THORLABS DSC1 Controllore servo digitale compatto

Specifiche:

• Nome prodotto: DSC1 Compact Digital Servo Controller
• Uso consigliato: con fotodetectori e attuatori Thorlabs
• Attuatori compatibili: Piezo amplificatori, driver di diodi laser, controllori TEC, modulatori elettro-ottici
• Conformità: marcature CE/UKCA

Istruzioni per l'uso del prodotto

Introduzione

Uso previsto: Il DSC1 è un servo controller digitale compatto progettato per l'uso generico in laboratorio nella ricerca e nell'industria. Il DSC1 misura un voltage, calcola un segnale di feedback in base all'algoritmo di controllo selezionato dall'utente e produce un volumetage. Il prodotto può essere utilizzato solo in conformità alle istruzioni descritte nel presente manuale. Qualsiasi altro utilizzo invaliderà la garanzia. Qualsiasi tentativo di riprogrammare, disassemblare codici binari o altrimenti alterare le istruzioni di fabbrica della macchina in un DSC1, senza il consenso di Thorlabs, invaliderà la garanzia. Thorlabs consiglia di utilizzare il DSC1 con i fotodetector e gli attuatori Thorlabs. Exampgli attuatori Thorlabs più adatti all'uso con il DSC1 sono i piezoelettrici Thorlabs amplificatori, driver di diodi laser, controllori di refrigeratori termoelettrici (TEC) e modulatori elettroottici.

Spiegazione delle avvertenze di sicurezza

NOTA Indica informazioni considerate importanti, ma non correlate a pericoli, come possibili danni al prodotto.
I marchi CE/UKCA sul prodotto sono la dichiarazione del produttore che il prodotto è conforme ai requisiti essenziali della pertinente legislazione europea in materia di salute, sicurezza e protezione ambientale.
Il simbolo del bidone della spazzatura sul prodotto, sugli accessori o sulla confezione indica che questo apparecchio non deve essere trattato come rifiuto urbano indifferenziato, ma deve essere raccolto separatamente.

Descrizione
Il DSC1 Digital Servo Controller di Thorlabs è uno strumento per il controllo del feedback dei sistemi elettro-ottici. Il dispositivo misura un volume di ingressotage, determina un volume di feedback appropriatotage attraverso uno dei vari algoritmi di controllo e applica questo feedback a un volume di uscitatage canale. Gli utenti possono scegliere di configurare il funzionamento del dispositivo tramite il display touchscreen integrato, un'interfaccia utente grafica (GUI) del PC desktop remoto o un kit di sviluppo software (SDK) del PC remoto. Il servo controller sample voltage dati con risoluzione a 16 bit tramite una porta di ingresso SMB coassiale a 1 MHz.

Per fornire volumi più accuratitage misurazioni, circuiti aritmetici all'interno del dispositivo calcolano la media ogni due samples per un efficace sampla velocità di 500 kHz. I dati digitalizzati vengono elaborati da un microprocessore ad alta velocità utilizzando tecniche di elaborazione del segnale digitale (DSP). L'utente può scegliere tra algoritmi di controllo SERVO e PEAK. In alternativa, l'utente può testare la risposta di un sistema alla tensione CCtage per determinare il punto di riferimento del servo con RAMP modalità operativa, che emette un'onda a dente di sega sincrona con l'ingresso. Il canale di ingresso ha una larghezza di banda tipica di 120 kHz. Il canale di uscita ha una larghezza di banda tipica di 100 kHz. Il ritardo di fase di -180 gradi del volume di ingresso-uscitatagLa funzione di trasferimento di questo servocontrollore è in genere di 60 kHz.

Dati tecnici

Specifiche

Specifiche operative
Larghezza di banda del sistema	CC a 100 kHz
Ingresso/uscita Frequenza -180 gradi	>58 kHz (tipico 60 kHz)
Ingresso nominale SampRisoluzione ling	16 pezzo
Risoluzione di uscita nominale	12 pezzo
Volume massimo in ingressotage	±4V
Volume di uscita massimotageb	±4V
Corrente massima di ingresso	100mA
Rumore di fondo medio	-120 dBV2/Hz
Picco del rumore di fondo	-105 dBV2/Hz
Rumore RMS in ingressoc	0.3 mV
Ingresso Sampfrequenza di ling	1 MHz
Frequenza di aggiornamento PIDd	500 kHz
Intervallo di frequenza di modulazione del blocco di picco	100 Hz – 100 kHz in passi da 100 Hz
Terminazione di input	1 MΩ
Impedenza di uscitab	220 Ohm

• a. Questa è la frequenza alla quale l'uscita raggiunge uno sfasamento di -180 gradi rispetto all'ingresso.
• b. L'uscita è progettata per la connessione a dispositivi ad alto Z (>100 kΩ). La connessione di dispositivi con terminazione di ingresso inferiore, Rdev, ridurrà la vol di uscitatage intervallo di Rdev/(Rdev + 220 Ω) (ad esempio, un dispositivo con terminazione da 1 kΩ fornirà l'82% della tensione di uscita nominaletage gamma).
• c. La larghezza di banda di integrazione è 100 Hz – 250 kHz.
• d. Un filtro passa-basso riduce gli artefatti di digitalizzazione nel volume di controllo dell'outputtage, con conseguente larghezza di banda in uscita di 100 kHz.

Requisiti elettrici
Volume di fornituratage	4.75 – 5.25 V CC
Corrente di alimentazione	750 mA (Max)
Intervallo di temperaturaa	da 0 °C a 70 °C

• a Intervallo di temperatura entro il quale il dispositivo può essere utilizzato senza Il funzionamento ottimale si verifica quando la temperatura è prossima a quella ambiente.

