KR20050085794A - 기계적 쇼크에 대한 내성이 향상된 디스크 구동장치 - Google Patents

기계적 쇼크에 대한 내성이 향상된 디스크 구동장치 Download PDF

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KR20050085794A
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유 쵸우
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코닌클리케 필립스 일렉트로닉스 엔.브이.
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Abstract

디스크 구동 장치(1)는 a) 스캐닝 수단의 판독/기록소자(34)의 위치지정을 제어하는 액추에이터 수단(50); b) 판독신호(SR)를 수신하여 적어도 하나의 에러(RES;e(k))를 발생시키는 에러 신호 계산 수단(111,112); c) 에러(RES;e(k))를 수신하여 유도 신호(s1,s2,s3)를 출력하는 상태 추정기(120); d) 유도신호들 중 하나(s1)에 근거하여, 쇼크 표시 신호(SIS)를 발생시키는 쇼크 검출기 수단(130); e) 적어도 하나의 가변 제어 파라미터를 가지며, 유도신호들 중 하나(s2)에 근거하여, 액추에이터 제어 신호(RAD;u(k))를 발생시키는 액추에이터 제어신호 발생기 수단(190)을 포함하며, 액추에이터 제어 신호 발생기 수단(190)은 노멀 동작 시에 가변 제어 파라미터에 대한 제1 값을 설정하며, 쇼크 표시 신호(SIS)가 쇼크의 발생을 표시할 때 가변 제어 파라미터에 대한 제2 값을 설정한다.

Description

기계적 쇼크에 대한 내성이 향상된 디스크 구동장치{Disc drive with improved resistance against mechanical shocks}
본 발명은 광 저장 디스크로/로부터 정보를 기록/판독하기 위한 광 디스크 구동장치에 관한 것이다.
통상적으로 알려진 바와 같이, 광 저장 디스크는 정보가 데이터 패턴 형태로 저장되는 저장 공간의, 연속하는 나선형 형태 또는 다수의 동심원 형태로 적어도 하나의 트랙을 구비한다. 광 디스크들은 제조시에 정보가 기록되어 있는 판독 전용 형태일 수도 있는데, 그 정보는 단지 사용자에 의해만 판독될 수 있다. 또한, 광 저장 디스크는 사용자에 의해 정보가 저장될 수도 있는 기록 가능한 형태일 수도 있다. 광 저장 디스크의 저장 공간 내에 정보를 기록하기 위해, 또는 이 디스크로부터 정보를 판독하기 위해, 광 디스크 드라이브는 한편으로 광 디스크를 입력받아 회전시키는 회전수단과, 다른 한편으로 광 빔, 일반적으로 레이저 빔을 발생시켜서 상기 레이저 빔으로 저장 트랙을 스캐닝하는 광학 수단을 구비한다. 일반적으로 정보를 광 디스크에 저장하는 방법과 광학 데이터를 광 디스크로부터 판독하는 방법과 같은 광 디스크의 기술은 통상적으로 공지되어 있기 때문에, 여기서는 이 기술을 보다 상세히 설명할 필요가 없다.
광 디스크를 회전시키기 위해서, 광 디스크 드라이브는 전형적으로 광 디스크의 중앙부를 차지하는 허브(hub)을 구동시키는 모터를 구비한다. 통상, 이 모터는 스핀들(spindle) 모터로 구현되며, 모터 구동 허브는 모터의 스핀들 축에 직접 배치된다.
광학적으로 회전 디스크를 스캐닝하기 위해, 광 디스크 디스크는 광 빔 발생 장치(일반적으로 레이저 다이오드)와, 디스크 상의 초점 스폿에 광 빔을 집광시키기 위한 대물 렌즈와, 디스크로부터 반사된 반사 광을 수광하여 전기적인 검출기 출력 신호를 발생시키는 광 검출기를 구비한다. 광 검출기는 다수의 검출기 세그먼트들을 구비하고, 각 세그먼트는 개개의 세그먼트 출력 신호를 제공한다.
동작 시에, 광 빔은 디스크 상에 집광되어야 한다. 대물 렌즈는 축의 방향으로 교체 가능하게 배치되며, 광 디스크 드라이브는 대물 렌즈의 축 위치를 제어하기 위한 초점 액추에이터 수단을 구비한다. 더 나아가서, 초점 스폿은 트랙과 정렬되어야 하며, 새로운 트랙에 대하여 위치될 수 있어야 한다. 적어도 대물 렌즈는 방사상으로 교체가능하게 실장되며, 광 디스크 드라이브는 대물 렌즈의 방사 위치를 제어하기 위한 방사 액추에이터 수단을 구비한다.
많은 디스크 드라이브에 있어서, 대물 렌즈는 경사지게 배치되며, 그러한 광 디스크 드라이브는 대물 렌즈의 틸트 각을 제어하기 위한 틸트 액추에이터 수단을 구비한다.
이들 액추에이터를 제어하기 위해, 광 디스크 드라이브는 광 검출기로부터 출력신호를 수신하는 제어기를 구비한다. 이후에는 판독신호라고 불리는 신호로부터, 제어기는 하나 또는 그 이상의 에러 신호, 예를 들면 초점 에러 신호, 방사 에러 신호를 유도하며, 이들 에러 신호에 근거하여, 제어기는 액추에이터를 제어하기 위한 액추에이터 제어신호를 발생시켜서, 위치 에러를 줄이거나 제거한다.
액추에이터 제어신호를 발생시키는 과정에서, 제어기는 특정 제어 특성을 나타낸다. 그러한 제어 특성은 제어기의 특징이며, 이것은 제어기가 위치 에러들을 검출하는 반작용(reaction)으로서 작용하는 방법으로서 설명될 수 있을 것이다.
위치 에러들은 실질적으로 서로 다른 형태의 교란(disturbance)에 의해 발생될 수도 있다. 교란 중 2개의 가장 중요한 항목은
1) 디스크 결함
2) 외부 쇼크 및 (주기적인) 진동
첫번째 항목은 블랙 도트(black dot)와 같은 내부 디스크 결함, 지문과 같은 오염, 스크래치(scratches)와 같은 손상 등을 포함한다. 두번째 항목은 디스크 드라이브에 대한 물체 얼룩무늬에 의해 발생된 쇼크를 포함하지만, 이 쇼크 및 진동은 주로 휴대용 디스크 드라이브 및 자동 응용분야에서 발생될 것이다. 그 차이 이외에, 근본적으로, 디스크 결함과 쇼크 및 진동 간의 중요한 차이는 신호 교란의 주파수 범위이다. 즉 디스크 결함에 의해 야기된 신호 교란은 전형적으로 고 주파수이지만, 쇼크 및 진동은 전형적으로 저 주파수이다.
이 점에서의 문제점은 쇼크의 적절한 처리가 노멀 동작 조건과는 다른 제어 특성을 필요로 한다는 것이다.
전통적으로, 디스크 드라이브의 제어기는 고정된 제어 특성을 가지며, 그것은 첫번째 항목의 교란을 적절하게 처리하기 위해 설치되거나(그 경우에, 에러 제어는 두번째 항목의 교란의 경우에는 최적이 아님), 두번째 항목의 교란을 적절하게 처리하기 위해 설치되며(그 경우에 에러 제어는 첫번째 항목의 교란의 경우에 최적이 아님), 또는 제어 특성은 절충안(compromise)이다(그 경우에 에러 제어는 첫번째 항목의 교란의 경우뿐만 아니라 두번째 항목의 교란의 경우에는 최적이 아님). 제어기가 선형적인 제어 기술을 적용하는 한, 저 주파수 교란 거부(rejection)와 노이즈에 대한 고 주파수 감도 간의 절충안이 항상 있다. 예를 들면, 현재의 상업적 제품에서의 충분한 쇼크 면역성을 얻기 위한 일반적인 방법은 저 주파수 측에서 보다 높은 서보 게인을 가진 낮은 댐핑 현가(damping suspension)를 사용하는 것이다. 그러나, 현가 디자인은 동작, 처리 및 이송 시의 모든 상황 하에서의 동적 범위 및 현가 성능 뿐만 아니라 구동 동작 쇼크 감도에 의존하며, 재료비, 기계적 디자인 공차 등에 의존한다. 현가 댐핑율을 저하시켜서 쇼크 면역 레벨을 증가시키는 것은 시스템 관점에서 매우 많이 제한된다. 또한, 서보 게인을 증가시킴으로써 외부 쇼크에 대한 강인한 특성(robustness)은 시스템 안정 요건에 의해 제한된다. 낮은 게인은 측정 노이즈 거부의 디자인 기준을 충족시키며, 재생 중에 어떤 디스크 결함에 대한 감도를 덜 받게 한다.
