專利名稱：具有可轉(zhuǎn)換特性的控制器設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總的來說涉及一種用于光盤驅(qū)動器的控制器，用于控制光盤驅(qū)動器的光學(xué)頭的某些參數(shù)。
背景技術(shù)：
眾所周知，光學(xué)存儲盤包括至少一條軌道，所述軌道為連續(xù)的螺旋形或形成多個同心圓，其存儲空間內(nèi)可存儲數(shù)據(jù)。光盤可以是只讀型光盤，在所述光盤中，數(shù)據(jù)記錄于制造過程中，用戶只可以讀取數(shù)據(jù)。光學(xué)存儲盤也可以是可重寫型光盤，用戶可以將數(shù)據(jù)存儲在所述光盤上。為了在光學(xué)存儲盤的存儲空間內(nèi)寫數(shù)據(jù)和從盤上讀取數(shù)據(jù)，光盤驅(qū)動器一方面包括用于接收和旋轉(zhuǎn)光盤的裝置，另一方面包括用于以光束掃描存儲軌道的光學(xué)頭，所述光束典型的是激光束。例如，在從盤上讀取數(shù)據(jù)的過程中，產(chǎn)生激光束，所述激光束被會聚在旋轉(zhuǎn)盤的軌道上。反射光被捕捉，從反射光束中檢索數(shù)據(jù)信號。由于，通常來說，在光盤技術(shù)中，數(shù)據(jù)可存儲在光盤中的方式以及可從光盤中讀取光學(xué)數(shù)據(jù)的方式是公知的，因此在這里不必對所述技術(shù)進行詳細描述。
為了完成其任務(wù)，光盤驅(qū)動器的光學(xué)頭包括可移動部件。例如，為了將激光束正好聚焦在光盤的軌道上，光學(xué)頭包括具有物鏡的透鏡系統(tǒng)，其可以在Z方向-即光束的縱向方向-上移動。此外，為了跟蹤光盤的軌道，物鏡在光盤的徑向方向上是可移動的。即使光盤包括多個圓形軌道，實際上，所述軌道也可能偏離正確的圓形形狀，因此需要移動光學(xué)頭來保持激光束的焦點正好在軌道上。
在下文中，將就物鏡的聚焦控制來進一步詳細描述本發(fā)明；然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)清楚，相同的闡釋、加以必要的變化也同樣適用于光學(xué)頭的跟蹤控制。
為了進行聚焦控制，將物鏡可移動地設(shè)置在Z方向上，盤驅(qū)動器包括可控致動器，與物鏡聯(lián)動，用于沿Z方向移動物鏡。光盤驅(qū)動器還配備有用于產(chǎn)生聚焦誤差信號的裝置，所述聚焦誤差信號表示聚焦誤差的大小。正如本領(lǐng)域技術(shù)人員所公知的，可以從光學(xué)讀取信號中得到所述聚焦誤差信號，因此，在這里沒有必要詳細解釋聚焦誤差信號是如何產(chǎn)生的。
可控致動器由控制器控制，所述控制器接收聚焦誤差信號作為輸入信號，并產(chǎn)生用于致動器的驅(qū)動信號，致動器通過移動物鏡對所述驅(qū)動信號作出響應(yīng)。整個裝置設(shè)置為通過移動物鏡減小聚焦誤差。換句話說，控制器用于產(chǎn)生輸出驅(qū)動信號，使其輸入誤差信號減小。
在下文中，將詳細描述控制器的操作情況。原則上，任何一種已知的用于產(chǎn)生誤差信號的裝置都可以用于產(chǎn)生用于控制器的輸入信號，任何一種已知的致動器都可以用于執(zhí)行控制器輸出的驅(qū)動信號的命令。本發(fā)明特別涉及控制器的設(shè)計，以及用于響應(yīng)接收的輸入誤差信號產(chǎn)生致動器驅(qū)動信號的方法。
圖1A-B是現(xiàn)有技術(shù)的控制器的可能特性的示意圖。橫軸表示輸入誤差信號FE的大小?？v軸表示輸出驅(qū)動信號Sd。圖1A示出了線性特性驅(qū)動信號Sd與輸入誤差信號FE成正比。這種類型的控制器也別稱為“比例控制器”。在這種情況下，控制器的控制特性由直線1表示，其相對于橫軸具有角度α，所述角度指示了控制器的增益。更具體的說，如果增益G由下述公式定義G＝Sd/FE，則比例控制器的增益等于tan(α)。
簡而言之，較高的增益將導(dǎo)致較快的控制器響應(yīng)，因此，誤差信號FE的總量將變小。換句話說，增益越高，誤差越小。但是，并不建議將增益G選擇得過高，因為這會導(dǎo)致控制系統(tǒng)不穩(wěn)定。
圖1B示出了已知的非線性控制器。在這種情況下，控制器的控制特性由兩條直線描述，第一直線2過零并且相對于橫軸具有角度α，所述直線在零與某點P之間延伸，所述點P與某閾值驅(qū)動信號SdT以及某閾值誤差信號FET相應(yīng)。在正常情況下，誤差信號FE將小于所述閾值誤差信號FET，控制器根據(jù)所述第一直線2進行操作。然而，在異常情況下，例如，如果光盤驅(qū)動器受到機械撞擊，則誤差信號可能超過所述閾值電平EFT，在這種情況下，期望通過增大增益來提高控制器的校正作用。為此，特性曲線包括第二直線3，所述直線開始于所述點P，并且相對于橫軸具有大于所述角度α的角度β。
