在電機轉速控制系統(tǒng)中，經(jīng)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(fā)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(huán)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(huán)的可變量程轉速控制系統(tǒng)，是為研制新一代具有卷繞特性的調速電機控制器而開發(fā)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(tǒng)原理
用鎖相環(huán)路構成的電機轉速控制系統(tǒng)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(jié)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(fā)光二極管發(fā)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(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電機轉速控制系統(tǒng)模型設計
由于電機具有較大的慣性，等效于一個時間常數(shù)很大的相位滯后網(wǎng)絡，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。光電耦合器產生的方波信號的頻率與電機轉速成正比，它與輸入?yún)⒖夹盘杣1(ω1)的頻率進行鑒頻與鑒相。當鎖相環(huán)路鎖定之后，電機的轉速可穩(wěn)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(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和光轉速表組合的傳遞函數(shù)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(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)。可采用有源比例積分濾波器，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°，導致系統(tǒng)不穩(wěn)定。
在設計電機轉速控制系統(tǒng)時，事先給定某些參數(shù)，如電機參數(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。
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(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(huán)路濾波時，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(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(shù)N即為電路的倍頻系數(shù)。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(shù)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(shù)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(fā)生器，其輸出信號加到被測試電路代替?zhèn)鞲衅餍盘杅i，同時加到本身的輸入端以觀察并調整掃頻速率。用動態(tài)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(xiàn)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(yōu)良的。
該電路系統(tǒng)已成功使用在具有卷繞特征的調速系統(tǒng)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。