用可編程模擬器件實(shí)現(xiàn)直流伺服電機(jī)的速度控制

　　摘　要：介紹了可編程模擬器件在模擬調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用，結(jié)合一個(gè)具體實(shí)例，給出了如何用ispPAC10實(shí)現(xiàn)直流伺服電機(jī)的速度調(diào)節(jié)器。
    關(guān)鍵詞：可編程模擬器件；ispPAC10；PI調(diào)節(jié)器；直流伺服電機(jī)
1　引　言
　　直流伺服電機(jī)具有響應(yīng)快、低速平穩(wěn)性好、調(diào)速范圍寬等特點(diǎn)，因而常常用于實(shí)現(xiàn)精密調(diào)速和位置控制的隨動(dòng)系統(tǒng)中，在工業(yè)、國(guó)防和民用等領(lǐng)域內(nèi)得到廣泛應(yīng)用，特別是在火炮穩(wěn)定系統(tǒng)、艦載平臺(tái)、雷達(dá)天線、機(jī)器人控制等場(chǎng)合。盡管交流伺服電機(jī)的發(fā)展相當(dāng)迅速，但在這些領(lǐng)域內(nèi)還難以取代直流伺服電機(jī)?！　鹘y(tǒng)的直流調(diào)速系統(tǒng)包含2個(gè)反饋環(huán)路，即速度環(huán)和電流環(huán)，采用測(cè)速機(jī)、電流傳感器（霍爾器件）及模擬電子線路實(shí)現(xiàn)速度的閉環(huán)控制?，F(xiàn)代數(shù)字直流伺服控制則采用高速數(shù)字信號(hào)處理器（DSP），直接對(duì)速度和電流信號(hào)進(jìn)行采樣，通過軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)字比較、數(shù)字調(diào)節(jié)運(yùn)算（數(shù)字濾波）、數(shù)字脈寬調(diào)制等各種功能，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)速度的精確控制。二者相比，模擬調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、可靠性高，但調(diào)試較復(fù)雜，因?yàn)槠潆娐穮?shù)的修改往往需要硬件上的改動(dòng)；而數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高，但是調(diào)速精度很高、調(diào)試過程也較容易，調(diào)速系統(tǒng)的性能可以由軟件進(jìn)行控制。
　　本文介紹一種方法，介于模擬調(diào)速及數(shù)字調(diào)速二者之間，即采用可編程模擬器件（ispPAC10）實(shí)現(xiàn)模擬調(diào)速系統(tǒng)，系統(tǒng)的電路參數(shù)可以通過軟件進(jìn)行調(diào)整，并且可以對(duì)建立的系統(tǒng)模型進(jìn)行仿真。采用這種方法對(duì)原有的直流調(diào)速器一種CCD相機(jī)的自動(dòng)變焦系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，取得了很好的效果。
2　模擬直流調(diào)速系統(tǒng)的組成和工作原理
　　模擬調(diào)速系統(tǒng)一般是由2個(gè)閉環(huán)構(gòu)成的，既速度閉環(huán)和電流閉環(huán)，為使二者能夠相互協(xié)調(diào)、發(fā)揮作用，在系統(tǒng)中設(shè)置了2個(gè)調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流。2個(gè)反饋閉環(huán)在結(jié)構(gòu)上采用一環(huán)套一環(huán)的嵌套結(jié)構(gòu)，這就是所謂的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，他具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，因而得到廣泛地應(yīng)用。圖1是系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖，其中ASR，ACR分別是速度和電流調(diào)節(jié)器，通常是由模擬運(yùn)放構(gòu)成PI或PID電路；信號(hào)調(diào)理主要是對(duì)反饋信號(hào)進(jìn)行濾波、放大?？紤]到直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，模擬調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)傳遞函數(shù)關(guān)系如圖2所示。　

　　以速度調(diào)節(jié)器ASR為例，其線路原理如圖3（a）所示，其中Zin（S）表示輸入網(wǎng)絡(luò)的復(fù)數(shù)阻抗，Zf（S）表示反饋網(wǎng)絡(luò)的復(fù)數(shù)阻抗。

