光學讀取頭尋軌定位控制裝置的製作方法
2023-07-27 00:09:51 2
專利名稱：光學讀取頭尋軌定位控制裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種光碟驅動器的光學讀取頭，特別是具有利用加速度的前饋補償控制與位置反饋控制，使得光學讀取頭可以平滑地依照所設計的速度曲線到達目標位置，順利完成鎖軌動作的控制裝置。
隨著信息技術的不斷發展，傳統磁碟驅動器因其發展餘地有限，加上其儲存容量不大，因此磁碟驅動器已有逐漸被光碟驅動器取代的趨勢。由於光碟驅動器具有高儲存容量等優點，可儲存大量信息，加上可讀寫光碟的出現，光碟驅動器已被大眾所廣泛地使用。
然而，光碟驅動器在批量生產時，其組件包括馬達、傳遞部件等不可能達到毫無差異的地步，而且其電子元件如電阻、電容等，也都會隨使用時間而改變其特性。另一方面，使用者操作時的環境溫度也會對光碟驅動器的電子元件造成影響。另外由於光傳感器的光學特性及光碟本身的反射率不同，也必需做適當的調整，才不致於產生聚焦或尋軌誤差。
請參照
圖1，圖1是光碟驅動器的光學讀取頭的結構示意圖。在光碟驅動器的信息讀取技術中，尋軌就是將光學讀取頭移至正確的信息軌道位置。光學讀取頭包含圖1所示的物鏡10、雷射二極體及光傳感器等相關元件，整個尋軌動作是藉由承載光學讀取頭的拖動馬達11及光學頭上的懸吊系統例如循軌線圈12來共同完成。從控制觀點看，控制對象為雙致動器及低剛性的雙質量系統結構。上述雙致動器是指圖1的循軌線圈12與拖動馬達11，而雙質量是指當拖動馬達11移動時，同時會帶動物鏡10跟著移動，這會使物鏡10發生晃動。
在尋軌過程中，因雙質量系統的晃動特性，以及馬達本身的摩擦力等物理特性，在尋軌結束切入循軌時，會造成因速度過快而使鎖軌失敗。
請參照圖2，在公知的光碟驅動器中，信號的產生方式是，利用光學讀取頭的雷射極管發射雷射，此雷射束在光碟上產生聚焦點後反射到光學讀取頭部分的光傳感器13上。光傳感器13接收自光碟反射的雷射後，產生A、B、C、D、E和F六個信號，利用這六個信號可產生循軌誤差信號、聚焦誤差信號及射頻信號等信號，這些信號可作為控制系統14的輸入，並產生光學讀取頭跨軌的信號。
請參照圖3，圖3是傳統的速度控制的方塊圖。傳統光碟驅動器在尋軌過程中，直觀上為一位置控制，但在位置控制的過程中卻會造成拖動馬達不斷地加減速，使得位於拖動馬達上的光學讀取頭不斷的晃動，增加了控制難度。因此，一般都是採用速度控制，見圖3。
按照公知的方法，首先設計一組速度曲線圖20使拖動馬達按該速度曲線圖20加減速，拖動馬達的加減速較為平穩，這樣光學讀取頭也不會亂晃。但速度控制卻又存在一穩態誤差，如圖3所示。若速度控制器C(s)21為一常增益k，則對於輸入I(s)的穩態誤差E用拉普拉斯運算可表示為E=lims0S11+kP(s)I(s).........(1)]]>假設控制對象22的傳遞函數P(s)可表示為P(s)=aJs+b......(2)]]>其中，J表示轉動慣量，b表示粘滯摩擦係數，a表示控制對象的直流增益常數值。
當輸入為階躍函數時，I(s)可表示為I(s)=Rs......(3)]]>其中，R代表振幅大小。
則穩態誤差為E=lims0SJs+bJs+b+kaRs=bRb+ka......(4)]]>當輸入為斜坡函數時，I(s)可表示為I(s)=Rs2......(5)]]>
