CN100505052C - 高速读取偏心dvd碟片的循轨伺服重复控制系统 - Google Patents

Abstract

一种电子信息技术领域的高速读取偏心DVD碟片的循轨伺服重复控制系统，检测转换模块把激光读写器的光信号转化成电信号，然后与系统给定值比较产生近似线性的循轨误差信号，智能决策模块通过对循轨误差信号进行处理后可以辨别出该盘片是否存在偏心，如果存在偏心，则利用重复补偿模块对因偏心引起畸变的循轨误差信号进行补偿与校正，然后再经过通用控制模块输出到循轨伺服系统；否则，直接进入通用控制模块，然后输出到循轨伺服系统上。本发明DVD光驱可以高倍速读取偏心DVD盘片，大大提高了DVD系统的抗Run-Out干扰能力和读取偏心碟片的性能与成功率。该控制系统具有简单的形式，并且参数少，易于在线调试。

Description

高速读取偏心DVD碟片的循轨伺服重复控制系统

技术领域

本发明涉及一种DVD光碟机伺服控制系统，更具体的讲，涉及一种高速读取偏心DVD碟片的循轨伺服重复控制系统。属于电子信息技术领域。

背景技术

DVD光驱循轨伺服控制机构的等效物理模型可以看成的双车结构，小车通过一弹簧和阻尼器连接到大车，他们之间存在着复杂的耦合关系。其中大车对应着粗调致动器，一般是一直流无刷电机，主要用来快速长距离寻轨，它有一个大的移动范围，但是带宽比较小，相应速度较慢。小车对应着微调致动器，是一音圈电机，承载着激光读写器OPU(optical pick-up)，主要作用是短距离寻轨和循轨，径向移动范围较小，但是带宽比较大，相应速度快，比较灵敏。小车通过一弹簧和阻尼器连接到大车，他们之间存在着复杂的耦合关系。当光驱开始循轨时，由于外界干扰，比如震动、盘片偏心或者盘面划痕等很容易引起激光读写器的光点不能聚焦于光盘的轨道中心，而产生偏摆(Run-Out)现象，甚至脱轨，给准确高速读取DVD盘片带来困难。

“高速读取DVD盘片”是指：在DVD循轨伺服控制系统中，要求激光读写器的光点始终聚焦于盘片轨迹的中心处，但是制造上偏心的盘片会对循轨误差信号TE(tracking errors)产生周期性的扰动。该扰动一般表现为激光读写器沿着盘片轨迹的中心线做上下的偏摆，如频率与主轴马达成正比的正弦信号。由于该周期干扰信号的频率与转速成正比，随着DVD转速的不断提高，该周期干扰信号的频率也相应变得越来越高。ECMA组织于1999年颁布了DVDROM的循轨伺服规格ECMA-267规定：盘片偏心幅度不能大于50μm，且激光读写器的光点距离盘片轨迹中心处的最大距离不能超过0.022μm；且要求实际的循迹伺服幅值特性波动范围在参考值上下浮动不能超过20％。因此，对于最大幅度50μm的偏心盘片产生的激光读取器光头偏摆不能超过0.022μm，也即循轨误差与盘片偏心幅度的比率不能大于

但是为了达到此项要求，理想的开环循迹伺服标准特性决定了光盘旋转频率不能大于23.1Hz，对于频率高于23.1Hz的转速，循轨误差与盘片偏心幅度的比率将大于K₀，DVD循轨伺服系统将不能满足要求。但是现代DVD转速已经达到了48倍速，主轴马达转速为9600转/分钟，约160Hz，所以系统不能抑制如此高频率的偏摆(Run-Out)扰动信号，因而不能高速读取偏心盘片。

经对现有技术的文献检索发现，中国发明专利(申请号01110490.2)提出了一种光驱循轨伺服系统及方法，该种系统用以控制光学读写头对资料轨迹进行循轨运动，包括：感测装置、控制装置、决策装置及动力装置，仅适用于碟片无偏心情况，不能解决由于碟片偏心带来的正弦周期偏摆(Run-Out)问题，更不能以超过23.1Hz的转速来高倍速读取偏心DVD盘片。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种高速读取偏心DVD碟片的循轨伺服重复控制系统。通过循轨误差信号TE判断是否存在偏心情况，然后在过程控制中的串联校正原理和内模控制原理的基础上，设计重复控制系统来抑制因高速读取偏心盘片带来的正弦周期偏摆，从而避免了高倍速读取偏心盘片时有可能出现的脱轨现象，提高了光驱读取偏心盘片的成功率。

