[发明专利]一种数字锁相随动调速系统

说明书

本发明属于电机控制领域。根据美国82年杂志《IEEE-Transaction》VolIECI-29№1和我国84年五期《电气自动化》介绍，一般直流电机，用在精度要求高的场合时，多采用锁相环路控制系统如图一所示。1是鉴相器，是系统的核心部件之一（又称相位比较器或相位检波器）。如美国Motorola公司的集成电路产品MC4044，中国的产品ST002和1691等，原理相同，逻辑框图如图二所示。图一中，参考输入脉冲θ_R和检测反馈脉冲θ_S一齐送入鉴相器1，输出端得到反映相位差的方波θ₀。相位差信息含在θ₇的零次谐波中，经滤波器2后，去除高次谐波，得到较平直的电压θ。再由模数转换器3，化为数字量，馈入计算机4，5是功率驱动部分，一般用脉宽调制方式（PWM），或可控硅桥路整流组成，6是控制对象-电机，7是电流检测部件，将电枢电流值化为数字量送入计算机。U和f视为系统干挠。电机轴角θ经位置检测部件8化为位移脉冲送入鉴相器1。

上述用九个与非门表示的鉴相器图二a），其鉴相范围为±2π。相位差信息含在输出H或I的波形中，即为方波H或I的平均值所对应。图二b）是相位差为零时的情形，H和I谐输出高电平。图2d）为θ_R落后θ_S一个角度θ₀的情形。图2c）则表示θ_R超前θ_S一个相位角。图二e）表示九门鉴相器的输出均值U与输入相位差θ₀的关系特性。

这样构成的系统有若干缺点：鉴相范围窄，给频率捕捉带来困难;加了滤波器去除高次谐波，不可免地增加了系统开环零极点数，对稳定性不利;采用模数转换又在开环中增加了一个带有误差和滞后特性的环节。

闭环调速系统中的位置反馈检测部件一般使用位移脉冲发生装置，其中转动方向的辨别多采用测速电机或图三所示逻辑电路〔见（检测与变换技术），高校教材，1982〕。φ₁和φ₂为敏感元件发出的信号。两只敏感元件在空间按一定相对位置安装，即要求它们产生的脉冲信号在相位上相差1/4周期。其中φ₁经放大整形电路1整形后，一路送入微分电路3，另一路经反相器4倒相后，送入另一微分电路5。两路微分信号分别送入与门Y₁和Y₂。φ₂经放大整形电路2整形后，同时送达与门Y₁和Y₂。若φ₁超前φ₂。则每当φ₂到来时，3将Y₁打开，计数信号由Y₁通过，Y₁₀到达方向门F，使可逆计数器6作好减计数准备，另外Y₁₀经Δ延迟单元后产生计数脉冲P使6作减计数。同样道理，当φ₁相位落于后φ₂时，Y₂与门打开，6作加计数。

这种辨向逻辑对敏感元件的安装位置要求高，不易实用化，对微分电路的时间常数定成何值亦很难考虑，要求其充或放电时间是反馈脉冲周期的1/4。但转速变化时，脉冲周期亦变化微分时间常数却不能跟着变，以致这种方案不适用于宽调速场合。

计算机输出数值在PWM驱动方式中要求转换为相应的脉冲宽度，而周期不变。如图四，是脉宽调制器示意图。计算机1输出数经D/A数模转换化为电压2，与恒定频率和幅值的锯齿波3一齐送入比较器5G23。输出的信号U₁₀即在宽度上满足调制要求。这种调制方式精度不能很高，一般最好是3%。以上是这类系统存在的一些问题和缺点。

本发明的任务是设计一种全数字式锁相环控制系统。它的鉴相器能把相位差的信息不经过滤波器和模数转换，直接转换为数字量。根据实际需要，它的鉴相范围亦可超出±2π。辨向及位移脉冲产生电路中，敏感元件安装的相互位置则要求取消间隔1/4周期的限制。取消微分电路。功率驱动部分采用数字化方式，不要数模转换元件，提高脉宽精度。

本发明以如下方式完成：

1.反馈一个脉冲定义为反馈2π相位。可以将参考输入信号的频率θ_V提高为原来（参见图二）方式的m倍，即θ_r＝m·θ_R。相位锁定时的反馈脉冲频率θ_s与参考信号频率θ_r应保持如下关系：