DE69310574T2

DE69310574T2 - Verfahren und Einrichtung zur Verriegelung eines Phasenregelkreises mit einer Ablenkfrequenz

Info

Publication number: DE69310574T2
Application number: DE69310574T
Authority: DE
Inventors: Francesco Carobolante
Original assignee: SGS Thomson Microelectronics Inc
Current assignee: STMicroelectronics lnc USA
Priority date: 1992-02-28
Filing date: 1993-02-23
Publication date: 1997-09-11
Anticipated expiration: 2013-02-24
Also published as: EP0558261B1; DE69310574D1; EP0558261A1; JPH0686584A; US5223772A

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf Verbesserungen bei Verfahren zur Bereitstellung eines sanften Überganges von dem Hochfahren einer Systemfrequenz mit offener Schleife bzw. offener Schaltung, zu einer geschlossenen Schleife mit einer phasenstarren Schleifensteuerung (PLL), durch die Synchronisation des spannungsgesteuerten Oszillators (VCO), wenn die Frequenz der offenen Schleife bzw. offenen Schaltung innerhalb des Anlaufbereiches bzw. des Ruhebereiches ist, und auf Schaltungen, um dies zu realisieren.
Obwohl sich die vorliegende Erfindung auf die Synchronisation mit spannungsgesteuertem Oszillator (VCO) von Systemen mit phasenstarrer Schleife bzw. Schaltung (PLL-Systeme) allgemein bezieht, findet sie insbesondere Anwendung in Verbindung mit vielphasigen DC-Motoren, insbesondere von dem bürstenlosen, sensor- bzw. fühlerlosen, dreiphasigen Typ, der zum Drehen von Datenmedien verwendet wird, wie er etwa bei computerbezogenen Anwendungen, wie etwa Festplattenantrieben, CD-ROM-Antrieben, Diskettenantrieben und dergleichen zu finden ist. Bei derartigen Computeranwendungen sind dreiphasige, bürstenlose, sensorlose DC-Motoren zunehmend aufgrund ihrer Verläßlichkeit, ihres geringen Gewichtes und ihrer Genauigkeit zunehmend beliebt geworden.
Bürstenlose DC-Motoren werden allgemein durch eine Geschwindigkeitssteuerung angetrieben, die zwei Funktionsschleifen verwendet: Eine Gesamtgeschwindigkeitssteuerschleife, üblicherweise eine PLL-Schaltung, und eine Phasenschaltschleife. Eine typische Motorgeschwindigkeitssteuerung 10 nach dem Stand der Technik ist in Figur 1 gezeigt. Die äußere Geschwindigkeitssteuerschleife 13 weist einen Phasenkomparator 11 auf, der eine Bezugsfrequenz (FREF), die an eine Eingangsleitung 14 angelegt wird, mit einem Signal vergleicht, das durch einen Signalprozessor 20 von den Statorwicklungen bzw. -spulen eines Motors 19 erzeugt wird. Das Phasendifferenzsignal, das durch den Phasenkomparator 11 entwickelt wird, wird durch einen Filter 12 gefiltert, um eine Schalt-Logikschaltung 15 zu betreiben, die infolge den Motor 19 über eine passende Antriebsschaltung 16 antreibt. Die äußere Geschwindigkeitssteuerschleife 13 stellt sicher, daß die gewünschte Motorgeschwindigkeit, die durch die Bezugsfrequenz FREF an einer Leitung 14 eingestellt wird, aufrechterhalten wird. Die innere Schaltschleife 17 erzeugt ein Zeitsignal, das zu der Schalt-Logikschaltung 15 gesendet wird, um die Kommunikation bzw. die Verbindungen in den Statorwicklungen bzw. -spulen 21, die den Motor 19 antreiben, zeitlich abzustimmen. Um die Verbindungen in der Schaltung 10 passend zeitlich abzustimmen, muß die genaue Stellung des Rotors 18 bestimmt werden. In der Vergangenheit sind Sensoren, wie etwa Hall-Sensoren oder optische Sensoren verwendet worden, um die Stellung des Rotors zu bestimmen. Ein jüngerer Versuch bzw. eine jüngere Annäherung verwendet die Rückwärts-EMK-Informationen, die von ausgewählten der Statorwicklungen bzw. -spulen 21 des Motors 19 erhalten werden, um die Lage des Rotors 18 zu bestimmen. Bei einer solchen Näherung, wenn der magnetische Rotor 18 eine potentialfreie bzw. erdungsfreie ("floating") Statorwicklung bzw. -spule passiert, wirkt er im Hinblick auf die Spule bzw. Wicklung als ein Generator und trägt eine elektromotorische Kraft oder "Rückwärts-EMK" in die Spule bzw. Wicklung ein. Das Rückwärts-EMK-Signal wird verarbeitet und zu dem Schalt-Logiksystem geleitet, um eine zutreffende Phasenschaltung zu erhalten. Die Erfassung der Rückwärts-EMK-Information ermöglicht es nicht nur, die Stellung des Rotors 18 zu bestimmen, sondern auch die Geschwindigkeit des Motors 21. Diese Motorgeschwindigkeitsinformation wird in den Phasenkomparator 11 der äußeren Geschwindigkeitssteuerschleife 13 zurück eingespeist, um die gewünschte Motorbetriebsgeschwindigkeit beizubehalten.
