Kompaktní digitální servo ovladač THORLABS DSC1

Specifikace:

• Název produktu: DSC1 Compact Digital Servo Controller
• Doporučené použití: S fotodetektory a akčními členy Thorlabs
• Kompatibilní aktuátory: Piezo ampohřívače, ovladače laserových diod, ovladače TEC, elektrooptické modulátory
• Shoda: Označení CE/UKCA

Návod k použití produktu

Zavedení

Zamýšlené použití: DSC1 je kompaktní digitální servokontrolér navržený pro obecné laboratorní použití ve výzkumu a průmyslu. DSC1 měří objemtage, vypočítává zpětnovazební signál podle uživatelem zvoleného řídicího algoritmu a vydává objemtagE. Výrobek smí být používán pouze v souladu s pokyny popsanými v tomto návodu. Jakékoli jiné použití způsobí neplatnost záruky. Jakýkoli pokus o přeprogramování, rozebrání binárních kódů nebo jinou změnu továrních strojních instrukcí v DSC1 bez souhlasu Thorlabs ruší platnost záruky. Thorlabs doporučuje používat DSC1 s fotodetektory a akčními členy Thorlabs. PřampAktuátory Thorlabs, které jsou vhodné pro použití s ​​DSC1, jsou piezoelektrické prvky Thorlabs amplifikátory, ovladače laserových diod, regulátory termoelektrického chladiče (TEC) a elektrooptické modulátory.

Vysvětlení bezpečnostních varování

POZNÁMKA Označuje informace považované za důležité, ale nesouvisející s rizikem, jako je možné poškození produktu.
Označení CE/UKCA na výrobku je prohlášením výrobce, že výrobek splňuje základní požadavky příslušných evropských právních předpisů v oblasti zdraví, bezpečnosti a ochrany životního prostředí.
Symbol popelnice s kolečky na výrobku, příslušenství nebo obalu znamená, že s tímto zařízením nesmí být nakládáno jako s netříděným komunálním odpadem, ale musí být shromažďováno odděleně.

Popis
Digitální servořadič Thorlabs DSC1 je nástroj pro zpětnovazební řízení elektrooptických systémů. Přístroj měří vstupní objtage, určuje vhodnou zpětnou vazbu objtage prostřednictvím jednoho z několika řídicích algoritmů a aplikuje tuto zpětnou vazbu na výstupní objemtage kanál. Uživatelé si mohou zvolit konfiguraci provozu zařízení buď prostřednictvím integrovaného dotykového displeje, grafického uživatelského rozhraní (GUI) vzdáleného počítače PC nebo sady pro vývoj softwaru pro vzdálený počítač (SDK). Servoregulátor samples svtagData s 16bitovým rozlišením přes koaxiální SMB vstupní port na 1 MHz.

K poskytnutí přesnějšího svtage měření, aritmetický obvod v zařízení průměruje každé dvě sekundyamples pro efektivní samprychlost 500 kHz. Digitalizovaná data jsou zpracovávána mikroprocesorem vysokou rychlostí za použití techniky digitálního zpracování signálu (DSP). Uživatel si může vybrat mezi řídicími algoritmy SERVO a PEAK. Alternativně může uživatel otestovat odezvu systému na stejnosměrný objemtage pro určení požadované hodnoty serva pomocí RAMP provozní režim, který vydává pilovou vlnu synchronně se vstupem. Vstupní kanál má typickou šířku pásma 120 kHz. Výstupní kanál má typickou šířku pásma 100 kHz. Fázové zpoždění -180 stupňů mezi vstupem a výstupem objtagPřenosová funkce tohoto servoregulátoru je typicky 60 kHz.

Technická data

Specifikace

Provozní specifikace
Šířka pásma systému	DC až 100 kHz
Vstup na výstup -180 stupňů frekvence	>58 kHz (typicky 60 kHz)
Nominální vstup Sampling rozlišení	16 bitů
Nominální výstupní rozlišení	12 bitů
Maximální vstupní objemtage	±4 V
Maximální výstupní objemtageb	±4 V
Maximální vstupní proud	100 mA
Průměrná hladina hluku	-120 dB V2/Hz
Špičkový hluk podlahy	-105 dB V2/Hz
Vstupní RMS šumc	0.3 mV
Vstup Sampling frekvence	1 MHz
Frekvence aktualizace PIDd	500 kHz
Frekvenční rozsah modulace Peak Lock	100 Hz – 100 kHz v krocích po 100 Hz
Ukončení vstupu	1 MΩ
Výstupní impedanceb	220 Ω

• A. Toto je frekvence, při které výstup dosáhne fázového posunu -180 stupňů vzhledem ke vstupu.
• b. Výstup je určen pro připojení k zařízením s vysokým Z (>100 kΩ). Připojení zařízení s nižším vstupním zakončením, Rdev, sníží výstupní objemtage rozsah podle Rdev/(Rdev + 220 Ω) (např. zařízení se zakončením 1 kΩ dá 82 % jmenovitého výstupního obj.tage rozsah).
• C. Šířka integračního pásma je 100 Hz – 250 kHz.
• d. Dolní propust snižuje artefakty digitalizace ve výstupním řízení objtage, což má za následek výstupní šířku pásma 100 kHz.

Elektrické požadavky
Supply Voltage	4.75 – 5.25 V DC
Napájecí proud	750 mA (Max)
Teplotní rozsaha	0 °C až 70 °C

• a Teplotní rozsah, ve kterém může být zařízení provozováno bez Optimálního provozu nastává, když se teplota blíží pokojové teplotě.

