[发明专利]晶体锁相(PLL)交流稳速系统

说明书

本发明涉及一种电机稳速系统，特别是用锁相环控制交流感应电机的转速。

锁相环控制交流感应电机的稳速系统是一个很有发展前途的稳速系统。以往，国内外的交流稳速系统主要有可控硅交流调速系统、鉴频式交流伺服电机和脉冲调速型交流伺服电机。它们共同的缺点是转速精度不高，时漂和温漂大。晶体锁相无刷直流电机伺服系统，可以获得很高的转速精度，在专业录音机系统中获得广泛的应用，但其电机结构复杂，除要有转速发送装置外，还要有位置传感器。此外，无刷直流电机启动困难，易出现死点，还需设计启动电路。因此，控制电路复杂，整个系统成本较高。

本发明的目的是提供一种晶体锁相（PLL）交流稳速系统，它由可控交流感应电机和锁相控制电路组成。具有启动特性好、结构简单、集成化程度高、易于调试、可靠性好、转速精度高、可在较宽的转速范围内稳速、成本低廉等优点。

下面结合附图详细介绍本发明的内容。

图1是系统原理方框图。本系统由晶体振荡器、分频器、转速选择装置、数字鉴频鉴相器、速度补偿回路、误差放大电路、功放电路、可控交流感应电机、转速检测装置、方波形成电路和整形电路组成。

图2是一个概念化的可控交流感应电机。它是外转子型三相交流感应电机，比以往自动控制系统中采用的交流二相异步电机具有效率高、温升低、力矩大等优点。为使电机具有调速特性，采用高阻转子，即用整体式圆筒形转子，在转子的内圆上还车有螺旋槽。为简化供电系统，采用电容配平，单相供电。

图3a和图3b只画出图2有关转速检测装置部分。在转子外磁环上和定子组件内磁环上分别有N个齿，在定子组件的内磁环上还绕有线圈，通以直流电，当转子相对定子转动时，由于齿的相对运动，在线圈中感应出正弦波信号，转子每秒转一周，可发送出NH₂的正弦波，采用这种结构可以获得更高的发送频率，减小分齿精度和转子与定子不同心造成的抖晃，从而提高系统的稳速精度。

图4是方波形成电路和整形电路。本发明的方波形成电路采用单电源供电的运祘放大器构成过零比较器，开环状态运用，形成的方波前后沿陡峭，调节同相输入端的电位器，可以方便的获得占空比为1∶1的方波，输出端分压电阻则可使输出电压与数字集成电路电平匹配。运祘放大器用单电源供电，可省去一个负电源。整形电路用数字集成电路与非门构成施密特触发电路。

图5是晶体振荡器、分频电路和转速选择装置示意图。由晶体振荡器产生的高频信号经分频电路分频获得一组对应不同转速的较低频率信号，波段开关即转速选择装置根据需要选定某一频率，作为数字鉴频鉴相器的基准信号输入。基准信号的频率稳定度决定了系统的转速精度和稳定度。分频电路采用计数器，按实际转速和转速检测装置的齿数确定所需的分频系数进行分频。

图6a示出数字鉴频鉴相器管脚接线圈，图6b为其输入输出特性曲线，图6C为基准信号（R）大于反馈信号（V）的波形图，图6d为基准信号（R）小于反馈信号（V）的波形图。数字鉴频鉴相器是锁相控制电路的核心元件，采用锁相技术，可使系统的转速精度和稳速性能接近晶振指标。该器件是一种专门化数字集成电路，它比用分立元件搭的电路可靠性高、性能好，这种电路不会错锁，而且捕捉范围广。由晶振经分频电路来的基准信号输入到器件的R₁端，由转速检测装置经方波形成电路和整形电路来的转速反馈信号输入到V₁端，器件的U₁和PV、D₁和P_D及U_F和D_F分别互相连接，U_F端或D_F端作为数字鉴频鉴相器的输出端。

图7是速度补偿回路示意图。速度补偿回路决定系统的稳定性和动态指标，必须在写出或实测出整个系统的开环传递函数后，方能根据系统的动态指标，求出补偿回路的类型和参数，最后调试确定之。在本⒚髦校缁峭庾有停虼耍缡奔涑Ｊ艽螅虻サ牡屯瞬ㄆ鞑钩シ绞蕉冀鹣低车母郊又秃螅瓜低城饔诟硬晃榷ā１痉⒚髦校捎贸?滞后有源网络进行补偿。

图8是误差放大电路和功放电路图。误差放大电路是由运祘放大器构成的同相比例放大器，起缓冲器的作用，以隔离功放电路对速度补偿回路的影响，同时还引入电流正反馈，以改善系统的动态品质。功放电路由射极输出器、硅整流堆和调整管组成，实现模拟控制。