Kompaktni digitalni servo krmilnik THORLABS DSC1

Tehnični podatki:

• Ime izdelka: Kompaktni digitalni servo krmilnik DSC1
• Priporočena uporaba: s fotodetektorji in aktuatorji Thorlabs
• Združljivi aktuatorji: Piezo amplifierji, gonilniki laserskih diod, krmilniki TEC, elektrooptični modulatorji
• Skladnost: oznake CE/UKCA

Navodila za uporabo izdelka

Uvod

Namen uporabe: DSC1 je kompakten digitalni servo krmilnik, zasnovan za splošno laboratorijsko uporabo v raziskavah in industriji. DSC1 meri voltage, izračuna povratni signal v skladu z uporabniško izbranim krmilnim algoritmom in odda voltage. Izdelek se sme uporabljati samo v skladu z navodili, opisanimi v tem priročniku. Vsaka drugačna uporaba razveljavi garancijo. Vsak poskus ponovnega programiranja, razstavljanja binarnih kod ali kako drugače spreminjanja tovarniških strojnih navodil v DSC1 brez soglasja Thorlabs razveljavi garancijo. Thorlabs priporoča uporabo DSC1 s fotodetektorji in aktuatorji Thorlabs. nprampnekaj Thorlabsovih aktuatorjev, ki so zelo primerni za uporabo z DSC1, je Thorlabsov piezo amplifierji, gonilniki laserskih diod, krmilniki termoelektričnih hladilnikov (TEC) in elektrooptični modulatorji.

Razlaga varnostnih opozoril

OPOMBA Označuje informacije, ki veljajo za pomembne, vendar niso povezane z nevarnostjo, kot je možna poškodba izdelka.
Oznake CE/UKCA na izdelku so izjava proizvajalca, da je izdelek v skladu z bistvenimi zahtevami ustrezne evropske zakonodaje o zdravju, varnosti in varstvu okolja.
Simbol smetnjaka na izdelku, dodatkih ali embalaži označuje, da te naprave ne smete obravnavati kot nesortirane komunalne odpadke, ampak jo je treba zbirati ločeno.

Opis
Thorlabsov digitalni servo krmilnik DSC1 je instrument za povratno krmiljenje elektro-optičnih sistemov. Naprava meri vhodno voltage, določa ustrezno povratno voltage prek enega od več kontrolnih algoritmov in to povratno informacijo uporabi za izhodni voltage kanal. Uporabniki se lahko odločijo za konfiguracijo delovanja naprave prek integriranega zaslona na dotik, grafičnega uporabniškega vmesnika (GUI) oddaljenega namizja ali kompleta za razvoj programske opreme za oddaljeni računalnik (SDK). Servo krmilnik samples voltage podatke s 16-bitno ločljivostjo prek koaksialnih vhodnih vrat SMB pri 1 MHz.

Za zagotovitev natančnejše voltage meritve, aritmetično vezje znotraj naprave izračuna povprečje vsaki dve samples za učinkovito samphitrost 500 kHz. Digitalizirane podatke obdeluje mikroprocesor pri visoki hitrosti z uporabo tehnik digitalne obdelave signalov (DSP). Uporabnik lahko izbira med algoritmom upravljanja SERVO in PEAK. Druga možnost je, da uporabnik preizkusi odziv sistema na DC voltage za določitev nastavljene točke servo z RAMP način delovanja, ki oddaja žagasto valovanje, sinhrono z vhodom. Vhodni kanal ima običajno pasovno širino 120 kHz. Izhodni kanal ima običajno pasovno širino 100 kHz. Fazni zamik -180 stopinj vhodno-izhodne voltagPrenosna funkcija tega servo krmilnika je običajno 60 kHz.

Tehnični podatki

Specifikacije

Delovne specifikacije
Pasovna širina sistema	DC do 100 kHz
Frekvenca od vhoda do izhoda -180 stopinj	>58 kHz (običajno 60 kHz)
Nazivni vhod Sampling Resolucija	16 bit
Nazivna izhodna ločljivost	12 bit
Največja vhodna voltage	±4 V
Največja izhodna glasnosttageb	±4 V
Največji vhodni tok	100 mA
Povprečna raven hrupa	-120 dB V2/Hz
Največja raven hrupa	-105 dB V2/Hz
Vhodni RMS šumc	0.3 mV
Vnos Sampling Frekvenca	1 MHz
Pogostost posodabljanja PIDd	500 kHz
Frekvenčno območje modulacije Peak Lock	100 Hz – 100 kHz v korakih po 100 Hz
Prekinitev vnosa	1 MΩ
Izhodna impedancab	220 Ω

• a. To je frekvenca, pri kateri izhod doseže fazni zamik -180 stopinj glede na vhod.
• b. Izhod je zasnovan za povezavo z napravami z visokim Z (>100 kΩ). Povezovanje naprav z nižjo vhodno končnico, Rdev, bo zmanjšalo izhodno voltage območje z Rdev/(Rdev + 220 Ω) (npr. naprava z zaključkom 1 kΩ bo dala 82 % nominalne izhodne vol.tage obseg).
• c. Integracijska pasovna širina je 100 Hz – 250 kHz.
• d. Nizkoprepustni filter zmanjša artefakte digitalizacije v voltage, kar ima za posledico izhodno pasovno širino 100 kHz.

Električne zahteve
Dobava Voltage	4.75 – 5.25 V DC
Napajalni tok	750 mA (maks.)
Temperaturno območjea	0 °C do 70 °C

• a Temperaturno območje, v katerem lahko naprava deluje brez Optimalno delovanje se pojavi, ko je blizu sobne temperature.

