Gewinn-Kompensationsmethode für eine Sinusförmige Scan eines Galvanometer-Spiegel im Proportional-Integral-Differential Steuerung über Pre-Emphasis-Techniken

Zusammenfassung

Wir schlagen vor, ein Verfahren mit der entsprechenden Frequenz zu erweitern, indem eine Preemphasis-Technik. Dieses Verfahren kompensiert die Verstärkungsreduzierung eines Galvanometerspiegels in Pfad Sinuswellensteuer Proportional-Integral-Differential unter Verwendung von Tracking.

Zusammenfassung

Galvanometerspiegel sind für optische Anwendungen, wie beispielsweise die Zielverfolgung, Zeichnen und Abtaststeuerung wegen ihrer hohen Geschwindigkeit und Genauigkeit verwendet. Jedoch ist die Reaktionsfähigkeit eines Galvanometerspiegels durch seine Trägheit begrenzt; Daher wird die Verstärkung eines Galvanometerspiegels verringert, wenn die Regelstrecke steil ist. In dieser Forschung, schlagen wir ein Verfahren die entsprechende Frequenz unter Verwendung einer Preemphasis-Technik erweitern für die Verstärkungsreduzierung von Galvanometerspiegel in Sinuspfad zu kompensieren Proportional-Integral-Differential (PID) -Steuerung Verfolgung verwendet wird. Die Pre-Emphasis-Technik erhält einen Eingangswert für einen Wert gewünschten Ausgangs im Voraus. Die Anwendung dieser Methode, die Galvanometerspiegel zu steuern, in jeder Frequenz und Amplitude des Ausgangsverstärkung eines Galvanometerspiegels für Pfad sinus Wellennachführung einen PID-Regler verwendet wurde berechnet. Wo PID-Regelung nicht wirksam ist, einen Gewinn von 0 dB Aufrechterhaltung der Bahnverfolgungsgenauigkeit zu verbessern, ist es möglich,erweitern Sie den Geschwindigkeitsbereich, in dem eine Verstärkung von 0 dB kann ohne Abstimmung des PID-Regelparameters erhalten werden. Jedoch, wenn es nur eine Frequenz, Verstärkung ist möglich, mit einem einzigen Preemphase Koeffizienten. Daher ist eine Sinuswelle für diese Technik geeignet ist, anders als dreieckig und Sägezahnwellen. Daher können wir eine Pre-Emphasis-Technik übernehmen die Parameter im Voraus zu konfigurieren, und wir brauchen keine zusätzlichen aktiven Steuerungsmodelle und Hardware herzustellen. Die Parameter werden unmittelbar aufgrund der offenen Schleife innerhalb des nächsten Zyklus aktualisiert, nachdem die Preemphasis-Koeffizienten gesetzt sind. Mit anderen Worten, die Steuerung als Black-Box zu betrachten, brauchen wir nur das Eingangs-Output-Verhältnis und eine detaillierte Modellierung ist nicht erforderlich, wissen. Diese Einfachheit ermöglicht unser System leicht in Anwendungen eingebettet werden. Unsere Methode, um die Pre-Emphasis-Technik für ein Bewegungsunschärfe-Kompensationssystem und das Experiment mit geführt, um die Methode zu bewerten ist, erläutert.

Einleitung

Verschiedene optische Aktuatoren und Steuerverfahren für verschiedene optische Anwendungen wurden vorgeschlagen und entwickelt , ^{1, 2.} Diese optischen Aktoren sind in der Lage den optischen Weg zu steuern; Galvanometerspiegel bietet vor allem ein gutes Gleichgewicht in Bezug auf Genauigkeit, Geschwindigkeit, Mobilität und Kosten ^{3, 4, 5.} Tatsächlich bot der Vorteil , durch die Geschwindigkeit und die Genauigkeit des Galvanometerspiegel auf die Realisierung einer Vielzahl von optischen Anwendungen geführt hat, wie zum Beispiel der Zielverfolgung und die Zeichnung, Abtaststeuerung und Bewegungsfleckaddierer Kompensations ^{6, 7, 8, 9, 10, 11, 12.} Doch in unserem vorherigen Bewegungsfleckaddierer Kompensatim System, ein Proportional-Integral-Differentials (PID) Regler vorgesehen, um eine kleine Verstärkung unter Verwendung ein Galvanometer-Spiegel; daher war es schwierig , eine höhere Frequenz und eine schnellere Geschwindigkeit ¹¹ zu erreichen.

