THORLABS DSC1 コンパクト デジタル サーボ コントローラ

仕様:

• 製品名: DSC1 コンパクトデジタルサーボコントローラ
• 推奨用途: Thorlabsの光検出器とアクチュエータを使用
• 対応アクチュエータ: ピエゾ ampライファ、レーザーダイオードドライバ、TECコントローラ、電気光学変調器
• コンプライアンス: CE/UKCA マーク

製品使用説明書

導入

使用目的: DSC1は、研究や産業における一般的な実験室での使用向けに設計されたコンパクトなデジタルサーボコントローラです。DSC1は、体積を測定します。tageは、ユーザーが選択した制御アルゴリズムに従ってフィードバック信号を計算し、ボリュームを出力する。tage. 製品は、このマニュアルに記載されている指示に従ってのみ使用できます。それ以外の使用は保証の対象外となります。Thorlabs の許可なく、DSC1 の再プログラム、バイナリ コードの逆アセンブル、または工場の機械命令の変更を試みた場合、保証は無効となります。Thorlabs は、DSC1 を Thorlabs の光検出器およびアクチュエータと併用することを推奨します。例:ampDSC1に最適なThorlabsアクチュエータのXNUMXつは、Thorlabsのピエゾアクチュエータです。 ampライファ、レーザーダイオードドライバ、熱電冷却器（TEC）コントローラ、および電気光学変調器。

安全上の警告の説明

注記 製品に損傷が生じる可能性など、危険とは関係ないが重要と考えられる情報を示します。
製品に表示されている CE/UKCA マークは、製品が関連する欧州の健康、安全、環境保護法の基本要件に準拠していることをメーカーが宣言したものです。
製品、付属品、またはパッケージに付いているゴミ箱のシンボルは、このデバイスを未分別な一般廃棄物として処理せず、別途収集する必要があることを示しています。

説明
ThorlabsのDSC1デジタルサーボコントローラは、電気光学システムのフィードバック制御用の機器です。このデバイスは入力電圧を測定します。tage、適切なフィードバックボリュームを決定するtagいくつかの制御アルゴリズムの1つを介してeを出力ボリュームに適用しますtagユーザーは、統合タッチスクリーンディスプレイ、リモートデスクトップPCのグラフィカルユーザーインターフェイス（GUI）、またはリモートPCのソフトウェア開発キット（SDK）のいずれかを使用してデバイスの操作を構成することができます。サーボコントローラはampレ・ヴォルtag16 MHz の同軸 SMB 入力ポートを介して 1 ビットの解像度でデータを送信します。

より正確なボリュームを提供するためにtag測定では、デバイス内の演算回路が2秒ごとに平均化します。amp効果的なsのためのlesamp500 kHzの高速デジタル信号処理技術を使用して、デジタル化されたデータはマイクロプロセッサによって高速に処理されます。ユーザーは、サーボ制御アルゴリズムとピーク制御アルゴリズムを選択できます。または、ユーザーはDC電圧に対するシステムの応答をテストできます。tageはRでサーボセットポイントを決定するAMP 動作モードでは、入力に同期した鋸歯状波が出力されます。入力チャンネルの帯域幅は、通常 120 kHz です。出力チャンネルの帯域幅は、通常 100 kHz です。入力から出力へのボリュームの -180 度の位相遅れは、tagこのサーボコントローラの伝達関数は通常 60 kHz です。

技術データ

仕様

動作仕様
システム帯域幅	DC〜100 kHz
入力から出力への -180 度周波数	>58 kHz (通常 60 kHz)
公称入力Samp解像度	16 ビット
公称出力解像度	12 ビット
最大入力ボリュームtage	±4V
最大出力ボリュームtageb	±4V
最大入力電流	100mA
平均ノイズフロア	-120dBV2/Hz
ピークノイズフロア	-105dBV2/Hz
入力RMSノイズc	0.3 mV
入力Sampリンギング周波数	1 MHz
PID更新頻度d	500kHz
ピークロック変調周波数範囲	100 Hz – 100 kHz（100 Hz ステップ）
入力終端	1MΩ
出力インピーダンスb	220Ω

• a. これは、出力が入力に対して -180 度の位相シフトに達する周波数です。
• b. 出力は高インピーダンス（>100 kΩ）デバイスへの接続用に設計されています。入力終端抵抗Rdevが低いデバイスを接続すると、出力電圧が低下します。tag範囲はRdev/(Rdev + 220 Ω)で決まります（例えば、1kΩ終端のデバイスは公称出力電圧の82%になります）。tage 範囲)。
• c. 積分帯域幅は100 Hz～250 kHzです。
• d. ローパスフィルタは出力制御ボリュームのデジタル化アーティファクトを低減します。tage、出力帯域幅は 100 kHz になります。

電気要件
供給量tage	4.75～5.25V DC
供給電流	750 mA（最大）
温度範囲a	0℃～70℃

• デバイスが問題なく動作できる温度範囲。室温付近で最適な動作が行われます。

システム要件
オペレーティング·システム	Windows 10® (推奨) または 11、64 ビット必須
メモリ（RAM）	最低4GB、推奨8GB
S拷問	300 MB（最小）の空きディスク容量
インタフェース	USB2.0 について
最小画面解像度	1200 x 800 ピクセル

