CD-ROM光驱的机电原理分析——机械电子工程课程论文

CD-ROM光驱的机电原理分析 ——机械电子工程课程论文 CD-ROM 光驱的机电原理分析——机自 74班 2 / 22 CD-ROM光驱的机电原理分析 机械工程及自动化专业74班 目录 目录................................................................................................................................2 摘要................................................................................................................................3 一、概述........................................................................................................................3 二、用途与特点............................................................................................................3 三、系统原理分析........................................................................................................4 3.1数据记录在 CD-ROM盘上的原理................................................................4 3.2从 CD-ROM盘上读取数据的原理................................................................5 3.2.1硬件系统...............................................................................................5 3.2.2读取数据的原理...................................................................................6 3.3机电原理分析..................................................................................................6 四、技术分析................................................................................................................7 4.1光盘托架结构与工作原理..............................................................................7 4.1.1托盘结构...............................................................................................7 4.1.2托盘传动装置及工作原理...................................................................8 4.2激光头系统....................................................................................................11 4.2.1 激光头的外围组件............................................................................12 4.2.2 激光头的核心组件............................................................................12 4.2.3 主轴驱动电机....................................................................................13 4.3电路工作原理................................................................................................17 4.3.1循迹与聚焦.........................................................................................19 4.3.2光驱的伺服控制系统.........................................................................19 4.3.3数字信号处理系统.............................................................................20 4.4技术 总结 初级经济法重点总结下载党员个人总结TXt高中句型全总结.doc高中句型全总结.doc理论力学知识点总结pdf ........................................................................................................20 五、总结与感想..........................................................................................................21 5.1产品的鲜明特点............................................................................................21 5.2感想................................................................................................................21 参考文献......................................................................................................................21 机械电子工程 3 / 22 CD-ROM光驱的机电原理分析 机械工程及自动化专业 摘要 本文针对具体的机械电子产品——CD-ROM光驱进行相关的机电原理分 析，同时介绍其相关的用途和特点，详细分析系统的原理，并结合具体的实例（三 星 CD-Master 40E MODEL SC-140——这是从一台计算机上拆下来的，文章中附 有实物照片分析，包括光驱里面的各个细节部分）进行相关的技术分析，主要从 机构与驱动、测量与感知、监测与控制三个方面综合分析、讨论该系统，说明光 驱的技术特点。系统原理分析主要是数据的存取和记录，着重从机电原理方面来 讨论。技术分析则包括主要的三个部分，即光盘托架（包括托盘）、激光头组件、 电路控制板，深入分析各个机构的运动规律，并结合电子和计算机技术分析相关 的电路原理和控制原理，包括直流无刷电机的控制、位置传感器、伺服系统的控 制及其电路结构等。最后，针对分析的产品，说明其特点和应用的空间，进行相 关的总结。 关键词：光驱、机电原理、机构、电路、控制 一、概述 计算机技术日新月异，支撑计算机技术的硬件，其中涉及到的诸多机械电子 系统，成为技术革新的重要部分。其中，光驱在电脑多媒体领域里，具有非常重 要的地位，尽管 DVD，刻录机广为人们所接受，但就目前而言，光驱仍然是个 人电脑中必不可少的 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 配置之一。同时，光驱作为典型的机械电子产品，很好 地体现了机械电子工程的 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 思想，是一个结合光学、机械及电子技术的产品， 属于最成功的机械电子产品之一。 二、用途与特点 CD-ROM（Compact Disc Read-Only Memory）即只读光盘，一种能够存储 大量数据的外部存储媒体，一张压缩光盘的直径大约是 4.5 英寸，1/8 英寸 厚，能容纳约 660 兆字节的数据。所有的 CD-ROM 盘都是用一张母盘压制 而成，然后封装到聚碳酸酯的保护外壳里。