硕士论文新一代多功能光盘循迹伺服控制研究

硕士论文新一代多功能光盘循迹伺服控制研究 华中科技大学 硕士学位论文 新一代多功能光盘循迹伺服控制研究 姓名:梁勤柱 申请学位级别:硕士 专业:计算机系统结构 指导教师:王海卫 2011-01-13 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 摘 要 随着高清影像成为数字播放机的发展方向，大容量光盘的需求在不断增加，新 一代多功能光盘 NVD Next-Generation Versatile Disc 的第二代产品研制被提上了日 程。与第一代盘片规格相比，其存储密度更大，道间距更小，这就要求循迹伺服控 制的误差精度更高。此外，为了保证多种产品兼容性，伺服控制还必须具有一定鲁 棒性。 由于我国自主光盘伺服控制研究起步较晚，目前循迹伺服系统通常采用的是PID 控制。该技术在主轴频率中低频时，误差控制精度能达到 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 的规格要求。随着高 清光盘的发展，光盘机的主轴旋转速度将不断提高，道间距和位间距不断减小，加 上各种扰动和被控对象参数变化等各种因素，PID 算法的控制效果明显降低。因此需 要寻找新的循迹伺服控制，以满足高清光盘发展需求。 模糊控制利用专家知识建立控制规则库，降低了被控对象不确定性对控制性能 的影响，但由于知识经验的主观性和规则不完备，其误差精度达不到高清光盘要求。 于是我们对常规模糊控制进行了相应的改进，提出利用神经网络良好的系统辨识性 能和自主学习能力，通过动态调整模糊规则相关参数，使整个控制系统符合下述要 求:系统对被控对象参数发生变化具有一定鲁棒性，提高中低主频段的控制精度， 高主频则须达到相关规格。 为了验证所提出的控制器相关性能，我们还设计了 PID 控制器和常规模糊控制 器，对某型号 NVD 执行机构简化建模和调节偏移参数，配置三种典型的低中高主频 信号和高频噪声干扰信号，利用 MATLAB 进行仿真实验。根据测试结果可以证明， 改进型模糊控制器在误差精度和鲁棒性两方面都有较大提高，为未来实际环境测试 提供了前期理论依据。 关键词:循迹伺服控制，模糊系统，神经网络，新一代多功能光盘播放机 I 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 Abstract As the high definition video becomes the main stream of the digital players, the need of high-capacity disc is constantly growing. Developing the second generation products, that is NVD called in China, is put on the agenda. Compared with the first generation disc, the second generation disc will have much higher storage density and the narrower track pitch, which requires the tracking error to be decreased. In addition, servo system of optical discs must keep the robust in order to ensure compatibility with various products. The history of the research on servo control is relatively short in our country, so track-following servo system is accomplished by using PID control. At low frequency domain, the tracking error meets the requirements of disc. With the development of high definition discs, the higher rotation speed, the narrower track pitch, the shorter channel length, all kinds of disturbances and the parameter