TWI395212B

TWI395212B - 光學資訊再生／記錄系統之長程尋軌控制系統及其方法

Info

Publication number: TWI395212B
Application number: TW099105066A
Authority: TW
Inventors: Hsuan Ju Chen; Shih Peng Tai
Original assignee: Novatek Microelectronics Corp
Priority date: 2010-02-22
Filing date: 2010-02-22
Publication date: 2013-05-01
Also published as: TW201129972A; US20110205873A1

Description

光學資訊再生/記錄系統之長程尋軌控制系統及其方法

本發明有關於一種光學資訊再生/記錄系統之長程尋軌(long seek)控制系統及其方法。

讀取光碟片時，如何快速且穩定地讀取碟片上的資料以降低資料搜尋時間(data access time)，乃是各家廠商所致力研究的課題。光碟片上具有多個軌道(Track)，用以儲存數位資料。

在讀取光碟片時，光碟機會進行下列操作：驅動主軸馬達會旋轉碟片；移動光學頭至碟片內圈；驅動聚焦伺服系統(Focus Servo)，使光學頭所發射之雷射光打在碟片上；驅動循軌伺服系統(Tracking Servo)，以移動光學頭中之透鏡，使雷射光點追循著單一資料軌，以完成循軌動作；讀出此軌的軌道標號以得知目前所在的軌道位置；進行長程尋軌動作(long seeking)，以將光學頭從目前所在軌道，移動到目標軌道附近；進行循軌動作，並讀取光學頭所在軌道的軌道編號，以得知與目標軌道之軌數差；進行短程尋軌動作，使雷射光點移到目標軌；以及進行循軌動作並讀取資料。

長程尋軌動作是影響平均資料搜尋時間的主要因素。然而，品質不良的伺服信號嚴重影響目前長程尋軌操作，伺服信號比如是循軌誤差信號(tracking error signal)等。不良的伺服信號會造成剩餘軌道計數的錯誤計算與跳軌速度的錯誤預估，甚至可能造成長程尋軌的操作失敗。此外，當平台速度較高時，伺服信號會嚴重失真；故而為避免尋軌失敗，平台被設定於低速移動，導致目前長程尋軌操作要花費許多時間於尋軌上。

本發明係有關於一種長程尋軌控制系統及其方法，其不只預估平台速度，更會預估平台位移(displacement)。

本發明之一例提出一種長程尋軌控制方法，應用於包括一透鏡與一平台之一光學資訊再生/記錄系統中。該方法包括：得到一平台預估速度、一平台預估位移、一平台參考速度與施加至該平台之一第一作用力；依據該平台預估速度，決定以一第一開迴路控制或一第一閉迴路控制來產生該平台預估速度與該平台預估位移；依據該平台預估速度，決定以一第二開迴路控制或一第二閉迴路控制來產生施加至該透鏡之一第二作用力；以及依據該第一作用力與該第二作用力來推動該平台與該透鏡。

本發明之另一例提出一種長程尋軌控制系統，應用於包括一透鏡與一平台之一光學資訊再生/記錄系統中。該系統包括：一二階觀察單元，產生一平台預估位移與一平台預估速度，依據所產生的該平台預估速度，該二階觀察單元以一第一開迴路控制或一第一閉迴路控制來產生該平台預估速度與該平台預估位移；一跳軌特性產生單元，根據該平台預估位移而產生一平台參考速度；一增益控制單元，根據該平台預估速度與該平台參考速度而產生施加至該平台之一第一作用力；以及一透鏡控制器，根據該平台預估速度與該第一作用力而產生施加至該透鏡之一第二作用力，依據該平台預估速度，該透鏡控制器以一第二開迴路控制或一第二閉迴路控制來產生施加至該透鏡之該第二作用力。

為讓本發明之上述內容能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：

第1圖顯示根據本發明實施例之光學資訊再生/記錄系統之功能方塊圖。光學資訊再生/記錄系統100比如是CD系列光碟機、DVD系列光碟機、藍光系列光碟機等。如第1圖所示，根據本發明實施例之光學資訊再生/記錄系統100包括：長尋軌控制器110與光學頭(optical head)120。長尋軌控制器110包括：軌數計數單元(track count unit)111、二階觀察單元(second order observing unit)112、跳軌特性產生單元(jump profile generator)113、增益控制單元114、透鏡前饋控制器(lens feedforward controller)115、透鏡回饋控制器(lens feedback controller)116、計算單元117~119與開關SW1~SW2。光學頭120包括平台致動器(sled actuator)121、透鏡致動器(lens actuator)122與計算單元123。光學頭120可發出雷射光，以對光碟片進行資訊的讀取與記錄。

