Asservissement de lentille optique en surface d un disque. 1/8

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1 Asservissement de lentille optique en surface d un disque "C est principalement pour des raisons de simplicité que nous avons choisi la solution de NI LabVIEW associé à une carte d acquisition de données PCI-7833R intégrant un FPGA. " - François-Xavier PIROT et Vincent ALAIWAN, KOCHKA ( L'objectif : Dans le cadre de l industrialisation d un équipement de fabrication de matrices de disques optiques, effectuer les asservissements nécessaires pour l utilisation d une optomécanique existante, notamment d une lentille optique de focalisation dans deux directions, ainsi que l asservissement précis du moteur de rotation. La solution : Utiliser NI LabVIEW et une carte d entrées/sorties analogiques et numériques intégrant un FPGA, choisie en raison de sa capacité de traitement de sa faible latence et de sa compacité, associée à une électronique spécifique d adaptation-amplification. Auteur(s) : François-Xavier PIROT et Vincent ALAIWAN - KOCHKA ( KOCHKA TECHNOLOGY commercialise un équipement de fabrication de matrices de disques optiques préenregistrés CD, DVD, Bluray Discs (BD). Cet équipement est basé sur un dispositif optomécanique (OMA, OptoMechanical Assembly) BD de qualité industrielle. Son fonctionnement nécessite l asservissement d une lentille optique à proximité du disque en cours d enregistrement (environ 20 nm de précision à la vitesse de 7,7 m/s). Un équipement vu comme un simple graveur La fabrication de matrices de disques optiques préenregistrés (17 milliards de disques en 2011) est, jusqu à aujourd hui, réalisée sur des équipements complexes, coûteux, polluants, en un mot : inadaptés au marché actuel du disque préenregistré, où le contrôle des délais et des coûts de production sont privilégiés. Nous avons introduit sur le marché, en 2011, un équipement vu par les utilisateurs comme un simple graveur de CDR, DVDR ou BDR, appliqué à des matrices. En parallèle du dispositif présenté ici, nous avons développé des substrats vierges en nickel, adaptés à notre application. Après personnalisation sur la machine que nous commercialisons, ces substrats sont directement utilisés dans les presses de moulages de DVD et autres (temps de cycle de 2,2 s ; la matrice peut résister à typiquement cycles). Pour tous les drives optiques commerciaux, l électronique qui commande l OMA est réalisée à partir de circuits intégrés commerciaux. Ces circuits intégrés, très spécifiques de l application concernée, sont inutilisables dès que l on sort du standard pour lequel ils sont conçus. Dans notre cas, nous utilisons un drive Bluray Disc (BD) pour écrire trois formats BD, DVD, CD. Une maîtrise détaillée de l ensemble de la chaîne, depuis les amplifications jusqu à l algorithme de commande, a été nécessaire au succès du projet. Signaux d erreur Le rôle de l OMA, comme tous les dispositifs de disques optiques, est de focaliser un point lumineux très précisément sur la surface d un disque au milieu d une piste. La piste est matérialisée sur le substrat vierge par un relief de guidage d un pas dépendant du format (320, 740 et 1600 nanomètres respectivement pour les formats BD, DVD, CD). Il est nécessaire d asservir la lentille de focalisation en direction axiale (focalisation) et radiale (suivi de piste). Pour assurer ces deux asservissements, l optique permet de générer deux signaux d erreurs (axial et radial), à partir de combinaisons (additions et soustractions) de signaux provenant d une série de quatre photodiodes, suivant en cela l état de l art des disques optiques. et actuateurs à commander Comme dans tous les drives optiques, la lentille est portée sur un actuateur magnétique permettant un mouvement rapide d amplitude environ 100 microns, radialement et axialement. Un second actuateur lent permet le balayage de l ensemble de la surface du disque (le «chariot»). Le support de disque tourne sous l effet d un moteur de type «DC sans contact», comprenant trois capteurs angulaires et trois pôles de commande. La régularité de la rotation est essentielle à la qualité de l écriture. Par ailleurs, la carte est utilisée pour diverses fonctions de commande et contrôle (actuateur piezo ). Des asservissements rapides et précis L asservissement de la position de la lentille est le paramètre le plus contraignant du dispositif. L asservissement de vitesse du moteur nécessite également une grande précision. Pour assurer la réussite de notre projet d asservissement, nous avons fait appel au laboratoire GREYC à Caen (assistance à maîtrise d ouvrage), l équipe KOCHKA assurant le développement proprement dit. Les contraintes de rapidité imposent donc d utiliser des dispositifs temps réel à calculateur rapide. Lorsque nous avons dimensionné ce projet, nous avons travaillé avec des cartes comportant des circuits DSP associés à des convertisseurs (A/N et N/A). Nous avons évalué l avantage relatif des cartes DSP et FPGA. DSP ou FPGA? Comparables en termes de coût, les cartes DSP et FPGA présentaient chacune des avantages et des inconvénients. De qualité acceptable pour l application, la carte DSP offre l avantage de simplifier les dimensionnements par l utilisation de calculs en virgule flottante. Malheureusement, c est une solution qui ne permet pas de maîtriser le délai entrée/sortie de chaque processus (temps partagé). De son côté, le carte FPGA permet cette maîtrise du délai entre l entrée et la sortie, et ajouter une fonction ne change pas le délai d exécution d une autre fonction. Par contre, c est une solution qui nécessite la maîtrise de la programmation FPGA, ainsi qu un dimensionnement des variables pour s adapter au calcul de type «fixed point». Nous avons donc choisi de nous tourner vers des cartes à base de FPGA. Quelles solutions logiciel + matériel FPGA Nous avons alors évalué des solutions à base de carte du commerce, associé à un logiciel de calcul matriciel/simulation. Nous avons comparé cette solution à la solution logicielle et matérielle proposée par National Instruments. Le logiciel de calcul et de simulation évalué domine le marché du calcul des paramètres d asservissements, et offre aussi comme avantage de permettre la génération automatique de code VHDL sur la carte FPGA. Mais pour ce faire, le client que nous sommes doit acheter séparément et intégrer ensemble divers éléments : le logiciel mathématique et le générateur automatique de code auprès de la société éditrice, le «compilateur VHDL» auprès du fabricant de FPGA, et enfin le matériel et les logiciels de commande associés auprès du fabricant de carte FPGA. Également basée sur une carte FPGA, l approche de NI se distingue par une intégration totale du logiciel FPGA et du matériel, ainsi que par l intégration du logiciel PC et de la communication entre carte FPGA et logiciel PC. Cela se traduit par un seul interlocuteur et un service support unique. Côté financier, on a pu évaluer que le coût d investissement était similaire, et que le coût répétitif était inférieur ou égal. C est donc principalement pour des raisons de simplicité (et donc de coût et de délai), que nous avons choisi l association de NI LabVIEW avec une carte d acquisition de données PCI-7833R intégrant un FPGA. 1/8