variation, it is difficult for PID control algorithm to reduce the tracking error. So it is quite necessary to find a new way to meet the development needs of high definition discs for tracking servo. Fuzzy control provides rule base depended on expert knowledge, reducing the influence caused by plant uncertainty. However, due to the subjectivity of expert knowledge and incomplete rule base, tracking error of the fuzzy control is not always met target tolerance. Hence, in term of the good performance of system identification and self-learning ability of neural network, an improved fuzzy control is proposed. Dynamically adjusting parameters of fuzzy rules, it makes the system meet the following requirements: good robustness of the parameter variation, higher accuracy at low-medium frequency and reaching the specifications at high frequency. To verify the performance of the proposed controller, a PID controller and a traditional fuzzy controller are designed additionally. A math model about actuator of some NVD is simply built. Some plant parameters are adjusted. The values of the three typical low-medium-high frequency signal and high-frequency noise signal are set up. The simulation is based on the MATLAB. The experimental results show that the proposed scheme provides better accuracy and robustness, and theoretically ensures the following test in the practical environment. Key words: Tracking servo control, Fuzzy system, Neural network, Next-Generation Versatile Disc II 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名: 日期: 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即:学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密?， 在 年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密?。 (请在以上方框内打“?”) 学位论文作者签名: 指导教师签名: 日期: 年 月 日 日期: 年 月 日 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 绪论 1.1 课题研究背景 1.1.1 光存储技术介绍 随着数字时代的到来，越来越多的信息需要数据化，从早期单一的文本数据， 到如今格式繁多的图片、音频和视频。而互联网广泛普及，用户人群不断增加，加 上各种数码产品的大量问世，数据分享的需求促使需要存储和传输的数据急剧增加。 