Requisiti di sistema
Sistema operativo	Windows 10® (consigliato) o 11, 64 bit richiesto
Memoria (RAM)	4 GB minimo, 8 GB consigliati
Sstoccaggio	300 MB (min) di spazio disponibile su disco
Interfaccia	USB 2.0
Risoluzione minima dello schermo	1200 x 800 pixel

Disegni meccanici 

Dichiarazione di conformità semplificata
Il testo completo della dichiarazione di conformità UE è disponibile al seguente indirizzo Internet: https://Thorlabs.com/newgrouppage9.cfm?objectgroup_id=16794

Designazione FCC 

Nota: Questa apparecchiatura è stata testata e ritenuta conforme ai limiti per un dispositivo digitale di Classe A, ai sensi della parte 15 delle Norme FCC. Questi limiti sono concepiti per fornire una protezione ragionevole contro interferenze dannose quando l'apparecchiatura viene utilizzata in un ambiente commerciale. Questa apparecchiatura genera, utilizza e può irradiare energia a radiofrequenza e, se non installata e utilizzata in conformità con il manuale di istruzioni, può causare interferenze dannose alle comunicazioni radio. Il funzionamento di questa apparecchiatura in un'area residenziale può causare interferenze dannose, nel qual caso l'utente sarà tenuto a correggere l'interferenza a proprie spese.

Avvertenze di sicurezza: I marchi CE/UKCA indicano la conformità alla legislazione europea in materia di salute, sicurezza e tutela ambientale.

Operazione

Nozioni di base: Familiarizzare con le funzioni di base del DSC1.

Loop di terra e DSC1: Assicurare una corretta messa a terra per evitare interferenze.

Alimentazione del DSC1: Collegare la fonte di alimentazione seguendo le linee guida fornite.

Schermo tattile 

Avvio dell'interfaccia touchscreen 
Dopo il collegamento all'alimentazione e un breve riscaldamento, inferiore a un secondo, il DSC1 illuminerà il display touchscreen integrato e lo schermo risponderà agli input.

Funzionamento del touchscreen in modalità SERVO
La modalità SERVO implementa un controllore PID.

Figura 2 Display touchscreen in modalità operativa servo con il controllore PID abilitato in modalità di controllo PI. 

• Il valore numerico PV (variabile di processo) mostra il volume RMS ACtage del segnale di ingresso in volt.
• L'OV (volume di uscitatage) il valore numerico mostra il volume medio di uscitatage dal DSC1.
• Il controllo S (setpoint) imposta il setpoint del circuito servo in volt. 4 V è il massimo e -4 V è il minimo consentito.
• Il controllo O (offset) imposta l'offset CC del circuito servo in volt. 4 V è il massimo e -4 V è il minimo consentito.
• Il controllo P (proporzionale) imposta il coefficiente di guadagno proporzionale. Questo può essere un valore positivo o negativo tra 10-5 e 10,000, annotato in notazione ingegneristica.
• Il controllo I (integrale) imposta il coefficiente di guadagno integrale. Questo può essere un valore positivo o negativo tra 10-5 e 10,000, annotato in notazione ingegneristica.
• Il controllo D (derivativo) imposta il coefficiente di guadagno derivativo. Questo può essere un valore positivo o negativo tra 10-5 e 10,000, annotato in notazione ingegneristica.
• Il pulsante STOP-RUN disattiva e attiva il servo loop.
• I pulsanti P, I e D abilitano (illuminati) e disabilitano (blu scuro) ciascun guadagnotage nel ciclo servo PID.
• Il menu a discesa SERVO consente all'utente di selezionare la modalità operativa.
• La traccia verde acqua mostra il setpoint corrente. Ogni punto è distante 2 µs sull'asse X.
• La traccia dorata mostra il PV misurato corrente. Ogni punto è distante 2 µs sull'asse X.

Funzionamento del touchscreen in RAMP Modalità 
La RAMP la modalità produce un'onda a dente di sega configurabile dall'utente amplitudine e offset.

• Il valore numerico PV (variabile di processo) mostra il volume RMS ACtage del segnale di ingresso in volt.
• L'OV (volume di uscitatage) il valore numerico mostra il volume medio di uscitatage applicato dal dispositivo.
• Il controllo O (offset) imposta l'offset DC del ramp uscita in volt. 4 V è il massimo e -4 V è il minimo consentito.
• La A (ampil controllo litude) imposta il ampluce del ramp uscita in volt. 4 V è il massimo e -4 V è il minimo consentito.
• Il pulsante STOP-RUN disattiva e abilita rispettivamente il servo loop.
• La RAMP Il menu a discesa consente all'utente di selezionare la modalità operativa.
• La traccia dorata mostra la risposta della pianta sincronizzata con il volume di scansione in uscitatage. Ogni punto è distanziato di 195 µs sull'asse X.

Funzionamento del touchscreen in modalità PEAK
La modalità PEAK implementa un controller di ricerca dell'estremo con frequenza di modulazione configurabile dall'utente, amplitude e costante di integrazione. Nota che la modulazione e la demodulazione sono sempre attive quando il dispositivo è in modalità PEAK; il commutatore run-stop attiva e disattiva il guadagno integrale nel loop di controllo dither.

• Il valore numerico PV (variabile di processo) mostra il volume RMS ACtage del segnale di ingresso in volt.
• L'OV (volume di uscitatage) il valore numerico mostra il volume medio di uscitatage applicato dal dispositivo.
• Il valore numerico M (moltiplicatore di frequenza di modulazione) mostra il multiplo di 100 Hz della frequenza di modulazione. Ad esempioample, se M = 1 come mostrato, la frequenza di modulazione è 100 Hz. La frequenza di modulazione massima è 100 kHz, con un valore M di 1000. In generale, sono consigliabili frequenze di modulazione più elevate, a condizione che l'attuatore di controllo sia reattivo a quella frequenza.
• La A (ampil controllo litude) imposta il amptensione della modulazione in volt, indicata in notazione tecnica. 4 V è il massimo e -4 V è il minimo consentito.
• Il controllo K (coefficiente integrale di blocco del picco) imposta la costante di integrazione del controller, con unità di V/s, annotate in notazione ingegneristica. Se l'utente non è sicuro di come configurare questo valore, in genere è consigliabile iniziare con un valore intorno a 1.
• Il pulsante STOP-RUN disattiva e abilita rispettivamente il servo loop.
• Il menu a discesa PEAK consente all'utente di selezionare la modalità operativa.
• La traccia dorata mostra la risposta della pianta sincronizzata con il volume di scansione in uscitatage. Ogni punto è distanziato di 195 µs sull'asse X.