理論上，圖1B的非線性特性是在圖1A的線性特性上的改進；然而，實際上，這種特性是不理想的，因為似乎很難找到適用于不同情況的設(shè)定方式。有可能將非線性的控制器調(diào)整到其功能適用于一種情況，但是在另一種情況下，在該情況下誤差信號的噪聲含量較高，對控制器的所述設(shè)定是不可用的。噪聲成分的改變可能是由盤的變化引起的。當(dāng)然，光盤驅(qū)動器應(yīng)當(dāng)能夠以可靠的方式處理各種光盤。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的在于提供一種具有改進的控制器特性的改進的控制器，其能夠?qū)Χ鄠€光盤減小誤差，而不必針對每個新的光盤都調(diào)整控制器的設(shè)定。
在圖1B所示的具有非線性特性的現(xiàn)有技術(shù)的非線性控制器中，控制器在低值(直線2)與高值(直線3)之間切換其增益，關(guān)于使用哪個增益的決定僅取決于一個參數(shù)，所述參數(shù)為誤差信號FE。如果輸入誤差信號FE低于所述閾值電平FET，則控制器將選擇其最低增益(直線2)，而如果輸入誤差信號FE超過所述閾值電平FET，則控制器將選擇其最高增益。相反，根據(jù)本發(fā)明的重要方面，控制器的關(guān)于使用哪個增益的決定基于兩個輸入?yún)?shù)。


通過下文參考附圖的詳細描述，將進一步解釋本發(fā)明的這些和其它方面、特征以及優(yōu)點，其中，相同的附圖標(biāo)記代表相同或相似的部件，其中圖1A-B是說明現(xiàn)有技術(shù)的控制器的特性的曲線圖；圖2A是說明根據(jù)本發(fā)明的控制器的實施方式的示意性功能方框圖；圖2B是處理器單元的示意性功能方框圖；圖3是說明圖2A的控制器的實施方式的特性的曲線圖；圖4A-4C是仿真的曲線圖；圖5A-5C是仿真的曲線圖。
具體實施例方式
圖2A是控制器裝置30的示意性功能方框圖，所述控制器裝置包括第一控制器單元33、第二控制器單元34、處理器單元35和可控開關(guān)單元40?？刂破餮b置30具有用于接收輸入誤差信號ε的第一輸入端31以及用于提供控制器輸出信號Sd的輸出端39。
第一控制器單元33具有耦合到所述第一控制器輸入端31的輸入端33a，并具有提供輸出信號S1(ε)的輸出端33c。第一控制器單元33可以作為傳統(tǒng)控制器實現(xiàn)。第一控制器單元33可以是具有如圖1A所示的特性的比例控制器。第一控制器單元33還可以是PI控制器，在這種情況下，輸出信號S1(ε)是基于輸入誤差信號ε和通過對誤差信號ε進行一次或多次積分獲得的信號和/或通過對在先輸出信號(反饋)進行一次或多次積分獲得的信號而產(chǎn)生的，這對本領(lǐng)域技術(shù)人員而言是顯而易見的。第一控制器單元33也可以是PD控制器，在這種情況下，輸出信號S1(ε)是基于輸入誤差信號ε和通過對輸入誤差信號ε和/或在先輸出信號進行一次或多次微分獲得的信號而產(chǎn)生的，這對本領(lǐng)域技術(shù)人員而言是顯而易見的。第一控制器單元33還可以是PID控制器，在這種情況下，輸出信號S1(ε)是基于輸入誤差信號ε、通過對輸入誤差信號ε和/或在先輸出信號進行一次或多次微分獲得的信號和通過對輸入誤差信號ε和/或在先輸出信號進行一次或多次微分獲得的信號而產(chǎn)生的，這對本領(lǐng)域技術(shù)人員而言是顯而易見的。由于PI控制器、PD控制器和PID控制器本身是公知的，因此在這里不必對其設(shè)計和操作進行詳細描述。
同樣，第二控制器單元34具有耦合到所述第一控制器輸入端31的輸入端34a和提供輸出信號S2(ε)的輸出端34c。如上參考第一控制器單元33所述，第二控制器單元34可以由傳統(tǒng)的P控制器、PI控制器、PD控制器、PID控制器實現(xiàn)。
可控開關(guān)單元40具有耦合到第一控制器單元33的輸出端33c的第一輸入端43、耦合到第二控制器單元34的輸出端34c的第二輸入端44以及耦合到控制器輸出端39上的輸出端46?？煽亻_關(guān)單元40具有至少兩個工作狀態(tài)。在第一工作狀態(tài)下，其輸出端46耦合到其第一輸入端43，從而，控制器輸出端39的控制器輸出信號Sd相當(dāng)于第一控制器單元33的輸出信號S1(ε)。現(xiàn)在，控制器30整體上具有與第一控制器單元33的特性相應(yīng)的控制器特性。所述情況被稱為“控制器裝置30工作在第一工作模式下”。
