DE3712769A1 - Spindelmotorantrieb fuer ein plattengeraet - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Spindelmotorantrieb fur ein Plattengerät, insbesondere einen Spindelmotorantrieb mit verbesserten Startanlaufeigenschaften.

Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild eines herkömmlichen Antriebs, um einen Motor eines Plattengerätes anzutreiben. In Fig. 1 bezeichnet das Bezugszeichen 1 einen Spindelmotor, nachstehend auch kurz als Motor bezeichnet, der eine Magnetplatte oder eine Vielzahl von Magnetplatten (nicht dargestellt) antreibt. Das Bezugszeichen 2 bezeichnet eine Spindelmotor-Antriebsschaltung, nachstehend auch kurz als Antriebsschaltung bezeichnet, die den Motor antreibt. Ein Paar von oberen und unteren Transistoren Q 1 und Q 2 sind erforderlich, um eine Phase des Motors anzutreiben, und ein Widerstand R bezeichnet einen Motorstrom- Abtastwiderstand, der verwendet wird, um einen Strom zu steuern, der für die Drehzahl des Motors 1 erforderlich ist.

Das Bezugszeichen 3 bezeichnet einen Drehwinkelpositions- Meßfühler, der erforderlich ist, im die Richtung eines Antriebsstromes zum Motor 1 zu bestimmen und um eine Antriebs­ stromfließzone sowie eine Motordrehzahl abzutasten, wobei z. B. ein Hall-Element verwendet wird. Das Ausgangssignal des Drehwinkelpositions-Meßfühlers 3 wird in einem Drehzahl- Komparator 4 eingegeben, der das Ausgangssignal des Meß­ fühlers 3 mit dem Ausgangssignal eines Sollwertdrehzahl­ generators 5 vergleicht, um die Drehzahl des Motors 1 konstant zu steuern.

Das Bezugszeichen 6 bezeichnet einen Strombegrenzer, um die Transistoren der Antriebsschaltung 2 zu schützen. Das Bezugszeichen 7 bezeichnet eine Gleichspannungsversorgung, die einen erforderlichen Strom liefert, um den Motor 1 anzu­ treiben. Die vorstehend beschriebene Anordnung herkömmlicher Bauart ist eine Steuerschaltung für eine im allgemeinen konstante Motordrehzahl, und die Funktion des Strombegrenzers 6 wird nachstehend erläutert.

Der Gleichspannungswiderstand einer einphasigen Nebenschluß­ wicklung des Motors 1, der beispielsweise eine Leistung von ungefähr 1/8 PS hat, beträgt ungefähr 0,6 Ohm. Wenn somit der Strombegrenzer 6 nicht vorhanden ist, erreicht der Strom, der zum Startzeitpunkt zum Motor 1 fließt, einen Wert, der sich berechnen läßt, indem man die Ausgangsspannung der Spannungsversorgung 7 durch den Gleichspannungswiderstand und den Strombegrenzungswiderstand R teilt. Man erhält beispielsweise den nachstehend angegeben Wert:

Andererseits hat der zum Motor 1 fließende Strom ungefähr eine Stromstärke von 3,4 A, wenn der Motor 1 sich gesteuert bei Dauerzustands-Drehzahl dreht, wie z. B. bei einer Dreh­ zahl von 3600 min^-1, und das Verhältnis der hineinfließenden Ströme von dem Strom zum Startzeitpunkt zum Strom im Dauer­ zustand ist groß. Das bedeutet, daß die Antriebsschaltung 2 stark belastet wird, und die Kosten für die Transistoren Q 1 und Q 2 der Endstufe der Antriebsschaltung 2 sind sehr hoch. Zu diesem Zweck hat man bislang den Strombegrenzer 6 verwendet.

Bei einem herkömmlichen Spindelmotorantrieb für ein Magnet­ plattengerät mit einem derartigen Aufbau kann man zwar die Antriebsschaltung 2 durch den Einsatz und die Wirkungsweise des Strombegrenzers 6 verbessern, da aber der Strombegrenzer 6 in Reihe zwischen der Gleichspannungsversorgung 7 und der Last, also der Antriebsschaltung 2 und dem Motor 1 eingesetzt ist, ergibt sich der Nachteil, daß die elektrische Leistung ständig verlorengeht, was die Effizienz beim Antrieb des Motors bei gleichbleibender Spannungsversorgungskapazität erheblich beeinträchtigt.

