专利名称：高速读取偏心碟片的dvd循轨伺服控制系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及的是一种电子信息技术领域的控制系统，更具体的讲，涉及一种高速读取偏心DVD碟片的循轨伺服控制系统。
背景技术：
DVD光驱循轨伺服控制机构主要由粗调致动器和微调致动器两部分组成，其等效物理模型可以看成双车结构，小车通过一弹簧和阻尼器连接到大车，他们之间存在着复杂的耦合关系。其中大车对应着粗调致动器，一般是一直流无刷电机，主要用来快速长距离寻轨，它有一个大的移动范围，但是带宽比较小，相应速度较慢。小车对应着微调致动器，是一音圈电机，承载着激光读写器OPU(opticalpick-up)，主要作用是短距离寻轨和循轨，径向移动范围较小，但是带宽比较大，相应速度快，比较灵敏。当光驱开始循轨时，由于外界干扰，比如震动、盘片偏心或者盘面划痕等很容易引起激光读写器的光点不能聚焦于光盘的轨道中心，而产生偏摆(Run-Out)现象，甚至脱轨，给准确高速读取DVD盘片带来困难。
“高速读取DVD盘片”是指在DVD循轨伺服控制系统中，要求激光读写器的光点始终聚焦于盘片轨迹的中心处，但是制造上偏心的盘片会对循轨误差信号TE(tracking errors)产生周期性的扰动。该扰动一般表现为激光读写器沿着盘片轨迹的中心线做上下的偏摆，如频率与主轴马达成正比的正弦信号。由于该周期干扰信号的频率与转速成正比，随着DVD转速的不断提高，该周期干扰信号的频率也相应变得越来越高。ECMA组织于1999年颁布了DVDROM的循轨伺服规格ECMA-267规定盘片偏心幅度不能大于50μm，且激光读写器的光点距离盘片轨迹中心处的最大距离不能超过0.022μm；且要求实际的循迹伺服幅值特性波动范围在参考值上下浮动不能超过20％。因此，对于最大幅度50μm的偏心盘片产生的激光读取器光头偏摆不能超过0.022μm，也即循轨误差与盘片偏心幅度的比率不能大于
。但是为了达到此项要求，理想的开环循迹伺服标准特性决定了光盘旋转频率不能大于23.1Hz，对于频率高于23.1Hz的转速，循轨误差与盘片偏心幅度的比率将大于K0，DVD循轨伺服系统将不能满足要求。但是现代DVD转速已经达到了48倍速，主轴马达转速为9600转/分钟，约160Hz，所以系统不能抑制如此高频率的偏摆(Run-Out)扰动信号，因而不能高速读取偏心盘片。
经对现有技术的文献检索发现，中国发明专利(申请号01110490.2)提出了一种光驱循轨伺服系统及方法，该种系统用以控制光学读写头对资料轨迹进行循轨运动，包括感测装置、控制装置、决策装置及动力装置，仅适用于碟片无偏心情况，不能解决由于碟片偏心带来的正弦周期偏摆(Run-Out)问题，更不能以超过23.1Hz的转速来高倍速读取偏心DVD盘片。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种高速读取偏心碟片的DVD循轨伺服控制系统。首先通过循轨误差信号TE判断是否存在偏心情况，然后在过程控制中的串联校正原理和现代信号处理的基础上，设计一品质因子很高的带通滤波器来抑制因高速读取偏心盘片带来的正弦周期偏摆，从而避免了高倍速读取偏心盘片时有可能出现的脱轨现象，提高了光驱读取偏心盘片的成功率。
