered) und im Bereich zwischen +5V und -5V arbeitet. Die -5V-Spannung wird von einem invertierenden Operationsverstärker 66 mit Verstärkungsfaktor 1 (in Fig. 2 vorne rechts dargestellt) bereitgestellt, um hierdurch ein Nachziehen bzw. ein Ankoppeln an die +SV-Spannung zu erreichen.

Der erste Ausgang des Phasendetektors 34 wird dem Integrierer 40 zugeführt, der aus einer Operationsverstärker-Integriererschaltung der bipolaren Feldeffekt-Transistorbauart (bi-fet operational amplifier integrator circuit) besteht. Der Integrierer 40 integriert die Phasen-Ausgangsimpulse, um hierdurch eine der Zeitdifferenz zwischen dem Referenz-Impuls und dem Index-Impuls proportionale Spannung zu erzeugen. Diese Spannung stellt das Fehlersignal der Phasenschleife 30 dar, welches dem Summierverstärker 42 vom Summierschaltungspunkt 68 aus zugeführt wird.

Wenn der über die Leitung 36 zugeführte Referenz-Impuls vor dem über die Leitung 36 zugeführten Index-Impuls ankommt, besteht der dem Integrierer 40 zugeführte Phasendetektorausgang aus einem 0 auf +5V Impuls, dessen Breite genau so groß ist wie die Zeitdifferenz zwischen der Anstiegsflanke des Referenz-Impulses und der Anstiegsflanke des

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Index-Impulses. Falls der Index-Impuls eher eintrifft, wird am Ausgang des Phasendetektors 34 ein 0 auf -5V Impuls abgegeben. Wenn keine Zeitdifferenz zwischen dem Referenz- und dem Index-Impuls vorhanden ist, nimmt der Ausgang des Phasendetektors 34 einen hochohmigen Zustand ein (high impedance state).

Der zweite Ausgang des Phasendetektors 34 wird über die bereits in Verbindung mit Fig, 1 erwähnte Leitung 54 der Schaltung 52 zur Feststellung und Anzeige des "verriegelt" -Zustande zugeführt. Dieses Ausgangssignal des Phasendetektors 34 umfaßt einen 10V ins Negative gehenden (von +5V auf -5V) Rückstell-Impuls, dessen Breite der jeweiligen Differenz entspricht. Dieser Rückstell-Impuls wird zur Anzeige der "verriegelt"-Bedingung verwendet .

Der Servotakt des Servotaktgenerators 26 (Fig· 1) wird über die Leitung 46 der Frequenz-Diskriminatorschaltung 44 der Geschwindigkeitsschleife 32 zugeführt. Die Schaltung 44 umfaßt einen 1-durch-5-Zähler 70 (divide-by-5 counter), der über den an Leitung 46 anliegenden Servotakt getaktet ist und dessen Ausgang einer Frequenz-Spannung-Umwandlerschaltung 72 zugeführt. Der 403,2 kHz Takt wird demnach durch 5 dividiert (80,64 kHz) und dann der Umwandlerschaltung 72 eingegeben. Letztere wandelt die Frequenz in eine zu dieser linearen und proportionalen Spannung um. Ein Offset-Strom wird an die Schaltung 72 mittels einer Offset-Potentiometerschaltung 74 angelegt, um den Ausgang der Umwandlerschaltung 72 auf OV einzustellen, wenn ein 80,64 kHz Signal am Eingang der Umwandlerschaltung 72 anliegt. Genau entsprechend der Variation der Geschwindigkeit des Plattenstapels 16 variiert auch die Taktfrequenz und dementsprechend die Ausgangsspannung des Frequenz-Diskriminators 44. Diese Ausgangsspannung wird dem aktiven

- 17 Tiefpassfilter 48 zugeführt.

Der Tiefpassfilter 48 sorgt für eine Verstärkung der Ausgangsspannungs-Variationen des Frequenz-Diskriminators 44 und sorgt für eine Phasenkompensation für die Geschwindigkeitsschleife 32. Der Ausgang des Filters 48 stellt das Geschwindigkeitsschleife-Fehlersignal dar, welches dem Summierverstärker 42 über den Summierschaltungspunkt 68 zugeführt wird.

