一種比較創(chuàng )新的鎖相測速方法

［摘　要］　文中介紹了一種全新的精密數字鎖相測量電機轉速的方法和電路，此種方法不同于目前普遍采用的M／T測速方法。使用該方法，可以直接獲得始終跟隨電機速度變化的測速值，測速精度高、應用簡(jiǎn)單，目前已經(jīng)成功地應用于筆者研制的交流伺服系統的反饋通道中。

［關(guān)鍵詞］　速度檢測；鎖相環(huán)；伺服系統

1 概 述

　　目前常用的數字測速方法是M／T法。M／T法的原理是：在每個(gè)測速周期內，同時(shí)計取光電脈沖個(gè)數m1和時(shí)標脈沖個(gè)數m2。測速周期Td＝Te＋ΔT。其中Te是固定部分，而ΔT是指從Te結束到下一個(gè)光電脈沖到來(lái)這段時(shí)間。用下式可以計算轉速n。

n＝A＊m1／m2（1—1）

A是常數。

　　從上面的分析可以看出，采用M／T法測速，遇到的最大問(wèn)題就是測速周期的不固定。ΔT是不固定的，在電機高速時(shí)ΔT較短，而在電機低速時(shí)ΔT就會(huì )變得較長(cháng)，從而整個(gè)測速周期也變得較長(cháng)。這樣就帶來(lái)了兩方面的問(wèn)題。①由于低速運行時(shí)測速周期的變化，使得控制周期變長(cháng)，控制效果變差，容易出現“爬行”等現象。②由于低速運行時(shí)測速周期變長(cháng)，使得時(shí)標脈沖的計數周期變長(cháng)，如果不采用較長(cháng)位數的計數器計取時(shí)標脈沖，就會(huì )發(fā)生溢出。也就是說(shuō)，一定位數長(cháng)度的時(shí)標脈沖計數器對應著(zhù)一定的可測得的最低轉速，要測出很低的轉速，就需要很長(cháng)位數的時(shí)標脈沖計數器，在式（1—1）中，m2是多字節的數，計算式（1—1）需要做多字節的除法，增大了實(shí)時(shí)控制中的軟件開(kāi)銷(xiāo)。

　　該文提出了一種全新的鎖相測速方法，采用這種方法，無(wú)論電機高速運行還是低速運行，都可以獲得一個(gè)始終跟隨電機轉速值的14位的并行的測速結果，測速周期短，測量精度高。測速單元與伺服系統的主CPU并行地工作。

2　鎖相測速的基本原理

鎖相測速環(huán)節的基本結構如圖2—1所示。

　　在圖2—1中，來(lái)自光電脈沖編碼器的脈沖fe與來(lái)自數字控制振蕩器DCO的脈沖fd分別經(jīng)過(guò)“脈沖相位變換器1”和“脈沖相位變換器2”變換成相位信號Q1和Q2。Q1與Q2的相位差由“鑒相器”鑒得，如果Q1超前于Q2，相位差由P＋的脈沖寬度表示；如果Q1滯后于Q2，相位差由P－的脈沖寬度表示。環(huán)節TJQ的作用是測量P＋或P－的脈沖寬度，并且在鎖相環(huán)中充當調節器，使得鎖相環(huán)能夠迅速鎖定。在鎖定的情況下，Q1和Q2的相位差或者為零，或者為恒定值，這時(shí)必有fe＝fd。由于TJQ輸出的數據Dout與數控振蕩器DCO的輸出脈沖頻率fd成正比，將Dout鎖存輸出，即可跟蹤光電脈沖編碼器的輸出脈沖的頻率fe，從而跟蹤電機的轉速。

　　圖2—1中的各個(gè)主要環(huán)節均可固化在“可編程邏輯器件ISP”中。

　�。�1）脈沖相位變換器

　　脈沖相位變換器的原理如圖2—2所示。Q是輸出相位信號，fe是輸入的光電脈沖編碼器信號，時(shí)鐘脈沖cp的頻率大大高于fe的頻率。cp反相后，得到了cp－，同步環(huán)節以cp－為基準，對輸入的光電脈沖信號fe進(jìn)行同步，得到了與cp－同步的脈沖f－。

　　減法計數器A的初值預置數是1 000，f－用做A的減法計數脈沖。B是加法計數器，對cp信號計數。

　　比較器C對加法計數器的值A和減法計數器的值B進(jìn)行比較，如果比較相等，比較器C的輸出端e產(chǎn)生一個(gè)高電平，完成對A置數和對B清零的動(dòng)作。

　　“輸出”環(huán)節是一個(gè)二分頻器，比較器輸出的高電平脈沖經(jīng)過(guò)二分頻器產(chǎn)生輸出的相位信號Q。

　　假如沒(méi)有光電脈沖信號fe的輸入，加法計數器B只起到鎖存計數初值的作用。這時(shí)，減法計數器A、加法計數器B、比較器C、輸出環(huán)節（二分頻器）合在一起，相當于一個(gè)2 000分頻器，對cp信號分頻。由于cp信號的頻率是3MHz，所以輸出相位信號Q的頻率是3M／2 000＝1．5 kHz。