Das US-Patent Nr.4,673,849 offenbart ein phasenstarres Antriebssystem für einen Motor mit Permanentmagnet, in dem im Normalbetrieb eine Sensorspule bzw. -wicklung ein Rückwärts-EMK-Signal zur Verfügung stellt, das verwendet wird, um den Antrieb für den Motor zu steuern, wobei das Rückwärts-EMK-Signal auch die Kommutation bzw. Umkehrung der Motorschalteinrichtungen steuert.
Die innere Phasenschaltschleife 17 kann über mehrere Wege realisiert werden. Wie aufgezeigt, kann das Taktsignal zur Phasenschaltung in der inneren Schleife durch Filterung der Rückwärts-EMK des Motors 19 und zur Gewinnung der Zeitinformation mit einem Signalprozessor 20 bereitgestellt werden. Dies bezieht die Bestimmung des "Null-Durchgangs" der Rückwärts-EMK und die Verwendung von Verzögerungen zum Steuern der Zeitabstimmung des Schaltens ein.
Das US-Patent Nr.4,743,815 offenbart ein Steuersystem für einen vielphasigen bürstenlosen Motor mit Permanentmagnet, der während des Normalbetriebs im phasenstarren Betrieb arbeitet. Ein Mikroprozessor spricht auf ein Signal von einem Null-Durchgangsdetektor an, um die Schalteinrichtungen des Motors zu kommutieren, wodurch die zeitliche Abstimmung der Kommutation gesteuert wird. Während des Anlaufens arbeitet der Motor mit offener Schleife, wobei das Umschalten von der offenen Schleife zur starren Schleife durch den Mikroprozessor gesteuert wird. Ein verfeinerter Versuch, der in Figur 2 gezeigt ist, ist demnach dem US-Patent 4,928,043 ähnlich, und verwendet eine phasenstarre Schleife (PLL) 35, um die Rückwärts-EMK phasenmäßig in der Spur zu halten, anstelle des Signalprozessors 20. Die phasenstarre Schleife 35 enthält einen Filter 32, der angeschlossen ist, um ein Signal zu empfangen, das von der Rückwärts-EMK erhalten wird, die durch den Rotor 18 des Motors 19 erzeugt wird, um einen Ausgang für einen Phasenkomparator 34 zu erzeugen. Der Phasenkomparator 34 vergleicht das Rückwärts- EMK-Signal mit einem gewünschten Phasensignal (nicht gezeigt) und erzeugt einen Ausgang zu einem zweiten Filter 36, um eine Fehlerspannung zu einem spannungsgesteuerten Oszillator (VCO) 38 bereitzustellen. Bei dieser Näherung wird die Rückwärts-EMK als ein Eingang zu der PLL 35 verwendet, und der Ausgang der PLL 35 in die phasengeschaltete Logikschaltung 15 eingespeist. Auf diese Weise wird die phasengeschaltete Logikschaltung 15 mit der Rückwärts-EMK synchronisiert. Dieser Schaltungsaufbau bietet eine bessere Funktion, da er das "Phasenzittern", schnelle, unkontrollierte bzw. ungesteuerte Rotorbewegungen aufgrund von zeitlich ungenau gesteuerten Phasenschaltungen verringert. Der Nachteil dieser Näherung ist es, daß bei geringen Motorgeschwindigkeiten, die auftreten, wenn der Motor 19 zuerst gestartet wird, das Rückwärts-EMK-Signal keine ausreichende Größenordnung hat, um die Schleife zu betreiben. Zusätzlich kann sie bei irgendeiner PLL-Schleife, die "Starrheit" bzw. "Synchronisation" nur in einen begrenzten Bereich von Frequenzen eingerichtet werden, und deshalb ist während der meisten Anlaufphasen die Schaltfrequenz außerhalb (kleiner als) des "Starrheitsbereichs" ("lock" range). Folglich wird der Motor 19 im allgemeinen zur Geschwindigkeit mit offener Schleife hochgefahren, wobei das Zeitsignal für die Schaltlogik durch einen externen Takt bereitgestellt wird. Der gewünschte schließliche Betriebszustand ist ein Mode bzw. Modus mit geschlossener Schleife bzw. mit starrer Schleife, in dem der Takt zu der Phasenschaltung durch einen spannungsgesteuerten Oszillator (VCO) 38 bereitgestellt wird.
Das US-Patent Nr.4,972,442 offenbart ein PLL mit geschlossener Schleife, das einen spannungsgesteuerten Oszillator einbezieht, in dem ein Mikroprozessor das Schalten zwischen einem Betriebsmode, in dem der spannungsgesteuerte Oszillator durch ein nahezu konstantes Spannungssignal betrieben wird, so daß ein Gleichgewichtszustand in der PLL aufrechterhalten wird, und einem Mode, in dem der PLL auf ein Bezugssignal verriegelt bzw. synchronisiert ist betrieben bzw. angetrieben.
Was benötigt wird, ist eine Weise, um einen Übergang von einem Betrieb mit offener Schleife zu einem Betrieb mit geschlossener Schleife ohne einem signifikanten Fehler bei der Schaltzeitabstimmung zu erzeugen, was die Schleife unfähig macht, sich zu synchronisieren bzw. zu verriegeln, und was folglich den Motor zum Stillstand bringen kann.
