基于锁相环技术的可分档电机调速系统研究
基于软件锁相环的无刷直流电机速度控制器设计
基于软件锁相环的无刷直流电机速度控制器设计1.引言介绍无刷直流电机的应用背景和研究意义，简述软件锁相环在控制系统中的优势和不足。
2.相关技术与理论介绍无刷直流电机的工作原理和数学模型，重点阐述软件锁相环原理及其在无刷直流电机中的应用。
3.无刷直流电机速度控制器设计建立闭环速度控制系统，设计基于软件锁相环的无刷直流电机速度控制器，详细讲解控制器的硬件实现和软件设计。
4.仿真与实验利用Simulink模拟无刷直流电机速度控制系统，并通过实验验证控制器的性能指标。
5.总结与展望总结本文的设计方法和实验结果，指出其中的优缺点，并提出下一步可进行的改进和扩展的方向。
6.参考文献列出本文参考的相关文献和数据来源。
1.引言无刷直流电机的应用日益广泛，已经成为许多行业的重要部分，如飞机、无人机、汽车、机器人、医疗设备和家电等。
无刷直流电机比传统的直流电机具有更高效率、更长寿命、更小体积、更低噪音等优点。
但是，无刷直流电机的控制也具有一定的复杂性，需要采用先进的控制技术。
软件锁相环就是一种被广泛应用于无刷直流电机控制系统中的控制技术。
软件锁相环是一种数字信号处理技术，能够将输入信号与本地参考信号进行比较，以实现相位同步和频率同步。
它具有高精度、快速响应、灵活可调、易于实现等优点。
与传统的模拟锁相环相比，软件锁相环在数字化、硬件实现、数据存储和程序设计等方面更加方便、强大和可靠。
因此，软件锁相环被广泛应用于通信、测量、控制、定位和医疗等领域。
本文旨在介绍基于软件锁相环的无刷直流电机速度控制器设计，通过对软件锁相环的原理及其在无刷直流电机控制系统中的应用进行讲解，建立闭环速度控制系统，设计基于软件锁相环的无刷直流电机速度控制器，并对其性能进行仿真与实验。
本文分为五个章节：第一章介绍无刷直流电机的应用背景和研究意义，简述软件锁相环在控制系统中的优势和不足。
第二章介绍无刷直流电机的工作原理和数学模型，重点阐述软件锁相环原理及其在无刷直流电机中的应用。
锁相技术在电机调速系统中的应用概述
综 述・REVIEW锁相技术在电机调速系统中的应用概述薛 峰,吴 捷(华南理工大学电力学院,广东 广州 510641)摘 要:介绍了锁相技术在电机调速系统中的应用情况,包括在高精度速度控制中的优势,以及在动态性能方面的缺陷和改善措施,最后指出,在提高鉴相技术的基础上,将锁相技术与其它先进控制技术相集成,发挥各自的优势,是改善电机调速系统动静态性能的有效方案。
关键词:电机调速;锁相技术;集成控制中图分类号:T M921.5 文献标识码:B 文章编号:1001-6848(1999)03-0026-04Survey of The Application of Phase-lockde Loop in the Variable Speed Drives ofElectric MachinesXUE Feng,WU Jie(Electr ic P ow er Co llege,South China U niv.of T ech.,G uangzhou510641,China) Abstract:I n this paper,w e surv ey and co mment o n the applicat ion of phase-lo cked loo p(PL L)in var iable speed dr iv es of elect ric machines,including its advantag e of hig h stea dy sta te accur acy and draw backs o f dy nam ic char ac-ters.It is po inted out that,based o n the impro vement o f pha se detectio n,P LL t echnique sho uld be integr ated w ith ot her contr ol metho ds to dev elo p their respect ive super or ities to impro ve the per for mance o f var iable speed dr iv es.Key words:var iable speed dr ves;phase-lo cked loo p;integ rated contr ol1 引 言锁相环技术(PLL-Phase Locked Loop)也称自动相位控制技术,出现于本世纪30年代,最早的应用是40年代电视接收机的行扫描电路和供色度信号解调的副载波振荡电路,直到70年代初期,随着低成本高性能集成锁相环电路的出现,锁相技术才在工业领域,特别是在无线电,如无线寻呼、无绳电话、移动卫星通信、彩色电视等方面得到广泛应用,成为整个通信和电子领域的一项重要技术[1]。
锁相环_精品文档
锁相环锁相环，又称为锁相放大器或者锁相放大器，是一种基于反馈机制的控制系统，用于稳定和锁定两个信号的相位差。