此外，互联网、电信网和广播电视网三网融合推进时间表和工作要求的确立， 物联 网在多个地区的先期实验，可以预见，海量数据存储处理将成为整个 IT 和 CT 行业 发展的瓶颈和突破点。 作为一种信息存储技术，光存储[1-3]是继磁 记录 混凝土 养护记录下载土方回填监理旁站记录免费下载集备记录下载集备记录下载集备记录下载 之后于 20 世纪 70 年代开发出来 的。从出现起，光盘就以其大容量、高密度、成本低廉、保存时间较长、可靠性高、 [4] 使用方便等特点 ，成为重要的移动存储设备。经过三十多年的发展，其形式规格也 多种多样，从传统的 CD、VCD ，到广为流行的 DVD ，以及最近几年发展起来的各 类高清视盘机和盘片。 尽管类型多样，各种光存储系统仍然主要由光盘和光盘机两大部分组成，整个 系统涉及到光、电、精密机械多种高新技术。作为光盘系统的执行机构，光盘驱动 器通常以读写光学头、机械系统、供电系统、伺服控制系统以及整机协调系统多个 [5] 模块共同构成 。光盘则是光盘存储系统的存储介质，用于信息保存，其技术规格包 括盘片尺寸、物理结构、信迹分布格式等。在数字式光盘存储系统中，还包括读写 信号处理系统，它是信息在原始信号与适用于在信道上存储的信号之间转换的过程， 这涉及到信号的产生和模数转换即信源编码和解码技术，以及与存储介质有 关的信 道编码/调制和解调/解码技术。 为了能够存储日益增长的信息数据，光盘也在不断的发展中。纵览其历程，光 盘改进主要体现在其存储密度更高，数据传输速率更快以及数据保存期更长。 [2, 6, 7] 为了提高存储密度，通常采用的技术 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 有如下几 种 : 1 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 (1)在不改变盘片大小前提下，减小信息记录单元，可以直接提高存储密度。 这需要几个方面的技术配合:为了读取这些更小单元的数据，必须减小光斑直径。 根据光学原理，可以使用以下方法，一是使用波长更短的光源，例如从传统波长为 650 纳米的激光头，到使用波长为 405 纳米的蓝色激光。二是使用更大的数值孔径。 CD 要求其数值孔径在 0.4-0.45 范围内，而 DVD 则是 0.6，或者是二者的结合。 (2 )采用在光盘的凹道和凸道都记录信息，代替只在凹坑位置记录的传统方式， 从而提高道密度。 (3 )传统光盘存储系统采用的记录方式是二值存储，即一个记录单元上只有两 种状态，分别代表 0 和 1。多阶存储则是在一个信息记录斑的位置记录两个以上的状 态，从而提高数据存储密度。 在光盘系统中，影响光盘数据传输速率因素主要是光驱转速和线密度。光盘在 读写过程中，一般是保持光学头静止，盘片以某个速度旋转，这样光学头发出的激 光束就以一定速度通过目标信迹，依据特殊的光效应，读出信号。为了提高数据传 输速率，最直接的方式就是加快光驱主轴转速，通常以倍速来表示其旋转速度。表 1.1 显示了 DVD 在不同倍速下的数据传输率。 表 1.1 DVD 不同倍速下的数据传输率 传输率 光驱倍速 Mbps MBps 1× 10.55 1.35 2 × 21.09 2.70 4 × 42.19 5.40 6 × 63.30 8.10 8× 84.38 10.80 12× 126.60 16.20 16× 168.75 21.60 20 × 211.00 27.00 然而，不论是减小存储记录大小以实现高密度存储，还是加快光驱主轴 转速以 提高数据传输速率，都对光盘的伺服控制系统提出了更高要求。例如数值孔径增大 的同时，光源焦深将减小，则光源垂直波动的范围将限制得更加严格，聚焦伺服的 2 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 精度因而更高，实现起来就更困难。主轴转速提高，使得存在偏心的盘片在以同样 速度旋转时，信迹位移的径向误差波动频率将进一步加大，循迹伺服的外部干扰频 率从而也更大。 1.1.2 我国光存储的发展历程和现状 在我国，光存储行业一直备受重视。由安徽万燕公司推出的 VCD 影碟机，通过 在盘片固定位置设置一种系统信息，而无须依赖多媒体计算机系统即可播放，在 1994 年一经面世，就取得了巨大的市场反响。到 DVD 时代，我国用很短时间就发展成为 世界上最大的生产基地，目前每年播放机生产量已达到一亿台的规模，出口量占世 界市场的 80% 以上，出口国家及地区超过了 140 多个。