基于鎖相環(huán)的可變量程轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)

本文介紹的基于鎖相環(huán)的可變量程轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)，是為研制新一代具有卷繞特性的調(diào)速電機(jī)控制器而開發(fā)的[1]，其轉(zhuǎn)速信號(hào)檢測方法具有結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便、價(jià)廉可靠的特點(diǎn)。

　　1 PLL電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)原理

　　用鎖相環(huán)路構(gòu)成的電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的框圖如圖1所示，其中，VCO已由電機(jī)和光轉(zhuǎn)速表取代。激勵(lì)電壓調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，在電機(jī)的軸上安裝一個(gè)開槽的扇形平盤。扇形盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)不斷地切斷發(fā)光二極管發(fā)出的光線，使光耦合器中的光敏管產(chǎn)生頻率與電機(jī)轉(zhuǎn)速成整數(shù)倍的方波脈沖序列u2(ω2)。這樣，方波脈沖的頻率與激勵(lì)電壓有一定的函數(shù)關(guān)系，等效為鎖相環(huán)中的壓控振蕩器。為了使光電耦合器能輸出波形良好的方波，在光敏管之后通常還要接一個(gè)施密特觸發(fā)器，用于對信號(hào)整形，如圖2所示。

　　2 PLL電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)模型設(shè)計(jì)

　　由于電機(jī)具有較大的慣性，等效于一個(gè)時(shí)間常數(shù)很大的相位滯后網(wǎng)絡(luò)，可能會(huì)對環(huán)路穩(wěn)定性有較大的影響。

　　環(huán)路中采用CMOS鑒頻鑒相器。光電耦合器產(chǎn)生的方波信號(hào)的頻率與電機(jī)轉(zhuǎn)速成正比，它與輸入?yún)⒖夹盘?hào)u1(ω1)的頻率進(jìn)行鑒頻與鑒相。當(dāng)鎖相環(huán)路鎖定之后，電機(jī)的轉(zhuǎn)速可穩(wěn)定在設(shè)定值上，沒有跟蹤頻率誤差，只有相位誤差。所選用的鑒頻鑒相器應(yīng)保證環(huán)路具有足夠的捕獲范圍，在各種不同的起始條件下，環(huán)路都能鎖定。

　　下面重點(diǎn)介紹對電機(jī)和光轉(zhuǎn)速表組合的傳遞函數(shù)的推導(dǎo)。

　　以上分析表明，由于電機(jī)和光轉(zhuǎn)速表本身就是一個(gè)二階系統(tǒng)，在考慮了環(huán)路濾波器的作用之后，整個(gè)控制環(huán)路就是一個(gè)三階系統(tǒng)。由此得到的系統(tǒng)模型如圖3所示。圖3中設(shè)伺服放大器為增益等于Ka的零階系統(tǒng)。

　　為了保證全系統(tǒng)穩(wěn)定，環(huán)路濾波器必須具有零點(diǎn)(即相位超前校正功能)?？刹捎糜性幢壤e分濾波器，否則在較高的頻率上，閉環(huán)傳遞函數(shù)的相位可能會(huì)超過180°，導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。

　　在設(shè)計(jì)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)時(shí)，事先給定某些參數(shù)，如電機(jī)參數(shù)Km、Tm、扇形盤齒數(shù)K2等。其余的參數(shù)如伺服放大器增益Kα、環(huán)路濾波器參數(shù)τ1、τ2等，則需根據(jù)系統(tǒng)最佳動(dòng)態(tài)性能以及穩(wěn)定性能來選定。3 量程可變的轉(zhuǎn)速信號(hào)檢測

　　3.1 基于CD4046的倍率可變的窄帶跟蹤電路

　　PLLCD4046[4]是由存儲(chǔ)式邊沿觸發(fā)鑒頻鑒相電路、VCO壓控振蕩器、低通濾波器等組成的相位負(fù)反饋閉環(huán)電路。該電路的鑒相器克服了正弦鑒相器的非線性及無鑒頻功能的缺陷[2～3]，且其同步帶、捕捉帶和快捕帶相同，捕捉時(shí)間等于快捕時(shí)間，失鎖時(shí)捕捉能力強(qiáng)、速度快。

　　基于CD4046的倍率可變的窄帶跟蹤電路總體組成如圖4所示。其中，A1、A2及其阻容元件組成同相有源比例積分濾波器，÷N電路為N倍分頻器。采用有源比例積分器作環(huán)路濾波時(shí)，鎖相環(huán)具有很好的窄帶跟蹤特性。

　　3.2 提高跟蹤精度的措施

　　3.3 倍頻原理及控制器量程分檔

　　鎖相環(huán)是一個(gè)頻率信號(hào)具有相位負(fù)反饋的電路。當(dāng)相位鎖定時(shí)，輸入信號(hào)和反饋信號(hào)fi的頻率相同，相位差固定(與鑒相器形式有關(guān)，這里為零相位差)。倍頻原理如圖5所示。如在壓控振蕩器后面接有可變分頻系數(shù)的N分頻器(這里采用人工切換分頻器CD4046的輸出端而得到不同的分頻系數(shù))，反饋到鑒相器的信號(hào)頻率為f0/N，當(dāng)鑒相器相位鎖定時(shí)，fi=f0/N，即f0=Nfi。若以壓控振蕩器的輸出頻率f0作輸出信號(hào)，就達(dá)到了N倍頻的目的(即 f0=Nfi)，分頻器分頻系數(shù)N即為電路的倍頻系數(shù)。對于研制的四極電機(jī)的控制器而言，可分為三檔：1500r/min、750r/min、375r/min，則取倍頻系數(shù)分別為16、32、64，各檔對應(yīng)的最高頻率都為1600Hz。這為電荷轉(zhuǎn)移式f/v轉(zhuǎn)換電路的定時(shí)參數(shù)的設(shè)計(jì)帶來了方便。控制器以轉(zhuǎn)速表指示電機(jī)轉(zhuǎn)速，分三檔量程指示，使操作更直觀方便，精度更高。

　　4 試驗(yàn)結(jié)果

　　圖4中，將分頻器短接(即N=1)，便以儀器觀察電路的跟蹤特性，用低頻特性測試儀作掃頻信號(hào)發(fā)生器，其輸出信號(hào)加到被測試電路代替?zhèn)鞲衅餍盘?hào)fi，同時(shí)加到本身的輸入端以觀察并調(diào)整掃頻速率。用動(dòng)態(tài)分析儀分析fi和fo的頻譜并同時(shí)觀察兩路信號(hào)的跟蹤情況。設(shè)置掃描頻率范圍為200Hz～20kHz，掃描速率到滿幅1.5秒做電路功能測試，結(jié)果如表1所示。第一點(diǎn)的明顯的誤差產(chǎn)生原因是掃頻信號(hào)由于20kHz瞬時(shí)返0，濾波電容放電跟不上所致，手動(dòng)掃描時(shí)無此現(xiàn)象，實(shí)際測量時(shí)無此突變情況。該掃描速度相當(dāng)于20kHz/1.5s=13.3kHz?？梢娫撾娐返念l率跟蹤性能是優(yōu)良的。

　　該電路系統(tǒng)已成功使用在具有卷繞特征的調(diào)速系統(tǒng)中，具有價(jià)格低廉、制作方便、信號(hào)檢測精度高、分檔方便的特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于被控信號(hào)頻率變化范圍大、變化速度高的場合。