LECTEUR OPTIQUE D après sujet CCP 1) PRESENTATION GENERALE 1-1) MISE EN SITUATION Les lecteurs optiques laser sont des produits de notre quotidien depuis 1980 pour les "compacts discs" audio, depuis 1987 pour les DVD et depuis 006 pour les Blue-ray. Quel que soit le support, (CD, DVD, Blue-ray) la technologie générale reste la même. 1,6 µ m Le CD ou le DVD est un disque de matière plastique transparente dans lequel est incrustée une fine couche d aluminium réfléchissante. Les données binaires (0 ou 1) sont enregistrées sur le disque par modification de la variation d indice de réflexion de la couche d aluminium. Cette variation est lue par le lecteur de cédérom et interprétée pour restituer les données. Le lecteur de cédérom externe étudié dans ce sujet possède sur sa face avant un bouton permettant l ouverture et la fermeture d un tiroir et une LED verte éclairée lorsque le lecteur fonctionne. L utilisateur commande l ouverture du tiroir, place le disque et referme le tiroir. Moteur disque Crémaillère Moteur de suivi Figure 1 Actuateur avec la lentille DM Toussaint 1/7 PCSI 1
1-) FONCTIONNEMENT Lorsque le tiroir est complètement fermé, le mécanisme de verrouillage commande la montée de l étrier 6 (voir la figure 1 page précédente) fixé par deux élastomères (joints 7 et 8) sur la plaque de positionnement 5. La plaque de positionnement pivote autour d un élastomère (joint 9) le cédérom est alors solidaire du plateau du moteur disque et peut être entrainé par celui-ci. Le moteur disque est mis en rotation ; la lecture du cédérom est obtenue en déplaçant un faisceau laser sous la surface réfléchissante du disque. Le déplacement du faisceau laser est obtenu par le pilotage en position du support du bloc optique. La rotation du moteur de suivi entraîne la rotation de l arbre 1. Le pignon 1 de cet arbre engrène avec la crémaillère fixée sur le support du bloc optique et provoque ainsi sa translation. Le support est guidé par la tige acier 4 et le guide plastique de la plaque de positionnement 5; il vient placer le faisceau laser dans la position souhaitée. Cette position est affinée par l actuateur 3. 1-3) LECTURE DES DONNEES DU CD Le bloc optique (voir figure ci-dessous) est constitué de la diode laser, de miroirs, de la lentille fixée sur l actuateur et du support du bloc optique. Ce bloc optique est asservi en position pour permettre au faisceau laser de suivre la piste du CD où se trouvent les données : c est la «fonction de suivi de piste». Figure Guidage plastique Lentille Tige acier Le suivi de la piste est réalisé simultanément par deux structures différentes : le premier asservissement, suivant l axe X, est réalisé par le pilotage du moteur de suivi qui entraîne, par l intermédiaire de l arbre 1, la crémaillère fixée sur le support du bloc optique. Cet asservissement permet de déplacer la lentille au dessus de la piste mais n est ni suffisamment précis ni suffisamment rapide pour être utilisé seul. la finesse du positionnement est obtenue par des micro-déplacements de la lentille pilotée par l actuateur (voir figure ci-dessus). L actuateur participe ainsi à deux asservissements : le tracking : l actuateur permet de déplacer la lentille suivant l axe Y pour régler précisément la position. Cet asservissement est très rapide et permet un déplacement de 100 µm. le focus : l actuateur déplace la lentille selon l axe Z afin de maintenir la distance entre la lentille et le cédérom constante et assurer une lecture correcte des informations ; ce pilotage («focalisation») suivant l axe Z est aussi assuré par l actuateur. L amplitude de ce mouvement de l actuateur est de 100 µm avec une précision d environ µm. DM Toussaint /7 PCSI 1
1-4) FOCALISATION La lecture des informations binaires sur le disque est réalisée à l aide d un faisceau laser. Une diode laser produit un faisceau qui se concentre sur la surface du disque à l aide de deux lentilles. Le faisceau frappe la surface du disque, puis il est réfléchi sur la cible par le biais du miroir semi réfléchissant. La figure 3 ci contre représente le chemin optique simplifié. Si la focalisation est de bonne qualité, le faisceau réfléchi frappe la cible en un point. Si celle-ci est mauvaise, l impact du faisceau réfléchi sur la cible est une tache dont la taille est proportionnelle à l erreur de focalisation. La cible associée à un capteur fournit un signal électrique u 1 dont la tension est proportionnelle à l erreur de focalisation. Si u 1 = 0V le faisceau est Figure 3 parfaitement focalisé sur la surface du disque ainsi que sur la cible du capteur optique. En fonction de cette erreur, le circuit de commande pilote l actuateur afin de régler en hauteur la position de la lentille de focalisation jusqu à ce que le réglage soit correct. ) ANALYSE FONCTIONNELLE -1) CONTEXTE ET MILIEU ENVIRONNANT Un des modes les plus fréquents d utilisation d un lecteur de cédérom est la lecture et l écriture de données entre le cédérom et l ordinateur. Pour cette étude, nous nous placerons dans le cas d un lecteur/enregistreur CD/DVD externe, utilisé par exemple pour la sauvegarde de données d un Note book non équipé en interne, il communique avec le Note book au travers d un câble USB qui assure aussi l alimentation du lecteur. Dans ce type d utilisation, le lecteur de cédérom est en interaction avec plusieurs éléments du milieu extérieur, voir diagramme de contexte suivant : DM Toussaint 3/7 PCSI 1
