CN101382772A

CN101382772A - 降噪伺服控制

Info

Publication number: CN101382772A
Application number: CNA2008101313652A
Authority: CN
Inventors: 金秀容; 安宰玄
Original assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 2007-09-07
Filing date: 2008-08-11
Publication date: 2009-03-11
Anticipated expiration: 2028-08-11
Also published as: US7796479B2; KR101263817B1; TW200928628A; KR20090025983A; US20090067298A1; CN101382772B

Abstract

本发明提供了一种伺服控制系统和方法。所述伺服控制系统包括：控制器，输出参数控制信号；装置，具有基于参数控制信号控制的参数；感测电路，感测装置的参数并产生参数误差信号；正弦信号产生器，产生正弦信号；加法器，将参数误差信号和正弦信号组合，其中，所述控制器包括伺服均衡器，伺服均衡器均衡相加的参数误差信号和正弦信号，以输出均衡的参数控制信号来调整参数。

Description

降噪伺服控制

本申请要求于2007年9月7日提交到韩国知识产权局的第10-2007-0091226号韩国专利申请和于2008年3月7日提交到美国专利商标局的第12/044,058号美国专利申请的优先权，该申请的公开通过引用包含于此。

技术领域

本发明总体涉及一种控制系统；更具体地说，本发明涉及一种降噪伺服控制设备及方法。

背景技术

伺服机构或伺服系统是用于通过利用反馈提供对期望的操作的控制的装置。伺服系统通常本质上是利用电机作为产生机械力的主要装置的电或部分电子装置。通常，伺服系统根据负反馈原理来操作，其中将控制输入与由在输出端的某种传感器测量的机械系统的实际位置进行比较。实际值和期望值之间的任何差(误差信号)都被放大并且被用来按照降低或消除误差所需的方向驱动系统。伺服系统被广泛地应用在工业、制造业和家庭中。例如，伺服控制机器人被用在工厂中的装配线中。在家庭中，应用伺服控制来控制暖气炉加热到调温器的设定值。伺服系统被用在家用电器(例如，CD和DVD播放器/记录机、电脑中的磁盘驱动器等)中。

作为一个示例，在CD播放器中，驱动电机使盘片旋转。根据正在被读取的轨道，所述驱动电机被精确地控制在200rpm至500rpm之间旋转。激光和透镜系统在轨道上的目标位置聚焦并读取数据。伺服控制下的跟踪装置移动激光组件，使得激光束能够跟随螺旋轨道。跟踪装置需要能够以非常精细的分辨率移动激光。在伺服控制信号中可能出现的噪声会导致在目标位置或错误的位置读取数据错误，导致CD播放器操作故障。

用在CD或DVD播放器中的相同的跟踪装置也可以被用于在CD或DVD盘的反面上激光蚀刻标签、文本和图案。在读或写CD/DVD中应用的伺服控制电路可被用来定位激光以蚀刻期望的文本或图形。将被标记的盘的表面涂覆有当吸收红外激光时变色的活性染料。通常，将被标记的盘的表面具有光亮并且反光的表面，照射到所述表面的光被反射，甚至更多的噪声被传入到伺服控制机构中。

在任何用于控制高精度执行器的伺服机构中，需要降噪以提高控制信号的信噪比。已经在工程课教导并在课本中解释了多种降噪技术。何种技术可能是有效的主要取决于将要处理的信号的性质以及可能即将在系统中普遍存在的噪声的类型。

图1示出了可能在电子系统中出现的四种不同的噪声谱的示例：(a)从0Hz至1000Hz的低频噪声；(b)从0Hz至5000Hz的低频噪声；(c)在2500Hz至5000Hz之间的宽频带噪声；(d)在4700Hz至5300Hz之间的窄频带噪声。在示波器描迹中，每个水平单位对应于1ms。噪声强度或均方噪声振幅在所有四种情况中近似地相等。

