一种比较创新的锁相测速方法

［摘　要］　文中介绍了一种全新的精密数字锁相测量电机转速的方法和电路，此种方法不同于目前普遍采用的M／T测速方法。使用该方法，可以直接获得始终跟随电机速度变化的测速值，测速精度高、应用简单，目前已经成功地应用于笔者研制的交流伺服系统的反馈通道中。

［关键词］　速度检测；锁相环；伺服系统

1 概 述

　　目前常用的数字测速方法是M／T法。M／T法的原理是：在每个测速周期内，同时计取光电脉冲个数m1和时标脉冲个数m2。测速周期Td＝Te＋ΔT。其中Te是固定部分，而ΔT是指从Te结束到下一个光电脉冲到来这段时间。用下式可以计算转速n。

n＝A＊m1／m2（1—1）

A是常数。

　　从上面的分析可以看出，采用M／T法测速，遇到的最大问题就是测速周期的不固定。ΔT是不固定的，在电机高速时ΔT较短，而在电机低速时ΔT就会变得较长，从而整个测速周期也变得较长。这样就带来了两方面的问题。①由于低速运行时测速周期的变化，使得控制周期变长，控制效果变差，容易出现“爬行”等现象。②由于低速运行时测速周期变长，使得时标脉冲的计数周期变长，如果不采用较长位数的计数器计取时标脉冲，就会发生溢出。也就是说，一定位数长度的时标脉冲计数器对应着一定的可测得的最低转速，要测出很低的转速，就需要很长位数的时标脉冲计数器，在式（1—1）中，m2是多字节的数，计算式（1—1）需要做多字节的除法，增大了实时控制中的软件开销。

　　该文提出了一种全新的锁相测速方法，采用这种方法，无论电机高速运行还是低速运行，都可以获得一个始终跟随电机转速值的14位的并行的测速结果，测速周期短，测量精度高。测速单元与伺服系统的主CPU并行地工作。

2　锁相测速的基本原理

锁相测速环节的基本结构如图2—1所示。

　　在图2—1中，来自光电脉冲编码器的脉冲fe与来自数字控制振荡器DCO的脉冲fd分别经过“脉冲相位变换器1”和“脉冲相位变换器2”变换成相位信号Q1和Q2。Q1与Q2的相位差由“鉴相器”鉴得，如果Q1超前于Q2，相位差由P＋的脉冲宽度表示；如果Q1滞后于Q2，相位差由P－的脉冲宽度表示。环节TJQ的作用是测量P＋或P－的脉冲宽度，并且在锁相环中充当调节器，使得锁相环能够迅速锁定。在锁定的情况下，Q1和Q2的相位差或者为零，或者为恒定值，这时必有fe＝fd。由于TJQ输出的数据Dout与数控振荡器DCO的输出脉冲频率fd成正比，将Dout锁存输出，即可跟踪光电脉冲编码器的输出脉冲的频率fe，从而跟踪电机的转速。

　　图2—1中的各个主要环节均可固化在“可编程逻辑器件ISP”中。

　　（1）脉冲相位变换器

　　脉冲相位变换器的原理如图2—2所示。Q是输出相位信号，fe是输入的光电脉冲编码器信号，时钟脉冲cp的频率大大高于fe的频率。cp反相后，得到了cp－，同步环节以cp－为基准，对输入的光电脉冲信号fe进行同步，得到了与cp－同步的脉冲f－。

　　减法计数器A的初值预置数是1 000，f－用做A的减法计数脉冲。B是加法计数器，对cp信号计数。

　　比较器C对加法计数器的值A和减法计数器的值B进行比较，如果比较相等，比较器C的输出端e产生一个高电平，完成对A置数和对B清零的动作。

　　“输出”环节是一个二分频器，比较器输出的高电平脉冲经过二分频器产生输出的相位信号Q。

　　假如没有光电脉冲信号fe的输入，加法计数器B只起到锁存计数初值的作用。这时，减法计数器A、加法计数器B、比较器C、输出环节（二分频器）合在一起，相当于一个2 000分频器，对cp信号分频。由于cp信号的频率是3MHz，所以输出相位信号Q的频率是3M／2 000＝1．5 kHz。