在第二工作狀態(tài)下，可控開關(guān)單元40的輸出端46耦合到其第二輸入端44，從而，控制器輸出端39上的控制器輸出信號Sd相當(dāng)于第二控制器單元34的輸出信號S2(ε)。現(xiàn)在控制器30整體上具有與第二控制器單元34的特性相應(yīng)的控制器特性。所述情況被稱為“控制器裝置30工作在第二工作模式下”。
為了對其第一或第二工作狀態(tài)進行選擇，可控開關(guān)單元40對在控制輸入端45上接收到的信號Sc作出響應(yīng)，所述輸入端耦合到處理器單元35的輸出端35c。處理器單元35具有耦合到所述第一控制器輸入端31的輸入端35a，用于接收輸入誤差信號ε。處理器單元35基于輸入誤差信號ε和至少一個另外的參數(shù)υ產(chǎn)生其輸出信號Sc，所述參數(shù)代表誤差信號ε的變化率，如下文中將參考圖2B所述的，所述附圖是處理器單元35的實施方式的功能性方框圖。
圖2B是說明處理器單元35的實施方式的功能性方框圖，所述處理器單元具有兩個輸入端35a、35b和輸出端35c。第一輸入端35a用于接收輸入誤差信號ε。處理器單元35包括具有輸入端73a的加法器73，所述輸入端從第一輸入端35a接收誤差信號ε。
表示誤差信號ε的變化率的信號，即表示有關(guān)對象的速度的信號，在下文中將用υ進行表示。所述信號可以由外部檢測器提供，所述外部檢測器與所述對象相耦合，以檢測其速度。原則上，可以使用任何適當(dāng)?shù)乃俣葯z測器，因此在這里就不需要對速度檢測器的設(shè)計和功能進行闡釋。只要這樣說就夠了，即這種速度檢測器(未示出)可以在處理器單元35的第二輸入端35b上提供速度信號υ。
然而，處理器單元35本身能夠通過根據(jù)下述公式計算作為誤差信號ε的一階時間導(dǎo)數(shù)的速度υ從輸入誤差信號ε中導(dǎo)出速度信號υυ＝dε/dt在圖2B的功能性方框圖中，處理器單元35作為具有接收誤差信號ε的輸入端51上的計算單元50而示出，所述計算單元50用于在其輸出端52提供其輸入信號的一階時間導(dǎo)數(shù)(d/dt)。由于這種計算單元本身是公知的，因此，在這里可以使用現(xiàn)有技術(shù)的計算單元，沒有必要在這里詳細描述這種計算單元的設(shè)計和操作。然而，應(yīng)當(dāng)注意，計算單元50不但可以作為硬件裝置實現(xiàn)，而且可以以軟件方式實現(xiàn)。
處理器單元35可特別用于接收輸入誤差信號ε和輸入速度信號υ。在這種情況下，處理器35將具有兩個輸入端35a和35b，并且可以省略計算單元50。另一方面，也可將控制器30特別用于只接收輸入誤差信號ε，在這種情況下，可以省略第二輸入端32。在圖2B所示的優(yōu)選實施方式中，控制器30可任意地使用或不使用外部速度信號υ。為此，處理器單元35包括開關(guān)60，所述開關(guān)具有耦合到計算單元50的輸出端52的第一輸入端61和耦合到處理器單元35的第二輸入端35b的第二輸入端62。開關(guān)60具有輸出端63，能夠?qū)⑵漭敵龆?3與其第一輸入端61或其第二輸入端62相連。在與速度檢測器一起工作的情況下，開關(guān)60將被設(shè)定在將輸出端63與其第二輸入端62相連的位置上。在沒有速度檢測器而工作的情況下，開關(guān)60將被設(shè)定在將其輸出端63與其第一輸入端61相連的位置上。因此，在開關(guān)60的輸出端63上總是出現(xiàn)速度信號υ。
應(yīng)當(dāng)注意，代替接收速度信號υ或通過計算誤差信號ε的一階時間導(dǎo)數(shù)計算速度信號υ，也可以使用狀態(tài)估計器，即從由于噪聲影響而相當(dāng)不準(zhǔn)確的估計值估計參數(shù)(例如速度)的值的濾波器。這種估計器在現(xiàn)有技術(shù)中是已知的，因此在這里就沒必要對其設(shè)計和功能進行詳細描述。以舉出適當(dāng)?shù)膶嵤├姆绞?，這里描述卡爾曼狀態(tài)估計器。
加法器73具有耦合的第二輸入端73b，用于接收從所述速度信號υ導(dǎo)出的信號。圖2B示出了將速度信號υ施加到加法器73的第二輸入端73b之前對速度信號υ進行處理。在圖2B所示的優(yōu)選實施方式中，所述預(yù)處理包括通過平方計算器71對速度信號υ求平方的步驟，以及通過乘法器72將平方的速度信號υ2與常數(shù)K相乘的步驟，因此，加法器73接收導(dǎo)Kυ2。
