Entwicklung und Erprobung einer digitalen PID-Regelung für eine optische Fokussiereinrichtung

Inhaltsverzeichnis

• 1 Einleitung und Aufgabenstellung
• 1.1 Einleitung
• 1.2 Aufgabenstellung
• 2 Der Fokusregelkreis
• 2.1 Die optische Einheit
• 2.1.1 Das Pick Up
• 2.1.2 Die astigmatische Optik
• 2.1.3 Der 4-Quadranten Photodetektor
• 2.1.3.1 Das Fokusfehlersignal
• 3 Regelung
• 3.1 Funktion eines Reglers
• 3.2 PID Regler
• 3.2.1 P Regelung
• 3.2.2 I Regelung
• 3.2.3 D-Regelung
• 3.3 Digitalisierung
• 3.3.1 Der P-Anteil
• 3.3.2 Der I-Anteil
• 3.3.3 Der D-Anteil
• 4 Digitale Filter
• 4.1 Vorteile digitaler Filter
• 4.2 IIR Filter Design
• 4.2.2 Bilineare Transformation
• 4.3 Mathematischer PID Entwurf
• 4.3.1 Entwicklung der drei Reglerelemente PID
• 4.3.1.1 Entwicklung des Integrierenden I-Gliedes
• 4.3.1.2 Entwicklung des Differenzierenden D-Gliedes
• 4.3.1.3 Entwicklung des P-Gliedes
• 5 Simulation der PID Regler-Schaltung
• 6 Altera
• 6.1 Der PLD Baustein
• 6.2 Aufbau der Platine
• 6.3 Quartus
• 6.3.1 Altera Quartus II Version 4.1
• 7 Die Hardwarebeschreibungssprache VHDL
• 7.1 Definition
• 7.2 Anwendung und Entwicklung
• 7.2.1 Anwendungsgebiete
• 7.3 Grundlegende Strukturelemente der VHDL
• 8 Aufbau und Programmierung des PID Reglers
• 8.1 Altera Clock
• 8.2 Aufbau des Altera AD- und DA-Wandlers
• 8.2.1 AD Wandler
• 8.2.1.1 Programmierung des AD Wandlers
• 8.2.2 Datenausgang
• 8.3 Der Verstärker
• 8.3.1 Programmierung des Verstärkers
• 8.4 Aufbau und Programmierung des I-Teils
• 8.4.1 Das Rechts Schieberegister 9 Bit
• 8.4.1.1 Programmierung des 9 Bit Schieberegister
• 8.4.2 Der Zähler (Regler CLK)
• 8.4.2.1 Programmierung regler clk
• 8.4.3 Der Zähler (Delay 2)
• 8.4.3.1 Programmierung delay 2
• 8.4.4 Die Verzögerungszeit 25 µs (Count 2)
• 8.4.4.1 Programmierung count2
• 8.4.5 Der Addierer (Add 1 und Add 2)
• 8.4.5.1 Programmierung add1 und add2
• 8.4.6 Das Rechts-Schieberegister 12 Bit
• 8.4.6.1 Programmierung des Rechts-Schieberegister 12 Bit
• 8.4.7 Der Subtrahierer (Sub 1)
• 8.4.7.1 Programmierung sub 1
• 8.5 Aufbau und Programmierung des D-Teils
• 8.5.1 Das Links-Schieberegister 4 Bit
• 8.5.1.1 Programmierung des Links Schieberegister 4 Bit
• 8.5.2 Verzögerungszeit 10 µs (Delay - 10 µs)
• 8.5.2.1 Programmierung delay-10us
• 8.5.3 Der Subtrahierer
• 8.6 Aufbau und Programmierung des P-Teils
• 8.6.1 Das Links Schieberegister 3 Bit
• 8.6.1.1 Programmierung des Links Schieberegister 3 Bit
• 8.6.2 Addierer
• 8.7 Test der Teile I-PD - PID
• 8.8 Offset-Comp
• 8.8.1 Programmierung der Speicher
• 8.8.2 Programmierung der Offset-Ver
• 8.9 Focus Error
• 9 Test des Pick Up
• 9.1 Testablauf
• 9.2 Programmierung End_Schieb
• 10 Anhang

Zielsetzung und Themenschwerpunkte

Diese Diplomarbeit befasst sich mit der Entwicklung und Implementierung einer digitalen PID-Regelung für eine optische Fokussiereinrichtung in einem DVD-Laufwerk. Ziel ist die Erstellung eines robusten und einfach zu handhabenden digitalen Reglers als Alternative zu analogen Lösungen. Die Arbeit untersucht die Prinzipien der PID-Regelung, deren digitale Umsetzung und die Implementierung auf einem Altera-Chip.

