Entwicklung und Erprobung einer digitalen PID-Regelung für eine optische Fokussiereinrichtung

Inhaltsverzeichnis

1 EINLEITUNG UND AUFGABENSTELLUNG

1.1 EINLEITUNG

1.2 AUFGABENSTELLUNG

2 DER FOKUSREGELKREIS

2.1 DIE OPTISCHE EINHEIT

2.1.1 DAS PICK UP

2.1.2 DIE ASTIGMATISCHE OPTIK

2.1.3 DER 4-QUADRANTEN PHOTODETEKTOR

2.1.3.1 Das Fokusfehlersignal

3 REGELUNG

3.1 FUNKTION EINES REGLERS

3.2 PID REGLER

3.2.1 P - REGELUNG

3.2.2 I - REGELUNG

3.2.3 D – REGELUNG

3.3 DIGITALISIERUNG

3.3.1 DER P-ANTEIL

3.3.2 DER I - ANTEIL

3.3.3 DER D-ANTEIL

4 DIGITALE FILTER

4.1 VORTEILE DIGITALER FILTER

4.2 IIR FILTER DESIGN

4.2.2 BILINEARE TRANSFORMATION

4.3 MATHEMATISCHER PID ENTWURF

4.3.1 ENTWICKLUNG DER DREI REGLERELEMENTE P I D

4.3.1.1 Entwicklung des Integrierenden I-Gliedes

4.3.1.2 Entwicklung des Differenzierenden D – Gliedes

4.3.1.3 Entwicklung des P – Gliedes

5 SIMULATION DER PID REGLER - SCHALTUNG

6 A L T E R A

6.1 DER PLD BAUSTEIN

6.2 AUFBAU DER PLATINE

6.3 QUARTUS

6.3.1 ALTERA QUARTUS II VERSION 4.1

7 DIE HARDWAREBESCHREIBUNGSSPRACHE V H D L

7.1 DEFINITION

7.2 ANWENDUNG UND ENTWICKLUNG

7.2.1 ANWENDUNGSGEBIETE

7.3 GRUNDLEGENDE STRUKTURELEMENTE DER VHDL

8 AUFBAU UND PROGRAMMIERUNG DES PID REGLERS

8.1 ALTERA CLOCK

8.2 AUFBAU DES ALTERA AD- UND DA-WANDLERS

8.2.1 AD WANDLER

8.2.1.1 Programmierung des AD Wandlers

8.2.2 DATEN AUSGANG

8.3 DER VERSTÄRKER

8.3.1 PROGRAMMIERUNG DES VERSTÄRKERS

8.4 AUFBAU UND PROGRAMMIERUNG DES I-TEILS

8.4.1 DAS RECHTS SCHIEBEREGISTER 9 BIT

8.4.1.1 Programmierung des 9 Bit Schieberegister

8.4.2 DER ZÄHLER (REGLER CLK)

8.4.2.1 Programmierung regler clk

8.4.3 DER ZÄHLER (DELAY 2)

8.4.3.1 Programmierung delay 2

8.4.4 DIE VERZÖGERUNGSZEIT 25 US (COUNT 2)

8.4.4.1 Programmierung count2

8.4.5 DER ADDIERER (ADD 1 UND ADD 2)

8.4.5.1 Programmierung add1 und add2

8.4.6 DAS RECHTS-SCHIEBEREGISTER 12 BIT

8.4.6.1 Programmierung des Rechts-Schieberegister 12 Bit

8.4.7 DER SUBTRAHIERER ( SUB 1 )

8.4.7.1 Programmierung sub 1

8.5 AUFBAU UND PROGRAMMIERUNG DES D- TEILS

8.5.1 DAS LINKS-SCHIEBEREGISTER 4 BIT

8.5.1.1 Programmierung des Links Schieberegister 4 Bit

8.5.2 VERZÖGERUNGSZEIT 10 US (DELAY – 10 US)

8.5.2.1 Programmierung delay-10us

8.5.3 DER SUBTRAHIERER

8.6 AUFBAU UND PROGRAMMIERUNG DES P-TEILS

8.6.1 DAS LINKS SCHIEBEREGISTER 3 BIT

8.6.1.1 Programmierung des Links Schieberegister 3 Bit

8.6.2 ADDIERER

8.7 TEST DER TEILE I – PD – PID

8.8 OFFSET-COMP

8.8.1 PROGRAMMIERUNG DER SPEICHER

8.8.2 PROGRAMMIERUNG DER OFFSET-VER

8.9 FOCUS ERROR

9 TEST DES PICK UP

9.1 TESTABLAUF

9.2 PROGRAMMIERUNG END_SCHIEB

Zielsetzung und Forschungsfokus

Diese Diplomarbeit befasst sich mit der Konzeption, Realisierung und experimentellen Erprobung einer digitalen PID-Regelung für die optische Fokussierung in DVD-Laufwerken. Ziel ist es, eine effiziente und einfach handhabbare digitale Alternative zu bestehenden analogen Reglern zu entwickeln, die den Laserstrahl präzise auf der Datenebene der optischen Disk hält.

