piezosystemjena d-Drive pro User manual

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Bedienungsanleitung
Digitalsystem d-Drivepro
instruction manual
digital system d-Drivepro
Bitte lesen Sie sorgfältig die Bedienungsanleitung vor dem Einschalten des Gerätes. Beachten Sie
bitte insbesondere die Sicherheitshinweise!
Die aktuelle Bedienungsanleitung finden Sie auf unserer Webseite:
http://www.piezosystem.de/piezo_nanopositionierung/downloads/technische_informationen/bedienungsanleitungen/
Read carefully before switching on the power! Please see safety instructions for using piezoelectric
actuators and power supplies!
The current version of the instruction manual you can find on our website:
http://www.piezosystem.com/piezo_actuator_nanopositioning/downloads_publications/technical_information/user_manuals/

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Bedienungsanleitung Seite 3 … 41
(deutsch)
instruction manual pages 42 ... 79
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Inhaltsverzeichnis
1Gegenstand.......................................................................................................................4
2Zertifizierung von piezosystem jena GmbH......................................................................4
3Konformitätserklärung.......................................................................................................4
4Lieferumfang .....................................................................................................................4
5Allgemeine Hinweise zu Piezoaktoren und Spannungsverstärkern ................................5
6Sicherheitshinweise ..........................................................................................................6
6.1 Installation, Stromanschluss.............................................................................................7
6.2 Betrieb...............................................................................................................................7
6.3 Pflege und Wartung ..........................................................................................................8
6.4 Umgebungsbedingungen..................................................................................................8
7Kurzanleitung, Funktionskontrolle.....................................................................................8
8Beschreibung des Digitalsystems d-Drivepro.....................................................................9
8.1 Allgemeines.......................................................................................................................9
8.2 Beschreibung der Funktionsgruppen..............................................................................10
8.2.1 Bedienelemente..............................................................................................................10
8.2.2 Blockschaltbild.................................................................................................................11
8.2.3 Digitaler Regler................................................................................................................12
8.2.4 MOD/MON.......................................................................................................................13
9Kommunikation................................................................................................................16
9.1 Kommunikation über RS232...........................................................................................16
9.2 Kommunikation über USB-Interface...............................................................................16
9.3 Kommunikation über Ethernet ........................................................................................16
9.4 Firmware-Update ............................................................................................................17
10 Befehlssatz......................................................................................................................17
10.1 Befehlssatz im Standby-Betrieb......................................................................................17
10.2 Befehlssatz im ON-Betrieb..............................................................................................19
10.3 Funktionsgenerator.........................................................................................................23
10.3.1 Wobbel-Generator...........................................................................................................24
10.3.2 Arbitrary-Generator.........................................................................................................25
10.3.3 Vektor-Generator ............................................................................................................27
10.4 Ausgabe von Triggersignalen.........................................................................................28
10.4.1 Erweiterte Triggerfunktionen...........................................................................................29
10.4.2 Flankenerkennung ..........................................................................................................29
10.5 Datenrecorder .................................................................................................................31
11 Statusregister..................................................................................................................32
12 Konfigurationsregister.....................................................................................................33
13 Bedienung.......................................................................................................................33
14 Reglereinstellung ............................................................................................................34
15 Fehlersuche.....................................................................................................................35
15.1 Fehlerregister..................................................................................................................36
15.2 Kommandofehlerregister.................................................................................................36
16 Technische Daten Gesamtsystem..................................................................................37
17 Anschlussbelegungen.....................................................................................................38
18 Wichtige Informationen ...................................................................................................40
19 Ihre Notizen.....................................................................................................................41

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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-Drivepro 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: [phone]
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 finden Sie auf unserer Homepage unter folgender URL:
http://www.piezosystem.de/piezo_nanopositionierung/downloads/technische_informationen/konformitaetserklaerungen/
4 Lieferumfang
Bitte prüfen Sie nach Erhalt die Vollständigkeit der Lieferung, bestehend aus:
Digitalsystem d-Drivepro
MOD/MON-Kabel
Netzkabel
RS232-Kabel
USB-Kabel
Bedienungsanleitung
CD-ROM mit Treiber, Software und Bedienungsanleitung

