Gain-compensatie Methodologie voor een sinusvormige scan van een Galvanometer Spiegel in Proportioneel-Integral-Differential Control Met behulp van Pre-emphasis Technieken
Summary
Wij stellen een werkwijze om de corresponderende frequentie verlengen met behulp van een pre-emphasis techniek. Deze methode compenseert de gain reductie van een galvanometerspiegel in sinusvormige baan volgen met behulp proportioneel-integraal- differentiaal control.
Abstract
Galvanometer spiegels worden gebruikt voor optische toepassingen zoals doelvolging, tekenen en aftaststuurmiddelen vanwege hun hoge snelheid en nauwkeurigheid. Echter, de reactie van een galvanometerspiegel beperkt door zijn traagheid; vandaar dat de versterking van een galvanometerspiegel verminderd wanneer de stuurbaan steil. In dit onderzoek stellen we een methode om de overeenkomstige frequenter bij gebruik van een pre-emphasis techniek voor het compenseren van de versterking verminderen van galvanometer spiegels sinusvormige baan volgen met behulp proportioneel-integraal- differentiaal (PID) besturing. De pre-emphasis techniek verkrijgt een invoerwaarde voor een gewenste uitvoerwaarde van tevoren. Toepassing van deze methode om de galvanometerspiegel het ruwe versterking van een galvanometerspiegel elke frequentie en amplitude sinusvormige baan volgen met behulp van een PID regelaar controleren berekend. Waar PID-regeling is niet effectief, het handhaven van een winst van 0 dB aan het traject volgen nauwkeurigheid te verbeteren, is het mogelijk omuitbreiding van het snelheidsbereik waarin een versterking van 0 dB zonder afstemmen van de PID-parameters worden verkregen. Echter, indien er slechts één frequentie amplificatie mogelijk met een enkele pre-versterkingscoëfficiënt. Daarom is een sinusgolf is geschikt voor deze techniek, in tegenstelling tot driehoekig en zaagtandgolven. Daarom kunnen we een pre-emphasis techniek goed te keuren om de parameters te configureren op voorhand, en we hoeven geen extra actieve controle modellen en hardware voor te bereiden. De parameters worden direct bijgewerkt in de volgende cyclus door de open lus na de voorvervorming coëfficiënten worden ingesteld. Met andere woorden, om de controller te beschouwen als een zwarte doos, moeten we alleen de input-to-output ratio kennen, en gedetailleerde modellering is niet vereist. Deze eenvoud maakt het mogelijk ons systeem eenvoudig worden ingebed in toepassingen. Onze methode met behulp van de pre-emphasis techniek voor een motion-blur compensatie systeem en het experiment uitgevoerd om de methode te evalueren worden toegelicht.
Introduction
Diverse optische aandrijvingen en besturing werkwijzen geschikt voor diverse optische toepassingen zijn voorgesteld en ontwikkeld 1, 2. Deze optische actuators kunnen de optische weg besturen; galvanometer spiegels bieden vooral een goede balans in termen van nauwkeurigheid, snelheid, mobiliteit, en kost 3, 4, 5. Eigenlijk is het voordeel van de snelheid en nauwkeurigheid van galvanometer spiegels heeft geleid tot de realisatie van verschillende optische toepassingen, zoals het volgen van het doel en tekenen, aftaststuurmiddelen en bewegingsonscherpte compensatie 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12. Echter, in onze vorige motion-blur compensation systeem, een galvanometerspiegel behulp van een proportionele-integraal- differentiaal (PID) regelaar verschaft een kleine versterking; dus het was moeilijk om een hogere frequentie en een hogere snelheid 11 bereiken.
Anderzijds, PID-regeling is een veel toegepaste werkwijze, omdat deze voldoet aan een bepaald volgnauwkeurigheid 13. Verschillende werkwijzen zijn voorgesteld om de versterking in PID control corrigeren. Als een typische oplossing, wordt de PID-regeling parameter tuning handmatig uitgevoerd. Echter, het kost tijd en speciale vaardigheden te onderhouden. Een meer geavanceerde methode, een auto-tuning functie om de parameters automatisch te bepalen, is voorgesteld en wordt veel gebruikt 14. De volgnauwkeurigheid voor snelle operaties is verbeterd met de automatische instelling functie wanneer de waarde van de versterking P toeneemt. Echter, dit verhoogt ook de convergentie tijd en ruis in het lage-snelheidsbereik. Vandaar dat de volgnauwkeurigheid niett noodzakelijkerwijs verbeterd. Hoewel een zelfregelende controller kan worden afgestemd op geschikte parameters voor PID-regeling instellen, de afstemming introduceert een vertraging vanwege de noodzaak om geschikte parameters te verkrijgen; daarom is het moeilijk om deze methode in real-time toepassingen 15 vast te stellen. Een uitgebreide PID-regelaar 16, 17 en een verlengd voorspellende besturing 18 zijn voorgesteld voor algemene PID verlengen en de volgprestatie van galvanometer spiegels voor verschillende wegen volgen, bijvoorbeeld driehoekige golven, zaagtandgolven en sinusgolven verbeteren. In deze systemen is de galvanometer systeem als een zwarte doos, terwijl een model van het controlesysteem vereist was, en het besturingssysteem niet als black box beschouwd. Vandaar dat deze methoden vereisen dat hun model voor elke galvanometerspiegel worden bijgewerkt. Ofschoon Mnerie et al. gevalideerde hun methode focusing een gedetailleerde uitgangsgolfvorm en fase hebben hun onderzoek niet de verzwakking van het gehele golf. In feite, in het lopende onderzoek 11, de versterking was significant verlaagd wanneer de sinusvormige frequentie was hoog, waardoor de noodzaak aangeven voor het compenseren van de versterking van de gehele golf.