時間趨近於無窮大時，其穩態誤差為E=lims0SJs+bJs+b+kaRs2=......(6)]]>上述的討論為粘滯摩擦係數存在的情形，當粘滯摩擦係數為零或很小時(b趨近於0)，則式(4)(階躍輸入)的結果為零，式(6)(斜坡輸入)的穩態誤差為常值E=lims0sJs+bJs+b+kaRs2=JRka......(7)]]>由以上的推導可知，若輸入如圖4所示，其中圖4是所設計的理想速度曲線圖，不論粘滯摩擦係數存在與否，控制結果必定存在一誤差，雖然不致於如式(6)所示為無限大，但在有限的時間內，其穩態誤差將無法避免，此誤差使得光學讀取頭移動的速度路徑將不會依照原先設計的曲線Vc，而是以近似Vn曲線軌跡的方式結束，見圖5。在尋軌控制切入循軌控制時，此誤差E會使得由於速度過快而導致鎖軌失敗。
綜上所述，現有技術具有以下缺點(1)光學讀取頭在尋軌定位控制時，傳統的位置控制方式因無法直接控制乘載光學讀取頭的拖動馬達的速度與加速度而會造成懸掛於光學讀取頭上的物鏡不斷晃動，增加了控制困難度。
(2)若使用傳統的速度軌跡方式，可控制其速度變化並使物鏡晃動較為平緩，但卻存在穩態誤差，結果在達到目標軌道並切入循軌控制時，光學讀取頭因速度過快而導致鎖軌失敗率提高。
鑑於此，本發明的目的就是提供一種光學讀取頭尋軌定位控制裝置，使得光學讀取頭在整個尋軌過程中，前段用速度控制，後段再漸近地切入位置控制，並以切換因子漸近切換位置及速度兩種控制模式，同時控制拖動馬達的位置及速度，使得尋軌結束時可以準確地控制到目標位置，以解決公知的因晃動過大而造成控制困難的問題。
本發明的另一目的是提出一種光學讀取頭尋軌定位控制裝置，它是利用前饋控制適當補償因系統特性或摩擦力所產生的穩態誤差，使得光學讀取頭可以平滑地依照所設計的速度曲線到達目標位置，順利地完成鎖軌動作。
為達到本發明的上述和其他目的，提供一種光學讀取頭尋軌定位控制裝置，前段用速度控制避免雙質量系統的晃動問題，後段再漸近地切入位置控制，使尋軌結束時可準確地控制到目標位置，以便將晃動減至最小，同時增加了切入鎖軌動作的成功率。而且，本發明利用前饋控制適當補償因系統特性或摩擦力所產生的穩態誤差以及位置反饋控制，並以切換因子漸近切換位置及速度兩種控制模式，同時控制拖動馬達的位置及速度，使得光學讀取頭可以平滑地依照所設計的速度曲線到達目標位置，順利完成鎖軌動作。
為使本發明的上述和其他目的、特徵和優點更加明顯，下面特舉一優選實施例，並結合附圖作詳細說明。
圖1是光碟驅動器的光學讀取頭的結構示意圖；圖2是光傳感器的結構示意圖；圖3是傳統的速度控制方塊圖；圖4是理想速度曲線圖；圖5是理想速度曲線與實際速度曲線的比較圖；圖6是加入前饋補償的系統方塊圖；圖7是加入前饋補償的方框圖；圖8是加入位置補償的系統方塊圖；圖9是加入位置補償的方塊圖；圖10是切換因子在尋軌過程中的變化曲線圖；圖11是依照本發明一優選實施例的完整的系統結構方塊圖；圖12A是速度-軌數曲線圖；圖12B是速度-時間曲線圖；圖12C是軌數-時間曲線圖；以及圖12D是加速度-時間曲線圖。
圖中標號說明10物鏡11拖動馬達12循軌線圈13光傳感器14控制系統30，43位置控制器21，42前饋補償器
39速度曲線圖40信號處理單元41速度控制器44速度估測器45加法器46控制對象根據本發明的一優選實施例，為了改善上述現有技術中所遇到的問題，希望在整個尋軌過程中，前段用速度控制，以避免雙質量系統的晃動問題，後段再漸近地切入位置控制，使尋軌結束時可準確的控制到目標位置，並將晃動減至最小。另外再加入加速度前饋補償，以降低速度控制所產生的穩態誤差。
