piezosystemjena d-Drive Instruction Manual [de, en]

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Bedienungsanleitung

Digitalsystem d-Drive®

instruction manual

digital system d-Drive

Bitte lesen Sie sorgfältig die Bedienungsanleitung vor dem Einschalten des Gerätes. Beachten Sie

bitte insbesondere die Sicherheitshinweise!

Read carefully before switching on the power! Please see safety instructions for using piezoelectric

actuators and power supplies!

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Bedienungsanleitung Seite 3 ... 43

(deutsch)

instruction manual pages 44 ... 81

(english)

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Inhaltsverzeichnis

1 Gegenstand ....................................................................................................................... 4

2 Zertifizierung von piezosystem jena GmbH ...................................................................... 4

3 Konformitätserklärung ....................................................................................................... 4

4 Lieferumfang ..................................................................................................................... 5

5 Allgemeine Hinweise zu Piezo-Aktoren und Spannungsverstärkern ............................... 5

6 Sicherheitshinweise .......................................................................................................... 6

6.1 Installation, Stromanschluss ............................................................................................. 7

6.2 Betrieb ............................................................................................................................... 7

6.3 Pflege und Wartung .......................................................................................................... 8

6.4 Umgebungsbedingungen .................................................................................................. 8

7 Kurzanleitung, Funktionskontrolle ..................................................................................... 8

8 Beschreibung des Digitalsystems d-Drive® ...................................................................... 9

8.1 Allgemeines ....................................................................................................................... 9

8.2 Systemgehäuse 84TE mit Netzteil .................................................................................. 10

8.2.1 Funktion ........................................................................................................................... 10

8.2.2 Technische Daten Systemgehäuse mit Netzteil ............................................................. 10

8.3 Verstärkermodule EVD50, EVD125, EVD300 ................................................................ 11

8.3.1 Funktion ........................................................................................................................... 11

8.3.2 MOD / MON ..................................................................................................................... 15

8.3.3 Anschlussbelegungen ..................................................................................................... 17

8.3.4 Technische Daten EVDxxx ............................................................................................. 19

8.4 Interfacemodul EDS1, EDS2 .......................................................................................... 20

8.4.1 Funktion ........................................................................................................................... 20

8.4.2 Menüführung EDS2 ......................................................................................................... 21

8.4.3 Anschlussbelegungen ..................................................................................................... 22

8.4.4 Technische Daten EDSx ................................................................................................. 23

8.5 Kommunikation und Befehlssatz .................................................................................... 23

8.5.1 Kommunikation RS232 ................................................................................................... 23

8.5.2 Anleitung und Treiberinstallation für USB-Interface ....................................................... 24

8.5.3 Befehlssatz ...................................................................................................................... 30

8.5.4 Statusregister .................................................................................................................. 34

8.6 Funktionsgenerator ......................................................................................................... 35

8.7 Ausgeben von Triggersignalen ....................................................................................... 36

8.8 Scanfunktion .................................................................................................................... 39

8.9 Datenrecorder ................................................................................................................. 41

9 Bedienung ....................................................................................................................... 43

10 Reglereinstellung ............................................................................................................ 44

11 Fehlersuche ..................................................................................................................... 45

11.1 Fehlerregister .................................................................................................................. 46

12 Ihre Notizen ..................................................................................................................... 47

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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.

1 Gegenstand

Diese Anleitung beschreibt das Digitalsystem d-Drive® von piezosystem jena GmbH. Weiterhin finden Sie Sicherheitshinweise beim Umgang mit Piezoelementen.

Bei Problemen wenden Sie sich bitte an den Hersteller des Gerätes: piezosystem jena GmbH, Stockholmer Straße 12, 07747 Jena. Tel: (0 36 41) 66 88-0

2 Zertifizierung von piezosystem jena GmbH

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.

3 Konformitätserklärung

Die Konformitätserklärung für dieses Gerät finden Sie im Internet unter www.piezosystem.de.

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4 Lieferumfang

Bitte prüfen Sie nach Erhalt die Vollständigkeit der Lieferung, bestehend aus:

 Digitalsystem d-Drive  Netzkabel  RS232-Kabel  USB-Kabel  Bedienungsanleitung  CD-ROM mit Treiber, Software und Bedienungsanleitung

5 Allgemeine Hinweise zu Piezo-Aktoren und Spannungsverstärkern

 Piezo-Aktoren von piezosystem jena werden mit Spannungen bis 150V angesteuert.

Beachten Sie bitte die Sicherheitsvorschriften beim Umgang mit diesen Spannungen.

 Nach dem Transport von Piezo-Aktoren sollten sich diese vor dem Einschalten ca. 2h der

Raumtemperatur anpassen können.

 Piezo-Aktoren sind stoß- und schlagempfindlich (Bruchgefahr). Vermeiden Sie auch bei

eingebauten Piezo-Aktoren derartige Einwirkungen. Durch den piezoelektrischen Effekt können bei Stoß- oder Schlageinwirkungen Spannungen erzeugt werden, die zu Überschlägen führen können.

 Piezo-Aktoren 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. Piezo-Aktoren 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.

 Piezo-Aktoren können elektrisch als Kondensatoren angesehen werden. Die

Entladungszeiten liegen im Bereich von Stunden bis Tagen. Deshalb können auch nach Trennung der Piezo-Aktoren 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.

 Piezo-Aktoren 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.

 Piezo-Aktoren 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.piezojena.de unter der Rubrik Repräsentanten.

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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 qualifiziertem 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 und ein Servicetechniker konsultiert 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

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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

Warnung

 Öffnen Sie das Gerät in keinem Fall! Im Inneren des Gerätes befinden sich keine Teile, die

 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.

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6.3 Pflege und Wartung

ACHTUNG

 Schalten Sie das Gerät immer aus und ziehen Sie den Netzstecker, 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:

 Verwendung nur in Innenräumen  bei einer Höhe bis zu 2000 m  Temperaturbereich: 20...22 °C  relative Luftfeuchte: 5 ... 80% (nicht kondensierend)

7 Kurzanleitung, Funktionskontrolle

Bitte überprüfen Sie die Lieferung auf Vollständigkeit (siehe Packliste) und auf Unversehrtheit aller angegebenen Lieferpositionen.

Sichtprüfung Aktor und Digitalsystem:

 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. DSUB Stecker „PIEZO“ an.  Schalten Sie das Gerät mit Hilfe des Tasters an der Frontplatte in den ON-Betrieb. Es erfolgt

ein kurzer Selbsttest der Module.

 Je nach Bestückung (Spannungsverstärker EVDxxx, Aktoren) blinken die gelben

Leuchtdioden „OVL“ und „UDL“ am EVDxxx. Die grüne „ON“-LED leuchtet permanent. Steckt ein Aktor an dem 15pol. DSUB Stecker, erlöschen die gelben Leuchtdioden nach ca. 3 Sek. und der Verstärker ist funktionsbereit.

 Das Interfacemodul EDS2 beendet seinen Selbsttest mit der Anzeige „Hauptmenü“, darunter

die möglichen und die belegten Verstärkerkanäle 1...6 (= Zeile 1...6). Steckt in Steckplatz 1 und 2 ein Verstärkermodul, so zeigt die Anzeige in Zeile 1 und 2 die Aktornamen „X“ („Y“,“Z“...), „ol“ (open loop) und die Aktorausgangsspannung „-20,000 V“. Die Zeilen 3...6 sind leer, da an diesen Steckplätzen kein Verstärker bzw. Aktor angeschlossen ist.

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 Ist das Gerät mit dem Interfacemodul EDS1 bestückt, kann über die RS232-Schnittstelle mit

dem Kommando „stat Enter“ der Status der EDS und der vorhandenen EVDxxx abgefragt

werden.

 Drehen Sie das OFFSET-Potentiometer am EVDxxx nach rechts, bis auf der Anzeige ca.

130V stehen, der Aktor führt seinen maximal möglichen Hub aus.

 Drehen Sie das OFFSET-Potentiometer nach links bis die Anzeige wieder auf ca. -20 V

steht, der Aktor führt seinen minimal möglichen Hub aus.

 Schalten Sie die Regelung durch Druck auf das OFFSET-Potentiometer ein. Die

Leuchtdiode „OL/CL“ des EVDxxx leuchtet gelb. Auf der EDS2 ändert sich die Anzeige des Kanals auf „cl“ (closed loop) und die Dehnung des Aktors ca. „0 μm“ wird angezeigt.

 Drehen Sie das OFFSET-Potentiometer nach rechts bis sich auf dem Display der EDS2 die

Dehnung nicht mehr ändert, der Aktor führt seinen max. geregelten Hub lt. Datenblatt des Aktors aus.

 Drehen Sie das Potentiometer nach links bis auf „0 μm“ und schalten Sie die Regelung

durch Druck auf das OFFSET-Potentiometer aus.

 Führen Sie diese Prozedur mit allen angeschlossenen Aktoren durch.  Schalten Sie das Gerät aus, indem Sie die POWER-Taste länger als 3 Sek. gedrückt halten.  Sollte das Gerät über längere Zeit (länger als 1 Tag) nicht betrieben werden, ist der

Netzschalter an der Rückseite des Gerätes auszuschalten.

 Die Funktionskontrolle ist hiermit abgeschlossen.  Sollten während der Funktionskontrolle Unstimmigkeiten auftreten, lesen Sie bitte den

Absatz Fehlersuche.

8 Beschreibung des Digitalsystems d-Drive

8.1 Allgemeines

Die digitale Steuerelektronik d-Drive

in Kombination mit den hochauflösenden piezoelektrischen

Antriebs- und Positioniersystemen ermöglicht die vollständig digitale Realisierung hochpräziser Positionieraufgaben. Sie wurde speziell für mehrkanalige Feinpositionieraufgaben entwickelt. Dank des schnellen Digitalen Signal Prozessors (DSP) und dem hohen Bedienkomfort setzt d-Drive

neue Maßstäbe. Alle Parameter können über PC ferngesteuert und abgefragt bzw. am integrierten Display des Datenaustauschmoduls EDS2 direkt eingegeben und angezeigt werden.

d-Drive® ermöglicht weiterhin erstmals die getrennte Austauschbarkeit von Aktor und

Steuerelektronik. Alle relevanten Daten sind eigenständig auf dem ID-Chip des Aktors gespeichert und werden an den jeweiligen Verstärker übergeben. So ist es nun möglich, einen kalibrierten Aktor von piezosystem jena wahlweise in verschiedenen Systemen einzusetzen. Eine Vielzahl weiterer hilfreicher Features wurde implementiert. So sind standardmäßig ein Notch-Filter und Tiefpassfilter sowie eine Anstiegsbegrenzung des Eingangssignals (slew rate) frei programmierbar. Ein integrierter Funktionsgenerator ermöglicht Sinus-, Rechteck- und DreieckSignalsteuerung sowie eine Rausch- und Wobbelfunktion zur Frequenzanalyse. All diese Funktionen und die 20bit Auflösung mit 50kSPS Abtastrate (50kHz Samplefrequenz) prädestinieren das d-Drive

besonders für Nanopositionierung im Bereich von Scann-

Anwendungen, Oberflächen– und Strukturanalyse, Mikroskopie und Halbleiterindustrie. Das erweiterbare System beinhaltet das Systemgehäuse mit Weitbereichsschaltnetzteil in zwei verschiedenen Leistungsklassen, ein Datenaustauschmodul mit oder ohne Display und 1 bis 6 Verstärkerkanäle mit digitaler Regelung in verschiedenen Leistungsklassen je nach Anwendung.

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8.2 Systemgehäuse 84TE mit Netzteil

8.2.1 Funktion

Es gibt zwei 19 Zoll 84TE-Systemgehäuse mit unterschiedlicher Leistung und unterschiedlicher Gehäusetiefe. Diese beinhalten Weitbereichsnetzteile mit Power Faktor Regelung (PFC), die alle im System benötigten Hoch- und Niederspannungen zur Verfügung stellen. Auf der Rückseite befinden sich die Netzeingangsbuchse, die Sicherungslade mit 2 Sicherungen, der Netzhauptschalter sowie ein Netzeingangsfilter. Das kurze Gehäuse mit geringerer Leistung ist vorbereitet zur Aufnahme von max. 6 digitalen Piezoverstärkern EVD50 und einem Datenaustauschmodul mit oder ohne Display. Das tiefe Gehäuse mit großer Leistung kann maximal 3 digitale Piezoverstärker EVD300 und ein Datenaustauschmodul mit oder ohne Display aufnehmen. Die Verbindung der Module geschieht über eine Rückverdrahtungsleiterplatte.