记录在母盘上的数据呈螺旋状， 由中心向外散开，磁盘 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 面有许许多多微小的坑，那就是记录的数字信息。 读 CD-ROM 上的数据时，是利用激光束扫描光盘，根据激光在小坑上的反 射变化得到数字信息。CD-ROM是为计算机所使用的光盘规格，由于储存在 光盘片上的数据是以激光束扫描读取的，而非磁性方式读取，故光盘的保 存可长达数十年。另外，一般软盘片是可擦写的，但光盘片只能读取数据， 而不能写入数据 (如果有 CD-R 可烧录式光驱及 CD-R 空白片和烧写软件， 就可以在光盘片上写入数据)。如图 2.1 所示，即为三星所生产的光驱，即 CD-ROM 光驱的机电原理分析——机自 74班 4 / 22 CD-Master 40E MODEL SC-140（这是我从一台计算机上拆下来的光驱，并拆开 其内部相应的构件，下文也主要围绕该机电产品展开结构和相关原理的分析）。 图 2.1 三星 CD-ROM 光驱（CD-Master 40E MODEL SC-140） 三、系统原理分析 3.1 3.1 3.1 3.1 数据记录在 CD-ROM CD-ROM CD-ROM CD-ROM 盘上的原理 CD-ROM盘的盘片由1.6mm宽的刺刀和1.0um宽的螺旋构成，数据被记录在 具有不同长度的凹槽和凸起上，而载有这 些凹槽和凸起的螺旋达到了3英里长，这种 记录数据的方式，是与软盘、硬盘记录数 据方式的一个重要差别。制作盘片时, 激 光沿着螺旋磁道以1.6mm 宽度烧出长度 不同的凹槽。当激光头读取数据时,从凹槽 到凸起或从凸起到凹槽的变化代表1，而无 变化代表0。读取数据时, 激光穿过表面透 明基片，聚焦在下面反射层的凹槽和凸起 上。当激光束在这些凹凸不平的区域上移 动时，反射光随之变化——凹槽将光线散 射, 而凸起则将光线反射回来几乎 图3.1 数据记录原理 机械电子工程 5 / 22 无强度损失。由高到低 或由低到高的光强变化, 表示二进制数据中的“1” 。而 持续一定时间的光强无论是凹槽还是凸起,均表示“0”。（如图3.1所示）。 3.2 3.2 3.2 3.2从 CD-ROM CD-ROM CD-ROM CD-ROM盘上读取数据的原理 3.2.13.2.13.2.13.2.1硬件系统 通常，一台普通的光驱通常由以下几个部分组成：主体支架、光盘托架（包 括托盘）、激光头组件、电路控制板等，如图3.2所示。其中，激光头组件的地 位最为重要，可以说是光驱的“心脏”。激光头实际上是一个组件，具有主轴电机、 伺服电机、激光头和机械运动部件等结构。而激光头则是由一组透镜和光电二极 管组成。在激光头中，有一个设计非常巧妙的平面反射棱镜。当光驱在读光盘时， 从光电二极管发出的电信号经过转换，变成激光束，再由平面棱镜反射到光盘上。 由于光盘存在凹凸不平的小坑，因此它们接受激光束时所反射的光也有强弱之 分，这时反射回来的光再经过平面棱镜的折射，由光电二极管变成电信号，经过 控制电路的电平转换，变成只含“0”、“1”信号的数字信号，计算机就能够读出光 盘中的内容了。 图3.2 光驱托盘驱动装置及激光头组件示意图 CD-ROM 光驱的机电原理分析——机自 74班 6 / 22 3.2.23.2.23.2.23.2.2读取数据的原理 光驱是否能准确地从盘片上读出数据, 数据能否被准确地读出有三个主要 因素： 1）磁道聚焦, 即聚焦于适当磁道的能力——保持透镜与反射层之间规定的 垂直距离； 2）径向聚焦, 光束停留于某一磁道的能力——保持激光束聚焦于此磁道的 中心； 3）恒定的数据库——从螺旋状磁道上得到的恒定读出速率。 为了准确读出数据, 光源必须垂直聚焦一一即驱动器在光源和下面凹凸层 之间的垂直聚焦必须保持稳定不变理想状态下, 聚焦不变。但有几个因素会影响 聚焦点, 透镜可能移动而发生散焦, 驱动器可能受到震动, 凹槽本身具有不同 的深度, 或者激光束沿着螺旋磁道的运动路线有偏移。在实际使用中, 这些情况 都会发生。为了控制这些变化, 从基片层反射回来的光线通过一个棱镜, 产生90 度偏移, 然后再经过一个光劈将光束一分为二,两束光分别聚焦于两组光电二极 管上。如果透镜发射层太近或太远, 接收二极管组中的光, 则指示错误, 为了检 测错误,驱动器在读取数据时将两个二极管接收到的信号相加, 如果需要还可计 算出调整数据, 将透镜与反射层的距离调近或调远。 垂直聚焦和径向跟踪其中的困难之处。检测垂直焦距的两对二极管，并监控 径向跟踪、光电二极管，若发现两束光强弱不同时, 它旁边的定位器会收到一个 信号, 然后移动光学拾取头使激光束定位于磁道中心。