專利名稱：高速讀取偏心dvd碟片的循軌伺服重復控制系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種DVD光碟機伺服控制系統(tǒng)，更具體的講，涉及一種高速讀取偏心DVD碟片的循軌伺服重復控制系統(tǒng)。屬于電子信息技術領域。
背景技術：
DVD光驅循軌伺服控制機構的等效物理模型可以看成的雙車結構，小車通過一彈簧和阻尼器連接到大車，他們之間存在著復雜的耦合關系。其中大車對應著粗調致動器，一般是一直流無刷電機，主要用來快速長距離尋軌，它有一個大的移動范圍，但是帶寬比較小，相應速度較慢。小車對應著微調致動器，是一音圈電機，承載著激光讀寫器OPU(optical pick-up)，主要作用是短距離尋軌和循軌，徑向移動范圍較小，但是帶寬比較大，相應速度快，比較靈敏。小車通過一彈簧和阻尼器連接到大車，他們之間存在著復雜的耦合關系。當光驅開始循軌時，由于外界干擾，比如震動、盤片偏心或者盤面劃痕等很容易引起激光讀寫器的光點不能聚焦于光盤的軌道中心，而產生偏擺(Run-Out)現象，甚至脫軌，給準確高速讀取DVD盤片帶來困難。
“高速讀取DVD盤片”是指在DVD循軌伺服控制系統(tǒng)中，要求激光讀寫器的光點始終聚焦于盤片軌跡的中心處，但是制造上偏心的盤片會對循軌誤差信號TE(tracking errors)產生周期性的擾動。該擾動一般表現為激光讀寫器沿著盤片軌跡的中心線做上下的偏擺，如頻率與主軸馬達成正比的正弦信號。由于該周期干擾信號的頻率與轉速成正比，隨著DVD轉速的不斷提高，該周期干擾信號的頻率也相應變得越來越高。ECMA組織于1999年頒布了DVDROM的循軌伺服規(guī)格ECMA-267規(guī)定盤片偏心幅度不能大于50μm，且激光讀寫器的光點距離盤片軌跡中心處的最大距離不能超過0.022μm；且要求實際的循跡伺服幅值特性波動范圍在參考值上下浮動不能超過20％。因此，對于最大幅度50μm的偏心盤片產生的激光讀取器光頭偏擺不能超過0.022μm，也即循軌誤差與盤片偏心幅度的比率不能大于 但是為了達到此項要求，理想的開環(huán)循跡伺服標準特性決定了光盤旋轉頻率不能大于23.1Hz，對于頻率高于23.1Hz的轉速，循軌誤差與盤片偏心幅度的比率將大于K0，DVD循軌伺服系統(tǒng)將不能滿足要求。但是現代DVD轉速已經達到了48倍速，主軸馬達轉速為9600轉/分鐘，約160Hz，所以系統(tǒng)不能抑制如此高頻率的偏擺(Run-Out)擾動信號，因而不能高速讀取偏心盤片。
經對現有技術的文獻檢索發(fā)現，中國發(fā)明專利(申請?zhí)?1110490.2)提出了一種光驅循軌伺服系統(tǒng)及方法，該種系統(tǒng)用以控制光學讀寫頭對資料軌跡進行循軌運動，包括感測裝置、控制裝置、決策裝置及動力裝置，僅適用于碟片無偏心情況，不能解決由于碟片偏心帶來的正弦周期偏擺(Run-Out)問題，更不能以超過23.1Hz的轉速來高倍速讀取偏心DVD盤片。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于克服現有技術中的不足，提供一種高速讀取偏心DVD碟片的循軌伺服重復控制系統(tǒng)。通過循軌誤差信號TE判斷是否存在偏心情況，然后在過程控制中的串聯校正原理和內?？刂圃淼幕A上，設計重復控制系統(tǒng)來抑制因高速讀取偏心盤片帶來的正弦周期偏擺，從而避免了高倍速讀取偏心盤片時有可能出現的脫軌現象，提高了光驅讀取偏心盤片的成功率。