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5 Allgemeine Hinweise zu Piezoaktoren und Spannungsverstärkern
Piezoaktoren von piezosystem jena werden mit Spannungen bis 150V angesteuert.
Beachten Sie bitte die Sicherheitsvorschriften beim Umgang mit diesen Spannungen.
Nach dem Transport von Piezoaktoren sollten sich diese vor dem Einschalten ca. 2h der
Raumtemperatur anpassen können.
Piezoaktoren sind stoß- und schlagempfindlich (Bruchgefahr). Vermeiden Sie auch bei
eingebauten Piezoaktoren derartige Einwirkungen. Durch den piezoelektrischen Effekt
können bei Stoß- oder Schlageinwirkungen Spannungen erzeugt werden, die zu
Überschlägen führen können.
Piezoaktoren sind mit hohen Druckkräften belastbar. Ohne Vorspannung dürfen sie nicht auf
Zug belastet werden. Beachten Sie, dass bei Stoßeinwirkungen (z.B. Herunterfallen) und bei
hochdynamischen Anwendungen Beschleunigungen des Keramikmaterials und somit auch
Zugkräfte auftreten. Piezoaktoren mit mechanischer Vorspannung können im Rahmen der
Vorspannung auf Zug belastet werden.
Bei Ansteuerung der Aktoren mit einer Spannung im oberen Stellbereich kann bei
Abschaltung der Steuerspannung allein durch die noch erfolgende Bewegung der Keramik
eine beträchtliche elektrische Gegenspannung erzeugt werden, die zu Überschlägen führen
kann.
Durch strukturbedingte Verlustprozesse innerhalb der Keramik kommt es zu einer
Erwärmung beim dynamischen Betrieb. Bei ungenügenden Kühlungsmaßnahmen kann es
zu Ausfällen kommen. Eine Erwärmung über der Curietemperatur (übliche Werte ca. 140°C -
250°C) lässt den piezoelektrischen Effekt verschwinden.
Piezoaktoren können elektrisch als Kondensatoren angesehen werden. Die
Entladungszeiten liegen im Bereich von Stunden bis Tagen. Deshalb können auch nach
Trennung der Piezoaktoren von der Spannungsversorgung hohe Spannungen anliegen.
Bleibt der Aktor mit der Elektronik verbunden, so wird er innerhalb einer Sekunde nach dem
Abschalten auf ungefährliche Spannungswerte entladen.
Piezoaktoren können durch Erwärmung oder Abkühlung und der damit verbundenen
Längenänderung eine Spannung an den Anschlüssen erzeugen. Bedingt durch die
Eigenkapazität ist das Entladungspotential nicht zu vernachlässigen. Bei üblicher
Raumtemperatur ist dieser Effekt unbedeutend.
Piezoaktoren von piezosystem jena sind justiert und verklebt. Ein Öffnen der Stellelemente
führt zur Dejustage. Eine Beschädigung des inneren Aufbaus ist dabei nicht auszuschließen.
Dieses kann zur Funktionsunfähigkeit führen. Geräte von piezosystem jena dürfen deshalb
nicht geöffnet werden. Ein Öffnen führt zum Garantieverlust!
Verwenden Sie nur mitgelieferte Kabel und Verlängerungen. So können Geräteausfälle
durch eventuell falsche Verbindungen verhindert werden.
Bei Problemen wenden Sie sich bitte an piezosystem jena oder an den jeweiligen Händler.
Die für die jeweiligen Länder verantwortlichen Repräsentanten finden Sie auf unserer
Webseite www.piezosystem.de/ unter der Rubrik Unternehmen/weltweit.
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.

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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
vom Benutzer selbst gewartet werden können. Das Öffnen oder Entfernen der Abdeckungen
könnte einen elektrischen Schlag verursachen oder zu anderen gefährlichen Situationen
führen. Reparaturarbeiten dürfen nur von qualifiziertem technischen Personal durchgeführt
werden.
Achten Sie darauf, dass kein Wasser oder entflammbare Flüssigkeiten ins Innere des
Gerätes gelangen. Kommen elektrische Bauteile mit diesen Substanzen in Kontakt besteht
Feuergefahr und die Gefahr eines elektrischen Schlages.
ACHTUNG
Falls Sie Rauchentwicklung, starke Hitze oder einen ungewöhnlichen Geruch am Gerät
feststellen, schalten Sie es bitte sofort aus und ziehen Sie den Netzstecker. Nehmen Sie mit
unseren technischen Service Kontakt auf.

