Servocontrolador dixital compacto THORLABS DSC1

Especificacións:

• Nome do produto: servocontrolador dixital compacto DSC1
• Uso recomendado: Con fotodetectores e actuadores de Thorlabs
• Actuadores compatibles: Piezo amplificadores, controladores de diodos láser, controladores TEC, moduladores electro-ópticos
• Conformidade: marcas CE/UKCA

Instrucións de uso do produto

Introdución

Uso previsto: O DSC1 é un servocontrolador dixital compacto deseñado para uso xeral de laboratorio en investigación e industria. O DSC1 mide un voltage, calcula un sinal de realimentación segundo o algoritmo de control seleccionado polo usuario e emite un voltage. O produto só se pode utilizar de acordo coas instrucións descritas neste manual. Calquera outro uso invalidará a garantía. Calquera intento de reprogramar, desmontar códigos binarios ou alterar doutro xeito as instrucións da máquina de fábrica nun DSC1, sen o consentimento de Thorlabs, invalidará a garantía. Thorlabs recomenda usar o DSC1 cos fotodetectores e actuadores de Thorlabs. ExampOs ficheiros dos actuadores de Thorlabs que son ben axeitados para usar co DSC1 son os piezoeléctricos de Thorlabs amplificadores, controladores de diodos láser, controladores de enfriadores termoeléctricos (TEC) e moduladores electro-ópticos.

Explicación das advertencias de seguridade

NOTA Indica información considerada importante, pero non relacionada co perigo, como posibles danos no produto.
As marcas CE/UKCA do produto son a declaración do fabricante de que o produto cumpre cos requisitos esenciais da lexislación europea en materia de saúde, seguridade e protección ambiental.
O símbolo da papeleira no produto, nos accesorios ou na embalaxe indica que este dispositivo non debe ser tratado como residuos urbanos sen clasificar, senón que se debe recoller por separado.

Descrición
O servocontrolador dixital DSC1 de Thorlabs é un instrumento para o control de retroalimentación de sistemas electro-ópticos. O dispositivo mide un vol de entradatage, determina unha retroalimentación adecuada voltage a través dun dos varios algoritmos de control, e aplica esta retroalimentación a un vol de saídatage canle. Os usuarios poden optar por configurar o funcionamento do dispositivo a través da pantalla táctil integrada, unha interface gráfica de usuario (GUI) de PC de escritorio remoto ou un kit de desenvolvemento de software (SDK) remoto para PC. O servocontrolador sampos voltage datos con resolución de 16 bits a través dun porto de entrada coaxial SMB a 1 MHz.

Para proporcionar o voltage medicións, circuítos aritméticos dentro do dispositivo medias cada dous samples para un s eficazampfrecuencia de 500 kHz. Os datos dixitalizados son procesados ​​por un microprocesador a alta velocidade utilizando técnicas de procesamento de sinal dixital (DSP). O usuario pode escoller entre os algoritmos de control SERVO e PEAK. Alternativamente, o usuario pode probar unha resposta do sistema a DC voltage para determinar o punto de referencia do servo con RAMP modo operativo, que emite unha onda de dente de serra sincrónica coa entrada. A canle de entrada ten un ancho de banda típico de 120 kHz. A canle de saída ten un ancho de banda típico de 100 kHz. O desfase de -180 graos do vol. de entrada a saídatagA función de transferencia deste servocontrolador é normalmente de 60 kHz.

Datos técnicos

Especificacións

Especificacións de funcionamento
Ancho de banda do sistema	DC a 100 kHz
Frecuencia de entrada a saída -180 graos	>58 kHz (60 kHz típico)
Entrada nominal Sampling Resolución	16 bits
Resolución de saída nominal	12 bits
Vol. Máximo de entradatage	± 4 V
Vol. Máxima de saídatageb	± 4 V
Corriente de entrada máxima	100 mA
Chan de ruído medio	-120 dB V2/Hz
Pico de ruído	-105 dB V2/Hz
Ruído RMS de entradac	0.3 mV
Entrada SampFrecuencia ling	1 MHz
Frecuencia de actualización do PIDd	500 kHz
Rango de frecuencia de modulación de bloqueo de pico	100 Hz – 100 kHz en pasos de 100 Hz
Terminación de entrada	1 MΩ
Impedancia de saídab	220 Ω

• a. Esta é a frecuencia á que a saída alcanza un desfase de -180 graos en relación coa entrada.
• b. A saída está deseñada para conectarse a dispositivos de alta Z (>100 kΩ). A conexión de dispositivos con terminación de entrada máis baixa, Rdev, reducirá o volume de saídatage rango de Rdev/(Rdev + 220 Ω) (por exemplo, un dispositivo con terminación de 1 kΩ dará o 82 % do vol de saída nominaltagrango e).
• c. O ancho de banda de integración é de 100 Hz - 250 kHz.
• d. Un filtro de paso baixo reduce os artefactos de dixitalización no control de saída voltage, resultando nun ancho de banda de saída de 100 kHz.

Requisitos Eléctricos
Vol. Subministracióntage	4.75-5.25 V DC
Corrente de subministración	750 mA (máximo)
Rango de temperaturaa	0 °C a 70 °C

• a Intervalo de temperatura sobre o cal o dispositivo pode funcionar sen O funcionamento óptimo prodúcese cando está preto da temperatura ambiente.