本發(fā)明是通過以下技術方案實現的，包括檢測轉換模塊、智能決策模塊、重復補償模塊、通用控制模塊、多路選擇開關和光驅循軌伺服機構。其中通用控制模塊設在光驅循軌伺服機構的輸入端；檢測與轉換模塊設在光驅循軌伺服機構的輸出反饋通路上，其輸出與給定值比較產生循軌誤差信號；循軌誤差信號分成兩路，一路連接到智能決策模塊輸入端，通過該模塊可以判斷此時放入光驅的盤片是否存在偏心，另一路連接到多路選擇開關上；智能決策模塊的輸出決定了多路選擇開關的開關位置；多路選擇開關的輸出有兩種可能的通路，一路連到重復補償模塊，重復補償模塊輸出連到通用控制模塊，另一路直接連到通用控制模塊。上述各個模塊的工作流程檢測轉換模塊把激光讀寫器的光信號轉化成電信號，然后與系統(tǒng)給定值比較產生近似線性的循軌誤差信號。智能決策模塊通過對循軌誤差信號進行處理后可以辨別出該盤片是否存在偏心。如果存在偏心，則利用重復補償模塊對因偏心引起畸變的循軌誤差信號進行補償與校正，然后再經過通用控制模塊輸出到光驅循軌伺服機構；否則，直接進入通用控制模塊，然后輸出到光驅循軌伺服機構上。
所述的智能決策模塊包括歸一化模塊和求取偏移量模塊，歸一化模塊對循軌誤差信號TE進行歸一化后，輸出到求取偏移量模塊，求取偏移量模塊對循軌誤差信號TE進行求取偏移量，通過求取偏移量后的循軌誤差信號判知是否存在因盤片偏心而引起的畸變，由于循軌誤差信號畸變的存在和盤片的偏心是一一對應的關系，據此可判斷此時放入光驅的盤片是否存在偏心，進而控制多路選擇開關在兩路處理系統(tǒng)中選擇某一路對循軌誤差信號進行處理。其具體選擇策略如果該盤片不存在偏心，則循軌誤差信號直接進入通用控制模塊；否則，循軌誤差信號先通過重復補償模塊后再進入通用控制模塊。
所述的重復補償模塊包括延遲模塊和低通濾波器模塊，主要用來補償和校正因盤片偏心引起的畸變循軌誤差信號。其基本流程為畸變的循軌誤差信號經過延遲模塊處理后延遲一個周期，然后通過一個低通濾波器反饋疊加在下一個周期的畸變循軌誤差信號上，從而達到逐步校正畸變循軌誤差信號的目的。
所述的通用控制模塊包括比例模塊和滯后超前控制模塊。比例模塊主要用來增大系統(tǒng)的直流增益，加快系統(tǒng)的響應速度，并提高系統(tǒng)的調節(jié)精度；滯后超前控制模塊主要實現增大系統(tǒng)的回路的頻率帶寬和相角裕度。循規(guī)誤差信號通過比例模塊和滯后超前控制模塊后得到相應的控制量，使循軌伺服系統(tǒng)與通用控制模塊的串聯后的回路幅值特性達不到標準ECMA-267要求的范圍之內。該通用控制模塊可以增強系統(tǒng)的魯棒性，有效的抑制外界擾動對光驅循軌伺服系統(tǒng)產生的隨機白噪聲，減小激光讀寫器OPU的波動幅度，從而使激光讀寫器的光點最大限度的聚焦于光盤的軌道中心。
所述的光驅循軌伺服機構包括粗調致動器、微調致動器以及齒輪等傳動機構組成，等效物理模型可以看成的雙車結構，與現有技術相同。主要功能是把激光讀寫器盡可能精確地在盤片上作徑向移動，完成長短距離尋軌、跳軌以及循軌等功能。
與現有技術相比，本發(fā)明成功抑制了因盤片偏心產生的Run-Out偏擺現象，滿足了規(guī)格ECMA-267的要求，提出了倍速讀取偏心盤片的方法，解決了不能抑制頻率高于23.1Hz偏擺問題，使DVD光驅可以高倍速讀取偏心DVD盤片，目前可以達到200Hz以上。同時降低了對盤片生產質量的要求，提高了讀取偏心盤片的成功率。


圖1為DVD允許循軌系統(tǒng)偏擺誤差示意圖和物理等效模型。
圖2為本發(fā)明各個功能模塊的示意圖。
圖3為重復循軌伺服系統(tǒng)控制結構圖。
圖4為|1+G(jω)|伯德圖，G(jω)為經通用補償模塊補償后的轉遞函數。
圖5為重復補償模塊中的F(s)參數選擇方案示意圖。
圖6為本發(fā)明實施例中光驅循軌伺服機構的輸出仿真對比示意圖。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發(fā)明的實施例作詳細說明本實施例在以本發(fā)明技術方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和過程，但本發(fā)明的保護范圍不限于下述的實施例。