스위칭 제어 기술에 대해서는 이미 미국공개특허 4,722,079에 개시되어 있다. 쇼크 발생 시에, 보다 높은 래그(lag) 필터에 의해 보다 높은 서보 루프 게인이 사용된다. 위치 에러가 어떤 스레숄드(threshold)보다 적으면, 서보 루프 게인과 래그 필터는 통상적인 재생 값으로 스위치백된다.
쇼크 효과를 억제하기 위한 스위칭 제어 기술의 효과적인 애플리케이션은 쇼크의 정확한 검출을 요구한다.
가변 게인을 갖는 제어기를 동작시킬 수 있게 하기 위해서는, 쇼크를 정확히 검출할 필요가 있다. 쇼크 센서를 이용하는 것은 정확한 쇼크 검출을 위한 직접적인 방법이지만, 이것은 제품 비용을 증가시킬 것이다. 또한, 안정성의 시스템 요건은 쇼크 성능 향상을 제한할 것이다. 교란 항목을 결정하기 위해 광 판독 신호를 처리하는 시스템에 대해서는 상기 미국특허공보 4,722,079에서 기술하고 있지만, 이 시스템은 3-빔 광학 시스템을 필요로 한다.
미국특허공보 5,867,461 또한 교란 항목을 결정하기 위해 광 판독 신호를 처리하는 시스템에 대해서 기술하고 있다. 이러한 공지된 시스템에 있어서, 포락선(envelope)은 고주파수 신호 내용에 의해 결정된다. 이 방법의 하나의 단점은 그것이 디스크 상에 기록된 데이터에 의존하며, 공 디스크의 경우에 적용할 수 없다는 것이다. 또 다른 단점은 그 중에서도 상위 피크와 하위 피크를 검출하며, 상위 포락선과 하위 포락선을 검출하기 위해 필터링하고, 이들 포락선을 분석하며, 메모리 내에 신호를 저장하기 위한 복잡한 회로를 필요로 한다는 것이다.
상기 방법의 공통된 단점은 비교적 응답 시간이 길다는 것인데, 그것은 쇼크가 발생하여 응답할 수 있다는 것을 시스템이 검출하기 전에 쇼크의 발생 후에 약간의 시간을 필요로 한다.
본 발명의 목적은 장치의 비용을 증가시키지 않고 디스크 구동 장치의 쇼크 내성을 향상시키는데 있다.
특히, 본 발명의 목적은 비용 증가없이 비교적 쉽게 구현될 수 있는 디스크 구동 장치의 신뢰성 높은 쇼크 검출 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 쇼크에 대한 응답 특성이 향상된 디스크 구동 장치를 제공하는데 있다.
이들 및 본 발명의 다른 관점들, 특징, 및 단점들은 도면을 참조하여 다음의 기술에 의해 더 설명될 것이며, 동일한 참조번호는 동일한 부분을 나타내나.
도 1A은 광 디스크 구동 장치의 관련 구성소자들을 개략적으로 나타낸 것이며,
도 1B는 광 검출기를 나타낸 것이고,
도 2는 제어회로를 개략적으로 나타내는 블록도이며,
도 3은 상태 추정기의 바람직한 실시예를 개략적으로 나타내는 블록도이고,
도 4는 교란 추정기의 일 실시예를 개략적으로 나타내는 블록도이며,
도 5는 SMC 제어기의 일 실시예를 개략적으로 나타내는 블록도이고,
도 6은 쇼크 검출기의 일 실시예를 개략적으로 나타내는 블록도이며,
도 7은 실험 시뮬레이션에서의 방사형 액추에이터의 보데 플롯(bode plot)을 나타내는 그래프이고,
도 8은 쇼크의 경우에 방사 에러 신호 오프-트랙 값의 시뮬레이션 결과를 나타내는 그래프이며,
도 9는 SMC 제어기의 효과를 설명하기 위한 방사 에러 신호를 나타내는 그래프이다.
본 발명의 중요한 관점에 따르면, 쇼크는 판독 신호의 적절한 분석에 의해 검출된다. 바람직하게는 본 발명은 소프트웨어로 구현된다.
본 발명의 특정 관점에 따르면, 쇼크는 상태 추정기의 출력신호에 근거하여 검출된다. 중요한 이점은 상태 추정기가 쇼크를 초기에 검출할 수 있어 응답시간을 감소시킬 수 있다는 것이다. 본 발명의 또 다른 특정 관점에 따르면, 제어기는 추정기 기반의 슬라이딩 모드 제어(Sliding Mode Control : SMC)를 포함한다.
본 발명은 초점 제어와 틸트 제어에 적용할 수 있기 때문에 본 발명은 본 발명의 범위를 제한하지 않고, 광 디스크 특히 DVD의 방사 제어에 대해서 설명될 것이다.
도 1A는 광 디스크(2), 일반적으로 DVD 또는 CD 상에 정보를 저장하거나 이것으로부터 정보를 판독하기 위한 광 디스크 구동 장치(1)를 개략적으로 나타낸다. 디스크(2)를 회전시키기 위해서, 디스크 구동 장치(1)는 회전축(5)을 규정하는 프레임(미도시)에 고정된 모터(4)를 포함한다.
디스크 구동 장치(1)는 광 빔으로 디스크(2)의 트랙(미도시)을 스캐닝하기 위한 광 시스템(30)을 더 구비한다. 구체적으로 말하면, 도 1A에 나타낸 장치에서, 광 시스템(30)은 광 빔(32)을 발생시키기 위해 설치된 광 빔 발생수단(31), 예로 레이저 다이오드와 같은 레이저를 포함한다. 광 경로(39) 다음에 오는 광 빔(32)의 각기 다른 섹션은 참조번호 32에 부가된 문자 a, b, c 등으로 표시된다.
광 빔(32)은 빔 스플리터(33), 시준기 렌즈(37), 및 대물 렌즈(34)를 통과하여 (빔 32b) 디스크(2)에 도달한다. 대물 렌즈(34)는 디스크의 기록층(미도시) 상의 초점 스폿에 광 빔(32b)을 집광하도록 설계된다. 광 빔(32b)은 디스크(2)로부터 반사되며(반사된 광 빔 32c) 대물 렌즈(34), 시준기 렌즈(37), 및 빔 스플리터(33)를 통과하여, 광 검출기(35)에 도달한다(빔 32d). 이 경우에, 프리즘과 같은 광 소자(38)는 빔 스플리터(33)와 광 검출기(35) 사이에 삽입된다.
디스크 구동 장치(1)는 디스크(2)에 대하여 대물 렌즈(34)를 방사상으로 배치하기 위한 방사 액추에이터(51)를 포함하는 액추에이터 시스템(50)을 더 구비한다. 방사 액추에이터 그 자체는 공지되어 있기 때문에, 본 발명은 그러한 방사 액추에이터의 디자인 및 기능에 관한 것은 아니지만, 여기서는 방사 액추에이터의 디자인 및 기능을 반드시 상세히 기술할 필요가 없다.