Requisitos do sistema
Sistema Operativo	Windows 10® (recomendado) ou 11, 64 bits necesarios
Memoria (RAM)	4 GB mínimo, 8 GB recomendado
Storaxe	300 MB (mínimo) de espazo en disco dispoñible
Interface	USB 2.0
Resolución de pantalla mínima	1200 x 800 píxeles

Debuxos Mecánicos 

Declaración de conformidade simplificada
O texto completo da declaración UE de conformidade está dispoñible no seguinte enderezo de internet: https://Thorlabs.com/newgrouppage9.cfm?objectgroup_id=16794

Denominación FCC 

Nota: Este equipo foi probado e comprobouse que cumpre cos límites para un dispositivo dixital de Clase A, segundo a parte 15 das normas da FCC. Estes límites están deseñados para proporcionar unha protección razoable contra interferencias prexudiciais cando o equipo funciona nun ambiente comercial. Este equipo xera, usa e pode irradiar enerxía de radiofrecuencia e, se non se instala e usa de acordo co manual de instrucións, pode causar interferencias prexudiciais nas comunicacións por radio. O funcionamento deste equipo nunha zona residencial é probable que cause interferencias prexudiciais, en cuxo caso o usuario terá que corrixir a interferencia pola súa conta.

Avisos de seguridade: As marcas CE/UKCA indican o cumprimento da lexislación europea sobre saúde, seguridade e protección ambiental.

Operación

Fundamentos: Familiarizarse coas funcións básicas do DSC1.

Ground Loops e DSC1: Asegúrese de conectar a terra adecuada para evitar interferencias.

Alimentación do DSC1: Conecte a fonte de enerxía seguindo as pautas proporcionadas.

Pantalla táctil 

Iniciando a interface de pantalla táctil 
Despois de conectarse á alimentación e dun breve quecemento en menos dun segundo, o DSC1 iluminará a pantalla táctil integrada e a pantalla responderá ás entradas.

Funcionamento da pantalla táctil no modo SERVO
O modo SERVO implementa un controlador PID.

Figura 2 Pantalla táctil no modo de operación servo co controlador PID activado no modo de control PI. 

• O valor numérico PV (variable de proceso) mostra o voltage do sinal de entrada en voltios.
• O OV (vol de saídatage) o valor numérico mostra o volume medio de saídatage do DSC1.
• O control S (punto de consigna) establece o punto de consigna do bucle de servo en voltios. 4 V é o máximo e -4 V é o mínimo permitido.
• O control O (offset) establece a compensación de CC do bucle de servo en voltios. 4 V é o máximo e -4 V é o mínimo permitido.
• O control P (proporcional) establece o coeficiente de ganancia proporcional. Este pode ser un valor positivo ou negativo entre 10-5 e 10,000, anotado en notación de enxeñería.
• O control I (integral) establece o coeficiente de ganancia integral. Este pode ser un valor positivo ou negativo entre 10-5 e 10,000, anotado en notación de enxeñería.
• O control D (derivada) establece o coeficiente de ganancia derivada. Este pode ser un valor positivo ou negativo entre 10-5 e 10,000, anotado en notación de enxeñería.
• O interruptor STOP-RUN desactiva e activa o bucle de servo.
• Os botóns P, I e D activan (iluminados) e desactivan (azul escuro) cada ganancia stage no bucle de servo PID.
• O menú despregable SERVO permite ao usuario seleccionar o modo de funcionamento.
• O trazo verde azulado mostra o punto de referencia actual. Cada punto está separado 2 µs no eixe X.
• A traza dourada mostra o PV medido actual. Cada punto está separado 2 µs no eixe X.

Funcionamento da pantalla táctil en RAMP Modo 
O RAMP O modo produce unha onda de dente de serra configurable polo usuario amplititude e compensación.

• O valor numérico PV (variable de proceso) mostra o voltage do sinal de entrada en voltios.
• O OV (vol de saídatage) o valor numérico mostra o volume medio de saídatage aplicado polo dispositivo.
• O control O (offset) establece o offset DC do ramp saída en voltios. 4 V é o máximo e -4 V é o mínimo permitido.
• O A (amplititude) control establece o amplitude da ramp saída en voltios. 4 V é o máximo e -4 V é o mínimo permitido.
• O interruptor STOP-RUN desactiva e activa o bucle de servo respectivamente.
• O RAMP menú despregable permite ao usuario seleccionar o modo de funcionamento.
• O trazo dourado mostra a resposta da planta sincronizada co voltage. Cada punto está separado 195 µs no eixe X.

Funcionamento da pantalla táctil en modo PEAK
El modo PEAK implementa un controlador de búsqueda extrema con frecuencia de modulación configurable por el usuario, amplititude e integración constante. Teña en conta que a modulación e demodulación sempre están activas cando o dispositivo está en modo PEAK; o alternador de parada de execución actívase e desactiva a ganancia integral no bucle de control de tramado.

• O valor numérico PV (variable de proceso) mostra o voltage do sinal de entrada en voltios.
• O OV (vol de saídatage) o valor numérico mostra o volume medio de saídatage aplicado polo dispositivo.
• O valor numérico M (multiplicador de frecuencia de modulación) mostra o múltiplo de 100 Hz da frecuencia de modulación. Por example, se M = 1 como se mostra, a frecuencia de modulación é 100 Hz. A frecuencia de modulación máxima é de 100 kHz, cun valor M de 1000. En xeral, son recomendables frecuencias de modulación máis altas, sempre que o actuador de control responda a esa frecuencia.
• O A (amplititude) control establece o ampaltitude da modulación en voltios, anotada en notación de enxeñería. 4 V é o máximo e -4 V é o mínimo permitido.
• O control K (coeficiente integral de bloqueo de pico) establece a constante de integración do controlador, con unidades de V/s, anotadas en notación de enxeñería. Se o usuario non está seguro de como configurar este valor, normalmente recoméndase comezar cun valor ao redor de 1.
• O interruptor STOP-RUN desactiva e activa o bucle de servo respectivamente.
• O menú despregable PEAK permite ao usuario seleccionar o modo de funcionamento.
• O trazo dourado mostra a resposta da planta sincronizada co voltage. Cada punto está separado 195 µs no eixe X.

Software
O software do servocontrolador dixital está deseñado tanto para permitir o control da funcionalidade básica a través dunha interface de ordenador como para proporcionar un conxunto ampliado de ferramentas de análise para usar o controlador. Por example, a GUI inclúe un gráfico que pode mostrar o vol de entradatage no dominio da frecuencia. Ademais, os datos pódense exportar como .csv file. Este software permite o uso do dispositivo no servo, pico ou ramp modos con control sobre todos os parámetros e axustes. A resposta do sistema pode ser viewed como o vol de entradatage, sinal de erro, ou ambos, ben nas representacións do dominio do tempo ou da frecuencia. Consulte o manual para obter máis información.

Lanzamento do software
Despois de iniciar o software, faga clic en "Conectar" para listar os dispositivos DSC dispoñibles. Poden controlarse varios dispositivos DSC á vez.

Figura 5
Pantalla de inicio para o software cliente DSCX.

Figura 6 Ventá de selección de dispositivos. Fai clic en Aceptar para conectarte ao dispositivo seleccionado.

Pestaña Servo Software
A pestana Servo permítelle ao usuario operar o dispositivo en modo servo con controis e pantallas adicionais ademais dos proporcionados pola interface de usuario da pantalla táctil integrada no propio dispositivo. Nesta pestana, están dispoñibles representacións de dominio de tempo ou frecuencia da variable de proceso. A resposta do sistema pode ser viewed como variable de proceso, sinal de erro ou ambos. O sinal de erro é a diferenza entre a variable do proceso e o punto de referencia. Usando técnicas de análise de control, pódese predecir a resposta ao impulso, a resposta en frecuencia e a resposta de fase do dispositivo, sempre que se fagan certas suposicións sobre o comportamento do sistema e os coeficientes de ganancia. Estes datos móstranse na pestana de control do servo para que os usuarios poidan configurar o seu sistema de forma preventiva antes de comezar os experimentos de control.

Figura 7 Interface de software en Ramp modo coa visualización do dominio de frecuencia. 

• Activar liñas de cuadrícula X: se marca a caixa habilita as liñas de cuadrícula X.
• Activar liñas de cuadrícula Y: se marca a caixa habilita as liñas de cuadrícula Y.
• Botón Executar/Pausa: ao premer este botón comeza/detén a actualización da información gráfica na pantalla.
• Alternancia de frecuencia/tempo: alterna entre o trazado do dominio de frecuencia e do dominio do tempo.
• Alternar PSD/ASD: alterna entre densidade espectral de potencia e amplitude densidade espectral eixes verticais.
• Exploracións medias: ao alternar este interruptor activa e desactiva a media no dominio da frecuencia.
• Exploracións en media: este control numérico determina o número de exploracións que se van facer a media. O mínimo é 1 escaneo e o máximo é 100 escaneos. As frechas cara arriba e abaixo nun teclado aumentan e diminúen o número de exploracións na media. Do mesmo xeito, os botóns arriba e abaixo adxacentes ao control aumentan e diminúen o número de exploracións na media.
• Cargar: ao premer este botón no panel Espectro de referencia, un usuario pode seleccionar un espectro de referencia gardado no PC cliente.
• Gardar: ao premer este botón no panel Espectro de referencia, un usuario pode gardar os datos de frecuencia mostrados actualmente no seu PC. Despois de facer clic neste botón, gardarase file O diálogo permitirá ao usuario escoller a localización de almacenamento e introducir o ficheiro file nome para os seus datos. Os datos gárdanse como un valor separado por comas (CSV).
• Mostrar referencia: marcando esta caixa habilita a visualización do último espectro de referencia seleccionado.
• Eixe Y de escala automática: se marca a caixa activa a configuración automática dos límites de visualización do eixo Y.
• Autoescala do eixo X: se marca a caixa habilita a configuración automática dos límites de visualización do eixo X.
• Eixe X de rexistro: marcando a caixa alterna entre unha visualización do eixe X logarítmico e lineal.
• Executar PID: activar esta opción activa o bucle de servo no dispositivo.
• O Numérico: este valor define o voltage en voltios.
• SP Numérico: Este valor establece o valor de consigna voltage en voltios.
• Kp Numérico: este valor define a ganancia proporcional.
• Ki Numérico: este valor establece a ganancia integral en 1/s.
• Kd Numérico: este valor establece a ganancia derivada en s.
• Botóns P, I, D: estes botóns permiten a ganancia proporcional, integral e derivada respectivamente cando están iluminados.
• Alternar Run/Stop: ao alternar este interruptor activa e desactiva o control.

O usuario tamén pode usar o rato para cambiar a extensión da información mostrada: 

• A roda do rato aumenta e afasta o gráfico cara á posición actual do punteiro do rato.
• MAYÚS+Clic cambia o punteiro do rato a un signo máis. Despois diso, o botón esquerdo do rato ampliará a posición do punteiro do rato nun factor de 3. O usuario tamén pode arrastrar e seleccionar unha rexión do gráfico para que se axuste.
• ALT + clic cambia o punteiro do rato a un signo menos. Despois diso, o botón esquerdo do rato afastará a posición do punteiro do rato nun factor de 3.
• Os xestos de espallamento e beliscar nunha alfombrilla do rato ou na pantalla táctil aumentarán e afastarán o gráfico respectivamente.
• Despois de desprazarse, ao facer clic no botón esquerdo do rato, o usuario poderá desplazarse arrastrando o rato.
• Facendo clic co botón dereito no gráfico restaurarase a posición predeterminada do gráfico.

Ramp Ficha Software
O Ramp pestana ofrece unha funcionalidade comparable á ramp na pantalla táctil integrada. Cambiar a esta pestana coloca o dispositivo conectado en ramp modo.

Figura 8
Interface de software en Ramp modo.