於第1圖中，信號y代表雷射光束的位移，其是位移信號x_l 與x_s 之總和(y=x_l +x_s )，位移信號x_s 代表平台對地之位移，而信號x_l 則是透鏡對平台之位移(透鏡置於平台之上)。平台致動器121與透鏡致動器122分別根據信號u2與u1而推動平台與透鏡。信號y由計算單元123所輸出。

軌數計數單元111根據位移信號y而計算雷射光束的跨軌數量(亦即光學頭的跨軌數量)。二階觀察單元112根據信號u2與誤差信號e產生平台預估位移信號(sled estimation displacement signal)SED與平台預估速度信號(sled estimation velocity signal)SEV。平台預估位移信號之單位為軌(track)而平台預估速度信號SEV之單位為赫茲(Hz)。如果平台處於低速的話，則誤差信號e會輸入至二階觀察單元112；反之，如果平台處於高速的話，則誤差信號e不會輸入至二階觀察單元112。跳軌特性產生單元113根據平台預估位移信號SED而產生平台參考速度信號(sled reference velocity signal)SVREF，平台參考速度信號SVREF之單位為赫茲。增益控制單元114根據平台預估速度信號SEV與平台參考速度信號SVREF間之差值而產生信號u2給平台致動器121、二階觀察單元112與透鏡前饋控制器115。透鏡前饋控制器115根據平台預估速度信號SEV與信號u2而產生透鏡前饋控制信號u_ff 。如果在低速的話，透鏡回饋控制器116根據誤差信號e產生透鏡回饋控制信號u_fb 。計算單元117加總透鏡前饋控制信號u_ff 與透鏡回饋控制信號u_fb (當開關SW2為導通時)而輸出信號u1給透鏡致動器122。計算單元118計算出平台預估速度信號SEV與平台參考速度信號SVREF間之差值。計算單元119計算出雷射光束的跨軌數量與平台預估位移信號SED間之差值，以輸出誤差信號e，e=TC-SED，TC代表雷射光束的跨軌數量。

開關SW1~SW2之導通/不通狀態受控於平台預估速度信號SEV。當平台預估速度信號SEV高於第一速度臨界值Vth1時，則開關SW1不導通；反之亦然。當平台預估速度信號SEV高於第二速度臨界值Vth2時，則開關SW2不導通；反之亦然。第二速度臨界值Vth2小於第一速度臨界值Vth1。當平台由低速加速至高速時(亦即平台預估速度信號SEV漸增時)，開關SW2之不導通早於開關SW1之不導通。另一方面，當平台由高速減速至低速時(亦即平台預估速度信號SEV漸減時)，開關SW1之導通早於開關SW2之導通。故而，根據平台速度與開關SW1~SW2之導通/不通情形，可整理如下：

請先參考第2圖，其顯示平台致動器121與透鏡致動器122之物理模型。平台210與透鏡220分別由馬達212與222所推動，透鏡220與平台210之間更設置彈簧223。根據第2圖，透鏡與平台之加速度可分別表示為：

於上述中，m _l 代表透鏡質量；m _s 代表平台質量；k =LEM/m _l ，LEM是透鏡彈性係數(lens elasticity modulus)；b =LDC/m _l ，LDC是透鏡阻尼係數(lens damping coefficient)，也就是阻尼器221之係數；p =SDC/m _s ，SDC是平台阻尼係數(sled damping coefficient)，也就是阻尼器211之係數。

如果令並忽略(因為透鏡質量m _l <<平台質量m _s )，則上式(1)與(2)可整理如下：

如此一來，雷射光束位移信號y可表示如下：

y =[1 0 1 0]X　(4)

為得到參數k 與p ，首先，施加已知固定力量至平台(只施加力給平台但不施加力給透鏡)，使得平台跨過複數軌道，故而可以得到跨軌誤差(Tracking error,TE)信號，並藉由跨軌誤差信號來預估平台速度。接著，評估平台之步階響應(step response)並找到其轉移函數(transfer function)，如第3A圖所示。於第3A圖中，曲線L31代表所預估出之平台速度，而曲線L32則代表真實平台速度與真實透鏡速度之總和。