首先，加入加速度前饋補償時(以下簡稱第一模式)，系統如圖6所示。先考慮粘滯摩擦係數存在，位置控制器C(s)30以Kp表示，前饋補償器Cf(s)31以Kf表示，其方塊圖如圖7所示。當輸入為階躍函數時，穩態誤差E為E=lims0s(J-aKf)s+bJs+b+aKpRs=bRb+aKp.....(8)]]>其中，J表示轉動慣量，b表示粘滯摩擦係數，a表示控制對象的直流增益常數值，R表示振幅大小。
當輸入為斜坡函數時，穩態誤差E為E=lims0s(J-aKf)s+bJs+b+aKpRs2=......(9)]]>粘滯摩擦係數很小或為零時，式(8)為零，而式(9)變為式(10)。當Kf＝J/a時，穩態誤差為零。E=lims0s(J-aKf)s+bJs+b+aKpRs2=(J-aKf)RaKp......(10)]]>若在系統中加入位置反饋環節，則系統可近似於一PI控制系統，如圖8所示(以下簡稱第二模式)。令C(s)＝Kp，Cp(s)＝Ki，其方塊圖如圖9所示。則穩態誤差E可表示為E=lims0s11+Kps+KisP(s)I(s)......(11)]]>當輸入為階躍函數時，穩態誤差為E=lims0ss(Js+b)Js2+(b+aKp)s+aKiRs=0......(12)]]>當輸入為斜坡函數時，穩態誤差為E=lims0ss(Js+b)Js2+(b+aKp)s+aKiRs2=bRaKi.....(13)]]>粘滯摩擦係數很小或為零時，式(12)和式(13)均為零。
一般來說，用於光碟驅動器的馬達本身的粘滯摩擦係數很小，摩擦力主要是來自傳遞機構部件。根據前面的討論可發現，前段採用速度控制，後段切換為位置與速度的混合控制是較好的選擇，這樣可以解決穩態誤差的問題，並可準確地控制到目標位置。另外，即使當機構的粘滯摩擦特性很明顯而必須加以考慮時，也可利用切換的方式(由第一模式切換為第二模式)將穩態誤差由無限大(式6)減小為bR/aKi(式13)。
為了順利完成兩個模式的切換，在系統中必須加入一切換因子α，其中切換因子α用以將速度控制與位置控制做漸近式的切換。在整個尋軌過程中，α的變化如圖(10)所示。
本發明的完整系統結構如圖(11)所示。其中速度軌跡的前級信號處理單元40可將速度曲線圖39的速度軌數圖(圖12A)轉換為速度時間圖(圖12B)、軌數-時間圖(圖12C)和加速度-時間圖(圖12D)，並分別作為速度控制器C(s)41、位置控制器Cp(s)43與前饋補償器Cf(s)42的輸入，以達到穩態誤差補償及位置、速度混合切換控制的目的。其中，速度控制器C(s)41的輸入為由信號處理單元40轉換得出的速度減去估測出的速度，前饋補償器Cf(s)42的輸入為信號處理單元40轉換得出的加速度，位置控制器Cp(s)43的輸入為信號處理單元40轉換得出的位置減去實際位置。
另外，速度估測器44用以估測光學讀取頭跨軌的當前速度。當經過速度控制器C(s)41、前饋補償器Cf(s)42與位置控制器Cp(s)43處理後，將處理結果送至一加法器45進行綜合。然後，加法器45再將綜合結果送至控制對象P(s)46。最後，控制對象的伺服控制器(圖中未示出)控制光學讀取頭至一目標軌道。其中加法器45所輸入的處理結果包括速度控制器C(s)41的輸出乘上切換因子α、位置控制器Cp(s)43的輸出乘上切換因子α以及前饋補償器Cf(s)42的輸出乘上切換因子1-α，以便將速度控制與位置控制做漸近式的切換，使得在整個尋軌過程中，切換因子α按圖10所示變化。其中，切換因子α由大到小逐漸變化，例如由1逐漸變0。
