專利名稱：降低滾珠自動(dòng)平衡系統(tǒng)穩(wěn)定轉(zhuǎn)速的控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種降低滾珠自動(dòng)平衡系統(tǒng)穩(wěn)定轉(zhuǎn)速的控制方法，尤指一種應(yīng)用于光驅(qū)的轉(zhuǎn)子機(jī)械，以便可降低轉(zhuǎn)子機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)至工作轉(zhuǎn)速前的振動(dòng)量，進(jìn)而有效提高轉(zhuǎn)子軸承壽命的控制方法。
現(xiàn)今光驅(qū)的讀取或儲(chǔ)存資料的速度是以倍速來表示(即1倍速＝150k字節(jié)/秒)，且直接關(guān)系到該倍速大小的是光驅(qū)內(nèi)部驅(qū)動(dòng)光盤片轉(zhuǎn)動(dòng)的主軸馬達(dá)，亦即，該主軸馬達(dá)的轉(zhuǎn)速愈快，則光盤片的讀取或儲(chǔ)存的倍速就愈大；然而，當(dāng)該主軸馬達(dá)以高轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，因光盤片的不平衡量所產(chǎn)生的離心偏擺力亦隨之增大的影響下，進(jìn)而導(dǎo)致振動(dòng)及噪音等問題的產(chǎn)生，且過大的振動(dòng)量將造成光學(xué)頭讀片的失焦(out-of-focus)等不穩(wěn)定的情事發(fā)生；所以，為了有效地抑制振動(dòng)以確保正確無誤地讀取光驅(qū)上的光盤片的資料，光驅(qū)制造廠商即采用一種以滾珠自動(dòng)平衡系統(tǒng)來達(dá)到減振效果的方法。
更準(zhǔn)確地說，一般所指的滾珠達(dá)到平衡位置的原理，即根據(jù)旋轉(zhuǎn)動(dòng)力學(xué)(Rotor Dynamics)的理論，請(qǐng)參閱

圖1A至C圖所示；當(dāng)主軸馬達(dá)轉(zhuǎn)速低于臨界轉(zhuǎn)速(critical velocity)(或稱懸吊系統(tǒng)自然頻率)時(shí)，系統(tǒng)不平衡量與系統(tǒng)質(zhì)心？在同相位的狀態(tài)(如圖1A)所示)；當(dāng)主軸馬達(dá)轉(zhuǎn)速等于臨界轉(zhuǎn)速時(shí)，系統(tǒng)不平衡量與系統(tǒng)質(zhì)心呈90度的相位差(如圖1B所示)；當(dāng)主軸馬達(dá)轉(zhuǎn)速大于臨界轉(zhuǎn)速時(shí)，系統(tǒng)不平衡量與系統(tǒng)質(zhì)心則呈180度的相位差(如圖1C所示)。
再者，請(qǐng)參閱圖2所示，該主軸馬達(dá)以等加速度(即起初加速度為α1，)旋轉(zhuǎn)，當(dāng)該主軸馬達(dá)轉(zhuǎn)速大于滾珠不穩(wěn)定臨界轉(zhuǎn)速ωc后，該滾珠質(zhì)心向位能最低點(diǎn)移動(dòng)。當(dāng)主軸馬達(dá)轉(zhuǎn)速達(dá)到一穩(wěn)定轉(zhuǎn)速ωs’時(shí)，降低馬達(dá)加速度即可使?jié)L珠在最短時(shí)間內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定。滾珠達(dá)到穩(wěn)定后，滾珠對(duì)于軌道接觸點(diǎn)將無相對(duì)運(yùn)動(dòng)，此時(shí)該主軸馬達(dá)再繼續(xù)加速至工作轉(zhuǎn)速ωo因此，當(dāng)該主軸馬達(dá)達(dá)到該穩(wěn)定轉(zhuǎn)速ωs’時(shí)，光驅(qū)的轉(zhuǎn)子機(jī)械即可達(dá)到自動(dòng)平衡的效果。
