（机械电子工程专业论文）红光高清nvd机芯设计和振动特性分析.pdf

中文摘要 中文摘要 小机芯是集成度很高的光机电产品，主要由光学头和精密机械系统 二部分组成，其工作原理是在外部电路的控制下，拾取盘面上的数字信息 并输出n 多 i - 部电路中。光学头由激光二级管、光电探测器以及与之相关 的光学元件组成，用于产生会聚于光盘信息面上的读写光斑，写入与拾 取信息，检测位置误差。精密机械系统由各种运动执行机构组成，包括 主轴电机、进给电机、光学头的二维力矩器以及传动机构，是高精度实 现光盘系统所需要各种运动的执行部件。小机芯性能的高低直接决定读 出信号质量的好坏。 作为光存储系统中核心部分小机芯，其结构设计精密，普通小机芯 无法满足高清要求。针对这一情况，本文以e p o d p 3 0 6 d 的机芯为基础， 根据n v d 要求，对n v d 小机芯进行改型设计与分析。首先根据盘片测 试红光高清盘片的最高瞬时码流，推导主轴电机的转速。通过转速要求， 对主轴电机进行选型。由电机的控制模型，对电机转速控制进行建模和 仿真。其次对传动机构进行选型设计。最后确定机芯的装配尺寸。 采用有限元分析软件a l g o r 对机芯进行了振动特性的分析。对机芯 的主要部件进行建模和模态分析，发现其材料特征在很大程度上影响了 机芯的振动。当底板和主轴马达固定座的材料刚度增加时，会增加系统 的刚度，从而减小系统的振动量。在有限元软件a l g o r 中对机芯进行 建模，研究了对系统振动产生影响的主要因素。通过研究发现，外加激 励、光盘转速、都是影响系统振动的重要因素，研究给出了他们对系统 振动影响的规律。 关键词：n v d ；机芯设计；a l g o r ；振动特性分析 英文摘要 a b s t r a c t m e c h ai sah i g hd e g r e eo fi n t e g r a t i o no fl i g h tm a c h i n e r ya n de l e c t r o n i cp r o d u c t s ， a n dm a i n l yc o m p o s e db yt h eo p t i c a lh e a da n dp r e c i s i o nm e c h a n i c a ls y s t e m i t s w o r k i n gp r i n c i p l ei sp i c k i n gu pt h ed i s ka n dt h eo u t p u to fd i s t a li n f o r m a t i o nt oa n e x t e m a lc i r c u i tu n d e rt h ec o n t r o lo fe x t e m a lc i r c u i t r y o p t i c a lh e a db yt h el a s e rd i o d e ， p h o t od f f e c t o r s ，a n do p t i c a lc o m p o n e n t sa s s o c i a t e dw i t ht h ec o m p o s i t i o nu s e dt o p r o d u c et h ei n f o r m a t i o ng a t h e r e do n t h es u r f a c eo f t h er e a da n dw r i t ec d r o ms p o t , w r i t ea n dp i c ku pi n f o r m a t i o na n dd e t e c tt h el o c a t i o no ft h ee r r o r p r e c i s i o n m e c h a n i c a ls y s t e m sf r o mt h ei m p l e m e n t a t i o no fa 谢d ev a r i e t yo f s p o r t so r g a n i z a t i o n s ， i n c l u d i n gt h es p i n d l em o t o r , t h ef e e dm o t o r , t h ef i r s to ft h et w o - d i m e n s i o n a lo p t i c a l t o r q u e , a n dt r a n s m i s s i o n , t oa c h i e v eh i g h - p r e c i s i o no p t i c a ld i s ks y s t e mi sn e e d e dt o i m p l e m e n tp a r t so fa 、析d ev a r i e t yo fs p o r t s t r a v e r s eo f t h el e v e lo fp e r f o r m a n c e d e t c 耵n i n e sr e a d i n go u tt h es i