在電機轉速控制系統中，經常需要對電機的轉速信號進行測量和處理，以達到精確控制轉速的目的。通常采用旋轉編碼器、測速發電機等傳感器測量轉速，不但體積大、安裝不便，而且價格高；而利用鎖相環路可用很低的成本對電機轉速實施非常精確的轉速測量和控制。本文介紹的基于鎖相環的可變量程轉速控制系統，是為研制新一代具有卷繞特性的調速電機控制器而開發的[1]，其轉速信號檢測方法具有結構簡單、安裝方便、價廉可靠的特點。

1 PLL電機轉速控制系統原理

用鎖相環路構成的電機轉速控制系統的框圖如圖1所示，其中，VCO已由電機和光轉速表取代。激勵電壓調節電機的轉速，在電機的軸上安裝一個開槽的扇形平盤。扇形盤轉動時不斷地切斷發光二極管發出的光線，使光耦合器中的光敏管產生頻率與電機轉速成整數倍的方波脈沖序列u2(ω2)。這樣，方波脈沖的頻率與激勵電壓有一定的函數關系，等效為鎖相環中的壓控振蕩器。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器，用于對信號整形，如圖2所示。



2 PLL電機轉速控制系統模型設計

由于電機具有較大的慣性，等效于一個時間常數很大的相位滯后網絡，可能會對環路穩定性有較大的影響。

環路中采用CMOS鑒頻鑒相器。光電耦合器產生的方波信號的頻率與電機轉速成正比，它與輸入參考信號u1(ω1)的頻率進行鑒頻與鑒相。當鎖相環路鎖定之后，電機的轉速可穩定在設定值上，沒有跟蹤頻率誤差，只有相位誤差。所選用的鑒頻鑒相器應保證環路具有足夠的捕獲范圍，在各種不同的起始條件下，環路都能鎖定。

下面重點介紹對電機和光轉速表組合的傳遞函數的推導。



以上分析表明，由于電機和光轉速表本身就是一個二階系統，在考慮了環路濾波器的作用之后，整個控制環路就是一個三階系統。由此得到的系統模型如圖3所示。圖3中設伺服放大器為增益等于Ka的零階系統。



為了保證全系統穩定，環路濾波器必須具有零點(即相位超前校正功能)。可采用有源比例積分濾波器，否則在較高的頻率上，閉環傳遞函數的相位可能會超過180°，導致系統不穩定。

在設計電機轉速控制系統時，事先給定某些參數，如電機參數Km、Tm、扇形盤齒數K2等。其余的參數如伺服放大器增益Kα、環路濾波器參數τ1、τ2等，則需根據系統最佳動態性能以及穩定性能來選定。

3 量程可變的轉速信號檢測

3．1 基于CD4046的倍率可變的窄帶跟蹤電路

PLLCD4046[4]是由存儲式邊沿觸發鑒頻鑒相電路、VCO壓控振蕩器、低通濾波器等組成的相位負反饋閉環電路。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，捕捉時間等于快捕時間，失鎖時捕捉能力強、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路濾波時，鎖相環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

鎖相環是一個頻率信號具有相位負反饋的電路。當相位鎖定時，輸入信號和反饋信號fi的頻率相同，相位差固定(與鑒相器形式有關，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)，反饋到鑒相器的信號頻率為f0/N，當鑒相器相位鎖定時，fi=f0/N，即f0=Nfi。若以壓控振蕩器的輸出頻率f0作輸出信號，就達到了N倍頻的目的(即 f0=Nfi)，分頻器分頻系數N即為電路的倍頻系數。對于研制的四極電機的控制器而言，可分為三檔：1500r/min、750r/min、375r/min，則取倍頻系數分別為16、32、64，各檔對應的最高頻率都為1600Hz。這為電荷轉移式f/v轉換電路的定時參數的設計帶來了方便。控制器以轉速表指示電機轉速，分三檔量程指示，使操作更直觀方便，精度更高。



4 試驗結果

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發生器，其輸出信號加到被測試電路代替傳感器信號fi，同時加到本身的輸入端以觀察并調整掃頻速率。用動態分析儀分析fi和fo的頻譜并同時觀察兩路信號的跟蹤情況。設置掃描頻率范圍為200Hz～20kHz，掃描速率到滿幅1.5秒做電路功能測試，結果如表1所示。第一點的明顯的誤差產生原因是掃頻信號由于20kHz瞬時返0，濾波電容放電跟不上所致，手動掃描時無此現象，實際測量時無此突變情況。該掃描速度相當于20kHz/1.5s=13.3kHz。可見該電路的頻率跟蹤性能是優良的。



該電路系統已成功使用在具有卷繞特征的調速系統中，具有價格低廉、制作方便、信號檢測精度高、分檔方便的特點，可廣泛應用于被控信號頻率變化范圍大、變化速度高的場合。