디스크(2)의 바람직한 위치에 대하여 정확한 포커싱을 달성 및 유지하기 위해서, 상기 대물 렌즈(34)가 축의 방향으로 옮길 수 있게 실장되지만, 액추에이터 시스템(50)은 디스크(2)에 대하여 대물 렌즈(34)를 축의 방향으로 옮기기 위해 배치된 초점 액추에이터(52)를 구비한다. 초점 액추에이터 그 자체는 공지되어 있기 때문에, 그러한 초점 액추에이터의 디자인 및 동작은 본 발명의 주제가 아니지만, 여기서는 그러한 초점 액추에이터의 디자인 및 동작을 반드시 상세히 기술할 필요가 없다. 방사방향을 따라 탐색 활동을 주로 수행하는 방사 위치 지정 시스템은 통상적으로 방사방향을 따라 레이저 스폿의 큰 이동을 위한 슬랫지(sledge)를 포함하는 2단 또는 슬랫지-액추에이터 서보 시스템으로서 설계된다. 또 다른 방법으로, 스윙 암(swing arm)이 사용된다. 광 픽-업부는 위치 지정 수단 상에 이동 가능하게 실장되어, 그것은 좋은 위치 지정을 위해 (슬랫지 상에 실려 있는)포커스 및 방사 액추에이터에 의해 제어될 수 있다. 그 점에서는, "Sorin G.Stan, "The CD-ROMDrive-A Brief System Description", Kluwer Academic Publishers, 1998"를 참조하면 된다. 방사 루프와 포커스 루프 간의 동적인 상호 작용은 비교적 낮다. 방사 및 포커스 루프는 통상적으로 설계되며 실제 애플리케이션에서 독립적으로 조사된다. 좋은 이동을 위해, 포커스 및 방사 액추에이터는 통상적으로 2개의 독립된 PID 제어기에 의해 제어되기 때문에 2개의 독립된 SISO(Single Input and Single Output) 시스템을 창출한다.
대물 렌즈(34)의 정확한 틸트 위치를 달성 및 유지하기 위해서, 대물 렌즈(34)는 회전축으로 실장될 수도 있으며, 그 경우에, 도시된 바와 같이, 액추에이터 시스템(50)은 디스크(2)에 대하여 대물 렌즈(34)를 회전시키기 위해 설치된 틸트 액추에이터(53)를 구비한다. 틸트 액추에이터 그 자체는 공지되어 있기 때문에, 그러한 틸트 액추에이터의 디자인 및 동작은 본 발명의 주제는 아니지만, 여기서는 그러한 틸트 액추에이터의 설계 및 동작을 반드시 상세히 설명할 필요가 없다.
대물 렌즈를 회전시키기 위한 수단 뿐만 아니라, 장치 프레임에 대하여 대물 렌즈를 지지하기 위한 수단, 및 대물 렌즈를 축의 방향으로 그리고 방사방향으로 이동시키기 위한 수단은 일반적으로 공지되어 있다. 그러한 지지수단 및 이동 수단의 디자인 및 동작은 본 발명의 주제는 아니기 때문에, 여기서는 그들의 디자인 및 동작을 상세히 기술할 필요가 없다.
방사 액추에이터(51), 초점 액추에이터(52) 및 틸트 액추에이터(53)는 하나로 집적화된 액추에이터로서 구현될 수도 있다는 것에 주의한다.
디스크 구동 장치(1)는 모터(4)의 제어 입력에 접속된 제1 출력(92), 방사 액추에이터(51)의 제어 입력에 접속된 제2 출력(93), 초점 액추에이터(52)의 제어 입력에 접속된 제3 출력(94), 및 틸트 액추에이터(53)의 제어 입력에 접속된 제4 출력(95)을 갖는 제어회로(90)를 더 구비한다. 제어회로(90)는 모터(4)를 제어하기 위한 제어신호 SCM을 그것의 제1 출력(92)에서 발생시키며, 방사 액추에이터(51)를 제어하기 위한 제어신호 SCR을 그것의 제2 출력(93)에서 발생시키고, 초점 액추에이터(52)를 제어하기 위한 제어신호 SCF를 그것의 제3 출력(94)에서 발생시키며, 틸트 액추에이터(53)를 제어하기 위한 제어신호 SCT를 그것의 제4 출력(95)에서 발생시키도록 설계된다.
제어 회로(90)는 광 검출기(35)로부터 판독신호 SR를 수신하는 판독 신호 입력(91)을 더 갖는다.
도 1B는 다수의 검출기 세그먼트를 구비하는 광 검출기(35)를 나타낸다. 도 1B에 도시한 바와 같이, 광 검출기(35)는 6개의 검출기 세그먼트의 각각에 입사된 광의 양을 나타내는 개개의 검출기 신호 A,B,C,D,S1,S2를 각각 제공할 수 있는 6개의 검출기 세그먼트 35a, 35b,35c,35d,35e,35f를 구비한다. 중심구(central aperture) 검출기 세그먼트로서 표시된 4개의 검출기 세그먼트 35a, 35b,35c,35d는 4개의 사분원 구성으로 배열된다. 제1 및 제4 세그먼트(35a, 35d)를 제2 및 제3 세그먼트(35b,35c)로부터 분리시키는 센터 라인(36)은 트랙 방향에 대응하는 방향을 갖는다. 위성 검출기 세그먼트로서 표시되며 그들 자신이 서브세그먼트들로 분리될 수도 있는 2개의 검출기 세그먼트(35e, 35f)는 상기 센터 라인(36)의 반대쪽에 있는, 중앙 검출기 사분원 양쪽에서 대칭적으로 배열된다. 그러한 6개의 세그먼트 검출기는 통상적으로 공지되어 있기 때문에, 여기서는 그것의 디자인 및 기능을 보다 상세히 설명할 필요가 없다.
광 검출기(35)에 대해서는 다른 디자인도 가능하다. 예를 들면, 위성 세그먼들들은 그 자체로 알려져 있기 때문에 생략될 수도 있다.
도 1B는 모든 개개의 검출기 신호를 수신하는 복수개의 입력을 구비하는 제어회로(90)의 판독 신호 입력(91)을 나타낸다. 이와 같이, 6개의 사분원 검출기의 경우에, 제어회로(90)의 판독 신호 입력(91)은 실제로 상기 개개의 검출기 신호 A,B,C,D,S1,S2을 각각 수신하는 6개의 입력 91a,91b,91c,91d,91e,91f를 구비한다. 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자에게는 자명한 것으로, 제어회로(90)는 데이터 신호와 1개 또는 그 이상의 에러 신호를 유도하기 위해 상기 개개의 검출기 신호 A,B,C,D,S1,S2를 처리하도록 설계된다. 이후에 간단히 RE로 표시되는 방사 에러 신호는 트랙과 초점 스폿 F 간의 방사 거리를 나타낸다. 이후에 간단히 FE로 표시되는 포커스 에러 신호는 저장층과 초점 스폿 F 간의 축의 거리를 나타낸다. 광 검출기의 디자인에 의존하여, 에러 신호 계산을 위한 각기 다른 공식이 사용될 수도 있다. 일반적으로 말하면, 그러한 에러 신호들 각각은 검출기(35)에 있는 특정 종류의 중앙 광 스폿의 비대칭을 위한 대책이므로, 디스크에 대하여 광 스캐닝 스폿의 이동에 민감하다.
현재의 신호값은 신호(k)로 표시될 것이고, 다음의 신호값은 신호(k+1)로 표시될 것이며, 이전의 신호값은 신호(k-1)로 표시될 것이다. 또한, 신호 x의 실제값은 추가없이 문자 x로 표시될 것이며, 이 신호 x의 예측 값은 로 표시되고, 이 신호 x의 추정 값은 로 표시될 것이다.
도 2는 제어회로(90)를 개략적으로 좀더 상세히 나타내는 블록도이다. 제어회로(90)는 OPU(30)로부터 광 판독신호 SR를 수신하여 개개의 다이오드 신호 D1~D5를 출력하는 신호 사전 처리 블록(111)을 구비한다. 다수의 다이오드 신호들은 검출기(35)의 다수의 세그먼트들에 의존한다.
제어회로(90)는 신호 사전 처리 블록(111)으로부터의 출력신호 D1~D5를 수신하여, e(k)로 표시된 방사 에러 신호 RES를 출력하는 A/D 신호 처리 블록(112)을 더 구비한다.