如圖1所示，DVD允許循軌系統(tǒng)偏擺誤差示意圖和物理等效模型。DVDROM的循軌伺服控制系統(tǒng)規(guī)格ECMA-267規(guī)定盤片的最大偏心幅度不能超過±50μm的范圍，且激光讀寫器的光點距離盤片軌跡中心處的最大距離不能超過0.022μm。取一幅值為50000個單位正弦信號作為干擾信號源，觀察輸出是否小于22個單位，以驗證本實施例的系統(tǒng)是否滿足規(guī)格ECMA-267的要求。
如圖2所示，本實施例包括檢測轉換模塊、智能決策模塊、重復補償模塊、通用控制模塊和光驅循軌伺服機構。其中通用控制模塊設在光驅循軌伺服機構的輸入端；檢測與轉換模塊設在光驅循軌伺服機構的輸出反饋通路上，其輸出與給定值比較產生循軌誤差信號；循軌誤差信號分成兩路，一路連接到智能決策模塊輸入端，通過該模塊可以判斷此時放入光驅的盤片是否存在偏心，另一路連接到多路選擇開關上；智能決策模塊的輸出決定了多路選擇開關的開關位置；多路選擇開關的輸出有兩種可能的通路，一路連到重復補償模塊，重復補償模塊輸出連到通用控制模塊，另一路直接連到通用控制模塊。
檢測轉換模塊主要用來把光驅循軌伺服機構輸出的光信號通過光電轉化器和信號放大器變成電信號，然后與給定值比較產生需要的近似線性的循軌誤差信號。
智能決策模塊包括歸一化模塊和求取偏移量模塊。對循軌誤差信號經過歸一化模塊和求取偏移量模塊處理從而判斷該循軌誤差信號是否存在因盤片偏心而產生的畸變，進而依此選擇不同的處理循軌誤差信號的通路。
所述歸一化模塊選取數量為n的TE信號數據點，求取這n個數據的平均值Mean和最大值Max，對于每個循軌誤差信號(TE信號)數據利用算式(TE-Mean)/Max可以實現循軌誤差信號的歸一化，歸一化后的循軌誤差信號僅在[-1，1]范圍內波動，便于處理和分析。所述求取偏移量模塊是指經歸一化模塊歸一化后的循軌誤差信號沿著某一中心線上下波動，那條中心線就是求取偏移量的結果。其判別準則為如果經過歸一化、求取偏移量后的循軌誤差信號為一正弦信號，則該盤片為一偏心盤片；如果經過歸一化、求取偏移量后的循軌誤差信號基本為一恒定值零，則該盤片不存在偏心。如果該盤片不存在偏心，則循軌誤差信號直接進入通用控制模塊；否則，軌誤差信號先通過重復補償模塊后再進入通用控制模塊。
光驅循軌伺服機構包括粗調致動器、微調致動器以及齒輪等傳動機構組成。其辨識數學模型一般不符合標準ECMA-267的要求，需要設計補償或者控制器來達到要求。如圖3所示，其中P(s)是光驅循軌伺服機構的數學模型；C(s)為通用控制模塊，其功能使整個開環(huán)傳遞函數G＝C×P的過零頻率為2.4kHz，并且使系統(tǒng)達到循軌伺服規(guī)格ECMA-267的要求；Cr(s)為根據穩(wěn)定性條件設計的重復補償模塊，其中F(s)為一低通濾波器。
從某一技術手冊中得到某一DVD光驅機電光循軌伺服機構辨識模型P(s)=3.62e12s4+10040s3+6.23e10s2+6.77e12s+5.7e15,]]>本實施例將根據ECMA-267標準和重復控制原理依次分別設計通用控制模塊和重復補償模塊。ECMA規(guī)定系統(tǒng)的增益(|1+G|)可以在參考系統(tǒng)相應增益(|1+Href|)的上下20％浮動。圖4虛線部分描述了循軌伺服系統(tǒng)要滿足誤差要求的增益范圍。當頻率在9.6Hz至23.1Hz時，增益需在67.1dB至89.2dB之間；在100Hz時增益需在43.7dB至47.3dB之間；而當頻寬為2.4KHz時，開環(huán)增益約為1。
通用控制模塊是在內模控制的基礎上按照循軌伺服規(guī)格ECMA-267的要求進行設計的。由ECMA-267可以得出系統(tǒng)過零頻率ω0為2.4kHz，低頻增益GM＝78dB，由于重復控制器的引入和為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，取穩(wěn)定裕量θ＝70°。在此基礎上，設計了一滯后超前控制器C(s)=(s+2660)(s+0.3216)(s+85520)(s+0.01)]]>和比例控制器K＝220000000構成通用控制模塊，可以得到開環(huán)系統(tǒng)的傳遞函數G(s)＝K·C(s)·P(s)；此時，校正后|1+G(jω)|的伯德圖符合循軌伺服規(guī)格ECMA-267，如圖5中的實線所示。
