用可編程模擬器件實(shí)現直流伺服電機的速度控制

　　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(diǎn)，因而常常用于實(shí)現精密調速和位置控制的隨動(dòng)系統中，在工業(yè)、國防和民用等領(lǐng)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(xiàn)、機器人控制等場(chǎng)合。盡管交流伺服電機的發(fā)展相當迅速，但在這些領(lǐng)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(gè)反饋環(huán)路，即速度環(huán)和電流環(huán)，采用測速機、電流傳感器(霍爾器件)及模擬電子線(xiàn)路實(shí)現速度的閉環(huán)控制?，F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(jìn)行采樣，通過(guò)軟件實(shí)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(shí)現對速度的精確控制。二者相比，模擬調速系統結構簡(jiǎn)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(dòng);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(guò)程也較容易，調速系統的性能可以由軟件進(jìn)行控制。

　　本文介紹一種方法，介于模擬調速及數字調速二者之間，即采用可編程模擬器件(ispPAC10)實(shí)現模擬調速系統，系統的電路參數可以通過(guò)軟件進(jìn)行調整，并且可以對建立的系統模型進(jìn)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(dòng)變焦系統進(jìn)行改進(jìn)，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(gè)閉環(huán)構成的，既速度閉環(huán)和電流閉環(huán)，為使二者能夠相互協(xié)調、發(fā)揮作用，在系統中設置了2個(gè)調節器，分別調節轉速和電流。2個(gè)反饋閉環(huán)在結構上采用一環(huán)套一環(huán)的嵌套結構，這就是所謂的雙閉環(huán)調速系統，他具有動(dòng)態(tài)響應快、抗干擾能力強等優(yōu)點(diǎn)，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(jìn)行濾波、放大?？紤]到直流電機的數學(xué)模型，模擬調速系統動(dòng)態(tài)傳遞函數關(guān)系如圖2所示。

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

　　這樣：

　　即調節器的傳遞函數等于反饋網(wǎng)絡(luò )與輸入網(wǎng)絡(luò )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(mǎn)足系統動(dòng)態(tài)校正的需要。圖3(b)所示的PI調節器，其動(dòng)態(tài)結構如圖4所示。

　　其中：

　　在模擬調速系統的調試過(guò)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(lái)改變電路參數，以獲得預期的動(dòng)態(tài)性能指標，這樣做起來(lái)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(guò)軟件進(jìn)行修改，調試起來(lái)就非常方便了。下面以圖3所示PI調節器為例，說(shuō)明如何應用可編程模擬器件—ispQAC10實(shí)現模擬調節器電路。

　　3　實(shí)現方法

　　3.1　ispPAC10簡(jiǎn)介

　　ispPAC10是Lattice公司生產(chǎn)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(wú)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(guò)軟件編程，可實(shí)現電路的設計和修改，極大地縮短了開(kāi)發(fā)、調試周期，具有很高的性能價(jià)格比。Lattice公司為開(kāi)發(fā)ispPAC10而提供的集成軟件包PACDesigner功能強大、易學(xué)易用，可以在網(wǎng)上下載。ispPAC10內部包含4個(gè)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(guān)系如下：

　　這樣，式(3)還可以寫(xiě)成如下形式：