CN101136217A - 用于蓝光高密度光盘伺服系统的周期自适应重复控制器 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种普遍适用于各种光盘伺服系统的周期自适应重复控制器，该控制器尤其适用于蓝光高密度光盘系统。本发明在光盘伺服中传统相位校正控制器的基础上，叠加了重复控制器，通过合理设计重复控制器环节中低通滤波器的截止频率，可以保证系统的稳定性。此外，设计了光盘转动周期的自适应环节，实时校正重复控制器延时周期环节，使所设计的控制器能够连续、稳定、高效的应用于光盘伺服系统。

Description

用于蓝光高密度光盘伺服系统的周期自适应重复控制器

技术领域

本发明涉及数字存储和伺服控制领域，更具体而言，涉及用于蓝光高密度存储装置(例如，HD-DVD、Blu-ray和蓝光多阶光盘)的一种新型伺服控制方法。

背景技术

光盘在工作过程中要始终保证聚焦光斑沿信息记录面上的记录符轨迹扫描，通过探测被记录符调制后的反射光场获得原始高频信号，再经过均衡、检测、解调和纠错后才能恢复出记录信息。然而，光盘盘片在高速转动时产生的抖晃、轴向跳动以及安装引入的倾斜，不可避免的使盘片信息记录面在工作过程中会超出聚焦光束的焦深范围，出现离焦，而且，盘片缺陷和安装定位精度等会造成盘片物理中心和旋转中心不重合，使聚焦光盘偏离轨道。因此，要保证光盘信号的可靠读取，光盘系统必须具备两个基本伺服功能，即垂直方向的聚焦伺服运动和径向的循迹伺服运动，分别补偿盘片离焦和偏心引起的误差。

光盘系统中采用力矩器作为伺服控制的执行机构，在控制方法上普遍采用传统的超前-滞后相位校正法，通过调整控制器的频率的特性和系统增益获得满足实际使用需要的控制系统。随着光盘存储密度要求的提高，蓝光HD-DVD、蓝光Blu-ray和蓝光多阶光盘等多种高密度光盘格式随之出现，这些系统对于光盘的伺服精度和控制系统性能提出了更高的要求。由于传统的相位校正控制方法在增益和带宽的协调上存在一定的局限性，因此已经不能完全满足高密度光盘系统对于伺服精度的要求了。

针对上述问题，需要设计更高性能的伺服控制系统以满足蓝光高密度光存储系统的需要。

发明内容

为了满足蓝光高密度光盘存储系统的伺服精度的需要，本发明提出了一种叠加式周期自适应的重复控制器。

本发明涉及的叠加式周期自适应的重复控制器的结构由三部分组成，包括传统的相位校正控制器、叠加的重复控制器以及周期自适应校正环节。

将本控制器应用于光盘系统的聚焦和循迹伺服环节，其中聚焦光斑的实际位置用X_a(s)表示，它由力矩器驱动的物镜的位置和所决定，X_d(s)为符合光盘系统本身工作要求的预定义轨迹，d(s)为盘片在垂直方向和径向的位置扰动，伺服控制的目标就是尽可能的抵消扰动量的影响，时刻保证聚焦光斑的位置和正常工作的预定义位置一致。当聚焦光斑的位置和目标位置不一致，即存在误差时，应用光电转换的方法可以获得聚焦和和循迹伺服的误差量e(s)，

e(s)＝K_PD(X_d(s)-X_s(s))＝K_PD(X_d(s)-X_a(s)-d(s))，

其中光电转换环节可以近似用比例环节K_PD来表示。如上提取的伺服误差量e(s)首先经过一个重复补偿器环节C_r(s)，对误差信号中的周期性分量进行抑制，同时为了改善系统稳定性，在重复控制系统的时滞环节前设置低通滤波器截止不要的高频成分，C_r(s)可以表示为