在加法器73中，所述輸入信號Kυ2被加到在第一輸入端73a接收到的誤差信號ε上，以產(chǎn)生和∑，所述和被提供到比較器74的第一輸入端74a。比較器74的第二輸入端74b接收表示過渡電平TL的信號。比較器74的輸出端74c耦合到處理器單元35的輸出端35c。比較器74將在其第一輸入端74a上接收到的和∑與過渡電平TL進行比較。如果和∑低于所述過渡電平TL，則比較器74提供具有第一值的輸出信號Sc。否則，如果和∑高于所述過渡電平，則輸出信號Sc具有第二值。
開關(guān)40通過如果控制信號Sc具有其第一值則選擇其第一工作狀態(tài)、如果控制信號Sc具有其第二值則選擇其第二工作狀態(tài)來對所述輸出信號Sc進行響應(yīng)。
或者，處理器單元35可以提供和∑作為輸出信號Sc，比較器74可以組合到開關(guān)40中。
比較器74可以具有帶有滯后作用的特性，即對于增長的和∑，過渡電平TL較高，對于下降的和∑，過渡電平TL較低，這對本領(lǐng)域技術(shù)人員來說是顯而易見的。
由于平方計算器、乘法器、加法器和比較器是通用的公知元件，這些現(xiàn)有技術(shù)中的元件可以用在本發(fā)明的控制器30中，因此在這里就沒必要對這些元件的設(shè)計和操作進行詳細的描述。然而，應(yīng)當(dāng)注意，這些元件不但可以硬件實現(xiàn)，而且可以軟件實現(xiàn)。
在相對簡單的實施方式中，第一控制器單元33是比例控制器，具有如圖1A所示的特性曲線，而第二控制器單元34不考慮誤差信號ε而輸出恒定輸出信號S2。產(chǎn)生的控制器30的特性曲線如圖3所示，其中，橫軸代表誤差信號ε，縱軸代表控制器輸出信號Sd。由于所述特性曲線不是必要地但是優(yōu)選地相對于原點(0，0)對稱，因此，圖3僅示出了一個象限的特性曲線。本發(fā)明的控制器具有兩個工作模式，并可以基于至少兩個參數(shù)在所述兩個工作模式之間進行切換。在其第一工作模式下，當(dāng)開關(guān)40處于其第一工作狀態(tài)下并且控制器的特性由第一控制器單元33決定時，控制器具有線性特性，如圖3中的直線11所示，所述直線穿過原點。在所述第一工作模式下，控制器的輸出驅(qū)動信號Sd與誤差信號ε成線性比例。
在其第二工作模式下，當(dāng)開關(guān)40處于其第二工作狀態(tài)下并且控制器的特性由第二控制器單元34決定時，輸出驅(qū)動信號Sd基本恒定，而不管輸入誤差信號的確切值如何。也被表示為恒定模式的所述第二模式由圖3中的第二直線12示出，所述第二直線12是水平線。第一直線11和第二直線12相遇于過渡點13；與該過渡點13相應(yīng)的誤差信號電平被稱為正常過渡閾值電平TN。
在圖3中，恒定模式下的輸出驅(qū)動信號的電平表示為Smax，代表所述控制器可以提供的最大輸出信號。應(yīng)當(dāng)注意，所述最大電平可以是第二控制器單元34的能力的上限，即控制器不能簡單的產(chǎn)生任何量值高于Smax的輸出信號。所述上限也可以等于驅(qū)動致動器的功率放大器的最大電平。然而，所述電平Smax也可以由軟件或硬件限制器定義，Smax的電平可以在控制器的制造過程中或在用戶設(shè)定時通過設(shè)定所述限制器進行設(shè)定。
在正常情況下，控制器裝置30用作普通線性控制器，在第一或線性工作模式下工作。在該正常情況下，輸入誤差信號ε小于正常過渡電平TN，控制器根據(jù)第一直線11的特性產(chǎn)生其輸出驅(qū)動信號Sd。這表示為控制器裝置30沿第一直線11移動。
如果輸入誤差信號ε緩慢增加，控制器裝置30將沿第一直線11移動，直到到達過渡點13，一旦到達所述過渡點，控制器裝置30將過渡到第二工作模式，并沿第二直線12移動，即，其將保持其輸出驅(qū)動信號恒定。應(yīng)當(dāng)注意，正常情況下，在現(xiàn)有技術(shù)的控制器中也可以形成所述過渡，即，如果輸入誤差信號ε過大，將使控制器達到飽和。
參考圖1B的上述現(xiàn)有技術(shù)中的控制器也具有兩個工作模式，每個模式都由Sd/FE特性圖中的直線部分表征。根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的這兩個工作模式由輸入信號FE專門定義低于某個閾值電平，控制器總是處于其第一工作模式，高于該閾值電平，控制器總是處于其第二工作模式。相反，根據(jù)本發(fā)明的一個重要方面，兩個工作模式具有某個重疊區(qū)，其由第二直線12的直線部分12a示出，所述直線部分12a越過過渡點13延伸至輸入誤差信號的較低值。所述直線部分12a可以具有表示為下限14的端點；相應(yīng)的誤差信號電平表示為下限閾值電平TLL。所述下限閾值電平TLL可以大于零，但是直線部分12a最好一直延伸到縱軸，即端點14可以相應(yīng)于零輸入誤差信號。
