PID控制算法在传感器电路中的应用

　　式中：t—时间；E—控制过程变量，E通常是跟踪误差，等于传感器实际测量值减设置点值；P—比例增量；I—积分增量的反商；D—微分增量。

　　参量P、I和D是特定应用中控制器的可调设置。控制器用控制工作OUTPUT，定标之后并经调节控制器(例如开关)迫使控制过程接通和稳定在设置点(即E=0)。

　　方程(1)右边第一项代表P模式或P操作，这是表示控制环路速度和稳定性的基本模式。有时单独实现P模式。意想不到的P模式原来是误差百分比，P模式可保证过程将稳定在设置点。事实上，实际的P模式控制器就稳定在不是设置点的地方(即E≠0)。下面简化的P模式模型可以说明此疑题：

　　在这里我们假定传感器的测量M正比于控制工作OUTPUT。假定定标因数C是1并达到OUTPUT=SET POINT，于是无限增益P包含在方程(2)中是与事实不符的。所以，P模式不可能完全消除误差。

　　为了克服上面所讨论的P模式局限性，所以，把方程(1)中第2项积分I模式引入计算中。此积分表示在规定时间标定内所有上述误差，它等于稍微改变的设置点，所以，控制器完全可消除误差。虽然I模式能平均噪声，但往往会积聚慢变化的误差。虽然现在的误差为零，但控制器力图修正过去的误差，调整过程偏离设置点并导致控制不稳定。这种行为特别可能发生在慢速控制系统中，在这种情况下，必须组合P模式来获得控制稳定性。

　　方程1中的第3项D模式用于加速控制运算以及防止过反应。D模式只在过程正在迅速变化时起作用。若有突然干扰使过程偏离设置点，则D模式在控制工作范围内立即产生1个小的响应来快速降低过程误差。另外，若逼近设置点的速率太快，则D模式将减速过程以避免控制过冲。数字上，D模式中的微分在控制工作中增加超前时间，有效地补偿P和I模式中的延迟。然而，滥用D模式可能导致过程不稳定，这是因为快速瞬态信号噪声可能在D模式中产生大的信号尖峰并导致控制过反应。这可能是快速系统中的一个问题。所以，D模式应只用于初始和前端误差校正，然后转交控制到P和I模式。

　　虽然流行的PID控制大多数与数字微处理器(mP)有关，但基本原理适用于传感器。例如，借助于软件或硬件(或两者组合)的PID控制在前置μP信号条理中采用P模式。这通常涉及到用放大器和滤波器来提高μP的ADC端口中的SNR。I模式应用可简单地解一组取样的均方根、平均或标准偏差。D模式只不过求出经过时间的信号斜率。为了得到最佳性能，任何控制操作必须基于从所有3个模式得到尽可能多的信息。

　　方程1不仅仅可以直接适用于大多数格式的软件，而且也可以用模拟电路实现(见图1)。用通用运放IC1、IC2、IC3和IC4分别做为调整放大器、积分器、微分器和求和放大器，这些都是典型的配置。传感器检测的过程变量是电压V1N和电路控制响应电压VOUT，它们的关系为：

　　尽管PID控制技术有不少的格式，但把它的基本原理应用在传感器电路中是相当实用和灵活的(见图2)。来自传感器电路中的过程变量是INPUT，此变量导致的控制如同Vout-D。IC6用做跨导放大器，与传感器接口。IC5在IC6之后构成一个有源带通滤波器。运放IC7、IC8和IC9构成缓冲器以避免负载效应。IC10是电压比较器。IC11、IC12和IC13是常复位的D型触发器。

　　图3示出此电路的SPICE仿真。首先，跨导放大器IC6必须是低噪声并且有合适的AC响应，此响应由与IC5有关的电阻器和电容器调谐。在这种情况下，IC6选择10KHz载波带通和放大，抑制来自环境干扰的其他频率和DC偏移。编码过程变量为INPUT，做为载波调幅(AM)。放大(P模式)过程变量INPUT，经IC6变换到AM电压信号VP，经C5/D1电平变换，然后由D0/C6峰值检测得到SIGNAL。SIGNAL是AM信号INPUT的包络。

　　IC10对SIGNAL和REFERENCE进行比较。注意由R5/C4滤波的SIGNAL本身产生REFERENCE。虽然，SIGNAL慢速变化，但电路保证REFERENCE=SIGNAL-0.7V(因为D2的原因)，所以VOUT-A=HIGH时，IC10可以检测信号。此特性为传感器提供大信号动态范围，这可抑制由于硬件老化或环境背景变化引起的任何慢速信号变化。只有在SIGNAL的衰降率大于时间常数R5×C4(D模式)或SIGNAL幅度小于噪声电平(P模式)时，在VOUT-A=LOW情况下IC10将告知零。

　　IC11、IC12和IC13相继取样和锁存比较器输出。只有在所有三个触发器锁存在其Q0是HLGH时，电路控制作用VOUT-D在NOR门IC14处通过逻辑累加(CI模式)将变为HIGH。其他情况下，控制作用为零。

　　电压分压器R6/R7在零信号条件下提供必须的REFERENCF补偿。注意在不同电路节点的R3、R4、R5和信号极性对每个应用要求可能是不同的。最后，电路的控制工作VOUT-D可用于带ON/OFE型开关的闭环控制或继电器失效一安全应用中的开环控制。■(京湘)

　　摘　要：介绍了可编程模拟器件在模拟调速系统中的应用，结合一个具体实例，给出了如何用ispPAC10实现直流伺服电机的速度调节器。 

    关键词：可编程模拟器件；ispPAC10；PI调节器；直流伺服电机 

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