$C_r\left(s\right)=\frac{1}{1-Q\left(s\right)e^{-\mathrm{Ts}}}.$

系统中采用了一阶低通滤波器，不失一般性，可将Q(s)表示为

$Q\left(s\right)=\frac{{\mathrm{\ω}}_c}{s+{\mathrm{\ω}}_c},$

其中ω_c为该一阶低通滤波器的截止频率。

经过重复控制器处理后的误差信号用U(s)表示，U(s)作为校正环节C(s)的输入信号，输出信号驱动力矩器P(s)运动，对误差量进行补偿，构成一个典型的反馈控制系统。光盘的相位校正环节C(s)可由比例增益器、高增滤波器G₁(s)和超前-滞后滤波器G₂(s)三部分组成，表示为

C(s)＝K_G·G₁(s)·G₂(s)，

其中

$G_1=\frac{\frac{1}{2\mathrm{\π}{f}_2}s+1}{\frac{1}{2\mathrm{\π}{f}_1}s+1},$ $G_2=\frac{\frac{1}{2\mathrm{\π}{f}_3}s+1}{\frac{1}{2\mathrm{\π}{f}_4}s+1},$

f₁和f₂是低频段的一个高增益滤波器的两个转折频率，单位为Hz，一般f₁选取光盘的转速相近的值，f₂可以选得稍大一些，以满足系统相位裕量为基本原则。f₃和f₄是超前-滞后相位校正环节的两个转折频率，单位为1Hz，合理设计超前-滞后环节的参数可以提高系统中高频段的误差校正特性。

重复控制系统中重复周期T选取的准确性直接影响其控制精度。而光盘系统实际上却是一个变速系统，其内圈对应的光盘转速与外圈相去甚远，因此，为重复控制器设计一个周期自适应校正器，是提高重复控制方法在光盘控制领域实际应用可能性的一个关键环节。根据光盘驱动系统的特点，设计了一套体积小巧，成本低廉且易于安装的测速传感器，该传感器的输出是一个与电机转速成正比的周期信号，将信号进行滤波、放大等处理后就可以得到需要的速度反馈信号，进一步对反馈信号的周期进行检测以得到满足重复控制器要求的周期检测精度。

利用检测到的周期值对重复控制器中延时环节进行自适应校正，可以保证本控制器在光盘伺服系统中连续高效地应用，极大地提高蓝光高密度光盘伺服的精度。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明的周期自适应叠加式重复控制器的结构框图；

图2是重复控制器结构；

图3是相位校正控制器结构；

图4是实施例中光盘执行机构力矩器的结构；

图5是实施例中基于磁电原理的速度传感器；

图6是实施例中光盘转动周期检测方法；

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

下面结合附图对本发明进行详细的说明。

图1是根据本发明的周期自适应叠加式重复控制器的结构图，其包括以下步骤：

步骤101，提取的伺服误差量e(s)经过一个重复补偿器环节C_r(s)，对误差信号中的周期性分量进行抑制，得到U(s)表示；

步骤103，U(s)作为相位校正环节C(s)的输入信号，通过调整频率特性获得满足要求的信号特性；

步骤104，经过校正后的信号由力矩器驱动电路后输出信号驱动力矩器P(s)运动，对误差量进行补偿，构成一个典型的反馈控制系统；

步骤102，周期自适应环节实施检测光盘运动周期，将周期信号反馈给重复控制器环节，调整延时周期，获得理想的控制性能。

可以看出，该方法为蓝光等高密度光盘系统伺服方法的改进提供了一种高效可行的方法。下面将进一步描述本发明的优选实施例，以蓝光HD-DVD光盘系统的聚焦伺服环节为例进行说明。

步骤104中，执行机构HD-DVD聚焦力矩器模型结构如图5所示，力矩器的机械机构被简化成质量-弹簧-阻尼系统，根据音圈电机的工作原理可以为力矩器建立动力学和电力学方程，并且得到其传递函数为

$P\left(s\right)=\frac{X\left(s\right)}{I\left(s\right)}=\frac{K}{{\mathrm{ms}}^2+\mathrm{\μs}+k}.$

μ为阻尼系数；k为弹簧刚度；K＝Bl为比例系数，B为磁感应强度，l为线圈的等效长度。力矩器频率特性可以用激光测振仪测得，采用曲线拟合的方式可以精确获得HD-DVD聚焦力矩器传递函数P(s)的表达函数。

