专利名称：用于主轴电动机的主动制动器的制作方法
用于主轴电动机的主动制动器背景技术便携式磁盘驱动器设备都存在一个共同问题它们经常跌落、碰撞或摇晃。 如果在这些事件发生期间驱动器正在工作，由此引起的撞击可使硬盘驱动器磁头撞 击存储介质，从而擦除数据并可能损坏记录磁头。另外，使设备内的存储介质旋转 的主轴电动机也会在工作期间受到撞击或震动的破坏。电动机的损坏可导致数据磁 道的较差跟踪，并可能导致电动机卡住、或者介质上润滑液的泄漏。发明内容本文所描述并要求权利的实现通过提供反向扭矩、前向换向式电动机驱动器 来解决上述问题。驱动器通过在前向状态机的各个正常换向状态中依次激励互补激 励信号来快速减速或"制动"电动机，由此提供主动制动效果。在主动制动将电动 机的旋转速度降至低于阈值时，动态制动技术可替代主动制动，其中电动机驱动器 的高压侧驱动器被设定成与该电动机驱动器的低压侧驱动器相反的电压。提供本发明内容来引入简化形式概念的选择，这些概念将在以下详细描述中 进行进一步描述。本说明并非旨在标识要求权利的主题的关键特征或基本特征，也 并非旨在用于限定所要求权利的主题的范围。
图1示出了用于相控电动机的示例性控制电路。图2示出了在相控电动机旋转期间的正常操作和制动操作中激励信号的示例 性相位图。图3示出了用于控制相控电动机的旋转的示例性操作。图4示出了根据所述技术的至少一部分的磁盘驱动器的俯视图。图5示出了结合所述技术的各种实现之一的磁盘驱动器的主要功能元件。
具体实施方式
磁盘驱动器是用来存储数字数据的数据存储设备。典型的磁盘驱动器包括轴
向对齐并安装到主轴电动机以供在高旋转速度下旋转的许多可旋转记录磁盘。相应 的读/写磁头阵列访问限定于各个磁盘表面上的磁道以将数据写入磁盘或从中读出 数据。磁盘驱动器主轴电动机通常设置有三相直流(DC)无刷电动机配置。相绕组被 设置成围绕多个径向分布式电极上的固定定子。可旋转主轴电动机设置有紧靠电极 沿圆周延伸的多个永磁体。将电流施加到绕组感生与磁体磁场相互作用的电磁场， 以便将扭矩施加到主轴电动机轮毂并导致磁盘旋转。然而，应当理解，虽然本详 细说明书使用磁盘驱动器和主轴电动机作为示例实现，但是也可考虑使用所述 技术的其它相控电动机。本主轴电动机设计使用电子换向和反向电磁力(BEMF)检测电路来提供闭 环主轴电动机控制。这种方法通常需要在电动机的每次电旋转(周期)期间将 预定的换向状态序列施加到主轴电动机的相绕组。换向状态涉及向电动机提供 流入一相绕组的电流、从另一相绕组接收电流、以及使第三相绕组保持高阻抗。检测电路测量在未通电相上产生的BEMF电压、将此BEMF电压与电动机 绕组的中心抽头上的电压作比较、并且在旋转期间在相绕组的BEMF电压的过 零区间输出信号；即，当BEMF电压相对于中心抽头的电压改变极性时。然后， 此过零点被用作下一换向状态的定时基准或同步信号，以及用作指示电动机的 位置和相对旋转速度的基准。图1示出了相控电动机102的示例性控制电路100。在图1中，相控电动 机102表示驱动磁盘驱动设备主轴的三相无刷DC电动机，尽管也可考虑其它 相控电动机和其它设备。相控电动机102的抽头104、 106和108被连接到换 向逻辑电路110的驱动器对。各个驱动器对具有向一绕组提供电流的高压侧驱 动器112和从绕组接收电流的低压侧驱动器114。例如，换向逻辑电路110的 高压侧驱动器可向相控电动机102的第一相绕组提供电流，而换向逻辑电路110 的低压侧可经相控电动机102的第二相绕组接收电流。对于第三相绕组，驱动 器对是三态的(例如使用三态缓冲器116)，以便提供高阻抗。在示例性控制 电路100中，各个驱动器包括取决于换向状态提供电流、接收电流或保持在高 阻抗的场效应晶体管(FET)。应当理解，通过整个换向状态序列的每个周期包括相控电动机102的一次 电旋转。相控电动机轮毂的物理机械旋转中电旋转的数量根据电极的数量来决 定。对于三相12极电动机，相控电动机的各次机械旋转将具有六次电旋转。