因此，在應(yīng)用滾珠自動(dòng)平衡系統(tǒng)的轉(zhuǎn)子機(jī)械中，如果直接以等加速度運(yùn)轉(zhuǎn)至該主軸馬達(dá)的工作轉(zhuǎn)速，雖然亦可達(dá)到降低轉(zhuǎn)子不平衡量的目的，但是當(dāng)滾珠發(fā)揮平衡作用時(shí)，馬達(dá)轉(zhuǎn)速已經(jīng)過高；易導(dǎo)致轉(zhuǎn)子加速緩慢、轉(zhuǎn)軸受力增加，以及轉(zhuǎn)軸和軸承壽命的縮短等缺失。
本發(fā)明的目的可通過如下措施來實(shí)現(xiàn)本發(fā)明提供一種降低滾珠自動(dòng)平衡系統(tǒng)穩(wěn)定轉(zhuǎn)速的控制方法，其中該滾珠自動(dòng)平衡系統(tǒng)是應(yīng)用于光驅(qū)的轉(zhuǎn)子機(jī)械，該轉(zhuǎn)子機(jī)械包括有一主軸馬達(dá)及一由該主軸馬達(dá)所驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)子，該轉(zhuǎn)子上凹設(shè)有至少一同軸的環(huán)軌，該環(huán)軌內(nèi)置放有至少一滾珠，用以產(chǎn)生自動(dòng)平衡的效果；該控制方法包括下述步驟(1)根據(jù)一預(yù)定方式設(shè)定一滾珠預(yù)定轉(zhuǎn)速ωs，且該滾珠預(yù)定轉(zhuǎn)速ωs介于一滾珠不穩(wěn)定臨界轉(zhuǎn)速ωc與轉(zhuǎn)子機(jī)械的工作轉(zhuǎn)速ω之間；(2)提供一初始加速度使得該滾珠通過其不穩(wěn)定臨界轉(zhuǎn)速ωc，將該轉(zhuǎn)子機(jī)械加速至該滾珠預(yù)定轉(zhuǎn)速ωs；(3)當(dāng)轉(zhuǎn)子機(jī)械加速至預(yù)設(shè)值ωs時(shí)，系統(tǒng)給一反饋信號(hào)給轉(zhuǎn)子機(jī)械，使其提供一降低轉(zhuǎn)子機(jī)械的加速度，經(jīng)過一短暫時(shí)間使?jié)L珠達(dá)到一穩(wěn)定位置后，(4)再度加速該轉(zhuǎn)子機(jī)械的轉(zhuǎn)速至其工作轉(zhuǎn)速ω；借此方法可降低該轉(zhuǎn)子機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)至其工作轉(zhuǎn)速前的振動(dòng)量，而且有效提高該轉(zhuǎn)子軸承壽命。
所述的短暫時(shí)間由系統(tǒng)軟件所決定，在轉(zhuǎn)子機(jī)械低勢(shì)能的滾珠平衡狀態(tài)下，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速維持一特定時(shí)間并且加速至工作轉(zhuǎn)速。上述特定時(shí)間由光驅(qū)機(jī)械的懸吊系統(tǒng)、摩擦系數(shù)、滾珠半徑即滾珠大小、軌道半徑等因素決定，并由軟件控制。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于本發(fā)明所提供的降低滾珠自動(dòng)平衡系統(tǒng)穩(wěn)定轉(zhuǎn)速的控制方法，可有效地降低該滾珠自動(dòng)平衡系統(tǒng)的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速，以達(dá)到降低主軸馬達(dá)運(yùn)轉(zhuǎn)至工作轉(zhuǎn)速前的振動(dòng)量，進(jìn)而有效提高轉(zhuǎn)子軸承壽命。本發(fā)明可應(yīng)用于單軌或多軌的自動(dòng)平衡系統(tǒng)中，以便以有效且穩(wěn)定可靠的方式改善公知滾珠自動(dòng)平衡系統(tǒng)的缺失，即可降低滾珠發(fā)揮平衡作用時(shí)的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速，以達(dá)到高速正確讀取資料及平順運(yùn)轉(zhuǎn)的功效。
