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TECHNISCHES
GEBIET DER ERFINDUNG
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Diese
Erfindung bezieht sich allgemein auf das Gebiet der Massenspeichervorrichtungen
und insbesondere auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Steuern
eines Motors in einer Massenspeichervorrichtung.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Eine
Massenspeichervorrichtung wie etwa ein Festplattenlaufwerk verwendet
einen Spindelmotor zum Drehen der Platten, die die Informationen speichern.
Der Spindelmotor dreht die Platten im Allgemeinen mit einer konstanten
Winkelgeschwindigkeit, während
elektromagnetische Köpfe
aus kreisförmigen
Spuren auf den Platten lesen oder in sie schreiben.
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Ein
Dreiphasen-Spindelmotor kann einen Magnetläufer und drei elektrische Spulen
enthalten. Die drei elektrischen Spulen stehen in Zusammenhang mit
den drei Phasen des Motors. Durch jede der drei elektrischen Spulen
des Motors fließt
ein separater Strom, der als ein Phasenstrom bezeichnet wird. Der
Läufer
dreht sich in Reaktion auf ein von den Phasenströmen erzeugtes elektrisches
Feld.
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Die
durch die drei elektrischen Spulen fließenden Phasenströme können mit
den magnetischen Elementen in dem Motor in Wechselwirkung stehen,
so dass Geräusche
erzeugt werden. Bei einigen Motoren durchläuft jede elektrische Spule
zyklisch drei Zustände:
Jede elektrische Spule kann auf Masse gehalten werden, auf eine
positive Spannung angesteuert werden oder gefloatet werden. Im Ergebnis
weisen die durch die drei elektrischen Spulen fließenden Phasenströme sehr
plötzliche Übergänge auf.
Da das Drehmoment proportional zum Strom ist, bewirken die plötzlichen Änderungen
in den Phasenströmen,
dass sich das Drehmoment ebenso plötzlich ändert. Wenn die Harmonischen
in der Drehmomentsignalform mechanische Resonanzen anregen, kann
die Motorstruktur schwingen und hörbare Geräusche erzeugen, was nicht erwünscht ist.
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Eine
Technik zum Reduzieren von Geräuschen
in einem Plattenlaufwerk-Motor
ist in dem US-Patent 5.798.623 beschrieben.
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Um
die Harmonischen der Drehmomentsignalform zu reduzieren, kann der
Motor mit sinusförmigen
Phasenströmen
angesteuert werden. An die elektrischen Spulen des Motors können Ansteuerungsspannungen
gelegt werden, um sinusförmige Phasenströme durch
die elektrischen Spulen zu erzeugen. Um den Motor effektiv zu betreiben,
sollte allerdings jeder Phasenstrom in Phase mit seiner entsprechenden
elektromotorischen Gegenspannung ausgerichtet sein. Wenn jeder Phasenstrom
genau auf seine entsprechende elektromotorische Gegenspannung ausgerichtet
ist, erzeugt der Motor ein maximales Drehmoment. Ist ein Verfahren
zum Erfassen eines Phasenfehlers gegeben, kann ein Phasenregelkreis
eine Stromrückkopplung
zum Einstellen der Kommutierung des Motors verwenden, um eine genaue
Ausrichtung zu erzielen.
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In
einigen Systemen kann eine Phasenerfassungs-Schaltungsanordnung
die Signalform der elektromotorischen Gegenspannung von der nicht angesteuerten
elektrischen Spule wiederherstellen und daraufhin ein Signal erzeugen,
das proportional zu dem Phasenfehler ist. Allerdings werden in einem mit
sinusförmigen
Strömen
angetriebenen Spindelmotor die elektrischen Spulen konstant angesteuert, so
dass eine Phasenerfassungs-Schaltungsanordnung die elektromotorische
Gegenspannung nicht direkt messen kann, um ein den Phasenfehler
angebendes Signal zu erzeugen.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Folglich
ist ein Bedarf an einem verbesserten Verfahren und einer verbesserten
Vorrichtung zum Steuern eines Motors in einer Massenspeichervorrichtung
entstanden. Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren und
eine Vorrichtung zum Steuern eines Motors in einer Massenspeichervorrichtung,
die sich mit den Unzulänglichkeiten
früherer Systeme
und Verfahren befassen.
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Entsprechend
einer Ausführungsform
der Erfindung umfasst ein Verfahren zum Erfassen eines Phasenfehlers
zwischen einem Phasenstrom und einer An steuerungsspannung das Erzeugen
eines den Phasenstrom angebenden Signals. Das Verfahren umfasst
das Identifizieren eines Zeitintervalls, in dem das den Phasenstrom
angebende Signal im Allgemeinen um einen Mittelpunkt des Zeitintervalls
symmetrisch ist, wenn der Phasenfehler angenähert null ist. Das Verfahren
umfasst ferner die Bestimmung des Ausmaßes, in dem das den Phasenstrom
angebende Signal um den Mittelpunkt des Zeitintervalls symmetrisch
ist. Schließlich
umfasst das Verfahren das Erzeugen von Phasenfehlerinformationen
in Reaktion auf die Bestimmung des Ausmaßes, in dem das den Phasenstrom
angebende Signal symmetrisch ist.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der Erfindung umfasst ein Festplattenlaufwerk-System ein Plattenspeichermedium,
das so betreibbar ist, dass es Informationen speichert, und einen
Spindelmotor, der so betreibbar ist, dass er das Plattenspeichermedium
dreht. Außerdem
umfasst das Festplattenlaufwerk-System einen Motortreiber, der so
betreibbar ist, dass er an eine elektrische Spule des Spindelmotors
eine Ansteuerungsspannung anlegt, und einen Lesewiderstand, der
so betreibbar ist, dass er ein Signal erfasst, das einen aus der
elektrischen Spule des Spindelmotors fließenden Phasenstrom enthält. Schließlich umfasst
das System eine Phasenerfassungsschaltung. Die Phasenerfassungsschaltung
kann über
den Lesewiderstand ein den Phasenstrom angebendes Signal messen.