Auf der anderen Seite, ist die PID - Regelung ein weit verbreitetes Verfahren, wie es die Verfolgungsgenauigkeit ¹³ ein bestimmtes Niveau erfüllt. Eine Vielzahl von Verfahren vorgeschlagen worden, um die Verstärkung in der PID-Regelung zu korrigieren. Als typische Lösung, wird die Steuerung Parameter PID-Abstimmung manuell durchgeführt. Aber es braucht Zeit und besondere Fähigkeiten zu erhalten. Eine anspruchsvollere Methode, eine Auto-Tuning - Funktion , um automatisch die Parameter zu bestimmen, wurde vorgeschlagen und weithin ¹⁴ verwendet wird. Die Tracking-Genauigkeit für den Hochgeschwindigkeitsbetrieb verbessert wird, unter Verwendung der Auto-Tuning-Funktion, wenn die P proportional erhöht Verstärkungswert. Dies erhöht jedoch auch die Konvergenzzeit und Rauschen im niedrigen Drehzahlbereich. Somit ist die Verfolgungsgenauigkeit nichtt notwendigerweise verbessert. Obwohl ein selbstabgleichenden Regler geeignete Parameter für die PID-Regelung eingestellt werden kann, abgestimmt, stellt die Abstimmspannung eine Verzögerung aufgrund der Notwendigkeit, geeignete Parameter zu erhalten; daher ist es schwierig , dieses Verfahren in Echtzeitanwendungen ¹⁵ zu übernehmen. Eine erweiterte PID - Regler ^{16, 17} und eine erweiterte prädiktive Steuerung ¹⁸ wurden vorgeschlagen allgemeine PID - Regelung zu verlängern und die Verfolgungsleistung der Galvanometerspiegel für eine Vielzahl von Spurwegen, wie beispielsweise Dreieckswellen, Sägezahnwellen, und Sinuswellen zu erhöhen. Doch in diesen Systemen wurde das Galvanometer-System als Blackbox betrachtet, während ein Modell des Kontrollsystemes erforderlich war, und das Steuersystem nicht als Blackbox betrachtet. Daher werden diese Verfahren erfordern, dass ihr Modell für jeden Galvanometerspiegel aktualisiert. Darüber hinaus, obwohl Mnerie et al. validiert das Verfahren zu ihrer focusing auf einer detaillierten Ausgangswelle und Phase ihrer Forschung sind nicht die Dämpfung der gesamten Welle. In der Tat, in unserer früheren Forschung ^11, wurde die Verstärkung deutlich verringert , wenn die Sinusfrequenz hoch war, wodurch die Notwendigkeit anzeigt , für die Verstärkung der gesamten Welle auszugleichen.

In dieser Forschung unsere Verfahren zur Verstärkungskompensation mit PID - Steuerung ¹² auf der Grundlage der Pre-Emphasis - Technik ^{19, 20, 21} -a Verfahren die Qualität oder die Geschwindigkeit der Kommunikation in der Kommunikation zu verbessern Engineering- , die den Aufbau eines experimentellen Systems ermöglicht , unter Verwendung von bestehende Anlagen. Abbildung 1 zeigt die Strömungsstruktur. Die Pre-Emphasis-Technik in der Lage, den gewünschten Ausgabewert von einem Eingangswert im Voraus zu erhalten, wobei die PID-Regelung nicht wirksam ist, auch wenn der Galvanometerspiegelund dessen Steuerung als Black Boxes betrachtet. Dies ermöglicht es ihnen, die Frequenz und Amplitudenbereich zu erweitern, in dem eine Verstärkung von 0 dB können ohne Abstimmung der PID-Regelparameter erhalten werden.

Wenn der Verstärkungsfaktor verstärkt wird, unterscheiden sich die Ansprechcharakteristiken des Galvanometerspiegels allgemein bei verschiedenen Frequenzen, und deshalb müssen wir jede Frequenz mit Verstärkungskoeffizienten verstärken. Somit ist eine Sinuswelle, geeignet für die Preemphasis-Technik, da es nur eine Frequenz in jeder Sinuswelle ist. In dieser Studie, da wir Verstärkungskompensation anwenden Bewegungsfleckaddierer Kompensation zu erreichen, wird das Steuersignal an Sinus Abtastung beschränkt, und das Sinuswellensignal bildet eine einzige Frequenz, im Gegensatz zu anderen Wellen, wie beispielsweise dreieckig und Sägezahnwellen. Ferner wird das Eingangssignal in den Galvanometerspiegel unmittelbar aufgrund der offenen Schleife innerhalb des nächsten Zyklus aktualisiert, nachdem die Preemphase-Koeffizienten gesetzt sind. Mit anderen Worten, wir müssen to wissen nur die Eingabe-zu-Ausgabe-Verhältnis der Controller als Blackbox zu betrachten und detaillierte Modellierung ist nicht erforderlich. Diese Einfachheit ermöglicht unser System leicht in Anwendungen eingebettet werden.

