用於主軸電動機的主動制動器的製作方法

2023-05-28 23:47:16 1

專利名稱：用於主軸電動機的主動制動器的製作方法
用於主軸電動機的主動制動器背景技術可攜式磁碟驅動器設備都存在一個共同問題它們經常跌落、碰撞或搖晃。 如果在這些事件發生期間驅動器正在工作，由此引起的撞擊可使硬碟驅動器磁頭撞 擊存儲介質，從而擦除數據並可能損壞記錄磁頭。另外，使設備內的存儲介質旋轉 的主軸電動機也會在工作期間受到撞擊或震動的破壞。電動機的損壞可導致數據磁 道的較差跟蹤，並可能導致電動機卡住、或者介質上潤滑液的洩漏。發明內容本文所描述並要求權利的實現通過提供反向扭矩、前向換向式電動機驅動器 來解決上述問題。驅動器通過在前向狀態機的各個正常換向狀態中依次激勵互補激 勵信號來快速減速或"制動"電動機，由此提供主動制動效果。在主動制動將電動 機的旋轉速度降至低於閾值時，動態制動技術可替代主動制動，其中電動機驅動器 的高壓側驅動器被設定成與該電動機驅動器的低壓側驅動器相反的電壓。提供本發明內容來引入簡化形式概念的選擇，這些概念將在以下詳細描述中 進行進一步描述。本說明並非旨在標識要求權利的主題的關鍵特徵或基本特徵，也 並非旨在用於限定所要求權利的主題的範圍。


圖1示出了用於相控電動機的示例性控制電路。圖2示出了在相控電動機旋轉期間的正常操作和制動操作中激勵信號的示例 性相位圖。圖3示出了用於控制相控電動機的旋轉的示例性操作。圖4示出了根據所述技術的至少一部分的磁碟驅動器的俯視圖。圖5示出了結合所述技術的各種實現之一的磁碟驅動器的主要功能元件。
具體實施方式
磁碟驅動器是用來存儲數字數據的數據存儲設備。典型的磁碟驅動器包括軸
向對齊並安裝到主軸電動機以供在高旋轉速度下旋轉的許多可旋轉記錄磁碟。相應 的讀/寫磁頭陣列訪問限定於各個磁碟表面上的磁軌以將數據寫入磁碟或從中讀出 數據。磁碟驅動器主軸電動機通常設置有三相直流(DC)無刷電動機配置。相繞組被 設置成圍繞多個徑向分布式電極上的固定定子。可旋轉主軸電動機設置有緊靠電極 沿圓周延伸的多個永磁體。將電流施加到繞組感生與磁體磁場相互作用的電磁場， 以便將扭矩施加到主軸電動機輪轂並導致磁碟旋轉。然而，應當理解，雖然本詳 細說明書使用磁碟驅動器和主軸電動機作為示例實現，但是也可考慮使用所述 技術的其它相控電動機。本主軸電動機設計使用電子換向和反向電磁力(BEMF)檢測電路來提供閉 環主軸電動機控制。這種方法通常需要在電動機的每次電旋轉(周期)期間將 預定的換向狀態序列施加到主軸電動機的相繞組。換向狀態涉及向電動機提供 流入一相繞組的電流、從另一相繞組接收電流、以及使第三相繞組保持高阻抗。檢測電路測量在未通電相上產生的BEMF電壓、將此BEMF電壓與電動機 繞組的中心抽頭上的電壓作比較、並且在旋轉期間在相繞組的BEMF電壓的過 零區間輸出信號；即，當BEMF電壓相對於中心抽頭的電壓改變極性時。然後， 此過零點被用作下一換向狀態的定時基準或同步信號，以及用作指示電動機的 位置和相對旋轉速度的基準。圖1示出了相控電動機102的示例性控制電路100。在圖1中，相控電動 機102表示驅動磁碟驅動設備主軸的三相無刷DC電動機，儘管也可考慮其它 相控電動機和其它設備。相控電動機102的抽頭104、 106和108被連接到換 向邏輯電路110的驅動器對。各個驅動器對具有向一繞組提供電流的高壓側驅 動器112和從繞組接收電流的低壓側驅動器114。例如，換向邏輯電路110的 高壓側驅動器可向相控電動機102的第一相繞組提供電流，而換向邏輯電路110 的低壓側可經相控電動機102的第二相繞組接收電流。對於第三相繞組，驅動 器對是三態的(例如使用三態緩衝器116)，以便提供高阻抗。在示例性控制 電路100中，各個驅動器包括取決於換向狀態提供電流、接收電流或保持在高 阻抗的場效應電晶體(FET)。應當理解，通過整個換向狀態序列的每個周期包括相控電動機102的一次 電旋轉。相控電動機輪轂的物理機械旋轉中電旋轉的數量根據電極的數量來決 定。對於三相12極電動機，相控電動機的各次機械旋轉將具有六次電旋轉。