Systémové požadavky
Operační systém	Vyžaduje se Windows 10® (doporučeno) nebo 11, 64 bit
Paměť (RAM)	Minimálně 4 GB, doporučeno 8 GB
Storáž	300 MB (min) dostupného místa na disku
Rozhraní	USB 2.0
Minimální rozlišení obrazovky	1200 x 800 pixelů

Mechanické výkresy 

Zjednodušené prohlášení o shodě
Úplné znění EU prohlášení o shodě je k dispozici na následující internetové adrese: https://Thorlabs.com/newgrouppage9.cfm?objectgroup_id=16794

Označení FCC 

Poznámka: Toto zařízení bylo testováno a bylo zjištěno, že vyhovuje limitům pro digitální zařízení třídy A podle části 15 pravidel FCC. Tyto limity jsou navrženy tak, aby poskytovaly přiměřenou ochranu proti škodlivému rušení, když je zařízení provozováno v komerčním prostředí. Toto zařízení generuje, používá a může vyzařovat vysokofrekvenční energii a pokud není nainstalováno a používáno v souladu s návodem k použití, může způsobovat škodlivé rušení rádiové komunikace. Provoz tohoto zařízení v obytné oblasti pravděpodobně způsobí škodlivé rušení a v takovém případě bude uživatel požádán, aby rušení na vlastní náklady odstranil.

Bezpečnostní upozornění: Označení CE/UKCA značí shodu s evropskou legislativou v oblasti zdraví, bezpečnosti a ochrany životního prostředí.

Operace

Základy: Seznamte se se základními funkcemi DSC1.

Zemní smyčky a DSC1: Zajistěte správné uzemnění, abyste zabránili rušení.

Napájení DSC1: Připojte zdroj napájení podle poskytnutých pokynů.

Dotyková obrazovka 

Spuštění rozhraní dotykové obrazovky 
Po připojení k napájení a krátkém zahřátí, které trvá méně než jednu sekundu, DSC1 rozsvítí integrovaný dotykový displej a obrazovka bude reagovat na vstupy.

Ovládání dotykové obrazovky v režimu SERVO
Režim SERVO implementuje PID regulátor.

Obrázek 2 Dotykový displej v provozním režimu serva s PID regulátorem povoleným v režimu PI řízení. 

• Číselná hodnota PV (process variable) ukazuje AC RMS objtage vstupního signálu ve voltech.
• OV (výstup objtage) číselná hodnota udává průměrný výkon objtage z DSC1.
• Ovládání S (setpoint) nastavuje požadovanou hodnotu servosmyčky ve voltech. 4 V je maximum a -4 V je minimum přípustné.
• Ovladač O (offset) nastavuje DC offset servosmyčky ve voltech. 4 V je maximum a -4 V je minimum přípustné.
• Ovladač P (proporcionální) nastavuje koeficient proporcionálního zesílení. To může být kladná nebo záporná hodnota mezi 10-5 a 10,000 XNUMX, zaznamenaná v technickém zápisu.
• Ovladač I (integrální) nastavuje koeficient integrálního zesílení. To může být kladná nebo záporná hodnota mezi 10-5 a 10,000 XNUMX, zaznamenaná v technickém zápisu.
• D (derivační) ovládání nastavuje derivační koeficient zesílení. To může být kladná nebo záporná hodnota mezi 10-5 a 10,000 XNUMX, zaznamenaná v technickém zápisu.
• Přepínač STOP-RUN deaktivuje a aktivuje servo smyčku.
• Tlačítka P, I a D aktivují (svítí) a deaktivují (tmavě modrá) každý zisk stage v PID servo smyčce.
• Rozbalovací nabídka SERVO umožňuje uživateli vybrat provozní režim.
• Modrozelená stopa ukazuje aktuální nastavenou hodnotu. Každý bod je na ose X od sebe vzdálen 2 µs.
• Zlatá stopa ukazuje aktuální naměřenou PV. Každý bod je na ose X od sebe vzdálen 2 µs.

Ovládání dotykové obrazovky v RAMP Režim 
RAMP režim vydává pilovitou vlnu s uživatelsky konfigurovatelnou ampšířka a offset.

• Číselná hodnota PV (process variable) ukazuje AC RMS objtage vstupního signálu ve voltech.
• OV (výstup objtage) číselná hodnota udává průměrný výkon objtage aplikován zařízením.
• Ovladač O (offset) nastavuje DC offset ramp výstup ve voltech. 4 V je maximum a -4 V je minimum přípustné.
• A (amplitude) control nastavuje ampšířka ramp výstup ve voltech. 4 V je maximum a -4 V je minimum přípustné.
• Přepínač STOP-RUN deaktivuje a povolí servo smyčku.
• RAMP rozbalovací nabídka umožňuje uživateli vybrat provozní režim.
• Zlatá stopa ukazuje odezvu rostliny synchronizovanou s výstupním skenováním objtagE. Každý bod je na ose X od sebe vzdálen 195 µs.

Ovládání dotykové obrazovky v režimu PEAK
Režim PEAK implementuje extremum seeking controller s uživatelsky konfigurovatelnou modulační frekvencí, amplitude a integrační konstanta. Pamatujte, že modulace a demodulace je vždy aktivní, když je zařízení v režimu PEAK; přepínač Run-stop se aktivuje a deaktivuje integrální zesílení v regulační smyčce ditheru.

• Číselná hodnota PV (process variable) ukazuje AC RMS objtage vstupního signálu ve voltech.
• OV (výstup objtage) číselná hodnota udává průměrný výkon objtage aplikován zařízením.
• Číselná hodnota M (násobitel frekvence modulace) udává násobek 100 Hz frekvence modulace. Napřample, pokud M = 1, jak je znázorněno, modulační frekvence je 100 Hz. Maximální frekvence modulace je 100 kHz, s hodnotou M 1000. Obecně se doporučuje vyšší frekvence modulace za předpokladu, že řídicí akční člen na této frekvenci reaguje.
• A (amplitude) control nastavuje ampšířka modulace ve voltech, vyznačená v inženýrské notaci. 4 V je maximum a -4 V je minimum přípustné.
• Ovládání K (peak lock Integral factor) nastavuje integrační konstantu regulátoru v jednotkách V/s, vyznačených v technickém zápisu. Pokud si uživatel není jistý, jak tuto hodnotu nakonfigurovat, obvykle se doporučuje začínat hodnotou kolem 1.
• Přepínač STOP-RUN deaktivuje a povolí servo smyčku.
• Rozbalovací nabídka PEAK umožňuje uživateli vybrat provozní režim.
• Zlatá stopa ukazuje odezvu rostliny synchronizovanou s výstupním skenováním objtagE. Každý bod je na ose X od sebe vzdálen 195 µs.