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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 am Netzschalter ein, der sich an der Rückseite befindet. Das Gerät
bootet, solange die Status-LED orange leuchtet. Erlischt die LED, befindet sich das Gerät im
Standby-Betrieb. Der „POWER“-Taster an der Frontplatte blinkt grün.
Schalten Sie das Gerät mit Hilfe des Tasters „POWER“ an der Frontplatte vom Standby- in
den ON-Betrieb. Es erfolgt ein kurzer Selbsttest des Gerätes. In dieser Zeit leuchtet die
Status-LED wieder orange. Danach wechselt die Status-LED zu grün. Jetzt ist das d-Drivepro
betriebsbereit.
An dem Kanal, an dem ein Aktor angeschlossen ist, blinkt die gelbe Leuchtdiode „OL/CL“.
Nach ca. 3s leuchtet die Leuchtdiode dauerhaft grün und der Verstärker ist funktionsbereit.
Ist ein Aktor mit Messsystem angeschlossen, können Sie die Regelung durch Druck auf den
„OL/CL“-Taster einschalten. Die Leuchtdiode des jeweiligen Kanals leuchtet dann gelb.

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Schalten Sie das Gerät in den Standby-Modus, indem Sie die „POWER“-Taste länger als
1s 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 in der
Rubrik 15 Fehlersuche.
8 Beschreibung des Digitalsystems d-Drivepro
8.1 Allgemeines
Die digitale Steuerelektronik d-Drivepro in Kombination mit den hochauflösenden piezoelektrischen
Antriebs- und Positioniersystemen ermöglicht die vollständig digitale Realisierung hochpräziser
Positionieraufgaben. Sie wurde vor allem für 3-kanalige Feinpositionieraufgaben entwickelt. Dank
eines schnellen Digitalen Signal Prozessors (DSP) und dem hohen Bedienkomfort setzt d-Drivepro
neue Maßstäbe. Alle Parameter können über PC ferngesteuert und abgefragt werden. Dafür steht
eine große Auswahl an Schnittstellen zur Verfügung.
d-Drivepro ermöglicht weiterhin 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 möglich, einen kalibrierten Aktor von piezosystem
jena wahlweise in verschiedenen Systemen einzusetzen.
Eine Vielzahl weiterer hilfreicher Features ist implementiert. So sind standardmäßig ein
Notch-Filter und Tiefpassfilter sowie eine Anstiegsbegrenzung (slew rate) des Eingangssignals frei
programmierbar. Ein integrierter Funktionsgenerator ermöglicht Sinus-, Rechteck- und Dreieck-
Signalsteuerung sowie eine Rausch- und Wobbelfunktion zur Frequenzanalyse. Neu sind der
freiprogrammierbare Arbitrary- und der Vektorgenerator. In diesem Zusammenhang wurde eine
SD-Card eingebaut, auf der selbst erzeugte Arbitrary- und Vektordateien abgespeichert werden
können.
In Verbindung mit dem umfangreichen Funktionsgenerator ist eine Vielzahl von Triggerausgaben
für eine externe Prozesstriggerung möglich. Perfekte Unterstützung bei der Erfassung der
Resonazfrequenzen des Gesamtsystems gibt der neu gestaltete Wobbel-Funktionsgenerator.
Die fest eingebaute SD-Card verhält sich beim Verbinden des USB-Anschlusses mit einem PC wie
ein Wechseldatenträger. Auf ihm sind Beispieldateien für den Arbitrary- und Vektorgenerator
hinterlegt. Weiterhin sind die Bedienungsanleitung und der USB-Treiber darauf gespeichert.
All diese Funktionen und die 24bit Auflösung mit 50kSa Abtastrate (50kHz Samplefrequenz)
prädestinieren das d-Driveprobesonders für Nanopositionierung im Bereich von Mehrachsen-Scan-
Anwendungen, Oberflächen–und Strukturanalysen, Mikroskopie und Halbleiterindustrie. Durch die
parallele Verarbeitung der Wandlerdaten ist das Gerät besonders gut geeignet zur synchronen
Ansteuerung von 3-Achsen-Systemen.