換向邏輯電路110包括三個級，每個級與相繞組之一有關。為了本說明書起見，相繞組被指定為A、 B和C。這樣，換向邏輯電路110具有級A、級B 和級C，各個級負責驅動電流通過相控電動機中的相應繞組。在各個換向狀態 中，流過兩個繞組的結果電流感生與安裝到相控電動機的轉子(例如主軸電動 機輪轂)的相應永磁體陣列(未示出)相互作用的電磁場，從而在主軸電動機 輪轂上感生期望旋轉方向上的扭矩。基本激勵信號的分量從狀態機U8輸入到各個級。生成基本激勵信號來控 制相控電動機102的旋轉，如參照圖2所述。例如，當啟用級A中的高壓側驅 動器並禁用級A中的低壓側驅動器時，生成向相控電動機102的相A繞組提供 電流的基本激勵信號分量A。在所示實現中，可根據主動制動信號120上的低 電壓與從狀態機118到級A的輸入上的高電壓、或者主動制動信號120上的高 電壓與從狀態機118到級A的輸入上的低電壓產生這個結果。相反，當啟用級 A中的高壓側並禁用級A中的低壓側時，生成從相A繞組接收電流的激勵信號 分量"A非"或"Z"。在所示實現中，可根據主動制動信號120上的低電壓 與從狀態機118到級A的輸入上的低電壓、或者主動制動信號120上的高電壓 與從狀態機118到級A的輸入上的高電壓產生這個結果。在三相電動機中，如果一個相很低而另一個相很高，則使用三態緩衝器116 將第三相保持在高阻抗(即三態)。在一個實現中，三態緩衝器116也通過狀 態機118來控制。當處於三態時，驅動器有效地用作"開"路，從而不相對於 相控電動機提供或接收電流。換向邏輯電路110通過經由ISOFET開關122耦合到電壓VCC的電壓VM 來供電。在正常操作期間，主動制動信號120被禁用(例如低電壓)，並且來 自狀態機118的基本激勵信號被輸入到對應級，以便將基本激勵信號序列施加 到相控電動機102的各個相。例如，在一個實現中，從換向邏輯電路110發送 到相控電動機102的基本激勵信號按一順序旋轉相控電動機(以下各對中未示 出的相信號是三態的)爿5,爿C， SC， ^Z, C互，... (1)主動制動可通過對序列的各個換向狀態中的各個基本激勵信號補碼來實 現。使用圖l中所示電路，可通過保持相同的狀態機輸出序列但使該主動制動 信號120能獲得以下互補激勵信號的序列(對應於正常操作的相同換向狀態序列)來實現主動制動57, CZ, C互，爿5,爿C， 5C,… (2)序列(2)中所列激勵信號與序列(1)所列信號互補。在一個實現中，基本激勵 信號通過與高態主動制動信號一起輸入到XOR (異或)邏輯電路(例如XOR 門124)來進行補碼，該電路的輸出被耦合到驅動器。然而，應當理解，也可 考慮用於對基本激勵信號補碼的其它配置。因此，在各個換向狀態，正常操作 的基本激勵信號的互補激勵信號被施加到相控電動機102，由此主動地使相控 電動機102的旋轉減速或使其制動。應當理解，可使用其它邏輯配置來生成互補激勵信號，並且可在所述技術 中考慮這種替代方案。