Software
Il software del controller servo digitale è progettato sia per consentire il controllo delle funzionalità di base tramite un'interfaccia computerizzata, sia per fornire un set ampliato di strumenti di analisi per l'utilizzo del controller. Ad esempioample, la GUI include un grafico che può visualizzare il volume di inputtage nel dominio della frequenza. Inoltre, i dati possono essere esportati come .csv fileQuesto software consente l'utilizzo del dispositivo in modalità servo, picco o ramp modalità con controllo su tutti i parametri e le impostazioni. La risposta del sistema può essere viewed come volume di inputtage, segnale di errore, o entrambi, sia nelle rappresentazioni del dominio del tempo che in quelle del dominio della frequenza. Per maggiori informazioni, consultare il manuale.

Avvio del software
Dopo aver avviato il software, fare clic su "Connect" per elencare i dispositivi DSC disponibili. È possibile controllare più dispositivi DSC contemporaneamente.

Figura 5
Schermata di avvio per il software DSCX Client.

Figura 6 Finestra di selezione del dispositivo. Fare clic su OK per connettersi al dispositivo selezionato.

Scheda software servo
La scheda Servo consente all'utente di utilizzare il dispositivo in modalità servo con controlli e display aggiuntivi oltre a quelli forniti dall'interfaccia utente touchscreen incorporata sul dispositivo stesso. In questa scheda sono disponibili rappresentazioni del dominio del tempo o della frequenza della variabile di processo. La risposta del sistema può essere viewcome variabile di processo, segnale di errore o entrambi. Il segnale di errore è la differenza tra la variabile di processo e il setpoint. Utilizzando tecniche di analisi di controllo, è possibile prevedere la risposta all'impulso, la risposta in frequenza e la risposta di fase del dispositivo, a condizione che vengano fatte alcune ipotesi sul comportamento del sistema e sui coefficienti di guadagno. Questi dati vengono visualizzati nella scheda di controllo servo in modo che gli utenti possano configurare preventivamente il loro sistema, prima di iniziare gli esperimenti di controllo.

Figura 7 Interfaccia software in Ramp modalità con visualizzazione nel dominio della frequenza. 

• Abilita X linee griglia: selezionando la casella vengono abilitate X linee griglia.
• Abilita griglia Y: selezionando la casella vengono abilitate le linee della griglia Y.
• Pulsante Esegui/Pausa: premendo questo pulsante si avvia/arresta l'aggiornamento delle informazioni grafiche sul display.
• Commutazione frequenza/tempo: commuta tra la rappresentazione nel dominio della frequenza e quella nel dominio del tempo.
• PSD / ASD Toggle: commuta tra la densità spettrale di potenza e ampdensità spettrale della luce sugli assi verticali.
• Scansioni medie: attivando questo interruttore si abilita e disattiva la media nel dominio della frequenza.
• Scansioni in media: questo controllo numerico determina il numero di scansioni da mediare. Il minimo è 1 scansione e il massimo è 100 scansioni. Le frecce su e giù su una tastiera aumentano e diminuiscono il numero di scansioni nella media. Allo stesso modo, i pulsanti su e giù adiacenti al controllo aumentano e diminuiscono il numero di scansioni nella media.
• Carica: premendo questo pulsante nel pannello Spettro di riferimento, l'utente può selezionare uno spettro di riferimento salvato sul PC client.
• Salva: premendo questo pulsante nel pannello Reference Spectrum, un utente può salvare i dati di frequenza attualmente visualizzati sul proprio PC. Dopo aver cliccato su questo pulsante, viene visualizzato un messaggio di salvataggio. file la finestra di dialogo consentirà all'utente di scegliere la posizione di archiviazione e di immettere file nome per i loro dati. I dati vengono salvati come un valore separato da virgole (CSV).
• Mostra riferimento: selezionando questa casella viene abilitata la visualizzazione dell'ultimo spettro di riferimento selezionato.
• Scala automatica asse Y: selezionando la casella si abilita l'impostazione automatica dei limiti di visualizzazione dell'asse Y.
• Scala automatica asse X: selezionando la casella si abilita l'impostazione automatica dei limiti di visualizzazione dell'asse X.
• Log asse X: selezionando la casella si passa dalla visualizzazione logaritmica a quella lineare dell'asse X.
• Esegui PID: abilitando questa opzione si abilita il servo loop sul dispositivo.
• O Numerico: questo valore imposta il volume di offsettage in volt.
• SP Numerico: questo valore imposta il volume del setpointtage in volt.
• Kp Numerico: questo valore imposta il guadagno proporzionale.
• Ki Numerico: questo valore imposta il guadagno integrale in 1/s.
• Kd Numerico: questo valore imposta il guadagno derivativo in s.
• Pulsanti P, I, D: quando illuminati, questi pulsanti abilitano rispettivamente il guadagno proporzionale, integrale e derivativo.
• Interruttore Esegui/Arresta: attivando e disattivando questo interruttore si abilita e disabilita il controllo.

L'utente può anche utilizzare il mouse per modificare l'estensione delle informazioni visualizzate: 

• La rotellina del mouse consente di ingrandire o ridurre la visualizzazione del grafico in base alla posizione corrente del puntatore del mouse.
• MAIUSC + Clic cambia il puntatore del mouse in un segno più. Successivamente il tasto sinistro del mouse ingrandirà la posizione del puntatore del mouse di un fattore 3. L'utente può anche trascinare e selezionare una regione del grafico per adattarla allo zoom.
• ALT + Clic cambia il puntatore del mouse in un segno meno. Dopodiché il tasto sinistro del mouse eseguirà uno zoom out dalla posizione del puntatore del mouse di un fattore 3.
• I gesti di allargamento e di pizzicamento su un mouse pad o su un touch screen consentono rispettivamente di ingrandire o ridurre lo zoom del grafico.
• Dopo aver scorreto, cliccando con il tasto sinistro del mouse l'utente potrà effettuare una panoramica trascinando il mouse.
• Facendo clic con il pulsante destro del mouse sul grafico verrà ripristinata la posizione predefinita del grafico.

Ramp Scheda Software
La Ramp la scheda fornisce funzionalità paragonabili alla ramp scheda sul display touchscreen incorporato. Passando a questa scheda, il dispositivo connesso viene messo in ramp modalità.