本发明是通过以下技术方案实现的，其中通用控制模块设在光驱循轨伺服机构的输入端；检测与转换模块设在光驱循轨伺服机构的输出反馈通路上，其输出与给定值比较产生循轨误差信号；循轨误差信号分成两路，一路连接到智能决策模块输入端，通过该模块可以判断此时放入光驱的盘片是否存在偏心，另一路连接到多路选择开关上；智能决策模块的输出决定了多路选择开关的开关位置；多路选择开关的输出有两种可能的通路，一路连到带通滤波模块，带通滤波模块的电路主要由信号处理电路和反相器电路组成，循轨误差信号经过信号处理电路后，经过反相器电路实现极性转换，然后连到通用控制模块，另一路直接连到通用控制模块；检测转换模块把激光读写器的光信号转化成电信号，然后与系统给定值比较产生近似线性的循轨误差信号，智能决策模块通过对循轨误差信号进行处理后辨别出该盘片是否存在偏心，如果存在偏心，循轨误差信号再经过通用控制模块输出到循轨伺服系统；否则，直接进入通用控制模块，然后输出到循轨伺服系统上。
所述的智能决策模块包括归一化模块和求取偏移量模块，归一化模块对循轨误差信号TE进行归一化后，输出到求取偏移量模块，求取偏移量模块对循轨误差信号TE进行求取偏移量，通过求取偏移量后的循轨误差信号判知是否存在因盘片偏心而引起的畸变，由于循轨误差信号畸变的存在和盘片的偏心是一一对应的关系，据此可判断此时放入光驱的盘片是否存在偏心，进而控制多路选择开关在两路处理系统中选择某一路对循轨误差信号进行处理。其具体选择策略如果该盘片不存在偏心，则循轨误差信号直接进入通用控制模块；否则，循轨误差信号先通过带通滤波模块后再进入通用控制模块。
所述的带通滤波模块是一个品质因子很高的带通滤波器，可以放大某一频率的信号，而其他频率的信号可以无失真的通过。信号得到加强处的频率一般称为中心频率，在中心频率的周围有一频率范围非常窄的通带，通带频率内的幅值曲线变化很陡，而且通带内的幅值增益特别是中心频率处的幅值增益非常高；而通带以外的幅值曲线变化平缓，增益约为0dB。该模块的中心频率一般取DVD机主轴马达转速所对应的频率，也是周期干扰信号的频率。这样，当循轨误差信号TE通过该模块时，除了中心频率处的信号外，整个频带的其他分量都可无失真通过；而中心频率处的信号得到放大加强。
所述的反相器电路与现有技术相同，仅实现信号的极性转换，不改变信号的幅值。
所述信号处理电路主要有五个模拟运算放大器组成，其构成如下输入信号经第三电阻、第四电阻分压后与第二模拟运算放大器的输出经第四电阻共同进入第一模拟运算放大器的同相输入端，第一模拟运算放大器的输出经第二电阻与第三模拟运算放大器的输出经第一电阻共同进入第一模拟运算放大器的反向输入端，第一模拟运算放大器的输入经第五电阻与第二模拟运算放大器的输出经第一电容共同进入第二模拟运算放大器的反向输入端，第二模拟运算放大器的输入经第六电阻与第三模拟运算放大器的输出经第二电容共同进入第三模拟运算放大器的反向输入端，第一模拟运算放大器和第三模拟运算放大器的输出分别经第八电阻、第十电阻进入第四模拟运算放大器的反向输入端，第二模拟运算放大器的输出经过由第五模拟运算放大器组成的反相器和第九电阻进入第四模拟运算放大器的反向输入端，第四模拟运算放大器的输出经第七电阻进入第四模拟运算放大器的反向输入端，第二、第三、第四、第五模拟运算放大器的同相输入端都接地，第四模拟运算放大器的输出作为该电路的处理结果。
所述的通用控制模块包括比例模块和滞后超前控制模块。比例模块主要用来增大系统的直流增益，加快系统的响应速度，并提高系统的调节精度；滞后超前控制模块主要实现增大系统回路的频率带宽和相角裕度。循规误差信号通过比例模块和滞后超前控制模块后得到相应的控制量，使循轨伺服系统与通用控制模块的串联后的回路幅值特性达不到标准ECMA-267要求的范围之内。该通用控制模块可以增强系统的鲁棒性，有效的抑制外界扰动对光驱循轨伺服系统产生的随机白噪声，减小激光读写器OPU的波动幅度，从而使激光读写器的光点最大限度的聚焦于光盘的轨道中心。