Ziel der Erfindung ist es somit, einen Spindelmotorantrieb der eingangs erläuterten Art anzugeben, der das Ansteigen des Betriebsstromes zuverlässig begrenzt, ohne eine uner­ wünschte Leistungsaufnahme mit sich zu bringen.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, einen Spindel­ motorantrieb für ein Magnetplattengerät anzugeben, bei dem die Last der Motorantriebsschaltung verringert, die Effizienz der Antriebsspannungsversorgung gesteigert und die Start- oder Anlaufeigenschaften des Motors weiter verbessert werden.

Der erfindungsgemäße Spindelmotorantrieb für ein Plattengerät ist so aufgebaut, daß, getrennt von einer vorgegebenen Dreh­ zahlsteuerung des Motors, ein in dem Strombegrenzer vorge­ sehener Kurzschlußschalter geöffnet wird, wobei der Strom­ begrenzer in Reihe zwischen einer Spannungsversorgung und der Last, also einer Spindelmotor-Antriebsschaltung und dem Motor eingesetzt ist, wobei das Kurzschließen bzw. das Öffnen des Schalters in Abhängigkeit vom Betriebszustand des Motors erfolgen.

Die Erfindung wird nachstehend, auch hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile, anhand der Beschreibung von Ausführungs­ beispielen und unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines herkömmlichen Spindelmotorantriebs;

Fig. 2 ein Blockschaltbild zur Erläuterung einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Spindelmotorantriebs für ein Magnetplattengerät;

Fig. 3 ein Diagramm zur Erläuterung der Motor­ charakteristiken;

Fig. 4 ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Spindelmotorantriebs;

Fig. 5 ein Flußdiagramm zur Erläuterung des Konzeptes der Ausführungsform gemäß Fig. 2;

Fig. 6 ein Blockschaltbild zur Erläuterung einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Spindelmotorantriebs für ein Magnetplattengerät; und in

Fig. 7 ein Flußdiagramm zur Erläuterung des Konzeptes der Ausführungsform gemäß Fig. 6.

In den verschiedenen Figuren der Zeichnung werden durchgehend gleiche Bezugszeichen und Symbole für gleiche oder entsprechende Komponenten verwendet. Im folgenden wird zunächst auf Fig. 2 Bezug genommen.

In Fig. 2 bezeichnet das Bezugszeichen 8 einen Schaltanzeiger, der ein Signal an eine Entscheidungsschaltung 10 abgibt, wobei dieses Signal einer optimalen vorgegebenen Antriebszeit ent­ spricht, um einen Strombegrenzer 6 mit einem Schalter 9 kurzzu­ schließen und die Ausgangsspannung der Spannungsversorgung 7 an sämtliche Lasten anzulegen, d. h. eine Antriebsschaltung 2 und einen Motor 1.

Die Entscheidungsschaltung 10 vergleicht die Amplitude des Ausgangssignals des Schaltanzeigers 8 mit dem Ausgangssignal einer Startzeit-Meßeinheit 11, um die beim Start verstrichene Zeit des Motors 1 zu messen, und liefert ein Ausgangssignal an den Schalter 9, um den Schalter 9 zu schließen, wenn die beim Start verstrichene Zeit lang wird oder den Wert der vorgegebenen Antriebszeit erreicht.

Fig. 3 zeigt die Wirkungsweise dieser Ausführungsform gemäß Fig. 2. Die Ordinatenachse gibt die Drehzahl N des Motors 1 sowie den zum Motor 1 fließenden oder verbrauchten Strom I an, während die Abszissenachse die beim Start verstrichene Zeit t angibt. In Fig. 3 geben die gestrichelt gezeichneten Kurven ein Beispiel für die Wirkungsweise eines herkömmlichen Antriebs, während die Kurven in ausgezogenen Linien Beispiele für die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Ausführungsform angeben.

Der Strom I bleibt auf einem Wert I 1, da der Motor begrenzt ist, so daß der Strom in einem Bereich vom Zeitpunkt t 0 bis t 1 nach dem Motorstart fließt, und somit ist ersichtlich, daß der Betrieb des Strombegrenzers 6 wirksam ist. Der Strom wird jedoch durch den Einfluß einer gegenelektromotorischen Kraft beeinflußt, die durch die Rotation des Motors 1 in einem Bereich nach dem Zeitpunkt t 1 erzeugt wird, d. h., der Strom nimmt kontinuierlich hinsichtlich seiner Stromstärke ab, und zwar entsprechend der Verringerung der effektiven am Motor 1 anliegenden Spannung, und dieser Zustand bleibt bestehen, bis der Strom den Dauerzustands-Stromstärkenwert I 2 zum Zeitpunkt t 2 erreicht, und somit erreicht der Motor 1 die vorgeschriebene Drehzahl N 1.

