THORLABS DSC1 kompakt digital servocontroller

Specifikationer:

• Produktnavn: DSC1 Compact Digital Servo Controller
• Anbefalet brug: Med Thorlabs' fotodetektorer og aktuatorer
• Kompatible aktuatorer: Piezo ampløftere, laserdiodedrivere, TEC-controllere, elektro-optiske modulatorer
• Overholdelse: CE/UKCA-mærkning

Produktbrugsvejledning

Indledning

Tiltænkt brug: DSC1 er en kompakt digital servocontroller designet til generel laboratoriebrug i forskning og industri. DSC1 måler en voltage, beregner et feedbacksignal i overensstemmelse med den brugervalgte styrealgoritme og udsender en voltage. Produktet må kun bruges i overensstemmelse med instruktionerne beskrevet i denne manual. Enhver anden brug vil ugyldiggøre garantien. Ethvert forsøg på at omprogrammere, adskille binære koder eller på anden måde ændre fabriksmaskinens instruktioner i en DSC1, uden Thorlabs samtykke, vil ugyldiggøre garantien. Thorlabs anbefaler at bruge DSC1 med Thorlabs' fotodetektorer og aktuatorer. Eksamples af Thorlabs aktuatorer, der er velegnede til brug med DSC1 er Thorlabs' piezo ampløftere, laserdiodedrivere, termoelektriske kølere (TEC) controllere og elektro-optiske modulatorer.

Forklaring af sikkerhedsadvarsler

NOTE Angiver information, der anses for vigtig, men ikke fare-relateret, såsom mulig skade på produktet.
CE/UKCA-mærkningerne på produktet er producentens erklæring om, at produktet overholder de væsentlige krav i den relevante europæiske sundheds-, sikkerheds- og miljøbeskyttelseslovgivning.
Symbolet på skraldespanden på produktet, tilbehøret eller emballagen angiver, at denne enhed ikke må behandles som usorteret kommunalt affald, men skal indsamles separat.

Beskrivelse
Thorlabs' DSC1 Digital Servo Controller er et instrument til feedbackstyring af elektro-optiske systemer. Enheden måler en input voltage, bestemmer en passende feedback voltage gennem en af ​​flere kontrolalgoritmer, og anvender denne feedback til et output voltage kanal. Brugere kan vælge at konfigurere betjeningen af ​​enheden via enten den integrerede berøringsskærm, en grafisk brugergrænseflade (GUI) til ekstern desktop-pc eller et eksternt pc-softwareudviklingssæt (SDK). Servocontrolleren samples voltage data med 16-bit opløsning gennem en koaksial SMB-indgangsport på 1 MHz.

For at give mere nøjagtige voltage målinger, aritmetiske kredsløb inden for enheden har et gennemsnit hvert andet sekundamples for en effektiv sampen hastighed på 500 kHz. De digitaliserede data behandles af en mikroprocessor ved høj hastighed ved hjælp af digital signalbehandling (DSP) teknikker. Brugeren kan vælge mellem SERVO- og PEAK-styringsalgoritmer. Alternativt kan brugeren teste et systemrespons på DC voltage for at bestemme servo-setpunktet med RAMP driftstilstand, som udsender en savtandsbølge synkront med indgangen. Indgangskanalen har en typisk båndbredde på 120 kHz. Udgangskanalen har en typisk båndbredde på 100 kHz. -180 graders faseforsinkelse for input-til-output voltagOverførselsfunktionen for denne servocontroller er typisk 60 kHz.

Tekniske data

Specifikationer

Driftsspecifikationer
System båndbredde	DC til 100 kHz
Input til Output -180 graders frekvens	>58 kHz (typisk 60 kHz)
Nominel indgang Sampling Opløsning	16 bit
Nominel udgangsopløsning	12 bit
Maksimal indgang Voltage	±4 V
Maksimal output voltageb	±4 V
Maksimal indgangsstrøm	100 mA
Gennemsnitlig støjgulv	-120 dB V2/Hz
Peak Noise Floor	-105 dB V2/Hz
Indgang RMS støjc	0.3 mV
Indgang Sampling Frekvens	1 MHz
PID-opdateringsfrekvensd	500 kHz
Peak Lock Modulation Frekvensområde	100 Hz – 100 kHz i trin på 100 Hz
Input afslutning	1 MΩ
Udgangsimpedansb	220 Ω

• en. Dette er den frekvens, ved hvilken udgangen når en -180 graders faseforskydning i forhold til indgangen.
• b. Udgangen er designet til tilslutning til høj-Z (>100 kΩ) enheder. Tilslutning af enheder med lavere inputterminering, Rdev, vil reducere udgangsvolumentage-området med Rdev/(Rdev + 220 Ω) (f.eks. vil en enhed med 1 kΩ terminering give 82 % af den nominelle udgangsvolumentage rækkevidde).
• c. Integrationsbåndbredden er 100 Hz – 250 kHz.
• d. Et lavpasfilter reducerer digitaliseringsartefakter i output control voltage, hvilket resulterer i en udgangsbåndbredde på 100 kHz.

Elektriske krav
Forsyning Voltage	4.75 – 5.25 V DC
Forsyningsstrøm	750 mA (Max)
Temperaturområdea	0 °C til 70 °C

• a Temperaturområde, over hvilket enheden kan betjenes uden Optimal drift opstår, når den er tæt på stuetemperatur.

Systemkrav
Operativsystem	Windows 10® (anbefalet) eller 11, 64 bit påkrævet
Hukommelse (RAM)	4 GB minimum, 8 GB anbefales
Storage	300 MB (min) ledig diskplads
Interface	USB 2.0
Minimum skærmopløsning	1200 x 800 pixel

Mekaniske tegninger 

Forenklet overensstemmelseserklæring
Den fulde tekst af EU-overensstemmelseserklæringen er tilgængelig på følgende internetadresse: https://Thorlabs.com/newgrouppage9.cfm?objectgroup_id=16794

FCC-betegnelse 

Note: Dette udstyr er blevet testet og fundet i overensstemmelse med grænserne for en Klasse A digital enhed i henhold til del 15 af FCC-reglerne. Disse grænser er designet til at give rimelig beskyttelse mod skadelig interferens, når udstyret bruges i et kommercielt miljø. Dette udstyr genererer, bruger og kan udstråle radiofrekvensenergi og kan, hvis det ikke installeres og bruges i overensstemmelse med instruktionsmanualen, forårsage skadelig interferens på radiokommunikation. Betjening af dette udstyr i et boligområde vil sandsynligvis forårsage skadelig interferens, i hvilket tilfælde brugeren bliver bedt om at korrigere interferensen for egen regning.