g n a lq u a l i t yt h a ti sg o o do rb a d m e c h aa st h em o s tp a r to fo p t i c a ls t o r a g es y s t e m sa n di t ss t r u c t u r a li sd e s i g n e d p r e c i s e g e n e r a lm e c h ac a nn o tm e e tt h er e q u i r e m e n t so fh i g h - d e f i n i t i o n i nv i e wo f t h i ss i t u a t i o n , t h i sa r t i c l eb yp o y e ee p o - d p - - 3 0 6 d - b a s e dm o v e m e n ta c c o r d i n gt o n v d r e q u i r e m e n t s ，t h ed e s i g na n da n a l y s i so f n v di sb a s eo ne p o - d p - 3 0 6 do nt h e p a p e r f i r s to fa l lr e a l - t i m er a t ei sd e t e r m i n eb yt e s to fd i s ca n dt h es p e e do ft h e s p i n d l em o t o r i sc a l c u l a t e d s p i n d l em o t o rf o rs e l e c t i o ni sb yt h er o t a t i o n a ls p e e d t h e s p e e do f c o n t r o li sm o d e l e da n ds i m u l a t e db yc o n t r o lm o d e lo ft h em o t o r f o l l o w e d s e l e c t i o no ft h et r a n s m i s s i o nm e c h a n i s mi sd e s i g n e d t of i n a l i z et h ea s s e m b l ys i z eo f m o v e m e n ti sd o n e a n a l y s i s o fv i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fam o v e m e n ti sf m i s h e db yf i n i t ee l e m e n t a n a l y s i ss o f t w a r ea l g o r w e f o u n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h e i rm a t e r i a l st oal a r g e e x t e n ta f f e c t e dt h em o v e m e n to ft h ev i b r a t i o nb ym o d e la n dm o d a la n a l y s i so ft h e m a i nc o m p o n e n t so ft h em o v e m e n tw h e nt h es p i n d l em o t o rm o u n t i n gp l a t ea n dt h e s t i f f n e s so ft h em a t e r i a li n c r e a s e s , t h es t i f f n e s so ft h es y s t e mw i l li n c r e a s e ，a n d 1 1 1 武汉_ _ l ：程人学硕士学位论文 r e d u c i n gt h ea m o u n to fv i b r a t i o ns y s t e mw i l lr e d u c e s w es t u d yt h ei m p a c to f v i b r a t i o no nt h es y s t e mt h em a i nf a c t o r sb yf i n i t ee l e m e n ts o t t w a r eo fa l g o rf o r m o d e l i n gm o v e m e n t t h r o u g hr e s e a r c h ，w ef o u n dp l u si n c e n t i v e s ，c d r o ms p e e d , t h ei m p a c to ft h es y s t e mv i b r a t i o ni sa l li m p o r t a n tf a c t o rt os t u