• Entwicklung einer digitalen PID-Regelung
• Implementierung in VHDL
• Programmierung auf einem Altera-Chip
• Optimierung der Regelungsparameter
• Test und Evaluierung der Funktionalität

Zusammenfassung der Kapitel

1 Einleitung und Aufgabenstellung: Dieses Kapitel führt in die Thematik ein und beschreibt den Kontext der Arbeit im Bereich der Qualitätskontrolle in der DVD-Produktion. Es wird die Notwendigkeit einer präzisen Fokussierung des Laserstrahls in DVD-Laufwerken erläutert und die Aufgabenstellung der Entwicklung einer digitalen PID-Regelung definiert. Die Bedeutung der Entwicklung eines digitalen Reglers im Vergleich zu analogen Systemen wird hervorgehoben. Die Arbeit konzentriert sich auf die Entwicklung und Implementierung dieser digitalen Regelung.

2 Der Fokusregelkreis: Dieses Kapitel beschreibt detailliert die Komponenten des optischen Fokusregelkreises. Es werden das Pick-Up, die astigmatische Optik und der 4-Quadranten-Photodetektor als zentrale Bestandteile des Systems erklärt. Der Fokus auf die Funktionsweise des Photodetektors und die Generierung des Fokusfehlersignals verdeutlicht die Grundlage für die spätere Regelung. Die Erklärung der einzelnen Komponenten legt den Grundstein für das Verständnis der gesamten Regelung.

3 Regelung: Das Kapitel behandelt die Grundlagen der Regelungstechnik. Es werden die Funktionsweise eines Reglers im Allgemeinen und speziell des PID-Reglers erklärt. Die einzelnen Anteile (P, I, D) des PID-Reglers werden detailliert beschrieben. Der Fokus liegt auf der Digitalisierung der einzelnen Anteile und wie diese für die spätere Implementierung vorbereitet werden. Die Kapitel beschreibt die mathematischen Grundlagen und Konzepte, die für die Entwicklung des Reglers essentiell sind.

4 Digitale Filter: Dieses Kapitel widmet sich den digitalen Filtern, die für die Verbesserung der Regelgüte eingesetzt werden. Es werden die Vorteile digitaler Filter im Vergleich zu analogen Filtern erläutert und das Design von IIR-Filtern mittels bilinearen Transformation vorgestellt. Der mathematische PID-Entwurf und die Entwicklung der drei Reglerelemente (P, I, D) werden erläutert, wobei der Schwerpunkt auf dem mathematischen Hintergrund der Implementierung liegt. Die Bedeutung der Filter für die Stabilität und die Genauigkeit der Regelung wird hervorgehoben.

5 Simulation der PID Regler-Schaltung: Dieses Kapitel beschreibt die Simulation der entwickelten PID-Regler Schaltung. Es werden die Methoden und Werkzeuge zur Simulation erläutert. Die Ergebnisse der Simulation werden analysiert um die Funktionalität des Reglers vor der Hardware Implementierung zu validieren.

6 Altera: Dieses Kapitel befasst sich mit der Hardware-Plattform Altera, auf der der PID-Regler implementiert wird. Es werden der verwendete PLD-Baustein, der Aufbau der Platine und die verwendete Software Quartus vorgestellt. Der Fokus liegt hier auf der konkreten Hardware, die für die Umsetzung der digitalen Regelung verwendet wird.

7 Die Hardwarebeschreibungssprache VHDL: Dieses Kapitel beschreibt die Hardwarebeschreibungssprache VHDL, die für die Programmierung des PID-Reglers verwendet wird. Es werden die Definition und die grundlegenden Strukturelemente von VHDL erläutert, sowie Anwendungsgebiete vorgestellt. Es wird dargelegt, warum VHDL als Programmiersprache für die Hardware-Implementierung gewählt wurde.

8 Aufbau und Programmierung des PID Reglers: Dieses Kapitel beschreibt detailliert den Aufbau und die Programmierung des PID-Reglers in VHDL. Es werden die einzelnen Komponenten des Reglers (AD/DA-Wandler, Verstärker, I-, P- und D-Teile) und deren Programmierung in VHDL erklärt. Der Fokus liegt auf der konkreten Implementierung des PID-Reglers in Hardware.