由此，在輸入誤差范圍TLL到TN中，控制器裝置30具有兩條特性曲線，并可以在這兩條特性曲線之間進行切換，或，換句話說，對于范圍TLL到TN中的某個輸入誤差信號而言，控制器可以處于其兩個工作模式中的任意一個模式，即使是對相同的輸入誤差信號而言。這兩個工作模式之間的切換是基于和信號∑而進行的，所述和信號包含第二信號(υ)的重要影響，所述第二信號代表誤差信號ε發(fā)生變化的速率，如下所述。
如果誤差信號ε高于正常過渡閾值電平TN，則輸出信號Sd將總是根據(jù)第二工作模式即恒定模式(12)而產(chǎn)生。
如果輸入誤差信號ε低于正常過渡閾值電平TN，但是高于下限閾值電平TLL，同時變化率相當(dāng)小，則輸出信號S將根據(jù)第一工作模式(11)而產(chǎn)生。否則，如果輸入誤差信號ε低于正常過渡閾值電平TN，但是高于下限閾值電平TLL，同時變化率相當(dāng)大，則輸出信號S將根據(jù)第二模式即恒定模式(12a)而產(chǎn)生。
最后，如果輸入誤差ε低于下限閾值電平TLL，則輸出信號S將總是根據(jù)第一工作模式即線性模式(11)而產(chǎn)生。
在采用光驅(qū)動器的情況下，誤差信號ε實際上是對象(物鏡，或光學(xué)頭)的位置的量度；在這種情況下，誤差信號的變化率實際上是所述對象相對于所述對象所跟隨的目標(biāo)對象的實際速度的量度，所述目標(biāo)對象例如是光盤驅(qū)動器的軌道。高速度例如發(fā)生在諸如機械撞擊之類的極端情況下。對于所述極端情況，期望控制器裝置30工作于第二工作模式下，其提供了最高可能的抑制力。
過渡電平TL和乘法常數(shù)K可以是固定值，所述值在處理單元35的制造過程中定義。然而，乘法器72也可以是可設(shè)定的，以使乘法常數(shù)可以由用戶改變。同樣，比較器74對過渡電平TL的設(shè)置也可以采用上述方式。所述乘法常數(shù)K和所述過渡電平TL最好根據(jù)控制器所控制的致動器的工作特性來選擇。所述選擇方式如下所述。
如上所述，從控制器裝置30接收驅(qū)動輸出信號的致動器對所關(guān)心的對象(物鏡，光學(xué)頭)加力，所述力使所述對象加速。原則上，如果驅(qū)動信號Sd較大，則所施加的力也將較大，從而由所述力引起的加速度也較高。然而，加速度不能為無限大。實際上，加速度由最大加速度電平amax限定。
假設(shè)在某個時刻τ誤差信號ε具有某個值ε(τ)，速度信號υ具有某個值υ(τ)。這些值分別與所關(guān)心對象(物鏡，光學(xué)頭)偏離目標(biāo)位置的某個位置以及所述對象的速度相應(yīng)。還假設(shè)致動器對所述對象施加恒力F，所述力具有將所述對象以恒定加速度a推向其目標(biāo)位置的方向，即具有減小ε的方向。此外，假設(shè)速度υ具有遠離目標(biāo)位置的方向，從而，如果在不久的將來加速度a將降低速度v，但誤差信號ε將增加。可以很容易看出，根據(jù)下面的公式，如果加速度保持恒定，則對象將達到遠離其目標(biāo)位置的最大偏差，該最大偏差與最大誤差信號εmax相應(yīng)εmax＝ε(τ)+υ(τ)2/2a。
顯而易見，速度υ(τ)越高，最大偏差εmax越大。
如果加速度a增加，則所述最大偏差εmax將減小。然而，如上所述，在所述系統(tǒng)中的最大加速度具有上限amax。因此，最大偏差εmax不能小于數(shù)值εmax，min，所述數(shù)值εmax，min由下述公式確定εmax，min＝ε(τ)+υ(τ)2/(2amax)在控制器裝置30中，將常數(shù)K選擇為至少約等于1/(2amax)。然后，和∑等于最大偏差εmax的最小可實現(xiàn)的值εmax，min。
在控制器裝置30中，與和∑相比較的閾值電平TL現(xiàn)在等于可接受的偏差ε的限制值。只要和∑保持低于所述可接受限制TL，就可以預(yù)測最大偏差εmax將在可接受限制內(nèi)，允許控制器裝置30在其線性模式(11)下進行操作。另一方面，如果和∑超出了可接受電平TL，則可以預(yù)測由于可能存在某些不可預(yù)見的外部情況最大偏差εmax將出現(xiàn)高值，高于可接受值，控制器裝置30決定通過將其操作切換到第二工作狀態(tài)來采取緊急措施，在第二工作狀態(tài)下，對致動器進行盡可能大的校正操作。