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8.2 Beschreibung der Funktionsgruppen
Das d-Driveprobesteht aus folgenden Funktionsgruppen:
Für die Verarbeitung von analogen Signalen, wie dem Messsystem oder dem Modulationseingang
stehen 18bit (optional 20bit) AD-Wandler zur Verfügung. Durch die schnelle Verarbeitung der
digitalen Signale mittels FPGA (Field Programmable Gate Array) kann ein Oversampling von 24bit
mit einer Samplingrate von 50kSa erreicht werden. Die Verarbeitung der digitalen Werte erfolgt in
einem schnellen DSP (Digitaler Signal Prozessor). Hier werden die Daten aufbereitet (filtern,
skalieren) und einem PID-Regler zugeführt, der den Soll-Istwert-Vergleich macht. Weiterhin wird
hier der umfangreich ausgestatte Funktionsgenerator erzeugt. Der errechnete Reglerausgangswert
wird über einen 18bit DA-Wandler wieder in eine Spannung zurück gewandelt und der
Leistungsendstufe zugeführt. Die Endstufe besteht aus 2 Kanälen, dem normalen Ausgang für
nicht-nanoX-Aktoren und dem nanoX-Ausgang (inverser Betrieb) für nanoX-Aktoren.
Die Aktorausgangsspannung wird an der Frontplatte über Sicherheitsrelais an den 15pol. DSUB-
Stecker ausgegeben. Für nanoX-Aktoren stehen 2x 60mA Ladestrom zur Verfügung, für nicht-
nanoX-Aktoren 120mA. Optional kann ein Kanal 2x 150mA / 300mA liefern. Die beiden anderen
Kanäle können dann je 120mA liefern. Zu beachten ist, dass in dieser Konfiguration der
Gesamtstrom von 360mA nicht dauerhaft überschritten wird.
Der angeschlossene Aktor hat einen ID-Chip, der vom Hauptcontroller ausgelesen wird und die
dort abgespeicherten Parameter dem DSP zugeführt werden. Bei geregelten Aktoren wird
zusätzlich das gewonnene Sensorsignal des Messsystems über diesen Stecker übertragen und
zum AD-Wandler geleitet (siehe oben).
Der Hauptcontroller steuert alle Baugruppen und überwacht das Kundeninterface.
Ein intelligentes Netzteil erzeugt alle im System benötigten Spannungen und schaltet sie
sequenziell zu bzw. ab.
8.2.1 Bedienelemente
In der folgenden Abbildung sind die Bedienelemente des d-Drivepro dargestellt:
Abbildung 1: Bedienelemente
Power ON
mit LED
Status-LED
Kunden-
Interface
OL/CL-LED
MOD/MON
/TRG
Aktor-
anschluss
OL/CL-LED
Kanal 1
Kanal 2
Kanal 3

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8.2.2 Blockschaltbild
Im folgenden Blockschaltbild sind die Funktionsgruppen des d-Drivepro zusammengefasst:

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8.2.3 Digitaler Regler
Der Sollwert für den Digitalregler setzt sich aus der Addition von analogem Modulationssignal und
dem über den Befehlssatz 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. Das bedeutet:
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 = setpoint –pos setpoint = Sollwert
pos = Positionswert des Messsystems
err = Regelabweichung
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
Der Nachteil eines reinen P-Reglers ist, dass er Positionsänderungen nicht vollständig ausregelt
und somit eine bleibende Regelabweichung hinterlässt.
Durch Überlagerung eines Integral-Anteiles (I-Term) 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
Schwingungsanteile 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 Leistungsendstufe zugeführt, welche den Piezoaktor steuert.
y = yp + yi + yd y = Ausgangsspannung des PID-Reglers

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Im ungeregelten Betrieb (OL) wird der PID-Regler überbrückt, d.h. der Sollwert wird als Stellgröße
ausgegeben.
Die Reaktionen der beschriebenen Reglerkomponenten sind in folgendem Diagramm dargestellt:
Abbildung 3: 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. 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 aufgebrachter Masse die dynamische
Charakteristik des Aktors ändert.
8.2.4 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 MOD-Buchse angelegten Spannung mit dem digital vorgegebenen Sollwert (set, mov). Bei
Nichtbenutzung des analogen Modulationseingangs sollte dieser abgeschaltet werden
(modon,Kanal,0 siehe 10.2 Befehlssatz im ON-Betrieb). 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.

