Contrôleur d'asservissement numérique compact THORLABS DSC1

Caractéristiques:

• Nom du produit : Contrôleur d'asservissement numérique compact DSC1
• Utilisation recommandée : avec les photodétecteurs et actionneurs de Thorlabs
• Actionneurs compatibles : piézo amplificateurs, pilotes de diodes laser, contrôleurs TEC, modulateurs électro-optiques
• Conformité : marquages ​​CE/UKCA

Instructions d'utilisation du produit

Introduction

Utilisation prévue : Le DSC1 est un contrôleur d'asservissement numérique compact conçu pour une utilisation générale en laboratoire dans la recherche et l'industrie. Le DSC1 mesure un voltage, calcule un signal de rétroaction selon l'algorithme de contrôle sélectionné par l'utilisateur et génère un voltage. Le produit ne peut être utilisé que conformément aux instructions décrites dans ce manuel. Toute autre utilisation invalidera la garantie. Toute tentative de reprogrammation, de désassemblage de codes binaires ou de modification des instructions d'usine de la machine dans un DSC1, sans le consentement de Thorlabs, invalidera la garantie. Thorlabs recommande d'utiliser le DSC1 avec les photodétecteurs et actionneurs de Thorlabs. ExampLes actionneurs Thorlabs qui sont bien adaptés à une utilisation avec le DSC1 sont les actionneurs piézo de Thorlabs. amplificateurs, pilotes de diodes laser, contrôleurs de refroidisseurs thermoélectriques (TEC) et modulateurs électro-optiques.

Explication des avertissements de sécurité

NOTE Indique des informations considérées comme importantes, mais non liées à un danger, telles que d'éventuels dommages au produit.
Les marquages ​​CE/UKCA sur le produit constituent la déclaration du fabricant selon laquelle le produit est conforme aux exigences essentielles de la législation européenne pertinente en matière de santé, de sécurité et de protection de l'environnement.
Le symbole de la poubelle à roulettes sur le produit, les accessoires ou l'emballage indique que cet appareil ne doit pas être traité comme un déchet municipal non trié mais doit être collecté séparément.

Description
Le contrôleur d'asservissement numérique DSC1 de Thorlabs est un instrument de contrôle par rétroaction des systèmes électro-optiques. L'appareil mesure un volume d'entréetage, détermine un volume de rétroaction appropriétage via l'un des nombreux algorithmes de contrôle et applique cette rétroaction à un volume de sortietagLe canal e. Les utilisateurs peuvent choisir de configurer le fonctionnement de l'appareil via l'écran tactile intégré, une interface utilisateur graphique (GUI) de PC de bureau distant ou un kit de développement logiciel (SDK) de PC distant. Le contrôleur de servo samples voltage données avec une résolution de 16 bits via un port d'entrée coaxial SMB à 1 MHz.

Pour fournir un vol plus précistagLes mesures, les circuits arithmétiques à l'intérieur de l'appareil font la moyenne toutes les deux secondesamples pour un s efficaceampLe débit de sortie est de 500 kHz. Les données numérisées sont traitées par un microprocesseur à grande vitesse à l'aide de techniques de traitement de signal numérique (DSP). L'utilisateur peut choisir entre les algorithmes de contrôle SERVO et PEAK. L'utilisateur peut également tester la réponse d'un système à un volume CCtage pour déterminer la consigne du servo avec le RAMP mode de fonctionnement, qui génère une onde en dents de scie synchrone avec l'entrée. Le canal d'entrée a une bande passante typique de 120 kHz. Le canal de sortie a une bande passante typique de 100 kHz. Le décalage de phase de -180 degrés du volume d'entrée à sortietagLa fonction de transfert de ce servo-contrôleur est généralement de 60 kHz.

Données techniques

Caractéristiques

Spécifications de fonctionnement
Bande passante du système	DC à 100 kHz
Entrée vers sortie -180 degrés de fréquence	> 58 kHz (60 kHz typique)
Entrée nominale Sampling Résolution	16 bit
Résolution de sortie nominale	12 bit
Vol d'entrée maximaltage	±4 V
Volume de sortie maximaltageb	±4 V
Courant d'entrée maximal	100 mA
Niveau de bruit moyen	-120 dB V2/Hz
Niveau de bruit de crête	-105 dB V2/Hz
Bruit RMS d'entréec	0.3 mV
ContributionsampFréquence de ling	1 MHz
Fréquence de mise à jour du PIDd	500 kHz
Plage de fréquences de modulation de verrouillage de crête	100 Hz – 100 kHz par pas de 100 Hz
Terminaison d'entrée	1 MΩ
Impédance de sortieb	220 Ω

• a. Il s’agit de la fréquence à laquelle la sortie atteint un déphasage de -180 degrés par rapport à l’entrée.
• b. La sortie est conçue pour être connectée à des appareils à haute impédance (> 100 kΩ). La connexion d'appareils avec une terminaison d'entrée inférieure, Rdev, réduira le volume de sortietage gamme par Rdev/(Rdev + 220 Ω) (par exemple, un appareil avec une terminaison de 1 kΩ donnera 82 % du volume de sortie nominaltaggamme).
• c. La bande passante d’intégration est de 100 Hz à 250 kHz.
• d. Un filtre passe-bas réduit les artefacts de numérisation dans le volume de contrôle de sortietage, ce qui donne une bande passante de sortie de 100 kHz.

Exigences électriques
Vol d'approvisionnementtage	4.75 – 5.25 V CC
Courant d'alimentation	750 mA (Max)
Plage de températurea	0 °C à 70 °C

• une plage de température dans laquelle l'appareil peut être utilisé sans Un fonctionnement optimal se produit à une température proche de la température ambiante.