参考HD-DVD光盘标准可以获得聚焦伺服系统频率特性的要求，如低频段的增益要求大于68dB，带宽大于4.5kHz，最大误差加速度14m/s²。参照步骤103中，设计相位校正器以最大限度的满足HD-DVD聚焦伺服系统对于频率特性的要求。相位校正器的结构如图3所示。相位校正器C(s)可由比例增益器、高增滤波器G₁(s)和超前-滞后滤波器G₂(s)三部分组成，表示为

C(s)＝K_G·G₁(s)·G₂(s)，

其中

$G_1=\frac{\frac{1}{2\mathrm{\π}{f}_2}s+1}{\frac{1}{2\mathrm{\π}{f}_1}s+1},$ $G_2=\frac{\frac{1}{2\mathrm{\π}{f}_3}s+1}{\frac{1}{2\mathrm{\π}{f}_4}s+1},$

f₁和f₂是低频段的一个高增益滤波器的两个转折频率，单位为Hz，一般f₁选取光盘的转速相近的值，f₂可以选得稍大一些，以满足系统相位裕量为基本原则。f₃和f₄是超前-滞后相位校正环节的两个转折频率，单位为Hz，合理设计超前-滞后环节的参数可以提高系统中高频段的误差校正特性，超前频率f₃和滞后频率f₄的值一般分别设为f₀/3和3f₀，其中f₀为伺服系统开环传递函数的剪切频率。采用如上设计的相位校正器后的聚焦伺服系统要求符合HD-DVD聚焦环节的标准频率特性，并且相位裕量足够，控制稳定性良好。

为了进一步抑制HD-DVD光盘高主轴转速带来的高频噪声和周期性扰动的影响，参照步骤101引入了重复控制器，其结构如图2所示。重复补偿器环节C_r(s)可以表示为

$C_r\left(s\right)=\frac{1}{1-Q\left(s\right)e^{-\mathrm{Ts}}}.$

系统中采用了一阶低通滤波器，不失一般性，可将Q(s)表示为

$Q\left(s\right)=\frac{{\mathrm{\ω}}_c}{s+{\mathrm{\ω}}_c},$

其中ω为该一阶低通滤波器的截止频率。重复控制器的引入对于原有控制系统的稳定性造成一定的影响，必须重新加以设计。应用状态空间方程可以将叠加重复控制器以后的系统转换为一个典型的延时系统，进一步利用Lyapunov稳定性判据来判断系统的稳定性。定义一个广义能量Lyapunov函数V(t)，控制系统的稳定性分析问题进一步转化成关于矩阵变量的线形矩阵不等式(LMI)的可行性问题，随着解决线性矩阵不等式的内点法的提出以及计算机数值处理软件Matlab中LMI工具箱的推出，使线性矩阵不等式的求解变得简单而实用，从而使LMI在控制领域获得了越来越多的应用。由此，在原控制器系统中附加重复控制器后的稳定性条件已经得以建立。应用Matlab中LMI工具箱解得满足系统稳定性要求的重复控制器中一阶低通滤波器截止频率的上限值ω_cmax，也就说当设定的低通滤波器截止频率小于ω_cmax时，叠加重复控制器后的HD-DVD聚焦伺服环节在仍然满足稳定性要求的前提下，对周期性误差提供足够的抑制。

优选地，在为HD-DVD重复控制器设计的周期自适应检测环节采用磁电原理的速度传感器，如图5所示。该传感器的输出是一个与电机转速成正比的周期信号，将信号进行滤波、放大等处理后就可以得到需要的速度反馈信号了。传感器输出信号的频率f_n等于电机转速n与传感器铜箔段匝数N的乘积的一半，即

$f_n=\frac{N}{2}n.$

优选地，在设计的传感器中选定铜箔段匝数N＝120，那么传感器输出信号的频率就为转速的60倍，应用于HD-DVD光盘系统时传感器输出信号的频率范围约为1080Hz～2870Hz。图6所示为HD-DVD光盘周期测量的示意图，其中f_n为传感器输出频率信号，FG为对应的盘片转速信号，每60个f_n信号发生一次边沿的跳变，CLK为150kHz的计数时钟信号(同数字采样时钟)，分别对FG信号的高低电平进行计数，设计数值为NFG就可以得到光盘转速周期T为

