piezosystemjena series 30DV Instruction manual

Bedienungsanleitung
Digitaler Piezoverstärker
Serie 30DVxxx
instruction manual
digital piezo amplifier
series 30DVxxx
Bitte lesen Sie sorgfältig die Bedienungsanleitung vor dem Einschalten des Gerätes. Beachten Sie
bitte insbesondere die Sicherheitshinweise!
Please read carefully before switching on the power! Please see safety instructions for using
piezoelectric actuators and power supplies!
Geschäftsführer: Dr. Bernt Götz • Telefon 03641/66880 • Fax 03641/668866 • www.piezosystem.com
1
Bedienungsanleitung Seite 3 ... 34
(deutsch)
instruction manual pages 35 ... 63
(english)
Deutsche Version:
English version:
Letzte Änderung 03.07.2015 von AS
last change 2015-07-03 by AS
Geschäftsführer: Dr. Bernt Götz • Telefon 03641/66880 • Fax 03641/668866 • www.piezosystem.com
2
Inhaltsverzeichnis
1
2
3
4
5
6
6.1
6.2
6.3
6.4
7
8
8.1
8.2
8.2.1
8.2.2
8.3
8.3.1
8.3.2
8.3.3
8.4
8.4.1
8.4.2
8.4.3
8.5
8.6
8.7
9
10
11
11.1
12
Gegenstand ....................................................................................................................... 4
Zertifizierung von piezosystem jena ................................................................................. 4
Konformitätserklärung ....................................................................................................... 4
Lieferumfang ..................................................................................................................... 5
Allgemeine Hinweise zu Piezoaktoren und Spannungsverstärkern ................................ 5
Sicherheitshinweise .......................................................................................................... 6
Installation, Stromanschluss ............................................................................................. 7
Betrieb ............................................................................................................................... 7
Pflege und Wartung .......................................................................................................... 8
Umgebungsbedingungen .................................................................................................. 8
Kurzanleitung, Funktionskontrolle ..................................................................................... 8
Beschreibung des digitalen Piezoverstärkers der Serie 30DVxxx ................................... 9
Allgemeines ....................................................................................................................... 9
Bedienelemente ................................................................................................................ 9
Frontseite .......................................................................................................................... 9
Rückseite ......................................................................................................................... 10
Funktion ........................................................................................................................... 11
Technische Daten ........................................................................................................... 14
MOD/MON ....................................................................................................................... 15
Anschlussbelegungen ..................................................................................................... 17
Kommunikation und Befehlssatz .................................................................................... 18
Kommunikation................................................................................................................ 18
Befehlssatz ...................................................................................................................... 19
Statusregister .................................................................................................................. 22
Funktionsgenerator ......................................................................................................... 23
Ausgabe von Triggersignalen ......................................................................................... 24
Scanfunktion .................................................................................................................... 27
Bedienung ....................................................................................................................... 29
Reglereinstellung ............................................................................................................ 30
Fehlersuche..................................................................................................................... 32
Fehlerregister .................................................................................................................. 33
Ihre Notizen ..................................................................................................................... 34
Geschäftsführer: Dr. Bernt Götz • Telefon 03641/66880 • Fax 03641/668866 • www.piezosystem.com
3
1
Gegenstand
Diese Anleitung beschreibt die digitalen Piezoverstärker der Serie 30DVxxx von piezosystem
jena. Weiterhin finden Sie Sicherheitshinweise beim Umgang mit Piezoelementen.
Bei Problemen wenden Sie sich bitte an den Hersteller des Gerätes:
piezosystem jena, Stockholmer Str. 12, 07747 Jena. Tel: (0 36 41) 66 88-0
2
Zertifizierung von piezosystem jena
Die Firma piezosystem jena GmbH arbeitet seit 1999 nach einem nach
DIN EN ISO 9001 zertifizierten Qualitätsmanagementsystem, dessen
Wirksamkeit durch regelmäßige Audits durch den TÜV geprüft und
nachgewiesen wird.
Diese Bedienungsanleitung enthält wichtige Informationen für den Betrieb und
Umgang mit Piezoaktoren. Bitte nehmen Sie sich die Zeit, diese
Informationen zu lesen. Piezopositioniersysteme sind mechanische System
von höchster Präzision. Durch den richtigen Umgang stellen Sie sicher, dass
das System die geforderte Präzision auch über lange Zeit einhält.
3
Konformitätserklärung
Die CE-Konformitätserklärung für dieses Gerät ist im Internet unter www.piezosystem.de
einsehbar.
Geschäftsführer: Dr. Bernt Götz • Telefon 03641/66880 • Fax 03641/668866 • www.piezosystem.com
4
4
Lieferumfang
Bitte prüfen Sie nach Erhalt die Vollständigkeit der Lieferung, bestehend aus:






5
Spannungsverstärker 30DVxxx
Weitbereichsnetzteil 24VDC
RS232-Kabel
USB-Kabel
Bedienungsanleitung
CD-ROM mit Treiber, Software und Bedienungsanleitung
Allgemeine Hinweise zu Piezoaktoren und Spannungsverstärkern
 Piezoaktoren von piezosystem jena werden mit Spannungen bis 150V angesteuert.
Beachten Sie bitte die Sicherheitsvorschriften beim Umgang mit diesen Spannungen.
 Nach dem Transport von Piezoaktoren sollten sich diese vor dem Einschalten ca. 2h der
Raumtemperatur anpassen können.
 Piezoaktoren sind stoß- und schlagempfindlich (Bruchgefahr). Vermeiden Sie auch bei
eingebauten Piezoaktoren derartige Einwirkungen. Durch den piezoelektrischen Effekt
können bei Stoß- oder Schlageinwirkungen Spannungen erzeugt werden, die zu
Überschlägen führen können.
 Piezoaktoren sind mit hohen Druckkräften belastbar. Ohne Vorspannung dürfen sie nicht auf
Zug belastet werden. Beachten Sie, dass bei Stoßeinwirkungen (z.B. Herunterfallen) und bei
hochdynamischen Anwendungen Beschleunigungen des Keramikmaterials und somit auch
Zugkräfte auftreten. Piezoaktoren mit mechanischer Vorspannung können im Rahmen der
Vorspannung auf Zug belastet werden.
 Bei Ansteuerung der Aktoren mit einer Spannung im oberen Stellbereich kann bei
Abschaltung der Steuerspannung allein durch die noch erfolgende Bewegung der Keramik
eine beträchtliche elektrische Gegenspannung erzeugt werden, die zu Überschlägen führen
kann.
 Durch strukturbedingte Verlustprozesse innerhalb der Keramik kommt es zu einer
Erwärmung beim dynamischen Betrieb. Bei ungenügenden Kühlungsmaßnahmen kann es
zu Ausfällen kommen. Eine Erwärmung über der Curietemperatur (übliche Werte ca.
140°C - 250°C) lässt den piezoelektrischen Effekt verschwinden.
 Piezoaktoren können elektrisch als Kondensatoren angesehen werden. Die
Entladungszeiten liegen im Bereich von Stunden bis Tagen. Deshalb können auch nach
Trennung der Piezoaktoren von der Spannungsversorgung hohe Spannungen anliegen.
Bleibt der Aktor mit der Elektronik verbunden, so wird er innerhalb einer Sekunde nach dem
Abschalten auf ungefährliche Spannungswerte entladen.
 Piezoaktoren können durch Erwärmung oder Abkühlung und der damit verbundenen
Längenänderung eine Spannung an den Anschlüssen erzeugen. Bedingt durch die
Eigenkapazität ist das Entladungspotential nicht zu vernachlässigen. Bei üblicher
Raumtemperatur ist dieser Effekt unbedeutend.
 Piezoaktoren von piezosystem jena sind justiert und verklebt. Ein Öffnen der Stellelemente
führt zur Dejustage. Eine Beschädigung des inneren Aufbaus ist dabei nicht auszuschließen.
Dieses kann zur Funktionsunfähigkeit führen. Geräte von piezosystem jena dürfen deshalb
nicht geöffnet werden. Ein Öffnen führt zum Garantieverlust!
 Verwenden Sie nur mitgelieferte Kabel und Verlängerungen. So können Geräteausfälle
durch eventuell falsche Verbindungen verhindert werden.
 Bei Problemen wenden Sie sich bitte an piezosystem jena oder an den jeweiligen Händler.
Die für die jeweiligen Länder verantwortlichen Repräsentanten finden Sie auf unserer
Webseite http://www.piezosystem.de im Bereich „Unternehmen“
Geschäftsführer: Dr. Bernt Götz • Telefon 03641/66880 • Fax 03641/668866 • www.piezosystem.com
5
Achtung! Trotz mechanischer Vorspannung können Stoßkräfte (z.B. Fallenlassen oder
Anstoßen) zu einer Beschädigung des eingebauten Keramikelementes führen. Bei
Beschädigungen des Piezoaktors aufgrund derartiger Einwirkungen können wir keine Garantie
übernehmen. Bitte gehen Sie deshalb sehr sorgfältig mit Ihrem Piezoaktor um.
6
Sicherheitshinweise
Symbole:

GEFAHR! Dieses Symbol weist auf die Gefahr von Elektrounfällen hin. Damit
verbundene Warnhinweise sind unbedingt zu beachten.
ACHTUNG! Dieses Symbol weist auf zu beachtende Anweisungen in der
Bedienungsanleitung hin, die zusätzliche Hinweise zur Bedienung und Warnung
enthalten.
GEFAHR
 Öffnen Sie das Gerät in keinem Fall! Im Inneren des Gerätes befinden sich keine Teile, die
vom Benutzer selbst gewartet werden können. Das Öffnen oder Entfernen der Abdeckungen
könnte einen elektrischen Schlag verursachen oder zu anderen gefährlichen Situationen
führen. Reparaturarbeiten dürfen nur von qualifizierten technischen Personal durchgeführt
werden.
 Vermeiden Sie das Eindringen von Flüssigkeiten in die Geräte! Diese können zu einem
elektrischen Schlag, Brand oder Fehlfunktionen des Gerätes führen.
ACHTUNG
 Achten Sie auf ausreichende Belüftung der Steuerelektronik. Lüftungsschlitze dürfen nicht
blockiert werden. Die Geräte sollten nicht in unmittelbarer Nähe von Wärmequellen (z.B.
Heizung, Ofen usw.) aufgestellt werden.
 Betreiben Sie die Geräte von piezosystem jena nur in sauberer und trockener Umgebung.
Nur dafür speziell vorgesehene Geräte und Piezoelemente dürfen unter abweichenden
Umgebungsbedingungen betrieben werden.
 piezosystem jena übernimmt keine Garantie bei Fehlfunktionen durch fremdes Zubehör.
Besonders geregelte Systeme sind nur in dem von piezosystem jena ausgelieferten
Zustand voll funktionstüchtig. Das Verwenden zusätzlicher Kabel oder abweichender
Stecker verändert die Kalibrierung und andere spezifizierte Daten. Dieses kann bis zur
Fehlfunktion der Geräte führen.
 Piezoelemente sind empfindliche Präzisionsgeräte von großem Wert. Bitte behandeln Sie
die Geräte dementsprechend. Achten Sie auf einen mechanisch saubere Befestigung der
Piezoelemente, ausschließlich an den dafür vorgesehenen Befestigungsstellen!
Unter den nachfolgend aufgeführten Umständen müssen die Geräte sofort vom Netz getrennt
werden:




beschädigte Kabel (z.B. Netzkabel)
Flüssigkeiten sind in das Gerät gelangt
das Gerät war Regen ausgesetzt oder ist mit Wasser in Berührung gekommen
das Gerät funktioniert bei Bedienung entsprechend der Bedienungsanleitung nicht
ordnungsgemäß
Geschäftsführer: Dr. Bernt Götz • Telefon 03641/66880 • Fax 03641/668866 • www.piezosystem.com
6
6.1 Installation, Stromanschluss
GEFAHR
 Greifen Sie niemals mit nassen Händen an den Netzstecker. Es besteht die Gefahr eines
elektrischen Schlages.
 Nicht in Räumen installieren, in denen leicht entzündliche Substanzen gelagert werden.
Kommen leicht entzündliche Substanzen mit elektrischen Bauteilen in Kontakt, besteht die
Gefahr von Feuer oder einem elektrischen Schlag.
 Nehmen Sie keine Veränderungen am Netzkabel vor. Stellen Sie keine schweren
Gegenstände auf das Netzkabel und verlegen Sie es so, dass es nicht übermäßig gespannt
oder geknickt ist. Das Netzkabel könnte sonst beschädigt werden, und es besteht die Gefahr
eines elektrischen Schlages bzw. Brandgefahr.
 Ziehen Sie niemals am Kabel, um den Netzstecker zu ziehen. Dadurch könnte das
Netzkabel beschädigt werden und es besteht die Gefahr eines elektrischen Schlages oder
Brandgefahr.
ACHTUNG
 Verwenden Sie nur das mitgelieferte Zubehör. Stecken Sie die Netzkabel ausschließlich in
Schutzleitersteckdosen.
 Stellen Sie das Gerät niemals an einem Platz auf, an dem das Netzkabel beschädigt oder
zur Stolperfalle werden kann. Stellen Sie niemals Geräte auf das Netzkabel.
 Stellen Sie das Gerät so auf, dass die Lüftungsschlitze nicht blockiert werden und eine
ausreichende Belüftung der Steuerelektronik gewährleistet wird.
 Stecken Sie den Netzstecker vollständig in die Schutzleitersteckdose, damit es sich nicht
versehentlich lösen kann.
 Halten Sie den Netzstecker immer frei zugänglich, damit er im Notfall gezogen werden kann.
 Stellen Sie das System so auf, dass der Schalter ohne Probleme betätigt werden kann.
 Der Netzstecker ist die Trennstelle vom Versorgungsnetz
6.2 Betrieb
Gefahr
 Öffnen Sie das Gerät in keinem Fall! Im Inneren des Gerätes befinden sich keine Teile, die
vom Benutzer selbst gewartet werden können. Das Öffnen oder Entfernen der Abdeckungen
könnte einen elektrischen Schlag verursachen oder zu anderen gefährlichen Situationen
führen. Reparaturarbeiten dürfen nur von qualifiziertem technischen Personal durchgeführt
werden.
 Achten Sie darauf, dass kein Wasser oder entflammbare Flüssigkeiten ins Innere des
Gerätes gelangen. Kommen elektrische Bauteile mit diesen Substanzen in Kontakt besteht
Feuergefahr und die Gefahr eines elektrischen Schlages.
ACHTUNG
 Falls Sie Rauchentwicklung, starke Hitze oder einen ungewöhnlichen Geruch am Gerät
feststellen, schalten Sie es bitte sofort aus und ziehen Sie den Netzstecker. Nehmen Sie mit
unseren technischen Service Kontakt auf.
Geschäftsführer: Dr. Bernt Götz • Telefon 03641/66880 • Fax 03641/668866 • www.piezosystem.com
7
6.3 Pflege und Wartung
ACHTUNG
 Schalten Sie das Gerät immer aus und ziehen Sie den Stecker, bevor Sie das äußere
Gehäuse reinigen.
 Verwenden Sie zum Reinigen ein gut ausgewrungenes Tuch. Verwenden Sie niemals
Alkohol, Benzin, Verdünner oder andere leicht entflammbare Substanzen. Ansonsten
besteht Feuergefahr oder die Gefahr eines elektrischen Schlages.
6.4 Umgebungsbedingungen
Das Gerät ist unter folgenden Umgebungsbedingungen einsetzbar:




