光學(xué)頭伺服控制LOOP特性的設計

摘要：在光盤(pán)控制系統中，光學(xué)頭是復雜而精密的光、機、電集成部件。實(shí)現對光學(xué)頭的伺服控制，使之精確地追蹤碟片的記錄層和軌道，并克服碟片缺陷帶來(lái)擾動(dòng)的影響，需要對伺服的LOOP特性進(jìn)行合理的設計。所設計的LOOP特性要滿(mǎn)足一定的增益/相位裕度和帶寬要求，同時(shí)還要考慮到各種環(huán)境溫度對LOOP特性的影響。

引言

　　光學(xué)頭的聚焦控制和循跡控制是光盤(pán)控制系統中最基本的兩種伺服控制?，F以聚焦伺服為例著(zhù)重論述光存儲系統的控制LOOP特性的設計。

1 光學(xué)頭力矩器的數學(xué)模型及幅頻特性分析

　　以聚焦為例，力矩器在10kHz的頻率范圍內可簡(jiǎn)化為如下的數學(xué)模型如圖1所示。

　　其動(dòng)力學(xué)和電工學(xué)方程如下：

　　其中：μ是阻尼系數;k是彈簧剛度;k=Bl是比例系數，B是磁感應強度，l是線(xiàn)圈的等效長(cháng)度。由于實(shí)際的控制系統是電壓控制的，其電壓傳遞函數如下：

　　力矩器的低頻段主要取決于彈簧剛度k(增益為1/ k)，反映了聚焦線(xiàn)圈的直流感度^[1]。

　　中頻段存在一次共振點(diǎn)，它反映了力矩器系統的剛度和質(zhì)量，也反映了系統的快速性和穩定性。1次共振頻率影響到系統的伺服控制系統的截止頻率，1次共振的Q值過(guò)高將影響伺服控制系統的穩定性。一般而言, 1次共振Q值應設計為： <25dB 。力矩器在高頻段還存在著(zhù)二次共振點(diǎn)，二次共振點(diǎn)的存在影響系統的穩定裕度。圖2就是實(shí)際的DVD OPU的力矩器的聚焦幅頻特性。從中可以看出，一次共振頻率為74Hz ，Q值為13.5dB ;二次共振頻率在30kHz 。

2 光盤(pán)伺服控制性能

　　光盤(pán)伺服控制系統是一個(gè)隨動(dòng)系統，目標值分別是光盤(pán)的記錄層和軌道的位置。從控制系統的穩態(tài)性能來(lái)看，允許聚焦誤差約為 ：-0.5~0.5 um，允許循跡誤差約為±0.15um^[2]。市場(chǎng)碟盤(pán)大多數存在一定長(cháng)度的劃傷、污點(diǎn)、指紋、氣孔等缺陷，為獲得良好的讀/寫(xiě)性能，光盤(pán)的控制系統的動(dòng)態(tài)性能應滿(mǎn)足一定要求，在盡可能短暫的時(shí)間內完成調節過(guò)程進(jìn)入穩態(tài)。

　　在光盤(pán)控制回路中引入PID校正是目前光盤(pán)伺服控制系統的通用方法。圖3就是一個(gè)典型的光盤(pán)聚焦伺服控制數字PID校正網(wǎng)絡(luò )。圖3的數字PID校正網(wǎng)絡(luò )采用典型的一階積分環(huán)節+二階微分環(huán)節+比例環(huán)節。二階微分環(huán)節的采用使高頻段增益/相位的補償更加靈活方便，調整范圍的選擇性更大。

　　在比例和積分中設置增益調整環(huán)節(Pfc_gain0,1)，用于消除力矩器特性差異的影響，保證設計的光盤(pán)伺服控制系統有相同帶寬的開(kāi)環(huán)特性。圖4是數字PID校正網(wǎng)絡(luò )的仿真結果。

3 光學(xué)頭力矩器的伺服控制的PID校正

　　PID校正環(huán)節的輸入是聚焦誤差信號。由于碟片原因和光盤(pán)驅動(dòng)器的機械及空氣動(dòng)力學(xué)的原因，導致聚焦誤差信號有低頻分量和高頻分量。例如：碟片的面振原因導致聚焦誤差信號低頻分量;頻率范圍在30Hz~ 60Hz，劃傷、氣泡、污點(diǎn)、指紋等因素則導致聚焦誤差的高頻分量，其頻率在1.0k Hz以上^[3]。此外還有物鏡的震動(dòng)和調節機構的擺動(dòng)等因素。上述原因導致?lián)劢拐`差的頻譜分布的示意圖如圖5。

　　從聚焦誤差的頻譜分布可知：為將焦點(diǎn)與信號面的隨動(dòng)誤差控制在±0.5um ，光盤(pán)聚焦伺服控制系統低頻段增益必須設計在 60dB以上，聚焦增益的帶寬設計約為1.0kHz。根據自動(dòng)控制理論可知，僅有力矩器的數學(xué)模型構成的閉環(huán)系統是不穩定的，必須在聚焦伺服控制回路中進(jìn)行PID校正^[4]。在低頻加入積分環(huán)節，使增益在轉折頻點(diǎn)后降低，保證增益裕度;同時(shí)，在高頻段引入微分環(huán)節，補償積分環(huán)節-90°相位的影響，保證整個(gè)回路的相位裕度。

　　PID校正環(huán)節的設計應注意以下事項：

　　(1)保證整個(gè)開(kāi)環(huán)回路低頻段的增益在60dB以上，以改善碟片面振的聚焦能力。但低頻段的增益過(guò)高、對應劃傷、氣泡等使市場(chǎng)碟片的能力變差，導致聚焦能力降低，適當增加高頻相位以提高系統的抗高頻干擾能力。

　　(2)將微分環(huán)節的交接頻率設計在一次共振點(diǎn)附近，積分環(huán)節的交接頻率設計在截止頻率附近，以進(jìn)一步改善系統的穩定性。

　　(3)對于二次共振點(diǎn)而言，PID校正后，應保證二次共振點(diǎn)在0dB以下^[5]。

　　(4)在實(shí)際的光盤(pán)伺服控制系統中還要考慮環(huán)境溫度的影響，保證在各種限界溫度條件下有足夠的增益裕度和相位裕度。一般而言，增益裕度應≥3dB， 相位裕度應 ≥45° 。

　　(5)由于力矩器特性的差異，即使相同參數的PID也不能保證校正后得到相同的LOOP帶寬，所以在實(shí)際的光盤(pán)伺服控制PID校正環(huán)節中還要引入專(zhuān)用的增益調整(Pfc_gain0,1)，在讀盤(pán)過(guò)程中通過(guò)對增益調整，吸收力矩器特性差異對增益穿越頻率的影響，保證光盤(pán)聚焦伺服控制系統有相同帶寬的開(kāi)環(huán)幅頻特性。

4 結論

　　在實(shí)際的光盤(pán)控制系統中的LOOP特性的設計中，對DVD、類(lèi)CD類(lèi)和BD類(lèi)的LOOP特性要求不盡相同，但所設計的LOOP特性都要求有一定的增益裕度和相位裕度。PID參數的設計，應根據實(shí)際不同的光盤(pán)控制系統結合仿真和實(shí)測的效果，不斷地多次修改和完善。

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本文來(lái)源于中國科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2016年第3期第71頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。