Configuration requise
Système opérateur	Windows 10® (recommandé) ou 11, 64 bits requis
Mémoire (RAM)	4 Go minimum, 8 Go recommandés
Sstockage	300 Mo (min) d'espace disque disponible
Interface	USB 2.0
Résolution d'écran minimale	1200 x 800 pixels

Dessins mécaniques 

Déclaration de conformité simplifiée
Le texte intégral de la déclaration UE de conformité est disponible à l'adresse Internet suivante : https://Thorlabs.com/newgrouppage9.cfm?objectgroup_id=16794

Désignation FCC 

Note: Cet équipement a été testé et jugé conforme aux limites d'un appareil numérique de classe A, conformément à la partie 15 des règles de la FCC. Ces limites sont conçues pour fournir une protection raisonnable contre les interférences nuisibles lorsque l'équipement est utilisé dans un environnement commercial. Cet équipement génère, utilise et peut émettre de l'énergie radiofréquence et, s'il n'est pas installé et utilisé conformément au manuel d'instructions, peut provoquer des interférences nuisibles aux communications radio. L'utilisation de cet équipement dans une zone résidentielle est susceptible de provoquer des interférences nuisibles, auquel cas l'utilisateur devra corriger les interférences à ses propres frais.

Avertissements de sécurité : Les marquages ​​CE/UKCA indiquent la conformité à la législation européenne en matière de santé, de sécurité et de protection de l'environnement.

Opération

Notions de base : Familiarisez-vous avec les fonctions de base du DSC1.

Boucles de masse et DSC1 : Assurez une mise à la terre adéquate pour éviter les interférences.

Alimentation du DSC1 : Connectez la source d'alimentation en suivant les directives fournies.

Écran tactile 

Lancement de l'interface tactile 
Après avoir été connecté à l'alimentation et après un bref préchauffage de moins d'une seconde, le DSC1 illuminera l'écran tactile intégré et l'écran répondra aux entrées.

Fonctionnement de l'écran tactile en mode SERVO
Le mode SERVO implémente un contrôleur PID.

Figure 2 Écran tactile en mode de fonctionnement servo avec le contrôleur PID activé en mode de contrôle PI. 

• La valeur numérique PV (variable de processus) indique le volume RMS ACtage du signal d'entrée en volts.
• Le OV (volume de sortietage) la valeur numérique indique le volume de sortie moyentage du DSC1.
• La commande S (point de consigne) définit le point de consigne de la boucle servo en volts. 4 V est le maximum et -4 V est le minimum autorisé.
• La commande O (décalage) définit le décalage CC de la boucle servo en volts. 4 V est le maximum et -4 V est le minimum autorisé.
• Le contrôle P (proportionnel) définit le coefficient de gain proportionnel. Il peut s'agir d'une valeur positive ou négative comprise entre 10-5 et 10,000 XNUMX, notée en notation technique.
• La commande I (intégrale) définit le coefficient de gain intégral. Il peut s'agir d'une valeur positive ou négative comprise entre 10-5 et 10,000 XNUMX, notée en notation technique.
• La commande D (dérivée) définit le coefficient de gain dérivé. Il peut s'agir d'une valeur positive ou négative comprise entre 10-5 et 10,000 XNUMX, notée en notation technique.
• La bascule STOP-RUN désactive et active la boucle servo.
• Les boutons P, I et D activent (éclairés) et désactivent (bleu foncé) chaque gain.tage dans la boucle servo PID.
• Le menu déroulant SERVO permet à l'utilisateur de sélectionner le mode de fonctionnement.
• La trace turquoise indique le point de consigne actuel. Chaque point est distant de 2 µs sur l'axe X.
• La trace dorée montre la valeur actuelle mesurée en PV. Chaque point est distant de 2 µs sur l'axe des X.

Fonctionnement de l'écran tactile dans RAMP Mode 
Le RAMP le mode génère une onde en dents de scie avec des paramètres configurables par l'utilisateur amplitude et décalage.

• La valeur numérique PV (variable de processus) indique le volume RMS ACtage du signal d'entrée en volts.
• Le OV (volume de sortietage) la valeur numérique indique le volume de sortie moyentage appliqué par l'appareil.
• La commande O (décalage) définit le décalage CC du ramp sortie en volts. 4 V est le maximum et -4 V est le minimum autorisé.
• Le A (ample contrôle de litude) définit la amplitude du ramp sortie en volts. 4 V est le maximum et -4 V est le minimum autorisé.
• La bascule STOP-RUN désactive et active respectivement la boucle servo.
• Le RAMP Le menu déroulant permet à l'utilisateur de sélectionner le mode de fonctionnement.
• La trace dorée montre la réponse de l'usine synchronisée avec le volume de balayage de sortietage. Chaque point est espacé de 195 µs sur l’axe des X.

Fonctionnement de l'écran tactile en mode PEAK
Le mode PEAK implémente un contrôleur de recherche d'extremum avec une fréquence de modulation configurable par l'utilisateur, amplitude et constante d'intégration. Notez que la modulation et la démodulation sont toujours actives lorsque l'appareil est en mode PEAK ; le commutateur marche-arrêt active et désactive le gain intégral dans la boucle de contrôle du dithering.

• La valeur numérique PV (variable de processus) indique le volume RMS ACtage du signal d'entrée en volts.
• Le OV (volume de sortietage) la valeur numérique indique le volume de sortie moyentage appliqué par l'appareil.
• La valeur numérique M (multiplicateur de fréquence de modulation) indique le multiple de 100 Hz de la fréquence de modulation. Par exempleampsi M = 1 comme indiqué, la fréquence de modulation est de 100 Hz. La fréquence de modulation maximale est de 100 kHz, avec une valeur M de 1000. En général, des fréquences de modulation plus élevées sont recommandées, à condition que l'actionneur de commande soit réactif à cette fréquence.
• Le A (ample contrôle de litude) définit la ampLitude de la modulation en volts, notée en notation technique. 4 V est le maximum et -4 V est le minimum autorisé.
• Le contrôle K (coefficient intégral de verrouillage de crête) définit la constante d'intégration du contrôleur, avec des unités de V/s, notées en notation technique. Si l'utilisateur ne sait pas comment configurer cette valeur, il est généralement conseillé de commencer par une valeur autour de 1.
• La bascule STOP-RUN désactive et active respectivement la boucle servo.
• Le menu déroulant PEAK permet à l'utilisateur de sélectionner le mode de fonctionnement.
• La trace dorée montre la réponse de l'usine synchronisée avec le volume de balayage de sortietage. Chaque point est espacé de 195 µs sur l’axe des X.

