光学头伺服控制LOOP特性的设计

摘要：在光盘控制系统中，光学头是复杂而精密的光、机、电集成部件。实现对光学头的伺服控制，使之精确地追踪碟片的记录层和轨道，并克服碟片缺陷带来扰动的影响，需要对伺服的LOOP特性进行合理的设计。所设计的LOOP特性要满足一定的增益/相位裕度和带宽要求，同时还要考虑到各种环境温度对LOOP特性的影响。

引言

　　光学头的聚焦控制和循迹控制是光盘控制系统中最基本的两种伺服控制。现以聚焦伺服为例着重论述光存储系统的控制LOOP特性的设计。

1 光学头力矩器的数学模型及幅频特性分析

　　以聚焦为例，力矩器在10kHz的频率范围内可简化为如下的数学模型如图1所示。

　　其动力学和电工学方程如下：

　　其中：μ是阻尼系数;k是弹簧刚度;k=Bl是比例系数，B是磁感应强度，l是线圈的等效长度。由于实际的控制系统是电压控制的，其电压传递函数如下：

　　力矩器的低频段主要取决于弹簧刚度k(增益为1/ k)，反映了聚焦线圈的直流感度^[1]。

　　中频段存在一次共振点，它反映了力矩器系统的刚度和质量，也反映了系统的快速性和稳定性。1次共振频率影响到系统的伺服控制系统的截止频率，1次共振的Q值过高将影响伺服控制系统的稳定性。一般而言, 1次共振Q值应设计为： <25dB 。力矩器在高频段还存在着二次共振点，二次共振点的存在影响系统的稳定裕度。图2就是实际的DVD OPU的力矩器的聚焦幅频特性。从中可以看出，一次共振频率为74Hz ，Q值为13.5dB ;二次共振频率在30kHz 。

2 光盘伺服控制性能

　　光盘伺服控制系统是一个随动系统，目标值分别是光盘的记录层和轨道的位置。从控制系统的稳态性能来看，允许聚焦误差约为 ：-0.5~0.5 um，允许循迹误差约为±0.15um^[2]。市场碟盘大多数存在一定长度的划伤、污点、指纹、气孔等缺陷，为获得良好的读/写性能，光盘的控制系统的动态性能应满足一定要求，在尽可能短暂的时间内完成调节过程进入稳态。

　　在光盘控制回路中引入PID校正是目前光盘伺服控制系统的通用方法。图3就是一个典型的光盘聚焦伺服控制数字PID校正网络。图3的数字PID校正网络采用典型的一阶积分环节+二阶微分环节+比例环节。二阶微分环节的采用使高频段增益/相位的补偿更加灵活方便，调整范围的选择性更大。

　　在比例和积分中设置增益调整环节(Pfc_gain0,1)，用于消除力矩器特性差异的影响，保证设计的光盘伺服控制系统有相同带宽的开环特性。图4是数字PID校正网络的仿真结果。

3 光学头力矩器的伺服控制的PID校正

　　PID校正环节的输入是聚焦误差信号。由于碟片原因和光盘驱动器的机械及空气动力学的原因，导致聚焦误差信号有低频分量和高频分量。例如：碟片的面振原因导致聚焦误差信号低频分量;频率范围在30Hz~ 60Hz，划伤、气泡、污点、指纹等因素则导致聚焦误差的高频分量，其频率在1.0k Hz以上^[3]。此外还有物镜的震动和调节机构的摆动等因素。上述原因导致据聚焦误差的频谱分布的示意图如图5。

　　从聚焦误差的频谱分布可知：为将焦点与信号面的随动误差控制在±0.5um ，光盘聚焦伺服控制系统低频段增益必须设计在 60dB以上，聚焦增益的带宽设计约为1.0kHz。根据自动控制理论可知，仅有力矩器的数学模型构成的闭环系统是不稳定的，必须在聚焦伺服控制回路中进行PID校正^[4]。在低频加入积分环节，使增益在转折频点后降低，保证增益裕度;同时，在高频段引入微分环节，补偿积分环节-90°相位的影响，保证整个回路的相位裕度。

　　PID校正环节的设计应注意以下事项：

　　(1)保证整个开环回路低频段的增益在60dB以上，以改善碟片面振的聚焦能力。但低频段的增益过高、对应划伤、气泡等使市场碟片的能力变差，导致聚焦能力降低，适当增加高频相位以提高系统的抗高频干扰能力。

　　(2)将微分环节的交接频率设计在一次共振点附近，积分环节的交接频率设计在截止频率附近，以进一步改善系统的稳定性。

　　(3)对于二次共振点而言，PID校正后，应保证二次共振点在0dB以下^[5]。

　　(4)在实际的光盘伺服控制系统中还要考虑环境温度的影响，保证在各种限界温度条件下有足够的增益裕度和相位裕度。一般而言，增益裕度应≥3dB， 相位裕度应 ≥45° 。

　　(5)由于力矩器特性的差异，即使相同参数的PID也不能保证校正后得到相同的LOOP带宽，所以在实际的光盘伺服控制PID校正环节中还要引入专用的增益调整(Pfc_gain0,1)，在读盘过程中通过对增益调整，吸收力矩器特性差异对增益穿越频率的影响，保证光盘聚焦伺服控制系统有相同带宽的开环幅频特性。

4 结论

　　在实际的光盘控制系统中的LOOP特性的设计中，对DVD、类CD类和BD类的LOOP特性要求不尽相同，但所设计的LOOP特性都要求有一定的增益裕度和相位裕度。PID参数的设计，应根据实际不同的光盘控制系统结合仿真和实测的效果，不断地多次修改和完善。

参考文献：

　　[1] xxxxxx Electric Industrial Co.Ltd.《Optical Disc Controller for DVD-Player xxxxxx User's manual 》[J].2002:10-12

　　[2] 刘毓敏.光盘机(CD、VCD、DVD、LD)技术基础教程[M].北京：电子工业出版社.1998:102-105

　　[3] 张布卿.记录媒体技术[J].北京：记录媒体技术杂志编辑部. 2007.1

　　[4]刘毓敏.激光影碟机原理与维修[M].广东：广东科技出版社.1996:197-199

　　[5]韦登谷.伺服系统设计的现代实践[M].北京：国防工业出版社.1977:57-60

本文来源于中国科技期刊《电子产品世界》2016年第3期第71页，欢迎您写论文时引用，并注明出处。