專利名稱：伺服系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在諸如CD和DVD播放器和/或記錄器的光學(xué)數(shù)據(jù)讀出和/或?qū)懭胙b置中使用的伺服系統(tǒng)。而且，本發(fā)明還涉及在這樣的CD和DVD播放器和/或記錄器中對于光學(xué)拾取的伺服控制的方法。
CD(緊致盤)和VCD(數(shù)字視頻盤)光學(xué)數(shù)據(jù)讀出和/或?qū)懭胙b置現(xiàn)在例如在筆記本電腦、音頻高保真度設(shè)備和視頻設(shè)備中廣泛地通用。現(xiàn)在有許多利用各種各樣的裝置實施方案來制造這樣的數(shù)據(jù)裝置的制造商。然而，有一些主要的部件是在這些數(shù)據(jù)裝置中基本上普遍存在的。
每個CD和/或DVD存儲介質(zhì)包括被夾在兩個基本光透明的塑料材料盤狀層之間的至少一個盤狀金屬層，該至少一個金屬層包括被布置成以CD和/或DVD的中心軸為中心的弧形空間排列的像素序列，該軸與CD和/或DVD的平面正交。傳統(tǒng)上，每個CD和/或DVD在其上有一個中心孔，其用于嚙合驅(qū)動機構(gòu)，以便旋轉(zhuǎn)CD和/或DVD。
每個上述的數(shù)據(jù)讀出和/或?qū)懭胙b置包括驅(qū)動機構(gòu)以用于嚙合CD和/或DVD的上述的中心孔部分，該機構(gòu)包括驅(qū)動電動機以用于提供旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，以便旋轉(zhuǎn)CD和/或DVD。而且，每個裝置還包括可移動臂，常常稱為“滑軌(sled)”臂。該臂在它的第一端處被樞軸地安裝。而且，該臂配備有滑軌電動機，用于相對于被嚙合在驅(qū)動機構(gòu)的CD和/或DVD的平表面徑向地移動；滑軌電動機優(yōu)選地是一個電磁部件，它包括永久電磁鐵，用于生成相關(guān)的磁場，以及一個或多個被機械地連接到所述臂并陷入所述磁場中的線圈。在遠離所述臂的第一末端的第二末端處，提供了光學(xué)拾取組件，其能夠被放置在CD和/或DVD的平表面附近以及相對于該表面被粗驅(qū)動，例如通過作用在臂上的滑軌電動機進行“長距離跳躍”。該拾取組件包括固態(tài)激光器，用于生成光學(xué)探測(interrogating)輻射光束；透鏡裝置，用于聚焦輻射光束，以生成精細聚焦的輻射光束，用于探測被形成在上述的至少一個金屬層上的各個數(shù)據(jù)像素；以及光檢測器，用于檢測通過透鏡裝置返回到檢測器的、相應(yīng)于從該至少一個金屬層反射回來的精細聚焦的光束的一部分的反射輻射的波動。精確致動器機構(gòu)同樣經(jīng)常被實施為電磁換能器，其被插入在所述臂的第二末端與光學(xué)拾取組件之間，用于對該拾取組件的精細位置控制，例如用于進行“短跳躍”和用于提供對拾取組件的快速調(diào)節(jié)以確保精確的跟蹤。每個裝置還包括伺服控制單元，用于控制所述臂和拾取組件以便把拾取組件移動到想要的軌道組(這樣的移動常常相應(yīng)于典型的幾毫米的橫向移動)，以及用于控制該精確致動器機構(gòu)以便保持拾取組件精確地(例如以1μm量級的精度)對準到CD和/或DVD上的數(shù)據(jù)像素的一個優(yōu)選的連續(xù)軌道。為了達到快速的致動響應(yīng)，特別是在CD和/或DVD旋轉(zhuǎn)時執(zhí)行對拾取組件位置的相對較小的調(diào)節(jié)時，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)致動器機構(gòu)和滑軌臂的組合是達到基本上最佳性能的最佳結(jié)構(gòu)。
因此，需要上述的伺服控制單元來控制滑軌電動機和精確致動器機構(gòu)。需要該單元不單提供快速軌道尋找(例如在其中光學(xué)拾取需要從基本上最里面的軌道快速切換到基本上最外面的軌道)，還提供可靠的軌道對準，例如在存在機械震動、在CD和/或DVD的表面上偶爾存在遮光的灰塵粒子以及在至少一個金屬層上有制造缺陷的情形下。
用于上述伺服控制單元的替換設(shè)計在技術(shù)上是以前已知道的。例如，這樣的伺服控制單元的適當(dāng)設(shè)計在已公布的美國專利號No.6,154,424中被描述；其中描述了用于把拾取頭定位在想要的位置上的控制裝置，該裝置適合于在兩個階段操作，即在第一階段和第二階段。第一階段涉及到利用速度控制來克服與控制該裝置的雙塊(bi-mass)系統(tǒng)有關(guān)的控制問題。第二階段涉及到逐漸切換裝置位置控制的模式，以使得拾取頭可以精確地達到它的目的地，同時減小位置波動問題，從而提高跟蹤控制的正確程度。該裝置利用前饋控制，以便正確地校正由系統(tǒng)特性或摩擦引起的穩(wěn)態(tài)誤差，還利用位置反饋控制和切換因子以便在速度和位置控制的各模式之間的更逐漸地切換。因此，在更粗的拾取頭定位時使用的該裝置的滑軌電動機的位置和速度可以通過使用所述控制裝置來控制，同時控制拾取頭的局部致動，由此使得拾取頭能夠更平滑地達到它的目的地，從而導(dǎo)致更平滑的跟蹤控制。
在另一個美國專利號No.5,164,931中描述了一種用于控制記錄/重放頭的位置的方法和設(shè)備。該設(shè)備和方法被安排成當(dāng)該頭達到想要的目標位置附近時，該設(shè)備從作為速度控制系統(tǒng)操作切換到作為位置控制系統(tǒng)操作。通過例如使用在上述的速度與位置控制之間的過渡時間下相關(guān)的該頭的狀態(tài)變量，相應(yīng)于相關(guān)的檢測到的狀態(tài)變量的系數(shù)事先從該頭的特性被確定。通過使用所確定的狀態(tài)變量，在設(shè)備的位置控制開始時采用所述的初始值，然后實行位置控制。
本發(fā)明的發(fā)明人認識到，現(xiàn)有伺服控制單元有效地采用一種三級控制方法，即(a)當(dāng)需要拾取組件的長距離跳躍時，該方法主要涉及到滑軌電動機的使用；如果需要，滑軌電動機配備有位置控制傳感器，以幫助對拾取組件的粗定位。為了提供快速軌道接入，滑軌電動機優(yōu)選地以全部功率操作；在這種情形下，為了減小臂的過沖，當(dāng)拾取組件與其最后想要的位置的距離到達第一閾值內(nèi)時，滑軌電動機受到減速，也稱為制動。當(dāng)臂受到制動時，該方法牽涉到在第一閾值下從基于滑軌電動機的初步控制(其中致動器組件位置控制相對于滑軌電動機來說是次要的)切換到主要基于致動器組件的速度控制(其中滑軌電動機的控制相對于其是次要的)；這樣的致動器組件速度控制利用伺服控制單元中的PI(即“比例積分”)反饋控制。當(dāng)拾取組件速度達到第二閾值時，該方法切換到利用伺服單元中的PID(即“比例積分微分”，proportional-integal-differential)反饋控制，以用于提供拾取組件對各個像素序列的精確的跟蹤；以及(b)當(dāng)需要拾取組件的短距離跳躍時，該方法主要涉及到對以PI控制來操作的致動器組件的使用(其中滑軌電動機是次要的)，直至達到第二閾值為止，此后施加上述的PID控制。
因此，該方法牽涉到三個不同的控制范圍，即滑軌減速度制動、PI致動器組件速度控制和PID致動器組件精確跟蹤控制。
本發(fā)明的發(fā)明人認識到，關(guān)于致動器組件伺服控制，在PI和PID控制之間的切換雖然代表直截了當(dāng)?shù)膶嵤┓桨?，但不是最佳的，并且?dāng)由上述的光學(xué)裝置進行短的和長的跳躍時，諸如技術(shù)上已知的“徑向int.clip”和“子碼超時(subcode timeout)”之類的操作錯誤會變得成問題。
在設(shè)計本發(fā)明時，本發(fā)明的發(fā)明人力圖通過更多注意施加到致動器組件(其提供對拾取組件的精細的位置控制)的伺服控制而提供對于在現(xiàn)有伺服控制單元中遇到的操作錯誤的至少部分解決方案。
本發(fā)明的第一目的是提供一種光學(xué)拾取組件致動控制的增強的方法，用于提供潛在地更快速的像素軌道接入。
本發(fā)明的第二目的是改進在搜索像素軌道時光學(xué)拾取組件位置控制的可靠性。
按照本發(fā)明的第一方面，提供了一種用于控制數(shù)據(jù)讀出和/或?qū)懭胙b置中的傳感器組件的位置的伺服系統(tǒng)，該裝置包括(a)至少一個致動裝置，用于空間致動一個結(jié)構(gòu)組件和它的相關(guān)的傳感器組件，該系統(tǒng)還包括(b)控制裝置，其與所述至少一個致動裝置通信，用于控制該結(jié)構(gòu)組件和傳感器組件的空間移動，該控制裝置可用來(d)當(dāng)該傳感器組件基本上遠離想要的目標位置時，對所述至少一個致動裝置基本上施加速度反饋控制；以及(e)當(dāng)該傳感器組件基本上在空間上靠近想要的目標位置時，對所述至少一個致動裝置基本上施加位置反饋控制，該控制裝置還包括極點補償(pole-compensating)濾波裝置，用于至少部分補償該結(jié)構(gòu)組件和它的傳感器組件的響應(yīng)極點，以便在系統(tǒng)操作期間導(dǎo)致在所述基本上的速度反饋控制與所述位置反饋控制之間的更平滑的切換，以用于增強當(dāng)被該控制裝置控制時的該系統(tǒng)的時間和空間響應(yīng)中的至少一項。
本發(fā)明的優(yōu)點在于，它能夠達到本發(fā)明的一個或多個目的。
優(yōu)選地，在該系統(tǒng)中，該裝置至少是雙塊結(jié)構(gòu)，其中所述至少一個致動裝置包括(a)第一致動裝置，用于空間致動該結(jié)構(gòu)組件；以及(b)第二致動裝置，其被插入在該結(jié)構(gòu)組件的可移動的致動區(qū)域與該傳感器組件之間，用于相對于該致動區(qū)域致動該傳感器組件，該系統(tǒng)還被安排成使得(c)所述控制裝置被耦合成與第一和第二致動裝置通信，以用于控制該結(jié)構(gòu)組件和傳感器組件的空間運動，該控制裝置用來(d)當(dāng)該傳感器組件基本上遠離想要的目標位置時，對第一和第二致動裝置基本上施加速度反饋控制；以及(e)當(dāng)該傳感器組件基本上在空間上靠近想要的目標位置時，對第一和第二致動裝置基本上施加位置反饋控制，該控制裝置還包括極點補償濾波裝置，用于至少部分地補償該雙塊系統(tǒng)的響應(yīng)極點，以便在系統(tǒng)操作期間導(dǎo)致在所述基本上速度反饋控制與所述位置反饋控制之間的更平滑的切換，以用于增強當(dāng)被控制裝置控制時的該系統(tǒng)的時間和空間響應(yīng)中的至少一項。
各包括至少兩個致動裝置的雙塊系統(tǒng)的優(yōu)點在于，能夠由第一致動裝置以相對較慢的響應(yīng)提供大的動態(tài)范圍的最佳化，和由第二致動裝置以相對較快的響應(yīng)提供小的動態(tài)范圍的最佳化。這樣的特性組合在其中一個區(qū)域按常規(guī)方式的方法以精細的細節(jié)被探測的情形下(例如當(dāng)從磁數(shù)據(jù)載體和/或光學(xué)數(shù)據(jù)載體讀出大的數(shù)據(jù)塊時)是特別有利的。
因此，優(yōu)選地，第一致動裝置被安排成比起第二致動裝置提供更大的空間致動動態(tài)范圍，以及作用在傳感器組件上的第二致動裝置被安排成比起作用在結(jié)構(gòu)組件和由此作用在第二致動裝置和它的相關(guān)傳感器組件上的第一致動裝置提供更快速的時間響應(yīng)。而且，第二致動裝置優(yōu)選地被安排成比起第一致動裝置呈現(xiàn)更小的空間動態(tài)范圍。
所述系統(tǒng)優(yōu)選地采用一種用于速度控制的相對較穩(wěn)定的反饋功能，即速度反饋控制基本上作為比例積分PI反饋控制環(huán)被有利地實施。而且，類似地，位置反饋控制基本上作為受到極點補償濾波裝置的作用的比例積分微分PID反饋控制環(huán)被有利地實施。極點補償濾波裝置是特別有利的，這是在于它能夠至少部分地校正由致動裝置和結(jié)構(gòu)組件引起的特性，所述特性與PID控制和/或PI控制單獨組合會導(dǎo)致系統(tǒng)的不令人滿意的動態(tài)操作性能。
為了使得所述系統(tǒng)在精細掃描作為CD和/或DVD的數(shù)據(jù)記錄表面區(qū)域的相當(dāng)大的部分的區(qū)域時正確地工作，所述控制裝置用來在所述速度反饋控制時使得第二致動裝置從屬于第一致動裝置，以及在所述位置反饋控制時使得第一致動裝置從屬于第二致動裝置。
優(yōu)選地，例如為了提供更快速的軌道尋找響應(yīng)，所述控制裝置用來(a)對第一致動裝置施加加速度處理和隨后的減速度制動處理；以及(b)當(dāng)傳感器組件取得預(yù)定義閾值速度和在該傳感器組件與目標位置之間的預(yù)定義空間誤差二者當(dāng)中的至少一項時，在所述速度反饋控制與所述位置反饋控制之間切換。
優(yōu)選地，所述系統(tǒng)至少部分地由能夠集成到一個或多個集成電路中的數(shù)字邏輯電路實施。所以，在該系統(tǒng)中，相應(yīng)于結(jié)構(gòu)組件的極點響應(yīng)的數(shù)據(jù)優(yōu)選地被數(shù)字地記錄為極點響應(yīng)數(shù)據(jù)，以及控制裝置被數(shù)字地實施來利用所述極點響應(yīng)數(shù)據(jù)。
為了以可接受的過沖提供最佳的快速響應(yīng)，所述控制裝置被安排成當(dāng)在速度反饋控制與位置反饋控制之間切換時呈現(xiàn)在0.6到1.3的范圍內(nèi)的阻尼因子。更具體地，例如基本上如圖7所示和以后描述的那樣，控制裝置被安排成當(dāng)在速度反饋控制與位置反饋控制之間切換時基本上被臨界阻尼。
優(yōu)選地，所述極點補償濾波裝置被安排成通過把相應(yīng)的響應(yīng)零點施加到控制裝置而與致動裝置和傳感器組件相組合地至少部分地補償結(jié)構(gòu)組件的至少一個開環(huán)響應(yīng)極點。通過這樣的補償處理，系統(tǒng)的動態(tài)建立(settling)特性往往取決于控制裝置而不是取決于致動裝置和它的相關(guān)的結(jié)構(gòu)組件。
所述系統(tǒng)在應(yīng)用于CD設(shè)備時是特別有利的。優(yōu)選地，該系統(tǒng)被引入到一個或多個CD讀出和/或?qū)懭胙b置中，用于控制在該裝置內(nèi)被實施為光學(xué)單元的傳感器組件，該裝置可用來從CD讀出數(shù)據(jù)和/或把數(shù)據(jù)寫入到CD。另外或替換地，該系統(tǒng)被有利地合并到一個或多個DVD讀出和/或?qū)懭胙b置中，用于控制被實施為該裝置內(nèi)的光學(xué)單元的傳感器組件，該裝置可用來從DVD讀出數(shù)據(jù)和/或把數(shù)據(jù)寫入到DVD。
然而，所述系統(tǒng)有利地適于其它的用途，其中盡管與CD和/或DVD設(shè)備具有不同的物理尺度，但是都會遇到類似的精確控制問題。因此，該系統(tǒng)優(yōu)選地適于控制一個或多個拾取和安放(pick-and-place)機器人、起重機和機械工具。
為了改進控制精度和/或控制速度，所述結(jié)構(gòu)組件、致動裝置和傳感器組件當(dāng)中的至少一項優(yōu)選地配備有空間位置、速度、旋轉(zhuǎn)和/或加速度測量裝置，以便由所述控制裝置在控制傳感器組件的空間位置時使用。
按照本發(fā)明的第二方面，提供了一種在數(shù)據(jù)讀出和/或?qū)懭胙b置中用于控制傳感器組件的位置的伺服控制方法，該裝置包括(a)至少一個致動裝置，用于空間致動一個結(jié)構(gòu)組件和它的相關(guān)的傳感器組件，(b)控制裝置，與所述至少一個致動裝置通信，用于控制該結(jié)構(gòu)組件和傳感器組件的空間移動，該方法包括由控制裝置執(zhí)行以下步驟(d)當(dāng)傳感器組件基本上遠離想要的目標位置時，對所述至少一個致動裝置基本上施加速度反饋控制；以及(e)當(dāng)傳感器組件基本上在空間上靠近想要的目標位置時，對所述至少一個致動裝置基本上施加位置反饋控制，該控制裝置還包括極點補償濾波裝置，用于至少部分地補償該結(jié)構(gòu)組件和它的傳感器組件的響應(yīng)極點，以便在系統(tǒng)操作期間導(dǎo)致在所述基本上速度反饋控制與所述位置反饋控制之間的更平滑的切換，以用于增強當(dāng)被控制裝置控制時的該系統(tǒng)的時間和空間響應(yīng)中的至少一項。
本發(fā)明的方法的優(yōu)點在于，它能夠達到本發(fā)明的一個或多個目的。
優(yōu)選地，所述裝置至少是雙塊結(jié)構(gòu)，其中所述至少一個致動裝置包括(a)第一致動裝置，用于空間致動該結(jié)構(gòu)組件；以及(b)第二致動裝置，其被插入在該結(jié)構(gòu)組件的可移動的致動區(qū)域與該傳感器組件之間，用于相對于該致動區(qū)域致動該傳感器組件，以使得(c)所述控制裝置被耦合成與第一和第二致動裝置通信，以用于控制該結(jié)構(gòu)組件和傳感器組件的空間移動，以及以使得該控制裝置用來(d)當(dāng)傳感器組件基本上遠離想要的目標位置時，對第一和第二致動裝置基本上施加速度反饋控制；以及(e)當(dāng)傳感器組件基本上在空間上靠近想要的目標位置時，對第一和第二致動裝置基本上施加位置反饋控制，所述控制裝置還包括極點補償濾波裝置，用于至少部分地補償所述雙塊結(jié)構(gòu)的響應(yīng)極點，以便在該裝置操作期間導(dǎo)致在所述基本上速度反饋控制與所述位置反饋控制之間的更平滑的切換，以用于增強當(dāng)被控制裝置控制時的該系統(tǒng)的時間和空間響應(yīng)中的至少一項。
優(yōu)選地，在該方法中，第一致動裝置被安排成比起第二致動裝置提供更大的空間致動動態(tài)范圍，以及作用在傳感器組件上的第二致動裝置被安排成比起作用在結(jié)構(gòu)組件和由此作用在第二致動裝置和它的相關(guān)的傳感器組件上的第一致動裝置提供更快速的時間響應(yīng)。
優(yōu)選地，第二致動裝置優(yōu)選地被安排成比起第一致動裝置呈現(xiàn)更小的空間動態(tài)范圍。
優(yōu)選地，速度反饋控制基本上作為比例積分PI反饋控制環(huán)被實施。類似地，位置反饋控制基本上作為受到極點補償濾波裝置的作用的比例積分微分PID反饋控制環(huán)被實施。
優(yōu)選地，所述控制裝置用來在所述速度反饋控制時使得第二致動裝置從屬于第一致動裝置，以及在所述位置反饋控制時使得第一致動裝置從屬于第二致動裝置。
優(yōu)選地，所述控制裝置用來(a)對第一致動裝置施加加速度處理和隨后的減速度制動處理；以及(b)當(dāng)傳感器組件取得預(yù)定義閾值速度和在傳感器組件與目標位置之間的預(yù)定義空間誤差二者當(dāng)中的至少一項時，在所述速度反饋控制與所述位置反饋控制之間切換。
優(yōu)選地，相應(yīng)于結(jié)構(gòu)組件的極點響應(yīng)的數(shù)據(jù)優(yōu)選地被數(shù)字地記錄為極點響應(yīng)數(shù)據(jù)，以及控制裝置被數(shù)字地實施來利用所述極點響應(yīng)數(shù)據(jù)。
優(yōu)選地，所述控制裝置被安排成當(dāng)在速度反饋控制與位置反饋控制之間切換時呈現(xiàn)在0.6到1.3的范圍內(nèi)的阻尼因子。更具體地，控制裝置被安排成當(dāng)在速度反饋控制與位置反饋控制之間切換時基本上被臨界阻尼。
優(yōu)選地，所述極點補償濾波裝置被安排成通過把相應(yīng)的響應(yīng)零點加到控制裝置而與致動裝置和傳感器組件相組合地至少部分地補償結(jié)構(gòu)組件的至少一個開環(huán)響應(yīng)極點。
優(yōu)選地，該方法被應(yīng)用到一個或多個CD讀出和/或?qū)懭胙b置，用于控制在該裝置內(nèi)被實施為光學(xué)單元的傳感器組件，該裝置可用來從CD讀出數(shù)據(jù)和/或把數(shù)據(jù)寫入到CD。另外或替換地，該方法被應(yīng)用到一個或多個DVD讀出和/或?qū)懭胙b置，用于控制被實施為該裝置內(nèi)的光學(xué)單元的傳感器組件，該裝置可用來從DVD讀出數(shù)據(jù)和/或把數(shù)據(jù)寫入到DVD。
優(yōu)選地，在其中需要快速致動和精確定位的另外的使用場合下，該方法可適于控制撿放機器人、起重機和機械工具當(dāng)中的一個或多個。更優(yōu)選地，在該方法中，結(jié)構(gòu)組件、致動裝置和傳感器組件當(dāng)中的至少一項配備有空間位置、速度、旋轉(zhuǎn)和/或加速度測量裝置，以便由控制裝置在控制傳感器組件的空間位置時使用。
將會看到，在不背離本發(fā)明的范圍的情況下，本發(fā)明的特性易于以任何組合方式被組合。
現(xiàn)在參照以下的附圖，僅僅作為例子來描述本發(fā)明的實施例，其中

圖1是與CD和/或DVD有關(guān)的CD和/或DVD讀出和/或?qū)懭胙b置的示意圖；圖2是顯示當(dāng)在CD和/或DVD讀出裝置中被致動來執(zhí)行長跳躍時的光學(xué)拾取組件徑向速度的曲線圖；圖3是顯示當(dāng)在配備有尋找和位置控制傳感器(PCS)的CD和/或DVD讀出裝置中被致動來執(zhí)行長跳躍時的光學(xué)拾取組件徑向速度的曲線圖；圖4是在驅(qū)動該裝置的致動器組件時使用的、圖1的裝置的控制單元內(nèi)所包括的PI和PID可切換的反饋控制環(huán)的示意圖；圖5是顯示在如圖4所示的其反饋控制環(huán)中采用輸入成形濾波器的、圖1的裝置的建立性能的曲線圖；圖6是顯示在如圖4所示的其反饋控制環(huán)中不帶有輸入成形濾波器的、圖1的裝置的建立性能的曲線圖；圖7是顯示帶有和不帶有圖5的輸入成形濾波器的、圖1的裝置的瞬態(tài)響應(yīng)的曲線圖；以及圖8是適用于在伺服控制集成電路上實施的本發(fā)明的優(yōu)選實施例的示意性表示。
參照圖1，圖上顯CD和/或DVD讀出和/或?qū)懭胙b置，總的用10表示。裝置10用來從相關(guān)的CD和/或DVD 14讀出像素數(shù)據(jù)和/或把像素數(shù)據(jù)寫入到CD和/或DVD 14。裝置10包括驅(qū)動電動機16，用于使得CD和/或DVD 14圍繞它的中心軸沿箭頭18指示的方向旋轉(zhuǎn)。裝置10還包括伸長臂22，其圍繞軸W樞軸地安裝在它的第一末端，以便能夠相對于CD和/或DVD 14沿箭頭24指示的基本上徑向方向旋轉(zhuǎn)。在臂22的遠離它的第一末端的第二末端處，提供有被顯示為被包括在虛線26內(nèi)的光傳感器裝置。該傳感器裝置包括致動器組件28，其被機械地耦合到臂22的第二末端以及也被耦合到光學(xué)拾取組件30，以便能夠相對于臂22的第二末端精確地驅(qū)動拾取組件30。拾取組件30包括由32表示的光學(xué)部件，例如一個或多個透鏡、一個或多個激光器和一個或多個光檢測器。裝置10還包括一個伺服控制單元(SERVOCNTL UNIT)34，用于接收針對拾取組件30的拾取信號和/或輸出寫入信號到拾取組件，用于輸出第一位置控制驅(qū)動信號S1到致動器組件28，用于輸出第二位置控制驅(qū)動信號S2到滑軌電動機36以用于產(chǎn)生致動力F，以及用于輸出驅(qū)動信號SM到電動機16以控制它的旋轉(zhuǎn)速率。
在操作中，滑軌電動機36負責(zé)橫向地粗移動傳感器裝置。而且，致動器組件28用來精細移動拾取組件30，以確保精確地跟蹤在CD和/或DVD 14上的弧形像素行。拾取組件30用來生成光輻射的精細聚焦的光點，以用于探測CD和/或DVD 14和/或用于把數(shù)據(jù)寫在其上。
接著參照圖2，圖上顯示一個曲線圖，總的表示為40。曲線圖40涉及到裝置10和它在致動它的光學(xué)拾取組件30從CD和/或DVD 14的第一軌道到第二軌道(例如從基本上最里面的軌道到基本上最外面的軌道)的長跳躍時的操作特性。