圖2是公知轉(zhuǎn)子機(jī)械的加速曲線圖A；ωc為滾珠不穩(wěn)定臨界轉(zhuǎn)速；ωs’為穩(wěn)定轉(zhuǎn)速；ω為工作轉(zhuǎn)速；α1’為起始加速度。
圖3是滾珠自動(dòng)平衡系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的示意圖；Oc為滾珠與軌道的接觸點(diǎn)；Ob為滾珠的質(zhì)心；Or為整個(gè)系統(tǒng)的質(zhì)心圖4是本發(fā)明轉(zhuǎn)子機(jī)械的加速曲線圖B；圖5是公知加速曲線在9500RPM滾珠仍未達(dá)到足以減振位置的曲線圖；圖6是本發(fā)明加速曲線在6600RPM即可發(fā)揮減振效果減振位置的曲線圖；圖7是本發(fā)明降低滾珠自動(dòng)平衡系統(tǒng)穩(wěn)定轉(zhuǎn)速的控制方法的流程圖。
具體的實(shí)施方式本發(fā)明是有關(guān)于一種降低滾珠自動(dòng)平衡系統(tǒng)穩(wěn)定轉(zhuǎn)速的控制方法，其中該滾珠自動(dòng)平衡系統(tǒng)是應(yīng)用于光驅(qū)的轉(zhuǎn)子機(jī)械，即該光驅(qū)機(jī)體內(nèi)部設(shè)置有可供旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)子機(jī)械，該轉(zhuǎn)子機(jī)械包括有一主軸馬達(dá)及一由該主軸馬達(dá)所驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)子，該轉(zhuǎn)子是以一軸承套接于該主軸馬達(dá)末端的轉(zhuǎn)軸，該轉(zhuǎn)子是呈一開口向上的盤狀體，且其上端凹設(shè)有至少一同軸的環(huán)軌，該環(huán)軌內(nèi)是置放有至少一可供平衡的滾珠，該至少一滾珠是可于該環(huán)軌內(nèi)自由運(yùn)動(dòng)；當(dāng)光驅(qū)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，該主軸馬達(dá)通過該轉(zhuǎn)子而帶動(dòng)光盤片旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，且在旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中，該環(huán)軌內(nèi)的滾珠即依離心力原理，而將抵靠于該環(huán)軌的外環(huán)壁，并使?jié)L珠處于平衡位置的狀態(tài)。
請(qǐng)參閱圖3所示，為滾珠自動(dòng)平衡系統(tǒng)的理論模型，且根據(jù)該理論模型可推導(dǎo)出下列的運(yùn)動(dòng)方程式MX..+CX.+KX=Mre(β..sinβ+β.2cosβ)+mR[(β..+φ..)sin(β+φ)+(β.+φ.)2cos(β+φ)]]]>MY..+CY.+KX=Mre(-β..cosβ+β.2sinβ)+mR[-(β..+φ..)cos(β+φ)+(β.+φ.)2sin(β+φ)]]]>X..sin(β+φ)-Y..cos(β+φ)-Rφ..=Rβ..±μ(Rφ.2+2-rβ.2)]]>其中μ為滾珠的運(yùn)動(dòng)阻力。
再者，將上述運(yùn)動(dòng)方程式改寫為極坐標(biāo)形式，并假設(shè)該滾珠達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，該滾珠相對(duì)于不平衡量的角度為π，亦即，φ＝π，依照此假設(shè)帶入上述方程式則可得到(μ+(Mre-m·R)M·rsinψcosψ)(β.ωn)2=(Rr+(m·R-Mr·e)M·rsin2ψ)(β..ωn2)+2·x.·ξr·ωnsinψ+xrsinψ---(1)]]>其中0≤ψ≤π，ωn=KM]]>ξ=C2Mωn]]>另可推導(dǎo)出滾珠相對(duì)于軌道等角度運(yùn)動(dòng)的條件x..