• Entwicklung einer digitalen PID-Regelstruktur für optische Fokussiereinrichtungen
• Implementierung des Reglers als Logic-Programm mittels VHDL auf einem Altera ACX 1K PLD
• Transformation analoger Regelungsansätze in diskrete, digitale Filterstrukturen
• Experimentelle Validierung durch Simulation und praktische Tests an einer bestückten Hardware-Platine

Auszug aus dem Buch

Zusammenfassung der Kapitel

1 EINLEITUNG UND AUFGABENSTELLUNG: Einführung in die Relevanz der DVD-Produktion und die Zielsetzung der Entwicklung eines digitalen PID-Reglers.

2 DER FOKUSREGELKREIS: Erläuterung der hardwareseitigen Komponenten wie Pick-up, astigmatischer Optik und Photodetektor für die Fokusregelung.

3 REGELUNG: Grundlagen der Regelungstechnik und mathematische Herleitung der PID-Struktur inklusive deren Digitalisierung.

4 DIGITALE FILTER: Erörterung der Vorteile digitaler Filter und Anwendung der bilinearen Transformation für den PID-Entwurf.

5 SIMULATION DER PID REGLER - SCHALTUNG: Darstellung der Simulationsergebnisse mittels Micro-Cap 7 und Optimierung der Regler-Schaltung.

6 A L T E R A: Vorstellung der PLD-Bausteine der Firma Altera sowie des Aufbaus der verwendeten Hardware-Platine.

7 DIE HARDWAREBESCHREIBUNGSSPRACHE V H D L: Einführung in die VHDL-Programmierung für die Synthese und Dokumentation digitaler Systeme.

8 AUFBAU UND PROGRAMMIERUNG DES PID REGLERS: Detaillierte Beschreibung der schaltungstechnischen Implementierung der einzelnen PID-Komponenten in VHDL.

9 TEST DES PICK UP: Dokumentation der praktischen Tests des Reglers am physikalischen System inklusive der Signaloptimierung.

Schlüsselwörter

PID-Regler, DVD-Laufwerk, VHDL, Fokusregelung, FPGA, PLD, Altera, digitale Filter, Regelungstechnik, optische Fokussierung, Signalverarbeitung, Hardwarebeschreibung, Simulation, AD-Wandler, Mikrorechnertechnik

Häufig gestellte Fragen

Was ist das Hauptziel dieser Diplomarbeit?

Das Ziel ist die Entwicklung und Erprobung eines digitalen PID-Reglers, der auf einem Altera FPGA-Baustein implementiert wird, um die Fokussierung in einem DVD-Laufwerk zu steuern.

Welche Hardware-Plattform kommt zum Einsatz?

Der Regler wurde als VHDL-Programm für einen Altera ACX 1K (Programmable Logic Device, EP1K 100QC208-1) entwickelt.

Wie wurde die analoge PID-Regelung digitalisiert?

Die Digitalisierung erfolgte durch die Anwendung der bilinearen Transformation, um die kontinuierlichen Übertragungsfunktionen in diskrete, numerisch berechenbare Differenzengleichungen zu überführen.

Welche Herausforderungen traten bei der Implementierung auf?

Ein zentrales Problem war die Phasenverschiebung und ein stufenförmiger Verlauf des Signals, was durch eine Erhöhung der Abtastfrequenz und eine Anpassung der Verzögerungszeiten im Programm gelöst werden konnte.

Welche Rolle spielt VHDL in dieser Arbeit?

VHDL dient als Hardwarebeschreibungssprache, um die logischen Funktionen des Reglers (wie I-, P- und D-Glieder) zu programmieren und diese anschließend auf den Chip zu brennen.

Welche Rolle spielt die Offset-Kompensation?

Die Offset-Kompensation dient dazu, störende Offsetspannungen der Photodiode zu reduzieren, damit eine präzise Fokussierung des Lasers auf die Datenebene der DVD ermöglicht wird.

Was wurde beim Testlauf mit dem Pick-up festgestellt?

Beim Test zeigte sich, dass der Amplitudenpegel des verstärkten Signals zu hoch war, weshalb zur Signalreduktion ein zusätzliches Schieberegister eingesetzt wurde.

Welches Simulationswerkzeug wurde zur Validierung verwendet?

Zur Simulation des analogen Schaltungsentwurfs wurde das Programm Micro-Cap 7 genutzt.