d yt h es y s t e mg i v e n t h e i ri m p a c to nt h el a wo f v i b r a t i o n k e yw o r d s ：n v d ；m e c h ad e s i g ma l g o r ；v i b r a t i o na n a l y s i s i v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对 本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：户彩带 l 刁年么月) 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解我校有关保留、使用学位论文的规定， 即：我校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅。本人授权武汉工程大学研究生处可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密o ， 在年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密鼠 ( 请在以上方框内打“ ) 学位论文作者签名：力劳劳 砷年多月；日 指导教师签名纠舟哆 讲年6 月多日 第1 章绪论 第1 章绪论 本章系统地综述了光存储技术的发展概况、趋势以及红光高清n v d 机芯 在光刻机中的重要作用，并在此基础上描述了机芯的国内外研究现状，论述了 机芯振动分析研究现状，介绍了课题的研究背景和来源，最后介绍了文章的主 要内容。 1 1 光存储技术的发展趋势 新一代光存储技术以光学、集成光学、光子效应、光感生或磁感生超分辨 率等原理为基础，其发展趋势将以下几个方向【1 4 】： 1 ) 实现低价位d v d 系列光盘及驱动器的规模生产 如果将直径为12 0 m m 的d v d 单面单层光盘改成双面双层，容量可达到 1 8 g b ，组成标称容量为5 g b 、9 g b 、1 0 g b 、1 8 g b 的d v d 一5 、d v d 一9 、d v d 1 0 、 d v d - 18 的光盘系列。这种光盘及光盘机的生产成本只要降低到当今c d 。r o m 或c d - r 光盘及光盘机的价位就足够满足一般信息系统及家用电器的需求。 d v d 系列产品只是将信息符坑点的尺寸从原来的0 8 3 9 m 降低到0 4 “r n ，信道 间距从原来的1 6 9 m 降低到0 7 4 9 m ，基本工作原理没有改变仍以传统的光盘制 造技术为基础。这种光盘机所用的半导体激光器的波长略有缩短，其结构原理 也没有太大的变化，一旦形成规模，成本必将大幅度下降。当前，加工这种高 密度光盘母盘及盘片注塑的设备及技术都已完全成熟。 2 ) 在记录密度不变的条件下提高系统l 生能 目前最大的光盘库容量已可达到t b 量级。无论是v c d 或d v d 光盘都可 以利用自动换盘系统，组成光盘库、光盘塔、光盘阵列，实现提高整个系统的 容量、数据传输率及多数据存储的可靠性。如果将光盘库、光盘塔及光盘阵列 与自动换盘系统有机结合，可以大大提高系统容量、数据传输率和显著改善存 储数据的可靠性。 3 ) 进一步提高d v d 光盘质量、成品率及功能 武汉i ：程人学硕1 ：学位论文 d v d 光盘高于c d 光盘生产成本，主要是因为d v d 光盘的成品率，无论 是母盘制作还是最终产品的成品率都低于普通c d 光盘。各种生产光盘的专用 加工和测试需要将深紫外超分辨率曝光技术、电子束曝光技术、多层光致抗蚀 剂技术、无显影曝光技术、4 x 或更高速的刻录技术等引入母盘制作，以便进一 步更新设备，提高母盘质量和成品率。d v d 光盘及光盘机将朝着多功能化发展， 即一台光盘机可用于只读、一次写入不可擦除及可直接改写等不同盘片，而盘 片也可能做成同时具有只读和可擦写功能。光盘机的编码及控制软件功能随着 编码技术和集成电路技术的进步将进一步改进，将分散的编码、解码、视频、 音频调制、解调、通道控制、伺服控制重新整合成少数芯片甚至单一芯片，不 仅能降低成本，还会大大提高系统的可靠性。光盘机的另一改进方向是光盘机 的智能化，使人机界面更加简单，操作更为简便，光盘机使用更方便。 4 ) 综合利用其它新技术开发下代新产品高密度数据存储技术始终是信息 技术和计算机技术发展中不可缺少的关键研究领域。随着新型网络系统和第三 代多媒体的出现，计算机外部存储容量至少应为1 0 0 g b ，数据传输率至少为 4 0 m b p s ，但现有的各种光盘都不能满足要求，即使上面提到的d v d - r a m 光 盘系统也与此目标相距甚远。需要采用新技术和新材料，研究开发出新一代高 密度、高速光存储技术和系统。虽然目前所进行的研究尚处于实验室阶段。许 多理论问题、实验技术问题及工程问题还需深入研究，但从所取得的初步成果 中能看出其发展方向包捂5 】： ( 1 ) 采用近场光学原理设计超分辨率的光学系统，使数值孔径超过1 0 ， 相当于探测器进入介质的辐射场，从而能够得到超精细结构信息，突破衍射极 限，获得更高的分辨率，可使经典光学显微镜的分辨率提高两个数量级，面密 度提高4 个数量级。 ( 2 ) 利用光学非辐射场和光学超衍射极限分辨率的研究成果，进一步减小 记录信息符尺寸。因光束照射到物体表面时，无论透射或反射都会形成传播场 ( 传播波) 和非辐射( 隐失波) 。传播波携带着物体结构的低频信息，容易被探 测器探测。隐失波携带描述物体精细结构的高频信息，沿物体表面传播。只要 把这一部分信息扑捉到，就可提高系统的分辨率。 ( 3 ) 三维多重体全息存储，利用某些光学晶体的光折变效应记录全息图形 图像，包括二值的或有灰阶的图像信息，由于全息图像对空间位置的敏感i 生， 第1 苹绪论 这种方法可以得到极高的存储容量，并基于光栅空间相位的变化，体全息存储 器还有可能进行选择性擦除及重写。 ( 4 ) 以光量子效应代替目前的光热效应实现数据的写入与读出，从原理上 将存储密度提高到分子量级甚至原子量级，而且由于量子效应没有热学过程， 其反应速度可达到皮秒量级。另外，由于记录介质的反应与其吸收的光子数有 关，可以使记录方式从目前的二存储变成多值存储，使存储容量提高许多倍。 ( 5 ) 利用当代物理学的其它成就，包括光子回波时域相干光子存储原理、 光子俘获存储原理、共振荧光、超荧光和光学双稳态效应、光子诱发光致变色 的光化学效应、双光子三维体相光致变色效应，以及借助许多新的工具和技术， 诸如扫描隧道显微镜( s 1 m ) 、原子力显微镜( 删) 、光学集成技术及微光纤 阵歹嗨术等，提高存储密度和构成多层、多重、多灰阶、高速、并行读写海量 存储系统。实验已证明目前的技术可使光存储密度达到4 0 10 0 g b i t s i n 2 。 目前我国大陆及台湾地区己成为世界上最大的光存储产品制造地，世界市 场上7 0 以上的影碟机、光驱、c d r 和d v d r 盘片都来自我国。但由于专利 费的问题，中国的这一产业十分脆弱。目前形成的产业格局是，国际5 0 0 强公 司做光存储技术标准，如菲利浦、s o n y 等公司；国外中型高科技企业生产光 存储生产设备和核心部件；而我国进行最终产品的生产和加工。一台d v d 影 碟机的出口价只有5 0 美元左右，而专利费要价高达十几美元。2 0 0 3 年，大陆 自主品牌的d v d 影碟机厂家的出口额受到专利费的影响大幅下降。与此类似 的情况是，目前一片c d - r 的出厂价只有9 美分，而权利金却达4 7 美分。受 此影响，台湾这个曾一度占据c d - r 盘片产量8 0 的地区，也到了生产难以为 继的地步，纷纷把c d - r 生产转道大陆生产。可以想象，一旦大陆的c d - r 和 d v d r 盘片生产进入稳定状态，国外公司收取盘片专利费的行动也会接踵而 至，又不知道多少厂家要陷入困境。 因此，国际上一流光存储公司在标准的争夺上不遗余力。这种竞争，已经 不是单纯技术先进| 生的竞争了。可录d v d - r 的标准在2 0 0 0 年前已经很成熟， 生产也很正常。但由于p h i l i p s 等公司在这个标准上利益较少，就重新组织联 武汉i ：程人学硕士学位论文 盟搞出了d v d + r 标准。蓝光光盘还没有生产，就出现b l u e - r a y 和h d d v d 两大派的全面争夺。在这种局面后面，隐藏的却是巨大的利益之争。以p h i l i p s 为例，它每年在全世界可收取几亿美元的专利费。 由于以上原因，目前，为了高清电视播放，对只读式( r o m ) 光盘，大陆 出现了e v d 、h d v 、h v d 等三种新的光存储标准，并取得了一定成绩，给了 国外标准制定者定的震慰m 。随着北京奥运会的召开，高清数字电视已逐 渐在中国市场普及。可以预见，高密度光存储技术将发展形成巨大的商机。 b l u 一凡蚶和h d - d v d 标准主要争夺的就是这个市场。而目前的e v d 、h d v 、 h v d 由于在物理格式上没有变化，只在软件上有些改变，存储容量还停留在 d v d 的水平上，不可能应付真正的高清晰度电视等大容量产品，这缺点得到 了国内很多专家的质疑。从年来生产和市场的实际局面看，大陆的三个标准 前途并不乐观，而且还没有考虑到今后h d - t v 的下载用的可录光盘和光盘机 的格式。与此同时，台湾也出现了为只读式光盘的f v d 标准，并极力争取大 陆的支持。台湾由于人口少，市场小，没有大陆支持，在标准问题上不会有什 么作为。 国内光盘技术的研究和开发至今也有近二十年的历史，取得了不少技术上 的积累；特别是随着近年国内光盘产业的迅猛发展及软件产业、集成电路产业、 光电子器件产业、基础加工业等相关产业的不断发展，中国在光盘核心技术与 标准制定上已经拥有一定的潜力【1 3 - l o l 。中国科学院上海光机所的光存储实验室 及上海国家光盘工程中心在超高密度光存储整体技术的开发上，已有一定的优 势。武汉光谷作为国家级光电子信息的产业基地，正大力发展消费类光存储产 业，已建成光谷鸿景d v d 光学头制造基地和光谷朗迪光学头技术开发平台。 1 3 小机芯的国内j , l - 研究现状 光存储是二十一世纪信息存储方式的主流方向，其产品包括d v d 、车载音 响、计算机光驱、个人随身听等各类整机。