所述的光驱循轨伺服机构包括粗调致动器、微调致动器以及齿轮等传动机构组成，等效物理模型可以看成双车结构，与现有技术相同。主要功能是把激光读写器尽可能精确地在盘片上作径向移动，完成长短距离寻轨、跳轨以及循轨等功能。
与现有技术相比，本发明成功抑制了因盘片偏心产生的Run-Out偏摆现象，满足了规格ECMA-267的要求，提出了倍速读取偏心盘片的方法，解决了不能抑制频率高于23.1Hz偏摆问题，使DVD光驱可以高倍速读取偏心DVD盘片，目前可以达到200Hz以上。同时降低了对盘片生产质量的要求，提高了读取偏心盘片的成功率。
图1为DVD允许循轨系统偏摆误差示意图和物理等效模型。
图2为本发明各个功能模块的示意图。
图3为|1+G(jω)|伯德图，G(jω)为经通用补偿模块补偿后的转递函数。
图4为带通滤波模块的在频域的幅值特性曲线。
图5为带通滤波模块的信号处理部分电路原理图 图6为本发明实施例中光驱循轨伺服机构的输出仿真对比示意图。
具体实施例方式 下面结合附图对本发明的实施例作详细说明本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示，DVD允许循轨系统偏摆误差示意图和物理等效模型。DVDROM的循轨伺服控制系统规格ECMA-267规定盘片的最大偏心幅度不能超过±50μm的范围，且激光读写器的光点距离盘片轨迹中心处的最大距离不能超过0.022μm。取一幅值为50个单位正弦信号作为干扰信号源，观察输出是否小于0.022个单位，以验证本实施例的系统是否满足规格ECMA-267的要求。
如图2所示，本实施例包括检测转换模块、智能决策模块、带通滤波模块、通用控制模块和光驱循轨伺服机构。其中通用控制模块设在光驱循轨伺服机构的输入端；检测与转换模块设在光驱循轨伺服机构的输出反馈通路上，其输出与给定值比较产生循轨误差信号；循轨误差信号分成两路，一路连接到智能决策模块输入端，通过该模块可以判断此时放入光驱的盘片是否存在偏心，另一路连接到多路选择开关上；智能决策模块的输出决定了多路选择开关的开关位置；多路选择开关的输出有两种可能的通路，一路连到带通滤波模块，带通滤波模块输出连到通用控制模块，另一路直接连到通用控制模块。
检测转换模块主要用来把光驱循轨伺服机构输出的光信号通过光电转化器和信号放大器变成电信号，然后与给定值比较产生需要的近似线性的循轨误差信号。
智能决策模块包括归一化模块和求取偏移量模块。对循轨误差信号经过归一化模块和求取偏移量模块处理从而判断该循轨误差信号是否存在因盘片偏心而产生的畸变，进而依此选择不同的处理循轨误差信号的通路。
所述归一化模块选取数量为n的TE信号数据点，求取这n个数据的平均值Mean和最大值Max，对于每个循轨误差信号(TE信号)的数据点利用算式(TE-Mean)/Max计算可以实现循轨误差信号的归一化，归一化后的循轨误差信号仅在[-1，1]范围内波动，便于处理和分析。所述求取偏移量模块是指经归一化模块归一化后的循轨误差信号沿着某一中心线上下波动，那条中心线就是求取偏移量的结果。其判别准则为如果经过归一化、求取偏移量后的循轨误差信号为一正弦信号，则该盘片为一偏心盘片；如果经过归一化、求取偏移量后的循轨误差信号基本为一恒定值零，则该盘片不存在偏心。如果该盘片不存在偏心，则循轨误差信号直接进入通用控制模块；否则，轨误差信号先通过带通滤波模块后再进入通用控制模块。