Das Gesamtziel dieses Verfahrens ist ein experimentelles Verfahren der Bewegungsunschärfe-Kompensation als eine Anwendung von Verstärkungskompensation mit Hilfe der Pre-Emphasis-Technik herzustellen. Mehr Hardware-Vorrichtungen sind in diesen Verfahren, wie beispielsweise einen Galvanometer-Spiegel, eine Kamera, ein Förderband, Beleuchtung und eine Linse verwendet. Zentrale Software-Anwender entwickelten Programme in C ++ geschrieben auch Teil des Systems bilden. Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung des experimentellen Aufbaus. Der Galvanometerspiegel dreht sich mit verstärkungskompensierte Winkelgeschwindigkeit, wodurch es möglich wird, die Menge an Unschärfe aus den Bildern zu bewerten.

Protokoll

1. Erwerb von Gain-Daten für einen Galvanometerspiegel

1. Befestigen Sie den Galvanometerspiegel, so dass er stabilisiert wird sie vor Beschädigung zu schützen, während oszilliert. Nicht nur der Galvanometerspiegel, sondern auch der Körper des Galvanometerspiegels, bewegt sich, wenn nicht an Ort und Stelle mit einem Maße Metall jig mit einem kreisförmigen Loch für den Galvanometerspiegel fixiert. Fixieren Sie die Aufspannvorrichtung auf einen optischen Träger und einer optischen Bank.
2. Verbinden BNC-Kabel vom AD / DA-Platine durch einen Anschlußblock mit den Eingangs- und Positionsbuchsen in dem Servotreiber des Galvanometerspiegels.
3. Programm des Sinusfunktionsgenerator als eine grafische Benutzerschnittstelle (GUI) unter Verwendung des SDK der AD / DA - Platine mit C ++, die eine beliebigen Frequenz, Amplitude und Dauer einzustellen Lage ist, wie in Abbildung 3 gezeigt.
   HINWEIS: Dieser maßgeschneiderte Funktionsgenerator trägt 1.5 die zeitlich Kosten für Dauerversuche in Schritt zu schneiden, da der Prozess viele Male durchgeführt wird.
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4. Stellen Sie die Frequenz von 100 Hz in 100 Hz-Intervallen bis 500 Hz variieren und die Amplitude eingestellt von 10 mV bis 500 mV in 10 mV-Abständen in der GUI zu variieren. Insgesamt gibt es 250 Kombinationen. Um zu testen, 250 Kombinationen, eine Doppelschleife ist effizient zu implementieren. Die erste Schleife ist für Frequenzen von 100 Hz bis 500 Hz, die 50-mal durchgeführt wird. Die zweite Schleife ist für Amplituden von 10 mV bis 500 mV, die für die 50-mal durchgeführt wird.
5. Fügen Sie den Sinuspfadsignal in die AD / DA-Board für 2000 Samplings als Dauer in der GUI. Aufzeichnen gleichzeitig das Positionssignals des Galvanometerspiegels des analogen Wert der AD / DA-Platine zu lesen. In C ++ Codieren eine Bibliothek von AD / DA-Platine verwendet wird, den gleichen Thread zum Schreiben verwendet werden und das Lesen in der Programmierung. Berechnen Sie den aktuellen Winkel des Galvanometerspiegels θ (Schreiben von Informationen) durch diese Gleichung
   
   wobei t die Zeit,ES / ftp_upload / 55431 / 55431eq3.jpg“/> amplituden, ƒ Frequenz ist.
6. Speichern der Positionssignaldaten als CSV-Datei und umfassen den Wert der Frequenz und Amplitude in den Dateinamen.
7. Wiederholen Sie die Schritte 1,4-1,6 für 250 Iterationen.

