THORLABS DSC1 Servo Controller Digital Compact

Specificazioni:

• Nome di u produttu: DSC1 Servo Controller Digital Compact
• Usu cunsigliatu: Cù fotodetettori è attuatori Thorlabs
• Attuatori compatibili: Piezo ampLificatori, driver di diodi laser, controller TEC, modulatori elettro-ottici
• Conformità: marcatura CE/UKCA

Istruzzioni per l'usu di u produttu

Introduzione

Usu previstu: U DSC1 hè un servocontroller digitale compactu cuncepitu per l'usu generale di u laboratoriu in a ricerca è l'industria. U DSC1 misura un voltage, calcula un signale di feedback secondu l'algoritmu di cuntrollu di l'utilizatori sceltu, è produce un voltage. U pruduttu pò esse usatu solu in cunfurmità cù l'istruzzioni descritte in stu manuale. Ogni altru usu invalidarà a garanzia. Ogni tentativu di riprogrammà, disassemble i codici binari, o altrimenti alterà l'istruzzioni di a macchina di fabbrica in un DSC1, senza l'accunsentu di Thorlabs, invalidarà a garanzia. Thorlabs raccomanda di utilizà u DSC1 cù fotodetettori è attuatori di Thorlabs. Esampl'attuatori di Thorlabs chì sò adattati per aduprà cù u DSC1 sò piezo di Thorlabs amplificatori, driver di diodi laser, cuntrolli termoelettrici (TEC) è modulatori elettro-ottici.

Spiegazione di l'avvisi di sicurezza

NOTA Indica l'infurmazioni cunsiderate impurtanti, ma micca periculi, cum'è possibili danni à u pruduttu.
I marcati CE / UKCA nantu à u pruduttu sò a dichjarazione di u fabricatore chì u pruduttu hè conforme à i requisiti essenziali di a legislazione europea pertinente in materia di salute, sicurezza è prutezzione ambientale.
U simbulu di u binariu nantu à u pruduttu, l'accessori o l'imballaggio indica chì stu dispusitivu ùn deve esse trattatu cum'è rifiuti municipali senza classificazione, ma deve esse raccoltu separatamente.

Descrizzione
Thorlabs' DSC1 Digital Servo Controller hè un strumentu per u cuntrollu di feedback di sistemi elettro-ottici. U dispusitivu misura un input voltage, determina un feedback appropritatu voltage à traversu unu di parechji algoritmi di cuntrollu, è applicà stu feedback à una output voltage canale. L'utilizatori ponu sceglie di cunfigurà u funziunamentu di u dispositivu per mezu di u display touchscreen integratu, una interfaccia d'utilizatore grafica (GUI) di PC di desktop remoto, o un kit di sviluppu di software di PC remoto (SDK). Le servocommande samples voltage dati cù una risoluzione di 16 bit attraversu un portu di input coaxial SMB à 1 MHz.

Per furnisce più precisu voltage misurazioni, circuiti aritmetici in u dispusitivu mediu ogni dui samples per un efficace sampa freccia di 500 kHz. I dati digitalizzati sò processati da un microprocessore à alta velocità utilizendu tecniche di trasfurmazioni di signali digitale (DSP). L'utilizatore pò sceglie trà l'algoritmi di cuntrollu SERVO è PEAK. In alternativa, l'utilizatore pò pruvà una risposta di u sistema à DC voltage pour déterminer le point de consigne du servo avec le RAMP Modu operativu, chì emette un'onda di sega sincrona cù l'input. U canali di input hà una larghezza di banda tipica di 120 kHz. U canali di output hà una larghezza di banda tipica di 100 kHz. U lag di fase di -180 gradi di u voluminu input-to-outputtagA funzione di trasferimentu di stu servocontroller hè tipicamente 60 kHz.

Dati tecnichi

Specificazioni

Specificazioni di u funziunamentu
Larghezza di banda di u sistema	DC à 100 kHz
Input à Output - Frequenza di 180 gradi	> 58 kHz (60 kHz tipicu)
Input nominale Sampling Risoluzione	16 bit
Risoluzione di output nominali	12 bit
Vol. Massimu Inputtage	± 4 V
Uscita Massima Voltageb	± 4 V
Corrente d'entrata massima	100 mA
Pianu di rumore mediu	-120 dB V2/Hz
Pianu di rumore di punta	-105 dB V2/Hz
Input RMS Noisec	0.3 mV
Ingressu Sampling Frequency	1 MHz
Frequenza di aghjurnamentu PIDd	500 kHz
Gamma di Frequenza di Modulazione Peak Lock	100 Hz - 100 kHz in passi di 100 Hz
Terminazione di input	1 MΩ
Impedenza di outputb	220 Ω

• a. Questa hè a frequenza à a quale l'output righjunghji un shift di fase -180 gradi relative à l'input.
• b. L'output hè pensatu per a cunnessione à i dispositi high-Z (>100 kΩ). A cunnessione di i dispositi cù una terminazione di input più bassa, Rdev, riducerà u voltage gamme par Rdev/(Rdev + 220 Ω) (par exemple, un appareil avec une terminaison de 1 kΩ donnera 82 % du vol de sortie nominaltaggamma e).
• c. A larghezza di banda di integrazione hè 100 Hz - 250 kHz.
• d. Un filtru low-pass reduce l'artefatti di digitalizazione in u cuntrollu di output voltage, risultatu in una larghezza di banda di output di 100 kHz.

Requisiti elettrici
Corsu Voltage	4.75 - 5.25 V DC
Curente di fornitura	750 mA (Max)
Gamma di temperaturaa	0 °C à 70 °C

• a Gamma di temperatura nantu à quale u dispusitivu pò esse operatu senza U funziunamentu ottimali si trova vicinu à a temperatura di l'ambienti.

