飛輪電機(jī)鎖相環(huán)控制系統(tