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中国的视盘机生产经历了引进系统组件组装,到引进关键部件系统集成(自己开发系统集成控制软件及诸如电源电路等非关键模块),再到近年尝试进行的对关键部件进行自主开发设计的阶段。伺服系统是视盘机的关键部件之一,而CDPCD Player的缩略语,意为CD播放器则是基础,只有在透彻理解CDP伺服系统的设计原理的基础上,才能进一步理解和掌握DVDPDVD Player,即DVD播放器伺服系统的设计方法。因此,下面结合外国研发CDP的技术经验,介绍运用频率法进行CDP伺服系统设计的基本原理。rn1 伺服系统综合与设计的基本方法rn 所谓伺服控制是指对机械运动进行的反馈控制,泛指使输出量精确地跟踪或复现某个过程的控制,特指被控量(系统的输出量)是机械位移或位移速度、加速度的反馈控制,其目的是使系统输出的机械位移(或转角)准确地跟踪输入的位移(或转角)。光盘机采用伺服系统的目的,是使读数光点能在Y、Z轴上对正在播放的光盘的信号面上的目标信迹进行准确的位移跟踪,而在X轴上对目标信迹进行正确的速度跟踪。rn 在自动控制工程实际中,往往是在被控对象已知、系统性能指标预先给定的前提下,要求设计者选择控制器的结构和参数,使由控制器与被控对象所组成的系统的性能满足实用的要求。这一工作在自动控制理论中称为“综合”或“校正”。因此,对自动控制系统进行综合与设计的核心内容就是选择最佳的校正频率特性,使原有系统的缺陷得到充分校正,以保证系统的性能指标达到实用化的要求。rn 由自动控制理论知,从系统的开环频率特性可以大体分析出系统在稳定性、动态和静态等方面的性能。这就为综合与设计提供了基本思路,根据给定的性能指标,推断出系统应有的开环频率特性(称预期开环频率特性);然后,再由预期开环频率特性与系统固有的开环频率特性之差,来求出校正电路的频率特性。rn 设计开环预期频率特性也就是建立系统的开环模型。由于不同类型的系统可以满足相同的性能指标,所以开环模型的选择有很大的灵活性。采用简单的开环模型(如二阶模型),系统性能指标与模型参数间的关系固然简单,且易于计算,但其适应性较差,通常不容易保证开环传递函数GO(s)的实现,因此,只能用于综合简单的系统。采用高阶模型,其适应范围较广、实用价值较大,但性能指标与模型参数间的关系复杂,难于准确计算,往往要借助工程经验和图表或经验公式。图1是较适用于对CDP伺服系统进行综合与设计的开环模型。rn 自动控制理论分析表明,设计、选择预期开环频率特性时,对不同的频段应采用不同的设计原则。rn1.1 设计预期开环频率特性中频段应考虑的问题rn 中频段是指图1所示的ωc/a—rωcωc是截止频率一段。rn1.1.1 系统稳定裕量的选择rn 中频段预期开环频率特性的设计主要应从稳定性的考虑出发。因此,必须兼顾幅频特性和相频特性。自动控制理论研究表明:在ωc(即对数幅频特性曲线的0 dB)处,若对数相频特性曲线刚好通过-180°,则系统将发生振荡。换言之,系统是不稳定的。只有在ωc处对数相频特性曲线高于-180°线一定距离γ,而在对数相频特性曲线通过-180°所对应的频率处,对数幅频特性曲线低于0 dB线一定距离h时,系统才能处于稳定状态,且γ,h值越大越稳定,如图2示。rn 分别把γ,h称为相位稳定裕量和增益稳定裕量。系统的稳定裕量过小,阶跃响应往往剧烈,振荡倾向较严重。反之,稳定裕量过大,其动态响应又往往迟缓。因此,设计时应权衡实际应用对伺服系统的稳定性和快速性两方面的要求,来考虑γ,h的取值。在CDP伺服系统的设计中γ通常取30°～60°,h通常取大于6 dB。rn1.1.2 频率范围与ωc的选择rn 中频段的实际频率范围取决于ω c和a,r的取值反映系统的快速性,例如系统阶跃响应过渡过程时间ts与ω c成正比。因此,设计时应主要根据实际应用对伺服系统的快速性要求,来考虑频率范围和ω c的取值。rn 根据PHILIPS光盘研究实验室的测试结果,当主轴转速为30 Hz时,由盘片和驱动机构等方面因素引起的聚焦误差幅度较大(最大可达±500 μm),且分布于基频30 Hz以下;而由空气动力学因素引起的高频误差的幅度较小,且分布于1 kHz以下;1 kHz以上的误差已小于容差(约1 μm)如图3(a)示。跟踪误差也具有相同的频谱分布特征,但低频段的最大误差幅度约为±70 μm,如图3(b)示。因此,ω c值应取为ωc≥1 kHz 。而根据自动控制理论,ω c越大,伺服系统快速性越好。但同时应考虑到,一方面,若ω c选得过高,容易在伺服电路中引入高频噪声,影响伺服系统正常工作;另一方面,伺服调节机构的物理特性对阶跃响应过渡过程时间ts的限制。例如,作为聚焦/跟踪调节机构的音圈和作为进给调节机构的直流电机,它们的最大加速度是有一定限制的,而加速度与ts的平方成反比,因而与ω c也成反比。因此,ts不能定得太短、ω c也不能选得过高。另外,还要考虑到调节机构具有惯性,要使具有惯性的对象对误差信号迅速响应,就需要足够大的力或力矩。这意味着要求很大的驱动电流或很高的驱动电压。rn 在目前的技术条件下,聚焦、跟踪伺服环路的截止频率ω c能达到3 kHz左右,而进给伺服环路的ω c只能达到100 Hz左右。rn 对伺服系统的开环对数幅频特性曲线,其中频段一般要有从+30 dB到-15 dB的增益回落。显然,中频段的频率范围不宜过窄,否则曲线在整个中频段内可能过陡。根据对数幅频特性与相频特性的关系可知,这将导致相位值接近-180°甚至超过-180°。也就是说相位稳定裕量γ偏小,从而使系统的快速性变差,甚至破坏系统的稳定。实际中CDP伺服系统的中频段一般取ωc/3.5～2ωc之间。对于聚焦/跟踪环路,若取ω c=3 kHz,则其中频段在0.6 ～6 kHz;对于进给环路,若取ω c=100 Hz,则其中频段在27 ～200 Hz。