2 0 0 4 年全球光存储产业市场规模己 超过4 0 0 亿美元，并且正以l o 年的速度迅速递增。光存储产业发展的关键在 于核心部件小机芯和整机的知识产权。 欧美和日本企业在光学头、小机芯、整机等技术开发领域占有领先地位， 第1 章绪论 在高清小机芯、视盘机方面，以东芝( t o s h i b a ) 为主的h d - d v d 系与以索尼 ( s o n y ) 为主的b d 系通过蓝光解决高清，其中h d d v d 系产品特点：波长 4 0 5 n m ，n a = 0 6 5 ，单面单层容量1 5 g b ，压缩格式m p e g 4 ；b d 系产品特点： 波长4 0 5 n m ，n a = 0 8 5 ，单面单层容量2 5 g b ，压缩格式m p e g 2 ，工作距离小， 使用环境要求高，笔记本电脑上很难使用。这类产品可以满足高清的要求，但 视盘机价格在8 0 0 ( 0 10 0 0 0 元，盘片价格在3 0 - 4 0 美元，并且产业化难度高， 产业尚不成熟，其结构较复杂，技术支持与售后服务配合也十分困难2 1 - 2 8 1 。 目前国内制造d v d 小机芯的其它企业主要为江海、和川、银河、青雅等 几家公司，但从事的均为普通d v d 小机芯的制造。 1 4 精密机械振动分析的研究现状 振动现象是机械结构经常遇到的问题之一，由于振动会造成结构的共振或 疲劳，从而破坏结构，因此了解结构本身具有的刚度特性即结构的固有频率和 振型，将会避免在使用中因共振因素造成不必要的损失。模态分析就是确定设 计结构或机械零部件的振动特性，得到结构固有频率和振型的过程。模态分析 技术源于3 0 年代提出的将机电进行比拟的机械阻抗技术。由于当时测试技术及 计算机技术的限制，它在很长时期内发展非常缓漫。至5 0 年代末，模态分析技 术仅限于离散的稳态正弦激振方法。6 0 年代初随着数字计算机的发展，模态分 析的解析计算和建模得到了快速发展。模态分析技术在7 0 年代末8 0 年代初才 开始取得实质性的进展，并迅速发展成熟【删。 模态分析技术可分为试验模态分析与计算模态分析两种方法，理论模态分 析是以线性振动理论为基础，以模态参数为目标，研究激励、系统、响应三者 的关系；主要方法是运用有限元法对振动结构进行离散，建立系统特征值问题 的数学模型，求取系统特征值与特征向量，即系统的固有频率和固有振型矢量。 试验模态分析是采用实验与理论分析结合的方法来识别系统的模态参数。围绕 这两种基本方法展开的研究工作取得了丰硕的成果，如模态综合法、传递矩阵 法和动冈吐度法等方法。 由于机芯的振动会影响光驱的读碟质量，向家伟【3 1 】等针对光存储设备振动 频率高的特点，采用p o l y t e c 激光测振仪拾取振动信号，并给出了基于p o l y t e c 激光 武汉ji ：稃人学硕：t 学位论文 测振仪的光存储设备振动测试分析系统；王一鸣3 2 1 等对光驱的振动特性进行了 建模和仿真，还通过对光盘驱动器的阻尼垫材料特f 笪进行研究和优化，降低了 光盘驱动器的振动，并且在计算机仿真中得到了证实。s a e g u s a 还采用模态分 析的方法对于物镜驱动器的频率响应的延迟现象进行了分槲蝴。 1 5 本课题的来源 随着数字高清电视的市场普及、计算机的海量存储等领域的发展而形成的 巨大市场。考虑到蓝光价格昂贵以及产业尚不成熟的因素，进入中国市场至少 五年内不可能，普通d v d 不能解决高清进入家庭的问题。因此，适合中国国 情与市场的具有自主知识产权的高清小机芯视盘机系统具有极大的市场空间， 对于推进具有自主知识产权的中国光盘产业具有重大的社会效益与经济效益。 本课题来源于国家重点基础研究发展规划项目超高密度光存储技术的开 发与产业化，由武汉光谷高清科技有限公司与武汉工程大学、武汉光电国家实 验室、武汉中国光谷产业基地、光盘及其应用国家工程研究中心共同合作。 该项目将立足于国内多年来在光存储硬件技术上的积累，吸收目前e v d 、h v d 、 h d v 在软件及编、解码芯片上的优点，特别是注重利用国际上最新技术开发出 种真正自主知识产权的高密度光存储技术；这一项目的实施将有望摆脱外国 长期专利技术的控制，真正拥有我国独立自主的知识产权，并逐步形成产业。 1 6 本文主要工作 高清节目的要求是：光盘存储容量不低于1 2 g b 至1 5 g b ，分辨率为 1 9 2 0 * 1 0 8 0 p 1 9 2 0 * 1 0 8 0 i 1 2 8 0 7 2 0 p ，播放时间1 3 5 分钟。作为高清视盘机重要 组成部分的小机芯，其性能在一定程度上决定了系统的读出信号质量和性能。 因此，产业化进程中的满足高清设计、制造技术、生产工艺、机芯光电信号| 生 能参数的调整与评测方法等是高清小机芯研发和生产的重要环节。本项目的主 要目标就是研发适合中国特点红光高清小机芯，以及解决产, _ l k 4 9 中的制造技术、 生产工艺、机芯性能参数的调整与评测方法，实现批量生产。 第1 章绪论 1 7 课题的主要内容 1 根据n v d 有关要求( 码流倍速) ，以及前其师验的情况，确定参考机芯 的选型设计方案。 