曲線圖40包括相應(yīng)于光學(xué)拾取組件相對于CD和/或DVD 14的位置(PP)的橫坐標軸50和相應(yīng)于光學(xué)拾取組件30的探測光輻射光點速度(SV)的縱坐標軸45；組件位置PP相應(yīng)于拾取組件30的軌道位置(TRKS)。
曲線圖40包括當(dāng)滑軌電動機36用來驅(qū)動臂22時相應(yīng)于致動器阻尼和前饋控制(AD+FF)的第一區(qū)域。圖上也顯示相應(yīng)于滑軌制動距離(SBD)的滑軌制動控制區(qū)域(SBC)，其中臂22和它的拾取組件30被減速操作。而且，曲線圖40還包括滑軌從屬區(qū)域(SS)，其中拾取組件30通過由致動器組件28提供的上述PI致動器速度控制(AVC)而被定位；當(dāng)光點速度SV小于預(yù)定的速度閾值(STH)時進入SS區(qū)域，如圖所示。而且，曲線圖40還包括制動距離(BD)，其中拾取組件30在上述PI致動器組件速度控制下變慢。當(dāng)拾取組件30基本上在它的預(yù)定目標軌道位置(TT)的軌道距離內(nèi)時(在該位置處拾取組件30得到最小速度(VM))，上述PID控制然后被利用于光學(xué)拾取光點位置控制。因此，曲線圖40提供對上述方法的說明。
現(xiàn)在參照圖2的曲線圖40并結(jié)合圖1的裝置10來更詳細地描述CD和/或DVD裝置的操作。當(dāng)需要光學(xué)拾取組件30進行大的跳躍時，滑軌電動機36被控制單元34驅(qū)動，以便在區(qū)域55中加速臂22和它的拾取組件30，滑軌電動機36被全功率驅(qū)動。臂22和它的拾取組件30然后達到相應(yīng)于滑軌全功率(SFP)的它的最終的最大值速度60。在達到目標軌道TT之前的距離63處，所述臂22和它的拾取組件30進入滑軌制動區(qū)域SBC，這時控制單元34用來驅(qū)動滑軌電動機使得臂22和它的拾取組件30減速(即制動)。當(dāng)拾取組件30的速度SV下降到閾值STH時，臂22和它的拾取組件30的控制在控制單元34內(nèi)被切換到PI反饋控制65，這造成臂22和它的拾取組件30以相對較慢的更精確的速率減速，如圖所示。當(dāng)臂22和它的拾取組件30達到目標軌道位置TT時，在控制單元34內(nèi)的控制被切換到上述的PID控制以用于達到像素軌道鎖定(即致動器跟蹤(AT))，在這時臂22和它的拾取組件30以速度最小值VM被驅(qū)動，并且滑軌電動機36當(dāng)從屬于拾取組件30的致動器組件28時以滑軌步進模式(SSM)操作。
因此，區(qū)域55、60、63相應(yīng)于這樣的滑軌電動機36操作區(qū)域，其中控制單元34被安排成驅(qū)動從屬于滑軌電動機36的、與拾取組件30有關(guān)的致動器組件28。相反，在區(qū)域65，控制單元34被安排成使得滑軌電動機36從屬于致動器組件28，在這時利用PI反饋。到達目標軌道TT之后，在控制單元34內(nèi)利用上述的PID控制來保持在CD和/或DVD 14上的光點跟蹤。
裝置10的性能通過把一個位置傳感器包括在其中而被改進，當(dāng)尋找特定的軌道時該位置傳感器被使用來提供臂位置信息。帶有這樣的傳感器的裝置10的性能被顯示于圖3，在該圖上曲線圖總的用80表示。裝置10被安排成利用位置控制傳感器(PCS)位置控制，它利用了在控制單元34中執(zhí)行的平方根設(shè)置點計算(PCS-PSSC)。這樣的PSC-PSSC控制包括在初始加速和隨后的滑軌電動機34減速期間的致動器阻尼和平方根前饋控制(AD+SFF)(相應(yīng)于區(qū)域85、90)，隨后是當(dāng)拾取組件30達到低于閾值STH的速度時在區(qū)域95中的致動器速度控制(AVC)。當(dāng)達到速度最小值VM時，裝置10進入它的操作的位置控制傳感器跟蹤模式(PCS-TM)，在這時，在具有用作為從屬的滑軌電動機36的控制單元34中，在PID反饋下利用致動器跟蹤。
如上所述，本發(fā)明的發(fā)明人認識到，為了在跟蹤期間同時兼顧穩(wěn)定性、魯棒性和精確性，對PI和PID控制反饋進行最佳設(shè)計以便分別在AVC區(qū)域中和此后在以速度最小值VM精確跟蹤期間使用是一項復(fù)雜的任務(wù)。例如，當(dāng)拾取速度SV小于閾值STH時所利用的速度反饋被設(shè)計成預(yù)期提供用于裝置10的快速的和精確的跳躍特性和在滑軌電動機36操作占主導(dǎo)地位的早先區(qū)域與致動器組件28操作占主導(dǎo)地位的情形之間的平滑接口。由于在各個CD和/或DVD 14之間的潛在地相對較大的變化、使用溫度、和在大批生產(chǎn)的類似的裝置10之間的摩擦特性，至今為止很難較好地對于通常類似于裝置10的CD和DVD讀出和/或?qū)懭胙b置的反饋控制進行最佳化。在傳統(tǒng)的CD和/或DVD讀出裝置中，致動器控制在一個常常相對不確定地和/或不適當(dāng)?shù)匾鹣鄳?yīng)的不可靠性問題的距離處從上述的PI控制模式切換到PID控制模式。
本發(fā)明的發(fā)明人因此設(shè)計了一種控制裝置10的更好的方法，該方法能夠在用于探測和/或?qū)懭氲紺D和/或DVD 14的跟蹤模式時給它提供更快速的建立響應(yīng)和增強的可靠性。
接著參照圖4，圖上以示意圖形式顯示出在控制單元34內(nèi)被執(zhí)行的、按照本發(fā)明的反饋控制環(huán)，總的表示為100，它基本上在臂22達到閾值速度STH后被使用來提供對致動裝置28的反饋控制。該反饋控制環(huán)與傳統(tǒng)上在CD和/或DVD寫入和/或讀出裝置中利用的現(xiàn)有反饋控制環(huán)相比較，能夠提供增強的性能。
控制環(huán)100包括比例積分(PI)速度控制環(huán)(總的用105表示并且被顯示為被包括在虛線110的范圍內(nèi))以及比例積分微分(PID)位置控制環(huán)(總的用115表示并且被顯示為被包括在虛線120的范圍內(nèi))。
PI控制環(huán)105包括適用于如在尋找模式(SEK MOD)下進行軌道尋找的控制功能，即環(huán)105包括軌道計數(shù)器122，其與速度控制124有效地串聯(lián)耦合，如圖所示。相反，PID控制環(huán)115包括適用于保持拾取組件30對優(yōu)選的徑向像素行的跟蹤的控制功能，即環(huán)115包括輸入形狀濾波器功能(IP SHP FLT)126，其與比例積分微分控制功能(PID CONT)128有效地并聯(lián)耦合；濾波器功能126與控制功能128被安排成提供分別由拉普拉斯表達式F(s)和K(s)表示的轉(zhuǎn)移特性。功能126、128被安排成接收具有初始值e0、v0的共同的輸入，其重要性將在后面描述。來自功能126、128的輸出(例如來自功能126的輸出a(s))被耦合到用于提供控制環(huán)115的總的輸出的求和功能130。
輸入和輸出開關(guān)(SW)140a、140b分別在伺服控制單元34內(nèi)被提供，用于選擇性地在環(huán)105、115之間切換，這取決于拾取組件30的光點速度(SV)是正在向上移動還是基本上處在速度最小值VM(如圖2和3所示)。裝置10被安排成包括驅(qū)動器緩沖放大器(ACT DRV)150，用于接收來自控制單元34的信號S1和提供輸出信號u(s)，以用于驅(qū)動致動器組件28；在本發(fā)明的上下文中，符號“s”相應(yīng)于拉普拉斯算子。驅(qū)動放大器150被安排成提供轉(zhuǎn)移特性，其由拉普拉斯表達式G2(s)表示。致動器組件(RAD ACT)28本身在圖4上由160表示，以及把拾取組件30的位置y(s)與輸出信號u(s)相聯(lián)系的、它的轉(zhuǎn)移特性由拉普拉斯表達式Hact(s)表示。
對于圖4，裝置10也配備有位置傳感器170，用于傳感拾取組件30的位置y(s)，由此把位置y(s)變換成相應(yīng)的位置信號e(s)，其中位置y(s)和參數(shù)e(s)通過拉普拉斯表達式G1(s)相聯(lián)系(如圖4所示)。
