一種比較創(chuàng)新的鎖相測速方法

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(shù)字鎖相測量電機(jī)轉(zhuǎn)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(jī)速度變化的測速值，測速精度高、應(yīng)用簡單，目前已經(jīng)成功地應(yīng)用于筆者研制的交流伺服系統(tǒng)的反饋通道中。

［關(guān)鍵詞］　速度檢測；鎖相環(huán)；伺服系統(tǒng)

1 概 述

　　目前常用的數(shù)字測速方法是M／T法。M／T法的原理是：在每個測速周期內(nèi)，同時計(jì)取光電脈沖個數(shù)m1和時標(biāo)脈沖個數(shù)m2。測速周期Td＝Te＋ΔT。其中Te是固定部分，而ΔT是指從Te結(jié)束到下一個光電脈沖到來這段時間。用下式可以計(jì)算轉(zhuǎn)速n。

n＝A＊m1／m2（1—1）

A是常數(shù)。

　　從上面的分析可以看出，采用M／T法測速，遇到的最大問題就是測速周期的不固定。ΔT是不固定的，在電機(jī)高速時ΔT較短，而在電機(jī)低速時ΔT就會變得較長，從而整個測速周期也變得較長。這樣就帶來了兩方面的問題。①由于低速運(yùn)行時測速周期的變化，使得控制周期變長，控制效果變差，容易出現(xiàn)“爬行”等現(xiàn)象。②由于低速運(yùn)行時測速周期變長，使得時標(biāo)脈沖的計(jì)數(shù)周期變長，如果不采用較長位數(shù)的計(jì)數(shù)器計(jì)取時標(biāo)脈沖，就會發(fā)生溢出。也就是說，一定位數(shù)長度的時標(biāo)脈沖計(jì)數(shù)器對應(yīng)著一定的可測得的最低轉(zhuǎn)速，要測出很低的轉(zhuǎn)速，就需要很長位數(shù)的時標(biāo)脈沖計(jì)數(shù)器，在式（1—1）中，m2是多字節(jié)的數(shù)，計(jì)算式（1—1）需要做多字節(jié)的除法，增大了實(shí)時控制中的軟件開銷。

　　該文提出了一種全新的鎖相測速方法，采用這種方法，無論電機(jī)高速運(yùn)行還是低速運(yùn)行，都可以獲得一個始終跟隨電機(jī)轉(zhuǎn)速值的14位的并行的測速結(jié)果，測速周期短，測量精度高。測速單元與伺服系統(tǒng)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(jié)的基本結(jié)構(gòu)如圖2—1所示。

　　在圖2—1中，來自光電脈沖編碼器的脈沖fe與來自數(shù)字控制振蕩器DCO的脈沖fd分別經(jīng)過“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(jié)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(dāng)調(diào)節(jié)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，這時必有fe＝fd。由于TJQ輸出的數(shù)據(jù)Dout與數(shù)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(jī)的轉(zhuǎn)速。

　　圖2—1中的各個主要環(huán)節(jié)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(jié)以cp－為基準(zhǔn)，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(jì)數(shù)器A的初值預(yù)置數(shù)是1 000，f－用做A的減法計(jì)數(shù)脈沖。B是加法計(jì)數(shù)器，對cp信號計(jì)數(shù)。

　　比較器C對加法計(jì)數(shù)器的值A(chǔ)和減法計(jì)數(shù)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)生一個高電平，完成對A置數(shù)和對B清零的動作。

　　“輸出”環(huán)節(jié)是一個二分頻器，比較器輸出的高電平脈沖經(jīng)過二分頻器產(chǎn)生輸出的相位信號Q。

　　假如沒有光電脈沖信號fe的輸入，加法計(jì)數(shù)器B只起到鎖存計(jì)數(shù)初值的作用。這時，減法計(jì)數(shù)器A、加法計(jì)數(shù)器B、比較器C、輸出環(huán)節(jié)（二分頻器）合在一起，相當(dāng)于一個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(dāng)有一個光電脈沖輸入時，減法計(jì)數(shù)器A中的數(shù)值將被減1。顯然，這時輸出信號Q將提前翻轉(zhuǎn)，提前時間等于一個cp脈沖周期。即每個光電脈沖的到來，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”有著完全相同的結(jié)構(gòu)，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(yùn)算環(huán)節(jié)