T＝N_FG/150ms。

由于采用了计数器时钟150kHz远高于盘片的转速周期，因此可以得到很高的周期检测精度P_FG＝1/N_FG，HD-DVD光盘系统的周期检测精度高于3×10^-4，可以很好的满足重复控制器对于重复周期估计精度的要求。将检测到的光盘转动周期实时反馈给重复控制器环节，进行延时周期的调整，可以获得足够稳定的控制性能。

综上，本发明为蓝光HD-DVD光盘提供了一种与性能更强的伺服控制器，能够满足数据稳定读取的需要。

另外，本领域技术人员应当理解，本发明提出的周期自适应的重复控制器不仅仅适用于蓝光HD-DVD光盘系统，对于蓝光Blu-ray光盘和蓝光多阶光盘，甚至传统的DVD和CD等光盘系统都是适用的，因此本发明是一种普遍适用于各种盘式光盘系统的控制器。

再者，出于说明目的，本文披露了一种磁电原理的速度传感器用于光盘周期的检测，但是，本领域技术人员应当理解，这并不用于限定本发明，采用其它原理的速度检测方法同样适用于本发明。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种适用于蓝光高密度光存储伺服系统的周期自适应叠加式重复控制器，其特征在于：a)针对光盘标准中要求设计相位校正控制器，使光盘伺服系统满足频率响应特性要求；b)在相位控制器基础上叠加重复控制器，在不破坏系统稳定性前提下，进一步对周期性扰动提供足够的抑制能力；c)引入周期自适应环节，实时反馈光盘转动周期，不断调整重复控制器中延时周期；

2.根据权利要求1所设计的相位校正控制器，其特征在于：光盘的相位校正环节C(s)可由比例增益器、高增滤波器G₁(s)和超前-滞后滤波器G₂(s)三部分组成，表示为C(s)＝K_G·G₁(s)·G₂(s)，

其中

$G_1=\frac{\frac{1}{2\mathrm{\π}{f}_2}s+1}{\frac{1}{2\mathrm{\π}{f}_1}s+1},G_2=\frac{\frac{1}{2\mathrm{\π}{f}_3}s+1}{\frac{1}{2\mathrm{\π}{f}_4}s+1},$

f₁和f₂是低频段的一个高增益滤波器的两个转折频率，单位为Hz，f₃和f₄是超前-滞后相位校正环节的两个转折频率，单位为Hz。

3.根据权利要求1所设计的叠加式重复控制器，其特征在于：在重复控制系统的时滞环节前设置低通滤波器截止不要的高频成分，C_r(s)可以表示为

$C_r\left(s\right)=\frac{1}{1-Q\left(s\right)e^{-\mathrm{Ts}}}.$

4.根据权利要求3，重复控制器环节采用了一阶低通滤波器，不失一般性，可将Q(s)表示为

$Q\left(s\right)=\frac{{\mathrm{\ω}}_c}{s+{\mathrm{\ω}}_c},$

其中ω_c为该一阶低通滤波器的截止频率。

5.根据权利要求1设计的光盘转动周期自适应环节，其特征在于：速度传感器输出与光盘转速成正比的周期信号，利用高频计数器对于周期信号进行检测；

6.根据权利要求5设计的一种速度传感器，其特征在于：采用磁电原理的速度传感器，体积小巧，成本低廉且易于安装。该传感器的输出是一个与电机转速成正比的周期信号，频率f_n等于电机转速n与传感器铜箔段匝数N的乘积的一半，即 $f_n=\frac{N}{2}n.$ 将信号进行滤波、放大等处理后就可以得到需要的速度反馈信号。

7.根据权利要求5设计的一种周期检测方法，其特征在于：采用频率远高于传感器输出f_n计数时钟信号，对采用计数器法对于光盘转速周期T进行检测。

8.根据权利要求7中获得的光盘转速周期T，作为自适应反馈量实时调整权利要求3中重复控制器延时环节的周期。

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