光驱循轨伺服机构包括粗调致动器、微调致动器以及齿轮等传动机构组成。其辨识数学模型一般不符合标准ECMA-267的要求，需要设计补偿控制器来达到要求。图3虚线部分描述了循轨伺服系统要满足误差要求的增益范围。当频率在9.6Hz至23.1Hz时，增益需在67.1dB至89.2dB之间；在100Hz时增益需在43.7dB至47.3dB之间；而当频宽为2.4KHz时，开环增益约为1。从某一技术手册中得到某一DVD光驱机电光循轨伺服机构辨识模型，本实施例将根据ECMA-267标准和带通滤波模块的特征依次分别设计通用控制模块和带通滤波模块。
通用控制模块是在内模控制的基础上按照循轨伺服规格ECMA-267的要求进行设计的。由ECMA-267可以得出系统过零频率ω0为2.4kHz，低频增益GM＝78dB，由于重复控制器的引入和为了保证系统的稳定性，取稳定裕量θ＝70°。在此基础上，设计了一滞后超前控制器和比例控制器K＝220000000构成通用控制模块，可以得到开环系统的传递函数G(s)＝K·C(s)·P(s)；此时，校正后|1+G(jω)|的伯德图符合循轨伺服规格ECMA-267，如图3中的实线所示。
带通滤波模块是根据其带通滤波器的特征设计的，其电路由信号处理电路和反相器电路组成。循轨误差信号经过信号处理电路后，然后经过反相器电路实现极性转换。其中反相器电路与现有技术相同，仅实现信号的极性转换，不改变信号的幅值。
带通滤波器的特点如图4所示，中心频率处的幅值增益比较高，其他频率处的幅值增益约为0dB。据此，带通滤波模块的设计公式为 其中，ω0为中心频率，ζ1与ζ2为带通滤波模块Cbp(s)的系数，决定了其品质因子，其关系为ζ1与ζ2越小，Cbp(s)的品质因子越大，中心频率处的通带越窄。为了获得较高的品质因子，一般取0＜ζ1，ζ2＜0.707。下面分析一下式(1)如何实现带通滤波模块的特征。
令s＝j·ω代入上式，得到，由于ζ1，ζ2取值比较小，当ω≠ω0时，，即为0dB；在中心频率处ω＝ω0，得到，调节ζ1，ζ2的比值就可以得到比较高的增益。
在该设计实例中，假使光驱已经达到每分钟15000转，则要抑制的干扰信号频率为250Hz，所以Cbp(s)中心频率ω0＝2π·250，由于循轨误差与盘片偏心幅度的比率不能大于
，为了能够在频率ω＝ω0处达到要求，即系统回路增益需要满足不等式 201g|1+Cbp(jω0)·G(jω0)|＞20lg|2300|＝67.2(2) 容易知道不等式 |1+Cbp(jω0)·G(jω0)|＞|Cbp(jω0)·G(jω0)|(3) 成立。又有 20lg|G(jω0)|＝20lg|K·C(jω0)·P(jω0)|≈40dB(5) 由式(2)、(3)、(4)、(5)可知， 由式(6)的约束条件且0＜ζ1，ζ2＜0.707，取ζ1＝0.69，ζ2＝0.03。把ζ1，ζ2，ω0代入式(1)得到该实施例的带通滤波模块的数学表达式为 在公式(7)的基础上，设计了一模拟电路实现式(7)的功能，具体电路如图5所示。
如图5所示，所述信号处理电路，其构成如下输入信号Uin经第三电阻R3、第四电阻R4分压后与第二模拟运算放大器A2的输出经第四电阻R4共同进入第一模拟运算放大器A1的同相输入端；第一模拟运算放大器A1的输出经第二电阻R2与第三模拟运算放大器A3的输出经第一电阻R1共同进入第一模拟运算放大器A1的反向输入端；第一模拟运算放大器A1的输入经第五电阻RF1与第二模拟运算放大器A2的输出经第一电容C1共同进入第二模拟运算放大器A2的反向输入端；第二模拟运算放大器A2的输入经第六电阻RF2与第三模拟运算放大器A3的输出经第二电容C2共同进入第三模拟运算放大器A3的反向输入端；第一模拟运算放大器A1和第三模拟运算放大器A3的输出分别经第八电阻Rz1、第十电阻Rz3进入第四模拟运算放大器A4的反向输入端，第二模拟运算放大器A2的输出经过由第五模拟运算放大器A5组成的反相器和第九电阻Rz2进入第四模拟运算放大器A4的反向输入端，第四模拟运算放大器A4的输出经第七电阻Rz0进入第四模拟运算放大器A4的反向输入端；第二、第三、第四、第五模拟运算放大器A2、A3、A4、A5的同相输入端都接地；第四模拟运算放大器A4的输出作为该电路的处理结果Uout。