Sistemske zahteve
Operacijski sistem	Windows 10® (priporočeno) ali 11, zahtevan je 64-bitni sistem
Pomnilnik (RAM)	Najmanj 4 GB, priporočljivo 8 GB
Storage	300 MB (najmanj) razpoložljivega prostora na disku
Vmesnik	USB 2.0
Najmanjša ločljivost zaslona	1200 x 800 slikovnih pik

Mehanske risbe 

Poenostavljena izjava o skladnosti
Celotno besedilo izjave EU o skladnosti je na voljo na naslednjem spletnem naslovu: https://Thorlabs.com/newgrouppage9.cfm?objectgroup_id=16794

Oznaka FCC 

Opomba: Ta oprema je bila preizkušena in ugotovljeno je bilo, da je v skladu z omejitvami za digitalne naprave razreda A v skladu s 15. delom pravil FCC. Te omejitve so zasnovane tako, da zagotavljajo primerno zaščito pred škodljivimi motnjami, ko oprema deluje v komercialnem okolju. Ta oprema ustvarja, uporablja in lahko oddaja radiofrekvenčno energijo in, če ni nameščena in uporabljena v skladu z navodili za uporabo, lahko povzroči škodljive motnje radijskih komunikacij. Delovanje te opreme v stanovanjskem območju bo verjetno povzročilo škodljive motnje, v tem primeru pa bo moral uporabnik odpraviti motnje na lastne stroške.

Varnostna opozorila: Oznake CE/UKCA označujejo skladnost z evropsko zakonodajo o zdravju, varnosti in varstvu okolja.

Delovanje

Osnove: Seznanite se z osnovnimi funkcijami DSC1.

Ozemljitvene zanke in DSC1: Poskrbite za pravilno ozemljitev, da preprečite motnje.

Napajanje DSC1: Priključite vir napajanja v skladu s priloženimi navodili.

Zaslon na dotik 

Zagon vmesnika zaslona na dotik 
Po priključitvi na napajanje in kratkem, manj kot eni sekundi ogrevanju, bo DSC1 osvetlil vgrajeni zaslon na dotik in zaslon se bo odzval na vnose.

Delovanje zaslona na dotik v načinu SERVO
Način SERVO izvaja PID regulator.

Slika 2 Zaslon na dotik v servo načinu delovanja z omogočenim PID krmilnikom v načinu PI krmiljenja. 

• PV (spremenljivka procesa) numerična vrednost prikazuje AC RMS voltage vhodnega signala v voltih.
• OV (izhodna voltage) številčna vrednost prikazuje povprečno voltage iz DSC1.
• Regulacija S (setpoint) nastavi nastavitveno točko servo zanke v voltih. 4 V je največja in -4 V najmanjša dovoljena napetost.
• Kontrola O (offset) nastavi enosmerni odmik servo zanke v voltih. 4 V je največja in -4 V najmanjša dovoljena napetost.
• P (proporcionalni) krmilnik nastavi proporcionalni koeficient ojačanja. To je lahko pozitivna ali negativna vrednost med 10-5 in 10,000, zapisana v inženirski notaciji.
• I (integralni) nadzor nastavi koeficient integralnega ojačanja. To je lahko pozitivna ali negativna vrednost med 10-5 in 10,000, zapisana v inženirski notaciji.
• Kontrola D (izpeljanka) nastavi koeficient ojačenja izpeljave. To je lahko pozitivna ali negativna vrednost med 10-5 in 10,000, zapisana v inženirski notaciji.
• Preklop STOP-RUN onemogoči in omogoči servo zanko.
• Gumbi P, I in D omogočijo (osvetljeni) in onemogočijo (temno modro) vsako ojačanjetage v servo zanki PID.
• Spustni meni SERVO omogoča uporabniku izbiro načina delovanja.
• Zelena sled prikazuje trenutno nastavljeno točko. Vsaka točka je na X-osi oddaljena 2 µs.
• Zlata sled prikazuje trenutno izmerjeno PV. Vsaka točka je na X-osi oddaljena 2 µs.

Delovanje zaslona na dotik v RAMP Način 
RAMP način oddaja žagasti val, ki ga lahko konfigurira uporabnik amplitude in offset.

• PV (spremenljivka procesa) numerična vrednost prikazuje AC RMS voltage vhodnega signala v voltih.
• OV (izhodna voltage) številčna vrednost prikazuje povprečno voltage, ki ga uporablja naprava.
• Kontrolnik O (offset) nastavi enosmerni odmik ramp izhod v voltih. 4 V je največja in -4 V najmanjša dovoljena napetost.
• A (amplitude) nadzor nastavi amplituda ramp izhod v voltih. 4 V je največja in -4 V najmanjša dovoljena napetost.
• Preklop STOP-RUN onemogoči oziroma omogoči servo zanko.
• RAMP spustni meni omogoča uporabniku izbiro načina delovanja.
• Zlata sled prikazuje odziv rastline, sinhroniziran z izhodno voltage. Vsaka točka je na X-osi oddaljena 195 µs.

Delovanje zaslona na dotik v načinu PEAK
Način PEAK izvaja krmilnik za iskanje ekstremov z modulacijsko frekvenco, ki jo lahko konfigurira uporabnik, amplituda in integracijska konstanta. Upoštevajte, da sta modulacija in demodulacija vedno aktivni, ko je naprava v načinu PEAK; stikalo za zagon in zaustavitev se aktivira in deaktivira integralno ojačenje v zanki za nadzor drhtenja.

• PV (spremenljivka procesa) numerična vrednost prikazuje AC RMS voltage vhodnega signala v voltih.
• OV (izhodna voltage) številčna vrednost prikazuje povprečno voltage, ki ga uporablja naprava.
• Številčna vrednost M (množitelj frekvence modulacije) prikazuje večkratnik 100 Hz frekvence modulacije. Na primerample, če je M = 1, kot je prikazano, je frekvenca modulacije 100 Hz. Največja frekvenca modulacije je 100 kHz, z vrednostjo M 1000. Na splošno so priporočljive višje frekvence modulacije, pod pogojem, da se krmilni aktuator odziva na tej frekvenci.
• A (amplitude) nadzor nastavi ampjakost modulacije v voltih, zapisana v inženirski notaciji. 4 V je največja in -4 V najmanjša dovoljena napetost.
• Kontrola K (peak lock integral coefficient) nastavi integracijsko konstanto krmilnika z enotami V/s, zapisanimi v inženirski notaciji. Če uporabnik ni prepričan, kako konfigurirati to vrednost, je običajno priporočljivo začeti z vrednostjo okoli 1.
• Preklop STOP-RUN onemogoči oziroma omogoči servo zanko.
• Spustni meni PEAK omogoča uporabniku izbiro načina delovanja.
• Zlata sled prikazuje odziv rastline, sinhroniziran z izhodno voltage. Vsaka točka je na X-osi oddaljena 195 µs.