Ademais dos controis dispoñibles no modo Servo, o Ramp modo engade: 

• Amplitude Numérico: este valor define a exploración amplititude en voltios.
• Desfase numérico: este valor define a compensación de exploración en voltios.
• Correr/Parar Ramp Alternar: ao alternar este interruptor activa e desactiva o ramp.

Peak Software Tab 
A pestana Peak Control ofrece a mesma funcionalidade que o modo PEAK na interface de usuario integrada, con visibilidade adicional sobre a natureza do sinal de retorno do sistema. Cambiando a esta pestana cambia o dispositivo conectado ao modo de operación PEAK.

Figura 9 Interface de software no modo Pico coa visualización do dominio do tempo.

Ademais dos controis dispoñibles no modo Servo, o modo Pico engade: 

• Amplititude numérica: este valor define a modulación amplititude en voltios.
• K numérico: este é o coeficiente integral de bloqueo de pico; o valor establece a constante de ganancia integral en V/s.
• Offset numérico: este valor define a compensación en voltios.
• Frecuencia numérica: Establece o multiplicador de frecuencia de modulación en incrementos de 100 Hz. O valor mínimo permitido é 100 Hz e o máximo é 100 kHz.
• Alternancia Run/Stop Peak: alternando este interruptor activa e desactiva a ganancia integral. Teña en conta que sempre que o dispositivo estea en modo PEAK, a modulación de saída e a demodulación do sinal de erro están activas.

Datos gardados 
Os datos gárdanse en formato de valor separado por comas (CSV). Unha breve cabeceira conserva os datos pertinentes dos datos que se gardan. Se se modifica o formato deste CSV, é posible que o software non poida recuperar un espectro de referencia. Polo tanto, recoméndase ao usuario que garde os seus datos nunha folla de cálculo separada file se pretenden facer algunha análise independente.

Figura 10 Datos en formato .csv exportados desde o DSC1. 

Teoría da operación

Servocontrol PID
O circuíto PID utilízase a miúdo como controlador de retroalimentación do bucle de control e é moi común nos servocircuítos. O propósito dun servocircuíto é manter o sistema nun valor predeterminado (punto de consigna) durante períodos prolongados de tempo. O circuíto PID mantén activamente o sistema no punto de referencia xerando un sinal de erro que é a diferenza entre o punto de referencia e o valor actual e modulando un vol de saída.tage para manter o punto de referencia. As letras que compoñen o acrónimo PID corresponden a Proporcional (P), Integral (I) e Derivada (D), que representan os tres axustes de control dun circuíto PID.

O termo proporcional depende do erro presente, o termo integral depende da acumulación do erro pasado e o termo derivado é a predición do erro futuro. Cada un destes termos incorpórase a unha suma ponderada que axusta o volume de saídatage do circuíto, u(t). Esta saída introdúcese no dispositivo de control, a súa medición é retroalimentada no bucle PID e o proceso permítese estabilizar activamente a saída do circuíto para alcanzar e manter o valor do punto de referencia. O diagrama de bloques a continuación ilustra a acción dun circuíto PID. Un ou máis dos controis pódense utilizar en calquera servocircuíto dependendo do que se necesite para estabilizar o sistema (é dicir, P, I, PI, PD ou PID).

Teña en conta que un circuíto PID non garante un control óptimo. A configuración inadecuada dos controis PID pode facer que o circuíto oscile significativamente e provocar inestabilidade no control. Corresponde ao usuario axustar correctamente os parámetros PID para garantir un rendemento adecuado.

Teoría PID 

Teoría PID para un servocontrolador continuo: Comprender a teoría PID para un servocontrol óptimo.
A saída do circuíto de control PID, u(t), dáse como

Onde:

• ?? é a ganancia proporcional, adimensional
• ?? é a ganancia integral en 1/segundo
• ?? é a ganancia derivada en segundos
• ?(?) é o sinal de erro en voltios
• ?(?) é a saída de control en voltios

Desde aquí podemos definir matemáticamente as unidades de control e comentalas un pouco máis en detalle. O control proporcional é proporcional ao sinal de erro; como tal, é unha resposta directa ao sinal de erro xerado polo circuíto:
? = ???(?)
A maior ganancia proporcional produce cambios máis grandes en resposta ao erro e, polo tanto, afecta a velocidade á que o controlador pode responder aos cambios no sistema. Aínda que unha ganancia proporcional alta pode facer que un circuíto responda rapidamente, un valor demasiado alto pode provocar oscilacións sobre o valor SP. Un valor demasiado baixo e o circuíto non pode responder de forma eficiente aos cambios no sistema. O control integral vai un paso máis aló que a ganancia proporcional, xa que é proporcional non só á magnitude do sinal de erro senón tamén á duración de calquera erro acumulado.

O control integral é moi eficaz para aumentar o tempo de resposta dun circuíto xunto coa eliminación do erro de estado estacionario asociado co control puramente proporcional. En esencia, o control integral suma calquera erro non corrixido previamente, e despois multiplica ese erro por Ki para producir a resposta integral. Así, mesmo para un pequeno erro sostido, pódese realizar unha gran resposta integral agregada. Non obstante, debido á rápida resposta do control integral, os valores de ganancia elevados poden provocar un desbordamento significativo do valor SP e provocar oscilacións e inestabilidade. Demasiado baixo e o circuíto será significativamente máis lento para responder aos cambios no sistema. O control derivado tenta reducir o potencial de superación e timbre do control proporcional e integral. Determina a rapidez con que o circuíto está cambiando ao longo do tempo (observando a derivada do sinal de erro) e multiplícaa por Kd para producir a resposta derivada.