Verwendung nur in Innenräumen
bei einer Höhe bis zu 2000 m
Temperaturbereich: 5...35 °C
relative Luftfeuchte: 5...95% (nicht kondensierend)
Die empfohlenen Einsatzbedingungen sind:




7
Verwendung nur in Innenräumen
bei einer Höhe bis zu 2000 m
Temperaturbereich: 20...22 °C
relative Luftfeuchte: 5...80% (nicht kondensierend)
Kurzanleitung, Funktionskontrolle
Bitte überprüfen Sie die Lieferung auf Vollständigkeit (siehe Packliste) und auf Unversehrtheit
aller angegebenen Lieferpositionen. Es folgt eine Sichtprüfung von Aktor und Verstärker:














Kopf- und Deckplatte des Aktors (wenn vorhanden) müssen parallel zueinander stehen
keine Kratzer auf Grund- und Deckplatte
Bitte informieren Sie piezosystem jena sofort bei Beschädigungen des Systems.
Bitte lassen Sie sich Transportschäden vom Lieferanten (Paketdienst o.ä.) bestätigen.
Netzschalter ist ausgeschaltet, vorhandene Betriebsspannung ist mit der am Gerät
angegebenen identisch
Schließen Sie die Stromversorgung an.
Schließen Sie das Piezoelement an den 15 pol. D-Sub Stecker „PIEZO“ an.
Schalten Sie das Gerät mit Hilfe des Netzschalters an der Frontplatte in den ON-Betrieb. Es
erfolgt ein kurzer Selbsttest.
Zuerst blinken die gelben Leuchtdioden „OVL“ und „UDL“. Die grüne „OL/CL“-LED leuchtet
permanent. Steckt ein Aktor an dem 15pol. D-Sub Stecker, erlöschen die gelben
Leuchtdioden nach ca. 3 Sek. und der Verstärker ist funktionsbereit.
Schalten Sie die Regelung durch Druck auf den digitaler Drehgeber „OFFSET“ ein. Die
Leuchtdiode „OL/CL“ leuchtet gelb.
Nun kann die Position mit dem Drehknopf eingestellt werden.
Leuchten die LED „UDL“ oder „OVL“ auf, liegt ein Fehler vor. In diesem Fall lesen Sie bitte
den Absatz Fehlersuche.
Schalten Sie das Gerät bitte aus. Die Funktionskontrolle ist hiermit abgeschlossen.
Sollten während der Funktionskontrolle Unstimmigkeiten auftreten, lesen Sie bitte den
Absatz Fehlersuche.
Geschäftsführer: Dr. Bernt Götz • Telefon 03641/66880 • Fax 03641/668866 • www.piezosystem.com
8
8
Beschreibung des digitalen Piezoverstärkers der Serie 30DVxxx
8.1 Allgemeines
Die Serie 30DVxxx besteht aus Verstärkern mit 50mA Ausgangsstrom - 30DV50 und mit 300mA
Ausgangsstrom - 30DV300. Diese digitale Verstärkerserie wurde speziell für die hohen
Anforderungen einer OEM-Applikation konzipiert. Sie zeichnet sich durch Robustheit und
Zuverlässigkeit aus, ist variabel montierbar und kann mit einer Versorgungsspannung von bis zu
30V DC universell eingesetzt werden. Verfügbar ist der 30DVxxx sowohl mit Anschraublaschen
als auch in einer 19“-Einschub-Gehäuseausführung.
Wahlweise können Aktoren mit und ohne integriertem Messsystem betrieben werden. Aktoren mit
integriertem Messsystem werden durch den digitalen PID-Regler drift- und hysteresefrei
positioniert.
Der Verstärker bietet die Möglichkeit, das Piezoelement manuell mittels digitalem Drehgeber über
analoge Steuerspannungen 0...10V oder RS232 zu steuern. Durch die digitale Sollwertvorgabe
sind höchste Auflösung und Genauigkeiten erzielbar. Aufgrund der hohen Ausgangsleistung mit
20bit Auflösung garantiert er in Bezug auf Geschwindigkeit, Anstiegszeit, Einschwingoptimierung
und Genauigkeit hervorragende Parameter in der Positionierung.
Der digitale Piezoverstärker 30DVxxx ermöglicht die getrennte Austauschbarkeit von Aktor und
Steuerelektronik. Alle relevanten Daten sind eigenständig auf einem ID-Chip im Aktorstecker
gespeichert und werden beim Einschalten an den Verstärker übergeben.
Eine Vielzahl hilfreicher Features ist implementiert. So ist standardmäßig ein Kerbfilter (Notch) und
Tiefpassfilter sowie eine Anstiegsbegrenzung des Eingangssignals (Slew Rate) frei
programmierbar. Der integrierte Funktionsgenerator ermöglicht Sinus-, Rechteck- und DreieckSignalsteuerung. Zur Frequenzanalyse kann die Rausch- bzw. Wobbelfunktion genutzt werden.
Alle Bedienelemente sind von der Frontseite erreichbar. Das PC-Interface auf der Rückseite
erlaubt eine Kabelführung in Schaltschränken. Verlängerungskabel für einen Aktoreinsatz auch in
größerer Entfernung vom Verstärker sind bei piezosystem jena erhältlich.
8.2 Bedienelemente
8.2.1 Frontseite
Anschluss
Analogsteuerung
Regler
Underload
Regler
Overload
Anschluss
Piezoaktor
Open Loop /
Closed Loop
Offset
Vorgabe
Ein/Aus
Schalter
Fehler
Anzeige
Geschäftsführer: Dr. Bernt Götz • Telefon 03641/66880 • Fax 03641/668866 • www.piezosystem.com
9
8.2.2 Rückseite
Lüfter Temperaturgesteuert
Versorgungsspannung
RS232 Schnittstelle
Geschäftsführer: Dr. Bernt Götz • Telefon 03641/66880 • Fax 03641/668866 • www.piezosystem.com
10
Monitor
Modulation
ANALOG
OFFSET
ADC
16 bit
VCC
16
UDL
Slew Rate
Position
+
+
Control
Function
Generator
Low Pass
DSP 32 bit
SPI Bus
Amplifier 30DV50
16
OVL
Processor
Mitsubishi
16 bit
ON
OL/CL
+
D-Term
I-Term
P-Term
OL
CL
Notch
16
DAC
16 bit
HVout
I2 C Bus
Power
Amplifier
CAN Bus
Aktuator
Sensor ID Chip
Sensor
Amplifier
Actuator ID
HVout
Position
PIEZO
Digital I/O
VCC
+165V
-30V
Back Plane
8.3 Funktion
Im folgenden Blockschaltbild sind die Funktionsgruppen des Verstärkers dargestellt:
Abbildung 1: Funktionsgruppen des Verstärkers
Geschäftsführer: Dr. Bernt Götz • Telefon 03641/66880 • Fax 03641/668866 • www.piezosystem.com
11
Der Sollwert für den Digitalregler setzt sich aus der Addition von analogem Modulationssignal, dem
Digitalwert des Drehgebers „OFFSET“ und dem über RS232-Schnittstelle vorgegebenen
Digitalwert zusammen und stellt diesen Wert dem Digitalen Signal Prozessor (DSP) als
Führungsgröße zur Verfügung.
Die Anstiegsgeschwindigkeit kann wahlweise durch eine einstellbare „Slew Rate“ Begrenzung oder
durch einen Tiefpassfilter 4. Ordnung auf das jeweilige Gesamtsystem optimal angepasst werden,
d. h. Frequenzen, die das System in der Resonanz anregen könnten, werden schon vor der
eigentlichen Regelung unterdrückt.
Der Regler errechnet die Regelabweichung (err) zwischen Sollwert und dem Positionswert des
Wegmesssystems.
err = soll – mes
soll = Sollwert
mes = Positionswert des Messsystems
Der Proportional-Anteil (P-Term) verstärkt den Fehlerwert frequenzunabhängig und steuert damit
das Stellglied so lange, bis sich der Positionswert dem vorgegebenen Sollwert angleicht:
yp = kp * err
kp = einstellbare Proportionalverstärkung
yp = Ausgangsspannung des P-Anteiles
Typisch für das Verhalten eines reinen P-Reglers ist, dass er Positionsänderungen nicht
vollständig ausregelt und somit eine bleibende Regelabweichung hinterlässt, die zur proportionalen
Steuerung des Stellgliedes gebraucht wird.
Durch Überlagerung eines Integral – Anteiles wird diese Regelabweichung beseitigt. Die
charakteristische Kenngröße des I-Anteiles ist die Nachstellzeit (ki). Das ist die Zeit, die der I-Anteil
bei einer sprunghaften Änderung der Regelabweichung benötigt, um das Stellglied in die
vorgegebene Position zu bringen. Die Eingabe großer Werte von ki ergeben kleine Nachstellzeiten
und damit kürzere Regelzeiten.
yi = yi + ki * err * Ts
Ts = 1 / Samplefrequenz (50kHz)
1/ki = Nachstellzeit
yi = Ausgangsspannung des I-Anteiles
Um die Reaktionsgeschwindigkeit eines PI-Reglers zu erhöhen, kann ein D-Regler zugeschaltet
werden. Der Differential-Anteil (D-Term) erzeugt ein Signal, das der Änderungsgeschwindigkeit
des Fehlerwertes proportional ist, d. h. die Reaktionsstärke richtet sich nach der Geschwindigkeit
der Regelabweichung. In der Praxis wirkt sich der D-Anteil als Verminderung der höherfrequenten
Schwinganteile auf der Einschwingkurve aus.
yd = kd * 1/Ts * (err – err[n-1])
err[n-1] = Fehlerwert vorheriges Sample
kd*1/Ts =1/ Vorhaltezeit
kd = einstellbarer Faktor
yd = Ausgangsspannung des D-Anteiles
Beim Einsatz eines D-Anteiles besteht jedoch die Gefahr, dass kleine durch stochastische
Störungen (z.B. Rauschen) bedingte Änderungen der Regelabweichung eine zu starke Reaktion
der Stellgröße hervorrufen.
Die Summe dieser drei Terme ergibt die Eigenschaften eines PID-Reglers. Das erzeugte Signal
wird als Stellgröße der Endstufe zugeführt, welche den Piezoaktor steuert.
y = yp + yi + yd
y = Ausgangsspannung des PID-Reglers
Im ungeregelten Betrieb (open loop) wird der PID-Regler überbrückt, d.h. der Sollwert wird als
Stellgröße ausgegeben.
Geschäftsführer: Dr. Bernt Götz • Telefon 03641/66880 • Fax 03641/668866 • www.piezosystem.com
12
Die Reaktionen der Reglerkomponenten sind in folgendem Diagramm dargestellt:
Abbildung 2: Übertragungsfunktion
Ein besonderes Feature ist ein Kerbfilter (notch filter), der direkt vor die Endstufe geschaltet
werden kann. Dieser hat die Eigenschaft, die Hauptresonanzfrequenz des Gesamtsystems stark
zu dämpfen. Das bedeutet im geregelten Zustand, dass Störungen von außen den Regelkreis
nicht zum Eigenschwingen bringen können. Im ungeregelten Betrieb wird die Frequenz
ausgeblendet, die den Aktor zum Schwingen anregen könnte. Die Kerbfrequenz und die
Bandbreite können frei eingestellt werden. Bei Verwendung des Kerbfilters kann ein erhöhtes
Positionsrauschen auftreten. Die reglerspezifischen Kennwerte kp, ki, kd sowie die
Anstiegsgeschwindigkeit und die Kerbfiltereigenschaften sind im ID-Chip des Aktors
standardmäßig voreingestellt. Diese sind aber meist keine optimalen Einstellungen, da sich mit
dem kundenspezifischen Anbau und zusätzlich aufgebrachten Massen die Charakteristik des
Aktors ändert.
Geschäftsführer: Dr. Bernt Götz • Telefon 03641/66880 • Fax 03641/668866 • www.piezosystem.com
13
8.3.1 Technische Daten
30DV50
30DV300
Eingangsspannung:
10 – 30 VDC
Betriebsspannungsbuchse:
Kleinspannungsbuchse mit 2,1mm-Stift
Eingangsstrom:
max. 2,5A @ 10V
max. 1,0A @ 30V
Leistungsaufnahme:
max. 30W
max. 5,5A @ 10V
max. 2,5A @ 30V
max. 55W
TM
Ausgangsleistung:
7,5W (max. 15W für nanoX
Aktoren)
Ausgangsspannungen:
-20V...+130V
+130V...-20V für nanoXTM Aktoren
Ausgangsstrom (Konstantstrom): 50mA permanent
(2x 50mA für nanoXTM
Aktoren)
max. 45W
300mA permanent
(2x 150mA für nanoXTM
Aktoren)
Ausgangsspannungsrauschen:
<0,3mVRMS @ 500Hz
Aktor- / Messsystemstecker
„PIEZO“:
15pol. D-Sub Stecker
Monitorausgang:
0...+10V (Signalquelle programmierbar)
Ausgangsimpedanz:
1kΩ
Modulationseingang:
0...+10V (abschaltbar)
Eingangsimpedanz:
25kΩ
Triggerausgang (low-aktiv)
5V/0V mit pull-up-Drainwiderstand 240Ω
MOD/MON Buchse „ANALOG“:
9pol. D-Sub Buchse
Offsetspannung:
-20V...+130V über digitalen Drehgeber
Überlastungsschutz:
kurzschlussfest, Temperatursicherung
Anzeigen (LED):
grün/gelb
grün = betriebsbereit / open loop
gelb = closed loop
OVL (gelb) = Overload
UDL (gelb) = Underload
Schnittstelle:
RS232
RS232 Buchse
9pol. D-Sub Buchse
Kühlung:
Lüfter, temperaturgesteuert
Masse (B x H x T):
130 x 86 x 230 mm
Gewicht:
1,6kg
1,8kg
Tabelle 1: Technische Daten
Geschäftsführer: Dr. Bernt Götz • Telefon 03641/66880 • Fax 03641/668866 • www.piezosystem.com
14
8.3.2 MOD/MON
Modulationseingang: MOD
Die Position des Aktors kann über diesen Eingang analog gesteuert werden. Das
Modulationssignal muss im Bereich von 0 bis +10V liegen. Außerdem erfolgt eine Addition der an
der SUB-D Buchse anliegenden Spannung mit der vom digitalen Drehgeber "OFFSET" generierten
Offsetspannung und dem digital vorgegebenen Sollwert. Bei Nichtbenutzung des analogen
Modulationseingangs sollte dieser abgeschaltet werden (modon,x,0 siehe 8.4.2 Befehlssatz).
Externe Störungen und Einstreuungen können somit vermieden werden. Im Modus
Funktionsgenerator ist der Modulationseingang permanent abgeschaltet.
Monitorausgang: MON
An diesem Ausgang können über ein Steuerkommando mit entsprechendem Parameter eine
Vielzahl von Systemsignalen im Spannungsbereich von 0...+10V ausgegeben und z. B. über ein
Oszilloskop kontrolliert werden. Das ist besonders bei dynamischer Ansteuerung empfehlenswert.
Bitte beachten Sie den Innenwiderstand des Monitorausgangs!
MON
Monitorausgang
(default = 0)
0 = Positionswert im geregelten Betrieb
1 = Sollwert
2 = Reglerausgangsspannung
3 = Regelabweichung mit Vorzeichen
4 = Betrag der Regelabweichung
5 = Aktorspannung
6 = Positionswert im ungeregelten Betrieb
Tabelle 2: Monitor
0) Der Positionswert des Messsystems im geregelten Betrieb hängt vom jeweiligen Aktor ab,
d.h. ein Aktor mit einem kalibrierten geregelten Hub von 80μm erzeugt an diesem Ausgang
eine Spannung von 0...+10V (= 8μm/V bzw. 0,125V/μm).
1) Der Sollwert, der aus der Addition von Modulation, Offset und digitaler Vorgabe entsteht,
wird 1:1 ausgegeben.
2) Die Reglerausgangsspannung (Steuerspannung für die Endstufe) wird 1:1 ausgegeben.
3) Die Regelabweichung mit Vorzeichen, d. h. der Vergleich zwischen Soll- und Positionswert
kann positiv bzw. negativ sein.
