光碟機伺服控制系統

伺服控制系統用來處理光碟機內所有會動的元件；當光碟機在讀取資料 時，碟片須作高速旋轉，所以根據設定的轉速來調節碟片的旋轉；另外還需 將光點聚焦以及鎖定在適當的資料軌上，才能迅速讀取資料。整個伺服系統 可以細分為主軸伺服系統（Spindle Servo）、徑向伺服系統（Radial Servo─

包含循軌與尋軌）、聚焦伺服系統（Focusing Servo）、碟片拖盤伺服（Tray Servo）系統等，下面將重要的伺服系統做一介紹。

2.2.1 主軸伺服控制

主軸馬達伺服的主要功能是承載光碟片的旋轉，並且提供光學讀取頭能 夠由光碟片上讀取固定之資料流(Data Stream)。主軸馬達在光碟機的應用上 主要可分為定轉速（Constant Linear Velocity－CAV）與定線速（Constant Linear Velocity－CLV）兩種形態。就定線速而言，光學讀取頭在讀取內圈 資料時，主軸馬達的轉速較快，而當讀寫頭越向外圈移動時，所需之主軸馬 達轉速則越慢。

其調整的方法是光學讀取頭將資料與內部的參考值比較，然後產生一個 控制電壓驅動主軸馬達旋轉，使得旋轉時讀取頭所在的位置的切線速度能與 資料流的速度相匹配。一般而言，主軸馬達伺服系統可以視為一閉迴路之控 制系統，主軸伺服系統根據光碟片上RF的同步訊號（Sync. pattern signal）作 為系統的回授訊號，再利用鎖相迴路（Phase Locked Loop─PLL）來做轉速 控制，其詳細之系統方塊圖如圖2-7。系統運作時，會由時脈產生器產生一 個基準頻率，送入主軸馬達控制器中與迴授回來的同步訊號作比較，以適時 變動主軸馬達的轉速，使基準頻率與同步訊號的頻率維持相同。

1/N 波形

整形

資料鎖相 迴路

EFM 解碼

時脈 產生 器

主軸馬達

控制器 驅動器 主軸

馬達

光學 光碟片 讀取頭 RF

EFM PLCK 資料輸出

Sync.

signal

圖 2-7 主軸馬達伺服系統方塊圖

由於定線速度的方式儲存資料時，光碟片上資料的線密度是一樣的，

所以在碟片內圈時資料量較少，在外圈時資料量就比較大了，而定角速度 的資料儲存，不論內外圈都一樣大，因此不論在讀取與資料配置方式上，

定線速度讀取方式其有效容量都要比定角速度高出很多，此其主要優點。

但其缺點在於主軸馬達轉速變換需耗費較多時間，造成資料讀取及搜尋速 度與定角速度方式比較起來慢了一些。針對這個缺點，已有許多人提改進 的方法：包括利用定角速度方式（CAV）來讀取定線速度（CLV）、區間可 變轉速（Zoned-CLV）、近似定線速度（Quasi-CLV）方式、部分定線速度

（Partial CLV）以及定角速度定線速度混和方式（CAV-CLV）。

2.2.2 聚焦伺服控制

聚焦伺服系統的主要功能在於精確地將雷射光聚焦在碟片上面，使得 光學讀取頭內的光偵測器，能正確地偵測到並解析由碟片上反射回來的資 料。然而由於光碟片在正常旋轉的過程中會由於偏心以及光碟片本身的非

真圓而產生上下的晃動(wobble)，或是夾片機構本身的間隙所造成光碟片的 偏移，因此聚焦伺服系統必須不斷地偵測聚焦誤差訊號，隨時修正聚焦的 動作，以期能正確的讀取資料。整個聚焦伺服系統如圖2-8 所示。

圖 2-8 聚焦伺服系統

聚焦伺服包含了聚焦致動器、光學系統（透鏡）、光感測器（光二極體）、

前置放大器以及補償控制器。聚焦致動器將聚焦物鏡(objective lens)上下移動 使得雷射光點能正確地打在光碟片上。一般而言，使用音圈馬達（Voice Coil Motor）作為聚焦致動器，音圈馬達如圖2-9。而由雷射二極體所發出的雷射 光經由一連串的光學透鏡來做整形、偏極等動作，最後照射在光碟片上。光 偵測器則是由光碟片所反射的部分雷射光，將其轉換成電流訊號。經過前置 放大器後，轉成電壓並且放大成聚焦誤差訊號(FE)。聚焦誤差訊號的波形依 據聚焦遠近看起來好像一個S，所以又稱為S曲線。光碟機再將聚焦誤差訊號 的線性部分提供給動態補償器來做補償的動作。最後整個伺服系統為一個閉 迴路控制系統。