A diferenza do control proporcional e integral, o control derivado retardará a resposta do circuíto. Ao facelo, é capaz de compensar parcialmente o exceso así como damp eliminar calquera oscilación causada polo control integral e proporcional. Os valores de ganancia elevados fan que o circuíto responda moi lentamente e pode deixar un susceptible ao ruído e á oscilación de alta frecuencia (xa que o circuíto se fai demasiado lento para responder rapidamente). Demasiado baixo e o circuíto é propenso a superar o valor do punto de referencia. Non obstante, nalgúns casos débese evitar que se supere o valor do punto de referencia en calquera cantidade significativa e, polo tanto, pódese utilizar unha maior ganancia derivada (xunto cunha menor ganancia proporcional). O seguinte gráfico explica os efectos de aumentar a ganancia de calquera dos parámetros de forma independente.

Parámetro Aumentou	Tempo de ascenso	Rebasamento	Tempo de liquidación	Erro de estado estacionario	Estabilidade
Kp	Diminuír	Aumentar	Pequeno Cambio	Diminuír	Degradar
Ki	Diminuír	Aumentar	Aumentar	Diminuír significativamente	Degradar
Kd	Pequena diminución	Pequena diminución	Pequena diminución	Sen efecto	Mellorar (para Kd pequeno)

Servocontroladores de tempo discreto 

Formato de datos
O controlador PID do DSC1 recibe un ADC de 16 bitsample, que é un número binario compensado, que pode ir de 0 a 65535. 0 mapea linealmente a unha entrada negativa de 4 V e 65535 representa un sinal de entrada de +4 V. O sinal de "erro", ?[?], no bucle PID nun intervalo de tempo ? determínase como ?[?] = ? − ?[?] Onde? é o punto de referencia e ?[?] é o voltagesample na escala binaria de compensación nun paso de tempo discreto, ?.

Lei de control no dominio do tempo
Calcúlanse e suman tres termos de ganancia.
?[?] = ??[?] + ??[?] + ??[?] ?? = ???[?] ?? ≈ ?? ∫ ?[?] ?? = ??(?[?] − ?[? − 1])
Onde ??[?], ??[?] e ??[?] están as ganancias proporcionais, integrais e derivadas que comprenden a saída de control ?[?] nun intervalo de tempo ?. ??, ??, e ?? son os coeficientes de ganancia proporcional, integral e derivado.

Aproximación á integral e á derivada
O DSC1 aproxima un integrador cun acumulador.
∫ ?[?] = ?[?] + ∫ ?[? − 1] A consideración do intervalo de integración, a anchura do paso de tempo, engádese no coeficiente de ganancia integral ?? tal que: ?? = ′′?ℎ
Onde ?? é o coeficiente de ganancia integral introducido nominalmente e ℎ é o tempo entre ADC samples. Facemos unha aproximación semellante á derivada como a diferenza entre ?[?] e ?[? − 1] de novo asumindo que ?? tamén contén unha escala de 1/h.

Como se mencionou anteriormente, considere agora que as aproximacións integrais e derivadas non incluíron ningunha consideración do paso de tempo (sample intervalo), en adiante ℎ. Tradicionalmente dicimos unha aproximación explícita de primeira orde a unha variable ?[?] con = ?(?, ?) baseado nos termos dunha expansión da serie de Taylor é ?[?] ≈ ?[? − 1] + ℎ ?(?, ?)
Isto denomínase frecuentemente como Esquema de integración de Euler ao revés ou Integrador numérico explícito de primeira orde. Se resolvemos a derivada, ?(?, ?), atopamos:

Teña en conta a semellanza do numerador no anterior coa nosa aproximación procedente á derivada na ecuación de control. É dicir, que a nosa aproximación á derivada é máis adecuadamente escalada en ℎ−1.

Tamén imita intuitivamente o Teorema Fundamental do Cálculo:

Agora se dicimos iso? é a integral do sinal de erro ?, podemos facer as seguintes substitucións.
?[?]=∫?[?] ?(?,?)= ?[?] E obtemos a partir da serie de Taylor de primeira orde a aproximación a unha función ?: ∫?[?]=∫?[?−1]+ℎ ?(?)
Asumindo simplemente ∫?[?]=0 para ?=0, a aproximación procedente a unha integral practicamente se condensa nun acumulador.

Polo tanto, axustamos a nosa derivación previa da lei de control a:

Lei de control no dominio da frecuencia
Aínda que a ecuación derivada na sección que segue informa do comportamento no dominio do tempo do controlador PID de tempo discreto implementado no DSC1, di pouco sobre a resposta do dominio de frecuencia do controlador. En cambio, introducimos o ? dominio, que é análogo ao dominio de Laplace, pero para tempo discreto en lugar de continuo. Do mesmo xeito que a transformada de Laplace, a transformada Z dunha función determínase na maioría das veces ensamblando relacións de transformada Z tabuladas, en lugar de substituír directamente a definición da transformada Z (mostrada a continuación).

Onde ?(?) está a expresión do dominio Z dunha variable de tempo discreta ?[?], ? é o raio (a miúdo tratado como 1) da variable independente ?, ? é a raíz cadrada de -1 e ∅ é o argumento complexo en radiáns ou graos. Neste caso, só son necesarias dúas transformacións Z tabuladas.
?[?] = ?[?] ?[? − 1] = ?[?]?−1
A transformada Z do termo proporcional, ??, é trivial. Ademais, acepte por un momento que é útil para nós determinar o erro para controlar a función de transferencia, ?(?), en lugar de simplemente ?(?).

A transformación Z do termo integral, ??, é máis interesante.
Lembre o noso esquema de integración explícito de Euler na sección anterior: ??(?) = ?? ∫ ?[?] = ?? (∫ ?[? − 1] + ℎ ?(?))
∫ ?(?) = ∫ ?(?) ?−1 + ℎ?(?)
∫ ?(?) − ∫ ?(?) ?−1 = ℎ?(?)