Programska oprema
Programska oprema digitalnega servo krmilnika je zasnovana tako, da omogoča nadzor nad osnovnimi funkcijami prek računalniškega vmesnika in zagotavlja razširjen nabor orodij za analizo za uporabo krmilnika. Na primerample, GUI vključuje graf, ki lahko prikaže vhodni voltage v frekvenčni domeni. Poleg tega je mogoče podatke izvoziti kot .csv file. Ta programska oprema omogoča uporabo naprave v servo, peak ali ramp načini z nadzorom nad vsemi parametri in nastavitvami. Odziv sistema je lahko viewed kot vhodni voltage, signal napake ali oboje, bodisi v predstavitvah časovne ali frekvenčne domene. Za več informacij glejte priročnik.

Zagon programske opreme
Po zagonu programske opreme kliknite »Poveži« za seznam razpoložljivih naprav DSC. Naenkrat je mogoče krmiliti več naprav DSC.

Slika 5
Zagonski zaslon za odjemalsko programsko opremo DSCX.

Slika 6 Okno za izbiro naprave. Kliknite V redu, da se povežete z izbrano napravo.

Servo programska oprema
Zavihek Servo uporabniku omogoča upravljanje naprave v servo načinu z dodatnimi kontrolami in zasloni poleg tistih, ki jih omogoča vdelan uporabniški vmesnik z zaslonom na dotik na sami napravi. Na tem zavihku so na voljo časovne ali frekvenčne predstavitve procesne spremenljivke. Odziv sistema je lahko viewbodisi kot spremenljivka procesa, signal napake ali oboje. Signal napake je razlika med spremenljivko procesa in nastavljeno točko. Z uporabo tehnik analize krmiljenja je mogoče predvideti impulzni odziv, frekvenčni odziv in fazni odziv naprave, pod pogojem, da so narejene določene predpostavke o obnašanju sistema in koeficientih ojačenja. Ti podatki so prikazani na zavihku servo nadzora, tako da lahko uporabniki vnaprej konfigurirajo svoj sistem, preden začnejo nadzorne poskuse.

Slika 7 Programski vmesnik v Ramp načinu s prikazom frekvenčne domene. 

• Omogoči mrežne črte X: če potrdite polje, omogočite mrežne črte X.
• Omogoči mrežne črte Y: potrditveno polje omogoči mrežne črte Y.
• Gumb za zagon/pavzo: s pritiskom na ta gumb se začne/ustavi posodabljanje grafičnih informacij na zaslonu.
• Preklop frekvence/časa: preklopi med frekvenčno in časovno domeno.
• PSD/ASD Preklop: Preklaplja med spektralno gostoto moči in ampnavpične osi spektralne gostote litude.
• Povprečna skeniranja: preklop tega stikala omogoči ali onemogoči povprečenje v frekvenčni domeni.
• Scans In Average (povprečno skeniranje): ta številčni nadzor določa število skeniranj, ki jih je treba izračunati v povprečju. Najmanj je 1 skeniranje in največ 100 skeniranj. Puščici gor in dol na tipkovnici povečata in zmanjšata število skeniranj v povprečju. Podobno gumba navzgor in navzdol ob kontrolniku povečata in zmanjšata število skeniranj v povprečju.
• Naloži: s pritiskom na ta gumb na plošči Reference Spectrum lahko uporabnik izbere referenčni spekter, shranjen v odjemalskem računalniku.
• Shrani: S pritiskom na ta gumb na plošči Reference Spectrum lahko uporabnik shrani trenutno prikazane podatke o frekvenci v svoj osebni računalnik. Po kliku na ta gumb se shrani file bo uporabniku omogočilo, da izbere lokacijo shranjevanja in vnese file ime za njihove podatke. Podatki se shranijo kot vrednost, ločena z vejicami (CSV).
• Pokaži referenco: Če potrdite to polje, omogočite prikaz zadnjega izbranega referenčnega spektra.
• Autoscale Os Y: potrditveno polje omogoči samodejno nastavitev omejitev prikaza osi Y.
• Autoscale X-Axis: potrditveno polje omogoči samodejno nastavitev omejitev prikaza osi X.
• Log X-Axis: Če potrdite polje, preklapljate med logaritemskim in linearnim prikazom X-osi.
• Run PID: Če omogočite ta preklop, omogočite servo zanko v napravi.
• O Številčno: Ta vrednost nastavi odmik voltage v voltih.
• SP numerično: Ta vrednost nastavi nastavljeno vrednost voltage v voltih.
• Kp Numeric: Ta vrednost nastavi sorazmerno ojačanje.
• Ki Numeric: Ta vrednost nastavi integralni dobiček v 1/s.
• Kd Numerično: Ta vrednost nastavi dobiček derivata v s.
• Gumbi P, I, D: Ti gumbi omogočajo proporcionalno, integralno in izpeljano ojačanje, ko so osvetljeni.
• Preklop za zagon/ustavitev: preklop tega stikala omogoči in onemogoči nadzor.

Uporabnik lahko z miško spremeni tudi obseg prikazanih informacij: 

• Kolešček miške poveča in pomanjša risbo proti trenutnemu položaju kazalca miške.
• SHIFT + klik spremeni kazalec miške v znak plus. Nato bo levi gumb miške povečal položaj kazalca miške za faktor 3. Uporabnik lahko tudi povleče in izbere območje grafikona, ki ga želi povečati, da se prilega.
• ALT + klik spremeni kazalec miške v znak minus. Nato bo levi gumb miške pomanjšal položaj kazalca miške za faktor 3.
• Poteze za širjenje in stiskanje prstov na podlogi za miško ali zaslonu na dotik bodo povečale oziroma pomanjšale grafikon.
• Po premikanju s klikom na levi gumb miške bo uporabnik lahko premikal z vlečenjem miške.
• Z desnim klikom grafikona boste obnovili privzeti položaj grafikona.

Ramp Programska oprema
Ramp nudi primerljivo funkcionalnost kot ramp zavihek na vgrajenem zaslonu na dotik. Preklop na ta zavihek postavi povezano napravo v ramp način.

Slika 8
Programski vmesnik v Ramp način.