例如，狀態機可直接生成互補激勵信號、狀態機或換向 邏輯能夠將基本激勵信號的相位提前預定數量的相(例如三相電動機的三個 相)，以生成互補激勵信號等。圖2示出了用於在相控電動機旋轉期間正常操作和制動操作中激勵信號的 示例性相位圖200和202。各個示圖的Y軸204表示電壓電平，而各個示圖的 X軸206表示時間。X軸在208上被進一步劃分成連續並重複編號的各個換向 狀態。示圖中的各條曲線表示激勵信號隨時間變化的電壓曲線。以下各個示圖 中列出與給定換向狀態相對應的激勵信號一不是基本激勵信號就是互補激勵 信號一的值(例如，^Z)。對於正常操作，以下示圖200列出了與序列(1)相匹配的示例基本激勵信號 序列。應當理解，可考慮其它序列。在制動操作時，對應換向狀態中列出各個 基本激勵信號的互補激勵信號。當相控電動機在旋轉時，將這些互補激勵信號 順序地施加到相控電動機導致相控電動機減速。圖3示出了用於控制相控電動機的旋轉的示例性操作300。在圖3中，描 述涉及諸如硬碟驅動器或光碟驅動器的存儲設備的主軸電動機，儘管操作也可 應用到不同類型的相控電動機。正常操作302以正常運行速度(例如 15,000RPM)使主軸電動機運行。啟動操作304檢測觸發相控電動機的主動制動的事件。例如，自由降落檢 測器可確定系統正在墜落，並因此啟動各種保護性步驟，包括斷言主動制動信 號。或者，震動傳感器或另一災難性事件傳感器可檢測到需要停止主軸電動機， 並因此向控制電路發送信號以制動主軸電動機。同步操作306不是通過檢測過零區間就是通過一些其它同步檢測動作來檢 測電動機是否已達換向狀態結束處。如果未到達，則同步操作306繼續循環，
直到檢測到換向狀態結束。在換向狀態結束時，前進操作308使狀態機在換向序列中向前前進一個換 向狀態。反向扭矩操作310將與當前換向狀態的正常激勵信號相關的互補激勵 信號施加到相控電動機，由此降低電動機的旋轉速度。例如，如果用於當前換 向狀態的正常激勵信號是^互，則互補激勵信號SZ被施加到電動機。判定操作312確定相控電動機的旋轉速度是否已降至預定閾值。如果沒有， 則處理返回到等待當前換向狀態結束的同步操作306。然而，如果旋轉速度已 降至預定閾值，則終止操作314禁用主動制動信號，而且動態制動操作316啟 用所有低壓側驅動器並禁用所有高壓側驅動器以完成電動機的制動。這樣，在 相控電動機的旋轉速度達到零之後，該電動機不會開始反方向旋轉。應當理解， 可以其它配置執行動態制動，諸如通過禁用所有低壓側驅動器並啟用所有高壓 側驅動器。將參照磁碟驅動器來描述本發明的實施例。本領域技術人員應當認識到， 本發明也可被應用到諸如光碟驅動器、磁光碟驅動器或壓縮盤驅動器的任意數 據存儲設備，即能夠以兩種或多種功率電平工作。此外，本領域技術人員將理 解本發明的實施例可等同地應用到能夠在一種以上功率電平下工作的任意類 型的電氣或電子設備。例如，可實現本發明各實施例的設備包括但不限於筆 記本計算機、諸如個人數字助理(PDA)的手持式設備、蜂窩電話、諸如複印機 和傳真機的辦公室設備等。圖4示出了根據所述技術的至少一部分的磁碟驅動器的俯視圖。磁碟驅動器 100包括其上安裝有磁碟驅動器400的各個元件的底座402。部分地切開示出的頂 蓋404與底座402 —起形成用於常規方式的磁碟驅動器的內部密封環境。這些元件 包括以恆定高速旋轉一個或多個磁碟408的主軸電動機406。信息通過使用致動器 組件410寫入磁碟408上的磁軌或從中讀出，該致動器在尋道操作期間圍繞靠近磁 盤408定位的支承軸組件412旋轉。致動器組件410包括向磁碟408延伸的多個致 動器臂414，且一個或多個彎曲416從各個致動器臂414中延伸出來。安裝在各個 彎曲416的遠端的是磁頭418，該磁頭包括使磁頭418能緊貼在相關聯磁碟408的 相應表面上懸浮的空氣軸承滑橇。在尋道操作期間，磁頭418的磁軌位置通過使用音圈電動機(VCM)424來控制， 該電動機通常包括附連到致動器組件410的線圈426，以及建立其中浸有該線圈426 的磁場的一個或多個永磁體428。將電流可控地施加到線圈426在永久磁鐵428與