Die Phasenerfassungsschaltung kann außerdem ein Zeitintervall identifizieren,
in dem das den Phasenstrom angebende Signal um einen Mittelpunkt
des Zeitintervalls im Allgemeinen symmetrisch ist, wenn der Phasenfehler
angenähert
null ist. Nach dem Identifizieren des Zeitintervalls kann die Phasenerfassungsschaltung
das Ausmaß bestimmen,
in dem das den Phasenstrom angebende Signal um den Mittelpunkt des
Zeitintervalls symmetrisch ist. Schließlich kann die Phasenerfassungsschaltung
Phasenfehlerinformationen in Reaktion auf die Bestimmung des Ausmaßes, in
dem das den Phasenstrom angebende Signal symmetrisch ist, erzeugen.
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Die
Ausführungsformen
der Erfindung schaffen zahlreiche technische Vorteile. Beispielsweise verwendet
eine Ausführungsform
der Erfindung einen Lese widerstand, um einen zuverlässigen Widerstand
bereitzustellen, über
den die Phasenströme des
Motors gemessen werden können.
Eine Phasenerfassungs-Schaltungsanordnung prüft den durch den Lesewiderstand
fließenden
Strom in einem bestimmten Zeitintervall, in dem der Strom überwiegend
aus einem Phasenstrom aus einer elektrischen Spule besteht. Die
Phasenerfassungs-Schaltungsanordnung analysiert die Symmetrie des
Stroms um einen Mittelpunkt in diesem Zeitintervall und erzeugt
in Reaktion darauf Phasenfehlerinformationen bezüglich der Ausrichtung des Phasenstroms
und der Ansteuerungsspannung. Mit den Phasenfehlerinformationen
kann ein Phasenregelkreis eine Stromrückkopplung verwenden, um die
Kommutierung des Motors genau einzustellen. Der Phasenregelkreis
kann den Phasenstrom so auf einen bestimmten Punkt der Ansteuerungsspannung
ausrichten, dass der Phasenstrom auf die elektromotorische Gegenspannung ausgerichtet
ist. Wenn die Phasenströme
genau auf die elektromotorischen Gegenspannungen ausgerichtet sind,
liefert der Motor ein maximales Drehmoment.
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Der
Fachmann auf dem Gebiet kann leicht weitere technische Vorteile
anhand der folgenden Figuren, Beschreibungen und Ansprüche erkennen.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNG
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Für ein vollständigeres
Verständnis
der vorliegenden Erfindung und ihrer Vorteile wird nun Bezug genommen
auf die folgenden Beschreibungen in Verbindung mit der beigefügten Zeichnung,
in der:
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1 ein
Blockschaltplan eines Festplattenlaufwerk-Systems gemäß den Lehren
der vorliegenden Erfindung ist;
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2 ein
Blockschaltplan eines Motortreibersystems des in 1 veranschaulichten
Festplattenlaufwerk-Systems ist;
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3 ein
Stromlaufplan eines Motortreibers des in 2 veranschaulichten
Motortreibersystems ist;
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4 eine
graphische Darstellung des zeitlichen Verlaufs einer Ansteuerungsspannung
sowie einer Anzahl entsprechender Phasenströme mit verschiedenen Phasenfehlern
ist;
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5 eine
graphische Darstellung der Ansteuerungsspannung und eines der Phasenströme von 3 ist,
die die Symmetrie des Phasenstroms in einem bezüglich der Ansteuerungsspannung
definierten Beobachtungsfenster zeigt;
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6 ein
Blockschaltplan des Motortreibersystems von 2 ist, der
zusätzliche
Einzelheiten einer Ausführungsform
der Phasenerfassungs-Schaltungsanordnung zeigt; und
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7 ein
Ablaufplan ist, der ein Verfahren zum Erzeugen von Phasenfehlerinformationen
gemäß den Lehren
der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
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AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung und ihre Vorteile sind am besten unter Bezugnahme
auf die 1 bis 7 der Zeichnung
zu verstehen, wobei gleiche Bezugszeichen für gleiche und einander entsprechende Teile
der verschiedenen Figuren verwendet sind.
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1 ist
ein Blockschaltplan eines Festplattenlaufwerk-Systems 10 gemäß den Lehren
der vorliegenden Erfindung. Das Festplattenlaufwerk-System 10 speichert
während
der Schreiboperationen Daten und liest während der Leseoperationen Daten aus.