機械図面 

簡易適合宣言書
EU適合宣言の全文は、次のインターネット アドレスでご覧いただけます。 https://Thorlabs.com/newgrouppage9.cfm?objectgroup_id=16794

FCC 指定 

注記： この機器は、FCC 規則のパート 15 に従ってテストされ、クラス A デジタル デバイスの制限に準拠していることが確認されています。これらの制限は、機器が商業環境で操作されるときに有害な干渉に対して適切な保護を提供するように設計されています。この機器は、無線周波数エネルギーを生成、使用、および放射する可能性があり、取扱説明書に従って設置および使用しないと、無線通信に有害な干渉を引き起こす可能性があります。住宅地域でこの機器を操作すると、有害な干渉を引き起こす可能性があり、その場合、ユーザーは自己負担で干渉を修正する必要があります。

安全上の警告: CE/UKCA マークは、欧州の健康、安全、環境保護に関する法律に準拠していることを示します。

手術

基本: DSC1 の基本的な機能を理解しましょう。

グラウンドループと DSC1: 干渉を避けるために適切な接地を確保してください。

DSC1への電源供給: 提供されたガイドラインに従って電源を接続します。

タッチスクリーン 

タッチスクリーンインターフェースの起動 
DSC1 を電源に接続し、XNUMX 秒未満の短いウォームアップの後、内蔵タッチスクリーン ディスプレイが点灯し、画面が入力に応答します。

サーボモードでのタッチスクリーン操作
SERVO モードでは PID コントローラが実装されます。

図 2 PI 制御モードで PID コントローラが有効になっているサーボ動作モードでのタッチスクリーン ディスプレイ。 

• PV（プロセス変数）数値はAC RMS電圧を示します。tag入力信号の電圧（ボルト単位）。
• OV（出力ボリューム）tage) 数値は平均出力ボリュームを示すtagDSC1からのe。
• S (セットポイント) コントロールは、サーボ ループのセットポイントをボルト単位で設定します。4 V が最大値で、-4 V が最小値です。
• O (オフセット) コントロールは、サーボ ループの DC オフセットをボルト単位で設定します。4 V が最大値で、-4 V が最小値です。
• P (比例) コントロールは比例ゲイン係数を設定します。これは、工学表記法で表された 10-5 ～ 10,000 の間の正または負の値になります。
• I (積分) コントロールは積分ゲイン係数を設定します。これは、工学表記法で表された 10-5 から 10,000 までの正または負の値になります。
• D (微分) コントロールは微分ゲイン係数を設定します。これは、工学表記法で表された 10-5 ～ 10,000 の間の正または負の値になります。
• STOP-RUN トグルはサーボ ループを無効または有効にします。
• P、I、Dボタンは、各ゲインを有効（点灯）または無効（濃い青）にします。tagPIDサーボループ内のe。
• SERVO ドロップダウン メニューを使用すると、ユーザーは動作モードを選択できます。
• 青緑色のトレースは現在の設定点を示します。各ポイントは X 軸上で 2 µs 間隔で配置されます。
• 金色のトレースは、現在測定された PV を示しています。各ポイントは、X 軸上で 2 µs 間隔で離れています。

R でのタッチスクリーン操作AMP モード 
RはAMP モードはユーザーが設定可能な鋸歯状波を出力します amp距離とオフセット。

• PV（プロセス変数）数値はAC RMS電圧を示します。tag入力信号の電圧（ボルト単位）。
• OV（出力ボリューム）tage) 数値は平均出力ボリュームを示すtagデバイスによって適用されます。
• O（オフセット）コントロールはrのDCオフセットを設定します。amp 出力はボルト単位です。4 V が最大値、-4 V が最小値です。
• A（amp光度）コントロールは amprの程度amp 出力はボルト単位です。4 V が最大値、-4 V が最小値です。
• STOP-RUN トグルは、それぞれサーボ ループを無効または有効にします。
• RはAMP ドロップダウン メニューを使用すると、ユーザーは動作モードを選択できます。
• 金色のトレースは、出力スキャンボリュームと同期したプラントの応答を示しています。tage. 各ポイントはX軸上で195µs間隔で配置されます。

PEAKモードでのタッチスクリーン操作
PEAKモードは、ユーザーが設定可能な変調周波数を備えた極値探索コントローラを実装します。 amp量、積分定数。デバイスが PEAK モードの場合、変調と復調は常にアクティブであることに注意してください。実行/停止トグルは、ディザ制御ループの積分ゲインをアクティブまたは非アクティブにします。

• PV（プロセス変数）数値はAC RMS電圧を示します。tag入力信号の電圧（ボルト単位）。
• OV（出力ボリューム）tage) 数値は平均出力ボリュームを示すtagデバイスによって適用されます。
• M（変調周波数乗数）の数値は、変調周波数の100Hzの倍数を示します。例：ampたとえば、図のように M = 1 の場合、変調周波数は 100 Hz です。最大変調周波数は 100 kHz で、M 値は 1000 です。一般に、制御アクチュエータがその周波数で応答する場合は、より高い変調周波数が推奨されます。
• A（amp光度）コントロールは amp変調の限度をボルト単位で表したもので、工学表記法で表されます。4 V が最大値、-4 V が最小値です。
• K (ピーク ロック積分係数) コントロールは、コントローラーの積分定数を、エンジニアリング表記法で表記された V / s 単位で設定します。ユーザーがこの値の設定方法がわからない場合は、通常、1 前後の値から始めることをお勧めします。
• STOP-RUN トグルは、それぞれサーボ ループを無効または有効にします。
• PEAK ドロップダウン メニューを使用すると、ユーザーは動作モードを選択できます。
• 金色のトレースは、出力スキャンボリュームと同期したプラントの応答を示しています。tage. 各ポイントはX軸上で195µs間隔で配置されます。