Aus der vorstehenden Beschreibung ergibt sich, daß dann, wenn die Verringerung der gegenelektromotorischen Kraft des Motors unterstützt werden kann, d. h. wenn die effektive Spannung für den Motor 1 erhöht werden kann, sich die Start- und Anlauf­ eigenschaften des Motors 1 verbessern lassen. Bei der hier angegebenen Ausführungsform wird der Spannungsabfall am Strom­ begrenzer 6 als effektive Spannungserhöhung für den Motor 1 verwendet.

Bei der erfindungsgemäßen Ausführungsform ergeben sich erhebliche Verbesserungen im Betrieb, die sich aus den Kurven mit ausgezogenen Linien in Fig. 3 ergibt. Beispielsweise kann bei einem Ausführungsbeispiel, wo die beim Start ver­ streichende Zeit zum Schließen des Schalters 9 mit t 3=15 s bei einem Spindelmotorantrieb vorgegeben ist, der einen Motor mit einer Leistung von 1/8 PS, eine Versorgungsspannung von 36 Volt sowie einen Strombegrenzungswiderstand von 2 Ohm auf­ weist, die vom Start verstreichende Zeit, bis die Sollwert- Drehzahl von 3600 min^-1 erreicht ist, von 55 Sekunden (Zeit­ punkt t 2) auf 25 Sekunden (Zeitpunkt t 4) verbessert werden.

Bei der oben beschriebenen Ausführungsform wird beispielsweise ein Strombegrenzer verwendet und so gesteuert, daß er an beiden Enden des Strombegrenzer geöffnet bzw. geschlossen wird. Um jedoch eine gleichmäßigere oder glattere Motorstartcharakteristik zu erhalten, kann auch eine geeignete Anzahl oder Vielzahl von Strombegrenzern in Reihe vorgesehen sein, wobei eine Anzahl von diesen gewählt werden kann, um zum Öffnen oder Schließen nicht alle Strombegrenzer, sondern nur einige von diesen zu steuern.

Bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsform gemäß der Erfindung ist die Motorantriebsschaltung so aufgebaut, daß sie den Spannungsabfall des Strombegrenzers oder der Strombegrenzer, die in Reihe zwischen der Gleichspannungsversorgung und der Last eingesetzt sind, als effektive Spannung des Motors in einem Bereich verwendet, nachdem der Antriebsmotor für die Last bei einer vorgegebenen Antriebszeit angelangt ist. Somit ist die Motorantriebsschaltung nicht kostspielig, wobei elektrische Energie eingespart und die Motorstartcharakteristiken verbessert werden.

Fig. 4 zeigt ein Beispiel, das bei einem tatsächlichen Produkt einer Ausführungsform der Erfindung Anwendung finden kann. Das Bezugszeichen 20 bezeichnet einen 8-Bit-Mikrocomputer (µCPU), der beispielsweise eine Baugruppe M5L80390 von Mitsubishi Electric Corporation verwendet. Das Bezugszeichen 21 bezeichnet einen Festwertspeicher (ROM), der beispielsweise eine Baugruppe M5L2764K von Mitsubishi Electric Corporation verwendet. Das Bezugszeichen 22 bezeichnet eine programmierbare Intervall- Zeitsteuerung (PIT), die beispielsweise eine Baugruppe M5L8253P von Mitsubishi Electric Corporation verwendet. Das Bezugszeichen 23 bezeichnet schließlich einen Oktalschalter (OLS), der üblicherweise bei einem Mikrocomputersystem verwendet wird. Diese Ausführungsform arbeitet in der nach­ stehend beschriebenen Weise.

Wenn der Spindelmotor 1 gemäß Fig. 2 sich zu drehen beginnt, erzeugt der Meßfühler 3 einen Impuls für jeweils eine Um­ drehung des Motors und beginnt, dem Mikrocomputer 20 in Fig. 4 ein Signal zuzuführen. Der Mikrocomputer 20 gibt einen Befehl, damit der Festwertspeicher 21 und die Zeitsteuerung 22 arbeiten, und der Festwertspeicher 21 legt ein Signal, welches der vorgegebenen Schaltzeit entspricht, an die Zeitsteuerung 22 an, und zwar in Abhängigkeit von dem Befehl von dem Mikro­ computer 20. Der Meßfühler 3 liefert ein Ausgangssignal an den Mikrocomputer 20 in Abhängigkeit von der Drehzahl des gestarteten Motors, und der Mikrocomputer 20 gibt ein Ausgangs­ signal in Abhängigkeit von der Drehzahl des Motors an den Festwertspeicher 21 und über den Oktalschalter 23 an die Zeit­ steuerung 22.

