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)速信號檢測方法具有結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便、價廉可靠的特點。

　　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。激勵電壓調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，在電機(jī)的軸上安裝一個開槽的扇形平盤。扇形盤轉(zhuǎn)動時不斷地切斷發(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施密特觸發(fā)器，用于對信號整形，如圖2所示。

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

　　由于電機(jī)具有較大的慣性，等效于一個時間常數(shù)很大的相位滯后網(wǎng)絡(luò)，可能會對環(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)生的方波信號的頻率與電機(jī)轉(zhuǎn)速成正比，它與輸入?yún)⒖夹盘杣1(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)速表本身就是一個二階系統(tǒng)，在考慮了環(huán)路濾波器的作用之后，整個控制環(huán)路就是一個三階系統(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(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)的相位可能會超過180°，導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。

　　在設(shè)計電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)時，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)最佳動態(tài)性能以及穩(wěn)定性能來選定。