基于锁相环的可变量程转速控制系统

在电机转速控制系统中，经常需要对电机的转速信号进行测量和处理，以达到精确控制转速的目的。通常采用旋转编码器、测速发电机等传感器测量转速，不但体积大、安装不便，而且价格高；而利用锁相环路可用很低的成本对电机转速实施非常精确的转速测量和控制。本文介绍的基于锁相环的可变量程转速控制系统，是为研制新一代具有卷绕特性的调速电机控制器而开发的[1]，其转速信号检测方法具有结构简单、安装方便、价廉可靠的特点。
  
  1 PLL电机转速控制系统原理
  
  用锁相环路构成的电机转速控制系统的框图如图1所示，其中，VCO已由电机和光转速表取代。激励电压调节电机的转速，在电机的轴上安装一个开槽的扇形平盘。扇形盘转动时不断地切断发光二极管发出的光线，使光耦合器中的光敏管产生频率与电机转速成整数倍的方波脉冲序列u2(ω2)。这样，方波脉冲的频率与激励电压有一定的函数关系，等效为锁相环中的压控振荡器。为了使光电耦合器能输出波形良好的方波，在光敏管之后通常还要接一个施密特触发器，用于对信号整形，如图2所示。
  
  
  
  2 PLL电机转速控制系统模型设计
    由于电机具有较大的惯性，等效于一个时间常数很大的相位滞后网络，可能会对环路稳定性有较大的影响。
  
  环路中采用CMOS鉴频鉴相器。光电耦合器产生的方波信号的频率与电机转速成正比，它与输入参考信号u1(ω1)的频率进行鉴频与鉴相。当锁相环路锁定之后，电机的转速可稳定在设定值上，没有跟踪频率误差，只有相位误差。所选用的鉴频鉴相器应保证环路具有足够的捕获范围，在各种不同的起始条件下，环路都能锁定。
  
  下面重点介绍对电机和光转速表组合的传递函数的推导。
  
  
  
  以上分析表明，由于电机和光转速表本身就是一个二阶系统，在考虑了环路滤波器的作用之后，整个控制环路就是一个三阶系统。由此得到的系统模型如图3所示。图3中设伺服放大器为增益等于Ka的零阶系统。
  
  
  
  为了保证全系统稳定，环路滤波器必须具有零点(即相位超前校正功能)。可采用有源比例积分滤波器，否则在较高的频率上，闭环传递函数的相位可能会超过180°，导致系统不稳定。
  
  在设计电机转速控制系统时，事先给定某些参数，如电机参数Km、Tm、扇形盘齿数K2等。其余的参数如伺服放大器增益Kα、环路滤波器参数τ1、τ2等，则需根据系统最佳动态性能以及稳定性能来选定。



3 量程可变的转速信号检测

3．1 基于CD4046的倍率可变的窄带跟踪电路

PLLCD4046[4]是由存储式边沿触发鉴频鉴相电路、VCO压控振荡器、低通滤波器等组成的相位负反馈闭环电路。该电路的鉴相器克服了正弦鉴相器的非线性及无鉴频功能的缺陷[2～3]，且其同步带、捕捉带和快捕带相同，捕捉时间等于快捕时间，失锁时捕捉能力强、速度快。

基于CD4046的倍率可变的窄带跟踪电路总体组成如图4所示。其中，A1、A2及其阻容元件组成同相有源比例积分滤波器，÷N电路为N倍分频器。采用有源比例积分器作环路滤波时，锁相环具有很好的窄带跟踪特性。



3．2 提高跟踪精度的措施


      
    3．3 倍频原理及控制器量程分档
  
  锁相环是一个频率信号具有相位负反馈的电路。当相位锁定时，输入信号和反馈信号fi的频率相同，相位差固定(与鉴相器形式有关，这里为零相位差)。倍频原理如图5所示。如在压控振荡器后面接有可变分频系数的N分频器(这里采用人工切换分频器CD4046的输出端而得到不同的分频系数)，反馈到鉴相器的信号频率为f0/N，当鉴相器相位锁定时，fi=f0/N，即f0=Nfi。若以压控振荡器的输出频率f0作输出信号，就达到了N倍频的目的(即 f0=Nfi)，分频器分频系数N即为电路的倍频系数。对于研制的四极电机的控制器而言，可分为三档：1500r/min、750r/min、375r/min，则取倍频系数分别为16、32、64，各档对应的最高频率都为1600Hz。这为电荷转移式f/v转换电路的定时参数的设计带来了方便。控制器以转速表指示电机转速，分三档量程指示，使操作更直观方便，精度更高。
  
  
  
  4 试验结果
  
  图4中，将分频器短接(即N=1)，便以仪器观察电路的跟踪特性，用低频特性测试仪作扫频信号发生器，其输出信号加到被测试电路代替传感器信号fi，同时加到本身的输入端以观察并调整扫频速率。用动态分析仪分析fi和fo的频谱并同时观察两路信号的跟踪情况。设置扫描频率范围为200Hz～20kHz，扫描速率到满幅1.5秒做电路功能测试，结果如表1所示。第一点的明显的误差产生原因是扫频信号由于20kHz瞬时返0，滤波电容放电跟不上所致，手动扫描时无此现象，实际测量时无此突变情况。该扫描速度相当于20kHz/1.5s=13.3kHz。可见该电路的频率跟踪性能是优良的。
  
  
  
  该电路系统已成功使用在具有卷绕特征的调速系统中，具有价格低廉、制作方便、信号检测精度高、分档方便的特点，可广泛应用于被控信号频率变化范围大、变化速度高的场合。