β.2>μ·rsinφ---(2)]]>給定G(β.)=M·x..Mr·e·β.2]]>為系統(tǒng)頻率響應(yīng)方程式(2)可改寫為G(β.)M·Mr·e>μ·rsinφ]]>所以改變?chǔ)?，使G(β.)<μ·r·MMr·e·sinφ---(3)]]>上述公式中m為滾珠的質(zhì)量；R為軌道半徑；ψ為滾珠與不平衡量的相對(duì)角度；ωn為懸吊系統(tǒng)自然頻率；K為系統(tǒng)的彈簧系數(shù)；M為整個(gè)系統(tǒng)的質(zhì)量；ξ為阻尼比；C為系統(tǒng)的阻尼；x為X座標(biāo)的參數(shù)；y為Y座標(biāo)的參數(shù)；β為不平衡量相對(duì)于絕對(duì)坐標(biāo)的角度；μ為滾珠運(yùn)動(dòng)阻力；r為滾珠半徑；G(β)為系統(tǒng)響應(yīng)頻率；Mr·e為不平衡量；
這樣，該滾珠便無法維持相對(duì)于軌道的等角速度運(yùn)動(dòng)。再者，滿足方程式(3)的最小轉(zhuǎn)速稱為“滾珠不穩(wěn)定臨界轉(zhuǎn)速”，且從方程式(1)、(3)可以得知，只要方程式(3)成立，便可借由降低β達(dá)到降低滾珠穩(wěn)定速度的目的。
再請(qǐng)參閱圖4及圖7所示，分別為本發(fā)明應(yīng)用于轉(zhuǎn)子機(jī)械的加速曲線圖，以及本發(fā)明降低滾珠自動(dòng)平衡系統(tǒng)穩(wěn)定轉(zhuǎn)速的控制方法的流程圖；其中，該控制方法包括有下列步驟，其中步驟(1)根據(jù)一預(yù)定方式?jīng)Q定一滾珠穩(wěn)定轉(zhuǎn)速ωs，且該轉(zhuǎn)速ωs介于一滾珠不穩(wěn)定臨界轉(zhuǎn)速ωc與一機(jī)械轉(zhuǎn)子工作轉(zhuǎn)速ω(ωc＜ωs＜ω＝，該滾珠不穩(wěn)定臨界轉(zhuǎn)速ωc是由方程式(3)決定而且大于旋轉(zhuǎn)動(dòng)力學(xué)(Rotor Dynamics)所定義的臨界轉(zhuǎn)速ωn(critical velocity)(或稱懸吊系統(tǒng)自然頻率)，該工作轉(zhuǎn)速ω是為該主軸馬達(dá)的最大轉(zhuǎn)速；步驟(2)提供一加速度，予以通過該滾珠不穩(wěn)定臨界轉(zhuǎn)速ωc后，使該轉(zhuǎn)子機(jī)械如主軸馬達(dá)加速至該穩(wěn)定轉(zhuǎn)速ωs，此步驟的加速度是為起初加速度α1，該α1可大于公知的起始加速度α1’，如圖2與圖4比較所示；步驟(3)當(dāng)上述加速度將轉(zhuǎn)子機(jī)械的轉(zhuǎn)速加速至穩(wěn)定轉(zhuǎn)速ωs時(shí)，系統(tǒng)給予一反饋信號(hào)給轉(zhuǎn)子機(jī)械，降低該轉(zhuǎn)子機(jī)械的加速度，使?jié)L珠達(dá)到一穩(wěn)定位置，此步驟的加速度為零時(shí)，則該轉(zhuǎn)速ωs可為該滾珠達(dá)到穩(wěn)定位置的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速，該穩(wěn)定轉(zhuǎn)速是小于公知的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速ωs’，若該加速度為相當(dāng)小的加速度α2即該加速度是趨近于零時(shí)，亦可得相近于該轉(zhuǎn)速ωs大小的一穩(wěn)定轉(zhuǎn)速，且該穩(wěn)定轉(zhuǎn)速亦小于公知的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速ωs’，如圖4所示；以及步驟(4)再加速該轉(zhuǎn)子機(jī)械至該工作轉(zhuǎn)速ω，此步驟的加速度α3是小于該主軸馬達(dá)的起初加速度α1。