Das Festplattenlaufwerk-System 10 enthält eine im Festplattenlaufwerk
integrierte Schaltung 14, eine Platten-/Kopf-Baueinheit 16,
einen Spindelmotor 20 und ein Motortreibersystem 22.
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Das
Festplattenlaufwerk-System 10 ist über eine Schnittstelle durch
einen Bus 13 mit einem Client 12 verbunden und
tauscht mit ihm Daten aus. Das Festplattenlaufwerk-System 10 empfängt Daten von
dem Client 12 und speichert diese Daten in der Platten-/Kopf-Baueinheit 16.
Später
kann das Festplattenlaufwerk-System 10 die
Daten aus der Platten-/Kopf-Baueinheit 16 auslesen und
diese Da ten an den Client 12 zurückliefern. Die Platten-/Kopf-Baueinheit 16 enthält eine
Anzahl sich drehender Magnetplatten. Elektromagnetische Köpfe speichern
die Daten in kreisförmigen
Spuren auf den Platten und lesen die Daten aus ihnen aus. Ein Vorverstärker (der
nicht explizit gezeigt ist) kann verwendet werden, um die Datensignale
gegebenenfalls zu verstärken.
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Der
Spindelmotor 20 dreht die Platten in der Platten-/Kopf-Baueinheit 16 mit
einer konstanten Winkelgeschwindigkeit, während die elektromagnetischen
Köpfe aus
den kreisförmigen
Spuren auf den Platten lesen oder in sie schreiben. Der Motor 20 kann
einen Magnetläufer
enthalten, der sich in Reaktion auf ein elektrisches Feld dreht,
das durch die Phasenströme
erzeugt wird, die durch jede der drei elektrischen Spulen fließen.
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Die
in dem Festplattenlaufwerk integrierte Schaltung 14 verarbeitet
die digitalen Daten, die zwischen dem Client 12 und der
Platten-/Kopf-Baueinheit 16 ausgetauscht werden. Die in
dem Festplattenlaufwerk integrierte Schaltung 14 enthält eine
Plattensteuerschaltung 24, einen Schreibkanal 26,
einen Lesekanal 28, eine Servoschaltung 30 und
eine Motorsteuerschaltung 34. Der Schreibkanal 26 verarbeitet
alle Daten, die in der Platten-/Kopf-Baueinheit 16 gespeichert
werden sollen. Während
der Schreiboperationen empfängt
der Schreibkanal 26 ein digitales Datensignal von der Plattensteuerschaltung 24. Der
Schreibkanal 26 reformatiert und codiert das digitale Datensignal
für das
Speichern und liefert ein analoges Datensignal an die Platten-/Kopf-Baueinheit 16.
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Der
Lesekanal 28 verarbeitet alle Daten, die aus der Platten-/Kopf-Baueinheit 16 ausgelesen
werden. Während
der Leseoperationen empfängt
der Lesekanal 28 ein analoges Datensignal von der Platten-/Kopf-Baueinheit 16.
Der Lesekanal 28 decodiert und formatiert das analoge Datensignal
und liefert ein digitales Datensignal an die Plattensteuerschaltung 24.
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Während der
Lese- und Schreiboperationen liefert die Servoschaltung 30 mit
der Positionierung eines Kopfs in der Platten-/Kopf-Baueinheit 16 in
Zusammenhang stehende Positionsfehlersignale an die Plattensteuerschaltung 24.
Die Servo schaltung 30 empfängt ein Servokeilsignal von
der Platten-/Kopf-Baueinheit 16. Das Servokeilsignal enthält Positionsfehlerinformationen.
Die Servoschaltung 20 verarbeitet diese Informationen und
erzeugt ein Servoausgangssignal, das von der Plattensteuerschaltung 24 empfangen
wird.
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Die
Plattensteuerschaltung 24 steuert die verschiedenen Operationen
des Festplattenlaufwerk-Systems 10. Die Plattensteuerschaltung 24 empfängt über den
Bus 13 Daten von dem Client 12 und überträgt ein entsprechendes
digitales Datensignal an den Schreibkanal 26. Die Plattensteuerschaltung 24 empfängt ein
digitales Datensignal von dem Lesekanal 28 und liefert über den
Bus 13 entsprechende Daten an den Client 12. Die
Plattensteuerschaltung 24 empfängt außerdem Positionsfehlerinformationen
von der Servoschaltung 30 in Form eines Servoausgangssignals.
Als Reaktion darauf sendet die Plattensteuerschaltung 24 ein
Motorsteuereingangssignal an die Motorsteuerschaltung 34.
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Die
Motorsteuerschaltung 34 umfasst eine Schaltungsanordnung,
damit sie passend über
eine Schnittstelle mit dem Motortreibersystem 22 verbunden
ist, um den Spindelmotor 20 zu steuern. Die Motorsteuerschaltung 34 empfängt ein
Motorsteuereingangssignal von der Plattensteuerschaltung 24.
Die Motorsteuerschaltung 34 verarbeitet das Signal und sendet
ein entsprechendes Steuersignal an das Motortreibersystem 22.
