Servocontrolador digital compacte THORLABS DSC1

Especificacions:

• Nom del producte: Servocontrolador digital compacte DSC1
• Ús recomanat: amb fotodetectors i actuadors de Thorlabs
• Actuadors compatibles: Piezo ampLificadors, controladors de díodes làser, controladors TEC, moduladors electro-òptics
• Conformitat: marcatges CE/UKCA

Instruccions d'ús del producte

Introducció

Ús previst: El DSC1 és un servocontrolador digital compacte dissenyat per a ús general de laboratori en investigació i indústria. El DSC1 mesura un voltage, calcula un senyal de retroalimentació segons l'algoritme de control seleccionat per l'usuari i emet un voltage. El producte només es pot utilitzar d'acord amb les instruccions descrites en aquest manual. Qualsevol altre ús invalidarà la garantia. Qualsevol intent de reprogramar, desmuntar codis binaris o alterar d'una altra manera les instruccions de la màquina de fàbrica en un DSC1, sense el consentiment de Thorlabs, invalidarà la garantia. Thorlabs recomana utilitzar el DSC1 amb els fotodetectors i actuadors de Thorlabs. ExampEls actuadors de Thorlabs que s'adapten bé per utilitzar-los amb el DSC1 són piezoel·lèrgies de Thorlabs ampLificadors, controladors de díodes làser, controladors de refrigeració termoelèctrica (TEC) i moduladors electroòptics.

Explicació de les advertències de seguretat

NOTA Indica informació considerada important, però no relacionada amb perills, com ara possibles danys al producte.
Les marques CE/UKCA del producte són la declaració del fabricant que el producte compleix els requisits essencials de la legislació europea sobre salut, seguretat i protecció del medi ambient.
El símbol de la paperera del producte, els accessoris o l'embalatge indica que aquest dispositiu no s'ha de tractar com a residus municipals sense classificar, sinó que s'ha de recollir per separat.

Descripció
El servocontrolador digital DSC1 de Thorlabs és un instrument per al control de retroalimentació de sistemes electroòptics. El dispositiu mesura un volum d'entradatage, determina una retroalimentació adequada voltage mitjançant un dels diversos algorismes de control, i aplica aquesta retroalimentació a un vol de sortidatage canal. Els usuaris poden triar configurar el funcionament del dispositiu mitjançant la pantalla tàctil integrada, una interfície d'usuari gràfica (GUI) d'ordinador d'escriptori remot o un kit de desenvolupament de programari (SDK) per a PC remot. El servocontrolador samples voltage dades amb resolució de 16 bits mitjançant un port d'entrada SMB coaxial a 1 MHz.

Per oferir un vol més precístage mesures, circuits aritmètics dins del dispositiu promedian cada dos samples per a un s efectiuampla velocitat de 500 kHz. Les dades digitalitzades són processades per un microprocessador a alta velocitat mitjançant tècniques de processament de senyal digital (DSP). L'usuari pot triar entre algorismes de control SERVO i PEAK. Alternativament, l'usuari pot provar una resposta del sistema a DC voltage per determinar el valor de consigna del servo amb el RAMP mode de funcionament, que emet una ona de dent de serra sincrònica amb l'entrada. El canal d'entrada té una amplada de banda típica de 120 kHz. El canal de sortida té una amplada de banda típica de 100 kHz. El retard de fase de -180 graus del vol d'entrada a sortidatagLa funció de transferència d'aquest servocontrolador és normalment de 60 kHz.

Dades tècniques

Especificacions

Especificacions de funcionament
Ample de banda del sistema	DC fins a 100 kHz
Freqüència d'entrada a sortida -180 graus	>58 kHz (60 kHz típic)
Entrada nominal Sampling Resolució	16 bit
Resolució nominal de sortida	12 bit
Volum d'entrada màximtage	±4 V
Volum de sortida màximtageb	±4 V
Corrent d'entrada màxima	100 mA
Soroll mitjà del sòl	-120 dB V2/Hz
Pis de soroll màxim	-105 dB V2/Hz
Soroll RMS d'entradac	0.3 mV
Entrada Sampfreqüència ling	1 MHz
Freqüència d'actualització del PIDd	500 kHz
Interval de freqüència de modulació de bloqueig de pic	100 Hz – 100 kHz en passos de 100 Hz
Terminació d'entrada	1 MΩ
Impedància de sortidab	220 Ω

• a. Aquesta és la freqüència a la qual la sortida arriba a un canvi de fase de -180 graus en relació amb l'entrada.
• b. La sortida està dissenyada per a la connexió a dispositius d'alta Z (>100 kΩ). La connexió de dispositius amb una terminació d'entrada més baixa, Rdev, reduirà el volum de sortidatage rang per Rdev/(Rdev + 220 Ω) (per exemple, un dispositiu amb una terminació d'1 kΩ donarà el 82% del vol de sortida nominaltagrang e).
• c. L'ample de banda d'integració és de 100 Hz - 250 kHz.
• d. Un filtre de pas baix redueix els artefactes de digitalització en el control de sortida voltage, resultant en una amplada de banda de sortida de 100 kHz.

Requisits elèctrics
Subministrament Voltage	4.75 – 5.25 V DC
Corrent de subministrament	750 mA (màx.)
Interval de temperaturaa	0 °C a 70 °C

• a Interval de temperatures sobre el qual el dispositiu pot funcionar sense El funcionament òptim es produeix quan està a prop de la temperatura ambient.

