THORLABS DSC1 kompaktni digitalni servo kontroler

specifikacije:

• Naziv proizvoda: DSC1 kompaktni digitalni servo kontroler
• Preporučena upotreba: Sa Thorlabs fotodetektorima i aktuatorima
• Kompatibilni aktuatori: Piezo ampLifieri, drajveri laserskih dioda, TEC kontroleri, elektro-optički modulatori
• Usklađenost: CE/UKCA oznake

Upute za upotrebu proizvoda

Uvod

Namjena: DSC1 je kompaktni digitalni servo kontroler dizajniran za opću laboratorijsku upotrebu u istraživanju i industriji. DSC1 meri voltage, izračunava povratni signal prema algoritmu upravljanja koji je izabrao korisnik i daje voltage. Proizvod se smije koristiti samo u skladu s uputama opisanim u ovom priručniku. Svaka druga upotreba poništava garanciju. Svaki pokušaj reprogramiranja, rastavljanja binarnih kodova ili na drugi način mijenjanja fabričkih mašinskih instrukcija u DSC1, bez pristanka Thorlabsa, poništit će garanciju. Thorlabs preporučuje korištenje DSC1 sa Thorlabs fotodetektorima i aktuatorima. Prampnekoliko Thorlabs aktuatora koji su pogodni za upotrebu sa DSC1 su Thorlabs piezo ampLifieri, drajveri laserskih dioda, termoelektrični hladnjak (TEC) kontroleri i elektro-optički modulatori.

Objašnjenje sigurnosnih upozorenja

NAPOMENA Označava informacije koje se smatraju važnim, ali nisu povezane s opasnostima, kao što je moguće oštećenje proizvoda.
CE/UKCA oznake na proizvodu su izjava proizvođača da je proizvod usklađen sa osnovnim zahtjevima relevantnog europskog zakonodavstva o zdravlju, sigurnosti i zaštiti okoliša.
Simbol kante za otpatke na proizvodu, priboru ili pakovanju označava da se ovaj uređaj ne smije tretirati kao nesortirani komunalni otpad, već se mora odvojeno sakupljati.

Opis
Thorlabsov DSC1 digitalni servo kontroler je instrument za povratnu kontrolu elektro-optičkih sistema. Uređaj mjeri ulaznu zapreminutage, određuje odgovarajuću povratnu informaciju voltage kroz jedan od nekoliko algoritama upravljanja i primjenjuje ovu povratnu informaciju na izlaznu voltage kanal. Korisnici mogu izabrati da konfigurišu rad uređaja putem integrisanog ekrana osetljivog na dodir, grafičkog korisničkog interfejsa (GUI) udaljenog desktop računara ili kompleta za razvoj softvera za udaljeni računar (SDK). Servo kontroler samples voltagPodaci sa 16-bitnom rezolucijom kroz koaksijalni SMB ulazni port na 1 MHz.

Da bismo pružili precizniji voltage mjerenja, aritmetička kola unutar uređaja prosječne svake dvije samples za efikasan sampbrzina od 500 kHz. Digitalizovane podatke obrađuje mikroprocesor velikom brzinom koristeći tehnike digitalne obrade signala (DSP). Korisnik može birati između SERVO i PEAK algoritama upravljanja. Alternativno, korisnik može testirati sistemski odgovor na DC voltage za određivanje servo zadane vrijednosti pomoću RAMP režim rada, koji proizvodi pilasti talas sinkrono sa ulazom. Ulazni kanal ima tipičan propusni opseg od 120 kHz. Izlazni kanal ima tipičan propusni opseg od 100 kHz. Fazno kašnjenje od -180 stepeni input-to-output voltagPrijenosna funkcija ovog servo kontrolera je tipično 60 kHz.

Tehnički podaci

Specifikacije

Operativne specifikacije
Sistemski propusni opseg	DC do 100 kHz
Ulaz za izlaz -180 stepeni frekvencije	>58 kHz (60 kHz tipično)
Nominalni ulaz Sampling Rezolucija	16 Bit
Nominalna izlazna rezolucija	12 Bit
Maximum Input Voltage	±4 V
Maximum Output Voltageb	±4 V
Maksimalna ulazna struja	100 mA
Average Noise Floor	-120 dB V2/Hz
Peak Noise Floor	-105 dB V2/Hz
Ulazni RMS šumc	0.3 mV
Ulaz Sampling Frekvencija	1 MHz
Učestalost ažuriranja PID-ad	500 kHz
Opseg frekvencije modulacije Peak Lock	100 Hz – 100 kHz u koracima od 100 Hz
Input Termination	1 MΩ
Izlazna impedansab	220 Ω

• a. Ovo je frekvencija na kojoj izlaz dostiže fazni pomak od -180 stepeni u odnosu na ulaz.
• b. Izlaz je dizajniran za povezivanje sa high-Z (>100 kΩ) uređajima. Povezivanje uređaja sa nižim ulaznim završetkom, Rdev, će smanjiti izlaznu zapreminutagOpseg po Rdev/(Rdev + 220 Ω) (npr. uređaj sa 1 kΩ terminacijom će dati 82% nominalnog izlaznog volumenatage raspon).
• c. Integracioni propusni opseg je 100 Hz – 250 kHz.
• d. Niskopropusni filter smanjuje artefakte digitalizacije u kontroli izlazatage, što rezultira izlaznom širinom pojasa od 100 kHz.

Električni zahtjevi
Snabdijevanje voltage	4.75 – 5.25 V DC
Supply Current	750 mA (maks.)
Temperaturni opsega	0 °C do 70 °C

• a Temperaturni raspon u kojem uređaj može raditi bez Optimalan rad se javlja kada je temperatura blizu sobne temperature.