Sikkerhedsadvarsler: CE/UKCA-mærkningerne angiver overholdelse af europæisk lovgivning om sundhed, sikkerhed og miljøbeskyttelse.

Operation

Grundlæggende: Gør dig bekendt med de grundlæggende funktioner i DSC1.

Ground Loops og DSC1: Sørg for korrekt jordforbindelse for at undgå interferens.

Forsyning af DSC1: Tilslut strømkilden efter de medfølgende retningslinjer.

Touchskærm 

Start af touchscreen-grænsefladen 
Efter at være tilsluttet strøm og en kort, mindre end et sekund opvarmning, vil DSC1 oplyse det integrerede touchscreen display, og skærmen vil reagere på input.

Berøringsskærmbetjening i SERVO-tilstand
SERVO-tilstanden implementerer en PID-regulator.

Figur 2 Touchscreen-display i servodriftstilstand med PID-regulatoren aktiveret i PI-styringstilstand. 

• Den numeriske værdi for PV (procesvariabel) viser AC RMS voltage af indgangssignalet i volt.
• OV (output voltage) numerisk værdi viser den gennemsnitlige output voltage fra DSC1.
• S (setpunkt)-kontrollen indstiller setpunktet for servo-sløjfen i volt. 4 V er maksimum og -4 V er minimum tilladt.
• O (offset)-kontrollen indstiller DC-offset for servo-sløjfen i volt. 4 V er maksimum og -4 V er minimum tilladt.
• P (proportional) kontrollen indstiller den proportionale forstærkningskoefficient. Dette kan være en positiv eller negativ værdi mellem 10-5 og 10,000, noteret i teknisk notation.
• I-kontrollen (integral) indstiller integralforstærkningskoefficienten. Dette kan være en positiv eller negativ værdi mellem 10-5 og 10,000, noteret i teknisk notation.
• D-kontrollen (afledt) indstiller den afledte forstærkningskoefficient. Dette kan være en positiv eller negativ værdi mellem 10-5 og 10,000, noteret i teknisk notation.
• STOP-RUN-omskifteren deaktiverer og aktiverer servo-sløjfen.
• Knapperne P, I og D aktiverer (belyst) og deaktiverer (mørkeblå) hver forstærkning stage i PID-servosløjfen.
• SERVO-rullemenuen giver brugeren mulighed for at vælge driftstilstand.
• Den blågrønne kurve viser det aktuelle sætpunkt. Hvert punkt er 2 µs fra hinanden på X-aksen.
• Det gyldne spor viser den aktuelle målte PV. Hvert punkt er 2 µs fra hinanden på X-aksen.

Berøringsskærmbetjening i RAMP Mode 
RAMP tilstand udsender en savtandsbølge, som kan konfigureres af brugeren amplitude og offset.

• Den numeriske værdi for PV (procesvariabel) viser AC RMS voltage af indgangssignalet i volt.
• OV (output voltage) numerisk værdi viser den gennemsnitlige output voltage anvendt af enheden.
• O (offset) kontrollen indstiller DC offset for ramp output i volt. 4 V er maksimum og -4 V er minimum tilladt.
• A (amplitude) kontrol indstiller amplitude af ramp output i volt. 4 V er maksimum og -4 V er minimum tilladt.
• STOP-RUN-omskifteren deaktiverer og aktiverer henholdsvis servo-sløjfen.
• RAMP rullemenuen giver brugeren mulighed for at vælge driftstilstand.
• Det gyldne spor viser plantens respons synkroniseret med output scan voltage. Hvert punkt er placeret 195 µs fra hinanden på X-aksen.

Berøringsskærmbetjening i PEAK-tilstand
PEAK-tilstanden implementerer en ekstremumsøgende controller med brugerkonfigurerbar modulationsfrekvens, amplitude og integrationskonstant. Bemærk, at modulering og demodulation altid er aktiv, når enheden er i PEAK-tilstand; Run-stop-omskifteren aktiveres og deaktiverer den integrerede forstærkning i dither-kontrolsløjfen.

• Den numeriske værdi for PV (procesvariabel) viser AC RMS voltage af indgangssignalet i volt.
• OV (output voltage) numerisk værdi viser den gennemsnitlige output voltage anvendt af enheden.
• Den numeriske værdi M (modulationsfrekvensmultiplikator) viser multiplum af 100 Hz af modulationsfrekvensen. F.eksample, hvis M = 1 som vist, er modulationsfrekvensen 100 Hz. Den maksimale modulationsfrekvens er 100 kHz, med en M-værdi på 1000. Generelt anbefales højere modulationsfrekvenser, forudsat at styreaktuatoren reagerer på denne frekvens.
• A (amplitude) kontrol indstiller amplituden af ​​moduleringen i volt, noteret i teknisk notation. 4 V er maksimum og -4 V er minimum tilladt.
• K-styringen (peak lock integral coefficient) indstiller integrationskonstanten for controlleren med enheder af V/s, noteret i teknisk notation. Hvis brugeren er usikker på, hvordan denne værdi skal konfigureres, er det typisk at starte med en værdi omkring 1 tilrådeligt.
• STOP-RUN-omskifteren deaktiverer og aktiverer henholdsvis servo-sløjfen.
• PEAK-rullemenuen giver brugeren mulighed for at vælge driftstilstand.
• Det gyldne spor viser plantens respons synkroniseret med output scan voltage. Hvert punkt er placeret 195 µs fra hinanden på X-aksen.