准确读取的第三个要求是 恒定的数据速度一一数据必须以恒定的速率在光学拾取单元下移动, 即称为恒 定线速度（CLV）。为了达到恒定线速度, 驱动器的服务马达必须在激光束移向 盘中心或外缘时改变盘片的转速, 由于盘片的外缘在光学拾取头下转动时要比 盘中心慢，当激光束从盘片外缘移向中间时，盘片转速从低到高。驱动器一直将 数据率与一个非常稳定的始终频率相比较（比检测数据率），若检测到偏差，可 调速马达以改变速度，从而保持恒定线速度。由于光盘是以等密度方式存储数据 的，因此早期的光驱在读光盘的时候，都是采用上述的CLV方式，它通过变换主 轴电机的速度，可以让光头从盘的内圈移动到外圈的过程中，单位时间内度过的 轨道弧线长度相当。当光驱的速度比较高以后，频繁变换主轴电机将降低光驱的 寿命，因此上述CLV技术一般适合于低速的光驱，对于高速光驱，则有另外两种 方式——CAV技术和PCAV技术。 CAV，即恒定角速度。在这种方式下主轴电机的转速不变，因此在读取内 圈和外圈的数据时会有差异。PCAV，即区域恒定角速度，它吸收了CLV和CAV 的优势，在读内圈数据时，以CAV方式读取，而在读外圈数据时，以CLV方式。 这样既节约了成本，也提高了性能，目前市面上的大部分高速光驱都是采用的这 种方式。 3.3 3.3 3.3 3.3机电原理分析 毋庸置疑，光驱是一个结合光学、机械、电子及计算机技术的产品1，体1现 了“机电一体化”的设计理念。其涉及的机械电子系统丰富，其相关的机电原理 机械电子工程 7 / 22 仍然为许多工业系统所采用。在光学和电子结合方面，激光光源来自于一个激光 二极管，它可以产生波长约 0.54-0.68微米的光束，经过处理后光束更集中且能 精确控制，光束首先打在光盘上，再由光盘反射回来，经过光检测器捕获信号。 检测器所得到的信息只是光盘上凹凸点的排列方式，驱动器中有专门的部件把它 转换并进行校验，然后才能得到实际数据。光盘在光驱中高速的转动由相应的直 流无刷电机及其相应的控制和驱动电路实现，激光头在伺服电机和相应电路的控 制下通过螺杆、滑杆等构件实现前后移动而准确读取数据，体现机械和电子的结 合。 四、技术分析 前已述及，一台普通的光驱通常由以下几部分组成：主体支架、光盘托架（包 括托盘）、激光头组件、电路控制板。其中，激光头组件的地位最为重要，可以 说是光驱的“心脏”。以下主要针对光盘托架、激光头组件、电路控制板三个部 分对其机械结构和相应的工作原理进行分析。本文主要以三星 CD-Master 40E MODEL SC-140为例对相应的结构和原理进行技术分析，并从机构与驱动、测 量与感知、监测与控制三个方面综合分析、讨论该系统，说明光驱的技术特点。 4.1 4.1 4.1 4.1 光盘托架结构与工作原理 CD-ROM光驱（以三星 CD-Master 40E MODEL SC-140为例）主要有托盘 进出机构、光盘装卸机构、光盘旋转机构、光盘夹持机构。 4.1.14.1.14.1.14.1.1托盘结构 托盘通过齿条与机座上的托盘进出机构中的驱动齿轮啮合，托盘驱动电机安 装在机座上。相应的托盘机构结构如图 4.1和 4.2所示。从图 4.2所示的托盘反 面视图可以看到，其上有与驱动齿轮相啮合的齿条，还有一个滑槽。 CD-ROM 光驱的机电原理分析——机自 74班 8 / 22 图 4.2 托盘正面视图 图 4.3 托盘反面视图 4.1.24.1.24.1.24.1.2托盘传动装置及工作原理 托盘传动装置本身是由多个部件组成的组件，其中包括驱动电机、中间齿轮、 驱动齿轮、滑板和“仓门”开关（“仓门”开关是一个双限位开关，由进仓到位 机械电子工程 9 / 22 和出仓到位两个开关组成）。托盘驱动装置包括两部分，一部分是导杆机构（由 滑板直接驱动，滑板靠驱动齿轮下面的一个齿轮驱动），另一部分则是一个三级 减速机构，如图4.4和4.5所示。托盘传动装置主要是实现光盘的装卸过程。 图4.4 托盘传动装置 1、托盘出仓传动过程（光盘卸载过程） 当按动托盘前面板上“仓门” 按钮，微处理器便发出托盘出仓指令, 送到 托盘驱动电机对应的驱动电路, 产生驱动电压,使托盘的驱动电机逆时针旋转， 通过中间齿轮形成三级减速机构，带动驱动齿轮也逆时针旋转,但此时托盘不能 马上出仓，原因是驱动齿轮没有马上和托盘反面上的齿条相啮合。此时，正在逆 时针旋转的驱动齿轮下面对应的齿轮（如图4.5所示）与滑板的齿条相啮合，触 发端释放进仓到位开关，滑板侧面滑槽（如图4.6所示）带动激光头组件，使其 前端下沉，光盘由夹持状态下落到托盘上，实现光盘的卸载过程，做好了托盘出 仓前的准备。