Der Summierverstärker 42 umfaßt einen invertierenden Operationsverstärker 42a, der zur Bereitstellung eines zusammengesetzten Fehlersignals die Phasenschleife-Fehlerspannung und die Geschwindigkeitsschleife-Fehlerspannung miteinander addiert. Ein Potentiometer 76 ist in den Rückkoppel- bzw. Feedback-Schaltungszweig des Operationsverstärkers 42a eingeschaltet, um die Servo-Gesamtverstärkung einstellen zu können. Die vom Summierverstärker 42 abgegebene Nennspannung des zusammengesetzten Fehlersignäls liegt in der Größenordnung von 35OmV. Eine Widerstand-Dioden-Schaltung 78 am Ausgang des Summierverstärkers 42 begrenzt die Fehler-Spitzenspannung auf 70OmV; die Schaltung 78 sorgt für im wesentlichen symmetrische Geschwindigkeitshochregelung und der Geschwindigkeitsabregelung und schützt vor übermäßigem, insbesondere allzu abruptem Geschwindigkeitsabregeln.

Das zusammengesetzte Fehlersignal des Summierverstärkers wird einer Bremsspulen-Treiberschaltung 50 zugeführt, insbesondere einem Analog-Schalter 80 am Eingang der Schaltung 50, der die Fehlerspannung während des Start- und Einlaufbzw. Hochlaufbetriebs des Plattenstapelgeräts abtrennt. Ein mit "Köpfe eingefahren" (headsloaded) bezeichneter, über eine Leitung 82 einem Schalter 80a zugeführter Befehl schließt den Schalter 80aum den Servobetrieb beginnen zu· lassen. Sobald der Plattenstapelmotor ausgeschaltet wor-

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den ist, wird über einen an einer Leitung 84 anliegenden mit "Plattenstapelmotor aus" bezeichneten Befehl ein zweiter Schalter 80b (siehe Fig. 2) zugeschaltet, was zur Folge hat, daß eine über einen Eingang 68 der Schaltung 50 zugeführte Bremsspannung der Bremsspulen-Treiberschaltung 50 zugeführt wird. Auf diese Weise wird die bei den herkömmlichen Geräten erzeugte Bremsaktion nachgeahmt, die das Plattenstapelgerät 14 zum Anhalten bringt (Fig. 1).

Der Ausgang des Analogschalters 80 ist an einen Operationsverstärker 88 angekoppelt und von diesem aus an einen Leistungs-Transistor 90, der einen stromempfindlichen Widerstand 92 umfaßt, um einen an die Spule 24 anzulegenden Regelstrom zu erzeugen, der zu der der Schaltung 50 zugeführten zusammengesetzten Fehlerspannung proportional ist.

Die bereits erwähnte Schaltung 52 zur Feststellung und Anzeige des "verriegelt"-Zustands empfängt sowohl den Rückstell- Impuls vom zweiten Ausgang des Phasendetektors 34 wie auch den Servotakt über die Leitung 46 und sorgt für eine digital abgeleitete (bzw. digitale) Anzeige des "verriegelt" -Status mit Hilfe der Leuchtdiodenanzeige 56; daneben gibt die Schaltung 52 einen an der Leitung 58 anliegenden logischen Pegel ab. Um dies zu erreichen, wird der 403,2 kHz Takt mit Hilfe eines D-Flip-Flops 94 durch zwei geteilt; der Flip-Flop 94 taktet einen Dekadenzähler 96. Der Rückstell-Impuls auf Leitung 54 wird zum Rückstellen des Zählers 96 benutzt. Der Zähler 96 wird daher solange in Rücksetzstellung gehalten, solange der Rücksetz-Impuls vom Phasendetektor 34 bei +5V liegt; der Zähler 96 ist zum Zählen freigegeben, wenn der Rücksetz-Impuls -5V annimmt. Der Ausgang des Zählers 96 liegt an einem D-Flip-Flop 98 an sowie an einer Zeitverzögerungsschaltung 100 aus Transistor- und RC-Schaltungselementen (siehe Fig. 2) . Sobald es dem Dekadenzähler 96 erlaubt ist bis 5 zu zählen (25 \is) nimmt der Zählerausgang einen hohen Pegel an,

um hierdurch die Zeitverzögerung 100 zu setzen (set) und um ein Setzen des Flip-Flops 98 zu veranlassen. Der Flip-Flop 98 wird kontinuierlich durch den 403,2 kHz Takt getaktet; er kann jedoch erst dann zurückgesetzt werden wenn sein Eingang niedrigen Pegel annimmt und die Zeitverzögerungsschaltung 100 sich bis weniger als die Hälfte der an ihr anliegenden Vorspannung entladen hat.

