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研究生: 涂智翔
C. H. Tu
論文名稱: 模式切換控制律於光碟機聚焦與定軌控制之應用
Toward the Application of A Mode-Switching Control Law on the Focus and Tracking Control of An Optical Disk Drive
指導教授: 陳建祥
Jian-Shiang Chen
口試委員:
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工學院 - 動力機械工程學系
Department of Power Mechanical Engineering
論文出版年: 2005
畢業學年度: 93
語文別: 中文
論文頁數: 87
中文關鍵詞: 模式切換控制初始值補償聚焦伺服定軌伺服
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  • 快速移動與精準定位為伺服定位系統(Servo positioning system)首重的要素,為達成此目標,模式切換控制律(Mode-Switching Control, MSC)已被廣泛採用,所謂的模式切換控制律包括許多個不同型式的控制器,以及一個切換函數(switching function),切換函數依據某些條件在各控制器間做切換,針對各模式所著重的性能設計適當的控制器,藉由各模式之切換組合來達成所欲之性能。
    本文應用模式切換控制於光碟機之聚焦與定軌伺服控制,並將初始值補償(IVC, Initial Value Compensation)方法融入其中以改善非零起始值造成之系統暫態響應;以嵌入式數位信號處理器(DSP, Digital Signal Processor)為主要的發展環境,運用組合語言來撰寫系統的各個控制器以更有效率地實現其演算法,另外,以嵌入式複雜型可程式邏輯元件(CPLD, Complex Programmable Logic Device)為輔,撰寫硬體描述語言(Hardware Description Language, HDL)完成其他特定重要數位電路模組之實現,融合DSP之高速運算能力與CPLD有效率之邏輯判斷特性來完整呈現模式切換控制律,以期達成既快速且準確的伺服控制性能。


    In various servo positioning systems, both fast transient and precise positioning are required. To meet these demands, Mode-Switching Control (MSC) scheme has been used widely. A MSC will include several controllers with different structures, and a switching function that will switch from one controller to another according to a certain condition. Consequently, each controller of the MSC can be optimally designed to meet specifications.
    This thesis presents a Mode-Switching Control applied to the focusing and tracking servo system of an optical disk drive. In addition, an initial value compensation (IVC) method is adopted to improve transient characteristics after switching. Establishing the master development environment based on the embedded Digital Signal Processor (DSP), assembly language is adopted to realize control law of the system in order to perform algorithms more efficiently, while the embedded Complex Programmable Logic Device (CPLD) is treated as a slave device, utilizing the Hardware Description Language (HDL) to implement other essential digital circuit modules, including servo signal acquisition and logic determination. By fusing the high-speed computation ability of a DSP and the powerful logic capability of a CPLD, a Mode-Switching control law design can achieve a fast and precise position control task. Experiments were performed to further validate its efficiency.