-) EXIGENCES ET CONTRAINTES DE FONCTIONNEMENT DU LECTEUR CD Le diagramme des exigences ci-dessous («requirement diagram») décrit partiellement les exigences que doit respecter le système. Question 1 : Etablir la liste des différents éléments (en précisant leur nombre) intervenant pour satisfaire l exigence Id13. DM Toussaint 4/7 PCSI 1
-3) STRUCTURE ET CHAINES FONCTIONNELLES Le diagramme des blocs internes («ibd») donné dans le document réponse présente les différents sous-systèmes et composants présents dans le lecteur optique. Question : Compléter le diagramme de blocs internes du document réponse en repassant en rouge les flux d'énergie, en vert les flux d'information et en bleu les flux de matière. Question 3 : Compléter la représentation de la chaine fonctionnelle de l'axe de suivi de piste du document réponse en précisant le nom de chaque composant. 3) MODELISATION DE L ACTUATEUR 3-1) PRESENTATION Comme vu précédemment, l actuateur D permet de réaliser le suivi de la piste ainsi que la focalisation du faisceau laser sur la surface réfléchissante du disque. La lentille de focalisation est suspendue par quatre fils qui assurent le maintien et la fourniture du courant électrique aux bobines des électro-aimants. Z Fils de maintien X X Y Déplacement horizontal suivant X (tracking) Y L association aimant et bobine alimentée par un courant i( génère un effort vertical qui permet de réaliser le déplacement de la lentille. Pour la suite de cette étude nous considèrerons uniquement le mouvement lié à la fonction de focalisation (mouvement vertical suivant l axe Z). Y Z Déplacement vertical suivant Z (focus) 3-) ASSERVISSEMENT DE FOCALISATION L actuateur doit maintenir une distance constante entre la lentille et le disque, la différence ε entre cette consigne d c ( et la mesure réalisée d m ( par le capteur optique est traitée par le correcteur qui génère la loi de commande v( qui pilote le circuit de puissance. Le circuit de puissance alimente la bobine de déplacement vertical avec la tension e(. Le champ électromagnétique créé par le courant engendre un effort F( qui s oppose à l effet de la pesanteur et déplace la lentille verticalement d'une distance d(. Question 4 : Dessiner le schéma bloc fonctionnel de cet asservissement en position, préciser le nom des composants et les grandeurs physiques circulant entre les composants. DM Toussaint 5/7 PCSI 1
3-3) MODELISATION On se propose maintenant de déterminer les fonctions de transfert traduisant le mouvement de la bobine et son alimentation. En réalisant le bilan des efforts agissant sur la lentille de focalisation en mouvement, on peut écrire en projection sur l axe Z l équation (1) suivante : d z( m = k.z( m.g + n.b.l.i( dt Avec : d z( - Accélération verticale : dt - Effort des fils de maintien : -k z( - Effort dû au poids : -m.g - Effort magnétique : n.b.l.i( - i( : courant parcourant la bobine - k : constante de raideur des fils de maintien - m : masse de l ensemble mobile en translation - B : inductance de la bobine de focalisation - n : nombre de spires de la bobine - l : longueur du fil constituant la bobine m. g À l équilibre (sans mouvement, i( = 0 et & z &( = 0 ) on a : z0 ( =. k On effectue le changement de variable suivant permettant de ne plus avoir la constante m.g dans l équation (1) : z * ( t ) = z ( t ) z 0 ( t ) Question 5 : Ecrire la nouvelle équation différentielle en fonction de z*( et de ses dérivées Z *( successives. En déduire alors la fonction de transfert H ( =, la mettre sous forme I( canonique et tracer le schéma bloc relatif à cette fonction de transfert en précisant pourquoi les conditions initiales sont prises nulles. Reconnaître le type de système, préciser ses éléments caractéristiques et dessiner l allure de la réponse temporelle à une entrée en échelon d amplitude I 0 en précisant les particularités géométriques. Le circuit d'alimentation de la bobine de l'électro-aimant peut être modélisé de la façon suivante : - e( la tension d alimentation du circuit - i( le courant parcourant le circuit, - R et L, la résistance et l inductance de la bobine di( On peut alors écrire l'équation () : L + R. i( = e( dt On note E(, la transformée de Laplace de e(. I( Question 6 : Déterminer la fonction de transfert G ( =, la mettre sous forme canonique et E( tracer le schéma bloc relatif à cette fonction de transfert. Reconnaître le type de système, préciser ses éléments caractéristiques et dessiner l allure de la réponse temporelle à une entrée en échelon d amplitude E 0 en précisant les particularités géométriques. Question 7 : Dessiner le schéma blocs ayant pour entrée E( et pour sortie Z*(. DM Toussaint 6/7 PCSI 1
Question 8 : En déduire la fonction de transfert Z * ( F ( =. E( La tension envoyée à la bobine est définie sur la figure ci contre. Question 9 : Ecrire l équation temporelle de ce signal e( en utilisant la fonction identité u(. En déduire l'expression littérale E( qui est la transformée de Laplace de e(. 3-4) PERFORMANCES DE L ASSERVISSEMENT On réalise une simulation de l'asservissement de focalisation pour une consigne d'entrée constante valant d c (=5,5 µm. La courbe de l'évolution de la position de la lentille d( est donnée dans le document réponse. Question 10 : Déterminer en précisant sur la courbe les mesures faites : l'erreur statique de position en % de la consigne, le temps de réponse à 5% et la valeur du premier dépassement en %. DM Toussaint 7/7 PCSI 1