Figura 8
Interfaccia software in Ramp modalità.

Oltre ai controlli disponibili in modalità Servo, la Ramp la modalità aggiunge: 

• Amplitude Numerico: questo valore imposta la scansione amptensione in volt.
• Offset numerico: questo valore imposta l'offset della scansione in volt.
• Esegui / Arresta Ramp Toggle: attivando questo interruttore si abilita e disattiva la funzione ramp.

Scheda software di picco 
La scheda Peak Control fornisce la stessa funzionalità della modalità PEAK sull'interfaccia utente incorporata, con visibilità aggiuntiva sulla natura del segnale di ritorno dal sistema. Passando a questa scheda, il dispositivo connesso passa alla modalità di funzionamento PEAK.

Figura 9 Interfaccia software in modalità Peak con visualizzazione nel dominio del tempo.

Oltre ai controlli disponibili in modalità Servo, la modalità Peak aggiunge: 

• Amplitude numerico: questo valore imposta la modulazione amptensione in volt.
• K numerico: è il coefficiente integrale di blocco del picco; il valore imposta la costante di guadagno integrale in V/s.
• Offset numerico: questo valore imposta l'offset in volt.
• Frequenza numerica: imposta il moltiplicatore di frequenza di modulazione in incrementi di 100 Hz. Il valore minimo consentito è 100 Hz, il massimo è 100 kHz.
• Commutazione Run / Stop Peak: commutando questo interruttore si abilita e disabilita il guadagno integrale. Nota, ogni volta che il dispositivo è in modalità PEAK, la modulazione di uscita e la demodulazione del segnale di errore sono attive.

Dati salvati 
I dati vengono salvati in formato Comma Separated Value (CSV). Una breve intestazione conserva i dati pertinenti dai dati salvati. Se il formato di questo CSV viene modificato, il software potrebbe non essere in grado di recuperare uno spettro di riferimento. Pertanto, si consiglia all'utente di salvare i propri dati in un foglio di calcolo separato file se intendono effettuare un'analisi indipendente.

Figura 10 Dati in formato .csv esportati dal DSC1. 

Teoria del funzionamento

Controllo servo PID
Il circuito PID è spesso utilizzato come un controller di feedback del loop di controllo ed è molto comune nei circuiti servo. Lo scopo di un circuito servo è di mantenere il sistema a un valore predeterminato (punto di riferimento) per periodi di tempo prolungati. Il circuito PID mantiene attivamente il sistema al punto di riferimento generando un segnale di errore che è la differenza tra il punto di riferimento e il valore corrente e modulando un volume di uscitatage per mantenere il set point. Le lettere che compongono l'acronimo PID corrispondono a Proporzionale (P), Integrale (I) e Derivativo (D), che rappresentano le tre impostazioni di controllo di un circuito PID.

Il termine proporzionale dipende dall'errore attuale, il termine integrale dipende dall'accumulo di errori passati e il termine derivativo è la previsione di errori futuri. Ognuno di questi termini viene immesso in una somma ponderata che regola il volume di outputtage del circuito, u(t). Questa uscita viene immessa nel dispositivo di controllo, la sua misurazione viene reimmessa nel loop PID e al processo viene consentito di stabilizzare attivamente l'uscita del circuito per raggiungere e mantenere il valore del punto di regolazione. Lo schema a blocchi seguente illustra l'azione di un circuito PID. Uno o più controlli possono essere utilizzati in qualsiasi circuito servo a seconda di ciò che è necessario per stabilizzare il sistema (ad esempio, P, I, PI, PD o PID).

Si prega di notare che un circuito PID non garantisce un controllo ottimale. Un'impostazione non corretta dei controlli PID può causare oscillazioni significative del circuito e portare a instabilità nel controllo. Spetta all'utente regolare correttamente i parametri PID per garantire prestazioni adeguate.

Teoria PID 

Teoria PID per un servocontrollore continuo: Comprendere la teoria PID per un controllo servo ottimale.
L'uscita del circuito di controllo PID, u(t), è data come

Dove:

• ?? è il guadagno proporzionale, adimensionale
• ?? è il guadagno integrale in 1/secondo
• ?? è il guadagno derivativo in secondi
• ?(?) è il segnale di errore in volt
• ?(?) è l'uscita di controllo in volt

Da qui possiamo definire matematicamente le unità di controllo e discuterne ciascuna in modo un po' più dettagliato. Il controllo proporzionale è proporzionale al segnale di errore; in quanto tale, è una risposta diretta al segnale di errore generato dal circuito:
? = ???(?)
Un guadagno proporzionale maggiore determina cambiamenti maggiori in risposta all'errore e quindi influisce sulla velocità con cui il controller può rispondere ai cambiamenti nel sistema. Mentre un guadagno proporzionale elevato può far sì che un circuito risponda rapidamente, un valore troppo elevato può causare oscillazioni sul valore SP. Un valore troppo basso e il circuito non può rispondere in modo efficiente ai cambiamenti nel sistema. Il controllo integrale fa un passo avanti rispetto al guadagno proporzionale, poiché è proporzionale non solo all'entità del segnale di errore, ma anche alla durata di qualsiasi errore accumulato.

Il controllo integrale è altamente efficace nell'aumentare il tempo di risposta di un circuito, oltre a eliminare l'errore di stato stazionario associato al controllo puramente proporzionale. In sostanza, il controllo integrale somma qualsiasi errore non corretto in precedenza, quindi moltiplica tale errore per Ki per produrre la risposta integrale. Pertanto, anche per un piccolo errore sostenuto, è possibile realizzare una grande risposta integrale aggregata. Tuttavia, a causa della rapida risposta del controllo integrale, valori di guadagno elevati possono causare un significativo superamento del valore SP e portare a oscillazione e instabilità. Troppo bassi e il circuito sarà significativamente più lento nel rispondere ai cambiamenti nel sistema. Il controllo derivativo tenta di ridurre il superamento e il potenziale di risonanza dal controllo proporzionale e integrale. Determina la rapidità con cui il circuito cambia nel tempo (osservando la derivata del segnale di errore) e la moltiplica per Kd per produrre la risposta derivativa.

