用可编程模拟器件实现直流伺服电机的速度控制

　　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。

　　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。

　　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。

　　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。

　　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。

　　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。