8.2.2 Technische Daten Systemgehäuse mit Netzteil

84TE 315mm tief

84TE 375mm tief

Eingangsspannung:

100 - 240 VAC / 50 - 60 Hz

Eingangsstrom:

typ. 0,9A @ 115V typ. 0,5A @ 230V

typ. 1,7A @ 115V typ. 1,0A @ 230V

Leistungsaufnahme:

typ. 120W

typ. 230W

Netzsicherung:

2x T6,3A / 250V 5x20mm

Netzanschluss

IEC-60320 C13

Ausgangsspannungen:

+145V / 300mA

-30V / 300mA

+15V / 500mA

-15V / 500mA +5V / 2,2A

+145V / 450mA

-30V / 450mA

+15V / 500mA

-15V / 500mA +5V / 2,2A

Maße (BxHxT) [mm]:

450 x 150 x 360

450 x 150 x 420

Gewicht [kg]:

4,8

7,3

Besonderheiten

aktive Kühlung

aktive Kühlung,

Auto Power On

Tabelle 1: Technische Daten

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8.3 Verstärkermodule EVD50, EVD125, EVD300

8.3.1 Funktion

Der Spannungsverstärker EVDxxx ist für Niedervoltpiezoelemente konzipiert und wird als 19 Zoll Einschubmodul in 10TE (EVD50) bzw. 20TE Breite (EVD125, EVD300) gefertigt. Die Varianten EVD50, EVD125 und EVD300 unterscheiden sich im Ausgangsstrom. Der EVD50 kann 50mA Konstantstrom treiben, die Verstärker EVD125 und EVD300 entsprechend 125mA und 300mA. Es können Aktoren mit und ohne integriertem Messsystem betrieben werden (Serie D). Die Verstärkermodule bieten die Möglichkeit, das Piezoelement über einen analogen Modulationseingang „ANALOG“ oder digital über das Datenaustauschmodul (EDS) zu steuern. Mittels digitaler Sollwertvorgabe sind höchste Auflösung und Genauigkeiten erzielbar. Durch die hervorragende Restwelligkeit von kleiner 0,5mVRMS eignet sich der Verstärker besonders gut für Positionieraufgaben mit sub - nm Auflösung. Die Position des Aktors und Statusmeldungen werden auf dem grafischen Display des Datenaustauschmoduls EDS2 angezeigt. Ist das Gerät mit dem Interfacemodul EDS1 bestückt, kann über die RS232-Schnittstelle mit dem Kommando „stat Enter“ der Status der EDS und der vorhandenen EVDxxx abgefragt werden. Aktoren mit Messsystem werden durch den integrierten digitalen PID-Regler drift- und hysteresefrei positioniert. Als voll digital aufgebaute Einschubkassette wird eine schnelle Austauschbarkeit der Module und der Aktoren im anspruchsvollen Industrieeinsatz gewährleistet.

Überlaufanzeigen

manuelle Sollwertvorgabe

MOD/MON-Buchse

ol/cl Anzeigen

Anschluss Aktor

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Im folgenden Blockschaltbild sind die Funktionsgruppen der Verstärkermodule dargestellt:

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Der Sollwert für den Digitalregler setzt sich aus der Addition von analogem Modulationssignal, dem Digitalwert des OFFSET-Potentiometers und dem über den CAN-Bus 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 – mess soll = Sollwert

mess = 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 entsteht ein PI-Regler. Gegenüber dem P-Regler wird die bleibende 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 = 1/ki * err *Ts Ts = 1 / Samplefrequenz (50kHz)

1/ki * Ts = Nachstellzeit 1/ki = einstellbarer Faktor der 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.

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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 bedämpfen. 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.

Zusätzlich stehen weitere Filter („errlpf“,“elpor“ und „tf“) einstellbar zur Verfügung. Der Filter „errlpf“ wirkt als Tiefpass mit einstellbarer Ordnung auf den Positionsfehler, also auf die

Differenz von Soll- und Istwert. Die Ordnung wird über den Parameter „elpor=1…4“ eingestellt. Der Positionsfehler stellt wiederum die Eingangsgröße für den PID-Regler dar. Der Tiefpass ist werksseitig auf 180Hz Grenzfrequenz und 1. Ordnung eingestellt. Der Filter „tf“ wirkt auf den Differenzial-Teil der Regelung und kann hier eine Rauschunterdrückung bewirken. Typische Einstellwerte sind tf = 0.01 * kd. Aus Gründen der Kompatibilität zu vorhergehenden Versionen wird er werksseitig mit tf=0 (deaktiviert) ausgeliefert. Um die Bahnabweichungen besonders im kontinuierlichen Betrieb (z.B. sinusförmige Bewegungen oder ähnliche) zu minimieren, kann eine Vorsteuerung des Systems (mit dem Sollwert) erfolgen. Die Stärke der Vorsteuerung (pre control factor) kann mit „pcf,Wert“ eingestellt werden. Der Wertebereich reicht von 0 (deaktiviert) bis max. 1 (100% des Sollwertes werden zur Reglerausgangsgröße addiert). Abgängig von der Größe der aktorspezifischen Regelreserve (Verhältnis von closed-loop-Hub zu open-loop-Hub) sind Werte um 0.75 für pcf (pre control factor) anzusetzen. Werksseitig ist die Vorsteuerung deaktiviert (pcf,0). 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.

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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 OFFSET-Potentiometer generierten Offsetspannung und dem digital vorgegebenen Sollwert. Bei Nichtbenutzung des analogen Modulationseingangs sollte dieser abgeschaltet werden (modon,x,0 siehe 8.5.3 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)

Umess[CL] Usoll Ustell Uerr Uerrabs Uout Umess[OL]

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 4: Monitor

0) Umes[CL] 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) Usoll Der Sollwert, der aus der Addition von Modulation, Offset und digitaler Vorgabe entsteht, wird 1:1 ausgegeben.

2) Ustell Die Reglerausgangsspannung (Steuerspannung für die Endstufe) wird 1:1 ausgegeben.

3) Uerr 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:

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Uerr = (Umon – 5V) * 2 Uerr = -10V...+10V

Umon = 0V...+10V

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) Uerrabs 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) Uout 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) Umes[OL] 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

Aktorhub geregelt

10V

geregelt Upos (0)

Umon

ungeregelt Upos Original

Umon

10V

Aktorhub ungeregelt Aktorhub scaliert

ungeregelt Upos scaliert (6)

Werksseitig ist der Monitorausgang auf den Positionswert des Messsystems im geregelten Betrieb eingestellt (Pkt. 0).

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8.3.3 Anschlussbelegungen

ANALOG: 9pol. SUB-D Buchse

Bezeichnung

Beschreibung

MON+

Monitorausgang 0 ... +10V

MON-

Signalmasse

MOD+

Modulationseingang 0 ... +10V

MOD-

Signalmasse

TRG+

Triggerausgang (low-aktiv)

TRG-

Digitalmasse für Trigger

Tabelle 3: Pinbelegung

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PIEZO: 15pol. SUB-D Stecker

Bezeichnung

Beschreibung

1,2,11

AGND

Analogmasse

+15V *

Betriebsspannung Messsystem +15V

4,14

GND

Digitalmasse

SDA

I²C Bus SDA

5Veeprom *

Betriebsspannung ID-Chip

Vout2

Aktorsteuerspannung 2 +130 ... -20V für nanoXTM

Vout

Aktorsteuerspannung -20 ... +130V

+MESS

Positionssignal -8 ... +8V

-15V *

Betriebsspannung Messsystem -15V

SCL

I²C Bus SCL

DETECT

Aktordetektor

Piezomasse

Aktormasse

Tabelle 5: Pinbelegung

[*] nicht für externen Gebrauch

Über diesen 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 SUB-D 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.

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8.3.4 Technische Daten EVDxxx

EVD50

EVD125

EVD300

Ausgangsleistung:

7,5W (max. 15W für nanoXTM Aktoren)

16W (max. 32W für nanoXTM Aktoren)

40W Ausgangsspannungen:

-20V...+130V

+130V...-20V für nanoX TM Aktoren

Ausgangsstrom (Konstantstrom):

50mA permanent (2x 50mA für

nanoX)

125mA permanent (2x 125mA für

nanoX)

300mA permanent (2x 150mA für

nanoX)

Ausgangsspannungsrauschen:

<0,3mVRMS @

500Hz

<0,5mVRMS @ 500Hz

Aktor- / Messsystemstecker

„PIEZO“:

15pol. SUB-D Stecker

Monitorausgang:

0 ... +10V (Signalquelle programmierbar)

Ausgangsimpedanz:

50Ω

Modulationseingang:

0 ... +10V (abschaltbar)

Eingangsimpedanz:

25kΩ

Triggerausgang (low-aktiv)

5V/0V mit pull-up-Drainwiderstand 240Ω

Mod.-Mon. Buchse „ANALOG“:

9pol. SUB-D Buchse

Offsetspannung:

-20V ... +130V über Offset-Potentiometer

Überlastungsschutz:

kurzschlussfest, Temperatursicherung

Schutzschaltung

4 Schutzsicherungen F50mA / 250V 5x20mm

(Eingriff nur durch autorisiertes Servicepersonal)

Anzeigen (LED):

grün = betriebsbereit / open loop

gelb = closed loop

OVL (gelb) = Overload

UDL (gelb) = Underload

Masse (H B T):

3HE 10TE

3 HE 20TE

3HE 20TE

Gewicht:

0,35kg

0,9kg

1,03kg

Tabelle 2: Technische Daten

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8.4 Interfacemodul EDS1, EDS2

8.4.1 Funktion

Das Datenaustauschmodul stellt zum einen die Kommunikation zwischen den Komponenten der Piezoverstärker und dem Kunden her, zum anderen zeigt es die wichtigsten Statusmeldungen und momentanen Kennwerte des Systems auf einem grafischen TFT-Display an. Einige ausgewählte Parameter können über die Eingabeelemente an der Frontplatte geändert werden. Im Unterschied zur EDS2 hat die EDS1 kein Display und keine Bedientasten. Die Kommunikation und Steuerung erfolgt ausschließlich über die RS232 - bzw. USB 1.1 - Schnittstelle. Die Kommunikationskommandos sind gleich denen der EDS2. Zur komfortablen Auswertung und Änderung aller Parameter wird empfohlen, die serielle Schnittstelle in Verbindung mit einem PC oder Laptop zu nutzen. Der umfangreiche Befehlssatz ist in Punkt 8.5.3 erläutert.

Mit der POWER-Einschalttaste wird das Gerät eingeschaltet. Durch Druck länger als 2 Sek. schaltet das Gerät ab. Die Betriebsbereitschaft wird durch die grüne READY LED angezeigt. Das PC-Interface RS232 bzw. USB stellt die Verbindung zu einem PC bzw. Laptop her. Die Navigation durch die Menüs erfolgt mit den Cursortasten. Durch Bestätigen mit der ENTER Taste erfolgt der Sprung ins jeweilige Menü. Auf den Eingabepositionen kann mit Hilfe des kombinierten Dreh-/Druckknopfes der Wert durch Drehen nach links oder rechts inkrementiert bzw. dekrementiert werden (Stern vor dem Wert zeigt eine Werteänderung an). Durch Druck auf den Knopf wird der Eingabewert übernommen (Stern vor dem Wert erlischt). Wird ohne Wertebestätigung das Menü verlassen, werden die vorherigen Werte wieder hergestellt.

Betriebsbereitschaft

Einschalttaste

PC Interface RS232

Navigation in den Menüs

Menüwechselbestätigung

Drehknopf Werteänderung / Druckknopf Wertebestätigung

PC Interface USB

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8.4.2 Menüführung EDS2

Folgende Menüs sind aufrufbar:

Hauptmenü

xxx.xxx V

xxx.xxx µm

xxx.xxx V

Setup

Sprache

Deutsch

Baudrate

115200

Helligkeit

Zurück

Stellt man den Cursor mit den Cursortasten auf den Aktornamen und bestätigt mit ENTER, gelangt man in das Auswahlmenü des angewählten Kanals. Von dort aus kommt man in die speziellen Untermenüs:

Auswahlmenü [Kanal]

Funktionsgenerator

Anstieg / Filter

Digitalregler

Analog I/O

Information

Zurück

Fkt. Generator [Kanal]

Funktion

Sinus

Status

ein

Amp. [%]

1.000

Off. [%]

0.000

Freq. [Hz]

1.0

Sym. [%]

1.0

Zurück

Anstieg/Filter [Kanal]

Ans.[V/ms]

0.2

Filtertyp

notch

Status

ein

Freq. [Hz]

200

Bandb. [Hz]

100

Zurück

X,Y,Z = Aktorname (X = Kanal 0 (1.Einschub v.l.)) op/cl = open loop / closed loop xxx.xxx = bei „op“ Aktorspannung in V

bei „cl“ Dehnung in μm

Deutsch / English 9600/38400/57600/115200

0...10 Helligkeit des TFT-Displays

Sinus/Dreieck/Rechteck/Rauschen/Wobbeln aus/ein

0.000...100.000

0.1...9999.9

0.1...99.9

0.1...100.0 notch / Tiefpass ein / aus

0...20000

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Digitalregler [Kanal]

0.00000

50.00000

0.00020

Zurück

Analog I/O [Kanal]

Monitor

Umes/CL

Modul.

ein

Zurück

Information [Kanal]

Aktor

PX200CAP

Messsystem

CAP

Ser.Nr.Akt.