Software
Den digitale servocontrollersoftware er designet til både at give mulighed for kontrol over grundlæggende funktionalitet via en computergrænseflade og giver et udvidet sæt analyseværktøjer til brug af controlleren. F.eksample, GUI inkluderer et plot, der kan vise input voltage i frekvensdomæne. Derudover kan data eksporteres som en .csv file. Denne software giver mulighed for brug af enheden i servo, peak eller ramp tilstande med kontrol over alle parametre og indstillinger. Systemsvaret kan være viewed som input voltage, fejlsignal eller begge dele, enten i tidsdomæne- eller frekvensdomæne-repræsentationen. Se venligst manualen for mere information.

Start af softwaren
Når du har startet softwaren, skal du klikke på "Connect" for at få en liste over tilgængelige DSC-enheder. Flere DSC-enheder kan styres ad gangen.

Figur 5
Startskærm for DSCX Client-softwaren.

Figur 6 Vinduet til valg af enhed. Klik på OK for at oprette forbindelse til den valgte enhed.

Servo Software Tab
Servo-fanen giver en bruger mulighed for at betjene enheden i servotilstand med yderligere kontroller og displays ud over dem, der leveres af den indbyggede touchscreen-brugergrænseflade på selve enheden. På denne fane er enten tids- eller frekvensdomænerepræsentationer af procesvariablen tilgængelige. Systemsvaret kan være viewed som enten procesvariablen, fejlsignalet eller begge dele. Fejlsignalet er forskellen mellem procesvariablen og sætpunktet. Ved hjælp af kontrolanalyseteknikker kan enhedens impulsrespons, frekvensrespons og faserespons forudsiges, forudsat at visse antagelser om systemets adfærd og forstærkningskoefficienterne er lavet. Disse data vises på servokontrolfanen, så brugere forebyggende kan konfigurere deres system, før de begynder kontroleksperimenter.

Figur 7 Softwaregrænseflade i Ramp tilstand med frekvensdomænevisningen. 

• Aktiver X gitterlinjer: Hvis du markerer afkrydsningsfeltet, aktiveres X gitterlinjer.
• Aktiver Y-gitterlinjer: Hvis du markerer afkrydsningsfeltet, aktiveres Y-gitterlinjer.
• Kør/pause-knap: Ved at trykke på denne knap starter/stopper opdateringen af ​​grafisk information på displayet.
• Frekvens / Tidsskift: Skifter mellem plotning af frekvensdomæne og tidsdomæne.
• PSD / ASD Toggle: Skifter mellem effektspektraltæthed og amplitude spektraltæthed lodrette akser.
• Gennemsnitlige scanninger: Hvis du slår denne kontakt til og fra, aktiveres og deaktiveres gennemsnitsberegning i frekvensdomænet.
• Scanninger i gennemsnit: Denne numeriske kontrol bestemmer antallet af scanninger, der skal beregnes som gennemsnit. Minimum er 1 scanning og maksimum er 100 scanninger. Op- og ned-pilene på et tastatur øger og mindsker antallet af scanninger i gennemsnittet. På samme måde øger og mindsker op- og ned-knapperne ved siden af ​​kontrollen antallet af scanninger i gennemsnittet.
• Indlæs: Ved at trykke på denne knap i Reference Spectrum-panelet kan en bruger vælge et referencespektrum, der er gemt på klient-pc'en.
• Gem: Ved at trykke på denne knap i Reference Spectrum-panelet kan en bruger gemme de aktuelt viste frekvensdata på sin pc. Når du har klikket på denne knap, gemmes file dialog vil give brugeren mulighed for at vælge lagerplacering og indtaste file navn for deres data. Dataene gemmes som en kommasepareret værdi (CSV).
• Vis reference: Ved at markere dette felt aktiveres visning af det sidst valgte referencespektrum.
• Autoskaler Y-akse: Ved at markere afkrydsningsfeltet aktiveres automatisk indstilling af Y-aksens visningsgrænser.
• Autoskaler X-akse: Ved at markere afkrydsningsfeltet aktiveres automatisk indstilling af X-aksens visningsgrænser.
• Log X-akse: Ved at markere afkrydsningsfeltet skiftes der mellem en logaritmisk og en lineær X-aksevisning.
• Kør PID: Aktivering af denne skifte aktiverer servo-sløjfen på enheden.
• O Numerisk: Denne værdi indstiller offset voltage i volt.
• SP Numerisk: Denne værdi indstiller sætpunktet voltage i volt.
• Kp Numerisk: Denne værdi indstiller den proportionale forstærkning.
• Ki Numerisk: Denne værdi indstiller integralforstærkningen i 1/s.
• Kd Numerisk: Denne værdi indstiller den afledte forstærkning i s.
• P, I, D knapper: Disse knapper aktiverer henholdsvis proportional, integral og afledt forstærkning, når de er belyst.
• Kør/Stop Toggle: Skift af denne kontakt aktiverer og deaktiverer kontrollen.

Brugeren kan også bruge musen til at ændre omfanget af den viste information: 

• Musehjulet zoomer plottet ind og ud mod den aktuelle position af musemarkøren.
• SHIFT + klik ændrer musemarkøren til et plustegn. Derefter vil venstre museknap zoome ind på musemarkørens position med en faktor 3. Brugeren kan også trække og vælge et område på kortet for at zoome ind.
• ALT + Klik ændrer musemarkøren til et minustegn. Derefter vil venstre museknap zoome ud fra musemarkørens position med en faktor 3.
• Spred og knib bevægelser på en musemåtte eller berøringsskærm vil zoome henholdsvis ind og ud af kortet.
• Når du har rullet, vil et klik på venstre museknap give brugeren mulighed for at panorere ved at trække med musen.
• Højreklik på diagrammet vil gendanne standardpositionen for diagrammet.

Ramp Software faneblad
Ramp fanen giver funktionalitet sammenlignelig med ramp fanen på den indbyggede berøringsskærm. Skift til denne fane placerer den tilsluttede enhed i ramp mode.