Logiciel
Le logiciel du contrôleur d'asservissement numérique est conçu pour permettre à la fois le contrôle des fonctionnalités de base via une interface informatique et fournit un ensemble étendu d'outils d'analyse pour l'utilisation du contrôleur. Par exempleample, l'interface graphique comprend un tracé qui peut afficher le volume d'entréetage dans le domaine fréquentiel. De plus, les données peuvent être exportées au format .csv fileCe logiciel permet d'utiliser l'appareil en mode servo, peak ou ramp modes avec contrôle de tous les paramètres et réglages. La réponse du système peut être viewed comme le volume d'entréetage, signal d'erreur, ou les deux, dans les représentations du domaine temporel ou du domaine fréquentiel. Veuillez consulter le manuel pour plus d'informations.

Lancement du logiciel
Après avoir lancé le logiciel, cliquez sur « Connecter » pour afficher la liste des appareils DSC disponibles. Plusieurs appareils DSC peuvent être contrôlés simultanément.

Figure 5
Écran de lancement du logiciel client DSCX.

Figure 6 Fenêtre de sélection de périphérique. Cliquez sur OK pour vous connecter au périphérique sélectionné.

Onglet Logiciel Servo
L'onglet Servo permet à l'utilisateur de faire fonctionner l'appareil en mode servo avec des commandes et des affichages supplémentaires au-delà de ceux fournis par l'interface utilisateur à écran tactile intégrée sur l'appareil lui-même. Sur cet onglet, des représentations du domaine temporel ou fréquentiel de la variable de processus sont disponibles. La réponse du système peut être viewLes données peuvent être définies comme variable de processus, signal d'erreur ou les deux. Le signal d'erreur est la différence entre la variable de processus et le point de consigne. À l'aide de techniques d'analyse de contrôle, la réponse impulsionnelle, la réponse en fréquence et la réponse en phase de l'appareil peuvent être prédites, à condition que certaines hypothèses sur le comportement du système et les coefficients de gain soient formulées. Ces données sont affichées dans l'onglet de contrôle du servo afin que les utilisateurs puissent configurer leur système de manière préventive, avant de commencer les expériences de contrôle.

Figure 7 Interface logicielle dans Ramp mode avec affichage dans le domaine fréquentiel. 

• Activer les lignes de la grille X : cocher la case active les lignes de la grille X.
• Activer les lignes de grille Y : cocher la case active les lignes de grille Y.
• Bouton Exécuter / Pause : Appuyer sur ce bouton démarre / arrête la mise à jour des informations graphiques sur l'écran.
• Basculement fréquence/temps : bascule entre le traçage dans le domaine fréquentiel et dans le domaine temporel.
• Bascule PSD / ASD : bascule entre la densité spectrale de puissance et ampdensité spectrale de litude axes verticaux.
• Analyses moyennes : l'activation et la désactivation de ce commutateur activent et désactivent le calcul de la moyenne dans le domaine fréquentiel.
• Scans In Average : cette commande numérique détermine le nombre de scans à calculer en moyenne. Le minimum est de 1 scan et le maximum de 100 scans. Les flèches haut et bas d'un clavier augmentent et diminuent le nombre de scans dans la moyenne. De même, les boutons haut et bas adjacents à la commande augmentent et diminuent le nombre de scans dans la moyenne.
• Charger : appuyer sur ce bouton dans le panneau Spectre de référence permet à l’utilisateur de sélectionner un spectre de référence enregistré sur le PC client.
• Enregistrer : appuyer sur ce bouton dans le panneau Spectre de référence permet à l'utilisateur d'enregistrer les données de fréquence actuellement affichées sur son PC. Après avoir cliqué sur ce bouton, une sauvegarde est effectuée. file La boîte de dialogue permettra à l'utilisateur de choisir l'emplacement de stockage et de saisir le file nom de leurs données. Les données sont enregistrées au format CSV (valeurs séparées par des virgules).
• Afficher la référence : cocher cette case permet d’afficher le dernier spectre de référence sélectionné.
• Mise à l'échelle automatique de l'axe Y : cocher la case permet de définir automatiquement les limites d'affichage de l'axe Y.
• Mise à l'échelle automatique de l'axe X : cocher cette case permet de définir automatiquement les limites d'affichage de l'axe X.
• Axe X logarithmique : cocher la case permet de basculer entre un affichage de l'axe X logarithmique et linéaire.
• Exécuter PID : l’activation de cette bascule active la boucle d’asservissement sur l’appareil.
• O Numérique : Cette valeur définit le décalage voltage en volt.
• SP numérique : cette valeur définit le point de consigne voltage en volt.
• Kp Numérique : Cette valeur définit le gain proportionnel.
• Ki Numérique : Cette valeur définit le gain intégral en 1/s.
• Kd Numérique : Cette valeur définit le gain dérivé en s.
• Boutons P, I, D : Ces boutons activent respectivement le gain proportionnel, intégral et dérivé lorsqu'ils sont allumés.
• Basculement Exécution/Arrêt : basculer ce commutateur active et désactive le contrôle.

L'utilisateur peut également utiliser la souris pour modifier l'étendue des informations affichées : 

• La molette de la souris permet de zoomer et de dézoomer le tracé en direction de la position actuelle du pointeur de la souris.
• SHIFT + Clic transforme le pointeur de la souris en signe plus. Ensuite, le bouton gauche de la souris permet de zoomer sur la position du pointeur de la souris d'un facteur 3. L'utilisateur peut également faire glisser et sélectionner une zone du graphique pour effectuer un zoom avant.
• ALT + clic transforme le pointeur de la souris en signe moins. Le bouton gauche de la souris permet ensuite de dézoomer d'un facteur 3 par rapport à la position du pointeur de la souris.
• Les gestes d'écartement et de pincement sur un tapis de souris ou un écran tactile permettent respectivement de zoomer et de dézoomer sur le graphique.
• Après le défilement, un clic sur le bouton gauche de la souris permettra à l'utilisateur de se déplacer en faisant glisser la souris.
• Un clic droit sur le graphique restaurera la position par défaut du graphique.