　　当有一个光电脉冲输入时，减法计数器A中的数值将被减1。显然，这时输出信号Q将提前翻转，提前时间等于一个cp脉冲周期。即每个光电脉冲的到来，都可以使输出信号Q的相位超前π／1 000。

（2）鉴相器

　　在图2—1中，“脉冲相位变换器1”和“脉冲相位变换器2”有着完全相同的结构，它们输出的相位信号Q1和Q2之间的相位差由鉴相器鉴得。如果Q1的相位超前于Q2的相位，相位差由P＋脉冲的宽度表示，反之，相位差由P－脉冲的宽度表示。

（3）脉冲测宽、控制运算环节

　　在图2—1中，“脉冲测宽、控制运算”环节TJQ相当于锁相环测速环路中的“调节器”，主要完成两项工作。其一，要根据鉴相器的输出P＋或P－，测算出Q1与Q2的相位差。其二，要对相位差进行“调节运算”，进而得出输出的并行数据Dout，这个并行数据用来控制后面的“数字控制振荡器DCO”的振荡频率。

3　锁相测速环路的调节算法的研究

　　锁相测速环节的动态结构如图3—1所示。

　　“脉冲相位变换”表示为积分环节；“数字控制振荡器DCO”表示为比例环节，比例系数是KF（采用2 500线的光电脉冲编码器，其输出脉冲经过4倍频处理。电机的最高转速为3 000 r／min，光电编码器的输出频率fe的最大值是2 500×4×50＝500 kHz，所以DCO的最大输出振荡频率也是500 kHz，测速输出的是14位并行数据，所以，DCO环节的系数KF＝500／214）。

　　在电机稳态运行时，光电脉冲编码器

输出的脉冲信号的频率恒定，由于测速环路的被控对象中含有一个积分环节，所以，在这种情况下，“调节器TJQ”中只需采用比例算法就可以实现对输入信号频率的准确测量。但是，作为位置伺服跟踪部件，伺服电机的启动、制动、升速、降速是频繁发生的，光电脉冲的频率在不断的变化。在这样的变化过程中，仍然要求锁相测速环节能够快速跟踪和准确测量输入的光电脉冲信号的频率。“调节器”仅仅采用比例算法就不够了，必须引入频率前馈，采用复合控制，才能对变化的输入光电脉冲信号的频率进行准确测量。

4　测速实验

　　笔者对锁相测速环路进行了一系列的实验研究，包括稳态和动态两个方面。

　　由表4—1的测量结果可以看出，在整个测量的频率范围内，具有很好的测速（测频）精度和线性度。表4—1中给出的最低的122．1 Hz的输入频率是通过对标准的500kHz的频率进行4096分频而得到的，如果脉冲编码器的分辨率为10 000 P／r，其对应的电机转速为0．73 r／min。这完全满足伺服系统低速跟踪的要求。| | | | |

　　动态测速实验主要是测试“锁相测速装置”对于变化的输入频率信号的跟踪响应特性，实验这样设计：被测的频率是由“压／频变换器”产生，用输入的电压信号Vi控制“压／频变换器”的输出频率。锁相测速环节的输出经由D／A转换器再还原成输出电压信号VO，用虚拟仪器（存储示波器）观测VO对于Vi的响应。动态测速实验电路框图如图4—1所示，实验结果如图4—2所示。 　　在图4—1所示的实验装置上，输入的Vi信号是频率为100 Hz，幅值为2V的方波，V／F变换器的增益是50 kHz／V。也就是说，当输入的Vi信号是高电平时，V／F变换器输出100 kHz的频率信号，经过锁相测速装置，得出测速结果，再经过D／A转换器将测速结果还原成输出信号VO。

　　从图4—2可以看出，VO能够较好地跟随Vi的变化，这说明“锁相测速环节”有较好的动态响应特性。 ［参考文献］

［1］　李　宁．稀土永磁正弦波电机调速系统的研制［J］．电气传动自动化，1995（2）．

［2］　李　宁．一种应用于交流伺服系统的数字式电流控制方法［J］．电力电子技术，2002（5）．

［3］　李　宁，等．交流伺服电动机转子初始位置的精确测定［J］．电力电子技术，2003（2）．| | | | | | |