在这个过程中，滑板上的固定柱在托盘反面上的滑槽内（如图4.3 所示）已从C点移动到B点。当滑板继续向下运动（如图4.3所示的方向）时，固 定柱就会滑槽斜面（BA）发生作用，产生一个分力推动托盘开始出仓。当固定 柱将要到达A点时，驱动齿轮下面对应的齿轮与滑板上的齿条开始脱离使滑板停 止运动，而驱动齿轮开始与托盘齿条相啮合，至此托盘的出仓才是真正由驱动齿 轮。当固定柱到达A点时，滑板因失去与齿轮的啮合而停止滑动。托盘出仓到位， 出仓到位开关被拨动而接通，驱动电机立刻停止转动。 CD-ROM 光驱的机电原理分析——机自 74班 10 / 22 图4.5 减速机构侧面视图 图4.6 托盘传动装置（滑板侧面滑槽视图） 2、托盘进仓传动过程 当再次按动托盘前面板上“仓门”按钮，微处理器便发出托盘进仓指令, 送 到托盘电机对应的驱动电路, 产生驱动电压,使托盘的驱动电机顺时针旋转, 通 过中间齿轮三级减速带动驱动齿轮也顺时针旋转, 托盘立刻开始进仓。当滑板上 的固定柱再一次滑到A点（如图4.3所示）时,又和托盘反面上的滑槽斜面相遇, 不 过这一次则是由斜面给固定销一个作用力, 使固定销向左运动，当固定销刚要离 开B点时, 滑板与驱动齿轮下面的齿轮由分离转为啮合, 而驱动齿轮与托盘齿 条则由啮合转为分离。这时滑板靠驱动齿轮下面对应的齿轮驱动而向左运动, 滑 板固定柱给滑槽斜面一个作用力使托盘继续进仓。当固定柱运动到B点时, 托盘 则停止运动, 表示进仓到位。但滑板还要继续向左滑动，滑板侧面滑槽带动激光 头组件前端由下沉状态转为向上升的过程, 固定柱到达C点时,激光头组件前端 升平，将光盘转为夹持状态，同时触发端将进仓到位开关向外侧顶出，接通进仓 到位开关，驱动电机立刻停止旋转。 3、托盘驱动电机 托盘驱动电机如图4.7所示。 机械电子工程 11 / 22 图4.7 托盘驱动电机 4.2 4.2 4.2 4.2 激光头系统 前已论述，激光头实际上是一个组件，具有主轴电机、伺服电机、激光头和 机械运动部件等结构，如图 4.8和 4.9所示。而激光头则是由一组透镜和光电二 极管组成。同时，在激光头中，有一个设计非常巧妙的平面反射棱镜。 图 4.8 激光头组件正面视图 CD-ROM 光驱的机电原理分析——机自 74班 12 / 22 图 4.9 激光头组件反面视图 4444.2.1.2.1.2.1.2.1 激光头的外围组件 1、框架 框架是外围组件中在最外面的一个部件,其通过前端的凸柱和后端左右两侧 的凸轴与光驱底盘相连。凸柱是插在（托盘驱动装置）滑板侧面的滑槽里，凸轴 是放在底盘左右两个“耳蜗”里。这样的结构形式，是为了满足激光头组件前端 可以升降的需要。同时，框架通过4个硅橡胶防震圈与激光头的支架相连（如图4.8 所示），其是为了提高光驱读盘能力。 2、支架 支架的功用主要包括：（1）减震；（2）安装固定主轴电机；（3）安装固 定进给电机；（4）安装固定螺杆、滑杆和内限开关；（5）为激光头进行大范围 轨迹跳转（如跳跃选曲）时，提供进给伺服移动的空间。 除了框架、支架外，主轴电机、进给电机、螺杆、滑杆等，也算是激光头的 外围组件。 4444.2..2..2..2.2222 激光头的核心组件 激光头的核心组件包括聚焦透镜、聚焦线圈、循迹线圈、激光管、光电管、 反射棱镜和分光镜等。带有蓝光的聚焦透镜处在核心组件中心位置, 它是被镶嵌 在黑色塑料透镜托架上的，固定在托架上的还有聚焦线圈和循迹线圈，聚焦线圈 机械电子工程 13 / 22 呈水平安装, 并且套在磁铁芯上；循迹线圈垂直安装。四根弹性合金丝一端焊接 在与透镜托架固定在一起的小电路板上，将透镜托架水平托起,呈悬浮状态，以 便在读盘过程中, 保证托架上的透镜及两个线圈可以按照伺服控制需要,作相应 移动。四根合金丝的另一端也是焊接在一个小电路板上，而这个小电路板是固定 在铁芯基座上的。四根合金丝的第二个功用是导电：上面两根为寻迹线圈供电； 下面两根为聚焦线圈供电。在铁芯基座上固定永磁铁芯, 同时它又是以上各个重 要核心部件的固定基础。铁芯基座与激光头外壳的固定方式：一是靠“ 凸耳”与 凹槽的镶嵌；二是靠外壳背面上的一颗固定螺丝、在激光头的外壳里固定于反射 棱镜、分光棱镜、激光管和光电管等。 4444.2..2..2..2.3333 主轴驱动电机 1、直流无刷电机的特点 普通直流电机在使用中有其显著特点, 优良的控制性能和调速性能一直是 它受到重用的主要原因； 但它也存在很大的缺点: 结构复杂、换相器及电刷易 损坏、维护维修困难、重量大等。目前, 无刷直流电机正在得到越来越多的推广 应用,它由电子换相器取代了普通直流电机电刷和换相器的机械换相, 而拥有普 通直流电机的控制性能和调速性能,没有了由于机械换相带来的诸多限制。