Ramp Onglet Logiciel
Le Ramp L'onglet offre des fonctionnalités comparables à celles du ramp onglet sur l'écran tactile intégré. Le passage à cet onglet met l'appareil connecté en mode ramp mode.

Figure 8
Interface logicielle dans Ramp mode.

En plus des commandes disponibles en mode Servo, le Ramp le mode ajoute : 

• Amplitude Numérique : Cette valeur définit l'analyse amplitude en volts.
• Décalage numérique : cette valeur définit le décalage de numérisation en volts.
• Exécuter / Arrêter Ramp Basculer : basculer ce commutateur active et désactive le ramp.

Onglet Logiciel Peak 
L'onglet Peak Control offre les mêmes fonctionnalités que le mode PEAK sur l'interface utilisateur intégrée, avec une visibilité supplémentaire sur la nature du signal de retour du système. Le passage à cet onglet permet de basculer l'appareil connecté vers le mode de fonctionnement PEAK.

Figure 9 Interface logicielle en mode Peak avec l'affichage du domaine temporel.

En plus des commandes disponibles en mode Servo, le mode Peak ajoute : 

• Amplitude numérique : Cette valeur définit la modulation amplitude en volts.
• K numérique : il s'agit du coefficient intégral de verrouillage de crête ; la valeur définit la constante de gain intégral en V/s.
• Décalage numérique : Cette valeur définit le décalage en volts.
• Fréquence numérique : définit le multiplicateur de fréquence de modulation par incréments de 100 Hz. La valeur minimale autorisée est de 100 Hz et la valeur maximale est de 100 kHz.
• Basculement entre marche/arrêt et crête : basculer ce commutateur permet d'activer et de désactiver le gain intégral. Notez que lorsque l'appareil est en mode crête, la modulation de sortie et la démodulation du signal d'erreur sont actives.

Données enregistrées 
Les données sont enregistrées au format CSV (valeurs séparées par des virgules). Un bref en-tête conserve les données pertinentes des données enregistrées. Si le format de ce fichier CSV est modifié, le logiciel peut ne pas être en mesure de récupérer un spectre de référence. Par conséquent, l'utilisateur est encouragé à enregistrer ses données dans une feuille de calcul distincte. file s’ils ont l’intention de procéder à une analyse indépendante.

Figure 10 Données au format .csv exportées depuis le DSC1. 

Théorie de fonctionnement

Contrôle d'asservissement PID
Le circuit PID est souvent utilisé comme contrôleur de rétroaction de boucle de contrôle et est très courant dans les circuits servo. Le but d'un circuit servo est de maintenir le système à une valeur prédéterminée (point de consigne) pendant des périodes prolongées. Le circuit PID maintient activement le système au point de consigne en générant un signal d'erreur qui est la différence entre le point de consigne et la valeur actuelle et en modulant un volume de sortietage pour maintenir le point de consigne. Les lettres qui composent l'acronyme PID correspondent à Proportionnel (P), Intégral (I) et Dérivé (D), qui représentent les trois paramètres de contrôle d'un circuit PID.

Le terme proportionnel dépend de l'erreur actuelle, le terme intégral dépend de l'accumulation de l'erreur passée et le terme dérivé est la prédiction de l'erreur future. Chacun de ces termes est introduit dans une somme pondérée qui ajuste le volume de sortie.tage du circuit, u(t). Cette sortie est transmise au dispositif de commande, sa mesure est renvoyée dans la boucle PID et le processus est autorisé à stabiliser activement la sortie du circuit pour atteindre et maintenir la valeur de consigne. Le schéma fonctionnel ci-dessous illustre l'action d'un circuit PID. Une ou plusieurs commandes peuvent être utilisées dans n'importe quel circuit servo en fonction de ce qui est nécessaire pour stabiliser le système (c'est-à-dire P, I, PI, PD ou PID).

Veuillez noter qu'un circuit PID ne garantit pas un contrôle optimal. Un réglage incorrect des commandes PID peut provoquer une oscillation importante du circuit et entraîner une instabilité du contrôle. Il appartient à l'utilisateur de régler correctement les paramètres PID pour garantir des performances optimales.

Théorie PID 

Théorie PID pour un contrôleur d'asservissement continu : Comprendre la théorie PID pour un contrôle servo optimal.
La sortie du circuit de contrôle PID, u(t), est donnée par

Où:

• ?? est le gain proportionnel, sans dimension
• ?? est le gain intégral en 1/seconde
• ?? est le gain dérivé en secondes
• ?(?) est le signal d'erreur en volts
• ?(?) est la sortie de contrôle en volts

À partir de là, nous pouvons définir mathématiquement les unités de contrôle et discuter de chacune d'elles un peu plus en détail. Le contrôle proportionnel est proportionnel au signal d'erreur ; en tant que tel, il s'agit d'une réponse directe au signal d'erreur généré par le circuit :
? = ???(?)
Un gain proportionnel plus important entraîne des changements plus importants en réponse à l'erreur et affecte donc la vitesse à laquelle le contrôleur peut répondre aux changements du système. Alors qu'un gain proportionnel élevé peut amener un circuit à répondre rapidement, une valeur trop élevée peut provoquer des oscillations autour de la valeur SP. Une valeur trop faible et le circuit ne peut pas répondre efficacement aux changements du système. Le contrôle intégral va plus loin que le gain proportionnel, car il est proportionnel non seulement à l'amplitude du signal d'erreur mais également à la durée de toute erreur accumulée.

Le contrôle intégral est très efficace pour augmenter le temps de réponse d'un circuit tout en éliminant l'erreur en régime permanent associée au contrôle purement proportionnel. En substance, le contrôle intégral additionne toute erreur non corrigée auparavant, puis multiplie cette erreur par Ki pour produire la réponse intégrale. Ainsi, même pour une petite erreur soutenue, une grande réponse intégrale agrégée peut être réalisée. Cependant, en raison de la réponse rapide du contrôle intégral, des valeurs de gain élevées peuvent provoquer un dépassement important de la valeur SP et conduire à des oscillations et à une instabilité. Trop faible et le circuit sera considérablement plus lent à répondre aux changements du système. Le contrôle dérivé tente de réduire le dépassement et le potentiel de sonnerie du contrôle proportionnel et intégral. Il détermine la vitesse à laquelle le circuit évolue au fil du temps (en examinant la dérivée du signal d'erreur) et le multiplie par Kd pour produire la réponse dérivée.

