感应电流开关系统与开关方法

专利名称：感应电流开关系统与开关方法
技术领域：
本发明涉及电感器用的电流开关，更具体地说，涉及电感器用的快速电流开关。
在电感负载中，电流的快速换向乃是限制多种电力与机电系统性能的一个复杂工程问题。这样一类系统包括无刷直流(DC)电动机、步进电动机、声圈电动机以及磁头。
无刷DC电动机与步进电动机是据电磁铁与永磁铁间反复产生力的原理而运转的。典型的情形是，有一组磁铁随机械负载运动，而另一组磁铁则保持静止。这里的电磁铁组是在一个极性上起动，得以产生对下游永磁铁的引力。随着上述运动使两组磁铁会合时，电磁铁中的电流便会由于绕组电流的换向而突然换向。此时，电磁铁将吸引下一块下游的永磁铁，产生同一方向中的运动。可以重复地继续电流的换向，直到获得所希望的运动结果。从电学观点考虑，这类电机的绕组表示着驱动它的电路的电感负载。
kaszman的美国专利4584506号(1986，4，22)，Bergstrom等人的美国专利4710691号(1987，12.1)以及Nebgen于《IBM Technilol Disclosure Bullefin》，24卷，1A期(1981，6)中所公开的技术，都阐述了先有技术中电动机用的电感器驱动电路。
磁头的绕组在记录数据晨也表示驱动电路的电感负载。传统上，这样的电感特征在局限于典型的电源电压下，会使电流的上升时间受到限制。由这一磁头产生的磁场正比于磁头绕组中的电流，而磁头的电感则限制着整个记录系统的数据速率。
磁头中的电感问题在磁盘机工业中的各个环节上都是显而易见的。小型的磁盘机通常采用铁氧体磁头，后者具有很高的电感(几个微亨)，从而将数据速率限制到约1.25兆比/秒。解决的方法之一是采用具有较低电感的薄膜磁头，但是价格就要高的多。
业已周知，在此种技术中通过提高电源电压能实现较快速的开关。高压电源是很费钱和不可靠的，而且是不能用于大多数覆罩着磁盘机的计算机机壳之内的。此外，在由电源到地面的很大的电压降之中，会消耗较大的功率。对于小型的，电池供电的便携式磁盘机来说，是无法实现这样特大之功率的。
通过计算时间常数(电感/电阻)可以证明磁头的电感会对数据速率起限制作用。例如，典型的铁氧体磁头具有2.5微亨(UH)的电感，为了达到记录场强则需要有50毫安(mA)的电流。要是电源电压在磁盘机的电压下降后为3伏，则接地电阻为60欧(ohm)，致上升时间(L/R)等于40毫微秒(ns)。此上升时间在频率为3兆赫(MHz)下对于仅仅是1.25兆比/秒的数据速率是足够了。
Baileg等人在《IBM Technilal Disclosare Bulletiu》，23卷，11期(1981，4)中，给出了先有技术中磁头用的一种典型的电感器驱动电路。
为了改进电动机与磁头之类电力装置的性能，需要一种能实现较高电流开关速率的电感器驱动电路。
根据本发明，使一电容为C的电容器与一电感为L的电感器并联。在此电感器上连接着一第一与第二开关。第一开关连接一第一电流源，按一第一方向给此电感器提供电流。第二开关连接一第二电流源，按一第二方向为此电感器供应电流。在这两个第一与第二开关上连接有一开关控制器，用来控制它们的定时开闭。此种开关控制器使上述第一与第二开关依次交替地断开与闭合，并在其中一个开关断开的时刻与另一个开关闭合的时刻之间，等待π(LC)1/2秒一段时间。结果是，本发明利用了此电感器与电容器之间的谐振，得以使电感器中的电流方向快速换向。
为便于较全面地理解本发明的本质与优点，应参看下面联系附图所作的详细说明。在附图中，

图1是说明本发明工作原理的电路图;
图2是一定时曲线图，说明本发明中前述两开关与电感器中之电压和电流的关系;
图3是本发明一实施例的电路图;
图4为本发明另一实施例的电路图;
图5为本发明用于一步进电动机中时的电路图;
图6A是先有技术中一电动机的电流一时间曲线图;
图6B是先有技术中一电动机的电压一时间曲线图;
图7A是本发明中一电动机的电流一时间曲线图;