所有电子系统都包含某种形式的白噪声，但是很多应用大规模集成电路的实际系统(例如，在CD或DVD记录机/播放器中使用的伺服系统)还受额外的低频噪声分量的影响，其中，噪声谱密度随着频率降低而增加。这种低频噪声分量通常称为“1/f噪声”。

图2A和图2B示出了沿时间轨迹的频谱白噪声和1/f噪声。图2A示出了相加的噪声谱，图2B示出了信号谱。在图2A中可以看到在1/f曲线中存在强得多的低频分量，即，最好通过过渡频率(transition frequency)f_k来说明1/f噪声，对于f_k以上的频率，白噪声占优势，对于f_k以下的频率，1/f噪声占优势。

在电子系统中，在信号处理中有多种技术来去除或减少噪声。一种技术是通过行频滤波的时间平均法。然而，对于具有1/f噪声的低频优势的系统，低频滤波起不到好的效果。延长积分中的测量时间可以平衡一些噪声，但也使系统对更低频率的噪声更加敏感。此外，低频滤波影响伺服环路的相位裕量和稳定性。

相位裕量是以度为单位测量的在放大器的输出信号的相位角和-360°之间的差。在反馈放大器(例如，用在伺服环路中的放大器)中，在放大器的开环电压增益和放大器的闭环电压增益相等的频率下测量相位裕量。所有放大器的输出信号都表现出与其输入信号相比的时间延迟。该延迟是由于放大器中的内阻、流限制和电容引起的。该延迟导致放大器的输入和输出信号之间的相差。如果在放大器内有足够的级，则在一些频率下的输出信号将比输入信号滞后一个波长。如果反馈输出信号滞后使得输入信号增强，则放大器将不稳定并震荡。在使用低频滤波的情况下，额外的滞后被添加到伺服环路，可能不利地影响伺服环路的相位裕量和稳定性。

也可考虑使用多时间平均法(multiple time averaging，MTA)来降低噪声，MTA指的是一种不同方式的平均法。在MTA中，替代单次长测量，进行一系列的短测量，然后将测量结果平均。由于单个的测量短，所以MTA可以更有效地提高信噪比；然而，多时间平均法涉及额外的电路和除了被引入伺服环路的增加的滞后以外的处理开销。

还可考虑使用调制技术来提高信噪比。信号调制是通常用在通信系统中以将信号从DC(f＝0)转换至任何频率的一种信号处理技术，通常用于避免噪声。通过将信号与具有目标调制频率的载波相乘来调制信号。调制技术可适于在伺服系统中降低噪声，因为可以将调制频率f选择为足够高以避免1/f噪声，并且远离任何可能外部扰动的频率。因为信号被扩散到调制频率的谐波中，所以调制会降低信号强度，但更多地降低了噪声。然而，通过将信号与载波(例如，正弦波)相乘来调制导致需要调谐的相移和延时，或者会导致伺服系统不稳定。

因此，存在有效降低在伺服系统中存在的噪声而不影响被控制的装置的稳定性和操作的伺服控制系统的需要。

发明内容

根据本发明的一方面，提供了一种伺服控制的方法，该方法包括以下步骤：在控制器输出参数控制信号；利用所述控制信号调整装置；感测装置的参数值；输出表示参数误差的误差信号；产生正弦信号；将误差信号和正弦信号组合；将相加的误差信号和正弦信号输入到控制器；在控制器均衡相加的误差信号和正弦信号；输出均衡的信号作为参数控制信号。均衡的步骤包括对相加的误差信号和正弦信号执行平方律操作。

根据本发明的另一方面，该方法还包括对均衡的信号进行低通滤波。以20kHz以上的载波频率和150mV以下的信号电平产生正弦信号。更优选地，正弦信号具有大约40kHz的载波信号和大约100mV的信号电平。

根据本发明的另一方面，位置控制信号被用来控制光盘播放器的光学拾取组件，或控制HDD的盘存取组件。

还提供一种伺服控制系统，该系统包括：控制器，输出参数控制信号；装置，具有基于参数控制信号控制的参数；感测电路，感测所述装置的参数并产生参数误差信号；正弦信号产生器，产生正弦信号；加法器，将参数误差信号和正弦信号组合，其中，所述控制器包括伺服均衡器，伺服均衡器对相加的参数误差信号和正弦信号进行均衡，以输出均衡的参数控制信号来调整参数。