Es ist deshalb eine Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Schaltung und ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, um einen sanften Übergang von dem Hochfahren mit offener Schleife einer Systemfrequenz zu dem PLL-Betrieb mit geschlossener Schleife durch Synchronisation eines VCO auf die Frequenz mit offener Schleife bereitzustellen, wenn diese Frequenz innerhalb des Anlauf- bzw. Ruhezustandsbereiches ist.
Es ist eine andere Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Vorrichtung und ein Verfahren der Art zur Verfügung zu stellen, die beschrieben worden ist, um zum Starten eines DC-Motors, insbesondere des bürstenlosen, sensorlosen Typs, die zum Drehen von Datenmedien verwendet werden, wie sie etwa bei computerbezogenen Anwendungen, einschließlich Festplattenantrieben, CD-ROM-Antrieben, Diskettenantrieben und dergleichen zu finden sind.
Es ist noch eine andere Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Vorrichtung und ein Verfahren der beschriebenen Art bereitzustellen, die einen sanften Übergang von dem Motorbetrieb mit offener Schleife zu dem Betrieb mit geschlossener Schleife ohne einen wesentlichen Fehler bei der Abfolge der Schaltzeitabstimmung zu ermöglichen, der die Schleife unfähig machen würde, sich zu synchronisieren, und den Motor zum Stillstand bringen würde.
Diese und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden den Fachleuten im Stand der Technik aus der folgenden im einzelnen dargelegten Beschreibung der Erfindung deutlich gemacht, wenn diese in Verbindung mit den begleitenden Darstellungen und den beigeschlossenen Ansprüchen gelesen wird.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Schaltung zur Verfügung gestellt, um ein Antriebssignal zum Starten und Betreiben eines vielphasigen Motors zu erzeugen, der eine Rückwärts-EMK in einer potentialfreien bzw. erdfreien Spule bzw. Wicklung hat, wobei diese aufweist, eine Quelle, die eine anfängliche Bezugsspannung (VREF) bereitstellt, eine Quelle für Taktpulse (EXT CLK) mit aufeinanderfolgend abnehmenden Perioden, einem spannungsgesteuerten Oszillator, der einen Eingang zum Empfangen einer Eingangsspannung hat, und der einen VCO-Ausgang hat, wobei der spannungsgesteuerte Oszillator einen Resynchronisationseingang hat, um den VCO-Ausgang bei jedem Taktpuls der Quelle der Taktpulse (EXT CLK) zu reinitiieren bzw. neu zu initiieren, einen Periodenkomparator, um die Periode der Taktpulse (EXT CLK) mit der Periode des VCO-Ausgangs zu vergleichen, einen Phasenkomparator, um die Phasen des Rückwärts-EMK und des VCO-Ausgangs zu vergleichen, einen ersten, einen zweiten und einen dritten Schalter, die durch den Periodenkomparator gesteuert werden, wobei der erste Schalter zum Schalten des Eingangs des spannungsgesteuerten Oszillators von der Anfangsbezugsspannung (VREF) auf den Ausgang des Phasenkomparators ist, wenn die Periode der Taktpulse geringer wird als die Periode des VCO-Ausgangs, der zweite Schalter zum Schalten der Taktpulse (EXT CLK) auf den VCO-Ausgang ist, um das Antriebssignal bereitzustellen, wenn die Periode der Taktpulse (EXT CLK) geringer wird, als die Periode des VCO-Ausgangs, und der dritte Schalter zum Sperren des Resynchronisationseinganges von den Taktpulsen ist, wenn die Periode des Taktsignals (EXT CLK) geringer als die Periode des VCO-Ausgangs wird.
Die Erfindung stellt ein Verfahren gemäß dem Anspruch 11 zum Synchronisieren einer phasenstarren Schleife auf externe Pulse mit aufeinanderfolgend abnehmender Periode bereit.
Gemäß dem Verfahren wird ein VCO der phasenstarren bzw. -synchronisierten Schleife betrieben, um mehrere Pulse zu erzeugen, die eine Bezugsperiode haben. Die Pulse des VCO sind zu den externen Pulsen synchronisiert, bis die Periode der externen Pulse geringer als die Bezugsperiode ist, und wenn die Periode der externen Pulse gleich der Bezugsperiode wird, wird die phasenstarre Schleife geschaltet, um den VCO zu steuern.