本发明是通过以下技术方案实现的，包括：检测转换模块、智能决策模块、重复补偿模块、通用控制模块、多路选择开关和光驱循轨伺服机构。其中通用控制模块设在光驱循轨伺服机构的输入端；检测与转换模块设在光驱循轨伺服机构的输出反馈通路上，其输出与给定值比较产生循轨误差信号；循轨误差信号分成两路，一路连接到智能决策模块输入端，通过该模块可以判断此时放入光驱的盘片是否存在偏心，另一路连接到多路选择开关上；智能决策模块的输出决定了多路选择开关的开关位置；多路选择开关的输出有两种可能的通路，一路连到重复补偿模块，重复补偿模块输出连到通用控制模块，另一路直接连到通用控制模块。上述各个模块的工作流程：检测转换模块把激光读写器的光信号转化成电信号，然后与系统给定值比较产生近似线性的循轨误差信号。智能决策模块通过对循轨误差信号进行处理后可以辨别出该盘片是否存在偏心。如果存在偏心，则利用重复补偿模块对因偏心引起畸变的循轨误差信号进行补偿与校正，然后再经过通用控制模块输出到光驱循轨伺服机构；否则，直接进入通用控制模块，然后输出到光驱循轨伺服机构上。

所述的智能决策模块包括归一化模块和求取偏移量模块，归一化模块对循轨误差信号TE进行归一化后，输出到求取偏移量模块，求取偏移量模块对循轨误差信号TE进行求取偏移量，通过求取偏移量后的循轨误差信号判知是否存在因盘片偏心而引起的畸变，由于循轨误差信号畸变的存在和盘片的偏心是一一对应的关系，据此可判断此时放入光驱的盘片是否存在偏心，进而控制多路选择开关在两路处理系统中选择某一路对循轨误差信号进行处理。其具体选择策略：如果该盘片不存在偏心，则循轨误差信号直接进入通用控制模块；否则，循轨误差信号先通过重复补偿模块后再进入通用控制模块。

所述的重复补偿模块包括延迟模块和低通滤波器模块，主要用来补偿和校正因盘片偏心引起的畸变循轨误差信号。其基本流程为：畸变的循轨误差信号经过延迟模块处理后延迟一个周期，然后通过一个低通滤波器反馈叠加在下一个周期的畸变循轨误差信号上，从而达到逐步校正畸变循轨误差信号的目的。

所述的通用控制模块包括比例模块和滞后超前控制模块。比例模块主要用来增大系统的直流增益，加快系统的响应速度，并提高系统的调节精度；滞后超前控制模块主要实现增大系统的回路的频率带宽和相角裕度。循规误差信号通过比例模块和滞后超前控制模块后得到相应的控制量，使循轨伺服系统与通用控制模块的串联后的回路幅值特性达不到标准ECMA-267要求的范围之内。该通用控制模块可以增强系统的鲁棒性，有效的抑制外界扰动对光驱循轨伺服系统产生的随机白噪声，减小激光读写器OPU的波动幅度，从而使激光读写器的光点最大限度的聚焦于光盘的轨道中心。

所述的光驱循轨伺服机构包括粗调致动器、微调致动器以及齿轮等传动机构组成，等效物理模型可以看成的双车结构，与现有技术相同。主要功能是把激光读写器尽可能精确地在盘片上作径向移动，完成长短距离寻轨、跳轨以及循轨等功能。

与现有技术相比，本发明成功抑制了因盘片偏心产生的Run-Out偏摆现象，满足了规格ECMA-267的要求，提出了倍速读取偏心盘片的方法，解决了不能抑制频率高于23.1Hz偏摆问题，使DVD光驱可以高倍速读取偏心DVD盘片，目前可以达到200Hz以上。同时降低了对盘片生产质量的要求，提高了读取偏心盘片的成功率。