锁相环的原理可以在许多领域中得到应用，包括通信、电子仪器、雷达等。
锁相环工作原理锁相环的核心原理是采用一个反馈环来纠正输入信号的相位差。
一般来说，锁相环由三个主要部分组成：相位比较器、低通滤波器和可变频率振荡器。
首先，锁相环将输入信号和参考信号通过相位比较器进行比较，产生一个误差信号。
相位比较器会计算两个信号之间的相位差，并且生成一个电压或电流信号，表示这个相位差。
如果输入信号和参考信号的相位差为零，那么相位比较器输出的误差信号也将为零。
接着，误差信号通过低通滤波器进行滤波处理，去除高频噪声和杂散信号。
低通滤波器可以使锁相环对于高频噪声具有良好的抑制能力，提高系统的稳定性和抗干扰性。
最后，滤波后的误差信号被送往可变频率振荡器，控制其输出的频率和相位。
可变频率振荡器会根据误差信号的大小和方向来调整输出信号的频率和相位，以减小相位差。
如果误差信号为正，则输出频率增加；如果误差信号为负，则输出频率减小。
通过不断调整输出频率和相位，锁相环可以将输入信号和参考信号的相位差保持在一个可接受的范围内。
应用领域锁相环在通信领域中有广泛的应用。
在通信系统中，锁相环可以用来确保发送和接收的信号保持同步。
例如，在无线通信中，锁相环可以用来抑制多径干扰和载波漂移，提高通信质量和稳定性。
另外，锁相环还可以用于时钟恢复和数据捕获等方面。
除了通信领域外，锁相环在电子仪器和雷达等领域也有重要的应用。
在电子仪器中，锁相环可以用来稳定和控制仪器的频率和相位。
例如，在频谱分析仪和信号发生器中，锁相环可以确保仪器输出的信号具有准确的频率和相位信息。
在雷达系统中，锁相环可以用来实现目标检测和跟踪。
通过锁相环，雷达可以准确地测量目标和干扰源之间的相对相位差，从而提高雷达测量的精度和可靠性。
总结锁相环是一种基于反馈机制的控制系统，用于稳定和锁定两个信号的相位差。
基于软件锁相环的电机速度控制系统
统 对 电机 调速 性能 的要求 越来 越高 。锁相 调速控 制
１ 前 言
１７ ９０年 Ｖｌ 首次提 出在 同步 电机 速 度控 制 中 ｏ ｅ ｐ 采用锁 相技术 ， 后锁 相 技 术 在 电机 速 度控 制 中逐 之 渐得 到应 用 。 １７ ， 着 Ｍｏｒ 将 锁 相技 术 用 于 ９３年 随 ｏｅ 直流 电机调 速系统 ， 流 电 动机 锁 相 伺 服 系统 应 用 直
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第 ２ 卷第 ３ ７ 期
２Ｏ Ｏ６年 ０ 月 ９
航天返 回与遥感
Ｓ ＰＡＣＥＣＲＡＦ Ｔ ＲＥＣＯＶＥＲＹ ＆ ＲＥＭ Ｉ Ｓ Ｅ ＥＮＳ Ｇ ４１
基 于 软 件 锁相 环 的 电机 速 度控 制 系统
ｌ ｋｄｌ ｐ ｃｉ ｅ ｙｕｅｏ ｉ —ｐｗｒｄｍｃ ｐｏｅｓ ｆ ａ ． ｃ ｏ ｅ ｏｓｉａｈｅ ｄｂ ｓ ｈ ｏ ｓ ｖ ｆ ｇ ｏ ｅ ｉ ｒ ｓ ｒｓｔ ｒ ｈ ｅ ｏ ｒ ｃ ｏ ｏｗ ｅ
基于锁相环倍频的BLDCM速度控制系统设计
Ｓ Ｍ ２为核 心控 制元 件 ， Ｔ ３ 采用锁相环倍频 技术 实现对 电机转速 的高精度控 制。该 系统包括处理器 、 驱动 电
Ｔｈ ｓｓ ｓｅ ｉ ｃｕｄ ｓ ｐｒ ｃ ｓ ｏ ｄ ｖｅ ｃｉｃ ｉ，ｉｖ ｒｅｒ ｉｃ ｉ ，ｒ ｑ ｎｃ ｍｕｌｉｌｅ ｉｃ ｔ ｎ ｏｏ ．Ｆ ｅ ｅ ｃ ｉ ｙ ｔｍ ｎ ｌ ｅ ｏ ｅ ｓ ｒ， ｒ ｒ ｕｔ ｎ ｅ ｔ ｃｒ ｕ ｔ ｆｅ ｕｅ ｙ ｉ ｔｐ ｉｒ ｃｒ ｕｉ ａ ｄ ｍ ｔｒ ｒ ｑｕ ｎ ｙ ｍｕｌｉｌｅ ｉｃ ｔｒａ ｉｅ ｉ ｒ ｑ ｎ ｙ ｍｕ ｔｐ ｉａｉ ｒｔ ｈ ｅ — ａ ｈ Ｈａ ｌｓ ｎｓ ｒｓｇ ｌ． ｔ ｕｔｕｔａ ｅ ｔｋ ｎ ａ ｔｐ ｉｒｃｒ ｕｉ ｅ ｌｚ ｓｓｘｆｅ ｕｅ ｃ ｌｉ ｌｃ ｔ ｆ ｈｅｔ ｒ ｅ ｐ ｔ ｌ ｅ ｏ ｉｎａｓ Ｉｓ ｏ ｐ ｒ ａ ｅ ｓ ｏｎｏ ｓ ｅ ｅｅ ｂａ ｋ ｏ ｙ ｔ ｍ．Ａｃ ｏ ｄ ｎ ｏ ｓｍｕ ａｉ ｎ ａ ｄ ｐｅ ｄ ｆ ｄ ｃ ｆ ｓ ｓｅ ｃ ｒ ｉ ｇ ｔ ｉ ｌ ｔｏ ｎ ｍｅ ｓ ｒ ｍ ｅ ，ｈ ｓｇ ｄ Ｌ ｉ ｆｅ ｕｅ ｃ ａ ｕ ｅ ｎｔ ｔｅ ｄｅ ｉｎｅ ＰＬ ｓｘ ｒ ｑ ｎ ｙ ｍｕｈｉｌｅ ｐ ｉｒ ｃｒ ｕ ｔｃ ｎ ｃ ｒｙ ｏ ｐ ｅ ａ ｉｃ ｉ ａ ａｒ ｎ ｓ ｅ ｄ ｓ ｍｐｌｎ ｎ ｏ ｅ ｓｎ ｃ ｕ ａｅ ｙ ａ ｄ ｅ ｆｃｉｅ ｙ， ｎｄ ｔ ｒ ｃｓｏ ｆｓ ｅ ｄ ｓ ｍｐｌ ｉ ｇ ａ ｄ ｐｒ ｃ ｓ ｉ ｇ ａ ｃ ｒ ｔｌ ｎ ｆｅ ｔｖ ｌ ａ ｈｅ ｐ ｅ ｉｉｎ ｏ ｐ ｅ ａ ｉ ｎｇ
基于锁相环技术的直流电机调速控制
基于锁相环技术的直流电机调速控制
1引言
直流电机是执行机械操作所必不可少的重要部件，采用速度控制来完成机械部件的调整等工作。
由于直流电机的传动系统结构的简单设计和调速控制系统动态可调节等优点，它经常被大量应用于工业、水利等各种行业领域。