Requisiti di u sistema
Sistema upirativu	Windows 10® (Consigliato) o 11, 64 Bit Richiesto
Memoria (RAM)	4 GB Minimu, 8 GB Consigliati
Storage	300 MB (Min) di Spaziu Discu Disponibile
Interfaccia	USB 2.0
Risoluzione minima di u screnu	1200 x 800 Pixel

Disegni meccanichi 

Dichjarazione di Conformità simplificata
U testu cumpletu di a dichjarazione di cunfurmità di l'UE hè dispunibule à u seguente indirizzu Internet: https://Thorlabs.com/newgrouppage9.cfm?objectgroup_id=16794

Denominazione FCC 

Nota: Stu equipamentu hè statu pruvatu è truvatu cum'è i limiti per un dispositivu digitale di Classe A, in cunfurmità cù a parte 15 di e Regule FCC. Questi limiti sò pensati per furnisce una prutezzione raghjone contr'à l'interferenza dannosa quandu l'equipaggiu hè operatu in un ambiente cummerciale. Stu equipamentu genera, usa è pò irradià energia di freccia radio è, s'ellu ùn hè micca stallatu è utilizatu in cunfurmità cù u manuale d'istruzzioni, pò causà interferenza dannosa à e cumunicazioni radio. U funziunamentu di stu equipamentu in una zona residenziale hè prubabile di causà interferenza dannosa, in quale casu l'utilizatore serà dumandatu à correggere l'interferenza à i so spesi.

Avvertimenti di sicurezza: I marcati CE / UKCA indicanu u rispettu di a legislazione europea di salute, sicurezza è prutezzione ambientale.

Operazione

Basics: Familiarizzate cù e funzioni basi di u DSC1.

Ground Loops è u DSC1: Assicuratevi di mette a terra curretta per evità interferenze.

Alimentazione di u DSC1: Cunnette a fonte di energia seguendu e linee guida furnite.

Touchscreen 

Lanciazione di l'interfaccia Touchscreen 
Dopu à esse cunnessu à u putere è un brevi, menu di una secunna riscaldamentu, u DSC1 illuminarà u display touchscreen integratu è u screnu risponde à l'inputs.

Funzionamentu Touchscreen in Modu SERVO
Le mode SERVO met en œuvre un régulateur PID.

Figura 2 Display touchscreen in u modu di funziunamentu servo cù u controller PID attivatu in u modu di cuntrollu PI. 

• U valore numericu PV (variabile di prucessu) mostra l'AC RMS voltage du signal d'entrée en volts.
• L'OV (output voltage) valore numericu mostra u vulume di output mediutage da u DSC1.
• Le contrôle S (point de consigne) définit le point de consigne de la boucle d'asservissement en volts. 4 V hè u massimu è -4 V hè u minimu permessu.
• U cuntrollu O (offset) stabilisce l'offset DC di a loop servo in volti. 4 V hè u massimu è -4 V hè u minimu permessu.
• U cuntrollu P (prupurziunale) stabilisce u coefficient di guadagnu proporzionale. Questu pò esse un valore pusitivu o negativu trà 10-5 è 10,000, nutatu in notazione ingegneria.
• U cuntrollu I (integrale) stabilisce u coefficient di guadagnu integrale. Questu pò esse un valore pusitivu o negativu trà 10-5 è 10,000, nutatu in notazione ingegneria.
• U cuntrollu D (derivatu) stabilisce u coefficient di guadagnu derivativu. Questu pò esse un valore pusitivu o negativu trà 10-5 è 10,000, nutatu in notazione ingegneria.
• L'interruttore STOP-RUN disattiva è attiva u loop servo.
• I buttoni P, I è D attivanu (illuminati) è disattivanu (blu scuru) ogni guadagnu stage in a loop servo PID.
• U menù drop-down SERVO permette à l'utilizatori di selezziunà u modu operativu.
• A traccia verde mostra u setpoint attuale. Ogni puntu hè di 2 µs l'una di l'altra nantu à l'assi X.
• A traccia d'oru mostra u PV misuratu attuale. Ogni puntu hè di 2 µs l'una di l'altra nantu à l'assi X.

Operazione touchscreen in RAMP Modu 
U RAMP Modu produce un'onda a dente di sega cunfigurabile da l'utente amplitudine è offset.

• U valore numericu PV (variabile di prucessu) mostra l'AC RMS voltage du signal d'entrée en volts.
• L'OV (output voltage) valore numericu mostra u vulume di output mediutage appiicata da u dispusitivu.
• U cuntrollu O (offset) stabilisce l'offset DC di u ramp uscita in volt. 4 V hè u massimu è -4 V hè u minimu permessu.
• L'A (amplitude) cuntrollu stabilisce u amplitudine di u ramp uscita in volt. 4 V hè u massimu è -4 V hè u minimu permessu.
• L'interruttore STOP-RUN disattiva è attiva u loop servo rispettivamente.
• U RAMP menù a tendina permette à l'utilizatori di selezziunà u modu operativu.
• A traccia d'oru mostra a risposta di a pianta sincronizata cù a scansione di output voltage. Ogni puntu hè spaziatu di 195 µs l'una di l'altra nantu à l'assi X.

Funzionamentu touchscreen in u modu PEAK
U modu PEAK implementa un controller di ricerca di extremum cù frequenza di modulazione configurabile da l'utilizatore, amplitudine, è integrazione custanti. Nota chì a modulazione è a demodulazione hè sempre attiva quandu u dispusitivu hè in modu PEAK; u run-stop toggle attiva è disattiva u guadagnu integrale in u ciclu di cuntrollu di dither.

• U valore numericu PV (variabile di prucessu) mostra l'AC RMS voltage du signal d'entrée en volts.
• L'OV (output voltage) valore numericu mostra u vulume di output mediutage appiicata da u dispusitivu.
• U valore numericu M (multiplicatore di frequenza di modulazione) mostra u multiplu di 100 Hz di a frequenza di modulazione. Per esample, se M = 1 cum'è mostra, a frequenza di modulazione hè 100 Hz. A freccia di modulazione massima hè 100 kHz, cù un valore M di 1000. In generale, frequenze di modulazione più altu sò cunsigliate, sempre chì l'attuatore di cuntrollu hè responsive à quella frequenza.
• L'A (amplitude) cuntrollu stabilisce u amplitudine di a modulazione in volti, nutata in notazione ingegneria. 4 V hè u massimu è -4 V hè u minimu permessu.
• U cuntrollu K (peak lock integrale coefficient) stabilisce a custante d'integrazione di u controller, cù unità di V / s, nutate in notazione ingegneria. Se l'utilizatore ùn hè micca sicuru di cumu cunfigurà stu valore, tipicamente principià cù un valore intornu à 1 hè cunsigliatu.
• L'interruttore STOP-RUN disattiva è attiva u loop servo rispettivamente.
• U menù a discesa PEAK permette à l'utilizatori di selezziunà u modu operativu.
• A traccia d'oru mostra a risposta di a pianta sincronizata cù a scansione di output voltage. Ogni puntu hè spaziatu di 195 µs l'una di l'altra nantu à l'assi X.