图7B是本发明中一电动机的电压一时间曲线图;
图8A是本发明中一电动机的电流一时间曲线图;
图8B是本发明中一电动机的电压一时间曲线图;
图9是本发明用于一记录系统中的时的电路图;
图10A是先有技术中一磁头的电流一时间曲线图;
图10B是先有技术中一磁头的电压一时间曲线图;
图11A是本发明中一磁头的电流一时间曲线图;
图11B是本发明中一磁头的电压一时间曲线图;
图12A是本发明中一磁头的电流一时间曲线图;
图12B是本发明中一磁头的电压一时间曲线图;而图13是本发明另一实施例的电路图。
下面描述本发明的最佳实施例。
图1示明了本发明的一种广义电路，用一个总的参考号数10标明。此电路10包括一电感为L的电感器12，后者与一电容为C的电容器14并联。电流源20经开关22与电感器12连接。此电流源20于一第一方向中给电感器12提供电流。电流源24经开关26与电感器12连接。此电流源24于一第二方向中供给电感器12电流。
图2是表明电路10定时关系的曲线图。线50表示开关22相对于时间的位置。线52表示开关26相对于时间的位置。线60表示电感器12两端的电压与时间的关系。线62表示通过电感器12中的电流与时间的关系。
现在可以说明电路10的工作原理。本发明利用电感器12与电容器14之间的谐振来实现电感器12中的电流快速换向。开关22与26的断开与闭合在时间上与电感器12和电容器14间的谐振周期之半重合。设T为相应磁场间的转移时间，即能量从电感器12流至电容器14再返回电感器12的时间。于是T＝π(LC)1/2。此两开关中之一断开与另一闭合之间的时间(t2-t3与t4-t5)设定为近似地等于T。
图3为本发明的一种最佳电路的示意图，由一总的参考号数100标明。电感为L的电感器102与电容为C的电容器104并联。电压源110经一P沟道场效应晶体管112与一二极管114连立电感器102的第一侧。在电压源110与电感器102的第二侧之间连接有一P沟道场效应晶体管116和一二极管118。在电感器102的第一侧上连接一N沟道场效应晶体管122。在此晶体管122与地面之间连接着一电阻器124，而在此电阻器124与电感器102的第二侧之间则连接着N沟道场效应晶体管126。晶体管112、116、122与126则最好是金属氧化物半导体场效应晶体管。
下面介绍电路100的作业。首先，于时刻t1，在节点140处将一正X信号施加到晶体管112与122的栅上，同时在节点142处将一零X信号施加到晶体管116与126的栅上。驱动了晶体管112与126而未驱动晶体管116与122。电流经晶体管112、二极管114、电感器102、晶体管126与电阻器124流至地中。此电流从左至右流经电感器102。
于时刻t2，逆转上述两个信号。现在把正X信号加到晶体管116与126上，而把零X信号加到晶体管112与122上。驱动了晶体管116与126而未驱动晶体管112与122。但是，二极管118将阻塞从晶体管116流出的电流。此二极管的电性质是，当它上面的电压为负时将阻塞电流流动。在时刻t2与t3之间(见图2)，二极管118将经压一负电压，不允许直电流流入电感器102。电感器102与电容器104是隔离的，并将发生谐振。电能从电感器102传输到电容器104然后返回，按反向驱动电感器102。完成这一作业的时间是上述谐振的周期或者T＝(LC)1/2之半。于时刻t3，电感器102两端的电压再次为零。二极管118将不再经历一负电压，此时将允许电流从晶体管116流出，经电感器104，从右到左，流过晶体管122与电阻器124至地。此流经电感器102的电流业已换向。
要是希望再次改变电流方向，可在时刻t4，将正Z信号再次加到晶体管112与122上，同时把零Z信号加到晶体管116与126上。晶体管112与126被驱动，而晶体管116与122则未被驱动。二极管114此时经受一负电压并将在时刻t4与t5之间阻塞电流。电感器102与电容器104交再此隔离，并将以一段时间T＝π(LC)1/2谐振。于时刻t5，二极管114经历了零电压，此时将使电流从晶体管112流出，经电感器102，从左至右，通过晶体管126与电阻器124至地。