Requisits del sistema
Sistema operatiu	Windows 10® (recomanat) o 11, 64 bits necessaris
Memòria (RAM)	4 GB com a mínim, 8 GB recomanats
Storatge	300 MB (mínim) d'espai disponible en disc
Interfície	USB 2.0
Resolució de pantalla mínima	1200 x 800 píxels

Dibuixos mecànics 

Declaració de conformitat simplificada
El text complet de la declaració de conformitat de la UE està disponible a la següent adreça d'Internet: https://Thorlabs.com/newgrouppage9.cfm?objectgroup_id=16794

Designació FCC 

Nota: Aquest equip s'ha provat i s'ha comprovat que compleix els límits per a un dispositiu digital de classe A, d'acord amb la part 15 de les normes de la FCC. Aquests límits estan dissenyats per proporcionar una protecció raonable contra interferències nocives quan l'equip s'utilitza en un entorn comercial. Aquest equip genera, utilitza i pot irradiar energia de radiofreqüència i, si no s'instal·la i s'utilitza d'acord amb el manual d'instruccions, pot causar interferències perjudicials a les comunicacions de ràdio. El funcionament d'aquest equip en una zona residencial és probable que provoqui interferències perjudicials, en aquest cas l'usuari haurà de corregir la interferència pel seu compte.

Advertències de seguretat: Les marques CE/UKCA indiquen el compliment de la legislació europea sobre salut, seguretat i protecció del medi ambient.

Funcionament

Conceptes bàsics: Familiaritzeu-vos amb les funcions bàsiques del DSC1.

Ground Loops i el DSC1: Assegureu-vos de posar a terra adequadament per evitar interferències.

Alimentació del DSC1: Connecteu la font d'alimentació seguint les directrius proporcionades.

Pantalla tàctil 

Inici de la interfície de pantalla tàctil 
Després d'estar connectat a l'alimentació i un breu escalfament de menys d'un segon, el DSC1 il·luminarà la pantalla tàctil integrada i la pantalla respondrà a les entrades.

Funcionament de la pantalla tàctil en mode SERVO
El mode SERVO implementa un controlador PID.

Figura 2 Pantalla tàctil en mode de funcionament servo amb el controlador PID habilitat en mode de control PI. 

• El valor numèric PV (variable de procés) mostra el vol RMS ACtage del senyal d'entrada en volts.
• L'OV (sortida voltage) el valor numèric mostra el volum mitjà de sortidatage del DSC1.
• El control S (punt de consigna) estableix el punt de consigna del bucle de servo en volts. 4 V és el màxim i -4 V és el mínim admissible.
• El control O (offset) estableix el desplaçament de CC del bucle de servo en volts. 4 V és el màxim i -4 V és el mínim admissible.
• El control P (proporcional) estableix el coeficient de guany proporcional. Aquest pot ser un valor positiu o negatiu entre 10-5 i 10,000, anotat en notació d'enginyeria.
• El control I (integral) estableix el coeficient de guany integral. Aquest pot ser un valor positiu o negatiu entre 10-5 i 10,000, anotat en notació d'enginyeria.
• El control D (derivada) estableix el coeficient de guany derivat. Aquest pot ser un valor positiu o negatiu entre 10-5 i 10,000, anotat en notació d'enginyeria.
• El commutador STOP-RUN desactiva i activa el bucle de servo.
• Els botons P, I i D activen (il·luminat) i desactiven (blau fosc) cada guany stage al bucle de servo PID.
• El menú desplegable SERVO permet a l'usuari seleccionar el mode de funcionament.
• La traça verde blava mostra el punt de consigna actual. Cada punt està separat de 2 µs a l'eix X.
• La traça daurada mostra el PV mesurat actual. Cada punt està separat de 2 µs a l'eix X.

Funcionament de la pantalla tàctil a RAMP Mode 
El RAMP El mode emet una ona de dent de serra configurable per l'usuari amplitud i compensació.

• El valor numèric PV (variable de procés) mostra el vol RMS ACtage del senyal d'entrada en volts.
• L'OV (sortida voltage) el valor numèric mostra el volum mitjà de sortidatage aplicat pel dispositiu.
• El control O (offset) estableix el desplaçament de CC del ramp sortida en volts. 4 V és el màxim i -4 V és el mínim admissible.
• L'A (amplitud) control estableix el amplitud de la ramp sortida en volts. 4 V és el màxim i -4 V és el mínim admissible.
• El commutador STOP-RUN desactiva i activa el bucle de servo respectivament.
• El RAMP El menú desplegable permet a l'usuari seleccionar el mode de funcionament.
• La traça daurada mostra la resposta de la planta sincronitzada amb l'exploració de sortida voltage. Cada punt està separat de 195 µs en l'eix X.

Funcionament de la pantalla tàctil en mode PEAK
El mode PEAK implementa un controlador de cerca extrema amb freqüència de modulació configurable per l'usuari, amplitud, i constant d'integració. Tingueu en compte que la modulació i la demodulació sempre estan actives quan el dispositiu està en mode PIC; el commutador d'aturada i execució s'activa i desactiva el guany integral al bucle de control de tramado.

• El valor numèric PV (variable de procés) mostra el vol RMS ACtage del senyal d'entrada en volts.
• L'OV (sortida voltage) el valor numèric mostra el volum mitjà de sortidatage aplicat pel dispositiu.
• El valor numèric M (multiplicador de freqüència de modulació) mostra el múltiple de 100 Hz de la freqüència de modulació. Per exampi, si M = 1 com es mostra, la freqüència de modulació és de 100 Hz. La freqüència de modulació màxima és de 100 kHz, amb un valor M de 1000. En general, s'aconsella que les freqüències de modulació més altes siguin, sempre que l'actuador de control respongui a aquesta freqüència.
• L'A (amplitud) control estableix el ampla litud de la modulació en volts, anotada en notació d'enginyeria. 4 V és el màxim i -4 V és el mínim admissible.
• El control K (coeficient integral de bloqueig de pic) estableix la constant d'integració del controlador, amb unitats de V / s, anotades en notació d'enginyeria. Si l'usuari no està segur de com configurar aquest valor, normalment es recomana començar amb un valor al voltant d'1.
• El commutador STOP-RUN desactiva i activa el bucle de servo respectivament.
• El menú desplegable PEAK permet a l'usuari seleccionar el mode de funcionament.
• La traça daurada mostra la resposta de la planta sincronitzada amb l'exploració de sortida voltage. Cada punt està separat de 195 µs en l'eix X.