附图说明

图1为DVD允许循轨系统偏摆误差示意图和物理等效模型。

图2为本发明各个功能模块的示意图。

图3为重复循轨伺服系统控制结构图。

图4为|1+G(jω)|伯德图，G(jω)为经通用补偿模块补偿后的转递函数。

图5为重复补偿模块中的F(s)参数选择方案示意图。

图6为本发明实施例中光驱循轨伺服机构的输出仿真对比示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，DVD允许循轨系统偏摆误差示意图和物理等效模型。DVDROM的循轨伺服控制系统规格ECMA-267规定盘片的最大偏心幅度不能超过±50μm的范围，且激光读写器的光点距离盘片轨迹中心处的最大距离不能超过0.022μm。取一幅值为50000个单位正弦信号作为干扰信号源，观察输出是否小于22个单位，以验证本实施例的系统是否满足规格ECMA-267的要求。

如图2所示，本实施例包括检测转换模块、智能决策模块、重复补偿模块、通用控制模块和光驱循轨伺服机构。其中通用控制模块设在光驱循轨伺服机构的输入端；检测与转换模块设在光驱循轨伺服机构的输出反馈通路上，其输出与给定值比较产生循轨误差信号；循轨误差信号分成两路，一路连接到智能决策模块输入端，通过该模块可以判断此时放入光驱的盘片是否存在偏心，另一路连接到多路选择开关上；智能决策模块的输出决定了多路选择开关的开关位置；多路选择开关的输出有两种可能的通路，一路连到重复补偿模块，重复补偿模块输出连到通用控制模块，另一路直接连到通用控制模块。

检测转换模块主要用来把光驱循轨伺服机构输出的光信号通过光电转化器和信号放大器变成电信号，然后与给定值比较产生需要的近似线性的循轨误差信号。

智能决策模块包括归一化模块和求取偏移量模块。对循轨误差信号经过归一化模块和求取偏移量模块处理从而判断该循轨误差信号是否存在因盘片偏心而产生的畸变，进而依此选择不同的处理循轨误差信号的通路。

所述归一化模块采集n个TE信号数据点，求取这n个TE信号数据点的平均值Mean和最大值Max，对于每个循轨误差信号(TE信号)数据利用算式(TE-Mean)/Max可以实现循轨误差信号的归一化，归一化后的循轨误差信号仅在[-1，1]范围内波动，便于处理和分析。所述求取偏移量模块是指经归一化模块归一化后的循轨误差信号沿着某一中心线上下波动，那条中心线就是求取偏移量的结果。其判别准则为：如果经过归一化、求取偏移量后的循轨误差信号为一正弦信号，则该盘片为一偏心盘片；如果经过归一化、求取偏移量后的循轨误差信号基本为一恒定值零，则该盘片不存在偏心。如果该盘片不存在偏心，则循轨误差信号直接进入通用控制模块；否则，轨误差信号先通过重复补偿模块后再进入通用控制模块。

光驱循轨伺服机构包括粗调致动器、微调致动器以及齿轮等传动机构组成。其辨识数学模型一般不符合标准ECMA-267的要求，需要设计补偿或者控制器来达到要求。如图3所示，其中P(s)是光驱循轨伺服机构的数学模型；C(s)为通用控制模块，其功能使整个开环传递函数G＝C×P的过零频率为2.4kHz，并且使系统达到循轨伺服规格ECMA-267的要求；Cr(s)为根据稳定性条件设计的重复补偿模块，其中F(s)为一低通滤波器。

从某一技术手册中得到某一DVD光驱机电光循轨伺服机构辨识模型 $P\left(s\right)=\frac{3.62e12}{s^4+10040s^3+6.23e{10s}^2+6.77e12s+5.7e15},$ 本实施例将根据ECMA-267标准和重复控制原理依次分别设计通用控制模块和重复补偿模块。ECMA规定系统的增益(|1+G|)可以在参考系统相应增益(|1+H_ref|)的上下20％浮动。图4虚线部分描述了循轨伺服系统要满足误差要求的增益范围。当频率在9.6Hz至23.1Hz时，增益需在67.1dB至89.2dB之间；在100Hz时增益需在43.7dB至47.3dB之间；而当频宽为2.4KHz时，开环增益约为1。