优选地，所述参数是位置、激光功率、倾斜、速率、加速度、强度或持续时间之一。

根据本发明的另一方面，所述装置包括调整参数的执行器，其中，执行器具有在10kHz以下截止的3db的频率响应。以20kHz以上的载波频率和150mV以下的信号电平产生正弦信号；更优选地，正弦信号具有大约40kHz的载波信号和大约100mV的信号电平。

根据本发明的另一方面，所述均衡器包括晶体管器件以对相加的参数误差信号和正弦信号进行平方律操作。所述具有被伺服控制的参数的装置是CD播放器、DVD播放器、ROMROM、DVDROM、光读取器或光记录器之一。根据本发明实施例的伺服控制系统还可被用于HDD并且所述被控制的参数是将要存取的盘的位置，或者所述装置是调温器并且所述参数是温度，或者所述装置是DRAM并且所述参数是刷新率。

根据本发明的又一方面，提供了一种用于数据盘存取装置的伺服控制系统，该系统包括：控制器，输出位置控制信号；盘读取装置，从盘读取数据；跟踪装置，跟踪盘读取装置的位置；误差产生器，产生表示盘读取装置的目标位置和被跟踪的位置之间的差的误差信号；正弦信号产生器，产生正弦信号；加法器，将误差信号和正弦信号相加，其中，控制器包括伺服均衡器，伺服均衡器均衡相加的误差信号和正弦信号，以输出均衡的位置控制信号来调整盘读取装置的位置。

根据本发明的这方面，所述均衡器包括非线性装置，以对相加的误差信号和正弦信号提供平方律效果。所述数据盘存取装置可以是CD播放器、CD记录器、DVD播放器、DVD记录器或HDD之一，或者可以是构造为在CD/DVD盘上蚀刻图案的CD/DVD记录器。

附图说明

下面将参照附图更详细地描述本发明的优选实施例，其中：

图1示出了四个不同的噪声谱的示例：(a)从0Hz至1000Hz的低频噪声；(b)从0Hz至5000Hz的低频噪声；(c)在2500Hz至5000Hz之间的宽频带噪声；(d)在4700Hz至5300Hz之间的窄频带噪声。在示波器描迹中，每个水平单位对应于1ms。