因此, 无刷直流电机可以用于多种用途或用于性能要求较高的伺服系统。如本文所阐述 的主轴驱动电机（如图4.10所示）即是采用这种电机，使其能够满足主轴高速转 动的精确控制。 图4.10 主轴驱动电机（直流无刷电机） CD-ROM 光驱的机电原理分析——机自 74班 14 / 22 2、基本工作原理 直流无刷电机是用来实现盘片的高速转动，又称主轴电机。如图4.11所示, 直流无刷电机一般由电机本体、位置传感器和电子开关控制电路三个部分组成。 电机由定子和转子构成, 定子上装有多相绕组（图中所示为三相绕组）, 转子是 永磁式的。电机是通过转子位置传感器控制逆变器的触发信号来实现同步的。电 机三相绕组分别和电子开关线路中相对应的功率开关相连接, 位置传感器的感 应部分则和电机的转动轴相连。三相定子绕组是星形联贯的,中性点与电源的正 极端连接。晶体管TR1、TR2、TR3与流过受转子位置传感器控制的基极驱动信 号控制的单向电流。（假设电路中流过的电流较小, 在晶体管关断时, 由绕组产 生的感应能量不会损坏管子, 电路中没有接续流二极管。）直流无刷电动机控制 系统一般可以看作是由电动机、位置传感器, 以及电子开关线路三个模块构成 的，如图4.12所示。 。 图4.11 直流无刷电机结构示意图 图4.12 直流无刷电机控制系统框图 图 4.13所示是各相理想静态转矩一角度特性。这些梯形的转矩函数有一个 120°的平顶区, 产生有用的轴转矩。如果在电机的各相中, 以每 120°不变正转矩 的间隔,供给恒定的电流, 电机产生的稳定正转矩和轴的位置是互相独立的。有 机械电子工程 15 / 22 关晶体管或相中流过的电流也在图4.13中给出。每相电流导通 120°的电角度, 电 流幅值为 I , 得到电机转矩为: T = Kr×I 式中Kr——转矩常数Nm/ A 当晶体管的导通间隔向后延迟180°的电角度时, 转矩将改变方向, 而电流 的方向不改变, 每相导通为120°电角度。 图4.13 转矩特性与电流波形 3、位置传感器 位置传感器通常是由许多位置探测器组成, 能检测转子磁场从而决定相开 关的导通相位。其中用来感应电机转轴位置的是霍尔元件, 它利用了霍尔效应, 即：处于磁场中的静电导体, 如果电流方向和磁场方向不同, 则在导体中会相应 产生一个电动势, 这个电动势的方向垂直于磁场方向和电流方向, 其大小和磁 场强度与电流的乘积成正比（如图4.14所示）。霍尔元件有着在静电状态下感受 磁场的独特能力, 具有简单、小型、频率响应宽、动态范围大、无接触等特点, 因 此广泛应用在直流无刷电机的位置传感方面。 CD-ROM 光驱的机电原理分析——机自 74班 16 / 22 图4.14 霍尔效应原理示意图 由于主轴尺寸很小, 通常利用对转子的位置传感所产生的脉冲信号来反映 其转速。如图4.15所示, 在电机旋转的同步位置安装了一个12极的磁片, 当电机 旋转时会带动磁片转动, 通过霍尔元件就可以感应出电压波形（方波）信号。显 然, 这种方波脉冲信号的频率和电机的转速成正比。将这种脉冲信号经过处理之 后反馈到伺服控制系统, 通过控制系统就可以对电机的转速进行控制, 从而使 其转速和标准转速基本相等。 图4.15 霍尔元件测速原理图 4、总结分析 由于具有梯形转矩特性的无刷直流电机应用在高性能的伺服系统中, 使这 一伺服系统比传统的伺服系统的控制性能更好,易于实现高速的精确控制。同时， 其具有良好的高速能力、散热能力和控制性能，纹波较小，在各种速度下能平滑 运行。故光驱主轴电机多采用该种电机，通过伺服控制实现双环控制（内环为电 流环，外环为速度环），以获得理想的速度和转动方向。 机械电子工程 17 / 22 4 4 4 4. . . .3 3 3 3电路工作原理 CD-ROM光驱的典型电路结构框图如图4.16所示，它主要由激光读出电路、 伺服控制系统、数字信号处理系统、CD-ROM分层纠错与主机接口处理器、光盘 装/卸载控制电路以及控制微处理器等九大部分组成。其中激光读出电路是光驱 中最关键的部分, 它的作用是从CD-ROM读出信息, 并转化为电信号后送至后 续电路。 图4.16 CD-ROM典型电路结构框图 CD-ROM 光驱的机电原理分析——机自 74班 18 / 22 本文所分析的产品（CD-Master 40E MODEL SC-140）也是基于上述的电路 原理，其相应的两个电路板如图4.17和4.18所示。 图4.17 光盘装卸控制电路板 图4.18 主控电路 机械电子工程 19 / 22 4444....3.13.13.13.1循迹与聚焦 从前面的论述可知，光盘的数据存储方式，是与硬盘的同心圆磁道方式不同 的，光盘是以连续的螺旋形轨道来存放数据的。