CN1729517A - 具有改善的抵御机械震动的性能的光盘驱动器 - Google Patents

Abstract

一种光盘驱动设备(1)，包括：a)致动器(50)，用来控制扫描装置的单元(34)的定位；b)误差信号计算装置(111，112)，用来接收读出信号(SR)和产生至少一个误差(RES；e(k))；c)状态估计器(120)，用来接收所述误差和输出导出信号(s1，s2，s3)；d)震动检测器装置(130)，用来根据所述导出信号中的一个导出信号(s1)产生震动指示信号(SIS)；e)具有至少一个可变控制参数的致动器控制信号产生装置(190)，用来根据所述导出信号中的第二个导出信号(s2)产生致动器控制信号(RAD；u(k))。f)所述致动器控制信号产生装置在正常工作期间将所述可变控制参数设置为第一值，而在所述震动指示信号指出出现震动时将所述可变控制参数设置为第二值。

Description

具有改善的抵御机械震动的性能的光盘驱动器

发明领域

本发明总体涉及对存储光盘进行信息读/写操作的光盘驱动装置。

发明背景

众所周知，存储光盘在可以以数据图案的形式存储信息的存储空间中包括至少一个轨道，所述轨道呈现为一条连续的螺旋线或多个同心圆。光盘可以是只读型的，其中信息在生产期间录在光盘面，用户只能对所录的信息进行读取操作。存储光盘也可以是可写入型的，其中信息可以由用户存储。为了将信息写入存储光盘的存储空间或从光盘读出信息，光盘驱动器一方面包括接收和旋转光盘的旋转装置，另一方面包括产生光束(通常是一个激光光束)和用所述激光光束对存储轨道进行扫描的光学装置。由于将信息存储在光盘上和从光盘上读取光学数据的光盘技术通常是大家都知道的，因此在这里就没有必要再详细说明。

为了旋转光盘，光盘驱动器通常包括驱动与光盘中心部啮合的枢轴的马达。通常，马达实施为主轴马达，而马达驱动的枢轴可以就是马达的转轴。

为了对旋转的光盘进行光扫描，光盘驱动器包括光束产生器(通常是激光二极管)、将光束聚焦在光盘上焦点的物镜和接收光盘的反射光从而产生检测器电输出信号的光检测器。光检测器包括多个检测元件，各元件提供独立的输出信号。

在工作期间，应该保持光束聚焦到光盘上。为此，物镜设置成可轴向位移的，而光盘驱动器包括控制物镜的轴向位置的焦点致动器装置。此外，焦点应该保持与轨道对准，或者应该能相对新的轨道定位。为此，至少物镜安装成可径向位移的，而光盘驱动器包括控制物镜的径向位置的径向致动器装置。

在许多光盘驱动器中，物镜安排成可倾斜的，因此这样的光盘驱动器包括控制物镜倾角的倾斜致动器。

为了控制这些致动器，光盘驱动器包括接收光检测器的输出信号的控制器。根据这个信号(以下也称为读出信号)，控制器得出一个或多个误差信号，例如聚焦误差信号、径向误差信号，根据这些误差信号，控制器产生致动器控制信号，用来控制致动器以减小或消除定位误差。

在产生致动器控制信号的过程中，控制器表现出一定的控制特性。这样的控制特性是控制器的一个特性，可以表示为控制器对检测到的定位误差的反应。

定位误差实际上可以是由不同类型的扰动所引起的。两种最主要的扰动为：

1)光盘缺陷

2)外部震动和(周期性)振动

第一种包括黑斑之类的内部光盘缺陷、指纹之类的污染、划痕之类的损伤等，第二种包括由物体碰撞光盘驱动器引起的震动，但可以预期震动和振动主要出现在便携式光盘驱动器和汽车应用中。除了起因的差别之外，光盘缺陷与震动和振动之间的重要差别是信号扰动的频率范围，由光盘缺陷引起的信号扰动通常是高频的，而震动和振动通常是低频的。

在这方面的一个问题是：对于震动的适当处理需要与正常工作状态不同的控制特性。

常规上，光盘驱动器的控制器具有一个固定的控制特性，或者特别适宜处理第一种扰动(而在这样情况下，误差控制对第二种扰动就不是最佳的)或者特别适宜处理第二种扰动(而在这样情况下，误差控制对第一种扰动就不是最佳的)，或者其控制特性是一种折衷(而在这样情况下，误差控制对第一种扰动和第二种扰动都不是最佳的)。只要控制器应用线性控制技术，在低频扰动抑制与高频率噪声敏感之间总要有所折衷。例如，在目前的商品中一种普遍的采用的充分抗震方式是使用阻尼较低的在低频率侧具有较高伺服增益的悬浮。然而，这种悬浮设计不仅取决于驱动器工作的震动敏感性，而且还取决于在工作、装卸和搬运期间在所有环境下悬浮特性和动态范围以及材料成本、机械设计公差等因素。从系统观点来看，降低悬浮阻尼来提高抗震度是非常有限的。而且，通过增大伺服增益来得到对外部震动的耐受性也受到系统稳定性要求的限制。为了满足抑制测量噪声的设计准则或在播放期间对某些光盘缺陷不大敏感，优先选择较低的增益。

就目前技术现状来说，已经提出了一种切换控制技术。例如，可参见美国专利4,722,079。在出现震动时，用具有较大时滞滤波的较高伺服回路增益。在定位误差小于某个门限时，伺服回路增益和时滞滤波切换回正常播放的值。

有效应用抑制震动影响的切换控制技术需要对震动进行精确检测。

为了能运用具有可变增益的控制器，必须精确地检测震动。使用震动传感器是精确检测震动的直接方法，但这将增加产品成本。此外，系统的稳定性要求也限制了抗震性能的改善。所述美国专利4,722,079揭示了一种通过处理光读出信号来确定扰动种类的系统，但这种系统需要用3光束光学系统。