随着世界市场竞争模式从传 统的产品竞争逐渐转为技术竞争、服务竞争，而我国大部分企业并没有掌握 DVD 的 相关技术专利，被国外垄断组织收取的高额专利费用在生产成本中的比例越来越大， 使得光盘播放机和盘片的企业在产量增加的同时，利润却不断减少，核心技术的缺 乏日益成为中国企业继续发展的障碍。 随着数字电视的兴起，高清视频的强烈需求，中国光存储行业面临一个新的发 展机遇。在吸取了 VCD 、DVD 发展历程上的经验教训，政府、企业以及第三方组织 机构都认识到，发展高清光盘产业，必须从播放机和盘片两方面入手，通过突破并 掌握核心关键件的开发技术和规模化生产技术，形成自己的技术标准，并由此建立 一条完整的产业链，才能在世界范围内取得行业竞争优势。因而研究和开发具有自 主知识产权的新一代高密度存储光盘意义重大。 经过近几年的努力，国内不少组织机构和企业陆续推出了拥有自主知识产权的 [8] 技术方案，其中影响较大的是使用红光的 NVD 技术和使用蓝光 的CBHD 技术。 NVD 全称为新一代多功能光盘 Next-generation Versatile Disc ，是在武汉光谷的牵 头发起下，由武汉光电国家实验室、中科院上海光机所、光盘及应用国家工程研究中 心、清华大学光盘国家工程研究中心、武汉高科国有投资公司、爱多集团等国内多家 单位共同组织实施，并于 2005 年 4 月形成了 NVD 技术联盟，2007 年推出了第一代 12GB 的高清视盘机和盘片，2009 年成功上市。该方案采用红光技术，重新制定盘片 物理存储格式，取得了从盘片到光学头等 50 余项专利，初步形成了自主知识产权体 3 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 [9] 系。该技术联盟下一阶段任务 是继续完善和改进NVD 各项技术，包括研制更高存储 密度的盘片，采用超分辨光学头，设计和实现编解码芯片以及系统配套软件。 另外，由清华大学光盘国家工程研究中心牵头，包括 TCL、步步高、海尔、清 华同方等多家机构企业于 2007 年 9 月 7 日在北京成立了中国高清光盘产业联盟 CHDA )，并发布了其研制的新一代蓝色高清激光 CBHD (China Blue-ray High ( Definition )标准。该联盟通过与DVD 论坛合作，借鉴参考 HD DVD 等国际上的高 清 DVD 技术[10]，采用蓝光光学头，使用简化的导航系统 CECT 和具有自主知识产权 的4-6 FSM 调制解调码，开启了中国蓝光高清视盘机和盘片的自主化进程。 1.2 国内外光盘循迹伺服控制技术研究现状 在循迹伺服控制的研究中，国外起步较早，方法也多种多样。针对早期光盘系 统，除传统的 PID 控制外，Yen J. Y.等[11] (1992)对径向伺服机构进行了建模，通 过设计一个模糊控制器，成功用于光盘循迹伺服系统。Smith C.和 Tomizuka M.(1996) [12]依据内膜原理，采用干扰观测器对外界震荡进行重复控制(repetitive control )， 以实现循迹精度要求。Lee M. N.等[13] (1996)对被控对象 不确定性在循迹伺服控制 中的影响进行了研究，提出了当系统满足局部区域稳定约束条件(regional stability constraints )，并且其干扰信号为正弦波形时的控制器设计解决方案。 Ohishi K.等[14] (2002 )则提出了一种基于零相位误差跟踪器 ZPET，Zero Phase Error Tracking 和突 发性干扰观测器的控制器 设计方案 关于薪酬设计方案通用技术作品设计方案停车场设计方案多媒体教室设计方案农贸市场设计方案 ，并在主轴旋转频率为 60Hz 的光盘系统 中得到了 验证。 针对主轴频率超过 100Hz 的高速光盘存储系统，Miyazaki T.等[15] (2007 )对零 相位误差跟踪控制器(ZPET )提出了改进。为了保持 ZPET 控制器的稳定 性，通常 在其反馈控制中添加一个低通滤波器(LPF ，Low Pass Filter )，但 这也使得系统的 频宽不超过 1KHz。Miyazaki 的方案将其修改为一个零相位低通滤波器 (ZPLPF Zero Phase Low Pass Filter )，实现了将ZPET 应用在频率达到 120Hz 的高速光盘存储系 统中。Kim J.等[16] (2007 )研究了主轴频率在连续变化时造成干扰信 号周期不确定的 循迹伺服控制问题。