用可編程模擬器件實(shí)現(xiàn)直流伺服電機(jī)的速度控制
用可編程模擬器件可以很方便地設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)模擬電路。用他設(shè)計(jì)模擬調(diào)速電路,電路的參數(shù)、結(jié)構(gòu)都可以通過(guò)軟件進(jìn)行調(diào)整,使調(diào)試過(guò)程變得非常簡(jiǎn)單。需要注意的是這一類(lèi)器件工作電壓一般不超過(guò)5 V,ispPAC10工作電壓為+5 V,因此輸入信號(hào)不能太大,目前還只能用于小信號(hào)模擬電路中,盡管如此,其發(fā)展前景仍然非常誘人。
1 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(gè)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(gè)調(diào)節(jié)器,分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流。2個(gè)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(dòng)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(hào)調(diào)理主要是對(duì)反饋信號(hào)進(jìn)行濾波、放大??紤]到直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型,模擬調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)傳遞函數(shù)關(guān)系如圖2所示。
以速度調(diào)節(jié)器ASR為例,其線路原理如圖3(a)所示,其中Zin(S)表示輸入網(wǎng)絡(luò)的復(fù)數(shù)阻抗,Zf(S)表示反饋網(wǎng)絡(luò)的復(fù)數(shù)阻抗。
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(mǎn)足系統(tǒng)動(dòng)態(tài)校正的需要。圖3(b)所示的PI調(diào)節(jié)器,其動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)如圖4所示。
其中:
在模擬調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)試過(guò)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(lái)改變電路參數(shù),以獲得預(yù)期的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo),這樣做起來(lái)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(guò)軟件進(jìn)行修改,調(diào)試起來(lái)就非常方便了。下面以圖3所示PI調(diào)節(jié)器為例,說(shuō)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。
2 實(shí)現(xiàn)方法
2.1 ispPAC10簡(jiǎn)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(wú)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(guò)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(kāi)發(fā)、調(diào)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(qiáng)大、易學(xué)易用,可以在網(wǎng)上下載。ispPAC10內(nèi)部包含4個(gè)模擬部件塊-內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(shù)關(guān)系如下:
這樣,式(3)還可以寫(xiě)成如下形式:
通過(guò)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(gè)PACblock模塊,每個(gè)模塊都有2組差動(dòng)輸入、1路差動(dòng)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。
2.2 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。
為了用ispPAC10實(shí)現(xiàn)上述結(jié)構(gòu),需將其變成圖8所示的形式。
現(xiàn)在可以用ispPAC10直接實(shí)現(xiàn)上述調(diào)節(jié)器,具體電路如圖9所示,其中運(yùn)放的增益、電容的取值是通過(guò)軟件PAC-Designer設(shè)定的。
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