64070

zurück

Im Informationsmenü können keine Werte geändert werden. Die Auswahl „zurück“ springt von jedem Untermenü aus ins Hauptmenü. Ein Stern vor dem Wert zeigt eine Werteänderung an. Durch Druck auf den Knopf wird der

Eingabewert übernommen (Stern vor dem Wert erlischt). Wird ohne Wertebestätigung das Menü verlassen, werden die vorherigen Werte wieder hergestellt.

8.4.3 Anschlussbelegungen

RS232: 9pol. SUB-D Buchse

Bezeichnung

Beschreibung

TxD

RS232 Sender

RxD

RS232 Empfänger

GND

RS232 Masse

Tabelle 7: Pinbelegung

0...999.00000

Umes[CL] / Usoll / Ustell / Uerr / Uerrabs / Uout / Umes[OL] ein /aus

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USB 1.1: Stecker Serie A

Bezeichnung

Beschreibung

VCC

Betriebsspannung +5V

D-

Daten -

D+

Daten +

GND

Betriebsspannungsmasse

Tabelle 8: Pinbelegung

8.4.4 Technische Daten EDSx

EDS1

EDS2

Leistungsaufnahme:

max. 0,9W

max. 1,2W

Betriebsspannung/strom:

+5V / max. 180mA

+5V / max. 230mA

Schnittstellen:

RS232

USB 1.1

CAN-Bus (intern benutzt)

RS232 Baudrate:

115200 Baud

RS232 Buchse:

9pol. SUB-D Buchse

CAN Baudrate:

1MBaud

Display:

 ohne Display  Ready LED grün

 vollfarbiges TFT-Display (320x240 dots)

mit weißer Hintergrundbeleuchtung

 Ready LED grün

Bedienelemente:

 Standby/Power Taste  Reset Taste

 Standby/Power Taste  Cursor Tasten zur Menüwahl  inkrement. Drehgeber zur Werteeingabe  Reset Taste

Masse (H B T):

3HE 24TE 160mm

Gewicht:

0,2kg

0,3kg

Tabelle 9: Technische Daten

8.5 Kommunikation und Befehlssatz

8.5.1 Kommunikation RS232

Die Kommunikation mit dem Digitalsystem kann über den PC mit Hilfe eines beliebigen Terminalprogramms (unter Windows XP z.B. Hyperterminal „hypertrm.exe“) hergestellt werden.

Notwendig ist ein serielles Verbindungskabel 1:1 (mitgeliefert) zwischen der COM Schnittstelle des PC und der EDS. Die Eigenschaften der Verbindung sind wie folgt einzustellen:

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115200 Baud, 8 Bit, keine Parität, 1 Stoppbit, Xon/Xoff-Protokoll

Die Befehlseingabe und die Rückmeldungen erfolgen im ASCII-Code, sind also einfach einzugeben bzw. zu lesen.

8.5.2 Anleitung und Treiberinstallation für USB-Interface

Grundlage: Zum Betrieb des Gerätes werden zwei Treiber benötigt, ein Treiber stellt die USB-Verbindung

zwischen Digitalsystem und PC her, der zweite Treiber ermöglicht dem Anwender den einfachen Zugriff auf das Gerät über eine serielle (COM) Schnittstelle.

Treiberinstallation: Zuerst bitte den Bus-Treiber FTDIBUS.inf installieren, danach den

COM-Port-Treiber FTDIPORT.inf installieren. Das folgende Beispiel zeigt die Installation unter Windows XP:

Zunächst sind PC und Digitalsystem über das mitgelieferte USB-Kabel zu verbinden und einzuschalten.

Das Gerät wird erkannt. Die Quelle bitte selbst angeben.

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Den extrahierten Ordner „\psjUSB“ auswählen (z.B. C:\psjUSB).

Der Windows-Logo-Test ist für diese Anwendung nicht relevant, bitte Installation fortsetzen drücken.

Der USB-Treiber ist installiert.

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Der zweite Treiber wird installiert (COM-Port), gleiches Vorgehen wie oben:

Den Ordner „psjUSB“ auswählen.

Der Windows-Logo-Test ist für dies Anwendung nicht relevant, Installation fortsetzen. Der COM-Port-Treiber wird nun installiert.

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Der COM-Port-Treiber ist jetzt installiert.  Die Treiberinstallation ist abgeschlossen.

Um die Steuerung des Digitalsystems über ein Terminalprogramm zu gewährleisten, muss die COM-Schnittstelle bestimmt bzw. festgelegt werden.

Im „Gerätemanager“ unter „Anschlüsse“ muss das Digitalsystem d-Drive aufgeführt sein:

Ein Rechtsklick auf „piezojena...“ ermöglicht unter „Eigenschaften“ die Einstellung verschiedener Parameter (normalerweise nicht erforderlich).

Das angeschlossenen Digitalsystem ist also auf diesem Rechner über „COM5“ anzusteuern.

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Einrichten des Terminalprogramms (Hyper Terminal):

Verbindung benennen (z.B. „dDrive“)

Bitte den entsprechenden COM-Port auswählen.

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Die Baudrate ist egal, es wird mit USB1.1 Geschwindigkeit übertragen. Wichtig sind: 8 Datenbits, keine Parität, 1 Stoppbit, Software-Handshake (Xon/Xoff).

Für bessere Bedienbarkeit diese Haken setzen.  Fertig

Beispiel: Bedienung über das Hyper Terminal:

Oben ist der Prompt des Digitalsystems als Bestätigung auf Enter zu sehen. Darunter die Antwort auf den Befehl „stat“.

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8.5.3 Befehlssatz

Globale Befehle: <Befehl> Enter

Befehl

Beschreibung

zeigt alle verfügbaren Befehle an

stat

zeigt den Status aller Verstärkermodule an

dprpon

schaltet die zyklische Ausgabe der aktuellen Positionswerte aller Aktoren ein *1

dprpof

schaltet die zyklische Ausgabe der aktuellen Positionswerte aller Aktoren aus

dprson

schaltet die automatische Ausgabe des Status bei Statusänderung eines der Verstäkerkanäle ein

dprsof

schaltet die automatische Ausgabe des Status bei Statusänderung eines der Verstäkerkanäle aus

Tabelle 10a: Globale Befehle

Verstärkerkanal bezogene Befehle:

<Befehl>,<Verstärkerkanal>,<Wert> Enter <Verstärkerkanal> = 0...5 (v.l.n.r.) <Befehl>,<Verstärkerkanal> Enter ohne Werteingabe gibt den aktuell eingestellten Wert aus.

Befehl

Beschreibung

Wertebereich

stat

Statusabfrage

mess

Positionswertabfrage *1

[μm]

ktemp

Temperaturabfrage Verstärker

[°C]

rohm

Betriebszeit des Aktors seit Auslieferung

[min]

rgver

gibt die Versionsnummer des Digitalreglers aus

setf

schaltet das Ausgabeformat für den Messwert (mess) um

0= drei Nachkommastellen 1= wissenschaftliches Format

setg

schaltet das Ausgabeformat für alle Gleitkommazahlen (außer mess) um

0= drei Nachkommastellen 1= wissenschaftliches Format

fenable

Aktorformatierung (Softstart) nach dem Einschalten aktivieren

0= Aktorformatierung deaktiviert

1= Aktorformatierung aktiv

fbreak

Abbruch der Aktorformatierung

set

Wertevorgabe: Aktorspannung (ol) Dehnung (cl)

-20...130.000 [V]

0...xxx.xxx [μm] (Maximalhub des Aktors)

modon

Modulationseingang ein- / ausschalten

0 = ausgeschaltet 1 = eingeschaltet

monsrc

Monitorausgang (0 = default)

0 = Positionswert im geregelten

Betrieb 1 = Sollwert 2= Reglerausgangsspannung 3 = Regelabweichung mit Vorzeichen 4 = Betrag der Regelabweichung 5 = Aktorspannung

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6 = Positionswert im ungeregelten

Betrieb

ungeregelt / geregelt (open loop / closed loop)

0 = ungeregelt 1 = geregelt

Anstiegsgeschwindigkeit der Sollwertes (slew rate)

0.0000002...500.0 [V/ms], bezogen auf Modulationsspannung (0...10V)

pcf

Skalierungsfaktor für Vorsteuerung (pre control factor)

0..1 (0=aus, typisch: 0.75) errlpf

fgrenz für Tiefpass Fehlersignal

1...10000 (typisch: 180) [Hz]

elpor

Ordnung für Tiefpass Fehlersignal

1…4, (typisch: 1)

Proportional Anteil

0...999.0

Integral Anteil

0...999.0

Differential Anteil

0...999.0

Filter für Differential Anteil

0..1 (default: 0, typisch: 0.01*kd)

notchon

Kerbfilter ein- / ausschalten

0 = ausgeschaltet 1 = eingeschaltet

notchf

Kerbfilter Kerbfrequenz

0...20000 [Hz]

notchb

Bandbreite (-3dB)

0...20000 (max. 2 * notch_fr) [Hz]

Ipon

Tiefpassfilter ein- / ausschalten

0 = ausgeschaltet 1 = eingeschaltet

Ipf

Tiefpass Schnittfrequenz

1...20000 [Hz]

sstd

Stellt werkseitig eingestellte Standardwerte des Reglers wieder her

------

gfkt

interner Frequenzgenerator (siehe auch Tabelle 12)

0 = ausgeschaltet 1 = Sinus 2 = Dreieck 3 = Rechteck 4 = Rauschen 5 = Wobbeln

gasin

Gen. Amplitude Sinus

0...100 [%]

gosin

Gen. Offset Sinus

0...100 [%]

gfsin

Gen. Frequenz Sinus

0.1...9999.9 [Hz]

gatri

Gen. Amplitude Dreieck

0...100 [%]

gotri

Gen. Offset Dreieck

0...100 [%]

gftri

Gen. Frequenz Dreieck

0.1...9999.9 [Hz]

gstri

Gen. Symmetrie Dreieck

0.1...99.9 [%] default = 50.0 %

garec

Gen. Amplitude Rechteck

0...100 [%]

gorec

Gen. Offset Rechteck

0...100 [%]

gfrec

Gen. Frequenz Rechteck

0.1...9999.9 [Hz]

gsrec

Gen. Symmetrie Rechteck

0.1...99.9 [%] default = 50.0 %

ganoi

Gen. Amplitude Rauschen

0...100 [%]

gonoi

Gen. Offset Rauschen

0...100 [%]

gaswe

Gen. Amplitude Wobbeln

0...100 [%]

goswe

Gen. Offset Wobbeln

0...100 [%]

gtswe

Gen. Wobbelzeit

0.4...800 [s]

sct

Scan Typ

0=Scanfunktion aus 1=Sinusscan (eine Periode) 2=Dreieckscan (eine Periode)

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3=Sinusscan (zwei Perioden) 4=Dreieckscan (zwei Perioden)

Start Scan

ohne Parameter: Abfrage Scanstatus 1= startet scan

trgss

Triggererzeugung Wegposition Start

> 0,2% des Maximalhubes des Aktors [µm] oder [mrad] bis < Maximalhub minus 0,2% des Maximalhubes des Aktors [µm] oder [mrad]

trgse

Triggererzeugung Wegposition Ende

> 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“

trgsi

Triggererzeugung Wegintervalle

Triggerintervalle in [µm] oder [mrad] größer 0,05% des Wegbereiches CL

trglen

Länge der Triggerimpulse

n*20µs n=1...255

trgedge

Triggererzeugung Flanke

0= Triggererzeugung aus 1= Trigger nur auf steigender Flanke 2= Trigger nur auf fallender Flanke 3= Trigger auf beiden Flanken

trgsrc

Signalquelle für Triggererzeugung

0= Positionswert (Messwert, Istwert), default 1=Sollwert

trgoffs

Offset für Tiggerpunkte

nur bei Triggerung auf den Sollwert aktiv, in Aktoreinheiten [µm] bzw. [mrad], default 0

reclen

Länge der Aufzeichnung in Samples

0..500000

recstride

Schrittweite n für die Aufzeichnung

1..1000 (Sampleintervall= n*20µs)

recrdptr

Startadresse für Auslesezeiger

0..500000

recstart

Startet den Datenrecorder

gibt Positionswert zurück, inkrementiert Lesezeiger

m ohne Parameter : m,xxxx m,1 : xxxx m,0,n : Block der Länge n mit m,xxxx m,1,n: Block der Länge n mit xxxx

gibt Spannungswert zurück, inkrementiert Lesezeiger

u ohne Parameter : u,xxxx u,1 : xxxx u,0,n : Block der Länge n mit u,xxxx u,1,n: Block der Länge n mit xxxx

bright

Helligkeit des TFT-Displays

0 – Display aus .. 10 – Display-Helligkeit maximal

Tabelle 10b: Kanal bezogene Befehle

Note *1: Die Einschübe EVDxxx senden alle 500ms einen aktuellen Messwert an die EDSx. Dieser

Wert wird über das Display und die Schnittstelle ausgegeben. Ein häufigeres Abfragen dieses Wertes ändert die Aktualisierungsrate nicht. Bei Bewegungen des Aktors über

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dieser Frequenz kommt es zu Alias-Effekten, d.h. die ausgegebenen Werte zeigen nicht mehr den realen Signalverlauf.