他们提出动态偏心误差补偿(DEEC ，Dynamic Eccentric Error 4 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 Compensation )方案，通过在常规循迹伺服控制器中添加 DEEC 对偏心误差信号进 行补偿，在抑制周期误差的同时还改善了整个系统带宽，成功地将其应用在高速光 盘系统中。 在国内，与光存储产业的蓬勃发展相反，光盘伺服控制研究还较少，这与我国 在光存储产业发展初期不重视知识产权的保护有关。不少企业的主要产品是直接引 进成熟的光存储产品生产方案，缺乏自主研发新产品的动力，也使得我国光存储中 的各项关键技术受制于人，特别是在2001 年加入世贸组织后越显突出。随着政府和 科研机构大力倡导和推动，以及众多企业在人力和资金上不断投入，光存储中的各 项关键技术终于开始突破国外的垄断和封锁，取得了一定成果。 韩少锋[17] (2005 )将神经网络的学习算法与 PID 控制相结合，应用于 DVD 的 伺服控制中。杨勇斌[18] (2006 )则研究分析了循迹伺服控制系统中的低频噪音，给 出了满足工业生产的H?控制器设计解决方案。为抑制 DVD 循迹伺服中的周期性干 扰，马菲[19] (2008 )提出在超前滞后反馈控制中添加一个重复控制器，并给出了其 设计方法和参数优化的解决步骤。严明铭[20] (2009 )对红光高清光盘的循迹伺服特 性进行了研究，介绍了红光光盘发展过程中采用的两种多阶存储技术:基于坑形调 制方法的多阶游程长度受限(ML-RLL ，Run Length Limited )技术和基于信号波形 调制(SWM，Signal Waveform Modulation)方法的 SWM-RLL 技术，并对比分析了 两种技术对循迹伺服的影响。 上述方法在一定程度上解决了光盘循迹伺服中的部分问题。文献[17]对 PID 参数 进行在线学习，控制器在被控对象不确定性方面具有一定的自适应性，但其频宽不 足，对高频干扰抑制效果不够好。文献[18]设计的 H?控制器主要针对低频扰动。文 献[19]中需要超前滞后补偿器对被控对象进行静态补偿，其参数确定在很大程度上依 赖于被控对象，同时重复控制器参数的确定和优化采用图形法解决方案，原理简单， 但自适应性能较低。 1.3 课题来源与本文主要研究内容 本课题来源于《新一代红光高清视盘机产业化项目》。 5 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 为提高循迹伺服控制自主化水平，并能满足 NVD 各系列产品高清视频播放的要 求，光盘机中伺服芯片的循迹伺服控制器必须能处理带有一定程度干扰的高频率信 号，考虑到国内光学机械加工精度不够高和多种产品兼容性的实际情况，本文提出 将模糊控制器应用到循迹伺服控制中，并对其做了针对性改进，以增强控制器在被 控对象参数发生一定程度偏移时的鲁棒性;同时利用神经网络具有的学习功 能调整 控制器相关参数，保证控制器在高频率下的精度要求和自适应性。为验证设计的控 制器性能，本文将对 NVD 循迹伺服机构进行简单建模，并利用 MATLAB/Simulink 对几种典型情况进行仿真分析。其章节和主要内容安排如下: (1)第一章主要介绍了本文研究工作的背景、意义和国内外循迹伺服控制研究 现状。 (2 )第二章简单介绍了光存储系统的整体伺服机构，在详细分析讨论循迹伺服 控制系统后，对其进行数学建模，并给出一个具体的 NVD 循迹伺服传递函数，作为 后文仿真考虑的基本对象。 (3 )第三章介绍了模糊系统和神经网络的基础理论，重点阐述了两者结合的优 势和可行性，为后续控制器的改进奠定理论基础。 (4 )针对高速光盘循迹伺服系统，第四章具体设计本文提出的控制器，对控制 和学习算法做了详细推导。为进行性能对比，还简要介绍了 PID 控制器设计方法和 其在 NVD 循迹伺服控制中的不足。 (5 )第五章分别使用三种控制器对 NVD 循迹伺服模型做了仿真分析，以验证 本文提出的控制器性能。 (6 )第六章对全文进行了总结，指出本文设计的改进型模糊控制器还有待研究 和完善的地方。 6 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2 NVD 循迹伺服系统建模 本章讨论分析了光盘循迹伺服系统，指出传统控制算法在光盘高密度、高旋转 速度发展下的不足，因此，需要寻找新的控制算法。另外，本章通过简化循迹伺服 系统结构，依据 DVD-ROM 规格，建立了 NVD 循迹伺服系统的数学模型，作为伺 服控制的参考对象。 2.1 NVD 伺服系统 2.1.1 光盘伺服系统 从最初的 LD 机、数字音频 CD 唱机，经过支持多种存储介质的 VCD 机、DVD 机的不断发展，到如今逐步流行的如红光、蓝光高清视盘机，光盘存储系统在物理 介质、容量、读取速度等方面都发生了巨大变化，其产品也成为数字时代最为重要 的表现形式之一。