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Befehl
Parameter
int. Variable
monsrc
0 = Positionswert im geregelten Betrieb
1 = Sollwert
2 = Reglerausgangsspannung
3 = Regelabweichung mit Vorzeichen
4 = Betrag der Regelabweichung
5 = Positionswert im ungeregelten Betrieb
6 = Aktorspannung
7 = Aktorstrom
8 = Aktorspannung NanoX-Ausgang
9 = Aktorstrom NanoX-Ausgang
Upos[CL]
Usoll
Ustell
Uerr
Uerrabs
Upos[OL]
Upa1
Ipa1
Upa2
Ipa2
Tabelle 1: Monitor Source
! Bitte beachten Sie den Innenwiderstand des Monitorausgangs. Die elektrischen Eigen-
schaften sind in Abschnitt 16 Technische Daten Gesamtsystem aufgeführt !
0; Upos[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.
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 –Upos Usoll = 0V...+10V
Upos = 0V...+10V
Uerr = -10V...+10V
Da nur Spannungen im Bereich von 0...+10V ausgegeben werden können, wird die
Regelabweichung halbiert und um +5V angehoben. Die Regelabweichung kann wie folgt aus der
gemessenen Monitorspannung rückgerechnet werden:
Uerr = (Umon –5V) * 2 Uerr = -10V...+10V
Umon = 0V...+10V
Im ausgeregelten Fall liegen +5V an.
Bei maximalem positiven Fehler +10V (bei einem Sollwertsprung Usoll von 0 auf +10V) ist im
Zeitpunkt t=0 Upos noch 0V -> Uerr = 10V -> Umon = +10V. Bei maximalem negativen Fehler 0V
(bei einem Sollwertsprung Usoll von +10V auf 0V)ist im Zeitpunkt t = 0 Upos 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

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5; Upos[OL] Im Gegensatz zum geregelten Betrieb, wo der Nullpunkt des Aktorhubes auf den
Positionswert = 0V kalibriert ist, liegt die minimale Dehnung im ungeregelten Betrieb (OL)
unter 0V (siehe unten). Damit diese Position und der max. ungeregelte Hub 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:
Upos[OL] = (Umon –2,5V) * 2
6; Upa1 Hier wird die direkt gemessene Aktorspannung (Ausgang Endstufe1) ausgegeben. Diese
ist im Gegensatz zur Reglerausgangsspannung im Punkt (2) von der Dynamik der
Endstufe und der Aktorkapazität abhängig. -20V...+130V entsprechen 0...+10V
Monitorspannung. Die Aktorspannung kann wie folgt aus der gemessenen
Monitorspannung rückgerechnet werden:
Uaktor = (Umon * 15) –20V
Aktorhub geregelt
10V
0V
geregelt
Upos (0)
Umon
ungeregelt
Upos Original
Umon
10V
0V
Aktorhub ungeregelt Aktorhub scaliert
ungeregelt
Upos scaliert (6)
Abbildung 4: open loop / closed loop
7; Ipa1 Hier wird der direkt gemessene Aktorstrom (Ausgang Endstufe1) ausgegeben.
-500…+500mA entsprechen 0V...+10V Monitorspannung.
8; Upa2 Hier wird die direkt gemessene Aktorspannung (Ausgang nanoX-Endstufe) ausgegeben
(siehe Punkt 6)
9; Ipa2 Hier wird der direkt gemessene Aktorstrom (Ausgang nanoX-Endstufe) ausgegeben
(siehe Punkt 7).
Werksseitig ist der Monitorausgang auf den Positionswert des Messsystems im geregelten Betrieb
eingestellt (Punkt 0).