Sistemski zahtjevi
Operativni sistem	Potreban je Windows 10® (preporučeno) ili 11, 64 bita
Memorija (RAM)	4 GB minimalno, 8 GB preporučeno
Storage	300 MB (min) dostupnog prostora na disku
Interface	USB 2.0
Minimalna rezolucija ekrana	1200 x 800 piksela

Mehanički crteži 

Pojednostavljena izjava o usklađenosti
Kompletan tekst EU deklaracije o usklađenosti dostupan je na sljedećoj internet adresi: https://Thorlabs.com/newgrouppage9.cfm?objectgroup_id=16794

FCC oznaka 

Napomena: Ova oprema je testirana i utvrđeno je da je u skladu s ograničenjima za digitalne uređaje klase A, u skladu s dijelom 15 FCC pravila. Ova ograničenja su dizajnirana da pruže razumnu zaštitu od štetnih smetnji kada se oprema koristi u komercijalnom okruženju. Ova oprema stvara, koristi i može emitovati radiofrekventnu energiju i, ako nije instalirana i korištena u skladu s uputama za upotrebu, može uzrokovati štetne smetnje radio komunikacijama. Rad ove opreme u stambenom području vjerovatno će uzrokovati štetne smetnje, u kom slučaju će korisnik morati ispraviti smetnje o svom trošku.

Sigurnosna upozorenja: Oznake CE/UKCA ukazuju na usklađenost sa evropskim zakonima o zdravlju, sigurnosti i zaštiti životne sredine.

Operacija

osnove: Upoznajte se sa osnovnim funkcijama DSC1.

Uzemljene petlje i DSC1: Osigurajte pravilno uzemljenje kako biste izbjegli smetnje.

Napajanje DSC1: Priključite izvor napajanja slijedeći navedene smjernice.

Touchscreen 

Pokretanje interfejsa ekrana osetljivog na dodir 
Nakon spajanja na napajanje i kratkog zagrijavanja, manje od jedne sekunde, DSC1 će osvijetliti integrirani zaslon osjetljiv na dodir i ekran će reagirati na unose.

Rad ekrana na dodir u SERVO modu
SERVO način rada implementira PID kontroler.

Slika 2 Ekran osetljiv na dodir u servo režimu rada sa PID kontrolerom uključenim u režimu PI kontrole. 

• PV (procesna varijabla) numerička vrijednost pokazuje AC RMS voltage ulaznog signala u voltima.
• OV (izlazni voltage) numerička vrijednost pokazuje prosječnu izlaznu zapreminutage iz DSC1.
• S (setpoint) kontrola postavlja zadanu tačku servo petlje u voltima. 4 V je maksimalno, a -4 V je minimalno dozvoljeno.
• O (offset) kontrola postavlja DC pomak servo petlje u voltima. 4 V je maksimalno, a -4 V je minimalno dozvoljeno.
• P (proporcionalna) kontrola postavlja proporcionalni koeficijent pojačanja. Ovo može biti pozitivna ili negativna vrijednost između 10-5 i 10,000, označena inženjerskom notacijom.
• I (integralna) kontrola postavlja koeficijent integralnog pojačanja. Ovo može biti pozitivna ili negativna vrijednost između 10-5 i 10,000, označena inženjerskom notacijom.
• Kontrola D (derivacija) postavlja koeficijent pojačanja derivacije. Ovo može biti pozitivna ili negativna vrijednost između 10-5 i 10,000, označena inženjerskom notacijom.
• Prekidač STOP-RUN onemogućuje i omogućava servo petlju.
• Dugmad P, I i D omogućavaju (osvijetljeno) i onemogućuju (tamno plavo) svako pojačanje stage u PID servo petlji.
• Padajući meni SERVO omogućava korisniku da izabere način rada.
• Teal trace pokazuje trenutnu zadatu vrijednost. Svaka tačka je udaljena 2 µs na X-osi.
• Zlatni trag prikazuje trenutno izmjereni PV. Svaka tačka je udaljena 2 µs na X-osi.

Rad sa ekranom osetljivim na dodir u RAMP Mode 
RAMP način rada daje pilasti val koji može konfigurirati korisnik amplituda i ofset.

• PV (procesna varijabla) numerička vrijednost pokazuje AC RMS voltage ulaznog signala u voltima.
• OV (izlazni voltage) numerička vrijednost pokazuje prosječnu izlaznu zapreminutage primjenjuje uređaj.
• O (offset) kontrola postavlja DC pomak ramp izlaz u voltima. 4 V je maksimalno, a -4 V je minimalno dozvoljeno.
• A (amplitude) kontrola postavlja ampvisina ramp izlaz u voltima. 4 V je maksimalno, a -4 V je minimalno dozvoljeno.
• Prekidač STOP-RUN onemogućuje odnosno omogućava servo petlju.
• RAMP padajući meni omogućava korisniku da odabere način rada.
• Zlatni trag prikazuje odgovor postrojenja sinhronizovan sa izlaznim skeniranjem voltage. Svaka tačka je udaljena 195 µs na X-osi.

Touchscreen Rad u režimu PEAK
PEAK način rada implementira kontroler traženja ekstrema s frekvencijom modulacije koju može konfigurirati korisnik, amplituda i integracijska konstanta. Imajte na umu da su modulacija i demodulacija uvijek aktivne kada je uređaj u PEAK modu; Run-stop prekidač se aktivira i deaktivira integralno pojačanje u kontrolnoj petlji dither.

• PV (procesna varijabla) numerička vrijednost pokazuje AC RMS voltage ulaznog signala u voltima.
• OV (izlazni voltage) numerička vrijednost pokazuje prosječnu izlaznu zapreminutage primjenjuje uređaj.
• Brojčana vrijednost M (množitelj frekvencije modulacije) pokazuje višekratnik od 100 Hz frekvencije modulacije. Za nprample, ako je M = 1 kao što je prikazano, frekvencija modulacije je 100 Hz. Maksimalna frekvencija modulacije je 100 kHz, sa M vrijednošću od 1000. Generalno, preporučljive su veće frekvencije modulacije, pod uvjetom da upravljački aktuator reagira na toj frekvenciji.
• A (amplitude) kontrola postavlja ampvisina modulacije u voltima, označena inženjerskom notacijom. 4 V je maksimalno, a -4 V je minimalno dozvoljeno.
• Kontrola K (peak lock integral coefficient) postavlja integracijsku konstantu regulatora, sa jedinicama od V/s, označenim u inženjerskoj notaciji. Ako korisnik nije siguran kako da konfiguriše ovu vrijednost, obično je preporučljivo započeti s vrijednošću oko 1.
• Prekidač STOP-RUN onemogućuje odnosno omogućava servo petlju.
• Padajući meni PEAK omogućava korisniku da odabere način rada.
• Zlatni trag prikazuje odgovor postrojenja sinhronizovan sa izlaznim skeniranjem voltage. Svaka tačka je udaljena 195 µs na X-osi.

