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1、科學與工程技術期刊 第一卷 第二期 民國九十四年科學與工程技術期刊 第一卷 第二期 民國九十四年 Journal of Science and Engineering Technology, Vol. 1, No. 2, pp. 47-56 (2005) 47 光碟機聚焦控制器參數設計之自動化光碟機聚焦控制器參數設計之自動化 張義芳 陳韋良 大葉大學機電自動化研究所 彰化縣大村鄉山腳路 112 號 摘 要摘 要 本研究利用頻率響應的設計方式來設計超前補償器和建立聚焦讀取頭控制器參數自動設計流程，並利用 Matlab 程式撰寫出自動化程式。使用者只需輸入控制規格及馬達動態特性後，即可自動產生超前
2、補償器的控制參數，同時在光碟機的數位訊號處理器（DSP）內控制參數數值規格的限制下轉換出十六進位數值，直接輸入數位訊號處理器以供讀取頭聚焦控制時使用。利用實驗的驗証可確定自動產生的參數對光碟機讀取頭具有很好的控制效率。 關鍵詞關鍵詞：相位超前補償器，聚焦控制，光碟機 Parameter Design Automation for a Focusing Control System on a CD-ROM Player YIH-FANG CHANG and WEY-LIAN CHEN Department of Mechanical and Automation Engineering, Da-
3、Yeh University 112 Shan-Jiau Rd., Da-Tsuen, Changhua, Taiwan ABSTRACT An automatic parameter design process is developed for a lead-compensator in a focusing control system on a commercial optical disk drive. In the frequency domain the automatic design process of focusing a pick-up head controller
4、can apply a set of control parameters to the lead compensator, designed by Matlab software to provide a convenient and fast operation. After the actual system parameters are identified by an auxiliary experiment, the appropriate control parameters can be obtained and the hex code for the digital sig
5、nal processor (DSP) on the player generated by the proposed automatic design program. The practical performance of the control system can be improved via the design process. Key Words: lead compensator, focusing control system, CD-ROM 科學與工程技術期刊 第一卷 第二期 民國九十四年科學與工程技術期刊 第一卷 第二期 民國九十四年 48 一、前言一、前言 隨著電腦
6、科技快速而不斷的演進 ， 光碟機的規格與性能不斷的提升，光碟機製造廠不斷開發出新型的光碟機，這些廠商的工程師常依照自己的學理經驗利用電腦輔助設計軟體一步一步撰寫程式，分析設計出可用的控制參數。如果能把控制器設計的方式自動化，將可減少不少參數尋找的時間，也更能確定此參數的優越性。 聚焦控制系統中的受控體 （聚焦馬達，光學聚焦迴路的誤差回授） 具有某種程度的非線性特性，以實驗鑑別方法求得的數學模型存在著些許的鑑別誤差 。 當讀取頭工作在真實的環境下，光學機構 （opto-mechanical） 和致動器 （actuator）會有耦合（coupling）的問題產生，尤其高速運轉時定位機構的震動，均會
7、使參數不確定性（uncertainty）發生。過去已有解決此二種問題的控制方法提出： 1. Chait 10 在其論文中提出使用 QFT（quantitative feedback theory）的設計方法能直接使用量測的頻率響應資料來產生受控體樣版（template） ，接著根據規格產生性能邊界（performance bound）及穩定度邊界（stability bound） ，然後利用此二項資料進行系統的迴路整型 （loop shaping） ，再依據整型後的樣版（template）來合成控制器。也就是不需要擁有完全符合實際系統的數學模型，同時也可以容忍鑑別誤差（identificati
8、on error）的發生。但是由於在設計過程中考慮到過多外在干擾因素，因此在設計過程中趨於保守，在其實驗中只確定控制的穩定性，並無針對其控制效率做一比較。 2. Steinbuch 14 在考慮參數不確定性之後，針對其變動範圍以 -synthesis 方法來解決系統實際工作時參數變動的問題，亦即當參數變動時控制器仍然使系統維持在穩定的狀態，但是利用此種方法做控制時，一些實際物理狀態取得不易，因此不適用於商品化的伺服控制系統，同時在設計過程中也趨於保守，在其實驗中也只確定控制的穩定性，且無針對其控制效率加以比較。 本研究中將利用頻率響應的設計方法來直接設計具有優越暫態特性的控制器，使外在的干擾如