Programari
El programari del servocontrolador digital està dissenyat per permetre el control de la funcionalitat bàsica mitjançant una interfície d'ordinador i proporciona un conjunt ampliat d'eines d'anàlisi per utilitzar el controlador. Per example, la GUI inclou una trama que pot mostrar el vol d'entradatage en el domini de la freqüència. A més, les dades es poden exportar com a .csv file. Aquest programari permet l'ús del dispositiu al servo, pic o ramp modes amb control sobre tots els paràmetres i configuracions. La resposta del sistema pot ser viewed com a vol d'entradatage, senyal d'error, o tots dos, ja sigui en les representacions del domini del temps o del domini de la freqüència. Si us plau, consulteu el manual per obtenir més informació.

Llançament del programari
Després d'iniciar el programari, feu clic a "Connecta" per llistar els dispositius DSC disponibles. Es poden controlar diversos dispositius DSC alhora.

Figura 5
Pantalla d'inici del programari client DSCX.

Figura 6 Finestra de selecció del dispositiu. Feu clic a D'acord per connectar-vos al dispositiu seleccionat.

Pestanya de programari servo
La pestanya Servo permet a un usuari operar el dispositiu en mode servo amb controls i pantalles addicionals més enllà dels proporcionats per la interfície d'usuari de la pantalla tàctil incrustada al propi dispositiu. En aquesta pestanya, hi ha disponibles representacions de domini de temps o freqüència de la variable de procés. La resposta del sistema pot ser viewcom a variable de procés, senyal d'error o tots dos. El senyal d'error és la diferència entre la variable de procés i el punt de consigna. Mitjançant tècniques d'anàlisi de control, es poden predir la resposta d'impuls, la resposta de freqüència i la resposta de fase del dispositiu, sempre que es facin determinades hipòtesis sobre el comportament del sistema i els coeficients de guany. Aquestes dades es mostren a la pestanya de control de servo perquè els usuaris puguin configurar preventivament el seu sistema abans de començar els experiments de control.

Figura 7 Interfície de programari a Ramp mode amb la visualització del domini de freqüència. 

• Activa les línies de quadrícula X: si marqueu la casella, s'activaran les línies de quadrícula X.
• Activa les línies de quadrícula Y: si marqueu la casella, s'habilita les línies de quadrícula Y.
• Botó d'execució/pausa: en prémer aquest botó s'inicia/atura l'actualització de la informació gràfica a la pantalla.
• Canvi de freqüència/hora: canvia entre el domini de freqüència i el domini del temps.
• Commuta PSD / ASD: Canvia entre la densitat espectral de potència i amplitud densitat espectral eixos verticals.
• Exploracions mitjanes: activar i desactivar la mitjana al domini de la freqüència.
• Escaneigs en mitjana: aquest control numèric determina el nombre d'exploracions que cal fer la mitjana. El mínim és 1 escaneig i el màxim és de 100 escanejos. Les fletxes amunt i avall d'un teclat augmenten i disminueixen el nombre d'exploracions de mitjana. De la mateixa manera, els botons amunt i avall adjacents al control augmenten i disminueixen el nombre d'exploracions a la mitjana.
• Carrega: en prémer aquest botó al panell Espectre de referència, l'usuari pot seleccionar un espectre de referència desat a l'ordinador client.
• Desa: en prémer aquest botó al panell Espectre de referència, l'usuari pot desar les dades de freqüència que es mostren actualment al seu ordinador. Després de fer clic en aquest botó, es desa file diàleg permetrà a l'usuari triar la ubicació d'emmagatzematge i introduir el fitxer file nom per a les seves dades. Les dades es desaran com a valor separat per comes (CSV).
• Mostra la referència: marcant aquesta casella habilita la visualització de l'últim espectre de referència seleccionat.
• Escala automàtica de l'eix Y: si marqueu la casella, s'habilita la configuració automàtica dels límits de visualització de l'eix Y.
• Escala automàtica de l'eix X: marcar la casella habilita la configuració automàtica dels límits de visualització de l'eix X.
• Registre de l'eix X: marcant la casella es canvia entre una visualització de l'eix X logarítmica i lineal.
• Executar PID: activar aquesta commutació activa el bucle de servo al dispositiu.
• O Numèric: aquest valor estableix el volum de compensaciótage en volts.
• SP Numèric: aquest valor estableix el valor de consigna voltage en volts.
• Kp Numèric: aquest valor estableix el guany proporcional.
• Ki Numèric: aquest valor estableix el guany integral en 1/s.
• Kd Numèric: aquest valor estableix el guany de la derivada en s.
• Botons P, I, D: aquests botons permeten el guany proporcional, integral i derivat respectivament quan estan il·luminats.
• Commuta Executar/Aturar: si canvieu aquest interruptor s'activa i desactiva el control.

L'usuari també pot utilitzar el ratolí per canviar l'extensió de la informació que es mostra: 

• La roda del ratolí augmenta i allunya la trama cap a la posició actual del punter del ratolí.
• MAJÚS+Clic canvia el punter del ratolí a un signe més. A continuació, el botó esquerre del ratolí farà un zoom a la posició del punter del ratolí per un factor de 3. L'usuari també pot arrossegar i seleccionar una regió del gràfic per fer-ne l'ampliació.
• ALT + clic canvia el punter del ratolí a un signe menys. A continuació, el botó esquerre del ratolí allunyarà la posició del punter del ratolí en un factor de 3.
• Els gestos d'estesa i pessiga en un coixinet del ratolí o una pantalla tàctil s'ampliaran i allunyaran del gràfic respectivament.
• Després de desplaçar-se, fer clic al botó esquerre del ratolí permetrà a l'usuari desplaçar-se arrossegant el ratolí.
• Si feu clic amb el botó dret al gràfic, es restaurarà la posició predeterminada del gràfic.

Ramp Pestanya Programari
El Ramp La pestanya proporciona una funcionalitat comparable a la de ramp pestanya a la pantalla tàctil incrustada. Si canvieu a aquesta pestanya, el dispositiu connectat es posa a ramp mode.