A differenza del controllo proporzionale e integrale, il controllo derivativo rallenterà la risposta del circuito. In questo modo, è in grado di compensare parzialmente l'overshoot e anche damp eventuali oscillazioni causate dal controllo integrale e proporzionale. Valori di guadagno elevati fanno sì che il circuito risponda molto lentamente e possono lasciare suscettibili al rumore e alle oscillazioni ad alta frequenza (poiché il circuito diventa troppo lento per rispondere rapidamente). Troppo bassi e il circuito è incline a superare il valore del punto di regolazione. Tuttavia, in alcuni casi è necessario evitare di superare il valore del punto di regolazione di una quantità significativa e quindi è possibile utilizzare un guadagno derivativo più elevato (insieme a un guadagno proporzionale più basso). Il grafico seguente spiega gli effetti dell'aumento del guadagno di uno qualsiasi dei parametri in modo indipendente.

Parametro Aumentato	Ora di alzarsi	Superamento	Tempo di assestamento	Errore di stato stazionario	Stabilità
Kp	Diminuire	Aumento	Piccolo cambiamento	Diminuire	Degradare
Ki	Diminuire	Aumento	Aumento	Diminuire significativamente	Degradare
Kd	Diminuzione minore	Diminuzione minore	Diminuzione minore	Nessun effetto	Migliorare (per Kd piccolo)

Controllori servo a tempo discreto 

Formato dati
Il controllore PID nel DSC1 riceve un ADC a 16 bitample, che è un numero binario offset, che può variare da 0 a 65535. 0 si mappa linearmente su un ingresso negativo a 4 V e 65535 rappresenta un segnale di ingresso a +4 V. Il segnale di "errore", ?[?], nel ciclo PID in un passo temporale ? è determinato come ?[?] = ? − ?[?] Dove ? è il setpoint e ?[?] è il voltagèample nella scala binaria offset a un passo temporale discreto, ?.

Legge di controllo nel dominio del tempo
Vengono calcolati e sommati tre termini di guadagno.
?[?] = ??[?] + ??[?] + ??[?] ?? = ???[?] ?? ≈ ?? ∫ ?[?] ?? = ??(?[?] − ?[? − 1])
Dove ??[?], ??[?] e ??[?] sono i guadagni proporzionali, integrali e derivativi che comprendono l'uscita di controllo ?[?] in un passo temporale ?. ??, ?? e ?? sono i coefficienti di guadagno proporzionale, integrale e derivativo.

Approssimazione dell'integrale e della derivata
Il DSC1 approssima un integratore con un accumulatore.
∫ ?[?] = ?[?] + ∫ ?[? − 1] La considerazione dell'intervallo di integrazione, la larghezza del passo temporale, è racchiusa nel coefficiente di guadagno integrale ?? tale che: ?? = ?′?ℎ
Dove ?′? è il coefficiente di guadagno integrale inserito nominalmente e ℎ è il tempo tra gli ADCamples. Facciamo un'approssimazione simile alla derivata come differenza tra ?[?] e ?[? − 1] assumendo di nuovo che ?? contenga anche una scala 1 / h.

Come accennato in precedenza, consideriamo ora che le approssimazioni integrali e derivate non hanno incluso alcuna considerazione del passo temporale (sample interval), in seguito ℎ. Tradizionalmente diciamo approssimazione esplicita di primo ordine a una variabile ?[?] con = ?(?, ?) in base ai termini in uno sviluppo in serie di Taylor è ?[?] ≈ ?[? − 1] + ℎ ?(?, ?)
Questo è spesso definito schema di integrazione di Eulero all'indietro o integratore numerico esplicito di primo ordine. Se risolviamo per la derivata, ?(?, ?), troviamo:

Si noti la somiglianza del numeratore di cui sopra con la nostra approssimazione in corso alla derivata nell'equazione di controllo. Ciò significa che la nostra approssimazione alla derivata è più opportunamente scalata da ℎ−1.

Inoltre, imita intuitivamente il teorema fondamentale del calcolo:

Ora, se diciamo che ? è l'integrale del segnale di errore ?, possiamo effettuare le seguenti sostituzioni.
?[?]=∫?[?] ?(?,?)= ?[?] E otteniamo dall'approssimazione della serie di Taylor del primo ordine ad una funzione ?: ∫?[?]=∫?[?−1]+ℎ ?(?)
Semplicemente assumendo ∫?[?]=0 per ?=0, l'approssimazione seguente a un integrale si condensa praticamente in un accumulatore.

Pertanto adattiamo la nostra precedente derivazione della legge di controllo a:

Legge di controllo nel dominio della frequenza
Sebbene l'equazione derivata nella sezione precedente informi il comportamento nel dominio del tempo del controller PID a tempo discreto implementato nel DSC1, dice poco sulla risposta nel dominio della frequenza del controller. Invece introduciamo il dominio ?, che è analogo al dominio di Laplace, ma per il tempo discreto anziché continuo. Similmente alla trasformata di Laplace, la trasformata Z di una funzione è più spesso determinata assemblando relazioni di trasformata Z tabulate, piuttosto che sostituendo direttamente la definizione di trasformata Z (mostrata di seguito).

Dove ?(?) è l'espressione del dominio Z di una variabile di tempo discreta ?[?], ? è il raggio (spesso trattato come 1) della variabile indipendente ?, ? è la radice quadrata di -1 e ∅ è l'argomento complesso in radianti o gradi. In questo caso, sono necessarie solo due trasformazioni Z tabulate.
?[?] = ?[?] ?[? − 1] = ?[?]?−1
La trasformata Z del termine proporzionale, ??, è banale. Inoltre, accettate per un momento che sia utile per noi determinare l'errore per controllare la funzione di trasferimento, ?(?), piuttosto che semplicemente ?(?).

La trasformata Z del termine integrale, ??, è più interessante.
Ricordiamo il nostro schema di integrazione di Eulero esplicito nella sezione precedente: ??(?) = ?? ∫ ?[?] = ?? (∫ ?[? − 1] + ℎ ?(?))
∫ ?(?) = ∫ ?(?) ?−1 + ℎ?(?)
∫ ?(?) − ∫ ?(?) ?−1 = ℎ?(?)