Software
Software digitálního servoregulátoru je navržen tak, aby umožňoval ovládání základních funkcí přes počítačové rozhraní a zároveň poskytoval rozšířenou sadu analytických nástrojů pro použití regulátoru. NapřampGUI obsahuje graf, který může zobrazit vstupní objemtage ve frekvenční oblasti. Data lze navíc exportovat jako .csv file. Tento software umožňuje použití zařízení v režimu servo, peak nebo ramp režimy s kontrolou nad všemi parametry a nastaveními. Odpověď systému může být viewed jako vstupní objtage, chybový signál, nebo obojí, buď v reprezentaci časové domény nebo frekvenční oblasti. Další informace naleznete v příručce.

Spuštění softwaru
Po spuštění softwaru klikněte na „Připojit“ a zobrazí se seznam dostupných zařízení DSC. Najednou lze ovládat více zařízení DSC.

Obrázek 5
Spouštěcí obrazovka pro klientský software DSCX.

Obrázek 6 Okno pro výběr zařízení. Klepnutím na OK se připojíte k vybranému zařízení.

Záložka Servo Software
Záložka Servo umožňuje uživateli ovládat zařízení v režimu servo s dalšími ovládacími prvky a displeji nad rámec těch, které poskytuje integrované uživatelské rozhraní dotykové obrazovky na samotném zařízení. Na této záložce jsou k dispozici reprezentace procesní proměnné v časové nebo frekvenční oblasti. Odpověď systému může být viewed jako procesní proměnná, chybový signál nebo obojí. Chybový signál je rozdíl mezi procesní proměnnou a žádanou hodnotou. Pomocí technik řídicí analýzy lze předpovědět impulsní odezvu, frekvenční odezvu a fázovou odezvu zařízení za předpokladu, že jsou učiněny určité předpoklady o chování systému a koeficientech zesílení. Tato data se zobrazují na záložce ovládání serva, takže uživatelé mohou preventivně nakonfigurovat svůj systém před zahájením experimentů s ovládáním.

Obrázek 7 Softwarové rozhraní v Ramp režimu se zobrazením frekvenční domény. 

• Enable X Gridlines: Zaškrtnutím políčka povolíte X mřížky.
• Enable Y Gridlines: Zaškrtnutím políčka povolíte Y mřížku.
• Tlačítko Spustit / Pozastavit: Stisknutím tohoto tlačítka zahájíte / zastavíte aktualizaci grafických informací na displeji.
• Přepínání frekvence / času: Přepíná mezi vykreslováním frekvenční domény a časové domény.
• PSD / ASD Toggle: Přepíná mezi výkonovou spektrální hustotou a ampšířková spektrální hustota vertikální osy.
• Průměrování: Přepnutím tohoto přepínače povolíte a zakážete průměrování ve frekvenční doméně.
• Scans In Average: Tento numerický ovládací prvek určuje počet skenů, které mají být zprůměrovány. Minimum je 1 sken a maximum je 100 skenů. Šipky nahoru a dolů na klávesnici zvyšují a snižují počet skenů v průměru. Podobně tlačítka nahoru a dolů vedle ovládacího prvku zvyšují a snižují počet skenů v průměru.
• Načíst: Stisknutí tohoto tlačítka na panelu Referenční spektrum umožňuje uživateli vybrat referenční spektrum uložené na klientském PC.
• Uložit: Stisknutí tohoto tlačítka na panelu Referenční spektrum umožňuje uživateli uložit aktuálně zobrazená data frekvence do svého PC. Po kliknutí na toto tlačítko dojde k uložení file dialogové okno umožní uživateli vybrat umístění úložiště a zadat file název pro jejich data. Data se uloží jako hodnota oddělená čárkami (CSV).
• Zobrazit referenci: Zaškrtnutím tohoto políčka umožníte zobrazení naposledy vybraného referenčního spektra.
• Autoscale Y-Axis: Zaškrtnutí políčka umožní automatické nastavení limitů zobrazení osy Y.
• Autoscale X-Axis: Zaškrtnutí políčka umožní automatické nastavení limitů zobrazení osy X.
• Log X-Axis: Zaškrtnutím políčka přepínáte mezi logaritmickým a lineárním zobrazením osy X.
• Spustit PID: Povolením tohoto přepínače aktivujete servo smyčku na zařízení.
• O Numerický: Tato hodnota nastavuje objem odsazenítage ve voltech.
• Číselná hodnota SP: Tato hodnota nastavuje požadovaný objemtage ve voltech.
• Kp Numeric: Tato hodnota nastavuje proporcionální zesílení.
• Ki Numeric: Tato hodnota nastavuje integrální zesílení v 1/s.
• Kd Numeric: Tato hodnota nastavuje derivační zisk v s.
• Tlačítka P, I, D: Tato tlačítka umožňují proporcionální, integrální a derivační zesílení, když svítí.
• Přepínač Run / Stop: Přepnutím tohoto přepínače povolíte a zakážete ovládání.

Uživatel může také pomocí myši změnit rozsah zobrazovaných informací: 

• Kolečko myši přibližuje a oddaluje graf směrem k aktuální pozici ukazatele myši.
• SHIFT + kliknutí změní ukazatel myši na znaménko plus. Poté se levé tlačítko myši přiblíží na pozici ukazatele myši faktorem 3. Uživatel může také přetáhnout a vybrat oblast grafu, aby se přiblížil.
• ALT + kliknutí změní ukazatel myši na znaménko mínus. Poté se levé tlačítko myši oddálí od pozice ukazatele myši faktorem 3.
• Gesta roztažení a sevření na podložce pod myš nebo dotykové obrazovce přiblíží a oddálí graf.
• Po rolování kliknutím levým tlačítkem myši umožníte uživateli posouvat tažením myši.
• Kliknutím pravým tlačítkem na graf obnovíte výchozí pozici grafu.

Ramp Karta Software
Ramp karta poskytuje srovnatelné funkce jako ramp na integrovaném dotykovém displeji. Přepnutím na tuto záložku se připojené zařízení umístí do ramp režimu.