Contrairement au contrôle proportionnel et intégral, le contrôle dérivé ralentit la réponse du circuit. Ce faisant, il est capable de compenser partiellement le dépassement ainsi que damp élimine toutes les oscillations causées par le contrôle intégral et proportionnel. Des valeurs de gain élevées entraînent une réponse très lente du circuit et peuvent le rendre sensible au bruit et aux oscillations à haute fréquence (car le circuit devient trop lent pour répondre rapidement). Si le gain est trop faible, le circuit est susceptible de dépasser la valeur de consigne. Cependant, dans certains cas, il faut éviter de dépasser la valeur de consigne de manière significative et donc un gain dérivé plus élevé (avec un gain proportionnel plus faible) peut être utilisé. Le tableau ci-dessous explique les effets de l'augmentation du gain de l'un des paramètres indépendamment.

Paramètre Augmenté	Temps de montée	Dépasser	Temps de prise	Erreur à l'état stable	Stabilité
Kp	Diminuer	Augmenter	Petite monnaie	Diminuer	Dégrader
Ki	Diminuer	Augmenter	Augmenter	Diminuer de manière significative	Dégrader
Kd	Légère diminution	Légère diminution	Légère diminution	Aucun effet	Améliorer (pour les petits Kd)

Contrôleurs d'asservissement à temps discret 

Format des données
Le contrôleur PID du DSC1 reçoit un ADC 16 bitsample, qui est un nombre binaire décalé, qui peut aller de 0 à 65535. 0 correspond linéairement à une entrée négative de 4 V et 65535 représente un signal d'entrée de +4 V. Le signal « d'erreur », ?[?], dans la boucle PID à un pas de temps ? est déterminé comme ?[?] = ? − ?[?] Où ? est le point de consigne et ?[?] est le voltagframple dans l'échelle binaire décalée à un pas de temps discret, ?.

Loi de commande dans le domaine temporel
Trois termes de gain sont calculés et additionnés.
?[?] = ??[?] + ??[?] + ??[?] ?? = ???[?] ?? ≈ ?? ∫ ?[?] ?? = ??(?[?] − ?[? − 1])
Où ??[?], ??[?] et ??[?] sont les gains proportionnels, intégraux et dérivés comprenant la sortie de commande ?[?] à un pas de temps ?. ??, ?? et ?? sont les coefficients de gain proportionnel, intégral et dérivé.

Approximation de l'intégrale et de la dérivée
Le DSC1 approxime un intégrateur avec un accumulateur.
∫ ?[?] = ?[?] + ∫ ?[? − 1] La prise en compte de l'intervalle d'intégration, la largeur du pas de temps, est intégrée dans le coefficient de gain intégral ?? tel que : ?? = ?′?ℎ
Où ?′? est le coefficient de gain intégral entré nominalement et ℎ est le temps entre les ADCamples. Nous faisons une approximation similaire de la dérivée comme la différence entre ?[?] et ?[? − 1] en supposant à nouveau que ?? contient également une mise à l'échelle 1 / h.

Comme mentionné précédemment, considérons maintenant que les approximations intégrales et dérivées n'incluaient aucune considération du pas de temps (sampl'intervalle), ci-après ℎ. Traditionnellement, nous disons une approximation explicite du premier ordre d'une variable ?[?] avec = ?(?, ?) basé sur les termes d'un développement en série de Taylor est ?[?] ≈ ?[? − 1] + ℎ ?(?, ?)
On parle souvent de schéma d'intégration d'Euler rétrograde ou d'intégrateur numérique explicite du premier ordre. Si nous résolvons la dérivée, ?(?, ?), nous trouvons :

Notez la similitude du numérateur ci-dessus avec notre approximation de la dérivée dans l'équation de contrôle. Cela signifie que notre approximation de la dérivée est plus judicieusement mise à l'échelle par ℎ−1.

Il imite également intuitivement le théorème fondamental du calcul :

Maintenant, si nous disons que ? est l'intégrale du signal d'erreur ?, nous pouvons faire les substitutions suivantes.
?[?]=∫?[?] ?(?,?)= ?[?] Et nous obtenons à partir de l'approximation de la série de Taylor du premier ordre d'une fonction ? : ∫?[?]=∫?[?−1]+ℎ ?(?)
En supposant simplement ∫?[?]=0 pour ?=0, l’approximation précédente d’une intégrale se condense pratiquement en un accumulateur.

Nous ajustons donc notre dérivation antérieure de la loi de commande à :

Loi de commande dans le domaine fréquentiel
Bien que l'équation dérivée dans la section précédente informe sur le comportement dans le domaine temporel du contrôleur PID à temps discret implémenté dans le DSC1, elle en dit peu sur la réponse dans le domaine fréquentiel du contrôleur. Au lieu de cela, nous introduisons le domaine ?, qui est analogue au domaine de Laplace, mais pour le temps discret plutôt que continu. Similairement à la transformée de Laplace, la transformée Z d'une fonction est le plus souvent déterminée en assemblant des relations de transformée Z tabulées, plutôt qu'en remplaçant directement la définition de la transformée Z (illustrée ci-dessous).

Où ?(?) est l'expression dans le domaine Z d'une variable temporelle discrète ?[?], ? est le rayon (souvent considéré comme 1) de la variable indépendante ?, ? est la racine carrée de -1 et ∅ est l'argument complexe en radians ou en degrés. Dans ce cas, seules deux transformations Z tabulées sont nécessaires.
?[?] = ?[?] ?[? − 1] = ?[?]?−1
La transformée en Z du terme proportionnel, ??, est triviale. Veuillez également accepter un instant qu'il nous soit utile de déterminer l'erreur pour contrôler la fonction de transfert, ?(?), plutôt que simplement ?(?).