本發(fā)明所提出的控制器的性能通過運行仿真程序進行研究。圖4A到4C示出了仿真結(jié)果，在所述仿真中，假設(shè)由于機械撞擊物鏡出現(xiàn)振蕩，所述振蕩在其目標(biāo)位置附加具有遞減的振幅，物鏡距離所述目標(biāo)位置的偏差表示為誤差ε(μm)。在圖4A所示的仿真中，假設(shè)控制器裝置30作為正常PID控制器工作，其增益具有如圖1A所示的線性特性。換句話說，參考圖2A，第一控制器單元33具有PID特性，并且開關(guān)40恒定地在其第一工作狀態(tài)下工作。
在圖4B所示的仿真中，假設(shè)控制器具有如圖1B所示的轉(zhuǎn)換增益特性，線性特性部分(2)相應(yīng)于圖4A的PID控制器的線性特性曲線(1)。過渡點P相應(yīng)于0.1μm的誤差ε。線性特性部分(2)的第一增益G1＝tan(α)具有值9×104；第二特性部分(3)的第二增益G2＝tan(β)具有值59×104。換句話說，參考圖2A，第一控制器單元33有具有第一增益G1＝9×104的線性PID特性，第二控制器單元34有具有第二增益G2＝59×104的PID特性。在處理器單元35中，常數(shù)K為零，過渡電平TL等于0.1μm。
圖4C示出了根據(jù)本發(fā)明進行操作的控制器的特性。再次，第一控制器33有具有第一增益G1＝9×104的線性PID特性，第二控制器單元34輸出恒定輸出信號，正如上文中參考圖3的水平特性曲線12a所述。比較器74的過渡電平TL對于上升信號等于0.1μm，對于下降信號(滯后)等于0.09μm。K的值設(shè)定為等于1/(2amax)，amax等于100m/s2。
通過將圖4C與圖4B進行比較，可以清楚地得出當(dāng)使用本發(fā)明所提出的控制器時，發(fā)生的最大偏差遠遠小于使用圖4B所示的控制器時所產(chǎn)生的最大偏差。
圖5A-5C示出了與圖4A-4C相同的仿真結(jié)果，所述仿真具有假設(shè)系統(tǒng)包含噪聲的附加特征。從圖5B中明顯可以看出，在存在噪聲的情況下，具有如圖1B所示的特性的轉(zhuǎn)換增益控制器可能受到很強的振蕩峰，例如在10ms、38ms和79ms所示的振蕩峰。從圖5C中明顯可以看出，本發(fā)明所提出的振蕩器不受所述強振蕩峰的影響。
本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)可以清楚的得知，本發(fā)明并不局限于上述示例性的實施方式，在不背離附加的權(quán)利要求所定義的本發(fā)明的保護范圍的條件下，本發(fā)明還可有多種變化和改進。
例如，控制器的特性曲線被描述為彼此相交的兩條直線11和12的組合。然而，兩條線是否是直的并不重要；那些線也可以是曲線。重要的是控制器能夠在至少兩個可能的工作模式下工作，每個模式具有相應(yīng)的特性曲線，并且所述特性曲線中的至少兩條在誤差信號值[TLL-TN]的范圍內(nèi)具有重疊區(qū)。此外，重要的是控制器能夠基于至少一個另外的參數(shù)的值從一個模式切換到另一個模式，所述參數(shù)最好是誤差信號的時間導(dǎo)數(shù)，從而，即使誤差ε相同，所述控制器也可以處于其模式中的任意一種模式下。
在優(yōu)選實施方式中，特性曲線中的一條是極大值特性曲線，即水平線(12)，而另一條特性曲線是較低值線(曲線或直線)，該線通過原點并與極大值特性曲線(12)相交。在另外的實施方式中，控制器可以具有第三特性曲線或位于上述較低值和極大值特性曲線之間的中間特性曲線。如果速度υ相對較低，則所述控制器遵循較低值特性曲線；如果速度υ相對較高，則控制器遵循極大值特性曲線；如果速度υ在中間范圍內(nèi)，則控制器遵循中間特性曲線。
此外，在上述實施例中，基于兩個參數(shù)ε和υ而定義判據(jù)∑。然而，也可以基于三個或更多參數(shù)來定義判據(jù)。例如，作為第三參數(shù)，可以使用二階導(dǎo)數(shù)d2ε/dε2。在任何情況下，如果參數(shù)的數(shù)量等于n，而且它們定義了n維空間的坐標(biāo)系，則判據(jù)將所述n維空間劃分為兩部分。如果控制器裝置的狀態(tài)投影在所述坐標(biāo)系上時相應(yīng)于所述n維空間的一部分中的點，則控制器裝置工作于一個模式下，而如果其狀態(tài)相應(yīng)于所述n維空間的另一部分中的點，則控制器裝置工作于另一模式下。為了提供具有滯后作用的特性，可以定義兩個平行判據(jù)∑+和∑-，其略有不同，以使當(dāng)控制器的狀態(tài)從n維空間的所述一個部分過渡到所述另一部分時，其可以連續(xù)穿過兩個平行判據(jù)邊界，控制器僅在穿越第二邊界時改變其模式。