另請(qǐng)參閱圖5及圖6所示，分別通過圖2及圖4的加速曲線A及B仿真實(shí)驗(yàn)得知，公知加速曲線在9500RPM滾珠仍未達(dá)到足以減振位置的曲線圖，以及本發(fā)明加速曲線在6600RPM即可發(fā)揮減振效果減振位置的曲線圖。
上述實(shí)施例僅為本發(fā)明的較佳可行實(shí)施例，非因此即拘限本發(fā)明的專利范圍，故舉凡運(yùn)用本發(fā)明說明書及圖式內(nèi)容所為的等效結(jié)構(gòu)變化，均同理皆包含于本發(fā)明的范圍內(nèi)，特此聲明。
權(quán)利要求
1.一種降低滾珠自動(dòng)平衡系統(tǒng)穩(wěn)定轉(zhuǎn)速的控制方法，其特征在于其中該滾珠自動(dòng)平衡系統(tǒng)是應(yīng)用于光驅(qū)的轉(zhuǎn)子機(jī)械，該轉(zhuǎn)子機(jī)械包括有一主軸馬達(dá)及一由該主軸馬達(dá)所驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)子，該轉(zhuǎn)子上凹設(shè)有至少一同軸的環(huán)軌，該環(huán)軌內(nèi)是置放有至少一滾珠，用以產(chǎn)生自動(dòng)平衡，該控制方法包括下述步驟(1)根據(jù)一預(yù)定方式設(shè)定一滾珠穩(wěn)定轉(zhuǎn)速ωs，且該滾珠穩(wěn)定轉(zhuǎn)速ωs介于滾珠不穩(wěn)定臨界轉(zhuǎn)速ωc與轉(zhuǎn)子機(jī)械的工作轉(zhuǎn)速ω之間；(2)提供一初始加速度，將該轉(zhuǎn)子機(jī)械的轉(zhuǎn)速加速至該滾珠穩(wěn)定轉(zhuǎn)速ωs；(3)降低該轉(zhuǎn)子機(jī)械的加速度，使?jié)L珠達(dá)到一穩(wěn)定位置；以及(4)再以最終加速度加速該轉(zhuǎn)子機(jī)械的轉(zhuǎn)速至該工作轉(zhuǎn)速ω。
2.如權(quán)利要求1所述的降低滾珠自動(dòng)平衡系統(tǒng)穩(wěn)定轉(zhuǎn)速的控制方法，其特征在于所述的步驟(3)中的降低加速度趨于或等于零。
3.如權(quán)利要求1所述的降低滾珠自動(dòng)平衡系統(tǒng)穩(wěn)定轉(zhuǎn)速的控制方法，其特征在于所述的步驟(4)的最終加速度小于步驟(2)的初始加速度。
4.如權(quán)利要求1所述的降低滾珠自動(dòng)平衡系統(tǒng)穩(wěn)定轉(zhuǎn)速的控制方法，其特征在于所述的滾珠不穩(wěn)定臨界轉(zhuǎn)速ωc為滿足方程式G(β.)<μ·r·MMr·e·sinφ]]>的最小轉(zhuǎn)速，大于旋轉(zhuǎn)動(dòng)力學(xué)所定義的臨界轉(zhuǎn)速ωn，也稱懸吊系統(tǒng)自然頻率；式中 為系統(tǒng)響應(yīng)頻率，μ為滾珠的運(yùn)動(dòng)阻力，r為滾珠半徑，M為整個(gè)系統(tǒng)的質(zhì)量，Mr·e為不平衡量，φ為滾珠相對(duì)于不平衡量的角度。
5.如權(quán)利要求1所述的降低滾珠自動(dòng)平衡系統(tǒng)穩(wěn)定轉(zhuǎn)速的控制方法，其特征在于所述的轉(zhuǎn)子機(jī)械的工作轉(zhuǎn)速ω為轉(zhuǎn)子機(jī)械的最大轉(zhuǎn)速。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種降低滾珠自動(dòng)平衡系統(tǒng)穩(wěn)定轉(zhuǎn)速的控制方法，該方法包括根據(jù)一預(yù)定方式?jīng)Q定一轉(zhuǎn)速ω
文檔編號(hào)G11B33/08GK1474394SQ0212767
公開日2004年2月11日 申請(qǐng)日期2002年8月7日 優(yōu)先權(quán)日2002年8月7日
發(fā)明者郭立華, 陳徵君 申請(qǐng)人:建興電子科技股份有限公司