Die externen Pulse werden an einen Ausgang gerichtet, um eine Last zu betreiben, bis die Periode der externen Pulse gleich der Bezugsperiode wird, und danach wird der Ausgang des VCO der phasenstarren Schleife zur Verfügung gestellt. Zusätzlich wird ein Zustandssignal in Reaktion auf eine Bedingung bzw. einen Zustand der Last erzeugt, und eine Phasendifferenz zwischen dem Status- bzw. Zustandssignal und dem VCO wird bestimmt. Die phasenstarre Schleife wird dann gemäß der Phasendifferenz betrieben. Das Status- bzw. Zustandssignal kann aus einem Signal einer Rückwärts-EMK einer potential- bzw. erdfreien Spule bzw. Wicklung eines vielphasigen Motors erzeugt werden, das die Stellung eines Rotors des Motors anzeigt, und das Signal von einer Rückwärts-EMK einer potentialfreien bzw. erdfreien Spule kann als ein Eingang zu der phasenstarren bzw. -synchronisierten Schleife verwendet werden.
Die Erfindung ist in den begleitenden Darstellungen wiedergegeben, in denen:
Figur 1 eine elektrische Blockdarstellung eines typischen Motorgeschwindigkeits-Steuersystems nach dem Stand der Technik ist, das eine äußere Motorgeschwindigkeits-Steuerschleife und eine innere Phasenschaltschleife einbezieht.
Figur 2 eine elektrische Blockdarstellung eines typischen Motorgeschwindigkeits-Steuersystems nach dem Stand der Technik ist, das eine äußere Motorgeschwindigkeits-Steuerschleife und eine innere Schleife zur Phasenschaltung einbezieht, das eine PLL-Schaltung verwendet.
Figur 3 eine elektrische Blockdarstellung einer inneren Schleife zum Phasenschalten in einem Motorantriebssystem ist, das ein Motorstartsystem einbezieht, das ein VCO-Synchronisationssystem gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung beinhaltet. Die Pfeilbezeichnungen in den Schaltern zeigen die Änderung von dem Mode bzw. Modus mit offener Schleife zu dem Modus mit geschlossener Schleife an.
Figur 4 eine elektrische Schemadarstellung einer bevorzugten Ausführungsform des in Figur 3 gezeigten Periodenkomparators ist.
In den verschiedenen Figuren der Darstellung werden gleiche Bezugsziffern verwendet, um gleiche oder ähnliche Teile zu bezeichnen.
Die Erfindung hat viele Anwendungen, insbesondere bei Motorsteuerungen, wo das anfängliche Hochfahren der Motorgeschwindigkeit bei einer Schaltanordnung bzw. Konfiguration mit offener Schleife erhalten wird, jedoch die schließliche Geschwindigkeit des Motors durch eine PLL-Schaltung gesteuert wird. Wie zuvor bemerkt, enthalten die Motorsteuerungen nach dem Stand der Technik die allgemeine Idee, eine Gesamtschleife für die Geschwindigkeitssteuerung und eine innere Phasenschaltschleife zu verwenden. Der Stand der Technik enthält auch die Verwendung der gefilterten Rückwärts-EMK als eine Grundlage für die Phasenschaltung in der inneren Schleife und die Verwendung eines PLL in der inneren Schleife, um den Schalttakt zu dem Rückwärts-EMK-Signal zu synchronisieren. Die innere Phasenschaltschleife ist der Teil des Systems, in dem die vorliegende Erfindung realisiert ist.
Im Gegensatz wird eine elektrische Schemablockdarstellung einer inneren Phasenschaltschleife 40, in der die Vorrichtung und das Verfahren gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung einbezogen werden können, in Figur 3 gezeigt. Obwohl die Schaltschleife 40 aus diskreten Bauteilen aufgebaut werden kann, ist die Schaltung bevorzugt auf einem einzelnen Halbleiterchip (durch die gestrichelte Linie 41 bezeichnet) integriert, der zum Anschließen in einem Motorstart- und Geschwindigkeitssteuer-Gesamtsystem angepaßt ist.
Wie zuvor bemerkt, erzielt dieses System einen sanften Übergang zwischen einer Motorstartphase mit offener Schleife und einer Steuerung mit geschlossener Schleife. Wenn das System gestartet wird, beginnt die Phase bei offener Schleife, während der der Motorschalttakt 64 durch einen externen Takt (EXT CLK), an einer Leitung 58 über einen Schalter 60 zugeführt wird. Das Signal EXT CLK an der Leitung 58 beginnt bei einer Null-Frequenz und wird graduell in einer linearen Weise gesteigert, um so dem Einfangbereich des VCO 52 nicht schnell zu entkommen, bevor auf dies synchronisiert werden kann. Dieses langsame Hochfahren ist auch notwendig, weil Motoren eine begrenzte Fähigkeit zur Beschleunigung haben. Auch ist die Bezugsspannung (VREF), die an eine Leitung 46 angelegt wird, zu Beginn auf den Eingang des spannungsgesteuerten Oszillators (VCO) 52 gelegt. VREF ist die Spannung, die notwendig ist, um den Ausgang des VCO 52 bei der "Um- bzw. Überschaltfrequenz", die durch den Benutzer vorausgewählt ist, einzustellen, um innerhalb des Anlaufbereiches des PLL-Systems zu sein. Die oben erörterten Schalter 48, 54 und 60 können beispielsweise durch irgendeine Anzahl von Einrichtungen verwirklicht sein, die mechanische Schalteinrichtungen und Multiplexer umfassen, die auf den integrierten Schaltungseinrichtungen in die Tat umgesetzt sind. Ähnlich kann der VCO 52 durch irgendeine Anzahl von Einrichtungen verwirklicht sein, einschließlich sauber eingestellten integrierten Schaltungen eines 555-Zeitgebers oder irgendeiner von mehreren verschiedenen analogen Realisationen.