Obrázek 8
Softwarové rozhraní v Ramp režimu.

Kromě ovládacích prvků dostupných v režimu Servo, Ramp režim přidává: 

• Amplitude Numeric: Tato hodnota nastavuje skenování amplitude ve voltech.
• Offset Numeric: Tato hodnota nastavuje offset skenování ve voltech.
• Spustit / Zastavit Ramp Přepnout: Přepnutím tohoto přepínače aktivujete a deaktivujete ramp.

Karta Špičkový software 
Záložka Peak Control poskytuje stejnou funkcionalitu jako režim PEAK ve vestavěném uživatelském rozhraní s dodatečným přehledem o povaze zpětného signálu ze systému. Přepnutím na tuto záložku se připojené zařízení přepne do provozního režimu PEAK.

Obrázek 9 Softwarové rozhraní v režimu Peak se zobrazením časové domény.

Kromě ovládacích prvků dostupných v režimu Servo přidává režim Peak: 

• Amplitude numeric: Tato hodnota nastavuje modulaci amplitude ve voltech.
• K číselný: Toto je integrální koeficient uzamčení špičky; hodnota nastavuje integrální konstantu zesílení ve V/s.
• Offset numeric: Tato hodnota nastavuje offset ve voltech.
• Číselná frekvence: Nastavuje násobitel modulační frekvence v krocích po 100 Hz. Minimální přípustná hodnota je 100 Hz, maximální je 100 kHz.
• Přepínač Run / Stop Peak: Přepnutím tohoto přepínače aktivujete a deaktivujete integrální zesílení. Všimněte si, že kdykoli je zařízení v režimu PEAK, je aktivní výstupní modulace a demodulace chybového signálu.

Uložená data 
Data jsou uložena ve formátu CSV (Comma Separated Value). Krátká hlavička uchovává příslušná data z ukládaných dat. Pokud se formát tohoto CSV změní, software nemusí být schopen obnovit referenční spektrum. Uživateli se proto doporučuje ukládat svá data do samostatné tabulky file pokud mají v úmyslu provést nějakou nezávislou analýzu.

Obrázek 10 Data ve formátu .csv exportovaná z DSC1. 

Teorie provozu

PID Servo Control
Obvod PID se často používá jako regulátor zpětné vazby regulační smyčky a je velmi běžný v servoobvodech. Účelem servo obvodu je udržet systém na předem stanovené hodnotě (nastavené hodnotě) po delší dobu. PID obvod aktivně udržuje systém na nastavené hodnotě tím, že generuje chybový signál, který je rozdílem mezi nastavenou hodnotou a aktuální hodnotou, a moduluje výstupní objem.tage k udržení nastavené hodnoty. Písmena tvořící zkratku PID odpovídají proporcionálnímu (P), integrálnímu (I) a derivačnímu (D), které představují tři nastavení řízení obvodu PID.

Proporcionální člen je závislý na současné chybě, integrální člen je závislý na akumulaci minulé chyby a derivační člen je předpověď budoucí chyby. Každý z těchto termínů je vložen do váženého součtu, který upravuje objem výstuputage obvodu, u(t). Tento výstup je přiveden do řídicího zařízení, jeho měření je přivedeno zpět do PID smyčky a procesu je umožněno aktivně stabilizovat výstup obvodu, aby dosáhl a udržel nastavenou hodnotu. Níže uvedené blokové schéma ilustruje činnost PID obvodu. Jeden nebo více ovladačů může být použito v jakémkoli servo obvodu v závislosti na tom, co je potřeba pro stabilizaci systému (tj. P, I, PI, PD nebo PID).

Vezměte prosím na vědomí, že obvod PID nezaručuje optimální řízení. Nesprávné nastavení PID regulace může způsobit výrazné rozkmitání obvodu a vést k nestabilitě regulace. Je na uživateli, aby správně upravil parametry PID, aby byl zajištěn správný výkon.

Teorie PID 

Teorie PID pro kontinuální servoregulátor: Pochopte teorii PID pro optimální řízení serva.
Výstup regulačního obvodu PID, u(t), je dán jako

Kde:

• ?? je proporcionální zisk, bezrozměrný
• ?? je integrální zesílení za 1/s
• ?? je derivační zisk v sekundách
• ?(?) je chybový signál ve voltech
• ?(?) je řídicí výstup ve voltech

Odtud můžeme definovat řídicí jednotky matematicky a probrat každou trochu podrobněji. Proporcionální řízení je úměrné signálu chyby; jako takový je přímou reakcí na chybový signál generovaný obvodem:
? = ??? (?)
Větší proporcionální zesílení má za následek větší změny v reakci na chybu, a tím ovlivňuje rychlost, jakou může regulátor reagovat na změny v systému. Zatímco vysoké proporcionální zesílení může způsobit, že obvod bude reagovat rychle, příliš vysoká hodnota může způsobit oscilace kolem hodnoty SP. Příliš nízká hodnota a obvod nemůže účinně reagovat na změny v systému. Integrální řízení jde o krok dále než proporcionální zesílení, protože je úměrné nejen velikosti chybového signálu, ale také trvání jakékoli nahromaděné chyby.

Integrální řízení je vysoce účinné při prodlužování doby odezvy obvodu spolu s eliminací chyby v ustáleném stavu spojené s čistě proporcionálním řízením. V podstatě integrální řízení sečte všechny dříve neopravené chyby a poté tuto chybu vynásobí Ki, aby vznikla integrální odezva. Tedy i pro malou trvalou chybu lze realizovat velkou agregovanou integrální odezvu. Vzhledem k rychlé odezvě integrálního řízení však mohou vysoké hodnoty zesílení způsobit výrazné překmitnutí hodnoty SP a vést k oscilaci a nestabilitě. Příliš nízká a obvod bude výrazně pomaleji reagovat na změny v systému. Derivační řízení se pokouší snížit potenciál překmitu a vyzvánění z proporcionálního a integrálního řízení. Určuje, jak rychle se obvod mění v průběhu času (při pohledu na derivaci chybového signálu) a vynásobí ji Kd, aby vznikla derivační odezva.