線圈426之間導致磁性相互作用，從而線圈426按照眾所周知的洛倫茲關係式移動。 當線圈426移動時，致動器組件410圍繞支承軸組件412旋轉，並且使磁頭418 在磁碟408的表面上移動。當磁碟驅動器400持續一段時間未使用時，主軸電動機406通常被切斷電源。 當驅動器電動機被切斷電源時，磁頭418從磁碟408包含數據的部分移開。通過使 用在驅動器磁碟408未旋轉時防止致動器組件410的無意旋轉的致動器閂鎖裝置/ 或夾，將磁頭418固定在磁碟的不包含數據的部分之上。柔性組件430向致動器組件410提供必要的電氣連接路徑，同時允許致動器 組件410在工作期間繞樞軸移動。柔性組件430包括印刷電路板434，該電路板連 接有與致動器組件410相連接並通向磁頭418的柔性電纜432。柔性電纜432可沿 著致動器臂414和彎曲416通到磁頭418。印刷電路板434通常包括用於在寫入操 作期間控制施加到磁頭418的寫入電流的電路，以及用於在讀出操作期間放大由磁 頭418生成的讀出信號的前置放大器。柔性組件430端接在柔性支架436上，以便 通過底板402連接到安裝於磁碟驅動器400底側的磁碟驅動器印刷電路板(未示 出)。在一示例性實現中，磁碟驅動器400中的主軸電動機控制電路包括主動制動 觸發器、狀態機和對主軸電動機施加主動制動直到該主軸電動機的旋轉速度降至閾 值的換向邏輯電路。此時，換向邏輯電路施加動態制動直到主軸電動機停止旋轉。圖5示出了結合所述技術的各種實現之一的磁碟驅動器的主要功能元件，並 且一般地示出駐留在磁碟驅動器印刷電路板上並被用於控制該磁碟驅動器的操作 的主要功能電路。磁碟驅動器以常規方式可操作地連接到主計算機540。控制信道 被設置在主計算機540與磁碟驅動器微處理器542之間，該微處理器542通常結合 存儲在微處理器存儲器(MEM)543中用於微處理器542的程序設計向磁碟驅動器提 供最高級別的通信和控制。MEM 543可包括隨機存取存儲器(RAM)、只讀存儲器 (ROM)和微處理器542的駐留存儲器的其它源。磁碟通過主軸電動機控制電路548以恆定高速旋轉，該控制電路548通常通 過使用反電動勢(BEMF)感測對主軸電動機進行電氣換向。在其中致動器510在磁 道之間移動磁頭518的尋道操作期間，磁頭518的位置通過對音圈電動機的線圈 526施加電流來控制。伺服控制電路550提供這種控制。在尋道操作期間，微處理 器542接收與磁頭518的速度相關的信息，並結合存儲在存儲器543中的速度分布 圖使用此信息來與伺服控制電路550進行通信，該電路550將可控電流量施加到音