通用控制模块是在内模控制的基础上按照循轨伺服规格ECMA-267的要求进行设计的。由ECMA-267可以得出系统过零频率ω₀为2.4kHz，低频增益GM＝78dB，由于重复控制器的引入和为了保证系统的稳定性，取稳定裕量θ＝70°。在此基础上，设计了一滞后超前控制器 $C\left(s\right)=\frac{(s+2660)(s+0.3216)}{(s+85520)(s+0.01)}$ 和比例控制器K＝220000000构成通用控制模块，可以得到开环系统的传递函数：G(s)＝K·C(s)·P(s)；此时，校正后|1+G(jω)|的伯德图符合循轨伺服规格ECMA-267，如图5中的实线所示。

重复补偿模块的结构如图3中C_r(s)所示，循轨误差信号反馈经过e^-Ts和F(s)二个运算环节后与原信号叠加，其中e^-Ts代表把信号延迟T个时间单位，F(s)代表一低通滤波器。由经典控制理论可知，重复补偿模块的输入与输出关系为 $C_r\left(s\right)=\frac{1}{1-F\left(s\right)e^{-\mathrm{Ts}}},$ 其中F(s)＝1/(1+τs)。总体上，该模块含有2个参数，一是延迟时间T，一般取干扰信号频率的倒数，而该频率与光驱主轴马达的转速成正比。另一参数是低通滤波器中的参数τ，由重复控制器C_r.(s)的稳定性条件决定。

重复补偿模块的设计是根据|1+G(jω)|的伯德图和重复控制算法的稳定性要求来进行模块中参数T和τ的确定。如图5所示，首先画出|1+G(jω)|的伯德图，通过试凑选取不同的τ，选取满足|F(jω)|伯德图完全位于|1+G(jω)|之下的τ值。设计过程如图5所示的伯德图，由|F₁(jω)|可以得到τ₀，从而计算得出τ的范围。在满足式稳定性条件|1+G(jω)|>|F(jω)|的前提下，要使低通滤波器F(s)＝1/(1+τs)的截止频率f₀＝1/τ₀取得最大。由稳定条件，得到τ的范围为 ${\mathrm{\Ω}}_{\mathrm{\τ}}=\left\{\mathrm{\τ}\right|\frac{1}{100}\mathrm{\τ}>{\mathrm{\τ}}_0\}.$ τ₀的物理意义也是显而易见的，即使 $\left|F\left(\mathrm{j\ω}\right)\right|=1/\sqrt{1+{\mathrm{\τ}}^2{\mathrm{\ω}}^2}$ 完全位于|1+G(jω)|之下时τ的最小值。重复补偿模块 $C_r\left(s\right)=\frac{1}{1-F\left(s\right)e^{-\mathrm{Ts}}}$ 参数T一般取光驱主轴马达转速的倒数。假设现在光驱主轴马达的转速为15000转/分钟，即由于盘片偏心产生的干扰信号周期为250Hz，依照上面所述的设计步骤，设计重复控制器 $\mathrm{Cr}\left(s\right)=\frac{1}{1-F\left(s\right)e^{-\mathrm{Ts}}}=\frac{1}{1-\frac{1}{\frac{1}{6000}s+1}{e}^{-\frac{1}{262.803}s}}$ 构成重复补偿模块。

在所选取的实例模型P(s)的基础上，利用上面的步骤求出各个模块中的控制器Cr(s)和C(s)进行系统仿真。如图6所示，本实施例中光驱循轨伺服机构的输出仿真对比示意图。系统在t＝0.2s时加入重复控制器Cr(s)，可见重复控制器很好的抑制了频率为250Hz幅值为50000个单位的周期干扰信号，误差信号e(t)(即输出y(t)与输入r(t)之差)有明显的减少，由原来的94.6个单位减小到了抑制后的15个单位。可见，完全实现了系统要求的跟踪误差信号的要求，即抑制比率为15/50000≈1/3333，要远远小于1/2300。可见该实施例不仅满足规格ECMA-267的要求，即使最大幅度为50μm的偏心盘片产生的激光读写器光头偏摆Run-Out不会超过0.022μm，而且还可以使DVD光驱高速精确的读取偏心盘片。