ソフトウェア
デジタルサーボコントローラソフトウェアは、コンピュータインターフェースを介して基本機能を制御することを可能にするとともに、コントローラを使用するための拡張された分析ツールセットを提供するように設計されています。たとえば、ampGUIには入力ボリュームを表示できるプロットが含まれていますtag周波数領域でのデータ。さらに、データは.csvとしてエクスポートできる。 fileこのソフトウェアは、サーボ、ピーク、またはrでデバイスの使用を可能にしますamp すべてのパラメータと設定を制御するモード。システム応答は view入力ボリュームとしてtage、エラー信号、またはその両方を、時間領域または周波数領域で表現します。詳細については、マニュアルを参照してください。

ソフトウェアの起動
ソフトウェアを起動した後、「接続」をクリックすると、利用可能な DSC デバイスが一覧表示されます。一度に複数の DSC デバイスを制御できます。

図5
DSCX クライアント ソフトウェアの起動画面。

図 6 デバイス選択ウィンドウ。[OK] をクリックして、選択したデバイスに接続します。

サーボソフトウェアタブ
サーボタブでは、デバイス自体に組み込まれたタッチスクリーンユーザーインターフェースが提供するもの以外の追加のコントロールとディスプレイを使用して、デバイスをサーボモードで操作できます。このタブでは、プロセス変数の時間領域または周波数領域表現のいずれかを使用できます。システム応答は、 viewプロセス変数、エラー信号、またはその両方として使用されます。エラー信号は、プロセス変数と設定点の差です。制御分析技術を使用すると、システムの動作とゲイン係数に関する特定の仮定が立てられていれば、デバイスのインパルス応答、周波数応答、位相応答を予測できます。このデータはサーボ制御タブに表示されるため、ユーザーは制御実験を開始する前に事前にシステムを構成できます。

図7 Rのソフトウェアインターフェースamp 周波数領域表示モード。 

• X グリッドラインを有効にする: チェックボックスをオンにすると、X グリッドラインが有効になります。
• Y グリッドラインを有効にする: チェックボックスをオンにすると、Y グリッドラインが有効になります。
• 実行/一時停止ボタン: このボタンを押すと、ディスプレイ上のグラフィック情報の更新が開始/停止します。
• 周波数 / 時間切り替え: 周波数領域と時間領域のプロットを切り替えます。
• PSD / ASD切り替え: パワースペクトル密度と amp光度スペクトル密度の垂直軸。
• 平均スキャン: このスイッチを切り替えると、周波数領域での平均化が有効または無効になります。
• 平均スキャン数: この数値コントロールは、平均するスキャン数を決定します。最小は 1 スキャン、最大は 100 スキャンです。キーボードの上下矢印で、平均スキャン数を増減できます。同様に、コントロールに隣接する上下ボタンで、平均スキャン数を増減できます。
• ロード: 参照スペクトル パネルでこのボタンを押すと、ユーザーはクライアント PC に保存されている参照スペクトルを選択できます。
• 保存: 参照スペクトルパネルでこのボタンを押すと、現在表示されている周波数データをPCに保存できます。このボタンをクリックすると、保存 file ダイアログでは、ユーザーは保存場所を選択し、 file データに名前を付けます。データはカンマ区切り値 (CSV) として保存されます。
• 参照を表示: このボックスをチェックすると、最後に選択した参照スペクトルが表示されます。
• Y 軸の自動スケール: チェックボックスをオンにすると、Y 軸の表示制限が自動的に設定されます。
• X 軸の自動スケール: チェックボックスをオンにすると、X 軸の表示制限が自動的に設定されます。
• 対数 X 軸: チェックボックスをオンにすると、対数 X 軸と線形 X 軸の表示が切り替わります。
• PID の実行: このトグルを有効にすると、デバイス上のサーボ ループが有効になります。
• O 数値: この値はオフセットボリュームを設定しますtage（ボルト）。
• SP数値: この値は設定値ボリュームを設定しますtage（ボルト）。
• Kp 数値: この値は比例ゲインを設定します。
• Ki 数値: この値は積分ゲインを 1/s 単位で設定します。
• Kd 数値: この値は微分ゲインを秒単位で設定します。
• P、I、D ボタン: これらのボタンが点灯すると、それぞれ比例ゲイン、積分ゲイン、微分ゲインが有効になります。
• 実行/停止トグル: このスイッチを切り替えると、コントロールが有効または無効になります。

ユーザーはマウスを使用して、表示される情報の範囲を変更することもできます。 

• マウス ホイールを使用すると、マウス ポインターの現在の位置に向かってプロットを拡大または縮小できます。
• SHIFT キーを押しながらクリックすると、マウス ポインターがプラス記号に変わります。その後、マウスの左ボタンをクリックすると、マウス ポインターの位置が 3 倍に拡大されます。ユーザーは、チャートの領域をドラッグして選択し、その領域に合わせて拡大することもできます。
• ALT キーを押しながらクリックすると、マウス ポインターがマイナス記号に変わります。その後、マウスの左ボタンは、マウス ポインターの位置から 3 倍にズーム アウトします。
• マウスパッドまたはタッチスクリーン上で広げたりピンチしたりすると、それぞれチャートが拡大または縮小されます。
• スクロールした後、マウスの左ボタンをクリックすると、マウスをドラッグしてパンできるようになります。
• チャートを右クリックすると、チャートのデフォルトの位置が復元されます。