美国专利5,867,461也揭示了一种通过处理光读出信号来确定扰动种类的系统。在这种已知的系统中，要确定高频信号内容的包络。这种方法的一个缺点是它依赖于写在光盘上的数据；这不适用于空白光盘的情况。另一个缺点是这种方法需要复杂的电路，特别是要检测上峰值和下峰值、进行滤波以便检测上包络和下包络、分析这些包络并将信号存储在存储器内。

以上这些方法的一个共同的缺点是响应时间比较长：出现震动后需要花一些时间系统才能检测到出现了震动、再作出响应。

本发明的主要目的是改善光盘驱动设备的抗震能力而不增加或只是有限地增加设备的成本。

具体地说，本发明的一个目的是提供一种用于光盘驱动设备的可靠的震动检测方法，这种方法易实现，而且成本低。

本发明的另一个目的是提供一种对震动的响应特性得到改善的光盘驱动设备。

发明内容

根据本发明的一个重要方面，震动是通过对读出信号进行适当的分析来检测的。这样使本发明便于用软件实现。

根据本发明的一个具体方面，震动是根据一个状态估计器的输出信号来检测的。一个重要的优点是状态估计器能及早检测到震动，从而可以减少响应时间。按照本发明的一个更为具体的方面，控制器包括一个基于估计器的滑动模式控制。

附图简要说明

下面将结合附图进一步说明本发明的这些及其他一些方面、特色和优点，在这些附图中相同的附图标记所指的是相同或类似的部分，其中：

图1A示意表示了光盘驱动设备的有关组件；

图1B表示了光检测器；

图2为控制电路的结构示意图；

图3为状态估计器的一个优选实施例的示意图；

图4为扰动估计器的一个实施例的示意图；

图5为SMC控制器的一个实施例的示意图；

图6为震动检测器的一个实施例的示意图；

图7示出了径向致动器在模拟试验中的伯德图；

图8示出了在震动的情况下径向误差信号的偏离轨道值的模拟结果；

图9示出了径向误差信号以表示了SMC控制器的效果。

具体实施方式

以下，将具体就光盘(具体地说，为DVD)的径向控制对本发明进行说明，这说明并不对本发明的保护范围构成限制，因为本发明同样适用于焦点控制和倾斜控制。

图1A示意性地例示了适合将信息存储在光盘2(通常为DVD或CD)上或从光盘2读取信息的光盘驱动设备1。为了旋转光盘2，光盘驱动设备1包括固定到限定转轴5的机架(为了简洁起见而没有示出)上的马达4。

光盘驱动设备1还包括用光束对光盘2的轨道(未示出)进行扫描的光学系统30。具体地说，在图1A所示的示范性配置中，光学系统30包括用来产生光束的光束产生装置31，通常为诸如激光二极管之类的激光器。以下，光束32沿着光学路径39的不同段将用加在附图标记32后的字符a、b、c等表示。

光束32通过分束器33、准直透镜37和物镜34到达光盘2(光束32b)。物镜34设计成能将光束32b聚焦在光盘记录层(为了简洁起见没有示出)上的焦点F处。光束32b从光盘2上反射(反射光束32c)，通过物镜34、准直透镜37和分束器33到达光检测器35(光束32d)。在所示的这种情况下，光学元件38(例如为棱镜)介于分束器33和光检测器35之间。

光盘驱动设备1还包括致动器系统50，它包括使物镜34相对光盘2径向位移的径向致动器51。由于径向致动器本身是已知的，而本发明并不涉及这样的径向致动器的设计和作用，因此没有必要在这里非常详细地讨论径向致动器的设计和作用。

为了获得和保持准确地聚焦到光盘2的所希望的位置上，所述物镜34安装成可轴向位移的；致动器系统50还包括焦点致动器52，用来使物镜34相对光盘2轴向位移。由于焦点致动器本身是已知的，而这样的焦点致动器的设计和作用并不是本发明的主题，因此没有必要在这里非常详细地讨论焦点致动器的设计和工作情况。要指出的是，主要执行沿径向搜寻操作的径向定位系统通常设计成两级或滑轨致动器伺服系统，包括使激光光点沿径向大幅位移(粗定位)的滑轨。或者，也可以用摆臂。光拾取单元可移动地安装在定位装置上，使得它可以在聚焦和径向致动器(在滑轨上滑动)的控制下进行精定位。在这方面可以参考Sorin G.Stan的“CD ROM驱动器简要系统说明”(“The CD-ROM Drive-A Brief System Description”，K1uwer AcademicPublishers，1998)。径向和聚焦回路之间的动态交互作用相对是比较弱的。在实际应用中径向和聚焦回路通常分别设计和研究。对于精位移的情况，聚焦和径向致动器通常由两个独立的PID控制器控制，因此形成两个独立的SISO(单输入单输出)系统。

为了获得和保持物镜34的正确倾斜位置，物镜34安装成可绕枢轴转动的；在这种情况下，如图所示，致动器系统50还包括倾斜致动器53，用来使物镜34绕枢轴相对光盘2转动。由于倾斜致动器本身是已知的，而这样的倾斜致动器的设计和作用并不是本发明的主题，因此没有必要在这里非常详细地讨论倾斜致动器的设计和工作情况。

还要指出的是，相对设备机架支持物镜的装置和使物镜轴向和径向位移的装置以及使物镜绕枢轴转动的装置本身通常是众所周知的。由于这样的支持和位移装置的设计和作用不是本发明的主题，因此在这里没有必要非常详细地讨论其设计和工作情况。