将电路100与广义电路10作一比较是有益的。晶体管112与126等价于开关22。晶体管116与122则等价于开关26。二极管114与118有效地为这两个开关提供定时控制。这样就不要复杂的定时电路了，结果获得一种元件个数最少并能在电感器中实现快速电流换向的紧致电路。
图4示明本发明的另一种电路，标以总的参考号数200。将一电感为L的电感器202与一电容为C的电容器204并联。此电感器204的第一端连至一电压源210，此电压源的电压为VS/2。电压源220则经一电阻器221、P沟场效应晶体管222与二极管224连主电感器202的第二侧。在二极管230与地之间连接一N沟场效应晶体管232。晶体管222与232最好是金属氧化物半导体场效应晶体管。
电路200的工作与电路100类似。于时刻t1，将一正信号Z加到晶体管222与232的栅上。驱动了晶体管222而未驱动晶体管232。电流从电压源220流出，经电阻器221、晶体管222、二极管224，通过电感器202，从左至右，到电压源210。在时刻t2，将零信号加到晶体管222与232上。晶体管232被驱动，而晶体管222外未被驱动。二极管230在时刻t2与t3之间阻止着电流流动，同时电感器202与电容器204遇谐振π(LC)1/2秒。于时刻t3，电流从源210流出，经电感器202从右向左，通过二极管230、晶体管232至地。于时刻t4，再次将正信号Z加到晶体管222与232上。晶体管222被驱动励，而晶体管232未被驱动。二极管224在时刻t4与t5之间阻止电流流动，而电感器202与电容器204谐振π(LC)1/2秒。于时刻t5，电流从晶体管222流经二极管224，经电感器202，从左向右，到电压源210。
下面的分析表明采用本发明优于先有技术之处。相关的物理量定义为下L＝绕组电感，R＝总的串联电阻，I＝绕组中的电流，RT＝电流的上升时间，Vs＝电源电压C＝谐振电容Vi＝感生电压的振幅以下各方程表示本发明的和先有技术的物理量之间的基本关系1/2＊CVi2＝1/2＊LI2，RT＝L/R，对于先有技术;而RT＝π(LC)1/2，对于本发明。
于磁头绕组中使电流换向所需的时间可由以上基本方程导出，给出
RT＝LI/VS，对于先有技术;而RT＝πLI/Vi，对于本发明。
本发明的上升时间较先有技术的为优，是后者的πVs/Vi倍。考虑一种有12伏电源的步进电动机。可资利用的包括二极管与晶体管在内的元器件，可以在360伏感生电压下操作。因此，对本发明说来，上述电动机的开关速率可提高8.5倍。
再来考虑一具有5伏电源的磁头。易于获得能在300伏感生电压下作业的磁头与有并的元器件。利用本发明，上述磁头的开关速率可以提高14倍。
图5示意地表明了本发明的步进电动机系统，以总的参考号数300标明。系统300包括一机械式步进电动机310，这可以采用日本Shimano Kenshi公司生产的一种STH-39D002电动机。电动机310有一永磁转子312和一批磁绕组314与316。为便于图示，只表明了两个绕组314与316。正如本项技术中周知的，绕组314与316包括着众多围绕转子312周边串联排定的交错的绕线。
电路320包括一电压源322，晶体管324、326、328、330，一对二极管332与334，电阻器336，电容器338以及绕组314。电路320与图3中的电路100类似，只是用绕组316置换了电感器102。电路350包括一电压源352，晶体管354、356、358、360，一对二极管362与364，电阻器366，电容器368与绕组314。此电路350与图3中之电路100类似，只是以绕组314取代了电感器102。
