ITVA970025A1 - Sistema di pilotaggio misto pwm/lineare impiegante due distinti stadi di pilotaggio - Google Patents

Sistema di pilotaggio misto pwm/lineare impiegante due distinti stadi di pilotaggio Download PDF

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Description

“SISTEMA DI PILOTAGGIO MISTO PWM/LINEARE IMPIEGANTE DUE DISTINTI STADI DI PILOTAGGIO”
CAMPO DI APPLICAZIONE DELL’INVENZIONE
La presente invenzione concerne i sistemi di pilotaggio di attuatori L-R attraverso un circuito di potenza a ponte intero in una modalità PWM o lineare dipendentemente dalle condizioni di funzionamento dell’attuatore. Più in particolare l’invenzione concerne il pilotaggio di un cosiddetto "Voice Coil Motor" usato in sistemi di pilotaggio di un disco rigido o di un analogo dispositivo di memoria di massa.
RIVISTA DELLA TECNICA NOTA
In molti sistemi di posizionamento o di pilotaggio di dispositivi rotanti di memoria di massa come ad esempio un hard disk drive o un floppy disk drive, l’attuatore L-R, ovvero in questi casi il motore, richiede un picco di corrente per azionarsi ad alta velocità in una prima fase di esecuzione del comando ovvero di ricerca della traccia e di una corrente relativamente bassa e controllata ad alta precisione durante la successiva fase di ricerca fine e di mantenimento della posizione, ad esempio durante la fase di lettura o di scrittura di dati sul supporto registrabile.
Un caso emblematico di un sistema di pilotaggio di un supporto di memoria di massa rotante (hard disk, floppy disk, ecc.) è illustrato diagrammaticamente in figura 1 , in cui è evidenziato come la corrente' di pilotaggio di un cosiddetto Voice Coil Motor (VCM) usato per pilotare il drive, è relativamente elevata durante la prima fase A durante la quale il motore viene forzato a raggiungere un'alta velocità nel più breve tempo possibile e durante la fase B, durante la quale una corrente inversa, anch’essa di livello elevato scorre attraverso il motore per dare inizio all'azione di frenatura. Durante la successiva fase C, la corrente si riduce progressivamente per posizionarsi sulla traccia corretta. L'ultima parte di detta fase C, è comunemente denominata a fase di inseguimento (Tracking Phase) e durante questa fase ha luogo l’operazione di lettura o di scrittura. Le fasi A, B e la prima parte deila fase C costituiscono per contro la fase di ricerca (Seeking Phase) durante la quale si verifica una forte dissipazione.
Il pressante requisito di limitare il consumo di corrente impone l'impiego di dispositivi di potenza con caratteristiche di bassa resistenza di conduzione che, secondo le più moderne tecniche di integrazione, significa l'uso di transistori DMOS a canale n, nonché l’adozione di una modalità di pilotaggio PWM di uno stadio di potenza a ponte intero, realizzato con quattro di detti transistori. Tuttavia in molte applicazioni come quella sopra ricordata che prevedono una fase di tracking in cui è richiesta una corrente molto piccola ma controllata con estrema precisione, la modalità PWM non è in grado di assicurare lo stesso grado di precisione ottenibile tramite un pilotaggio lineare basato sull'impiego, di amplificatori operazionali. D’altro canto il pilotaggio di un attuatore L-R, ad esempio un motore (VCM) in modo lineare impiegando allo scopo una coppia di amplificatori operazionali funzionanti in controfase, secondo uno schema come quello mostrato in figura 2, pur potendo assicurare una grande precisione è penalizzante in termini di limitazione della dissipazione.
Sono state attivamente cercate soluzioni che potessero migliorare le prestazioni del sistema di pilotaggio sia durante la fase di ricerca che durante la fase di “tracking”, riducendo i consumi complessivi.
Per ovviare agii svantaggi di un sistema di pilotaggio lineare salvaguardando la precisione del tracking, è stato proposto un sistema in grado di commutare automaticamente da una modalità di funzionamento PWM mantenuta per la prima fase di ricerca ad una modalità di funzionamento lineare mantenuta durante la fase di tracking, secondo uno schema come quello illustrato in figura 3. I due semiponti che compongono lo stadio di potenza a ponte intero vengono pilotati attraverso rispettivi amplificatori operazionali, agli ingressi dei quali è applicato o il segnale PWM generato dal rispettivo circuito convertitore o il segnale errore prodotto dal rispettivo amplificatore di errore del sistema di pilotaggio.