换向逻辑电路110包括三个级，每个级与相绕组之一有关。为了本说明书起见，相绕组被指定为A、 B和C。这样，换向逻辑电路110具有级A、级B 和级C，各个级负责驱动电流通过相控电动机中的相应绕组。在各个换向状态 中，流过两个绕组的结果电流感生与安装到相控电动机的转子(例如主轴电动 机轮毂)的相应永磁体阵列(未示出)相互作用的电磁场，从而在主轴电动机 轮毂上感生期望旋转方向上的扭矩。基本激励信号的分量从状态机U8输入到各个级。生成基本激励信号来控 制相控电动机102的旋转，如参照图2所述。例如，当启用级A中的高压侧驱 动器并禁用级A中的低压侧驱动器时，生成向相控电动机102的相A绕组提供 电流的基本激励信号分量A。在所示实现中，可根据主动制动信号120上的低 电压与从状态机118到级A的输入上的高电压、或者主动制动信号120上的高 电压与从状态机118到级A的输入上的低电压产生这个结果。相反，当启用级 A中的高压侧并禁用级A中的低压侧时，生成从相A绕组接收电流的激励信号 分量"A非"或"Z"。在所示实现中，可根据主动制动信号120上的低电压 与从状态机118到级A的输入上的低电压、或者主动制动信号120上的高电压 与从状态机118到级A的输入上的高电压产生这个结果。在三相电动机中，如果一个相很低而另一个相很高，则使用三态缓冲器116 将第三相保持在高阻抗(即三态)。在一个实现中，三态缓冲器116也通过状 态机118来控制。当处于三态时，驱动器有效地用作"开"路，从而不相对于 相控电动机提供或接收电流。换向逻辑电路110通过经由ISOFET开关122耦合到电压VCC的电压VM 来供电。在正常操作期间，主动制动信号120被禁用(例如低电压)，并且来 自状态机118的基本激励信号被输入到对应级，以便将基本激励信号序列施加 到相控电动机102的各个相。例如，在一个实现中，从换向逻辑电路110发送 到相控电动机102的基本激励信号按一顺序旋转相控电动机(以下各对中未示 出的相信号是三态的)爿5,爿C， SC， ^Z, C互，... (1)主动制动可通过对序列的各个换向状态中的各个基本激励信号补码来实 现。使用图l中所示电路，可通过保持相同的状态机输出序列但使该主动制动 信号120能获得以下互补激励信号的序列(对应于正常操作的相同换向状态序列)来实现主动制动57, CZ, C互，爿5,爿C， 5C,… (2)序列(2)中所列激励信号与序列(1)所列信号互补。在一个实现中，基本激励 信号通过与高态主动制动信号一起输入到XOR (异或)逻辑电路(例如XOR 门124)来进行补码，该电路的输出被耦合到驱动器。然而，应当理解，也可 考虑用于对基本激励信号补码的其它配置。因此，在各个换向状态，正常操作 的基本激励信号的互补激励信号被施加到相控电动机102，由此主动地使相控 电动机102的旋转减速或使其制动。应当理解，可使用其它逻辑配置来生成互补激励信号，并且可在所述技术 中考虑这种替代方案。例如，状态机可直接生成互补激励信号、状态机或换向 逻辑能够将基本激励信号的相位提前预定数量的相(例如三相电动机的三个 相)，以生成互补激励信号等。