權(quán)利要求
1.一種具有可轉(zhuǎn)換性能特性的控制器，包括第一輸入端，用于接收誤差信號；輸出端，用于產(chǎn)生致動器驅(qū)動信號；控制器，能夠在誤差信號值的第一范圍內(nèi)在第一工作模式下工作，所述第一工作模式具有第一性能特性曲線；控制器，能夠在誤差信號值的第二范圍內(nèi)在第二工作模式下工作，所述第二工作模式具有第二性能特性曲線；其中，所述第一范圍和所述第二范圍具有重疊區(qū)[TLL-TN]；對于在所述重疊區(qū)內(nèi)的誤差信號值，控制器可以從第一工作模式切換到第二工作模式，反之亦然。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制器，其中，所述誤差信號值的第二范圍具有下限閾值，其最好幾乎為零。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的控制器，其中所述誤差信號的第一范圍具有上限閾值。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的控制器，其中，所述上限閾值相應(yīng)于第一特性曲線與第二特性曲線相交的過渡點。
5.根據(jù)上述權(quán)利要求其中之一所述的控制器，其中，控制器用于基于輸入誤差信號和速度信號的組合選擇其第一工作模式或其第二工作模式。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的控制器，其中，控制器包括第二輸入端，用于接收輸入速度信號。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的控制器，其中，控制器包括計算單元，具有耦合到控制器的誤差信號輸入端的輸入端，并用于計算一階時間導(dǎo)數(shù)υ＝dε/dt和用于在輸出端上提供代表所述一階時間導(dǎo)數(shù)υ的輸出信號。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的控制器，其中，控制器包括開關(guān)，具有連接到計算裝置的輸出端的第一輸入端、連接到控制器的第二輸入端的第二輸入端以及可有選擇地連接到第一輸入端或第二輸入端的輸出端。
9.根據(jù)權(quán)利要求5-8其中之一所述的控制器，其中，控制器用于將輸入誤差信號和所述速度信號的預(yù)定組合與預(yù)定閾值電平進行比較。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的控制器，其中，所述誤差信號和速度信號的預(yù)定組合是根據(jù)下述公式計算出的和∑∑＝ε+Kυ2。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的控制器，其中，K＝1/(2amax)，amax是最大可達到的加速度值。
12.根據(jù)權(quán)利要求9、10或11所述的控制器，其中，所述預(yù)定閾值電平與預(yù)定誤差限制值相應(yīng)。
13.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的控制器，還包括第一控制器單元，具有連接到所述第一輸入端的輸入端和提供輸出信號S1(ε)的輸出端，第一控制器單元具有第一特性曲線；第二控制器單元，具有連接到所述第一輸入端的輸入端和提供輸出信號S2(ε)的輸出端，第二控制器單元具有第二特性曲線；可控開關(guān)單元，具有耦合到第一控制器單元的輸出端的第一輸入端、耦合到第二控制器單元的第二輸入端、控制輸入端以及耦合到控制器輸出端的輸出端；其中可控開關(guān)單元可以在第一工作狀態(tài)和第二工作狀態(tài)下進行操作，在第一工作狀態(tài)下，其輸出端耦合到其第一輸入端，在第二工作狀態(tài)下，其輸出端耦合到其第二輸入端；可控開關(guān)單元對在其控制輸入端上接收到的控制信號進行響應(yīng)，選擇所述第一工作狀態(tài)或所述第二工作狀態(tài)。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的控制器，其中，第一控制器單元作為比例控制器、或PI控制器、或PD控制器、或PID控制器被實現(xiàn)；其中，第二控制器單元作為比例控制器、或PI控制器、或PD控制器、或PID控制器被實現(xiàn)。