本文将以基于锁相环技术的直流电机调速控制为主题，详细介绍直流电机调速控制的基本原理，以及它在行业应用领域中的特点及优势。
2简介
锁相环技术是直流电机调速控制的制动点调整技术，它可以实现对直流电机输出转速的精确控制。
锁相环技术原理是：将单相整流模块的负载连接到直流电机上，当直流电压的输出与负载调理器的输出电压相匹配时，直流电机输出的功率将和负载调理器的输出功率做成正向反馈，从而使直流电机保持在恒定的转速。
3工作原理
在基于锁相环技术的直流电机调速控制中，将单相整流模块的负载连接到直流电机上，当应用锁相环技术时，通过改变单相整流模块输出电压的幅值，来获取恒定的输出电流，从而改变负载调理器的输出功率，使直流电机的转速保持在恒定的转速。
4优势
锁相环技术的直流电机调速控制具有低成本、结构简单、快速响应灵敏等特点，在工业、水利等行业领域中，用于驱动电压调节器、减速机等设备，可以在机械调节中实现快速响应。
此外，由于调速结构简单易操作，设置的参数调节范围广泛，因此在实践应用中具有十分重要的意义。
5结论
从上述讨论可以看出，基于锁相环技术的直流电机调速控制具有结构简单、操作便捷、响应速度快等优点，因此得到了广泛的应用，尤其在以机械调节为主的工业、水利行业。
它将有助于企业提高生产效率，满足客户对高效低耗的追求，为企业创造更多价值。
高精度锁相环电机控制系统
文章编号: 100025714(2005)032246204高精度锁相环电机控制系统Ξ耿朝阳,钟联炯,范跃华(西安工业学院计算机科学与工程学院,西安710032)摘 要: 锁相环路是一种能实现相位自动锁定的控制系统,主要用于频率合成及跟踪解调系统.本文介绍了一种使用锁相环技术控制电机的方法,将电机的转速信号与控制信号进行相位比较,取出二者的相位差作为控制信号,经滤波、放大后控制电机运行,使电机始终保持匀速转动.引入锁相环后系统的控制精度从1%提高到0.1%,并且稳定度和抗干扰性等其他指标都有很大提高,克服了早期使用模拟器件控制电机时,控制精度低,稳定度差等缺点.关键词: 锁相环;控制系统;直流电机;压控振荡器;转速中图号: TM935.23 文献标识码: A 某型高速摄影机用来拍摄高速飞行中的弹丸,摄影机中电机的控制使用可控硅和集成稳压器.在实际应用中,出现的问题主要是电机高速运行较长时间后转速下降,低于原先设定值,调节电机转速所需时间较长,精确调节不易等等.旧的控制系统虽然经过若干次改进,但只是改变可控硅、集成稳压器的型号和控制电路,产生问题的根本原因并未得到完全消除.因为电机在高速运行时,电流很大,整个电路发热,模拟电子器件对温度很敏感,温度升高使电路的工作点产生漂移,所以电机运行一段时间后,其转速往往会自动下降,低于原先的设定值.另外,摄影机的鼓轮是在一个封闭的金属容器中高速转动的,鼓轮外壁与金属容器内壁间的空隙很小,在拍摄时鼓轮的外壁上还缠有一圈感光胶片,如果胶片缠得不紧的话,在鼓轮转动一段时间后,胶片往往会更松,使鼓轮转动时的摩擦加大,这也会使电机转速下降.在最新研制的高速摄影机控制系统中,使用了锁相环技术控制电机,使其转速控制精度提高,稳定性增加,调节时间缩短,整体性能有较大提高.1 锁相环路工作原理锁相环路是一个实现相位自动锁定的控制系统,按输入信号要求可以分为恒定输入环路与随动输入环路.前者用于稳频、频率合成等系统,后者用于跟踪、解调系统.锁相环最基本的结构如图1所示.它由三个基本的部件组成:鉴相器(PD )、环路滤波器(L F )和压控振荡器(VCO ).鉴相器是个相位比较装置.它把输入信号f i 和压控振荡器的输出信号f o 的相位进行比较,产生对应于两个信号相位差的误差电压V d .环路滤波器的作用是滤除误差电压V d 中的高频成分和噪声,以保证环路所要求的性能,增加系统的稳定性.压控振荡器受控制电压V c 的控制,使压控振荡器的频率向输入信号的频率靠拢,直至消除频差而锁定.图1 锁相环工作原理框图Fig.1 Functional diagram of PLL锁相环是个相位误差控制系统.它比较输入信号和压控振荡器输出信号之间的相位差,从而产生误差控制电压来调整压控振荡器的频率,以达到与输入信号同频.在环路开始工作时,如果输入信号频率与压控振荡器频率不同,则由于两信号之间存第25卷 第3期 西 安 工 业 学 院 学 报 Vol 125 No 132005年6月 JOURNAL OF XI πAN INSTITU TE OF TECHNOLO GY J un.2005Ξ收稿日期:2005203228作者简介:耿朝阳(1971-),男,西安工业学院工程师,主要研究方向为测试系统及人工智能.在固有的频率差,它们之间的相位差势必一直在变化,结果鉴相器输出的误差电压就在一定范围内变化.在这种误差电压的控制下,压控振荡器的频率也在变化.若压控振荡器的频率能够变化到与输入信号频率相等,在满足稳定性条件下就在这个频率上稳定下来.达到稳定后,输入信号和压控振荡器输出信号之间的频差为零,相差不再随时间变化,误差电压为一固定值,这时环路就进入“锁定”状态[1].2 用锁相环控制电机2.1 控制对象描述本系统要控制是高速摄影机的电机,摄影机工作时,胶片缠在摄影机鼓轮上,电机带动鼓轮高速转动.