图2示出了用于在相控电动机旋转期间正常操作和制动操作中激励信号的 示例性相位图200和202。各个示图的Y轴204表示电压电平，而各个示图的 X轴206表示时间。X轴在208上被进一步划分成连续并重复编号的各个换向 状态。示图中的各条曲线表示激励信号随时间变化的电压曲线。以下各个示图 中列出与给定换向状态相对应的激励信号一不是基本激励信号就是互补激励 信号一的值(例如，^Z)。对于正常操作，以下示图200列出了与序列(1)相匹配的示例基本激励信号 序列。应当理解，可考虑其它序列。在制动操作时，对应换向状态中列出各个 基本激励信号的互补激励信号。当相控电动机在旋转时，将这些互补激励信号 顺序地施加到相控电动机导致相控电动机减速。图3示出了用于控制相控电动机的旋转的示例性操作300。在图3中，描 述涉及诸如硬盘驱动器或光盘驱动器的存储设备的主轴电动机，尽管操作也可 应用到不同类型的相控电动机。正常操作302以正常运行速度(例如 15,000RPM)使主轴电动机运行。启动操作304检测触发相控电动机的主动制动的事件。例如，自由降落检 测器可确定系统正在坠落，并因此启动各种保护性步骤，包括断言主动制动信 号。或者，震动传感器或另一灾难性事件传感器可检测到需要停止主轴电动机， 并因此向控制电路发送信号以制动主轴电动机。同步操作306不是通过检测过零区间就是通过一些其它同步检测动作来检 测电动机是否已达换向状态结束处。如果未到达，则同步操作306继续循环，
直到检测到换向状态结束。在换向状态结束时，前进操作308使状态机在换向序列中向前前进一个换 向状态。反向扭矩操作310将与当前换向状态的正常激励信号相关的互补激励 信号施加到相控电动机，由此降低电动机的旋转速度。例如，如果用于当前换 向状态的正常激励信号是^互，则互补激励信号SZ被施加到电动机。判定操作312确定相控电动机的旋转速度是否已降至预定阈值。如果没有， 则处理返回到等待当前换向状态结束的同步操作306。然而，如果旋转速度已 降至预定阈值，则终止操作314禁用主动制动信号，而且动态制动操作316启 用所有低压侧驱动器并禁用所有高压侧驱动器以完成电动机的制动。这样，在 相控电动机的旋转速度达到零之后，该电动机不会开始反方向旋转。应当理解， 可以其它配置执行动态制动，诸如通过禁用所有低压侧驱动器并启用所有高压 侧驱动器。将参照磁盘驱动器来描述本发明的实施例。本领域技术人员应当认识到， 本发明也可被应用到诸如光盘驱动器、磁光盘驱动器或压縮盘驱动器的任意数 据存储设备，即能够以两种或多种功率电平工作。此外，本领域技术人员将理 解本发明的实施例可等同地应用到能够在一种以上功率电平下工作的任意类 型的电气或电子设备。例如，可实现本发明各实施例的设备包括但不限于笔 记本计算机、诸如个人数字助理(PDA)的手持式设备、蜂窝电话、诸如复印机 和传真机的办公室设备等。图4示出了根据所述技术的至少一部分的磁盘驱动器的俯视图。磁盘驱动器 100包括其上安装有磁盘驱动器400的各个元件的底座402。部分地切开示出的顶 盖404与底座402 —起形成用于常规方式的磁盘驱动器的内部密封环境。这些元件 包括以恒定高速旋转一个或多个磁盘408的主轴电动机406。信息通过使用致动器 组件410写入磁盘408上的磁道或从中读出，该致动器在寻道操作期间围绕靠近磁 盘408定位的支承轴组件412旋转。致动器组件410包括向磁盘408延伸的多个致 动器臂414，且一个或多个弯曲416从各个致动器臂414中延伸出来。安装在各个 弯曲416的远端的是磁头418，该磁头包括使磁头418能紧贴在相关联磁盘408的 相应表面上悬浮的空气轴承滑橇。在寻道操作期间，磁头418的磁道位置通过使用音圈电动机(VCM)424来控制， 该电动机通常包括附连到致动器组件410的线圈426，以及建立其中浸有该线圈426 的磁场的一个或多个永磁体428。将电流可控地施加到线圈426在永久磁铁428与