Beispiele einiger Kommandos:

Ein Aktor mit 80μm Dehnung im geregelten Betrieb soll mit Rechteckfrequenz eine Sprungfunktion im geregelten Betrieb von 20μm auf 50μm ausführen. Der Aktor steckt am

Verstärkerkanal 2 --> Pos. 3 v.l.. Dabei soll er 50ms auf 20μm und 150ms auf 50μm verharren. Die Reaktion des Messsystems soll am Monitorausgang sichtbar gemacht werden.

Befehle:

- cl,2,1 Enter Regelung Verstärker 2 einschalten

- gfkt,2,3 Enter Frequenzgenerator auf Rechteck

- gfrec,2,5 Enter Rechteckfrequenz = 1 / (50ms+150ms) = 5 Hz

- garec,2,37.5 Enter Rechteckamplitude = (50μm – 20μm) / 80μm * 100 % = 37.5 %

- gorec,2,25 Enter Rechteckamplitudenoffset = 20μm / 80μm * 100 % = 25 %

- gsrec,2,25 Enter Symmetrie des Rechteckes = 50ms / (50ms + 150ms) * 100% = 25%

- monsrc,2,0 Enter Monitorbuchse auf Positionswert setzen

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8.5.4 Statusregister

Das Statusregister ist ein 16bit Register, wobei die einzelnen Bits die verschiedenen Einstellungen des Verstäkerkanals bzw. Aktors beschreiben. Abgefragt wird dieses Register mit dem stat Befehl. Die Dezimalsumme der Bits ergibt den Wert des Statusregisters:

Bit

Binär

Beschreibung

Dezimal

0 - Aktor nicht angesteckt 1 - Aktor angesteckt

0 1

2,1

22, 21

0, 0 – Aktor ohne Messsystem 0, 1 – Dehnmessstreifen 1, 0 – kapazitives Messsystem

0 2 4

------

0 – geregeltes System 1 – ungeregeltes System

------

0 – Aktorsteuerspannung nicht freigegeben 1 – Aktorsteuerspannung freigegeben

0 – Regelung aus 1 – Regelung ein

128

------

11,10,9

211, 210,

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

512 1024 1536 2048 2560

212

0 – Kerbfilter aus 1 – Kerbfilter ein

4096

213

0 – Tiefpassfilter aus 1 – Tiefpassfilter ein

8192

214

------

215

------

Tabelle 11: Statusregister

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8.6 Funktionsgenerator

Jeder Verstärker EVDxxx 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

Sinus

Dreieck

Rechteck

Rauschen

Wobbeln

Amplitude 0...100%

√ √ √

√

Offset 0...100%

√ √ √

√

Frequenz 0,1...9999,9Hz

√ √ √

Wobbelzeit 0,4...800s/Dek

- - -

√

Symmetrie

0.1...99.9%

- √ √

Tabelle 12: Parameter Funktionsgenerator

4Tsw

100

1000

10000

sweep [Hz]

3Tsw2Tsw1Tsw

sweep

[s]

Achtung: Während des Wobbelns dürfen keine Triggersignale ausgegeben werden (trgedge =0).

Ampl.

[%]

100

20%

z.B. 90 %

Ampl.

[%]

100

20%

50 %

Dreieckfunktion Rechteckfunktion

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.

Die eingegebene Amplitude ist die SpitzeSpitze Amplitude. Die Wobbeltiefe ist fest auf 0,1Hz...10kHz (5 Dekaden) eingestellt. Dabei erhöht sich die Frequenz logarithmisch. In diesem Fall repräsentiert der Parameter

„Wobbelzeit“ die Dauer einer Dekade.

Achtung:

Die Sweepkurve kann nicht in Echtzeit berechnet werden, sie wird beim Einschalten des Sweep-Generators einmalig ermittelt und im Speicher abgelegt. Dies kann je nach gewähltem Parameter „gtswe" wenige Sekunden dauern. Wird die Sweepdauer verändert, so ist die Neuberechnung der Werte durch Aus- und Einschalten der Generatorfunktion (gfkt) zu initiieren.

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8.7 Ausgeben 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,Kanal,1), eine fallende (trgedge,Kanal,2) oder beide Flanken (trgedge,Kanal,3) zu setzen, mit trgedge,Kanal,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,Kanal,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. Die Punkte Triggerstart, Triggerende und Triggerintervall sind so zu wählen, dass die Rechnung (TriggerendeTriggerstart)/Triggerintervall eine ganze Zahl n ohne Rest ergibt. Die Anzahl der ausgegebenen Triggerpunkte ist dann n+1.

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,Kanal,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 Pos 10µm von "unten", d.h. aus einer Position 10µm- (0,2% von 80µm) angefahren wird.

Erweiterte Triggerfunktionen (trgedge= 4 / 5 / 7):

Die Funktion trgedge,Kanal,4 gibt einen Trigger bei jeder Bewegungsumkehr aus, bei trgedge,Kanal,5 ist die Ausgabe gegenüber trgedge,Kanal,4 invertiert. Es werden keine Parameter benötigt.

Abb: trgedge=,4

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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)

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).

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Tiggerung auf den Sollwert:

Bei sehr kleinen Triggerabständen (Größenordnung <=1/1000 des Aktorhubes) wird der Einfluss des intern vorliegenden, elektrischen Rauschens des Positionsmesswertes relevant. Es kann zu fehlerhaften Triggerausgaben kommen. Die ist z.B. daran zu erkennen, dass die Anzahl der ausgegebenen Triggerimpulse nicht mit der erwarteten Anzahl übereinstimmt. Eine Lösung für dieses Problem kann die Triggerung auf den Sollwert darstellen. Hier werden folgende Umstände ausgenutzt:

 Das reale Positionsrauschen am Aktor ist deutlich geringer als das intern elektrisch

vorliegende.

 Der Sollwert ist (wenn digital vorgegeben bzw. intern erzeugt) quasi rauschfrei. Die Triggersignale werden hier in Abhängigkeit des Sollwertes generiert. Es muss beachtet werden, dass das System geregelt betrieben wird, um Differenzen zwischen Soll- und Istwert zu minimieren. Weitern ist zu beachten, dass auch im geregelten Fall immer eine Differenz zwischen Soll- und Istwert verbleiben (Folgefehler bzw. Schlepppfehler). Dieser ist abhängig von den Parametern Verfahrgeschwindigkeit und Reglereinstellung. Wird eine Kurve mit konstanter Geschwindigkeit gefahren, so ist der Folgefehler auch nahezu konstant. Zur einfachen Korrektur der Triggerpunkte wurde der Parameter trgos (Triggeroffset) eingeführt. Wenn der Offset (trgos) auf den Wert des Folgefehlers gesetzt wird, so wird die Ausgabe der Triggerpunkte um den angegebenen Wert so verschoben, dass die Triggerpunkte mit dem realen Positionswerten möglichst gut übereinstimmen. Der Wert für den Offset ist positiv, wenn der Positionswert dem Sollwert nacheilt (Normalfall). Ist der Folgefehler nicht bekannt, so ist der Offset auf 0 zu setzen. Bei Triggerung auf den Positionswert wird der Offset immer auf 0 gesetzt.

trgss

untere Triggerposition Dieser Wert gibt die untere Position an, ab der ein Triggersignal ausgelöst wird.

[µm] bzw. [mrad]

trgse

obere Triggerposition Dieser Wert gibt die obere Position an, bis zu der ein Triggersignal ausgelöst wird.

[µm] bzw. [mrad]

trgsi

Triggerintervall Dieser Wert gibt die Intervallgröße an, in der ab dem unteren Wegwert ein Triggersignal ausgelöst wird.

[µm] bzw. [mrad]

trgedge

Triggerflanke Dieser Wert gibt an, in welcher Richtung eine Triggerschwelle passiert werden muss, um ein Triggersignal auszulösen.

(0=aus, 1=steigend, 2=fallend, 3=beide Flanken) trglen

Triggerlänge Dieser Wert bestimmt die zeitliche Länge des Triggersignales

(n*20µs n=1...255)

trgsrc

TriggerSource: Umschaltung zwischen Triggerung auf den Positionswert bzw. auf den Sollwert

0 = Positionswert (Meßwert) 1 = Sollwert

trgos

TriggerOffset: Verschiebung der Triggerpunkte bei Triggerung auf Sollwert

[µm] bzw. [mrad]

Tabelle 13: Parameter Trigger

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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: Belegung der Triggersignale auf der „ANALOG“-Buchse

8.8 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.

Scantyp

Funktion

Anzahl der Perioden

Sinus

Dreieck

1 3 Sinus

Dreieck

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

Abb.: Ausgangsspannung eines Sinusscan (open loop)

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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.

Abb.: Sinusscan mit Triggerimpulsen auf der steigenden bzw. auf beiden Flanken

Abb.: Dreieckscan mit Triggerimpulsen auf der steigenden Flanke

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8.9 Datenrecorder

Zur genauen Analyse des Systemverhaltens steht dem Anwender ein zweikanaliger Datenrecorder zur Verfügung. Es wird auf Kanal 1 das Positionssignal aufgezeichnet und auf Kanal 2 die Aktorspannung. Die maximale Aufzeichnungslänge beträgt jeweils 500000 Werte. Diese Länge ist für beide Kanäle gleich, sie wird mit dem Parameter reclen,[0..500000] festgelegt. Für langsame bzw. mäßig schnelle Bewegungen ist es ausreichend, wenn die Samplefrequenz von max. 50kHz reduziert wird und nur jeder n-te Wert aufgezeichnet wird. Dies wird mit dem Parameter recstride,n eingestellt (n=1..1000). Die Aufzeichnungsdauer ergibt sich zu t= 20µs*reclen*recstride.

Der Datenrecorder kann auf mehrere Arten gestartet werden:

 der set-Befehl: startet den Datenrecorder, läuft gerade eine Aufzeichnung, so wird sie

abgebrochen und neu gestartet

 das Einschalten des Funktionsgenerators (gfkt,n mit n>0) startet den Recorder

 das starten der Scan-Funktion (ss,1) startet den Recorder

 das Kommando recstart,1 startet den Recorder (z.B. auch ohne dass eine Bewegung

stattfindet)

Die Aufzeichnung endet automatisch nach dem Erreichen der eingestellten Aufzeichnungslänge (reclen). Das Auslesen des Datenrecorders kann unabhängig von der Aufzeichnung erfolgen, auch während einer Aufzeichnung.

Auslesen des Datenrecorders:

Zum Auslesen des Datenrecorders dienen die Kommandos „m“ (Positionswert) und „u“

(Spannung). Das Auslesen des Recorders kann von beliebiger Stelle an erfolgen, die Ausleseadresse wird mit

„recrdptr,n“ [n=0…499999] eingestellt. Danach kann mit „m“ bzw. „u“ ein Sample des Recorders

ausgelesen werden, der Adresszeiger wird intern automatisch inkrementiert, so dass ein weiteres Kommando m bzw. u den nächsten Wert liefert. Wird von einem Kanal auf den anderen gewechselt, so ist die Lese-Start-Position neu zu setzen.

Es stehen verschiedene Auslesemodi zur Verfügung. Wird das Kommando „m“ bzw. „u“ ohne

Parameter oder mit Parameter=0 gesendet, so entspricht die Antwort dem Format „Kommando,Wert“. Wird mit Parameter=1 gesendet, so entspricht die Antwort dem Format „Wert“. Wird ein weiterer Parameter=n angehängt, so gibt das Gerät einen Block mit n Werten zurück.

Ausgabe-Datenformat: Um die Datenübertragung möglichst kurz zu gestalten, wurde eine datenreduzierte Übertagung mit

konstanter Datenlänge realisiert. Es werden counts im hexadezimal-Format im Wertebereich von

0..ffff (16bit) übertragen. Diese counts repräsentieren für den Positionssensor einen Wegbereich von -30%...+130%, wobei 0..100% dem geregelten Wegbereich entspricht und ein Überschwingen von +/-30% noch darstellbar ist.