Der Filter so ist bevorzugt ein Proportional-Integral-Filter, um den Phasenfehler zu minimieren. Da ein integrierender Filer verwendet wird, muß der integrierende Kondensator entladen beibehalten werden, um so genau die Ausgangsspannung zu kennen. Eine solche Begrenzung kann in dem Filter selbst bewirkt werden.
Wie zuvor aufgezeigt, ist der VCO 52 ein Teil des PLL-Systems 40 und wird das Motor-Schalttaktsignal an der Leitung 64 bereitstellen, nachdem der Um- bzw. Überschaltpunkt erreicht worden ist. Während der Anlaufphase mit offener Schleife des Betriebs unterstützt der Schalter 54 die Synchronisation des VCO 52 zu dem Signal EXT CLK auf der Leitung 58, in dem die Signalpulse EXT CLK über die Leitung 53 zu dem Eingang SYNC des VCO 52 geleitet werden, um den Ausgang des VCO 52 dazu zu veranlassen, bei jedem Puls des Signals EXT CLK neu zu starten. Der Neustart des VCO 52 kann zum Beispiel auf eine Weise erzielt werden, die der Rücksetzfunktion ähnlich ist, die auf einem herkömmlichen 555-Zeitgeberchip bereitgestellt wird, und dient zur Synchronisation des Eingangs des VCO 52 zu dem Signal EXT CLK, wobei ein sanfter Übergang beim Um- bzw. Überschalten nach dem Starten, wie es unten beschrieben ist.
Das Signal EXT CLK geht auch über den Schalter 60 zu der Schaltlogik und zu dem Periodenkomparator 62, so daß seine Periode mit der Periode des Ausgangs des VCO 52 verglichen werden kann, der auf die Um- bzw. Überschaltfrequenz eingestellt worden war. Wenn das Signal EXT CLK für den Motor 19 eine geringere Periode (d.h. eine höhere Frequenz) als die Ausgangsfrequenz des VCO 52 erreicht, wird das Um- bzw. Überschalten auftreten. An diesem Punkt wird der Periodenkomparator 62 den Schalter in den Mode mit geschlossener Schleife hinüberleiten, indem dem Schalter 54 signalisiert wird, den Synchronisationseingang des VCO 52 von dem Signal EXT CLK auf ein Bezugspotential 56, typischerweise das Erdpotential, zu schalten, indem dem Schalter 48 signalisiert wird, den Eingang des VCO 52 von VREF an der Leitung 46 an den Ausgang des Phasenkomparators 44 zu schalten, und indem der Ausgang der phasengeschalteten Schleife 40 (d.h. der Eingang zu der Schaltlogik) von dem Signal EXT CLK zu dem Ausgang des VCO 52 geschaltet wird. Indem der Eingang SYNC von dem Signal EXT CLK auf das Bezugspotential geschaltet wird, wird die Synchronisation des VCO 52 auf das Signal EXT CLK verzögert bzw. gehalten, um es dem VCO 52 zu ermöglichen, bei der gewünschten Endgeschwindigkeit zu laufen. Bei dem Betrieb mit geschlossener Schleife wird das Rückwärts-EMK-Signal an der Leitung 42 von dem Motor 19 mit dem Ausgang des VCO 52 durch den Phasenkomparator 44 verglichen. Dies beschleunigt den Ausgang des VCO 52, wenn eine Phasendifferenz zwischen der Rückwärts-EMK an der Leitung 42 und dem Ausgang des VCO 52 auftritt. Auf diese Weise erzeugt die PLL-Schleife ein Motor-Schalttaktsignal an der Leitung 64, das dem Rückwärts-EMK-Signal an der Leitung 42 führt.
Folglich wird ein sanfter Übergang in den Betrieb mit geschlossener Schleife erzielt. Die Schaltung 40 zum Phasenschalten minimiert das Rütteln im Motor 19, da die Frequenz und die Phase des VCO 52 auf das externe Taktsignal an der Leitung 58 synchronisiert wird. Dies ist wichtig, weil, wenn der erste Puls von dem VCO 52 nach dem Um- bzw. Überschalten aus der Phase ist oder nicht zur Frequenz des vorangehenden Pulses EXT CLK synchronisiert ist, dann die Verriegelung bzw. Synchronisation zu dem Motor 19 verlorengehen wird.