La transformée en Z du terme intégral, ??, est plus intéressante.
Rappelons notre schéma d'intégration d'Euler explicite dans la section précédente : ??(?) = ?? ∫ ?[?] = ?? (∫ ?[? − 1] + ℎ ?(?))
∫ ?(?) = ∫ ?(?) ?−1 + ℎ?(?)
∫ ?(?) − ∫ ?(?) ?−1 = ℎ?(?)

Enfin, nous examinons le gain dérivé, ??: 

En assemblant chacune des fonctions de transfert ci-dessus, nous arrivons à : 

Avec cette équation, nous pouvons calculer numériquement la réponse du domaine de fréquence pour le contrôleur et l'afficher sous forme de diagramme de Bode, comme ci-dessous.
Fonctions de transfert PID, Kp = 1.8, Ki = 1.0, Kd = 1E-4

Notez comment le gain du contrôleur PI approche uniquement le gain proportionnel et les hautes fréquences et comment le gain du contrôleur PD approche uniquement le gain proportionnel aux basses fréquences.

Réglage PID
En général, les gains de P, I et D devront être ajustés par l'utilisateur afin d'optimiser les performances du système. Bien qu'il n'existe pas d'ensemble de règles statiques concernant les valeurs à appliquer à un système spécifique, le respect des procédures générales devrait aider à régler un circuit en fonction de son système et de son environnement. En général, un circuit PID correctement réglé dépassera légèrement la valeur SP, puis rapidementamp pour atteindre la valeur SP et la maintenir stable à ce point. La boucle PID peut se verrouiller sur une pente positive ou négative en changeant le signe des gains P, I et D. Dans le DSC1, les signes sont verrouillés ensemble, donc en changeant l'un d'eux, ils seront tous modifiés.

Le réglage manuel des paramètres de gain est la méthode la plus simple pour régler les commandes PID. Cependant, cette procédure est effectuée de manière active (le contrôleur PID est connecté au système et la boucle PID est activée) et nécessite une certaine expérience pour obtenir de bons résultats. Pour régler manuellement votre contrôleur PID, définissez d'abord les gains intégral et dérivé sur zéro. Augmentez le gain proportionnel jusqu'à ce que vous observiez une oscillation dans la sortie. Votre gain proportionnel doit alors être réglé à environ la moitié de cette valeur. Une fois le gain proportionnel défini, augmentez le gain intégral jusqu'à ce que tout décalage soit corrigé sur une échelle de temps adaptée à votre système.

Si vous augmentez trop ce gain, vous observerez un dépassement important de la valeur SP et une instabilité dans le circuit. Une fois le gain intégral défini, le gain dérivé peut alors être augmenté. Le gain dérivé réduira le dépassement et damp Le système atteint rapidement la valeur de consigne. Si vous augmentez trop le gain dérivé, vous constaterez un dépassement important (en raison du fait que le circuit est trop lent à réagir). En jouant avec les réglages de gain, vous pouvez optimiser les performances de votre circuit PID, ce qui permet d'obtenir un système qui réagit rapidement aux changements et qui réagit efficacement.amps'il y a une oscillation autour de la valeur de consigne.

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

Bien que le réglage manuel puisse être très efficace pour régler un circuit PID pour votre système spécifique, il nécessite une certaine expérience et une certaine compréhension des circuits PID et de leur réponse. La méthode Ziegler-Nichols pour le réglage PID offre un guide plus structuré pour définir les valeurs PID. Là encore, vous souhaiterez régler le gain intégral et dérivé à zéro. Augmentez le gain proportionnel jusqu'à ce que le circuit commence à osciller. Nous appellerons ce niveau de gain Ku. L'oscillation aura une période de Pu. Les gains pour différents circuits de contrôle sont ensuite donnés dans le tableau ci-dessus. Notez que lorsque vous utilisez la méthode de réglage Ziegler-Nichols avec le DSC1, le terme intégral déterminé à partir du tableau doit être multiplié par 2⋅10-6 pour se normaliser à la valeur sample taux. De même, le coefficient dérivé doit être divisé par 2⋅10-6 pour se normaliser au sample taux.

Ramping
Les utilisateurs doivent souvent déterminer le point de fonctionnement à signal élevé ou le point de consigne utile pour un système. Pour déterminer le point de fonctionnement à signal élevé (ci-après appelé décalage CC) ou le point de consigne optimal du servomoteur, une technique courante consiste simplement à stimuler le système de manière répétée avec un volume augmentant linéairement.tagLe signal est communément appelé onde en dents de scie, en raison de sa ressemblance avec les dents d'une scie.

Mode de verrouillage de pointe
Le mode de verrouillage de crête implémente un algorithme de verrouillage de dithering également connu sous le nom de contrôleur de recherche d'extremum. Dans ce mode de fonctionnement, la valeur de contrôle est superposée sur une sortie d'onde sinusoïdale. Le volume d'entrée mesurétagLe signal est d'abord filtré numériquement par un filtre passe-haut (HPF) pour éliminer tout décalage CC. Le signal couplé en courant alternatif est ensuite démodulé en multipliant chaque volume mesurétage par la valeur de modulation de l'onde sinusoïdale sortante. Cette opération de multiplication crée un signal démodulé avec deux composantes principales : une onde sinusoïdale à la somme des deux fréquences et un signal à la différence des deux fréquences.

Un deuxième filtre numérique, cette fois un filtre passe-bas (LPF), atténue le signal de somme de deux fréquences et transmet le signal de différence de deux fréquences à basse fréquence. Le contenu du signal à la même fréquence que la modulation apparaît comme un signal CC après démodulation. L'étape finale de l'algorithme de verrouillage de crête consiste à intégrer le signal LPF. La sortie de l'intégrateur, combinée à la modulation sortante, pilote le volume de sortie.tage. L'accumulation de l'énergie du signal démodulé à basse fréquence dans l'intégrateur pousse le volume de contrôle du décalagetagLa valeur de sortie augmente de plus en plus jusqu'à ce que le signe de la sortie LPF s'inverse et que la sortie de l'intégrateur commence à diminuer. Au fur et à mesure que la valeur de commande se rapproche du pic de la réponse du système, le résultat de la modulation sur le signal d'entrée du servo-contrôleur devient de plus en plus petit, car la pente d'une forme d'onde sinusoïdale est nulle à son pic. Cela signifie à son tour que la valeur de sortie du signal démodulé filtré passe-bas est plus faible, et donc moins à accumuler dans l'intégrateur.