还要指出的是，径向致动器51、焦点致动器52和倾斜致动器53可以实现为集成的致动器。

光盘驱动设备1还包括控制电路90，具有接到马达4的控制输入端上的第一输出端92、接到径向致动器51的输入端上的第二输出端93、接到焦点致动器52的控制输入端上的第三输出端94和接到倾斜致动器53的控制输入端上的第四输出端95。控制电路90设计成能在它的第一输出端92上产生控制马达4的控制信号S_CM、在它的第二控制输出端93上产生控制径向致动器51的控制信号S_CR、在它的第三输出端94上产生控制焦点致动器52的控制信号S_CF和在它的第四输出端95上产生控制倾斜致动器53的控制信号S_CT。

控制电路90还有读出信号输入端91，用来接收来自光检测器35的读出信号S_R。

图1B例示了光检测器35可以包括多个检测元件的情况。在图1B所示的情况下，光检测器35包括六个检测元件35a、35b、35c、35d、35e、35f，能相应提供独立的检测器信号A、B、C、D、S1、S2，分别指示投射到这六个检测元件上的光的光量。四个检测元件35a、35b、35c、35d也称为中央孔径检测元件，呈四象限配置。将第一和第四元件35a和35d与第二和第三元件35b和35c分开的中线36具有与轨道方向相应的方向。两个检测元件35e、35f也称为卫星检测元件，它们自己还可以再细分成一些子元件，对称地配置所述中线36的相对两侧、中央检测象限旁。由于这样的六部分检测器本身通常是已知的，在这里没有必要再对它的设计和作用进行更详细的说明。

要指出的是，光检测器35的不同设计也是可行的。例如，卫星元件可以省去，这是已知的。

图1B还例示了控制电路90的读出信号输入端91，该控制电路实际上包括多个输入端，用来接收各个检测器信号。因此，在所示的六象限检测器的情况下，控制电路90的读出信号输入端91实际上包括六个输入端91a、91b、91c、91d、91e、91f，用来分别接收各检测器的信号A、B、C、D、S1、S2。如熟悉该技术领域的人员所知，控制电路90设计成能处理所述各个检测器信号A、B、C、D、S1、S2，以便得出一些数据信号和一个或多个误差信号。径向误差信号，以下标为RE，表示轨道与焦点F之间的径向距离。聚焦误差信号，以下标为FE，表示存储层与焦点F之间的轴向距离。要指出的是，根据光检测器的设计情况，可以用不同的误差信号计算式。一般说来，这样的误差信号各是中央光点在检测器35上某种不对称度的估计，因此对光学扫描点相对光盘的位移是敏感的。

在以下说明中，当时的信号值将标为信号(k)；下个时间的信号值将标为信号(k+1)；而上个时间的信号值将标为信号(k-1)。此外，信号x的实际值用不加附标的字母x表示；这个信号x的期望值用表示；而这个信号x的估计值用x表示。

图2为更为详细地示出控制电路90原理的方框图。控制电路90包括接收来自OPU30的光读出信号S_R、输出各个二极管信号D1-D5的信号预处理块111。要指出的是，二极管信号的个数取决于检测器35的检测元件的个数。

控制电路90还包括接收信号预处理块111的输出信号D1-D5而输出也标为e(k)的径向误差信号RES的A/D信号处理块112。

控制电路90还包括误差信号处理块120，它具有能接收来自A/D信号处理块112的径向误差信号e(k)的第一输入端121。误差信号处理块120设计成能根据径向误差信号e(k)计算导出信号，具有输出第一导出信号σ1的第一输出端123、输出第二导出信号σ2的第二输出端124和输出第三导出信号σ3的第三输出端125。

控制电路90还包括震动检测块130，它具有接收来自误差信号处理块120的第一导出信号σ1的输入端131和输出震动指示信号SIS的输出端132。震动检测块130设计成能就一些预定条件对来自误差信号处理块120的第一导出信号σ1进行分析，如果满足这样一些条件就产生震动指示信号SIS，指出出现震动。

控制电路90还包括致动器控制信号产生块190，它具有能接收来自误差信号处理块120的第二导出信号σ2的第一输入端192和能接收来自震动检测块130的震动指示信号SIS的第二输入端193。

控制电路90还包括扰动估计块140，它具有能接收来自误差信号处理块120的第三导出信号σ3的第一输入端141。扰动估计块140具有提供估计扰动信号 d(k)的输出端143。致动器控制信号产生块190具有接收这个估计扰动信号 d(k)的第三输入端194。

致动器控制信号产生块190设计成能根据前面提到的它的输入信号计算出也标为u(k)的数字径向致动器信号RAD，并将该数字径向致动器信号RAD加到它的第一输出端191和第二输出端195上。

致动器控制信号产生块190还设计成能根据前面提到的它的输入信号计算出前一时间的数字径向致动器信号u(k-1)，并将该数字径向致动器信号u(k-1)加到它的第三输出端191a上。扰动估计块140具有接收这个数字径向致动器信号u(k-1)的第二输入端142。

控制电路90还包括D/A信号处理块196，它接收来自致动器控制信号产生块190的数字径向致动器信号RAD和输出也标为u(s)的模拟径向致动器信号RAA。控制电路90还可以包括噪声滤波块197，它接收来自D/A信号处理块196的模拟径向致动器信号u(s)和输出经滤波的致动器信号SAF。

