用可編程模擬器件實現直流伺服電機的速度控制

　　摘　要：介紹了可編程模擬器件在模擬調速系統中的應用，結合一個具體實例，給出了如何用ispPAC10實現直流伺服電機的速度調節器。
??? 關鍵詞：可編程模擬器件；ispPAC10；PI調節器；直流伺服電機
1　引　言
　　直流伺服電機具有響應快、低速平穩性好、調速范圍寬等特點，因而常常用于實現精密調速和位置控制的隨動系統中，在工業、國防和民用等領域內得到廣泛應用，特別是在火炮穩定系統、艦載平臺、雷達天線、機器人控制等場合。盡管交流伺服電機的發展相當迅速，但在這些領域內還難以取代直流伺服電機。　　傳統的直流調速系統包含2個反饋環路，即速度環和電流環，采用測速機、電流傳感器（霍爾器件）及模擬電子線路實現速度的閉環控制。現代數字直流伺服控制則采用高速數字信號處理器（DSP），直接對速度和電流信號進行采樣，通過軟件實現數字比較、數字調節運算（數字濾波）、數字脈寬調制等各種功能，從而實現對速度的精確控制。二者相比，模擬調速系統結構簡單、成本低、可靠性高，但調試較復雜，因為其電路參數的修改往往需要硬件上的改動；而數字調速系統結構復雜、成本高，但是調速精度很高、調試過程也較容易，調速系統的性能可以由軟件進行控制。
　　本文介紹一種方法，介于模擬調速及數字調速二者之間，即采用可編程模擬器件（ispPAC10）實現模擬調速系統，系統的電路參數可以通過軟件進行調整，并且可以對建立的系統模型進行仿真。采用這種方法對原有的直流調速器一種CCD相機的自動變焦系統進行改進，取得了很好的效果。
2　模擬直流調速系統的組成和工作原理
　　模擬調速系統一般是由2個閉環構成的，既速度閉環和電流閉環，為使二者能夠相互協調、發揮作用，在系統中設置了2個調節器，分別調節轉速和電流。2個反饋閉環在結構上采用一環套一環的嵌套結構，這就是所謂的雙閉環調速系統，他具有動態響應快、抗干擾能力強等優點，因而得到廣泛地應用。圖1是系統的結構框圖，其中ASR，ACR分別是速度和電流調節器，通常是由模擬運放構成PI或PID電路；信號調理主要是對反饋信號進行濾波、放大。考慮到直流電機的數學模型，模擬調速系統動態傳遞函數關系如圖2所示。　

　　以速度調節器ASR為例，其線路原理如圖3（a）所示，其中Zin（S）表示輸入網絡的復數阻抗，Zf（S）表示反饋網絡的復數阻抗。

?
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這樣：

即調節器的傳遞函數等于反饋網絡與輸入網絡復數阻抗之比。所以，改變Zf（S）和Zin（S），就可以獲得所需要的傳遞函數，以滿足系統動態校正的需要。圖3（b）所示的PI調節器，其動態結構如圖4所示。

其中：

　　在模擬調速系統的調試過程中，因電機的參數或負載的機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，以獲得預期的動態性能指標，這樣做起來非常麻煩，如果采用可編程模擬器件構成調節器電路，系統參數如增益、帶寬甚至電路結構都可以通過軟件進行修改，調試起來就非常方便了。下面以圖3所示PI調節器為例，說明如何應用可編程模擬器件—ispQAC10實現模擬調節器電路。
3　實現方法
3．1　ispPAC10簡介
　　ispPAC10是Lattice公司生產的一種在系統可編程模擬器件，采用非易失性E2CMOS工藝，其內部的模擬部件塊“PACblocks”無需外接電阻、電容等元件，便可代替傳統的模擬電路，如運算放大器、濾波器等；通過軟件編程，可實現電路的設計和修改，極大地縮短了開發、調試周期，具有很高的性能價格比。Lattice公司為開發ispPAC10而提供的集成軟件包PACDesigner功能強大、易學易用，可以在網上下載。ispPAC10內部包含4個模擬部件塊—內部結構如圖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。
　　其傳遞函數關系如下：

??? 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、濾波等基本運算功能，而1片ispPAC10包含4個PACblock模塊，每個模塊都有2組差動輸入、1路差動輸出。
　　將這4部分適當地連接，便可形成較復雜的模擬電路。

3．2　ispPAC10實現調節器電路
　　以圖（3）所示具體電路為例，設R0＝10 kΩ，C0＝0．15μF，Rf＝40 kΩ，Cf＝0．5μF，其傳遞函數如圖7所示。
　　為了用ispPAC10實現上述結構，需將其變成圖8所示的形式。

　　現在可以用ispPAC10直接實現上述調節器，具體電路如圖9所示，其中運放的增益、電容的取值是通過軟件PAC-Designer設定的。
4　結　語
　　用可編程模擬器件可以很方便地設計、實現模擬電路。用他設計模擬調速電路，電路的參數、結構都可以通過軟件進行調整，使調試過程變得非常簡單。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，因此輸入信號不能太大，目前還只能用于小信號模擬電路中，盡管如此，其發展前景仍然非常誘人。