In dit onderzoek wordt onze procedure voor gain compensatie PID regeling 12 gebaseerd op de pre-emphasis techniek 19, 20, 21 -a methode om de kwaliteit of communicatiesnelheid verhogen in de communicatietechniek-hetgeen de constructie van een experimenteel systeem maakt gebruik bestaande apparatuur. Figuur 1 toont de stroomstructuur. De pre-emphasis techniek kunnen verkrijgen op voorhand de gewenste uitvoerwaarde van een invoerwaarde, waarbij PID niet effectief, zelfs wanneer de galvanometerspiegelen de controller worden als zwarte dozen. Hierdoor kunnen zij de frequentie en amplitude bereik waarin een versterking van 0 dB zonder afstemmen van de PID-parameters worden verkregen breiden.
Wanneer de versterkingsfactor versterkt, de responsiekarakteristiek van de galvanometerspiegel algemeen af bij verschillende frequenties, en daarom moeten we elke frequentie amplificatie coëfficiënten amplificeren. Aldus is een sinusgolf is geschikt voor de pre-emphasis techniek, aangezien er slechts één frequentie in elk sinusgolf. In dit onderzoek, omdat we versterkingscompensatie toepassing bewegingsonscherpte compensatie verwezenlijken, het stuursignaal beperkt tot sinus scannen en het sinusgolfsignaal vormt een enkele frequentie, in tegenstelling tot andere golven, zoals driehoekig en zaagtandgolven. Verder wordt het ingangssignaal in de galvanometerspiegel direct bijgewerkt in de volgende cyclus door de open lus na de voorvervorming coëfficiënten worden ingesteld. Met andere woorden, moeten we to ken alleen de input-naar-output ratio aan de regelaar beschouwen als een zwarte doos en gedetailleerde modellering niet vereist. Deze eenvoud maakt het mogelijk ons systeem eenvoudig worden ingebed in toepassingen.
Het algemene doel van deze methode is om een experimentele procedure bewegingsonscherpte compensatie vestigen als een verzoek van versterkingscompensatie met de pre-emphasis techniek. Meerdere hardware-inrichtingen worden gebruikt bij deze procedures, zoals een galvanometer spiegel, een camera, een transportband, verlichting, en een lens. Central software-gebruiker ontwikkelde programma's geschreven in C ++ vormen ook een deel van het systeem. Figuur 2 een schematische weergave van de experimentele opstelling. De galvanometerspiegel roteert in versterking gecompenseerde hoeksnelheid, waardoor het mogelijk is de hoeveelheid vervaging van de beelden te beoordelen.
Protocol
Representative Results
Discussion
Dit artikel een procedure die kan expanderen de sinusvormige frequentiegebied zeer nauwkeurige traject bereiken monitoring met de PID-regeling. Omdat de gevoeligheid van een galvanometerspiegel wordt beperkt door de traagheid, is het essentieel om een galvanometerspiegel gebruiken als de stuurbaan steil. Echter, in dit onderzoek, stellen we een methode om de specificatie van de controle te verbeteren en vervolgens bewijzen dat de methode door het verkrijgen van experimentele resultaten.
<p class="jove_content"…Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
De auteurs hebben geen bevestigingen.