Claims (5)

1、一种高速读取偏心DVD碟片的循轨伺服重复控制系统，其特征在于，包括：检测转换模块、智能决策模块、重复补偿模块、通用控制模块、多路选择开关和光驱循轨伺服机构；其中通用控制模块设在光驱循轨伺服机构的输入端；检测转换模块设在光驱循轨伺服机构的输出反馈通路上，其输出与给定值比较产生循轨误差信号；循轨误差信号分成两路，一路连接到智能决策模块输入端，通过该模块可以判断此时放入光驱的盘片是否存在偏心，另一路连接到多路选择开关上；智能决策模块的输出决定了多路选择开关的开关位置；多路选择开关的输出有两种可能的通路，一路连到重复补偿模块，重复补偿模块输出连到通用控制模块，另一路直接连到通用控制模块；检测转换模块把激光读写器的光信号转化成电信号，然后与系统给定值比较产生近似线性的循轨误差信号，智能决策模块通过对循轨误差信号进行处理后辨别出该盘片是否存在偏心，如果存在偏心，则利用重复补偿模块对因偏心引起畸变的循轨误差信号进行补偿与校正，然后再经过通用控制模块输出到循轨伺服系统；否则，直接进入通用控制模块，然后输出到循轨伺服机构上。

2、根据权利要求1所述的高速读取偏心DVD碟片的循轨伺服重复控制系统，其特征是，所述的智能决策模块，包括归一化模块和求取偏移量模块，归一化模块对循轨误差信号TE进行归一化后，输出到求取偏移量模块，求取偏移量模块对循轨误差信号TE求取偏移量，通过分析求取偏移量得到的循轨误差信号可判知是此时循轨误差信号TE否存在畸变，由于循轨误差信号畸变和盘片的偏心是一一对应的关系，可据此判断放入光驱的盘片是否存在偏心，进而控制多路选择开关在两路处理系统中选择某一路对循轨误差信号进行处理。

3、根据权利要求2所述的高速读取偏心DVD碟片的循轨伺服重复控制系统，其特征是，所述的通过分析求取偏移量具体是指：归一化模块采集n个TE信号数据点，求取这n个TE信号数据点的平均值Mean和最大值Max，对于每个循轨误差TE信号数据点利用算式(TE-Mean)/Max实现循轨误差信号的归一化，归一化后的循轨误差信号仅在[-1，1]范围内波动；

经归一化模块归一化后的循轨误差信号沿着某一中心线上下波动，那条中心线就是求取偏移量的结果，利用该结果判断此时放入光驱的盘片是否存在偏心，其判别准则为：如果经过归一化、求取偏移量后的循轨误差信号为一正弦信号，则该盘片为一偏心盘片；如果经过归一化、求取偏移量后的循轨误差信号基本为一恒定值零，则该盘片不存在偏心，如果该盘片不存在偏心，则循轨误差信号直接进入通用控制模块；否则，轨误差信号先通过重复补偿模块后再进入通用控制模块。

4、根据权利要求1所述的高速读取偏心DVD碟片的循轨伺服重复控制系统，其特征是，所述的重复补偿模块，包括延迟模块和低通滤波器模块，畸变的循轨误差信号经过延迟模块处理后延迟一个周期，然后通过一个低通滤波器模块反馈叠加在下一个周期的畸变循轨误差信号上，从而逐步校正畸变循轨误差信号。

5、根据权利要求1所述的高速读取偏心DVD碟片的循轨伺服重复控制系统，其特征是，所述的通用控制模块，包括比例模块和滞后超前控制模块，比例模块用来增大系统的直流增益，加快系统的响应速度，并提高系统的调节精度；滞后超前控制模块实现提高系统的回路的频率带宽并增大系统相角裕度；循轨误差信号通过比例模块和滞后超前控制模块后得到相应的控制量，使循轨伺服系统与通用控制模块的串联后的回路幅值特性达到标准ECMA-267要求的范围之内。

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