基于鎖相環(huán)的可變量程轉速控制系統

本文介紹的基于鎖相環(huán)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(kāi)發(fā)的[1]，其轉速信號檢測方法具有結構簡(jiǎn)單、安裝方便、價(jià)廉可靠的特點(diǎn)。

　　1 PLL電機轉速控制系統原理

　　用鎖相環(huán)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(gè)開(kāi)槽的扇形平盤(pán)。扇形盤(pán)轉動(dòng)時(shí)不斷地切斷發(fā)光二極管發(fā)出的光線(xiàn)，使光耦合器中的光敏管產(chǎn)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(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(gè)施密特觸發(fā)器，用于對信號整形，如圖2所示。

　　2 PLL電機轉速控制系統模型設計

　　由于電機具有較大的慣性，等效于一個(gè)時(shí)間常數很大的相位滯后網(wǎng)絡(luò )，可能會(huì )對環(huán)路穩定性有較大的影響。

　　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轉速成正比，它與輸入參考信號u1(ω1)的頻率進(jìn)行鑒頻與鑒相。當鎖相環(huán)路鎖定之后，電機的轉速可穩定在設定值上，沒(méi)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(diǎn)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(gè)二階系統，在考慮了環(huán)路濾波器的作用之后，整個(gè)控制環(huán)路就是一個(gè)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(huán)路濾波器必須具有零點(diǎn)(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)傳遞函數的相位可能會(huì )超過(guò)180°，導致系統不穩定。

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