Uerr = Usoll – Umess
Usoll = 0V...+10V
Umes = 0V...+10V
Uerr = -10V...+10V
Da nur Spannungen im Bereich von 0...+10V ausgegeben werden können, wird die
Regelabweichung halbiert und um +5V angehoben. Die Regelabweichung kann wie folgt
aus der gemessenen Monitorspannung rückgerechnet werden:
Uerr = (Umon – 5V) * 2
Uerr = -10V...+10V
Umon = 0V...+10V
Geschäftsführer: Dr. Bernt Götz • Telefon 03641/66880 • Fax 03641/668866 • www.piezosystem.com
15
Im ausgeregelten Fall liegen +5V an.
Bei maximalem positiven Fehler +10V (bei einem Sollwertsprung Usoll von 0 auf +10V) ist
im Zeitpunkt t=0 Umess noch 0V -> Uerr = 10V -> Umon = +10V. Bei maximalem negativen
Fehler 0V (bei einem Sollwertsprung Usoll von +10V auf 0V) ist im Zeitpunkt t=0 Umess
noch 10V -> Uerr = -10V -> Umon = 0V.
4) Der Betrag der Regelabweichung ist interessant für Kunden, die zeitgenau wissen wollen,
wann eine bestimmte Schwelle der Regelabweichung unterschritten ist. +10V ist entweder
der maximale positive oder der maximale negative Fehler. Bei 0V ist die Regelabweichung
=0
5) Hier wird die direkt gemessene Aktorsteuerspannung (Ausgang Endstufe) ausgegeben.
Diese ist im Gegensatz zur Reglerausgangsspannung im Punkt 2 (Eingang Endstufe) von
der Dynamik der Endstufe und der Kapazität des Aktors abhängig. -20V...+130V
entsprechen 0V...+10V Monitorspannung. Die Aktorspannung kann wie folgt aus der
gemessenen Monitorspannung rückgerechnet werden:
Uaktor = (Umon * 15) – 20V
6) Im Gegensatz zum geregelten Betrieb, wo der Nullpunkt der Aktordehnung auf den
Positionswert = 0V kalibriert ist, liegt die minimale Dehnung im ungeregelten Betrieb (OL)
unter 0V (siehe unten). Damit diese Position und die max. ungeregelte Dehnung im Bereich
von 0...+10V dargestellt werden kann, wird der Positionswert halbiert und um +2,5V
angehoben. Der ungeregelte Positionswert kann wie folgt aus der gemessenen
Monitorspannung rückgerechnet werden:
Umes(OL) = (Umon – 2,5V) * 2
geregelt
Upos (0)
ungeregelt
Upos Original
ungeregelt
Upos scaliert (6)
Umon
Umon
10V
10V
Aktorhub geregelt
Aktorhub ungeregelt
Aktorhub scaliert
0V
0V
Abbildung 3: Skalierung Umes
Werksseitig ist der Monitorausgang auf den Positionswert des Messsystems im geregelten
Betrieb eingestellt (Pkt. 0).
Geschäftsführer: Dr. Bernt Götz • Telefon 03641/66880 • Fax 03641/668866 • www.piezosystem.com
16
8.3.3 Anschlussbelegungen
ANALOG: 9pol. D-Sub Buchse
Pin
Bezeichnung
Beschreibung
1
MON+
Monitorausgang 0 ... +10V
2
MON-
Signalmasse
4
MOD+
Modulationseingang 0 ... +10V
5
MOD-
Signalmasse
7
TRG+
Triggerausgang (low-aktiv)
8
TRG-
Digitalmasse für Trigger
Tabelle 3: Pinbelegung
PIEZO: 15pol. D-Sub Stecker
Pin
Bezeichnung
Beschreibung
1,2,11
AGND
Analogmasse
3
+15V *
Betriebsspannung Messsystem +15V
4,14
GND
Digitalmasse
5
SDA
I²C Bus SDA
6
5Veeprom *
Betriebsspannung ID-Chip
7
Vout2
Aktorsteuerspannung 2 +130 ... -20V für nanoXTM
8
Vout
Aktorsteuerspannung -20 ... +130V
9
+MESS
Positionssignal -8 ... +8V
10
-15V *
Betriebsspannung Messsystem -15V
12
SCL
I²C Bus SCL
13
DETECT
Aktordetektor
15
Piezomasse
Aktormasse
Tabelle 4: Pinbelegung
[*] nicht für externen Gebrauch
Über den 15pol. D-Sub Stecker wird der Aktor angeschlossen. Es gehen gleichzeitig die
Steuerspannung zum Piezoaktor, das vom integrierten Messsystem generierte Positionssignal
zum digitalen Regler und die im ID-Chip des Aktors gespeicherten spezifischen Kennwerte seriell
zum Steuerprozessor. Wichtig ist, dass die Verriegelungsschrauben der D-Sub Griffschale an der
Frontplatte angeschraubt sind. Sowohl die gefährlichen Spannungen als auch die übrigen
Versorgungsspannungen werden nur bei angestecktem Aktorstecker freigeschalten. Bei
abgezogenem Steckverbinder werden die gefährlichen Spannungen durch ein Sicherheitsrelais
von der Quelle getrennt.
Geschäftsführer: Dr. Bernt Götz • Telefon 03641/66880 • Fax 03641/668866 • www.piezosystem.com
17
8.4
Kommunikation und Befehlssatz
8.4.1 Kommunikation
Die Kommunikation mit dem 30DVxxx kann über den PC mit Hilfe eines beliebigen
Terminalprogramms (z.B. Hyperterminal „hypertrm.exe“) hergestellt werden. Notwendig ist ein
serielles Verbindungskabel 1:1 (mitgeliefert) zwischen der COM Schnittstelle des PC und der 9pol.
D-Sub Buchse des Verstärkers. Die Eigenschaften der Verbindung sind wie folgt: 115200 Baud, 8
bit, keine Parität, 1 Stoppbit, Flusssteuerung Software (XON/XOFF):
Abbildung 4: Terminal-Einstellungen
In den Eigenschaften der Verbindung sollte noch das Häkchen bei Eingegebene Zeichen lokal
ausgeben im Menü ASCII-Konfiguration vorgenommen werden.
Abbildung 5: Terminal-Einstellungen
Geschäftsführer: Dr. Bernt Götz • Telefon 03641/66880 • Fax 03641/668866 • www.piezosystem.com
18
Wird nun der Verstärker eingeschalten, wird im Terminalfenster die Versionsnummer der Firmware
AP Vx.xx ausgegeben. Damit ist die Kommunikation hergestellt. Die Befehlseingabe und die
Rückmeldungen erfolgen im ASCII-Code, sind also einfach einzugeben bzw. zu lesen.
8.4.2 Befehlssatz
Globale Befehle:
Befehl
dprpon
dprpof
dprson
dprsof
<Befehl> Enter
Beschreibung
schaltet die zyklische Ausgabe der aktuellen Position des Aktors ein *1
schaltet die zyklische Ausgabe der aktuellen Position des Aktors aus
schaltet die automatische Ausgabe des Status bei Statusänderung des
Verstärkers ein
schaltet die automatische Ausgabe des Status bei Statusänderung des
Verstärkers aus
Tabelle 5: globale Befehle
Befehle ohne Werteingabe (Abfragen):
<Befehl> Enter
Befehl
Beschreibung
s
zeigt alle verfügbaren Befehle an
stat
zeigt den Inhalt des Statusregisters an (siehe Seite 23)
mess
Positionswertabfrage [µm bzw. mrad] *1
ktemp
Temperaturabfrage Verstärker [°C]
rohm
Betriebszeit des Aktors seit Auslieferung [min]
rgver
gibt die Versionsnummer des Digitalreglers aus
Tabelle 6: Abfragen
Befehle mit Werteingabe: <Befehl>,<Wert> Enter
Befehl
fan
setf
setg
fenable
fbreak
set
sr
Beschreibung
schaltet Lüfter ein/aus
Wertebereich
0 = ausgeschaltet
1 =eingeschaltet
schaltet das Ausgabeformat für den 0= drei Nachkommastellen
Messwert (mess) um
1= wissenschaftliches Format
schaltet das Ausgabeformat für alle 0= fünf Nachkommastellen
1= wissenschaftliches Format
Gleitkommazahlen (außer mess) um
Aktorformatierung (Softstart) nach 0= Aktorformatierung deaktiviert
1= Aktorformatierung aktiv
dem Einschalten aktivieren
Abbruch der Aktorformatierung
Wertevorgabe:
Aktorspannung
-20...130.000 [V]
(ol)
0...xxx.xxx [μm] (Maximalhub des Aktors
Dehnung (cl)
siehe Datenblatt Aktor)
Anstiegsgeschwindigkeit
0.0000002...500.0 [V/ms], bezogen auf
Modulationsspannung (0...10V)
der Sollwertes (slew rate)
Geschäftsführer: Dr. Bernt Götz • Telefon 03641/66880 • Fax 03641/668866 • www.piezosystem.com
19
modon
monsrc
cl
kp
ki
kd
sstd
Modulationseingang
ein- / ausschalten
Monitorausgang
(0 = default)
0 = ausgeschaltet
1 = eingeschaltet
0 = Positionswert im geregelten Betrieb
1 = Sollwert
2= Reglerausgangsspannung
3 = Regelabweichung mit Vorzeichen
4 = Betrag der Regelabweichung
5 = Aktorspannung
6 = Positionswert im ungeregelten Betrieb
ungeregelt / geregelt
(open loop / closed loop)
Proportional Anteil
Integral Anteil
Differential Anteil
stellt Standardwerte des
wieder her
0 = ungeregelt
1 = geregelt
0...999.0
0...999.0
0...999.0
-
Reglers
notchon Kerbfilter ein- / ausschalten
notchf
notchb
Ipon
Kerbfilter Kerbfrequenz
Kerbfilter Bandbreite (-3dB)
Tiefpassfilter ein- / ausschalten
Ipf
Tiefpass Schnittfrequenz
gfkt
interner Frequenzgenerator
(siehe auch Tabelle 9)
gasin
gosin
gfsin
gatri
gotri
gftri
gstri
garec
gorec
gfrec
gsrec
ganoi
gonoi
gaswe
goswe
gtswe
Gen. Amplitude Sinus
Gen. Offset Sinus
Gen. Frequenz Sinus
Gen. Amplitude Dreieck
Gen. Offset Dreieck
Gen. Frequenz Dreieck
Gen. Symmetrie Dreieck
Gen. Amplitude Rechteck
Gen. Offset Rechteck
Gen. Frequenz Rechteck
Gen. Symmetrie Rechteck
Gen. Amplitude Rauschen
Gen. Offset Rauschen
Gen. Amplitude Wobbeln
Gen. Offset Wobbeln
Gen. Wobbelzeit
sct
Scan Typ
0 = ausgeschaltet
1 = eingeschaltet
0...20000 [Hz]
0...20000 (max. 2 * notch_fr) [Hz]
0 = ausgeschaltet
1 = eingeschaltet
1...20000 [Hz]
0 = ausgeschaltet
1 = Sinus
2 = Dreieck
3 = Rechteck
4 = Rauschen
5 = Wobbeln
0...100 [%]
0...100 [%]
0.1...9999.9 [Hz]
0...100 [%]
0...100 [%]
0.1...9999.9 [Hz]
0.1...99.9 [%] default = 50.0 %
0...100 [%]
0...100 [%]
0.1...9999.9 [Hz]
0.1...99.9 [%] default = 50.0 %
0...100 [%]
0...100 [%]
0...100 [%]
0...100 [%]
0.4...800 [s]
0=Scanfunktion aus
1=Sinusscan
2=Dreieckscan
Geschäftsführer: Dr. Bernt Götz • Telefon 03641/66880 • Fax 03641/668866 • www.piezosystem.com
20
ss
Start Scan
ohne Parameter: Abfrage Scanstatus
1= startet scan
trgss
Triggererzeugung Wegposition Start
trgse
Triggererzeugung Wegposition Ende
trgsi
Triggererzeugung Wegintervalle
trglen
trgedge
Länge der Triggerimpulse
Triggererzeugung Flanke
> 0,2% des Maximalhubes des Aktors [µm]
oder [mrad]
bis
< Maximalhub minus 0,2% des
Maximalhubes des Aktors [µm] oder [mrad]
> 0,2% des Maximalhubes des Aktors [µm]
oder [mrad]
bis
< Maximalhub minus 0,2% des Maximalhubes des Aktors [µm] oder [mrad]
jedoch größer als „Wegposition Start“
Triggerintervalle in [µm] oder [mrad]
größer 0,05% des Wegbereiches CL
n*20µs n=1...255
0= Triggererzeugung aus
1= Trigger nur auf steigender Flanke
2= Trigger nur auf fallender Flanke
3= Trigger auf beiden Flanken
Tabelle 7: Befehle
Note *1: Der Controller des 30DVxxx sendet zyklisch alle 500ms einen aktuellen Messwert an den
Schnittstellenpuffer. Dieser kann über die serielle Schnittstelle ausgelesen werden. Ein
häufigeres Abfragen dieses Wertes ändert die Aktualisierungsrate nicht. Bei Bewegungen
des Aktors über dieser Frequenz kommt es zu Alias-Effekten, d.h. die ausgegebenen
Werte zeigen nicht mehr den realen Signalverlauf.
Beispiel:
Ein Aktor mit 80μm Dehnung im geregelten Betrieb soll mit Rechteckfrequenz eine Sprungfunktion
im geregelten Betrieb von 20μm auf 50μm ausführen. Dabei soll er 50ms auf 20μm und 150ms auf
50μm verharren. Die Reaktion des Messsystems soll am Monitorausgang sichtbar gemacht
werden.
Befehle:
- cl,1 Enter
- gfkt,3 Enter
- gfrec,5 Enter
- garec,37.5 Enter
- gorec,25 Enter
- gsrec,25 Enter
- monsrc,0 Enter
Regelung einschalten
Frequenzgenerator auf Rechteck
Rechteckfrequenz = 1 / (50ms+150ms) = 5Hz
Rechteckamplitude = (50µm – 20µm) / 80µm * 100% = 37.5%
Rechteckamplitudenoffset = 20µm / 80µm * 100% = 25%
Symmetrie des Rechteckes = 50ms / (50ms + 150ms) * 100% = 25%
Monitorbuchse auf Positionswert setzen
Geschäftsführer: Dr. Bernt Götz • Telefon 03641/66880 • Fax 03641/668866 • www.piezosystem.com
21
8.4.3 Statusregister
Das Statusregister ist ein 16bit Register, wobei die einzelnen Bits die verschiedenen Einstellungen
des Verstärkers bzw. Aktors beschreiben. Abgefragt wird dieses Register mit dem stat Befehl. Die
Dezimalsumme der Bits ergibt den Wert des Statusregisters:
Bit
0
Binär
20
2,1
22, 21
3
4
23
24
5
6
25
26
7
27
8
11,10,9
28
211, 210, 29
12
212
13
213
14
15
214
215
Beschreibung
0 - Aktor nicht angesteckt
1 - Aktor angesteckt
0, 0 – Aktor ohne Messsystem
0, 1 – Dehnmessstreifen
1, 0 – kapazitives Messsystem
-----0 – geregeltes System
1 – ungeregeltes System
-----0 – Aktorsteuerspannung nicht freigegeben
1 – Aktorsteuerspannung freigegeben
0 – Regelung aus
1 – Regelung ein
-----0, 0, 0 – Generator aus
0, 0, 1 – Sinus ein
0, 1, 0 – Dreieck ein
0, 1, 1 – Rechteck ein
1, 0, 0 – Rauschen ein
1, 0, 1 – Wobbeln ein
0 – Kerbfilter aus
1 – Kerbfilter ein
0 – Tiefpassfilter aus
1 – Tiefpassfilter ein
-----0 – Ventilator aus
1 – Ventilator ein
Dezimal
0
1
0
2
4
-0
16
-0
64
0
128
-0
512
1024
1536
2048
2560
0
4096
0
8192
-0
32768
Tabelle 8: Statusregister
Geschäftsführer: Dr. Bernt Götz • Telefon 03641/66880 • Fax 03641/668866 • www.piezosystem.com
22
8.5 Funktionsgenerator
Der Verstärker 30DVxxx ist mit einem eigenen programmierbaren Funktionsgenerator
ausgestattet, mit dem unter anderem Scanfunktionen realisiert werden können. Die
Programmierung erfolgt über o.g. Befehle. Folgende Funktionen sind realisierbar:
Funktionstyp 0 = aus
Amplitude
Offset
Frequenz
Wobbelzeit
Symmetrie
0...100%
0...100%
0,1...9999,9Hz
0,4...800s/Dek
0,1...99,9%
Sinus
1
√
√
√
-
Dreieck
2
√
√
√
√
Rechteck
Rauschen
Wobbeln
3
4
5
√
√
√
√
√
√
√
√
√
Tabelle 9: Parameter Funktionsgenerator
f sweep
Die eingegebene Amplitude ist die SpitzeSpitze Amplitude. Die Wobbeltiefe ist fest
auf 1Hz...10kHz (4 Dekaden) eingestellt.
Dabei erhöht
sich
die
Frequenz
logarithmisch. In diesem Fall repräsentiert
der
Parameter
„Wobbelzeit“
die
Frequenzerhöhung pro Dekade.
[Hz]
10000
1000
100
10
1
1Tsw
2Tsw
3Tsw
4Tsw
t sweep
[s]
