高精度锁相环电机控制系统

文章编号:　100025714(2005)032246204

高精度锁相环电机控制系统Ξ

耿朝阳,钟联炯,范跃华(西安工业学院计算机科学与工程学院,西安710032)摘　要:　锁相环路是一种能实现相位自动锁定的控制系统,主要用于频率合成及跟踪解调系统.本文介绍了一种使用锁相环技术控制电机的方法,将电机的转速信号与控制信号进行相位比较,取出二者的相位差作为控制信号,经滤波、放大后控制电机运行,使电机始终保持匀速转动.引入锁相环后系统的控制精度从1%提高到0.1%,并且稳定度和抗干扰性等其他指标都有很大提高,克服了早期使用模拟器件控制电机时,控制精度低,稳定度差等缺点.

关键词:　锁相环;控制系统;直流电机;压控振荡器;转速中图号:　TM935.23 文献标识码:　A

某型高速摄影机用来拍摄高速飞行中的弹丸,摄影机中电机的控制使用可控硅和集成稳压器.在实际应用中,出现的问题主要是电机高速运行较长时间后转速下降,低于原先设定值,调节电机转速所需时间较长,精确调节不易等等.旧的控制系统虽然经过若干次改进,但只是改变可控硅、集成稳压器的型号和控制电路,产生问题的根本原因并未得到完全消除.因为电机在高速运行时,电流很大,整个电路发热,模拟电子器件对温度很敏感,温度升高使电路的工作点产生漂移,所以电机运行一段时间后,其转速往往会自动下降,低于原先的设定值.另外,摄影机的鼓轮是在一个封闭的金属容器中高速转动的,鼓轮外壁与金属容器内壁间的空隙很小,在拍摄时鼓轮的外壁上还缠有一圈感光胶片,如果胶片缠得不紧的话,在鼓轮转动一段时间后,胶片往往会更松,使鼓轮转动时的摩擦加大,这也会使电机转速下降.在最新研制的高速摄影机控制系统中,使用了锁相环技术控制电机,使其转速控制精度提高,稳定性增加,调节时间缩短,整体性能有较大提高.1　锁相环路工作原理锁相环路是一个实现相位自动锁定的控制系统,按输入信号要求可以分为恒定输入环路与随动输入环路.前者用于稳频、频率合成等系统,后者用于跟踪、解调系统.

锁相环最基本的结构如图1所示.它由三个基本的部件组成:鉴相器(PD)、环路滤波器(LF)和压控振荡器(VCO).鉴相器是个相位比较装置.它把输入信号fi和压控振荡器的输出信号fo的相位进行比较,产生对应于两个信号相位差的误差电压Vd.环路滤波器的作用是滤除误差电压Vd

中的

高频成分和噪声,以保证环路所要求的性能,增加系统的稳定性.压控振荡器受控制电压Vc的控制,使压控振荡器的频率向输入信号的频率靠拢,

直至消除频差而锁定.

图1　锁相环工作原理框图Fig.1　FunctionaldiagramofPLL锁相环是个相位误差控制系统.它比较输入信号和压控振荡器输出信号之间的相位差,从而产生误差控制电压来调整压控振荡器的频率,以达到与输入信号同频.在环路开始工作时,如果输入信号频率与压控振荡器频率不同,则由于两信号之间存

第25卷　第3期 西　安　工　业　学　院　学　报 Vol125　No13

2005年6月 JOURNALOFXIπANINSTITUTEOFTECHNOLOGY Jun.2005

Ξ收稿日期:2005203228

作者简介:耿朝阳(1971-),男,西安工业学院工程师,主要研究方向为测试系统及人工智能.在固有的频率差,它们之间的相位差势必一直在变化,结果鉴相器输出的误差电压就在一定范围内变化.在这种误差电压的控制下,压控振荡器的频率也在变化.若压控振荡器的频率能够变化到与输入信号频率相等,在满足稳定性条件下就在这个频率上稳定下来.达到稳定后,输入信号和压控振荡器输出信号之间的频差为零,相差不再随时间变化,误差电压为一固定值,这时环路就进入“锁定”状态[1].2　用锁相环控制电机2.1　控制对象描述本系统要控制是高速摄影机的电机,摄影机工作时,胶片缠在摄影机鼓轮上,电机带动鼓轮高速转动.鼓轮周长50cm,每隔1cm有一个小孔,当鼓轮转动时,光电二极管将转速信号转换为电脉冲信号,对应鼓轮转速为1m/s时,信号频率为100Hz,转速为60m/s时,信号频率为6kHz,所以,环路滤波器的工作频率范围是0.1～6kHz,高低频差达60倍.这对滤波器的设计是很不利的,因为在最高和最低的频率下,同一个电容的滤波效能回会相差60倍.2.2　把电机接入锁相环路普通的锁相环电路由鉴相器(PD)、环路滤波器(LF),压控振荡器(VCO)组成.如果把电机的转速看作一个频率信号,将其接入环路,即可实现对电机的控制,如图2所示.图2　锁相环控制电机原理框图Fig.2　FunctionaldiagramofPLLcontrolsystemformotor将压控振荡器部分用信号放大电路、功率放大电路和电机代替,电机的转速经传感器形成为频率信号fo,用fo与fi进行比相,得到的误差电压经滤波后放大,再加到功率放大电路的输入端,控制电机转速升高或降低.通过实验,这样的电路在电机高速运行时效果很好,但在低速运行时误差较大,运行不稳定,因为环路滤波器工作在高频段时,滤波效果较好,工作在低频段时,滤波效果不好,电机的起动有一定的滞后性,使得系统在低速运行时效果很差.要在低频段取得好的滤波效果,必须加大滤波器的时间常数,这样的话电机的加速过程将相当缓慢[5,6].因此必须采取一些方法来改进控制

电路,需要将图2的单环控制电路改进为图3所示的三环控制电路.