在电压源362与地之间连接一双极晶体管360。晶体和360则连接着晶体管324与326。双极晶体管364则连在电压源366与地之间。晶体管364连接着晶体管328与330，双极晶体管370连接在电压源372与地之间。此晶体管370还连接着晶体管354与356。双极晶体管374连接在电压源376与地之间。此晶体管374还连接着晶体管358与360。
用一双稳态多谐振荡器380连接晶体管360与364。同时用一双稳态多谐振荡器382连接晶体管370与374。以一变换器386连接以双稳态多谐振荡器382的脉冲输入。方形波发生器390则连接着双稳态多谐振荡器380的钟脉冲输入与变换器386。
现在可以来认识系统300的作业。发生器390在频率2F下输出一方形波信号。此信号给双稳态多谐振荡器380提供了钟脉冲。此信号为变换器386变换，给双稳态多谐振荡器382提供钟脉冲。双稳态多谐振荡器380输出一相位A信号给晶体管360，输出一相位A信号给晶体管364。相位A与A在频率F下为方形波，是有180度的相位差。双稳态多谐振荡器382输出一相位B信号给晶体管370，输出一相位B信号给晶体管374。相位B与B信号在频率F下为方形波，具有180度的相位差。相位B信号滞后于相位A信号90度。相位A与A信号促致晶体管360与364以类似于对于图3中电路100所述的作业，交替地驱动电路320的晶体管。相位B与B信号促致晶体管370与374，以与图3中就电路100所描述的相似作业，交替地驱动电路350的晶体管。结果使绕组314与316中的电流快速换向，其中绕组314中的电流换向在相位上滞后于绕组316中的电流换向90度。这种电流换向使驱动着转子。在本项技术中，由电流换向来驱动电动机属周知的知识。但是，本发明中的电路320与350却可使绕组314与316在高得多的频率下驱动，这样便能大大提高电动机310的最大转速。
在另一实施例中，图4中的电路200可用来取代系统300中的电路320与350。在这种情形下，只要求有相位A与相位B的信号。
图6A与6B表明了先有技术中，一种典型的步进电动机之电感器绕组的电压与电流相对于时间的关系。这种电感器绕组是由本项技术中周知的H型标准驱动电路所驱动，此种步进电动机工作时的最高速率为600步位/秒，而电感器是在600赫下激励。此电感器是不能以更快的速率激励的。注意到电流的倒向相当徐缓，而电流信号中的跳步约在7.0毫秒。
图7A与7B示明了系统300的电感器316中电压与电流相对于时间的关系。这种电动机也是以600步位/秒运行的(对于电感器316为600赫)。发电机390是在1200赫下驱动。可以注意到有很急剧的电流倒向。
图8A与8B同样示明系统300之电压与电流关于时间的关系。这里的电动机是按1500步位/秒的速率运行(对于电感器316为1500赫)。发电机390是在3000赫下驱动。注意到电流的倒向仍很急剧。本发明之电动机系统300能使此种电动机的速率性能提高2.5倍。
图9示明本发明一数据记录系统的示意图，以总的参考数号400标明。系统400包括一以可转动方式安装于一立轴404上的记录磁盘402。记录磁盘402可以是一普通磁盘。轴404接装到一带动它转动的主轴电动机406上。电动机406接附到一磁盘驱动器410上，声圈电动机412接附到一传动臂414上。声圈电动机412便臂414于磁盘402上依径向运动，在臂414的端部上装设着磁头416，在电学上把它看为一电感器的绕组。
电路430包括一电压源432、晶体管434、436、438、440，一对二极管442与444，电阻器446，电容器448以及磁头416。电路430与图3中之电路100类似，但此磁头416转换了电感器102。在电压源462与地之间连接一双极晶体管460。在晶体管460连接到晶体管434与436上。在电压源472与地之间连接一双极晶体管470。晶体管470连接着晶体管438与440。有一变换器480与晶体管470相连。同时有一数据传输线482连接着晶体管460与变换器480。