线圈426之间导致磁性相互作用，从而线圈426按照众所周知的洛伦兹关系式移动。 当线圈426移动时，致动器组件410围绕支承轴组件412旋转，并且使磁头418 在磁盘408的表面上移动。当磁盘驱动器400持续一段时间未使用时，主轴电动机406通常被切断电源。 当驱动器电动机被切断电源时，磁头418从磁盘408包含数据的部分移开。通过使 用在驱动器磁盘408未旋转时防止致动器组件410的无意旋转的致动器闩锁装置/ 或夹，将磁头418固定在磁盘的不包含数据的部分之上。柔性组件430向致动器组件410提供必要的电气连接路径，同时允许致动器 组件410在工作期间绕枢轴移动。柔性组件430包括印刷电路板434，该电路板连 接有与致动器组件410相连接并通向磁头418的柔性电缆432。柔性电缆432可沿 着致动器臂414和弯曲416通到磁头418。印刷电路板434通常包括用于在写入操 作期间控制施加到磁头418的写入电流的电路，以及用于在读出操作期间放大由磁 头418生成的读出信号的前置放大器。柔性组件430端接在柔性支架436上，以便 通过底板402连接到安装于磁盘驱动器400底侧的磁盘驱动器印刷电路板(未示 出)。在一示例性实现中，磁盘驱动器400中的主轴电动机控制电路包括主动制动 触发器、状态机和对主轴电动机施加主动制动直到该主轴电动机的旋转速度降至阈 值的换向逻辑电路。此时，换向逻辑电路施加动态制动直到主轴电动机停止旋转。图5示出了结合所述技术的各种实现之一的磁盘驱动器的主要功能元件，并 且一般地示出驻留在磁盘驱动器印刷电路板上并被用于控制该磁盘驱动器的操作 的主要功能电路。磁盘驱动器以常规方式可操作地连接到主计算机540。控制信道 被设置在主计算机540与磁盘驱动器微处理器542之间，该微处理器542通常结合 存储在微处理器存储器(MEM)543中用于微处理器542的程序设计向磁盘驱动器提 供最高级别的通信和控制。MEM 543可包括随机存取存储器(RAM)、只读存储器 (ROM)和微处理器542的驻留存储器的其它源。磁盘通过主轴电动机控制电路548以恒定高速旋转，该控制电路548通常通 过使用反电动势(BEMF)感测对主轴电动机进行电气换向。在其中致动器510在磁 道之间移动磁头518的寻道操作期间，磁头518的位置通过对音圈电动机的线圈 526施加电流来控制。伺服控制电路550提供这种控制。在寻道操作期间，微处理 器542接收与磁头518的速度相关的信息，并结合存储在存储器543中的速度分布 图使用此信息来与伺服控制电路550进行通信，该电路550将可控电流量施加到音
圈电动机线圈526，由此使致动器组件510绕枢轴旋转。数据经由接口 544在主计算机540或其它设备与磁盘驱动器之间传送，该接 口 544通常包括便于主计算机540或其它设备与磁盘驱动器之间的高速数据传送的 缓冲器。因此，要写入磁盘驱动器的数据从主计算机540传递到接口 544,然后传 递到解码及串行化数据、并且向磁头518提供必要写入电流信号的读/写通道546。 为了取回先前存储在数据存储设备中的数据，由磁头518生成读出信号并将其提供 给读/写通道546，该通道执行解码和误差检测以及校正操作，并将取回的数据输出 到接口 544以便于随后将该数据传送到主计算机540或其它设备。