제어회로(90)는 A/D 신호 처리 블록(112)으로부터 방사 에러 신호 e(k)를 수신하는 제1 입력(121)을 갖는 에러 신호 처리 블록(120)을 더 구비한다. 에러 신호 처리 블록(120)은 방사 에러 신호 e(k)로부터 유도 신호를 계산하도록 설계되며, 제1 유도 신호 σ1을 출력하기 위한 제1 출력(123), 제2 유도 신호 σ2를 출력하기 위한 제2 출력(124), 및 제3 유도 신호 σ3을 출력하기 위한 제3 출력(125)을 갖는다.
제어회로(90)는 에러 신호 처리 블록(120)으로부터 제1 유도 신호 σ1을 수신하는 입력(131)과, 쇼크 표시 신호 SIS를 출력하기 위한 출력(132)을 갖는 쇼크 검출기 블록(130)을 더 구비한다. 쇼크 검출기 블록(130)은 사전에 정의된 조건과 관련하여 에러 신호 처리 블록(120)으로부터 제1 유도 신호 σ1을 분석하여, 사전에 정의된 조건이 충족되면 쇼크의 발생을 표시하는 쇼크 표시 신호 SIS를 발생시키도록 설계된다.
제어회로(90)는 에러 신호 처리 블록(120)으로부터 제2 유도 신호 σ2를 수신하는 제1 입력(192)과, 쇼크 검출기 블록(30)으로부터 쇼크 표시 신호 SIS를 수신하는 제2 입력(193)을 갖는 액추에이터 제어 신호 발생기 블록(190)을 더 구비한다.
제어회로(90)는 에러 신호 처리 블록(120)으로부터 제3 유도 신호 σ3을 수신하는 제1 입력(141)을 갖는 교란 추정기 블록(140)을 더 구비한다. 교란 추정기 블록(140)은 추정된 교란 신호 를 제공하기 위한 출력(143)을 갖는다. 이 액추에이터 제어 신호 발생기 블록(190)은 이 추정된 교란 신호 를 수신하는 제3 입력(194)을 갖는다.
액추에이터 제어 신호 발생기 블록(190)은 언급된 바와 같이 그것의 입력 신호에 근거하여, u(k)로 표시된 디지털 방사 액추에이터 신호 RAD를 계산하도록 설계되며, 그 디지털 방사 액추에이터 신호 RAD는 제1 출력(191)과 제2 출력(195)에서 제공된다.
액추에이터 제어 신호 발생기 블록(190)은 언급된 바와 같이 그것의 입력 신호에 근거하여, 이전의 디지털 방사 액추에이터 신호 u(k-1)를 계산하도록 설계되며, 그 디지털 방사 액추에이터 신호 u(k-1)는 제3 출력(191a)에서 제공된다. 교란 추정기 블록(140)은 이 디지탈 방사 액추에이터 신호 u(k-1)를 수신하는 제2 입력(142)을 갖는다.
제어회로(90)는 액추에이터 제어 신호 발생기 블록(190)으로부터 디지털 방사 액추에이터 신호 RAD를 수신하여, u(s)로 표시된 아날로그 방사 액추에이터 신호 RAA를 출력하는 D/A 신호 처리 블록(196)을 더 구비한다. 제어회로(90)는 D/A 신호 처리 블록(196)으로부터 아날로그 방사 액추에이터 신호 u(s)를 수신하여, 필터링된 액추에이터 신호 SAF를 출력하는 노이즈 필터 블록(197)을 더 구비할 수도 있다.
제어회로(90)는 노이즈 필터 블록(197)으로부터 필터링된 액추에이터 신호 SAF를 수신하여, 방사 액추에이터(51)에 대한 액추에이터 구동 신호 SAD를 출력하는 액추에이터 드라이버 블록(198)을 더 구비한다.
액추에이터 제어 신호 발생기 블록(190)은 에러 신호 처리 블록(120)으로부터 수신되는 제2 출력 신호σ2에 근거하여 그것의 디지털 방사 액추에이터 출력 신호 RAD를 계산하도록 설계된다. 이 계산에서, 액추에이터 제어 신호 발생기 블록(190)은 가변 특성, 일반적으로, 가변 게인을 나타내며, 액추에이터 제어 신호 발생기 블록(190)은 쇼크 검출기 블록(130)으로부터 수신되는 쇼크 표시 신호 SIS에 근거하여 상기 가변 특성(즉, 게인)을 설정하도록 설계된다. 특히, 쇼크 검출기 블록(130)으로부터 수신되는 쇼크 표시 신호 SIS가 쇼크의 발생을 표시하면, 액추에이터 제어 신호 발생기 블록(190)은 쇼크의 경우에서의 동작(즉, 상기 게인이 증가됨)에 더 적합한 값으로 그것의 특성을 설정할 것이고, 쇼크 검출기 블록(130)으로부터 수신되는 쇼크 표시 신호 SIS가 쇼크가 과도하다는 것을 표시하면, 액추에이터 제어 신호 발생기 블록(190)은 노멀 동작(상기 게인이 낮아짐)에 더 적합한 값으로 그것의 가변 특성을 설정할 것이다. 액추에이터 제어 신호 발생기 블록(190)은 원칙적으로 어떤 적합한 제어 신호 발생기일 수도 있고, 그러나, 바람직하게는 액추에이터 제어 신호 발생기 블록(190)은 슬라이딩 모드 제어(SMC)를 구현하도록 설계되며, 다음에는 이 예에 대해서 기술될 것이다.
슬라이딩 모드 제어 그 자체는 공지되어 있다. 그 점에 대해서는 "J.J.E.Slotine and W.Li, "Applied Nonlinear Control", Englewood Cliffs, NJ:Prentice-Hall, 1991"를 참조하면 된다. 이 기술의 중요한 이점은 교란 및 불확실한 시스템에 민감하지 않다는 것이다.
본 발명의 중요한 관점에 따르면, 제어 신호 처리 블록(120)은 상태 추정기로 구현된다.
상태 추정기(120)는 상태 소자 중 하나에 근거하여 광 디스크 구동 디지털 서보의 전체 상태를 추정하도록 설계된다. 이 바람직한 실시예에 있어서, 상태 추정기(120)는 방사 에러 신호 RES에 근거하여 방사 액추에이터 위치 및 방사 속도를 추정한다.
특히, 상태 추정기(120)는 현재의 에러 신호 e(k)를 수신하여, 현재의 액추에이터 위치에 대한 추정 값 와 현재의 액추에이터 속도에 대한 추정 값 를 계산한다. 그 후에 추정 상태는 액추에이터 제어 신호 발생기 블록(190)(SMC 제어기)에서 사용되어, 디지털 방사 액추에이터 신호 u(k)를 발생시킨다.
도 3은 상태 추정기(120)의 바람직한 실시예를 보다 상세히 나타낸다. 이 바람직한 실시예에 있어서, 상태 추정기(120)는 본질적으로 2개의 부분, 즉 서로 밀접하게 작용하는 상태 관측기(210)와 상태 예측기(230)로 구분될 수 있다. 상태 관측기(210)는 제1 입력(121)에서 현재의 에러 신호 e(k)를 수신하여, 현재의 액추에이터 위치에 대한 추정 값 과 현재의 액추에이터 속도에 대한 추정 값 을 계산한다.
상태 예측기(230)는 제2 입력(122)에서 현재의 액추에이터 신호 u(k)를 수신하며, 현재의 액추에이터 위치 및 속도에 대한 상기 추정된 값 및 를 상태 관측기(210)로부터 각각 수신하고, 아래의 공식에 따라, 다음 시간 k+1에서 각각 액추에이터 위치 및 액추에이터 속도에 대한 예측된 값 및 를 계산한다.
여기서, Ad(2x2) 및 Bd(2x1)은 각각 방사 액추에이터의 이산 모델에 대한 일정한 매트릭스과 일정한 벡터이다. 그들은 드라이브의 액추에이터의 스펙으로부터 계산될 수 있다. Bd(2)=0임에 유념한다.