Achtung: Während des Wobbelns dürfen keine Triggersignale ausgegeben werden (trgedge =0).
Die Symmetrie eines Signals
beschreibt im Fall der Dreieckfunktion das Verhältnis von
Anstiegszeit t zu Periodenzeit T.
Damit kann zwischen schnellem
Anstieg mit langsamen Abfall
und langsamen Anstieg mit
schnellem
Abfall
variiert
werden. Im Fall der Rechteckfunktion wird das Tastverhältnis
von High-Zeit zu Periodenzeit
beschrieben.
Dreieckfunktion
Ampl.
Ampl.
[%]
Rechteckfunktion
[%]
100
100
0
20%
t2 T
t1
z.B. 90 %
t
0
20%
t1
t2
T
t
50 %
Geschäftsführer: Dr. Bernt Götz • Telefon 03641/66880 • Fax 03641/668866 • www.piezosystem.com
23
8.6 Ausgabe von Triggersignalen
Die Verwendung des Triggersignales ermöglicht es, bei Erreichen oder Überschreiten eines
vorgegebenen Wertes ein elektrisches Signal auszugeben. Die Triggerpunkte beziehen sich immer
auf den Messwert (Weg). Das Triggersignal ist Low-aktiv, d.h. eine H/L-Flanke zeigt das Erreichen
eines Triggerpunktes. Der Bereich, in dem Triggerpunkte generiert werden, wird mit trgss (untere
Position) und trgse (obere Position) bestimmt. Der Abstand der Triggerpunkte wird mit trgsi
(Intervall) bestimmt. Es ist möglich, den Trigger auf eine steigende (trgedge,1), eine fallende
(trgedge,2) oder beide Flanken (trgedge,3) zu setzen, mit trgedge,0 wird der Trigger deaktiviert.
Die Maßeinheit für trgss, trgse, trgsi ist die aktorspezifische Einheit im geregelten Betrieb (z.B. µm
oder mrad), die Länge (Dauer) der Triggerimpulse ist als ganzzahliges Vielfaches von 20µs
(Standard 1*20µs) einstellbar. Es muss darauf geachtet werden, dass sich Triggerimpulse nicht
überschneiden, dazu ist ggf. die Dauer der Impulse auf Minimum (trglen,1) zu setzen und die
Verfahrgeschwindigkeit des Aktors zu verringern.
Weiterhin muss sichergestellt werden, dass der von trgss und trgse eingegrenzte Bereich
vollständig durchlaufen wird (zuzüglich 0,2% des Gesamthubes), andernfalls werden keine
Triggerpunkte generiert, da kein Flankenwechsel erkannt wird.
Achtung: Während der Betriebsart „Wobbeln“ (sweep) keine Ausgabe von Triggersignale
einstellen (trgedge=0).
Beispiel (trgedge=1..3):
Ein Aktor hat einen geregelten Hub von 80µm, Flanke = steigend (trgedge,1) trgss,10 [µm]
trgse,30 [µm] trgsi = 5 [µm], das heißt, die Triggerpunkte liegen bei 10, 15, 20, 25, 30µm. Nach
Erreichen der Position trgss (Messwert >= 10µm) wird der Triggerimpuls gesetzt und der nächste
Triggerpunkt berechnet (15µm), der Trigger wird nach n * 20µs ausgeschalten, und es wird auf das
Erreichen der Position 15µm gewartet. Nach Erreichen dieser Position wird der Trigger wieder
gesetzt und erneut die nächste Position berechnet (20µm). Nach Erreichen von 30µm wird der
nächste Triggerpunkt auf 10µm gesetzt, der Trigger wird erst ausgelöst, wenn die Position 10µm
von "unten", d.h. aus einer Position 10µm - (0,2% von 80µm) angefahren wird.
Erweiterte Triggerfunktionen (trgedge= 4 / 5 / 7):
Die Funktion trgedge,4 gibt einen Trigger bei jeder Bewegungsumkehr aus, bei trgedge,5 ist die
Ausgabe gegenüber trgedge,4 invertiert. Es werden keine Parameter benötigt.
Abb: trgedge,4
Geschäftsführer: Dr. Bernt Götz • Telefon 03641/66880 • Fax 03641/668866 • www.piezosystem.com
24
Abb: trgedge,5
Funktion trgedge,7: es wird bei jeder Bewegungsumkehr ein kurzer Triggerimpuls der Länge
n * 20µs ausgegeben (Parameter n: trglen).
Triggerfunktion „Wandertrigger“ (trgedge,6)
Diese Funktion wird mit trgss, trgse, trgsi und trglen parametrisiert. Es wird pro Periode nur ein
Trigger ausgegeben, dieser „wandert“ bei jeder Periode um das Triggerintervall (trgsi) weiter. Nach
Erreichen des Endwertes (trgse) „wandert“ er wieder zurück.
…
trgse – n * trgsi
trgse (Endpunkt)
trgse (Endpunkt)
Trigger bei trgss + n * trgsi (n = 2)
Trigger bei trgss + n * trgsi (n = 1)
Startpunkt (trgss)
Funktionsprinzip der Flankenerkennung:
Die Flankenerkennung funktioniert wie folgt:
Bei steigender Flanke wird immer der höchste Messwert (Weg) gemerkt. Sinkt der Messwert um
mehr als 0,2% des Weges unter den gemerkten Weg, so wird eine fallende Flanke erkannt.
Danach wird immer der kleinste Messwert (Weg) gespeichert.
Steigt jetzt der Messwert um mehr als 0,2% des Weges über den gespeicherten (kleinsten) Weg,
so wird wieder eine steigende Flanke erkannt.
Dieses Funktionsprinzip bedingt, dass der von trgss und trgse begrenzte Bereich immer über seine
Grenzen hinaus durchfahren wird (mindestens um +/- 0,2% des Weges).
Geschäftsführer: Dr. Bernt Götz • Telefon 03641/66880 • Fax 03641/668866 • www.piezosystem.com
25
trgss
trgse
trgsi
trgedge
trglen
untere Triggerposition
Dieser Wert gibt die untere Position an, ab der
ein Triggersignal ausgelöst wird.
obere Triggerposition
Dieser Wert gibt die obere Position an, bis zu
der ein Triggersignal ausgelöst wird.
Triggerintervall
Dieser Wert gibt die Intervallgröße an, in der ab
dem unteren Wegwert ein Triggersignal
ausgelöst wird.
Triggerflanke
Dieser Wert gibt an, in welcher Richtung eine
Triggerschwelle passiert werden muss, um ein
Triggersignal auszulösen.
Triggerlänge
Dieser Wert bestimmt die zeitliche Länge des
Triggersignales.
[µm] bzw. [mrad]
[µm] bzw. [mrad]
[µm] bzw. [mrad]
(0 = aus, 1 = steigend, 2 = fallend,
3 = beide Flanken, 4 = steigende
Halbwelle, 5 = fallende Halbwelle,
6 = Wandertrigger)
(n * 20µs n = 1...255)
Tabelle 10: Parameter Triggerung
Hardware:
Die Triggersignale werden über die 9-polige D-Sub Buchse „ANALOG“ ausgegeben. Es werden
die Pins 7 und 8 verwendet.
Standardbestückung: TTL, Pull-up-Widerstand mit 240 Ohm
Abbildung 6: Belegung der Triggersignale auf der „ANALOG“-Buchse
Geschäftsführer: Dr. Bernt Götz • Telefon 03641/66880 • Fax 03641/668866 • www.piezosystem.com
26
8.7 Scanfunktion
Die Scanfunktion ermöglicht die Ausgabe genau einer Periode des Funktionsgenerators (Sinus
oder Dreieck). Dazu müssen zunächst die relevanten Funktionsparameter eingestellt werden
(Frequenz, Amplitude, Offset, ggf. Symmetrie). Der Funktionsgenerator braucht jedoch nicht
aktiviert zu werden (gfkt,0). Um einen Scan auszuwählen, wird der Scantyp auf Sinus (sct,1) oder
Dreieck (sct,2) gesetzt. Der Scan wird mit „ss,1“ gestartet. Während eines Scans kann der Status
abgefragt werden mit „ss<CR>“. Die Antwort „ss,2“ bedeutet der Scan läuft noch, „ss,0“ bedeutet
der Scan ist abgeschlossen. Ein laufender Scan kann mit „ss,0<CR>“ abgebrochen werden.
Beispiel:
Sinusscan mit 100% Amplitude, 0% Offset, f = 0,2Hz
gfsin,0.2 <CR>
gasin,100<CR>
gosin,0<CR>
Scan Typ: sct,1
Start Scan: ss,1
Abbildung 7: Ausgangsspannung eines Sinusscan (open loop)
Geschäftsführer: Dr. Bernt Götz • Telefon 03641/66880 • Fax 03641/668866 • www.piezosystem.com
27
Anwendung:
Die kombinierte Benutzung von Triggererzeugung und Scanfunktion erlaubt die hochgenaue
Abrasterung einer
Probe.
Durch die
Verwendung
einer
Sinusfunktion
werden
Beschleunigungskräfte (und damit Schwingungen) minimiert, durch die Triggererzeugung können
Aktionen in genau definierten Aktorpositionen ausgelöst werden.
Abbildung 8: Sinusscan mit Triggerimpulsen auf der steigenden bzw. auf beiden Flanken
Abbildung 9: Dreieckscan mit Triggerimpulsen auf der steigenden Flanke
Geschäftsführer: Dr. Bernt Götz • Telefon 03641/66880 • Fax 03641/668866 • www.piezosystem.com
28
9
Bedienung
Der Aktor wird über den „PIEZO“-Stecker an den Verstärker angeschlossen. Der digitale
Drehgeber „OFFSET“ dient der statischen Einstellung der Ausgangsspannung (OFFSET). Hiermit
kann die Ruhelage des Aktors eingestellt werden. An die „ANALOG“-Buchse kann ein externes
Modulationssignal im Bereich von 0 bis +10V angelegt werden. Damit sind persönlich generierte
Bewegungsfunktionen realisierbar. Zur Vermeidung von Schäden am Piezoelement wird
empfohlen, vor dem Ein- bzw. Ausschalten des Gerätes die Modulationsspannung abzuschalten.
Um den Verstärker digital über die RS232 zu steuern, verbinden Sie bitte Ihren PC über das
mitgelieferte serielle Kabel mit der D-Sub Buchse des Verstärkers und starten Sie das
Terminalprogramm (s. Kommunikation).
Nach dem Einschalten führt der Verstärker ca. 3 Sekunden lang einen Selbsttest durch. Dies wird
durch Blinken der UDL- und OVL- LED angezeigt. Während dieser Zeit übergibt der
angeschlossene Aktor seine im ID-Chip gespeicherten Kennwerte (DSP-Parameter) an den
Controller. Ist kein Aktor angeschlossen, blinken die LED's weiterhin.
Bei Nichtbetätigen des digitalen Drehgebers „OFFSET“ befindet sich der Aktor unterhalb des
Regelbereiches am negativsten Punkt (Pos.1) des Gesamtstellbereiches (Pos.1 bis Pos.4 s.
Abbildung 3). Wird anschließend in den geregelten Betriebsmodus durch Druck auf den digitalen
Drehgeber „Offset“ umgeschaltet, bewegt sich der Aktor auf die Nullposition des Regelbereiches
(Pos.2). Wird nun der Sollwert mittels Drehgeber, Modulationssignal oder mit dem set Befehl über
RS232 auf Maximalposition gestellt, so wird der maximale geregelte Weg (Pos.3) zurückgelegt.
Dieser Weg ist von der Spezifikation des Aktors abhängig und kann je nach Aktortyp variieren.
Abbildung 10: ungeregelt / geregelt
Die gelbe OVL-LED zeigt Übersteuerung (overload), die gelbe UDL-LED Untersteuerung
(underload) an. Diesen Fall bitte vermeiden und das Gerät sofort ausschalten, wenn die Anzeige
durch Reduzierung des Steuersignals nicht erlischt. Überprüfen Sie in jedem Fall die mechanische
Ankopplung des Aktors an die Peripherie. Es liegt möglicherweise eine mechanische Blockierung
bzw. ein Anschlag des Aktors vor. Auch eine zu starke Belastung des Antriebes (hohes Gewicht
des Anbaues) führt dazu, dass er seine vorgegebene Position nicht erreicht. Lösen Sie den Aktor
von der Peripherie. Sind die LED‘s erloschen, lag einer der o.g. Fehler vor.
Die Aktorkalibrierung entspricht einer bestimmten Einbaulage. Die Änderung der
Einbaulage ohne neue Kalibrierung kann ebenfalls zu OVL oder UDL führen. Bitte vorab die
Einbaulage angeben.
Geschäftsführer: Dr. Bernt Götz • Telefon 03641/66880 • Fax 03641/668866 • www.piezosystem.com
29
10 Reglereinstellung
Sobald ein Piezoaktor von piezosystem jena an den Verstärker 30DVxxx angesteckt ist, werden
die Aktor-spezifischen Kennwerte aus dem ID-Chip des Aktors ausgelesen. Der Digitale Signal
Prozessor (DSP) des Verstärkers wird mit diesen Parametern automatisch eingestellt. Diese
Kennwerte wurden im piezosystem jena-Labor ermittelt und gewährleisten eine sichere Funktion
des Piezoelementes.
Für Piezoaktoren ohne integriertes Messsystem gibt es keine kp-, ki- und kd- Reglerwerte, da ein
geregelter Betrieb in dieser Konfiguration nicht möglich ist. Die „closed loop“ Funktion ist
automatisch ausgeschaltet.
Um die Reglereigenschaften eines Aktors auf die spezielle Applikation anzupassen, geht man von
den voreingestellten Werten aus. Zuerst schaltet man den geregelten Betrieb durch Druck auf den
digitalen Drehgeber „OFFSET“ bzw. mit dem Befehl cl,1 ein. Man verändert schrittweise immer
einen Parameter und überprüft das Ergebnis mit dem Oszilloskop an der Monitorbuchse. Dabei ist
mit dem Befehl monsrc,6 der Monitorausgang auf Positionswert im ungeregelten Betrieb zu
stellen.
Prinzipiell ist ein Parameter in kleinen Schritten zu ändern und je nach Reaktion des Elementes die
Schrittweite zu erhöhen. Kommt es zum Aufschwingen, dann bitte sofort die Regelung durch Druck
auf den Drehgeber ausschalten und die Werteänderung rückgängig machen!
Zuerst überprüft man die Funktion des Kerbfilters. Der Kerbfilter ist werkseitig ausgestellt. Hat die
momentane Applikation ein anderes Gewicht oder sind spezielle Anbauten vorhanden, ändert sich
die Resonanzfrequenz des Gesamtsystems (größere Masse = niedrigere Resonanzfrequenz). Die
Werte des Kerbfilters sind über die Befehle notchon, notchf und notchb veränderbar.
Die Wobbelfunktion des internen Funktionsgenerators kann zur Ermittlung der Hauptresonanz
genutzt werden. Dazu stellt man mit den Befehlen gaswe, goswe und gtswe die Amplitude des
Wobbelgenerators auf 5%, die Offset auf 0% und die Wobbelzeit auf 1 (1 s/Dekade). Den
Piezoverstärker stellt man durch Druck auf den Drehgeber auf ungeregelt (OL/CL LED am
Verstärker leuchtet grün). Mit Hilfe des mitgelieferten MOD/MON-Kabels (Stecker MON) verbindet
man das Oszilloskop mit der „ANALOG“ Buchse des Verstärkers.
Am Oszilloskop sind folgende Einstellungen vorzunehmen: Speicherbetrieb, Zeitbasis = 0,5s/cm
und Eingangsspannung = 0,1V/cm.
Jetzt schaltet man mit dem Befehl gfkt,5 den Wobbelgenerator ein. Das Bild am Oszilloskop zeigt
die Übertragungsfunktion des Aktorsystems gemessen mit dem integrierten Messsystem. Bevor
die Hüllkurve ausklingt, gibt es eine Stelle, an der die Amplitude bis auf 0V zusammenbricht und