该信号处理电路输入Uin与输出Uout的关系式为 其中，T1＝RF1C1，T2＝RF1RF2C1C2，K＝R3R4+R3R5+R4R5。易知，由于式(8)与式(7)具有相同的结构，电路只要选取恰当的电阻电容值，使得式(8)与式(7)系数相等，即可实现带通滤波模块放大信号中心频率处幅值的功能，而信号的极性可以通过该模块第二部分反相器电路得到校正，从而实现了带通滤波模块的功能。
在所选取的实例模型P(s)的基础上，利用上面的步骤求出各个模块中的控制器Cbp(s)和C(s)进行系统仿真。如图6所示，本实施例中光驱循轨伺服机构的输出仿真对比示意图，虚线为没有带通滤波模块Cbp(s)的系统误差输出，实线为加入带通滤波模块之后的系统误差输出。可见重复控制器很好的抑制了频率为250Hz，幅值为50个单位的周期干扰信号，误差信号e(t)(即输出y(t)与输入r(t)之差)有明显的减少，由原来的0.25个单位减小到了抑制后的0.02个单位，小于规格ECMA-267要求的0.022。可见，完全实现了系统要求的跟踪误差信号的要求。可见该实施例不仅满足规格ECMA-267的要求，即使最大幅度为50μm的偏心盘片产生的激光读写器光头偏摆Run-Out不会超过0.022μm，而且还可以使DVD光驱以每分钟15000转的速度精确的读取偏心盘片。
权利要求
1.一种高速读取偏心碟片的DVD循轨伺服控制系统，其特征在于，包括检测转换模块、智能决策模块、带通滤波模块、通用控制模块、多路选择开关和光驱循轨伺服机构，其中通用控制模块设在光驱循轨伺服机构的输入端，检测与转换模块设在光驱循轨伺服机构的输出反馈通路上，其输出与给定值比较产生循轨误差信号，循轨误差信号分成两路，一路连接到智能决策模块输入端，通过该模块判断此时放入光驱的盘片是否存在偏心，另一路连接到多路选择开关上，智能决策模块的输出决定了多路选择开关的开关位置，多路选择开关的输出有两种可能的通路，一路连到带通滤波模块，带通滤波模块的电路主要由信号处理电路和反相器电路组成，循轨误差信号经过信号处理电路后，经过反相器电路实现极性转换，然后连到通用控制模块，另一路直接连到通用控制模块；检测转换模块把激光读写器的光信号转化成电信号，然后与系统给定值比较产生近似线性的循轨误差信号，智能决策模块通过对循轨误差信号进行处理后辨别出该盘片是否存在偏心，如果存在偏心，循轨误差信号再经过通用控制模块输出到循轨伺服系统，否则，直接进入通用控制模块，然后输出到循轨伺服系统上。
2.根据权利要求1所述的高速读取偏心碟片的DVD循轨伺服控制系统，其特征是，所述的智能决策模块，包括归一化模块和求取偏移量模块，归一化模块对循轨误差信号TE进行归一化后，输出到求取偏移量模块，求取偏移量模块对循轨误差信号TE求取偏移量，通过分析求取偏移量得到的循轨误差信号可判知是此时循轨误差信号TE否存在畸变，由于循轨误差信号畸变和盘片的偏心是一一对应的关系，据此判断放入光驱的盘片是否存在偏心，进而控制多路选择开关在两路处理系统中选择某一路对循轨误差信号进行处理。