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2 ist
ein Blockschaltplan des in 1 veranschaulichten
Motortreibersystems 22. In der veranschaulichten Ausführungsform
enthält
das Motortreibersystem 22 einen Motortreiber 46,
einen Lesewiderstand 48, einen Motorvortreiber 44,
einen Phasenspannungsformer 42, eine Kommutierungszustandsmaschine 40,
einen spannungsgesteuerten Oszillator 38 und eine Phasenerfassungs-Schaltungsanordnung 36.
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Der
Phasenspannungsformer 42 erzeugt drei Ausgangssignale,
die impulsbreitenmoduliert sein können. Diese Signale steuern
den Motorvortreiber 44 an. Der Motorvortreiber 44 erzeugt
seinerseits drei entsprechende Signale, die den Motortreiber 46 ansteuern.
Der Lesewiderstand 48 ist mit dem Motortreiber 46 und
Masse verbunden. Der Motortreiber 46 hält ein Spannungssignal über dem
Lesewiderstand 48 aufrecht. Die Phasenerfassungs-Schaltungsanordnung 36 verarbeitet
das Spannungssignal über dem
Lesewiderstand 48, um Phasenfehlerinformationen zu erzeugen.
Die Phasenfehlerinformationen beziehen sich auf die Ausrichtung
einer niedrigen Spitze eines Phasenstroms auf einen definierten
Punkt seiner entsprechenden Ansteuerungsspannung. Ein Ausgangssignal
der Phasenerfassungs-Schaltungsanordnung 36 steuert den
spannungsgesteuerten Oszillator 38 an. Als Reaktion auf
die von der Phasenerfassungs-Schaltungsanordnung 36 empfangenen
Phasenfehlerinformationen stellt der spannungsgesteuerte Oszillator 38 die
Frequenz eines Taktsignals ein, das er für die Kommutierungszustandsmaschine 44 bereitstellt.
Die Kommutierungszustandsmaschine 40 ist mit dem Phasenspannungsformer 42 verbunden
und beschleunigt oder verzögert
passend die an die elektrischen Spulen des Motors angelegten Ansteuerungsspannungen,
wobei somit der Phasenregelkreis geschlossen wird. Der Phasenregelkreis
stellt die Kommutierung des Motors 20 ein, um die niedrigen
Spitzen jedes Phasenstroms auf einen definierten Punkt der entsprechenden
Ansteuerungsspannung auszurichten. Der Punkt der Ansteuerungsspannung
kann so definiert sein, dass der Phasenstrom genau auf seine entsprechende
elektromotorische Gegenspannung ausgerichtet ist, wenn die niedrige
Spitze des Phasenstroms auf den definierten Punkt ausgerichtet ist.
Somit erzeugt der Motor 20 ein maximales Drehmoment, wenn
die niedrige Spitze des Phasenstroms auf den definierten Punkt ausgerichtet
ist.
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3 ist
ein Stromlaufplan, der zusätzliche Einzelheiten
des Motortreibers 46 zeigt. Der Motortreiber 46 steuert
den Motor 20 an. Der Motortreiber 46 kann drei
Leistungstreiber 130, 132 und 134 mit einer
halben H-Brücke
enthalten. Jeder der Leistungstreiber 130, 132 und 134 kann
aus einem High-Side-Treiber 136 und einem Low-Side-Treiber 138 gebildet
sein, die in Reihe zwischen eine hohe Spannung und den Lesewiderstand 48 geschaltet sind.
Jeder der High-Side-Treiber 136 und der Low-Side-Treiber 138 kann
einen Feldeffekttransistor mit einer Source, einem Gate und einem
Drain umfassen. Die Ausgangsleitung 82 befindet sich zwischen
dem High-Side-Treiber 136 und dem Low-Side-Treiber 138 des Leistungstreibers 130.
Die Ausgangsleitung 84 befindet sich zwischen dem High-Side-Treiber 136 und
dem Low-Side-Treiber 138 des Leistungstreibers 132.
Die Ausgangsleitung 86 befindet sich zwischen dem High-Side-Treiber 136 und dem
Low-Side-Treiber 138 des Leistungstreibers 134.
Die Ausgangsleitungen 82, 84 und 86 entsprechen
den drei Phasen des Motors 20, wobei jede der Ausgangsleitungen 82, 84 und 86 mit
einer anderen der drei elektrischen Spulen im Motor 20 verbunden ist.
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Der
Lesewiderstand 48 befindet sich zwischen dem Motortreiber 46 und
Masse. In der veranschaulichten Ausführungsform ist der Lesewiderstand 48 im
Motortreiber 46 mit der Source jedes Low-Side-Treibers 138 der
Leistungstreiber 130, 132 und 134 verbunden.
Der Lesewiderstand 48 kann während der Motorstartroutine
verwendet werden, um die Strommenge einzustellen, die durch den
Motor 20 fließt.
Außerdem
wird der Lesewiderstand 48 gemäß den Lehren der vorliegenden
Erfindung verwendet, um einen zuverlässigen Widerstand bereitzustellen, über den
die Phasenströme
des Motors 20 gemessen werden können.