Infine, esaminiamo il guadagno derivativo, ??: 

Assemblando ciascuna delle funzioni di trasferimento sopra menzionate, arriviamo a: 

Con questa equazione possiamo calcolare numericamente la risposta nel dominio della frequenza del controller e visualizzarla come un diagramma di Bode, come quello di seguito.
Funzioni di trasferimento PID, Kp = 1.8, Ki = 1.0, Kd = 1E-4

Si noti come il guadagno del controller PI si avvicini esclusivamente al guadagno proporzionale e alle alte frequenze e come il guadagno del controller PD si avvicini esclusivamente al guadagno proporzionale alle basse frequenze.

Sintonizzazione PID
In generale, i guadagni di P, I e D dovranno essere regolati dall'utente per ottimizzare le prestazioni del sistema. Sebbene non vi sia un insieme statico di regole su quali dovrebbero essere i valori per un sistema specifico, seguire le procedure generali dovrebbe aiutare a mettere a punto un circuito per adattarlo al proprio sistema e ambiente. In generale, un circuito PID correttamente regolato in genere supererà leggermente il valore SP e poi damp per raggiungere il valore SP e mantenerlo stabile a quel punto. Il ciclo PID può bloccarsi su una pendenza positiva o negativa cambiando il segno dei guadagni P, I e D. Nel DSC1, i segni sono bloccati insieme, quindi cambiandone uno si cambiano tutti.

La messa a punto manuale delle impostazioni di guadagno è il metodo più semplice per impostare i controlli PID. Tuttavia, questa procedura viene eseguita attivamente (il controller PID collegato al sistema e il loop PID abilitato) e richiede una certa esperienza per ottenere buoni risultati. Per mettere a punto manualmente il controller PID, imposta prima i guadagni integrale e derivativo su zero. Aumenta il guadagno proporzionale finché non osservi oscillazioni nell'uscita. Il tuo guadagno proporzionale dovrebbe quindi essere impostato a circa la metà di questo valore. Dopo aver impostato il guadagno proporzionale, aumenta il guadagno integrale finché qualsiasi offset non viene corretto su una scala temporale appropriata per il tuo sistema.

Se si aumenta troppo questo guadagno, si osserverà un overshoot significativo del valore SP e instabilità nel circuito. Una volta impostato il guadagno integrale, è possibile aumentare il guadagno derivativo. Il guadagno derivativo ridurrà l'overshoot e damp il sistema rapidamente al valore del set point. Se si aumenta troppo il guadagno derivativo, si osserverà un forte overshoot (a causa della lentezza del circuito nel rispondere). Giocando con le impostazioni del guadagno, è possibile ottimizzare le prestazioni del circuito PID, ottenendo un sistema che risponde rapidamente ai cambiamenti e damps oscillazione attorno al valore del punto di regolazione.

Tipo di controllo	Kp	Ki	Kd
P	0.50 Ku	–	–
PI	0.45 Ku	1.2 kPa/kg	–
PID	0.60 Ku	2 kPa/kg	KpPu/8

Sebbene la messa a punto manuale possa essere molto efficace per impostare un circuito PID per il tuo sistema specifico, richiede una certa esperienza e comprensione dei circuiti PID e della risposta. Il metodo Ziegler-Nichols per la messa a punto PID offre una guida più strutturata per impostare i valori PID. Di nuovo, vorrai impostare il guadagno integrale e derivativo su zero. Aumenta il guadagno proporzionale finché il circuito non inizia a oscillare. Chiameremo questo livello di guadagno Ku. L'oscillazione avrà un periodo di Pu. I guadagni per vari circuiti di controllo sono quindi indicati nella tabella sopra. Nota che quando si utilizza il metodo di messa a punto Ziegler-Nichols con DSC1, il termine integrale determinato dalla tabella deve essere moltiplicato per 2⋅10-6 per normalizzare a sample rate. Allo stesso modo, il coefficiente derivato dovrebbe essere diviso per 2⋅10-6 per normalizzare al sampil tasso.

Ramping
Gli utenti possono spesso aver bisogno di determinare il punto operativo del segnale di grandi dimensioni o il setpoint utile per un sistema. Per determinare il punto operativo del segnale di grandi dimensioni (di seguito denominato offset DC) o il setpoint servo ottimale, una tecnica comune è semplicemente quella di stimolare ripetutamente il sistema con un volume linearmente crescentetage segnale. Il modello è comunemente chiamato onda a dente di sega, per la sua somiglianza ai denti di una sega.

Modalità di blocco del picco
La modalità di blocco del picco implementa un algoritmo di blocco del dither, noto anche come controller di ricerca dell'estremo. In questa modalità di funzionamento, il valore di controllo è sovrapposto a un'uscita sinusoidale. Il volume di ingresso misuratotage viene prima filtrato digitalmente passa-alto (HPF) per rimuovere qualsiasi offset DC. Quindi il segnale accoppiato AC viene demodulato moltiplicando ogni volume misuratotage dal valore di modulazione dell'onda sinusoidale in uscita. Questa operazione di moltiplicazione crea un segnale demodulato con due componenti principali: un'onda sinusoidale alla somma delle due frequenze e un segnale alla differenza delle due frequenze.

Un secondo filtro digitale, questa volta un filtro passa-basso (LPF), attenua il segnale somma di due frequenze e trasmette il segnale differenza di due frequenze a bassa frequenza. Il contenuto del segnale alla stessa frequenza della modulazione appare come un segnale DC post demodulazione. Il passaggio finale nell'algoritmo di blocco del picco è integrare il segnale LPF. L'uscita dell'integratore, combinata con la modulazione in uscita, pilota il volume di uscitatage. L'accumulo di energia del segnale demodulato a bassa frequenza nell'integratore spinge il controllo di offset voltage dell'output sempre più alto finché il segno dell'output LPF non si inverte e l'output dell'integratore inizia a diminuire. Man mano che il valore di controllo si avvicina al picco della risposta del sistema, il risultato della modulazione sul segnale di input al servo controller diventa sempre più piccolo, poiché la pendenza di una forma d'onda sinusoidale è zero al suo picco. Ciò a sua volta significa che c'è un valore di output inferiore dal segnale demodulato e filtrato passa-basso e quindi meno da accumulare nell'integratore.