Figure 12 Schéma fonctionnel d'un contrôleur de verrouillage de crête. Le signal d'entrée de l'installation sensible aux crêtes est numérisé, puis filtré passe-haut. Le signal de sortie HPF est démodulé avec un oscillateur local numérique. La sortie du démodulateur est filtrée passe-bas puis intégrée. La sortie de l'intégrateur est ajoutée au signal de modulation et envoyée à l'installation sensible aux crêtes. Le verrouillage de crête est un bon algorithme de contrôle à choisir lorsque le système que l'utilisateur souhaite contrôler n'a pas une réponse monotone autour du point de contrôle optimal. ExampLes systèmes de ce type sont des supports optiques avec une longueur d'onde de résonance, comme une cellule à vapeur ou un filtre coupe-bande RF (filtre coupe-bande). La caractéristique centrale du schéma de contrôle de verrouillage de crête est la tendance de l'algorithme à orienter le système vers le passage par zéro du signal d'erreur qui coïncide avec un pic dans le signal mesuré, comme si le signal d'erreur était la dérivée du signal mesuré. Notez que le pic peut être positif ou négatif. Pour commencer à utiliser le mode de fonctionnement de verrouillage de crête pour le DSC1, vous pouvez suivre cette procédure.

1. Assurez-vous qu'il y a un pic (ou une vallée) du signal sur lequel vous vous verrouillez dans la plage de contrôle.tagla plage de l'actionneur et que la position de pointe est relativement stable dans le temps. Il est utile d'utiliser le RAMP mode pour visualiser le signal sur le volume de contrôletagla gamme d’intérêt.
2. Notez le volume de contrôletagla position du pic (ou de la vallée).
3. Estimez la largeur du pic (ou de la vallée) dans le volume de contrôletage à la moitié de la hauteur du pic. Cette largeur, en volts, est communément appelée Full-Width Half-Max ou FWHM. Elle doit être d'au moins 0.1 V de large pour obtenir de bons résultats.
4. Régler la modulation amplitude (A) à 1% à 10% du volume FWHMtage.
5. Réglez le volume de décalagetage aussi près que possible de la position du pic (ou de la vallée) sur lequel vous désirez vous verrouiller.
6. Réglez la fréquence de modulation sur la fréquence souhaitée. Sur l'écran tactile, cela est affecté par le paramètre M, fréquence de modulation. La fréquence de modulation est de 100 Hz multipliée par M. La meilleure sélection de fréquence de modulation dépend de l'application. Thorlabs recommande des valeurs autour de 1 kHz pour les actionneurs mécaniques. Des fréquences plus élevées peuvent être utilisées pour les actionneurs électro-optiques.
7. Réglez le coefficient intégral de verrouillage de crête (K) sur 0.1 fois A. K peut être positif ou négatif. En général, K positif se verrouille sur un pic du signal d'entrée, tandis que K négatif se verrouille sur une vallée du signal d'entrée. Cependant, si l'actionneur ou le système verrouillé présente un retard de phase supérieur à 90 degrés à la fréquence de tramage, le signe de K s'inversera et K positif se verrouillera sur une vallée, et K négatif se verrouillera sur un pic.
8. Appuyez sur Exécuter et vérifiez que le volume de contrôletagLa sortie change par rapport à la valeur de décalage d'origine (O) et ne s'éloigne pas vers un extrême. Vous pouvez également surveiller la variable de processus à l'aide d'un oscilloscope pour vérifier que le DSC1 se verrouille sur le pic ou la vallée souhaité.

Figure 13Examples données de rampen réduisant le décalage de sortie voltage avec une onde sinusoïdale continue, imposée à une installation à réponse de pointe. Notez que le passage à zéro du signal d'erreur s'aligne avec le pic du signal de réponse de l'installation.

Entretien et nettoyage
Nettoyez et entretenez régulièrement le DSC1 pour des performances optimales. Le DSC1 ne nécessite aucun entretien régulier. Si l'écran tactile de l'appareil devient sale, Thorlabs recommande de le nettoyer délicatement avec un chiffon doux non pelucheux, imbibé d'alcool isopropylique dilué.

Dépannage et réparation

En cas de problème, reportez-vous à la section de dépannage pour obtenir des conseils sur la résolution des problèmes courants. Le tableau ci-dessous décrit les problèmes typiques rencontrés avec le DSC1 et les solutions recommandées par Thorlabs.

Problème	Explication	Remède
L'appareil ne s'allume pas lorsqu'il est branché sur une alimentation USB Type-C.	L'appareil nécessite jusqu'à 750 mA de courant provenant d'une alimentation de 5 V, soit 3.75 W. Cela peut dépasser les capacités d'alimentation de certains connecteurs USB-A sur les ordinateurs portables et les PC.	Utilisez les blocs d'alimentation Thorlabs DS5 ou CPS1. Vous pouvez également utiliser un bloc d'alimentation USB Type-C, comme celui généralement utilisé pour charger un téléphone ou un ordinateur portable, qui est conçu pour produire au moins 750 mA à 5 V.
L'appareil ne s'allume pas lorsque le port de données est branché sur un PC.	Le DSC1 est alimenté uniquement par le connecteur d'alimentation USB Type-C. Le connecteur USB Type Mini-B est destiné uniquement aux données.	Connectez le port USB Type-C à une alimentation conçue pour produire au moins 750 mA à 5 V, telle que Thorlabs DS5 ou CPS1.

