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用可编程模拟器件实现直流伺服电机的速度控制

供稿:中国工控网 2016/5/18 15:35:46

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  • 关键词: 运动控制 可编程模拟器件 模拟调速系统
  • 摘要: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。

  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。

  1 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。

用可编程模拟器件实现直流伺服电机的速度控制

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  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。

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  这样:

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  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。

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  其中:

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  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。

  2 实现方法

  2.1 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。

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  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。

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  其传递函数关系如下:

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  这样,式(3)还可以写成如下形式:

用可编程模拟器件实现直流伺服电机的速度控制

  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。

  2.2 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。

用可编程模拟器件实现直流伺服电机的速度控制

  为了用ispPAC10实现上述结构,需将其变成图8所示的形式。

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  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。

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审核编辑(王雪)
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