Folglich werden anspruchsvolle Phasen- und Frequenzanforderungen an diese Art von Schaltung gestellt. Bei anderen Anwendungen wird sich die Schleife mit der Zeit einstellen, falls der VCO mit einem Phasenfehler eingesetzt wird. Jedoch muß der Motor bei einem Motoreinsatz, wenn die Synchronisation verlorengeht, auf die Geschwindigkeit Null abgebremst und neu gestartet werden. Es ist zu erkennen, daß es schwierig sein kann, eine Synchronisation zu erhalten, falls ein Phasenfehler aufgrund der Motorträgheit und einer fehlerhaften Drehmomenterzeugung verursacht wird. Es ist deshalb wünschenswert, beim ersten Mal eine zutreffende Phasensynchronisation zu erhalten, wie sie durch die Schaltung 40 zur Phasenschaltung erzielt wird.
Der Periodenkomparator 62 kann durch eine beliebige Anzahl von Labortischeinrichtungen einschließlich integrierten Schaltungen realisiert werden, die speziell konstruiert worden sind, um die Periode von verschiedenen Signalen zu vergleichen und die weithin für derartige Anwendungen verfügbar sind. Die Figur 4 ist eine Blockdarstellung einer bestimmten Ausführungsform des Periodenkomparators 62, der in Figur 3 gezeigt ist. Diese Einrichtung verwendet drei Flip-Flops vom D-Typ 72, 76 und 78, und wartet auf zwei fortlaufende positive bzw. ansteigende Pulskanten des EXT CLK 58, die auftreten, bevor eine zweite positive Kante bzw. Flanke eines Pulses des VCO 52 auftritt, um zu bestimmen, ob die Frequenz des Signals EXT CLK die Ausgangsfrequenz des VCO 52 an einer Leitung 55 überschritten hat. Da der VCO 52 anfangs schneller schwingen wird, als das Signal EXT CLK, wird der erste Puls, den der Periodenkomparator 62 empfangen wird, von dem VCO 52 sein.
Bezugnehmend auf Figur 4 wird der Ausgang von dem VCO 52 den ersten D-Flip- Flop 72 takten, wobei ein niedriger Zustand an seinem Q(Strich)-Ausgang bewirkt wird. Wenn eine positive Kante bzw. Flanke eines Pulses EXT CLK auftritt, setzt sie das erste Flip-Flop 72 zurück, während gleichzeitig das zweite Flip-Flop 76 getaktet wird. Aufgrund der Fortsetzung bzw. Tätigkeitsverzögerung des ersten Flip- Flops 72 wird der niedrige Zustand, der an dem Ausgang Q(Strich) zugegen war, in den D-Eingang des zweiten Flip-Flops 76 getaktet, bevor die Rücksetzung des ersten Flip-Flops 72 auftritt. Deshalb wird dieser niedrige Zustand durch das zweite Flip-Flop 76 getaktet werden. Bald danach ändert sich der Ausgang Q(Strich) des ersten Flip-Flops 72 auf einem hohen Zustand, da er zurückgesetzt wurde. Falls eine andere positive Flanke eines Pulses EXT CLK auftritt, bevor eine positive Flanke eines Pulses von dem VCO 52 auftritt, dann verbleibt der Ausgang Q(Strich) des ersten Flip-Flops 72 wegen der Rücksetzung hoch. Dieser zweite Puls EXT CLK wird einen hohen Zustand zu dem Ausgang Q des zweiten Flip-Flops 76 takten. Die fallende Flanke des Pulses EXT CLK, die durch den Inverter 80 invertiert wird, wird den hohen Zustand von dem Ausgang Q des zweiten Flip-Flops 76 durch das dritte Flip-Flop 78 zu seinem Ausgang Q takten, ungeachtet des Zustandes des VCO- Ausgangs 55.
Folglich sucht die Schaltung 62 nach zwei positiven Pulsflanken des Signals EXT CLK vor der Vervollständigung eines Zyklus des VCO 52 (d.h. den zwei benachbarten positiven Pulsflanken), und wenn dies auftritt, wird den Schaltern 48, 54 und 60 in der Schaltung 40 signalisiert, die Zustände zu ändern, wie es durch die Pfeile in Figur 3 angezeigt wird. Es wird bevorzugt, daß das dritte Flip-Flop 78 nicht unbedingt für die Bestimmung erforderlich ist, wann die Frequenz des Signales EXT CLK die Ausgangsfrequenz des VCO 52 überschreitet, da der gewünschte Ausgang an dem Ausgang Q des zweiten Flip-Flops 76 bei dem Empfang der zweiten ansteigenden Flanke des Signals EXT CLK erzeugt wurde. Bei vielen Realisierungen wird die Schaltung 40 zur Phasenschaltung ohne das dritte Flip-Flop 78 funktionieren, jedoch wird bei der dargestellten Realisierung das Um- bzw. Überschaltsignal durch die Länge des Pulssignals EXT CLK verzögert, um eine langsamere Analogzeit des VCO 52 zu geben, um den Betrieb zu beginnen.
Obwohl die Erfindung mit einem gewissen Grad an Bestimmtheit beschrieben und dargestellt worden ist, ist es verständlich, daß die vorliegende Offenbarung nur beispielshaft ist, und daß zahlreiche Änderungen der Kombination und der Anordnung von Teilen den Fachleuten im Stand der Technik zugeführt werden können, ohne aus dem Bereich der Erfindung herauszugehen, wie sie im folgenden beansprucht ist.
Die vorliegende Erfindung kann eine Schaltung zur Verfügung stellen, in der die Schalter integrierte Schaltungseinrichtungen sind.