wieder ansteigt. Das ist die Kerbfrequenz (notch frequency). Bei der Resonanzfrequenz überhöht
die Hüllkurve stark. Jetzt muss die passende Frequenz mit notchf,<Wert> eingestellt werden, bis
die Kerbe an der Stelle ist, wo die Überhöhung war. Angestrebt wird, dass die Hüllkurve über das
untere Frequenzband linear verläuft, an der Resonanzstelle (Kerbfrequenz) einen Einschnitt hat,
danach wieder annähernd die Ausgangsamplitude erreicht bis sie am Ende gegen Null geht. Der
Bereich um den Einschnitt des Kerbfilters kann mit dem Wert für die Bandbreite des Kerbfilters
(Befehl notchb,<Wert>) linearisiert werden.
Nach Abschluss dieser Prozedur ist der Funktionsgenerator mit dem Befehl gfkt,0 abzuschalten.
Den richtigen ki-Wert ermittelt man wie folgt:
Man stellt den internen Funktionsgenerator auf Rechteck mit dem Befehl gfrec,1 auf 1Hz, mit
garec,50 die Amplitude auf 50% (oder entsprechend der späteren Applikation) und mit gorec,25
die Offset auf 25%. Der Monitorausgang wird mit dem Befehl monsrc,0 auf Positionswert im
geregelten Betrieb eingestellt.
Geschäftsführer: Dr. Bernt Götz • Telefon 03641/66880 • Fax 03641/668866 • www.piezosystem.com
30
Am Oszilloskop sind folgende Einstellungen vorzunehmen: Speicherbetrieb, Zeitbasis = 0,05s/cm
und Eingangsspannung = 1V/cm.
Am Verstärker ist durch Druck auf den Drehgeber der Regler einzuschalten (closed loop). Die
OL/CL-LED leuchtet gelb. Mit dem Befehl gfkt,3 schaltet man den Rechteckgenerator ein. Das Bild
am Oszilloskop zeigt die Sprungfunktion des Aktorsystems gemessen mit dem integrierten
Messsystem. Ist die Anstiegsgeschwindigkeit zu gering, kann man dies durch Erhöhung des
ki-Wertes mit dem Befehl ki,<Wert> ändern. Kommt es zur Schwingneigung kann dies durch
Erhöhung des kd-Wertes erreicht werden. Das Überschwingen nach dem Anstieg der Kurve sollte
auf <1% des Gesamtsprunges eingestellt werden.
Bei diesen Einstellungen kann es zum Aufschwingen des gesamten Systems kommen.
Sofort ist die Regelung durch Druck auf den digitalen Drehgeber auszuschalten und die
Werteänderung rückgängig zu machen! Im Zweifelsfall sind die Standardwerte neu zu laden.
Längerer Betrieb in Resonanz kann den Aktor zerstören!
Jetzt kann man versuchen, die Anstiegsgeschwindigkeit des Sollwertes mit dem Befehl sr,<Wert>
zu erhöhen, solange kein Aufschwingen bzw. größeres Überschwingen auftritt. Mit dem Filtertyp
Tiefpass (Befehle lpon, lpf) kann die Einschwingkurve beruhigt werden (lpf erniedrigen =
Einschwingen ruhiger). Jedoch vergrößert eine niedrige Tiefpassfrequenz die Zeitverzögerung
zwischen Soll- und Positionswert.
Geschäftsführer: Dr. Bernt Götz • Telefon 03641/66880 • Fax 03641/668866 • www.piezosystem.com
31
11 Fehlersuche
Bei Nicht- oder Fehlfunktion des Gerätes trotz scheinbar intakter Anzeigen kontrollieren Sie bitte
die Kabel auf Beschädigung oder Kurzschlüsse. Starke Zugbelastungen an den Steckern können
zu Unterbrechungen führen.
Fehler
Mögliche Abhilfe
UDL/OVL-LED‘s blinken
Überprüfen Sie, ob der Aktor richtig angesteckt und die
Verriegelungsschrauben des D-Sub Steckers angezogen sind.
Kontrollieren Sie bitte die Kabel auf Beschädigung oder
Kurzschlüsse.
UDL/OVL-LED‘s im
Überprüfen Sie die mechanische Ankopplung des Aktors an die
geregelten Betrieb
Peripherie. Es liegt möglicherweise eine mechanische
(closed loop) leuchten auf
Blockierung bzw. ein Anschlag des Aktors vor. Auch eine zu
starke Belastung des Antriebes führt dazu, dass er seine
vorgegebene Position nicht erreicht.
Lösen Sie den Aktor von der Peripherie. Sind die LED‘s
erloschen, lag einer der o.g. Fehler vor.
Hinweis Einbaulage: Hängenden Aufbauten bzw. Aktoren
„upside down“ können ebenfalls Probleme verursachen
Aktor schwingt bei „closed Reglereinstellungen überprüfen, ki reduzieren, kd reduzieren
loop” in Resonanzfrequenz
zurückgelesene Messwerte Schalten Sie den analogen Modulationseingang ab mit dem
differieren um festen Betrag Befehl modon,0 (siehe 8.4.2 Befehlssatz). Dieser kann eventuell
von digitaler Sollwertvorgabe Störungen oder eine Sollwert-Offset verursachen.
Aktor bewegt sich nicht trotz Schalten Sie den analogen Modulationseingang ein mit dem
analoger Modulation über Befehl modon,1 (siehe 8.4.2 Befehlssatz).
den MOD-Eingang
über die Schnittstelle
Es treten eventuell Alias-Effekte auf: wenn die Ausleserate
ausgegebene Werte
geringer ist als die halbe Arbeitsfrequenz (Untertastung), treten
entsprechen nicht dem
Alias-Effekte auf. Diese wirken sich nur auf seriellen Daten aus,
realen Signalverlauf
nicht aber auf das reale System.
Tabelle 11: Fehler
Geschäftsführer: Dr. Bernt Götz • Telefon 03641/66880 • Fax 03641/668866 • www.piezosystem.com
32
11.1 Fehlerregister
Das Fehlerregister ist ein 16bit Register, wobei die einzelnen Bits die verschiedenen Fehler beim
Betrieb des 30DVxxx beschreiben. Wenn ein Fehler auftritt, ändert sich das Fehlerregister und es
wird automatisch eine Fehlermeldung über die Schnittstelle zum Computer gesendet:
„?ERR,Kanal,error“ CR LF.
Die Dezimalsumme der Bits ergibt den error-Wert:
Bit
0
Beschreibung
I²C Fehler
1
2
Temperatur
3
OVL
4
UDL
5 – 15
Dezimal
0 – kein Fehler
0
1 – I²C Fehler
1
------0 – kein Fehler
0
1 – Temp. außerhalb des Bereiches
4
0 – kein Fehler
0
1 – Übersteuerung in CL
8
0 – kein Fehler
0
1 – Untersteuerung in CL
16
------Tabelle 12: Fehlerregister
Das Gerät wird vor der Auslieferung kalibriert. Die Aktoren mit integriertem Messsystem sind
kalibriert und besitzen zusätzlich einen ID-Chip, in dem alle aktorspezifischen Werte abgespeichert
sind. Diese werden beim Einschalten an den jeweiligen Verstärker übergeben (plug & play).
Zur Durchführung hochgenauer Verstellungen im sub-μm Bereich ist es sinnvoll, das Gerät ca.
2 Stunden vor der Messung in Betrieb zu nehmen. Erst nach dieser Zeit haben sich stabile
Temperaturverhältnisse eingestellt. Die höchste Auflösung und Genauigkeit ist mit der digitalen
Sollwertvorgabe erreichbar. Aus diesem Grund sollte der analoge Modulationseingang deaktiviert
werden, wenn dieser nicht benutzt wird.
Vorteilhaft für präzise Positionieraufgaben wirkt sich eine konstante Umgebungstemperatur aus.
Bedenken Sie, dass Temperaturänderungen von ΔT = 5K bei Stahl mit einer Länge von 20cm eine
Längenänderung von ca. 13μm hervorrufen. In unserer "Piezofibel" sind die grundlegenden
Eigenschaften von Piezoaktoren ausführlich beschrieben. Zusätzliche Informationen finden Sie in
unserem Hauptkatalog. Für weitere Informationen stehen wir Ihnen gern zur Verfügung. Das
Gerätekonzept erlaubt dem Kunden individuelle Anpassungen des Systems bezüglich der
technischen Eckwerte wie z.B. Regelparameter. Um Möglichkeiten für Ihr spezielles Problem zu
finden, kontaktieren Sie bitte unseren technischen Service.
Geschäftsführer: Dr. Bernt Götz • Telefon 03641/66880 • Fax 03641/668866 • www.piezosystem.com
33
12 Ihre Notizen
Geschäftsführer: Dr. Bernt Götz • Telefon 03641/66880 • Fax 03641/668866 • www.piezosystem.com
34
table of contents
1
2
3
4
5
6
6.1
6.2
6.3
6.4
7
8
8.1
8.2
8.2.1
8.2.2
8.3
8.3.1
8.3.2
8.3.3
8.4
8.4.1
8.4.2
8.4.3
8.5
8.6
8.7
9
10
11
11.1
12
introduction ...................................................................................................................... 36
certification of piezosystem jena ..................................................................................... 36
declaration of conformity ................................................................................................. 36
purchased part package ................................................................................................. 37
instructions for using piezo electrical elements and power supplies ............................. 37
safety instructions ........................................................................................................... 38
installation, power supply ................................................................................................ 39
operation.......................................................................................................................... 39
maintenance and inspection ........................................................................................... 40
environmental conditions ................................................................................................ 40
instructions for checking the function of the system / quick start ................................... 40
how to operate the digital amplifier series 30DVxxx ...................................................... 41
common introduction ....................................................................................................... 41
user elements / connections ........................................................................................... 41
front panel ....................................................................................................................... 41
back panel ....................................................................................................................... 42
function ............................................................................................................................ 43
technical data .................................................................................................................. 46
MOD/MON ....................................................................................................................... 47
pinning ............................................................................................................................. 48
communication & commands .......................................................................................... 49
communication via RS232 .............................................................................................. 49
commands ....................................................................................................................... 50
status register .................................................................................................................. 53
function generator ........................................................................................................... 53
Output of trigger signals .................................................................................................. 54
scan function ................................................................................................................... 57
handling ........................................................................................................................... 59
controller adjustment ....................................................................................................... 60
troubleshooting ................................................................................................................ 61
error register .................................................................................................................... 62
your notes ........................................................................................................................ 63
Geschäftsführer: Dr. Bernt Götz • Telefon 03641/66880 • Fax 03641/668866 • www.piezosystem.com
35
1
introduction
This manual describes the digital piezo amplifier series 30DVxxx from piezosystem jena. You
will also find additional information regarding piezoelectric products.
Definition: All systems from piezosystem jena such as electronics, actuators, and optical
systems are called “units”.
If you have any problems please contact the manufacturer of the system: piezosystem jena,
Stockholmer Str. 12, 07747 Jena. Phone: +49 36 41 66 88-0
2
certification of piezosystem jena
The company piezosystem jena GmbH has worked according to a DIN
EN ISO 9001 certified quality management system since 1999. Its
effectiveness is verified and proven by periodic audits by the TÜV.
This instruction manual includes important information for using piezo
actuators. Please take the time to read this information. Piezo positioning
systems are mechanical systems that offer the highest precision. Correct
handling guarantees that this precision will be maintained over a long period
of time.
3
declaration of conformity
The CE Declaration of Conformity is available on our website www.piezosystem.com.
Geschäftsführer: Dr. Bernt Götz • Telefon 03641/66880 • Fax 03641/668866 • www.piezosystem.com
36
4
purchased part package