重復補償模塊的結構如圖3中Cr(s)所示，循軌誤差信號反饋經過e-Ts和F(s)二個運算環(huán)節(jié)后與原信號疊加，其中e-Ts代表把信號延遲T個時間單位，F(s)代表一低通濾波器。由經典控制理論可知，重復補償模塊的輸入與輸出關系為Cr(s)=11-F(s)e-Ts,]]>其中F(s)＝1/(1+τs)?？傮w上，該模塊含有2個參數，一是延遲時間T，一般取干擾信號頻率的倒數，而該頻率與光驅主軸馬達的轉速成正比。另一參數是低通濾波器中的參數τ，由重復控制器Cr(s)的穩(wěn)定性條件決定。
重復補償模塊的設計是根據|1+G(jω)|的伯德圖和重復控制算法的穩(wěn)定性要求來進行模塊中參數T和τ的確定。如圖5所示，首先畫出|1+G(jω)|的伯德圖，通過試湊選取不同的τ，選取滿足|F(jω)|伯德圖完全位于|1+G(jω)|之下的τ值。設計過程如圖5所示的伯德圖，由|F1(jω)|可以得到τ0，從而計算得出τ的范圍。在滿足式穩(wěn)定性條件|1+G(jω)|＞|F(jω)|的前提下，要使低通濾波器F(s)＝1/(1+τs)的截止頻率f0＝1/τ0取得最大。由穩(wěn)定條件，得到τ的范圍為Ωτ={τ|1100τ>τ0}.]]>τ0的物理意義也是顯而易見的，即使|F(jω)|=1/1+τ2ω2]]>完全位于|1+G(jω)|之下時τ的最小值。重復補償模塊Cr(s)=11-F(s)e-Ts]]>參數T一般取光驅主軸馬達轉速的倒數。假設現在光驅主軸馬達的轉速為15000轉/分鐘，即由于盤片偏心產生的干擾信號周期為250Hz，依照上面所述的設計步驟，設計重復控制器Cr(s)=11-F(s)e-Ts=11-116000s+1e1262.803s]]>構成重復補償模塊。
在所選取的實例模型P(s)的基礎上，利用上面的步驟求出各個模塊中的控制器Cr(s)和C(s)進行系統(tǒng)仿真。如圖6所示，本實施例中光驅循軌伺服機構的輸出仿真對比示意圖。系統(tǒng)在t＝0.2s時加入重復控制器Cr(s)，可見重復控制器很好的抑制了頻率為250Hz幅值為50000個單位的周期干擾信號，誤差信號e(t)(即輸出y(t)與輸入r(t)之差)有明顯的減少，由原來的94.6個單位減小到了抑制后的15個單位?？梢?，完全實現了系統(tǒng)要求的跟蹤誤差信號的要求，即抑制比率為15/50000≈1/3333，要遠遠小于1/2300。可見該實施例不僅滿足規(guī)格ECMA-267的要求，即使最大幅度為50μm的偏心盤片產生的激光讀寫器光頭偏擺Run-Out不會超過0.022μm，而且還可以使DVD光驅高速精確的讀取偏心盤片。
權利要求
1.一種高速讀取偏心DVD碟片的循軌伺服重復控制系統(tǒng)，其特征在于，包括檢測轉換模塊、智能決策模塊、重復補償模塊、通用控制模塊、多路選擇開關和光驅循軌伺服機構；其中通用控制模塊設在光驅循軌伺服機構的輸入端；檢測與轉換模塊設在光驅循軌伺服機構的輸出反饋通路上，其輸出與給定值比較產生循軌誤差信號；循軌誤差信號分成兩路，一路連接到智能決策模塊輸入端，通過該模塊可以判斷此時放入光驅的盤片是否存在偏心，另一路連接到多路選擇開關上；智能決策模塊的輸出決定了多路選擇開關的開關位置；多路選擇開關的輸出有兩種可能的通路，一路連到重復補償模塊，重復補償模塊輸出連到通用控制模塊，另一路直接連到通用控制模塊；檢測轉換模塊把激光讀寫器的光信號轉化成電信號，然后與系統(tǒng)給定值比較產生近似線性的循軌誤差信號，智能決策模塊通過對循軌誤差信號進行處理后辨別出該盤片是否存在偏心，如果存在偏心，則利用重復補償模塊對因偏心引起畸變的循軌誤差信號進行補償與校正，然后再經過通用控制模塊輸出到循軌伺服系統(tǒng)；否則，直接進入通用控制模塊，然后輸出到循軌伺服系統(tǒng)上。