Claims

1. Schaltung zur Erzeugung eines Treibersignals zum Starten und Betreiben eines vielphasigen Motors, der eine Rückwärts-EMK (42) in einer potentialfreien bzw. erdfreien Spule bzw. Wicklung hat, die aufweist:

eine Quelle, die eine anfängliche Bezugsspannung (VREF) bereitstellt;

eine Quelle für Taktpulse (EXT CLK) mit aufeinanderfolgend abnehmenden Perioden;

einem spannungsgesteuerten Oszillator (52), der einen Eingang zum Empfangen einer Eingangsspannung hat, und der einen VCO-Ausgang hat, wobei der spannungsgesteuerte Oszillator (52) einen Resynchronisationseingang (53) hat, um den VCO-Ausgang bei jedem Taktpuls der Quelle der Taktpulse (EXT CLK) zu reinitiieren bzw. neu zu initiieren;

einen Periodenkomparator (62), um die Periode der Taktpulse (EXT CLK) mit der Periode des VCO-Ausgangs zu vergleichen;

einen Phasenkomparator (44), um die Phasen des Rückwärts-EMK (42) und des VCO-Ausgangs zu vergleichen;

einen ersten (48), einen zweiten (60) und einen dritten (54) Schalter, die durch den Periodenkomparator gesteuert werden;

der erste Schalter (48) ist zum Schalten des Eingangs des spannungsgesteuerten Oszillators (52) von der Anfangsbezugsspannung (VREF) auf den Ausgang des Phasenkomparators (44), wenn die Periode der Taktpulse geringer wird als die Periode des Ausgangs des VCO (52);

der zweite Schalter (60) ist zum Schalten der Taktpulse (EXT CLK) auf den Ausgang des VCO (52), um das Antriebssignal bereitzustellen, wenn die Periode der Taktpulse (EXT CLK) geringer als die Periode des Ausgangs des VCO (52) wird; und

der dritte Schalter (54) ist zum Sperren des Resynchronisationseinganges von den Taktpulsen, wenn die Periode des Taktsignals (EXT CLK) geringer als die Periode des Ausgangs des VCO (52) wird.

2. Schaltung nach Anspruch 1, in der der Periodenkomparator (62) Flip-Flop- Schaltungen (72, 76, 78) aufweist, um eine positive Flanke eines Pulses von dem spannungsgesteuerten Oszillator (52) mit einer positiven Flanke der Taktpulse zu vergleichen.

3. Schaltung nach Anspruch 2, in der die Flip-Flop-Schaltungen (72, 76, 78) arbeiten, um den ersten (48), den zweiten (60) und den dritten (54) Schalter zu betreiben, wenn zwei positive Flanken der Taktpulse auftreten, bevor eine zweite positive Flanke von dem spannungsgesteuerten Oszillator (52) auftritt.

4. Schaltung nach Anspruch 2 oder Anspruch 3, in der die Flip-Flop-Schaltungen (72, 76, 78) Schaltungen von D-Typ-Flip-Flops sind.