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Die
Phasenerfassungs-Schaltungsanordnung 36 überwacht
einen Phasenstrom durch den Lesewiderstand 48 in einem
bestimmten Zeitintervall, in dem der durch den Lesewiderstand 48 fließende Strom überwiegend
von einer Spule des Motors 20 kommt. Der durch den Lesewiderstand 48 fließende Strom
umfasst die drei Phasenströme
von den drei elektrischen Spulen des Motors 20. In den
bestimmten Zeitintervallen des Ansteuerungszyklus ist eine Ansteuerungsspannung
hoch, während
die anderen beiden Ansteuerungsspannungen niedrig sind. In diesen
Zeitintervallen umfasst der durch den Lesewiderstand 48 fließende Strom überwiegend
den Phasenstrom von der einen elektrischen Spule, an die die hohen
Ansteuerungsspannungen angelegt sind. Auf diese Weise kann die Phasenerfassungs-Schaltungsanordnung 36 in
diesen Zeitintervallen den aus einer elektrischen Spule des Motors 20 fließenden Phasenstrom über den
Lesewiderstand 48 beobachten. Dieses Zeitintervall wird
hier als ein beobachtbares Zeitintervall bezeichnet. Da die Phasenströme in einem
beobachtbaren Zeitintervall eine Spitze bilden, bezieht sich die
Phasenerfassungs-Schaltungsanordnung 36 auf eine Spitzenerfassungs strategie,
um Phasenfehlerinformationen bezüglich
der Ausrichtung der Phasenströme
auf ihre entsprechenden Ansteuerungsspannungen zu erhalten. Die 4 und 5 veranschaulichen
die von der Phasenerfassungs-Schaltungsanordnung 36 verwendete
Spitzenerfassungsstrategie.
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4 ist
eine graphische Darstellung des zeitlichen Verlaufs einer Spannung,
die eine der drei elektrischen Spulen des Motors 20 ansteuert,
sowie einer Anzahl möglicher
Phasenströme,
die durch dieselbe elektrische Spule des Motors 20 fließen. Ein Mittelpunkt 100 eines
Beobachtungsfensters 98 stellt den Punkt der Ansteuerungsspannung 90 dar,
der auf eine niedrige Spitze 101 des entsprechenden Phasenstroms
ausgerichtet sein soll, damit der Motor 20 ein maximales
Drehmoment erzeugt. Der Mittelpunkt 100 des Beobachtungsfensters 98 eilt
dem Mittelpunkt 99 der Ansteuerungsspannung 90 im
Allgemeinen mit einem Phasenoffset 97 nach. Der Betrag des
Phasenoffsets 97 hängt
von dem Widerstand und der Induktanz des Motors 20 ab.
Die Phasenströme 92, 94 und 96 haben
jeweils einen anderen Phasenfehler. Der Phasenstrom 96 weist
einen Phasenfehler von vierzig Grad auf, da die niedrige Spitze 101 des
Phasenstroms 96 vierzig Grad vor dem Mittelpunkt 100 des
Beobachtungsfensters 98 liegt. Der Phasenstrom 94 weist
einen Phasenfehler von zwanzig Grad auf, da die niedrige Spitze 101 des
Phasenstroms 94 zwanzig Grad vor dem Mittelpunkt 100 des Beobachtungsfensters 98 liegt.
Der Phasenstrom 92 weist einen Phasenfehler von null Grad
auf, da die niedrige Spitze 101 des Phasenstroms 92 in
Phase mit dem Mittelpunkt 100 des Beobachtungsfensters 98 ausgerichtet
ist. Wie in 5 veranschaulicht ist, ist die
niedrige Spitze 101 des Phasenstroms 92 auf den
Mittelpunkt 100 des Beobachtungsfensters 98 ausgerichtet,
wenn der Phasenstrom 92 um den Mittelpunkt 100 im
Beobachtungsfenster 98 symmetrisch ist.
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5 ist
eine graphische Darstellung der Ansteuerungsspannung 90 und
des Phasenstroms 92 von 4. Die Phasenerfassungs-Schaltungsanordnung 36 erzeugt
Phasenfehlerinformationen, indem sie die Symmetrie des Phasenstroms 92 um
den Mittelpunkt 100 in dem Beobachtungsfenster 98 misst.
Wenn der Phasenstrom 92 um den Mittelpunkt 100 in
dem Beobachtungsfenster 98 symmetrisch ist, ist die niedrige
Spitze 101 des Phasenstroms 92 auf den Mittelpunkt 100 in
dem Beobachtungsfenster 98 ausgerichtet. Wenn der Phasenstrom 92 um
den Mittelpunkt 100 in dem Beobachtungsfenster 98 unsymmetrisch
ist, ist der Phasenstrom 92 nicht auf den Mittelpunkt 100 des
Beobachtungsfensters 98 ausgerichtet, wobei der Unsymmetriegrad
mit dem Phasenfehler zusammenhängt.
Weil das Beobachtungsfenster 98 in ein bestimmtes Zeitintervall
fällt,
in dem der durch den Lesewiderstand 48 fließende Strom überwiegend
von einer der drei elektrischen Spulen des Motors 20 kommt,
kann die Phasenerfassungs-Schaltungsanordnung 36 die Symmetrie
eines Phasenstroms messen, indem sie die Spannung über dem
Lesewiderstand 48 verarbeitet.