2.根據權利要求1所述的高速讀取偏心DVD碟片的循軌伺服重復控制系統(tǒng)，其特征是，所述的智能決策模塊，包括歸一化模塊和求取偏移量模塊，歸一化模塊對循軌誤差信號TE進行歸一化后，輸出到求取偏移量模塊，求取偏移量模塊對循軌誤差信號TE求取偏移量，通過分析求取偏移量得到的循軌誤差信號可判知是此時循軌誤差信號TE否存在畸變，由于循軌誤差信號畸變和盤片的偏心是一一對應的關系，可據此判斷放入光驅的盤片是否存在偏心，進而控制多路選擇開關在兩路處理系統(tǒng)中選擇某一路對循軌誤差信號進行處理。
3.根據權利要求2所述的高速讀取偏心DVD碟片的循軌伺服重復控制系統(tǒng)，其特征是，所述歸一化模塊選取數量為n的TE信號數據點，求取這n個數據的平均值Mean和最大值Max，對于每個循軌誤差信號TE數據利用算式(TE-Mean)/Max實現循軌誤差信號的歸一化，歸一化后的循軌誤差信號僅在[-1，1]范圍內波動。
4.根據權利要求2所述的高速讀取偏心DVD碟片的循軌伺服重復控制系統(tǒng)，其特征是，所述求取偏移量模塊是指經歸一化模塊歸一化后的循軌誤差信號沿著某一中心線上下波動，那條中心線就是求取偏移量的結果，利用該結果判斷此時放入光驅的盤片是否存在偏心，其判別準則為如果經過歸一化、求取偏移量后的循軌誤差信號為一正弦信號，則該盤片為一偏心盤片；如果經過歸一化、求取偏移量后的循軌誤差信號基本為一恒定值零，則該盤片不存在偏心，如果該盤片不存在偏心，則循軌誤差信號直接進入通用控制模塊；否則，軌誤差信號先通過重復補償模塊后再進入通用控制模塊。
5.根據權利要求1所述的高速讀取偏心DVD碟片的循軌伺服重復控制系統(tǒng)，其特征是，所述的重復補償模塊，包括延遲模塊和低通濾波器模塊，畸變的循軌誤差信號經過延遲模塊處理后延遲一個周期，然后通過一個低通濾波器模塊反饋疊加在下一個周期的畸變循軌誤差信號上，從而逐步校正畸變循軌誤差信號。
6.根據權利要求1所述的高速讀取偏心DVD碟片的循軌伺服重復控制系統(tǒng)，其特征是，所述的通用控制模塊，包括比例模塊和滯后超前控制模塊，比例模塊用來增大系統(tǒng)的直流增益，加快系統(tǒng)的響應速度，并提高系統(tǒng)的調節(jié)精度；滯后超前控制模塊實現提高系統(tǒng)的回路的頻率帶寬并增大系統(tǒng)相角裕度；循軌誤差信號通過比例模塊和滯后超前控制模塊后得到相應的控制量，使循軌伺服系統(tǒng)與通用控制模塊的串聯后的回路幅值特性達到標準ECMA-267要求的范圍之內。
全文摘要
一種電子信息技術領域的高速讀取偏心DVD碟片的循軌伺服重復控制系統(tǒng)，檢測轉換模塊把激光讀寫器的光信號轉化成電信號，然后與系統(tǒng)給定值比較產生近似線性的循軌誤差信號，智能決策模塊通過對循軌誤差信號進行處理后可以辨別出該盤片是否存在偏心，如果存在偏心，則利用重復補償模塊對因偏心引起畸變的循軌誤差信號進行補償與校正，然后再經過通用控制模塊輸出到循軌伺服系統(tǒng)；否則，直接進入通用控制模塊，然后輸出到循軌伺服系統(tǒng)上。本發(fā)明DVD光驅可以高倍速讀取偏心DVD盤片，大大提高了DVD系統(tǒng)的抗Run－Out干擾能力和讀取偏心碟片的性能與成功率。該控制系統(tǒng)具有簡單的形式，并且參數少，易于在線調試。
文檔編號G11B7/135GK101030399SQ20071003912
公開日2007年9月5日 申請日期2007年4月5日 優(yōu)先權日2007年4月5日
發(fā)明者馬菲, 張衛(wèi)東, 高守瑋, 趙青, 陳鳳祥, 劉媛媛, 蔡秋花 申請人:上海交通大學