在設(shè)計本發(fā)明時，本發(fā)明的發(fā)明人認識到，可以有利地考慮裝置10的動態(tài)性能。因為裝置10具有反饋系統(tǒng)的形式，所以發(fā)明人認識到，為達到裝置10的最佳化，使用拉普拉斯表示法的反饋分析是有利的。在進行這樣的分析時，本發(fā)明的發(fā)明人認識到，通過包括輸入形狀濾波器126以補充PID控制器128，可以得到幾個潛在的優(yōu)點。具體地，濾波器126的包括能夠提供在控制105、115之間的更平滑的和更可靠的切換，由此提高裝置10的操作的可靠性和速度。
為了更全面地理解裝置10的動態(tài)性能特性，本發(fā)明的發(fā)明人認識到對于圖1到4顯示的裝置10易于以如公式(1)的開環(huán)形式被描述H(s)＝Hact(s)·G1(s)·K(s)·G2(s)＝Hact(s)·K(s)·K0公式(1)其中H(s)＝開環(huán)拉普拉斯轉(zhuǎn)移函數(shù)；以及K0＝在裝置10的工作頻率內(nèi)(即高到幾kHz)近似拉普拉斯表達式G1(s)、G2(s)的系數(shù)當(dāng)施加負反饋時(如在裝置10中)，拾取組件30的位置信號e(s)和實際的物理位置通過公式(2)與系統(tǒng)位置要求參數(shù)r(s)相聯(lián)系e(s)＝r(s)-y(s)公式(2)位置信號e(s)也稱為對于閉環(huán)操作的“徑向誤差”。
因此，在裝置10中利用的閉環(huán)負反饋結(jié)構(gòu)中，描述裝置10的總的閉環(huán)拉普拉斯轉(zhuǎn)移由公式(3)給出e(s)r(s)=11+H(s)=N(s)D(s)]]>公式(3)其中D(s)和N(s)是為了代數(shù)方便性而引入的相應(yīng)的拉普拉斯表達式。對于非零初始條件(即其中初始條件e0、v0分別涉及在功能105、115之間進行切換時的拾取組件30的徑向位置誤差和致動器組件28的速度)，公式(3)被修改為用于描述裝置10的公式(4)的更全面的表示式e(s)=N(s)D(s)r(s)+C1(s)D(s)e0+C2(s)D(s)v0]]>公式(4)
其中e(s)＝拾取組件30的閉環(huán)位置誤差的表示；以及C1(s)，C2(s)＝拉普拉斯算子“s”中的多項式，包括由初始條件引起的各項。
本發(fā)明的發(fā)明人認識到，輸入形狀濾波器126的包括可以通過補充傳統(tǒng)上僅僅由PID控制功能128提供的反饋來提高裝置10的動態(tài)性能。在設(shè)計輸入形狀濾波器126時，本發(fā)明的發(fā)明人認識到，從濾波器126提供的輸出a(s)能夠被表示為如公式(5)的拉普拉斯表達式a(s)=n1(s)d(s)e0+n2(s)d(s)v0]]>公式(5)其中d(s)、n1(s)、n2(s)是拉普拉斯多項式。
因此，通過組合公式4和5，徑向誤差e(s)易于從公式(6)確定e(s)=N(s)D(s)r(s)+[C1(s)·d(s)-Na(s)·n1(s)]D(s)·d(s)e0+[C2(s)·d(s)-Na(s)·n2(s)]D(s)·d(s)v0]]>公式(6)其中Na(s)是考慮到輸入形狀濾波器126的動作的多項式。
由于以上提供的多項式D(s)的拉普拉斯根不一定相應(yīng)于裝置10的最佳動態(tài)性能的想要的根，本發(fā)明的發(fā)明人認識到，輸入形狀濾波器126可以被設(shè)計成使得它可以通過響應(yīng)零點來抵銷多項式D(s)的所有的根，這樣，反饋功能105、115的響應(yīng)(特別是在開關(guān)140a、140b在功能105、115之間進行切換時)被大大地改進；例如多項式d(s)的極點被安排成主導(dǎo)裝置10的動態(tài)操作。在確定響應(yīng)零點和極點的適當(dāng)?shù)奈恢脮r，本發(fā)明的發(fā)明人認識到，拉普拉斯多項式d(s)易于被表示為公式(7)
d(s)＝dm(s)·dn(s)＝(s-α1)(s-α2)...(s-α1)·dn(s) 公式(7)其中αi(i＝1，2，...，2，1)是對于裝置10的上述的想要的響應(yīng)極點，以及拉普拉斯項dn(s)代表在隔離想要的極點后的項d(s)的剩余部分。在公式(6)中，拉普拉斯項Na(s)能夠由以下的組合來代表(a)其根是穩(wěn)定的零點的第一多項式Na’(s)；以及(b)其根是不穩(wěn)定的零點的第二多項式Na”(s)。
而且，本發(fā)明的發(fā)明人認識到，令dn(s)＝Na’(s)使得公式(6)能夠方便地更完整地表示為公式(8)e(s)=N(s)D(s)r(s)-[C1(s)·dn(s)·dm(s)+Na(s)·n1(s)]D(s)·dn(s)·1dm(s)e0-]]>[C2(s)·dn(s)·dm(s)+Na(s)·n2(s)]D(s)·dn(s)·1dm(s)v0]]>公式(8)因此，如果公式(9)和公式(10)的根包括拉普拉斯多項式D(s)的所有的根，則裝置10的動態(tài)響應(yīng)由在公式(7)的上述拉普拉斯項dm(s)中的極點分配確定。
C1(s)·dm(s)-Na′′(s)·n1(s)]]>C2(s)·dm(s)-Na′′(s)·n2(s)]]>所以，再次參照公式(5)，拉普拉斯項n1(s)、n2(s)可以分別由如公式(11)和公式(12)提供的多項式序列表示n1(s)＝a0+a1s+...+aq-1sq-1+aqsq公式(11)n2(s)＝b0+b1s+...+bq-1sq-1+bqsq公式(12)
其中ai和bi是多項式級數(shù)系數(shù)。
假設(shè)拉普拉斯多項式D(s)的根可表示為項λi，其中i＝1，...，w，則系數(shù)ai、bi可以通過求解被表示為矩陣映射的方程(13)而得到的λ1qλ1q-1···λ11λ2qλ···λ1···λwqλwq-1···λw1aqaq-1···a1a0=C1(λ1)·dm(λ1)Na′′(λ1)C1(λ2)·dm(λ2)Na′′(λ2)···C1(λw)·dm(λw)Na′′(λw)]]>公式(13)其中下標q＝w-1。當(dāng)設(shè)計輸入成形濾波器126時，本發(fā)明的發(fā)明人確保公式(4)仍舊是正確的(即有效的)。
通過應(yīng)用公式(1)到(13)，本發(fā)明人實際上將成形濾波器126設(shè)計成當(dāng)它的控制單元34在分別在其中實施的PI、PID功能105、115之間切換時為裝置10提供增強的性能。因此，濾波器126可以被設(shè)計為至少部分地抵銷由致動器組件28與臂22和拾取組件30相組合而呈現(xiàn)的瞬態(tài)響應(yīng)的影響，由此提高裝置10的鎖定性能。在圖4所示的實施方案中，濾波器126能夠保證從PI致動器速度控制到PID徑向跟蹤鎖定的平滑切換；在需要臂22和它的拾取組件30進行跳躍的情形下，這樣的平滑切換實際上例如相應(yīng)于至少10毫秒的節(jié)省；而且，在發(fā)生傳統(tǒng)跳躍失敗的情形下，從重新嘗試跳躍中實際上也可以潛在地節(jié)省大約100毫秒到200毫秒。
當(dāng)在上述的PI和PID反饋模式之間切換時用于達到平滑切換的另外的方法包括動態(tài)改變速度分布。然而，這樣的方法被認為潛在地引起致動器組件26在跳躍結(jié)束時的過沖振蕩，從而造成總的軌道尋找時間增加。因此，本發(fā)明的發(fā)明人提供了裝置10和它的相關(guān)的操作模式，其不單能夠減小過沖而且還減小軌道尋找時間。