예측된 액추에이터 위치 와 예측된 액추에이터 속도 는 아래의 방정식에 따라 추정된 액추에이터 위치 와 추정된 액추에이터 속도 를 계산하기 위한 상태 관측기(210)로 전송된다.
여기서, Lres 및 Lv는 LQR(Linear Quadratic Regulator)에 의해 결정된 추정기 게인이다.
도 3에 도시된 실시예에서, 관측기(210)는 예측기(230)로부터 액추에이터의 예측된/추정된 위치 을 수신하는 제1 단위 지연 블록(401)과, 예측기(230)로부터 액추에이터의 예측된/추정된 속도 를 수신하는 제2 단위 지연 블록(402)을 구비한다. 제1 단위 지연 블록(401)의 출력신호는 감산기(411)의 음(-)의 입력과 제1 가산기(431)의 입력으로 전송된다. 제2 단위 지연 블록(402)의 출력신호는 제2 가산기(432)의 입력으로 전송된다.
입력(121)에서 수신된 에러 신호 e(k)는 인버터(403)로 전송된다. 인버터(403)의 출력신호는 현재의 위치 x(k)를 구성하여, 감산기(411)의 양(+)의 입력으로 전송된다.
이 점에서, 에러 신호 e(k)는 e(k)=X(k)-x(k)로서 정의되는데, 여기서 X(k)는 소망의 위치를 표시하며 x(k)는 실제 위치를 표시한다. 트랙킹 시에, 소망의 위치 X(k)=0이기 때문에, 실제 위치 x(k)는 x(k)=-e(k)로서 계산될 수 있다.
감산기(411)의 출력신호는 게인 Lres를 배가시킬 제1 증폭기(421)와 게인 Lv를 배가시킬 제2 증폭기(422)로 전송된다. 제1 증폭기(421)의 출력신호는 제1 가산기(431)의 제2 입력으로 전송된다. 제2 증폭기(422)의 출력신호는 제2 가산기(432)의 제2 입력에 전송된다. 상태 추정기(120)의 제2 출력(124)에서, 제1 가산기(431)의 출력신호가 출력신호 (추정된 현재의 위치)로서 제공되며, 제2 가산기(432)의 출력신호가 출력신호 (추정된 현재의 속도)로서 제공된다.
제1 가산기(431)의 출력신호는 제2 단위 지연 블록(433)으로 전송되며, 제2 가산기(432)의 출력신호는 제3 단위 지연 블록(434)으로 전송된다. 상태 추정기(120)의 제3 출력에서, 제2 단위 지연 블록(433)의 출력신호는 출력신호 (이전 시간에서의 추정된 위치)로서 제공되며, 제3 단위 지연 블록(434)의 출력신호는 출력신호 (이전 시간에서의 추정된 속도)로서 제공된다.
제1 가산기(431)의 출력신호(추정된 현재 위치 는 게인 Ad(2,1)을 배가시킬 제3 증폭기(433)와, 게인 Ad(1,1)을 배가시킬 제4 증폭기(444)로 전송된다. 제3 증폭기(443)의 출력신호는 제3 가산기(451)의 입력으로 전송된다. 제4 증폭기(444)의 출력신호는 제4 가산기(452)의 입력으로 전송된다.
제2 가산기(432)의 출력신호(추정된 현재 속도 는 게인 Ad(2,2)을 배가시킬 제5 증폭기(445)와, 게인 Ad(1,2)을 배가시킬 제6 증폭기(446)로 전송된다. 제5 증폭기(445)의 출력신호는 제3 가산기(451)의 제2 입력으로 전송된다. 제6 증폭기(446)의 출력신호는 제4 가산기(452)의 제2 입력으로 전송된다.
입력(112)에서 수신된 신호 u(k)는 게인 Bd(1)을 배가시키는 제7 증폭기(447)로 전송된다. 제7 증폭기(447)의 출력신호는 제5 가산기(462)의 입력으로 전송된다. 제4 가산기(452)의 출력신호는 제5 가산기(462)의 제2 입력으로 전송된다.
제3 가산기(451)의 출력신호는 관측기(210)의 제2 단위 지연 블록(402)으로 예측된 속도 으로서 제공된다. 제5 가산기(462)의 출력신호는 관측기(210)의 제1 단위 지연 블록(401)으로 예측된 위치 로서 제공되며, 제1 출력(123)에서는 제1 출력신호 σ1로서 제공된다.
외부 쇼크 및 진동과 같은 교란이 결박되어 SMC 제어기(190)의 구성소자의 샘플링 주파수(일반적으로 22kHz)보다는 상당히 느리다. 시간 k에서의 교란의 추정된 값 은 시간 k-1에서 위치, 속도 및 액추에이터 신호의 취득(historical) 값 d(k)과 관련하여 고려될 수 있으며, 다음과 같이 계산될 수 있다.
도 4는 교란 추정기(140)의 실시예를 나타내는 블록도이다. 신호 , ) 및 는 제1 입력(141)에서 수신된다(에러 신호 처리 블록(120)으로부터의 제3 출력신호 σ3).
신호 u(k-1)는 제2 입력(142)에서 수신된다(SMC 제어기(190)로부터의 출력신호 u(k-1)). 신호는 가산/감산기(147)의 양(+)의 입력(142)으로 전송된다. 신호 는 게인 Ad(1,1)을 배가시킬 제1 증폭기(144)로 전송되며, 제1 증폭기(144)의 출력신호는 가산/감산기(147)의 제1 음(-)의 입력으로 전송된다. 신호 는 게인 Ad(1,2)을 배가시킬 제2 증폭기(145)로 전송되며, 제2 증폭기(145)의 출력신호는 가산/감산기(147)의 제2 음(-)의 입력으로 전송된다. 신호 u(k-1)는 게인 Bd(1)를 배가시킬 제3 증폭기(146)로 전송되며, 제3 증폭기(146)의 출력신호는 가산/감산기(147)의 제3 음(-)의 입력으로 전송된다. 가산/감산기(147)의 출력신호는 교란 추정기(140)의 출력(143)에서 출력신호 로서 제공된다.
슬라이딩 모드 제어(Sliding Mode Control)는 그 자체로 공지되어 있는 기술이다. 따라서, 여기서는 이 기술의 복잡한 설명을 필요로 하지 않으므로, 다음에 기술하는 것을 언급하는 것으로 충분할 것이다.
슬라이딩 모드 제어는 N번째 문제(problem)를 동등한 첫번째 문제로 교체하는 로버스트 비선형 제어 기술이다. 방사 트랙킹을 위해서, 디자인 목적은 완벽한 트랙킹을 위해 x(k)=xd(k)을 유지하는 것이다. 여기서, x(k)=[x(k) V(k)]T는 방사 액추에이터의 상태 벡터이다. 미세한 액추에이터 제어 루프를 위한 트랙킹 시에 레이저 스폿/액추에이터의 소망의 상태는 xd(k)=[0 0]T이다. 방사 에러 신호는 e(k)=xd(k)-x(k)로서 정의된다. 이것은 표면 S(k)=gresx(k)+gvv(k)=0(모든 k>0)에 남아 있는 것과 동일하며, 이 표면은 슬라이딩 표면이라고 불린다. 2차원 벡터 xd(k)를 트랙킹하는 문제는 S 내의 첫번째 안정화 문제로 대체된다. 그 목적은 제어 법칙을 설계하는 것인데, 그것은 시스템으로 하여금 강제로 슬라이딩 표면 S(k)으로 수렴시키게 한 후에, 그 표면에 머무르게 한다. 실질적인 구현을 위해서, 상태 xd(0)≠x(0)의 조화되지 않은 초기 조건 때문에 제한된 시간으로 위상이 슬라이딩 표면에 도달하게 된다. 모델링 부정확성과 교란을 설명하기 위하여(시스템을 완전히 알지 못함), 그리고 불연속의 제어 법칙을 쉽게 하기 위해서, 슬라이딩 표면 주변의 경계층이 정의되어, 시스템 상태가 슬라이딩 표면 또는 어떤 초기 조건으로부터의 그것의 주변으로 이동해야 해고, 결국 표면 또는 그것의 주변으로 집중된다. Lyapunov Stability Theory에 의해, 광 디스크 구동 방사 트랙킹 제어 시스템에 대한 슬라이딩 표면의 존재를 보증하기 위한 도달조건은 다음과 같다.