Figura 8
Interfície de programari en Ramp mode.

A més dels controls disponibles en mode Servo, el Ramp mode afegeix: 

• Amplitud Numèric: aquest valor estableix l'exploració ampla litud en volts.
• Desplaçament numèric: aquest valor estableix el desplaçament d'exploració en volts.
• Executar/Aturar Ramp Activa i desactiva: activar i desactivar la funció ramp.

Pestanya Peak Software 
La pestanya Peak Control proporciona la mateixa funcionalitat que el mode PEAK a la interfície d'usuari incrustada, amb visibilitat addicional sobre la naturalesa del senyal de retorn del sistema. Si canvieu a aquesta pestanya, el dispositiu connectat canvia al mode de funcionament PEAK.

Figura 9 Interfície de programari en mode Pic amb la visualització del domini temporal.

A més dels controls disponibles al mode Servo, el mode Pic afegeix: 

• Amplitud numèrica: aquest valor estableix la modulació ampla litud en volts.
• K numèric: Aquest és el coeficient integral de bloqueig de pic; el valor estableix la constant de guany integral en V/s.
• Offset numèric: aquest valor estableix la compensació en volts.
• Freqüència numèrica: estableix el multiplicador de freqüència de modulació en increments de 100 Hz. El valor mínim permès és de 100 Hz i el màxim és de 100 kHz.
• Commutador Run/Stop Peak: activar i desactivar el guany integral. Tingueu en compte que sempre que el dispositiu estigui en mode PEAK, la modulació de sortida i la demodulació del senyal d'error estan actives.

Dades desades 
Les dades es guarden en format de valor separat per comes (CSV). Una breu capçalera reté les dades pertinents de les dades que s'estan desant. Si s'altera el format d'aquest CSV, és possible que el programari no pugui recuperar un espectre de referència. Per tant, es recomana a l'usuari que desi les seves dades en un full de càlcul independent file si tenen la intenció de fer alguna anàlisi independent.

Figura 10 Dades en format .csv exportades des del DSC1. 

Teoria del funcionament

Servocontrol PID
El circuit PID s'utilitza sovint com a controlador de retroalimentació de bucle de control i és molt comú en circuits servo. El propòsit d'un circuit servo és mantenir el sistema a un valor predeterminat (punt de consigna) durant períodes prolongats de temps. El circuit PID manté activament el sistema al punt de consigna generant un senyal d'error que és la diferència entre el punt de consigna i el valor actual i modulant un vol de sortida.tage per mantenir el punt de consigna. Les lletres que formen l'acrònim PID corresponen a Proporcional (P), Integral (I) i Derivada (D), que representen els tres paràmetres de control d'un circuit PID.

El terme proporcional depèn de l'error present, el terme integral depèn de l'acumulació de l'error passat i el terme derivat és la predicció de l'error futur. Cadascun d'aquests termes s'alimenta en una suma ponderada que ajusta el volum de sortidatage del circuit, u(t). Aquesta sortida s'introdueix al dispositiu de control, la seva mesura es retorna al bucle PID i es permet que el procés estabilitzi activament la sortida del circuit per assolir i mantenir el valor del punt de consigna. El diagrama de blocs següent il·lustra l'acció d'un circuit PID. Un o més dels controls es poden utilitzar en qualsevol servocircuit depenent del que es necessita per estabilitzar el sistema (és a dir, P, I, PI, PD o PID).

Tingueu en compte que un circuit PID no garantirà un control òptim. La configuració incorrecta dels controls PID pot provocar que el circuit oscil·li significativament i condueixi a la inestabilitat del control. Correspon a l'usuari ajustar correctament els paràmetres PID per garantir un rendiment adequat.

Teoria PID 

Teoria PID per a un servocontrolador continu: Comprendre la teoria PID per a un servocontrol òptim.
La sortida del circuit de control PID, u(t), es dóna com a

On:

• ?? és el guany proporcional, adimensional
• ?? és el guany integral en 1/segon
• ?? és el guany derivat en segons
• ?(?) és el senyal d'error en volts
• ?(?) és la sortida de control en volts

A partir d'aquí podem definir les unitats de control matemàticament i analitzar-ne una mica més en detall. El control proporcional és proporcional al senyal d'error; com a tal, és una resposta directa al senyal d'error generat pel circuit:
? = ???(?)
Un guany proporcional més gran produeix canvis més grans en resposta a l'error i, per tant, afecta la velocitat a la qual el controlador pot respondre als canvis del sistema. Si bé un guany proporcional elevat pot fer que un circuit respongui ràpidament, un valor massa alt pot provocar oscil·lacions sobre el valor SP. Un valor massa baix i el circuit no pot respondre de manera eficient als canvis del sistema. El control integral va un pas més enllà del guany proporcional, ja que és proporcional no només a la magnitud del senyal d'error sinó també a la durada de qualsevol error acumulat.

El control integral és molt eficaç per augmentar el temps de resposta d'un circuit juntament amb l'eliminació de l'error en estat estacionari associat amb el control purament proporcional. En essència, el control integral suma qualsevol error no corregit prèviament i després multiplica aquest error per Ki per produir la resposta integral. Així, fins i tot per a un petit error sostingut, es pot realitzar una gran resposta integral agregada. No obstant això, a causa de la resposta ràpida del control integral, els valors de guany elevats poden provocar una superació significativa del valor SP i provocar oscil·lacions i inestabilitat. Massa baix i el circuit serà significativament més lent a l'hora de respondre als canvis del sistema. El control derivat intenta reduir l'excés i el potencial de timbre del control proporcional i integral. Determina la rapidesa amb què el circuit canvia al llarg del temps (observant la derivada del senyal d'error) i la multiplica per Kd per produir la resposta derivada.