 

30counts

65535

160

%Position 

Für den Aktorspannungsbereich genügen -5%..105%, wobei 0%  -20V entspricht und 100% 130V entspricht. Der maximal darstellbare Spannungsbereich wäre dann von -27,5V..137,5V.

Spannung [V] =

165V 65535

∗ counts − 27,5V

 

5,27counts

65535

165

Spannung V

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Eine Antwort auf das Kommando m sieht z.B. wie folgt aus: „m,b63a“. Der Wert b63a

hex

entspricht 46650

dezimal,

das entspricht einer Position von 83,89% des geregelten

Hubes.

 

89,833046650

65535

160

%Position 

Beispiel: Es soll ein Sprung (ungeregelt, open loop) aufgezeichnet werden, mit einer Aufzeichnungsdauer

von 200ms, mit einem Sampleabstand von 100µs. Daraus resultiert eine Aufzeichnungslänge von mindestens 2000 Samples (es kann auch länger aufgezeichnet werden, jedoch mindestens die gewünschte Ausleselänge). Danach werden zuerst die Positionswerte ausgelesen, anschließend der Aktorspannungsverlauf.

cl,0 // open loop set,-10 // auf Initialspannung -10V stellen etwas warten, bis Position erreicht ist (z.B. 0,5s)

recstride,5 // 5x20µs=100µs reclen,2000 // 200ms/100µs=2000 Samples set,110 // Sprung (in OL) auf 110V ausführen, Recorder startet automatisch warten bis Sprung ausgeführt wurde recrdptr,0 // rec_read_pointer (Leseadresse auf 0 stellen) m // 1. Sample (Position) auslesen m // 2. Sample (Position) auslesen …

recrdptr,0 // rec_read_pointer (Leseadresse auf 0 stellen) u // 1. Sample (Spannung) auslesen u // 2. Sample (Spannung) auslesen …

Beispiele für verschiedene Lesemodi: u<CR> Antwort: u,Wert<CR> u,0<CR> Antwort: u,Wert<CR> u,1<CR> Antwort: Wert<CR> u,0,3<CR> Antwort: u,Wert<CR> u,Wert<CR> u,Wert<CR> u,1,4<CR> Antwort: Wert<CR> Wert<CR> Wert<CR> Wert<CR>

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9 Bedienung

Der Aktor wird über den „PIEZO“-Stecker des EVDxxx angeschlossen. Das OFFSET Potentiometer 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.

Nach dem Einschalten zeigt die READY LED des EDS-Moduls die Betriebsbereitschaft an und beendet seinen Selbsttest mit der Anzeige „Hauptmenü“. Die vorhandenen Piezoverstärker durchlaufen in den nächsten Sekunden eine Initialisierungssequenz. Dies wird durch Blinken der UDL- und OVL-LED auf den EVDxxx-Modulen angezeigt. Während dieser Zeit übergeben alle Verstärker ihre gespeicherten Kennwerte (DSP-Parameter) und die aus dem ID-Chip des angeschlossenen Aktors gelesenen Aktorkennwerte an die EDS. Verstärker ohne angeschlossenem Aktor blinken weiterhin und senden keine Signale an die EDS. Auf dem Display werden die belegten Verstärkerkanäle 1...x (= Zeile 1...max. 6) angezeigt. Stecken z.B. in Steckplatz 1, 2 und 3 (v. l. n. r.) Verstärkermodule, so zeigt die Anzeige in Zeile 1, 2 und 3 die Aktornamen „X“ („Y“, „Z“...), „ol“ (open loop) und die Aktorausgangsspannung „-20,000 V“ an. Die Steckplätze, in denen kein Verstärker steckt bzw. an dem kein Aktor angeschlossen ist, sind mit Fragezeichen ausgefüllt.

Bei Nichtbetätigen des OFFSET Potentiometers befindet sich der Aktor unterhalb des Regelbereiches am negativsten Punkt (linke Pos. s. Abb.3) des Gesamtstellbereiches (rechte Pos. s. Abb.3). Wird anschließend in den geregelten Betriebsmodus durch Druck auf das OFFSET Potentiometer umgeschaltet, bewegt sich der Aktor auf die Nullposition des Regelbereiches (Position „0µm“). Der Aktor kann dabei in Abhängigkeit von der gerade eingestellten Position einen Sprung ausführen, da der geregelte Stellbereich nur ungefähr 80% vom möglichen Gesamtstellbereich beträgt. Wird das OFFSET Potentiometer anschließend in die rechte Endlage gedreht, so wird der geregelte maximale Weg (Position „Max“) angefahren und angezeigt. Dieser Weg ist von der Spezifikation des Aktors abhängig und kann je nach Aktortyp variieren.

Abbildung 3: 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 LEDs erloschen, lag einer der o.g. Fehler vor.

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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.

10 Reglereinstellung

Sobald ein Piezoaktor von piezosystem jena an den Verstärker EVDxxx 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 Piezo-Aktoren 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 das OFFSET Potentiometer des jeweiligen Kanals ein. Man verändert schrittweise immer einen Parameter und überprüft das Ergebnis mit dem Oszilloskop an der Monitorbuchse des jeweiligen Piezoverstärkers. Dabei ist im Menü „Analog I/O“ der Monitorausgang auf Umes/OL 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 das OFFSET Potentiometer des betreffenden Verstärkers 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 das Auswahlmenü Anstieg/Filter erreichbar. Bei Filtertyp ist Notch (Kerbfilter) auszuwählen.

Die Wobbelfunktion des internen Funktionsgenerators kann zur Ermittlung der Hauptresonanz genutzt werden. Dazu wählt man im Auswahlmenü des Aktors den Punkt Funktionsgenerator mit der Funktion Wobbeln aus. Die Amplitude stellt man auf 5%, die Offset auf 0% und die Wobbelzeit auf 1 (1 s/Dekade). Den Piezoverstärker stellt man auf ungeregelt (OL/CL-LED am Verstärker leuchtet grün). Mit Hilfe des 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. Das Bild 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 eingestellt werden, bis die Kerbe an der Stelle ist, wo die Überhöhung war. Bei Verwendung des Kerbfilters kann ein erhöhtes Positionsrauschen auftreten.

Den richtigen ki-Wert (Nachstellzeit) ermittelt man wie folgt: Im Menü Funktionsgenerator stellt man auf Rechteck 1Hz, Amplitude ca. 50% (oder

entsprechend der späteren Applikation) und Offset 25%. Der Monitorausgang wird auf Umes/CL eingestellt. Am Oszilloskop sind folgende Einstellungen vorzunehmen: Speicherbetrieb, Zeitbasis = 0,05s/cm und Eingangsspannung = 1V/cm. Am Verstärker ist durch Druck auf das OFFSET Potentiometer der Regler einzuschalten (closed loop). Die OL/CL-LED leuchtet gelb. 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-

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Wertes im Menü Digitalregler ändern. 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 das OFFSET Potentiometer des betreffenden Verstärkers 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 im Menü Anstieg/Filter zu erhöhen, solange kein Aufschwingen bzw. größeres Überschwingen auftritt.

Mit dem Filtertyp Tpass kann die Einschwingkurve beruhigt werden (Tpass reduzieren = Einschwingen ruhiger). Jedoch vergrößert eine niedrige Tiefpassfrequenz die Zeitverzögerung zwischen Soll- und Positionswert.

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

keine Reaktion beim Einschalten

Überprüfen Sie die Spannungszuführung an der Geräterückseite. Ist der Netzhauptschalter eingeschaltet (dieser befindet sich an der Rückseite des Gerätes)? Zwischen Netzbuchse und Netzschalter befinden sich 2 Sicherungen, die überprüft werden sollten. Im Falle eines Defekts bitte nur Sicherungen gleichen Wertes und Typs einsetzen!

UDL/OVL-LEDs blinken

Überprüfen Sie, ob der Aktor richtig angesteckt und die Verriegelungsschrauben des SUB-D Steckers angezogen sind. Kontrollieren Sie bitte die Kabel auf Beschädigung oder Kurzschlüsse.

UDL/OVL-LEDs im geregelten Betrieb (closed loop) leuchten auf

Überprüfen Sie 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 führt dazu, dass er seine vorgegebene Position nicht erreicht. Lösen Sie den Aktor von der Peripherie. Sind die LEDs erloschen, lag einer der o.g. Fehler vor. Hinweis Einbaulage: Hängenden Aufbauten bzw. Aktoren upside down können ebenfalls Probleme verursachen

Aktor schwingt bei closed loop in Resonanzfrequenz

Reglereinstellungen überprüfen, ki reduzieren, kd reduzieren

zurückgelesene Messwerte differieren um festen Betrag von digitaler Sollwertvorgabe

Schalten Sie den analogen Modulationseingang ab mit dem Befehl modon,x,0 (siehe 8.5.3 Befehlssatz). Dieser kann eventuell Störungen oder eine Sollwert-Offset verursachen.

Aktor bewegt sich nicht trotz analoger Modulation über den MOD-Eingang

Schalten Sie den analogen Modulationseingang ein mit dem Befehl modon,x,1 (siehe 8.5.3 Befehlssatz).

Angezeigte Werte bzw. über die Schnittstelle ausgegebene Werte entsprechen nicht dem Signalverlauf

Es treten eventuell Alias-Effekte auf: wenn die Ausleserate geringer ist als die halbe Arbeitsfrequenz (Unterabtastung), treten Alias-Effekte auf. Diese wirken sich nur auf die Anzeige aus, nicht auf das reale System.

Tabelle 14: Fehler

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11.1 Fehlerregister

Das Fehlerregister ist ein 16bit Register, wobei die einzelnen Bits die verschiedenen Fehler beim Betrieb des d-Drive beschreiben. Wenn ein Fehler auftritt, ändert sich das Fehlerregister und es wird automatisch eine Fehlermeldung über die Schnittstelle zum Computer gesendet:

„?ERR,Kanal,Fehler“ CR LF.

Die Dezimalsumme der Bits ergibt den Fehler-Wert:

Bit

Beschreibung

Dezimal

I²C Fehler 0 – kein Fehler 1 – I²C Fehler

0 1

------

Temperatur 0 – kein Fehler 1 – Temp. außerhalb des Bereiches

0 4

OVL 0 – kein Fehler 1 – Übersteuerung in CL

0 8

UDL 0 – kein Fehler 1 – Untersteuerung in CL

5 – 15

------

Tabelle 15: 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 Piezo-Aktoren 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.

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12 Ihre Notizen

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Table of contents

1 introduction ...................................................................................................................... 49

2 certification of piezosystem jena ..................................................................................... 49

3 declaration of conformity ................................................................................................. 49

4 purchased part package ................................................................................................. 50

5 instructions for using piezoelectric elements and power supplies ................................. 50

6 safety instructions ........................................................................................................... 51

6.1 installation, power supply ................................................................................................ 52

6.2 operation.......................................................................................................................... 52

6.3 maintenance and inspection ........................................................................................... 53

6.4 environmental conditions ................................................................................................ 53

7 instructions for checking the function of the system / quick start ................................... 53

8 how to operate the digital system d-Drive® .................................................................... 54

8.1 common introduction ....................................................................................................... 54

8.2 system housing 84TE with power supply ....................................................................... 55

8.2.1 function ............................................................................................................................ 55

8.2.2 technical data system housings ...................................................................................... 55

8.3 power amplifier EVD50, EVD125, EVD300 .................................................................... 56

8.3.1 function ............................................................................................................................ 56

8.3.2 MOD/MON ....................................................................................................................... 59

8.3.3 pinning ............................................................................................................................. 61

8.3.4 technical data EVDxxx .................................................................................................... 62

8.4 interface EDS1, EDS2..................................................................................................... 63

8.4.1 function EDS2 ................................................................................................................. 63

8.4.2 menus EDS2 ................................................................................................................... 64

8.4.3 pinning EDSx ................................................................................................................... 65

8.4.4 technical data EDSx ........................................................................................................ 66

8.5 communication & commands .......................................................................................... 66

8.5.1 communication via RS232 .............................................................................................. 66

8.5.2 driver installation of USB interface .................................................................................. 67

8.5.3 commands ....................................................................................................................... 73

8.5.4 status register .................................................................................................................. 77

8.6 function generator ........................................................................................................... 77

8.7 output of trigger signals ................................................................................................... 78

8.8 scan function ................................................................................................................... 81

8.9 data recorder ................................................................................................................... 83

9 handling ........................................................................................................................... 85

10 controller adjustment ....................................................................................................... 86

11 troubleshooting ................................................................................................................ 87

11.1 error register .................................................................................................................... 88

12 your notes ........................................................................................................................ 89

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This instruction manual includes important information about 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 the maintenance of this precision over a long period of time.