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In
der veranschaulichten Ausführungsform implementiert
die Phasenerfassungs-Schaltungsanordnung 36 ein Verfahren
zur Bestimmung, ob der Phasenstrom 92 um den Mittelpunkt 100 in
dem Beobachtungsfenster 98 symmetrisch ist. Dieses Verfahren
umfasst ein Vergleichen einer Fläche 102 in einer
ersten Hälfte 106 des
Beobachtungsfensters 98 mit einer Fläche 104 in einer zweiten
Hälfte 108 des Beobachtungsfensters 98.
Wenn die Fläche 102 gleich
der Fläche 104 ist,
ist der Phasenstrom 92 symmetrisch und in dem Beobachtungsfenster 98 zentriert,
wobei folglich die niedrige Spitze 101 des Phasenstroms 92 auf
den Mittelpunkt 100 des Beobachtungsfensters 98 ausgerichtet
ist. Wenn die Fläche 102 größer als
die Fläche 104 ist,
eilt die niedrige Spitze 101 des Phasenstroms 92 dem
Mittelpunkt 100 des Beobachtungsfensters 98 voraus.
Wenn die Fläche 102 kleiner
als die Fläche 104 ist,
eilt die niedrige Spitze 101 des Phasenstroms 92 dem
Mittelpunkt 100 des Beobachtungsfensters 98 nach.
Da die Fläche 102 in
der ersten Hälfte 106 des
Beobachtungsfensters 98 gleich der Fläche 104 in der zweiten Hälfte 108 des
Beobachtungsfensters 98 ist, ist der Phasenstrom 92 um
den Mittelpunkt 100 in dem Beobachtungsfenster 98 symmetrisch,
wobei die niedrige Spitze 101 des Phasenstroms 92 in
Phase mit dem Mittelpunkt 100 des Fensters 98 ausgerichtet
ist, wie in 4 veranschaulicht ist. Im Ergebnis
ist der Phasenstrom 92 mit einer konstanten Phasendifferenz 97 auf
die Ansteuerungsspannung 90 ausgerichtet.
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6 ist
ein Blockschaltplan, der zusätzliche Einzelheiten
einer Ausführungsform
der Phasenerfassungs-Schaltungsanordnung 36 zeigt. Im Betrieb verarbeitet
die Phasenerfassungs-Schaltungsanordnung 36 das über dem
Lesewiderstand 48 anliegende Spannungssignal, um Phasenfehlerinformationen zu
erzeugen. Unter Verwendung dieser Phasenfehlerinformationen kann
das Motortreibersystem 22 die Kommutierung des Motors 20 einstellen,
um die Ansteuerungsspannungen auf ihre entsprechenden Phasenströme auszurichten.
In der veranschaulichten Ausführungsform
umfasst die Phasenerfassungs-Schaltungsanordnung 36 eine
Eichschaltung 80, ein Pegelverschiebungsglied 54,
einen Verstärker 56 mit
veränderlicher
Verstärkung,
eine Eichschaltung 78, einen Puffer 64, eine Abtast-Halte-Schaltung 76 und
eine Ladungspumpenschaltung 74.
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Die
Eichschaltung 80 und die Eichschaltung 78 werden
verwendet, um die Phasenerfassungs-Schaltungsanordnung 36 in
den Eichzyklen zu eichen. Die Eichschaltung 80 enthält Schalter 50 und 52. Ähnlich enthält die Eichschaltung 78 Schalter 60 und 62.
Die Schalter 50, 52, 60 und 62 können mit MOSFETs
implementiert werden. Digitale Signale können jeden der Schalter 50, 52, 60 und 62 ansteuern.
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Das
Pegelverschiebungsglied 54 verschiebt den Pegel der Spannung über dem
Lesewiderstand 48, wobei der Verstärker 56 mit veränderlicher
Verstärkung
die pegelverschobene Spannung verstärkt. Die veränderliche
Verstärkung
des Verstärkers 56 mit veränderlicher
Verstärkung
kann digital programmierbar sein. Die optimale Verstärkung ist
durch die Amplitude des Motorstroms bestimmt.
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Eine
Phasenerfassungslogik 66 empfängt Signale 39 von
der Kommutierungszustandsmaschine 40 und Signale 41, 43 und 45 von
dem Phasenspannungsformer 42. Die Signale 39, 41, 43 und 45 beziehen
sich auf die Ansteuerungsspannungen. Weil das Beobachtungsfenster 98 und
der Mittelpunkt 100 in Bezug auf die Ansteuerungsspannungen
definiert sind, kann die Phasenerfassungslogik 66 die Signale 39, 41, 43 und 45 verwenden,
um zu bestimmen, ob sich der Motortreiber 46 in einem Zustand
befindet, in dem ein Phasenstrom in dem Beobachtungsfenster 98 beobachtbar
ist. Wenn sich der Motortreiber 46 in einem Zustand befindet,
in dem ein Phasenstrom in dem Beobachtungsfenster 98 beobachtbar
ist, steuert die Phasenerfassungslogik 66 das Signal 67 hoch.
Wenn sich der Motortreiber 46 in einem Zustand befindet,
in dem kein Phasenstrom in dem Beobachtungsfenster 98 beobachtbar
ist, hält die
Phasenerfassungslogik 66 das Signal 67 tief. Die Phasenerfassungslogik 66 verwendet
die Signale 39, 41, 43 und 45 außerdem,
um das Beobachtungsfenster 98 in der Zeit zu ermitteln.