15.根據(jù)權(quán)利要求13或14所述的控制器，還包括處理器單元，具有耦合到所述第一控制器輸入端的第一輸入端和耦合到所述可控開關(guān)單元的所述控制輸入端的輸出端。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的控制器，其中，所述處理器單元能夠在∑＞TL時產(chǎn)生具有第一預(yù)定值的輸出信號，以及其中，所述處理器單元能夠在∑＜TL時產(chǎn)生具有第二預(yù)定值的輸出信號，其中TL是預(yù)定閾值電平；∑＝ε+Kυ2，其中ε是在第一控制器輸入端上接收到的信號；υ代表一階時間導(dǎo)數(shù)dε/dt；K＝1/(2amax)，其中amax是最大可達到的加速度值。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的控制器，其中，所述處理器單元包括計算單元，具有耦合到處理器單元的第一輸入端的輸入端，并用于計算一階時間導(dǎo)數(shù)υ＝dε/dt和用于在其輸出端上提供代表所述一階時間導(dǎo)數(shù)υ的輸出信號。
18.根據(jù)權(quán)利要求15-17其中之一所述的控制器，只要權(quán)利要求15-17是建立在權(quán)利要求6的基礎(chǔ)上的，那么，其中所述處理器單元具有耦合到所述第二控制器輸入端的第二輸入端，用于接收代表所述一階時間導(dǎo)數(shù)的信號。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的控制器，其中，所述處理器單元包括開關(guān)，具有連接到計算裝置的輸出端的第一輸入端、連接到所述處理器單元的第二輸入端的第二輸入端以及可有選擇地連接到第一輸入端或第二輸入端的輸出端。
20.根據(jù)權(quán)利要求15-19其中之一所述的控制器，其中所述處理器單元包括接收代表所述一階時間導(dǎo)數(shù)的信號υ并計算υ2的平方計算器和將所述平方計算器的輸出信號與預(yù)定值相乘的乘法器。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的控制器，其中，所述處理器單元包括加法器，具有耦合到所述處理器單元的所述第一輸入端的第一輸入端和耦合到所述乘法器的輸出端的第二輸入端。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的控制器，其中，所述處理器單元包括比較器，具有耦合到所述加法器的輸出端的第一輸入端、接收所述預(yù)定閾值電平的第二輸入端和耦合到所述處理器單元的輸出端的輸出端。
23.一種用于控制可移動對象的位置的伺服系統(tǒng)，包括根據(jù)上述權(quán)利要求其中之一所述的控制器；第一檢測器，能夠產(chǎn)生表示實際對象位置與目標(biāo)對象位置之間的偏差的誤差信號；致動器，從所述控制器接收驅(qū)動信號，并可操作地與所述對象相關(guān)聯(lián)，以在所述控制信號S的控制下施加對象移動力。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的伺服系統(tǒng)，還包括第二檢測器，能夠產(chǎn)生表示所述對象的速度的信號。
25.一種光盤驅(qū)動器，包括至少一個可移動光學(xué)元件和根據(jù)權(quán)利要求23或24所述的用于控制所述光學(xué)元件的實際位置的伺服系統(tǒng)。
26.根據(jù)權(quán)利要求25所述的光盤驅(qū)動器，其中，所述光學(xué)元件是物鏡。
27.根據(jù)權(quán)利要求25所述的光盤驅(qū)動器，其中，所述光學(xué)元件是光學(xué)頭。
全文摘要
一種控制器(30)，能夠在兩個可能工作模式下工作，每個模式都具有相應(yīng)的特性曲線(11；12)。所述特性曲線在誤差信號值的范圍[TLL－TN]內(nèi)具有重疊區(qū)?？刂破髂軌蚋鶕?jù)輸入誤差信號(e)的時間導(dǎo)數(shù)()的值從一個模式切換到另一個模式，從而，對于所述范圍[TLL－TN]內(nèi)的某個輸入誤差信號，控制器可以處于其模式中的任意一個模式下。
文檔編號G11B7/09GK1659637SQ03813769
公開日2005年8月24日 申請日期2003年5月27日 優(yōu)先權(quán)日2002年6月14日
發(fā)明者H·J·戈斯森斯 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司