Softver
Softver digitalnog servo kontrolera je dizajniran kako bi omogućio kontrolu nad osnovnom funkcionalnošću putem računalnog sučelja i pruža prošireni skup alata za analizu za korištenje kontrolera. Za nprampda, GUI uključuje dijagram koji može prikazati ulazni obimtage u frekvencijskom domenu. Dodatno, podaci se mogu izvesti kao .csv file. Ovaj softver omogućava korištenje uređaja u servo, peak ili ramp režimi sa kontrolom svih parametara i postavki. Odgovor sistema može biti viewed kao ulazni voltage, signal greške ili oboje, bilo u vremenskom ili frekventnom domenu. Molimo pogledajte priručnik za više informacija.

Pokretanje softvera
Nakon pokretanja softvera, kliknite na “Poveži” da biste prikazali dostupne DSC uređaje. Više DSC uređaja može se kontrolisati istovremeno.

Slika 5
Ekran za pokretanje za softver DSCX Client.

Slika 6 Prozor za odabir uređaja. Kliknite OK da se povežete sa odabranim uređajem.

Tab servo softvera
Kartica Servo omogućava korisniku da upravlja uređajem u servo modu sa dodatnim kontrolama i ekranima izvan onih koje pruža ugrađeni korisnički interfejs ekrana osetljiv na dodir na samom uređaju. Na ovoj kartici dostupni su prikazi procesne varijable u vremenskom ili frekvencijskom domenu. Odgovor sistema može biti viewed kao procesna varijabla, signal greške ili oboje. Signal greške je razlika između procesne varijable i zadane vrijednosti. Koristeći tehnike kontrolne analize, impulsni odziv, frekvencijski odziv i fazni odziv uređaja mogu se predvideti, pod uslovom da se naprave određene pretpostavke o ponašanju sistema i koeficijenti pojačanja. Ovi podaci se prikazuju na kartici servo kontrole tako da korisnici mogu preventivno konfigurirati svoj sistem, prije početka kontrolnih eksperimenata.

Slika 7 Softverski interfejs u Ramp mod sa prikazom frekvencijskog domena. 

• Omogući X mrežne linije: Označavanjem okvira omogućava se X linija mreže.
• Omogući Y mrežne linije: Označavanjem okvira omogućava se Y linija mreže.
• Dugme za pokretanje/pauza: Pritiskom na ovo dugme počinje/zaustavlja se ažuriranje grafičkih informacija na ekranu.
• Frequency / Time Toggle: Prebacuje između iscrtavanja frekvencijskog i vremenskog domena.
• PSD / ASD Toggle: Prebacuje između spektralne gustine snage i ampvertikalne osi spektralne gustine litude.
• Average Scans: Prebacivanje ovog prekidača omogućava i onemogućuje usrednjavanje u frekvencijskom domenu.
• Skeniranja u prosjeku: Ova numerička kontrola određuje broj skeniranja koja će biti u prosjeku. Minimum je 1 skeniranje, a maksimum je 100 skeniranja. Strelice gore i dolje na tastaturi povećavaju i smanjuju broj skeniranja u prosjeku. Slično, dugmad gore i dolje pored kontrole povećavaju i smanjuju broj skeniranja u prosjeku.
• Učitaj: Pritiskom na ovo dugme na panelu Referentni spektar omogućava korisniku da izabere referentni spektar sačuvan na klijentskom računaru.
• Sačuvaj: Pritiskom na ovo dugme na panelu Referentni spektar omogućava korisniku da sačuva trenutno prikazane podatke o frekvenciji na svom računaru. Nakon klika na ovo dugme, sprema se file dijalog će omogućiti korisniku da odabere lokaciju za skladištenje i unese file naziv za njihove podatke. Podaci se spremaju kao vrijednost odvojena zarezima (CSV).
• Prikaži referencu: Označavanjem ovog polja omogućava se prikaz posljednje odabranog referentnog spektra.
• Autoscale Y-Axis: Označavanje polja omogućava automatsko postavljanje granica prikaza Y ose.
• Autoscale X-Axis: Označavanje polja omogućava automatsko postavljanje granica prikaza X ose.
• Log X-Axis: Označavanjem polja se prebacuje između logaritamskog i linearnog prikaza X ose.
• Pokreni PID: Omogućavanje ovog prekidača omogućava servo petlju na uređaju.
• O Numerički: Ova vrijednost postavlja voltage u voltima.
• SP Numeric: Ova vrijednost postavlja zadanu vrijednost voltage u voltima.
• Kp Numeric: Ova vrijednost postavlja proporcionalno pojačanje.
• Ki Numeric: Ova vrijednost postavlja integralno pojačanje u 1/s.
• Kd Numeric: Ova vrijednost postavlja derivacijski dobitak u s.
• P, I, D dugmad: Ovi tasteri omogućavaju proporcionalno, integralno i derivativno pojačanje kada su osvetljeni.
• Run/Stop Toggle: Prebacivanje ovog prekidača omogućava i onemogućuje kontrolu.

Korisnik također može koristiti miš da promijeni opseg prikazanih informacija: 

• Točak miša uvećava i umanjuje grafiku prema trenutnoj poziciji pokazivača miša.
• SHIFT + klik mijenja pokazivač miša u znak plus. Nakon toga, levi taster miša će uvećati poziciju pokazivača miša za faktor 3. Korisnik takođe može da povuče i odabere region grafikona koji će zumirati da se uklopi.
• ALT + klik mijenja pokazivač miša u znak minus. Nakon toga će lijevo dugme miša umanjiti položaj pokazivača miša za faktor 3.
• Pokreti širenja i štipanja na podlozi za miša ili dodirnom ekranu će zumirati, odnosno umanjiti grafikon.
• Nakon pomicanja, klik lijevom tipkom miša omogućit će korisniku pomicanje povlačenjem miša.
• Desni klik na grafikon vratit će zadanu poziciju grafikona.

Ramp Softver Tab
Ramp kartica pruža uporedivu funkcionalnost sa ramp karticu na ugrađenom ekranu osetljivom na dodir. Prebacivanje na ovu karticu stavlja povezani uređaj u ramp način rada.

Slika 8
Softverski interfejs u Ramp način rada.