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16
9 Kommunikation
9.1 Kommunikation über RS232
Die Kommunikation mit dem d-Drivepro kann über den PC mit Hilfe eines beliebigen
Terminalprogramms hergestellt werden.
Notwendig ist ein serielles Verbindungskabel 1:1 (mitgeliefert) zwischen der COM Schnittstelle des
PC und dem DSUB-Eingang des Gerätes. Die Eigenschaften der Verbindung sind wie folgt
einzustellen:
115200 Baud, 8 Bit, keine Parität, 1 Stoppbit, keine Flusssteuerung
Die Befehlseingabe und die Rückmeldungen erfolgen im ASCII-Code, sind also einfach
einzugeben bzw. zu lesen.
9.2 Kommunikation über USB-Interface
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.
Hilfe bei der Installation der Treiber gibt das Dokument „Installation USB d-DrivePro.pdf“. Dieses
finden Sie auf unserer Webseite:
http://www.piezosystem.de/piezo_nanopositionierung/downloads/technische_informationen/treiber_und_software/
9.3 Kommunikation über Ethernet
Um TCP/IP verwenden zu können, müssen verschiedene Parameter eingestellt werden. Dies ist
im Standby- und On-Betrieb möglich. Notwendig ist eine RS232- bzw. USB-Verbindung mit dem
Host-PC. Der Verbindungsaufbau ist in den Abschnitten 9.1 und 9.2 beschrieben.
Folgende Parameter sind voreingestellt (default):
- IP-Adresse: 192.168.010.050
- Sub-Mask: 255.255.255.000
- Port: 9000
- Gateway: 000.000.000.000

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Um die Kommunikation zum Kundennetzwerk herzustellen, müssen eventuell diese Parameter
geändert werden. Ein Weg wäre den DHCP einzuschalten. Dazu muss aber gewährleistet sein,
dass das angeschlossene Netzwerk einen aktiven DHCP-Server besitzt.
Falls kein Server aktiv ist bzw. ein PC direkt über Ethernet angeschlossen ist, sind die Parameter
über u.g. Befehle einzustellen (ipaddr, submask, port, gwaddr siehe 10 Befehlssatz).
Für weitere Fragen zur TCP/IP-Installation wenden Sie sich bitte an Ihren Netzwerkadministrator.
9.4 Firmware-Update
Da piezosystem jena ihre Geräte ständig weiterentwickelt und auf Kundenwünsche eingeht, gibt
es von Zeit zu Zeit Firmware-Updates, die Sie auf unserer Webseite downloaden können. Zuerst
läd man das SeviceTool herunter und installiert es. Nach dem Start verbindet man sich mit dem
d-Drivepro über eine der Schnittstellen. Mit dem Reiter „FW-Update“ aktiviert man eine
automatische Aktualisierung der Firmware Ihres d-Drivepro. Eine Hilfedatei unterstützt Sie bei der
Auswahl.
10 Befehlssatz
Es gibt zwei Gruppen von Befehlen.
Globale Befehle beziehen sich auf die Eigenschaften des Gesamtgerätes. Sie bestehen aus dem
<Befehl> und einem eventuellen <Wert> getrennt durch Komma und abgeschlossen durch
Enter.
Den aktuell eingestellten Wert kann man durch Eingabe des <Befehls> gefolgt von Enter
auslesen.
Verstärkerkanal-bezogene Befehle beziehen sich auf die Parameter der einzelnen
Verstärkerkanäle 1 bis 3. Sie bestehen aus dem <Befehl>, dem <Kanal>, einem <Wert>. Die
Trennung erfolgt durch Komma und der Abschluss durch Enter.
Den aktuell eingestellten Wert kann man durch Eingabe des <Befehls> und des Kanals
durch Komma getrennt, gefolgt von Enter auslesen.
10.1 Befehlssatz im Standby-Betrieb
Um das Gerät vom ausgeschalten Zustand (alle LED‘s an der Frontplatte sind aus) in den
Standby-Betrieb zu versetzen, schließen Sie bitte die Stromversorgung an und schalten den
Netzschalter ein, der sich an der Rückseite befindet. Das Gerät bootet, solange die Status-LED
orange leuchtet. Erlischt die LED, befindet sich das Gerät im Standby-Betrieb. Die LED der
„POWER“-Taste an der Frontplatte blinkt grün. In diesem Zustand kann das d-Drivepro Befehle
über eine ausgewählte Schnittstelle empfangen. Eine Auswahl der möglichen Befehle ist in der
folgenden Tabelle 2 dargelegt.
Globale Befehle: <Befehl>,<Wert> Enter
<Befehl> Enter ohne Werteingabe gibt den aktuell eingestellten Wert aus.
! Parametertrenner ist immer ein Komma, Dezimalpunkt ist immer ein Punkt !
Befehl
Beschreibung
Wertebereich
lesen/
schreib.
s
zeigt alle verfügbaren Befehle an
l