控制电路90还包括致动器驱动块198，它接收来自噪声滤波块197的经滤波的致动器信号SAF，将致动器驱动信号SAD输出给径向致动器51。

致动器控制信号产生块190设计成能根据如从误差信号处理块120所接收的第二输出信号σ2计算出它的数字径向致动器输出信号RAD。在计算过程中，致动器控制信号产生块190呈现出具有可变特性，通常为可变增益，因此致动器控制信号产生块190设计成能根据如从震动检测块130所接收的震动指示信号SIS设置前述可变特性(即，增益)。更具体地说，如果从震动检测块130所接收的震动指示信号SIS表示出现震动，致动器控制信号产生块190就将它的可变特性设置为更适合在震动情况下工作的值(即，增大所述增益)，而如果从震动检测块130所接收的震动指示信号SIS表示震动结束，致动器控制信号产生块190就将它的可变特性设置为更适合正常工作的值(即，降低所述增益)。致动器控制信号产生块190原则上可以是任何适当的控制信号产生器；然而优选的是致动器控制信号产生块190设计成能实现滑动模式控制(SMC)，因此以下说明将针对这种情况。

要指出的是，滑动模式控制本身是已知的。在这方面，可参考J.J.E.Slotine和W.Li的“应用非线性控制”(“Applied NonlinearControl”，Englewood Cliffs，NJ：Prentice-Hall，1991)。这种技术的一个重大的优点是它对扰动和不确定系统不敏感。

按照本发明的一个重要方面，误差信号处理块120实现为状态估计器。

状态估计器120设计成能根据状态变量之一的测量结果估计光盘驱动器数字伺服的整个状态。在所示的这个优选实施例中，状态估计器120根据径向误差信号RES的测量结果估计径向致动器位置和径向速度。

更具体地说，状态估计器120接收当前误差信号e(k)，计算当前致动器位置的估计值 x(k)和当前致动器速度的估计值 v(k)。然后，致动器控制信号产生块190(SMC控制器)用估计状态产生数字径向致动器信号u(k)。

图3更为详细地示出了状态估计器120的一个优选实施例。在这个优选实施例中，状态估计器120基本上可以分成相互紧密交互作用的状态观测器210和状态预测器230两个部分。状态观测器210接收加到第一输入端121上的当前误差信号e(k)，计算出当前致动器位置的估计值 x(k)和当前致动器速度的估计值 v(k)。

状态预测器230接收加到第二输入端122上的当前致动器信号u(k)和从状态观测器210分别接收当前致动器位置和速度的所述估计值 x(k)和 v(k)，从而按照下式计算出下一时刻k+1的致动器位置和致动器速度的预测值(k+1)和

+(k+1)＝A_d(1，1) x(k)+A_d(1，2) v(k)+B_d(1)u(k)

$\hat{v}(k+1)=A_d\left(\mathrm{2,1}\right)\stackrel{\‾}{x}\left(k\right)+A_d\left(\mathrm{2,2}\right)\stackrel{\‾}{v}\left(k\right)+B_d\left(2\right)u\left(k\right)$

其中，A_d(2×2)和B_d(2×1)分别为径向致动器的离散模型的常数矩阵和常数向量。它们可以根据驱动器的致动器的规格计算得出。要注意的是，B_d(2)＝0。

预测致动器位置(k+1)和预测致动器速度 加到状态观测器210上，用来按照下式计算估计致动器位置 x(k)和估计致动器速度 v(k)：

x(k)＝(k+1)/z+L_res(x(k))-(k+1)/z)

$\stackrel{\‾}{v}\left(k\right)=\hat{v}(k+1)/z+L_v(x\left(k\right)-\hat{x}(k+1)/z)$

其中，L_res和L_v是由线性二次调节器(LQR)方法决定的估计器增益。

在图3所示的这个实施例中，观察器210包括接收来自预测器230的致动器的预测/估计位置(k+1)的第一单位延迟块401和接收来自预测器230的致动器的预测/估计速度 的第二单位延迟块402。第一单位延迟块401的输出信号加到减法器411的反相输入端上和加到第一加法器431的输入端上。第二单位延迟块402的输出信号加到第二加法器432的输入端上。

在输入端121上接收到的误差信号e(k)加到反相器403上。反相器403的输出信号构成当前位置x(k)，并加到减法器411的非反相输入端上。

在这方面，要注意的是，误差信号e(k)定义为e(k)＝X(k)-x(k)，其中X(k)表示所期望的位置，而x(k)表示实际位置。由于在跟踪期间所期望的位置X(k)＝0，因此实际位置x(k)可计算为x(k)＝-e(k)。

减法器411的输出信号加到减法器411的反相输入端上和加到第一放大器421上以乘以增益L_res，并加到第二放大器422上以乘以增益L 。第一放大器421的输出信号加到第一加法器431的第二输入端上。第二放大器422的输出信号加到第二加法器432的第二输入端上。第一加法器431的输出信号和第二加法器432的输出信号分别作为输出信号x(k)(估计当前位置)和 v(k)(估计当前速度)加到状态估计器120的第二输出端124上。

第一加法器431的输出信号加到第二单位延迟块433上，而第二加法器432的输出信号加到第三单位延迟块434上。第二单位延迟块433的输出信号和第三单位延迟块434的输出信号分别作为输出信号x(k-1)(上个时间的估计位置)和 v(k-1)(上个时间的估计速度)加到状态估计器120的第三输出端125上。

第一加法器431的输出信号(估计当前位置 x(k))加到第三放大器443上以乘以增益A_d(2，1)，并加到第四放大器444上并乘以增益A_d(1，1)。第三放大器443的输出信号加到第三加法器451的输入端上。第四放大器444的输出信号加到第四加法器452的输入端上。

第二加法器432的输出信号(估计当前速度 v(k))加到第五放大器445上以乘以增益A_d(2，2)，并加到第六放大器446上以乘以增益A_d(1，2)。第五放大器445的输出信号加到第三加法器451的第二输入端上。第六放大器446的输出信号加到第四加法器452的第二输入端上。