Pored kontrola dostupnih u servo načinu rada, Ramp mod dodaje: 

• Amplitude Numeric: Ova vrijednost postavlja skeniranje amplituda u voltima.
• Offset Numeric: Ova vrijednost postavlja pomak skeniranja u voltima.
• Pokreni / zaustavi Ramp Prebacivanje: Prebacivanje ovog prekidača omogućava i onemogućuje ramp.

Peak Software Tab 
Kartica Peak Control pruža istu funkcionalnost kao režim PEAK na ugrađenom korisničkom interfejsu, uz dodatnu vidljivost prirode povratnog signala iz sistema. Prebacivanje na ovu karticu prebacuje povezani uređaj u PEAK način rada.

Slika 9 Softverski interfejs u režimu Peak sa prikazom vremenskog domena.

Pored kontrola dostupnih u Servo načinu rada, Peak način rada dodaje: 

• Amplitude numeric: Ova vrijednost postavlja modulaciju amplituda u voltima.
• K numerički: Ovo je integralni koeficijent vršne blokade; vrijednost postavlja integralnu konstantu pojačanja u V/s.
• Numerički pomak: Ova vrijednost postavlja pomak u voltima.
• Frekvencijski broj: Ovo postavlja množitelj frekvencije modulacije u koracima od 100 Hz. Minimalna dozvoljena vrijednost je 100 Hz, a maksimalna 100 kHz.
• Run/Stop Peak prekidač: Prebacivanje ovog prekidača omogućava i onemogućuje integralno pojačanje. Imajte na umu, kad god je uređaj u PEAK modu, izlazna modulacija i demodulacija signala greške su aktivni.

Sačuvani podaci 
Podaci se pohranjuju u formatu vrijednosti odvojene zarezima (CSV). Kratko zaglavlje zadržava relevantne podatke iz podataka koji se pohranjuju. Ako se format ovog CSV-a promijeni, softver možda neće moći oporaviti referentni spektar. Stoga se korisnik ohrabruje da svoje podatke sačuva u posebnoj tabeli file ako nameravaju da urade bilo kakvu nezavisnu analizu.

Slika 10 Podaci u .csv formatu izvezeni iz DSC1. 

Theory of Operation

PID servo kontrola
PID kolo se često koristi kao regulator povratne sprege kontrolne petlje i vrlo je uobičajeno u servo krugovima. Svrha servo kola je da zadrži sistem na unapred određenoj vrednosti (set point) tokom dužeg vremenskog perioda. PID kolo aktivno drži sistem na zadanoj tački generiranjem signala greške koji je razlika između zadane i trenutne vrijednosti i modulacijom izlaznog volumenatage za održavanje zadate tačke. Slova koja čine akronim PID odgovaraju proporcionalnom (P), integralnom (I) i izvedenom (D), koji predstavljaju tri kontrolna podešavanja PID kola.

Proporcionalni član zavisi od sadašnje greške, integralni član zavisi od akumulacije prošle greške, a derivatni termin je predviđanje buduće greške. Svaki od ovih pojmova se unosi u ponderisani zbir koji prilagođava izlazni volumentage kola, u(t). Ovaj izlaz se dovodi u kontrolni uređaj, njegovo mjerenje se vraća nazad u PID petlju, a procesu je dozvoljeno da aktivno stabilizira izlaz kola kako bi dostigao i zadržao vrijednost zadane tačke. Blok dijagram ispod ilustruje djelovanje PID kola. Jedna ili više kontrola može se koristiti u bilo kojem servo krugu u zavisnosti od toga šta je potrebno za stabilizaciju sistema (npr. P, I, PI, PD ili PID).

Imajte na umu da PID kolo ne garantuje optimalnu kontrolu. Neispravno podešavanje PID kontrola može uzrokovati značajne oscilacije kruga i dovesti do nestabilnosti u kontroli. Na korisniku je da pravilno podesi PID parametre kako bi osigurao ispravne performanse.

PID Theory 

PID teorija za kontinuirani servo kontroler: Shvatite PID teoriju za optimalnu servo kontrolu.
Izlaz PID upravljačkog kola, u(t), je dat kao

gdje:

• ?? je proporcionalni dobitak, bez dimenzija
• ?? je integralni dobitak u 1/sekundi
• ?? je derivirani dobitak u sekundama
• ?(?) je signal greške u voltima
• ?(?) je kontrolni izlaz u voltima

Odavde možemo matematički definirati kontrolne jedinice i razgovarati o svakoj malo detaljnije. Proporcionalna kontrola je proporcionalna signalu greške; kao takav, to je direktan odgovor na signal greške generiran od strane kola:
? = ???(?)
Veći proporcionalni dobitak rezultira većim promjenama u odgovoru na grešku, a samim tim utiče i na brzinu kojom kontroler može odgovoriti na promjene u sistemu. Dok visoko proporcionalno pojačanje može uzrokovati brzu reakciju kola, previsoka vrijednost može uzrokovati oscilacije oko SP vrijednosti. Preniska vrijednost i kolo ne može efikasno odgovoriti na promjene u sistemu. Integralna kontrola ide korak dalje od proporcionalnog pojačanja, jer je proporcionalna ne samo veličini signala greške već i trajanju bilo koje akumulirane greške.

Integralna kontrola je veoma efikasna u povećanju vremena odziva kola zajedno sa eliminisanjem greške stabilnog stanja povezane sa čisto proporcionalnom kontrolom. U suštini, integralna kontrola zbraja bilo koju prethodno neispravljenu grešku, a zatim tu grešku množi sa Ki da bi se dobio integralni odgovor. Stoga, čak i za malu trajnu grešku, može se realizirati veliki agregirani integralni odgovor. Međutim, zbog brzog odziva integralnog upravljanja, visoke vrijednosti pojačanja mogu uzrokovati značajno prekoračenje SP vrijednosti i dovesti do oscilacija i nestabilnosti. Prenisko i kolo će biti znatno sporije u odgovoru na promjene u sistemu. Derivativna kontrola pokušava da smanji potencijal prekoračenja i zvonjenja iz proporcionalne i integralne kontrole. Određuje koliko se brzo kolo mijenja tokom vremena (gledajući derivaciju signala greške) i množi ga sa Kd da bi proizveo odgovor derivacije.