Finalmente, observamos a ganancia derivada, ??: 

Ensamblando cada unha das funcións de transferencia anteriores, chegamos a: 

Con esta ecuación, podemos calcular numericamente a resposta do dominio de frecuencia para o controlador e mostrala como un gráfico de Bode, como a continuación.
Funcións de transferencia PID, Kp = 1.8, Ki = 1.0, Kd = 1E-4

Teña en conta como a ganancia do controlador PI achégase unicamente á ganancia proporcional e a alta frecuencia e como a ganancia do controlador PD achégase só á ganancia proporcional en frecuencias baixas.

Axuste PID
En xeral, as ganancias de P, I e D terán que ser axustadas polo usuario para optimizar o rendemento do sistema. Aínda que non existe un conxunto estático de regras sobre cales deben ser os valores para un sistema específico, seguir os procedementos xerais debería axudar a axustar un circuíto para que coincida co propio sistema e ambiente. En xeral, un circuíto PID correctamente sintonizado normalmente supera lixeiramente o valor SP e logo rapidamente damp para alcanzar o valor SP e manterse firme nese punto. O bucle PID pode bloquearse a unha pendente positiva ou negativa cambiando o signo das ganancias P, I e D. No DSC1, os sinais están bloqueados xuntos, polo que cambialos un cambiará todos.

A sintonización manual da configuración de ganancia é o método máis sinxelo para configurar os controis PID. Non obstante, este procedemento realízase de forma activa (o controlador PID conectado ao sistema e o bucle PID activado) e require certa experiencia para conseguir bos resultados. Para axustar o controlador PID manualmente, primeiro configure as ganancias integrais e derivadas en cero. Aumenta a ganancia proporcional ata observar a oscilación na saída. A túa ganancia proporcional debería establecerse aproximadamente a metade deste valor. Despois de establecer a ganancia proporcional, aumente a ganancia integral ata que se corrixa calquera desfase nunha escala de tempo adecuada para o seu sistema.

Se aumentas demasiado esta ganancia, observarás un desbordamento significativo do valor SP e inestabilidade no circuíto. Unha vez que se establece a ganancia integral, pódese aumentar a ganancia derivada. A ganancia derivada reducirá o exceso e damp o sistema rapidamente ao valor do punto de referencia. Se aumentas demasiado a ganancia derivada, verás un gran exceso (debido a que o circuíto é demasiado lento para responder). Xogando coa configuración de ganancia, pode optimizar o rendemento do seu circuíto PID, obtendo un sistema que responde rapidamente aos cambios e de forma eficaz.amps out oscilación sobre o valor do punto de consigna.

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

Aínda que a sintonización manual pode ser moi eficaz para configurar un circuíto PID para o seu sistema específico, require certa experiencia e comprensión dos circuítos PID e da resposta. O método de Ziegler-Nichols para a sintonización PID ofrece unha guía máis estruturada para establecer os valores PID. De novo, quererá establecer a ganancia integral e derivada en cero. Aumenta a ganancia proporcional ata que o circuíto comece a oscilar. Chamaremos a este nivel de ganancia Ku. A oscilación terá un período de Pu. As ganancias son para varios circuítos de control que aparecen na gráfica anterior. Teña en conta que ao utilizar o método de sintonización de Ziegler-Nichols co DSC1, o termo integral determinado na táboa debe multiplicarse por 2⋅10-6 para normalizar a s.ampa taxa. Do mesmo xeito, o coeficiente da derivada debe dividirse por 2⋅10-6 para normalizar a sampa taxa.

Ramping
Os usuarios moitas veces necesitan determinar o punto de operación de gran sinal ou o punto de referencia útil para un sistema. Para determinar o punto de funcionamento de gran sinal (en diante denominado compensación de CC) ou o punto de consigna óptimo do servo, unha técnica común consiste simplemente en estimular o sistema repetidamente cun volume crecente linealmente.tage sinal. O patrón é comunmente denominado onda de dente de serra, pola súa semellanza cos dentes dunha serra.

Modo de bloqueo de pico
O modo de bloqueo de pico implementa un algoritmo de bloqueo de tramado tamén coñecido como controlador de busca de extremos. Neste modo de operación, o valor de control superponse a unha saída de onda sinusoidal. A entrada medida voltage é primeiro filtrado dixitalmente de paso alto (HPF) para eliminar calquera compensación de CC. A continuación, o sinal acoplado en CA desmodúlase multiplicando cada volúmen medidotage polo valor de modulación da onda sinusoidal de saída. Esta operación de multiplicación crea un sinal demodulado con dous compoñentes principais: unha onda sinusoidal na suma das dúas frecuencias e un sinal na diferenza das dúas frecuencias.

Un segundo filtro dixital, esta vez un filtro de paso baixo (LPF), atenúa o sinal de suma de dúas frecuencias e transmite o sinal de diferenza de dúas frecuencias de baixa frecuencia. O contido do sinal á mesma frecuencia que a modulación aparece como un sinal de CC despois da demodulación. O paso final do algoritmo de bloqueo de pico é integrar o sinal LPF. A saída do integrador, combinada coa modulación de saída, dirixe o vol de saídatage. A acumulación de enerxía de sinal demodulada de baixa frecuencia no integrador empurra o control de compensación voltage da saída cada vez máis alta ata que o signo da saída LPF inverte e a saída do integrador comeza a diminuír. A medida que o valor de control se aproxima ao pico da resposta do sistema, o resultado da modulación no sinal de entrada ao servocontrolador faise cada vez máis pequeno, xa que a pendente dunha forma de onda sinusoidal é cero no seu pico. Isto á súa vez significa que hai un valor de saída máis baixo do sinal demodulado filtrado paso baixo e, polo tanto, menos acumulado no integrador.