鼓轮周长50cm ,每隔1cm 有一个小孔,当鼓轮转动时,光电二极管将转速信号转换为电脉冲信号,对应鼓轮转速为1m/s 时,信号频率为100Hz ,转速为60m/s 时,信号频率为6kHz ,所以,环路滤波器的工作频率范围是0.1～6kHz ,高低频差达60倍.这对滤波器的设计是很不利的,因为在最高和最低的频率下,同一个电容的滤波效能回会相差60倍.2.2 把电机接入锁相环路普通的锁相环电路由鉴相器(PD )、环路滤波器(L F ),压控振荡器(VCO)组成.如果把电机的转速看作一个频率信号,将其接入环路,即可实现对电机的控制,如图2所示.图2 锁相环控制电机原理框图Fig.2 Functional diagram of PLL control system for motor将压控振荡器部分用信号放大电路、功率放大电路和电机代替,电机的转速经传感器形成为频率信号f o ,用f o 与f i 进行比相,得到的误差电压经滤波后放大,再加到功率放大电路的输入端,控制电机转速升高或降低.通过实验,这样的电路在电机高速运行时效果很好,但在低速运行时误差较大,运行不稳定,因为环路滤波器工作在高频段时,滤波效果较好,工作在低频段时,滤波效果不好,电机的起动有一定的滞后性,使得系统在低速运行时效果很差.要在低频段取得好的滤波效果,必须加大滤波器的时间常数,这样的话电机的加速过程将相当缓慢[5,6].因此必须采取一些方法来改进控制电路,需要将图2的单环控制电路改进为图3所示的三环控制电路.图3 三环控制系统原理图Fig.3 Diagram of three loops control system改进后的控制系统由3个锁相环路组成,环路1和环路2的结构完全相同,其中都有一个可编程分频器,其分频系数在10～600之间,可由程序设定.环路1用来跟踪输入的控制信号f i ,当环路1处于“锁定”状态时,其输出信号频率f 1为输入信号的N 倍;环路2用来跟踪电机的转速信号,同样当环路2处于“锁定”状态时,其输出信号频率f 2为电机转速信号的N 倍.环路1、2的输出信号加在环路3鉴相器PD3的输入端,产生的误差电压V d 经环路滤波器L F3滤波输出控制电压V c ,控制功率放大器带动电机转动.环路1、2的输出信号由压控振荡器VCO 产生,只要其环路滤波器L F 的时间常数取值合理,可以较好地跟踪输入的信号,其捕捉时间很短,为毫秒级.而环路3输出信号实际上是电机的转速信号,电机起动的滞后性很大,为了改善性能,在系统运行时,根据输入控制信号f i 的大小(0.1～6kHz ),调整分频系数N ,使得f i ×N 在60kHz 左右,锁相环路3的工作频率始终在60kHz 附近,设计环路滤波器L F3使其通频带为55kHz 以上,利用滤波器L F3的输出信号V c 控制功率放大器推动电机运转.环路滤波器L F3的输入信号频率较高,滤波效果好,对电机可以达到比较好的控制效果.2.3 电机控制电路设计电机控制电路如图4所示,电路中使用了三片4046和一片8254构成三环锁相环路,每个4046中有一个异或门鉴相器、一个三态数字鉴相器和一742 第3期 耿朝阳等:高精度锁相环电机控制系统 个压控振荡器,本电路实际使用的鉴相器是三态数字鉴相器,因为它既可以鉴相,又有鉴频功能,环路捕捉带大;8254是微机系统中应用广泛的可编程定时器/计数器芯片,每个8254中有三个独立的计数器通道,可用程序设定其工作方式[4].图4 锁相环路电路原理图Fig.4 Electric circuit of PLL 环路1由PD1、VCO1和计数器0构成,控制信号f i 来自8031CPU 控制板,是将主频分频后得到,精度是足够高的.系统工作时,计数器0作分频器用,设定其分频系数N =60000/f i (取整),输入的控制信号f i 在100Hz-6kHz 之间,故N 的范围是10～600;PD2、VCO2和计数器1构成环路2,计数器1作分频器用,其工作方式、分频系数与计数器0完全相同.环路1和环路2的输出信号送到PD3进行比相,用PD3的输出信号经滤波后控制电机运转.当环路1的输出信号频率f 1高于环路2输出信号频率f 2时,PD3输出高电平信号,经由滤波网络和运算放大器放大后,控制功率三极管B G 的基极,使电机加速;反之,当环路1的输出信号频率f 1低于环路2输出信号频率f 2时,PD3输出低电平信号,经由滤波网络和运算放大器放大后,控制功率三极管B G 的基极,使电机减小速度;当f 1和f 2频率相同时,PD3输出波形如图5,若图5 鉴相器输出信号波形Fig.5 Output signal of PDf 1相位超前f 2,PD3输出正脉冲,使电机加速,若f 1相位滞后于f 2,PD3输出负脉冲,使电机减速,当f 1和f 2完全同步时,系统处于稳定状态,PD3输出为高阻.此时,因计数器0和计数器1的分频系数N 相同,实际电机的转速f o 就等于f i .