Za razliku od proporcionalne i integralne kontrole, derivativno upravljanje će usporiti odziv kola. Pritom je u mogućnosti djelomično kompenzirati prekoračenje kao i damp otklanja sve oscilacije uzrokovane integralnom i proporcionalnom kontrolom. Visoke vrijednosti pojačanja uzrokuju da krug reagira vrlo sporo i može ga ostaviti osjetljivim na šum i visokofrekventne oscilacije (pošto kolo postaje presporo da bi brzo reagiralo). Preniska i krug je sklon prekoračenju zadane vrijednosti. Međutim, u nekim slučajevima mora se izbjeći prekoračenje vrijednosti zadane vrijednosti za bilo koji značajan iznos i stoga se može koristiti veća derivativna dobit (zajedno sa nižim proporcionalnim dobitkom). Grafikon ispod objašnjava efekte nezavisnog povećanja pojačanja bilo kojeg od parametara.

Parametar Povećano	Vrijeme uspona	Overshoot	Vrijeme poravnanja	Greška stabilnog stanja	Stabilnost
Kp	Smanjenje	Povećaj	Mala promjena	Smanjenje	Degradirati
Ki	Smanjenje	Povećaj	Povećaj	Značajno smanjiti	Degradirati
Kd	Manje smanjenje	Manje smanjenje	Manje smanjenje	Nema efekta	Poboljšaj (za male Kd)

Servo kontroleri sa diskretnim vremenom 

Format podataka
PID kontroler u DSC1 prima 16-bitni ADC sample, koji je offset binarni broj, koji može biti u rasponu od 0-65535. 0 se linearno preslikava na negativni 4V ulaz, a 65535 predstavlja +4V ulazni signal. Signal "greške", ?[?], u PID petlji u vremenskom koraku ? se određuje kao ?[?] = ? − ?[?] Gdje? je zadana vrijednost, a ?[?] je voltagesample u ofset binarnoj skali u diskretnom vremenskom koraku, ?.

Zakon o kontroli u vremenskom domenu
Tri člana dobitka se izračunavaju i zbrajaju zajedno.
?[?] = ??[?] + ??[?] + ??[?] ?? = ???[?] ?? ≈ ?? ∫ ?[?] ?? = ??(?[?] − ?[? − 1])
Gdje su ??[?], ??[?] i ??[?] proporcionalni, integralni i derivativni dobici koji sadrže kontrolni izlaz ?[?] u vremenskom koraku?. ??, ?? i ?? su proporcionalni, integralni i izvedeni koeficijenti pojačanja.

Aproksimacija integrala i derivacije
DSC1 aproksimira integrator sa akumulatorom.
∫ ?[?] = ?[?] + ∫ ?[? − 1] Razmatranje intervala integracije, širine vremenskog koraka, je umotano u integralni koeficijent pojačanja ?? takav da: ?? = ?′?ℎ
Gdje?′? je nominalno uneseni integralni koeficijent pojačanja i ℎ je vrijeme između ADC samples. Izvodimo sličnu aproksimaciju kao razliku između ?[?] i ?[? − 1] opet pod pretpostavkom da je ?? također sadrži skaliranje od 1/h.

Kao što je ranije spomenuto, sada uzmite u obzir da integralne i derivativne aproksimacije nisu uključivale nikakvo razmatranje vremenskog koraka (sample interval), u daljem tekstu ℎ. Tradicionalno kažemo eksplicitnu aproksimaciju prvog reda promenljivoj ?[?] sa = ?(?, ?) na osnovu pojmova u proširenju Taylorovog niza je ?[?] ≈ ?[? − 1] + ℎ ?(?, ?)
Ovo se često naziva Ojlerova integraciona šema unatrag ili eksplicitni numerički integrator prvog reda. Ako riješimo izvod, ?(?, ?), nalazimo:

Obratite pažnju na sličnost brojioca u gornjem tekstu našoj narednoj aproksimaciji derivatu u kontrolnoj jednačini. To znači da je naša aproksimacija izvodu prikladnije skalirana sa ℎ−1.

Takođe intuitivno oponaša osnovnu teoremu računa:

Ako to kažemo? je integral signala greške ?, možemo napraviti sljedeće zamjene.
?[?]=∫?[?] ?(?,?)= ?[?] I dobijamo iz aproksimacije Taylorovog reda prvog reda funkciji ?: ∫?[?]=∫?[?−1]+ℎ ?(?)
Jednostavnim pretpostavkom ∫?[?]=0 za ?=0, naredna aproksimacija integralu se praktično kondenzira u akumulator.

Stoga prilagođavamo naše prethodno izvođenje zakona o kontroli na:

Zakon o kontroli u frekvencijskom domenu
Iako jednačina izvedena u nastavku daje informacije o ponašanju u vremenskom domenu PID kontrolera s diskretnim vremenom implementiranog u DSC1, ona malo govori o odzivu u frekvencijskom domenu kontrolera. Umjesto toga uvodimo ? domenu, što je analogno Laplaceovom domenu, ali za diskretno, a ne kontinuirano vrijeme. Slično Laplaceovoj transformaciji, Z transformacija funkcije se najčešće određuje sastavljanjem tabeliranih odnosa Z-transformacije, umjesto direktnom zamjenom definicije Z-transformacije (prikazane ispod).

Gdje je ?(?) izraz Z-domena diskretne vremenske varijable ?[?], ? je polumjer (često tretiran kao 1) nezavisne varijable ?, ? je kvadratni korijen od -1, a ∅ je kompleksni argument u radijanima ili stupnjevima. U ovom slučaju, potrebne su samo dvije tablične Z-transformacije.
?[?] = ?[?] ?[? − 1] = ?[?]?−1
Z-transformacija proporcionalnog člana, ??, je trivijalna. Također, prihvatite na trenutak da nam je korisno odrediti grešku za kontrolu funkcije prijenosa, ?(?), umjesto jednostavno ?(?).

Z-transformacija integralnog člana, ??, je zanimljivija.
Prisjetite se naše eksplicitne Eulerove integracijske sheme u prethodnom dijelu: ??(?) = ?? ∫ ?[?] = ?? (∫ ?[? − 1] + ℎ ?(?))
∫ ?(?) = ∫ ?(?) ?−1 + ℎ?(?)
∫ ?(?) − ∫ ?(?) ?−1 = ℎ?(?)