在一示例性实现中，磁盘驱动器中的主轴控制装置548包括状态机和对主轴 电动机施加主动制动直到主轴电动机的旋转速度减至阈值的换向逻辑电路。此时， 换向逻辑电路施加动态制动直到主轴电动机停止旋转。本文所述技术被实现为一个或多个系统中的逻辑操作和/或模块。逻辑操作可 被实现为在一个或多个系统中执行的一系列处理器执行的步骤，并可被实现为一个 或多个计算机系统内的互连机器或电路模块。类似地，根据由模块执行或实现的操 作，可提供各种组成模块的描述。取决于实现所述技术的基础系统，结果的实现是 选择的一个问题。因此，构成本文所述技术的各个实施例的逻辑操作不同地可指操作、步骤、对象或模块。此外，应当理解，可以任意次序执行逻辑操作，除非另有 明确声明，或者权利要求用语固有地使特定次序成为必需。上述说明书、示例和数据提供了本发明示例实施例的结构以及用途的完整描 述。尽管以上已经以特定具体程度或者参照一个或多个单独实施例描述了本发明的 各个实施例，但是本领域技术人员可对公开实施例进行许多改变而不背离本发明的 精神或范围。具体地，应当理解，可独立于个人计算机使用所述技术。因此，可考 虑其它实施例。期望包含在上述描述并在附图中示出的所有内容应当仅被解释为特 定实施例而非作为限制。可对细节或结构做出改变而不背离以下权利要求中定义的 本发明的基本要素。尽管以结构特征和/或方法论领域中的专用术语描述了主题，但是应当理解， 所附权利要求中定义的主题并非必须限于上述具体特征或领域。相反，上述具体特 征和领域作为实现所要求权利主题的示例形式而公开。
权利要求
1.一种被配置成在换向状态序列中对各个基本激励信号生成互补激励信号的电动机控制电路。
2. 如权利要求l所述的电动机控制电路，其特征在于，还包括 接收主动制动信号和基本激励信号的基本激励信号分量作为输入的至少一个逻辑电路，当施加主动制动信号时所述至少一个逻辑电路向电动机输出所述基本激 励信号分量的互补激励信号分量。
3. —种装置，包括被耦合成接收一基本激励信号序列的换向逻辑电路，每个基本激励信号与一 个换向状态相对应，其中所述换向逻辑电路在各个换向状态将所述基本激励信号的 互补激励信号施加到相控电动机。
4. 如权利要求3所述的装置，其特征在于，在不存在主动制动信号时，所述 换向逻辑电路施加与各个换向状态相对应的所述基本激励信号，以便旋转所述相控 电动机。
5. 如权利要求3所述的装置，其特征在于，在不存在所述主动制动信号时，所述换向逻辑电路施加与各个换向状态相对应的所述基本激励信号的互补激励信 号，以便使所述相控电动机的旋转减速。
6. 如权利要求3所述的装置，其特征在于，用于至少一个换向状态的所述基 本激励信号包括至少两个异相激励信号分量A和B，并且基本激励信号」互的所述互补激励信号是万:？。
7. 如权利要求3所述的装置，其特征在于，相控电动机具有三个相，并且第 一基本激励信号的所述互补激励信号与所述基本激励信号序列中三个换向状态之 后的第二基本激励信号相同。
8. 如权利要求3所述的装置，其特征在于，如果所述相控电动机的所述旋转 速度已降至低于阈值旋转速度，则在施加了至少一个互补激励信号之后，所述换向 逻辑电路将动态制动信号施加到所述相控电动机。
9. 如权利要求8所述的装置，其特征在于，还包括有助于驱动所述相控电动机的所述旋转的一组低压侧驱动器；有助于驱动所述相控电动机的所述旋转的一组高压侧驱动器，其中所述动态 制动信号启用所述低压侧驱动器，并禁用所述高压侧驱动器。