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onoff
schaltet das Gerät ein/aus
(aus=Standby)
0 –aus (Standby)
1 –ein
s
cinit
globales Reset
nach Reset ist Gerät im Standby
s
error
Fehler abfragen
Fehlerregister 8bit
l
cerror
Kommandofehler abfragen
Kommandofehlerregister 16bit
Zahlenformat siehe ssedh
l
status
zeigt den Status aller
Verstärkermodule an
Statusregister 32bit
Zahlenformat siehe ssedh
l
config
zeigt die Konfiguration des
Gerätes an
Konfigurationsregister 16bit
l
ipaddr
IP-Adresse bei Netzwerk-
Benutzung
000.000.000.000…255.255.255.255
(default: 192.168.010.050)
l/s
submask
Subnetmaske bei Netzwerk-
Benutzung
000.000.000.000…255.255.255.255
(default: 255.255.255.000)
l/s
port
Portaddresse bei Netzwerk-
Benutzung
0…9999 (default: 9000)
l/s
gwaddr
Gateway-Adresse bei Netzwerk-
Benutzung
000.000.000.000…255.255.255.255
(default: 000.000.000.000)
l/s
dhcp
schaltet DHCP ein/aus
0 –aus (default: 0)
1 –ein
l/s
hostname
nur in Verbindung mit DHCP aktiv
max. 32 Zeichen
l/s
datetime
Datum und Uhrzeit setzen
DE: TT.MM.JJJJ,hh:mm:ss
US: MM/DD/YYYY, hh:mm:ss
l/s
date
Datum setzen
DE: TT.MM.JJJJ
US: MM/DD/YYYY
l/s
time
Uhrzeit setzen
DE: hh:mm:ss
US: hh:mm:ss
l/s
s_prompt
Prompt anzeigen bei leerem
Kommando (Enter)
s_prompt,RS232,USB,TCP
0 –aus
1 –ein
l/s
s_okmsg
Kommando-Quitung „OK“
anzeigen (RS232,USB,TCP)
s_okmsg,RS232,USB,TCP
0 –aus
1 –ein
l/s
s_status
Automatische Statusausgabe
(RS232,USB,TCP)
s_status,RS232,USB,TCP
0 –aus
1 –ein
l/s
s_error
Automatische Fehler-Ausgabe
(RS232,USB,TCP)
s_error,RS232,USB,TCP
0 –aus
1 –ein
l/s
s_cmderr
Automatische Kommandofehler-
Ausgabe (RS232,USB,TCP)
s_cmderr,RS232,USB,TCP
0 –aus
1 –ein
l/s
s_usb
USB-Prompt
max. 8 Zeichen (default: USB)
l/s
s_rs2
RS232-Promt
max. 8 Zeichen (default: RS2)
l/s
s_tcp
Telnet-Prompt
max. 8 Zeichen (default: TCP)
l/s
setg
Umschaltung zwischen Gleitpunkt
und wissenschaftlichem Format
(config=8)
0 –Gleitkomma (default: 0)
1 –wissenschaftlich
l/s
apon
schaltet Auto-Power-On ein/aus
(config=16)
0 –aus (default: 0)
1 –ein
l/s