Konačno, posmatramo dobit od derivata, ??: 

Sastavljanjem svake od gore navedenih funkcija prijenosa dolazimo do: 

Pomoću ove jednačine možemo numerički izračunati odziv frekvencijskog domena za kontroler i prikazati ga kao Bodeov dijagram, kao što je dolje.
PID prijenosne funkcije, Kp = 1.8, Ki = 1.0, Kd = 1E-4

Obratite pažnju na to kako se pojačanje PI kontrolera približava isključivo proporcionalnom pojačanju i visokoj frekvenciji i kako pojačanje PD kontrolera pristupa isključivo proporcionalnom pojačanju na niskim frekvencijama.

PID podešavanje
Općenito, dobitke P, I i D će korisnik morati prilagoditi kako bi optimizirao performanse sistema. Iako ne postoji statičan skup pravila o tome koje bi vrijednosti trebale biti za bilo koji određeni sistem, praćenje općih procedura trebalo bi pomoći u podešavanju kola tako da odgovara nečijem sistemu i okruženju. Općenito, pravilno podešeno PID kolo obično će malo premašiti SP vrijednost, a zatim brzo damp kako biste dosegli SP vrijednost i držali se mirno u toj tački. PID petlja se može zaključati na pozitivan ili negativan nagib promjenom predznaka P, I i D pojačanja. U DSC1, znakovi su zaključani zajedno tako da će promjena jednog promijeniti sve.

Ručno podešavanje postavki pojačanja je najjednostavniji metod za podešavanje PID kontrola. Međutim, ova procedura se radi aktivno (PID kontroler priključen na sistem i PID petlja omogućena) i zahtijeva određenu količinu iskustva da bi se postigli dobri rezultati. Da biste ručno podesili svoj PID regulator, prvo postavite dobitke integrala i derivata na nulu. Povećajte proporcionalno pojačanje dok ne uočite oscilaciju na izlazu. Vaš proporcionalni dobitak bi tada trebao biti podešen na otprilike polovinu ove vrijednosti. Nakon što je proporcionalno pojačanje postavljeno, povećavajte integralno pojačanje dok se bilo koji pomak ne ispravi na vremenskoj skali prikladnoj za vaš sistem.

Ako povećate ovo pojačanje previše, primijetit ćete značajno prekoračenje vrijednosti SP i nestabilnost u kolu. Kada se postavi integralni dobitak, derivirani dobitak se može povećati. Dobitak derivata će smanjiti prekoračenje i damp sistem brzo do zadate vrijednosti. Ako povećate pojačanje derivata previše, vidjet ćete veliko prekoračenje (zbog toga što je krug presporo da bi odgovorio). Igrajući se sa postavkama pojačanja, možete optimizirati performanse vašeg PID kola, što rezultira sistemom koji brzo reagira na promjene i efikasno dampisključuje oscilaciju oko zadane vrijednosti.

Tip kontrole	Kp	Ki	Kd
P	0.50 Ku	–	–
PI	0.45 Ku	1.2 Kp/Pu	–
PID	0.60 Ku	2 Kp/Pu	KpPu/8

Iako ručno podešavanje može biti vrlo efikasno u postavljanju PID kola za vaš specifični sistem, ono zahtijeva određenu količinu iskustva i razumijevanja PID kola i odgovora. Ziegler-Nicholsova metoda za PID podešavanje nudi strukturiraniji vodič za postavljanje PID vrijednosti. Opet ćete htjeti postaviti integralnu i derivativnu dobit na nulu. Povećajte proporcionalno pojačanje sve dok krug ne počne oscilirati. Ovaj nivo pojačanja ćemo nazvati Ku. Oscilacija će imati period od Pu. Pojačanja za različite upravljačke krugove su tada data u gornjoj tabeli. Imajte na umu da kada koristite Ziegler-Nicholsovu metodu podešavanja sa DSC1, integralni član određen iz tabele treba pomnožiti sa 2⋅10-6 da se normalizuje na sample rate. Slično, koeficijent derivacije treba podijeliti sa 2⋅10-6 da bi se normalizirao na sample rate.

Ramping
Korisnici će često morati da odrede radnu tačku velikog signala ili korisnu zadatu tačku za sistem. Da bi se odredila ili radna tačka velikog signala (u daljem tekstu DC offset) ili optimalna servo zadata vrednost, uobičajena tehnika je da se sistem jednostavno više puta stimuliše linearno povećanjem zapreminetage signal. Uzorak se obično naziva zupčastim talasom, zbog sličnosti sa zubima testere.

Peak Lock Mode
Vrhunski način zaključavanja implementira algoritam zaključavanja dithera također poznat kao kontroler za traženje ekstrema. U ovom načinu rada, kontrolna vrijednost je superponirana na izlaz sinusnog vala. Izmjereni ulazni volumentage je prvi digitalno visokopropusni filter (HPF) za uklanjanje bilo kakvog DC pomaka. Zatim se AC spojeni signal demodulira množenjem svake izmjerene zapreminetage po izlaznoj vrijednosti modulacije sinusnog vala. Ova operacija množenja stvara demodulirani signal sa dvije glavne komponente: sinusnim valom na zbiru dviju frekvencija i signalom na razlici dviju frekvencija.

Drugi digitalni filtar, ovoga puta niskopropusni filter (LPF), prigušuje signal zbira dvije frekvencije i prenosi signal niske frekvencije razlike od dvije frekvencije. Sadržaj signala na istoj frekvenciji kao i modulacija pojavljuje se kao DC signal nakon demodulacije. Poslednji korak u algoritmu peak lock je integracija LPF signala. Izlaz integratora, u kombinaciji sa izlaznom modulacijom, pokreće izlaznu voltage. Akumulacija niskofrekventne demodulirane energije signala u integratoru gura offset kontrolu voltage izlaza sve više i više sve dok se predznak LPF izlaza ne obrne i izlaz integratora ne počne da se smanjuje. Kako se kontrolna vrijednost približava vrhuncu odziva sistema, rezultat modulacije na ulaznom signalu servo kontroleru postaje sve manji i manji, budući da je nagib sinusoidnog valnog oblika nula na svom vrhu. To zauzvrat znači da postoji niža izlazna vrijednost iz niskopropusnog filtriranog, demoduliranog signala, i stoga se manje akumulira u integratoru.

