【導(dǎo)讀】本文采用可編程模擬器件實(shí)現(xiàn)模擬調(diào)速系統(tǒng)，這種速度控制介于模擬調(diào)速和數(shù)字調(diào)速之間，通過軟件調(diào)整系統(tǒng)電路參數(shù)，并建立系統(tǒng)模型仿真。本文所述的方法能夠?qū)υ械闹绷髡{(diào)速器進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計(jì)出更佳的效果。
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系統(tǒng)中，在工業(yè)、國防和民用等領(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、雷達(dá)天線、機(jī)器人控制等場合。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)。
傳統(tǒng)的直流調(diào)速系統(tǒng)包含2個反饋環(huán)路，即速度環(huán)和電流環(huán)，采用測速機(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。現(xiàn)代數(shù)字直流伺服控制則采用高速數(shù)字信號處理器(DSP)，直接對速度和電流信號進(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)對速度的精確控制。二者相比，模擬調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、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；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。
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個調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流。2個反饋閉環(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；信號調(diào)理主要是對反饋信號進(jìn)行濾波、放大。考慮到直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，模擬調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)傳遞函數(shù)關(guān)系如圖2所示。
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)動態(tài)校正的需要。圖3(b)所示的PI調(diào)節(jié)器，其動態(tài)結(jié)構(gòu)如圖4所示。
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。
實(shí)現(xiàn)方法
ispPAC10簡介
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個模擬部件塊-內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖5所示。
圖5
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(dāng)?shù)剡B接，便可形成較復(fù)雜的模擬電路。
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。