2. Berechnung Pre-Emphasis-Koeffizienten Get

1. Tragen Sie einen Medianfilter für die CSV-Dateien (aufgezeichnete Signale) Rauscheffekte zu vermeiden. Die räumliche Größe des Medianfilters ist 5.
2. Das Skript des Spitze-zu-Spitze - Wert (entsprechend der Amplitude multipliziert mit 2) zu berechnen, unter Verwendung von MATLAB für jede der CSV - Datei, wie in 4 (die Graph stellt die Daten des Sinuswellen - Pfades) gezeigt.
3. Zeichnen Sie die peak-to-peak - Daten auf eine graphische Darstellung der Linearität bei jeder Frequenz zu bestimmen und begrenzen den Verwendungsbereich der Eingangsamplitude , wenn die Grundstücke nicht linear sind, wie in Abbildung 5 gezeigt.
   HINWEIS: Der nichtlineare Teil des Graphen stellt Sättigungdie PID-Regelung; daher ist es ratsam, sie zu vermeiden, dass die Begrenzung der Spezifikation der Steuerung zu sichern.
4. Execute lineare Regression für peak-to-peak-Daten in einer Kalkulationstabelle, die linearen Interpolationskoeffizienten jeder Frequenz zu erhalten. Bei diesem Verfahren werden fünf Sätze von Steigungen und Schnittpunkte erhalten. Sie entsprechen die Frequenzen von 100 Hz bis 500 Hz bei jedem 100 Hz. Eine Annäherung der geraden Linie von 300 Hz ist in 5 (A) angezeigt, und die linearen Interpolationskoeffizienten jeder Frequenz sind in Tabelle 1 aufgeführt.
5. Verwendung von quadratischen multiple lineare Regression, führen die biquadratische Interpolation quartic Interpolationskoeffizienten (Pre-Emphasis-Koeffizienten) in der Tabelle für die linearen Interpolations-Koeffizienten jeder Frequenz zu erhalten. Die Pre-Emphasis - Koeffizienten sind in Tabelle 2 dargestellt.
   HINWEIS: In dieser Studie unterscheiden sich die linearen Interpolationskoeffizienten in Form einer quadratic-Kurve; Jedoch können auch andere Arten von Funktionen, wie quadratische und kubische Gleichungen angewendet werden, wenn der Fehler minimal ist.

3. Online-Signalverstärkung Basierend auf der Pre-Emphasis-Technik

1. Führen Sie die Software, die den aktualisierten Eingangsamplitudenwert berechnet, von dem idealen Eingangsamplitudenwert und die Frequenz ƒ die Preemphasis-Koeffizienten.
   1. Speichern Sie die Pre-Emphasis-Koeffizienten als konstante Werte in der C ++ Software. Wenn das Gerät aktualisiert wird, werden diese konstanten Werte ebenfalls aktualisiert.
   2. Programm eine Funktion
      
      in der C ++ Software und erhält die linearen Interpolationskoeffizienten. Substituieren sie für einen _i, b _i, c _i, d _i,und e _i aus der Gleichung und die Tabelle 2.
   3. Programm eine Funktion
      
      in der C ++ Software und erhält einen aktualisierten Eingangsamplitudenwert als Ersatz für und die linearen Interpolations-Koeffizienten, die in Schritt 3.1.2 wurden erhalten.
2. Wiederholen Sie die Schritte 1,4-1,6 für beliebige Zeiten mit unter Verwendung der Pre-Emphasis-Technik in der GUI.NOTE: Zur Sättigung des Bereichs der PID-Regelung zu vermeiden, setzt 400 mV bis 200 Hz, 200 mV bis 300 Hz, 100 mV für bis zu 400 Hz und 50 mV für bis zu 500 Hz.
3. Wiederholen Sie Schritt 2.2 und Plot Spitze-Spitze-Daten als Grafik, die die Verbesserung der Verstärkung anzuzeigen.