光碟驅動器的尋軌控制基本上是控制光學讀取頭使之達到所希望的軌道位置。整個控制結構為一雙輸入的控制結構，希望光學讀取頭移動至正確的軌道位置且按圖4所示進行速度控制。當光學讀取頭到達希望的位置時，光學讀取頭也會減到較低的速度，以增加切入鎖軌動作的成功率。
另一方面，本發明利用加速度的前饋補償控制(第一模式)與位置反饋控制(第二模式)，並以切換因子漸近切換位置及速度兩種控制模式，同時控制拖動馬達的位置及速度，成功的解決了現有技術中存在的問題。
而且，本發明的裝置的控制結構可同時控制速度及位置(軌數)兩個自由度，並利用前饋控制適當補償因系統特性或摩擦力所產生的穩態誤差，使得光學讀取頭可以平滑地依照所設計的速度曲線到達目標位置，順利完成鎖軌動作。
綜上所述，本發明的光學讀取頭尋軌定位控制裝置具有以下優點(1)在光學讀取頭的整個尋軌過程中，前段用速度控制避免雙質量系統的晃動問題，後段再漸近地切入位置控制，使得尋軌結束時可準確的控制到目標位置，以便將晃動減至最小，同時增加了切入鎖軌動作的成功率。
(2)利用前饋控制適當補償因系統特性或摩擦力所產生的穩態誤差，使得光學讀取頭可以平滑地依照所設計的速度曲線到達目標位置，順利完成鎖軌動作。
(3)以切換因子漸近切換位置及速度兩種控制模式，同時控制主軸馬達的位置及速度，成功地解決了現有技術中的問題。
雖然對本發明的優選實施例進行了披露，但這並非是為了限定本發明，本領域的一般技術人員在不脫離本發明的精神和範圍的前提下，可對本發明作多種修改和變形。本發明的保護範圍由後附權利要求界定。
權利要求
1.一種光學讀取頭尋軌定位控制裝置，所述光學讀取頭位於一控制對象內，該光學讀取頭尋軌定位控制裝置包括一速度控制器，用以輸入一速度誤差，並作速度控制輸出；一位置控制器，用以輸入一位置誤差，並作位置控制輸出；一前饋補償器，用以輸入一預設加速度而形成一補償加速度誤差；以及一加法器，至它和所述速度控制器、位置控制器及前饋補償器耦接，用以綜合速度控制器的輸出、位置控制器的輸出及前饋補償器的補償加速度誤差，並將該綜合結果送至所述控制對象，以控制位於控制對象內的光學讀取頭。
2.如權利要求1所述的光學讀取頭尋軌定位控制裝置，其中該裝置還包括一第一切換因子裝置，它位於速度控制器與加法器之間，該第一切換因子裝置具有第一切換因子，該第一切換因子由大逐漸變小，該第一切換因子裝置接收速度控制器的輸出，加法器的輸入為該速度控制器的輸出乘上第一切換因子；一第二切換因子裝置，它位於位置控制器與加法器之間，該第二切換因子裝置具有第二切換因子，該第二切換因子由小逐漸變大，該第二切換因子裝置接收位置控制器的輸出，加法器的輸入為該位置控制器的輸出乘上第二切換因子；以及一第三切換因子裝置，位於前饋補償器與加法器之間，該第三切換因子裝置具有第三切換因子，該第三切換因子由大逐漸變小，該第三切換因子裝置接收前饋補償器的輸出，加法器的輸入為該前饋補償器的輸出乘上第三切換因子。
3.如權利要求2所述的光學讀取頭尋軌定位控制裝置，其中所述第一切換因子由1到0逐漸變化。
4.如權利要求2所述的光學讀取頭尋軌定位控制裝置，其中所述第二切換因子由0到1逐漸變化。
5.如權利要求2所述的光學讀取頭尋軌定位控制裝置，其中所述第三切換因子由1到0逐漸變化。
