用可编程模拟器件实现直流伺服电机的速度控制

1 引言

直流伺服电机具有响应快、低速平稳性好、调速范围宽等特点，因而常常用于实现精密调速和位置控制的随动系统中，在工业、国防和民用等领域内得到广泛应用，特别是在火炮稳定系统、舰载平台、雷达天线、机器人控制等场合。尽管交流伺服电机的发展相当迅速，但在这些领域内还难以取代直流伺服电机。

传统的直流调速系统包含2个反馈环路，即速度环和电流环，采用测速机、电流传感器（霍尔器件）及模拟电子线路实现速度的闭环控制。现代数字直流伺服控制则采用高速数字信号处理器（DSP），直接对速度和电流信号进行采样，通过软件实现数字比较、数字调节运算（数字滤波）、数字脉宽调制等各种功能，从而实现对速度的精确控制。二者相比，模拟调速系统结构简单、成本低、可靠性高，但调试较复杂，因为其电路参数的修改往往需要硬件上的改动；而数字调速系统结构复杂、成本高，但是调速精度很高、调试过程也较容易，调速系统的性能可以由软件进行控制。

本文介绍一种方法，介于模拟调速及数字调速二者之间，即采用可编程模拟器件（ispPAC10）实现模拟调速系统，系统的电路参数可以通过软件进行调整，并且可以对建立的系统模型进行仿真。采用这种方法对原有的直流调速器一种CCD相机的自动变焦系统进行改进，取得了很好的效果。

2 模拟直流调速系统的组成和工作原理

模拟调速系统一般是由2个闭环构成的，既速度闭环和电流闭环，为使二者能够相互协调、发挥作用，在系统中设置了2个调节器，分别调节转速和电流。2个反馈闭环在结构上采用一环套一环的嵌套结构，这就是所谓的双闭环调速系统，他具有动态响应快、抗干扰能力强等优点，因而得到广泛地应用。图1是系统的结构框图，其中ASR，ACR分别是速度和电流调节器，通常是由模拟运放构成PI或PID电路；信号调理主要是对反馈信号进行滤波、放大。考虑到直流电机的数学模型，模拟调速系统动态传递函数关系如图2所示。





以速度调节器ASR为例，其线路原理如图3（a）所示，其中Zin（S）表示输入网络的复数阻抗，Zf（S）表示反馈网络的复数阻抗。



这样：


即调节器的传递函数等于反馈网络与输入网络复数阻抗之比。所以，改变Zf（S）和Zin（S），就可以获得所需要的传递函数，以满足系统动态校正的需要。图3（b）所示的PI调节器，其动态结构如图4所示。



其中：


在模拟调速系统的调试过程中，因电机的参数或负载的机械特性与理论值有较大差异，往往需要频繁更换R，C等元件来改变电路参数，以获得预期的动态性能指标，这样做起来非常麻烦，如果采用可编程模拟器件构成调节器电路，系统参数如增益、带宽甚至电路结构都可以通过软件进行修改，调试起来就非常方便了。下面以图3所示PI调节器为例，说明如何应用可编程模拟器件—ispQAC10实现模拟调节器电路。   

3　实现方法

3．1　ispPAC10简介
ispPAC10是Lattice公司生产的一种在系统可编程模拟器件，采用非易失性E2CMOS工艺，其内部的模拟部件块“PACblocks”无需外接电阻、电容等元件，便可代替传统的模拟电路，如运算放大器、滤波器等；通过软件编程，可实现电路的设计和修改，极大地缩短了开发、调试周期，具有很高的性能价格比。Lattice公司为开发ispPAC10而提供的集成软件包PACDesigner功能强大、易学易用，可以在网上下载。ispPAC10内部包含4个模拟部件块—内部结构如图5所示。





PACblock电路原理图如图6（a）所示，图6（b）是PAC-Designer软件包中PACblock的表示。





其传递函数关系如下：



这样，式（3）还可以写成如下形式：



通过式（4）、式（5）以及图6（b），可以看出PACblock模块具有比例、求和、积分、滤波等基本运算功能，而1片ispPAC10包含4个PACblock模块，每个模块都有2组差动输入、1路差动输出。

将这4部分适当地连接，便可形成较复杂的模拟电路。   

3．2　ispPAC10实现调节器电路

以图（3）所示具体电路为例，设R0＝10 kΩ，C0＝0．15μF，RF＝40 kΩ，Cf＝0．5μF，其传递函数如图7所示。



为了用ispPAC10实现上述结构，需将其变成图8所示的形式。



现在可以用ispPAC10直接实现上述调节器，具体电路如图9所示，其中运放的增益、电容的取值是通过软件PAC-Designer设定的。



4　结　语

用可编程模拟器件可以很方便地设计、实现模拟电路。用他设计模拟调速电路，电路的参数、结构都可以通过软件进行调整，使调试过程变得非常简单。需要注意的是这一类器件工作电压一般不超过5 V，ispPAC10工作电压为＋5 V，因此输入信号不能太大，目前还只能用于小信号模拟电路中，尽管如此，其发展前景仍然非常诱人。