Ramp ソフトウェアタブ
Rはamp タブはrと同等の機能を提供しますamp タブが表示されます。このタブに切り替えると、接続されたデバイスがrになります。amp モード。

図8
R のソフトウェア インターフェースamp モード。

サーボモードで利用可能なコントロールに加えて、Ramp モードが追加されました: 

• Amplitude 数値: この値はスキャン範囲を設定します amp電圧単位の強度。
• オフセット数値: この値はスキャン オフセットをボルト単位で設定します。
• 実行/停止Ramp トグル：このスイッチを切り替えると、rが有効または無効になります。amp.

Peak ソフトウェア タブ 
ピーク コントロール タブは、組み込みユーザー インターフェイスの PEAK モードと同じ機能を提供し、システムからの戻り信号の性質をさらに詳細に表示します。このタブに切り替えると、接続されたデバイスが PEAK モードの動作に切り替わります。

図 9 時間領域表示を備えたピーク モードのソフトウェア インターフェイス。

サーボ モードで使用できるコントロールに加えて、ピーク モードでは次のコントロールが追加されます。 

• Amplitude数値: この値は変調を設定します amp電圧単位の強度。
• K 数値: これはピーク ロック積分係数です。この値は、積分ゲイン定数を V/s 単位で設定します。
• オフセット数値: この値はオフセットをボルト単位で設定します。
• 周波数数値: 変調周波数乗数を 100 Hz 単位で設定します。最小許容値は 100 Hz、最大値は 100 kHz です。
• 実行 / 停止ピークトグル: このスイッチを切り替えると、積分ゲインが有効または無効になります。デバイスがピーク モードの場合、出力変調とエラー信号復調は常にアクティブであることに注意してください。

保存されたデータ 
データはカンマ区切り値 (CSV) 形式で保存されます。短いヘッダーには、保存されるデータの関連データが保持されます。この CSV の形式が変更されると、ソフトウェアは参照スペクトルを復元できなくなる可能性があります。したがって、ユーザーはデータを別のスプレッドシートに保存することをお勧めします。 file 彼らが独自の分析を行うつもりがあるかどうか。

図 10 DSC1 からエクスポートされた .csv 形式のデータ。 

動作原理

PIDサーボ制御
PID回路は、制御ループフィードバックコントローラとしてよく利用され、サーボ回路では非常に一般的です。サーボ回路の目的は、システムを所定の値（設定点）に長時間保持することです。PID回路は、設定点と現在の値の差であるエラー信号を生成し、出力電圧を変調することで、システムを設定点にアクティブに保持します。tage は設定点を維持します。頭字語 PID を構成する文字は、比例 (P)、積分 (I)、微分 (D) に対応し、PID 回路の 3 つの制御設定を表します。

比例項は現在の誤差に依存し、積分項は過去の誤差の蓄積に依存し、微分項は将来の誤差の予測です。これらの各項は、出力ボリュームを調整する加重合計に入力されます。tag回路の e、u(t) です。この出力は制御装置に送られ、その測定値は PID ループにフィードバックされ、プロセスによって回路の出力がアクティブに安定化され、設定値に到達して保持されます。下のブロック図は、PID 回路の動作を示しています。システムを安定化するために必要なもの (つまり、P、I、PI、PD、または PID) に応じて、1 つまたは複数の制御を任意のサーボ回路で利用できます。

PID 回路は最適な制御を保証するものではないことに注意してください。PID 制御の設定が不適切だと、回路が大きく振動し、制御が不安定になる可能性があります。適切なパフォーマンスを確保するために PID パラメータを適切に調整するのはユーザーの責任です。

PID理論 

連続サーボコントローラの PID 理論: 最適なサーボ制御のための PID 理論を理解します。
PID制御回路の出力u(t)は次のように表される。

どこ：

• ?? は比例ゲイン、無次元
• ??は1/秒単位の積分ゲインです
• ?? は秒単位の微分ゲインです
• ?(?)はボルト単位のエラー信号です
• ?(?)は制御出力（ボルト）です

ここから、制御ユニットを数学的に定義し、それぞれについてもう少し詳しく説明します。比例制御はエラー信号に比例します。つまり、回路によって生成されたエラー信号に直接応答します。
? = ???(?)
比例ゲインが大きいほど、エラーに対する応答の変化が大きくなり、コントローラがシステムの変化に応答する速度に影響します。比例ゲインが高いと回路は迅速に応答しますが、値が高すぎると SP 値を中心に振動する可能性があります。値が低すぎると、回路はシステムの変化に効率的に応答できません。積分制御は比例ゲインよりも一歩進んでおり、エラー信号の大きさだけでなく、累積エラーの持続時間にも比例します。

