摘要：在光盤控制系統中，光學頭是復雜而精密的光、機、電集成部件。實現對光學頭的伺服控制，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擾動的影響，需要對伺服的LOOP特性進行合理的設計。所設計的LOOP特性要滿足一定的增益/相位裕度和帶寬要求，同時還要考慮到各種環境溫度對LOOP特性的影響。

引言

　　光學頭的聚焦控制和循跡控制是光盤控制系統中最基本的兩種伺服控制。現以聚焦伺服為例著重論述光存儲系統的控制LOOP特性的設計。

1 光學頭力矩器的數學模型及幅頻特性分析

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

　　其動力學和電工學方程如下：

　　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是線圈的等效長度。由于實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)，反映了聚焦線圈的直流感度^[1]。

　　中頻段存在一次共振點，它反映了力矩器系統的剛度和質量，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二次共振點，二次共振點的存在影響系統的穩定裕度。圖2就是實際的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 光盤伺服控制性能

　　光盤伺服控制系統是一個隨動系統，目標值分別是光盤的記錄層和軌道的位置。從控制系統的穩態性能來看，允許聚焦誤差約為 ：-0.5~0.5 um，允許循跡誤差約為±0.15um^[2]。市場碟盤大多數存在一定長度的劃傷、污點、指紋、氣孔等缺陷，為獲得良好的讀/寫性能，光盤的控制系統的動態性能應滿足一定要求，在盡可能短暫的時間內完成調節過程進入穩態。

　　在光盤控制回路中引入PID校正是目前光盤伺服控制系統的通用方法。圖3就是一個典型的光盤聚焦伺服控制數字PID校正網絡。圖3的數字PID校正網絡采用典型的一階積分環節+二階微分環節+比例環節。二階微分環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，保證設計的光盤伺服控制系統有相同帶寬的開環特性。圖4是數字PID校正網絡的仿真結果。

3 光學頭力矩器的伺服控制的PID校正

　　PID校正環節的輸入是聚焦誤差信號。由于碟片原因和光盤驅動器的機械及空氣動力學的原因，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、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和調節機構的擺動等因素。上述原因導致據聚焦誤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：為將焦點與信號面的隨動誤差控制在±0.5um ，光盤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。根據自動控制理論可知，僅有力矩器的數學模型構成的閉環系統是不穩定的，必須在聚焦伺服控制回路中進行PID校正^[4]。在低頻加入積分環節，使增益在轉折頻點后降低，保證增益裕度;同時，在高頻段引入微分環節，補償積分環節-90°相位的影響，保證整個回路的相位裕度。

　　PID校正環節的設計應注意以下事項：

　　(1)保證整個開環回路低頻段的增益在60dB以上，以改善碟片面振的聚焦能力。但低頻段的增益過高、對應劃傷、氣泡等使市場碟片的能力變差，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)將微分環節的交接頻率設計在一次共振點附近，積分環節的交接頻率設計在截止頻率附近，以進一步改善系統的穩定性。

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

　　(4)在實際的光盤伺服控制系統中還要考慮環境溫度的影響，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，所以在實際的光盤伺服控制PID校正環節中還要引入專用的增益調整(Pfc_gain0,1)，在讀盤過程中通過對增益調整，吸收力矩器特性差異對增益穿越頻率的影響，保證光盤聚焦伺服控制系統有相同帶寬的開環幅頻特性。

4 結論

　　在實際的光盤控制系統中的LOOP特性的設計中，對DVD、類CD類和BD類的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，應根據實際不同的光盤控制系統結合仿真和實測的效果，不斷地多次修改和完善。

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本文來源于中國科技期刊《電子產品世界》2016年第3期第71頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。