A diferència del control proporcional i integral, el control derivat alentirà la resposta del circuit. En fer-ho, és capaç de compensar parcialment la superació així com damp eliminar qualsevol oscil·lació causada pel control integral i proporcional. Els alts valors de guany fan que el circuit respongui molt lentament i pot deixar-ne susceptible al soroll i a l'oscil·lació d'alta freqüència (ja que el circuit es torna massa lent per respondre ràpidament). Massa baix i el circuit és propens a sobrepassar el valor del punt de consigna. Tanmateix, en alguns casos s'ha d'evitar superar el valor del punt de consigna en una quantitat significativa i, per tant, es pot utilitzar un guany derivat més elevat (juntament amb un guany proporcional més baix). El gràfic següent explica els efectes d'augmentar el guany de qualsevol dels paràmetres de manera independent.

Paràmetre Augmentat	Temps de pujada	Sobrepassar	Hora d’assentament	Error d'estat estacionari	Estabilitat
Kp	Disminuir	Augmentar	Petit Canvi	Disminuir	Degradar
Ki	Disminuir	Augmentar	Augmentar	Disminuir significativament	Degradar
Kd	Disminució menor	Disminució menor	Disminució menor	Sense efecte	Millora (per a Kd petit)

Servocontroladors de temps discret 

Format de dades
El controlador PID del DSC1 rep un ADC de 16 bitsample, que és un nombre binari desplaçat, que pot oscil·lar entre 0 i 65535. 0 s'assigna linealment a una entrada negativa de 4V i 65535 representa un senyal d'entrada de +4V. El senyal d'"error", ?[?], al bucle PID en un pas de temps ? es determina com ?[?] = ? − ?[?] On? és el punt de consigna i ?[?] és el voltagesample a l'escala binària desplaçada en un pas de temps discret, ?.

Llei de control en el domini del temps
Es calculen i se sumen tres termes de guany.
?[?] = ??[?] + ??[?] + ??[?] ?? = ???[?] ?? ≈ ?? ∫ ?[?] ?? = ??(?[?] − ?[? − 1])
On ??[?], ??[?] i ??[?] són els guanys proporcionals, integrals i derivats que comprenen la sortida de control ?[?] en un pas de temps ?. ??, ??, i ?? són els coeficients de guany proporcional, integral i derivat.

Aproximació de la integral i la derivada
El DSC1 aproxima un integrador amb un acumulador.
∫ ?[?] = ?[?] + ∫ ?[? − 1] La consideració de l'interval d'integració, l'amplada del pas de temps, s'embolica en el coeficient de guany integral ?? tal que: ?? = ′′?ℎ
On?′? és el coeficient de guany integral introduït nominalment i ℎ és el temps entre ADC samples. Fem una aproximació similar a la derivada com la diferència entre ?[?] i ?[? − 1] de nou assumint que ?? també conté una escala d'1/h.

Com s'ha esmentat anteriorment, considereu ara que les aproximacions integrals i derivades no incloïen cap consideració del pas de temps (sample interval), d'ara endavant ℎ. Tradicionalment diem una aproximació explícita, de primer ordre a una variable ?[?] amb = ?(?, ?) basat en els termes d'una expansió de sèries de Taylor és ?[?] ≈ ?[? − 1] + ℎ ?(?, ?)
Sovint es coneix com un esquema d'integració d'Euler cap enrere o un integrador numèric explícit de primer ordre. Si resolem la derivada, ?(?, ?), trobem:

Tingueu en compte la similitud del numerador de l'anterior amb la nostra aproximació a la derivada de l'equació de control. És a dir, que la nostra aproximació a la derivada està més adequadament escalada per ℎ−1.

També imita de manera intuïtiva el teorema fonamental del càlcul:

Ara si diem això? és la integral del senyal d'error ?, podem fer les substitucions següents.
?[?]=∫?[?] ?(?,?)= ?[?] I obtenim de la sèrie de Taylor de primer ordre l'aproximació a una funció ?: ∫?[?]=∫?[?−1]+ℎ ?(?)
Simplement assumint ∫?[?]=0 per a ?=0, l'aproximació a una integral pràcticament es condensa en un acumulador.

Per tant, ajustem la nostra derivació prèvia de la llei de control a:

Llei de control en el domini de la freqüència
Tot i que l'equació derivada a la secció següent informa el comportament del domini del temps del controlador PID de temps discret implementat al DSC1, diu poc sobre la resposta del domini de freqüència del controlador. En canvi, introduïm el? domini, que és anàleg al domini de Laplace, però per un temps discret més que continu. De manera similar a la transformada de Laplace, la transformada Z d'una funció es determina més sovint mitjançant l'assemblatge de relacions de transformació Z tabulades, en lloc de substituir directament la definició de la transformada Z (que es mostra a continuació).

On ?(?) és l'expressió del domini Z d'una variable temporal discreta ?[?], ? és el radi (sovint tractat com 1) de la variable independent ?, ? és l'arrel quadrada de -1 i ∅ és l'argument complex en radians o graus. En aquest cas, només calen dues transformacions Z tabulades.
?[?] = ?[?] ?[? − 1] = ?[?]?−1
La transformada Z del terme proporcional, ??, és trivial. A més, accepteu per un moment que ens és útil determinar l'error per controlar la funció de transferència, ?(?), en lloc de simplement ?(?).

La transformada Z del terme integral, ??, és més interessant.
Recordeu el nostre esquema d'integració d'Euler explícit a la secció anterior: ??(?) = ?? ∫ ?[?] = ?? (∫ ?[? − 1] + ℎ ?(?))
∫ ?(?) = ∫ ?(?) ?−1 + ℎ?(?)
∫ ?(?) − ∫ ?(?) ?−1 = ℎ?(?)

Finalment, observem el guany de la derivada, ??: 

Muntant cadascuna de les funcions de transferència anteriors, arribem a: 

Amb aquesta equació, podem calcular numèricament la resposta del domini de freqüència per al controlador i mostrar-la com a gràfic de Bode, com a continuació.
Funcions de transferència PID, Kp = 1.8, Ki = 1.0, Kd = 1E-4

Observeu com el guany del controlador PI s'acosta únicament al guany proporcional i a l'alta freqüència i com el guany del controlador PD s'acosta únicament al guany proporcional a freqüències baixes.