在输入端122上接收到的信号u(k)加到第七放大器447上以乘以增益B_d(1)。第七放大器447的输出信号加到第五加法器462的输入端上。第四加法器452的输出信号加到第五加法器462的第二输入端上。

第三加法器451的输出信号作为预测速度

加到观察器210的第二单位延迟块402上。第五加法器462的输出信号作为预测位置(k+1)加到观察器210的第一单位延迟块401上和作为第一输出信号σ1加到第一输出端123上。

假设，将类似外部震动和振动的扰动限制成比SMC控制器190的组件的采样频率(通常为22kHz)慢许多。在时间k的扰动的估计值 d(k)于是可以认为与位置、速度和致动器信号在时间k-1的历史值有关，可以计算为：

d(k)＝ x(k)-A_d(1，1) x(k-1)-A_d(1，2) v(k-1)-B_d(1)u(k-1)

图4为示出扰动估计器140的一个可行的实施例的方框图。在第一输入端141接收到信号 x(k)、 x(k-1)和 v(k-1)(误差信号处理块120的第三输出信号σ3)。

在第二输入端142上接收到信号u(k-1)(SMC控制器190的输出信号u(k-1))。信号 x(k)加到加法器/减法器147的非反相输入端上。信号x(k-1)加到第一放大器144上以乘以增益A_d(1，1)；第一放大器144的输出信号加到加法器/减法器147的第一反相输入端上。信号 v(k-1)加到第二放大器145上以乘以增益A_d(1，2)；第二放大器145的输出信号加到加法器/减法器147的第二反相输入端上。信号u(k-1)加到第三放大器146上以乘以增益Bd(1)；第三放大器146的输出信号加到加法器/减法器147的第三反相输入端上。加法器/减法器147的输出信号加到扰动估计器140的输出端143上，作为输出信号 d(k)。

滑动模式控制是众所周知的技术。因此，在这里就没有必要对这种技术进行详细说明。只要提一下以下情况就够了。

滑动模式控制是一种用等效的一阶问题代替N阶问题的鲁棒的非线性控制技术。对于径向跟踪来说，设计目标是保持完美跟踪的x(k)＝x_d(k)。(在这里，x(k)＝[x(k)v(k)]^T为径向致动器的状态向量。精密致动器控制回路跟踪期间致动器/激光光点的所希望的状态为：x_d(k)＝[00]^T。径向误差信号定义为e(k)＝x_d(k)-x(k)。)该径向误差信号等于对于所有的k＞0在表面S(k)＝g_resx(k)+g_vv(k)＝0上的剩余径向误差信号；这个表面称为滑动面。跟踪二维向量x_d(k)的问题现在转换为一个在S上的一阶稳定问题。目的是设计迫使系统收敛到滑动面S(k)上然后停留在这个面上的控制规律。对于实际实现来说，由于状态x_d(0)≠x(0)是不匹配的初始条件，要达到滑动面存在一段有限时间的到达阶段。为了考虑建模的误差和扰动(我们对系统的认识并不完全)和平滑不连续控制规律，因此定义一个在滑动面周围的边界层，使得系统状态从任何初始条件都将移动到滑动面或它的邻域，最终收敛到滑动面或它的邻域。按照Lyapunov稳定性理论，保证光盘驱动器径向跟踪控制系统存在滑动面的到达条件为：

$S(k+1)=(1-\mathrm{\η})S\left(k\right)-\mathrm{\ϵsat}(\frac{S\left(k\right)}{\mathrm{\Φ}}.$ 其中η为确定在到达阶段的响应的正的常数，可能应按照致动器的灵敏度决定。Φ为一个正的常数，称为边界层厚度，由保持跟踪的最大允许径向误差(通常设置为轨道间距值的1/4)决定。而ε为SMC的控制增益。将致动器从任何初始条件引导到滑动面上的控制规律(可以根据到达条件和驱动器模型得出)为：

$u\left(k\right)=k\·[\mathrm{\ϵsat}\left(\frac{g_{\mathrm{res}}\stackrel{\‾}{x}\left(k\right)+g_v\stackrel{\‾}{v}\left(k\right)}{\mathrm{\Φ}}\right)+{\mathrm{kk}}_1\stackrel{\‾}{x}\left(k\right)+k{k}_2\stackrel{\‾}{v}\left(k\right)+\stackrel{\‾}{d}\left(k\right)]$

其中kk₁、kk₂和k为由致动器动态特性和SMC控制器增益确定的系数。

滑动面(S(k)＝g_res.x(k)+g_v.v(k)＝0)是一个在状态空间内的时间-不变曲面。适当选择常数“g_res”和“g_v”使S(k)＝0定义一个稳定的滑动面，其中致动器所希望的跟踪位置对于扰动或动态不确定性是不变的。这意味着通过适当选择控制力，按照可变结构系统理论，在这个滑动面上可以达到一个对扰动和动态不确定性的总体不变量。

边界层指的是滑动面周围的环绕区。也就是说致动器所希望的跟踪位置周围的邻域。它定义成使将致动器从任何起始状态或受扰状态回到滑动面的不连续(由于sat()的作用)控制力更为平稳。

SMC控制器设计中的要点是，通过在边界层内工作时保持SMC控制器的交叉频率与传统的PID控制器的相同，将一定的工作特性，诸如相位裕度、增益裕度和传感器噪声抑制之类，保持在线性区域内。当工作在边界层外时，使用较高的SMC增益。