Software
U software di servocontroller digitale hè pensatu per permette u cuntrollu di e funziunalità di basa via una interfaccia di l'urdinatore è furnisce un inseme ampliatu di strumenti di analisi per aduprà u controller. Per esample, a GUI include una trama chì pò vede l'input voltage in u duminiu di freccia. Inoltre, i dati ponu esse esportati cum'è .csv file. Stu prugrammu permette di usu di u dispusitivu in u servo, piccu, o ramp modi cun cuntrollu di tutti i paràmetri è paràmetri. A risposta di u sistema pò esse viewed cum'è l'input voltage, signali di errore, o tramindui, sia in u duminiu di u tempu, sia in u duminiu di freccia. Per piacè vede u manuale per più infurmazione.

Lancià u Software
Dopu avè lanciatu u software, cliccate "Connect" per listinu i dispositi DSC dispunibili. Diversi dispositi DSC ponu esse cuntrullati à tempu.

Figura 5
Launch screen for the DSCX Client software.

Figura 6 Finestra di selezzione di u dispusitivu. Cliccate OK per cunnette à u dispusitivu sceltu.

Servo Software Tab
A tabulazione Servo permette à un utilizatore per operà u dispositivu in modalità servo cù cuntrolli supplementari è schermi oltre quelli furniti da l'interfaccia d'utilizatore touchscreen integrata in u dispusitivu stessu. Nant'à sta tabulazione, o rapprisentazione di u duminiu di u tempu o di frequenza di a variabile di prucessu sò dispunibili. A risposta di u sistema pò esse viewed cum'è a variabile di prucessu, u signale d'errore, o i dui. U signale di errore hè a diffarenza trà a variabile di prucessu è u setpoint. Aduprendu tecniche di analisi di cuntrollu, a risposta di l'impulsu, a risposta di frequenza è a risposta di fasi di u dispusitivu ponu esse previste, sempre chì certe ipotesi nantu à u cumpurtamentu di u sistema è i coefficienti di guadagnà sò fatti. Sta dati hè mostratu nantu à a tabulazione di cuntrollu servo per chì l'utilizatori ponu cunfigurà preventivamente u so sistema, prima di principià esperimenti di cuntrollu.

Figura 7 Interfaccia software in Ramp modalità cù a visualizazione di u duminiu di freccia. 

• Abilita X Gridlines: Verificate a casella permette X gridlines.
• Abilita Y Gridlines: spuntà a casella attiva Y gridlines.
• Pulsante Run / Pause: Pressendu stu buttone principia / ferma l'aghjurnamentu di l'infurmazioni gràfiche nantu à u display.
• Frequency / Time Toggle: Cambia trà u duminiu di frequenza è u duminiu di u tempu.
• PSD / ASD Toggle: Cambia trà a densità spettrale di putenza è amplitude densità spettrale assi verticali.
• Scans Medie: Toggling this switch permette è disattiva a media in u duminiu di freccia.
• Scans In Average: Stu cuntrollu numericu determina u numeru di scans per esse mediu. U minimu hè 1 scan è u massimu hè 100 scans. E frecce su è giù nantu à un teclatu aumentanu è diminuiscenu u numeru di scans in a media. In listessu modu, i buttoni su è giù vicinu à u cuntrollu aumentanu è diminuiscenu u numeru di scans in a media.
• Load: Pressing this button in the Reference Spectrum panel permette à un utilizatore di selezziunà un spettru di riferimentu salvatu in u PC cliente.
• Salvà: Pressendu stu buttone in u pannellu Spectrum di Riferimentu permette à un utilizatore di salvà i dati di frequenza attualmente visualizati in u so PC. Dopu à cliccà stu buttone, una salvezza file dialogu permetterà à l'utilizatore di sceglie u locu di almacenamiento è entre in u file nome per i so dati. I dati salvanu cum'è Valore Separatu da Commas (CSV).
• Mostra Riferimentu: Verificate sta casella permette a visualizazione di l'ultimu spettru di riferimentu sceltu.
• Autoscale Y-Axis: A verificazione di a casella permette l'impostazione automatica di i limiti di visualizazione di l'Axis Y.
• Autoscale X-Axis: A verificazione di a casella permette l'impostazione automatica di i limiti di visualizazione di l'Axis X.
• Log X-Axis: A verificazione di a casella cambia trà una visualizazione di l'assi X logaritmica è lineare.
• Run PID: L'attivazione di sta toggle permette u loop servo in u dispusitivu.
• O Numeric: Stu valore stabilisce u offset voltage in volt.
• SP Numeric: Stu valore stabilisce u setpoint voltage in volt.
• Kp Numeric: Stu valore stabilisce u guadagnu proporzionale.
• Ki Numeric: Stu valore stabilisce u guadagnu integrale in 1/s.
• Kd Numeric: Stu valore stabilisce u guadagnu derivativu in s.
• Buttuni P, I, D: Questi buttoni permettenu u guadagnu proporzionale, integrale è derivativu rispettivamente quandu sò illuminati.
• Run / Stop Toggle: Toggling stu switch permette è disattiva u cuntrollu.

L'utilizatore pò ancu aduprà u mouse per cambià l'estensione di l'infurmazioni affissate: 

• A rota di u mouse zooma a trama in è fora versu a pusizione attuale di u puntatore di u mouse.
• SHIFT + Click cambia u puntatore di u mouse in un segnu più. In seguitu, u buttone left-mouse zoom in a pusizione di u punteru di u mouse per un fattore di 3. L'utilizatore pò ancu arrastà è selezziunate una regione di u graficu per zoom per adattà.
• ALT + Cliccate cambia u puntatore di u mouse in un segnu minus. Dopu, u buttone di manca di u mouse si alluntarà da a pusizione di u puntatore di u mouse per un fattore di 3.
• I gesti di sparghje è pinch in un tappettu di mouse o touch screen farà zoom in è fora di u graficu rispettivamente.
• Dopu à u scrolling, clicchendu u buttone left-mouse permetterà à l'utilizatore per trascinà u mouse.
• Facendu clic à u dirittu nantu à u graficu restaurà a pusizione predeterminata di u graficu.