    第一章 緒論 1 1.1研究背景 1 1.2研究動機 2 1.3文獻回顧 3 1.4論文架構 4 第一章 緒論 4 第二章 系統描述 5 第三章 控制系統之理論基礎 5 第四章 實驗系統架構 5 第五章 實驗結果與討論 5 第六章 結論與未來展望 5 第二章 系統描述 6 2.1光碟機伺服控制系統簡介 6 2.1.1聚焦伺服 7 2.1.2定軌伺服 10 2.2 聚焦/定軌伺服控制系統原理 12 2.2.1聚焦/定軌致動器 12 2.2.2聚焦/定軌伺服系統模型 13 2.3結語 14 第三章 控制系統之理論基礎 15 3.1模式切換控制 15 3.1.1初始值補償 16 3.2並聯式多重取樣相位落後-領先補償器 19 3.3模式切換控制律設計 20 3.3.1穩定控制器 21 3.3.2精確控制器 21 3.3.3切換函數 22 3.4結語 23 第四章 實驗系統架構 24 4.1實驗系統架構 24 4.2主要實驗設備 25 4.2.1光碟機 25 4.2.2複雜型可程式邏輯元件 27 4.2.3數位訊號處理器 27 4.2.4類比數位與數位類比轉換器 28 4.3聚焦/定軌伺服之實作 29 4.3.1輸入模組 30 4.3.2聚焦/定軌開關模組 30 4.3.3控制器切換模組 30 4.3.4 DSP介面模組 31 4.3.5其他相關模組 31 4.3.6控制器模組 31 4.3.7控制力輸出模組 32 4.4系統鑑別 33 第五章 實驗結果與討論 36 5.1聚焦伺服實驗 36 5.1.1聚焦伺服控制律 36 5.1.2聚焦伺服實驗結果 40 5.1.3聚焦伺服切換條件 53 5.2定軌伺服實驗 57 5.2.1定軌伺服控制律 57 5.2.2定軌伺服實驗結果 60 5.2.3定軌伺服切換條件 65 5.3整合測試 68 5.4結語 75 第六章 結論與未來展望 76 6.1本文貢獻 76 6.2未來發展之建議 77 參考文獻 78 附錄A 81 附錄B 82 附錄C 85 圖目錄 【圖2 1】光碟機系統方塊圖 7 【圖2 2】讀取頭光學系統示意圖 9 【圖2 3】像散法 9 【圖2 4】S-curve 10 【圖2 5】光偵測器對角和訊號之相位差 11 【圖2 6】相位差分檢測法 12 【圖2 7】聚焦/定軌音圈馬達示意圖 13 【圖2 8】聚焦/定軌模型 13 【圖3-1】模式切換控制方塊圖 16 【圖3-2】初始值補償方法示意圖 18 【圖3-4】DVD聚焦規格示意圖 22 【圖3-5】DVD定軌規格示意圖 22 【圖4 1】實驗平台架構圖 25 【圖4 2】光碟機機構本體 26 【圖4 3】電路板組件 27 【圖4 4】ADSP-2189M EZ-KIT Lite board 28 【圖4 5】聚焦/定軌伺服實現模組 29 【圖4 6】DSP韌體程式流程圖 32 【圖4-7】鑑別方法方塊圖 34 【圖4-8】聚焦伺服系統鑑別結果與估測轉移函數之波德圖 34 【圖4-9】定軌伺服系統鑑別結果與估測轉移函數之波德圖 35 【圖5-1】聚焦受控場經零階保持之等效數位系統波德圖 37 【圖5-2】聚焦/定軌伺服系統模式切換控制示意圖 38 【圖5-3】聚焦穩定控制器之波德圖 38 【圖5-4】聚焦受控場與聚焦穩定控制器之開迴路波德圖 39 【圖5-5】聚焦精確控制器之波德圖 39 【圖5-6】聚焦受控場與聚焦精確控制器之開迴路波德圖 40 【圖5-7】未採用IVC之聚焦暫態響應 41 【圖5-8】未採用IVC之聚焦暫態響應放大圖 42 【圖5-9】採用IVC之聚焦暫態響應 42 【圖5-10】採用IVC之聚焦暫態響應放大圖 43 【圖5-11】韌體控制律之聚焦穩態響應(1X) 45 【圖5-12】模式切換控制律之聚焦穩態響應(1X) 45 【圖5-13】韌體控制律之聚焦穩態響應(2X) 46 【圖5-14】模式切換控制律之聚焦穩態響應(2X) 46 【圖5-15】韌體控制律之聚焦穩態響應(3X) 47 【圖5-16】模式切換控制律之聚焦穩態響應(3X) 47 【圖5-17】韌體控制律之聚焦穩態響應(4X) 48 【圖5-18】模式切換控制律之聚焦穩態響應(4X) 48 【圖5-19】韌體控制律之聚焦穩態響應(5X) 49 【圖5-20】模式切換控制律之聚焦穩態響應(5X) 49 【圖5-21】韌體控制律之聚焦穩態響應(6X) 50 【圖5-22】模式切換控制律之聚焦穩態響應(6X) 50 【圖5-23】韌體控制律之聚焦穩態響應(7X) 51 【圖5-24】模式切換控制律之聚焦穩態響應(7X) 51 【圖5-25】未採用IVC之切換條件(1)聚焦暫態響應 54 【圖5-26】未採用IVC之切換條件(3)聚焦暫態響應 55 【圖5-27】採用IVC之切換條件(1)聚焦響應 56 【圖5-28】採用IVC之切換條件(3)聚焦響應 56 【圖5-29】定軌受控場經零階保持之等效數位系統波德圖 58 【圖5-30】定軌穩定控制器之波德圖 58 【圖5-31】定軌受控場與定軌穩定控制器之開迴路波德圖 59 【圖5-32】定軌精確控制器之波德圖 59 【圖5-33】定軌受控場與定軌精確控制器之開迴路波德圖 60 【圖5-34】定軌暫態響應 61 【圖5-35】韌體控制律之定軌穩態響應(1X) 62 【圖5-36】模式切換控制律之定軌穩態響應(1X) 63 【圖5-37】韌體控制律之定軌穩態響應(2X) 63 【圖5-38】模式切換控制律之定軌穩態響應(2X) 64 【圖5-39】切換條件(4)之定軌響應 67 【圖5-40】切換條件(6)之定軌響應 67 【圖5-41】模式切換控制律之標準片測試結果(1X) 68 【圖5-42】韌體控制律之標準片測試結果(1X) 69 【圖5-43】模式切換控制律之DEV(TDV-532)碟測試結果(1X) 69 【圖5-44】韌體控制律之DEV(TDV-532)碟測試結果(1X) 70 【圖5-45】模式切換控制律之ECC(TDV-512)碟測試結果(1X) 70 【圖5-46】韌體控制律之ECC(TDV-512)碟測試結果(1X) 71 【圖5-47】模式切換控制律之標準片測試結果(2X) 71 【圖5-48】韌體控制律之標準片測試結果(2X) 72 【圖5-49】模式切換控制律之DEV(TDV-532)碟測試結果(2X) 72 【圖5-50】韌體控制律之DEV(TDV-532)碟測試結果(2X) 73 【圖5-51】模式切換控制律之ECC(TDV-512)碟測試結果(2X) 73 【圖5-52】韌體控制律之ECC(TDV-512)碟測試結果(2X) 74 【圖B-1】ADSP-2189M核心架構 82 【圖B-2】Visual DSP++程式發展流程 84 【圖C-1】ADC10064電路接線圖 85 【圖C-2】AD767電路接線圖 87 表目錄 【表5-1】聚焦穩態響應性能衡量表 52 【表5-2】定軌穩態響應性能衡量表 65

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