6.如權利要求1所述的光學讀取頭尋軌定位控制裝置，進一步包括一信號處理單元，用以將一速度曲線圖轉換為一預設速度、一預設位置及預設加速度，該速度誤差為預設速度與實際估測速度的差，該位置誤差為預設位置與實際估測位置的差。
7.如權利要求6所述的光學讀取頭尋軌定位控制裝置，其中所述實際估測速度由一速度估測器估測。
8.如權利要求1所述的光學讀取頭尋軌定位控制裝置，其中該光學讀取頭還包括一物鏡；一雷射二極體，用以向光碟上發射雷射光束；以及一光傳感器，用以接收反射的該雷射光束，以讀取該光碟上的信息。
9.一種光學讀取頭尋軌定位控制裝置，所述光學讀取頭位於一控制對象內，該光學讀取頭尋軌定位控制裝置包括一速度控制器，用以輸入一速度誤差，並作速度控制輸出；一位置控制器，用以輸入一位置誤差，並作位置控制輸出；一前饋補償器，用以輸入一預設加速度而形成一補償加速度誤差；一加法器，它和所述速度控制器、位置控制器及前饋補償器耦接，用以綜合速度控制器的輸出、位置控制器的輸出及前饋補償器的補償加速度誤差，並將該綜合結果送至所述控制對象，以控制位於控制對象內的光學讀取頭；一第一切換因子裝置，它位於速度控制器與加法器之間，該第一切換因子裝置具有第一切換因子，該第一切換因子由大逐漸變小，該第一切換因子裝置接收該速度控制器的輸出，加法器的輸入為該速度控制器的輸出乘上第一切換因子；一第二切換因子裝置，位於位置控制器與該加法器之間，該第二切換因子裝置具有第二切換因子，該第二切換因子由小逐漸變大，該第二切換因子裝置接收位置控制器的輸出，加法器的輸入為該位置控制器的輸出乘上第二切換因子；以及一第三切換因子裝置，位於前饋補償器與該加法器之間，該第三切換因子裝置具有第三切換因子，該第三切換因子由大逐漸變小，該第三切換因子裝置接收前饋補償器的輸出，加法器的輸入為該前饋補償器的輸出乘上第三切換因子。
10.如權利要求9所述的光學讀取頭尋軌定位控制裝置，進一步包括一信號處理單元，用以將一速度曲線圖轉換為一預設速度、一預設位置及預設加速度，該速度誤差為預設速度與實際估測速度的差，該位置誤差為預設位置與實際估測位置的差。
11.如權利要求10所述的光學讀取頭尋軌定位控制裝置，其中所述實際估測速度由一速度估測器估測。
12.如權利要求9所述的光學讀取頭尋軌定位控制裝置，其中所述第一切換因子由1到0逐漸變化。
13.如權利要求9所述的光學讀取頭尋軌定位控制裝置，其中所述第二切換因子由0到1逐漸變化。
14.如權利要求9所述的光學讀取頭尋軌定位控制裝置，其中所述第三切換因子由1到0逐漸變化。
15.如權利要求9所述的光學讀取頭尋軌定位控制裝置，其中該光學讀取頭還包括一物鏡；一雷射二極體，用以向光碟上發射雷射光束；以及一光傳感器，用以接收反射的該雷射光束，以讀取該光碟上的信息。
全文摘要
一種光學讀取頭尋軌定位控制裝置,前段用速度控制避免雙質量系統的晃動問題,後段再漸近地切入位置控制,使得尋軌結束時可準確地控制到目標位置,以便將晃動減至最小,同時增加了切入鎖軌動作的成功率。另外,本發明利用前饋控制適當補償因系統特性或摩擦力所產生的穩態誤差與位置反饋控制,並以切換因子漸近切換位置及速度兩種控制模式,同時控制拖動馬達的位置及速度,使得光學讀取頭可以平滑地依照所設計的速度曲線到達目標位置,順利完成鎖軌動作。
文檔編號G11B21/00GK1229246SQ9810559
公開日1999年9月22日 申請日期1998年3月16日 優先權日1998年3月16日
發明者高智賢, 王舜永 申請人:聯發科技股份有限公司