Figur 8
Software interface i Ramp mode.

Ud over de tilgængelige kontroller i Servo-tilstand, er Ramp tilstand tilføjer: 

• Amplitude Numerisk: Denne værdi indstiller scanningen amplitude i volt.
• Offset Numeric: Denne værdi indstiller scanningsoffset i volt.
• Kør / stop Ramp Toggle: Skift af denne kontakt aktiverer og deaktiverer ramp.

Peak Software Fane 
Peak Control-fanen giver den samme funktionalitet som PEAK-tilstanden på den indlejrede brugergrænseflade, med yderligere overblik over arten af ​​retursignalet fra systemet. Skift til denne fane skifter den tilsluttede enhed til PEAK-driftstilstand.

Figur 9 Softwaregrænseflade i Peak-tilstand med tidsdomænevisning.

Ud over de tilgængelige kontroller i Servo-tilstand, tilføjer Peak-tilstanden: 

• Amplitude numerisk: Denne værdi indstiller moduleringen amplitude i volt.
• K numerisk: Dette er peak lock integral koefficienten; værdien indstiller integralforstærkningskonstanten i V/s.
• Offset numerisk: Denne værdi indstiller offset i volt.
• Frekvens numerisk: Dette indstiller modulationsfrekvensmultiplikatoren i trin på 100 Hz. Den mindst tilladte værdi er 100 Hz, og den maksimale er 100 kHz.
• Kør/Stop Peak-skift: Hvis du skifter mellem denne kontakt, aktiveres og deaktiveres den integrerede forstærkning. Bemærk, når enheden er i PEAK-tilstand, er udgangsmodulationen og fejlsignaldemodulationen aktiv.

Gemte data 
Data gemmes i CSV-format (Comma Separated Value). En kort overskrift beholder relevante data fra de data, der gemmes. Hvis formatet på denne CSV ændres, kan softwaren muligvis ikke gendanne et referencespektrum. Derfor opfordres brugeren til at gemme deres data i et separat regneark file hvis de har til hensigt at lave en uafhængig analyse.

Figur 10 Data i .csv-format eksporteret fra DSC1. 

Operationsteori

PID servostyring
PID-kredsløbet bruges ofte som en kontrolsløjfe-feedback-controller og er meget almindelig i servokredsløb. Formålet med et servokredsløb er at holde systemet på en forudbestemt værdi (setpunkt) i længere tid. PID-kredsløbet holder aktivt systemet på sætpunktet ved at generere et fejlsignal, der er forskellen mellem sætpunktet og den aktuelle værdi og modulere en udgangsvol.tage for at opretholde sætpunktet. Bogstaverne, der udgør akronymet PID, svarer til proportional (P), integral (I) og afledt (D), som repræsenterer de tre kontrolindstillinger for et PID-kredsløb.

Det proportionale led er afhængigt af den nuværende fejl, det integrale led er afhængigt af akkumuleringen af ​​tidligere fejl, og det afledte led er forudsigelsen af ​​fremtidig fejl. Hver af disse termer føres ind i en vægtet sum, som justerer output voltage af kredsløbet, u(t). Denne udgang føres ind i kontrolenheden, dens måling føres tilbage til PID-sløjfen, og processen får lov til aktivt at stabilisere kredsløbets output for at nå og holde den indstillede værdi. Blokdiagrammet nedenfor illustrerer handlingen af ​​et PID-kredsløb. En eller flere af kontrollerne kan bruges i ethvert servokredsløb afhængigt af hvad der er nødvendigt for at stabilisere systemet (dvs. P, I, PI, PD eller PID).

Bemærk venligst, at et PID-kredsløb ikke garanterer optimal kontrol. Forkert indstilling af PID-kontrollerne kan få kredsløbet til at oscillere betydeligt og føre til ustabilitet i kontrollen. Det er op til brugeren at justere PID-parametrene korrekt for at sikre korrekt ydeevne.

PID teori 

PID-teori for en kontinuerlig servocontroller: Forstå PID-teorien for optimal servostyring.
Udgangen af ​​PID-styrekredsløbet, u(t), er givet som

Hvor:

• ?? er den proportionelle forstærkning, dimensionsløs
• ?? er den integrerede forstærkning i 1/sekund
• ?? er den afledte forstærkning i sekunder
• ?(?) er fejlsignalet i volt
• ?(?) er kontroludgangen i volt

Herfra kan vi definere styreenhederne matematisk og diskutere hver enkelt mere detaljeret. Proportionalstyring er proportional med fejlsignalet; som sådan er det en direkte reaktion på fejlsignalet, der genereres af kredsløbet:
? = ???(?)
Større proportional forstærkning resulterer i større ændringer som reaktion på fejlen og påvirker dermed den hastighed, hvormed regulatoren kan reagere på ændringer i systemet. Mens en høj proportional forstærkning kan få et kredsløb til at reagere hurtigt, kan en for høj værdi forårsage svingninger omkring SP-værdien. For lav værdi og kredsløbet kan ikke reagere effektivt på ændringer i systemet. Integral kontrol går et skridt videre end proportional forstærkning, da den er proportional med ikke kun størrelsen af ​​fejlsignalet, men også varigheden af ​​enhver akkumuleret fejl.

Integral kontrol er yderst effektiv til at øge responstiden for et kredsløb sammen med at eliminere steady-state fejlen forbundet med rent proportional kontrol. I det væsentlige summerer integral kontrol over enhver tidligere ukorrigeret fejl og multiplicerer derefter denne fejl med Ki for at frembringe integralsvaret. For selv en lille vedvarende fejl kan der således realiseres et stort aggregeret integralsvar. Men på grund af den hurtige respons fra integreret kontrol kan høje forstærkningsværdier forårsage betydelig overskridelse af SP-værdien og føre til oscillation og ustabilitet. For lavt, og kredsløbet vil være væsentligt langsommere til at reagere på ændringer i systemet. Afledt kontrol forsøger at reducere overskridelse og ringepotentiale fra proportional og integreret kontrol. Det bestemmer, hvor hurtigt kredsløbet ændrer sig over tid (ved at se på den afledede af fejlsignalet) og multiplicerer den med Kd for at frembringe den afledte reaktion.