1 introduction

This manual describes the d-Drive® piezo digital system 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 Strasse 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.

3 declaration of conformity

The CE Declaration of Conformity is available on our website www.piezosystem.com.

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4 purchased part package

Please check the completeness of the delivery after receiving the shipment:

 d-Drive® digital system  power cord  RS232 cable  USB cable  instruction manual  CD-ROM with driver, software, and instruction manual

5 instructions for using piezoelectric elements and power supplies

 Piezoelectric actuators from piezosystem jena are controlled by voltages of 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 piezoelectric 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 such actions as those 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 then the preload, given in the data sheet). Please note that the 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 the 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 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 invalidation 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 become invalid.

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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

only demonstrate their excellent properties if they are handled correctly! Please mount

them properly only 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 power supply cord or plug is 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

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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!

 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.

6.2 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, it 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.

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6.3 maintenance and inspection

CAUTION!

 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, it may result in

a fire or electrical shock.

6.4 environmental conditions

The amplifier can be used:

 indoors only  at an altitude up to 2000 m  at a temperature of 5 ... 35 °C  at a relative humidity of 5 ... 95% (non-condensing)

The recommended environmental conditions:

 indoors only  at an altitude up to 2000 m  at a temperature of 20...22 °C  at a relative humidity of 5 ... 80% (non-condensing)

7 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 contain 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 for

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 that the cables

are connected properly to the electronics.

 Switch on the power supply on the back side (Standby).  Switch on the system by pressing the POWER button on the EDS. The green

“READY” LED indicates the power supply is working.

 It is followed by a short self test of all parts.  All of the yellow LEDs included in the EVD50 will blink. The green “ON” LED will shine

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.

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 The interface EDS2 finishes its self test by showing “main menu”, and then the channels

of amplifiers present are displayed. If there are amplifiers in slot 1 and 2, the display in

rows 1 and 2 shows the actuator name “X” (“Y”...), “ol” (open loop) and the actuator

voltage “-20.000 V”. The rows 3...6 are blank because there are no amplifiers or actuators

connected. If the system includes the EDS1 without display, you can check the status

with the command “stat Enter” by using a terminal program via RS232.

 Turn the potentiometer to the right until the display shows about 130 V. The actuator is in

the maximum position.

 Turn the potentiometer to the left till the display shows about -20 V. The actuator is in the

minimum position.

 Switch on closed loop by pressing on the potentiometer. The “OL/CL” LED will shine

yellow. On the EDS2 the display will change from “op” to “cl” and “-20.000 V” to “0 μm”.

Turn the potentiometer to the right until the maximum position is reached and the actuator

does its maximum closed loop movement.

 Turn the potentiometer to the left until the minimum position (0 µm) is reached and switch

off the closed loop.

 Do this procedure with all connected actuators.  Switch off the power supply by pressing the POWER button on the EDS2 longer than

2 seconds.

 If the system is switched off a long time (longer then 1 day), please switch off the switch

on the back side of the system.

 The function check is complete.  If there were errors during the procedure, read the troubleshooting chapter.

8 how to operate the digital system d-Drive®

8.1 common introduction

The new digital generation of piezo controllers of piezosystem jena, d-Drive®, combines the highest positioning accuracy with a unique handling comfort. This means that a PC can control all features and the main functions can be directly handled by the front panel. It was specially developed for multichannel functions. With the fast Digital Signal Processor (DSP) many functions are possible. We also implemented adjustable features, such as slew rate, notch filter and low pass filter. A built-in function generator offers sine, triangular, and square functions, as well as noise and sweep. The actuators are separable and exchangeable, due to integrated IDinformation. The actuator type, linearity optimization, and PID-settings are stored on an ID-chip in the actuator’s plug. The calibration is done with an integrated pre-amplifier.

All these functions and the 20-bit resolution with 50 kSPS (50 kHz sampling rate) make the d-Drive® an excellent choice for nanopositioning and scanning applications, including scanning microscopy, metrology, surface profiling, cell tracking, nanotechnology, and many other applications.

The expandable system includes the system housing with an integrated wide range power supply in two power levels, a data exchange module with or without display, and 1 to 6 amplifier channels with digital controllers at different levels of power depending on the application.

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8.2 system housing 84TE with power supply

8.2.1 function

There are two 19” 84TE system housings with two different built-in wide range power supplies with Power Factor Correction (PFC) that generate all the required high and low voltages.

On the back side of the housing there are 2 fuses, the power switch and the line filter. The short housing is prepared to operate a maximum of 6 EVD50 digital piezo amplifiers and a data exchange module with or without display. The deep housing with high power is prepared to operate a maximum of 3 EVD300 digital piezo amplifiers and a data exchange module with or without display. All modules are connected by a back plate.

8.2.2 technical data system housings

84TE 315mm depth

84TE 375mm depth

Operating voltage

100 - 240 VAC / 50 - 60 Hz

Input current

typ. 0.9A @ 115V typ. 0.5A @ 230V

typ. 1.7A @ 115V typ. 1.0A @ 230V

Power consumption

typ. 120W

typ. 230W

Primary fuses

2x T6.3A / 250V 5x20mm

Power connector

IEC-60320 C13

Output voltages

+145V / 300mA

-30V / 300mA

+15V / 500mA

-15V / 500mA +5V / 2.2A

+145V / 450mA

-30V / 450mA

+15V / 500mA

-15V / 500mA +5V / 2.2A

Dimensions (WxHxD) [mm]

450 x 150 x 360

450 x 150 x 420

Weight [kg]

4.8

7.3

Specifics

active cooling

active cooling, auto power on

table 1: technical data

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8.3 power amplifier EVD50, EVD125, EVD300

8.3.1 function

The piezo amplifiers EVDxxx are designed for low voltage piezo elements. It is integrated into a 19” housing with a width equivalent to 10 units (EVD50) or 20 units (EVD125, EVD300). It varies in output current. You can use actuators with or without an integrated measurement system (series D). It is possible to control the amplifier with an analog signal via the modulation input or digitally via CAN-Bus. The best results for resolution and accuracy can only be achieved by setting the digital target values. Because of the very low noise (lower than 0.5mVRMS), the d-Drive® is particularly suitable for nanopositioning. The position of the actuator and all status messages are shown on the EDS2 display. If there is an EDS1 without display included, you can check the status with the command “stat Enter” by using a terminal program via RS232. The new integrated digital PID–controller allows positioning of actuators which include measurement systems to eliminate drift and hysteresis. The modular construction allows a quick and easy exchange of modules and makes the system ideal for industrial purposes.

Ünderloading indicator

knob for manual positioning

MOD/MONconnection

ol/cl indicator

actuator connection

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The following sketch shows the function groups of the amplifiers:

sketch 1: function groups of the amplifiers

xxx

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The command for the controller consists of the analog signal applied to the MOD input, the digital value given by the OFFSET potentiometer, and the digital value from the EDS2 via CAN-Bus. The slew rate of the amplifier can be adapted to your system using the "slew rate" limit 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 setting 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 is adjusted.

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. ki is the time constant governing the time it takes for the output to get to a certain value. For a step input it is the time taken for the output to equal the input.

yi = 1/ki * err *Ts Ts = 1 / sample frequency (50 kHz)

ki = time constant yi = output of i-term

In general the differential term combats ringing (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 sum of these 3 terms generates a PID–control function. 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 the PID-controller is bridged and the command input controls the amplifier.

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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.

In addition, further filters („errlpf“, “elpor” and „tf“) are tunable available. The filter “errlpf” works as a low pass with selectable order to the positioning error, which is defined

as the difference between the setpoint and the real position. Its order can be selected by the parameter “elpor” with range 1st to 4th order. The positioning error represents the input value for the PID loop controller. It is preset to a default value of 180Hz with 1st order. The filter “tf” influences the differential part of the loop control and may result in noise reduction. Typical values are tf=0.01*kd. For compatibility with earlier versions, the factory setting for tf is 0 (deactivated). To reduce the tracking error especially during continuous operation (e.g. sinusoidal movements or similar), a pilot control (with the setpoint) can be used. The related command is “pcf,value” with

“value” ranging from 0 (not active) to 1.0 (full setpoint feed forward). Depending on the actuator

specific motion control reserve, a value of 0.75 is the default estimation. The factory setting is 0 (deactivated). 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.

8.3.2 MOD/MON

modulation input: MOD

The motion of the actuator can be remotely controlled using this input. The control signal must be in the range of 0...+10 V. There is an internal addition of the MOD signal, the adjusted OFFSET potentiometer, 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 8.5.3

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commands). 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 of 0…+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

Description

Display

Value

MON

monitor output

(default = 0)

Umes/CL Udes Uact Uerr Uerrabs Uout Umes/OL

0 = position in closed loop 1 = reference input 2 = PID command voltage 3 = closed loop deviation including sign 4 = absolute closed loop deviation 5 = actuator voltage 6 = position in open loop

table 2: monitor

0 (Umes/CL) position voltage in closed loop, it means an actuator with 80 μm in closed loop

generates 0...+10 V (= 8 μm/V or 0.125 V/μm)

1 (Udes) the reference input, sum of the analog signal applied to the MOD input, the digital

value by the OFFSET potentiometer, and the digital value from the EDS2 via

CAN-Bus 2 (Uact) output of the controller, set value for the power amplifier 3 (Uerr) 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...+10 V 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. 4 (Uerrabs) absolute closed loop control deviation:

|Uerr| = Ucom – Umes |Uerr| = 0...+10V

5 (Uout) the actuator voltage -20 V...+130 V converts to 0...+10 V; to calculate the actuator

voltage back from the measured monitor voltage, take the following formula: Uactuator = (Umon*15) – 20V

6 (Umes/OL) The position voltage in open loop (OL) is greater than in closed loop. The monitor

voltage would be smaller than 0 V and greater than +10 V. 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

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The default setting is the position value in closed loop.

actuator displacement

+10V

closed loop Upos (0)

Umon

open loop Upos source

Umon

+10V

actuator displacement actuator displacement

open loop Upos fitted (6)

open loop closed loop fitted

sketch 3: monitor output

8.3.3 pinning

ANALOG: SUB-D socket 9pin

designation

description

MON+

monitor output 0 ... +10V

MON-

signal ground

MOD+

modulation input 0 ... +10V

MOD-

signal ground

TRG+

trigger output (low-active)

TRG-

digital ground trigger

table 4: pinning

PIEZO: SUB-D plug 15pin

designation

description

1,2,11

AGND

analog ground

+15V *

operating voltage measurement +15V

4,14

GND

digital ground

SDA

I²C-Bus SDA

5Veeprom *

operating voltage ID-Chip

Vout2

actuator voltage 2 +130 ... -20V for nanoXTM

Vout

actuator voltage -20 ... +130V

+MESS

position signal -8 ... +8V

-15V *

operating voltage measurement -15V

SCL

I²C-Bus SCL

DETECT

actuator detection

Piezomasse

actuator ground

[*] Not for external use table 5: pinning

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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.

8.3.4 technical data EVDxxx

EVD50

EVD125

EVD300

output power:

7.5W (max. 15W for nanoXTM actuators)

16W (max. 32W for nanoXTM actuators)

40W

output voltages:

-20V...+130V

+130V...-20V for nanoX TM actuators

output current (continuous):

50mA (2x 50mA for nanoX)

125mA (2x125mA for nanoX)

300mA (2x150mA for nanoX)

output noise:

<0.3mVRMS @ 500Hz

<0.5mVRMS @ 500Hz

actuator / measurement connector:

15pin SUB-D plug

monitor output:

0 ... +10V (programmable signal source)

monitor output impedance:

50Ω

modulation input:

0 ... +10V (disconnectable)

modulation input impedance:

25kΩ

trigger output (low active)

5V/0V with pull up drain resistor 240Ω

MOD - MON connector:

SUB-D socket 9pin

offset voltage:

-20V ... +130V via encoder

safety functions:

short circuit proof, temperature fuse

protection circuit:

4 fuses F50mA / 250V 5x20mm

(can only be changed by authorized service personnel)

display (LED):

green / yellow

green = in operation / open loop

yellow = closed loop

OVL (yellow) = overload

UDL (yellow) = underload

dimensions:

3HE 10TE

3 HE 20TE

3HE 20TE

weight:

0.35kg

0.9kg

1.03kg

table 6: technical data

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Operate

Power button

PC Interface RS232

menu navigation

Enter

turn changes value / push enters value

PC Interface USB

8.4 interface EDS1, EDS2

8.4.1 function EDS2

The EDS2 data interface enables communication between the user and the piezo drive. It displays status messages, as well as recent values of the system, on a graphic TFT-display. Specific parameters can be adjusted using the controls on the EDS2. As opposed to the EDS2, the EDS1 only offers a serial interface. It has no display or controls. All adjustments have to be done by using a PC or laptop running the terminal program. The command set is the same that is used in EDS2. For full control and comfortable adjustment we recommend using a PC or laptop running the control program. The full command set is explained in chapter titled “commands”.