9、光碟片振動、刮痕等情況發生時也能迅速聚焦而提高光碟機的讀片率 。 一開始本研究將建立簡化的光碟機聚焦控制系統架構 ， 利用頻率響應的設計方法來建立聚焦讀取頭超前補償器（lead compensator）控制參數設計的自動化流程，並以 Matlab 工具來實現。同時在數位訊號處理器（digital signal processor, DSP）參數數值格式的限制下，運算出符合數位控制器的一組十六進位的參數 ， 最後利用實驗的方式來確定此一參數對光碟機讀取頭具有較好的控制效率。 二、聚焦伺服控制系統二、聚焦伺服控制系統 聚焦致動器為一音圈馬達，其機構可簡化如圖 1 2,4。 由過去文獻中可知驅動電路
10、時間常數（time constant） 、 e=線圈電感 L線圈電阻 R 非常小，且聚焦馬達在製作時各材料間的連接剛性都很強 ， 且線圈與透鏡間的等效阻尼係數趨近於零，因此輸入聚焦馬達電壓 U(s) 至馬達帶動物鏡位移 X(s) 的轉移函數可簡化為二階動態系統 5： 1)()()( 22+=sKBRKKsKMMKKsUsXfffVfcLfVfVfVKsRKBMsK+=)(22（1） Objective LensRadial DirectionSledDisc馬 達Focusing DirectioniRLVmU圖圖 1. 光碟機讀取頭動態系統光碟機讀取頭動態系統 2,4 張義芳、陳韋良：光碟機
11、聚焦控制器參數設計之自動化張義芳、陳韋良：光碟機聚焦控制器參數設計之自動化 49 其中負號代表座標方向與命令方向相反，各代號的意義如下： 電流通過線圈產生驅動力iKfv=，Kv為電磁力轉換常數。Kf為聚焦馬達支撐柱的等效彈性係數。ML為物鏡部份的等效質量。Mc為線圈部份的等效質量。R為線圈電阻。Bf為聚焦馬達支撐柱的等效阻尼係數 。M為ML與MC的質量和。因此（1）式可用一通式來表示 222nnm ssK UX+= （2） 為阻尼係數（damping ratio） ，n為自然頻率（natural frequency） ，Km為常數。將聚焦驅動系統簡化成二階系統也可簡化控制器設計步驟。 音圈馬達
12、所帶動的讀取頭必須與光碟片保持一固定之聚焦間隙，才能正確讀取反射資料。聚焦間隙並無法直接量測出來，但是聚焦間隙是否合適，即聚焦間隙與正確焦距的誤差量可以用像散法 （astigmatism） 得到。如圖2所示 1。雷射光源由左向右投射到光碟片上 ， 在碟片上的光圈會反射至分光鏡，再由分光鏡反射至半圓柱透鏡，穿梭後投射在光感測器上 。 由圖3看半圓柱形透鏡左右向具有光點放大的作用，當投影在感測器時會將投射光點C、D放大，可是在圓柱軸向上（即光感測器A、B區域）沒有放大的作用，因此在光碟片形成的光點尺寸會在光感測器上投射成不同面積的光點。在光碟片與聚焦透鏡保持某一距離時，光碟片上的光圈光感測器上會呈
13、現出正圓形狀 ， 此時各區域的面積將相等。同時在各區域感測器所偵測出的電壓相同，經比較後輸出電壓為0V（即誤差訊號E=0） ，此間隙為聚焦伺服系統應有的間隙，也是讀取數據最好的距離。如圖3(a)，即 1： E=（VA+VB）-（VC+VD）= 0 （3） 而當光碟片距離聚焦透鏡太近時，光圈投射在A、B區的面積會真實反應光碟片上的面積，可是C、D區的面積會被放大，因此比較後的誤差訊號會小於零（即誤差訊號E 0 圖圖 3. 聚焦間隙回授訊號原理聚焦間隙回授訊號原理 1 縮得較小，因此呈現的誤差訊號如圖3(c)（即誤差訊號E0） ，即： E=（VA+VB）-（VC+VD） 0 （5） 此一誤差訊號可
14、直接當作判斷合適間隙與否的標準 ， 控制器就能根據此訊號輸出命令驅動音圈馬達來調整透鏡與光碟片之間的間隙。根據（3）（5）式的特性，可以看成誤差訊號E是實際間隙值Y與參考間隙r之間的差，即 科學與工程技術期刊 第一卷 第二期 民國九十四年科學與工程技術期刊 第一卷 第二期 民國九十四年 50 rYE= （6） 由上式搭配（2）式則本系統仍為一負回授系統。 由前述光碟機驅動及感測回授裝置的介紹 ， 為了達到快速又精確的反應，可以採用超前與落後補償器（lead-lag compensator）來達成。光碟機的專用控制晶片製造廠，則以內建的數位訊號處理器建構成不同取樣時間下的幾組數位控制器，如圖4，
15、來供給光碟機製造廠來使用。其中控制法則如下： ()18716154 13121 11)( + + +=zkk zkzkkzkzkkzCH （7） ()113121111109 1)( + +=zkk zkzkkzCM （8） ()1181711611514 1)( + +=zkk zkzkkzCL （9） 其中k1至k8為高頻補償器CH(z) 的控制參數，k9至k13為中頻補償器CM(z) 的控制參數 ，k14至k18為低頻補償器Cl(z) 的控制參數。圖4中之增益Kc為總放大增益。控制增益k1至k18只能設計成 -1至 +1的數值，而增益Kc最大為32。會有這些限制，是為了提高控制運算速度，
16、而將這些運算以邏輯硬體來組成。數位訊號處理器經由類比轉數位（A/D）轉換器獲得FEI訊號。控制訊號FOSO則經由數位轉類比（D/A）轉換器送至放大電路。其中頻補償器CM(z) 與低頻補償器CL(z) 主要是處理中低頻振盪相位落後的控制器。然因本型光碟機在搭配所設計出的相位超前補償器後在中低頻的響應並無相位落後，因此並不再為其設計CM(z) 與CL(z)，而專注於高頻特性的CH(z) 設計。 由前述光碟片聚焦伺服控制系統之介紹 ， 系統控制方塊圖可組合成圖5。圖中數位控制器Gc(z) 即為圖4之組成。聚焦伺服控制器建立在數位訊號處理器產生訊號 ， 驅動聚焦 高頻補償器C (z)H 取樣時間= 88.2KHz中頻補償器C (z)M 取樣時間= 44.1KHz低頻補償器C (z)L 取樣時間= 22.05KHz+總放大增益cKFEIFOSO圖圖 4. CD_ROM 內部數位控制器內部數位控制器 Gc(z) r(s)+_ s + 2 s