Der Festwertspeicher 21 gibt den Befehl zum Starten der Zeitmessung an die Zeitsteuerung 22, und die Zeitsteuerung 22 erhält ein Signal, entsprechend einer Referenzzeit, von dem Festwertspeicher 21 sowie ein Signal, entsprechend der Drehzahl des Motors, und liefert Ausgangssignale, entsprechend den Zeitdauern der Impulse von beiden Signalen, an den Mikro­ computer 20. Der Mikrocomputer 20 vergleicht die beiden Signale und liefert ein Ausgangssignal zum Schließen des Schalters 9 an den Schalter, wenn die vorgegebenen Bedingungen erreicht sind.

Fig. 5 zeigt ein Flußdiagramm zur Erläuterung des oben beschriebenen Betriebsablaufes, wobei dargestellt ist, daß der Schließbefehl des Schalters dann erfolgt, wenn die Bedingung erfüllt ist, daß eine vorgegebene Zeit verstrichen ist, nachdem der Motor gestartet worden ist.

Fig. 6 zeigt ein Blockschaltbild zur Erläuterung des Aufbaus einer anderen Ausführungsform gemäß der Erfindung, wobei die gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 1 bzw. 2 verwendet sind. Das Bezugszeichen 12 bezeichnet einen Schaltdrehzahlgeber, das Bezugszeichen 9 bezeichnet einen Schalter, und das Bezugszeichen 13 bezeichnet eine Entscheidungseinheit. Der Geber 12 ist so eingestellt, daß er ein Ausgangssignal liefert, wenn die Drehzahl des Spindelmotors 1 einen vorgegebenen Wert erreicht. Die Entscheidungseinheit 13 vergleicht das Ausgangssignal eines Drehwinkelpositions-Meßfühlers 3 mit dem Ausgangssignal vom Schaltdrehzahlgeber 12 und stellt fest, ob die Drehzahl des Motors 1 eine vom Geber 12 vorgegebene Drehzahl überschreitet; wenn dies der Fall ist, liefert sie ein Ausgangssignal. Der Schalter 9 ist parallel zu dem Strom­ begrenzer 6 geschaltet und wird in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal von der Entscheidungseinheit 13 geschlossen.

Die Wirkungsweise dieser Ausführungsform wird nachstehend auch unter Bezugnahme auf Fig. 3 näher erläutert. Der zum Motor 1 fließende Strom I ist durch den Strombegrenzer 6 auf eine Stromstärke von I 1 in einem zeitlichen Bereich vom Zeitpunkt t 0 bis t 1 begrenzt, unmittelbar nachdem der Motor 1 gestartet ist, und der Strombegrenzer 6 ist wirksam. Da jedoch die Drehzahl N des Motors 1 nach dem Zeitpunkt t 1 allmählich ansteigt, so daß die gegenelektromotorische Kraft des Motors größer wird, nimmt der zum Motor 1 fließende Strom I allmählich ab.

Wenn die Drehzahl N des Motors 1 dann bei der im Geber 12 eingegebenen Drehzahl Nc ankommt, erzeugt die Entscheidungs­ einheit 13 ein Signal. Somit wird der Schalter 9 geschlossen, um den Strombegrenzer 6 kurzzuschließen. Da die volle Spannung der Gleichspannungsversorgung 7 in diesem Augenblick an die Spindelmotor-Antriebsschaltung 2 angelegt wird, steigt der zum Motor 1 fließende Strom I von dem Zeitpunkt t 3 abrupt an; da aber der Strom I ansteigt, nimmt auch die Drehzahl N des Motors 1 zu. Somit nimmt der zum Motor 1 fließende Strom bald ab. Die Drehzahl N des Motors 1 geht auf die vorgegebene Drehzahl N 1 zum Zeitpunkt t 4, und der zum Motor 1 fließende Strom I geht auf die Nennstromstärke I 2.

Bei einem herkömmlichen Antrieb fließt der Strom kontinuierlich zum Strombegrenzer 6, und nur die Spannung, die berechnet wird, indem man den Spannungsabfall des Strombegrenzers 6 von der Versorgungsgleichspannung abzieht, wird an die Motorantriebs­ schaltung 2 angelegt. Somit geht die Drehzahl N des Motors 1 erst zum Zeitpunkt t 2 auf die Nenndrehzahl N 1, während der zum Motor fließende Strom I auf die Nennstromstärke I 2 geht, wie es mit gestrichelten Linien in Fig. 3 angegeben ist.