5. Schaltung nach Anspruch 3, in der der Periodenkomparator (62) aufweist:

einen ersten D-Typ-Flip-Flop (72), der einen D-Eingang (D), einen Takteingang (CLK), einen Einstell-Steuereingang (5), einen Rücksetz-Steuereingang (R), einen Q-Ausgang (Q) und einen Q(Strich)-Ausgang (Q) hat, in dem der Eingang D ein Bezugspotential (VCC), das diesem innewohnt, hat, wobei der Takteingang an die Ausgangsfrequenz des spannungsgesteuerten Oszillators (52) angeschlossen ist, wobei der Einstellsteuereingang an eine Initialisierungssteuerleitung angeschlossen ist und der Rücksetz-Steuereingang an die Quelle der Taktpulse angeschlossen ist;

einen zweiten D-Typ-Flip-Flop (76), der einen D-Eingang (D), einen Takteingang (CLK), einen Rücksetz-Steuereingang (R), einen Q-Ausgang (Q) und einen Q(Strich)-Ausgang (Q) hat, in dem der D-Eingang an den Q(Strich)-Ausgang des ersten D-Typ-Flip-Flops (22) angeschlossen ist, der Takteingang an die Quelle der Taktpulse angeschlossen ist und der Rücksetz-Steuereingang an die Initialisierungs- bzw. Auslösesteuerleitung angeschlossen ist;

einen dritten D-Typ-Flip-Flop (78), der einen D-Eingang (D), einen Takteingang (CK), einen Rücksetz-Steuereingang (R), einen Q-Ausgang (Q) und einen Q(Strich)-Ausgang (Q) hat, in dem der D-Eingang an den Q-Ausgang des zweiten D-Typ-Flip-Flops (76) angeschlossen ist, wobei die Rücksetzung an die Initialisierungs- bzw. Auslösesteuerleitung angeschlossen ist, und der Q-Ausgang an den ersten (48), den zweiten (60) und den dritten (54) Schalter angeschlossen ist; und

einen Inverter (80), der einen Eingang, der an die Quelle der Taktpulse (EXT CLK) angeschlossen ist, und einen Ausgang hat, der an den Takteingang (CK) des dritten D-Typ-Flip-Flops (78) angeschlossen ist.

6. Schaltung nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 5, in der die Schalter (48, 60, 54) Multiplexer sind.

7. Schaltung nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 6, in der die Schalter (48, 60, 54) integrierte Schalteinrichtungen sind.

8. Schaltung nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 7, die ferner einen Filter (50) aufweist, der an einen Eingang des spannungsgesteuerten Oszillators (52) angeschlossen ist, um Störungen bzw. Rauschen und ein Schaltungsüberschwingen zu verringern.

9. Schaltung nach Anspruch 8, in der der Filter (50) ein Integralfilter vom Proportional-Typ ist.

10. Schaltung nach einem der voranstehenden Ansprüche, in der die gesamte Schaltung als eine einzige integrierte Schaltungseinrichtung integriert ist.

11. Verfahren zum Synchronisieren einer phasenstarren Schleife an externe Pulse mit aufeinanderfolgend abnehmender Periode (EXT CLK), das aufweist:

ein VCO (52) der phasenstarren bzw. -synchronisierten Schleife wird betrieben, um mehrere Pulse, die eine Bezugsperiode haben, zu erzeugen,

die Pulse des VCO werden auf die externen Pulse synchronisiert, bis die bzw. Periode der externen Pulse geringer ist, als die Bezugsperiode;

es wird bestimmt, wenn eine Periode des externen Pulses der Bezugsperiode gleich wird;

die phasenstarre Schleife wird geschaltet, um den VCO zu steuern, wenn die Periode der externen Pulse der Bezugsperiode gleich wird.

12. Verfahren zum Synchronisieren einer phasenstarren Schleife nach Anspruch 11, das ferner aufweist:

die externen Pulse werden zu einem Ausgang geleitet, bis die Periode der externen Pulse der Bezugsperiode gleich wird, und danach,

wird der Ausgang der phasenstarren Schleife bereitgestellt, um eine Last zu betreiben.

13. Verfahren zum Synchronisieren einer phasenstarren Schleife nach Anspruch 12, das ferner aufweist:

ein Status- bzw. Zustandssignal (BEMF) wird in Reaktion auf einen Zustand der Last erzeugt;

eine Phasendifferenz wird zwischen dem Zustands- bzw. Statussignal und dem VCO bestimmt;

die phasenstarre bzw. -synchronisierte Schleife wird betrieben, um in Übereinstimmung mit der Phasendifferenz zu arbeiten.

14. Verfahren zum Synchronisieren einer phasenstarren Schleife nach Anspruch 13, bei dem der Schritt zum Erzeugen eines Zustands bzw. Statussignals in Reaktion auf einen Zustand der Last aufweist, daß ein Signal von einer Rückwärts-EMK einer potentialfreien bzw. erdfreien Spule bzw. Wicklung eines vielphasigen Motors erzeugt wird, daß die Stellung eines Rotors des Motors anzeigt.

15. Verfahren zum Synchronisieren einer phasenstarren Schleife nach Anspruch 14, das ferner aufweist, daß das Signal von einer Rückwärts-EMK einer potentialfreien bzw. erdfreien Spule bzw. Wicklung als ein Eingang zu der phasenstarren Schleife verwendet wird.