Slika 12 Blok dijagram vršnog locking kontrolera. Ulazni signal iz postrojenja koja reaguje na vršne vrednosti se digitalizuje, a zatim se visokopropusno filtrira. HPF izlazni signal je demoduliran digitalnim lokalnim oscilatorom. Izlaz demodulatora je niskopropusni filtriran i potom integrisan. Izlaz integratora se dodaje modulacijskom signalu i izlazi u postrojenje koje reaguje na vršne vrijednosti. Peak locking je dobar kontrolni algoritam za odabir kada sistem kojim korisnik želi da kontroliše nema monoton odgovor oko optimalne kontrolne tačke. PrampOd ovih vrsta sistema su optički mediji sa rezonantnom talasnom dužinom, kao što je parna ćelija ili filter za odbijanje RF opsega (notch filter). Centralna karakteristika kontrolne šeme za zaključavanje vrha je tendencija algoritma da usmeri sistem ka prelasku signala greške preko nule koji se poklapa sa vrhom u merenom signalu, kao da je signal greške derivat izmerenog signala. Imajte na umu da vrh može biti pozitivan ili negativan. Da biste započeli s režimom rada za zaključavanje vrha za DSC1, možete slijediti ovu proceduru.

1. Uvjerite se da postoji vrh (ili dolina) signala na koji zaključavate unutar kontrolnog volumenatage domet aktuatora, te da je vršna pozicija relativno stabilna s vremenom. Korisno je koristiti RAMP mod za vizualizaciju signala preko kontrolne voltage opseg interesovanja.
2. Obratite pažnju na kontrolni voltagpoložaj vrha (ili doline).
3. Procijenite koliko je širok vrh (ili dolina) u kontroli voltage na polovini visine vrha. Ova širina, u voltima, se obično naziva polumax pune širine ili FWHM. Za dobre rezultate trebao bi biti širok najmanje 0.1V.
4. Podesite modulaciju amplituda (A) do 1% do 10% FWHM voltage.
5. Podesite ofset voltage što je moguće bliže poziciji vrha (ili doline) na koju želite da se zaključate.
6. Postavite frekvenciju modulacije na željenu frekvenciju. Na ekranu osetljivom na dodir na to utiče parametar M, frekvencija modulacije. Frekvencija modulacije je 100 Hz puta M. Najbolji odabir frekvencije modulacije ovisi o primjeni. Thorlabs preporučuje vrijednosti oko 1 kHz za mehaničke aktuatore. Više frekvencije se mogu koristiti za elektrooptičke aktuatore.
7. Postavite integralni koeficijent vršnog zaključavanja (K) na 0.1 puta A. K može biti pozitivan ili negativan. Generalno, pozitivni K se zaključava na vrhunac ulaznog signala, dok se negativni K zaključava na dolinu ulaznog signala. Međutim, ako aktuator ili sistem koji se zaključava ima više od 90 stepeni kašnjenja faze na frekvenciji dithera, predznak K će se invertirati i pozitivni K će se zaključati na dolinu, a negativni K će se zaključati na vrhunac.
8. Pritisnite Run i provjerite da li je kontrola voltagIzlaz se mijenja od originalne vrijednosti pomaka (O) i ne bježi u ekstrem. Alternativno, pratite varijablu procesa pomoću osciloskopa kako biste provjerili je li DSC1 zaključan na željeni vrh ili dolinu.

Slika 13 Prample podaci iz ramping izlaznog pomaka voltage sa kontinuiranim sinusnim talasom, nametnutim postrojenju sa vršnim odzivom. Imajte na umu da je ukrštanje nule signala greške usklađeno s vrhom signala odgovora postrojenja.

Održavanje i čišćenje
Redovno čistite i održavajte DSC1 za optimalne performanse. DSC1 ne zahtijeva redovno održavanje. Ukoliko se ekran osetljiv na dodir na uređaju zaprlja, Thorlabs preporučuje nežno čišćenje ekrana osetljivog na dodir mekom krpom koja ne ostavlja dlačice, zasićenom razblaženim izopropil alkoholom.

Rješavanje problema i popravak

Ako se pojave problemi, pogledajte odjeljak za rješavanje problema za smjernice o rješavanju uobičajenih problema. Tabela u nastavku opisuje tipične probleme s DSC1 i Thorlabs preporučenim lijekovima.

Issue	Objašnjenje	Lijek
Uređaj se ne uključuje kada je priključen na USB Type-C napajanje.	Uređaju je potrebno čak 750 mA struje iz napajanja od 5 V, 3.75 W. Ovo može premašiti mogućnosti napajanja nekih USB-A konektora na prijenosnim i PC računarima.	Koristite Thorlabs DS5 ili CPS1 izvore napajanja. Alternativno, koristite USB Type-C napajanje kao što se obično koristi za punjenje telefona ili laptopa koji ima izlaznu snagu od najmanje 750 mA na 5 V.
Uređaj se ne uključuje kada je port za prenos podataka priključen na računar.	DSC1 crpi napajanje samo iz USB Type-C konektora za napajanje. USB Tip Mini-B konektor je samo za prenos podataka.	Spojite USB Type-C port na napajanje od najmanje 750 mA na 5 V, kao što je Thorlabs DS5 ili CPS1.

Odlaganje
Slijedite odgovarajuće smjernice za odlaganje kada povlačite DSC1 iz upotrebe.
Thorlabs potvrđuje našu usklađenost sa WEEE (otpadnom električnom i elektronskom opremom) direktivom Evropske zajednice i odgovarajućim nacionalnim zakonima. Shodno tome, svi krajnji korisnici u EZ mogu vratiti Thorlabsu električnu i elektronsku opremu kategorije „kraj životnog vijeka“ iz Aneksa I prodate nakon 13. avgusta 2005., bez naplate troškova odlaganja. Prihvatljive jedinice su označene precrtanim logotipom „kante za smeće za točkove“ (vidi desno), prodate su kompaniji ili institutu unutar EZ i trenutno su u vlasništvu kompanije ili instituta i nisu rastavljene ili kontaminirane. Kontaktirajte Thorlabs za više informacija. Tretman otpada je vaša odgovornost. Jedinice „End of life“ moraju se vratiti u Thorlabs ili predati kompaniji specijalizovanoj za oporabu otpada. Nemojte odlagati jedinicu u kantu za otpatke ili na javno odlagalište otpada. Odgovornost korisnika je da izbriše sve privatne podatke pohranjene na uređaju prije odlaganja.