Im folgenden wird beispielsweise angenommen, daß eine Gleich­ spannungsversorgung mit 36 Volt für den Spindelmotor mit 1/8 PS vorgesehen ist und daß der Widerstand des Strombegrenzers 6 einen Wert von 2 Ohm hat. Wenn der Schaltdrehzahlgeber 12 auf einen Wert von 2000 min^-1 gesetzt ist und die Nenndrehzahl des Motors 1 einen Wert von 3600 min^-1 hat, so beträgt die Anlauf­ zeit bei einem herkömmlichen Antrieb 55 Sekunden und wird zum Zeitpunkt t 2 erreicht, während diese Nennwerte bei der Aus­ führungsform gemäß der Erfindung wesentlich schneller erreicht werden können, nämlich schon nach 25 Sekunden zu einem Zeitpunkt t 4.

Da der Strombegrenzer 6 kurzgeschlossen bleibt, solange sich der Motor 1 mit einer Drehzahl dreht, die höher ist als die vom Schaltdrehzahlgeber 12 vorgegebene Drehzahl Nc, kann der Nachteil ausgeräumt werden, daß der Strombegrenzer 6 zusätzliche elektrische Energie verbraucht. Somit können auch bei dieser Ausführungsform die gleichen Vorteile erzielt werden wie bei der ersten Ausführungsform gemäß Fig. 2.

Bei einer Umsetzung in die Praxis kann die Ausführungsform gemäß Fig. 4 eingesetzt werden. Mit anderen Worten, wenn ein Impulssignal des Meßfühlers 3 für jeweils eine Umdrehung des Motors 1 erzeugt wird, so ist die Anzahl von Impulsen innerhalb der vorgegebenen Zeit geringer, wenn der Motor gestartet wird, und die Anzahl von erzeugten Impulsen steigt an, wenn die Motordrehzahl größer wird. Wenn somit die Anzahl der Impulse gemessen wird, kann eine derartige Aus­ führung ebenso eingesetzt werden, um das angestrebte Ziel zu erreichen. Fig. 7 zeigt ein Flußdiagramm für diesen Fall. Wenn die Drehzahl des Motors einen vorgegebenen Wert erreicht, erhält der Schalter 9 einen Befehl, so daß er geschlossen wird, um die gleiche Funktion wie oben beschrieben auszuführen.

Claims (3)

1. Spindelmotorantrieb für ein Plattengerät, gekennzeichnet durch folgende Baugruppen:

• - einen Spindelmotor (1) zum Antrieb mindestens einer (Magnet-)Platte,
• - einen Drehwinkelpositions-Meßfühler (3), der in Abhängigkeit von der Drehung des Motors (1) ein Ausgangs­ signal liefert,
• - einen Sollwert-Drehzahlgenerator (5), der ein Ausgangs­ signal liefert, um die Sollwertdrehzahl des Motors (1) vorzugeben,
• einen Drehzahl-Komparator (4), der das Ausgangssignal des Meßfühlers (3) mit dem Ausgangssignal des Sollwert-Drehzahl­ generators (5) vergleicht und ein Steuersignal an die Motor­ antriebsschaltung (2) abgibt, um den Motor (1) bei einer vorgegebenen Drehzahl arbeiten zu lassen, einen Strombegrenzer (6), der in den Versorgungskreis des Motors (1) eingesetzt und mit einem parallel geschalteten Schalter (9) versehen ist, mit dem der Strombegrenzer (6) kurzschließbar ist,
• - einen Schaltgeber (8, 12) zur Vorgabe der Bedingung zum Schließen des Schalters (9) zu einem vorgegebenen Zeitpunkt nach dem Starten des Motors (1), um ein Ausgangssignal in Abhängigkeit vom Betriebszustand zu liefern, und
• - eine Entscheidungseinheit (10, 13), um das Ausgangssignal des Meßfühlers (3) mit dem Ausgangssignal des Schaltgebers (8, 12) zu vergleichen und den Schalter (9) zu schließen, wenn die Schließbedingung für den Schalter (9) erfüllt ist.

2. Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Entscheidungseinheit (10, 13) den Schalter (9) schließt, wenn eine vorgegebene Zeitspanne nach dem Starten des Motors (1) verstrichen ist.

3. Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Entscheidungseinheit (10, 13) den Schalter (9) schließt, wenn der Motor (1) sich nach dem Starten des Motors (1) mit einer vorgegebenen Drehzahl dreht.