Poleg kontrolnikov, ki so na voljo v servo načinu, Ramp način dodaja: 

• Amplitude Numeric: Ta vrednost nastavi skeniranje ampmoč v voltih.
• Numerični odmik: Ta vrednost nastavi odmik skeniranja v voltih.
• Zaženi / Ustavi Ramp Preklop: Preklop tega stikala omogoči in onemogoči ramp.

Programska oprema Peak 
Zavihek Peak Control zagotavlja enako funkcionalnost kot način PEAK na vgrajenem uporabniškem vmesniku, z dodatnim vpogledom v naravo povratnega signala iz sistema. Preklop na ta zavihek preklopi povezano napravo v način delovanja PEAK.

Slika 9 Programski vmesnik v načinu Peak s prikazom časovne domene.

Poleg kontrolnikov, ki so na voljo v načinu Servo, način Peak doda: 

• Amplitude numeric: Ta vrednost nastavi modulacijo ampmoč v voltih.
• K numerično: To je integralni koeficient zaklepanja vrhov; vrednost nastavi konstanto integralnega ojačanja v V/s.
• Numerični odmik: Ta vrednost nastavi odmik v voltih.
• Frequency numeric: To nastavi množitelja frekvence modulacije v korakih po 100 Hz. Najmanjša dovoljena vrednost je 100 Hz, največja pa 100 kHz.
• Preklop Run/Stop Peak: Preklop tega stikala omogoči in onemogoči integralno ojačanje. Upoštevajte, da je vedno, ko je naprava v načinu PEAK, aktivna izhodna modulacija in demodulacija signala napake.

Shranjeni podatki 
Podatki so shranjeni v obliki zapisa vrednosti, ločene z vejico (CSV). Kratka glava ohranja ustrezne podatke iz podatkov, ki se shranjujejo. Če je format tega CSV spremenjen, programska oprema morda ne bo mogla obnoviti referenčnega spektra. Zato uporabnike spodbujamo, da svoje podatke shranijo v ločeno preglednico file če nameravajo narediti kakšno neodvisno analizo.

Slika 10 Podatki v formatu .csv, izvoženi iz DSC1. 

Teorija delovanja

PID servo krmiljenje
PID vezje se pogosto uporablja kot povratni regulator krmilne zanke in je zelo pogosto v servo vezjih. Namen servo vezja je vzdrževati sistem pri vnaprej določeni vrednosti (nastavljeni točki) dalj časa. PID vezje aktivno drži sistem na nastavljeni točki tako, da generira signal napake, ki je razlika med nastavljeno točko in trenutno vrednostjo, ter modulira izhodno vol.tage za vzdrževanje nastavljene točke. Črke, ki sestavljajo akronim PID, ustrezajo proporcionalnemu (P), integralnemu (I) in izpeljanemu (D), ki predstavljajo tri krmilne nastavitve vezja PID.

Proporcionalni člen je odvisen od trenutne napake, integralni člen je odvisen od kopičenja preteklih napak, izpeljani člen pa je napoved prihodnje napake. Vsak od teh izrazov se doda v tehtano vsoto, ki prilagodi izhodni volumentage vezja, u(t). Ta izhod se napaja v krmilno napravo, njegova meritev se napaja nazaj v zanko PID, procesu pa je omogočeno, da aktivno stabilizira izhod vezja, da doseže in zadrži nastavljeno vrednost. Spodnji blokovni diagram prikazuje delovanje vezja PID. Enega ali več krmilnikov je mogoče uporabiti v katerem koli servo vezju, odvisno od tega, kaj je potrebno za stabilizacijo sistema (tj. P, I, PI, PD ali PID).

Upoštevajte, da vezje PID ne zagotavlja optimalnega nadzora. Nepravilna nastavitev krmilnikov PID lahko povzroči znatno nihanje tokokroga in povzroči nestabilnost krmiljenja. Uporabnik mora pravilno prilagoditi parametre PID, da zagotovi pravilno delovanje.

Teorija PID 

Teorija PID za zvezni servo krmilnik: Razumeti teorijo PID za optimalen servo nadzor.
Izhod krmilnega vezja PID, u(t), je podan kot

kje:

• ?? je sorazmerni dobiček, brez dimenzij
• ?? je integralni dobiček v 1/sekundo
• ?? je izpeljan dobiček v sekundah
• ?(?) je signal napake v voltih
• ?(?) je krmilni izhod v voltih

Od tu lahko matematično definiramo krmilne enote in o vsaki razpravljamo nekoliko podrobneje. Proporcionalno krmiljenje je sorazmerno s signalom napake; kot tak je neposreden odziv na signal napake, ki ga ustvari vezje:
? = ???(?)
Večje proporcionalno ojačenje povzroči večje spremembe odziva na napako in tako vpliva na hitrost odziva krmilnika na spremembe v sistemu. Medtem ko lahko visoko proporcionalno ojačenje povzroči hiter odziv vezja, lahko previsoka vrednost povzroči nihanje vrednosti SP. Prenizka vrednost in vezje se ne more učinkovito odzivati ​​na spremembe v sistemu. Integralno krmiljenje gre še korak dlje od proporcionalnega ojačanja, saj ni sorazmerno le z velikostjo signala napake, ampak tudi s trajanjem morebitne akumulirane napake.

Integralno krmiljenje je zelo učinkovito pri povečanju odzivnega časa vezja skupaj z odpravo napake v stanju dinamičnega ravnovesja, povezane s čisto proporcionalnim krmiljenjem. V bistvu integralna kontrola sešteje vse predhodno nepopravljene napake in nato to napako pomnoži s Ki, da dobi integralni odziv. Tako je mogoče celo za majhno trajno napako doseči velik skupni integralni odziv. Vendar pa lahko zaradi hitrega odziva integralnega krmiljenja visoke vrednosti ojačenja povzročijo znatno prekoračitev vrednosti SP in povzročijo nihanje in nestabilnost. Prenizko in vezje se bo občutno počasneje odzivalo na spremembe v sistemu. Izpeljana regulacija poskuša zmanjšati prekoračitev in potencial zvonjenja iz proporcionalne in integralne regulacije. Določa, kako hitro se vezje spreminja skozi čas (s pogledom na izpeljanko signala napake) in ga pomnoži s Kd, da proizvede izpeljan odziv.