Figura 12 Diagramma a blocchi di un controller di blocco di picco. Il segnale di ingresso dall'impianto sensibile al picco viene digitalizzato, quindi filtrato passa-alto. Il segnale di uscita HPF viene demodulato con un oscillatore locale digitale. L'uscita del demodulatore viene filtrata passa-basso e quindi integrata. L'uscita dell'integratore viene aggiunta al segnale di modulazione e all'uscita all'impianto sensibile al picco. Il blocco di picco è un buon algoritmo di controllo da scegliere quando il sistema che l'utente desidera controllare non ha una risposta monotona attorno al punto di controllo ottimale. Exampalcuni di questi tipi di sistemi sono supporti ottici con una lunghezza d'onda risonante, come una cella di vapore, o un filtro RF di rigetto della banda (filtro notch). La caratteristica centrale dello schema di controllo del blocco del picco è la tendenza dell'algoritmo a dirigere il sistema verso l'attraversamento per lo zero del segnale di errore che coincide con un picco nel segnale misurato, come se il segnale di errore fosse la derivata del segnale misurato. Nota che il picco può essere positivo o negativo. Per iniziare con la modalità di funzionamento del blocco del picco per il DSC1, puoi seguire questa procedura.

1. Assicurati che ci sia un picco (o una valle) del segnale su cui ti stai agganciando all'interno del volume di controllotage la portata dell'attuatore e che la posizione di picco sia relativamente stabile nel tempo. È utile utilizzare RAMP modalità per visualizzare il segnale sul volume di controllotage gamma di interesse.
2. Notare il volume di controllotage posizione del picco (o della valle).
3. Stimare quanto è ampio il picco (o la valle) nel controllo voltage a metà dell'altezza del picco. Questa larghezza, in volt, è comunemente chiamata Full-Width Half-Max o FWHM. Dovrebbe essere larga almeno 0.1 V per ottenere buoni risultati.
4. Imposta la modulazione amplitude (A) all'1% al 10% del volume FWHMtage.
5. Impostare l'offset voltage il più vicino possibile alla posizione del picco (o della valle) su cui desideri effettuare il bloccaggio.
6. Imposta la frequenza di modulazione alla frequenza desiderata. Sul touch screen questo viene influenzato tramite il parametro M, frequenza di modulazione. La frequenza di modulazione è 100 Hz per M. La migliore selezione della frequenza di modulazione dipende dall'applicazione. Thorlabs consiglia valori intorno a 1 kHz per gli attuatori meccanici. Frequenze più elevate possono essere utilizzate per gli attuatori elettro-ottici.
7. Imposta il coefficiente integrale di blocco del picco (K) a 0.1 volte A. K può essere positivo o negativo. In genere, K positivo si blocca su un picco del segnale di ingresso, mentre K negativo si blocca su una valle del segnale di ingresso. Tuttavia, se l'attuatore o il sistema che si blocca ha un ritardo di fase superiore a 90 gradi alla frequenza di dithering, il segno di K si invertirà e K positivo si bloccherà su una valle e K negativo si bloccherà su un picco.
8. Premere Esegui e verificare che il volume di controllotage l'output cambia rispetto al valore di offset (O) originale e non si allontana verso un estremo. In alternativa, monitorare la variabile di processo utilizzando un oscilloscopio per verificare che il DSC1 si stia agganciando al picco o alla valle desiderati.

Figura 13 Esampi dati da rampmodifica del volume di offset dell'uscitatage con un'onda sinusoidale continua, imposta su un impianto di risposta di picco. Notare che l'attraversamento dello zero del segnale di errore si allinea con il picco del segnale di risposta dell'impianto.

Manutenzione e pulizia
Pulisci e mantieni regolarmente il DSC1 per prestazioni ottimali. Il DSC1 non richiede manutenzione regolare. Se il touchscreen del dispositivo dovesse sporcarsi, Thorlabs consiglia di pulirlo delicatamente con un panno morbido e privo di lanugine, imbevuto di alcol isopropilico diluito.

Risoluzione dei problemi e riparazione

In caso di problemi, fare riferimento alla sezione di risoluzione dei problemi per una guida sulla risoluzione dei problemi comuni. La tabella seguente descrive i problemi tipici con DSC1 e i rimedi consigliati da Thorlabs.

Problema	Spiegazione	Rimedio
Il dispositivo non si accende quando è collegato all'alimentazione USB Type-C.	Il dispositivo richiede fino a 750 mA di corrente da un alimentatore da 5 V, 3.75 W. Ciò potrebbe superare la capacità di alimentazione di alcuni connettori USB-A su laptop e PC.	Utilizzare alimentatori Thorlabs DS5 o CPS1. In alternativa, utilizzare un alimentatore USB Type-C come quelli solitamente utilizzati per caricare un telefono o un laptop, con una potenza nominale di almeno 750 mA a 5 V.
Il dispositivo non si accende quando la porta dati è collegata a un PC.	Il DSC1 trae energia solo dal connettore di alimentazione USB Type-C. Il connettore USB Type Mini-B è solo dati.	Collegare la porta USB Type-C a un alimentatore con potenza nominale di almeno 750 mA a 5 V, come Thorlabs DS5 o CPS1.

Disposizione
Quando si smaltisce il DSC1, attenersi alle linee guida per lo smaltimento corretto.
Thorlabs verifica la nostra conformità alla direttiva RAEE (Rifiuti di apparecchiature elettriche ed elettroniche) della Comunità Europea e alle corrispondenti leggi nazionali. Di conseguenza, tutti gli utenti finali nella CE possono restituire a Thorlabs le apparecchiature elettriche ed elettroniche di categoria Allegato I “fine vita” vendute dopo il 13 agosto 2005, senza incorrere in costi di smaltimento. Le unità idonee sono contrassegnate con il logo del “bidone dei rifiuti” barrato (vedi a destra), sono state vendute a e sono attualmente di proprietà di una società o istituto della CE e non sono disassemblate o contaminate. Contatta Thorlabs per ulteriori informazioni. Il trattamento dei rifiuti è sotto la vostra responsabilità. Le unità “a fine vita” devono essere restituite a Thorlabs o consegnate a un'azienda specializzata nel recupero dei rifiuti. Non smaltire l'unità in un cestino dei rifiuti o in un sito di smaltimento dei rifiuti pubblico. È responsabilità dell'utente eliminare tutti i dati privati ​​memorizzati sul dispositivo prima dello smaltimento.

