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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

作者: 来源: 发布时间:2018-2-11 16:12:47  点击数:368
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。
参考文献
[1] 谢宗安.自动控制系统[m].重庆:重庆大学出版社,1995.

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