Za razliko od proporcionalnega in integralnega krmiljenja bo krmiljenje po izpeljavi upočasnilo odziv vezja. Pri tem lahko delno kompenzira prekoračitev kot tudi damp izločite kakršna koli nihanja, ki jih povzročata integralno in proporcionalno krmiljenje. Visoke vrednosti ojačenja povzročijo, da se vezje zelo počasi odziva in lahko ostane dovzetno za hrup in visokofrekvenčna nihanja (ker postane vezje prepočasno, da bi se hitro odzvalo). Prenizko in vezje je nagnjeno k prekoračitvi nastavljene vrednosti. Vendar pa se je treba v nekaterih primerih izogniti prekoračitvi nastavljene vrednosti za kakršen koli večji znesek, zato je mogoče uporabiti višji izpeljani dobiček (skupaj z nižjim sorazmernim ojačenjem). Spodnja tabela pojasnjuje učinke povečanja ojačanja katerega koli parametra neodvisno.

Parameter Povečana	Čas vzpona	Prekoračitev	Čas poravnave	Stacionarna napaka	Stabilnost
Kp	Zmanjšanje	Povečanje	Majhna sprememba	Zmanjšanje	Degradirati
Ki	Zmanjšanje	Povečanje	Povečanje	Znatno zmanjšati	Degradirati
Kd	Manjše znižanje	Manjše znižanje	Manjše znižanje	Brez učinka	Izboljšaj (za majhne Kd)

Servo krmilniki z diskretnim časom 

Format podatkov
PID krmilnik v DSC1 prejme 16-bitni ADCample, ki je binarno število zamika, ki se lahko giblje od 0-65535. 0 se linearno preslika v negativni vhod 4 V, 65535 pa predstavlja vhodni signal +4 V. Signal »napake«, ?[?], v zanki PID v časovnem koraku ? je določen kot ?[?] = ? − ?[?] Kje ? je nastavljena točka in ?[?] je voltagesample v offset binarni lestvici v diskretnem časovnem koraku, ?.

Kontrolni zakon v časovni domeni
Izračunajo se trije členi ojačenja in seštejejo.
?[?] = ??[?] + ??[?] + ??[?] ?? = ???[?] ?? ≈ ?? ∫ ?[?] ?? = ??(?[?] − ?[? − 1])
Kjer so ??[?], ??[?] in ??[?] proporcionalni, integralni in izvedeni dobički, ki sestavljajo krmilni izhod ?[?] v časovnem koraku ?. ??, ?? in ?? so proporcionalni, integralni in izvedeni koeficienti ojačanja.

Aproksimacija integrala in odvoda
DSC1 približuje integrator z akumulatorjem.
∫ ?[?] = ?[?] + ∫ ?[? − 1] Upoštevanje intervala integracije, širine časovnega koraka, je zavito v integralni koeficient ojačanja ?? tako da: ?? = ?′?ℎ
Kje?′? je nominalno vneseni integralni koeficient ojačanja in ℎ je čas med ADC samples. Naredimo podoben približek odvoda kot razliko med ?[?] in ?[? − 1] spet ob predpostavki, da ?? vsebuje tudi skaliranje 1/h.

Kot je bilo že omenjeno, zdaj upoštevajte, da približki integrala in izpeljanke niso vključevali nobenega upoštevanja časovnega koraka (sample interval), v nadaljevanju ℎ. Tradicionalno rečemo eksplicitni približek prvega reda spremenljivki ?[?] z = ?(?, ?) na podlagi členov v razširitvi Taylorjevega niza je ?[?] ≈ ?[? − 1] + ℎ ?(?, ?)
To se pogosto imenuje povratna Eulerjeva integracijska shema ali eksplicitni numerični integrator prvega reda. Če rešimo odvod, ?(?, ?), najdemo:

Upoštevajte podobnost števca v zgornjem z našim nadaljnjim približkom odvoda v kontrolni enačbi. To pomeni, da je naš približek odvodu ustrezneje skaliran z ℎ−1.

Prav tako intuitivno posnema temeljni izrek računanja:

Zdaj, če to rečemo? je integral signala napake ?, lahko naredimo naslednje zamenjave.
?[?]=∫?[?] ?(?,?)= ?[?] In iz Taylorjevega niza prvega reda dobimo aproksimacijo funkcije ?: ∫?[?]=∫?[?−1]+ℎ ?(?)
S preprosto predpostavko ∫?[?]=0 za ?=0 se nadaljnji približek integralu praktično zgosti v akumulator.

Zato prilagodimo našo predhodno izpeljavo nadzornega zakona na:

Kontrolni zakon v frekvenčni domeni
Čeprav enačba, izpeljana v naslednjem razdelku, poroča o obnašanju krmilnika PID z diskretnim časom, implementiranega v DSC1, v časovni domeni, pove le malo o odzivu frekvenčne domene krmilnika. Namesto tega uvajamo ? domena, ki je analogna Laplaceovi domeni, vendar za diskretni in ne zvezni čas. Podobno kot pri Laplaceovi transformaciji je tudi Z-transformacija funkcije najpogosteje določena s sestavljanjem tabelarnih odnosov Z-transformacije, namesto da bi neposredno nadomestili definicijo Z-transformacije (prikazano spodaj).

Kje je ?(?) izraz Z-domene diskretne časovne spremenljivke ?[?], ? je polmer (pogosto obravnavan kot 1) neodvisne spremenljivke ?, ? je kvadratni koren iz -1 in ∅ je kompleksni argument v radianih ali stopinjah. V tem primeru sta potrebni samo dve tabelirani Z-transformaciji.
?[?] = ?[?] ?[? − 1] = ?[?]?−1
Z-transformacija proporcionalnega člena, ??, je trivialna. Prav tako se za trenutek sprijaznite, da je za nas koristno določiti napako za nadzor prenosne funkcije, ?(?), namesto preprosto ?(?).

Z-transformacija integralnega člena, ??, je bolj zanimiva.
Spomnimo se naše eksplicitne Eulerjeve integracijske sheme v prejšnjem razdelku: ??(?) = ?? ∫ ?[?] = ?? (∫ ?[? − 1] + ℎ ?(?))
∫ ?(?) = ∫ ?(?) ?−1 + ℎ?(?)
∫ ?(?) − ∫ ?(?) ?−1 = ℎ?(?)

