[发明专利]飞轮电机锁相环控制系统及方法

说明书

技术领域

本发明涉及锁相环相位误差控制领域。

背景技术

锁相环由三个基本的部件组成：鉴频鉴相器PFD、环路滤波器LF和压控振荡器VCO。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。

鉴相器是个相位比较装置.它把输入信号fi和压控振荡器的输出信号fo的相位进行比较，产生对应于两个信号相位差的误差电压Ue，通过Ue的变化使输入信号与输出信号频率相同，相位差为一个定值。

环路滤波器的作用是滤除误差电压Ue中的高频成分和噪声，输出经滤波后的电压Ud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Ud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。在本专利中，压控振荡器被无刷直流电机及其驱动部件替代，通过Ud的信号使驱动信号的PWM占空比发生变化，从而电机转速信号发生变化，这样就实现了闭环控制电机转速。

传统意义的锁相环由鉴频鉴相器PFD、环路滤波器LF、压控振荡器VCO以及反馈分频模块组成。

其中，鉴频鉴相器用于检测输入参考信号与反馈信号之间的相位和频率差，其输出信号u_d(t)是相位差Δθ的函数，对于线性PLL，二者成线性关系。环路滤波器用于对PFD的输出信号进行调理，其特性表现为低通滤波器，主要功能是滤除PFD输出的高频噪声，以及实现校正控制功能，其设计对系统的性能具有决定性的影响。压控振荡器输出频率与控制电压幅值成正比的方波信号，实现电压到频率的转化，是PLL控制系统中的执行元件。

相比传统的锁相环结构，无刷直流电机锁相环控制系统中功率放大器、飞轮电机及霍尔位置传感器一起实现了锁相环系统中VCO的功能。其结构如图1所示。

其中，功率放大器将弱电控制信号转化为强电信号驱动无刷直流电机，在控制系统中可以简化为惯性环节和放大器的组合；功率放大器输出的控制电压驱动无刷直流电机转动，同时霍尔位置传感器检测电机转子位置，输出与转子位置相关的方波信号，其输出信号的频率与电机极对数、霍尔元件的个数以及电机的转速成正比。由于飞轮电机的转速不能突变，因此在飞轮电机的锁相环控制系统中，压控振荡器具有较大的惯性，这就使得飞轮锁相环控制系统的设计不同于传统锁相环控制系统。

在基础的三状态PFD的基础上，衍生出了10状态PFD，采用多个状态对应同一输出值，相比三状态PFD具有更好的鉴频性能。但是由于其输出值为三个离散的变量，需要利用低通滤波器将其变为连续的输出值。这样必然造成了输出滞后于实际相位误差的输入，同时滤波器设计的合理性也大大影响了PFD对相位误差的线性程度及动态响应性能。

目前飞轮电机的锁相环控制系统中的鉴频鉴相器采用十状态的状态机输出相位误差，但是十状态的状态机存在输出的相位误差与相位差不成正比的问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决目前锁相环控制系统中的鉴频鉴相器采用十状态的状态机存在输出的相位误差与相位差不成线性的问题，本发明提供一种飞轮电机锁相环控制系统及方法。

本发明的飞轮电机锁相环控制系统，所述控制系统包括鉴频鉴相器PFD、环路滤波器LF和等效压控振荡器VCO，

环路滤波器LF，用于对鉴频鉴相器PFD输出的相位误差进行滤波；

等效压控振荡器VCO，用于将滤波后的相位误差进行功率放大后驱动飞轮电机转动，并检测飞轮电机的转子位置，输出飞轮电机的转速方波信号；所述飞轮电机的转速方波信号作为鉴频鉴相器的反馈信号；

所述鉴频鉴相器PFD包括相位误差测量模块和校正模块；

相位误差测量模块，用于利用计数器测量0□2π相位内参考信号和反馈信号的相位误差的模块；

校正模块，用于根据参考信号和反馈信号频率和相位的不同，状态机进行状态切换，输出校正信号，根据所述校正信号对测量的相位误差进行校正，将相位误差的测量范围扩展至-2π□2π的模块；