Figura 12 Diagrama de bloques dun controlador de bloqueo de pico. O sinal de entrada da planta de resposta máxima dixitalízase e, a continuación, filtráselle paso alto. O sinal de saída HPF é demodulado cun oscilador local dixital. A saída do demodulador é filtrada de paso baixo e logo integrada. A saída do integrador engádese ao sinal de modulación e a saída á planta de resposta máxima. O bloqueo de picos é un bo algoritmo de control para escoller cando o sistema que o usuario desexa controlar non ten unha resposta monótona ao redor do punto de control óptimo. ExampOs destes tipos de sistemas son medios ópticos cunha lonxitude de onda resonante, como unha célula de vapor ou un filtro de rexeitamento de banda de RF (filtro notch). A característica central do esquema de control de bloqueo de picos é a tendencia do algoritmo a orientar o sistema cara ao cruce por cero do sinal de erro que coincide cun pico no sinal medido, coma se o sinal de erro fose a derivada do sinal medido. Teña en conta que o pico pode ser positivo ou negativo. Para comezar co modo de operación de bloqueo máximo para o DSC1, pode seguir este procedemento.

1. Asegúrate de que hai un pico (ou val) do sinal ao que estás bloqueando estea dentro do control voltage rango do actuador, e que a posición máxima é relativamente estable co tempo. É útil usar o RAMP modo para visualizar o sinal sobre o control voltage gama de intereses.
2. Observe o control voltage posición do pico (ou val).
3. Estima o ancho que controla o pico (ou val).tage á metade da altura do pico. Este ancho, en voltios, denomínase comunmente como Full-Width Half-Max ou FWHM. Debe ter polo menos 0.1 V de ancho para obter bos resultados.
4. Establece a modulación amplititude (A) ao 1% ao 10% do FWHM voltage.
5. Establece o voltage o máis preto posible da posición do pico (ou val) ao que desexa bloquear.
6. Establece a frecuencia de modulación na frecuencia desexada. Na pantalla táctil isto é afectado a través do parámetro M, frecuencia de modulación. A frecuencia de modulación é 100 Hz veces M. A mellor selección de frecuencia de modulación depende da aplicación. Thorlabs recomenda valores en torno a 1 kHz para actuadores mecánicos. Pódense usar frecuencias máis altas para actuadores electro-ópticos.
7. Establece o coeficiente integral de bloqueo de pico (K) en 0.1 veces A. K pode ser positivo ou negativo. Xeralmente, o K positivo bloquea un pico do sinal de entrada, mentres que o K negativo bloquea un val do sinal de entrada. Non obstante, se o actuador ou sistema que se está bloqueando ten máis de 90 graos de retardo de fase na frecuencia de tramado, o signo de K invertirase e o K positivo bloquearase a un val, e o K negativo bloquearase a un pico.
8. Prema Executar e verifique que o control voltagA saída cambia a partir do valor de compensación orixinal (O) e non escapa a un extremo. Alternativamente, monitoriza a variable do proceso usando un osciloscopio para verificar que o DSC1 está bloqueado ao pico ou val desexado.

Figura 13 Exampos datos de ramping o offset de saída voltage cunha onda sinusoidal continua, imposta a unha planta de resposta pico. Teña en conta que o paso por cero do sinal de erro aliñase co pico do sinal de resposta da planta.

Mantemento e Limpeza
Limpe e manteña regularmente o DSC1 para un rendemento óptimo. O DSC1 non require mantemento regular. Se a pantalla táctil do dispositivo se ensucia, Thorlabs recomenda limpar suavemente a pantalla táctil cun pano suave e sen pelusa, saturado con alcohol isopropílico diluido.

Resolución de problemas e reparación

Se aparecen problemas, consulte a sección de resolución de problemas para obter orientación sobre a resolución de problemas comúns. A seguinte táboa describe os problemas típicos cos remedios recomendados por DSC1 e Thorlabs.

Problema	Explicación	Remedio
O dispositivo non se acende cando está conectado á alimentación USB tipo C.	O dispositivo require ata 750 mA de corrente dunha fonte de 5 V, 3.75 W. Isto pode superar as capacidades de alimentación dalgúns conectores USB-A en portátiles e ordenadores.	Use fontes de alimentación Thorlabs DS5 ou CPS1. Como alternativa, use unha fonte de alimentación USB tipo C, como a que se adoita usar para cargar un teléfono ou un portátil que estea clasificado para emitir polo menos 750 mA a 5 V.
O dispositivo non se acende cando o porto de datos está conectado a un PC.	O DSC1 só recibe enerxía do conector de alimentación USB tipo C. O conector USB tipo Mini-B é só para datos.	Conecte o porto USB Tipo-C a unha fonte de alimentación clasificada para emitir polo menos 750 mA a 5 V, como Thorlabs DS5 ou CPS1.

Eliminación
Siga as pautas de eliminación adecuadas cando retire o DSC1.
Thorlabs verifica o cumprimento da directiva WEEE (Residuos de Equipos Eléctricos e Electrónicos) da Comunidade Europea e as leis nacionais correspondentes. En consecuencia, todos os usuarios finais da CE poden devolver a Thorlabs os equipos eléctricos e electrónicos da categoría "fin de vida útil" do anexo I vendidos despois do 13 de agosto de 2005, sen incorrer en gastos de eliminación. As unidades subvencionables están marcadas co logotipo de "papeleira" tachado (ver á dereita), foron vendidas a unha empresa ou instituto da CE e actualmente son propiedade dunha empresa ou instituto e non están desarmadas nin contaminadas. Póñase en contacto con Thorlabs para obter máis información. O tratamento de residuos é a súa propia responsabilidade. As unidades "fin de vida útil" deben ser devoltas a Thorlabs ou entregadas a unha empresa especializada en valorización de residuos. Non tirar a unidade nunha papeleira ou nun vertedoiro público. É responsabilidade do usuario eliminar todos os datos privados almacenados no dispositivo antes de eliminalos.