Domande frequenti:

D: Cosa devo fare se il DSC1 non si accende?
A: Controllare la connessione della fonte di alimentazione e assicurarsi che soddisfi i requisiti specificati. Se il problema persiste, contattare l'assistenza clienti per assistenza.

Sicurezza

AVVISO
Questo strumento deve essere tenuto lontano da ambienti in cui sono probabili fuoriuscite di liquidi o condensa. Non è resistente all'acqua. Per evitare danni allo strumento, non esporlo a spruzzi, liquidi o solventi.

Installazione

Informazioni sulla garanzia
Questo dispositivo di precisione è riparabile solo se restituito e correttamente imballato nella confezione originale completa, inclusa la spedizione completa più l'inserto di cartone che contiene i dispositivi inclusi. Se necessario, richiedere l'imballaggio sostitutivo. Rivolgersi a personale qualificato per l'assistenza.

Componenti inclusi

Il servo controller digitale compatto DSC1 viene fornito con i seguenti componenti:

• Controllore servo digitale DSC1
• Scheda di avvio rapido
• Cavo dati USB 72 tipo A a Mini B USB-AB-2.0, 72″ (1.83 m) di lunghezza
• Cavo di alimentazione USB tipo A a USB tipo C, 1 m (39″) di lunghezza
• Cavo coassiale SMB-BNC PAA248, 48″ (1.22 m) di lunghezza (qtà. 2)

Installazione e configurazione

Nozioni di base 
Gli utenti possono configurare il dispositivo con un computer tramite l'interfaccia USB o tramite il touchscreen integrato. In entrambi i casi, l'alimentazione deve essere fornita tramite la connessione USB-C da 5 V. Quando si utilizza la GUI desktop, il servo controller deve essere collegato con un cavo USB 2.0 (incluso) dalla porta dati del dispositivo a un PC con il software Digital Servo Controller installato.

Loop di terra e DSC1
Il DSC1 include circuiti interni per limitare la probabilità che si verifichino loop di terra. Thorlabs suggerisce di utilizzare l'alimentatore regolato DS5 isolato dal trasformatore o il pacco batteria esterno CPS1. Con gli alimentatori DS5 o CPS1, la massa del segnale all'interno del DSC1 fluttua rispetto alla massa di una presa a muro. Le uniche connessioni al dispositivo che sono comuni a questa massa del segnale sono il pin di massa del segnale del connettore di alimentazione USB-C e il percorso di ritorno esterno sul cavo coassiale SMB di uscita. La connessione dati USB è isolata. Il segnale di ingresso ha una resistenza di interruzione del ground loop tra il percorso di ritorno del segnale e la massa del segnale all'interno dello strumento che in genere impedisce l'interferenza del ground loop. È importante notare che non ci sono due percorsi diretti alla massa del segnale del dispositivo, riducendo al minimo il verificarsi di ground loop.

Per mitigare ulteriormente il rischio di interferenza del ground loop, Thorlabs suggerisce le seguenti best practice: 

• Mantenere corti tutti i cavi di alimentazione e di segnale diretti al dispositivo.
• Utilizzare un alimentatore a batteria (CPS1) o con trasformatore isolato (DS5) con il DSC1. Ciò garantisce una massa del segnale del dispositivo flottante.
• Non collegare tra loro i percorsi di ritorno del segnale di altri strumenti.
  • Un comune example è un tipico oscilloscopio da banco; il più delle volte i gusci esterni delle connessioni di ingresso BNC sono direttamente collegati alla terra. Più morsetti di terra collegati allo stesso nodo di terra in un esperimento possono causare un loop di terra.

Sebbene sia improbabile che il DSC1 di per sé causi un loop di terra, altri strumenti nel laboratorio dell'utente potrebbero non essere isolati dai loop di terra e quindi potrebbero essere una fonte di loop di terra.

Alimentazione del DSC1
Il controller servo digitale DSC1 richiede alimentazione a 5 V tramite USB-C fino a 0.75 A di picco di corrente e 0.55 A in funzionamento tipico. Thorlabs offre due alimentatori compatibili: CPS1 e DS5. Nelle applicazioni in cui la sensibilità al rumore è meno limitata o in cui sono richiesti tempi di esecuzione superiori a 8 ore, si consiglia l'alimentatore regolato DS5. L'alimentatore a batteria CPS1 è consigliato quando si desiderano prestazioni di rumore ottimali. Con il CPS1 completamente carico e in buone condizioni, il DSC1 può funzionare per 8 ore o più senza ricarica.

Contatti Thorlabs nel mondo

Per ulteriore assistenza o richieste, fare riferimento ai contatti mondiali di Thorlabs. Per supporto tecnico o richieste di vendita, visitateci su www.thorlabs.com/contatto per le nostre informazioni di contatto più aggiornate.

Sede aziendale
Thorlabs, Inc.
Viale Sparta, 43
Newton, New Jersey 07860
Stati Uniti
vendite@thorlabs.com
supporto tecnico@thorlabs.com

Importatore UE
Thorlabs GmbH
Münchner Weg 1
D-85232 Bergkirchen
Germania
sales.de@thorlabs.com
europa@thorlabs.com

Produttore del prodotto
Thorlabs, Inc.
Viale Sparta, 43
Newton, New Jersey 07860 Stati Uniti
vendite@thorlabs.com
supporto tecnico@thorlabs.com

Importatore nel Regno Unito
Thorlabs Ltd.
204 Lancaster Way Business Park
Ely CB6NX
Regno Unito
sales.it@thorlabs.com
techsupport.it@thorlabs.com
www.thorlabs.com

Documenti / Risorse

THORLABS DSC1 Controllore servo digitale compatto [pdf] Guida utente DSC1, DSC1 Controller servo digitale compatto, DSC1, Controller servo digitale compatto, Controller servo digitale, Controller servo, Controller

Riferimenti

• Manuale d'uso