積分制御は、回路の応答時間を長くするとともに、純粋に比例した制御に伴う定常誤差を排除するのに非常に効果的です。本質的には、積分制御は、以前に修正されていない誤差を合計し、その誤差に Ki を掛けて積分応答を生成します。したがって、小さな持続誤差であっても、大きな集約された積分応答を実現できます。ただし、積分制御の応答が速いため、ゲイン値が高いと SP 値が大幅にオーバーシュートし、振動や不安定性につながる可能性があります。ゲインが低すぎると、回路はシステムの変化に応答するのが大幅に遅くなります。微分制御は、比例制御と積分制御によるオーバーシュートとリンギングの可能性を低減しようとします。これは、回路が時間の経過とともにどれだけ速く変化するかを判断し (誤差信号の微分を見て)、それを Kd で掛けて微分応答を生成します。

比例制御や積分制御とは異なり、微分制御は回路の応答を遅くします。そうすることで、オーバーシュートを部分的に補正し、amp 積分制御と比例制御によって生じる振動をなくします。ゲイン値が高いと回路の応答が非常に遅くなり、ノイズや高周波振動の影響を受けやすくなります (回路が遅くなりすぎて迅速に応答できなくなるため)。ゲイン値が低すぎると、回路は設定値を超えやすくなります。ただし、設定値を大幅に超えることは避けなければならない場合があり、その場合は微分ゲインを高く (比例ゲインを低く) することができます。下の図は、いずれかのパラメータのゲインを個別に増加した場合の効果を示しています。

パラメータ 増加	立ち上がり時間	オーバーシュート	整定時間	定常誤差	安定性
Kp	減少	増加	小さな変化	減少	劣化
Ki	減少	増加	増加	大幅に減少	劣化
Kd	軽微な減少	軽微な減少	軽微な減少	効果なし	改善(Kdが小さい場合)

離散時間サーボコントローラ 

データ形式
DSC1のPIDコントローラは16ビットADCを受信します。ampleはオフセットバイナリ数で、0～65535の範囲になります。0は負の4V入力に線形にマッピングされ、65535は+4V入力信号を表します。タイムステップ?でのPIDループの「エラー」信号?[?]は、?[?] = ? − ?[?]として決定されます。ここで、?は設定値で、?[?]はボリュームです。tagesamp離散時間ステップ?におけるオフセットバイナリスケールでのle。

時間領域における制御法則
3 つのゲイン項が計算され、合計されます。
?[?] = ??[?] + ??[?] + ??[?] ?? = ???[?] ?? ≈ ?? ∫ ?[?] ?? = ??(?[?] − ?[? − 1])
ここで、??[?]、??[?]、および??[?]は、タイムステップ?での制御出力?[?]を構成する比例ゲイン、積分ゲイン、および微分ゲインです。??、??、および??は、比例ゲイン、積分ゲイン、および微分ゲイン係数です。

積分と微分の近似
DSC1 は積分器を累算器で近似します。
∫ ?[?] = ?[?] + ∫ ?[? − 1] 積分間隔、つまりタイムステップ幅を考慮すると、積分ゲイン係数 ?? は次の式で表される: ?? = ?′?ℎ
ここで、?′?は公称入力された積分ゲイン係数であり、ℎはADC間の時間である。amples。??にも1 / hのスケーリングが含まれていると仮定して、?[?]と?[? − 1]の差として導関数の同様の近似を行います。

前述のように、積分近似と微分近似では時間ステップ（sample 区間（以下、ℎ）と呼ばれる。伝統的に、変数 ?[?] に対する一次の明示的な近似を、 = ?(?, ?) はテイラー級数展開の項に基づいて ?[?] ≈ ?[? − 1] + ℎ ?(?, ?) となる。
これは、後方オイラー積分法または明示的な一次数値積分法と呼ばれることがよくあります。導関数 ?(?, ?) を解くと、次の式が得られます。

上記の分子と、制御方程式の導関数の近似値との類似性に注目してください。つまり、導関数の近似値は ℎ−1 でより適切にスケーリングされます。

これはまた、微積分学の基本定理を直感的に模倣しています。

ここで、? がエラー信号 ? の積分であるとすると、次の置換を行うことができます。
?[?]=∫?[?] ?(?,?)= ?[?] そして、関数?の1次テイラー級数近似から次式を得ます: ∫?[?]=∫?[?−XNUMX]+ℎ ?(?)
?=0に対して∫?[?]=0と単純に仮定すると、積分への近似は実質的に累算器に凝縮されます。

したがって、制御法則の以前の導出を次のように調整します。

周波数領域における制御則
前のセクションで導出された方程式は、DSC1 に実装されている離散時間 PID コントローラの時間領域の動作に関する情報を提供しますが、コントローラの周波数領域応答についてはほとんど説明しません。代わりに、連続時間ではなく離散時間に対するラプラス領域に類似した ? 領域を導入します。ラプラス変換と同様に、関数の Z 変換は、Z 変換定義 (以下に示す) を直接代入するのではなく、表形式の Z 変換関係を組み立てることによって決定されることが最も多いです。

ここで、?(?) は離散時間変数 ?[?] の Z 領域式、? は独立変数 ? の半径 (多くの場合 1 として扱われる)、? は -1 の平方根、∅ はラジアンまたは度単位の複素引数です。この場合、表形式の Z 変換は XNUMX つだけ必要です。
?[?] = ?[?] ?[? − 1] = ?[?]?−1
比例項 ?? の Z 変換は簡単です。また、単に ?(?) ではなく、制御伝達関数 ?(?) に対する誤差を決定することが有用であることをしばらく認めてください。

積分項の Z 変換 ?? はさらに興味深いです。
前のセクションで示した明示的なオイラー積分スキームを思い出してください: ??(?) = ?? ∫ ?[?] = ?? (∫ ?[? − 1] + ℎ ?(?))
∫ ?(?) = ∫ ?(?) ?−1 + ℎ?(?)
∫ ?(?) − ∫ ?(?) ?−1 = ℎ?(?)