Na rozdíl od proporcionálního a integrálního řízení bude derivační řízení zpomalovat odezvu obvodu. Přitom je schopen částečně kompenzovat překmit i damp vyloučí veškeré oscilace způsobené integrálním a proporcionálním řízením. Vysoké hodnoty zesílení způsobují, že obvod reaguje velmi pomalu a může zanechat obvod náchylný k šumu a vysokofrekvenčním oscilacím (protože obvod je příliš pomalý na to, aby reagoval rychle). Příliš nízká a obvod je náchylný k překročení nastavené hodnoty. V některých případech se však musí zabránit překročení nastavené hodnoty o jakoukoli významnou hodnotu, a tak lze použít vyšší derivační zisk (spolu s nižším proporcionálním ziskem). Níže uvedená tabulka vysvětluje účinky zvýšení zisku kteréhokoli z parametrů nezávisle.

Parametr Zvýšený	Čas vzestupu	Přestřelit	Čas ustálení	Chyba ustáleného stavu	Stabilita
Kp	Pokles	Zvýšení	Malá změna	Pokles	Degradovat
Ki	Pokles	Zvýšení	Zvýšení	Výrazně snížit	Degradovat
Kd	Menší pokles	Menší pokles	Menší pokles	Žádný efekt	Vylepšit (pro malé Kd)

Diskrétní servořadiče 

Formát dat
PID regulátor v DSC1 přijímá 16bitový ADC sample, což je offsetové binární číslo, které může být v rozsahu 0-65535. 0 se lineárně mapuje na záporný 4V vstup a 65535 představuje vstupní signál +4V. Signál „chyba“, ?[?], ve smyčce PID v časovém kroku ? je určeno jako ?[?] = ? − ?[?] Kde ? je požadovaná hodnota a ?[?] je objemtagesample v offsetové binární stupnici v diskrétním časovém kroku, ?.

Kontrolní zákon v časové oblasti
Vypočítají se a sečtou se tři členy zisku.
?[?] = ??[?] + ??[?] + ??[?] ?? = ???[?] ?? ≈ ?? ∫ ?[?] ?? = ??(?[?] − ?[? − 1])
Kde ??[?], ??[?] a ??[?] jsou proporcionální, integrální a derivační zisky zahrnující řídicí výstup a[?] v časovém kroku ?. ??, ??, a ?? jsou proporcionální, integrální a derivační koeficienty zesílení.

Aproximace integrálu a derivace
DSC1 aproximuje integrátor s akumulátorem.
∫ ?[?] = ?[?] + ∫ ?[? − 1] Zohlednění intervalu integrace, šířky časového kroku, je zabaleno do koeficientu integrálního zesílení ?? takhle: ?? = ?′?ℎ
Kde?" je nominálně zadaný integrální koeficient zesílení a ℎ je čas mezi ADC samples. Provedeme podobnou aproximaci k derivaci jako rozdíl mezi ?[?] a ?[? − 1] opět za předpokladu, že ?? obsahuje také škálování 1/h.

Jak již bylo zmíněno, nyní zvažte, že integrální a derivační aproximace nezahrnovaly žádné zohlednění časového kroku (sample interval), dále ℎ. Tradičně říkáme explicitní aproximaci prvního řádu k proměnné ?[?] with = ?(?, ?) na základě členů v expanzi Taylorovy řady je ?[?] ≈ ?[? − 1] + ℎ ?(?, ?)
To se často označuje jako schéma zpětné Eulerovy integrace nebo explicitní numerický integrátor prvního řádu. Pokud vyřešíme derivaci ?(?, ?), najdeme:

Všimněte si podobnosti výše uvedeného čitatele s naší aproximací k derivaci v řídicí rovnici. To znamená, že naše aproximace k derivaci je vhodnější škálována ℎ−1.

Intuitivně také napodobuje Základní větu počtu:

Když to teď řekneme? je integrál chybového signálu ?, můžeme provést následující substituce.
?[?]=∫?[?] ?(?,?)= ?[?] A z Taylorovy řady prvního řádu získáme aproximaci k funkci ?: ∫?[?]=∫?[?−1]+ℎ ?(?)
Prostým předpokladem ∫?[?]=0 pro ?=0 se probíhající aproximace k integrálu prakticky zkondenzuje na akumulátor.

Proto upravujeme naše předchozí odvození zákona o kontrole na:

Zákon kontroly ve frekvenční oblasti
Ačkoli rovnice odvozená v následující části informuje o chování PID regulátoru s diskrétním časem implementovaného v DSC1 v časové oblasti, říká jen málo o odezvě regulátoru ve frekvenční doméně. Místo toho představíme ? doména, která je analogická s Laplaceovou doménou, ale pro diskrétní spíše než spojitý čas. Podobně jako u Laplaceovy transformace je Z transformace funkce nejčastěji určena sestavením tabulkových vztahů Z-transformace, spíše než přímým nahrazením definice Z-transformace (ukázané níže).

Kde ?(?) je vyjádření domény Z diskrétní časové proměnné ?[?], ? je poloměr (často považován za 1) nezávislé proměnné ?, ? je druhá odmocnina z -1 a ∅ je komplexní argument v radiánech nebo stupních. V tomto případě jsou nutné pouze dvě tabulkové Z-transformace.
?[?] = ?[?] ?[? − 1] = ?[?]?−1
Z-transformace proporcionálního členu, ??, je triviální. Také prosím na chvíli přijměte, že je pro nás užitečné určit chybu pro řízení přenosové funkce, ?(?), spíše než jednoduše ?(?).

Zajímavější je Z-transformace integrálního členu ??.
Připomeňme si naše explicitní Eulerovo integrační schéma v předchozí části: ??(?) = ?? ∫ ?[?] = ?? (∫ ?[? − 1] + ℎ ?(?))
∫ ?(?) = ∫ ?(?) ?−1 + ℎ?(?)
∫ ?(?) − ∫ ?(?) ?−1 = ℎ?(?)