圈電動機線圈526，由此使致動器組件510繞樞軸旋轉。數據經由接口 544在主計算機540或其它設備與磁碟驅動器之間傳送，該接 口 544通常包括便於主計算機540或其它設備與磁碟驅動器之間的高速數據傳送的 緩衝器。因此，要寫入磁碟驅動器的數據從主計算機540傳遞到接口 544,然後傳 遞到解碼及串行化數據、並且向磁頭518提供必要寫入電流信號的讀/寫通道546。 為了取回先前存儲在數據存儲設備中的數據，由磁頭518生成讀出信號並將其提供 給讀/寫通道546，該通道執行解碼和誤差檢測以及校正操作，並將取回的數據輸出 到接口 544以便於隨後將該數據傳送到主計算機540或其它設備。在一示例性實現中，磁碟驅動器中的主軸控制裝置548包括狀態機和對主軸 電動機施加主動制動直到主軸電動機的旋轉速度減至閾值的換向邏輯電路。此時， 換向邏輯電路施加動態制動直到主軸電動機停止旋轉。本文所述技術被實現為一個或多個系統中的邏輯操作和/或模塊。邏輯操作可 被實現為在一個或多個系統中執行的一系列處理器執行的步驟，並可被實現為一個 或多個計算機系統內的互連機器或電路模塊。類似地，根據由模塊執行或實現的操 作，可提供各種組成模塊的描述。取決於實現所述技術的基礎系統，結果的實現是 選擇的一個問題。因此，構成本文所述技術的各個實施例的邏輯操作不同地可指操作、步驟、對象或模塊。此外，應當理解，可以任意次序執行邏輯操作，除非另有 明確聲明，或者權利要求用語固有地使特定次序成為必需。上述說明書、示例和數據提供了本發明示例實施例的結構以及用途的完整描 述。儘管以上已經以特定具體程度或者參照一個或多個單獨實施例描述了本發明的 各個實施例，但是本領域技術人員可對公開實施例進行許多改變而不背離本發明的 精神或範圍。具體地，應當理解，可獨立於個人計算機使用所述技術。因此，可考 慮其它實施例。期望包含在上述描述並在附圖中示出的所有內容應當僅被解釋為特 定實施例而非作為限制。可對細節或結構做出改變而不背離以下權利要求中定義的 本發明的基本要素。儘管以結構特徵和/或方法論領域中的專用術語描述了主題，但是應當理解， 所附權利要求中定義的主題並非必須限於上述具體特徵或領域。相反，上述具體特 徵和領域作為實現所要求權利主題的示例形式而公開。
權利要求
1.一種被配置成在換向狀態序列中對各個基本激勵信號生成互補激勵信號的電動機控制電路。
2. 如權利要求l所述的電動機控制電路，其特徵在於，還包括 接收主動制動信號和基本激勵信號的基本激勵信號分量作為輸入的至少一個邏輯電路，當施加主動制動信號時所述至少一個邏輯電路向電動機輸出所述基本激 勵信號分量的互補激勵信號分量。
3. —種裝置，包括被耦合成接收一基本激勵信號序列的換向邏輯電路，每個基本激勵信號與一 個換向狀態相對應，其中所述換向邏輯電路在各個換向狀態將所述基本激勵信號的 互補激勵信號施加到相控電動機。
4. 如權利要求3所述的裝置，其特徵在於，在不存在主動制動信號時，所述 換向邏輯電路施加與各個換向狀態相對應的所述基本激勵信號，以便旋轉所述相控 電動機。
5. 如權利要求3所述的裝置，其特徵在於，在不存在所述主動制動信號時，所述換向邏輯電路施加與各個換向狀態相對應的所述基本激勵信號的互補激勵信 號，以便使所述相控電動機的旋轉減速。
6. 如權利要求3所述的裝置，其特徵在於，用於至少一個換向狀態的所述基 本激勵信號包括至少兩個異相激勵信號分量A和B，並且基本激勵信號」互的所述互補激勵信號是萬:？。
7. 如權利要求3所述的裝置，其特徵在於，相控電動機具有三個相，並且第 一基本激勵信號的所述互補激勵信號與所述基本激勵信號序列中三個換向狀態之 後的第二基本激勵信號相同。
8. 如權利要求3所述的裝置，其特徵在於，如果所述相控電動機的所述旋轉 速度已降至低於閾值旋轉速度，則在施加了至少一個互補激勵信號之後，所述換向 邏輯電路將動態制動信號施加到所述相控電動機。
9. 如權利要求8所述的裝置，其特徵在於，還包括有助於驅動所述相控電動機的所述旋轉的一組低壓側驅動器；有助於驅動所述相控電動機的所述旋轉的一組高壓側驅動器，其中所述動態 制動信號啟用所述低壓側驅動器，並禁用所述高壓側驅動器。