图5为以数字伺服块示出SMC控制器190实现模型的一个实施例的方框图。在第一输入端192上接收信号 x(k)和 v(k)(误差信号处理块120的第二输出信号σ2)。在第三输入端194上接收信号 d(k)(扰动估计器140的输出信号 d(k))。信号 x(k)加到第一放大器301上以乘以增益kk₁；第一放大器301的输出信号加到加法器340的第一输入端上。信号 v(k)加到第二放大器302上以乘以增益kk₁；第二放大器302的输出信号加到加法器340的第二输入端上。信号 d(k)加到加法器340的第三输入端上。

信号 x(k)还加到第三放大器303上以乘以增益g_res，和加到执行函数z/(z-1)的离散传递函数块304的输入端上。离散传递函数块304的输出信号加到第四放大器305上以乘以增益g_v。第三放大器303和第四放大器305的输出信号分别加到第二加法器306的各自输入端上。第二加法器306的输出信号加到计算函数sat(ξ/Φ)的饱和计算器307的输入端上，ξ表示饱和计算器307的输入信号，而Φ为所述边界层厚度。饱和计算器307的输出信号加到点积计算器330的第一输入端上。

在第二输入端193上接收到的震动指示信号SIS加到可控开关320的控制输入端上。在第一信号输入端上，开关320接收到用于正常操作的第一增益值ε1。在第二信号输入端，开关320接收到比ε1高的第二增益值ε2。可控开关320的输出信号加到点积计算器330的第二输入端上。点积计算器330的输出信号加到加法器340的第四输入端上。

加法器340的输出信号加到第五放大器341上以乘以增益K。第五放大器341的输出信号在SMC控制器190的输出端191上作为输出信号u(k)。第五放大器341的输出信号加到延迟块342上；延迟块342的输出信号在SMC控制器190的输出端191a上作为输出信号u(k-1)。

在正常工作期间，可控开关320输出在它的第一信号输入端上接收到的信号ε1。在震动指示信号SIS表示出现震动时，可控开关320输出在它的第二信号输入端上接收到的较高的信号ε2。

图6为示出震动检测器130的一个实施例的方框图。

震动检测器130包括低通滤波器133和比较器134。在输入端131上从状态估计器120接收到的下个时间k+1的预测位置信号(k+1)(误差信号处理块120的第一输出信号σ1)，该预测位置信号(k+1)加到低通滤波器133(850Hz)的输入端上。低通滤波器133的输出信号加到比较器134上，与门限值相比较；在这个实施例中，门限值设置为轨道间距的1/4。比较器134的输出信号加到震动检测器130的输出端132上，作为震动指示信号SIS。

在径向误差信息大于轨道间距的1/4时，震动检测器130将输出震动指示信号SIS，其振幅指示出现震动，并由SMC控制器190的可控开关320进行解释，使得可控开关320将为SMC控制器190选择高增益ε2(所述第二增益设置)，以将致动器拉回到轨道中心。在震动检测器130检测到径向误差信号小于轨道间距值的1/4时，径向致动器控制就转回SMC控制器的正常增益ε1(所述第一增益设置)。

图6中的实现块为从到达条件得出的控制规律，其根据Lyapunov稳定性理论确保了保证存在稳定的滑动面。在数学上可以表示为：

$u\left(k\right)={\left({\mathrm{gb}}_d\right)}^{-1}\left\{\mathrm{\ϵ\ϵsat}\frac{\stackrel{\‾}{S}\left(k\right)}{\mathrm{\Φ}}\right)+g[((1-\mathrm{\η})I+A_d)\stackrel{\‾}{x}\left(k\right)+\stackrel{\‾}{d}\left(k\right)\}$

其中，b_d和A_d为由致动器的动态特性决定的常数矩阵。用径向致动器的状态空间表示式表示为：

x(k+1)＝A_dx(k)+b_du(k)+d(k)

y(k)＝c_dx(k)

从低增益切换到高增益实际上能使控制器获得较大的功率，以便将致动器更快地拉回到滑动面上所希望的跟踪位置。

如果系统始终采用高增益，就会消耗较多的功率，从而缩短芯片和致动器的寿命。增益过高的伺服控制系统将使伺服对指印样的光盘缺陷非常敏感。

这个高增益将一直保持到径向误差信号降低到小于25％的最大轨道偏离值(即轨道间距的1/4)。如果激光光点大于1/4轨道间距，HF信息信号就不再可靠。因此，在SMC控制器内，将震动检测器门限设置为轨道间距的1/4或更小一些(也就是说，为25％或更小一些的最大偏离轨道值)和将控制器切换到高增益，从而立即(延迟一个采样时间)使径向误差趋于零。

增益切换由基于观察器的震动检测器触发，震动检测器可以在一个步骤之前预测径向误差有增大到超过25％最大偏离轨道的倾向，立即采取措施使致动器在它再要增大径向误差前回到轨道上。

实施例

作为一个例子，已经在一个DVD播放机上作了实验模拟。图7示出了驱动器的径向致动器的伯德图。估计器增益的初始值由LQR方法决定，DVD播放机驱动器径向致动器的最终增益值通过试错法按极点位置决定为：

L_res＝1.3e4；L_v＝1.7241e6

在DVD播放机驱动器跟踪期间径向致动器的线性控制器增益为：

g_res＝1.e2；g_v＝1.6e4；ε＝600

其中，适当选取SMC控制器的控制增益ε使得整个系统在径向误差位于边界区域内时给出几乎与原来的PID控制器的相同的交叉频率，即2.2kHz。在这里，边界取为1000，这与门限值为20％最大偏离轨道(轨道间距值的1/5)相应。在系统在边界层外工作时，比如受到震动/冲击时，径向误差要超过1/5的轨道间距，超出了正常PID控制器的控制范围，震动检测器在一个采样时间前立即从状态估计器检测到这种情况。于是，SMC控制器切换到更高的SMC控制增益使跟踪误差在所限的区域内。