环路1和环路2中,鉴相器PD1和PD2的输出信号控制压控振荡器VCO 工作,VCO 的反应速度很快,当控制电压改变的瞬间,输出信号的频率会立刻改变,使用低通滤波器滤除鉴相器输出信号中的高频分量,整个环路就能正常工作;而在环路3中,PD3的输出信号用来控制电机运转,电机的起动滞后性很大,设计环路3的滤波器时,要对其进行相位补偿,经过实验,采用R 3、C 3、R 4、C 4组成的超前-滞后补偿网络,调整R 3、C 3的值改变补偿网络的幅频、相频特性曲线,因为PD3输出信号频率在60kHz 附近,所以只要使其相频曲线在该频点适当超前,控制系统性能就会得到较大改善[3].输出级将电机和三极管的发射极接在一起,利用射极负反馈电路,进一步增加了电机运行时的稳定度[4].2.4 性能比较和误差分析采用锁相环技术后,整个系统的调速性能得到较大改善.首先调速电路不会受环境温度变化的影响,因为锁相环路的工作原理是对两组数字信号进行比较,数字信号只有“0”、“1”两个状态,它不受温度变化的影响.其次,这种调速电路的抗干扰能力也是很强的.在实验中,当电机转速稳定后,人为地加大负载,如拿小木棒用力压在鼓轮上,电机的转速只在负载刚加上时稍有降低,然后马上恢复到正842 西 安 工 业 学 院 学 报 第25卷常值;当负载去掉后,电机的转速稍微升高,然后也恢复到正常值.这样,即使真正拍摄时有胶片松动的情况,也不会因此而改变电机转速.改进后的调速系统有一个很大的优点,就是调速误差很小,尤其是当电机在高速运行时,其转速相当稳定,误差远远小于系统技术指标要求的1%,达到0.1%左右.因为控制电路的工作原理是对两组数字信号进行比较,鉴相器输出的控制信号和两个输入信号的占空比无关,而是与信号的边沿有关.当系统稳定后,转速信号和标准信号的相位差是恒定值,而频率完全相等,处于“锁定”状态,理论上没有误差.但电机的机械运动有一定的滞后性,所以实际的调速系统还是存在着一些误差,通过引入超前补偿网络对调速系统进行补偿,能在最大程度上减小误差.3 结论通过在高速摄影机的电机控制系统中引入锁相环电路,使控制系统数字化,提高了控制精度,增加了系统的可靠性和稳定性,同时该控制系统具有成本低廉,结构简单,调节方便和速度稳定等优点,可以满足高精度电机控制的需要,在实际应用中取得了良好的效果,具有广泛的实用价值和应用前景.参考文献:[1] 张冠百.锁相与频率合成技术[M ].北京:电子工业出版社,1990.[2] 王玉良.微机原理与接口技术[M ].北京:北京邮电大学出版社,2000.[3] 冯巧玲.自动控制原理[M ].北京:北京航空航天大学出版社,2003.[4] 狄京,张申,樊体峰.锁相环电机转速控制系统的研究[J ].工矿自动化,2002(1):12.[5] 陈春,聂丽,叶建华.测功系统中电机恒转速控制的改进与分析[J ].上海电力学院学报,2002(6):17.[6] 马金权,李庆辉,强盛.一种高精度实时电机转速测量新方法[J ].齐齐哈尔大学学报,2002(1):42.High accuracy electrical motor control system with PLLGEN G Chao-yang ,ZHON G L ian-jiong ,FA N Y ue-hua(School of Computer Science and Engrineering ,Xi ’an Institute of Technology ,Xi ’an 710032,China )Abstract : The phase-locked loop is one kind of control system which is able to achieve phase automatic lock ,to compose frequency and to trace demodulation system.A control method to electrical motor with PLL is presented.The difference between motor speed signal and control speed signal ,which is filtered and amplified ,is used to control the motor to maintain uniform rotation.The control accurasy is improved from 1%up to 0.1%,meanwhile the etability and anti-interference ability are also increased sharply with PLL ,compared with early control system with anolog components.K ey Words : phase lock loop (PLL );control system ;direct current motor ;voltage controlled oscillator(VCO );rotate speed(责任编辑、校对 杜亚勤)942 第3期 耿朝阳等:高精度锁相环电机控制系统 。
基于FPGA的全数字锁相环电机调速系统设计