在圖5上顯示總的表示為200的曲線圖。曲線圖200包括表示以秒表示時間(T)的橫坐標軸210，和以任意代表性信號單位表示力(FRC)的縱坐標軸220。曲線230相應(yīng)于在時域中的項a(s)的幅度，其相應(yīng)于拾取組件28的跳躍；它代表當(dāng)如上所述地合并了輸入成形濾波器126以補充PID控制功能128時功能115的建立的快速性。關(guān)于圖5的圖2和3的VM設(shè)置相應(yīng)于3.2mm/sec的速度。在圖5上，將會看到，所述建立基本上在0.3毫秒內(nèi)發(fā)生。、作為比較，在圖6上顯示總的表示為300的曲線圖。曲線圖300包括表示以秒表示時間(T)的橫坐標軸310，和以任意代表性信號單位表示致動器力(FRC)的縱坐標軸320。曲線圖300涉及缺少如圖4中被引入到它的控制單元34中的輸入成形濾波器126的裝置10。曲線330代表裝置10的建立特性，并且包括初始過沖峰值340，后面跟隨在約0.5毫秒內(nèi)的最終建立，即幾乎是圖5所示的持續(xù)時間的兩倍。由于當(dāng)不包括輸入成形濾波器126時在功能105、115之間的切換不是最佳的，所以引起峰值340。
在圖7的曲線圖上顯示帶有和不帶有輸入成形濾波器126的裝置10的建立性能的比較；該曲線圖總的用400表示，并且包括以秒表示時間的橫坐標軸430，和以米表示徑向誤差的縱坐標軸420。在曲線圖400上，曲線450相應(yīng)于在0.0秒執(zhí)行跳躍后不帶有輸入濾波器126的裝置10的建立性能；其中出現(xiàn)約0.7μm的過沖，以及最后的精確位置建立在達到2.5毫秒之前沒有達到0.1μm誤差之內(nèi)。相反，曲線460對應(yīng)于包括有輸入濾波器126的裝置10在這種情況下的建立性能其中出現(xiàn)約0.7μm的過沖，以及最后的精確位置建立在約0.5毫秒之后達到0.1μm之內(nèi)。從圖7將會看到，輸入成形濾波器126的引入不單能夠提高裝置10的空間精度而且還能夠提高它的時間精度。
最后參照圖8，圖上顯示包括上面描述的輸入成形濾波器的CD和/或DVD讀出和/或?qū)懭胙b置的示意圖，當(dāng)在實施跳躍時，其在從速度PI反饋切換到位置PID反饋時用于幫助達到更平滑的建立。圖8上的裝置總的用500表示，并且包括驅(qū)動電動機510，以用于嚙合到CD和/或DVD 520的中心孔515，從而在操作時用于旋轉(zhuǎn)CD和/或DVD 520。裝置500還包括一個拾取單元530，它包括滑軌電動機(伺服MOT)、被耦合到該滑軌電動機的樞軸伸長臂、光學(xué)拾取組件(OPU)以及致動器組件(伺服MOT)，該致動器組件被插入在該拾取組件(OPU)和所述臂之間，以用于相對于該臂精細調(diào)節(jié)該拾取組件(OPU)的位置。滑軌電動機和致動器組件用來使得拾取組件(OPU)在與拾取組件相關(guān)的圖8上有關(guān)的箭頭表示的徑向上相對于CD和/或DVD 520移動。來自光學(xué)拾取組件(OPU)的輸出被耦合到信號處理器(SIG PROC)540，其被安排來提供如圖所示的跟蹤鎖定(TL)信號和RES信號。
裝置500還包括一個伺服控制數(shù)字信號處理集成電路(伺服DSP)600，其被顯示為被包括在虛線605內(nèi)。電路600合并有徑向歸一化器(RAD NORM)650，用于接收上述的RES信號和用于提供輸出信號到領(lǐng)先濾波器(lead filter)(LF)660和第二開關(guān)(SW2)740，如圖所示。該領(lǐng)先濾波器(LF)660具有被耦合到PI處理器(PIP)670和軌道交叉速度控制單元(TC VEL)730的第一輸入端的經(jīng)濾波的輸出。該速度控制單元(TC VEL)730的第二輸入端被耦合到信號處理器540的上述的TL輸出端。PI處理器(PIP)670的輸出端被連接到一個輸入噪聲濾波器690，該濾波器的經(jīng)濾波的輸出被耦合到第一求和單元(SUM1)700的第一輸入端，如圖所示。該速度控制單元(TC VEL)730的輸出被耦合到第二開關(guān)(SW2)740和速度控制單元(VC)760的輸入端。而且，還提供了第一開關(guān)(SW1)770，它的輸入端被連接到控制單元(VC)760以及可選地被連接到第二開關(guān)(SW2)740，如圖所示。第一開關(guān)(SW1)770的輸出端被連接到第一求和單元(SUM1)700的第二輸入端。求和單元(SUM1)700包括一個輸出端，它經(jīng)由一個可變增益的徑向增益放大器(RAD增益)710被耦合到第二求和單元(SUM2)720的第一輸入端。而且，第二開關(guān)(SW2)740包括一個附加輸出端，它被耦合到輸入控制器(輸入CONT)750，該輸入控制器被安排來提供相應(yīng)的輸出，該輸出被耦合到第二求和單元(SUM2)720的第二輸入端。
來自伺服控制電路600的第二求和單元(SUM2)720的徑向致動輸出(RA)被連接到功率驅(qū)動器(功率DRV)的輸入端，該功率驅(qū)動器的一個或多個輸出被耦合到拾取單元530的上述滑軌電動機和致動器組件。如上所述，伺服控制電路600被安排來提供對拾取單元530的伺服控制，所述控制經(jīng)由開關(guān)740、770可從速度控制切換到位置控制，這樣的切換受到實際上被引入到控制電路600中的上述輸入成形濾波器126的動作的影響，該控制電路600用于補償裝置500的自然極點，以便當(dāng)在CD和/或DVD 520上從一個軌道到另一個軌道重新定位拾取單元530時需要執(zhí)行一個或多個跳躍的時候達到更快速、精確的建立。
在實際上實施控制電路600時，本發(fā)明的發(fā)明人細心安排所述領(lǐng)先濾波器660的極點和零點。本發(fā)明的發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有CD和/或DVD驅(qū)動拾取徑向位置控制環(huán)當(dāng)利用簡單的PID控制時基本上是二階的，所以往往有過沖和/或振蕩。在伺服控制電路600內(nèi)的其它部件當(dāng)中，領(lǐng)先濾波器660的適當(dāng)?shù)脑O(shè)計尤其能夠至少部分地解決這樣的過沖和/或振蕩。本發(fā)明的發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，把上述的輸入成形濾波器126包括在伺服控制電路600內(nèi)在對于存儲器容量的要求方面并不是不可實現(xiàn)的，例如在伺服控制電路600基本上被數(shù)字地實施的情形下用來記錄控制多項式系數(shù)。
將會看到，在不背離本發(fā)明的范圍的情況下，以上所述的本發(fā)明的實施例是可以被修改的。
例如，裝置10、600易于以一種或多種數(shù)字和模擬電路配置被實施。而且，如上所述，裝置10、600也易于至少部分地以集成電路形式被實施，以便在以相當(dāng)大的數(shù)目生產(chǎn)時減小制造成本。
而且，本發(fā)明還易于應(yīng)用于其它使用的領(lǐng)域，其中需要具有粗滑軌致動和精細致動器組件控制的雙塊系統(tǒng)，例如(a)在計算機磁盤驅(qū)動中，其中需要相對于一個或多個磁盤精確地伺服定位一個或多個讀/寫磁頭；(b)在機器人系統(tǒng)中，諸如高速度拾取和放置機器人，包括其上安裝有局部致動的拾取工具的伸長臂；(c)在港口利用的起重機系統(tǒng)中，用于精確、快速地操縱集裝箱；以及(d)在CNC機械工具中，其中切割、碾磨和/或磨削工具需要以高精度被快速操控。
在以上的(b)和(c)例子的情形下，優(yōu)選地包括加速度計、陀螺儀、轉(zhuǎn)動速率傳感器和慣性導(dǎo)航單元當(dāng)中的至少一項，以便在提供有關(guān)所述機器人和/或起重機系統(tǒng)的可移動的部件的空間鄰近度的反饋信息中使用，例如在速度控制和位置控制當(dāng)中的一項或多項中使用。
雖然上述的本發(fā)明的伺服系統(tǒng)和它的相關(guān)的伺服控制的方法的應(yīng)用是對于雙塊機械系統(tǒng)描述的，但將會看到，它們可應(yīng)用于三塊(tri-mass)機械系統(tǒng)和更高階的機械系統(tǒng)。而且，本發(fā)明的伺服系統(tǒng)還可以以簡化的形式應(yīng)用于單塊(single mass)系統(tǒng)。