Ramp Tabulazione Software
U Ramp tab furnisce funziunalità paragunabili à u ramp tabulazione nantu à u display touchscreen integratu. Cambia à sta tabulazione mette u dispusitivu cunnessu in ramp modu.

Figura 8
Interfaccia di software in Ramp modu.

In più di i cuntrolli dispunibili in u modu Servo, u Ramp u modu aghjusta: 

• Amplitude Numeric: Stu valore stabilisce a scansione amplitudine in volt.
• Offset Numeric: Stu valore stabilisce l'offset di scansione in volti.
• Run / Stop Ramp Toggle: Toggling this switch attiva è disattiva u ramp.

Peak Software Tab 
A tabulazione Peak Control furnisce a listessa funziunalità cum'è u modu PEAK in l'interfaccia d'utilizatore integrata, cù visibilità supplementu in a natura di u signale di ritornu da u sistema. Passendu à questa tabulazione cambia u dispusitivu cunnessu à u modu di funziunamentu PEAK.

Figura 9 Interfaccia di u software in modalità Peak cù a visualizazione di u duminiu di u tempu.

In più di i cuntrolli dispunibuli in u modu Servo, u modu Peak aghjusta: 

• Amplitudine numerica: Stu valore stabilisce a modulazione amplitudine in volt.
• K numerica: Questu hè u coefficient integrale di u piccu di serratura; u valore stabilisce a constante di guadagnu integrale in V/s.
• Offset numericu: Stu valore stabilisce l'offset in volti.
• Frequency numeric: Questu stabilisce u multiplicatore di frequenza di modulazione in incrementi di 100 Hz. U valore minimu permessu hè 100 Hz hè u massimu hè 100 kHz.
• Commutazione Run / Stop Peak: Toggling stu switch permette è disattiva u guadagnu integrale. Nota, ogni volta chì u dispusitivu hè in modu PEAK, a modulazione di output è a demodulazione di u signale d'errore hè attiva.

Dati salvati 
I dati sò salvati in u formatu CSV (Comma Separated Value). Un brevi header conserva i dati pertinenti da e dati chì sò salvati. Se u formatu di questu CSV hè cambiatu, u software pò esse incapace di ricuperà un spettru di riferimentu. Per quessa, l'utilizatore hè incuraghjitu à salvà i so dati in un spreadsheet separatu file s'ellu pensanu à fà ogni analisi indipendente.

Figura 10 Dati in formatu .csv esportati da u DSC1. 

Teoria di u funziunamentu

Servo Control PID
U circuitu PID hè spessu usatu cum'è un controller di feedback di loop di cuntrollu è hè assai cumuni in i circuiti servo. U scopu di un circuitu servo hè di mantene u sistema à un valore predeterminatu (set point) per periodi prolongati di tempu. U circuitu PID mantene attivamente u sistema à u set point generendu un signalu d'errore chì hè a diffarenza trà u set point è u valore attuale è modulendu un output vol.tage per mantene u set point. E lettere chì custituiscenu l'acronimu PID currispondenu à Pruporzionali (P), Integrali (I) è Derivati ​​(D), chì rapprisentanu i trè paràmetri di cuntrollu di un circuitu PID.

U termu proporzionale dipende da l'errore presente, u termu integrale dipende da l'accumulazione di l'errore passatu, è u termu derivativu hè a predizione di l'errore futuru. Ognunu di sti termini sò alimentati in una somma ponderata chì aghjusta u volumi di outputtage du circuit, u(t). Questa uscita hè alimentata in u dispusitivu di cuntrollu, a so misurazione hè rinviata in u ciclu PID, è u prucessu hè permessu di stabilizà attivamente l'output di u circuitu per ghjunghje è mantene u valore di u setpoint. U schema di bloccu sottu illustra l'azzione di un circuitu PID. Unu o più di i cuntrolli ponu esse utilizati in ogni circuitu servo secondu ciò chì hè necessariu per stabilizzà u sistema (ie, P, I, PI, PD, o PID).

Per piacè nutate chì un circuitu PID ùn guarantisci micca un cuntrollu ottimali. Un paràmetru impropriu di i cuntrolli PID pò causà à u circuitu oscillate significativamente è porta à inestabilità in u cuntrollu. Hè à l'utilizatore per aghjustà currettamente i paràmetri PID per assicurà un rendimentu propiu.

Teoria PID 

Teoria PID per un Servo Controller Continuu: Capisce a teoria PID per un servocontrol ottimale.
L'output di u circuitu di cuntrollu PID, u(t), hè datu cum'è

Induve:

• ?? hè u guadagnu proporzionale, senza dimensioni
• ?? hè u guadagnu integrale in 1 / seconde
• ?? hè u guadagnu derivativu in seconde
• ?(?) hè u signale di errore in volti
• ?(?) hè l'output di cuntrollu in volt

Da quì pudemu definisce l'unità di cuntrollu matematicamente è discute ognuna in un pocu più detail. U cuntrollu proporzionale hè proporzionale à u signale di errore; cum'è tali, hè una risposta diretta à u signale di errore generatu da u circuitu:
? = ???(?)
Un guadagnu proporzionale più grande risultatu in cambiamenti più grande in risposta à l'errore, è cusì influenza a velocità à quale u controller pò risponde à i cambiamenti in u sistema. Mentre chì un altu guadagnu proporzionale pò causà un circuitu per risponde rapidamente, un valore troppu altu pò causà oscillazioni annantu à u valore SP. Un valore troppu bassu è u circuitu ùn pò micca risponde in modu efficace à i cambiamenti in u sistema. U cuntrollu integrale va un passu più luntanu da u guadagnu proporzionale, postu chì hè proporzionale micca solu à a magnitudine di u signale d'errore, ma ancu à a durata di qualsiasi errore accumulatu.

U cuntrollu integrale hè assai efficace per aumentà u tempu di risposta di un circuitu inseme cù l'eliminazione di l'errore di u statu stabile assuciatu à u cuntrollu puramente proporzionale. In essenza, u cuntrollu integrale suma nantu à qualsiasi errore precedentemente micca correttu, è poi multiplica quellu errore da Ki per pruduce a risposta integrale. Cusì, ancu per un picculu errore sustinutu, una grande risposta integrale aggregata pò esse realizata. In ogni casu, per via di a risposta rapida di u cuntrollu integrale, i valori di guadagnu elevati ponu causà un overshoot significativu di u valore SP è portanu à oscillazioni è inestabilità. Troppu bassu è u circuitu serà significativamente più lento in risponde à i cambiamenti in u sistema. U cuntrollu derivativu tenta di riduce u potenziale di overshoot è di sonu da u cuntrollu proporzionale è integrale. Determina quantu rapidamente u circuitu cambia cù u tempu (fighjendu a derivativa di u signale di errore) è u multiplica per Kd per pruduce a risposta derivativa.