基于FPGA的全数字锁相环电机调速系统设计
陈欢
【期刊名称】《电子测试》
【年(卷),期】2016(000)018
【摘要】Digital phase-locked loop has the advantage of anti-interference and well phase-locked. Meanwhile,there is high accuracy in motor phase-locked control system which can be achieved by program. This paper presents an digital phase-locked based on FPGA so as to control the speed of the motor.%数字锁相环具有抗干扰能力强、锁相效果好等优点。
而电机锁相控制系统调速精度高，易于用程序实现。
本文介绍了一种基于FPGA的数字锁相环，用于电机调速系统的设计。
【总页数】2页(P17-17,20)
【作者】陈欢
【作者单位】无锡科技职业学院，214112
【正文语种】中文
【相关文献】
1.基于FPGA的全数字锁相环的复频域分析与实现 [J], 马莽原;石新春;王慧;孟建辉;付超
2.基于FPGA的无刷直流电机调速系统设计与实现 [J], 李国旭;毛红艳;孟祥斌;赵海波
3.基于FPGA的全数字Costas锁相环的设计仿真 [J], 刘浩
4.基于FPGA的自动变模全数字锁相环的设计 [J], 甘国妹;曹江亮;于丞琳
5.基于FPGA的全数字延时锁相环的设计 [J], 李锐; 田帆; 邓贤君; 单长虹
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一种基于锁相环的可变量程转速控制系统
一种基于锁相环的可变量程转速控制系统
曾素琼
【期刊名称】《电子技术应用》
【年(卷),期】2006(32)6
【摘要】介绍了基于锁相环的转速控制原理,设计了一种基于锁相环的可变量程转速控制系统,利用所设计的锁相环及窄带跟踪滤波的特点实现了转速信号的提取.数学推导和试验结果证明了这种系统的有效性.
【总页数】3页(P89-91)
【作者】曾素琼
【作者单位】嘉应学院,电子信息工程系,广东,梅州,514015
【正文语种】中文
【中图分类】TP3
【相关文献】
1.一种量程可变的转速信号检测方法 [J], 陈照章;高平
2.基于参数可变PID控制器的永磁无刷直流电机转速控制系统 [J], 程启明;杨小龙;高杰;谭冯忍;张宇;余德清
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4.一种基于锁相环原理的参考模型自适应感应电机转速估计方法 [J], 巫庆辉;邵诚
5.一种基于可变相位累加器的全数字锁相环 [J], 杨檬玮;田帆;单长虹
因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
一种基于锁相环的可变量程转速控制系统
一种基于锁相环的可变量程转速控制系统在电机转速控制系统中，经常需要对电机的转速信号进行测量和处理，以达到精确控制转速的目的。
通常采用旋转编码器、测速发电机等传感器测量转速，不但体积大、安装不便，而且价格高；而利用锁相环路可用很低的成本对电机转速实施非常精确的转速测量和控制。
本文介绍的基于锁相环的可变量程转速控制系统，是为研制新一代具有卷绕特性的调速电机控制器而开发的[1]，其转速信号检测方法具有结构简单、安装方便、价廉可靠的特点。
1 PLL 电机转速控制系统原理用锁相环路构成的电机转速控制系统的框图如图1 所示，其中，VCO 已由电机和光转速表取代。
激励电压调节电机的转速，在电机的轴上安装一个开槽的扇形平盘。
扇形盘转动时不断地切断发光二极管发出的光线，使光耦合器中的光敏管产生频率与电机转速成整数倍的方波脉冲序列u2(ω2)。
这样，方波脉冲的频率与激励电压有一定的函数关系，等效为锁相环中的压控振荡器。
为了使光电耦合器能输出波形良好的方波，在光敏管之后通常还要接一个施密特触发器，用于对信号整形，如图2 所示。
2 PLL 电机转速控制系统模型设计由于电机具有较大的惯性，等效于一个时间常数很大的相位滞后网络，可能会对环路稳定性有较大的影响。
环路中采用CMOS 鉴频鉴相器。
光电耦合器产生的方波信号的频率与电机转速成正比，它与输入参考信号u1(ω1)的频率进行鉴频与鉴相。
当锁相环路锁定之后，电机的转速可稳定在设定值上，没有跟踪频率误差，只有相位误差。
所选用的鉴频鉴相器应保证环路具有足够的捕获范围，在各种不同的起始条件下，环路都能锁定。
下面重点介绍对电机和光转速表组合的传递函数的推导。
以上分析表明，由于电机和光转速表本身就是一个二阶系统，在考虑了环路滤波器的作用之后，整个控制环路就是一个三阶。
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[4] [5] [2] [3]
1+T2 s 1+T1 s
功率放大器 U ( s) Kα c