Nakonec se podíváme na derivační zisk, ??: 

Po sestavení každé z výše uvedených přenosových funkcí dojdeme k: 

Pomocí této rovnice můžeme numericky vypočítat odezvu ve frekvenční doméně pro řadič a zobrazit ji jako Bodeův graf, jak je uvedeno níže.
PID přenosové funkce, Kp = 1.8, Ki = 1.0, Kd = 1E-4

Všimněte si, jak se zesílení PI regulátoru blíží pouze proporcionálnímu zesílení a vysoké frekvenci a jak se zesílení PD regulátoru blíží pouze proporcionálnímu zesílení při nízkých frekvencích.

Ladění PID
Obecně platí, že zisky P, I a D bude muset uživatel upravit, aby se optimalizoval výkon systému. I když neexistuje statický soubor pravidel pro to, jaké by měly být hodnoty pro jakýkoli konkrétní systém, dodržování obecných postupů by mělo pomoci při vyladění obvodu, aby odpovídal systému a prostředí. Obecně platí, že správně vyladěný PID obvod typicky mírně překročí hodnotu SP a pak rychle damp ven, abyste dosáhli hodnoty SP a v tomto bodě držte stabilně. Smyčka PID se může uzamknout na kladnou nebo zápornou strmost změnou znaménka zesílení P, I a D. V DSC1 jsou značky zablokovány, takže změna jednoho změní všechny.

Ruční ladění nastavení zisku je nejjednodušší metodou pro nastavení PID regulátorů. Tento postup se však provádí aktivně (regulátor PID připojený k systému a povolená smyčka PID) a vyžaduje určité množství zkušeností k dosažení dobrých výsledků. Chcete-li PID regulátor ladit ručně, nejprve nastavte integrální a derivační zesílení na nulu. Zvyšte proporcionální zesílení, dokud nezaznamenáte oscilaci na výstupu. Váš proporcionální zisk by pak měl být nastaven na zhruba polovinu této hodnoty. Po nastavení proporcionálního zesílení zvyšujte integrální zesílení, dokud nebude korigován jakýkoli posun v časovém měřítku vhodném pro váš systém.

Pokud tento zisk zvýšíte příliš, zaznamenáte výrazné překmitnutí hodnoty SP a nestabilitu v obvodu. Jakmile je integrální zesílení nastaveno, lze derivační zesílení zvýšit. Derivační zisk sníží překmit a damp systém rychle na nastavenou hodnotu. Pokud příliš zvýšíte derivační zisk, uvidíte velký překmit (kvůli tomu, že obvod je příliš pomalý na to, aby reagoval). Hraním s nastavením zisku můžete optimalizovat výkon vašeho PID obvodu, výsledkem je systém, který rychle reaguje na změny a efektivně damposcilace kolem nastavené hodnoty.

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

Zatímco ruční ladění může být velmi efektivní při nastavování PID obvodu pro váš konkrétní systém, vyžaduje určité množství zkušeností a porozumění PID obvodům a odezvy. Metoda Ziegler-Nichols pro ladění PID nabízí strukturovanější průvodce nastavením hodnot PID. Opět budete chtít nastavit integrální a derivační zisk na nulu. Zvyšte proporcionální zesílení, dokud obvod nezačne kmitat. Tuto úroveň zisku budeme nazývat Ku. Oscilace bude mít periodu Pu. Zisky jsou pro různé regulační obvody pak uvedeny v tabulce výše. Všimněte si, že při použití metody ladění Ziegler-Nichols s DSC1 by měl být integrální člen určený z tabulky vynásoben 2⋅10-6, aby se normalizoval na sample sazba. Podobně by se měl derivační koeficient vydělit 2⋅10-6, aby se normalizoval na sample sazba.

RampIng
Uživatelé mohou často potřebovat určit provozní bod velkého signálu nebo užitečnou nastavenou hodnotu pro systém. K určení buď pracovního bodu velkého signálu (dále označovaného jako DC offset) nebo optimálního setpointu serva je běžnou technikou jednoduše opakovaně stimulovat systém lineárně se zvyšujícím objememtage signál. Vzor je běžně označován jako pilová vlna pro svou podobnost se zuby pily.

Režim uzamčení špičky
Režim uzamčení špičky implementuje algoritmus zamykání rozkladu, také známý jako ovladač pro vyhledávání extrémů. V tomto provozním režimu je řídicí hodnota superponována na sinusový výstup. Naměřený příkon objtage je nejprve digitálně filtrováno horní propustí (HPF), aby se odstranil jakýkoli DC offset. Poté je střídavě vázaný signál demodulován vynásobením každého naměřeného objemutage výstupní sinusovou hodnotou modulace. Tato operace násobení vytváří demodulovaný signál se dvěma hlavními složkami: sinusová vlna na součtu dvou frekvencí a signál na rozdílu dvou frekvencí.

Druhý digitální filtr, tentokrát dolní propust (LPF), zeslabuje signál součtu dvou frekvencí a přenáší signál s rozdílem dvou frekvencí o nízké frekvenci. Obsah signálu na stejné frekvenci jako modulace se objeví jako stejnosměrný signál po demodulaci. Posledním krokem v algoritmu uzamčení špičky je integrace signálu LPF. Výstup integrátoru v kombinaci s odchozí modulací pohání výstupní objemtagE. Akumulace nízkofrekvenční demodulované signálové energie v integrátoru tlačí offsetový řídicí voltage výstupu vyšší a vyšší, dokud se znaménko výstupu LPF neobrátí a výstup integrátoru nezačne klesat. Jak se řídicí hodnota blíží vrcholu odezvy systému, výsledek modulace vstupního signálu do servoregulátoru se zmenšuje a zmenšuje, protože strmost sinusového tvaru vlny je ve svém vrcholu nulová. To zase znamená, že z demodulovaného signálu filtrovaného dolní propustí je nižší výstupní hodnota, a proto se v integrátoru akumuluje méně.