Nazadnje si oglejmo izpeljan dobiček, ??: 

Če sestavimo vsako od zgornjih prenosnih funkcij, pridemo do: 

S to enačbo lahko numerično izračunamo odziv frekvenčne domene za krmilnik in ga prikažemo kot Bodejev graf, kot je spodaj.
Prenosne funkcije PID, Kp = 1.8, Ki = 1.0, Kd = 1E-4

Upoštevajte, kako se ojačanje krmilnika PI približuje izključno proporcionalnemu ojačanju in visoki frekvenci ter kako se ojačanje krmilnika PD približuje izključno proporcionalnemu ojačanju pri nizkih frekvencah.

PID nastavitev
Na splošno bo moral pridobitve P, I in D prilagoditi uporabnik, da bi optimiziral delovanje sistema. Čeprav ni statičnega niza pravil o tem, kakšne bi morale biti vrednosti za kateri koli določen sistem, bi moralo upoštevanje splošnih postopkov pomagati pri uravnavanju vezja, da se ujema s sistemom in okoljem. Na splošno bo pravilno nastavljeno PID vezje običajno rahlo preseglo vrednost SP in nato hitro damp ven, da dosežete vrednost SP, in na tej točki ostanite mirni. Zanka PID se lahko zaklene na pozitiven ali negativen naklon s spreminjanjem predznaka ojačenj P, I in D. V DSC1 so znaki zaklenjeni skupaj, tako da se z zamenjavo enega spremenijo vsi.

Ročno prilagajanje nastavitev ojačanja je najpreprostejši način za nastavitev PID regulacije. Vendar se ta postopek izvaja aktivno (na sistem je priključen PID krmilnik in omogočena PID zanka) in zahteva nekaj izkušenj za doseganje dobrih rezultatov. Če želite ročno nastaviti svoj PID regulator, najprej nastavite ojačitve integrala in derivata na nič. Povečujte sorazmerno ojačenje, dokler ne opazite nihanja v izhodu. Vaš sorazmerni dobiček bi moral biti nato nastavljen na približno polovico te vrednosti. Ko je proporcionalno ojačenje nastavljeno, povečujte integralno ojačenje, dokler ni morebitni odmik popravljen na časovni skali, ki je primerna za vaš sistem.

Če povečate ta dobiček preveč, boste opazili znatno prekoračitev vrednosti SP in nestabilnost v vezju. Ko je integralno ojačenje nastavljeno, se lahko poveča izpeljano ojačenje. Izpeljan dobiček bo zmanjšal prekoračitev in damp sistem hitro na nastavljeno vrednost. Če preveč povečate izpeljano ojačanje, boste videli veliko prekoračitev (zaradi prepočasnega odziva vezja). Z igranjem z nastavitvami ojačanja lahko optimizirate delovanje vašega PID vezja, kar ima za posledico sistem, ki se hitro odziva na spremembe in učinkovito dampizven nihanja okoli nastavljene vrednosti.

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

Medtem ko je ročna nastavitev lahko zelo učinkovita pri nastavljanju vezja PID za vaš specifični sistem, zahteva nekaj izkušenj in razumevanja vezja PID in odziva. Metoda Ziegler-Nichols za nastavitev PID ponuja bolj strukturiran vodnik za nastavitev vrednosti PID. Spet boste želeli nastaviti ojačenje integrala in derivata na nič. Povečujte sorazmerno ojačanje, dokler tokokrog ne začne nihati. To stopnjo ojačanja bomo imenovali Ku. Nihanje bo imelo periodo Pu. Dobički za različna krmilna vezja so nato navedeni v zgornji tabeli. Upoštevajte, da je treba pri uporabi metode uglaševanja Ziegler-Nichols z DSC1 integralni člen, določen iz tabele, pomnožiti z 2⋅10-6, da se normalizira na sample stopnja. Podobno je treba koeficient izpeljave deliti z 2⋅10-6, da se normalizira na sample obrestna mera.

Ramping
Uporabniki bodo morda morali pogosto določiti delovno točko velikega signala ali uporabno nastavljeno točko za sistem. Za določitev delovne točke velikega signala (v nadaljnjem besedilu DC offset) ali optimalne nastavljene vrednosti servo je običajna tehnika preprosto večkratno stimuliranje sistema z linearno naraščajočo vol.tage signal. Vzorec se običajno imenuje žagin zob zaradi podobnosti z zobmi žage.

Peak Lock Mode
Način zaklepanja vrhov izvaja algoritem zaklepanja drhtenja, znan tudi kot krmilnik za iskanje ekstremov. V tem načinu delovanja je kontrolna vrednost prekrita z izhodom sinusnega vala. Izmerjena vhodna voltage je prvi digitalno visokofrekvenčni filter (HPF), ki odstrani kakršen koli DC offset. Nato se AC sklopljeni signal demodulira z množenjem vsake izmerjene voltage z vrednostjo modulacije izhodnega sinusnega vala. Ta operacija množenja ustvari demodulirani signal z dvema glavnima komponentama: sinusnim valom pri vsoti obeh frekvenc in signalom pri razliki obeh frekvenc.

Drugi digitalni filter, tokrat nizkopasovni filter (LPF), oslabi signal vsote dveh frekvenc in oddaja nizkofrekvenčni signal razlike dveh frekvenc. Vsebina signala na isti frekvenci kot modulacija se po demodulaciji pojavi kot signal enosmernega toka. Zadnji korak v algoritmu zaklepanja vrhov je integracija signala LPF. Izhod integratorja v kombinaciji z izhodno modulacijo poganja izhodni voltage. Kopičenje energije nizkofrekvenčnega demoduliranega signala v integratorju potisne krmilni odmik voltage izhoda vse višje in višje, dokler se predznak izhoda LPF ne obrne in se izhod integratorja ne začne zmanjševati. Ko se krmilna vrednost približuje vrhuncu odziva sistema, postaja rezultat modulacije vhodnega signala v servo krmilnik vedno manjši, saj je naklon sinusne valovne oblike na vrhu nič. To po drugi strani pomeni, da je nižja izhodna vrednost nizkopasovno filtriranega, demoduliranega signala in se zato manj kopiči v integratorju.