I modsætning til proportional og integral kontrol vil afledt kontrol bremse kredsløbets reaktion. Derved er den i stand til delvist at kompensere for overskridelsen samt damp udelukke eventuelle svingninger forårsaget af integreret og proportional kontrol. Høje forstærkningsværdier får kredsløbet til at reagere meget langsomt og kan efterlade en modtagelig for støj og højfrekvente oscillationer (da kredsløbet bliver for langsomt til at reagere hurtigt). For lavt, og kredsløbet er tilbøjeligt til at overskride den indstillede værdi. I nogle tilfælde skal det dog undgås at overskride sætpunktsværdien med et væsentligt beløb, og dermed kan en højere afledt forstærkning (sammen med lavere proportional forstærkning) anvendes. Diagrammet nedenfor forklarer virkningerne af at øge forstærkningen af ​​en af ​​parametrene uafhængigt.

Parameter Øget	Tid til at stå op	Overskydning	Afregningstid	Steady-State fejl	Stabilitet
Kp	Formindske	Øge	Lille ændring	Formindske	Nedbryde
Ki	Formindske	Øge	Øge	Fald markant	Nedbryde
Kd	Mindre fald	Mindre fald	Mindre fald	Ingen effekt	Forbedre (for små Kd)

Diskrete-tids servocontrollere 

Dataformat
PID-controlleren i DSC1 modtager en 16-bit ADC sample, som er et offset binært tal, der kan variere fra 0-65535. 0 kortlægges lineært til en negativ 4V-indgang, og 65535 repræsenterer et +4V-indgangssignal. "Fejl"-signalet, ?[?], i PID-sløjfen på et tidspunkt ? bestemmes som ?[?] = ? − ?[?] Hvor ? er sætpunktet og ?[?] er voltagesample i den offset binære skala på et diskret tidstrin, ?.

Kontrollov i tidsdomænet
Tre forstærkningsled beregnes og summeres sammen.
?[?] = ??[?] + ??[?] + ??[?] ?? = ???[?] ?? ≈ ?? ∫ ?[?] ?? = ??(?[?] − ?[? − 1])
Hvor ??[?], ??[?] og ??[?] er de proportionale, integrale og afledte forstærkninger, der omfatter kontroloutputtet ?[?] på et tidstrin ?. ??, ??, og ?? er proportional-, integral- og afledte forstærkningskoefficienter.

Tilnærmelse af integralet og derivaten
DSC1 tilnærmer en integrator med en akkumulator.
∫ ?[?] = ?[?] + ∫ ?[? − 1] Overvejelse af integrationsintervallet, tidstrinsbredden, er pakket ind i integralforstærkningskoefficienten ?? sådan at: ?? = ?′?ℎ
Hvor?" er den nominelt indtastede integralforstærkningskoefficient og ℎ er tiden mellem ADC samples. Vi foretager en lignende tilnærmelse til den afledte som forskellen mellem ?[?] og ?[? − 1] igen forudsat at ?? indeholder også en 1/h skalering.

Som tidligere nævnt, overvej nu, at integral- og afledte tilnærmelser ikke inkluderede nogen overvejelse af tidstrinnet (sample interval), herefter ℎ. Traditionelt siger vi en førsteordens, eksplicit, tilnærmelse til en variabel ?[?] med = ?(?, ?) baseret på vilkårene i en Taylor-serieudvidelse er ?[?] ≈ ?[? − 1] + ℎ ?(?, ?)
Dette omtales ofte som et baglæns Euler-integrationsskema eller en eksplicit førsteordens numerisk integrator. Hvis vi løser for den afledede, ?(?, ?), finder vi:

Bemærk ligheden mellem tælleren i ovenstående og vores foreløbige tilnærmelse til den afledede i kontrolligningen. Det vil sige, at vores tilnærmelse til den afledte er mere passende skaleret med ℎ−1.

Det efterligner også intuitivt den grundlæggende sætning i Calculus:

Hvis vi nu siger det? er integralet af fejlsignalet ?, kan vi foretage følgende udskiftninger.
?[?]=∫?[?] ?(?,?)= ?[?] Og vi får fra førsteordens Taylor-rækken tilnærmelse til en funktion ?: ∫?[?]=∫?[?−1]+ℎ ?(?)
Ved blot at antage ∫?[?]=0 for ?=0, kondenserer den videre tilnærmelse til et integral praktisk talt til en akkumulator.

Derfor justerer vi vores tidligere udledning af kontrolloven til:

Kontrollov i frekvensdomænet
Selvom ligningen, der er udledt i det følgende afsnit, informerer om tidsdomæneadfærden for den diskrete-tids-PID-styreenhed implementeret i DSC1, siger den lidt om styreenhedens frekvensdomænerespons. I stedet introducerer vi ? domæne, som er analogt med Laplace-domænet, men for diskret snarere end kontinuerlig tid. I lighed med Laplace-transformationen bestemmes Z-transformationen af ​​en funktion oftest ved at samle tabulerede Z-transformationsrelationer i stedet for at erstatte Z-transformdefinitionen (vist nedenfor) direkte.

Hvor ?(?) er Z-domænets udtryk for en diskret tidsvariabel ?[?], ? er radius (ofte behandlet som 1) af den uafhængige variabel ?, ? er kvadratroden af ​​-1, og ∅ er det komplekse argument i radianer eller grader. I dette tilfælde er kun to tabulerede Z-transformationer nødvendige.
?[?] = ?[?] ?[? − 1] = ?[?]?−1
Z-transformationen af ​​proportionalleddet, ??, er triviel. Accepter også et øjeblik, at det er nyttigt for os at bestemme fejlen for at kontrollere overførselsfunktionen, ?(?), i stedet for blot ?(?).