被利用來闡述和提出本發(fā)明權(quán)利要求的表達方式(諸如“包含”、“合并”、“引入”、“具有”和“包括”)不應(yīng)當(dāng)被看作為排除其它項目的存在。而且，單數(shù)的表示也包括相應(yīng)的復(fù)數(shù)。
權(quán)利要求
1.一種用于控制數(shù)據(jù)讀出和/或?qū)懭胙b置(10，500)中的傳感器組件(30)的位置的伺服系統(tǒng)，該裝置(10，500)包括(a)至少一個致動裝置(28，36)，用于空間致動一個結(jié)構(gòu)組件(22)和它的相關(guān)的傳感器組件(30)，該系統(tǒng)還包括(b)控制裝置(34)，其與所述至少一個致動裝置(28，36)通信，以用于控制結(jié)構(gòu)組件(22)和傳感器組件(30)的空間移動，該控制裝置(34)可用來(d)當(dāng)傳感器組件基本上遠離想要的目標位置時，對所述至少一個致動裝置基本上施加速度反饋控制；以及(e)當(dāng)傳感器組件基本上在空間上靠近想要的目標位置時，對所述至少一個致動裝置基本上施加位置反饋控制，該控制裝置還包括極點補償濾波裝置(126)，用于至少部分地補償結(jié)構(gòu)組件(22)和它的傳感器組件(30)的響應(yīng)極點，以便在系統(tǒng)操作期間導(dǎo)致在所述基本上速度反饋控制與所述位置反饋控制之間的更平滑的切換，以用于增強當(dāng)被控制裝置(34)控制時的該系統(tǒng)的時間和空間響應(yīng)中的至少一項。
2.按照權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中所述裝置至少是雙塊結(jié)構(gòu)，其中所述至少一個致動裝置(28，36)包括(a)第一致動裝置(36)，用于空間致動結(jié)構(gòu)組件(22)；以及(b)第二致動裝置(28)，其被插入在結(jié)構(gòu)組件(22)的可移動的致動區(qū)域與傳感器組件(30)之間，用于相對于該致動區(qū)域致動該傳感器組件(30)，該系統(tǒng)還被安排成使得(c)所述控制裝置(34)被耦合成與第一和第二致動裝置(28，36)通信，以用于控制結(jié)構(gòu)組件(22)和傳感器組件(30)的空間移動，該控制裝置(34)用來(d)當(dāng)傳感器組件(30)基本上遠離想要的目標位置時，對第一和第二致動裝置(28，36)基本上施加速度反饋控制；以及(e)當(dāng)傳感器組件(30)基本上在空間上靠近想要的目標位置時，對第一和第二致動裝置(28，36)基本上施加位置反饋控制，該控制裝置(34)還包括極點補償濾波裝置(126)，用于至少部分地補償所述雙塊系統(tǒng)的響應(yīng)極點，以便在系統(tǒng)操作期間導(dǎo)致在所述基本上速度反饋控制與所述位置反饋控制之間的更平滑的切換，以用于增強當(dāng)被控制裝置(34)控制時的該系統(tǒng)的時間和空間響應(yīng)中的至少一項。
3.按照權(quán)利要求2的系統(tǒng)，其中第一致動裝置(36)被安排成比起第二致動裝置(28)提供更大的空間致動動態(tài)范圍，以及作用在傳感器組件(30)上的第二致動裝置(28)被安排成比起作用在結(jié)構(gòu)組件(22)和由此作用在第二致動裝置(28)和它的相關(guān)的傳感器組件(30)上的第一致動裝置(28)提供更快速的時間響應(yīng)。
4.按照權(quán)利要求2的系統(tǒng)，其中第二致動裝置(28)被安排成比起第一致動裝置(36)呈現(xiàn)更小的空間動態(tài)范圍。
5.按照權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中所述速度反饋控制基本上作為比例積分PI反饋控制環(huán)(122，124)被實施。
6.按照權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中所述位置反饋控制基本上作為受到所述極點補償濾波裝置(126)的作用的比例積分微分PID反饋控制環(huán)(128)被實施。
7.按照權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中所述控制裝置(34)用來在所述速度反饋控制時使得第二致動裝置(28)從屬于第一致動裝置(36)，以及在所述位置反饋控制時使得第一致動裝置(36)從屬于第二致動裝置(28)。
8.按照權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中所述控制裝置(34)用來(a)對第一致動裝置(36)施加加速度處理和隨后的減速度制動處理；以及(b)當(dāng)傳感器組件(30)取得預(yù)定義閾值速度和在傳感器組件(30)與目標位置之間的預(yù)定義空間誤差二者當(dāng)中的至少一項時，在所述速度反饋控制與所述位置反饋控制之間切換。
9.按照權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中相應(yīng)于所述結(jié)構(gòu)組件的極點響應(yīng)的數(shù)據(jù)被數(shù)字地記錄為極點響應(yīng)數(shù)據(jù)，以及控制裝置(34，600)被數(shù)字地實施來利用所述極點響應(yīng)數(shù)據(jù)。
10.按照權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中所述控制裝置(34)被安排成當(dāng)在速度反饋控制與位置反饋控制之間切換時呈現(xiàn)一個在0.6到1.3的范圍內(nèi)的阻尼因子。
11.按照權(quán)利要求10的系統(tǒng)，其中所述控制裝置(34)被安排成當(dāng)在速度反饋控制與位置反饋控制之間切換時基本上被臨界阻尼。
12.按照權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中所述極點補償濾波裝置(126)被安排成通過把相應(yīng)的響應(yīng)零點施加到控制裝置(34)從而與致動裝置(28，36)和傳感器組件(30)相組合地至少部分地補償結(jié)構(gòu)組件(22)的至少一個開環(huán)響應(yīng)極點。
13.按照權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其被合并到一個或多個CD讀出和/或?qū)懭胙b置(10，500)中，以用于控制被實施為該裝置內(nèi)的光學(xué)單元(32)的傳感器組件(30)，該裝置(10，500)可用來從CD(14，520)讀出數(shù)據(jù)和/或把數(shù)據(jù)寫入到CD(14，520)中。
14.按照權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其被合并到一個或多個DVD讀出和/或?qū)懭胙b置(10，500)中，以用于控制被實施為該裝置內(nèi)的光學(xué)單元(32)的傳感器組件(30)，該裝置(10，500)可用來從DVD(14，520)讀出數(shù)據(jù)和/或把數(shù)據(jù)寫入到DVD(14，520)中。
15.按照權(quán)利要求1的系統(tǒng)，該系統(tǒng)適于控制拾取和安放機器人、起重機和機械工具當(dāng)中的一個或多個。
16.按照權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中所述結(jié)構(gòu)組件(22)、致動裝置(28，36)和傳感器組件(30)當(dāng)中的至少一個配備有空間位置、速度、旋轉(zhuǎn)和/或加速度測量裝置，以便由控制裝置(34)在控制傳感器組件(30)的空間位置時使用。