2 确定主轴电机型号和机芯的传动方案。 3 对机芯进行理论建模，根据相关参数从理论上分析机芯的振动特性。 4 对机芯的主要部件进行模态分析，得出机芯材料的刚度对机芯振动的影 响。对机芯添加冲击载荷，分析机芯随转速的振动规律。 第2 章小机芯的方案设计 第2 章小机芯的方案设计 2 1 小机芯的基本结构及其工作原理 d v d 小机芯性能的高低直接决定读出信号质量的好坏。其t 作原理是在外 部电路的控制下，拾取盘面上的数字信息并输出到外部电路巾。在进行机芯设 计之前，必须了解机芯的基本结构和j 作原理，这样才能够正确地提取其中的 各种参别酬。d v d 小机芯如图2 - - 1 所示。 图2 1 d v d 小机芯 d v d 小机芯由精密机械系统和光学头二部分组成，是集成度很高的光机电 产品。精密机械系统由各种运动执行机构组成，包括主轴电h 【、进给电机、光 学头的二维力矩器以及传动机构，是高精度实现光盘系统所需要各种运动的执 行部中p 。4 z 。光学头由激光二级管、光电探测器以及与之相关的光学元件组成， 用于产生会聚于光盘信息面上的读写光斑，写入与拾取信息，检测位置误差。 其工作原理是：如图2 2 ，首先由激光二极管发出激光，经过系列光学元件 武汉i “人孕硕1 学化论文 ( 光栅、准直镜、物镜) 分束、栏形、会聚成住径为微米级的光斑，然后在a c t 聚焦和寻迹何服、土轴f u 机伺服发进给i e 扫l o j n 的兆州作用卜，使光斑精确地 落在光盘表而的信道上。带有信息的反射光束通过偏振光分光镜后，经过f m ( 反射镜) 照到p d i c ( 光电探测器) 上，把光信号转换为也信号。光盘上的 信息足以螺旋线形式 d 录的，在伺服系统的作用下( 酬司服系统的误差信号由 p d i c 检出) ，卡轴电机 杼动盘以一定的速度旋转，进给电机带动光学头粗寻 轨，二维力矩器带动物镜沿光盘轴向和径向运动，进行精寻轨。在个标准时 钟周期内，当从平台向凹坑过渡或者是从光盘表面的凹坑向甲台过渡时，光电 探测器上就会检测出0 信号，否则就是1 信号，光电探测器输出0 、1 这样的电脉冲，经过解码后，就完成了对光盘数字信息的读取，整个过程如图 2 - 3 所j 押。 擞光= 撮骨揖 准 啊1 卜1 n = 习 0 r 、 一 图2 2 光学头光路图 围2 3 小机芯系统结构框图 罢一詈銎丑 |斗可l_藿翟煎 第2 章小机芯的方案设计 2 2n v d 技术特点和技术指标： n v d 节目源要求光盘容量1 2 g b 一1 5 g b ( 高密度) ； 分辨率为1 9 2 0 x1 0 8 0 ( 全高清f u l lh 聊； 平均码流1 0 m b p s - 1 2 m b p s ，具有优秀的动态画质( 高动态画质) ； 高清节目播放时问达到1 3 5 分钟( 国际标准时间长度) ； 视频解码：支持m p e g 4 ，h 2 6 4 ( a v c ) ，m p e g 2 ，( a v s ) ； 音频解码：a a c ，( d r a ) ； 表2 1n v d 光盘技术标准( - 9d v d 光盘对比) 制式d v dn v d 第一阶段第二：阶段 容量( 只读) ( g b ) 4 7 单层8 影双层1 2 毗双层1 5 毗双层 道间距u l t l0 7 4o 6 5o 6 l 通道位长度h 1 t i o 1 3 30 1 2 4o 1 1 2 激光波长( n m ) 6 5 06 5 06 5 0 数值孔径 0 6o 6 5 新光头 信号调制方式 e f m + ，l l ( 2 ，1o )e f m + ，l u 2 ，1 0 )l l ( 2 ，1 2 ) 8 1 5 错误纠f ( e c c ) r s p cr s p c新e c c 防拷系统( 防拷效能) c p r m c s s 版权保护新版权保护 视频编码制式 【p e g m p e g 4 , h 2 6 4a v s 等 音频编码伟拭a c 3 等a a c 等a v s 等 记录高清晰( i - i d t v ) 时问最1 3 5 分钟，平均码流全高清1 3 5 分钟，全高清1 3 5 分钟，平 大长度 4 m b s 平均码流1 0 m b p s均码流1 2 m b p s 武汉：l ：程大学硕+ 学位论文 表2 - 2n v d 测试盘片实验表 编号碟片名称容量瞬时码流格式备注 a l 玩命手机 1 1 钙 g 1 0 m p s f p e g 大容量 a 2 玩命手机 1 0 5 g 1 0 m p s m 口e g 大容量 b l 战谷 6 0 m p s 口e g 2 大码流 b 2战谷 5 0 m p s 【p e g - 4 大码流 b 3 黄金甲 4 0 m p s 咿e g _ 4 大码流 b 42 1 1 g 4 3 m p s 田e g - 4 大码流 1 5 3 g 3 1 m p s m e g 一4大码流 b 5 空军1 号 3 4 m p s大码流 b 64 3 g 3 4 m p s 伊e g 1 大码流 巴西野生动物8 2 5 m 2 5 m p s 口e g 2 大码流 欧洲世界杯 3 钙i g 2 5 m p s m p e g - 2 大码流 b 7 s o n y3 0 5 4 9 m p s i p e g - 2 大码流 c 风语者或蜘蛛侠 2 0 g ( 大码流和大容 量) 2 3 主轴电机的选型和转速控制 2 3 1 选择电机型号 主轴电机分为有刷和无刷两种类型。