　　在圖2—1中，“脈沖測寬、控制運(yùn)算”環(huán)節(jié)TJQ相當(dāng)于鎖相環(huán)測速環(huán)路中的“調(diào)節(jié)器”，主要完成兩項(xiàng)工作。其一，要根據(jù)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(diào)節(jié)運(yùn)算”，進(jìn)而得出輸出的并行數(shù)據(jù)Dout，這個并行數(shù)據(jù)用來控制后面的“數(shù)字控制振蕩器DCO”的振蕩頻率。

3　鎖相測速環(huán)路的調(diào)節(jié)算法的研究

　　鎖相測速環(huán)節(jié)的動態(tài)結(jié)構(gòu)如圖3—1所示。

　　“脈沖相位變換”表示為積分環(huán)節(jié)；“數(shù)字控制振蕩器DCO”表示為比例環(huán)節(jié)，比例系數(shù)是KF（采用2 500線的光電脈沖編碼器，其輸出脈沖經(jīng)過4倍頻處理。電機(jī)的最高轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)，所以，DCO環(huán)節(jié)的系數(shù)KF＝500／214）。

　　在電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時，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積分環(huán)節(jié)，所以，在這種情況下，“調(diào)節(jié)器TJQ”中只需采用比例算法就可以實(shí)現(xiàn)對輸入信號頻率的準(zhǔn)確測量。但是，作為位置伺服跟蹤部件，伺服電機(jī)的啟動、制動、升速、降速是頻繁發(fā)生的，光電脈沖的頻率在不斷的變化。在這樣的變化過程中，仍然要求鎖相測速環(huán)節(jié)能夠快速跟蹤和準(zhǔn)確測量輸入的光電脈沖信號的頻率。“調(diào)節(jié)器”僅僅采用比例算法就不夠了，必須引入頻率前饋，采用復(fù)合控制，才能對變化的輸入光電脈沖信號的頻率進(jìn)行準(zhǔn)確測量。

4　測速實(shí)驗(yàn)

　　筆者對鎖相測速環(huán)路進(jìn)行了一系列的實(shí)驗(yàn)研究，包括穩(wěn)態(tài)和動態(tài)兩個方面。

　　由表4—1的測量結(jié)果可以看出，在整個測量的頻率范圍內(nèi)，具有很好的測速（測頻）精度和線性度。表4—1中給出的最低的122．1 Hz的輸入頻率是通過對標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)的電機(jī)轉(zhuǎn)速為0．73 r／min。這完全滿足伺服系統(tǒng)低速跟蹤的要求。

　　動態(tài)測速實(shí)驗(yàn)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(yīng)特性，實(shí)驗(yàn)這樣設(shè)計(jì)：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(jié)的輸出經(jīng)由D／A轉(zhuǎn)換器再還原成輸出電壓信號VO，用虛擬儀器（存儲示波器）觀測VO對于Vi的響應(yīng)。動態(tài)測速實(shí)驗(yàn)電路框圖如圖4—1所示，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4—2所示。 　　在圖4—1所示的實(shí)驗(yàn)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，當(dāng)輸入的Vi信號是高電平時，V／F變換器輸出100 kHz的頻率信號，經(jīng)過鎖相測速裝置，得出測速結(jié)果，再經(jīng)過D／A轉(zhuǎn)換器將測速結(jié)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，這說明“鎖相測速環(huán)節(jié)”有較好的動態(tài)響應(yīng)特性。 ［參考文獻(xiàn)］

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