Die Phasenerfassungslogik 66 hält das Signal 71 in
dem Zeitintervall in dem Beobachtungsfenster 98 hoch. Sonst
hält die
Phasenerfassungslogik 66 das Signal 71 tief. In
dem Zeitintervall in der ersten Hälfte 106 des Beobachtungsfensters 98 steuert
die Phasenerfassungslogik 66 das Signal 73 hoch.
In dem Zeitintervall in der zweiten Hälfte 108 des Beobachtungsfensters 98 hält die Phasenerfassungslogik 66 das
Signal 73 tief.
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Der
dem Verstärker 56 mit
veränderlicher Verstärkung nachgeschaltete
Puffer 64 steuert die Abtast-Halte-Schaltung 76 an.
Die Abtast-Halte-Schaltung 76 stellt in einem bestimmten
Zeitintervall des Ansteuerungszyklus, in dem überwiegend ein Phasenstrom
durch den Lesewiderstand 48 fließt, den Strom durch den Lesewiderstand 48 wieder
her. Wenn das Signal 67 hoch ist, befindet sich der Motortreiber 46 in
einem Zustand, in dem ein Phasenstrom in dem Beobachtungsfenster 98 beobachtbar
ist, wobei folglich der Schalter 68 die pegelverschobene und
verstärkte
Version der Spannung des Lesewiderstands an den Abtast-Halte-Kondensator 70 anlegt. Wenn
das Signal 67 tief ist, befindet sich der Motortreiber 46 in
einem Zustand, in dem kein Phasenstrom in dem Beobachtungsfenster 98 beobachtbar ist,
wobei folglich der Schalter 68 die pegelverschobene und
verstärkte
Version der Spannung des Lesewiderstands nicht an den Abtast-Halte-Kondensator 70 anlegt.
Vielmehr verbleibt der Abtast-Halte-Kondensator 70 bei
seiner vorherigen Spannung, kurz bevor das Signal 67 zu
tief überging.
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Die
Ladungspumpenschaltung 74 steuert den spannungsgesteuerten
Oszillator 38 an. Ein Transconductor 72 erzeugt
einen Strom, der proportional zu der Spannung an dem Abtast-Halte-Kondensator 70 ist,
wobei er den Strom verwendet, um das Lead-Lag-Widerstands-Kondensator-Netz 88 zu laden.
Wenn das Signal 71 hoch ist und das Signal 73 hoch
ist, befindet sich der Motortreiber 46 in einem Zustand,
in dem ein Phasenstrom in der ersten Hälfte 106 des Beobachtungsfensters 98 ist,
wobei der Transconductor 72 einen negativen Strom in das Lead-Lag-Widerstands-Kondensator-Netz 88 einspeist.
Wenn das Signal 71 hoch ist und das Signal 73 tief
ist, befindet sich der Motortreiber 46 in einem Zustand,
in dem ein Phasenstrom in der zweiten Hälfte 108 des Beobachtungsfensters 98 ist,
wobei der Transconductor 72 einen positiven Strom in das Lead-Lag-Widerstands-Kondensator-Netz 88 einspeist.
Wenn das Signal 71 tief ist, befindet sich der Motortreiber 46 in
einem Zustand, in dem kein Phasenstrom in dem Beobachtungsfenster 98 ist,
wobei der Transconductor 72 keinen Strom in das Lead-Lag-Widerstands-Kondensator-Netz 88 einspeist.
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Der
Transconductor 72 arbeitet im Wesentlichen als ein Integrator,
der den Phasenstrom 92 mit einer negativen Polarität in der
ersten Hälfte 106 des Beobachtungsfensters 98 integriert
und der den Phasenstrom 92 mit einer positiven Polarität in der
zweiten Hälfte 108 des
Beobachtungsfensters 98 integriert. Wenn der Phasenstrom 92 um
den Mittelpunkt 100 in dem Beobachtungsfenster 98 symmetrisch
ist, speist der Transconductor 72 eine gleich große Menge
des negativen Stroms und des positiven Stroms in das Lead-Lag-Widerstands-Kondensator-Netz 88 ein,
wobei folglich das Lead-Lag-Widerstands-Kondensator-Netz 88 keine
Nettoänderung
in der Ladung aufweist. Wenn die niedrige Spitze 101 des
Phasenstroms 92 dem Mittelpunkt 100 des Beobachtungsfensters 98 vorauseilt,
speist der Transconductor 72 mehr negativen Strom als positiven
Strom in das Lead-Lag-Widerstands-Kondensator-Netz 88 ein, wobei
das Lead-Lag-Widerstands-Kondensator-Netz 88 einen Ladungsnettoverlust
aufweist. Wenn die niedrige Spitze 101 des Phasenstroms 92 dem
Mittelpunkt 100 des Beobachtungsfensters 98 nacheilt, speist
der Transconductor 72 mehr positiven Strom als negativen
Strom in das Lead-Lag-Widerstands-Kondensator-Netz 88 ein,
wobei das Lead-Lag-Widerstands-Kondensator-Netz 88 einen Ladungsnettogewinn
aufweist.