其轨道的各个区域的尺寸和密度 都是一样的，这样可以保证数据的存储空间分配更加合理。正因如此，使得激光 头不能用与硬盘磁头一样的方式来寻道。为了保证激光头能够准确的寻道，就产 生了“循迹”技术，它使得光头能够始终对准螺旋形轨道的轨迹。如果激光束与 光盘轨迹正好重合的时候，那么这时的偏差就是“0”。但大多数情况下，都不可 能达到这样理想的状态，循迹时总会产生一些偏差，这时光驱就需要进行调整。 如果寻迹范围不够大的话，那么数据盘就可能读不出，CD可能发不出声。 聚焦就是激光束能够精确射在光盘轨道上并得到最强的信号。当激光束从光 盘上返回的时候，需要经过四个光电二极管，每个光电二极管所发出的信号需要 经过叠加，形成聚焦误差信号。只有当这个误差信号输出为零时，聚焦才准确。 如果聚焦不准确，显然就不能顺利地读取光盘。通过这种方法实现聚焦驱动的误 差控制。 事实上，一台光驱的好坏主要包含两个方面的性能，即纠错性能和稳定性能。 在技术上，保证这两个指标的也就是上述所提及的两项技术，即循迹和聚焦。 4444....3.23.23.23.2光驱的伺服控制系统 光驱的伺服控制系统主要有RF信号放大器、各种伺服误差提取电路、A/D 转 换器、数字伺服控制计算、D/A转换器、进给驱动及进给电机、循迹驱动及循迹 线圈、聚焦驱动及聚焦线圈、CLV伺服、主轴电机恒线速度驱动及主轴电机等组 成。它们构成了2个闭环控制环路, 实现对激光头和主轴电机的各种伺服控制。 总的来说，这里所说的伺服主要包括对三个方向上的位置调整——垂直于盘片表 面的方向、盘片径向和盘片切向，具体情况如表4.1所示。 表4.1 伺服控制的主要内容 伺服控制 目标 实现方式 垂直于 盘片方 向 聚焦伺服 在垂直于盘片方向，使读出光 点 （焦深范围）与光盘反射层一 致 力矩器带动物镜沿着垂 直 与盘片表面的方向运动 盘片径 向 轨道跟踪伺 服 在盘片径向，使读出光点 与目标轨道一致 力矩器带动物镜沿盘片 径 向运动（小范围） 进给伺服 电机控制激光头沿盘片 径 向移动（大范围） 盘片切 向 主轴伺服 在盘片切向上，使光点与目标 相 对运动速率所对应的位时钟 与原 控制主轴电机的转速 CD-ROM 光驱的机电原理分析——机自 74班 20 / 22 始信号时的位时钟一致 工作时, 在伺服驱动电路的驱动下, 主轴电机开始旋转,且进给、循迹、聚 焦光机电系统开始工作, 激光头将CD-ROM盘片上的“坑” 、“岸” 信号变换 成射频信号好后送给伺服处理和RF信号放大处理电路, 一方面将RF信号中的伺 服误差信号分离出来, 经A/D转换、数字伺服控制计算和D/A转换后, 回送到伺 服驱动电路去控制进给电机、主轴电机、聚焦线圈和循迹线圈, 以使光束照射到 指定的信息纹上读取信息。同时, 还将此RF 数据信号进行记录数字“0” 、“1” 提 取、DSL削波与整形、PLL锁相、同步检测后得到每帧数据的同步信号,该信号 重复出现的频率与光盘上经过光头的线速度相对应) , 送到CLV伺服电路,与标 准的7.35kHz进行比较。当帧同步信号频率高于7.35kHz时, 控制主轴电机转速变 慢, 而当帧同步信号频率低于7.35kHz时, 控制主轴电机转快, 从而实现CLV控 制。 4444....3.33.33.33.3数字信号处理系统 数字信号处理系统的主要功能是将光盘上读取的射频信号RF进行削波整形、 同步、提取帧同步信号, 进行CLV伺服计算, 同时还进行EFM解调, 将14位二进制 码还原成8位二进制码, 并对每帧的控制子码进行解调, 得到Q子码, 然后以 “帧”为单位, 对数据进行CIRC纠错和去交织,将CIRC后仍无法纠错的数据进 行插补, 然后进行数字滤波, 串一并转换、D/A转换等,获得立体声音乐, 从耳 机中播放出来;若为程序和数据盘片, 则送到后面的CD-ROM解码纠错和IDE接 口电路, 经第三次纠错后, 得到扇区数据存入DRAM, 主机经IDE接口, 将数据 从DRAM中取出送入主机。 4 4 4 4. . . .4 4 4 4技术总结 作为典型的机械电子产品，光驱融合了很多典型的机电技术，在工业系统上 也有广泛的应用。机构方面，如托盘传动装置中的导杆机构和三级减速机构，实 现激光头前后移动的螺杆和滑杆等；测量方面，如实现托盘进仓到位和出仓到位 感知的双限位开关、位置传感器等；驱动方面，如用于主轴驱动的直流无刷电机、 机构间的互相驱动等；电路方面，如直流无刷电机的电子定时和基极驱动电路等； 控制方面，如利用伺服控制系统实现光驱主轴的精确高速控制、激光头精确定位 的控制技术。 