10. 如权利要求8所述的装置，其特征在于，还包括 有助于驱动所述相控电动机的所述旋转的一组低压侧驱动器； 有助于驱动所述相控电动机的所述旋转的一组高压侧驱动器，其中所述动态制动信号启用所述低压侧驱动器，并禁用所述高压侧驱动器。
11. 如权利要求3所述的装置，其特征在于，还包括 响应于主动制动信号的接收检测同步信号的同步模块；在检测到所述同步信号之后前进到所述序列中的下一换向状态的状态机， 其中所述换向逻辑电路将与所述下一换向状态相对应的所述基本激励信号的 所述互补激励信号施加到所述相控电动机。
12. 如权利要求3所述的装置，其特征在于，还包括接收主动制动信号和所述基本激励信号的基本激励信号分量作为输入的XOR 门，当施加所述主动制动信号时所述XOR门将所述基本激励信号分量的互补激励信号输分量出到所述相控电动机。
13. —种方法，包括接收一基本激励信号序列，每个基本激励信号与一个换向状态相对应； 在各个换向状态将所述基本激励信号的互补激励信号施加到相控电动机。
14. 如权利要求13所述的方法，其特征在于，用于至少一个换向状态的所述 基本激励信号包括至少两个异相激励信号分量A和B，并且基本激励信号^亙的所 述互补激励信号是5Z。
15. 如权利要求13所述的方法，其特征在于，相控电动机具有三个相，并且 第一基本激励信号的所述求反激励信号与所述基本激励信号序列中三个换向状态 之后的第二基本激励信号相同。
16. 如权利要求13所述的方法，其特征在于，还包括如果所述相控电动机的所述旋转速度已降至低于阈值旋转速度，则在施加了 至少一个互补激励信号之后，将动态制动信号施加到所述相控电动机。
17. 如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述相控电动机的所述旋转通 过一组低压侧驱动器和一组高压侧驱动器来控制，并且所述施加动态制动信号的操作包括启用所述低压侧驱动器；以及 禁用所述高压侧驱动器。
18. 如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述相控电动机的所述旋转通 过一组低压侧驱动器和一组高压侧驱动器来控制，并且所述施加动态制动信号的操 作包括禁用所述低压侧驱动器；以及 启用所述高压侧驱动器。
19. 如权利要求13所述的方法，其特征在于，还包括 响应于于主动制动信号的接收检测同步信号；响应于检测到所述同步信号前进到所述序列中的下一换向状态，其中施加所 述互补激励信号的所述操作将与所述下一换向状态相对应的所述基本激励信号的 所述互补激励信号施加到所述相控电动机。
20. 如权利要求B所述的方法，其特征在于，还包括将所述主动制动信号和基本激励信号分量输入到XOR门，当施加所述主动制 动信号时所述XOR门输出所述基本激励信号分量的互补激励信号分量。
全文摘要
本发明涉及用于主轴电动机的主动制动器，尤其是一种用于相控电动机的反向扭矩、前向换向式电动机驱动器系统通过在前向状态机的各个正常换向状态中依次激励互补激励信号来快速减速或“制动”电动机，由此提供主动制动效果。在主动制动将电动机的旋转速度降至低于阈值时，动态制动技术可替代主动制动，其中高压侧驱动器被设定成与低压侧驱动器相反的电压。
文档编号G11B19/20GK101132160SQ20071014078
公开日2008年2月27日 申请日期2007年8月21日 优先权日2006年8月22日
发明者D·J·卡斯特勒, J·昂, J·舒, K·T·赛, K·奥, L·R·海汀, T·M·J·庞 申请人:希捷科技有限公司