Slika 12 Blokovni diagram krmilnika za zaklep vrhov. Vhodni signal iz naprave z največjo odzivnostjo je digitaliziran, nato pa visokofrekvenčni filtriran. Izhodni signal HPF je demoduliran z digitalnim lokalnim oscilatorjem. Izhod demodulatorja se nizkopasovno filtrira in nato integrira. Izhod integratorja se doda modulacijskemu signalu in izhodu v napravo, ki se odziva na temenske vrednosti. Peak locking je dober kontrolni algoritem, ki ga lahko izberete, ko sistem, ki ga želi uporabnik nadzorovati, nima monotonega odziva okoli optimalne kontrolne točke. nprampLe-ti tovrstnih sistemov so optični mediji z resonančno valovno dolžino, kot je parna celica ali filter za zavrnitev pasu RF (zarezni filter). Osrednja značilnost krmilne sheme zaklepanja vrhov je težnja algoritma, da usmeri sistem proti ničelnemu prehodu signala napake, ki sovpada z vrhom v izmerjenem signalu, kot da bi bil signal napake derivat izmerjenega signala. Upoštevajte, da je vrh lahko pozitiven ali negativen. Če želite začeti z načinom delovanja zaklepanja vrhov za DSC1, lahko sledite temu postopku.

1. Prepričajte se, da je vrh (ali nižina) signala, na katerega se zaklepate, znotraj kontrolne volumnetagrazpon aktuatorja in da je položaj vrha s časom relativno stabilen. Koristno je uporabiti RAMP način za vizualizacijo signala nad krmilno voltagobseg zanimanja.
2. Upoštevajte kontrolni voltagpoložaj vrha (ali doline).
3. Ocenite, kako širok je vrh (ali dolina) v kontrolni voltage na polovici višine vrha. Ta širina v voltih se običajno imenuje polna maksimalna polna širina ali FWHM. Za dobre rezultate mora biti širok vsaj 0.1 V.
4. Nastavite modulacijo ampvišine (A) na 1 % do 10 % FWHM voltage.
5. Nastavite odmik voltage čim bližje položaju vrha (ali doline), na katerega se želite zakleniti.
6. Frekvenco modulacije nastavite na želeno frekvenco. Na zaslonu na dotik na to vpliva parameter M, frekvenca modulacije. Frekvenca modulacije je 100 Hz krat M. Najboljša izbira frekvence modulacije je odvisna od aplikacije. Thorlabs priporoča vrednosti okoli 1 kHz za mehanske aktuatorje. Višje frekvence se lahko uporabljajo za elektrooptične aktuatorje.
7. Nastavite integralni koeficient zaklepanja vrhov (K) na 0.1-kratnik A. K je lahko pozitiven ali negativen. Na splošno se pozitivni K zaklene na vrh vhodnega signala, medtem ko se negativni K zaklene na nižino vhodnega signala. Vendar, če ima aktuator ali sistem, ki je zaklenjen, več kot 90-stopinjsko fazno zakasnitev pri frekvenci drhtenja, se bo predznak K obrnil in pozitivni K se bo zaklenil v nižino, negativni K pa se bo zaklenil na vrh.
8. Pritisnite Zaženi in preverite, ali je kontrolni voltagIzhod se spremeni glede na prvotno vrednost odmika (O) in ne pobegne v skrajnost. Druga možnost je, da spremljate spremenljivko procesa z osciloskopom, da preverite, ali se DSC1 zaklepa na želeni vrh ali nižino.

Slika 13 nprample podatke iz rampizhodni odmik voltage z neprekinjenim sinusnim valom, naloženim napravi za največjo odzivnost. Upoštevajte, da je prehod signala napake čez ničlo poravnan z vrhom odzivnega signala naprave.

Vzdrževanje in čiščenje
Redno čistite in vzdržujte DSC1 za optimalno delovanje. DSC1 ne potrebuje rednega vzdrževanja. Če se zaslon na dotik na napravi umaže, Thorlabs priporoča, da ga nežno očistite z mehko krpo, ki ne pušča vlaken, namočeno z razredčenim izopropilnim alkoholom.

Odpravljanje težav in popravilo

Če se pojavijo težave, si oglejte razdelek o odpravljanju težav za navodila za odpravljanje pogostih težav. Spodnja tabela opisuje tipične težave z rešitvami, ki jih priporočata DSC1 in Thorlabs.

Izdaja	Razlaga	Zdravilo
Naprava se ne vklopi, ko je priključena na napajanje USB Type-C.	Naprava potrebuje kar 750 mA toka iz 5 V napajanja, 3.75 W. To lahko preseže napajalne zmogljivosti nekaterih priključkov USB-A na prenosnikih in osebnih računalnikih.	Uporabite napajalnike Thorlabs DS5 ali CPS1. Druga možnost je, da uporabite napajalnik USB Type-C, kakršen se običajno uporablja za polnjenje telefona ali prenosnika, ki je ocenjen na izhodni tok najmanj 750 mA pri 5 V.
Naprava se ne vklopi, ko so podatkovna vrata priključena na osebni računalnik.	DSC1 se napaja samo iz napajalnega priključka USB Type-C. Priključek USB Type Mini-B je samo podatkovni.	Priključite vrata USB Type-C na napajalnik z nazivno močjo najmanj 750 mA pri 5 V, kot je Thorlabs DS5 ali CPS1.

Odstranjevanje
Pri umiku DSC1 upoštevajte smernice za pravilno odlaganje.
Thorlabs preverja našo skladnost z direktivo WEEE (odpadna električna in elektronska oprema) Evropske skupnosti in ustreznimi nacionalnimi zakoni. Skladno s tem lahko vsi končni uporabniki v ES vrnejo električno in elektronsko opremo kategorije "po koncu življenjske dobe" Priloge I, prodano po 13. avgustu 2005, Thorlabsu, ne da bi morali plačati stroške odstranitve. Upravičene enote so označene s prečrtanim logotipom »smetnjaka« (glej desno), prodane so podjetju ali inštitutu v ES in so trenutno v njegovi lasti ter niso razstavljene ali onesnažene. Za več informacij kontaktirajte Thorlabs. Ravnanje z odpadki je vaša odgovornost. Enote ob koncu življenjske dobe je treba vrniti Thorlabsu ali predati podjetju, specializiranemu za predelavo odpadkov. Enote ne odlagajte v smetnjak ali na javno odlagališče odpadkov. Uporabnik je odgovoren, da izbriše vse zasebne podatke, shranjene v napravi, preden jo zavrže.

pogosta vprašanja:

V: Kaj naj storim, če se DSC1 ne vklopi?
A: Preverite povezavo vira napajanja in se prepričajte, da izpolnjuje navedene zahteve. Če težave ne odpravite, se za pomoč obrnite na podporo strankam.