Sobald der Flip-Flop 98 seinen "Rücksetz"-Zustand (reset state) einnimmt, treibt sein Q-Ausgang einen Transistor 102 zur Erzeugung des "verriegelf'-Signals auf der Leitung 58, d.h. zur Anzeige, daß die Wirbelstrombremse-Servoeinrichtung sich in ihrem "verriegelf'-Zustand befindet. Wenn die Einrichtung jedoch nicht verriegelt ist, betreibt der Q-Ausgang des Flip-Flops 98 die Leuchtdiodenanzeige 56 als Hinweis darauf, daß die Einrichtung außer Synchronisierung ist.

Nach Anlegen von Signalen an die Servoschaltung 10 und nachdem die Einrichtung ihren "verriegelt"-Zustand eingenommen hat, wird die Offset-Potentiometerschaltung 74 derart justiert, daß der Ausgang der Phasenschleife 30 zwischen -1V und +1V liegt. Auch sollte die Pulsbreite des Phasenschleife-Fehlersignals einen Spitzenwert von 10 bis 15M.S nicht überschreiten; der mittlere quadratische Fehler (RMS) sollte 2 bis 5με betragen. Bei zu niedrigem Verstärkungsfaktor können während des Kopf-Such-Zeitintervall-s außerordentlich hohe Phasenfehler auftreten, während bei zu hoher Verstärkung außerordentlich hohe hochfrequente Instabilitäten bzw. hochfrequentes Zittern auftreten kann.

Die vorstehend beschriebene Servoeinrichtung sorgt für eine phasenstarre (d.h. phasenverriegelte oder phasensynchronisierte) Folgeregelung der Rotationsgeschwindigkeit und Phase von einem, zwei oder mehr Magnet-Plattenstapeln

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durch Betreiben des bzw. der Plattenstapel mit Rotationsgeschwindigkeiten, die angenähert 2% höher als vorgesehen sind und durch Anlegen eines Steuerstroms an eine bereits vorhandene Wirbelstrombremse des Plattenstapels mit Hilfe eines Servoschaltkreises zur Reduzierung der Rotationsgeschwindigkeit auf die vorgesehene. Die Servoschaltung regelt den Servosteuerstrom für die Bremse über zwei Schleifen, eine Phasenschleife, die eine Stapeleinstellung relativ zu einem externen Referenz-Impuls feststellt und eine Geschwindigkeitsschleife, die einen Abgleich zur Verlängerung der Verriegelungszeit und zur Verbesserung der gesamten Stabilität sorgt. Die miteinander addierten Ausgänge beider Schleifen bilden ein zusammengesetztes Fehlersignal, welches dem Servosteuerstrom entspricht.

Leerseite

Claims (11)

1. Patentanwälte Dipl.-Ing. H. WEicKMANN^Iftp^.-FHVs.rDR- KVFit-.-cke

   Dipl.-Ing. R A.Weickmann, üipl.-Chem. B. Huber Dr. Ing. H. Liska

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   POSTFACH 860 820

   MDHLSTRASSE 22, RUFNUMMER 98 39 21/22

   Ampex Corporation

   Broadway

   Redwood City, Calif. 94063, V.St.A.

   Servoeinrichtung zur Regelung der Geschwindigkeit und Phase einer rotierenden Vorrichtung

   Patentansprüche

   ( 1 Λ Servoeinrichtung (8) zur Regelung der Geschwindigkeit und Phase einer rotierenden Vorrichtung (14; 14a) relativ zu einem Referenz-Takt der Vorrichtung, wobei die Vorrichtung (14; 14a) eine Wirbelstrombremse (12) mit zugeordneter Wirbelstrombremsenspule (24) umfaßt, gekennzeichnet durch

   - einen mit der Wirbelstrombremse (12) wirkungsmäßig verkuppelten Antrieb (20, 21, 19, 18), der der Vorrichtung eine Drehbewegung aufprägt mit einer eine vorgesehene Betriebsdrehgeschwindigkeit geringfügig .übersteigenden Drehgeschwindigkeit,

   - und durch eine Servoschaltung (10; 10a), die in Abhängigkeit vom Referenz-Takt der Vorrichtung an die Wirbelstrombremse (12) einen kontinuierlichen Servo-Regelstrom abgibt, der die Drehgeschwindigkeit der rotierenden Vorrichtung (14; 14a) kontinuierlich zur Einstellung der vorgesehenen Betriebsdrehgeschwindig-