A cuntrariu di u cuntrollu proporzionale è integrale, u cuntrollu derivativu rallenta a risposta di u circuitu. Fendu cusì, hè capaci di cumpensà parzialmente u overshoot oltri damp elimina ogni oscillazione causata da u cuntrollu integrale è proporzionale. I valori di guadagnu elevati facenu chì u circuitu risponda assai lentamente è pò lascià un suscettibile à u rumore è à l'oscillazione d'alta frequenza (cum'è u circuitu diventa troppu lento per risponde rapidamente). Troppu bassu è u circuitu hè propensu à overshooting u valore di u setpoint. Tuttavia, in certi casi, sopra à u valore di u setpoint da ogni quantità significativa deve esse evitata è cusì un guadagnu derivativu più altu (inseme cù un guadagnu proporzionale più bassu) pò esse usatu. U graficu sottu spiega l'effetti di aumentà u guadagnu di qualsiasi di i paràmetri indipindentamente.

Parametru Aumentatu	Tempu di Rise	Overshoot	Tempu di Stabilimentu	Errore à u statu stabile	Stabilità
Kp	Diminuisce	Aumentà	Picculu cambiamentu	Diminuisce	Degrade
Ki	Diminuisce	Aumentà	Aumentà	Diminuisce significativamente	Degrade
Kd	Diminuzione minore	Diminuzione minore	Diminuzione minore	Nisun effettu	Improve (per i picculi Kd)

Servo Controllers Discrete-Time 

Format di dati
U controller PID in u DSC1 riceve un ADC 16-bitample, chì hè un numeru binari offset, chì pò varià da 0-65535. 0 mappe linearmente à un input negativu 4V è 65535 rapprisenta un signalu di input +4V. U signale "errore", ?[?], in u ciclu PID à un passu di tempu ? hè determinatu cum'è ?[?] = ? − ?[?] Induve ? hè u setpoint è ?[?] hè u voltagesample in a scala binaria offset à un passu di tempu discretu, ?.

Legge di cuntrollu in u duminiu di u tempu
Trè termini di guadagnu sò calculati è summati.
?[?] = ??[?] + ??[?] + ??[?] ?? = ???[?] ?? ≈ ?? ∫ ?[?] ?? = ??(?[?] - ?[? - 1])
Induve ??[?], ??[?], è ??[?] sò i guadagni proporzionali, integrali è derivati ​​chì cumprendenu l'output di cuntrollu ?[?] à un passu di tempu ?. ??, ??, è ?? sò i coefficienti di guadagnu proporzionale, integrale è derivativu.

Approssimazione di l'Integrale è di a Derivata
U DSC1 approssima un integratore cù un accumulatore.
∫ ?[?] = ?[?] + ∫ ?[? − 1] A cunsiderazione di l'intervallu di integrazione, a larghezza di u tempu, hè impannillata in u coefficient di guadagnu integrale ?? tali chì: ?? = ?′?ℎ
Induve ?′? hè u coefficiente di guadagnu integrale inseritu nominalmente è ℎ hè u tempu trà ADC samples. Facemu una approssimazione simili à a derivativa cum'è a diffarenza trà ?[?] è ?[? − 1] dinò assumendu chì ?? cuntene ancu una scala di 1 / h.

Cumu l'ammentatu prima, cunsiderà avà chì l'approssimazioni integrali è derivate ùn anu micca cunsideratu alcuna considerazione di u passu di tempu (sample interval), da quì in seguitu ℎ. Tradizionalmente dicemu un primu ordine, esplicitu, approssimazione à una variàbile ?[?] cù = ?(?, ?) basatu nantu à i termini in una espansione di serie Taylor hè ?[?] ≈ ?[? − 1] + ℎ ?(?, ?)
Questu hè spessu referitu cum'è Schema di Integrazione Euler Backwards o Integratore Numericu Explicit First-Order. Se risolvemu per a derivata, ?(?, ?), truvamu:

Nota a similarità di u numeratore in u sopra à a nostra approssimazione prucedimentu à a derivativa in l'equazioni di cuntrollu. Questu hè di dì chì a nostra approssimazione à a derivativa hè più appruvata da ℎ−1.

Imite ancu intuitivamente u Teorema Fundamentale di u Calculu:

Avà si dicemu cusì ? hè l'integrale di u signale di errore ?, pudemu fà e seguenti sustituzzioni.
?[?]=∫?[?] ?(?,?)= ?[?] È ottenemu da l'approssimazione di a serie di Taylor di primu ordine à una funzione ?: ∫?[?]=∫?[?−1]+ℎ ?(?)
Semplicemente assumendu ∫?[?]=0 per ?=0, l'approssimazione prucedimentu à una integrale praticamente cundensa à un accumulatore.

Dunque aghjustemu a nostra derivazione precedente di a lege di cuntrollu per:

Legge di cuntrollu in u duminiu di Frequency
Ancu se l'equazione derivata in a sezione di prucedura informa u cumpurtamentu di u duminiu di u tempu di u controller PID à tempu discretu implementatu in u DSC1, dice pocu nantu à a risposta di u duminiu di frequenza di u controller. Invece avemu introduttu u ? duminiu, chì hè analogu à u duminiu Laplace, ma per un tempu discretu piuttostu chè continuu. Simile à a trasformazione di Laplace, a trasformazione Z di una funzione hè più spessu determinata da l'assemblea di relazioni Z-transform tabulate, invece di rimpiazzà a definizione Z-transform (mostra sottu) direttamente.

Induve ?(?) hè l'espressione di u duminiu Z di una variabile di tempu discretu ?[?], ? hè u raghju (spessu trattatu cum'è 1) di a variàbbili indipendenti ?, ? hè a radica quadrata di -1, è ∅ hè l'argumentu cumplessu in radianti o gradi. In questu casu, solu dui Z-trasformazioni tabulati sò necessarii.
?[?] = ?[?] ?[? − 1] = ?[?]?−1
A Z-trasformazione di u termu prupurziunale, ??, hè triviale. Inoltre, accettate per un mumentu chì ci hè utile per determinà l'errore per cuntrullà a funzione di trasferimentu, ?(?), piuttostu cà solu ?(?).