Afinació PID
En general, els guanys de P, I i D hauran de ser ajustats per l'usuari per tal d'optimitzar el rendiment del sistema. Tot i que no hi ha un conjunt estàtic de regles sobre quins han de ser els valors per a qualsevol sistema específic, seguir els procediments generals hauria d'ajudar a ajustar un circuit perquè coincideixi amb el sistema i l'entorn. En general, un circuit PID sintonitzat correctament normalment sobrepassarà lleugerament el valor SP i després ràpidament.amp per assolir el valor SP i mantenir-se constant en aquest punt. El bucle PID es pot bloquejar a un pendent positiu o negatiu canviant el signe dels guanys P, I i D. Al DSC1, els signes estan tancats junts, de manera que canviar-ne un els canviarà tots.

L'ajustament manual de la configuració de guany és el mètode més senzill per configurar els controls PID. Tanmateix, aquest procediment es fa de manera activa (el controlador PID connectat al sistema i el bucle PID habilitat) i requereix una certa experiència per aconseguir bons resultats. Per ajustar el controlador PID manualment, primer establiu els guanys integrals i derivats a zero. Augmenteu el guany proporcional fins que observeu una oscil·lació a la sortida. Aleshores, el vostre guany proporcional s'hauria d'establir a aproximadament la meitat d'aquest valor. Un cop establert el guany proporcional, augmenteu el guany integral fins que es corregeixi qualsevol desplaçament en una escala de temps adequada per al vostre sistema.

Si augmenteu massa aquest guany, observareu una superació significativa del valor de SP i inestabilitat al circuit. Un cop establert el guany integral, es pot augmentar el guany derivat. El guany derivat reduirà la superació i damp el sistema ràpidament al valor del punt de consigna. Si augmenteu massa el guany de la derivada, veureu un gran desbordament (a causa que el circuit és massa lent per respondre). Jugant amb la configuració de guany, podeu optimitzar el rendiment del vostre circuit PID, donant lloc a un sistema que respon ràpidament als canvis i de manera efectiva.amps fora oscil·lació sobre el valor del punt de consigna.

Tipus de control	Kp	Ki	Kd
P	0.50 Ku	–	–
PI	0.45 Ku	1.2 Kp/Pu	–
PID	0.60 Ku	2 Kp/Pu	KpPu/8

Tot i que la sintonització manual pot ser molt eficaç per configurar un circuit PID per al vostre sistema específic, requereix una certa experiència i comprensió dels circuits i la resposta PID. El mètode Ziegler-Nichols per a l'ajustament PID ofereix una guia més estructurada per establir valors PID. De nou, voldreu posar el guany integral i derivada a zero. Augmenteu el guany proporcional fins que el circuit comenci a oscil·lar. A aquest nivell de guany l'anomenarem Ku. L'oscil·lació tindrà un període de Pu. Els guanys per a diversos circuits de control es donen al gràfic anterior. Tingueu en compte que quan s'utilitza el mètode d'afinació de Ziegler-Nichols amb el DSC1, el terme integral determinat de la taula s'ha de multiplicar per 2⋅10-6 per normalitzar-se a la s.ampla tarifa. De la mateixa manera, el coeficient de la derivada s'ha de dividir per 2⋅10-6 per normalitzar a la sampli taxa.

Ramping
Els usuaris sovint necessiten determinar el punt de funcionament de gran senyal o el punt de consigna útil per a un sistema. Per determinar el punt de funcionament de gran senyal (d'ara endavant anomenat desplaçament de CC) o el punt de consigna òptim del servo, una tècnica comuna és simplement estimular el sistema repetidament amb un volum creixent linealment.tage senyal. El patró es coneix comunament com una ona de dents de serra, per la seva semblança amb les dents d'una serra.

Mode de bloqueig de pic
El mode de bloqueig màxim implementa un algorisme de bloqueig de dither també conegut com a controlador de cerca d'extrems. En aquest mode de funcionament, el valor de control es superposa a una sortida d'ona sinusoïdal. L'entrada mesurada voltage és el primer filtrat digitalment de pas alt (HPF) per eliminar qualsevol desplaçament de CC. A continuació, el senyal acoblat de CA es demodula multiplicant cada vol mesurattage pel valor de modulació d'ona sinusoïdal sortint. Aquesta operació de multiplicació crea un senyal demodulat amb dos components principals: una ona sinusoïdal a la suma de les dues freqüències i un senyal a la diferència de les dues freqüències.

Un segon filtre digital, aquesta vegada un filtre de pas baix (LPF), atenua el senyal de suma de dues freqüències i transmet el senyal de diferència de dues freqüències de baixa freqüència. El contingut del senyal a la mateixa freqüència que la modulació apareix com un senyal de CC després de la demodulació. El pas final de l'algoritme de bloqueig de pic és integrar el senyal LPF. La sortida de l'integrador, combinada amb la modulació de sortida, impulsa el volum de sortidatage. L'acumulació d'energia del senyal demodulada de baixa freqüència a l'integrador empeny el control de compensació voltage de la sortida cada cop més alta fins que el signe de la sortida LPF s'inverteix i la sortida de l'integrador comença a disminuir. A mesura que el valor de control s'acosta al pic de la resposta del sistema, el resultat de la modulació del senyal d'entrada al servocontrolador es fa cada cop més petit, ja que el pendent d'una forma d'ona sinusoïdal és zero en el seu pic. Això, al seu torn, significa que hi ha un valor de sortida més baix del senyal demodulat filtrat de pas baix i, per tant, s'acumula menys a l'integrador.