Z-transformationen af ​​integralleddet, ??, er mere interessant.
Husk vores eksplicitte Euler-integrationsskema i det foregående afsnit: ??(?) = ?? ∫ ?[?] = ?? (∫ ?[? − 1] + ℎ ?(?))
∫ ?(?) = ∫ ?(?) ?−1 + ℎ?(?)
∫ ?(?) − ∫ ?(?) ?−1 = ℎ?(?)

Til sidst ser vi på den afledte gevinst, ??: 

Ved at samle hver af ovenstående overførselsfunktioner kommer vi frem til: 

Med denne ligning kan vi numerisk beregne frekvensdomæneresponset for controlleren og vise det som et Bode-plot, såsom nedenfor.
PID-overførselsfunktioner, Kp = 1.8, Ki = 1.0, Kd = 1E-4

Bemærk, hvordan PI-controllerforstærkningen udelukkende nærmer sig den proportionelle forstærkning og højfrekvens, og hvordan PD-controllerforstærkningen udelukkende nærmer sig den proportionale forstærkning ved lave frekvenser.

PID Tuning
Generelt vil gevinsterne af P, I og D skulle justeres af brugeren for at optimere systemets ydeevne. Selvom der ikke er et statisk sæt regler for, hvad værdierne skal være for et bestemt system, bør det at følge de generelle procedurer hjælpe med at tune et kredsløb til at matche ens system og miljø. Generelt vil et korrekt indstillet PID-kredsløb typisk overskride SP-værdien lidt og derefter hurtigt damp ud for at nå SP-værdien og holde stabil på det tidspunkt. PID-sløjfen kan låse til enten en positiv eller negativ hældning ved at ændre fortegnet for P-, I- og D-forstærkningerne. I DSC1 er skiltene låst sammen, så et skifte vil ændre dem alle.

Manuel justering af forstærkningsindstillingerne er den enkleste metode til indstilling af PID-kontrollerne. Denne procedure udføres dog aktivt (PID-regulatoren tilsluttet systemet og PID-sløjfen aktiveret) og kræver en vis mængde erfaring for at opnå gode resultater. For at indstille din PID-controller manuelt skal du først indstille integral- og afledte forstærkninger til nul. Forøg den proportionale forstærkning, indtil du observerer oscillation i outputtet. Din proportionale forstærkning bør derefter indstilles til cirka halvdelen af ​​denne værdi. Når den proportionale forstærkning er indstillet, skal du øge integralforstærkningen, indtil der er korrigeret for en eventuel forskydning på en tidsskala, der passer til dit system.

Hvis du øger denne forstærkning for meget, vil du observere betydelig overskridelse af SP-værdien og ustabilitet i kredsløbet. Når først den integrale forstærkning er indstillet, kan den afledte forstærkning øges. Afledt gevinst vil reducere overskridelse og damp systemet hurtigt til den indstillede værdi. Hvis du øger den afledte forstærkning for meget, vil du se et stort overskud (på grund af at kredsløbet er for langsomt til at reagere). Ved at lege med forstærkningsindstillingerne kan du optimere ydeevnen af ​​dit PID-kredsløb, hvilket resulterer i et system, der hurtigt reagerer på ændringer og effektivt d.amps ud svingning omkring den indstillede værdi.

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

Selvom manuel tuning kan være meget effektiv til at indstille et PID-kredsløb til dit specifikke system, kræver det en vis mængde erfaring og forståelse af PID-kredsløb og respons. Ziegler-Nichols metode til PID tuning tilbyder en mere struktureret guide til indstilling af PID værdier. Igen skal du indstille integral- og afledt forstærkning til nul. Forøg den proportionale forstærkning, indtil kredsløbet begynder at svinge. Vi vil kalde dette forstærkningsniveau Ku. Oscillationen vil have en periode på Pu. Forstærkninger er for forskellige styrekredsløb er derefter angivet i skemaet ovenfor. Bemærk, at når du bruger Ziegler-Nichols tuning-metoden med DSC1, skal integralleddet bestemt fra tabellen multipliceres med 2⋅10-6 for at normalisere til sample sats. På samme måde skal den afledte koefficient divideres med 2⋅10-6 for at normalisere til sample sats.

Ramping
Brugere kan ofte være nødt til at bestemme det store signal driftspunkt eller nyttige sætpunkt for et system. For at bestemme enten det store signal driftspunkt (herefter benævnt DC offset) eller det optimale servo sætpunkt, er en almindelig teknik simpelthen at stimulere systemet gentagne gange med en lineært stigende vol.tage signal. Mønsteret omtales almindeligvis som en savtandsbølge, for dets lighed med tænderne på en sav.

Peak Lock Mode
Spidslåstilstanden implementerer en dither-låsealgoritme, også kendt som en ekstremumsøgende controller. I denne driftstilstand overlejres kontrolværdien på en sinusbølgeudgang. Den målte input voltage bliver først digitalt højpasfiltreret (HPF) for at fjerne enhver DC-offset. Derefter demoduleres det AC-koblede signal ved at gange hver målt voltage ved den udgående sinusbølgemodulationsværdi. Denne multiplikationsoperation skaber et demoduleret signal med to hovedkomponenter: en sinusbølge ved summen af ​​de to frekvenser og et signal med forskellen mellem de to frekvenser.

Et andet digitalt filter, denne gang et lavpasfilter (LPF), dæmper summen af ​​to frekvenssignaler og transmitterer signalet med lavfrekvent forskel på to frekvenser. Signalindhold med samme frekvens som moduleringen fremstår som et DC-signal efter demodulation. Det sidste trin i peak lock-algoritmen er at integrere LPF-signalet. Integratorens udgang, kombineret med den udgående modulering, driver udgangsvolumentage. Akkumuleringen af ​​lavfrekvent demoduleret signalenergi i integratoren skubber offset kontrol voltage af output højere og højere, indtil fortegnet for LPF output vender om, og integrator output begynder at aftage. Efterhånden som kontrolværdien nærmer sig toppen af ​​systemets respons, bliver resultatet af moduleringen på indgangssignalet til servocontrolleren mindre og mindre, da hældningen af ​​en sinusformet bølgeform er nul ved dens top. Dette betyder igen, at der er en lavere udgangsværdi fra det lavpasfiltrerede, demodulerede signal, og derfor mindre at akkumulere i integratoren.