然而，正如绪论中介绍的那样，光盘机整体结构并没有发生多大 变化，NVD 系统依然采用的是 DVD 结构模式。 作为光盘存储系统重要组成部分，伺服系统对于光盘机能否成功读写出存储在 光盘上的信息具有决定性的影响。光盘伺服系统包括聚焦伺服、主轴伺服、进给伺 [5, 21, 22] 服和循迹伺服 。 聚焦伺服是利用音圈致动器使光学拾取头上下移动以跟踪盘片因高速旋转而产 生的上下振动，使得盘片的信号面始终都在光束的焦深范围内。引起聚焦误差的因 素主要包括盘片翘曲、气泡、信号面的划伤以及外界的振动等，聚焦伺服系统必须 保证让光学拾取头的焦点与信号面在一个允许的上下范围内。光盘机中常用的聚焦 误差检查方法有像散法、偏心辅助光束法、临界角法等。 光盘存储系统通过光学头扫描目标信迹来读写信息。由于盘片上的信迹通常呈 螺旋状，要使光学头做相应移动非常困难，实际中一般是使光学头保持静止，主轴 电机带动盘片旋转的方式来获取数据。主轴伺服系统就是保证光学头的光束焦点以 一定速度经过目标信迹轨道。主轴的旋转方式主要有两类:恒角速度(CAV，Const Angular Velocity )模式和恒线速度(CLV，Const Liner Velocity )模式。目前的光盘 7 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 系统通常是将两种模式结合使用，在读写盘片的内圈信迹时，采用高速旋转的 CAV 模式，读写外圈信迹时，则采用 CLV 模式。如果在 CLV 模式的读取过程中读取信 息失败，则再用 CAV 技术读取。 当光学头读写信息时，光束必须从内到外逐圈进行扫描，加上光盘翘曲、偏心， 安装中存在的差错等因素，使得盘片在高速旋转时，光学头并不总能准确定位到预 定位置，因而必须对光盘机的致动器在径向上进行伺服控制，将径向误差限制在规 定范围内。此外，在实际光盘存储系统中，由于存在快进、倒退的功能选项，使得 光学头需要在盘片上做大范围移动。而盘片从内圈到外圈跨越的距离单位与精度所 要求的距离单位存在数量级上的差异，例如 CD 伺服跟踪精度要求在?0.1um，其相 邻两圈轨距的典型值为 1.6um，而 CD 盘片的直径却达 120mm，要移动如此大范围 距离的同时保证伺服精度，仅仅靠一级伺服装置来实现将是非常困难的。因 此，光 盘系统的径向伺服通常包括两个部分，实现较大范围跟踪的进给伺服(sled servo ) 和限制径向误差在规定范围内的循迹伺服(tracking servo )。 随着数字时代的到来，各种信息都被数字化，需要存储的信息量也暴增。为了 满足用户需求，在不改变盘片面积大小的前提下，其存储密度不断提高[22] 。在存储 记录格式上，一种方式就是减小存储单元长度和轨道间距。在改变记录格式的同时， 为了读写这些数据，必须相应减小光学头射出的光斑直径。根据光学衍射理论有: λ d 2.1 2NA λ ΔZ 2 2.2 2NA 其中 d 为光斑直径，λ为光学头发出的光波长，NA 数值孔径，ΔZ 为物镜的焦 深。 根据式 2.1 可知，要减小光斑直径，在光波长一定时，就必须增大 NA ;NA 一 定时，就得使用波长更短的光。例如普通 CD 盘片的信迹最小凹坑长度为 0.83 um， 使用的红光波长为 780nm，数值孔径为 0.45 。而新一代的红光高清盘片的信迹最小 凹坑长度为 0.38um，使用的红光波长为 650nm，而数值孔径已经提高到 0.65 ;蓝光 光盘机的各项要求则更高[23] 。表2.1 显示了不同光盘详细性能指标。 8 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 同时，由式 2.2 可知，不论是选择波长更短的光源，例如从红光到蓝光，还是 使用更大的数值孔径，例如从 0.4 到 0.85，物镜的焦深ΔZ 都将以更大的趋势变小， 也就表明光盘控制系统的聚焦伺服所需控制精度将大幅提高。而轨道间距和信道位 长度的减小，循迹伺服控制的径向误差也将受到更严格的限制。此外，随着 光盘驱 动器的不断发展，光盘机的转速也增加了不少，这对光盘的整个伺服系统都 提出了 新的要求。 表 2.2 显示了 CD 和 DVD 分别在聚焦方向和径向方向上的误差规格。 