Km Kz 1 · 1+Tm S s
图 3 锁相环电机转速控制系统数学模型
图2
锁相环电机控制系统框图
1+T2 s H （s ） = KdKαΚmKz · (1+Tm s)s 1+T1 s 式中 Kd—— —PD 的比例增益； Kα— ——功率放大器的比例增益。 由以上分析可知锁相环电机转速控制系统是 一个一型系统， 对于阶跃输入系统稳定时是没有跟 踪误差的。
Abstract:Advanced rotae speed control method for DC motor based on PLL technology,and achieved a gradable speed control system by using counter as frequency divider. Analyzed the composite structure of the system, mathematical model, operational principle and design method. This system have advantage of lower cost, simple mechanism, easy adjustment and stable speed, so this system have some practical value. Key words:PLL; DC motor; tranche speed 锁相环 （PLL ） 是一个伺服系统， 用以控 的稳态控制。
参考文献： [1]
白永前， 叶萍， 梁学东．电力建设项目后评价实践[J].山西电力， 2005， （4 ） ： 61-62． 李振宁， 江伟 ． 输变电项目后评价指标体系构建 [J]. 科技信息， 2009 （15 ） ： 720. 梁棵， 熊立， 王国华．一种群决策中专家客观权重的确定方法[J]． 系统工程与电子技术， 2005， 27 （4 ） ： 652-655． 宋光兴， 杨德礼 ． 基于决策者偏好及赋权法一致性的组合赋权 法[J].系统工程与电子技术， 2004， 26 （9 ） ： 1126-1230． 徐泽水．不确定多属性决策方法及应用[M]．北京： 清华大学出版 社， 2004， 8． （责任编辑 王秀丽 ）
2
锁相环电机转速控制系统数学模型
在激励电压 uc 的作用下， 电机的转速为： -t ω(t)=Km uc 1-exp T m
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式中 Km—— —比例增益； Tm—— —电机的机械时间常数。对上式拉氏变 换得： Ω(s)=Uc (s) Km 1+Tm S
3 分档调速控制系统的实现
CD4046 是一种 CMOS 低频通用单片数字锁相 环集成电路，内含独立的鉴相器和压控振荡器， 用 于电机速度控制可以获得很高的性能价格比。 CD4046 含 有 一 个 边 沿 触 发 式 数 字 鉴 频 鉴 相 器 （PD2 ） ， 还有一个压控振荡器 （VCO ） ， 且压控振荡器 与鉴相器无内部连接[5]。其结构如图 4 所示。
电机转轴的相位 φ （t)是角速度对时间的积分， Km φ （s)=Uc (s) .1 因此： 1+Tm S S 可见，此控制系统中等效 VCO 和普通的 VCO 不同不是一个积分环节[3]。 光电脉冲发生器输出信号的角频率是电机转 速的 Kz 倍， 其脉冲相位 θ2 (t) 也为 φ （t) 的 Kz 倍， 因 此： θ2（s)=Uc (s) Km ·1 · Kz 1+Tm S S
第 29 卷第 4 期 2010 年4 期
煤
炭
技 术
Coal Technology
Vol.29,No.04 April,2010
基于锁相环技术的可分档电机调速系统研究
薛大为，杨春兰，黄迎辉，顾井飞
（ 蚌埠学院 机械与电子工程系，安徽 蚌埠 233030 ） 摘 要:提出了基于锁相环技术的直流电机转速控制方法， 并利用计数器作为分频器， 实现了可分档有级调速系 统。 分析了系统的组成结构、 数学模型、 工作原理及其设计方法。 该系统具有成本低廉、 结构简单、 调节方便和速度 稳定的优点， 具有一定的实用价值。 关键词:锁相环；直流电机；分档调速 中图分类号:TP271 文献标识码:A 文章编号:1008-8725 （2010 ） 04-0028-03
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引言
直流电机是自动控制系统中重要的执行部件
制其输出信号的相位， 使得输出相位和参考相位之 间的相位误差固定在某个值上， 最终达到输入和输 出信号的频率相等。因此， 如果采用锁相环控制则 可实现高精度的电机速度调节[1]。
之一， 当在使用中需要获得高稳态精度的电机的转 速时， 采用有差调节系统是不可能实现的， 而在引 入积分环节后构成一阶或二阶无差系统， 由于测速 误差及系统作用的死区等因素也很难实现高精度