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   - 2 -keit abbremst.
2. 2. Servoeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein mit der rotierenden Vorrichtung (14) verkoppelter Index-Impuls-Generator (28) vorgesehen ist zur Erzeugung eines die Drehstellung der rotierenden Vorrichtung (14) angebenden Index-Impulses,

   und daß die Servoschaltung (10) eine Detektoreinrichtung (34) umfaßt zum Vergleich des Index-Impulses mit dem Referenz-Takt der Vorrichtung.
3. 3. Servoeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest zwei Servoschaltungen (10; 10a) vorgesehen sind, die mit entsprechenden Wirbelstrombremsen entsprechender rotierender Vorrichtungen (14, 14a) verkuppelt sind, und daß jede Servoschaltung (10; 10a) auf den entsprechenden Index-Impuls und den Referenz-Takt der Vorrichtung hin die Drehbewegungen der rotierenden Vorrichtungen (14; 14a) bei der vorgesehenen Betrieh drehgeschwindigkeit miteinander phasenstarr verkoppelt.
4. 4. Servoeinrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Servoschaltung (10; 10a) folgende Schaltungselemente umfaßt:

   - eine Phasenschleife (30) mit einem Phasendetektor (34) zur Erzeugung eines Phasenschleifen-Fehlersignals in Abhängigkeit vom Vergleich des Index-Impulses und des Referenztaktes der Vorrichtung;

   - einen mit der rotierenden Vorrichtung verkoppelten Servo-Takt-Generator (26) zur Erzeugung eines die Drehgeschwindigkeit angebenden Servo-Taktes, und

   - eine Geschwindigkeitsschleife (32) mit einem Frequenz-Diskriminator (44) zur Erzeugung eines Geschwindigkeitsschleifen-Fehlersignals in Abhängigkeit vom Servo-Takt.
5. 5. Servoeinrichtung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine Schaltung (52) zur Feststellung und Anzeige eines "außer-Synchronisierung"- und eines "verriegelt"-Zustande der Servoeinrichtung in Abhängigkeit vom Phasendetektor (34) und vom Servo-Takt.
6. 6. Servoeinrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet , daß der Frequenz-Diskriminator (44) einen Frequenz-Spannungsumwandler (72) umfaßt zur Erzeugung des Geschwindigkeitsschleifen-Fehlersignals in proportionaler Abhängigkeit von der Servo-Takt-Frequenz und daher von der Drehgeschwindigkeit der rotierenden Vorrichtung (14; 14a).
7. 7. Servoeinrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung (52) zur Feststellung und Anzeige des "verriegelt"-Zustands einen Zähler (96) umfaßt, der wirkungsmäßig mit dem Servo-Takt verkoppelt ist und während des "außer Synchronisierung"-Zustands kontinuierlich zählt; und daß die Schaltung (52) ferner eine mit dem Zähler (96) verkoppelten Flip-Flop (98) umfaßt, der dann, wenn der Zähler (96) anhält zu zählen, zur Anzeige des "verriegelt"-Zustands zurückgesetzt wird.
8. 8. Servoeinrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet , daß die Phasenschleife (30) einen mit dem Phasendetektor (34) verkoppelten Integrierer (40) umfaßt,

   daß die Geschwindigkeitsschleife (32) einen mit dem Frequenz-Spannungsumwandler (72) verkoppelten Filter (48) umfaßt; und

   daß die Servoschaltung (10; 10a) ferner einen mit dem Integrierer (40) und dem Filter (48) verkoppelten Summierverstärker (42) umfaßt zur Summierung der Fehlersignale der Schleifen und zur Erzeugung des kontinuierlichen ' Servo-RegeIstroms.

   I /LKJ U
9. 9. Servoeinrichtung nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch eine mit dem Summierverstärker (42) verkoppelten
   Wirbelstrombremsen-Treiberschaltung (50) zum Betreiben der Wirbelstrombremsenspule (24) in Abhängigkeit von
   einem anfänglichen ",Köpfe eingefahren"-Befehl.
10. 10. Servoeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß sie die Geschwindigkeit und Phase der Drehbewegung eines Plattenstapels, insbesondere Magnetplattenstapels, regelt.
11. 11. Servoeinrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß sie die Geschwindigkeit und Phase zweier Magnetplattenstapel regelt, die zusammen im Parallelübertragungsplattensystem (PTD-System) betrieben werden.