图2A和图2B示出了频谱白噪声和1/f噪声的时间轨迹。图2A示出了相加的噪声谱，图2B示出了信号谱。

图3示出了根据本发明示例性实施例的伺服系统。

图4A示出了根据本发明实施例的将被输入到控制器的示意信号Vin。

图4B示出了根据本发明实施例的从控制器的伺服均衡器输出的Vout信号。

图5示出了根据本发明实施例的应用于CD/DVD播放器的伺服系统。

图6示出了根据本发明实施例的主轴伺服系统。

图7示出了根据本发明实施例的激光伺服系统。

图8示出了根据本发明实施例的伺服系统的操作的处理流程。

具体实施方式

根据本发明的示例性实施例，将正弦(以下称为余弦或正弦)波信号与误差信号相加，然后在非线性装置中将组合信号放大，以减少可能在伺服系统中出现的噪声。

图3示出了根据本发明示例性实施例的伺服系统。具有伺服处理电路的控制器150通过向装置驱动器160产生参数控制信号来控制装置110的参数，从而驱动装置110的参数。目标参数被来自驱动器160的驱动信号驱动为目标参数值。所述参数值被传感器120监视。误差信号产生器130比较目标参数值和从装置110读取的实际参数值，并产生表示所述两个值之差的误差信号X(t)。波产生器140产生正弦信号，例如，余弦载波信号cos(w_ct)。根据该实施例，所述正弦信号具有大于大约20kHz的载波频率和小于大约150mV的信号电平。通过加法器135将该载波信号与从误差信号产生器130输出的误差信号X(t)相加。Vin是从加法器135输出并输入控制器150的复合误差信号。控制器150利用伺服均衡器来处理复合误差信号Vin，以去除载波信号并恢复误差信号，来输出反馈驱动信号Vout。根据本发明的至少一个实施例的伺服均衡器包括用来提供增益的放大元件和用于在均衡复合误差信号时降低伺服系统中的噪声的非线性元件。本领域普通技术人员理解，以放大模式操作的晶体管可提供放大和非线性功能。根据本发明的一个实施例，伺服均衡器包括晶体管元件(未示出)以提供增益和非线性来执行降噪。所述非线性包括对复合误差信号Vin使用平方律近似法处理。可将平方律近似法处理表示为：

v_{out} = a_{1} v_{in} + a_{2} v_{in}^{2},

公式[1]

v_in(t)＝x(t)+cos(w_ct) 公式[2]

v_{out} (t) = a_{1} x (t) + a_{2} x^{2} (t) + a_{2} \cos^{2} (ω_{c} t) + a_{1} [1 + \frac{2 a_{2}}{a_{1}} x (t)] \cos (ω_{c} t)

公式[3]

其中，Vout是通过增益a₁对Vin的线性放大与通过增益a₂对Vin的非线性放大相加的和[公式1]，非线性放大产生平方律效果。应该注意的是，在公式3中的Vout成为a₁x(t)+a₂x²(t)以及出现在载波频率和载波频率的谐波的其他分量的和。如果载波频率被设置在比缓慢变化的误差信号的频率高得多的频率，则Vout在零附近的频率变为a₁x(t)+a₂x²(t)。

图4A示出了根据本发明实施例的复合误差信号Vin的示意信号波形。如所示，Vin在零频率具有大约1V的误差信号分量，在40kHz的载波频率具有大约100mV的正弦(载波)信号分量，以及在较低频率的并且也在其他频率存在的叠加在误差信号上的降低的电压电平的噪声信号。

图4B示出了从控制器150的伺服均衡器处理图4A的示意信号Vin而输出的Vout信号。可以看出，已经通过组合增益系数a₁和a₂将误差信号放大并达到2V。在40kHz的载波频率出现放大版的载波信号，由于噪声信号的较高频率分量被转换到载波频率和载波频率的谐波，所以噪声信号的振幅将被降低。

再次参照图3，如果驱动器160是在低频率(例如，10kHz或更低)工作的执行器，则被执行器识别的Vout信号将是误差信号(在大约2V)和降噪信号。根据本发明的可选实施例，可在控制器150和驱动器160之间插入低通滤波器(LPF)(例如，在或大约在5kHz截止的滤波器)，来从Vout中过滤较高频率分量。当驱动器或执行器可在较高频率操作时，考虑该可选实施例。应该注意的是，除了根据本发明的示例性伺服系统的降噪操作，通过简单相加(而不是通过相乘来调制)引入载波信号cos(w_ct)不改变伺服系统的相位(或相位裕量)。

图5示出了根据本发明实施例的用于CD/DVD播放器的伺服系统。通过拾取头320读取CD/DVD播放器310，拾取头320包括定位激光和透镜组件321的执行器332。光检测器325检测从光盘读取的信息。误差信号产生器330接收从光检测器325检测的信息并产生表示激光和透镜组件的目标位置和由光检测器325检测的实际位置之间的差的误差信号X(t)。波产生器340产生载波信号cos(w_ct)，在加法器345加入该载波信号以输出Vin，Vin依次反馈到控制器350。控制器350包括伺服均衡器，伺服均衡器具有非线性放大装置以对信号Vin产生平方律效果以输出信号Vout，基本如图4B所示。从控制器350将Vout发送到执行器332以完成伺服环路。