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ssedh
Status/Fehler in Hexadezimalform
(config=32)
0 –Integer
1 –Hex
l/s
calsend
schaltet das zyklische Senden der
Zeit jede Minute ein/aus (config=1)
0 –aus (default: 0)
1 –ein
l/s
calreq
Zeit abfragen nach Power-On
(config=2)
0 –aus (default: 0)
1 –ein
l/s
calfor
Kalenderformat (config=4)
0 –DE
1 –US
l/s
dprp
schaltet die zyklische Ausgabe der
aktuellen Position eines oder aller
Aktoren ein/aus
dprp,Parameter,Wert
Parameter: 0 –Kanal 1
1 –Kanal 2
2 –Kanal 3
3 –alle 3 Kanäle
Wert: 0 –aus (default: 0)
1 –ein
l/s
mtime
zyklische Messwertausgabe in ms
50…999
l/s
fready
schaltet den globalen Softstart
ein/aus (config=64)
0 –aus (default: 1)
1 –ein
l/s
version
Versionsnummer Firmware der
eingebauten Controller
version,<Controllernummer>
1 –Main Controller
2 –NT Controller
4 –FP Controller
8 –Display Controller
16 –COM Controller
32 –DSP
l
vdate
Versionsdatum Firmware der
eingebauten Controller
vdate,< Controllernummer >
(siehe version)
l
serno
Seriennummer des Gerät abfragen
l
Tabelle 2: Globale Befehle Standby
10.2 Befehlssatz im ON-Betrieb
Verstärkerkanal bezogene Befehle:
<Befehl>,<Verstärkerkanal>,<Wert> Enter Verstärkerkanal = 0...2 (v.l.n.r.)
<Befehl>,<Verstärkerkanal> Enter ohne Werteingabe gibt den aktuell eingestellten Wert aus.
! Parametertrenner ist immer ein Komma, Dezimalpunkt ist immer ein Punkt !
Befehl
Beschreibung
Wertebereich
lesen/
schreib.
rgver
gibt die Versionsnummer und
Datum des Digitalreglers aus
l
fenable
Aktorformatierung (Softstart)
nach dem Einschalten
aktivieren
0= Aktorformatierung deaktiviert
1= Aktorformatierung aktiv
l/s
sinit
initialer Sollwert nach
Einschalten
ol = 0…100% [V]
cl = 0…100% [µm, mrad]
l/s
set
Wertevorgabe:
Aktorspannung (ol)
Dehnung (cl)
-20...130.000 [V]
0...xxx.xxx [μm, mrad] (max. Aktorhub CL)
s

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20
mov
Wertevorgabe in %:
Aktorspannung (ol)
Dehnung (cl)
0…100% [V]
0…100% [µm, mrad]
l/s
pos
Abfrage der Aktorposition
min. Aktorhub…max. Aktorhub [µm, mrad]
l
pos3
Abfrage der Aktorposition aller
drei Kanäle
Eingabe ohne Kanalnummer
siehe pos
l
upa
Abfrage der Aktorspannung
[V]
l
upa3
Abfrage der Aktorspannung
aller drei Kanäle
Eingabe ohne Kanalnummer
siehe upa
l
mess
Abfrage des Messwertes
in OL = Aktorspannung
in CL = Positionswert in CL
[V]
[µm, mrad]
l
mess3
Abfrage des Messwertes aller
drei Kanäle (siehe mess)
Eingabe ohne Kanalnummer
siehe mess
l
mess%
Abfrage des Messwertes in %
in OL = Aktorspannung
in CL = Positionswert in CL
[% V]
[% µm, % mrad]
l
umess
Abfrage der realen Mess-
spannung
[V]
l
umess3
Abfrage der realen Mess-
spannung aller 3 Kanäle
Eingabe ohne Kanalnummer
siehe umess
l
mod
Abfrage der Spannung am
Modulationseingang
[V]
l
mod3
Abfrage aller drei Spannungen
an den Modulationseingängen
Eingabe ohne Kanalnummer
siehe mod
l
sr
Anstiegsgeschwindigkeit des
Sollwertes (slew rate)
0.0000002...500.0 [V/ms], bezogen auf
Modulationsspannung (0...10V)
l/s
modon
schaltet den
Modulationseingang
ein / aus
0 = ausgeschaltet
1 = eingeschaltet
l/s
monsrc
Signalquellenumschalter für
den Monitorausgang
(0 = default)
0 = Positionswert im geregelten Betrieb
1 = Sollwert
2= Reglerausgangsspannung
3 = Regelabweichung mit Vorzeichen
4 = Betrag der Regelabweichung
5 = Position im ungeregelten Betrieb
6 = Aktorspannung
7 = Aktorstrom
8 = Aktorspannung NanoX-Ausgang
9 = Aktorstrom NanoX-Ausgang
l/s
cl
Umschaltung ungeregelt (OL) /
geregelt (CL)
0 = ungeregelt
1 = geregelt
l/s
kp
Proportional Anteil
0...1000
l/s
ki
Integral Anteil
0...1000
l/s
kd
Differential Anteil
0...1000
l/s
sstd
stellt Standardwerte des
Reglers wieder her
s
notchon
schaltet den Kerbfilter ein / aus
0 = ausgeschaltet
1 = eingeschaltet
l/s