A Z-trasformazione di u termu integrale, ??, hè più interessante.
Ricordate u nostru schema d'integrazione di Euler esplicitu in a sezione precedente: ??(?) = ?? ∫ ?[?] = ?? (∫ ?[? − 1] + ℎ ?(?))
∫ ?(?) = ∫ ?(?) ?−1 + ℎ?(?)
∫ ?(?) − ∫ ?(?) ?−1 = ℎ?(?)

Infine, fighjemu u guadagnu derivativu, ??: 

Assemblatu ognuna di e funzioni di trasferimentu sopra, ghjunghjemu à: 

Cù sta equazione, pudemu calculà numericamente a risposta di u duminiu di freccia per u controller è vede cum'è una trama di Bode, cum'è quì sottu.
Funzioni di trasferimentu PID, Kp = 1.8, Ki = 1.0, Kd = 1E-4

Nota cumu u guadagnu di u controller PI si avvicina solu à u guadagnu proporzionale è l'alta frequenza è cumu u guadagnu di u controller PD si avvicina solu à u guadagnu proporzionale à frequenze basse.

Tuning PID
In generale, i guadagni di P, I è D anu da esse aghjustatu da l'utilizatori per ottimisà u rendiment di u sistema. Mentre ùn ci hè micca un settore staticu di regule per ciò chì i valori duveranu esse per qualsiasi sistema specificu, seguite i prucessi generali duveranu aiutà à sintonizà un circuitu per currisponde à u sistema è l'ambiente. In generale, un circuitu PID currettamente sintonizatu generalmente superà u valore SP ligeramente è poi rapidamente damp per ghjunghje à u valore SP è mantene fermu à quellu puntu. U ciclu PID pò chjappà sia in una pendenza positiva sia negativa cambiendu u signu di i guadagni P, I è D. In u DSC1, i segni sò chjusi inseme cusì cambià unu cambierà tutti.

A sintonizazione manuale di i paràmetri di guadagnu hè u metudu più simplice per stabilisce i cuntrolli PID. Tuttavia, sta prucedura hè fatta attivamente (u controller PID attaccatu à u sistema è u loop PID attivatu) è esige una certa quantità di sperienza per ottene boni risultati. Per sintonizà u vostru controller PID manualmente, prima stabilisce i guadagni integrali è derivati ​​à zero. Aumente u guadagnu proporzionale finu à chì osservate l'oscillazione in u output. U vostru guadagnu proporzionale deve esse stabilitu à circa a mità di stu valore. Dopu chì u guadagnu proporzionale hè stabilitu, aumentate u guadagnu integrale finu à chì qualsiasi offset hè correttu per una scala di tempu adattata per u vostru sistema.

Se aumentate stu guadagnu troppu, observerete un overshoot significativu di u valore SP è inestabilità in u circuitu. Quandu u guadagnu integrale hè stabilitu, u guadagnu derivativu pò esse aumentatu. U guadagnu derivativu riducerà u overshoot è damp u sistema rapidamente à u valore di u setpoint. Se aumentate u guadagnu derivativu troppu, vi vede un grande overshoot (per via chì u circuitu hè troppu lento per risponde). Ghjucate cù i paràmetri di guadagnu, pudete ottimisà u rendiment di u vostru circuitu PID, risultatu in un sistema chì risponde rapidamente à i cambiamenti è in modu efficace.amps out oscillation par rapport à la valeur du point de consigne.

Tipu di cuntrollu	Kp	Ki	Kd
P	0.50 Ku	–	–
PI	0.45 Ku	1.2 Kp/Pu	–
PID	0.60 Ku	2 Kp/Pu	KpPu/8

Mentre chì a sintonizazione manuale pò esse assai efficace à stabilisce un circuitu PID per u vostru sistema specificu, esige una certa sperienza è capiscenu di i circuiti PID è a risposta. U metudu Ziegler-Nichols per l'accordu PID offre una guida più strutturata per stabilisce i valori PID. In novu, vulete stabilisce u guadagnu integrale è derivativu à zero. Aumente u guadagnu proporzionale finu à chì u circuitu cumencia à oscillate. Chjameremu stu livellu di guadagnu Ku. L'oscillazione averà un periodu di Pu. I guadagni sò per diversi circuiti di cuntrollu sò allora datu in u graficu sopra. Nota chì quandu si usa u metudu di sintonizazione Ziegler-Nichols cù u DSC1, u termu integrale determinatu da a tavula deve esse multiplicatu da 2⋅10-6 per nurmalizà à u s.amplu rate. In listessu modu, u coefficient derivativu deve esse divisu da 2⋅10-6 per nurmalizà à u s.amplu rate.

Ramping
L'utilizatori ponu spessu bisognu di determinà u puntu di funziunamentu di grande signale o un setpoint utile per un sistema. Per determinà u puntu di funziunamentu di grande signale (da quì in seguitu chjamatu offset DC) o u setpoint servo ottimale, una tecnica cumuni hè di simpricimenti stimulà u sistema ripetutamente cù un vol lineale crescente.tage signale. U mudellu hè comunmente chjamatu sawtooth-wave, per a so similitudine cù i denti di una serra.

Modu Peak Lock
U modu di bloccu di punta implementa un algoritmu di bloccu di dither cunnisciutu ancu com'è controller di ricerca di extremum. In questu modu di funziunamentu, u valore di cuntrollu hè sovrapposto à una output sinusoidale. L'input misuratu voltage hè primu filtratu digitale passa-altu (HPF) per sguassà ogni offset DC. Allora u segnu accoppiatu AC hè demodulatu multiplicendu ogni volume misuratutage da u valore di modulazione di l'onda sinusoidale in uscita. Questa operazione di multiplicazione crea un signalu demodulatu cù dui cumpunenti principali: una onda sinusoidale à a somma di e duie frequenze è un signalu à a sfarenza di e duie frequenze.