Please check the completeness of the delivery after receiving the shipment:






piezo amplifier 30DVxxx
wide range power supply 24 V DC
RS232 cable
USB cable
instruction manual
CD-ROM with driver, software, and instruction manual
5
instructions for using piezo electrical elements and power supplies













Piezoelectric actuators from piezosystem jena are controlled by voltages up to 150 V.
These values can be quite hazardous. Therefore, read the installation instructions carefully
and ensure that only authorized personnel handle the power supply.
After transportation, piezoelectric actuators should be allowed to adapt to room temperature
for approximately 2 hours before being switched on.
Piezoelectric actuators are made from ceramic materials with and without metallic casings.
The piezo-ceramic is a relatively brittle material. This should be noted when handling
piezoelectrical actuators. All piezo elements are sensitive to bending or shock forces.
Due to the piezoelectric effect, piezo actuators can generate electrical charges by changing
the mechanical load or the temperature, or by actions such as the ones described above.
Piezoelectric actuators are able to work under high compressive forces. Only actuators with
a pre-load can be used under tensile loads (these tensile forces must be less than the preload given in the data sheet). Please note that acceleration of the ceramic material (e.g.,
caused by fall down, discharging, or high dynamic application) will occur.
After excitation of the actuators by a voltage in the upper control range, the ceramic will
move and generate an opposite high voltage after disconnection.
Heating of the ceramic material will occur during dynamic operation and is caused by
structure conditional loss processes. This may cause failure if the temperature exceeds
specified values cited below. With increasing temperature up to the Curie temperature TC,
(usual values approx. 140°C - 250°C) the piezoelectric effect disappears. We recommend
working in temperatures up to TC/2 (normally up to 80°C).
Piezoelectric actuators, such as stacks or other devices, work electrically as a capacitor.
These elements are able to store electrical energy over a long period of time (up to some
days) and the stored energy may be dangerous.
If the actuator remains connected to the drive electronics, it will be unloaded within a
second after shutdown and quickly reaches harmless voltage values.
Piezo actuators can only generate voltages by warming or cooling (caused by the
longitudinal change). The discharge potential should not be ignored due to the inner
capacitance. This effect is insignificant at usual room temperature.
Piezo actuators from piezosystem jena are adjusted and glued. Any opening of the unit
will cause misalignment or possible malfunction and will result in the loss of the guarantee..
Please only use original parts from piezosystem jena.
Please contact piezosystem jena or your local representative if there are any problems
with your actuator or power supply.
Caution! Shock forces may damage the built-in ceramic elements. Please avoid such forces,
and handle the units with care, otherwise the guarantee will be lost.
Geschäftsführer: Dr. Bernt Götz • Telefon 03641/66880 • Fax 03641/668866 • www.piezosystem.com
37
6
safety instructions
Icons:

RISK OF ELECTRIC SHOCK! Indicates that a risk of electric shock is present and the
associated warning should be observed.
CAUTION! REFER TO OPERATOR´S MANUAL – Refer to your operator’s manual for
additional information, such as important operating and maintenance instructions.
RISK OF ELECTRIC SHOCK!


Do not open the units! There are no user serviceable parts inside and opening or removing
covers may expose you to dangerous shock hazards or other risks. Refer all servicing to
qualified service personnel.
Do not spill any liquids into the cabinet or use the units near water.
CAUTION!




Allow adequate ventilation around the units so that heat can properly dissipate. Do not
block ventilated openings or place the units near a radiator, oven, or other heat sources. Do
not put anything on top of the units except those that are designed for that purpose (e.g.
actuators).
Only work with the units in a clean and dry environment! Only specially prepared units (e.g.
actuators) can work under other conditions!
Please only use original parts from piezosystem jena. piezosystem jena does not give
any warranty for damages or malfunction caused by additional parts not supplied by
piezosystem jena. Additional cables or connectors will change the calibration and other
specified data. This can change the specified properties of the units and cause them to
malfunction.
Piezo elements are sensitive systems capable of the highest positioning accuracy. They will
demonstrate their excellent properties only if they are handled correctly! Please mount them
properly at the special mounting points.
Immediately unplug your unit from the wall outlet and refer servicing to qualified service
personnel under the following conditions:




when the cords or plugs are damaged
if liquid has been spilled or objects have fallen into the unit
if the unit has been exposed to rain or water
if the unit has been dropped or the housing is damaged
Geschäftsführer: Dr. Bernt Götz • Telefon 03641/66880 • Fax 03641/668866 • www.piezosystem.com
38
6.1
installation, power supply
RISK OF ELECTRIC SHOCK




Do not insert or unplug the power plug with wet hands, as this may result in electrical
shock.
Do not install in rooms where inflammable substances are stored. If flammable substances
come into contact with electrical parts inside, it could result in fire or electrical shock.
Do not damage or modify the power cord. Also, do not place heavy objects on the power
cord, or pull on or excessively bend it, as this could cause electrical damage and result in a
fire or electrical shock.
Always grasp the plug portion when unplugging the power cord. Pulling on the power cord
may expose or snap the core wire, or otherwise damage the power cord. If the cord is
damaged, this could cause an electricity leak and result in a fire or electrical shock.
CAUTION!







6.2
Do not use accessories other than the ones provided (e.g. power cord). Only plug the
power cord into grounded power equipment and sockets.
Do not place heavy objects on any cables (e.g. power cords, sensor cables, actuator
cables, optical cables).
Do not block ventilated openings or place the units near a radiator, oven, or other heat
sources.
Plug in the power cord completely so that it cannot loosen inadvertently.
Leave sufficient space around the power plug so that it can be unplugged easily. If objects
are placed around the power plug, you will be unable to unplug it in an emergency.
Install the system so that the on/off-switch is easily accessible at all times.
The power plug is the cut-off point to the main power supply.
operation
RISK OF ELECTRIC SHOCK!


Do not open the units! There are no user serviceable parts inside and opening or removing
covers may expose you to dangerous shock hazards or other risks. Refer all servicing to
qualified service personnel.
Do not spill inflammable substances inside the voltage amplifier. If these items come into
contact with an electrical component inside the voltage amplifier, this may result in a fire or
electrical shock.
CAUTION!

If the voltage amplifier emits smoke, high heat, or unusual smells, immediately turn off the
power switch and unplug the power plug from the outlet. Then contact our technical service.
Geschäftsführer: Dr. Bernt Götz • Telefon 03641/66880 • Fax 03641/668866 • www.piezosystem.com
39
6.3
maintenance and inspection
CAUTION!


6.4
Before cleaning the exterior box of the voltage amplifier, turn off the power switch and
unplug the power plug. Failure to do so may result in a fire or electrical shock.
Clean the exterior box using a damp cloth that has been firmly wrung-out. Do not use
alcohols, benzene, paint thinner or other inflammable substances. If flammable substances
come into contact with an electrical component inside the voltage amplifier, this may result
in a fire or electrical shock.
environmental conditions
The amplifier can be used:




indoors only
at an altitude of up to 2000 m
at a temperature between: 5...35 °C
at a relative humidity between: 5...95% (non-condensing)
The recommended environmental conditions:




7
indoors only
at an altitude of up to 2000 m
at a temperature between: 20...22 °C
at a relative humidity between: 5...80% (non-condensing)
instructions for checking the function of the system / quick start
When you open the package, please check to make sure all the necessary parts are included
(see packing list) and nothing is damaged. Check the electronics and the actuator for any
visible damage:
