Figura 12 Diagrama de blocs d'un controlador de bloqueig de pic. El senyal d'entrada de la planta sensible al pic es digitalitza i després es filtra de pas alt. El senyal de sortida HPF es demodula amb un oscil·lador local digital. La sortida del demodulador es filtra de pas baix i després s'integra. La sortida de l'integrador s'afegeix al senyal de modulació i la sortida a la planta sensible al pic. El bloqueig del pic és un bon algorisme de control per triar quan el sistema que l'usuari vol controlar no té una resposta monòtona al voltant del punt de control òptim. ExampEls fitxers d'aquest tipus de sistemes són mitjans òptics amb una longitud d'ona ressonant, com ara una cèl·lula de vapor, o un filtre de rebuig de banda de RF (filtre d'osca). La característica central de l'esquema de control de bloqueig de pic és la tendència de l'algorisme a dirigir el sistema cap a l'encreuament per zero del senyal d'error que coincideix amb un pic en el senyal mesurat, com si el senyal d'error fos la derivada del senyal mesurat. Tingueu en compte que el pic pot ser positiu o negatiu. Per començar amb el mode de funcionament de bloqueig màxim per al DSC1, podeu seguir aquest procediment.

1. Assegureu-vos que hi hagi un pic (o vall) del senyal al qual esteu bloquejant, dins del volum de controltage rang de l'actuador i que la posició màxima és relativament estable amb el temps. És útil utilitzar el RAMP manera de visualitzar el senyal sobre el control voltage gamma d'interès.
2. Observeu el control voltage posició del cim (o vall).
3. Estima l'amplada del pic (o vall) en control voltage a la meitat de l'alçada del cim. Aquesta amplada, en volts, s'anomena comunament Half-Max d'amplada completa o FWHM. Hauria de tenir almenys 0.1 V d'amplada per obtenir bons resultats.
4. Estableix la modulació amplitud (A) a 1% a 10% de la FWHM voltage.
5. Estableix el volum de compensaciótagi el més a prop possible de la posició del cim (o vall) al qual voleu bloquejar.
6. Establiu la freqüència de modulació a la freqüència desitjada. A la pantalla tàctil això es veu afectat a través del paràmetre M, freqüència de modulació. La freqüència de modulació és de 100 Hz per M. La millor selecció de freqüència de modulació depèn de l'aplicació. Thorlabs recomana valors al voltant d'1 kHz per als actuadors mecànics. Es poden utilitzar freqüències més altes per als actuadors electro-òptics.
7. Estableix el coeficient integral de bloqueig del pic (K) a 0.1 vegades A. K pot ser positiu o negatiu. Generalment, K positiu es bloqueja a un pic del senyal d'entrada, mentre que K negatiu es bloqueja a una vall del senyal d'entrada. Tanmateix, si l'actuador o el sistema que s'està bloquejant té un retard de fase superior a 90 graus a la freqüència de tramada, el signe de K s'invertirà i el K positiu es bloquejarà a una vall, i el K negatiu es bloquejarà a un pic.
8. Premeu Run i comproveu que el control voltagLa sortida canvia del valor de compensació original (O) i no s'escapa a un extrem. Com a alternativa, controleu la variable de procés mitjançant un oscil·loscopi per verificar que el DSC1 s'està bloquejant al pic o vall desitjat.

Figura 13 Examples dades de rampajustant el volum de compensació de sortidatage amb una ona sinusoïdal contínua, imposada a una planta de resposta màxima. Tingueu en compte que el pas del zero del senyal d'error s'alinea amb el pic del senyal de resposta de la planta.

Manteniment i Neteja
Netegeu i manteniu regularment el DSC1 per obtenir un rendiment òptim. El DSC1 no requereix manteniment regular. En cas que la pantalla tàctil del dispositiu s'embruti, Thorlabs recomana netejar-la suaument amb un drap suau i sense pelusa, saturat amb alcohol isopropílic diluït.

Reparació i resolució de problemes

Si sorgeixen problemes, consulteu la secció de resolució de problemes per obtenir informació sobre com resoldre problemes habituals. La taula següent descriu problemes típics amb els remeis recomanats per DSC1 i Thorlabs.

Problema	Explicació	Remei
El dispositiu no s'encén quan està connectat a l'alimentació USB tipus C.	El dispositiu requereix fins a 750 mA de corrent d'una font de 5 V, 3.75 W. Això pot superar les capacitats d'alimentació d'alguns connectors USB-A en portàtils i ordinadors.	Utilitzeu fonts d'alimentació Thorlabs DS5 o CPS1. Alternativament, utilitzeu una font d'alimentació USB tipus C, com la que s'utilitza normalment per carregar un telèfon o un ordinador portàtil que tingui una capacitat de sortida d'almenys 750 mA a 5 V.
El dispositiu no s'encén quan el port de dades està connectat a un ordinador.	El DSC1 només treu energia del connector d'alimentació USB tipus C. El connector USB tipus Mini-B només és de dades.	Connecteu el port USB tipus C a una font d'alimentació amb una capacitat de sortida d'almenys 750 mA a 5 V, com ara Thorlabs DS5 o CPS1.

Eliminació
Seguiu les directrius d'eliminació adequades quan retireu el DSC1.
Thorlabs verifica el nostre compliment amb la directiva WEEE (Residus d'Equipments Elèctrics i Electrònics) de la Comunitat Europea i les lleis nacionals corresponents. En conseqüència, tots els usuaris finals de la CE poden retornar a Thorlabs els equips elèctrics i electrònics de la categoria "final de vida útil" de l'Annex I venuts després del 13 d'agost de 2005, sense incórrer en càrrecs d'eliminació. Les unitats elegibles estan marcades amb el logotip "de la paperera" ratllada (vegeu a la dreta), s'han venut i són propietat d'una empresa o institut de la CE i no estan dissimulats ni contaminats. Poseu-vos en contacte amb Thorlabs per obtenir més informació. El tractament dels residus és responsabilitat vostra. Les unitats “al final de vida útil” s'han de retornar a Thorlabs o lliurar-les a una empresa especialitzada en la valorització de residus. No llenceu la unitat a una paperera ni a un lloc públic d'eliminació de residus. És responsabilitat de l'usuari eliminar totes les dades privades emmagatzemades al dispositiu abans de la seva eliminació.