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Unter
Verwendung der Ladung von der Ladungspumpenschaltung 74 stellt
der spannungsgesteuerte Oszillator 38 ein Taktsignal für die Kommutierungszustandsmaschine 44 bereit.
Der spannungsgesteuerte Oszillator 38 ändert die Frequenz des Taktsignals
in Reaktion auf eine Änderung
der Ladung von dem Lead-Lag-Widerstands-Kondensator-Netz 88.
Wenn das Lead-Lag-Widerstands-Kondensator-Netz 88 einen
Ladungsnettoverlust aufweist, eilt die niedrige Spitze 101 des
Phasenstroms 92 dem Mittelpunkt 100 des Beobachtungsfensters 98 voraus,
wobei der spannungsgesteuerte Oszillator 38 dementsprechend
die Frequenz seines Taktsignals verringert. In Reaktion auf die
Verringerung der Frequenz des Taktsignals stellt die Kommutierungszustandsmaschine 44 ihre
digitalen Ausgangssignale so ein, dass die von dem Phasenspannungsformer 43 erzeugten
Ansteuerungsspannungen verzögert werden.
Wenn das Lead-Lag-Widerstands-Kondensator-Netz 88 einen
Ladungsnettogewinn aufweist, eilt die niedrige Spitze 101 des
Phasenstroms 92 dem Mittelpunkt 100 des Beobachtungsfensters 98 nach,
wobei der spannungsgesteuerte Oszillator 38 dementsprechend
seine Taktfrequenz erhöht.
In Reaktion auf die Erhöhung
der Frequenz des Taktsignals stellt die Kommutierungszustandsmaschine 44 ihre
digitalen Ausgangssignale so ein, dass die von dem Phasenspannungsformer 43 erzeugten
Ansteuerungsspannungen beschleunigt werden. Die Rückkopplungsschleife
von dem Lesewiderstand 48 zu dem Phasenspannungsformer 42 bildet
einen Phasenregelkreis. Die Arbeitsweise der Phasenerfassungs-Schaltungsanordnung 36 ist
unten in Verbindung mit 7 beschrieben.
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7 ist
ein Ablaufplan, der ein Verfahren zum Erzeugen von Phasenfehlerinformationen
gemäß den Lehren
der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. In einem Schritt 110 misst
die Phasenerfassungs-Schaltungsanordnung 36 die Spannung über dem
Lesewiderstand 48. In einem Schritt 112 verschiebt
das Pegelverschiebungsglied 54 den Pegel der über dem
Lesewiderstand 48 gemessenen Spannung, wobei in Schritt 114 der
Verstärker 56 mit veränderlicher
Verstärkung
die verschobene Spannung auf eine gewünschte Amplitude verstärkt.
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In
einem Schritt 116 bestimmt die Phasenerfassungslogik 66,
ob ein Phasenstrom 92 in dem Beobachtungsfenster 98 beobachtbar
ist. Wenn sich der Motortreiber 46 in einem Zustand befindet,
in dem ein Phasenstrom 92 in dem Beobachtungsfenster 98 beobachtbar
ist, hält
die Phasenerfassungslogik 66 das Signal 67 hoch,
wobei der Schalter 68 in Schritt 118 die pegelverschobene
und verstärkte
Spannung an den Abtast-Halte-Kondensator 70 anlegt. Wenn
der Motortreiber in einen Zustand eintritt, in dem kein Phasenstrom 92 in
dem Beobachtungsfenster 98 beobachtbar ist, hält die Phasenerfassungslogik 66 das Signal 67 tief,
wobei der Abtast-Halte-Kondensator 70 bei seiner vorherigen
Spannung, kurz bevor das Signal 67 zu tief überging,
verbleibt.
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In
einem Schritt 120 erzeugt der Transconductor 72 ein
Strom proportional zu der Spannung an dem Abtast-Halte-Kondensator 70,
wobei er den Strom verwendet, um das Lead-Lag-Widerstands-Kondensator-Netz 88 aufeinander
folgend zu entladen und aufzuladen. Die Ladung in dem Lead-Lag-Widerstands-Kondensator-Netz 88 steht
in Beziehung zu der Symmetrie des Phasenstroms 92 in dem
Beobachtungsfenster 98.
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In
einem Schritt 122 erzeugt die Phasenerfassungs-Schaltungsanordnung 36 Phasenfehlerinformationen.
Die Ausgangsladung des Lead-Lag-Widerstands-Kondensator-Netzes 88 steuert
den spannungsgesteuerten Oszillator 38 an. Der spannungsgesteuerte
Oszillator 38 stellt die Frequenz seines Ausgangstaktsignals
ein, um die Ansteuerungsspannung 90 und den Phasenstrom 92 auszurichten.
Dies schließt
den Phasenregelkreis. Die Phasenerfassungs-Schaltungsanordnung 36 wiederholt
diese Schritte, bis der Phasenfehler zwischen der Ansteuerungsspannung 90 und
dem Phasenstrom 92 so eingestellt ist, dass die Ansteuerungsspannung 90 genau
auf ihren entsprechenden Phasenstrom 92 mit einer konstanten
Phasendifferenz 99 ausgerichtet ist.