Un second filtru digitale, sta volta un filtru passa-bassu (LPF), attenuates u signale di somma di duie frequenze, è trasmette u segnu di freccia di frequenze di freccia bassa. U cuntenutu di u signale à a stessa frequenza chì a modulazione appare cum'è un signalu DC post demodulation. L'ultimu passu in l'algoritmu di bloccu di punta hè di integrà u signale LPF. L'output di l'integratore, cumminatu cù a modulazione in uscita, guida l'output voltage. L'accumulazione di energia di signale demodulata di freccia bassa in l'integratore spinge u cuntrollu offset voltage di l'output più altu è più altu finu à chì u segnu di l'output LPF s'inversa è l'output di l'integratore principia à diminuisce. Quandu u valore di cuntrollu s'avvicina à u piccu di a risposta di u sistema, u risultatu di a modulazione nantu à u signale di input à u servocontroller diventa più chjucu è più chjucu, postu chì a pendenza di una forma d'onda sinusoidale hè zero à u so piccu. Questu à u turnu significa chì ci hè un valore di pruduzzione più bassu da u signale demodulatu filtratu-pass-bassu, è dunque menu per accumulà in l'integratore.

Figura 12 Schema di bloccu di un controller di bloccu di punta. U signale di input da a pianta rispunsevuli di u piccu hè digitalizatu, dopu filtratu in passaghju altu. Le signal de sortie HPF est démodulé avec un oscillateur local numérique. L'output di u demodulatore hè filtratu low-pass è dopu integratu. L'output di l'integratore hè aghjuntu à u signale di modulazione è l'output à a pianta rispunsiva di punta. U peak locking hè un bonu algoritmu di cuntrollu per sceglie quandu u sistema chì l'utilizatore vole cuntrullà ùn hà micca una risposta monotonica intornu à u puntu di cuntrollu ottimali. EsampI di sti tipi di sistemi sò media otticu cù una lunghezza d'onda risonante, cum'è una cellula di vapore, o un filtru di rifiutu di banda RF (filtru notch). A caratteristica cintrali di u schema di cuntrollu di bloccu di piccu hè a tendenza di l'algoritmu à guidà u sistema versu u zero-crossing di u signale d'errore chì coincide cù un piccu in u signale misuratu, cum'è s'ellu u signale di errore era u derivatu di u signale misuratu. Nota chì u piccu pò esse pusitivu o negativu. Per principià cù u modu di operazione di bloccu di punta per u DSC1, pudete seguità sta prucedura.

1. Assicuratevi chì ci hè un piccu (o valle) di u signale chì vi sò chjusu in u volu di cuntrollutage gamma di l'attuatore, è chì a pusizione di punta hè relativamente stabile cù u tempu. Hè utile à aduprà u RAMP modu di visualize u signale nantu à u cuntrollu voltage gamma di interessu.
2. Nota u cuntrollu voltage posizione di a cima (o valle).
3. Stima quantu largu u piccu (o valle) hè in cuntrollu voltage à a mità di l'altezza di u piccu. Questa larghezza, in volti, hè comunmente chjamata Half-Max Full-Width o FWHM. Hè da esse almenu 0.1V largu per boni risultati.
4. Pone a modulazione amplitudine (A) à 1% à 10% di u FWHM voltage.
5. Impostate l'offset voltagè u più vicinu pussibule à a pusizione di u piccu (o valle) chì vulete chjude.
6. Pone a frequenza di modulazione à a frequenza desiderata. In u touch screen, questu hè affettatu da u M, paràmetru di frequenza di modulazione. A frequenza di modulazione hè 100 Hz volte M. A megliu selezzione di frequenza di modulazione dipende da l'applicazione. Thorlabs consiglia valori intorno a 1 kHz per attuatori meccanici. Frequenze più alte ponu esse aduprate per attuatori elettro-ottici.
7. Pone u coefficient integrale di serratura di piccu (K) à 0.1 volte A. K pò esse pusitivu o negativu. In generale, K pusitivu chjude à un piccu di u signale di input, mentri K negativu chjude à una valle di u signale di input. In ogni casu, se l'attuatore o sistema chì hè chjusu hà più di 90 gradi di ritardu di fase à a freccia di dither, u segnu di K invertirà è u K pusitivu si chjuderà à una valle, è u K negativu si chjuderà à un piccu.
8. Press Run è verificate chì u cuntrollu voltagL'output cambia da u valore di offset originale (O) è ùn scappa micca à un estremu. In alternativa, monitorizà a variabile di prucessu cù un oscilloscopiu per verificà chì u DSC1 hè chjusu à u piccu o valle desideratu.

Figura 13 Example dati da rampin l'outset offset voltage cun una onda sinusoidale cuntinuu, impostu nantu à una pianta di risposta di punta. Nota chì u signale d'errore di u cruciamentu di cero s'allinea cù u piccu di u signale di risposta di a pianta.

Mantenimentu è Pulizia
Pulite regularmente è mantene u DSC1 per un rendiment ottimali. U DSC1 ùn hà micca bisognu di mantenimentu regulare. Se u touchscreen di u dispusitivu si sporca, Thorlabs ricumanda di pulisce delicatamente a touchscreen cù un pannu suave, senza pelucchi, saturatu cù alcolu isopropilico diluitu.

Riparazione è Riparazione

In casu di prublemi, fate riferimentu à a sezione di risoluzione di prublemi per una guida per risolve i prublemi cumuni. A tabella sottu descrive i prublemi tipici cù i rimedii cunsigliati DSC1 è Thorlabs.

Issue	Spiegazione	Rimediu
U dispusitivu ùn si accende quandu hè cunnessu à u putere USB Type-C.	U dispusitivu precisa quant'è 750 mA di currente da un supply 5 V, 3.75 W. Questu pò esse più di e capacità di putenza di certi connettori USB-A in laptops è PC.	Aduprate l'alimentazione Thorlabs DS5 o CPS1. In alternativa, aduprate un alimentatore USB Type-C, cum'è hè tipicamente utilizatu per carricà un telefunu o un laptop chì hè valutatu per pruduce almenu 750 mA à 5 V.
U dispusitivu ùn si accende quandu u portu di dati hè cunnessu in un PC.	U DSC1 tira solu a putenza da u cunnessu di putenza USB Type-C. U connettore USB Type Mini-B hè solu dati.	Cunnette u portu USB Type-C à una fonte d'energia valutata per pruduce almenu 750 mA à 5 V, cum'è Thorlabs DS5 o CPS1.