Preguntes freqüents:

P: Què he de fer si el DSC1 no s'encén?
A: Comproveu la connexió de la font d'alimentació i assegureu-vos que compleix els requisits especificats. Si el problema persisteix, poseu-vos en contacte amb l'assistència al client per obtenir ajuda.

Seguretat

AVÍS
Aquest instrument s'ha de mantenir allunyat d'entorns on es puguin vessar líquids o humitat condensada. No és resistent a l'aigua. Per evitar danys a l'instrument, no l'exposeu a aerosols, líquids o dissolvents.

Instal·lació

Informació de la garantia
Aquest dispositiu de precisió només es pot reparar si es retorna i s'empaqueta correctament a l'embalatge original complet, inclòs l'enviament complet més la inserció de cartró que conté els dispositius inclosos. Si cal, demaneu un embalatge de recanvi. Demani el servei a personal qualificat.

Components inclosos

El servocontrolador digital compacte DSC1 es lliura amb els components següents:

• Servocontrolador digital DSC1
• Targeta d'inici ràpid
• USB-AB-72 Cable de dades USB 2.0 tipus A a Mini-B, 72″ (1.83 m) de llarg
• Cable d'alimentació USB tipus A a USB tipus C, 1 m (39″) de llarg
• Cable coaxial PAA248 SMB a BNC, 48" (1.22 m) de llarg (qt. 2)

Instal·lació i Configuració

Conceptes bàsics 
Els usuaris poden configurar el dispositiu amb un ordinador mitjançant la interfície USB o mitjançant la pantalla tàctil integrada. En qualsevol cas, l'alimentació s'ha de proporcionar mitjançant la connexió USB-C de 5 V. Quan utilitzeu la GUI d'escriptori, el servocontrolador s'ha de connectar amb un cable USB 2.0 (inclòs) des del port de dades del dispositiu a un ordinador amb el programari del servocontrolador digital instal·lat.

Ground Loops i el DSC1
El DSC1 inclou circuits interns per limitar la probabilitat que es produeixin bucles de terra. Thorlabs suggereix utilitzar la font d'alimentació regulada DS5 aïllada del transformador o la bateria externa CPS1. Amb les fonts d'alimentació DS5 o CPS1, la terra del senyal dins del DSC1 flota respecte a la terra d'una presa de corrent. Les úniques connexions al dispositiu que són comunes a aquesta terra del senyal són el pin de terra del senyal del connector d'alimentació USB-C i el camí de retorn exterior del cable coaxial SMB de sortida. La connexió de dades USB està aïllada. El senyal d'entrada té una resistència de ruptura de llaç de terra entre el camí de retorn del senyal i la terra del senyal dins de l'instrument que normalment impedeix la interferència del llaç de terra. És important destacar que no hi ha dues vies directes a la terra del senyal del dispositiu, minimitzant l'aparició de bucles de terra.

Per mitigar encara més el risc d'interferències del bucle de terra, Thorlabs suggereix les pràctiques recomanades següents: 

• Mantingueu curts tots els cables d'alimentació i senyal al dispositiu.
• Utilitzeu una font d'alimentació de bateria (CPS1) o aïllada per transformador (DS5) amb el DSC1. Això garanteix un senyal de terra del dispositiu flotant.
• No connecteu els camins de retorn del senyal d'altres instruments entre si.
  • Un ex comúample és un oscil·loscopi de taula típic; la majoria de les vegades les carcasses exteriors de les connexions d'entrada BNC estan connectades directament a terra. Diversos clips de terra connectats al mateix node de terra en un experiment poden provocar un bucle de terra.

Tot i que és poc probable que el DSC1 provoqui un bucle de terra per si mateix, és possible que altres instruments del laboratori d'un usuari no tinguin aïllament del bucle de terra i, per tant, podrien ser una font de bucles de terra.

Alimentació del DSC1
El servocontrolador digital DSC1 requereix una potència de 5 V a través de l'USB-C a un màxim de 0.75 A de corrent i 0.55 A en funcionament típic. Thorlabs ofereix dues fonts d'alimentació compatibles: la CPS1 i la DS5. En aplicacions on la sensibilitat al soroll és menys limitada o on es requereixen temps d'execució superiors a 8 hores, es recomana la font d'alimentació regulada DS5. Es recomana la font d'alimentació de la bateria CPS1 quan es desitja un rendiment de soroll òptim. Amb el CPS1 completament carregat i en bon estat de salut, el DSC1 pot funcionar durant 8 hores o més sense recàrrega.

Contactes mundials de Thorlabs

Per obtenir més ajuda o consultes, consulteu els contactes mundials de Thorlabs. Per obtenir assistència tècnica o consultes de vendes, visiteu-nos a www.thorlabs.com/contact per obtenir la nostra informació de contacte més actualitzada.

Seu Corporativa
Thorlabs, Inc.
43 Sparta Ave
Newton, Nova Jersey 07860
Estats Units
sales@thorlabs.com
techsupport@thorlabs.com

Importador de la UE
Thorlabs GmbH
Münchner Weg 1
D-85232 Bergkirchen
Alemanya
sales.de@thorlabs.com
europe@thorlabs.com

Fabricant del producte
Thorlabs, Inc.
43 Sparta Ave
Newton, Nova Jersey 07860 Estats Units
sales@thorlabs.com
techsupport@thorlabs.com

Importador del Regne Unit
Thorlabs Ltd.
204 Lancaster Way Business Park
Ely CB6 3NX
Regne Unit
sales.uk@thorlabs.com
techsupport.uk@thorlabs.com
www.thorlabs.com

Documents/Recursos

Servocontrolador digital compacte THORLABS DSC1 [pdfGuia de l'usuari DSC1, DSC1 Servocontrolador digital compacte, DSC1, Servocontrolador digital compacte, Servocontrolador digital, Servocontrolador, Controlador

Referències

• Manual d'usuari