Figur 12 Blokdiagram over en peak locking controller. Indgangssignalet fra det peak-responsive anlæg digitaliseres og højpasfiltreres derefter. HPF-udgangssignalet demoduleres med en digital lokaloscillator. Udgangen fra demodulatoren lavpasfiltreres og integreres derefter. Integratorudgangen føjes til modulationssignalet og udsendes til det peak-responsive anlæg. Peak locking er en god kontrolalgoritme at vælge, når systemet brugeren ønsker at styre ikke har en monoton respons omkring det optimale kontrolpunkt. Eksamples af denne slags systemer er optiske medier med en resonansbølgelængde, såsom en dampcelle, eller et RF-båndafvisningsfilter (notch-filter). Det centrale kendetegn ved spidslåsstyringsskemaet er algoritmens tendens til at styre systemet mod nulkrydsningen af ​​fejlsignalet, som falder sammen med en spidsværdi i det målte signal, som om fejlsignalet var afledt af det målte signal. Bemærk, at toppen kan være positiv eller negativ. For at komme i gang med den maksimale låsefunktion for DSC1 kan du følge denne procedure.

1. Sørg for, at der er en top (eller dal) af det signal, du låser til, er inden for kontrolvolumentagaktuatorens rækkevidde, og at toppositionen er relativt stabil over tid. Det er nyttigt at bruge RAMP tilstand for at visualisere signalet over kontrolvolumentage række af interesse.
2. Bemærk kontrolvoltage positionen af ​​toppen (eller dalen).
3. Estimer hvor bred toppen (eller dalen) er i kontrol voltage ved halvdelen af ​​toppens højde. Denne bredde, i volt, omtales almindeligvis som Full-Width Half-Max eller FWHM. Den skal være mindst 0.1V bred for gode resultater.
4. Indstil moduleringen amplitude (A) til 1% til 10% af FWHM voltage.
5. Indstil offset voltage så tæt som muligt på positionen af ​​toppen (eller dalen), som du ønsker at låse til.
6. Indstil modulationsfrekvensen til den ønskede frekvens. På berøringsskærmen påvirkes dette af parameteren M, moduleringsfrekvens. Modulationsfrekvensen er 100 Hz gange M. Det bedste valg af modulationsfrekvens afhænger af applikationen. Thorlabs anbefaler værdier omkring 1 kHz for mekaniske aktuatorer. Højere frekvenser kan bruges til elektro-optiske aktuatorer.
7. Indstil peak lock integral koefficienten (K) til 0.1 gange A. K kan være positiv eller negativ. Generelt låser positiv K til en top af inputsignalet, mens negativ K låser til en dal af inputsignalet. Men hvis aktuatoren eller systemet, der låses, har mere end 90 graders faseforsinkelse ved dither-frekvensen, vil tegnet på K inverteres, og positiv K vil låse til en dal, og negativ K vil låse til en top.
8. Tryk på Kør og bekræft, at kontrolvolumentage output ændres fra den oprindelige offset (O) værdi og løber ikke væk til en ekstrem. Alternativt kan du overvåge procesvariablen ved hjælp af et oscilloskop for at verificere, at DSC1 låser til den ønskede top eller dal.

Figur 13 Eksample data fra ramping output offset voltage med en kontinuerlig sinusbølge, pålagt et peak respons-anlæg. Bemærk, at fejlsignalet nulkrydsning flugter med toppen af ​​anlæggets responssignal.

Vedligeholdelse og rengøring
Rengør og vedligehold regelmæssigt DSC1 for optimal ydeevne. DSC1 kræver ingen regelmæssig vedligeholdelse. Skulle berøringsskærmen på enheden blive snavset, anbefaler Thorlabs forsigtigt at rengøre berøringsskærmen med en blød, fnugfri klud, mættet med fortyndet isopropylalkohol.

Fejlfinding og reparation

Hvis der opstår problemer, henvises til fejlfindingsafsnittet for vejledning om løsning af almindelige problemer. Tabellen nedenfor beskriver typiske problemer med DSC1 og Thorlabs anbefalede løsninger.

Spørgsmål	Forklaring	Afhjælpning
Enheden tænder ikke, når den er tilsluttet USB Type-C-strøm.	Enheden kræver så meget som 750 mA strøm fra en 5 V-forsyning, 3.75 W. Dette kan overstige strømkapaciteten for nogle USB-A-stik på bærbare computere og pc'er.	Brug Thorlabs DS5 eller CPS1 strømforsyninger. Alternativt kan du bruge en USB Type-C-strømforsyning, som den typisk bruges til at oplade en telefon eller bærbar computer, der er normeret til at udsende mindst 750 mA ved 5 V.
Enheden tænder ikke, når dataporten er tilsluttet en pc.	DSC1 trækker kun strøm fra USB Type-C strømstikket. USB Type Mini-B-stikket er kun data.	Tilslut USB Type-C-porten til en strømforsyning, der er normeret til at udsende mindst 750 mA ved 5 V, såsom Thorlabs DS5 eller CPS1.

Bortskaffelse
Følg de korrekte bortskaffelsesretningslinjer, når DSC1 udrangeres.
Thorlabs verificerer vores overensstemmelse med WEEE-direktivet (Waste Electrical and Electronic Equipment) fra Det Europæiske Fællesskab og de tilsvarende nationale love. Derfor kan alle slutbrugere i EU returnere "end of life" bilag I kategori elektrisk og elektronisk udstyr solgt efter den 13. august 2005 til Thorlabs uden at pådrage sig bortskaffelsesgebyrer. Støtteberettigede enheder er markeret med det overstregede "wheelie bin"-logo (se til højre), blev solgt til og er i øjeblikket ejet af et selskab eller et institut i EU og er ikke adskilt eller forurenet. Kontakt Thorlabs for mere information. Affaldsbehandling er dit eget ansvar. "End of life"-enheder skal returneres til Thorlabs eller afleveres til en virksomhed, der er specialiseret i genanvendelse af affald. Smid ikke enheden i en affaldsspand eller på en offentlig affaldsplads. Det er brugerens ansvar at slette alle private data gemt på enheden før bortskaffelse.