Varnost

OBVESTILO
Ta instrument ne sme biti v okolju, kjer obstaja verjetnost razlitja tekočine ali kondenzacije vlage. Ni vodoodporen. Da preprečite poškodbe instrumenta, ga ne izpostavljajte razpršilom, tekočinam ali topilom.

Namestitev

Informacije o garanciji
Ta natančna naprava je uporabna le, če je vrnjena in pravilno zapakirana v celotno originalno embalažo, vključno s celotno pošiljko in kartonskim vložkom, v katerem so priložene naprave. Po potrebi zahtevajte nadomestno embalažo. Za servisiranje se obrnite na usposobljeno osebje.

Vključene komponente

Kompaktni digitalni servo krmilnik DSC1 je dobavljen z naslednjimi komponentami:

• Digitalni servo krmilnik DSC1
• Kartica za hitri začetek
• USB-AB-72 Podatkovni kabel USB 2.0 tipa A do Mini-B, dolžine 72″ (1.83 m)
• Napajalni kabel USB Type-A v USB Type-C, dolžine 1 m (39″).
• Koaksialni kabel PAA248 SMB v BNC, dolžina 48″ (1.22 m) (2 kom.)

Namestitev in nastavitev

Osnove 
Uporabniki lahko konfigurirajo napravo z računalnikom prek vmesnika USB ali prek vgrajenega zaslona na dotik. V obeh primerih mora biti napajanje zagotovljeno prek povezave 5 V USB-C. Ko uporabljate namizni GUI, mora biti servo krmilnik s kablom USB 2.0 (priložen) povezan s podatkovnimi vrati naprave na osebni računalnik z nameščeno programsko opremo Digital Servo Controller.

Ozemljitvene zanke in DSC1
DSC1 vključuje notranje vezje za omejevanje verjetnosti pojava ozemljitvenih zank. Thorlabs predlaga uporabo transformatorsko izoliranega reguliranega napajalnika DS5 ali zunanje baterije CPS1. Pri napajalnikih DS5 ali CPS1 signalna ozemljitev znotraj DSC1 lebdi glede na ozemljitev stenske vtičnice. Edine povezave z napravo, ki so skupne tej signalni ozemljitvi, so signalna ozemljitvena nožica napajalnega priključka USB-C in zunanja povratna pot na izhodnem koaksialnem kablu SMB. Podatkovna povezava USB je izolirana. Vhodni signal ima prekinitveni upor ozemljitvene zanke med povratno potjo signala in ozemljitvijo signala v instrumentu, ki običajno preprečuje motnje ozemljitvene zanke. Pomembno je, da ni dveh neposrednih poti do ozemljitve signala naprave, kar zmanjšuje pojav ozemljitvenih zank.

Za nadaljnje zmanjšanje tveganja motenj zemeljske zanke Thorlabs predlaga naslednje najboljše prakse: 

• Vsi napajalni in signalni kabli do naprave naj bodo kratki.
• Z DSC1 uporabite baterijsko (CPS5) ali transformatorsko izolirano (DS1) napajanje. To zagotavlja lebdečo signalno ozemljitev naprave.
• Med seboj ne povezujte povratnih poti signala drugih instrumentov.
  • Pogost bivšiample je tipičen namizni osciloskop; najpogosteje so zunanje lupine vhodnih povezav BNC neposredno povezane z ozemljitvijo. Več ozemljitvenih sponk, povezanih z istim ozemljitvenim vozliščem v poskusu, lahko povzroči ozemljitveno zanko.

Čeprav je malo verjetno, da bo DSC1 sam po sebi povzročil ozemljitveno zanko, drugi instrumenti v uporabnikovem laboratoriju morda nimajo izolacije ozemljitvene zanke in so zato lahko vir ozemljitvene zanke.

Napajanje DSC1
Digitalni servo krmilnik DSC1 potrebuje napajanje 5 V prek USB-C pri največ 0.75 A temenskega toka in 0.55 A pri običajnem delovanju. Thorlabs ponuja dva združljiva napajalnika: CPS1 in DS5. V aplikacijah, kjer je občutljivost na hrup manj omejena ali kjer so potrebni časi delovanja, daljši od 8 ur, je priporočljivo regulirano napajanje DS5. Baterijski napajalnik CPS1 je priporočljiv, kadar je zaželena optimalna zmogljivost hrupa. Ko je CPS1 popolnoma napolnjen in v dobrem stanju, lahko DSC1 deluje 8 ur ali več brez ponovnega polnjenja.

Kontakti Thorlabs po vsem svetu

Za dodatno pomoč ali poizvedbe se obrnite na Thorlabsove kontakte po vsem svetu. Za tehnično podporo ali prodajna vprašanja nas obiščite na www.thorlabs.com/contact za naše najsodobnejše kontaktne podatke.

Sedež podjetja
Thorlabs, Inc.
43 Sparta Ave
Newton, New Jersey 07860
Združene države Amerike
sales@thorlabs.com
techsupport@thorlabs.com

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

Proizvajalec izdelka
Thorlabs, Inc.
43 Sparta Ave
Newton, New Jersey 07860 Združene države Amerike
sales@thorlabs.com
techsupport@thorlabs.com

UK Uvoznik
Thorlabs Ltd.
Poslovni park 204 Lancaster Way
Ely CB6 3NX
Združeno kraljestvo
sales.uk@thorlabs.com
techsupport.uk@thorlabs.com
www.thorlabs.com

Dokumenti / Viri

Kompaktni digitalni servo krmilnik THORLABS DSC1 [pdf] Uporabniški priročnik DSC1, DSC1 kompaktni digitalni servo krmilnik, DSC1, kompaktni digitalni servo krmilnik, digitalni servo krmilnik, servo krmilnik, krmilnik

Reference

• Uporabniški priročnik