Élimination
Suivez les directives d’élimination appropriées lors de la mise hors service du DSC1.
Thorlabs vérifie notre conformité à la directive DEEE (Déchets d'Équipements Électriques et Electroniques) de la Communauté Européenne et aux lois nationales correspondantes. En conséquence, tous les utilisateurs finaux de la CE peuvent retourner les équipements électriques et électroniques de catégorie Annexe I « en fin de vie » vendus après le 13 août 2005 à Thorlabs, sans encourir de frais d'élimination. Les unités éligibles portent le logo «poubelle à roulettes» barré (voir à droite), ont été vendues et appartiennent actuellement à une entreprise ou un institut au sein de la CE et ne sont ni dissimulées ni contaminées. Contactez Thorlabs pour plus d’informations. Le traitement des déchets relève de votre propre responsabilité. Les unités « en fin de vie » doivent être retournées à Thorlabs ou remises à une entreprise spécialisée dans la valorisation des déchets. Ne jetez pas l'appareil dans une poubelle ou dans une déchetterie publique. Il est de la responsabilité de l'utilisateur de supprimer toutes les données privées stockées sur l'appareil avant de les éliminer.

FAQ:

Q : Que dois-je faire si le DSC1 ne s'allume pas ?
A: Vérifiez la connexion de la source d'alimentation et assurez-vous qu'elle répond aux exigences spécifiées. Si le problème persiste, contactez le support client pour obtenir de l'aide.

Sécurité

AVIS
Cet instrument doit être maintenu à l'écart des environnements où des déversements de liquide ou de condensation d'humidité sont probables. Il n'est pas résistant à l'eau. Pour éviter d'endommager l'instrument, ne l'exposez pas à des aérosols, des liquides ou des solvants.

Installation

Informations sur la garantie
Cet appareil de précision n'est réparable que s'il est retourné et correctement emballé dans son emballage d'origine complet, y compris l'envoi complet plus l'insert en carton contenant les appareils fournis. Si nécessaire, demandez un emballage de remplacement. Confiez l'entretien à du personnel qualifié.

Composants inclus

Le contrôleur d'asservissement numérique compact DSC1 est livré avec les composants suivants :

• Contrôleur de servo numérique DSC1
• Carte de démarrage rapide
• Câble de données USB 72 Type-A vers Mini-B USB-AB-2.0, 72″ (1.83 m) de long
• Câble d'alimentation USB Type-A vers USB Type-C, 1 m (39″) de long
• Câble coaxial SMB vers BNC PAA248, 48 po (1.22 m) de long (quantité 2)

Installation et configuration

Notions de base 
Les utilisateurs peuvent configurer l'appareil avec un ordinateur à l'aide de l'interface USB ou via l'écran tactile intégré. Dans les deux cas, l'alimentation doit être fournie via la connexion USB-C 5 V. Lorsque vous utilisez l'interface graphique de bureau, le contrôleur de servo doit être connecté avec un câble USB 2.0 (inclus) du port de données de l'appareil à un PC sur lequel le logiciel Digital Servo Controller est installé.

Boucles de masse et DSC1
Le DSC1 comprend des circuits internes pour limiter la probabilité de boucles de terre. Thorlabs suggère d'utiliser soit l'alimentation régulée DS5 isolée par transformateur, soit le bloc-batterie externe CPS1. Avec les alimentations DS5 ou CPS1, la masse du signal dans le DSC1 flotte par rapport à la terre d'une prise murale. Les seules connexions à l'appareil qui sont communes à cette masse du signal sont la broche de masse du signal du connecteur d'alimentation USB-C et le chemin de retour extérieur sur le câble coaxial SMB de sortie. La connexion de données USB est isolée. Le signal d'entrée possède une résistance de rupture de boucle de terre entre le chemin de retour du signal et la masse du signal dans l'instrument, ce qui empêche généralement les interférences de boucle de terre. Il est important de noter qu'il n'y a pas deux chemins directs vers la masse du signal de l'appareil, ce qui minimise l'apparition de boucles de terre.

Pour atténuer davantage le risque d’interférence de boucle de masse, Thorlabs suggère les bonnes pratiques suivantes : 

• Gardez tous les câbles d’alimentation et de signal de l’appareil courts.
• Utilisez une alimentation à batterie (CPS1) ou à transformateur isolé (DS5) avec le DSC1. Cela garantit une mise à la terre flottante du signal de l'appareil.
• Ne connectez pas les chemins de retour du signal d'autres instruments les uns aux autres.
  • Un ex communampLe le est un oscilloscope de table typique ; le plus souvent, les coques extérieures des connexions d'entrée BNC sont directement connectées à la terre. Plusieurs pinces de terre connectées au même nœud de terre au cours d'une expérience peuvent provoquer une boucle de terre.

Bien qu'il soit peu probable que le DSC1 provoque lui-même une boucle de masse, d'autres instruments dans le laboratoire d'un utilisateur peuvent ne pas avoir d'isolation de boucle de masse et pourraient donc être une source de boucles de masse.

Alimentation du DSC1
Le contrôleur de servo numérique DSC1 nécessite une alimentation de 5 V via l'USB-C avec un courant de crête allant jusqu'à 0.75 A et 0.55 A en fonctionnement normal. Thorlabs propose deux alimentations compatibles : la CPS1 et la DS5. Dans les applications où la sensibilité au bruit est moins limitée ou lorsque des durées de fonctionnement supérieures à 8 heures sont requises, l'alimentation régulée DS5 est recommandée. L'alimentation par batterie CPS1 est recommandée lorsque des performances optimales en matière de bruit sont souhaitées. Avec la CPS1 entièrement chargée et en bon état, la DSC1 peut fonctionner pendant 8 heures ou plus sans recharge.

Contacts Thorlabs dans le monde

Pour plus d'assistance ou de renseignements, veuillez vous référer aux contacts internationaux de Thorlabs. Pour toute demande d'assistance technique ou de vente, veuillez nous rendre visite à l'adresse www.thorlabs.com/contact pour nos coordonnées les plus récentes.

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Documents / Ressources

Contrôleur d'asservissement numérique compact THORLABS DSC1 [pdf] Guide de l'utilisateur DSC1, Contrôleur de servomoteur numérique compact DSC1, DSC1, Contrôleur de servomoteur numérique compact, Contrôleur de servomoteur numérique, Contrôleur de servomoteur, Contrôleur

Références

• Manuel d'utilisation