이때 η은 도달 단계에서의 응답을 결정하는 양수이며, 대체로 액추에이터 감도에 따라 결정되어야 한다. φ는 양수이며, 경계층 두께로 불리며, 트랙킹을 유지하기 위해 초대 허용가능한 방사 에러(그것은 보통 트랙 피치 값의 1/4로 설정됨)에 의해 결정된다. 그리고 ε는 SMC의 제어 이득이다. 어떤 초기 조건으로부터 (도달 조건과 구동 모델로부터 추론될 수 있는) 슬라이딩 표면까지 액추에이터를 조정하기 위한 제어 법칙은 다음과 같다.
kk1 와 kk2 그리고 k는 액추에이터 동적 특성과 SMC 제어기 이득에 의해 결정된 계수들이다.
슬라이딩 표면 (S(k)=gresx(k)+gvv(k)=0)은 상태공간 내의 시간 불면 표면이다. 액추에이터의 바람직한 트랙킹 위치가 교란 또는 동적 불확실성에 변함없는 안정적인 슬라이딩 표면을 S(k)=0가 정의하도록 상수 "gres" 와 "gv"가 선택된다. 이것은 제어력(control force)을 적절하게 선택함으로써 발생되며, 교란 및 동적 불확실성에 대한 전체 불변성은 가변 구조 시스템의 이론에 따른 슬라이딩 표면에서 달성될 수 있다.
이 경계층은 슬라이딩 표면 부근에서의 주변지역을 말한다. 이것은 액추에이터의 바람직한 트랙킹 위치 부근에서의 이웃 영역이다. 어떤 초기 상태 또는 불안한 상태로부터 액추에이터를 슬라이딩 표면으로 돌려주기 위한 (sat()의 함수에 의한) 불연속적인 제어력은 보다 원활하다.
SMC 제어기 설계에서의 키 포인트는 경계층 내에서 동작할 때 전통적인 PID 제어기의 크로스오버 주파수와 같은 SMC 제어기의 크로스오버 주파수를 유지함으로써, 위상 마진, 게인 마진 및 센서 노이즈 거부 등과 같은 선형 영역 내의 특정 성능 특성을 유지하는 것이다. 경계층 밖에서 동작할 때, 보다 높은 SMC 게인이 사용된다.
도 5는 디지털 서보 블록에서 구현된 SMC 제어기(190)의 실시예를 나타내는 블록도이다. 신호 및 는 제1 입력(192)에서 수신된다(에러 신호 처리 블록(120)으로부터의 제2 출력신호 σ2). 신호 는 제3 입력에서 수신된다(교란 추정기(140)로부터의 출력신호 ). 신호 은 게인 kk1을 배가시킬 제1 증폭기(301)로 전송되며; 제1 증폭기(301)의 출력신호는 가산기(340)의 제1 입력으로 전송된다. 신호 은 게인 kk1을 배가시킬 제2 증폭기(302)로 전송되며; 제2 증폭기(302)의 출력신호는 가산기(340)의 제2 입력으로 전송된다. 신호 는 가산기(340)의 제3 입력으로 전송된다.
신호 는 게인 gres을 배가시킬 제3 증폭기(303)와, 함수 z/(z-1)을 실행하는 이산 이동 함수 블록(304)의 입력으로 전송된다. 이산 이동 함수 블록(304)의 출력신호는 게인 gv를 배가시킬 제4 증폭기(305)로 전송된다. 제3 증폭기(303)의 출력신호과 제4 증폭기(305)의 출력신호는 제2 가산기(306)의 각 입력으로 전송된다. 제2 가산기(306)의 출력신호는 함수 sat(ξ/φ)을 계산하는 포락선 계산기(307)의 입력으로 전송된다. ξ는 포락선 계산기(307)의 입력신호를 나타내며, φ는 상기 경계층 두께이다. 포락선 계산기(307)의 출력신호는 내적(dot product) 계산기(330)의 제1 입력으로 전송된다.
제2 입력(193)에서 수신된 쇼크 표시 신호 SIS는 제어가능한 스위치(320)의 제어 입력으로 전달된다. 제1 신호 입력에서, 스위치(320)는 노멀 동작에 사용될 제1 게이 값 ∈1을 수신한다. 제2 신호 입력에서, 스위치(320)는 ∈1보다 높은 제2 게인 값 ∈2을 수신한다. 제어가능한 스위치(320)의 출력신호는 내적 계산기(330)의 제2 입력으로 전송된다. 내적 계산기(330)의 출력신호는 가산기(340)의 제4 입력으로 전달된다.
가산기(340)의 출력신호는 게인 K를 배가시킬 제5 증폭기(341)로 전달된다. 제5 증폭기(341)의 출력신호는 SMC 제어기(190)의 출력(191)에서 출력신호 u(k)로서 제공된다. 제5 증폭기(341)의 출력신호는 지연 블록(342)으로 전달되며, 지연 블록(342)의 출력신호는 SMC 제어기(190)의 출력(191a)에서 출력신호 u(k-1)로서 제공된다.
노멀 동작 시에, 제어가능한 스위칭(320)은 그것의 제1 신호 입력에서 수신된 신호 ∈1을 출력한다. 쇼크 표시 신호 SIS가 쇼크 발생을 표시할 때, 제어가능한 스위치(320)는 그것의 제2 신호 입력에서 수신된 보다 높은 신호 ∈2를 출력한다.
도 6은 쇼크 검출기(130)의 실시예를 나타내는 블록도이다.
쇼크 검출기(130)는 로패스 필터(133) 및 비교기(134)를 구비한다. 상태 추정기(120)로부터의 입력(131)에서 수신된, 다음 시간 k+1의 예측된 위치 신호 (에러 신호 처리 블록(120)으로부터의 제1 출력신호 σ1)는 (850 Hz의) 로패스 필터(133)의 입력으로 전달된다. 로패스 필터(133)의 출력신호는 비교기(134)로 전달되어 스레숄드값과 비교되고, 이 실시예에서, 스레숄드 값은 트랙 피치의 1/4로 설정되었다. 비교기(134)의 출력신호는 쇼크 검출기(130)의 출력(132)에서 쇼크 표시 신호 SIS로서 제공된다.
방사 에러 정보가 트랙 피치의 1/4보다 클 때, 쇼크 검출기(130)는 쇼크 발생을 표시하는 크기를 갖는 쇼크 표시 신호 SIS를 출력할 것이고, 그것은 SMC 제어기(190)의 제어가능한 스위치(320)에 의해 해석될 것이므로, 제어가능한 스위치(320)는 트랙의 중심으로 액추에이터를 끌어당기기 위해서 SMC 제어기(190)에 대하여 높은 게인 ∈2(상기 제2 게인 설정)을 선택할 것이다. 방사 에러 신호가 트랙 피치 값의 1/4보다 적다는 것을 쇼크 검출기(130)가 검출할 때, 방사 액추에이터 제어는 SMC 제어기에 대하여 노멀 게인 ∈1(상기 제1 게인 설정)로 스위치백할 것이다.
도 6에서의 구현 블록은 Lyapunov Stability Theory에 근거한 안정적인 슬라이딩 표면을 보장하는 도달 조건으로부터 공제된 제어 법칙이다. 그것은 수학적으로 다음과 같이 표시될 수 있다.
여기서 bd 및 Ad는 액추에이터의 동적 특성에 의해 결정된 일정한 매트릭스이다. 방사 액추에이터의 아래 상태 공간 표현에서 표현된 것은 다음과 같다.
x(k+1)=Adx(k)+bdu(k)+d(k)
y(k)=cdx(k)
낮은 게인에서 높은 게인까지의 스위칭은 제어기가 더 많은 파워를 갖게 하여 액추에이터를 슬라이딩 표면, 소망의 트랙킹 위치로 보다 빨리 돌려준다.