有刷电机用机械开关切换，产生旋转 力矩。无刷电机用霍尔元件测量转子的旋转角度，用电子开关切换定子绕组的 电流分配，产生旋转力矩。无刷直流电机靠霍尔元件检测转子的位置，然后控 制器处理霍尔元件传来的信息就可以控制电机的转向，控制器还可以产生脉宽 信号用来控制电机转速。主轴电机用于带动碟片旋转，其转速由伺服电路控制： 进给电机驱动激光头做直线驱动，使之进入寻迹轨道。 第2 苹小机芯的方案设计 数据存储光盘的数据传输速率直接反映了计算机的运算速度。因此，如何 提高传输速率是一俐艮重要的问题。提高光盘转速，或者提高存储密度，都能 提高光盘的数据传输率。由于n v d 碟片的容量和存储密度都比较大，因此读 碟时瞬时码流较大，对主轴电机的转速要求比较高。为n 圭配电机型号，必须 推算电机转速。 设_ 为每个光斑表示的数据位，v 为某条信道的线速度，d 为碟片的道 间距，毛为数据传输率， 为信道位密度，则数据传输率。可表示为 r b = 手 ( 2 1 ) 根据实验测得1 2 g 碟片的最高瞬时码流为5 0 m p s 左右，道间距为0 6 5 i m a ， 每个光斑的数据位为3 ，即气= 5 0 m p s ，f f 3 ，d = 0 6 5 i u n ，带入式( 2 1 ) 可得： ”2 1 08 r i g s 。 设m 为转速，r 为盘片半径，则其转速可表示为 = “r( 2 2 ) 因为转速最高发生内侧，故按最内侧算，最内侧半径r = 2 5 m m ，代入式 ( 2 2 ) 可得转速为4 1 2 7 转，分： 当盘片为容量为1 5g 时，1 5 g 盘片道间距为o 6 1 1 m l ；码流将会更大，按 8 0 m p s 时，按同样的方法可得其转速为6 2 1 7 彰分； 经计算可知要读1 5 g 盘片必须要使主轴马达达到6 0 0 0 转以上。 故选转速为7 0 0 0 转，分的高速无月4 电机v d d 9 a - n s 。 图2 4 为主轴电机v d d 9 a - n s 主轴电机的接口分配，表2 - 3 为主轴电机的 性能规格，具体参数如下图所示。 圈i 习i 图2 4 主轴电机v d d 9 a - n s 1 3 武汉：l ：样人学硕+ 学位论文 表2 3 主轴马达性能规格 i t e m 项目s p e c 规格 r e 厦a r k s 备注 r a t e dc o l t a g e 额定电压 v c c - = 5 0 v , v m = 1 2 0 v v o l t a g er a n g e 使用电 v c c - - - 4 5 5 压范围v m = 1 0 8 1 3 2 v r a t e dl o a d 额定负载 3 9 - m m r a t e ds p e e d 额定转速7 0 0 0 m i n 1r a t e dl o a dr a t e d v o l t a g e r a t e d a 瓜r d 盯额定电7 0 呲n 姒 r a t e dl o a dr a t e dv o l t a g e 流 s t a r t i n gt o r q u e 启动 7 8 5m n mj ：j , _ l ( 8 0g f 啪) r a t e d v o l t a g e 转矩 n ol o a ds p e e d 空载转速9 3 0 0 m i n - 1n ol o a dr a t e dv o l t a g e n ol o a dc u r r e n t 空载3 0 0 m a 以下m a xr a t e dv o l t a g e 电流 2 3 2 主轴电机转速控制的建模与仿真 本机芯主轴电机采用高速直流无刷电机。直流无刷电饥力口匕位置检测及自 动换相电路后其外部特性等效于直流电机，但存在较大的非线性区。其转速控 制采用脉宽调制( p w m ) 方式，以简化电路，提高效率。由于转速性能要求很 高，本系统采用锁相环实现闭环控制的工作原理如图2 5 。由于霍尔元件获得 的定位精度有限，若欲获得高精度的闭环结果，还必须加入校正环节。采用数 字校正具有极大的灵活性，可以校正非线性，修正定位误差，实现快速最佳的 控制。 第2 章小机芯的方案设计 输入频率 霍尔元件 。缸机 2 - 5 电溉跨速控制原理图 1 直流无刷力矩电机的传递函数 g ( s ) = q ( s ) 甲( s ) ( 2 3 ) 式中q ( j ) 表示电机转速的拉普拉斯变换；甲( s ) 是p w m 输出占空比的拉 普拉斯变换。 一。 由转速与脉宽关系知，在一定的小范围内，可近似认为是线性的。根据电 机的电压平衡方程及电机力矩平衡方程可知 “= 尉+ 瓦d i + t 国 ( 2 4 ) m = j 了d o ) + k 缈= k i ， ( 2 5 ) 式中，u 是电机的输入电压，r 和i 是其电阻和电流；m 是电流i 产生的转 矩，比例系数为k 啪；j m 和k 是系统的转动惯量和阻尼系数；是电机获得的 转速；k 为电势与转速的比例系数。 