Schlüsselwörter

Digitale PID-Regelung, optische Fokussiereinrichtung, DVD-Laufwerk, VHDL, Altera, PLD, Digitalisierung, Regelkreis, Filterdesign, IIR-Filter, Qualitätskontrolle.

Häufig gestellte Fragen zur Diplomarbeit: Digitale PID-Regelung für eine optische Fokussiereinrichtung

Was ist das Thema der Diplomarbeit?

Die Diplomarbeit befasst sich mit der Entwicklung und Implementierung einer digitalen PID-Regelung für die optische Fokussierung in einem DVD-Laufwerk. Ziel ist die Erstellung eines robusten und einfach zu handhabenden digitalen Reglers als Alternative zu analogen Lösungen.

Welche Ziele werden in der Arbeit verfolgt?

Die Arbeit zielt auf die Entwicklung einer digitalen PID-Regelung, deren Implementierung in VHDL, die Programmierung auf einem Altera-Chip, die Optimierung der Regelungsparameter sowie den Test und die Evaluierung der Funktionalität ab.

Welche Komponenten des Fokusregelkreises werden beschrieben?

Detailliert beschrieben werden das Pick-Up, die astigmatische Optik und der 4-Quadranten-Photodetektor. Die Funktionsweise des Photodetektors und die Generierung des Fokusfehlersignals bilden die Grundlage für die Regelung.

Welche Grundlagen der Regelungstechnik werden behandelt?

Die Arbeit behandelt die Funktionsweise eines Reglers im Allgemeinen und speziell des PID-Reglers mit seinen Anteilen P, I und D. Die Digitalisierung der einzelnen Anteile und deren Vorbereitung für die Implementierung werden erklärt. Die mathematischen Grundlagen und Konzepte werden ebenfalls beschrieben.

Welche Rolle spielen digitale Filter?

Digitale Filter werden zur Verbesserung der Regelgüte eingesetzt. Die Vorteile digitaler Filter gegenüber analogen Filtern werden erläutert, ebenso das Design von IIR-Filtern mittels bilinearen Transformation. Der mathematische PID-Entwurf und die Entwicklung der drei Reglerelemente (P, I, D) werden detailliert dargestellt.

Wie wird die PID-Regler Schaltung simuliert?

Die Arbeit beschreibt die Simulation der entwickelten PID-Regler Schaltung, die Methoden und Werkzeuge sowie die Analyse der Simulationsergebnisse zur Validierung der Funktionalität vor der Hardware-Implementierung.

Welche Hardware-Plattform wird verwendet?

Die Implementierung erfolgt auf einer Altera-Plattform. Der verwendete PLD-Baustein, der Aufbau der Platine und die Software Quartus werden vorgestellt.

Welche Hardwarebeschreibungssprache wird eingesetzt?

Die Programmierung des PID-Reglers erfolgt in VHDL. Die Definition, grundlegende Strukturelemente und Anwendungsgebiete von VHDL werden erläutert.

Wie wird der PID-Regler aufgebaut und programmiert?

Der Aufbau und die Programmierung des PID-Reglers in VHDL werden detailliert beschrieben, inklusive der einzelnen Komponenten (AD/DA-Wandler, Verstärker, I-, P- und D-Teile) und deren VHDL-Programmierung.

Welche Tests werden durchgeführt?

Die Arbeit beschreibt Tests des Pick-Up, den Testablauf und die Programmierung von Komponenten wie `End_Schieb`. Der Test der Teile I-PD und PID sowie des Offset-Comp und `Focus Error` werden ebenfalls erläutert.

Welche Schlüsselwörter beschreiben die Arbeit?

Schlüsselwörter sind: Digitale PID-Regelung, optische Fokussiereinrichtung, DVD-Laufwerk, VHDL, Altera, PLD, Digitalisierung, Regelkreis, Filterdesign, IIR-Filter, Qualitätskontrolle.

Wie ist die Arbeit strukturiert?

Die Arbeit enthält eine Einleitung, ein detailliertes Inhaltsverzeichnis, die Zielsetzung und Themenschwerpunkte, Zusammenfassungen der Kapitel und Schlüsselwörter. Jedes Kapitel wird separat zusammengefasst.