虽然图5示出了根据本发明的应用到CD/DVD播放器的伺服系统的示意性实施例，但是本领域技术人员能够容易地理解，该伺服系统可应用到多种其他伺服系统，例如，跟踪伺服、聚焦伺服、倾斜伺服。在这些伺服系统的每个中，执行器332的位置差被光检测器325检测。在利用聚焦伺服的本发明的实施例中，光检测器检测光束的聚焦位置与所选的多层盘的读取表面之间的位置差。

图6示出了根据本发明的主轴伺服系统的示意性实施例。主轴伺服子系统应用主轴电机520来使盘旋转，并利用主轴伺服系统通过将实际旋转速度和电机参照频率比较来控制旋转速度。解码器525用于检测主轴电机的加速度。频率和相误差产生器530将检测到的加速度值与所选的加速度值相比较，并产生误差信号，所述误差信号与由正弦波产生器540产生的正弦波相加。正弦波和误差信号的和Vin被均衡器550均衡，均衡器550具有非线性放大装置，以对信号Vin产生平方律效果，来输出信号Vout，基本与上述公式1至公式3相同。电机驱动器IC560基于均衡的信号Vout对主轴电机520发出加速度命令。可以从副载波频率得到电机参照频率，副载波频率也可被用于修正时基误差(time base error)。通过利用副载波频率作为电机参照信号的来源，主轴电机自身去除所有的由于记录速度和重放速度不相配而产生的固定时基误差。相似的，也可通过副载波频率来控制记录速度。在记录模式和读回模式两者中使用单个高度控制的频率去除时基误差的主要部分。虽然示出了将副载波频率作为在产生电极参照频率中的优选的来源，但是其他高度控制的频率信号可以用于控制写入和读取盘上的调频视频信号。

图7示出了根据本发明实施例的可用于记录/再现设备的激光输出稳定伺服系统。激光二极管710是向信息记录介质记录信息或从信息记录介质再现信息的光源。激光驱动器760发出用于控制光的强度的强度指令，来向盘记录信息或从盘再现信息。准直透镜和分路器布置(未示出)转换将从激光二极管710发射的激光束，以将其会聚为对盘的辐射。反射光束被透镜会聚为向光电二极管720发射。从光电二极管720输出的电流被馈送到误差产生器730，其中，将从光电二极管720读取的强度值和选择值进行比较，差值被输出为误差信号X(t)。正弦波产生器740产生正弦波信号，正弦波信号与误差信号X(t)相加以形成输入到均衡器750的信号Vin。均衡器750执行均衡功能，包括在公式1至公式3中描述的放大和平方律操作。Vout是均衡后的信号，被输出到激光驱动器760以完成伺服环路。

根据可选实施例，本发明的降噪伺服系统与存储器刷新控制器结合使用，以提高存储器(例如，DRAM)系统的性能。存储器刷新控制器检测存储器存取状态，并利用降噪伺服系统调整存储器刷新率，来优化存储器系统的操作速度。

图8示出了根据本发明实施例的伺服系统的操作流程。从控制器向执行器输出驱动信号Vout来调整参数(S400)。检测器检测通过执行器接收的Vout信号调整的参数(S410)。通过比较由检测器读取的实际参数值和目标参数值来产生误差信号X(t)(S420)。在大大超过执行器的操作频率的载波频率，以及远小于检测到的参数的信号电平的信号电平产生载波，即，正弦或cos(w_ct)(S430)。通过加法器将载波信号cos(w_ct)与误差信号X(t)相加，以产生Vin信号(S440)并将Vin输出到控制器。用平方律(非线性)装置处理Vin以产生Vout，即，降噪版的Vin，以完成伺服环路(S450)。

已经描述了降噪伺服控制系统的实施例，应该注意的是，本领域技术人员可以按照以上教导进行修改和改变。因此，应该理解的是，可对公开的本发明的具体实施例作出改变，这在由权利要求限定的本发明的精神和范围内。因此，已经根据专利法的要求描述了本发明的细节和特征，在权利要求书中阐述要求专利法保护的内容和希望得到保护的内容。

Claims

1、一种伺服控制系统，包括:

