實(shí)現(xiàn)高穩(wěn)態(tài)精度速度控制的電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

如前所述，將鎖相環(huán)技術(shù)引人電機(jī)的速度控制系統(tǒng)中，能夠?qū)崿F(xiàn)高穩(wěn)態(tài)精度的速度控制。如圖1所示，鎖相環(huán)穩(wěn)速模塊實(shí)現(xiàn)電子鎖相環(huán)中鑒相器和低通濾波器的功能，而無(wú)刷直流電機(jī)、電機(jī)控制器、逆變橋和轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)裝置共同組成帶有慣性的電壓控制振蕩器。

圖1 鎖相環(huán)在電機(jī)控制中的原理框圖

雖然整個(gè)鎖相環(huán)穩(wěn)速控制系統(tǒng)屬于閉環(huán)控制系統(tǒng)，但誤差放大器仍可連成跟隨器，鎖相環(huán)電路輸出直接與誤差放大器的同相端相連，通過(guò)鎖相環(huán)自身的調(diào)節(jié)改變PWM反相端電壓，進(jìn)而改變PWM占空比，控制轉(zhuǎn)速。鎖相環(huán)TC9242與MC33035接口框圖如圖1所示。

PLL穩(wěn)速模塊的原理框圖如圖2所示。

圖2 鎖相環(huán)穩(wěn)速模塊原理圖

PLL穩(wěn)速模塊由晶體振蕩器和可變系數(shù)的分頻器、反饋信號(hào)處理電路、F/V變換和P/V變換等幾部分組成。晶體振蕩器（頻率精度以百萬(wàn)分?jǐn)?shù)記）和可變系數(shù)的分頻器提供高精度的頻率基準(zhǔn)信號(hào)，這是PLL模塊最終實(shí)現(xiàn)高精度穩(wěn)速的前提保證；鎖相環(huán)模塊的最大特點(diǎn)是用兩個(gè)8bit DAC分別作為F/V和P/V變換。根據(jù)PGIN輸人的電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)頻信號(hào)，從AFC（自動(dòng)頻率控制）輸出的是第一個(gè)DAC將數(shù)字量的頻率差變換為模擬量的信號(hào)；從APC（自動(dòng)相位控制端）輸出的是電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)頻信號(hào)和從同步時(shí)鐘信號(hào)分頻信號(hào)比較得到的相位差，經(jīng)過(guò)另一個(gè)DAC轉(zhuǎn)換的輸出電壓信號(hào)。使用時(shí)，將AFC輸出和APC輸出連接至加法運(yùn)算放大器，進(jìn)行信號(hào)混合，通過(guò)調(diào)節(jié)控制器的控制電壓輸人Vin，控制電機(jī)的功率開(kāi)關(guān)管。當(dāng)從FGIN來(lái)的反饋頻率變化即電機(jī)轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定時(shí)，AFC和APC輸出遵循以下規(guī)律：

1）FGIN在鎖定范圍以下時(shí)，AFC和APC為高電平（1），如圖3所示；

2）FGIN在鎖定范圍以上時(shí)，AFC和APC為低電平（0），如圖3所示：

3）FGIN在鎖定范圍之內(nèi)時(shí)，AFC線性輸出，隨著轉(zhuǎn)速信號(hào)FGIN的增大而減小，如圖3所示。

圖3 AFC輸出和APC輸出

APC輸出鋸齒波形，若反饋轉(zhuǎn)速信號(hào)FGIN小于設(shè)定頻率信號(hào)幾，APC輸出斜率為正的鋸齒波，如圖4 a所示；若反饋轉(zhuǎn)速信號(hào)FGIN大于設(shè)定頻率信號(hào)fo,APC輸出斜率為負(fù)的鋸齒波，如圖4 b所示。

圖4 APC輸出的波形

不同反饋頻率時(shí)，相位變換輸出和頻率變換輸出如圖5和圖6所示。

圖5 AFC的輸出

圖6 APC的輸出

其中，鎖定頻率范圍下限為636Hz，上限為705Hz，鎖定頻率為666Hz。

由圖5可以看出，當(dāng)反饋頻率小于鎖定頻率時(shí)，APC輸出三角波形的斜率方向?yàn)檎划?dāng)反饋頻率大于鎖定頻率時(shí)，APC輸出三角波形的斜率方向?yàn)樨?fù)；而其轉(zhuǎn)折點(diǎn)即是鎖定頻率666Hz時(shí)的波形，為一直線。

相位變換輸出是一直角三角波，三角波的平均值和最大值不變，頻率為鎖相頻率與反饋頻率之差；對(duì)頻率變換輸出，在鎖定范圍內(nèi)，隨反饋頻率的增加，頻率變換輸出由最大值線性降為零。

由圖6可知，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速低于設(shè)定的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速時(shí)，鎖相環(huán)模塊輸出較高電平，經(jīng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制模塊后，產(chǎn)生PWM信號(hào)，經(jīng)過(guò)逆變橋放大后，對(duì)電機(jī)進(jìn)行加速；當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速高于設(shè)定的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速時(shí)，鎖相環(huán)模塊則輸出為低電平，經(jīng)過(guò)控制模塊后，關(guān)閉PWM信號(hào)，從而使電機(jī)減速。通過(guò)這種交替加減速，最終使電機(jī)穩(wěn)定在精確的鎖定范圍之內(nèi)。鎖相環(huán)模塊在整個(gè)穩(wěn)速過(guò)程中起著極為關(guān)鍵的作用，直接決定了系統(tǒng)最終穩(wěn)態(tài)性能的好壞。