FAQ:

P: Que debo facer se o DSC1 non se acende?
A: Comprobe a conexión da fonte de alimentación e asegúrese de que cumpre os requisitos especificados. Se o problema persiste, ponte en contacto co servizo de atención ao cliente para obter axuda.

Seguridade

AVISO
Este instrumento debe manterse limpo de ambientes onde sexan probables derrames de líquidos ou condensación de humidade. Non é resistente á auga. Para evitar danos no instrumento, non o expoña a spray, líquidos ou disolventes.

Instalación

Información da garantía
Este dispositivo de precisión só se pode reparar se se devolve e se embala correctamente na embalaxe orixinal completa, incluíndo o envío completo máis o inserto de cartón que contén os dispositivos incluídos. Se é necesario, solicite embalaxe de substitución. Remitir o servizo a persoal cualificado.

Compoñentes incluídos

O servocontrolador dixital compacto DSC1 entrégase cos seguintes compoñentes:

• Servocontrolador dixital DSC1
• Tarxeta de inicio rápido
• USB-AB-72 Cable de datos USB 2.0 tipo A a Mini-B, 72″ (1.83 m) de longo
• Cable de alimentación USB tipo A a USB tipo C, 1 m (39″) de longo
• Cable coaxial PAA248 SMB a BNC, 48″ (1.22 m) de lonxitude (cant. 2)

Instalación e Configuración

Fundamentos 
Os usuarios poden configurar o dispositivo cun ordenador mediante a interface USB ou a través da pantalla táctil integrada. En calquera dos casos, a alimentación debe proporcionarse a través da conexión USB-C de 5 V. Cando se utiliza a GUI de escritorio, o servocontrolador debe conectarse cun cable USB 2.0 (incluído) desde o porto de datos do dispositivo a un PC co software do Servo Controller dixital instalado.

Ground Loops e o DSC1
O DSC1 inclúe circuítos internos para limitar a probabilidade de que se produzan bucles de terra. Thorlabs suxire usar a fonte de alimentación regulada DS5 illada do transformador ou a batería externa CPS1. Coas fontes de alimentación DS5 ou CPS1, a terra do sinal dentro do DSC1 flota con respecto á terra dunha toma de parede. As únicas conexións ao dispositivo que son comúns a esta terra de sinal son o pin de terra do sinal do conector de alimentación USB-C e o camiño de retorno exterior no cable coaxial SMB de saída. A conexión de datos USB está illada. O sinal de entrada ten unha resistencia de rotura do bucle de terra entre o camiño de retorno do sinal e a masa do sinal dentro do instrumento, o que normalmente impide a interferencia do bucle de terra. É importante destacar que non hai dous camiños directos á terra do sinal do dispositivo, minimizando a aparición de bucles de terra.

Para mitigar aínda máis o risco de interferencia no bucle de terra, Thorlabs suxire as seguintes mellores prácticas: 

• Mantén todos os cables de alimentación e de sinal ao dispositivo curtos.
• Use unha batería (CPS1) ou unha fonte de alimentación illada por transformador (DS5) co DSC1. Isto garante unha terra de sinal do dispositivo flotante.
• Non conecte os camiños de retorno de sinal doutros instrumentos entre si.
  • Un ex comúnample é un típico osciloscopio de mesa; a maioría das veces, as capas exteriores das conexións de entrada BNC están conectadas directamente á terra. Varios clips de terra conectados ao mesmo nodo de terra nun experimento poden provocar un bucle de terra.

Aínda que é pouco probable que o DSC1 cause un bucle de terra por si mesmo, outros instrumentos do laboratorio dun usuario poden non ter illamento do bucle de terra e, polo tanto, poden ser unha fonte de bucles de terra.

Alimentando o DSC1
O servocontrolador dixital DSC1 require unha alimentación de 5 V a través do USB-C a unha corrente de pico de ata 0.75 A e 0.55 A en funcionamento típico. Thorlabs ofrece dúas fontes de alimentación compatibles: o CPS1 e o DS5. En aplicacións nas que a sensibilidade ao ruído é menos restrinxida ou onde se requiren tempos de execución superiores a 8 horas, recoméndase a fonte de alimentación regulada DS5. Recoméndase a fonte de alimentación da batería CPS1 cando se desexa un rendemento óptimo de ruído. Co CPS1 completamente cargado e en boa saúde, o DSC1 pode funcionar durante 8 horas ou máis sen recargalo.

Contactos mundiais de Thorlabs

Para obter máis asistencia ou consultas, consulte os contactos mundiais de Thorlabs. Para soporte técnico ou consultas de vendas, visítenos en www.thorlabs.com/contact para obter a nosa información de contacto máis actualizada.

Sede corporativa
Thorlabs, Inc.
Avenida Esparta 43
Newton, Nova Xersei 07860
Estados Unidos
sales@thorlabs.com
techsupport@thorlabs.com

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

Produtor fabricante
Thorlabs, Inc.
Avenida Esparta 43
Newton, Nova Jersey 07860 Estados Unidos
sales@thorlabs.com
techsupport@thorlabs.com

Importador do Reino Unido
Thorlabs Ltd.
Parque empresarial 204 Lancaster Way
Ely CB6 3NX
Reino Unido
sales.uk@thorlabs.com
techsupport.uk@thorlabs.com
www.thorlabs.com

Documentos/Recursos

Servocontrolador dixital compacto THORLABS DSC1 [pdfGuía do usuario DSC1, DSC1 Servocontrolador dixital compacto, DSC1, Servocontrolador dixital compacto, Servocontrolador dixital, Servocontrolador, Controlador

Referencias

• Manual de usuario