現將分別描述長尋軌控制器110內之各元件之操作。

二階觀察單元112依下式來得到平台預估位移信號SED與平台預估速度信號SEV。

其中，代表平台預估位移信號SED與平台預估速度信號SEV，亦即，與分別代表平台預估位移信號SED與平台預估速度信號SEV；而參數l ₁ 與l ₂ 則用於決定二階觀察單元之觀察器極點(observer pole)。觀察器極點會決定誤差收斂的速度，而誤差來自數學模型與真實情況間的差異。如果收斂速度較快，則誤差修正也會較快，但可能會放大雜訊的不良影響。

跳軌特性產生單元113所產生之平台參考速度信號SVREF如第3B圖所示。由於在尋軌/跳軌之前，已知道目標軌數為何，故而，跳軌特性產生單元113可依目標軌數與平台預估位移信號SED(其可代表所預估的跨軌數量)而決定平台參考速度信號SVREF。

增益控制單元114根據平台預估速度信號SEV與平台參考速度信號SVREF間之差值而產生信號u2，u2可表示如下：

u2=CG*(SVREF-SEV)　(6)

其中，CG代表控制增益。

由第1圖可知，施給透鏡致動器122之信號u1可表示為：u ₁ =u _ff +u _fb 。為了減少施加於透鏡上之慣性力，u_ff 表示為：

所以，等式(1)會變成如下：

一般來說，無法直接得出。由於二階觀察單元可得到，故而，用取代，則上述等式(8)可表示為：

為得到參數b ,k ₁ 與k ，首先，藉由儀器，如動態信號分析儀(dynamic signal analyzer)，來得到透鏡之頻率響應(frequency response)。第3C圖顯示透鏡之振幅頻率響應；而第3D圖顯示透鏡之相位頻率響應。依此可找到透鏡頻率響應之數學模型。

透鏡回饋控制器116可減少透鏡對平台之相對速度，並減少透鏡之振盪。低速時，透鏡回饋控制器116根據誤差信號e產生透鏡回饋控制信號u_fb 。另一方面，誤差信號e可視為雷射光束位移信號y與二階觀察單元所預估出之平台預估位移間之差值。

如第1圖所示，當平台預估速度SEV高於第一速度臨界值Vth1時(此時之伺服信號品質不良)，則開關SW1為不導通，使得平台閉回路控制被禁能，而且透鏡回授控制器116也會因為沒有輸入信號e而被禁能。故而，當開關SW1為不導通時，二階觀察單元112依據信號u2來預估平台預估位移信號SED與平台預估速度信號SEV；亦即，此時乃是以開回路控制方式來預估平台預估位移信號SED與平台預估速度信號SEV。

開關SW2則用於避免透鏡回授控制器116之輸出會不連續。如上述，於減速過程中，當減速至中速區時，由於此時的開關SW1已導通但開關SW2尚未導通，所以，透鏡回授控制器116已可計算並得到穩定的輸出值u_fb 。當減速至低速區時，於開關SW2切換至導通的瞬間，透鏡回授控制器116即可立即將先前所計算出的穩定輸出值u_fb 送至計算單元117而得到信號u1。

於本實施例中，數位化二階觀察單元與複數控制器，以用微處理器來實施本實施例。以下，假設平台模型為而透鏡模型為。

二階觀察單元之式(5)可數位化成為下式(10)：

其中，KLJA1、KLJA2、KLJB1與KLJB2分別代表將平台數學模型之參數由S領域轉換至Z領域所得之參數；而KLJL1與KLJL2則是由艾克曼(Ackermann)理論所得到之二階觀察單元之極點位置。

同樣地，式(9)可數位化成為下式(11)：

其中，KLJFFU是透鏡前饋控制器之數位參數，等於；而KLJFFP是透鏡前饋控制器之數位參數，等於。

而透鏡回授控制器之數學模型則可數位化為下式(12)：

其中，KLJG1與KLJG2是透鏡回授控制器之參數，通常設定為：KLJG1=-KLJG2，以使得透鏡回授控制器是D型控制器，且KLJG1與KLJG2會決定控制器的增益值；KLJG3則是透鏡回授控制器之參數，其用以形成低通濾波器，如果KLJG3為0的話，則代表透鏡回授控制器不具備低通濾波器。於本實施例中，透鏡回授控制器可以具備或不具備低通濾波器。

跳軌特性產生單元則可數位化為下式(13)：

其中，LJ_SPD_SLPOE是平台預估速度信號SEV對剩餘軌數的斜率，而LJ_SPD_END則是跳到目標軌時的終端平台預估速度信號SEV，一般在4kHz~6kHz。