控制器，输入参数控制信号；

装置，具有基于参数控制信号控制的参数；

感测电路，感测装置的参数并产生参数误差信号；

正弦信号产生器，产生正弦信号；

加法器，将参数误差信号和正弦信号相加，

其中，所述控制器包括伺服均衡器，伺服均衡器均衡相加的参数误差信号和正弦信号，以输出均衡的参数控制信号来调整参数。

2、如权利要求1所述的伺服控制系统，其中，参数是位置、激光功率、倾斜、速率、加速度、强度或持续时间之一。

3、如权利要求1所述的伺服控制系统，其中，所述装置包括调整参数的执行器。

4、如权利要求3所述的伺服控制系统，其中，执行器具有在10kHz以下截止的3db的频率响应。

5、如权利要求1所述的伺服控制系统，其中，以20kHz以上的载波频率和150mV以下的信号电平产生正弦信号。

6、如权利要求5所述的伺服控制系统，其中，所述正弦信号具有在40kHz的载波频率和在100mV的信号电平。

7、如权利要求1所述的伺服控制系统，其中，均衡器包括晶体管器件以对组合的参数误差信号和正弦信号进行平方律操作。

8、如权利要求1所述的伺服控制系统，其中，所述装置是CD播放器、DVD播放器、ROMROM、DVDROM、光读取器或光记录器之一。

9、如权利要求1所述的伺服控制系统，其中，所述装置是HDD，并且所述参数是位置。

10、如权利要求1所述的伺服控制系统，其中，所述装置是存储器系统，并且所述参数是刷新率。

11、如权利要求1所述的伺服控制系统，其中，所述装置是调温器，并且所述参数是温度。

12、一种伺服控制方法，该方法包括以下步骤:

在控制器输出参数控制信号；

利用所述参数控制信号调整装置；

感测所述装置的参数值；

输出表示参数误差的误差信号；

产生正弦信号；

将误差信号与正弦信号相加；

将相加后的误差信号和正弦信号输入到控制器；

在控制器均衡组合的误差信号和正弦信号；

输出均衡的信号作为调整的参数控制信号。

13、如权利要求12所述的方法，其中，均衡的步骤包括:对组合的误差信号和正弦信号执行平方律操作。

14、如权利要求12所述的方法，还包括:对经过均衡的信号进行低通滤波。

15、如权利要求12所述的方法，其中，以20kHz以上的载波频率和150mV以下的信号电平产生正弦信号。

16、如权利要求15所述的方法，其中，所述正弦信号具有在40kHz的载波频率和在100mV的信号电平。

17、如权利要求12所述的方法，其中，参数控制信号用于控制光盘播放器的光拾取组件。

18、如权利要求12所述的方法，其中，参数控制信号用于控制HDD的盘存取组件。

19、如权利要求12所述的方法，其中，参数控制信号用于控制主轴电机。

20、如权利要求12所述的方法，其中，参数控制信号用于控制激光。

21、一种用于数据盘存取装置的伺服控制系统，包括:

控制器，输出位置控制信号；

盘读取装置，从盘读取数据；

跟踪装置，跟踪盘读取装置的位置；

误差产生器，产生表示盘读取装置的目标位置和被跟踪的位置之间的差的误差信号；

正弦信号产生器，产生正弦信号；

加法器，将误差信号和正弦信号相加，

其中，控制器包括伺服均衡器，伺服均衡器均衡相加的误差信号和正弦信号，以输出均衡的位置控制信号来调整盘读取装置的位置。

22、如权利要求21所述的伺服控制系统，其中，所述均衡器包括非线性装置，以对相加的误差信号和正弦信号提供平方律效果。

23、如权利要求21所述的伺服控制系统，其中，所述数据盘存取装置是CD播放器、CD记录器、DVD播放器、DVD记录器或HDD之一。

24、如权利要求21所述的伺服控制系统，其中，所述数据盘存取装置是构造为在CD/DVD盘上蚀刻图案的CD/DVD记录器。

25、如权利要求21所述的伺服控制系统，其中，以20kHz以上的载波频率和150mV以下的信号电平产生正弦信号。