另外，光驱也有其独特的技术，如读盘技术、减震减噪技术、循迹与聚焦技 术、数字化自动回馈控制技术。读盘技术主要有三种，恒定线速度（CLV）、恒 定角速度（CAV）、局部恒定角速度，通过伺服系统的控制来实现。减震减噪 技术，对于光驱伺服系统实现精确控制具有重要的意义，如本文所讨论的三星光 驱即是采用硅橡胶来防震的。循迹和聚焦技术，保证光驱纠错性能和稳定性能的 关键，这对于控制系统的要求比较高，故系统中采用闭环控制回路，并通过相应 的光电二极管电路实现聚焦的误差控制。数字化自动回馈控制技术，可保证读取 数据的准确性，为读盘时的质量和稳定性提供了良好的保证。当读取的信号由光 机械电子工程 21 / 22 驱的激光头反射回放大器时，放大器将根据该光信号的强弱来自动调整至预定 值，以便光驱自动准确地读取各信息记录，同时根据接受的信号自动对控制系统 进行微调，以提高信号的准确度。 五、总结与感想 5 5 5 5. . . .1 1 1 1 产品的鲜明特点 通过以上的分析可知，CD-ROM光驱集驱动、执行、测量、控制于一体2， 是典型的光、机、电结合的工业产品。它实现的预期运动与控制的思想也有其独 特的特点，如执行和运动转换机构（三级减速机构和导杆机构实现光盘的装卸过 程）、为实现激光头循迹驱动和聚焦驱动以及主轴转速控制而采用的测量（如霍 尔传感器）、误差控制（聚焦误差控制中所使用的四个光电二极管）、集成电路 芯片专用化等。这些思想仍然在大容量硬盘机和光盘驱动器等当中使用。 5 5 5 5. . . .2 2 2 2感想 通过本次对光驱这个具体的机械电子产品的分析，结合具体的 CD-ROM产 品进行机电一体化的分析，使自己对于相应的电机和控制电路有了更多的理解。 同时，通过相关文献的阅读，我也了解和学习了相关光驱的革新技术，拓展了自 己的视野。我们知道，计算机技术在不断发展的同时也要求光驱速度的不断提高， 对于直流无刷电机的要求更高，需要有更好的伺服控制系统。万转光驱的出现， 要求光驱主轴具有非常快马达速度。这样造成的结果就是读盘时，会产生巨大的 震动和噪音。为了应付这些负面影响，厂商纷纷开发自己的防震动技术。橡胶减 震支架应运而生。它将光驱的托盘与前仓盖分开，减少了震动，有效减低光驱的 噪声。此外，目前的高档光驱都采用了悬挂式光头结构以提高光驱激光头的精准 度，减少光头的循迹和聚焦时间，大幅提高光驱读盘能力。如 ABS 自动平衡系统 是近期开发的一种先进技术，在光驱托盘下面放置滚珠以提高光驱读取密度不均 的盘片时的性能。当光驱读取密度不均的盘片时，托盘下的滚珠由于离心力的作 用，会跑到质量轻的一边从而实现瞬间平衡的目的。 对于本门课程的学习，我掌握了更多的机电原理知识，建立了相应的机电系 统框架。如果本门课程能够结合具体的实物设计，对于知识的掌握会有更好的效 果。我想，这门课对我日后的研究方向——柔性电子制造会有诸多帮助。 最后，在此感谢王老师的细心讲解和指导，使我们可以更深入地学习机械电 子系统的知识体系，掌握机电产品的设计思想。同时，感谢同学帮忙提供的光驱， 使我可以根据具体的实物分析，从而深入地掌握知识。 参考文献 [1]王孙安.机械电子工程原理[M].北京:机械工业出版社,2009. [2]杨波.驱动器机芯的工作原理.中国期刊网,2006. http://www.cnki.net. [3]杨建良.CD-ROM 光盘驱动器的原理与检修.电子世界,2002. CD-ROM 光驱的机电原理分析——机自 74班 22 / 22 [4] J.M.D.MURPHY&F.G.TURNBLL . Power Electronic Control of AC Motor . PERGAMON PRESS , U S A , 1989. [5]王孙安,任华,王娜,栗茂林.工业系统的驱动、测量、建模与控制(上册).北京:机械工业 出版社,2007. [6]陈晓南，杨培林.机械设计基础.北京:机械工业出版社，2007. 1 目录 摘要 一、概述 二、用途与特点 三、系统原理分析 3.1数据记录在CD-ROM盘上的原理 3.2从CD-ROM盘上读取数据的原理 3.2.1硬件系统 3.2.2读取数据的原理 3.3机电原理分析 四、技术分析 4.1光盘托架结构与工作原理 4.1.1托盘结构 4.1.2托盘传动装置及工作原理 4.2激光头系统 4.2.1激光头的外围组件 4.2.2激光头的核心组件 4.2.3主轴驱动电机 4.3电路工作原理 4.3.1循迹与聚焦 4.3.2光驱的伺服控制系统 4.3.3数字信号处理系统 4.4技术总结 五、总结与感想 5.1产品的鲜明特点 5.2感想 参考文献