3.根据权利要求2所述的高速读取偏心碟片的DVD循轨伺服控制系统，其特征是，所述归一化模块，选取数量为n的TE信号数据点，求取这n个数据的平均值Mean和最大值Max，对于每个循轨误差信号TE数据利用算式(TE-Mean)/Max实现循轨误差信号的归一化，归一化后的循轨误差信号仅在[-1，1]范围内波动。
4.根据权利要求2所述的高速读取偏心碟片的DVD循轨伺服控制系统，其特征是，所述求取偏移量模块，是指经归一化模块归一化后的循轨误差信号沿着某一中心线上下波动，那条中心线就是求取偏移量的结果，利用该结果判断此时放入光驱的盘片是否存在偏心，其判别准则为如果经过归一化、求取偏移量后的循轨误差信号为一正弦信号，则该盘片为一偏心盘片，如果经过归一化、求取偏移量后的循轨误差信号基本为一恒定值零，则该盘片不存在偏心，如果该盘片不存在偏心，则循轨误差信号直接进入通用控制模块，否则，轨误差信号先通过带通滤波模块后再进入通用控制模块。
5.根据权利要求1所述的高速读取偏心碟片的DVD循轨伺服控制系统，其特征是，所述的带通滤波模块，其中心频率取DVD机主轴马达转速所对应的频率，也是周期干扰信号的频率。
6.根据权利要求1所述的高速读取偏心碟片的DVD循轨伺服控制系统，其特征是，所述的通用控制模块，包括比例模块和滞后超前控制模块，比例模块用来增大系统的直流增益，加快系统的响应速度，并提高系统的调节精度，滞后超前控制模块实现提高系统的回路的频率带宽并增大系统相角裕度，循轨误差信号通过比例模块和滞后超前控制模块后得到相应的控制量，使循轨伺服系统与通用控制模块的串联后的回路幅值特性达到标准ECMA-267要求的范围之内。
7.根据权利要求1所述的高速读取偏心碟片的DVD循轨伺服控制系统，其特征是，所述的信号处理电路，其构成如下输入信号经第三电阻、第四电阻分压后与第二模拟运算放大器的输出经第四电阻共同进入第一模拟运算放大器的同相输入端，第一模拟运算放大器的输出经第二电阻与第三模拟运算放大器的输出经第一电阻共同进入第一模拟运算放大器的反向输入端，第一模拟运算放大器的输入经第五电阻与第二模拟运算放大器的输出经第一电容共同进入第二模拟运算放大器的反向输入端，第二模拟运算放大器的输入经第六电阻与第三模拟运算放大器的输出经第二电容共同进入第三模拟运算放大器的反向输入端，第一模拟运算放大器和第三模拟运算放大器的输出分别经第八电阻、第十电阻进入第四模拟运算放大器的反向输入端，第二模拟运算放大器的输出经过由第五模拟运算放大器组成的反相器和第九电阻进入第四模拟运算放大器的反向输入端，第四模拟运算放大器的输出经第七电阻进入第四模拟运算放大器的反向输入端，第二、第三、第四、第五模拟运算放大器的同相输入端都接地，第四模拟运算放大器的输出作为该电路的处理结果。
全文摘要
一种电子信息技术领域的高速读取偏心碟片的DVD循轨伺服控制系统，其中带通滤波模块的电路主要由信号处理电路和反相器电路组成，检测转换模块把激光读写器的光信号转化成电信号，然后与系统给定值比较产生近似线性的循轨误差信号，智能决策模块通过对循轨误差信号进行处理后辨别出该盘片是否存在偏心，如果存在偏心，则利用带通滤波模块对因偏心引起畸变的循轨误差信号进行补偿与校正，再经过通用控制模块输出到循轨伺服系统；否则，直接进入通用控制模块，然后输出到循轨伺服系统上。本发明可高倍速读取偏心DVD盘片，大大提高了DVD系统的抗Run-Out干扰能力和读取偏心碟片的性能与成功率，系统稳定性好，形式简单，并且参数少，易于在线调试。
文档编号G11B7/095GK101118760SQ20071004545
公开日2008年2月6日 申请日期2007年8月30日 优先权日2007年8月30日
发明者菲 马, 张卫东, 超 丁, 龚明雷, 蔡秋花 申请人:上海交通大学