因为k c o 熊递函数可简化为 g ( s ) = = 丽1 t 孟：c ( 2 6 ) 式中，t e = l r 为电机电磁时间常数，远小于电机的时间常数t i ，由于 t m 丧 ( 2 7 ) 一 j i 贝l j 式( 2 6 ) 可简化为 l s 武汉l ：程人学硕十学位论文 g = 器= 舞 ( 2 8 ) 对于脉宽调制控制方式的输入咖( t ) ，其电压方波的傅里叶级数可表示为 “( f ) = 口o + 吒c o s ( m o o t ) ( 2 9 ) 式中，谐波基频c o o = 2 万t ，直流分且m _ a 。= 矽( f ) e ，e 表示方波幅值，交流分量 幅值 口。：丝s i n ( 胛却( f ) ) ( 2 1 0 ) 当取脉宽调制基频较高时，可以认为交流分量对电机稳态没有影响。所以， 电机的脉宽调制传递函数为 g = 器= 鲁 ( 2 1 1 ) 2 校正环节 由于以电机本身的位置检测脉冲作为测速脉冲，而位置传感器装配精度有 限，因而测速脉冲在一周之内存在较大的系统扰动误差。因此，鉴相器所输出 的相差信号在传送到电机驱动器之前要经过校正，校正曲线如图2 - 6 所示。曲 线中的几个转折频率应保证t 1 大于t 2 并远高于t m ，且截止频率c 小于转速 6 0 0o u 0= ： - 。 2 - 6 电机校正曲线 3 数值校正法 上述模拟校正法的最大缺点是处理时间长，因为降低了电机系统的截止频 第2 章小机芯的方案设计 率，时间相应慢；而采用数值校正的方法可以达到快速稳定的控制特性。由式 可知，电机的近似特性属惯性环节，其闭环控制是稳定的；仅由于位置检测误 差的存在，可能造成系统失稳。利用计算机的随机存储与运算功能可以实现对 这一系统误差的修正，如图2 7 所示将修正过的相差经数值计算后直接以p w m 的形式输出，即可方便有效的实现数字校正控制。 参考濒 纯霞传感器 电机 2 - 7 数字校正原理 采用数字p i e d ( 比例积分微分) 校正形式的控制率可写成如下形式 “( 尼) = “( 后一1 ) + ( 玉。+ 吾+ 7 - ) e ( 后) 一 ( 2 1 2 ) ( 蜂+ 2 争( ) + 7 瓦- p ( h ) 式中，u ( k ) 、e ( k ) 分别是控制、输入序列；t 是采样间隔；k 是比例 环节的增益；t d 、t1 分别是微分、积分环节的时间常数，取值分别为l d = 1 2 绗u l ) ， t1 2 l t d = 0 5 l ，其中l 为电机阶跃响应的最大斜率在横坐标( 时间轴) 上的截 距，r 为电机阶跃响应的最大斜率。另外，数值控制系统还可以很方便的实现 多速、慢起速、调速最优控制等功能。 4 直流马达闭环回路p i d 控制的设计 根据直流马达建模与分析的结果，设计p i d 速度控制器如图2 8 所示，设 计的控制系统规格为 调整时问：t s o 0 2 5 5 s e c超调量：m p 5 1 7 武汉1 ：程人学硕十学位论文 设计所得p i d 控制器增益值为 p 4 4 4 ； k e = l15 2 8 9 ；l 渊0 0 8 6 ； 闭回路传递函数为 里剑一 q ，( s ) s 3 + 1 0 0 0 s 2 + 3 6 9 0 0 0 s + 9 0 3 8 3 0 0 0 ( 2 1 3 ) 设计后系统的阶跃s t e pr e s p o n s e 、r o o tl o c u s 、b o d ed i a g r a m 、与n y q u i s tp l o t 分别表示图2 ：坠图2 ：1 2 。受控制的系统规格为 调整时间：t s = o 0 2 s e c 超调量：m r , = l8 图2 8 p i d 控制方框图 瓤协9 图2 - 9p i d 速度控制的阶跃响应 第2 章小机芯的方案设计 墨 “r ：盟4 图2 1 0 p d 速度控制的根轨迹 口 “ 晌1 1 2 口“t _ 删 广 、。一、i ! 一一l ：j p v4 - ：_ 图2 - 1 1p d 速度控制的 白德图 训 啪 珊 搬 瑚 。 啪 坳 抽 啦 s_t口di_ 武汉l 程人学硕 ：学位论文 。， 。 r a hs 图p i d 2 1 2 速度控制的n y q u i s t p l o t 输入补偿器 图2 - 9 超调量超过预期的原因是方程( 1 ) 仍有- 阶零点存在，而h 此零点 相当接近所设计的极点。改进的方法足加入补偿器c ，( s ) ， g ( s ) = 而万丽9 0 丽3 8 3 五0 0 0 百两丽i ( 21 4 ) 加入输入补偿器之后的传递函数变为 婴：；竺塑塑 ( 2 1 5 ) n ，( s ) s 3 + 1 0 0 0 s 2 + 3 6 9 0 0 0 s + 9 0 3 8 3 0 0 0 一 设计后系统的s t e pr e s p o n s e 、r o o t l o c u s 、b o d e d i a g r a m 、与n