Lo svantaggio di un tale sistema è la larghezza di banda limitata durante il funzionamento in modo lineare dovuta alla presenza dei transistori di potenza Md1, Md2, Md3 e Md4 componenti lo stadio a ponte intero, le cui dimensioni e caratteristiche elettriche (comunemente transistori DMOS) sono commensurate ai livelli di corrente relativamente elevati, necessari durante la fase di ricerca. Questa limitata larghezza di banda dello stadio di potenza a ponte intero tende a ridurre in modo intollerabile la larghezza di banda dell'anello di controllo lineare del motore VCM durante la delicata fase di tracking.
Per comprendere le limitazioni e svantaggi del sistema sopra descritto basterà riflettere sulla caratteristica di risposta ad anello aperto del sistema in funzionamento lineare e le sue singolarità.
La figura 4 mostra la caratteristica di risposta ad anello aperto di un sistema di pilotaggio come quello delle figure 2 e 3 (in quest'ultimo caso quando funzionante in modo lineare) di un motore VCM. La caratteristica riprodotta in figura 4 evidenzia le seguenti singolarità: - la presenza di un polo dominante (Pd) inversamente proporzionale al prodotto tra la capacità di compensazione(Ce), il guadagno in corrente continua dell'amplificatore di errore e della resistenza di retroazione (Rf) dell’amplificatore di rilevazione della corrente;
- la presenza di un secondo polo (P2) dovuto all'induttanza del motore che tende a rendere l’anello instabile;
- la presenza di uno zero (Z) introdotto ad arte per compensare il secondo polo, dimensionando i valori di capacità (Ce) e di resistenza (Re) della rete di compensazione del l'amplificatore di errore.
Per esempio, nel caso di un tipico motore VCM per un drive di disco rigido, il polo introdotto dal motore può essere intorno a circa 1KHz. Dimensionando i valori della rete di compensazione deH’amplificatore operazionale di errore si può fissare lo zero di compensazione in una posizione appena prima della posizione del polo del motore, mentre il valore della capacità di compensazione può essere stabilito in modo da fissare il polo dominante dell’anello di regolazione così da garantire un margine di fase di 60°.
Il prodotto tra il guadagno e la larghezza di banda (GBWP) dell’amplificatore operazionale di errore è il fattore determinante che influenza maggiormente il GBWP dell’intero anello di regolazione. Per evitare una limitazione della larghezza di banda dell'anello di regolazione si impone l'impiego di amplificatori operazionali di pilotaggio in cascata aN’amplificatore di errore con un prodotto GBWP almeno due decadi oltre il valore “target" di GBWP dell’anello di regolazione.
In altri termini, per ottenere una grande larghezza di banda dell'anello di regolazione, la larghezza di banda degli amplificatori operazionali di pilotaggio deve essere più grande di quella dell’amplificatore operazionale di errore. In questo modo si può moltiplicare la funzione di trasferimento dell’amplificatore di errore per il guadagno senza registrare una riduzione del margine di fase.
Infatti, partendo dal requisito di assicurare un GBWP dell'anello di regolazione di circa 30 KHz, si richiedono amplificatori operazionali di pilotaggio con un GBWP di circa 3Mhz; ma dovendo, pilotare grossi transistori a bassa resistenza di conduzione e aventi quindi capacità intrinseche relativamente grandi, gli amplificatori operazionali di pilotaggio devono essere adeguatamente compensati e ciò limita fortemente il parametro GBWP degli stessi.
SCOPO E SOMMARIO DELL’INVENZIONE
Scopo dell'invenzione è di fornire un sistema di pilotaggio in modalità mista PWM/lineare che non presenti gli svantaggi e le limitazioni dei circuiti noti.
Un'ulteriore scopo dell’invenzione è di fornire un sistema di pilotaggio che migliori la larghezza di banda dell’anello di pilotaggio in modalità di funzionamento lineare ottimizzando peraltro la dissipazione di potenza del sistema.
Questi scopi e vantaggi sono conseguiti dal sistema oggetto della presente invenzione caratterizzato dal fatto che impiega due distinti stadi di potenza a ponte intero, operanti sostanzialmente in parallelo. Un primo stadio a ponte intero, operante durante le fasi di funzionamento in modalità PWM, è costituito da quattro dispositivi di potenza specificamente di dimensioni atte a sopportare la corrente di picco richiesta ed aventi bassa resistenza interna di conduzione. Il secondo stadio a ponte intero, operante durante le fasi di funzionamento in modalità lineare, è composto da quattro dispositivi che possono essere di tipo P o N caratteristiche elettriche sostanzialmente diverse da quelle dei dispositivi che compongono il primo stadio, visto che il loro funzionamento è previsto esclusivamente per bassi livelli di corrente.