Materials
| Galvanometer mirror | GSI | M3s X axis | |
| Custom-made metal jig | ASKK | – | With circular hole for galvanometer mirror |
| Optical carrier | SIGMAKOKI | CAA-60L | |
| Optical bench | SIGMAKOKI | OBT-1500LH | |
| Oscilloscope | Tektronix | MSO 4054 | |
| AD/DA board | Interface | PCI-361216 | |
| PC | DELL | Precision T3600 | |
| Galvanometer mirror servo controller | GSI | Minisax | |
| Lens | Nikkor | AF-S NIKKOR 200mm f/2G ED VR II | |
| High-speed camera | Mikrotron | Eosens MC4083 | Discontinued, but sold as MC4087. The cable connection is different from MC4083 |
| Conveyor belt | ASUKA | – | With a speed-control motor(BX5120A-A made by Oriental Motor), iron rubber belt(100-F20-800A-J made by NOK), and so on |
| Printable tape | A-one | F20A4-6 | |
| Photographic texture | Shutterstock, Inc. | 231357754 | Printed computer motherboard with microcircuit, close up |
| Terminal block | Interface | TNS-6851B | |
| CoaXPress board | AVALDATA | APX-3664 | |
| MATLAB | mathworks | MATLAB R2015a |
Riferimenti
- Bass, M. . Handbook Of Optics. 3, (1995).
- Marshall, G. F., Stutz, G. E. . Handbook of optical and laser scanning. , (2011).
- Aylward, R. P. Advanced galvanometer-based optical scanner design. Sensor Rev. 23 (3), 216-222 (2003).
- Duma, V., Rolland, J. P., Group, O., Vlaicu, A., Ave, R. Advancements on galvanometer scanners for high-end applications. Proc SPIE. 8936, 1-12 (2014).
- Duma, V. -. F., Lee, K., Meemon, P., Rolland, J. P. Experimental investigations of the scanning functions of galvanometer-based scanners with applications in OCT. Appl Opt. 50 (29), 5735-5749 (2011).
- Wang, C., Shumyatsky, P., Zeng, F., Zevallos, M., Alfano, R. R. Computer-controlled optical scanning tile microscope. Appl opt. 45 (6), 1148-1152 (2006).
- Jofre, M., et al. Fast beam steering with full polarization control using a galvanometric optical scanner and polarization controller. Opt Exp. 20 (11), 12247-12260 (2012).
- Liu, X., Cobb, M. J., Li, X. Rapid scanning all-reflective optical delay line for real-time optical coherence tomography. Opt lett. 29 (1), 80-82 (2004).
- Li, Y. Laser beam scanning by rotary mirrors. II. Conic-section scan patterns. Appl opt. 34 (28), 6417-6430 (1995).
- Duma, V. I. L., Tankam, P. A., Huang, J. I., Won, J. U., Rolland, J. A. P. Optimization of galvanometer scanning for optical coherence tomography. Appl opt. 54 (17), 5495-5507 (2015).
- Hayakawa, T., Watanabe, T., Ishikawa, M. Real-time high-speed motion blur compensation system based on back-and-forth motion control of galvanometer mirror. Opt Exp. 23 (25), 31648-31661 (2015).
- Hayakawa, T., Watanabe, T., Senoo, T., Masatoshi, I. Gain-compensated sinusoidal scanning of a galvanometer mirror in proportional-integral- differential control using the pre-emphasis technique for motion-blur compensation. Appl opt. 55 (21), 5640-5646 (2016).
- Visioli, R. . Practical PID Control. , (2006).
- Vilanova, R., Visioli, A. . PID Control in the Third Millennium. , (2012).
- Ortega, R., Kelly, R. PID Self-Tuners: Some Theoretical and Practical Aspects. IEEE Transa Ind Electron. 31 (4), 332-338 (1984).
- Mnerie, C., Preitl, S., Duma, V. -. F. Mathematical model of a galvanometer-based scanner: simulations and experiments. Proc SPIE. 8789, 878915 (2013).
- Mnerie, C. A., Preitl, S., Duma, V. Performance Enhancement of Galvanometer Scanners Using Extended Control Structures. 8th IEEE International Symposium on Applied Computational Intelligence and Informatics. , 127-130 (2014).
- Mnerie, C., Preitl, S., Duma, V. -. F. Control architectures of galvanometer-based scanners for an increased precision and a faster response. Proc of SPIE. 8925, 892500 (2014).
- Farjad-rad, R., Member, S., Yang, C. K., Horowitz, M. A., Lee, T. H. A 0.4- m CMOS 10-Gb/s 4-PAM Pre-Emphasis Serial Link Transmitter. IEEE J Solid-State Circuits. 34 (5), 580-585 (1999).
- Buckwalter, J. F., Meghelli, M., Friedman, D. J., Hajimiri, A. Phase and amplitude pre-emphasis techniques for low-power serial links. IEEE Journal of Solid-State Circuits. 41 (6), 1391-1398 (2006).
- Le, S., Blow, K., Turitsyn, S. Power pre-emphasis for suppression of FWM in coherent optical OFDM transmission. Opt exp. 22 (6), 7238-7248 (2014).