表 2.1 不同类型的盘片技术指标 盘片类型 CD DVD NVD HD DVD BD 技术指标 激光类型 红光 红光 红光 蓝光 蓝光 激光波长 nm 780 635/650 650 450 450 数值孔径 NA 0.4-0.45 0.6 0.65 0.65 0.85 单层容量 650MB 4.7GB 6GB 15GB 25GB 最小凹坑长度 μm 0.83 0.4 0.38 0.204 0.149 轨道间距 μm 1.6 0.74 0.62 0.375 0.32 信道位长度 μm 0.59 0.133 0.12 0.08 0.06 AVS 、MPEG-4 、 MPEG4 、 MPEG4 、 视音频编码制式 MPEGI MPEGII H.264 H.264 H.264 RSPC 或 RSPC 或 错误纠正 CIRC RPSC 新 ECC LDC+BIS LDC+BIS 表 2.2 伺服规格特性 盘片类型 CD DVD 规格 聚焦允许误差 ?1μm ?0.23 μm 轴向偏摆 ?0.5 mm ?0.3 mm 循迹允许误差 ?0.1 μm ?0.022 μm 径向偏摆 ?70 μm ?50 μm 2.1.2 循迹伺服系统 循迹伺服系统一般由误差 检测 工程第三方检测合同工程防雷检测合同植筋拉拔检测方案传感器技术课后答案检测机构通用要求培训 机构、伺服控制信号处理、致动装置及物镜组成， 9 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 结构图如图 2.1 所示。 图2.1 循迹伺服系统 光盘系统通常采用单光束的差动相位法和推挽法获取循迹误差(Tracking Error ) 信号[24] 。单光束是利用光探测器检测到的主射频(Radio Frequency ) 信号形成TE 信 号。主 RF 信号的四象限式表示为I a +Ib +I c +I d ， 如图2.2 a 所示。 当使用差动相位法检测误差信号时，TE Lpf f Ia +Ic ?f Ib +Id ，其中f x 为 信号x 的相位，Lpf u 表示将信号 u 低通滤波，所检测到的误 差信号如图 2.2 b 。另 一种常用方法是推挽法，此时 TE I +I ? I +I ， 误差信号如图2.2 c 。 a d b c I I a b I I d c a 循迹误差信号的四象限探测器 b 差动相位法产生的误差信号 c 推挽法产 生的误差信号 图2.2 循迹误差信号 伺服控制信号处理[25]作为循迹伺服系统的关键部分，是根据检测到的 径向误差 10 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 信号做出判断，给出一个校正控制，以驱动循迹致动装置，使物镜发出的光 斑与目 标信迹在径向上的误差限制在允许范围内。在早期，由于光盘存储密度较低、 主轴 旋转速度较慢，PID 控制器或超前-滞后校正器就可满足其控制精度要求[26] 。随着光 盘存储行业的发展，盘片的存储密度显著提高，光盘驱动器的主轴旋转速度也明显 加快，经典控制算法已经难以达到所要求的控制精度。这主要表现在以下三方面: (1)存储密度提高，使得允许的误差范围更小，经典控制算法无法将误差信号 控制在该范围内，从而造成信号读取失败。 (2 )主轴旋转速度加快，使得盘片在径向上的扰动频率更高，也让径向伺服控 制效果降低。 (3 )经典控制算法对被控对象要求严格，控制器鲁棒性不好，在光 盘驱动器参 数没有统一规格，加工精度存在误差和消耗磨损时，控制效果也将变坏。 因此，需要设计更好的控制器算法，以实现在高存储密度和高旋转速度光盘系 统中的循迹伺服控制。 致动装置是循迹伺服系统中具体的径向调节机构。它根据伺服控制信号驱动物 镜在径向方向进行移动，使得读数光束能正确跟踪盘片上的信迹。致动装置通常采 用的调节方法包括镜面转动法，透镜平移法，半导体激光器移动法等。 2.2 NVD 循迹伺服系统模型建立 由前一小节分析可知，光盘系统要实现对信迹正确跟踪，需要聚焦伺服在轴向 与进给伺服、循迹伺服在径向的协同配合，首先通过聚焦伺服系统将物镜的光束焦 点控制在盘片信号面一个容许的误差范围内，再启动进给伺服进行大范围的寻轨， 操作完成后通过循迹伺服控制光学头在小范围径向上移动，以将光斑锁定在目标信 迹中间。由于聚焦伺服和循迹伺服工作的频率比较高，在实现上通常都采用音圈电 机(Voice Coil Motor )，将其绑定在光学头组件上进行驱动;而进给伺服的控制精 度相对不用那么高，工作频率较低，一般采用进给电机驱动光学头在径向上做大范 围移动，具有大滞后性。这样，在径向上的驱动器件就包括进给电机和音圈电机， 形成目前通用的两级执行装置[16, 27] :第一级装置为粗 调执行器，进给电机以一定形 式与第一级小车相连;第二级装置为精执行器，音圈电机与物镜、反射镜等组成的 11 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 第二级循迹小车绑定在一起。