　　當有一個(gè)光電脈沖輸入時(shí)，減法計數器A中的數值將被減1。顯然，這時(shí)輸出信號Q將提前翻轉，提前時(shí)間等于一個(gè)cp脈沖周期。即每個(gè)光電脈沖的到來(lái)，都可以使輸出信號Q的相位超前π／1 000。

（2）鑒相器

　　在圖2—1中，“脈沖相位變換器1”和“脈沖相位變換器2”有著(zhù)完全相同的結構，它們輸出的相位信號Q1和Q2之間的相位差由鑒相器鑒得。如果Q1的相位超前于Q2的相位，相位差由P＋脈沖的寬度表示，反之，相位差由P－脈沖的寬度表示。

（3）脈沖測寬、控制運算環(huán)節

　　在圖2—1中，“脈沖測寬、控制運算”環(huán)節TJQ相當于鎖相環(huán)測速環(huán)路中的“調節器”，主要完成兩項工作。其一，要根據鑒相器的輸出P＋或P－，測算出Q1與Q2的相位差。其二，要對相位差進(jìn)行“調節運算”，進(jìn)而得出輸出的并行數據Dout，這個(gè)并行數據用來(lái)控制后面的“數字控制振蕩器DCO”的振蕩頻率。

3　鎖相測速環(huán)路的調節算法的研究

　　鎖相測速環(huán)節的動(dòng)態(tài)結構如圖3—1所示。

　　“脈沖相位變換”表示為積分環(huán)節；“數字控制振蕩器DCO”表示為比例環(huán)節，比例系數是KF（采用2 500線(xiàn)的光電脈沖編碼器，其輸出脈沖經(jīng)過(guò)4倍頻處理。電機的最高轉速為3 000 r／min，光電編碼器的輸出頻率fe的最大值是2 500×4×50＝500 kHz，所以DCO的最大輸出振蕩頻率也是500 kHz，測速輸出的是14位并行數據，所以，DCO環(huán)節的系數KF＝500／214）。

　　在電機穩態(tài)運行時(shí)，光電脈沖編碼器輸出的脈沖信號的頻率恒定，由于測速環(huán)路的被控對象中含有一個(gè)積分環(huán)節，所以，在這種情況下，“調節器TJQ”中只需采用比例算法就可以實(shí)現對輸入信號頻率的準確測量。但是，作為位置伺服跟蹤部件，伺服電機的啟動(dòng)、制動(dòng)、升速、降速是頻繁發(fā)生的，光電脈沖的頻率在不斷的變化。在這樣的變化過(guò)程中，仍然要求鎖相測速環(huán)節能夠快速跟蹤和準確測量輸入的光電脈沖信號的頻率�！罢{節器”僅僅采用比例算法就不夠了，必須引入頻率前饋，采用復合控制，才能對變化的輸入光電脈沖信號的頻率進(jìn)行準確測量。

4　測速實(shí)驗

　　筆者對鎖相測速環(huán)路進(jìn)行了一系列的實(shí)驗研究，包括穩態(tài)和動(dòng)態(tài)兩個(gè)方面。

　　由表4—1的測量結果可以看出，在整個(gè)測量的頻率范圍內，具有很好的測速（測頻）精度和線(xiàn)性度。表4—1中給出的最低的122．1 Hz的輸入頻率是通過(guò)對標準的500kHz的頻率進(jìn)行4096分頻而得到的，如果脈沖編碼器的分辨率為10 000 P／r，其對應的電機轉速為0．73 r／min。這完全滿(mǎn)足伺服系統低速跟蹤的要求。

　　動(dòng)態(tài)測速實(shí)驗主要是測試“鎖相測速裝置”對于變化的輸入頻率信號的跟蹤響應特性，實(shí)驗這樣設計：被測的頻率是由“壓／頻變換器”產(chǎn)生，用輸入的電壓信號Vi控制“壓／頻變換器”的輸出頻率。鎖相測速環(huán)節的輸出經(jīng)由D／A轉換器再還原成輸出電壓信號VO，用虛擬儀器（存儲示波器）觀(guān)測VO對于Vi的響應。動(dòng)態(tài)測速實(shí)驗電路框圖如圖4—1所示，實(shí)驗結果如圖4—2所示。 　　在圖4—1所示的實(shí)驗裝置上，輸入的Vi信號是頻率為100 Hz，幅值為2V的方波，V／F變換器的增益是50 kHz／V。也就是說(shuō)，當輸入的Vi信號是高電平時(shí)，V／F變換器輸出100 kHz的頻率信號，經(jīng)過(guò)鎖相測速裝置，得出測速結果，再經(jīng)過(guò)D／A轉換器將測速結果還原成輸出信號VO。

　　從圖4—2可以看出，VO能夠較好地跟隨Vi的變化，這說(shuō)明“鎖相測速環(huán)節”有較好的動(dòng)態(tài)響應特性。 ［參考文獻］

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