The top and bottom plates of the actuator (if it does not have another shape) should be
parallel each to each other and not have any scratches.
If there is any damage to the system please contact our local representative immediately!
If the packaging material is damaged please confirm this with the shipping company.
Ensure that the main voltage supplied in your country is the same as the one installed in the
system (Check the voltage label on the backside of the power supply).
The power switch should be in the off position.
Connect the power supply.
Connect the piezo actuator by using the D-SUB 15pin connector. Be sure the cables are
connected properly to the electronics.
Turn the system on by using the POWER switch on the Front panel. The green
“READY” LED indicates that the power supply is working. It is followed by a short self test.
The yellow LED’s ”OVL” and “UDL” will blink. The green “OL/CL” LED shines permanently.
If there is an actuator plugged into the D-SUB 15pin and the amplifiers are working, the
LED's will switch off after about 3 seconds.
Switch on closed loop by pressing on the encoder knob. The OL/CL LED will shine yellow.
Turn the knob to the left until the minimum position (0 µm) is reached and switch off the
closed loop.
Now you can set the position with the “OFFSET” encoder knob.
If the UDL/OVL-LED lights up there is an error. In this case please read the chapter on
troubleshooting. Please switch off the device.
The function check is complete.
Geschäftsführer: Dr. Bernt Götz • Telefon 03641/66880 • Fax 03641/668866 • www.piezosystem.com
40
8
how to operate the digital amplifier series 30DVxxx
8.1
common introduction
Our line of digital piezo amplifiers d-Drive from piezosystem jena has now been expanded with
the addition of the OEM amplifier series 30DVxxx including 30DV50 with 50mA output current
and 30DV300 with 300mA output current. These amplifiers are designed for use as a single unit
in industrial settings. It is compact, robust, and mountable in different manners and is highly
reliable. The 30DVxxx was designed for universal use with a wide main supply voltage from
10V to 30V DC. The casing is available in a screw slot version, or for mounting in a 19” rack
mount casing.
Piezo actuators can be controlled in three different ways, either by using the encoder knob on
the front panel, by analog signal ranging from 0 to +10V, or by PC-Interface RS232. The best
results for resolution and accuracy can only be achieved by setting the digital target values. The
high performance of the 30DVxxx with 20bit effective resolution guarantees the customer high
speed positioning, with the highest accuracy available. It includes rise time optimization and an
active oscillation damping for every special application.
The 30DVxxx comes with an auto calibration routine and automatic sensor identification (ASI).
All values of the actuating system, like capacitance, measurement system, resonant frequency,
and motion, are automatically stored in the amplifier. An automatic amplifier optimization occurs
after actuator identification. All this makes our system configuration very easy and saves our
customers a lot of time.
A unique feature of the 30DVxxx is that it can be used in combination with strain gauge or
capacitive feedback sensors without additional modification. The DSP (digital signal processor)
runs at 64 MHz, and at a sampling rate of only 20 µsec. We have also implemented adjustable
features such as slew rate, notch filter, and pass filters. A built-in function generator offers sine,
triangular, and square functions, as well as noise and sweep.
All operating elements are usable from the front side. The PC-interface on the back side allows
wiring in switch cabinets. Extension cables for great distances are available.
8.2
user elements / connections
8.2.1 front panel
connector
analog I/O
Underload
Overload
connector
actuator
Open Loop /
Closed Loop
Offset
Error
indicator
power
switch
on / off
Geschäftsführer: Dr. Bernt Götz • Telefon 03641/66880 • Fax 03641/668866 • www.piezosystem.com
41
8.2.2 back panel
fan
temperature
controlled
Main supply
voltage
RS232 interface
Geschäftsführer: Dr. Bernt Götz • Telefon 03641/66880 • Fax 03641/668866 • www.piezosystem.com
42
Monitor
Modulation
ANALOG
OFFSET
ADC
16 bit
VCC
UDL
Slew Rate
Position
+
+
Control
Function
Generator
Low Pass
DSP 32 bit
SPI Bus
Amplifier 30DV50
16
16
OVL
Processor
Mitsubishi
16 bit
ON
OL/CL
+
D-Term
I-Term
P-Term
OL
CL
Notch
16
DAC
16 bit
HVout
I2 C Bus
Power
Amplifier
CAN Bus
Aktuator
Sensor ID Chip
Sensor
Amplifier
Actuator ID
HVout
Position
PIEZO
Digital I/O
VCC
+165V
-30V
Back Plane
8.3
function
The following sketch shows the function groups of the amplifier:
sketch 1: function groups of the amplifiers
Geschäftsführer: Dr. Bernt Götz • Telefon 03641/66880 • Fax 03641/668866 • www.piezosystem.com
43
The command for the controller consists of the analog signal applied to the MOD input, the
digital value given by the encoder “OFFSET” and the digital value from the RS232 interface.
The slew rate of the amplifier can be adapted to your system using the "slew rate" limiter or the
4th order low pass filter, i.e. frequencies, which might stimulate resonances, can be suppressed
before they interfere with the closed loop. The slew rate of this set value is adjustable.
The PID-controller calculates the difference (err) between this input (com) and the value from
the measurement system (mes).
err = com – mes
com = command
mes = position signal
The proportional term (kp) amplifies the control deviation without reducing frequency and drives
the controller until the difference between the sensed motion and the command:
yp = kp * err
kp = adjustable gain
yp = output of p-term
The P-controller can’t eliminate the error completely, because it needs a deviation to drive. To
minimize the permanent offset of the P-term an integral action (I-term) is required. Ts is the time
constant governing the time it takes for the output to get a certain value. For a step input it is the
time taken for the output to equal the input.
yi = yi + ki * err * Ts
Ts = 1 / sample frequency (50 kHz)
1/ki = time constant
yi = output of i-term
In general, the differential term combats oscillation (it adds damping) and increases the reaction
speed of the PI–controller:
yd = kd * 1/Ts * (err – err[n-1]) err[n-1] = control deviation previous sample
kd = differential time constant
yd = output of d-term
Be careful when using the d-term, because stochastic errors, like noise, cause extreme
reactions. The addition of these 3 terms generates a PID–controller. The output of the controller
is the set value for the power amplifier to drive the piezo actuator:
y = yp + yi + yd
y = output of PID-controller
In open loop mode, the PID-controller is bridged and the command input controls the amplifier.
Using a subsequent steep notch filter the main resonant frequency will be damped by another
order of magnitude. While using open loop you can also switch on the notch filter to reduce the
stimulation of the resonant frequency.
The PID-specific parameters kp, ki, and kd are stored in the actuator’s ID-chip by default. These
parameters will work for most applications. Depending on your special application and load, the
mechanical response can be optimized.
Geschäftsführer: Dr. Bernt Götz • Telefon 03641/66880 • Fax 03641/668866 • www.piezosystem.com
44
The following sketch describes the step response of the different terms:
sketch 2: transfer function
When using a notch filter, the main resonant frequency will be damped by another order of
magnitude. While using open loop you can also switch on the notch filter to reduce stimulation
of the resonant frequency. Using the notch filter might increase noise.
The PID-specific parameters kp, ki, and kd are stored in the actuator’s ID-chip by default. These
parameters will work for most applications. Depending on your special application and load, the
mechanical response can be optimized.
Geschäftsführer: Dr. Bernt Götz • Telefon 03641/66880 • Fax 03641/668866 • www.piezosystem.com
45
8.3.1 technical data
30DV50
30DV300
Input voltage:
10 – 30 VDC
Power supply connector:
low voltage socket with 2.1mm-pin
Input current:
max. 2.5A @ 10V
max. 1.0A @ 30V
max. 5.5A @ 10V
max. 2.5A @ 30V
Power consumption:
max. 30W
max. 55W
Output power:
7.5W (max. 15W for nanoXTM max. 45W
actuators)
Output voltages:
-20V...+130V
+130V...-20V for nanoXTM actuators
Output current (constant
current):
50mA permanently
(2x 50mA for nanoXTM
actuators)
Output noise:
<0.3mVRMS @ 500Hz
Actuator / measurement
connector „PIEZO“:
15pin D-Sub plug
Monitor output:
0...+10V (programmable signal source)
Monitor output impedance:
1kΩ
Modulation input:
0...+10V (disconnectable)
Modulation input impedance:
25kΩ
Trigger output (low-active)
5V/0V with pull-up-drain resistor 240Ω
MOD - MON connector
„ANALOG“:
9pin D-Sub socket
Offset voltage:
-20V...+130V via encoder
Safety functions:
short circuit proof, temperature fuse
Display (LED):
green / yellow
green = in operation / open loop
yellow = closed loop
OVL (yellow) = overload
UDL (yellow) = underload
Interface
RS232
Interface connector
9pin D-Sub socket
Cooling
Fan, temperature controlled
Dimensions (W H D):
(130 x 86 x 230) mm
Weight:
3.8 lbs
300mA permanently
(2x 150mA for nanoXTM
actuators)
4 lbs
table 1: technical data
Geschäftsführer: Dr. Bernt Götz • Telefon 03641/66880 • Fax 03641/668866 • www.piezosystem.com
46
8.3.2 MOD/MON
modulation input: MOD
The motion of the actuator can be remotely controlled using this input. The control signal must
range between 0V and +10V. There is an internal addition of the MOD signal, the adjusted encoder
“OFFSET”, and the present digital value. To prevent external signals from influencing any
parameter, please switch off the analog modulation input when it’s not used (modon, x, 0 see
8.4.2). In function generator mode, the modulation input is permanently switched off.
monitor output: MON
With a special command many different signals can be shown. The voltage range between 0 and
+10 V is available at this socket and can be monitored by using an oscilloscope. Pay attention to
the inner resistance of the monitor output.
command
monsrc,<value>
description
value
monitor output
(default = 0)
0 = position value in closed loop
1 = reference input
2 = PID-command voltage
3 = closed loop deviation incl. sign
4 = closed loop deviation absolute
5 = actuator voltage
6 = position value in open loop
table 2: monitor
0) position voltage in closed loop, it means an actuator with 80 μm in closed loop generates
0...+10V (= 8 μm/V or 0.125 V/μm)
1) the reference input, sum of the analog signal applied to the MOD input, the digital value by
the
encoder
“OFFSET”
and
the
digital
value
from
the
EDS2
via
CAN-Bus
2) output of the controller, set value for the power amplifier
3) closed loop control deviation including sign: the value can be positive or negative:
Uerr = Ucom – Umes
Ucom = 0...+10V
Umes = 0...+10V
Uerr = -10V...+10V
To generate an output of 0...+10V the control deviation is divided by 2 and +5 V is added. To
calculate the control deviation back from the measured monitor voltage, take the following
formula:
Uerr = (Umon – 5V) * 2
Uerr = -10V...+10V
Umon = 0...+10V
If the controller is properly adjusted the value is +5 V.
Geschäftsführer: Dr. Bernt Götz • Telefon 03641/66880 • Fax 03641/668866 • www.piezosystem.com
47
4) absolute closed loop control deviation:
|Uerr| = Ucom – Umes
|Uerr| = 0...+10V
5) the actuator voltage -20V...+130V converts to 0...+10V; to calculate the actuator voltage
back from the measured monitor voltage, take the following formula:
Uactuator = (Umon * 15) – 20V
6) The position voltage in open loop (OL) is greater than in closed loop. The monitor voltage
would be smaller than 0V and greater than +10V. The value gets adjusted. To calculate the
open loop position voltage back from the measured monitor voltage, use the following
formula:
Umes(OL) = (Umon – 2.5V) * 2
The default setting is the position value in closed loop (see No. 0).
closed loop
Upos (0)
open loop
Upos source
open loop
Upos fitted (6)
Umon
Umon
+10V
+10V
actuator displacement
open loop
actuator displacement
closed loop
actuator displacement
fitted
0V
0V
sketch 3: monitor output
8.3.3 pinning
ANALOG: socket 9pin D-Sub
pin
designation
description
1
MON+
monitor output 0...+10V
2
MON-
signal ground
4
MOD+
modulation input 0...+10V
5
MOD-
signal ground
7
TRG+
trigger output (low-active)
8
TRG-
digital ground trigger
table 3: pinning
Geschäftsführer: Dr. Bernt Götz • Telefon 03641/66880 • Fax 03641/668866 • www.piezosystem.com
48
PIEZO: plug 15pin SUB-D
pin
designation
description
1,2,11
AGND
analog ground
3
+15V *
operating voltage measurement +15V
4,14
GND
digital ground
5
SDA
I²C-Bus SDA
6
5Veeprom *
operating voltage ID-Chip
7
Vout2
actuator voltage 2 +130...-20V for nanoXTM
8
Vout
actuator voltage -20...+130V
9
+MESS
position signal -8...+8V
10
-15V *
operating voltage measurement -15V
12
SCL
I²C-Bus SCL
13
DETECT
actuator detection
15
Piezomasse
actuator ground
[*] Not for external use
table 4: pinning
The actuator is connected to this plug. The actuator voltage goes to the piezo, the position signal
from the measurement system goes to the DSP, and the integrated actuator information is stored
on an ID-chip which goes to the main controller. It is important that the locking screws are screwed
into the front panel.
8.4
communication & commands
8.4.1 communication via RS232
The 30DVxxx can easily communicate with your PC with the use of a terminal program such as
hypertrm.exe (please refer to the manual of your operating system). A serial connection cable
(included) is required to connect to your computer. The properties of the COM port are: 115200
baud, 8 bit, no parity, 1 stop bit, software handshake (XON / XOFF).
Geschäftsführer: Dr. Bernt Götz • Telefon 03641/66880 • Fax 03641/668866 • www.piezosystem.com
49
8.4.2 commands
global commands: <command> Enter
command
dprpon
dprpof
dprson
dprsof
description
switch on the cyclic output of the current actuator position value *1
switch off the cyclic output of the current actuator position value
switch on the automatic output of the status register when status
of amplifier is changed
switch off the automatic output of the status register when status
of amplifier is changed
table 5: commands
commands without values: <command> Enter
command
description
s
shows all available commands
stat
request content of status register (see status register)
mess
position value request [µm or mrad] *1
ktemp
amplifier temperature value [degree Celsius]
rohm
operation time of actuator since shipping [minutes]
rgver
version number of loop-controller request
table 6: commands without values
commands with values: <command>,<value> Enter
command description
fan
switches the fan on/off
setf
fenable
set the output format of measurement
value (mess)
set the output format of all floating
point values except “mess”
enables the actuator soft start
fbreak
aborts the actuator soft start
set
command value: actuator voltage (ol)
displacement (cl)
sr
slew rate
modon
modulation input
MOD plug
setg
value
0 = off
1 = on
0= three decimal places
1= scientific format
0= three decimal places
1= scientific format
0= soft start disabled
1= soft start enabled
-20 to +130.000 [V]
0 to xxx.xxx [μm] (maximum actuator
displacement, see datasheet)
0.0000002 to 500.0 [V/ms], attributed to
the modulation voltage (0 to +10V)
0 = off
1 = on
Geschäftsführer: Dr. Bernt Götz • Telefon 03641/66880 • Fax 03641/668866 • www.piezosystem.com
50
monsrc
monitor output
(0 = default)
0 = position in closed loop
1 = command value
2 = controller output voltage
3 = closed loop deviation incl. sign
4 = absolute closed loop deviation
5 = actuator voltage
6 = position in open loop
cl
open loop / closed loop
kp
ki
kd
sstd
proportional term
integral term
differential term
set default values
0 = open loop
1 = closed loop
0 to 999.0
0 to 999.0
0 to 999.0
------
notchon
notch filter
notchf
notchb
Ipon
notch filter frequency
bandwidth (-3dB)
low pass filter
Ipf
low pass cut frequency
gfkt
internal function generator
(see table 12)
gasin
gosin
gtswe
generator amplitude sine
amplitude offset sine
generator frequency sine
generator amplitude triangle
amplitude offset triangle
generator frequency triangle
symmetry of triangle
generator amplitude rect.
amplitude offset rectangle
generator frequency rectangle
symmetry of rectangle
generator amplitude noise
amplitude offset noise
generator amplitude sweep
amplitude offset sweep
generator sweep time
sct
scan type
ss
start scan
gfsin
gatri
gotri
gftri
gstri
garec
gorec
gfrec
gsrec
ganoi
gonoi
gaswe
goswe
0 = off
1 = on
0 to 20000 [Hz]
0 to 20000 (max. 2 * notch_fr) [Hz]
0 = off
1 = on
1 to 20000 [Hz]
0 = off
1 = sine
2 = triangle
3 = rectangle
4 = noise
5 = sweep
0 to 100 [%]
0 to 100 [%]
0.1 to 9999.9 [Hz]
0 to 100 [%]
0 to 100 [%]
0.1 to 9999.9 [Hz]
0.1 to 99.9 [%]
default = 50 %
0 to 100 [%]
0 to 100 [%]
0.1 to 9999.9 [Hz]
0.1 to 99.9 [%]
default = 50 %
0 to 100 [%]
0 to 100 [%]
0 to 100 [%]
0 to 100 [%]
0.4 to 800 [sec/decade]
0 = scan function off
1 = sine scan
2 = triangle scan
without value: request scan state
1 = starts scan
Geschäftsführer: Dr. Bernt Götz • Telefon 03641/66880 • Fax 03641/668866 • www.piezosystem.com
51
trgss
trigger generation stroke position start
trgse
trigger generation stroke position end
trgsi
trigger generation position intervals
trglen
trgedge
duration of trigger impulses
trigger generation edge
minimum: >0.2% of total stoke to
maximum: total stroke minus 0.2% of total
stroke [µm] or [mrad]
minimum: >0.2% of total stoke to
maximum: total stroke minus 0.2% of total
stroke [µm] or [mrad],
always keep: trgse > trgss !
>0.05% of total stroke in closed loop
[µm] or [mrad]
n * 20µs n=1...255
0= trigger generation off
1= trigger generation at rising edge
2= trigger generation falling edge
3= trigger generation at both edges
table 7: commands with values
Note *1: The controller cyclically transfers the newly measured value to the signal buffer of the
interface every 500 milliseconds. This value can then be read out via the interface.
Subsequent increasing of the query sequence for this value does not increase the
refreshing rate. If the piezoelectric actuator moves with higher frequencies, aliasing occurs.
In this case the displayed values no longer correspond with the actual motion value!
Example:
An actuator with 80µm displacement in closed loop should take a swing in rectangle mode from
20µm to 50µm. It should stay 50ms on 20µm and 150ms on 50µm. The reaction of the
measurement system is connected to the monitor output.
commands:
- cl,1 Enter
- gfkt,3 Enter
- gfrec,5 Enter
- garec,37.5 Enter
- gorec,25 Enter
- gsrec,25 Enter
- monsrc,0 Enter
switch on closed loop
generator function rectangle
frequency rectangle = 1 / (50ms + 150ms) = 5Hz
amplitude rectangle = (50µm – 20µm) / 80µm * 100% = 37.5%
offset rectangle = 20µm / 80µm * 100% = 25%
symmetry rectangle = 50ms / (50ms + 150ms) * 100% = 25%
set monitor source to position value in closed loop
Geschäftsführer: Dr. Bernt Götz • Telefon 03641/66880 • Fax 03641/668866 • www.piezosystem.com
52
8.4.3 status register
The status register is a 16bit register, in which each bit describes different properties of the
amplifier or actuator. The decimal sum of all bits is the value of the status register:
bit
binary
20
0
2,1
22, 21
3
4
23
24
5
6
25
26
7
27
8
11,10,9
28
2 , 210, 29
12
212
13
213
14
15
214
215
8.5
11
description
0 – actuator not plugged
1 – actuator plugged
0, 0 – actuator without measuring system
0, 1 – strain gauge measuring system
1, 0 – capacitive measuring system
-----0 – closed loop system
1 – open loop system
-----0 – piezo voltage not enabled
1 – piezo voltage enabled
0 – open loop
1 – closed loop
-----0, 0, 0 – generator off
0, 0, 1 – sine on
0, 1, 0 – triangle on
0, 1, 1 – rectangle on
1, 0, 0 – noise on
1, 0, 1 – sweep on
0 – notch filter off
1 – notch filter on
0 – low pass filter off
1 – low pass filter on
-----0 – fan off
1 – fan on
decimal
0
1
0
2
4
-0
16
-0
64
0
128
-0
512
1024
1536
2048
2560
0
4096
0
8192
-0
32768
table 8: status register
function generator
The 30DVxxx amplifier contains its own function generator, which is capable of performing multiple
functions. The function generator can be programmed by using the commands mentioned above.
The following functions can be executed:
function type
0 = off
amplitude 0 to 100%
offset 0 to 100%
frequency
0.1 to 9999.9Hz
sweep time
0.4 to 800sec/dec
duty cycle 0.1 to 99.9%
Sine
1
√
√
√
Triangle
2
√
√
√
Rectangle
3
√
√
√
Noise
4
√
√
-
Sweep
5
√
√
-
-
-
-
-
√
-
√
√
table 9: functions and their parameters
Geschäftsführer: Dr. Bernt Götz • Telefon 03641/66880 • Fax 03641/668866 • www.piezosystem.com
53
f sweep
The amplitude that has been
selected is the peak to peak value.
The sweep depth is fixed by 1Hz
to 10kHz (4 decades). In the
meantime,
the
frequency
increases
logarithmically.This
case represents the "sweep"
parameter of the increasing
frequency per decade.
[Hz]
10000
1000
100
10
1
1Tsw
2Tsw
3Tsw
4Tsw
t sweep
[s]
The symmetry of a signal
describes, in the case of the
triangular function, the ratio of
rise time t to time period T.
Based on this, a variation can
be introduced between a fast
increase and a slow decrease
as well as a slow increase
and a fast decrease of the
function.
By using
the
rectangular function, the duty
cycle of high signal in relation
to time of a period is
described.
function
Dreieckfunktion
Ampl. triangle
function
Ampl. rectangle
Rechteckfunktion
[%]
[%]
100
100
0
20%
t2 T
t1
t
0
20%
z.B. 90 %
t1
t2
T
t
50 %
Caution: Do not activate the trigger function in sweep mode (trgedge = 0).
8.6
Output of trigger signals
Using trigger signals allows us to get an electrical signal when a position is reached or crossed.
The trigger points refer to the measured value (stroke or tilt). The trigger is low-active, i.e. a
high/low edge shows that you have reached a trigger point.
The active stroke/tilt-range for trigger generation is given by “trgss” (start (lower) position) and
“trgse” (end (upper) position). The interval between the trigger points is given by “trgsi”. It is
possible to get trigger signals at the rising edge (trgedge,1), the falling edge (trgedge,2) or both
edges (trgedge,3).
To disable the trigger generation set trgedge,0. The measurement unit for trgss, trgse, trgsi is the
actuator specific unit (e.g. µm or mrad), the length of a trigger signal can be set to multiples of
20µs (standard is 1 * 20µs).
Take care that is there no overlap between two trigger impulses. In this case, you must minimize
the length of the impulses (trglen,1) or decrease the movement speed of the actuator.
Furthermore, you must be sure that the trigger range (between trgss and trgse) passes through
plus 0.2% of the total stroke, otherwise no trigger will be generated because no change between
rising and falling edge will be detected.
Caution: Do not activate the trigger function in sweep mode.
Geschäftsführer: Dr. Bernt Götz • Telefon 03641/66880 • Fax 03641/668866 • www.piezosystem.com
54
Example (trgedge = 1...3):
An actuator with a closed loop stroke of 80µm is used as follows: rising edge (trgedge,1), start
point 10µm (trgss,10) end point (trgse,30) and interval 5µm (trgsi,5), i.e. trigger points are at 10,
15, 20, 25, 30µm. After reaching position 10µm (from a lower position; rising edge!) the trigger is
set and the next trigger point will be calculated (15µm), the trigger output will be reset after
n * 20µs (trglen,n) and the trigger function is waiting to reach the next trigger position (15µm) and
so on. After reaching the 30µm position, the next Trigger position is set to 10µm, the trigger
impulse will be generated when the 10µm position is reached from a lower position than 10µm
(rising edge).
Extended trigger functions (trgedge = 4 / 5 / 7):
The function trgedge,4 triggers at any change of moving direction, with trgedge,5 the output is
inverted to trgdge,4. No parameters will needed.
Abb: trgedge,4
Abb: trgedge,5
Function trgedge,7: at any change of moving direction a trigger with length n * 20µs appears
(parameter n: trglen).
Trigger function „moving trigger“ (trgedge,6)
This function is parameterized by trgss, trgse, trgsi und trglen. On each period, only one trigger
appears, the trigger point “moves” at every period by its increment (trgsi). After reaching the end
position (trgse) the trigger point “moves” backward.
Geschäftsführer: Dr. Bernt Götz • Telefon 03641/66880 • Fax 03641/668866 • www.piezosystem.com
55
…
trgse – n * trgsi
trgse (end point)
trgse (end point)
trigger at trgss + n * trgsi (n = 2)
trigger at trgss + n * trgsi (n = 1)
start point (trgss)
The recognition of edges works as follows:
During the rising edge, the highest measurement value (position) will be stored. If there is a
decrease in the measurement value of more than 0.2% (of total stroke) under the stored value, a
falling edge will be recognized. During the falling edge, the lowest measurement value (position)
will be stored.
If there is an increase in the measurement value of more than 0.2% (of total stroke) over the stored
value, a rising edge will be recognized.
This principle depends on whether or not trgss and trgse are bordered by a working area that
crosses at least 0.2% (of total stroke) out of the borders.
trgss
lower trigger position
this is the lowest value where a trigger signal is
generated
trgse
upper trigger position
this is the highest value where a trigger signal is
generated
trgsi
trgedge
unit µm or mrad
unit µm or mrad
trigger interval
this is the distance between the trigger points
unit µm or mrad
trigger edge
0: trigger disabled
this value depends on which direction the trigger
point must be reached for trigger generation
1: trigger at rising edge
2: trigger at falling edge
3: trigger at both edges
trglen
trigger length
this values depends on the duration of a trigger
impulse
(n * 20µs n = 1…255)
table 10: commands for trigger generation
Geschäftsführer: Dr. Bernt Götz • Telefon 03641/66880 • Fax 03641/668866 • www.piezosystem.com
56
Hardware:
The output for trigger signals is the 9-pin D-Sub connector “ANALOG”.
The pin 7 (trigger out) and pin 8 (ground) are used.
sketch 4: internal circuit
8.7
scan function
The scan allows the output of exactly one period of the function generator (sine or triangle). This
will require that the relevant functional parameters be set (frequency, amplitude, offset, or
symmetry). The function generator does not need to be activated (gfkt,0). To select a scan, set the
scan type to sine (sct,1) or triangle (sct,2).
The scan starts with “ss,1”. During a scan, the status can be requested with "ss<CR>". The answer
“ss,2” means the scan is still running, “ss,0” indicates the scan is complete. A running scan can be
aborted by setting the status to zero (ss,0<CR>).
Geschäftsführer: Dr. Bernt Götz • Telefon 03641/66880 • Fax 03641/668866 • www.piezosystem.com
57
Example:
scan sine , 100% amplitude, 0% offset, frequency = 0,2Hz
gfsin,0.2<CR>
gasin,100<CR>
gosin,0<CR>
scan type: sct,1
start scan: ss,1
sketch 5: output voltage of a sine scan (open loop)
Application:
The combined use of trigger generation and scan function permits a highly exact scan of a probe.
Acceleration forces (and with it oscillations) are minimized by using a sine function, and actions
can be initiated by the trigger generation at exactly defined actuator positions.
sketch 6: sine scan with trigger impulses at rising / both edges
sketch 7: triangle scan with trigger impulses at the rising edge
Geschäftsführer: Dr. Bernt Götz • Telefon 03641/66880 • Fax 03641/668866 • www.piezosystem.com
58
9
handling
The actuator is connected to the 30DVxxx using the “PIEZO” plug. The encoder knob is used to
adjust a static output voltage or position, depending on the operation mode (Offset). The
“ANALOG” plug offers analog interface to control the amplifier using a voltage between 0 and +10
V. So, arbitrary and scan functions are possible. Please remove any analog input voltage from the
amplifier before you turn the system on or off to avoid damage. To control the amplifier via RS232
please connect the computer and the amplifier with the provided serial cable. Then start the
terminal program (see chapter communication).
After power-on, the LED's “UDL“, and “OVL“ blink. The amplifier makes its power-on self test for
2 seconds. During this procedure all necessary parameters are transferred from the actuators
ID-chip to the amplifier. When the “UDL“ and “OVL“ LEDs stop blinking, the amplifier has initialized
successfully. Amplifiers without an attached actuator cannot complete this sequence.
When the system starts up and no external voltage is applied to the MOD input, the actuator is in
the most negative position (pos.1) of its deviation (pos.1 to pos.4, see sketch 2). By pressing the
knob in, the operation mode changes to closed loop and the “OL/CL” LED changes to yellow.
When closed loop is turned on, the actuator moves to the start position of the closed loop range
(pos.2). Turning the encoder to the right will increase the deviation until it reaches its maximum
position (pos.3). This range will vary depending on your type of actuator.
sketch 8: open loop / closed loop
The yellow “OVL” LED shows an overload, the yellow “UDL” LED shows an underload. Please try
to avoid this. When an external analog voltage is applied, try to decrease or remove it. If the LED's
still light up, check the connection between the amplifier and the actuator. Additionally, a
mechanical blocking or overload of the actuator can prevent actuators from reaching their position.
If none of the described troubleshooting has worked, turn off the system and contact our support
team. Please do not continue working after your actuator has been damaged.
The values of calibration are valid only for a specified assembly configuration. Any change
in the assembly configuration can cause the modes OVL or UDL. Please provide us with
your assembly configuration in advance.
Geschäftsführer: Dr. Bernt Götz • Telefon 03641/66880 • Fax 03641/668866 • www.piezosystem.com
59
10 controller adjustment
When any actuator made by piezosystem jena is connected to the 30DVxxx, amplifier their
specific values are read from the actuator’s ID-chip. The Digital Signal Processor (DSP) of the
amplifier is set with these values. These parameters were investigated in the piezosystem jena
laboratory and ensure safe function of the actuator.
There are no kp-, ki-, and kd-values for actuators without a measurement system because the
closed loop mode is impossible in this configuration. Closed loop is automatically switched off.
To adapt the controller properties to your special application please start with the default values. At
first please switch on the closed loop mode by pressing the encoder knob “OFFSET” or by the
command cl,1 via RS232. Change one parameter step by step and check the result with the
oscilloscope on the ANALOG 9pin SUB-D socket of the amplifier. You must install a monitoring
output to position value in open loop with the command monsrc,6.
In general, change the parameters in small steps and, depending on the actuator's reaction,
slightly increase the step width. If the system begins to oscillate, switch off the closed loop
immediately by pressing the encoder knob, then reset the last values entered!
First of all, check the function of the notch filter. This has been factory adjusted so that the main
resonant frequency is suppressed in an actuator with standard mass loading. If your application
has a different mass, the resonant frequency changes (higher mass = lower frequency). The notch
parameters are adjustable with the commands notchon, notchf and notchb.
The sweep function of the internal function generator can be used to determine the resonant
frequency. Use function generator in the choose menu of the actuator. Set the amplitude to 5%,
the offset to 0%, and the sweep time to 1 (1sec/decade). Set the amplifier to open loop (“OL/CL”
LED lights green). With the MOD/MON cable (MON plug) you can connect the oscilloscope to the
ANALOG socket of the amplifier. The following adjustments on the oscilloscope are required: store
function, time base = 0.5 sec/div and input voltage = 0.1V/div. The display shows the response of
the actuator measured by the integrated measurement system. Before the measured curve swings
out, there is a position where the amplitude is 0 Volts. This is the adjusted notch frequency. At the
resonant frequency, the measured curve goes very high. At this point you have to adjust the notch
frequency to the resonant frequency to linearize the curve. Using the notch filter might increase
noise.
The correct ki-value is determined as follows:
In the function generator menu, set rectangle to 1 Hz, amplitude to about 50%, and offset to 25%.
Please set the monitoring output to Umes/CL in the analog i/o menu. The following adjustments
on the oscilloscope are required: store function, time base = 0.05sec/div and input
voltage = 1V/div. Set the amplifier to closed loop (“OL/CL” LED lights yellow). The oscilloscope
display shows the step response of the actuator measured by the integrated measurement system.
If the slew rate is too low, please increase the ki-value in the digital controller menu. The over
swing after the rise time should be smaller than 1% of the total step.
In these adjustments, the actuator system can begin to oscillate in resonant frequency.
Please switch off the closed loop immediately by pressing the encoder knob “OFFSET”.
Then reset the last values entered! Continuous use at resonance can damage the actuator!
Now you can try to increase the slew rate in slew rate/filter menu, as long as no oscillation or
large over swing occurs.
Geschäftsführer: Dr. Bernt Götz • Telefon 03641/66880 • Fax 03641/668866 • www.piezosystem.com
60
11 troubleshooting
Please check all cables and connections first if the system is not working properly.
error
UDL/OVL-LED blinks
possible solution
Check the connection between actuator and amplifier.
Check the actuator cable for damage.
UDL/OVL-LED light up
The actuator is not able to reach the commanded position.
in closed loop mode
Check the modulation input and offset.
Check your actuator for mechanical blocking.
Check whether your actuators move properly in open loop mode.
actuator oscillates in
Check the PID-controller adjustments, reduce the ki-value,
resonant frequency in
Reduce the kd-value.
closed loop
Check whether the function generator is still working.
read
back
parameters Please switch off the analog modulation input when it’s not used.
always deviate at the same Command: modon,0 (see 8.4.2 commands). External signals can
level from the digital target cause an interference or a command value offset.
value
actuator does not move in Please switch on the analog modulation input by using command
spite of the applied analog modon,1 (see 8.4.2 commands).
modulation signal on the
MOD input
interface output values do Aliasing: If the signal read out sequence is lower than half of the
not correspond to the working frequency only the serial data is affected. The real motion
applied signal value
values are not affected.
table 11: errors
Geschäftsführer: Dr. Bernt Götz • Telefon 03641/66880 • Fax 03641/668866 • www.piezosystem.com
61
11.1 error register
The error register is a 16bit register. Each bit describes different error. Once error has occurred the
error register changes and error message as a decimal number will be issued via interface.
„?ERR,error“ CR LF.
The decimal sum of all bits results the error value:
bit
0
description
I²C error
1
2
temperature
3
OVL
4
UDL
5 – 15
0 – no error
1 – I²C error
-----0 – no error
1 – temperature out of range
0 – no error
1 – overload in CL
0 – no error
1 – underload in CL
------
decimal
0
1
-0
4
0
8
0
16
-table 13: error register
For high precision positioning in nm-resolution you must warm up the amplifier 2 hours before use.
A constant temperature is beneficial. Consider that a variation of 5 Kelvin results in elongation by
13μm in steel with a length of 200mm. The best results for resolution and accuracy can only be
achieved by setting the digital target values. Therefore, please switch off the analog modulation
input when it’s not used.
The equipment customization makes adaptations according to customer preferences that are
possible in terms of the technical threshold values e.g. the main voltage or the output voltage.
Please contact our technical service department in order to find out the possibilities for your
specific application. Special adaptations must be paid for by the customer.
Geschäftsführer: Dr. Bernt Götz • Telefon 03641/66880 • Fax 03641/668866 • www.piezosystem.com
62
12 your notes
Geschäftsführer: Dr. Bernt Götz • Telefon 03641/66880 • Fax 03641/668866 • www.piezosystem.com
63