이 시스템이 높은 게인을 항상 사용하면, 칩 및 액추에이터 수명을 짧게 하는 많은 소비전력이 있을 것이다. 너무 높은 게인 서브 제어 시스템은 지문과 같은 디스크 결함에 매우 민감한 서보를 만든다.
높은 게인은 방사 에러 신호가 25% 피크 오프-트랙 값(즉, 트랙 피치의 1/4)보다 적게 감소될 때까지 유지될 것이다. 레이저 스폿이 1/4 트랙 피치 값보다 더 크면 HF 정보 신호는 더 이상 신뢰할 수 없다. 그래서, SMC 제어기에서는, 쇼크 검출기 스레숄드를 (대략 25% 또는 보다 낮은 피크 오프-트랙 값인) 트랙 피치의 1/4 또는 트랙 피치보다 낮게 설정하며, 제어기를 높은 게인으로 스위칭하고, 즉시(하나의 샘플 타임 딜레이) 방사 에러를 0쪽으로 가져간다.
게인 스위칭은 그 시간보다 한 스텝 빨리 25% 피크 오프-트랙 이상의 방사 에러의 증가를 예측할 수 있으며 그것이 올라가지 전에 액추에이터를 트랙으로 돌려주기 위한 행동을 즉시 취할 수 있는 관측자에 근거를 둔 쇼크 검출기에 의해 트리거된다.
구체적인 예
예로서, 실험 시뮬레이션은 DVD 플레이어에 대하여 수행되었다. 도 7은 드라이브에 대한 방사 액추에이터의 Bode 플롯을 나타낸다. 액추에이터 게인의 초기 값은 LQR 방법에 의해 결정되며, DVD 플레이어 구동 방사 액추에이터에 대한 최종 게인 값은 다음과 같은 시행착오에 의해 폴 배치(pole placement)에 대하여 결정된다.
Lres=1.3e4; Lv=1.724e6
DVD 플레이어 구동을 위한 트랙킹 시에 방사 액추에이터에 대한 선형 제어기 게인은 다음과 같다.
gres=1.e2; gv=1.6e4; ε=600
방사 에러가 경계지역 내에 있을 때 전체 시스템이 원래의 PID 제어기의 크로스오버 주파수와 같은 크로스오버 주파수, 즉 2.2 kHz를 제공하도록 SMC 제어기의 제어 게인 ε가 결정된다. 여기서, 1000의 바운더리가 사용되며, 이것은 20% 피크 오프-트랙의 스레숄드 값(트랙 피치 값의 1/5)에 대응한다. 이 시스템이 쇼크/충격을 경험했을 때처럼 경계층 밖에서 동작할 때, 그리고 방사 에러가 보통 PID 제어기의 제어 범위 밖에 있는 1/5 트랙 피치 이상으로 될 때, 쇼크 검출기는 그 시간보다 한 샘플 빨리 상태 추정기로부터 그 케이스를 즉시 검출할 것이다. 그 후에 SMC 제어기는 보다 큰 SMC 제어 게인으로 스위칭할 것이며 트랙킹 에러를 경계지역으로 가져갈 것이다.
하프-사인의 공인된 가속 프로파일은 오디오/비디오 응용분야에서 전형적인 쇼크 교란을 나타내도록 선택된다.
도 8은 쇼크의 경우에 방사 에러 신호 오프-트랙 값의 시뮬레이션 결과를 나타낸다. 수직 축은 오프-트랙 값(%)을 나타내며, 수평 축은 시간을 나타낸다. 본래 PID 제어기의 피크 오프-트랙은 34.6%이며, 그것은 SMC 제어기가 사용될 때 17.7%까지 감소된다.
도 9는 실험적인 데이터를 갖는 7gm/300ms 하에서 SMC 제어기가 없는(낮은 그래프) 그리고 SMC 제어기가 있는(중간 그래프) 방사 에러 신호 RES를 나타내는 그래프이다. 측정된 방사 액추에이터 감도는 1.2X DVD에서 플레이하는 동안에 대략 0.65㎛/V이다. DVD 디스크의 일반적인 트랙 피치는 0.74㎛이다. 플롯으로부터 보여질 수 있는 바와 같이, SMC 제어기가 없는 그리고 SMC 제어기가 있는 피크 오프-트랙 값은 28.1%에서 8.7%로 감소된다.
DVD 드라이버에 대하여 행해진 상기 시뮬레이션 및 실험적 결과로부터, 높은 진동 및 쇼크를 보상하기 위한 각기 다른 제어 게인을 갖는 추정기에 기반을 둔 SMC는 기대되지 않은 외부 교란에 대한 높은 면역성을 나타낸다. 방사 방향으로의 플레이 가능성 테스팅 결과는 쇼크 성능 스펙이 4gm/300ms에서 7gm/300ms까지 향상될 수 있다는 것을 나타낸다. 이 방법은 물질 또는 프로세스 비용을 증가시키지 않고, 콤팩트 디스크 시스템을 향상시키는데, 특히 휴대용 CD/DVD 플레이어, CaR CD/DVD 플레이어 등과 같이 안티-쇼트 성능에 대한 높은 요구를 갖는 것들을 향상시킨다.
본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 상술한 전형적인 실시예에 제한되지 않지만, 여러가지의 변화 및 변경은 계류중인 청구항에 정의된 바와 같이 본 발명의 보호 범위 내에서 가능하다.
예를 들면, 서보 DSP 내에서 방사 트랙킹을 위한 추정기에 기반을 둔 SMC 제어기 블록은 22 kHz, 서보 프로세서 클럭 주파수에서 동작한다. 그러나 다른 클럭 주파수도 가능하다.
더 나아가서, 스레숄드 값은 조절 가능할 수도 있으며, 그리고/또는 대략 20% 트랙 피치에서 대략 25% 트랙 피치까지의 범위에서 각기 다른 값으로 설정될 수도 있다. 비록 본 발명은 방사 에러 처리에 대해서 상세히 기술 및 설명되었지만, 본 발명은 초점 및 틸트 제어에 동등하게 적용할 수 있다. 그 경우에, 쇼크 검출기에 대한 스레숄드 값은 일반적으로 트랙 피치와 관련되어 있지 않다. 스레숄드 값은 쇼크 유도된 이동 문제점이 드라이브의 나쁜 플레이를 유도할 수 있는 소정의 레벨로 설정될 것이며, 그러한 스레숄드 레벨은 통상적으로 제품의 실험적 테스팅에 의해 결정된다.
상기에서, 본 발명은 본 발명에 따른 장치의 기능 블록을 나타내는 블록도에 관하여 설명되었다. 하나 또는 그 이상의 이들 기능 블록들은 하드웨어적으로 구현될 것이며, 그러한 기능 블록의 기능은 개개의 하드웨어 구성요소에 의해 실행되지만, 하나 또는 그 이상의 이들 블록은 소프웨어적으로 구현되므로, 그러한 기능 블록의 기능은 마이크로프로세서, 마이크로컨트롤러, 디지털 신호 프로세서 등과 같은 컴퓨터 프로그램 또는 프로그램 가능한 장치의 하나 또는 그 이상의 프로그램 라인에 의해 수행된다.