Eliminazione
Seguite e linee di eliminazione curretta quandu si ritirate u DSC1.
Thorlabs verifica a nostra rispettu à a direttiva WEEE (Waste Electrical and Electronic Equipment) di a Cumunità Europea è e lege naziunale currispundenti. Per quessa, tutti l'utilizatori finali in a CE ponu rinvià l'equipaggiu elettricu è elettronicu di a categuria di l'Annex I di "fine di vita" venduti dopu à u 13 d'aostu di u 2005 à Thorlabs, senza incurrenu carichi di eliminazione. L'unità ammissibili sò marcate cù u logu "wheelie bin" barratu (vede a diritta), sò state vendute è sò attualmente possedute da una cumpagnia o istitutu in a CE è ùn sò micca dissimulate o contaminate. Cuntattate Thorlabs per più infurmazione. U trattamentu di i rifiuti hè a vostra propria rispunsabilità. L'unità "End of Life" deve esse rimbursate à Thorlabs o consegnate à una cumpagnia specializata in a ricuperazione di rifiuti. Ùn sguassate micca l'unità in una littera o in un locu publicu di eliminazione di rifiuti. Hè a rispunsabilità di l'utilizatore per sguassà tutte e dati privati ​​​​cullucate nantu à u dispusitivu prima di dispunì.

FAQ:

Q: Chì duverebbe fà se u DSC1 ùn hè micca accende?
A: Verificate a cunnessione di a fonte di energia è assicuratevi chì risponde à i requisiti specificati. Se u prublema persiste, cuntattate l'assistenza clienti per assistenza.

Sicurezza

AVVISU
Stu strumentu deve esse guardatu da l'ambienti induve sò prubabilmente sversamenti di liquidu o umidità di condensazione. Ùn hè micca resistente à l'acqua. Per evitari danni à l'instrumentu, ùn l'espone micca à spray, liquidi o solventi.

Installazione

Infurmazioni di Garanzia
Stu dispusitivu di precisione hè solu utile s'ellu hè tornatu è imballatu currettamente in l'imballu originale cumpletu, cumpresu a spedizione cumpleta più l'inseritu di cartone chì cuntene i dispositi chjusi. Se ne necessariu, dumandate l'imballu di rimpiazzamentu. Riferite l'assistenza à u persunale qualificatu.

Cumpunenti inclusi

U Servo Controller Digital Compact DSC1 hè furnitu cù i seguenti cumpunenti:

• Servocontroller digitale DSC1
• Card Start Rapidu
• USB-AB-72 Cavo di dati USB 2.0 Type-A à Mini-B, 72″ (1.83 m) di lunghezza
• Cavo di alimentazione USB Type-A à USB Type-C, 1 m (39″) Long
• Cavo coassiale da PAA248 da SMB a BNC, 48″ (1.22 m) di lunghezza (quantità 2)

Installazione è Setup

Basi 
L'utilizatori ponu cunfigurà u dispusitivu cù un computer utilizendu l'interfaccia USB o attraversu u touchscreen integratu. In ogni casu, u putere deve esse furnitu attraversu a cunnessione USB-C 5V. Quandu si usa a GUI di u desktop, u servocontroller deve esse cunnessu cù un cable USB 2.0 (cumpresu) da u portu di dati di u dispusitivu à un PC cù u software Servo Controller Digital installatu.

Ground Loops è u DSC1
U DSC1 include circuiti interni per limità a probabilità di i loops di terra. Thorlabs suggerisce l'usu di l'alimentatore regulatu DS5 isolatu da u trasformatore o di u pacchettu di batteria esterna CPS1. Cù l'alimentazione DS5 o CPS1, a terra di u signale in u DSC1 fluttua in quantu à a terra di una presa di muru. L'unicu cunnessione à u dispusitivu chì sò cumuni à sta terra di signale sò u pin di terra di u segnu di u cunnessu di putenza USB-C è l'esterno, u percorsu di ritornu in u cable coaxial SMB di output. A cunnessione di dati USB hè isolata. U signale d'ingressu hà una resistenza di rottura di loop di terra trà u percorsu di ritornu di u signale è a terra di u signale in u strumentu chì tipicamente impedisce l'interferenza di u ciclu di terra. Impurtante, ùn ci sò micca dui camini diretti à a terra di u signale di u dispusitivu, minimizendu l'occurrence di loops di terra.

Per mitigà ulteriormente u risicu di l'interferenza di u loop di terra, Thorlabs suggerisce e seguenti migliori pratiche: 

• Mantene tutti i cavi di putenza è di signale à u dispusitivu cortu.
• Aduprate una batteria (CPS1) o un trasformatore isolatu (DS5) alimentazione cù u DSC1. Questu assicura una terra di signale di u dispusitivu flottante.
• Ùn cunnette micca i camini di ritornu di u signale di l'altri strumenti l'un à l'altru.
  • Un ex cumuniample hè un tipicu oscilloscope benchtop; più spessu i cunchiglia di l'esternu di e cunnessione di input BNC sò direttamente cunnessi à a terra. Diversi clips di terra cunnessi à u stessu node di terra in un esperimentu ponu causà un ciclu di terra.

Ancu s'è u DSC1 hè improbabile di causà un loop di terra in sè stessu, altri strumenti in u laboratoriu di l'utilizatori ùn anu micca isolatu u ciclu di terra è cusì puderia esse una fonte di loops di terra.

Alimentazione di u DSC1
U Servo Controller Digitale DSC1 richiede una putenza di 5 V attraversu l'USB-C finu à 0.75 A di corrente di punta è 0.55 A in operazione tipica. Thorlabs offre duie alimentazioni cumpatibili: CPS1 è DS5. In l'applicazioni induve a sensibilità di u rumore hè menu limitata o induve sò richiesti tempi di esecuzione di più di 8 ore, l'alimentazione regulata DS5 hè cunsigliatu. L'alimentazione di a batteria CPS1 hè cunsigliata quandu u rendiment ottimali di u rumore hè desideratu. Cù u CPS1 cumplettamente carica è in bona salute, u DSC1 pò operà per 8 ore o più senza ricaricamentu.

Cuntatti in u mondu di Thorlabs

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Documenti / Risorse

THORLABS DSC1 Servo Controller Digital Compact [pdfGuida di l'utente DSC1, DSC1 Servo Controller Digital Compact, DSC1, Servo Controller Digital Compact, Servo Controller Digitale, Servo Controller, Controller

Referenze

• Manuale d'usu