最後に、微分ゲインを見てみましょう。 

上記の各伝達関数を組み合わせると、次のようになります。 

この方程式を使用すると、コントローラーの周波数領域応答を数値的に計算し、以下のようにボード線図として表示できます。
PID 伝達関数、Kp = 1.8、Ki = 1.0、Kd = 1E-4

PI コントローラ ゲインが比例ゲインと高周波数にのみ近づく方法と、PD コントローラ ゲインが低周波数で比例ゲインにのみ近づく方法に注意してください。

PID チューニング
一般的に、P、I、D のゲインは、システムのパフォーマンスを最適化するためにユーザーが調整する必要があります。特定のシステムでの値に関する静的なルールはありませんが、一般的な手順に従うことで、システムと環境に合わせて回路を調整できます。一般的に、適切に調整された PID 回路は、通常、SP 値をわずかにオーバーシュートし、その後すぐにamp SP 値に到達し、その時点で安定します。PID ループは、P、I、および D ゲインの符号を変更することで、正または負の傾斜にロックできます。DSC1 では、符号は一緒にロックされているため、XNUMX つを変更するとすべてが変わります。

ゲイン設定の手動調整は、PID 制御を設定する最も簡単な方法です。ただし、この手順はアクティブに実行され (PID コントローラがシステムに接続され、PID ループが有効)、良好な結果を得るにはある程度の経験が必要です。PID コントローラを手動で調整するには、まず積分ゲインと微分ゲインをゼロに設定します。出力に振動が見られるまで比例ゲインを増やします。その後、比例ゲインはこの値の約半分に設定されます。比例ゲインを設定したら、システムに適した時間スケールでオフセットが修正されるまで積分ゲインを増やします。

このゲインを上げすぎると、SP値の大幅なオーバーシュートと回路の不安定性が観察されます。積分ゲインを設定したら、微分ゲインを上げることができます。微分ゲインはオーバーシュートを減らし、amp システムを素早く設定値に近づけます。微分ゲインを上げすぎると、回路の応答が遅すぎるため、大きなオーバーシュートが発生します。ゲイン設定を調整することで、PID回路のパフォーマンスを最適化し、変化に素早く反応し、効果的に制御できるシステムを実現できます。amp設定値を中心に振動します。

コントロールタイプ	Kp	Ki	Kd
P	0.50 区	–	–
PI	0.45 区	1.2キロパスカル	–
ピジョン	0.60 区	2キロパスカル	8キロパスカル

手動チューニングは、特定のシステムに対して PID 回路を設定するのに非常に効果的ですが、PID 回路と応答に関するある程度の経験と理解が必要です。PID チューニングの Ziegler-Nichols 法は、PID 値を設定するより構造化されたガイドを提供します。ここでも、積分ゲインと微分ゲインをゼロに設定します。回路が振動し始めるまで比例ゲインを上げます。このゲイン レベルを Ku と呼びます。振動の周期は Pu です。さまざまな制御回路のゲインは、上記の表に示されています。DSC1 で Ziegler-Nichols チューニング法を使用する場合は、表から決定された積分項に 2⋅10-6 を掛けて、s に正規化する必要があることに注意してください。ample率。同様に、導関数係数は2⋅10-6で割ってsに正規化する必要があります。ampルレート。

Ramping
ユーザーは、システムの大信号動作点または有用な設定点を決定する必要がある場合があります。大信号動作点（以下、DCオフセット）または最適なサーボ設定点のいずれかを決定するための一般的な手法は、線形に増加するボリュームでシステムを繰り返し刺激することです。tage 信号。このパターンは、鋸の歯に似ていることから、一般に鋸歯状波と呼ばれます。

ピークロックモード
ピークロックモードは、極値探索コントローラとしても知られるディザロックアルゴリズムを実装します。この動作モードでは、制御値は正弦波出力に重ね合わされます。測定された入力ボリュームは、tageは最初にデジタルハイパスフィルタ（HPF）でDCオフセットを除去します。次にAC結合信号は各測定ボリュームを乗算して復調されます。tage を出力される正弦波変調値で乗算します。この乗算操作により、2 つの周波数の合計の正弦波と 2 つの周波数の差の信号という 2 つの主要成分を持つ復調信号が作成されます。

2番目のデジタルフィルタ、今回はローパスフィルタ（LPF）が2つの周波数の和の信号を減衰し、2つの周波数の差の低周波信号を送信します。変調と同じ周波数の信号内容は、復調後のDC信号として表示されます。ピークロックアルゴリズムの最後のステップは、LPF信号を積分することです。積分器の出力は、出力変調と組み合わされて、出力ボリュームを駆動します。tage. 積分器内の低周波復調信号エネルギーの蓄積により、オフセット制御ボリュームが押し上げられる。tag出力の e はどんどん高くなり、LPF 出力の符号が反転して積分器出力が減少し始めます。制御値がシステム応答のピークに近づくと、正弦波の傾斜はピークでゼロになるため、サーボ コントローラへの入力信号の変調の結果はどんどん小さくなります。これは、ローパス フィルタ処理された復調信号からの出力値が低くなり、積分器に蓄積される量が少なくなることを意味します。