Claims (15)

  1. 디스크 구동장치(1)에 있어서,
    광 디스크(2)의 기록 트랙을 스캐닝하여, 판독신호(SR)를 발생시키는 스캐닝 수단(30);
    디스크(2)에 대하여 상기 스캐닝 수단(30)의 적어도 하나의 판독/기록소자(34)의 위치지정을 제어하는 액추에이터 수단(50); 및
    상기 판독신호(SR)를 수신하여, 상기 판독신호(SR)의 적어도 하나의 신호성분에 근거하여 적어도 하나의 액추에이터 제어신호(SCR, SCF, SCT;SAD)를 발생시키는 제어회로(90)를 구비하고,
    상기 제어회로(90)는
    상기 판독신호(SR)에 근거하여 적어도 하나의 에러 신호(RES;e(k))를 계산하는 수단(111,112);
    적어도 하나의 에러 신호(RES;e(k))를 수신하여 유도 신호(σ1,σ2,σ3)를 출력하는 에러 신호 처리 수단(120);
    상기 에러 신호 처리 수단(120)으로부터 상기 유도된 신호들 중 제1 유도신호(σ1)를 수신하여, 상기 제1 유도 신호(σ1)에 근거하여 쇼트 표시 신호(SIS)를 발생시키는 쇼크 검출기 수단(130); 및
    적어도 하나의 가변 제어 파라미터를 가지며, 상기 에러 신호 처리 수단(120)으로부터 상기 유도신호들 중 제2 유도신호(σ2)를 수신하여, 액추에이터 신호(RAD;u(k))를 발생시키기 위한 상기 유도신호를 처리하는 액추에이터 제어신호 발생기 수단(190)을 포함하며;
    상기 액추에이터 제어 신호 발생기 수단(190)은 상기 쇼크 검출기 수단(130)으로부터 상기 쇼크 표시 신호(SIS)를 수신하며, 노멀 동작 시에 상기 가변 제어 파라미터에 대한 제1 값을 설정하고, 상기 쇼크 표시 신호(SIS)가 쇼크의 발생을 표시할 때 상기 가변 제어 파라미터에 대한 제2 값을 설정하며,
    상기 에러 신호 처리 수단(120)은 상태 추정기(120)를 포함하는 것을 특징으로 하는 디스크 구동장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 상태 추정기(120)는 예측된 위치 신호를 계산하며,
    상기 제1 유도신호(σ1)는 상기 예측된 위치 신호를 포함하고,
    상기 쇼크 검출기 수단(130)은 상기 예측된 위치 신호에 근거하여 상기 쇼크 표시 신호(SIS)를 발생시키는 것을 특징으로 하는 디스크 구동장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 쇼크 검출기 수단(130)은 상기 예측된 위치 신호를 수신하는 로패스 필터(133); 및 상기 로패스 필터(133)로부터 출력신호를 수신하여 상기 쇼크 표시 신호(SIS)를 제공하는 비교기(134)를 포함하는 것을 특징으로 하는 디스크 구동장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 로패스 필터(133)는 대략 850 Hz 순으로 컷-오프 주파수를 갖는 것을 특징으로 하는 디스크 구동장치.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 비교기(134)는 방사 제어의 경우에, 트랙 피치의 대략 25%에 대응하는 사전에 정의된 스레숄드 값과 상기 로패스 필터(133)로부터의 출력신호를 비교하는 것을 특징으로 하는 디스크 구동장치.
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 비교기(134)는 방사 제어의 경우에 트랙 피치의 대략 20%에서 트랙 피치의 대략 25%까지의 범위 내의 값에 대응하는 사전에 정의된 스레숄드 값과 상기 로패스 필터(133)로부터의 출력신호를 비교하는 것을 특징으로 하는 디스크 구동장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 상태 추정기(120)는 상기 액추에이터 제어 신호 발생기 수단(190)으로부터 상기 액추에이터 신호(RAD;u(k))를 수신하는 것을 특징으로 하는 디스크 구동장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 상태 추정기(120)는
    의 공식에 따라, 예측된 위치 신호를 계산하며,
    Ad(2x2) 및 Bd(2x1)는 액추에이터의 이산 모델에 대한 일정한 매트릭스 및 벡터이며,
    및 는 액추에이터의 현재 위치 및 현재 속도에 대한 추정 값인 것을 특징으로 하는 디스크 구동장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 상태 추정기(120)는
    의 공식에 따라 예측된 속도 신호를 계산하는 것을 특징으로 하는 디스크 구동장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 상태 추정기(120)는
    의 공식에 따라 및 를 계산하며,
    Lres 및 Lv는 LQR(Linear Quadratic Regrulator) 방법에 의해 바람직하게 결정된 추정기 게인인 것을 특징으로 하는 디스크 구동장치.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 액추에이터 제어 신호 발생기 수단(190)은 슬라이딩 모드 제어(SMC)를 수행하는 것을 특징으로 하는 디스크 구동장치.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 액추에이터 제어 신호 발생기 수단(190)은 상기 상태 추정기(120)로부터 상기 추정된 현재 액추에이터 위치 및 속도 신호( 및 )를 수신하며, 상기 액추에이터 제어 신호 발생기 수단(190)은 그것의 출력 신호(u(k))를
    의 공식에 따라 그것의 출력신호(u(k))를 계산하고,
    kk1 및 kk2는 액추에이터 동적 특성 및 SMC 제어기 게인에 의해 결정된 계수이며,
    S(k)=gresㆍx(k)+gvㆍv(k)=0은 상태 공간에서의 시간 불변 표면을 기술하고, "gres" 및 "gv"는 S(k)=0가 안정적인 슬라이딩 표면을 정의하도록 선택되는 상수이고,
    sat(gresㆍx(k)+gvㆍv(k)/φ)는 포락선 함수를 정의하며,
    ∈는 SMC 액추에이터 제어 신호 발생기 수단(190)의 상기 가변 제어 파라미터인 게인 인자인 것을 특징으로 하는 디스크 구동장치.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어회로(90)는 상기 액추에이터 제어 신호 발생기 수단(190)으로부터 상기 액추에이터 신호(RAD;u(k))를 수신하며, 상기 에러 신호 처리 수단(120)으로부터 제3 유도 신호(σ3)를 수신하고, 상기 액추에이터 신호(RAD;u(k)) 및 상기 제3 유도 신호(σ3)에 근거하여 추정된 교란 신호()를 발생시키는 교란 액추에이터 수단(140)을 더 포함하며,
    상기 액추에이터 제어 신호 발생기 수단(190)은 상기 교란 추정기 수단(140)으로부터 상기 추정된 교란 신호()를 수신하며, 상기 추정된 교란 신호()에 근거하여 그것의 출력신호를 계산하는 것을 특징으로 하는 디스크 구동장치.
  14. 제 10 항 및 제 13 항에 있어서,
    상기 액추에이터 제어 신호 발생기 수단(190)은 상기 상태 추정기(120)로부터 상기 추정된 현재의 액추에이터 위치 및 속도 신호( 및 )를 수신하며,
    상기 액추에이터 제어 신호 발생기 수단(190)은
    의 공식에 따라 그것의 출력 신호(u(k))를 계산하고,
    kk1, kk2, 및 k는 액추에이터 동적 특성 및 SMC 제어기 게인에 의해 결정된 계수이며,
    S(k)=gresㆍx(k)+gvㆍv(k)=0은 상태 공간에서의 시간 불변 표면을 기술하며, "gres" 및 "gv"는 S(k)=0가 안정적인 슬라이딩 표면을 정의하도록 선택되는 상수이며,
    sat(gresㆍx(k)+gvㆍv(k)/φ)는 포락선 함수를 정의하며,
    ∈는 SMC 액추에이터 제어 신호 발생기 수단(190)의 상기 가변 제어 파라미터인 게인 인자인 것을 특징으로 하는 디스크 구동장치.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 액추에이터 제어 신호 발생기 수단(190)에 의해 발생된 상기 액추에이터 신호는 디지털 액추에이터 신호(RAD;u(k))이며, 상기 제어회로(90)는
    상기 액추에이터 제어 신호 발생기 수단(190)으로부터 상기 디지털 액추에이터 신호(RAD; u(k))를 수신하여, 아날로그 액추에이터 신호(RAA; u(s))를 발생시키는 D/A 신호 처리 수단(196);
    상기 D/A 신호 처리 수단(196)으로부터 상기 아날로그 액추에이터 신호(RAA;u(s))를 수신하여, 필터링된 액추에이터 신호(SAF)를 발생시키는 노이즈 필터 수단(197); 및
    상기 D/A 신호 처리 수단(196)으로부터 상기 아날로그 액추에이터 신호(RAA;u(s))를 수신하거나 상기 필터링된 액추에이터 신호(SAF)를 수신하여, 액추에이터 구동신호(SAD;SCR,SCF,SCT)를 발생시키는 액추에이터 구동수단(198)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 디스크 구동장치.
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