The POWER button switches the device on. By pressing the button for longer than 2 seconds the device gets switched off. The PC interface enables communication between the EDS and the PC or laptop. The cursor buttons navigate through the submenus. By pressing the Enter button one can jump into the pertaining menu. In the input settings menu, the value can be changed by using the knob. The star (*) before the value indicates that the value was changed. By pressing the turning knob, the value is accepted. If you leave the menu without pressing the knob, the old value will be restored.

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8.4.2 menus EDS2

The following menus are available:

main menu

xxx.xxx V

xxx.xxx µm

xxx.xxx V

Setup

language

english

baud rate

115200

brightness

back

If you place the cursor on the channel name and press Enter, the choose menu of the selected channel opens:

choose menu [channel]

function generator

slew rate / filter

digital controller

analog i/o

information

back

fct. generator [channel]

function

sine

state

ampl. [%]

1.000

offset. [%]

0.000

freq. [Hz]

1.000

sym. [%]

1.000

back

slew rate/filter [channel]

slewr.[V/ms]

0.2

filter type

notch

state

freq. [Hz]

200

bandw. [Hz]

100

back

X,Y,Z = actuator name (X=channel 0 (1. from left)) op/cl = open / closed loop xxx.xxx = at “op” actuator voltage in Volts at “cl” displacement in μm

german / english 9600 / 38400 / 57600 / 115200

0...10 brightness of TFT-display

sine / triangle / rectangle / noise / sweep on / off

0.0 to 100.000

0.1 to 9999.9

0.1 to 99.9

0.1...100.0 notch / low pass on / off 0 to 20000 0 to 20000

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dig. controller [channel]

0.00000

50.00000

0.00020

back

analog i/o [channel]

monitor

Umess/CL

modul.

back

information [channel]

actuator

PX200CAP

sensor

CAP

ser.no.act

64070

back

In the “information” menu all values are only read. The “back” selection jumps back to the main menu from each sub menu.

A star [*] before the value indicates a changed parameter. By pressing the knob the value is accepted (the star disappears). If you leave the menu without acknowledging it, the old value will be restored.

8.4.3 pinning EDSx

RS232: SUB-D socket 9pin

designation

description

TxD

RS232 transceiver

RxD

RS232 receiver

GND

RS232 ground

table 7: pinning

0 to 999.00000 0 to 999.00000 0 to 999.00000

Umes[CL] / Usoll / Ustell / Uerr / Uerrabs / Uout / Umes[OL] on / off

actuator name sensor type actuator serial number

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USB 1.1: plug Series A

designation

description

VCC

operating voltage +5V

D-

data -

D+

data +

GND

operating voltage Ground

table 8: pinning

8.4.4 technical data EDSx

EDS1

EDS2

Power consumption:

max. 0.9W

max. 1.2W

Voltage / current requirements:

+5V / max. 180mA

+5V / max. 230mA

Interface:

RS232

USB 1.1

CAN-Bus (internal required)

RS232 baud rate:

115200 baud

RS232 connector:

SUB-D socket 9pin

CAN baud rate:

1MBaud

Display:

 no  Ready LED green

 Full Color TFT-Display (320x240

dots) with white back light led

 Ready LED green

Control elements:

 Standby/Power button  Reset button

 Standby/Power button  Cursor buttons  incremental encoder  Reset button

Dimensions (H W D):

3HE 24TE 160mm

Weight:

0.2kg

0.3kg

table 9: technical data

8.5 communication & commands

8.5.1 communication via RS232

The d-Drive can easily communicate with your PC with the use of a terminal program (for example “hypertrm.exe” with Windows XP, please refer to your operating system’s manual).

A serial connection cable (included) is required to connect to your computer.

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115200 baud, 8 bit, no parity, 1 stop bit, Xon/Xoff handshake

All commands and responses of the system are encoded in ASCII-code, enabling easy reading and writing.

8.5.2 driver installation of USB interface

Two drivers are necessary to use the device. The first is responsible for the USB connection between PC and digital amplifier unit, the second is responsible for communication by the RS232 (COM) interface.

driver installation:

Please, first install the Bus driver FTDIBUS.inf and then the COM port driver FTDIPORT.inf. The following example shows the installation procedure with Windows XP:

Please connect the PC and the d-Drive via the supplied USB cable and then turn on the system.

The device is then identified.

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Please select the source.

Please select the extracted path “\psjUSB” (e.g. C:\psjUSB).

The Windows Logo testing is not relevant for this application, please continue installation.

The USB driver is now installed.

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The second driver needs to be installed like the first one (COM port). It’s the same procedure as before.

Please select the path “\psjUSB” (e.g. C:\psjUSB).

The Windows Logo testing is not relevant for this application, please continue installation.

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The COM port driver is now installed. The installation is finished. To use the d-Drive via the terminal program please select the COM port. The d-Drive system must be listed in “device manager  ports”.

Clicking the right button of your mouse on the device “piezojena…” enables you to change several parameters (not required).

In this example the d-Drive is connected to COM5.

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Connection setup for terminal program (Hyper Terminal):

Please select a name for the connection (e.g. dDrive).

Please select the corresponding COM port.

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The baud rate is not important. The speed is based on USB1.1. Important parameters are: 8 data bits, no parity, 1 stop bit, software handshake (Xon/Xoff).

For better handling please set the following “check marks  ready”.

Example: operation via hyper terminal:

On top you can see the prompt “DSM Vx.xxx” after pressing Enter. After this, you can see the response to the “stat” command.

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8.5.3 commands

global commands:

<command> Enter

command

description

shows all available commands

stat

shows the state of all amplifiers

dprpon

switch on the cyclic output of the active actuator’s position value *1

dprpof

switch off the cyclic output of the active actuator’s position value

dprson

switch on the automatic output of the status register when status of each module is changed

dprsof

switch off the automatic output of the status register when status of each module is changed

table 10a: commands

channel depended commands:

<command>,<channel>,<value> Enter <amplifier channel> = 0...5 (from left to right) <command>,<channel> Enter without a value reads out the current value.

command

description

value

stat

status request

see table 11

mess

position value request *1

[micron]

ktemp

amplifier temperature value

[degree Celsius]

rohm

operation time of actuator since shipping

[minutes]

rgver

displays the version number of loopcontroller

number

fan

switches the fan on/off

0 = off 1 = on

setf

set the output format of measurement value (mess)

0= three decimal places 1= scientific format

setg

set the output format of all floating point values except “mess”

0= three decimal places 1= scientific format

fenable

enables the actuator soft start

0= soft start disabled 1= soft start enabled

fbreak

aborts the actuator soft start

set

command value: actuator voltage (ol) displacement (cl)

-20 to 130.000 [V] 0 to xxx.xxx [μm] (maximum actuator displacement, see datasheet)

modon

modulation input MOD plug

0 = off 1 = on

monsrc

monitor output (0 = default)

0 = position in closed loop 1 = command value

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2 = controller output voltage 3 = closed loop deviation incl. sign 4 = absolute closed loop deviation 5 = actuator voltage 6 = position in open loop

open loop / closed loop

0 = open loop 1 = closed loop

slew rate

0.0000002 to 500.0 [V/ms], attributed to the modulation voltage (0 to 10V)

pcf

scale factor for pilot control

0..1 (0=deactivated, typically: 0.75)

errlpf

cut

of low pass filter for error value

1..10000 (typically 180) [Hz]

elpor

order of error low pass filter

1...4 (typically 1)

proportional term

0 to 999.0

integral term

0 to 999.0

differential term

0 to 999.0

filter for differential term

0..1 (default: 0; typically 0.01*kd)

notchon

notch filter

0 = off 1 = on

notchf

notch filter frequency

0 to 20000 [Hz]

notchb

bandwidth (-3dB)

0 to 20000 (max. 2 * notch_fr) [Hz]

Ipon

low pass filter

0 = off 1 = on

Ipf

low pass cut frequency

1 to 20000 [Hz]

sstd

set default factory settings

------

gfkt

internal function generator (see table 12)

0 = off 1 = sine 2 = triangle 3 = rectangle 4 = noise 5 = sweep

gasin

generator amplitude sine

0 to 100 [%]

gosin

amplitude offset sine

0 to 100 [%]

gfsin

generator frequency sine

0.1 to 9999.9 [Hz]

gatri

generator amplitude triangle

0 to 100 [%]

gotri

amplitude offset triangle

0 to 100 [%

gftri

generator frequency triangle

0.1 to 9999.9 [Hz]

gstri

symmetry of triangle

0.1 to 99.9 [%] default = 50 %

garec

generator amplitude rect.

0 to 100 [%]

gorec

amplitude offset rectangle

0 to 100 [%]

gfrec

generator frequency rectangle

0.1 to 9999.9 [Hz]

gsrec

symmetry of rectangle

0.1 to 99.9 [%] default = 50 %

ganoi

generator amplitude noise

0 to 100 [%]

gonoi

amplitude offset noise

0 to 100 [%]

gaswe

generator amplitude sweep

0 to 100 [%]

goswe

amplitude offset sweep

0 to 100 [%]

gtswe

generator sweep time

0.4 to 4 [sec/decade]

sct

scan type

0 = scan function off

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1 = sine scan (one period) 2 = triangle scan (one period) 3 = sine scan (two periods) 4 = triangle scan (two periods)

start scan

without value: request scan state 1 = starts scan

trgss

trigger generation stroke position start

minimum: >0.2% of total stoke to maximum: total stroke minus 0.2% of total stroke [µm] or [mrad]

trgse

trigger generation stroke position end

minimum: >0.2% of total stoke to maximum: total stroke minus 0.2% of total stroke [µm] or [mrad], always keep: trgse>trgss !

trgsi

trigger generation position intervals

>0.05% of total stroke in closed loop [µm] or [mrad]

trglen

duration of trigger impulses

n*20µs n=1...255

trgedge

trigger generation edge

0= trigger generation off 1= trigger generation at rising edge 2= trigger generation falling edge 3= trigger generation at both edges

trgsrc

input source for trigger generation

0= position value (measurement value) 1= set value

trgoffs

offset for trigger values

only active by triggering on set value, in units of actuator [µm] or [mrad]

reclen

record length [samples]

0..500000

recstride

stride n for recording

1..1000 (sample interval= n*20µs)

recrdptr

record read pointer

0..500000

recstart

starts data recording

responds actuator position, increments record read pointer

m without parameter : m,xxxx m,1 : xxxx m,0,n : block with length n with m,xxxx m,1,n: block with length n with xxxx

responds actuator voltage, increments record read pointer

u without parameter : u,xxxx u,1 : xxxx u,0,n : block with length n with u,xxxx u,1,n: block with length n with xxxx

bright

brightness of TFT-display

0 – display off .. 10 – maximum display brightness

table 10b: commands

Note *

: The modules EVDxx sends every 500ms an actual position value to the EDSx module.

This value is used for display and for output via serial interface. Overuse querying this value has no effect on the refresh rate. Moving the actuator above this frequency causes alias effects, which mean the output values represents not more the real signal sequence.

Example of command use:

An actuator with 80μm displacement in closed loop should have a swing in rectangle mode from

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20μm to 50μm. The actuator is plugged into channel 2 (amplifier 3) --> position 3 f.l.. It should stay on 20μm for 50ms and on 50μm for 150ms. The value from measurement system is then sent to the monitor output.

commands:

- cl,2,1 Enter closed loop amplifier 3 on

- gfkt,2,3 Enter generator function rectangle

- gfrec,2,5 Enter frequency rectangle = 1 / (50ms+150ms) = 5Hz

- garec,2,37.5 Enter amplitude rectangle = (50μm – 20μm) / 80μm * 100% = 37.5%

- gorec,2,25 Enter offset rectangle = 20μm / 80μm * 100 % = 25 %

- gsrec,2,25 Enter symmetry rectangle = 50ms / (50ms + 150ms) * 100% = 25%

- monsrc,2,0 Enter set monitor source to position value in closed loop

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8.5.4 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 status register:

bit

binary

description

decimal

0 – actuator not plugged 1 – actuator plugged

0 1

2,1

22, 21

0, 0 – actuator without measuring system 0, 1 – strain gauge measuring system 1, 0 – capacitive measuring system 1, 1 – inductive measuring system

0 2 4 6

------

0 – closed loop system 1 – open loop system

------

0 – piezo voltage not enabled 1 – piezo voltage enabled

0 – open loop 1 – closed loop 0 128

------

11,10,9

211, 210, 29

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

512 1024 1536 2048 2560

212

0 – notch filter off 1 – notch filter on

4096

213

0 – low pass filter off 1 – low pass filter on

8192

214

------

215

------

table 11: status register

8.6 function generator

Each EVDxxx amplifier in the system contains its own function generator that is able to perform multiple functions. The function generator can be programmed by using the commands detailed above. The following functions can be executed:

function type

0 = off

Sine

Triangle

Rectangle

Noise

Sweep

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%

√

table 12: functions and their parameters

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4Tsw

100

1000

10000

sweep

[Hz]

3Tsw2Tsw1Tsw

sweep

[s]

Ampl.