在音频/视频应用中的典型震动扰动选用半正弦形式的加速度分布图来表示。

图8示出了在震动的情况下径向误差信号的偏离轨道值的模拟结果。纵轴表示偏离轨道值(％)，水平轴表示时间。原来的PID控制器的最大偏离轨道值是34.6％，在采用SMC控制器时降低为17.7％。

图9用实验数据示出了在7gm/300ms的冲击下具有SMC控制器(中间的那个图)和没有SMC控制器(下面的那个图)的径向误差信号RES。在以1.2XDVD播放期间测得的径向致动器灵敏度为0.65μm/V左右。DVD光盘的典型轨道间距为0.74μm。从这些图可以看到，最大偏离轨道值在没有SMC控制器的情况下为28.1％，而在有SMC控制器的情况下降低为8.7％。

从以上对DVD驱动器进行的模拟和实验所得到的结果可见，为了补偿大的振动和震动具有不同控制增益的基于估计器的SMC显示出具有高质量的免除意外外部扰动的能力。径向上的播放性试验结果表明抗震动指标可以从4gm/300ms提高到7gm/300ms。这种方法将改善光盘系统，特别是那些对抗震动性能有高要求的系统，如便携式CD/DVD播放机、汽车CD/DVD播放机之类，而材料或加工成本没有任何增加。

熟悉该技术领域的人员应该清楚，本发明并不局限于以上所讨论的实施例的这些例子，在如所附权利要求书中所给出的本发明的专利保护范围内各种变动和修改都是可行的。

例如，这种在伺服DSP内用来径向跟踪的基于估计器的SMC控制块以22kHz的伺服处理器时钟频率运行。然而，也可以采用其他时钟频率。

此外，门限值也可以是可调节的，和/或设置为在近似从20％轨道间距到25％轨道间距范围内的不同的值。虽然以上就径向误差处理为例对本发明作了详细说明，但本发明同样可应用于焦距和倾斜控制。在那种情况下，震动检测器的门限值通常与轨道间距没有关系。门限值将设置为震动所引起的位移问题可能导致驱动器播放不好的预设电平；这样的门限电平通常通过对产品的实验测试确定。

以上结合例示按照本发明所设计的设备的功能块的方框图对本发明作了说明。可以认为，这些功能块中的一个或多个功能块可以用硬件实现，这样的功能块的功能由各个硬件组件执行，但是这些功能块中的一个或多个功能块也可以用软件实现，使得这样的功能块的功能由一个计算机程序的一个或多个程序行或者一个诸如微处理器、微控制器、数字信号处理器之类的可编程器件执行。

Claims (15)

1.光盘驱动设备(1)，包括：

扫描装置(30)，用来扫描光盘(2)的记录轨道，以便产生读出信号(S_R)；

致动器(50)，用来控制所述扫描装置(30)的至少一个读/写单元(34)相对光盘(2)的定位；

控制电路(90)，用来接收所述读出信号(S_R)和根据所述读出信号(S_R)的至少一个信号分量产生至少一个致动器控制信号(S_CR，S_CF，S_CT；SAD)；

其中所述控制电路(90)包括：

根据所述读出信号(S_R)计算至少一个误差信号(RES；e(k))的装置(111，112)；

误差信号处理装置(120)，其接收所述至少一个误差信号(RES；e(k))和输出导出信号(σ1，σ2，σ3)；

震动检测装置(130)，其接收来自所述误差信号处理装置(120)的所述导出信号中的第一导出信号(σ1)和根据所述第一导出信号(σ1)产生震动指示信号(SIS)；

致动器控制信号产生装置(190)，其具有至少一个可变控制参数，用来接收来自所述误差信号处理装置(120)的所述导出信号中的第二导出信号(σ2)和对这个导出信号进行处理，以便产生致动器信号(RAD；u(k))；

致动器控制信号产生装置(190)，其连接成能够接收来自震动检测装置(130)的震动指示信号(SIS)，该致动器控制信号产生装置(190)被设计成能在正常工作期间将所述可变控制参数设置为第一值，而在所述震动指示信号(SIS)指示出现震动时将所述可变控制参数设置为第二值；

其中所述误差信号处理装置(120)包括状态估计器(120)。

2.按照权利要求1所述的光盘驱动设备，其中：

所述状态估计器(120)设计成能计算预测位置信号

所述第一处理的信号(σ1)包括所述预测位置信号 以及

所述震动检测装置(130)设计成能根据所述预测位置信号

产生所述震动指示信号(SIS)。

3.按照权利要求2所述的光盘驱动设备，其中所述震动检测装置(130)包括：

用来接收所述预测位置信号 的低通滤波器(133)；以及

用来接收来自所述低通滤波器(133)的输出信号和提供所述震动指示信号(SIS)的比较器(134)。

4.按照权利要求3所述的光盘驱动设备，其中所述低通滤波器(133)的截止频率约为850Hz。

5.按照权利要求3所述的光盘驱动设备，其中所述比较器(134)设计成能将所述低通滤波器(133)的输出信号与预定门限值相比较，所述门限值在径向控制的情况下与轨道间距的大约25％相应。

6.按照权利要求3所述的光盘驱动设备，其中所述比较器(134)设计成能将所述低通滤波器(133)的输出信号与预定门限值相比较，所述门限值在径向控制的情况下与在从近似为轨道间距的20％到近似为轨道间距的25％的范围内的值相应。

7.按照权利要求1所述的光盘驱动设备，其中所述状态估计器(120)连接成接收来自所述致动器控制信号产生装置(190)的所述致动器信号(RAD；u(k))。

8.按照权利要求7所述的光盘驱动设备，其中所述状态估计器(120)设计成能按照下式计算预测位置信号

$\hat{x}(k+1)=A_d\left(\mathrm{1,1}\right)\stackrel{\‾}{x}\left(k\right)+A_d\left(\mathrm{1,2}\right)\stackrel{\‾}{v}\left(k\right)+B_d\left(1\right)u\left(k\right)$