两级执行器通过弹簧、阻尼器相连，组成一个弹性系 统。其混合模型如图 2.3 所示。 x 1 x 2 u 2 K m u m 2 1 1 B 图2.3 径向伺服系统执行机构 其中，m 为第一级循迹小车质量，u 为粗执行器产生的作用力，x 为第一级在u 1 1 1 1 下的输出位置，m2 为包括物镜在内的第二级装置质量，u2 为精执行器产 生的作用力， x 为第二级在u 下的输出位置。K 、B 分别为两个装置之间的弹簧系数 和阻尼系数。 2 2 在分析设计控制器时，为了简化模型，两级装置之间的空气阻力、摩 擦力以及 机械共振频率都未考虑。 根据动力学原理，可得 m x +m x u 1 1 2 2 1 2.3 + ? + ? m x B x x K x x u 2 2 2 1 2 1 2 经拉普拉斯变换有: 2 2 m s X s +m s X s U s 1 1 2 2 1 2.4 2 m s X s +B sX s ?sX s +K X s ?X s U s 2 2 2 1 2 1 2 m s2 Bs K m + + ? X s 2 U s + 2 U s 1 mm s2 + m +m Bs + m +m K 1 mm s2 + m +m Bs + m +m K 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 2.5 Bs +K m X s U s + 1 U s 2 2 2 1 2 2 s mm s m m Bs m m K mm s m m Bs m m K + + + + + + + + 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 则系统传递函数为: ? 2 + + ? ? m s Bs K m ? 2 2 2 2 ? ?X s ? m m s + m +m Bs + m +m K m m s + m +m Bs + m +m K ?U s ? 1 ? 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 ? 1 2.6 ?X s ? ? Bs +K m ??U s ? ? 2 ? 1 ? 2 ? ? 2 2 2 ? s m m s m m Bs m m K m m s m m Bs m m K + + + + + + + + ? 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 ? 12 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 实际系统中第二级执行装置质量远小于第一级小车质量，即m m 。式 2.6 2 1 可简化为 ? 1 ? 0 ? 2 ? X s m s U s ?? 1 ?? ?? 1 ???? 1 ?? 2.7 X s U s ? 2 ? Bs +K 1 ? 2 ? ? 2 2 2 ? + + + + ?m s m s Bs K m s Bs K ? 1 2 2 同时，由于精执行器的工作频率远大于粗执行器频率，并且其高频分 量幅值远 小于低频分量幅值，因此在第一级装置只跟踪低频误差信号，第二级装置只 跟踪高 频误差信号时，并不会给系统带来大的精度损失[28] 。此时第二级装置的 传递函数可 表示为: K X s 2 2 p 2.8 + + U s m s Bs K 2 2 其中K 为第二级装置输出信号增益常值。 p [29] ECMA 组织于2001 年颁布了关于DVD-ROM 规格的第三个版本ECMA-267 。 该标准对循迹伺服系统的开环传递函数 H 的增益 1+H 作了限制规定，其增益须在 参考伺服系统 1+H 的?20%波动范围内，即图 2.4 中实线包围部分。 s 图2.4 DVD-ROM 循迹伺服规格 3j ω 2 1+ ? ? 1 ω ω c c 其中H jω × × ，角频率ω 2π f ，而ω 2πf 为开环传递函 s ? ? c c 3 j ω j ω ? ? 1+ 3ω c 13 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 数的截止频率，j ?1 。频率f c 由式 2.9 给出。 1 3α 1 1.1 1.5 3 × × f c × × ?6 2.4kHz 2.9 2π e 2π 0.022 ×10 其中α 为光盘在径向上的最大加速度 1.1m / s2 的 1.5 倍，e 为循迹伺服容许