Ofte stillede spørgsmål:

Sp: Hvad skal jeg gøre, hvis DSC1 ikke tænder?
A: Kontroller strømkildens tilslutning og sørg for, at den opfylder de specificerede krav. Hvis problemet fortsætter, skal du kontakte kundesupport for at få hjælp.

Sikkerhed

MEDDELELSE
Dette instrument bør holdes væk fra miljøer, hvor der er sandsynlighed for, at væskespild eller kondenserende fugt er. Den er ikke vandafvisende. For at undgå beskadigelse af instrumentet må det ikke udsættes for spray, væsker eller opløsningsmidler.

Installation

Garantioplysninger
Denne præcisionsenhed kan kun serviceres, hvis den returneres og er korrekt pakket ind i den komplette originale emballage, inklusive den komplette forsendelse plus den papindsats, der indeholder de medfølgende enheder. Bed om nødvendigt om erstatningsemballage. Overlad service til kvalificeret personale.

Inkluderede komponenter

DSC1 Compact Digital Servo Controller leveres med følgende komponenter:

• DSC1 digital servocontroller
• Quick Start-kort
• USB-AB-72 USB 2.0 Type-A til Mini-B datakabel, 72" (1.83 m) langt
• USB Type-A til USB Type-C strømkabel, 1 m (39″) langt
• PAA248 SMB til BNC koaksialkabel, 48" (1.22 m) langt (antal. 2)

Installation og opsætning

Grundlæggende 
Brugere kan konfigurere enheden med en computer ved hjælp af USB-grænsefladen eller via den integrerede berøringsskærm. I begge tilfælde skal der leveres strøm via 5V USB-C-forbindelsen. Når du bruger desktop GUI, skal servocontrolleren tilsluttes med et USB 2.0-kabel (medfølger) fra enhedens dataport til en pc med Digital Servo Controller-softwaren installeret.

Ground Loops og DSC1
DSC1 inkluderer interne kredsløb for at begrænse sandsynligheden for, at der opstår jordsløjfer. Thorlabs foreslår at bruge enten den transformer-isolerede DS5-regulerede strømforsyning eller den eksterne CPS1-batteripakke. Med enten DS5- eller CPS1-strømforsyningen flyder signaljorden inde i DSC1 i forhold til jordforbindelsen på en stikkontakt. De eneste forbindelser til enheden, der er fælles for denne signaljording, er signaljordstiften på USB-C-strømstikket og den ydre returvej på SMB-output-koaksialkablet. USB-dataforbindelsen er isoleret. Indgangssignalet har en jordsløjfebrudsmodstand mellem signalreturvejen og signaljorden i instrumentet, hvilket typisk forhindrer jordsløjfeinterferens. Det er vigtigt, at der ikke er to direkte veje til enhedens signaljord, hvilket minimerer forekomsten af ​​jordsløjfer.

For yderligere at mindske risikoen for jordsløjfeinterferens foreslår Thorlabs følgende bedste praksis: 

• Hold alle strøm- og signalkabler til enheden korte.
• Brug enten en batteri (CPS1) eller transformer isoleret (DS5) strømforsyning med DSC1. Dette sikrer en flydende enheds signaljord.
• Forbind ikke andre instrumenters signalreturveje til hinanden.
  • Et almindeligt eksample er et typisk bord-oscilloskop; oftest er de ydre skaller af BNC-indgangsforbindelserne direkte forbundet til jord. Flere jordklip forbundet til den samme jordknude i et eksperiment kan forårsage en jordsløjfe.

Selvom DSC1 sandsynligvis ikke forårsager en jordsløjfe i sig selv, har andre instrumenter i en brugers laboratorium muligvis ikke jordsløjfeisolering og kan derfor være en kilde til jordsløjfer.

Strømforsyning til DSC1
DSC1 Digital Servo Controller kræver 5 V strøm gennem USB-C ved op til 0.75 A spidsstrøm og 0.55 A ved typisk drift. Thorlabs tilbyder to kompatible strømforsyninger: CPS1 og DS5. I applikationer, hvor støjfølsomheden er mindre begrænset, eller hvor der kræves driftstider på mere end 8 timer, anbefales DS5 reguleret strømforsyning. CPS1 batteristrømforsyningen anbefales, når optimal støjydelse ønskes. Med CPS1 fuldt opladet og ved godt helbred kan DSC1 fungere i 8 timer eller mere uden genopladning.

Thorlabs verdensomspændende kontakter

For yderligere assistance eller forespørgsler henvises til Thorlabs' verdensomspændende kontakter. For teknisk support eller salgsforespørgsler bedes du besøge os på www.thorlabs.com/contact for vores mest opdaterede kontaktoplysninger.

Corporate Headquarters
Thorlabs, Inc.
43 Sparta Ave
Newton, New Jersey 07860
USA
sales@thorlabs.com
techsupport@thorlabs.com

EU-importør
Thorlabs GmbH
Münchner Weg 1
D-85232 Bergkirchen
Tyskland
sales.de@thorlabs.com
europe@thorlabs.com

Produktproducent
Thorlabs, Inc.
43 Sparta Ave
Newton, New Jersey 07860 USA
sales@thorlabs.com
techsupport@thorlabs.com

UK importør
Thorlabs Ltd.
204 Lancaster Way Business Park
Ely CB6 3NX
Storbritannien
sales.uk@thorlabs.com
techsupport.uk@thorlabs.com
www.thorlabs.com

Dokumenter/ressourcer

THORLABS DSC1 kompakt digital servocontroller [pdfBrugervejledning DSC1, DSC1 Compact Digital Servo Controller, DSC1, Compact Digital Servo Controller, Digital Servo Controller, Servo Controller, Controller

Referencer

• Brugermanual