図 12 ピークロック コントローラのブロック図。ピーク応答プラントからの入力信号はデジタル化され、ハイパス フィルタ処理されます。HPF 出力信号はデジタル ローカル オシレータで復調されます。復調器の出力はローパス フィルタ処理され、積分されます。積分器の出力は変調信号に追加され、ピーク応答プラントに出力されます。ピークロックは、ユーザーが制御したいシステムが最適な制御点の周囲で単調な応答を示さない場合に適した制御アルゴリズムです。例:ampこの種のシステムの主なものとしては、共鳴波長を持つ光学媒体 (蒸気セルなど) や RF 帯域除去フィルタ (ノッチ フィルタ) などがあります。ピーク ロック制御方式の中心的な特徴は、エラー信号が測定信号の導関数であるかのように、測定信号のピークと一致するエラー信号のゼロ交差にシステムを誘導するアルゴリズムの傾向です。ピークは正または負の可能性があることに注意してください。DSC1 のピーク ロック モードの操作を開始するには、次の手順に従ってください。

1. ロックしている信号のピーク（または谷）が制御ボリューム内にあることを確認してください。tagアクチュエータのe範囲とピーク位置が時間とともに比較的安定していることを確認する。RAMP 制御ボリューム上の信号を視覚化するモードtag興味の範囲。
2. コントロールボリュームに注意tag山頂（または谷）の位置。
3. 制御ボリュームのピーク（または谷）がどのくらい広いかを推定するtage はピークの高さの半分です。この幅 (ボルト単位) は一般に、全幅半値幅 (FWHM) と呼ばれます。良好な結果を得るには、少なくとも 0.1V の幅が必要です。
4. 変調を設定する amp（A）FWHMボリュームの1％から10％までtage.
5. オフセットボリュームを設定するtagロックしたいピーク（または谷）の位置にできるだけ近づけます。
6. 変調周波数を希望の周波数に設定します。タッチ スクリーンでは、これは変調周波数パラメータ M によって影響を受けます。変調周波数は 100 Hz × M です。最適な変調周波数の選択はアプリケーションによって異なります。Thorlabs は、機械式アクチュエータには約 1 kHz の値を推奨しています。電気光学アクチュエータには、より高い周波数を使用できます。
7. ピーク ロック積分係数 (K) を A の 0.1 倍に設定します。K は正または負の値になります。通常、正の K は入力信号のピークにロックし、負の K は入力信号の谷にロックします。ただし、ロックされるアクチュエータまたはシステムがディザ周波数で 90 度を超える位相遅延を持つ場合、K の符号が反転し、正の K は谷にロックし、負の K はピークにロックします。
8. 実行を押して、制御ボリュームを確認しますtag出力は元のオフセット (O) 値から変化し、極端に逸脱しません。 または、オシロスコープを使用してプロセス変数を監視し、DSC1 が目的のピークまたは谷にロックされていることを確認します。

図13例amprからのデータamp出力オフセットボリュームtage は連続正弦波で、ピーク応答プラントに適用されます。エラー信号のゼロ交差がプラント応答信号のピークと一致することに注意してください。

メンテナンスと清掃
最適なパフォーマンスを得るには、DSC1 を定期的に清掃してメンテナンスしてください。DSC1 には定期的なメンテナンスは必要ありません。デバイスのタッチスクリーンが汚れた場合は、希釈したイソプロピルアルコールを染み込ませた柔らかく糸くずの出ない布でタッチスクリーンを丁寧に拭くことを Thorlabs は推奨します。

トラブルシューティングと修復

問題が発生した場合は、トラブルシューティングのセクションを参照して、一般的な問題を解決してください。以下の表は、DSC1 の一般的な問題と Thorlabs が推奨する解決策を示しています。

問題	説明	救済策
USB Type-C 電源に接続してもデバイスがオンになりません。	このデバイスは、750 V 電源、5 W から最大 3.75 mA の電流を必要とします。これは、ラップトップや PC の一部 USB-A コネクタの電力容量を超える可能性があります。	Thorlabs DS5 または CPS1 電源を使用してください。または、750 V で少なくとも 5 mA を出力する定格の、携帯電話やラップトップの充電に通常使用される USB Type-C 電源を使用してください。
データ ポートを PC に接続してもデバイスはオンになりません。	DSC1 は USB タイプ C 電源コネクタからのみ電力を供給されます。USB タイプ Mini-B コネクタはデータ専用です。	USB Type-C ポートを、Thorlabs DS750 や CPS5 など、5 V で少なくとも 1 mA を出力する定格の電源に接続します。

廃棄
DSC1 を廃棄するときは、適切な廃棄ガイドラインに従ってください。
Thorlabs は、欧州共同体の WEEE (廃電気電子機器) 指令および関連する国内法への準拠を検証しています。したがって、EC 内のすべてのエンド ユーザーは、13 年 2005 月 XNUMX 日以降に販売された「耐用年数終了」の Annex I カテゴリの電気電子機器を、廃棄料金を負担することなく Thorlabs に返却できます。対象となるユニットには、取り消し線の付いた「ゴミ箱」ロゴ (右を参照) が付いており、EC 内の企業または機関に販売され、現在も所有されており、分解または汚染されていません。詳細については、Thorlabs にお問い合わせください。廃棄物の処理はお客様の責任です。「耐用年数終了」のユニットは、Thorlabs に返却するか、廃棄物回収を専門とする企業に引き渡す必要があります。ユニットをゴミ箱や公共の廃棄物処理場に廃棄しないでください。廃棄する前に、デバイスに保存されているすべての個人データを削除するのはユーザーの責任です。