4. Experiment auf der Bewegungsunschärfe Compensation

1. Bereiten Sie ein Förderband, das bei 30 km / h mit einem Riemen bewegen kann, die haften bleiben können Texturen klebrig. Maßgeschneiderte Förderband ist mit einem Drehzahlregelmotor, ein Eisen Gummigurt zusammengesetzt, und so weiter. Es kann mit vorgefertigter Förderband ersetzt werden, die Geschwindigkeit kontrollieren.
2. Druck ein Feinstrukturmuster auf bedruckbare Band und füge ihn auf das Förderband.
   HINWEIS: Die eingefügte Textur ist in 6 gezeigt. Die Streifen werden mit einer Bibliothek „ofxPDF“ in openframeworks programmiert, und das fotografische Bild ist von einem Foto auf Lager Unternehmen.
3. Richten Sie optische Geräte wie beispielsweise eine Kamera, eine Linse, und eine Beleuchtungs, wie in Abbildung 2 dargestellt. Platzieren Sie den Galvanometer-Spiegel vor der Linse, die mit der Kamera verbunden ist, und legt die Beleuchtung, das Förderband zu beleuchten.
   1. Stellen Sie die Kamera Frequenz auf 333 Hz, die Belichtungszeit wurde auf 1 ms und die Anzahl der Pixel zu 848 * 960 (* Breite Höhe).
4. Synchronisieren der Drehzeitpunkt des Galvanometerspiegel und der Belichtungszeit der Kamera. In der Software, wenn der Winkel des Galvanometerspiegels die Position kommt, wo Belichtung zu starten, sendet das Programm einen Software-Trigger in die Kamera. Der Zeitpunkt des Software - Trigger ist in Abbildung 7 dargestellt.
5. Geben Sie die Geschwindigkeit des Förderbandes V _t (30 km / h) und der Abstand von der Kamera zu dem Förderband L (3,0 m) zu der Winkelgeschwindigkeit ω _r des Galvanometerspiegels in der wie in Abbildung 8 GUI erforderlich zu berechnen. ω _r wird wie folgt berechnet:
   
6. Eingang die Frequenz ƒ (330,0 Hz) in der GUI , wie in Abbildung 8 ursprünglichen Eingangsamplitude zu berechnen . BerechnenGleichung 3" src = "/ files / ftp_upload / 55431 / 55431eq3.jpg" /> wie folgt:
   
7. Kopieren und Einfügen in den Quellcode, und drehen Steuerwert θ für das Galvanometer Stelltreiber das Galvanometer mit dem vorverzerrten wie folgt:
   
   wobei t die Zeit ist . Abbildung 7 zeigt , wie θ von A berechnet.
8. Aufzeichnung von Bildern , wenn das Förderband bei V _t bewegt (30 km / h).
   HINWEIS: 9 stellt die Bewegung des Förderbandes.

Ergebnisse

Die hier vorgestellten Ergebnisse wurden unter Verwendung eines AD / DA-Board und eine Kamera erhalten. Abbildung 1 zeigt die Vorgehensweise der Preemphasis - Technik; Daher ist es der Kern dieses Artikels. Es ist nicht notwendig, die Parameter der PID-Regelung nach der Initialisierung Zustand zu versetzen; damit ist der Online-Prozess deutlich einfacher.

Abbildung 10 zeigt die Ergebnisse , di...

Diskussion

Dieser Artikel stellt eine Prozedur Lage ist, den Sinuswellenfrequenzbereich erweitert hochgenaue Trajektorie zu erreichen mit dem PID-Regelung zu verfolgen. Da die Reaktionsfähigkeit eines Galvanometer-Spiegel durch seine Trägheit begrenzt ist, ist es wichtig, einen Galvanometerspiegel zu verwenden, wenn der Steuerpfad steil ist. Doch in dieser Forschung schlagen wir eine Methode, um die Spezifikation der Steuerung zu verbessern und dann die Methode unter Beweis stellen, indem experimentelle Ergebnisse zu erhalten.

Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien

Name	Unternehmen	Katalognummer	Kommentare
Galvanometerspiegel	Cambridge Technology	M3s X-Achse
Sonderanfertigung Metallvorrichtung	ASKK-Mit		kreisförmigem Loch für Galvanometerspiegel
Optischer Träger	SIGMAKOKI	CAA-60L
Optische Bank	SIGMAKOKI	OBT-1500LH
Oszilloskop	Tektronix	MSO 4054
AD/DA Platine	Schnittstelle	PCI-361216
PC	DELL	Precision T3600
Galvanometer Spiegel Servo Controller	Cambridge Technology	Minisax
Objektiv	Nikon	AF-S NIKKOR 200mm f/2G ED VR II
Hochgeschwindigkeitskamera	Mikrotron	Eosens MC4083	Abgekündigt, aber als MC4087 verkauft. Die Kabelverbindung unterscheidet sich von MC4083
Förderband	ASUKA	-	Mit einem Geschwindigkeitsregler Motor (BX5120A-A von Oriental Motor), Eisengummiband (100-F20-800A-J von NOK) und so weiter
Bedruckbares Band	A-one	F20A4-6
Fotografische Textur	Shutterstock, Inc.	231357754	Gedrucktes Computer-Motherboard mit Mikroschaltung, Nahaufnahme
Klemmenblock	Schnittstelle	TNS-6851B
CoaXPress-Platine	AVALDATA	APX-3664
MATLAB	mathworks	MATLAB R2015a