請參考第4A圖與第4B圖，以說明本實施例之操作流程。於步驟405中，設定初始值，以得到平台預估速度信號SEV與平台預估位移信號SED。步驟405比如由二階觀察單元112所執行。於步驟410中，根據平台預估位移信號SED而計算平台參考速度信號SVREF；此步驟比如由跳軌特性產生單元113所執行。

於步驟415中，計算施加至平台之信號u2，比如，如上述般，u2=CG*(SVREF-SEV)；此步驟415比如增益控制單元114所執行。

於步驟420中，根據作用力u2與平台預估速度信號SEV而計算透鏡前饋控制信號u_ff ；此步驟420比如由透鏡前饋控制器115所執行。

於步驟425中，判斷平台預估速度信號SEV是否高於第一速度臨界值Vth1，以決定開關SW1是為導通或不通。如果是的話，則流程接續至步驟445；如果否的話，則流程接續至步驟430。

於步驟430中，令開關SW1為導通。於步驟435中，根據誤差信號e而計算透鏡回饋控制信號u_fb ；此步驟435比如由透鏡回授控制器116所執行。於步驟440中，參考誤差信號e與作用力u2，二階觀察單元預估新(下一時刻)平台預估速度信號SEV與平台預估位移信號SED；步驟440比如由二階觀察單元112所執行。亦即，於步驟440中，當處於低速區/中速區時(SEV<Vth1)，以閉回路控制方式來產生平台預估速度信號SEV與平台預估位移信號SED。

於步驟445中，令開關SW1為不通，所以，誤差信號e無法回授至二階觀察單元112，故而，二階觀察單元只能參考作用力u2來預估新的平台預估速度SEV與平台預估位移SED。也就是說，亦即，於步驟445中，當處於高速區時(SEV>Vth1)，以開回路控制方式來產生平台預估速度信號SEV與平台預估位移信號SED。

於步驟450中，判斷平台預估速度信號SEV是否高於第二速度臨界值Vth2，以決定開關SW2是為導通或不通。如果是的話，則流程接續至步驟460；如果否的話，則流程接續至步驟455。

於步驟455中，令開關SW2為導通；施加至透鏡之作用力u1由透鏡前饋控制信號u_ff 與透鏡回饋控制信號u_fb 所產生，比如，u1=u_ff +u_fb 。亦即，於步驟455中，當處於低速區時(SEV<Vth2)，以閉回路控制方式來產生施加至透鏡之作用力u1。更甚者，當平台由高速減至低速過程中，開關SW1之導通早於開關SW2之導通。由開關SW1切換至導通到開關SW2切換為導通間之這段時間內，誤差信號e已輸入至透鏡回授控制器116，使得透鏡回授控制器116能計算透鏡回饋控制信號u_fb 。當開關SW2切換為導通後，透鏡回授控制器116已能輸出穩定的透鏡回饋控制信號u_fb ，以減少透鏡回饋控制信號u_fb 之不連續。

於步驟460中，令開關SW2為不通；施加至透鏡之作用力u1只由透鏡前饋控制信號u_ff 所產生，比如，u1=u_ff 。亦即，於步驟460中，當處於中速區/高速區時(SEV>Vth2)，以開回路控制方式來產生施加至透鏡之作用力u1。

於步驟465中，依據所得到的信號u1與u2來分別推動透鏡與平台。於步驟470中，判斷是否已到達目標軌。如果尚未到達目標軌的話，則流程回至步驟410，直到到達目標軌為止。

綜上所述，雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾。因此，本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100．．．光學資訊再生/記錄系統

110．．．長尋軌控制器

120．．．光學頭

111．．．軌數計數單元

112．．．二階觀察單元

113．．．跳軌特性產生單元

114．．．增益控制單元

115．．．透鏡前饋控制器

116．．．透鏡回饋控制器

117~119．．．計算單元

SW1~SW2．．．開關

121．．．平台致動器

122．．．透鏡致動器

123．．．計算單元

210．．．平台

220．．．透鏡

212、222．．．馬達

221、222．．．阻尼器

223．．．彈簧

405~470．．．步驟

第1圖顯示根據本發明實施例之光學資訊再生/記錄系統之功能方塊圖。

第2圖顯示平台致動器與透鏡致動器之物理模型。

第3A圖顯示平台步階響應。

第3B圖顯示跳軌特性產生單元所產生之平台參考速度信號。

第3C圖顯示透鏡之振幅頻率響應。

第3D圖顯示透鏡之相位頻率響應。

第4A圖與第4B圖顯示本實施例之操作流程。