Obrázek 12 Blokové schéma regulátoru uzamčení špiček. Vstupní signál ze špičkového zařízení je digitalizován a poté filtrován horní propustí. Výstupní signál HPF je demodulován digitálním lokálním oscilátorem. Výstup demodulátoru je filtrován dolní propustí a poté integrován. Výstup integrátoru je přidán k modulačnímu signálu a výstup do špičkového zařízení. Zamykání špiček je dobrý řídicí algoritmus, který lze zvolit, když systém, který si uživatel přeje ovládat, nemá monotónní odezvu kolem optimálního řídicího bodu. PřampNěkteré z těchto druhů systémů jsou optická média s rezonanční vlnovou délkou, jako je parní článek nebo RF pásmový filtr (notch filtr). Ústřední charakteristikou schématu řízení uzamčení špiček je tendence algoritmu nasměrovat systém k průchodu nulou chybového signálu, který se shoduje s vrcholem měřeného signálu, jako by chybový signál byl derivací měřeného signálu. Všimněte si, že pík může být kladný nebo záporný. Chcete-li začít s provozním režimem uzamčení špičky pro DSC1, můžete postupovat podle tohoto postupu.

1. Ujistěte se, že je vrchol (nebo údolí) signálu, na který se zamykáte, v rámci řídicího objemutage dosah akčního členu a že vrcholová poloha je relativně stabilní v čase. Je užitečné použít RAMP režimu pro vizualizaci signálu přes ovládací voltage rozsah zájmu.
2. Všimněte si kontrolního objtage poloha vrcholu (nebo údolí).
3. Odhadněte, jak široký je vrchol (nebo údolí) v kontrolním objtage v polovině výšky píku. Tato šířka, ve voltech, je běžně označována jako Full-Width Half-Max nebo FWHM. Pro dobré výsledky by měl být široký alespoň 0.1 V.
4. Nastavte modulaci ampvýška (A) na 1 % až 10 % FWHM objtage.
5. Nastavte offset objtage co nejblíže k poloze vrcholu (nebo údolí), ke kterému se chcete přimknout.
6. Nastavte frekvenci modulace na požadovanou frekvenci. Na dotykové obrazovce je to ovlivněno parametrem M, modulační frekvence. Frekvence modulace je 100 Hz krát M. Výběr nejlepší frekvence modulace závisí na aplikaci. Thorlabs doporučuje hodnoty kolem 1 kHz pro mechanické pohony. Vyšší frekvence mohou být použity pro elektrooptické akční členy.
7. Nastavte integrální koeficient uzamčení špičky (K) na 0.1 násobek A. K může být kladné nebo záporné. Obecně platí, že kladné K se uzamyká na špičku vstupního signálu, zatímco záporné K se uzamyká na sedlo vstupního signálu. Pokud však akční člen nebo systém, který je zablokován, má více než 90 stupňů fázové zpoždění na frekvenci ditheru, znaménko K se invertuje a kladné K se zablokuje do údolí a záporné K se zablokuje na vrchol.
8. Stiskněte Run a ověřte, že kontrolní objemtagVýstup se změní z původní hodnoty offsetu (O) a neuteče do extrému. Alternativně monitorujte procesní proměnnou pomocí osciloskopu, abyste ověřili, že se DSC1 zablokuje na požadovaný vrchol nebo údolí.

Obrázek 13 Přample údaje z rampvýstupní offset objtage s kontinuální sinusovou vlnou, uvalenou na zařízení se špičkovou odezvou. Všimněte si, že přechod nulou chybového signálu je zarovnán s vrcholem signálu odezvy zařízení.

Údržba a čištění
Pravidelně čistěte a udržujte DSC1 pro optimální výkon. DSC1 nevyžaduje žádnou pravidelnou údržbu. Pokud by se dotyková obrazovka na zařízení zašpinila, společnost Thorlabs doporučuje jemně ji vyčistit měkkým hadříkem, který nepouští vlákna, nasyceným zředěným isopropylalkoholem.

Odstraňování problémů a opravy

Pokud se vyskytnou problémy, podívejte se do části odstraňování problémů, kde najdete pokyny k řešení běžných problémů. Níže uvedená tabulka popisuje typické problémy s doporučenými opravnými prostředky DSC1 a Thorlabs.

Problém	Vysvětlení	Lék
Zařízení se po připojení k napájení USB Type-C nezapne.	Zařízení vyžaduje až 750 mA proudu z 5 V zdroje, 3.75 W. To může přesáhnout výkonové možnosti některých konektorů USB-A na noteboocích a počítačích.	Použijte napájecí zdroje Thorlabs DS5 nebo CPS1. Případně použijte napájecí zdroj USB Type-C, který se obvykle používá k nabíjení telefonu nebo notebooku, který má výstupní proud alespoň 750 mA při 5 V.
Zařízení se nezapne, když je datový port připojen k počítači.	DSC1 odebírá energii pouze z napájecího konektoru USB Type-C. Konektor USB typu Mini-B je pouze datový.	Připojte port USB Type-C k napájecímu zdroji s výstupním proudem alespoň 750 mA při 5 V, jako je Thorlabs DS5 nebo CPS1.

Likvidace
Při vyřazení DSC1 dodržujte pokyny pro správnou likvidaci.
Thorlabs ověřuje naši shodu se směrnicí WEEE (Waste Electrical and Electronic Equipment) Evropského společenství a odpovídajícími národními zákony. V souladu s tím mohou všichni koncoví uživatelé v ES vrátit elektrické a elektronické zařízení kategorie „ukončené životnosti“ přílohy I prodané po 13. srpnu 2005 společnosti Thorlabs, aniž by jim byly účtovány poplatky za likvidaci. Způsobilé jednotky jsou označeny přeškrtnutým logem „popelnice na kolečkách“ (viz vpravo), byly prodány společnosti nebo institutu v ES, které jsou v současné době vlastněny, a nejsou rozebrány ani kontaminovány. Pro více informací kontaktujte Thorlabs. Nakládání s odpady je na vaši vlastní odpovědnost. Jednotky „End of Life“ musí být vráceny společnosti Thorlabs nebo předány společnosti specializující se na obnovu odpadu. Nevyhazujte jednotku do odpadkového koše nebo na veřejné skládky odpadu. Je na odpovědnosti uživatele, aby před likvidací vymazal všechna soukromá data uložená v zařízení.