圖 2-9 音圈馬達

磁鐵 聚焦線圏 聚焦透鏡

參考訊號

聚焦誤差訊號 反射光

控制器 驅動器 聚焦致動器 光學

讀取頭

光感測器 前置

放大器

2.2.3 循軌伺服控制

光碟機上的循軌動作是當光碟片旋轉時，雷射光點必須不斷地向外/內 移動以便能追循此一連續之螺旋狀資料軌。另一方面，由於資料軌的軌距 僅1.6μm（DVD：0.74μm），因此當光碟片因為旋轉時震動造成非真圓或 是偏心而有稍微之偏移（Run-Out）時，雷射光點可能會漏失原來追隨的資 料軌，為了確保雷射光點夠維持在軌道中央，資料能無誤地循序讀取資料，

因此雷射光點必須追循著資料軌道，此伺服動作乃稱做「循軌」。

此循軌的動作即必須藉由「循軌伺服系統」來達成，其架構與「聚焦 伺服系統」類似，包含了循軌致動器、光學物鏡、光感測器、前置放大器 以及補償控制器等主要元件，同樣的由光感測器感測迴授訊號後放大成循 軌誤差訊號(TE)，再與控制器形成閉迴路，此系統方塊圖如圖 2-10。

圖 2-10 循軌伺服系統

因為光碟片資料儲存區大約在半徑25mm 到 58mm，所以雷射光點必須 要能夠橫越33mm 的距離；另一方面雷射光點又必須追隨軌距只有 1.6μm 的資料軌（DVD：0.74μm）。為了要達到此一嚴格之控制要求，部分光碟 機系統採用了「雙致動器伺服系統」（Dual-Stage Actuator Servo System），

雙致動器如圖2-11 所示。

參考訊號

循軌誤差訊號 反射光

控制器 驅動器 循軌致動器 光學

讀取頭

光感測器 前置

放大器

碟片偏心、

震動等干擾

物鏡

微調致動器

（音圈馬達）

光碟片 位移方向

位移方向 粗調致動器

（直流馬達）

讀取頭載車

圖 2-11 雙致動器示意圖

所謂「雙致動器伺服系統」就是伺服系統中採用兩個致動器，由其中 一個為粗調致動器（Coarse Actuator），處理較大距離的移動，另一個為（Fine Actuator），處理較小範圍的移動，而這兩個致動器是互相耦合在一起的。

一般而言，粗調致動器的行程可到達33mm，控制精度大約在 0.1mm 左右；

而微調致動器的最大行程約只有 3mm 以下，但控制精度必須到達 0.1μm 以下，雷射光點移動行程大約在一百軌左右；當雷射光點所需移動距離超 過微調致動器能處理的範圍時，就必須靠粗調致動器來輔助達成，所以需 要這兩個致動器的互相配合才能完成光碟機內的徑向伺服，其伺服系統方 塊圖如 2-12。圖中微調致動器處理訊號中較高頻的部分，而粗調致動器則 是處理訊號中較低頻的部分。

圖 2-12 雙致動器伺服系統 循軌/尋

軌控制器

粗調 控制器

微調

控制器 驅動器

驅動器 粗調

致動器 微調 致動器

前置 光感測器 放大器

2.2.4 尋軌伺服控制

為了隨意的讀取分佈在光碟片上面的資料，光碟機需要一個「尋軌伺 服系統」（Seeking Servo System）來找尋目的資料軌，以便能將此軌資料讀 取出來。這個「尋軌」的動作和「循軌」一樣都在光碟片的半徑方向上移 動，因此將兩者合稱為「徑向伺服系統」（Radial Servo System）。

光碟機系統欲達到「直接讀取」（Direct Access）的目的，必須提供隨 時讀取碟片上任一區域資料的能力。因此，光碟機系統必須讓光學讀取頭 不僅能循序追隨資料軌還要能夠「找尋」目的資料軌以讀出正確的資料。

光碟片上面資料區半徑長約有 33mm，這就是所謂徑向伺服系統的行程

（Stroke），也是光學讀取頭所必須橫越光碟片表面的最大距離。由於儲存 於光碟片上的每筆資料大小不一，因此每筆資料在光碟片上所佔的資料軌 數也就不一樣，當雷射光點由現在的資料要移動到另一筆資料時，所需跨 越的軌數（或是距離）也就不一定。因此尋軌伺服系統要能夠使讀寫頭高 速移動長短不同的距離，並且在目的軌或其附近停止。其系統方塊圖與循 軌伺服系統類似，只是必須將「循軌誤差放大器」改成「軌數計數器」。

尋軌伺服又可以分為長程尋軌、中程尋軌、短程尋軌，當光學讀取頭 要讀取碟片上某一軌上的資料時，而此一軌的距離又超過微致動器的音圈 馬達的所能移動的範圍時，尋軌控制器就會驅動粗調致動器，利用粗調致 動器快速地將光學讀取頭移動到目的軌的附近，之後屬於短程尋軌模式，

此時啟動微調致動器將光學物鏡帶到目的軌的下方使得雷射光點到達正確 的目的軌，然後啟動「循軌伺服系統」而開始讀取資料。如果目的軌與現 在軌距離僅數軌到數十軌左右，則不用啟動粗調致動器做長程尋軌，只要 利用微調致動器便可以達成工作。