Il primo stadio è attivo durante le fasi di funzionamento PWM e i quattro dispositivi di potenza che lo compongono, preferibilmente transistori DMOS a canale N, sono pilotati direttamente dal segnale PWM prodotto dal rispettivo convertitore e dal suo negato.
Il secondo stadio a ponte intero è al contrario pilotato da due amplificatori operazionali, funzionanti in controfase, agli ingressi dei quali è applicato il segnale errore prodotto dal relativo amplificatore di errore. Ciascuno dei due semiponti che compongono lo stadio a ponte intero sono preferibilmente costituiti da una coppia complementare di transistori MOS connessi in configurazione a sorgente comune.
Il sistema provvede a commutare il segnale errore prodotto dall'omonimo amplificatore operazionale di errore o sull’ingresso del circuito convertitore PWM o sul rispettivo ingresso, invertente e non invertente, dei due amplificatori operazionali che pilotano i rispettivi semiponti del secondo ponte intero, così che la resistenza di rilevazione della corrente attraverso l’attuatore L-R può essere condivisa dai due ponti interi connessi funzionalmente in parallelo. Secondo un’alternativa ' forma di realizzazione dell’invenzione, l’organo attuatore L-R, è anch'esso “duplicato’’ nel senso che, il primo stadio di uscita di potenza a ponte intero, attivo durante una fase di pilotaggio in modalità PWM pilota un primo attuatore L-R mentre il secondo stadio di uscita di potenza a ponte intero attivo durante una fase di pilotaggio in modalità lineare pilota un secondo "microattuatore” L-R, appositamente di potenza frazionaria rispetto al primo o principale attuatore, con il quale coopera al corretto posizionamento dell'organo controllato dal sistema. Secondo questa alternativa forma di realizzazione, ciascuno dei due attuatori è dotato di una propria resistenza in serie di rilevazione della corrente e gli organi di commutazione da una modalità di funzionamento PWM ad una modalità lineare provvedono a commutare anche l’una o l’altra delle due resistenze di rilevazione della corrente ai rispettivi ingressi dell’amplificatore di rilevazione della corrente.
Il sistema dell’invenzione ottimizza il consumo di corrente e contemporaneamente assicura le più elevate prestazioni in termini di velocità e precisione.
BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI
La figura 1 mostra come già discusso sopra, un tipico andamento della corrente assorbita da un “Voice Coil Motor”(VCM).
La figura 2 mostra uno schema funzionale a blocchi di un sistema di pilotaggio di un VCM in modo lineare.
La figura 3 mostra uno schema funzionale a blocchi di un sistema di pilotaggio di un VCM in modalità mista PWM/lineare, secondo una tecnica nota.
La figura 4 è un diagramma della risposta ad anello aperto di un sistema di pilotaggio lineare di un VCM.
La figura 5 è uno schema funzionale a blocchi di un sistema di pilotaggio di un VCM in modalità mista, secondo la presente invenzione.
La figura 6 è uno schema funzionale a blocchi di un sistema di pilotaggio secondo una forma alternativa di realizzazione dell'Invenzione.
DESCRIZIONE DI ALCUNE FORME DI REALIZZAZIONE
Tutti i sistemi di pilotaggio illustrati nelle figure si riferiscono al caso del pilotaggio di un cosiddetto “Voice Coil Motor" (VCM) largamente impiegato in drives per hard disk, floppy disk, ecc., essendo inteso che l’invenzione non deve intendersi limitata esclusivamente a questa L’amplificatore di rilevazione della corrente SENSE AMPLIFIER riceve in ingresso la tensione presente ai capi della resistenza di rilevazione della corrente R_SENSE e la trasla alla tensione di riferimento DACO con un guadagno che può essere unitario.
L’amplificatore (operazionale) di errore ERROR AMPUFIER confronta la tensione di riferimento fissata tramite DACO con la tensione nel nodo somma SUMIN. Tale nodo somma è quello in cui si devono equilibrare le correnti VDAC1/Rin1 e VCMSNS/Rf.
La corrente differenza viene convertita in tensione dal filtro posto ai capi dell’ERROR AMPUFIER.
Con riferimento allo schema funzionale della figura 5, relativo ad una prima forma di realizzazione dell’invenzione, il segnale errore prodotto dall’amplificatore operazionale di errore ERROR AMPUFIER è commutato dal blocco S1 o sull’ingresso del circuito convertitore PWM (PWM CONVERTER), il segnale diretto ed il suo negato prodotti dal quale sono impiegati rispettivamente per pilotare i due circuiti a semiponte dello stadio di potenza a ponte intero, costituito dai quattro transistori DMOS: Md1 , Md2, Md3, Md4, impiegando un inverter per pilotare il dispositivo di "pull-down" (Md2 e Md4) di ciascun semiponte.