现在可以来认识系统400的作业。以数字数据加到传输线482上。双极晶体管460与470分别以类似对于图3中线路100所述的操作。交替地驱动晶体管434、436、438与440。于是，电感器磁头416中的电流迅速反向而将数据记录入到磁盘402上。
在另一实施例中，可以用图4中的电路200置换此系统400中的电路430。
图10A与10B表明了常规记录系统中所用磁头之电流与电压的示波图。其中之磁头的电感为L＝2.5微亨，而电阻R＝4.3欧。此磁头以4兆赫驱动。注意到电流的倒向相当徐缓。
图11A、11B12A与12B示明系统400中磁头416之电流与电压的示波图。此磁头416采用前面在图10A与10B中用于测量目的的同一种电感器磁头。磁头416在图11A与11B中于4兆赫下驱动，在图12A与12B中于8兆赫下驱动。图12A与12B中的波形质量足以保证记录频率，并表明相对于常规电路频率已至少加倍。
图13示明了本发明另一实施例的电路图，标以总的参考号数500。电路500的元件与图3中电路100的元件类似，于相对应的参考号数的右上角加撇标明。电路500中有一连接在结点140′与晶体管112′间的延迟线510，以及连接在结点142′与晶体管116′之间的延迟线512。也可采用其它类型的信号延迟器件。
当要求有极高频率的电流开关时也可采用电咱500。在频率低于1兆赫时，电路100的元件起到近似理想元件的作用。但当此种开关频率超过1兆赫时，由于晶体管与二极管的非线性行为，上述元件就不能那么理想地进行工作。此种非线性行为的起因在于已存储之电荷与电阻效应，它们会在电流与电压波形中造成一种与时间相关的相移。
电咱500通过对晶体管112′与116′给信号提供了稍许延迟。此种延迟乃是电路循环时间的一个很小的百分数。在一个最佳实施例中，这样的延迟有可能达10至20毫微秒。这样小的延迟使得此电路的LC(感容)部分在其发生谐振之前预先充电。预先光电的结果有效地使电路之电压与电流波形发生相移，以补偿非线性效应导致的相移。
图4中的电路200适用于在较高频率下按类似的方式工作。这时的延迟器件可插入于X信号源与晶体管222之间。最终所成的电路同样会有电路500中所示的预先充电效应。
尽管已通过附图详述了本发明的最佳实施例，但显然，任何熟悉本项技术的人在不脱离本发明按后附权利要求书所陈述的范围内，是可以对这些实施例作出变动与修改的。
权利要求
1.一种感应电流开关系统，特征在于包括有电感为L的电感器；与电感器并联的电容为C的电容器；与电感器连接依一第一和第二方向为之提供电流的电流源；与电流源相连接的电流控制装置，它允许电流于第一方向中流过此电感器，终止此电流约π(LC)1/2秒，然后使电流以第二方向流过此电感器。
2.如权利要求1所述的系统，特征在于上述电流控制装置由晶体管组成。
3.如权利要求1所述的系统，特征在于上述电流控制装置包括一对二极管。
4.如权利要求1所述的系统，特征在于此系统还包括步进电动机，上述电感器是此步进电劝机的绕组。
5.如权利要求1所述的系统，特征在于它包括一磁数据存储装置，而前述电感器乃是此存储装置的转换器头。
6.一种感应电流开关系统，特征在于它包括有一电感为L的电感器以及与之并联的电容为C的电容器;与此电感器第一侧连接的第一二极管;与此电感器第二侧连接的第二二极管;连在一电压源与此第一二极管之间的第一晶体管;连在此电压源与此第二二极管之间的第二晶体管;连在地与此电感器第一侧之间的第三晶体管;连在地与此电感器第二侧之间的第四晶体管;以及与第一、二、三、四晶体管相连的一种晶体管控制装置，用来驱动第一与第四晶体管而不驱动第二与第三晶体管，然后再驱动第二与第三晶体管，但不驱动第一与第四晶体管。
7.如权利要求6所述的系统，特征在于它包括步进电动机，而前述的电感器乃是此步进电动机的绕组。
8.如权利要求6所述的系统，特征在于它包括一种磁数据存储装置，而前述的电感器乃是此数据存储装置的转换器头。
9.如权利要求6所述的系统，特征在于它包括连在在所述晶体管控制装置与第一晶体管之间的第一延迟器件。