图3　三环控制系统原理图Fig.3　Diagramofthreeloopscontrolsystem改进后的控制系统由3个锁相环路组成,环路1和环路2的结构完全相同,其中都有一个可编程分频器,其分频系数在10～600之间,可由程序设定.环路1用来跟踪输入的控制信号f

i,

当环路

1处于“锁定”状态时,其输出信号频率f

1

为输入

信号的N倍;环路2用来跟踪电机的转速信号,同样当环路2处于“锁定”状态时,其输出信号频率f2

为电机转速信号的N倍.环路1、2的输出信号

加在环路3鉴相器PD3的输入端,产生的误差电压Vd经环路滤波器LF3滤波输出控制电压V

c,

控制功率放大器带动电机转动.环路1、2的输出信号由压控振荡器VCO产生,只要其环路滤波器LF

的时间常数取值合理,可以较好地跟踪输入的信号,其捕捉时间很短,为毫秒级.而环路3输出信号实际上是电机的转速信号,电机起动的滞后性很大,为了改善性能,在系统运行时,根据输入控制信号fi的大小(0.1～6kHz),调整分频系数N,使得fi

×N在60kHz左右,锁相环路3的工作频率始

终在60kHz附近,设计环路滤波器LF3使其通频带为55kHz以上,利用滤波器LF3的输出信号V

c

控制功率放大器推动电机运转.环路滤波器LF3

的输入信号频率较高,滤波效果好,对电机可以达到比较好的控制效果.

2.3　电机控制电路设计电机控制电路如图4所示,电路中使用了三片4046和一片8254构成三环锁相环路,每个4046中有一个异或门鉴相器、一个三态数字鉴相器和一

742　第3期 耿朝阳等:高精度锁相环电机控制系统 个压控振荡器,本电路实际使用的鉴相器是三态数字鉴相器,因为它既可以鉴相,又有鉴频功能,环路捕捉带大;8254是微机系统中应用广泛的可编程定时器/计数器芯片,每个8254中有三个独立的计数器通道,可用程序设定其工作方式[4].

图4　锁相环路电路原理图Fig.4　ElectriccircuitofPLL 环路1由PD1、VCO1和计数器0构成,控制信号fi来自8031CPU控制板,是将主频分频后得到,精度是足够高的.系统工作时,计数器0作分频器用,设定其分频系数N=60000/fi(取整),输入的控制信号fi在100Hz-6kHz之间,故N的范围是10～600;PD2、VCO2和计数器1构成环路2,计数器1作分频器用,其工作方式、分频系数与计数器0完全相同.环路1和环路2的输出信号送到PD3进行比相,用PD3的输出信号经滤波后控制电机运转.当环路1的输出信号频率f1高于环路2输出信号频率f2时,PD3输出高电平信号,经由滤波网络和运算放大器放大后,控制功率三极管BG的基极,使电机加速;反之,当环路1的输出信号频率f1低于环路2输出信号频率f2时,PD3输出低电平信号,经由滤波网络和运算放大器放大后,控制功率三极管BG的基极,使电机减小速度;当f1和f2频率相同时,PD3输出波形如图5,若图5　鉴相器输出信号波形Fig.5　OutputsignalofPDf1相位超前f2,PD3输出正脉冲,使电机加速,若f1相位滞后于f

2,PD3输出负脉冲,使电机减速,

当f1和f2完全同步时,系统处于稳定状态,PD3

输出为高阻.此时,因计数器0和计数器1的分频系数N相同,实际电机的转速fo就等于f

i.

环路1和环路2中,鉴相器PD1和PD2的输出信号控制压控振荡器VCO工作,VCO的反应速度很快,当控制电压改变的瞬间,输出信号的频率会立刻改变,使用低通滤波器滤除鉴相器输出信号中的高频分量,整个环路就能正常工作;而在环路3中,PD3的输出信号用来控制电机运转,电机的起动滞后性很大,设计环路3的滤波器时,要对其进行相位补偿,经过实验,采用R3、C3、R4、C4组成的超前-滞后补偿网络,调整R3、C3的值改变补偿网络的幅频、相频特性曲线,因为PD3输出信号频率在60kHz附近,所以只要使其相频曲线在该频点适当超前,控制系统性能就会得到较大改善[3].输出级将电机和三极管的发射极接在一起,

利用射极负反馈电路,进一步增加了电机运行时的稳定度[4].

2.4　性能比较和误差分析采用锁相环技术后,整个系统的调速性能得到较大改善.首先调速电路不会受环境温度变化的影响,因为锁相环路的工作原理是对两组数字信号进行比较,数字信号只有“0”、“1”两个状态,它不受温度变化的影响.其次,这种调速电路的抗干扰能力也是很强的.在实验中,当电机转速稳定后,人为地加大负载,如拿小木棒用力压在鼓轮上,电机的转速只在负载刚加上时稍有降低,然后马上恢复到正

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