其中A_d(2×2)和B_d(2×1)为致动器的离散模型的常数矩阵和向量；以及

其中 x(k)和 v(k)分别为致动器的当前位置和当前速度的估计值。

9.按照权利要求8所述的光盘驱动设备，其中所述状态估计器(120)设计成能按照下式计算预测速度信号

$\hat{v}(k+1)=A_d\left(\mathrm{2,1}\right)\stackrel{\‾}{x}\left(k\right)+A_d\left(\mathrm{2,2}\right)\stackrel{\‾}{v}\left(k\right)+B_d\left(2\right)u\left(k\right)$

10.按照权利要求9所述的光盘驱动设备，其中所述状态估计器(120)设计成能按照下式计算 x(k)和 v(k)：

$\stackrel{\‾}{x}\left(k\right)=\hat{x}(k+1)/z+L_{\mathrm{res}}(x\left(k\right)-\hat{x}(k+1)/z)$

$\stackrel{\‾}{v}\left(k\right)=\hat{v}(k+1)/z+L_v(x\left(k\right)-\hat{x}(k+1)/z)$

其中：

L_res和L_v为估计器增益，优选的是由线性二次调节器(LQR)方法确定。

11.按照权利要求1所述的光盘驱动设备，其中所述致动器控制信号产生装置(190)设计成能执行滑动模式控制(SMC)。

12.按照权利要求10所述的光盘驱动设备，其中所述致动器控制信号产生装置(190)连接成接收来自所述状态估计器(120)的所述估计的当前致动器位置和速度信号( x(k)和 v(k))，其中所述致动器控制信号产生装置(190)设计成能按照下式计算它的输出信号(u(k))：

$u\left(k\right)=k\·[\mathrm{\ϵsat}\left(\frac{g_{\mathrm{res}}\stackrel{\‾}{x}\left(k\right)+g_v\stackrel{\‾}{v}\left(k\right)}{\mathrm{\Φ}}\right)+{\mathrm{kk}}_1\stackrel{\‾}{x}\left(k\right)+{\mathrm{kk}}_2\stackrel{\‾}{v}\left(k\right)]$

其中kk₁和kk₂以及k为由致动器动态特性和SMC控制器增益确定的系数；

其中S(k)＝g_resx(k)+g_vv(k)＝0描述了状态空间内的时间-不变曲面，“g_res”和“g_v”为被选择成使S(k)＝0定义稳定的滑动面的常数；

其中sat(g_resx(k)+g_vv(k)/Φ)定义了饱和功能；以及

其中ε为增益因子，是SMC致动器控制信号产生装置(190)的所述可变控制参数。

13.按照权利要求1所述的光盘驱动设备，所述控制电路(90)还包括扰动估计装置(140)，用来接收来自所述致动器控制信号产生装置(190)的所述致动器信号(RAD；u(k))和来自所述误差信号处理装置(120)的第三导出信号(σ3)，所述扰动估计装置(140)设计成能根据所述致动器信号(RAD；u(k))和所述第三导出信号(σ3)产生估计的扰动信号( d(k))；

其中所述致动器控制信号产生装置(190)连接成接收来自所述扰动估计装置(140)的所述估计的扰动信号( d(k))，并且所述致动器控制信号产生装置(190)根据所述估计的扰动信号( d(k))计算它的输出信号。

14.按照权利要求10和权利要求13所述的光盘驱动设备，其中所述致动器控制信号产生装置(190)连接成接收来自所述状态估计器(120)的所述估计的当前致动器位置和速度信号( x(k)和 v(k))，其中所述致动器控制信号产生装置(190)设计成能按照下式计算它的输出信号(u(k))：

$u\left(k\right)=k\·[\mathrm{\ϵsat}\left(\frac{g_{\mathrm{res}}\stackrel{\‾}{x}\left(k\right)+g_v\stackrel{\‾}{v}\left(k\right)}{\mathrm{\Φ}}\right)+{\mathrm{kk}}_1\stackrel{\‾}{x}\left(k\right)+{\mathrm{kk}}_2\stackrel{\‾}{v}\left(k\right)+\stackrel{\‾}{d}\left(k\right)]$

其中kk₁和kk₂以及k为由致动器动态特性和SMC控制器增益确定的系数；

其中S(k)＝g_resx(k)+g_vv(k)＝0描述了状态空间内的时间-不变曲面，适当选择“g_res”和“g_v”使S(k)＝0定义稳定的滑动面的常数；

其中sat(g_resx(k)+g_vv(k)/Φ)定义了饱和功能；以及

其中ε为增益因子，是SMC致动器控制信号产生装置(190)的所述可变控制参数。

15.按照权利要求1所述的光盘驱动设备，其中所述致动器控制信号产生装置(190)产生的所述致动器信号为数字致动器信号(RAD；u(k))，而其中所述控制电路(90)还包括：

D/A信号处理装置(196)，用来接收来自所述致动器控制信号产生装置(190)的所述数字致动器信号(RAD；u(k))和产生模拟致动器信号(RAA；u(s))；

优选的是，噪声滤波装置(197)，用来接收来自所述D/A信号处理装置(196)的所述模拟致动器信号(RAA；u(s))和产生经滤波的致动器信号(SAF)；

致动器驱动装置(198)，用来接收来自所述D/A信号处理装置(196)的所述模拟致动器信号(RAA；u(s))或接收所述经滤波的致动器信号(SAF)，并产生致动器驱动信号(SAD；S_CR，S_CF，S_CT)。

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