模拟与数字结合的直流伺服电机调速系统研究

一、引言

　　直流伺服电机以其快速响应、稳定低速运行以及宽广的调速范围，在精密调速与位置控制的随动系统领域扮演着重要角色，广泛应用于工业、国防及民用等多个领域，如火炮稳定系统、舰载平台、雷达天线、机器人控制等。尽管交流伺服电机发展迅猛，但在这些特定领域，直流伺服电机仍难以被取代。

　　传统的直流调速系统采用两个反馈环路——速度环与电流环，通过测速机、电流传感器（如霍尔元件）及模拟电子线路实现速度的闭环控制。而现代数字直流伺服控制则利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（如数字滤波）、数字脉宽调制等功能，实现对速度的精确控制。相较之下，模拟调速系统结构简单、成本低、可靠性高，但调试复杂，电路参数的修改往往需要硬件改动；而数字调速系统结构复杂、成本高，但调速精度高，调试简便，系统性能可通过软件控制。

　　本文提出一种介于模拟调速与数字调速之间的方法，即利用可编程模拟器件（ispPAC10）实现模拟调速系统，系统电路参数可通过软件调整，并可实现系统模型的仿真。以这种方法改进原有的直流调速器与CCD相机的自动变焦系统，取得了显著成效。

　　二、模拟直流调速系统的组成与工作原理

　　模拟调速系统通常由两个闭环构成，即速度闭环和电流闭环。皖南电机为使二者协调运作，系统中设有两个调节器，分别调节转速和电流。两个反馈闭环采用一环套一环的嵌套结构，即双闭环调速系统，具有快速动态响应和强抗干扰能力，因而得到广泛应用。图1展示了系统结构框图，其中ASR和ACR分别为速度和电流调节器，通常由模拟运算放大器构成的PI或PID电路组成；信号调理主要对反馈信号进行滤波和放大。考虑到直流电机的数学模型，模拟调速系统的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。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。皖南电机价格表因此，通过改变Zf(S)和Zin(S)，即可获得所需的传递函数，以满足系统动态校正的需求。图3(b)所示的PI调节器，其动态结构如图4所示。安徽皖南电机

　　在模拟调速系统的调试过程中，由于电机参数或负载的机械特性与理论值存在较大差异，往往需要频繁更换R、C等元件以改变电路参数，以获得预期的动态性能指标，这样做非常繁琐。若采用可编程模拟器件构成调节器电路，系统参数如增益、带宽甚至电路结构均可通过软件进行修改，调试过程将变得非常简便。以下以图3所示的PI调节器为例，说明如何利用可编程模拟器件ispPAC10实现模拟调节器电路。皖南电机

　　三、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。皖南电机价格表其内部的模拟部件块“PACblocks”无需外接电阻、电容等元件，即可替代传统的模拟电路，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，大幅缩短开发、调试周期，具有很高的性价比。Lattice公司为ispPAC10提供的集成软件包PACDesigner功能强大、易于学习使用，可在网上下载。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：

　　通过式(3)、式(4)和图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组差动输入和1路差动输出。将这4部分适当连接，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=10kΩ，C0=0.15μF，Rf=40kΩ，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。安徽皖南电机现在可以用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。

　　四、结语

　　利用可编程模拟器件，可以轻松地设计、实现模拟电路。利用其设计模拟调速电路，电路参数、结构均可通过软件进行调整，使调试过程变得极其简便。需要注意的是，此类器件工作电压一般不超过5V，ispPAC10工作电压为+5V，因此输入信号不宜过大，目前仅适用于小信号模拟电路。尽管如此，其发展前景依然十分广阔。