10.如权利要求6所述的系统，特征在于所述晶体管控制装置在第一与第四晶体管的开关和第二与第三晶体管的开关之间有一时间补偿。
11.一种感应电流开关系统，特征在于它包括一电感为L的电感和一与之并联的电容为C的电容器;与此电感器第一侧相连的第一二极管;与此电感器第一侧相连的第二二极管;与一第一电压源和此第一二极管相连的第一晶体管;与此第二二极管和地相连的第二晶体管;与上述电感器第二侧连接的第二电压源;以及与前述第一和第二晶体管连接的一种晶体管控制装置，用来驱动此第一而不驱动此第二晶体管，然后驱动此第二而不驱动此第一晶体管。
12.如权利要求11所述的系统，特征在于它包括一种步进电动机，而所说的电感器乃是此步进电动机的绕组。
13.如权利要求11所述的系统，特征在于它包括一种磁数据存储装置，而所说的电感器乃是此数据存储装置的转换器头。
14.如权利要求11所述的系统，特征在于它包括有连接在所说晶体管控制装置与第一晶体管之间的第一延迟器件;以及在此晶体管控制装置与第二晶体管之间的第二延迟器件。
15.如权利要求11所述的系统，特征在于所说的晶体管控制装置在第一与第四晶体管的开关和第二与第三晶体管的开关之间有一时间补偿。
16.用来使通过一电感为L之电感器的电流换向的方法，特征在于它包括以下步骤，使一电容为C之电容器与此电感器并联;将一第一电流源连立此电感器上，使得电流依一第一方向流过此电感器;终止来自此第一电流源的电流流动;在允许依一第二方向从一第二电流源流至此电感器之前，等待一段近似π(LC)1/2秒的时间。
17.一种感应电流开关系统，特征在于它包括一种数据记录介质;一种电感为L的电感器磁头;与上述磁头和介质相连接用来使此磁头于介质上运动的运动装置;与此电感器并连的电容为C的电容器;与此电感器相连的第一开关;与此电感器相连的第二开关;与此第一开关相连依一第一方向用来给电感器提供电流的第一电流源;与此第二开关相边依一第二方向为此电感器供给民流的第二电流源;以及一种开关控制装置，它连接着上述第一与第二开关用来以交替方式闭合与断开此第一与第二开关，使得在这两个开关均断开时约经过π(LC)1/2秒。
18.用来使通过一电感器之电流换向的方法，特征在于它包括以下步骤，设置一电感器、一与此电感器并联的电容器以及一电流源;从此电流源将一第一极性之电流供给此电感器以产生一磁场;终止此第一极性之电流的流动使磁场换向，一旦通过此电感器与电容器间的能量互换使此磁场换向后，即由此电流源给电感器供给一第二极性的电流，使此已换向的磁场保持到下一次的磁场换向。
19.一种感应电流开关系统，特征在于它包括一电感器;一与此电感器并联的电容器;一与此电感器相连用来将一第一与第二极性电流供给此电感器的电源;以及控制装置，它与上述电流源相连，用来终止第一极性电流流向此电感器，通过此电感器与电容器间的互换能量使相应磁场换向，并提供第二极性的电流将此已换向之磁场保持到下一次的磁场换向。
20.一种感应电流开关系统，特征在于它包括一电感为L之电感器;与此电感器并联的电容为C的电容器;与此电感器相连的第一开关;与此电感器相连的第二开关;与此第一开关相连按一第一方向给此电感器供给电流的第一电流源;与此第二开关相连按一第二方向给此电感器供给电流的第二电流源;以及连至此第一与第二开关的开关控制装置，用来依交替方式闭合与断开此第一开关然后再闭合与断开此第二开关，使得在此两个开关断开时约经过π(LC)1/2秒。
全文摘要
与一电容器并联之电感器。按相对方向为此电感器提供电流的第一与第二电流源。允许此电感器与电容器在应用第一与第二电流源之电流中间的一段时间内谐振，由此来实现快速的电流换向。
文档编号H03K17/04GK1065960SQ9210184
公开日1992年11月4日 申请日期1992年3月19日 优先权日1991年4月19日
发明者大为·切克特·程, 塔瑞克·马肯思, 马斯詹比·斯利-杰亚萨 申请人:国际商业机器公司