17.一種在數(shù)據(jù)讀出和/或?qū)懭胙b置(10，500)中用于控制傳感器組件(30)的位置的伺服控制的方法，該裝置(10，500)包括(a)至少一個致動裝置(28，36)，用于空間致動結(jié)構(gòu)組件(22)和它的相關(guān)的傳感器組件(30)，(b)控制裝置(34)，其與所述至少一個致動裝置(28，36)通信，用于控制結(jié)構(gòu)組件(22)和傳感器組件(30)的空間移動，該方法包括安排控制裝置(34)的以下步驟(d)當(dāng)傳感器組件(30)基本上遠離想要的目標位置時，對所述至少一個致動裝置(28，36)基本上施加速度反饋控制；以及(e)當(dāng)傳感器組件(30)基本上在空間上靠近想要的目標位置時，對所述至少一個致動裝置(28，36)基本上施加位置反饋控制，該控制裝置(34)還包括極點補償濾波裝置(126)，用于至少部分地補償結(jié)構(gòu)組件(22)和它的傳感器組件(30)的響應(yīng)極點，以便在裝置(10，500)操作期間導(dǎo)致在所述基本上速度反饋控制與所述位置反饋控制之間的更平滑的切換，以用于增強當(dāng)被控制裝置(34)控制時的該裝置(10，500)的時間和空間響應(yīng)中的至少一項。
18.按照權(quán)利要求17的方法，其中所述裝置(10，500)至少是雙塊結(jié)構(gòu)，其中所述至少一個致動裝置(28，36)包括(a)第一致動裝置(36)，用于空間致動結(jié)構(gòu)組件(22)；以及(b)第二致動裝置(28)，其被插入在結(jié)構(gòu)組件(22)的可移動的致動區(qū)域與傳感器組件(30)之間，用于相對于該致動區(qū)域致動傳感器組件(30)，以使得(c)所述控制裝置(34)被耦合成與第一和第二致動裝置(28，36)通信，用于控制結(jié)構(gòu)組件(22)和傳感器組件(30)的空間移動，以及以使得該控制裝置(34)用來(d)當(dāng)傳感器組件(30)基本上遠離想要的目標位置時，對第一和第二致動裝置(28，36)基本上施加速度反饋控制；以及(e)當(dāng)傳感器組件(30)基本上在空間上靠近想要的目標位置時，對第一和第二致動裝置(28，36)基本上施加位置反饋控制，該控制裝置(34)還包括極點補償濾波裝置(126)，用于至少部分地補償所述雙塊結(jié)構(gòu)的響應(yīng)極點，以便在該裝置操作期間導(dǎo)致在所述基本上速度反饋控制與所述位置反饋控制之間的更平滑的切換，用于增強當(dāng)被控制裝置(34)控制時的該裝置的時間和空間響應(yīng)中的至少一項。
19.按照權(quán)利要求18的方法，其中第一致動裝置(36)被安排成比起第二致動裝置(28)提供更大的空間致動動態(tài)范圍，以及作用在傳感器組件(30)上的第二致動裝置(28)被安排成比起作用在結(jié)構(gòu)組件(22)和由此作用在第二致動裝置(28)和它的相關(guān)的傳感器組件(30)上的第一致動裝置提供更快速的時間響應(yīng)。
20.按照權(quán)利要求18的方法，其中第二致動裝置(28)被安排成比起第一致動裝置(36)呈現(xiàn)更小的空間動態(tài)范圍。
21.按照權(quán)利要求17的方法，其中所述速度反饋控制基本上作為比例積分PI反饋控制環(huán)(122，124)被實施。
22.按照權(quán)利要求17的方法，其中所述位置反饋控制基本上作為受到所述極點補償濾波裝置(126)的作用的比例積分微分PID反饋控制環(huán)(128)被實施。
23.按照權(quán)利要求17的方法，其中所述控制裝置(34)用來在所述速度反饋控制時使得第二致動裝置(28)從屬于第一致動裝置(36)，以及在所述位置反饋控制時使得第一致動裝置(36)從屬于第二致動裝置(28)。
24.按照權(quán)利要求17的方法，其中所述控制裝置(34)用來(a)對第一致動裝置(36)施加加速度處理和隨后的減速度制動處理；以及(b)當(dāng)傳感器組件(30)取得預(yù)定義閾值速度和在傳感器組件(30)與目標位置之間的預(yù)定義空間誤差二者當(dāng)中的至少一項時，在所述速度反饋控制與所述位置反饋控制之間切換。
25.按照權(quán)利要求17的方法，其中相應(yīng)于結(jié)構(gòu)組件(22)的極點響應(yīng)的數(shù)據(jù)被數(shù)字地記錄為極點響應(yīng)數(shù)據(jù)，以及控制裝置(34)被數(shù)字地實施來利用所述極點響應(yīng)數(shù)據(jù)。
26.按照權(quán)利要求17的方法，其中所述控制裝置(34)被安排成當(dāng)在速度反饋控制與位置反饋控制之間切換時呈現(xiàn)一個在0.6到1.3的范圍內(nèi)的阻尼因子。
27.按照權(quán)利要求26的方法，其中所述控制裝置(34)被安排成當(dāng)在速度反饋控制與位置反饋控制之間切換時基本上被臨界阻尼。
28.按照權(quán)利要求17的方法，其中所述極點補償濾波裝置(126)被安排成通過把相應(yīng)的響應(yīng)零點施加到控制裝置(34)從而與致動裝置(28，36)和傳感器組件(30)相組合地至少部分地補償結(jié)構(gòu)組件(22)的至少一個開環(huán)響應(yīng)極點。
29.按照權(quán)利要求17的方法，其被應(yīng)用在一個或多個CD讀出和/或?qū)懭胙b置(10)中，用于控制被實施為裝置(10，500)內(nèi)的光學(xué)單元(32)的傳感器組件(30)，該裝置(10，500)可用來從CD(520)讀出數(shù)據(jù)和/或把數(shù)據(jù)寫入到CD(520)中。
30.按照權(quán)利要求17的方法，其被應(yīng)用在一個或多個DVD讀出和/或?qū)懭胙b置(10，500)中，用于控制被實施為裝置(10，500)內(nèi)的光學(xué)單元(32)的傳感器組件(30)，該裝置(10，500)可用來從DVD(520)讀出數(shù)據(jù)和/或把數(shù)據(jù)寫入到DVD(520)中。
31.按照權(quán)利要求17的方法，適于控制拾取和安放機器人、起重機和機械工具當(dāng)中的一個或多個。
32.按照權(quán)利要求17的方法，其中所述結(jié)構(gòu)組件(22)、致動裝置(28，36)和傳感器組件(30)當(dāng)中的至少一個配備有空間位置、速度、旋轉(zhuǎn)和/或加速度測量裝置，以便由控制裝置(34)在控制傳感器組件(30)的空間位置時使用。
全文摘要
提供了一種用于控制數(shù)據(jù)讀出和/或?qū)懭胙b置(10)中的傳感器組件(30)的位置的伺服系統(tǒng)。該裝置(10)包括(a)兩個致動器(28，36)，用于空間致動結(jié)構(gòu)組件(22)和它的相關(guān)的傳感器組件(30)。該系統(tǒng)還包括(b)伺服控制單元(34)，其與所述兩個致動器(28，36)通信，用于控制結(jié)構(gòu)組件(22)和傳感器組件(30)的空間移動?？刂蒲b置(34)可用來(c)當(dāng)傳感器組件(30)基本上遠離想要的目標位置時，對致動器(28，36)基本上施加速度反饋控制；以及(d)當(dāng)傳感器組件(30)基本上在空間上靠近想要的目標位置時，對致動器(28，36)基本上施加位置反饋控制。伺服控制單元(34)還包括極點補償濾波裝置(126)，用于至少部分地補償結(jié)構(gòu)組件(22)和它的傳感器組件(30)的響應(yīng)極點，以便在系統(tǒng)操作期間導(dǎo)致在所述基本上速度反饋控制與所述位置反饋控制之間的更平滑的切換，以用于增強當(dāng)被伺服控制單元(34)控制時的該系統(tǒng)的時間和空間響應(yīng)中的至少一項。
文檔編號G11B7/09GK1823311SQ200480020426
公開日2006年8月23日 申請日期2004年7月8日 優(yōu)先權(quán)日2003年7月17日
發(fā)明者Y·周, K·奇納古恩登 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司