FAQ:

Otázka: Co mám dělat, když se DSC1 nezapíná?
A: Zkontrolujte připojení napájecího zdroje a ujistěte se, že splňuje specifikované požadavky. Pokud problém přetrvává, požádejte o pomoc zákaznickou podporu.

Bezpečnost

OZNÁMENÍ
Tento přístroj by měl být udržován mimo prostředí, kde je pravděpodobné rozlití kapaliny nebo kondenzující vlhkosti. Není voděodolný. Abyste zabránili poškození přístroje, nevystavujte jej sprejům, kapalinám nebo rozpouštědlům.

Instalace

Informace o záruce
Toto přesné zařízení je provozuschopné pouze tehdy, je-li vráceno a řádně zabaleno do kompletního originálního obalu včetně kompletní zásilky a kartonové vložky, která drží přiložená zařízení. V případě potřeby požádejte o náhradní obal. Svěřte servis kvalifikovanému personálu.

Zahrnuté komponenty

Kompaktní digitální servořadič DSC1 je dodáván s následujícími komponenty:

• Digitální servo ovladač DSC1
• Karta rychlého startu
• USB-AB-72 Datový kabel USB 2.0 typu A na Mini-B, 72″ (1.83 m) dlouhý
• Napájecí kabel USB Type-A na USB Type-C, 1 m (39″) dlouhý
• Koaxiální kabel PAA248 SMB na BNC, 48″ (1.22 m) dlouhý (2. počet)

Instalace a nastavení

Základy 
Uživatelé mohou zařízení nakonfigurovat pomocí počítače pomocí rozhraní USB nebo prostřednictvím integrované dotykové obrazovky. V obou případech musí být napájení zajištěno prostřednictvím 5V USB-C připojení. Při použití desktop GUI musí být servořadič připojen kabelem USB 2.0 (součástí balení) z datového portu zařízení k PC s nainstalovaným softwarem Digital Servo Controller.

Zemní smyčky a DSC1
DSC1 obsahuje vnitřní obvody pro omezení pravděpodobnosti výskytu zemních smyček. Thorlabs navrhuje použít buď transformátorem izolovaný regulovaný napájecí zdroj DS5 nebo externí baterii CPS1. U napájecích zdrojů DS5 nebo CPS1 se signálová zem v DSC1 vznáší vzhledem k uzemnění zásuvky ve zdi. Jediná spojení k zařízení, která jsou společná pro tuto signálovou zem, jsou pin zemního signálu napájecího konektoru USB-C a vnější zpětná cesta na výstupním koaxiálním kabelu SMB. Datové připojení USB je izolováno. Vstupní signál má mezi zpětnou signálovou cestou a signálovou zemí uvnitř přístroje přerušovací odpor zemní smyčky, který typicky zabraňuje rušení zemní smyčky. Důležité je, že neexistují žádné dvě přímé cesty k zemi signálu zařízení, což minimalizuje výskyt zemních smyček.

Pro další zmírnění rizika rušení zemní smyčky společnost Thorlabs navrhuje následující osvědčené postupy: 

• Udržujte všechny napájecí a signální kabely k zařízení krátké.
• S DSC1 použijte buď bateriový (CPS5) nebo transformátorově izolovaný zdroj (DS1). Tím je zajištěno uzemnění signálu plovoucího zařízení.
• Nepřipojujte k sobě zpětné cesty signálu jiných nástrojů.
  • Běžný example je typický stolní osciloskop; nejčastěji jsou vnější pláště BNC vstupních připojení přímo spojeny se zemí. Více zemnících svorek připojených ke stejnému uzemňovacímu uzlu v experimentu může způsobit zemní smyčku.

Ačkoli je nepravděpodobné, že by DSC1 sám o sobě způsobil zemní smyčku, jiné přístroje v uživatelské laboratoři nemusí mít izolaci zemní smyčky, a proto mohou být zdrojem zemních smyček.

Napájení DSC1
Digitální servořadič DSC1 vyžaduje 5 V napájení přes USB-C při špičkovém proudu až 0.75 A a 0.55 A v typickém provozu. Thorlabs nabízí dva kompatibilní napájecí zdroje: CPS1 a DS5. V aplikacích, kde je citlivost na hluk méně omezena nebo kde je vyžadována doba provozu delší než 8 hodin, se doporučuje regulovaný napájecí zdroj DS5. Bateriový zdroj CPS1 se doporučuje, pokud je požadován optimální šum. S plně nabitým CPS1 a v dobrém zdravotním stavu může DSC1 fungovat 8 hodin nebo déle bez dobíjení.

Thorlabs Worldwide Contacts

Pro další pomoc nebo dotazy se obraťte na celosvětové kontakty společnosti Thorlabs. Pro technickou podporu nebo dotazy ohledně prodeje nás prosím navštivte na adrese www.thorlabs.com/contact pro naše nejaktuálnější kontaktní informace.

Ústředí společnosti
Thorlabs, Inc.
43 Sparta Ave
Newton, New Jersey 07860
Spojené státy
sales@thorlabs.com
techsupport@thorlabs.com

Dovozce do EU
Thorlabs GmbH
Münchner Weg 1
D-85232 Bergkirchen
Německo
sales.de@thorlabs.com
europe@thorlabs.com

Výrobce produktu
Thorlabs, Inc.
43 Sparta Ave
Newton, New Jersey 07860 Spojené státy
sales@thorlabs.com
techsupport@thorlabs.com

Dovozce z Velké Británie
Thorlabs Ltd.
204 Lancaster Way Business Park
Ely CB6 3NX
Spojené království
sales.uk@thorlabs.com
techsupport.uk@thorlabs.com
www.thorlabs.com

Dokumenty / zdroje

Kompaktní digitální servo ovladač THORLABS DSC1 [pdfUživatelská příručka DSC1, DSC1 Kompaktní digitální servokontrolér, DSC1, Kompaktní digitální servokontrolér, Digitální servokontrolér, servokontrolér, Kontrolér

Reference

• Uživatelská příručka