Quando il sistema comanda il passaggio da una modalità di funzionamento PWM ad una modalità di funzionamento lineare, il commutatore S1 commuta il segnale di errore rispettivamente sull’ingresso non invertente e sull’ingresso invertente della coppia di amplificatori operazionali: POWER OPAMPS PLUS e POWER OPAMP MINUS, i quali pilotano rispettivamente i due semiponti che costituiscono il secondo stadio di potenza ausiliario a ponte intero e formati rispettivamente dalle coppie complementari: Mp1-Mn1 e Mp2-Mn2 di transistori MOS.
Impiegando per realizzare il secondo stadio di potenza a ponte intero transistori di potenza relativamente piccola e quindi con capacità parassite proporzionalmente minori delle capacità parassite dei transistori di potenza LDMOS che compongono il primo stadio di potenza a ponte intero, è possibile mantenere un elevato prodotto GBWP degli amplificatori operazionali di pilotaggio e quindi di fissare il polo dominante in un valore di capacità di compensazione Ce deiramplificatore di errore relativamente piccola, mantenendo un margine di fase di circa 60°.
In pratica un tipico esempio di pilotaggio di un motore VCM per un drive di disco rigido, con il sistema della figura 5 è possibile mantenere (durante il funzionamento lineare del sistema) un GBWP di 20khz.
Secondo un’alternativa forma di realizzazione deN’invenzione illustrata schematicamente in figura 6, l’attuatore ovvero il motore VCM è anch’esso “duplicato”. Un primo motore VCM, di potenza adeguata, (VCM2) è pilotato in modo PWM attraverso il primo stadio di potenza a ponte intero costituito dai transistori DMOS (Md1, Md2, Md3 e Md4), mentre un “microattuatore" o micro-VCM, (VCM1) di potenza frazionaria rispetto a quella del VCM principale, è pilotato in modo lineare attraverso il secondo stadio ausiliario di potenza a ponte intero costituito dalle due coppie complementari di transistori MOS: Mp1-Mn1 e Mp2-Mn2.
In questo caso ciascun VCM ha collegata in serie una propria resistenza di rilevazione della corrente: R_SENSE1 e R_SENSE2, ed il segnale presente sull'una o sull'altra delle due resistenze è funzionalmente commutato agli ingressi del l'amplificatore di rilevazione della corrente SENSE AMPLIFIER, tramite lo stesso comando di commutazione di modalità di funzionamento, proveniente dal blocco S1.

Claims (3)

  1. RIVENDICAZIONI 1. Sistema di pilotaggio in modalità mista, a modulazione di larghezza d’impulso (PWM) e in modalità lineare, di un attuatore R-L in funzione delle condizioni di funzionamento dell’attuatore, attraverso almeno uno stadio di potenza a ponte intero impiegante quattro dispositivi di commutazione di potenza pilotati in controfase per coppie, e comprendente una resistenza ed un relativo amplificatore di rilevazione della corrente attraverso detto attuatore L-R, un primo amplificatore operazionale di errore, un convertitore del segnale errore prodotto da detto amplificatore di errore in un segnale PWM, ed una coppia di amplificatori operazionali di pilotaggio, rispettivamente dei due dispositivi di potenza di un primo semiponte e dei due dispositivi di potenza dell'altro semìponte costituenti detto stadio di ponte intero, in controfase, e mezzi atti a commutare le modalità do funzionamento, caratterizzato dal fatto che detti quattro dispositivi componenti i due rispettivi semiponti di detto stadio a ponte intero hanno caratteristiche di bassa resistenza interna e di alta capacità di corrente e sono pilotati direttamente da detto segnale PWM prodotto da detto comparatore e dal suo negato durante una fase di funzionamento PWM e dal fatto che comprende inoltre: un secondo stadio a ponte intero impiegante quattro dispositivi di commutazione con caratteristiche elettriche diverse da quelle dei quattro dispositivi di commutazione di potenza di detto primo ponte intero pilotati mediante detta coppia di amplificatori operazionali durante una fase di funzionamento lineare; detti due ponti interi di pilotaggio condividendo la stessa resistenza di rilevazione della corrente.
  2. 2. Il sistema secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto primo ponte intero pilotato direttamente dal segnale PWM e dal suo negato è composto da quattro transistori di potenza DMOS a canale N e detto secondo ponte intero è composto da due coppie complementari di transistori MOS in configurazione a sorgente comune.
  3. 3. Il sistema secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che detto primo ponte intero pilota un primo attuatore R-L mentre detto secondo ponte intero pilota un secondo attuatore L-R di potenza frazionaria rispetto a detto primo attuatore.
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