[%]

100

20%

z.B. 90 %

Ampl.

[%]

100

20%

50 %

Dreieckfunktion Rechteckfunktion

Attention: Do not activate trigger function in sweep mode (trgedge =0).

8.7 output of trigger signals

Trigger signals allow 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 20 µs (standard is 1*20 µs). Take care that is there no overlap between two trigger impulses. If this occurs, 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 the rising and falling edges will be detected. The points start, end and interval must be set, that the calculation (endpoint - startpoint) / interval gives a integer number n without a remainder. The counts of output trigger is given to n+1.

Attention: Do not activate trigger function in sweep mode.

The amplitude that has been selected is the peak to peak value. The sweep depth is fixed by 0.1Hz to 10kHz (5 decades). In the meantime, the frequency increases logarithmically.This case represents the "sweep" parameter of the increasing frequency per decade.

Attention:

It is not possible to calculate the waveform in real time, but it will be calculated when activate the sweep generator an stored in memory. Depending on parameter sweeptime, it can be take few seconds. When change the sweep time, initiate a new calculation of values by switching off and on the sweep generator (gfkt).

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.

triangle function

rectangle function

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Example (trgedge=1..3):

An actuator with a closed loop stroke of 80 µm is used as follows: rising edge (trgedge,1), start point 10 µm (trgss,10) end point (trgse,30) and interval 5 µm (trgsi,5), i.e. trigger points are at 10, 15, 20, 25, 30 µm. After reaching Position 10 µm (from a lower position; rising edge!) the trigger is set and the next trigger point will be calculated (15 µm), the trigger output will be reset after n*20 µs (trglen,n) and the trigger function is waiting to reach the next trigger position (15 µm) and so on. After reaching the 30 µm position, the next Trigger position is set to 10 µm, the trigger impulse will be generated when the 10 µm position is reached from a lower position than 10 µm (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 neendet.

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).

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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.

… trgse-n*trgsi

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.

Triggering on setpoint:

At very small trigger distances (near <=1/1000 of total actuator stroke), the influence of internally electrical noise of the position value becomes noticeable. Wrong trigger outputs can be happen. A difference between the expected counts of triggers and the happened can indicate this. A solution for this problem can be triggering on setpoint. This principle uses following circumstances:

 The real positioning noise at the actuator is much less than the internally electrical noise  The setpoint (when digitally controlled or internally generated) is noise free

The trigger generation uses the setpoint values. Consider, that the system is used in closed loop mode to reduce differences between setpoint and real position. Furthermore consider that also in closed loop mode a small difference between setpoint and real position (tracking error) is still happened. It depends on loop controller settings and moving velocity. For simple correct this error, use the parameter “trigger offset” (“trgos”). Set “trgos” to the tracking error, the the trigger outputs are shifted, so that the trigger position is well correspond to the real actuator position. The value of

“trgos” is positive when the real position is following the setpoint (normally case). If the tracking error is unknown, set “trgos” to 0. On triggering by real position value, the offset is internally always

set to 0.

trgss

lower trigger position

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this is the lowest value where a trigger signal is generated

unit µm or mrad

trgse

upper trigger position

this is the highest value where a trigger signal is generated

unit µm or mrad

trgsi

trigger interval

this is the distance between the trigger points

unit µm or mrad

trgedge

trigger edge

this value depends on which direction the trigger point must be reached for trigger generation

0: trigger disabled 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)

trgsrc

trigger source

selects real position value or setpoint for trigger generation

0 = real position value (measured) 1= setpoint

trgos

trigger offset

shifts the trigger points when triggering on setpoint

[µm] or [mrad]

table 13: commands for trigger generation

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

8.8 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

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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, and “ss,0” indicates the scan is complete. A running scan be

aborted by setting the status to zero (ss,0<CR>).

scan type

function

number of periods

sinus

triangle

sinus

triangle

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 4: 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 5: sine scan with trigger impulses at rising / both edges

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sketch 6: triangle scan with trigger impulses at the rising edge

8.9 data recorder

For deeper analysis of the system behavior, a two channel data recorder can be used. Channel 1 records the position signal, channel 2 the actuator voltage. The maximum record length is 500000 samples each channel. Both channels always have the same record length, given by the

command “reclen,value” [value=0..500000]. For slow or moderate movements, it is possible to

reduce the maximum sample rate of 50kHz, by just recording every nth value. This can be done

with the command “recstride,N” [N=1..1000]. The recording duration is given by

 

reclen.recstride20rectlen  µstt

There are several ways to start the data recorder:

 the “set”-command; a running recording will be aborted and a new one will started  the start of wave generator (command “gfkt,n” , n>0)  the start of scan function (command “ss,1”)  the command “recstart” (also without performing any movement)

The recording ends automatically after reaching the desired record length (reclen). The readout can be done independent from recording, also while recording.

Readout the data recorder:

To readout the data recorder, the commands „m“ (position value) and „u“ (actuator voltage) are

used. The readout can start at any recorded position, the pointer to the start address can be set

with „recrdptr,n“ [n=0..499999]. After this, the readout of the recorded position value or actuator voltage value by commands “m” or “u” can be executed. The address pointer will be automatically

increased, so that a further command returns the next recorded value. This pointer increase effects both channels. Thus, to read out the same index of both channels the initial pointer value has to be set again.

There are different readout modes. When the commands “m” or “u” are sent without a parameter or with parameter=0, the answer is formatted to “command,value<CR>”, when the commands are sent with parameter=1, the answer is formatted to “value<CR>”. By appending a further parameter

value=n, the device responds a block of n values (see examples at the end of this chapter). Output data format

To reduce the amount of transmitted data, a data reduced transfer with a constant data length is realized. Counts with value range from 0 to 0xffff (16bit, hexadecimal format) will be transmitted. These counts represent a range for the position value from -30% to 130%, where 0%..100% corresponds to the closed-loop-range of the actuator and an overshoot of +/- 30% is representable.

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The actuator position is calculated by:

 

30counts

65535

160

%position 

For the actuator voltage range, -5%..105% is sufficient, where 0% corresponds to a voltage of -20V and 100% corresponds to +130V. Hence, the maximum representable voltage range is given to -

27.5V..+137.5V.

 

75counts

65535

165

ltageacuator vo V

A response to command m, for example, might look like: „m,b63a“. The value b63a

hex

represents

46650

decimal

, this corresponds to a position of 83,89%, based on the closed-loop-range.

 

89.833046650

65535

160

%position 

Example 1: A jump (in open loop mode), with a record duration of t=200ms and a sample rate of ∆t=100µs

shall be recorded. From this follows a sample count of 2000 (you can always sample more, but minimum the desired readout length). Afterwards the position values are read out, followed by the voltage values. Thus, the minimum sample count is 2000 based on the calculation

2000

100

200

rectlen

min







µs

Command history for the issue described above: cl,0 // open loop set,-10 // set initial voltage to -10V

// wait a bit, until the initial position is reached (e.g. 0.5s)

recstride,5 // 5x20µs=100µs reclen,2000 // 200ms/100µs=2000 samples set,110 // jump in open loop to 110V, record starts automatically

// wait a bit, until the record is done

recrdptr,0 // rec_read_pointer (readout start address set to 0) m // read out 1st sample (position) m // read out 2nd sample (position) …

recrdptr,0 // rec_read_pointer (readout start address set to 0) u // read out 1st sample (voltage) u // read out 2nd sample (voltage) …

Example 2:readout modes:

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u<CR> Response: u,value<CR> u,0<CR> Response: u,value<CR> u,1<CR> Response: value<CR> u,0,3<CR> Response: u,value<CR> u,value<CR> u,value<CR> u,1,4<CR> Response: value<CR> value<CR> value<CR> value<CR>

9 handling

The actuator is connected to the EVDxxx using the “PIEZO” plug. The potentiometer knob is used to adjust a static output voltage or position, depending on the operation mode (Offset). The “ANALOG” plug offers an analog interface to control the amplifier using a voltage between 0 and +10 V making arbitrary and scan functions possible. Please remove any analog input voltage from the amplifier before you turn the system on or off to avoid damage.

After power-on, the “READY” LED on the EDS lights up. When the power-on self test is finished, the display shows “main menu”. All amplifiers start their own power-on self test and initialization. When the LED's “UDL” and “OVL” stop blinking, the amplifier has initialized successfully. During this procedure all necessary parameters are transferred from the actuator’s ID-chip to the amplifier and the EDS. Amplifiers without an attached actuator cannot complete this sequence. They remain blinking and cannot communicate with the EDS.

When an EDS2 is part of your system, all initialized channels are displayed. The amplifiers from left to right are shown from top to bottom, meaning that the amplifier in position1 (left) is shown in row 1 (top). For example, if positions 1, 2, and 3 are used with amplifiers, the display shows the actuator name “X” (“Y”, “Z”...) in rows 1, 2, and 3, “ol” for open loop and the actuator voltage “-

20.000 V”. Rows 4, 5, and 6 remain blank, which means there was no amplifier found. When the system starts up and no external voltage is applied to the MOD input, the actuator is in

the most negative position of its deviation (see sketch). By pressing the potentiometer in, the operation mode changes to closed loop. The actuator moves to the start position of the closed loop range. Due to the different motion ranges of the actuator in open and closed loop, and because of the fast travel of the actuator to the 0 µm position, a cracking noise can be heard. This is normal and not a malfunction! Turning the potentiometer to the right will increase the deviation until the maximum closed loop position is reached. This range will vary depending on your type of actuator.

sketch 7: open loop / closed loop

The yellow “OVL” LED shows an overload, while 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

Actuator: 100µm open loop stroke

80µm closed loop stroke

10% stroke reserve

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the LEDs still light up, check the connection between the amplifier and 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.

10 controller adjustment

When any actuator made by piezosystem jena is connected to the EVDxxx 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. First turn on the closed loop mode by pressing the OFFSET potentiometer in. Change one parameter step by step and check the result with the oscilloscope on the “ANALOG” socket of the pertaining amplifier. You must install the monitoring output to Umes/OL in the analog i/o menu.

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 OFFSET potentiometer button of the pertaining amplifier, 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 in the choose menu “slewrate/filter”. In filter type one has to select notch. The bandwidth has to be reduced.

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 (1 sec/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 = 0.1 V/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=0.05 sec/div, and input voltage=1 V/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 overswing after the rise time should be smaller than 1% of the total step.

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In these adjustments, the actuator system can begin to oscillate in resonant frequency. Please switch off the closed loop immediately by pressing the OFFSET potentiometer button of the concerned amplifier. Then reset the last values entered! Continuous use at resonance can damage the actuator!

Now you can try to increase the slew rate in the slewrate/filter menu, as long as no oscillation or large overswing occurs.

11 troubleshooting

Please check all cables and connections first if the system is not working properly.

error

possible solution

no reaction at switch on

Check the power cord. Check whether the main switch on the back side is on. In the main switch there are two fuses. Remove the power cord from your device and check the fuses. If one is damaged please replace, only using fuses of the same value.

UDL/OVL-LED blinks

Check the connection between actuator and amplifier. Check the actuator cable for damage.

UDL/OVL-LED light up in closed loop mode

The actuator is not able to reach the commanded position. 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 resonant frequency in closed loop

Check the PID-controller adjustments, reduce the ki-value, Reduce the kd-value. Check whether the function generator is still working.

read back parameters always deviate with the same level from the digital target value

Please switch off the analog modulation input when it’s not used.

Command: modon, x, 0 (see 8.5.3 commands). External signals can cause interference or a command value offset.

actuator does not move in spite of the applied analog modulation signal on the MOD input

Please switch on the analog modulation input by using command modon, x, 1 (see 8.5.3 commands).

displayed / interface values don’t represents the real signal sequence

Maybe aliasing effect occurs. When the refresh rate is less than the half working frequency (under sampling), aliasing will be occur. This has an effect only for display, not for the real system.

table 14: errors

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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,channel,error“ CR LF.

The decimal sum of all bits results the error value:

bit

description

decimal

I²C error 0 – no error 1 – I²C error

0 1

------

temperature 0 – no error 1 – temperature out of range

0 4

OVL 0 – no error 1 – overload in CL

0 8

UDL 0 – no error 1 – underload in CL

5 – 15

------

table 15: error register

For high precision positioning with 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 an elongation of 13 μm in steel with a length of 200 mm. 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 being used.

Equipment customization makes adaptations, according 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.

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