這樣：

即調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)等于反饋網(wǎng)絡(luò)與輸入網(wǎng)絡(luò)復(fù)數(shù)阻抗之比。所以，改變Zf（S）和Zin（S），就可以獲得所需要的傳遞函數(shù)，以滿足系統(tǒng)動(dòng)態(tài)校正的需要。圖3（b）所示的PI調(diào)節(jié)器，其動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

其中：

　　在模擬調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)試過程中，因電機(jī)的參數(shù)或負(fù)載的機(jī)械特性與理論值有較大差異，往往需要頻繁更換R，C等元件來改變電路參數(shù)，以獲得預(yù)期的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)，這樣做起來非常麻煩，如果采用可編程模擬器件構(gòu)成調(diào)節(jié)器電路，系統(tǒng)參數(shù)如增益、帶寬甚至電路結(jié)構(gòu)都可以通過軟件進(jìn)行修改，調(diào)試起來就非常方便了。下面以圖3所示PI調(diào)節(jié)器為例，說明如何應(yīng)用可編程模擬器件—ispQAC10實(shí)現(xiàn)模擬調(diào)節(jié)器電路。
3　實(shí)現(xiàn)方法
3．1　ispPAC10簡(jiǎn)介
　　ispPAC10是Lattice公司生產(chǎn)的一種在系統(tǒng)可編程模擬器件，采用非易失性E2CMOS工藝，其內(nèi)部的模擬部件塊“PACblocks”無需外接電阻、電容等元件，便可代替?zhèn)鹘y(tǒng)的模擬電路，如運(yùn)算放大器、濾波器等；通過軟件編程，可實(shí)現(xiàn)電路的設(shè)計(jì)和修改，極大地縮短了開發(fā)、調(diào)試周期，具有很高的性能價(jià)格比。Lattice公司為開發(fā)ispPAC10而提供的集成軟件包PACDesigner功能強(qiáng)大、易學(xué)易用，可以在網(wǎng)上下載。ispPAC10內(nèi)部包含4個(gè)模擬部件塊—內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖5所示。

    PACblock電路原理圖如圖6（a）所示，圖6（b）是PAC-Designer軟件包中PACblock的表示。
　　其傳遞函數(shù)關(guān)系如下：

    這樣，式（3）還可以寫成如下形式：

　　通過式（4）、式（5）以及圖6（b），可以看出PACblock模塊具有比例、求和、積分、濾波等基本運(yùn)算功能，而1片ispPAC10包含4個(gè)PACblock模塊，每個(gè)模塊都有2組差動(dòng)輸入、1路差動(dòng)輸出。
　　將這4部分適當(dāng)?shù)剡B接，便可形成較復(fù)雜的模擬電路。

3．2　ispPAC10實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)器電路
　　以圖（3）所示具體電路為例，設(shè)R0＝10 kΩ，C0＝0．15μF，Rf＝40 kΩ，Cf＝0．5μF，其傳遞函數(shù)如圖7所示。
　　為了用ispPAC10實(shí)現(xiàn)上述結(jié)構(gòu)，需將其變成圖8所示的形式。

　　現(xiàn)在可以用ispPAC10直接實(shí)現(xiàn)上述調(diào)節(jié)器，具體電路如圖9所示，其中運(yùn)放的增益、電容的取值是通過軟件PAC-Designer設(shè)定的。
4　結(jié)　語
　　用可編程模擬器件可以很方便地設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)模擬電路。用他設(shè)計(jì)模擬調(diào)速電路，電路的參數(shù)、結(jié)構(gòu)都可以通過軟件進(jìn)行調(diào)整，使調(diào)試過程變得非常簡(jiǎn)單。需要注意的是這一類器件工作電壓一般不超過5 V，ispPAC10工作電壓為＋5 V，因此輸入信號(hào)不能太大，目前還只能用于小信號(hào)模擬電路中，盡管如此，其發(fā)展前景仍然非常誘人。