片选定后， 其增益也就确定了 。主要的设计就是环 路滤波器和驱动放大器增益。设计时要从系统的稳 定性能和动态性能两个方面考虑。首先要保证系统 稳定并有一定的稳定裕量， 通常要使系统的相角稳 定裕量 γ>30°， 还要保证系统的快速性， 通常要使系 统的阻尼比 ζ>0.5。根据以上条件， 通过绘制系统开 环传递函数的 BODE 图， 就可以确定环路滤波器和 驱动放大器增益的取值。
控制环路中 LF 不仅是过滤环路中的高次谐 波， 还可以调环路的参数， 对环路的的性能指标有 着重要的影响。常用的 LF 有 RC 积分滤波器、 有源 比例积分滤波器和无源比例积分滤波器等。由前面 对等效 VCO 分析可知， 电机具有很大的惯性， 是一
图 4 CD4046 的组成结构
第 29 卷第 4 期 2010 年4 期
由 CD4046 构成的电机分档调速控制系统的原 理图如图 5 所示。其中电压/频率变换器 （参考输入 信号） 采用 CD4046 内部的 VCO 构成， 其输出频率 信号的线性度≤1%； 用 PD2 作为相位比较器， 因为 它对输入比较信号的占空比没有要求；采用 R3， R4， C2 组 成 环 路 滤 波 器 ； 采 用 十 进 制 计 现 功率放大驱动电机； 采用数字脉冲编码器实现对转 速的检测。
第4期
薛大为， 等： 基于锁相技术的可分档电机调速系统研究
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（LF ） 和压控振荡器 （VCO ） 等 3 个基本部件组成， 其 基本结构如图 1 所示。用锁相环路构成的电机转速 控制系统框图如图 2 所示。其中压控振荡器已由电 机和光电脉冲发生器取代； 给定信号用一个电压/频 率变换器实现； 功率放大器输出的激励电压 uc 用于 驱动电机，电机轴上安装一个光电脉冲发生器， 电 机每转发出 Kz 个脉冲，脉冲频率 ω0 是电机角速度 ω 的 Kz 倍， 与激励电压 uc 有一定的函数关系 （成正 比 ） ， 等效于锁相环路中的压控振荡器[2]。
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技 术
Coal Technology
Vol.29,No.04 April,2010
基于 Alpha 稳定分布噪声环境下的两步分离自适应算法
陈燕芳，查代奉
（ 九江学院 电子工程学院，江西 九江 332005 ） 摘 要:自适应滤波理论技术在很多领域有广泛应用， 若实际应用中随机信号和噪声有显著的脉冲特性， 则 Alpha 稳定分布能更好地进行描述 。 文章给出了在分数低阶 Alpha 稳定分布噪声环境下的一种两步分离自适应算法 TSLMP。实验表明， 该算法相对以往的 LMP 算法计算复杂度大大降低， 有良好的收敛特性。 关键词:自适应滤波; Alpha 稳定分布；LMP 算法 文献标识码:A 文章编号:1008-8725 （2010 ） 04-0030-03 中图分类号:TN713 ≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤
那么， 锁相环电机转速控制系统的数学模型框 图如图 3 所示。 控制环路的开环传递函数为：
LF Kd Ud(s)
图1
ui
锁相环结构框图
θ1(s)
PD θ2(t)
电压 / 频率变 θ1(t) VFC ） 换器 （ 鉴相器 ud 环路滤波 功率放 uc PD LF （ ） 器（ ） 大器 θ2(t) 光电脉冲 φ （t) 电机 发生器 等效 VCO
Study on Gradable Speed Adjustment System of Motor Based on Phase Locked Loop Technology
XUE Da-wei,YANG Chun-lan, HUANG Ying-hui ，GU Jing-fei
（Department of Mechanical and Electronic Engineering, Bengbu College, Bengbu 233030, China）
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锁相环电机转速控制系统原理
普通的锁相环路由鉴相器 （PD ） 、环路滤波器
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验和失败教训，供其他投资建设的同类项目参考， 决策问题。 项目效 再进行后评估中应充分考虑项目实施过程、 益、 项目影响、 项目持续性、 项目性评估等方面的不 确定性， 运用系统工程的理论及方法对输变电项目 进行评估和总结。文章在定性讨论输变电项目后评 价的方法中， 提出了简单易行的决策方法， 使用本 方法处理决策信息， 既考虑到了实际评价过程中存 在不确定性和模糊性的客观情况， 又避免了决策过 程中对模糊数据运算和排序容易出现序逆转的问 题， 还简化了决策过程中对数据的处理难度， 并通 过实例验证了本方法的实用性。同时所给出的模糊 群决策方法可以解决社会经济和生产过程的其它