FAQ:

P: Šta da radim ako se DSC1 ne uključuje?
A: Provjerite priključak izvora napajanja i uvjerite se da ispunjava navedene zahtjeve. Ako se problem nastavi, obratite se korisničkoj podršci za pomoć.

Sigurnost

NAPOMENA
Ovaj instrument treba držati podalje od okruženja u kojima je moguće prolivanje tečnosti ili kondenzovana vlaga. Nije vodootporan. Da biste izbjegli oštećenje instrumenta, nemojte ga izlagati spreju, tekućinama ili rastvaračima.

Instalacija

Informacije o garanciji
Ovaj precizni uređaj je upotrebljiv samo ako je vraćen i pravilno upakovan u kompletno originalno pakovanje uključujući kompletnu pošiljku plus kartonski umetak koji drži priložene uređaje. Ako je potrebno, zatražite zamjensko pakovanje. Obratite se kvalifikovanom osoblju za servisiranje.

Uključene komponente

DSC1 kompaktni digitalni servo kontroler se isporučuje sa sljedećim komponentama:

• DSC1 digitalni servo kontroler
• Kartica za brzi početak
• USB-AB-72 USB 2.0 Type-A do Mini-B podatkovni kabel, 72″ (1.83 m) dugačak
• Kabel za napajanje USB tipa-A na USB tip-C, dužine 1 m (39″).
• PAA248 SMB na BNC koaksijalni kabel, 48″ (1.22 m) dugačak (2. broj)

Instalacija i podešavanje

Osnove 
Korisnici mogu da konfigurišu uređaj sa računarom koristeći USB interfejs ili preko integrisanog ekrana osetljivog na dodir. U oba slučaja, napajanje mora biti osigurano preko 5V USB-C veze. Kada koristite desktop GUI, servo kontroler mora biti povezan USB 2.0 kablom (uključen) sa porta podataka uređaja na PC sa instaliranim softverom Digital Servo Controller.

Uzemljene petlje i DSC1
DSC1 uključuje interna kola za ograničavanje vjerovatnoće pojave petlje uzemljenja. Thorlabs predlaže korištenje bilo izolovanog transformatora DS5 reguliranog napajanja ili CPS1 eksterne baterije. Sa DS5 ili CPS1 izvorima napajanja, signalno uzemljenje unutar DSC1 lebdi u odnosu na uzemljenje zidne utičnice. Jedine veze s uređajem koje su zajedničke za ovo signalno uzemljenje su pin za uzemljenje signala USB-C konektora za napajanje i vanjski, povratni put na izlaznom SMB koaksijalnom kabelu. USB podatkovna veza je izolirana. Ulazni signal ima otpornik za prekid petlje uzemljenja između povratne putanje signala i uzemljenja signala unutar instrumenta koji tipično sprečava smetnje petlje uzemljenja. Važno je da ne postoje dva direktna puta do signalnog uzemljenja uređaja, što minimizira pojavu petlji uzemljenja.

Da bi se dodatno ublažio rizik od smetnji u zemaljskoj petlji, Thorlabs predlaže sljedeće najbolje prakse: 

• Neka svi kablovi za napajanje i signali do uređaja budu kratki.
• Koristite ili baterijsko (CPS1) ili transformatorsko izolirano (DS5) napajanje sa DSC1. Ovo osigurava plivajuću signalnu masu uređaja.
• Nemojte povezivati ​​povratne puteve signala drugih instrumenata jedan na drugi.
  • Uobičajeni bivšiample je tipičan stoni osciloskop; najčešće su vanjske školjke BNC ulaznih priključaka direktno spojene na uzemljenje. Više uzemljenja spojenih na isti čvor uzemljenja u eksperimentu može uzrokovati petlju uzemljenja.

Iako je malo vjerovatno da će DSC1 sam po sebi uzrokovati petlju uzemljenja, drugi instrumenti u laboratoriji korisnika možda nemaju izolaciju petlje uzemljenja i stoga mogu biti izvor petlji uzemljenja.

Napajanje DSC1
Digitalni servo kontroler DSC1 zahtijeva napajanje od 5 V kroz USB-C do 0.75 A vršne struje i 0.55 A u tipičnom radu. Thorlabs nudi dva kompatibilna izvora napajanja: CPS1 i DS5. U aplikacijama gde je osetljivost na buku manje ograničena ili gde je potrebno vreme rada duže od 8 sati, preporučuje se DS5 regulisano napajanje. CPS1 baterijsko napajanje se preporučuje kada se želi optimalna buka. Sa CPS1 potpuno napunjenim i u dobrom stanju, DSC1 može raditi 8 sati ili više bez ponovnog punjenja.

Thorlabs Worldwide Contacts

Za dalju pomoć ili upite, pogledajte Thorlabsove kontakte širom svijeta. Za tehničku podršku ili upite o prodaji, posjetite nas na www.thorlabs.com/contact za naše najnovije kontakt informacije.

Sjedište kompanije
Thorlabs, Inc.
43 Sparta Ave
Newton, New Jersey 07860
Sjedinjene Države
sales@thorlabs.com
techsupport@thorlabs.com

Uvoznik iz EU
Thorlabs GmbH
Münchner Weg 1
D-85232 Bergkirchen
Njemačka
sales.de@thorlabs.com
europe@thorlabs.com

Proizvođač proizvoda
Thorlabs, Inc.
43 Sparta Ave
Newton, New Jersey 07860 Sjedinjene Američke Države
sales@thorlabs.com
techsupport@thorlabs.com

UK uvoznik
Thorlabs doo
204 Lancaster Way Business Park
Ely CB6 3NX
Ujedinjeno Kraljevstvo
sales.uk@thorlabs.com
techsupport.uk@thorlabs.com
www.thorlabs.com

Dokumenti / Resursi

THORLABS DSC1 kompaktni digitalni servo kontroler [pdf] Korisnički priručnik DSC1, DSC1 kompaktni digitalni servo kontroler, DSC1, kompaktni digitalni servo kontroler, digitalni servo kontroler, servo kontroler, kontroler

Reference

• Uputstvo za upotrebu