よくある質問：

Q: DSC1 の電​​源が入らない場合はどうすればいいですか?
A: 電源接続を確認し、指定された要件を満たしていることを確認してください。問題が解決しない場合は、カスタマー サポートにお問い合わせください。

安全性

知らせ
この装置は、液体がこぼれたり結露したりする可能性のある環境に近づけないでください。 耐水性ではありません。 機器への損傷を避けるため、スプレー、液体、または溶剤にさらさないでください。

インストール

保証情報
この精密デバイスは、返品され、完全な出荷品と同封のデバイスを保持する段ボールの挿入物を含む完全な元のパッケージに適切に梱包された場合にのみ使用できます。 必要に応じて、交換用の梱包を依頼してください。 有資格者にサービスを依頼してください。

含まれるコンポーネント

DSC1 コンパクト デジタル サーボ コントローラには、次のコンポーネントが付属しています。

• DSC1 デジタルサーボコントローラ
• クイックスタートカード
• USB-AB-72 USB 2.0 タイプ A から Mini-B データ ケーブル、長さ 72 インチ (1.83 m)
• USB タイプ A から USB タイプ C 電源ケーブル、長さ 1 m (39 インチ)
• PAA248 SMB から BNC 同軸ケーブル、長さ 48 インチ (1.22 m) (数量 2)

インストールとセットアップ

基礎 
ユーザーは、USB インターフェイスまたは統合タッチスクリーンを使用してコンピューターでデバイスを構成できます。いずれの場合も、5V USB-C 接続を介して電源を供給する必要があります。デスクトップ GUI を使用する場合、サーボ コントローラーは、デバイスのデータ ポートからデジタル サーボ コントローラー ソフトウェアがインストールされた PC に USB 2.0 ケーブル (付属) で接続する必要があります。

グラウンドループとDSC1
DSC1 には、グランド ループが発生する可能性を制限するための内部回路が含まれています。Thorlabs は、トランス絶縁型 DS5 安定化電源または CPS1 外部バッテリー パックのいずれかを使用することをお勧めします。DS5 または CPS1 電源のいずれの場合も、DSC1 内の信号グランドは、壁のコンセントのアース グランドに対してフローティング状態になります。この信号グランドに共通するデバイスへの接続は、USB-C 電源コネクタの信号グランド ピンと、出力 SMB 同軸ケーブルの外側のリターン パスのみです。USB データ接続は絶縁されています。入力信号には、信号リターン パスと機器内の信号グランドの間にグランド ループ ブレーク抵抗があり、通常はグランド ループ干渉を防止します。重要な点は、デバイスの信号グランドへの直接パスが XNUMX つ存在せず、グランド ループの発生を最小限に抑えられることです。

グラウンドループ干渉のリスクをさらに軽減するために、Thorlabs は次のベストプラクティスを提案しています。 

• デバイスへのすべての電源ケーブルと信号ケーブルを短くしてください。
• DSC1 には、バッテリー (CPS5) またはトランス絶縁 (DS1) 電源のいずれかを使用します。これにより、デバイスの信号グランドが確実にフローティングになります。
• 他の機器の信号リターンパスを相互に接続しないでください。
  • 一般的な元ampこれは典型的なベンチトップ オシロスコープです。ほとんどの場合、BNC 入力接続の外側のシェルはアースに直接接続されています。実験で複数のアース クリップを同じアース ノードに接続すると、アース ループが発生する可能性があります。

DSC1 自体がグランド ループを引き起こす可能性は低いですが、ユーザーの研究室にある他の機器にはグランド ループ絶縁が備わっていない場合があり、グランド ループの原因となる可能性があります。

DSC1の電源供給
DSC1 デジタル サーボ コントローラには、最大 5 A のピーク電流、通常動作では 0.75 A の USB-C 経由の 0.55 V 電源が必要です。Thorlabs は、CPS1 と DS5 の 8 つの互換性のある電源を提供しています。ノイズ感度の制約があまりないアプリケーションや、5 時間を超える動作時間が必要なアプリケーションでは、DS1 安定化電源をお勧めします。最適なノイズ性能が必要な場合は、CPS1 バッテリー電源をお勧めします。CPS1 が完全に充電され、良好な状態であれば、DSC8 は再充電せずに XNUMX 時間以上動作できます。

当社のワールドワイド連絡先

さらなるサポートやお問い合わせについては、Thorlabsの世界中の連絡先にお問い合わせください。技術サポートや販売に関するお問い合わせは、 www.thorlabs.com/contact 最新の連絡先情報については。

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ドキュメント / リソース

THORLABS DSC1 コンパクト デジタル サーボ コントローラ [pdf] ユーザーガイド DSC1、DSC1 コンパクト デジタル サーボ コントローラ、DSC1、コンパクト デジタル サーボ コントローラ、デジタル サーボ コントローラ、サーボ コントローラ、コントローラ

参考文献

• ユーザーマニュアル