2 Une seule carte FPGA pour tout faire La carte PCI-7833R porte l ensemble de la chaîne mesure/calcul/commande. Nous avons développé en interne des cartes électroniques d adaptation des signaux, entrée/sortie. Le but est d obtenir que le système réponde avec la fonction de transfert suivante (f0=5 khz) : La méthode employée, très classique, consiste à utiliser le correcteur numérique suivant, en calculant les coefficients par «placement de pôle» en fonction de la réponse en fréquence en boucle ouverte. -1 Cet algorithme est implémenté sur FPGA avec des coefficients «fixed point», où z est implémenté en tant que registre à décalage. Un système facile à utiliser et à adapter Le système obtenu permet d asservir de manière satisfaisante l ensemble des paramètres du dispositif. Nous avons adapté un dispositif optique d écriture de type BluRay à plusieurs types de media, CD, DVD, BD, permettant de réaliser une machine d écriture de matrices de disques versatile et simple d utilisation. La maîtrise de la chaine de mesure et d asservissement utilisée permet d envisager d utiliser le dispositif pour toutes sortes d applications, depuis le disque optique jusqu aux dispositifs microélectroniques, et pourrait être adapté aisément à d autre type d OMA. Décembre 2012 Informations sur l'auteur : François-Xavier PIROT et Vincent ALAIWAN KOCHKA ( 7, rue Alfred Kastler Caen France Tél : +33 (0) fx.pirot@kochka.com (mailto:fx.pirot@kochka.com) 2/8

3 Système en cours de montage, en position ouverte. Le dispositif optique OMA, non visible, se trouve sous la partie supérieure. La carte électronique d adaptation est visible avec son connecteur VHDCI. 3/8

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5 Machine KOCHKA complète, avec le dispositif d écriture visible sur la partie gauche, et son interface sur l écran de gauche. Réponse en fréquence en boucle ouverte d un actuateur. La première étape du projet a été d identifier la réponse en fréquence des actuateurs lentille. La carte a été utilisée comme instrument de mesure dans cette phase (résonnance + Gain statique + Fréquence de résonnance du modèle du second ordre). 5/8

6 Oscillogramme lorsque le dispositif est en asservi en focalisation. Visualisation du signal d'erreur de suivi de piste (rose, 3). L erreur de focalisation (bleu, 2) est négligeable en conséquence de l'asservissement. 6/8

7 Signaux lors du double asservissement «focalisation» et «suivi de piste». Les deux signaux d erreurs ne présentent que des variations résiduelles. 7/8

8 Variation relative de vitesse de rotation disque pendant un enregistrement, à vitesse linéaire constante (v. angulaire variable). Toutes causes confondues, précision de l'ordre du millième. Législation Cet article a été rédigé par un utilisateur de National Instruments ("NI"). IL EST FOURNI "EN L'ÉTAT" SANS AUCUNE GARANTIE ET EST SOUMIS À CERTAINES RESTRICTIONS COMME PLUS SPÉCIFIQUEMENT DÉTERMINÉES DANS LES CONDITIONS D'UTILISATION DE NI.COM ( ( 8/8