10. 如權利要求8所述的裝置，其特徵在於，還包括 有助於驅動所述相控電動機的所述旋轉的一組低壓側驅動器； 有助於驅動所述相控電動機的所述旋轉的一組高壓側驅動器，其中所述動態制動信號啟用所述低壓側驅動器，並禁用所述高壓側驅動器。
11. 如權利要求3所述的裝置，其特徵在於，還包括 響應於主動制動信號的接收檢測同步信號的同步模塊；在檢測到所述同步信號之後前進到所述序列中的下一換向狀態的狀態機， 其中所述換向邏輯電路將與所述下一換向狀態相對應的所述基本激勵信號的 所述互補激勵信號施加到所述相控電動機。
12. 如權利要求3所述的裝置，其特徵在於，還包括接收主動制動信號和所述基本激勵信號的基本激勵信號分量作為輸入的XOR 門，當施加所述主動制動信號時所述XOR門將所述基本激勵信號分量的互補激勵信號輸分量出到所述相控電動機。
13. —種方法，包括接收一基本激勵信號序列，每個基本激勵信號與一個換向狀態相對應； 在各個換向狀態將所述基本激勵信號的互補激勵信號施加到相控電動機。
14. 如權利要求13所述的方法，其特徵在於，用於至少一個換向狀態的所述 基本激勵信號包括至少兩個異相激勵信號分量A和B，並且基本激勵信號^亙的所 述互補激勵信號是5Z。
15. 如權利要求13所述的方法，其特徵在於，相控電動機具有三個相，並且 第一基本激勵信號的所述求反激勵信號與所述基本激勵信號序列中三個換向狀態 之後的第二基本激勵信號相同。
16. 如權利要求13所述的方法，其特徵在於，還包括如果所述相控電動機的所述旋轉速度已降至低於閾值旋轉速度，則在施加了 至少一個互補激勵信號之後，將動態制動信號施加到所述相控電動機。
17. 如權利要求16所述的方法，其特徵在於，所述相控電動機的所述旋轉通 過一組低壓側驅動器和一組高壓側驅動器來控制，並且所述施加動態制動信號的操作包括啟用所述低壓側驅動器；以及 禁用所述高壓側驅動器。
18. 如權利要求16所述的方法，其特徵在於，所述相控電動機的所述旋轉通 過一組低壓側驅動器和一組高壓側驅動器來控制，並且所述施加動態制動信號的操 作包括禁用所述低壓側驅動器；以及 啟用所述高壓側驅動器。
19. 如權利要求13所述的方法，其特徵在於，還包括 響應于于主動制動信號的接收檢測同步信號；響應於檢測到所述同步信號前進到所述序列中的下一換向狀態，其中施加所 述互補激勵信號的所述操作將與所述下一換向狀態相對應的所述基本激勵信號的 所述互補激勵信號施加到所述相控電動機。
20. 如權利要求B所述的方法，其特徵在於，還包括將所述主動制動信號和基本激勵信號分量輸入到XOR門，當施加所述主動制 動信號時所述XOR門輸出所述基本激勵信號分量的互補激勵信號分量。
全文摘要
本發明涉及用於主軸電動機的主動制動器，尤其是一種用於相控電動機的反向扭矩、前向換向式電動機驅動器系統通過在前向狀態機的各個正常換向狀態中依次激勵互補激勵信號來快速減速或「制動」電動機，由此提供主動制動效果。在主動制動將電動機的旋轉速度降至低於閾值時，動態制動技術可替代主動制動，其中高壓側驅動器被設定成與低壓側驅動器相反的電壓。
文檔編號G11B19/20GK101132160SQ20071014078
公開日2008年2月27日 申請日期2007年8月21日 優先權日2006年8月22日
發明者D·J·卡斯特勒, J·昂, J·舒, K·T·賽, K·奧, L·R·海汀, T·M·J·龐 申請人:希捷科技有限公司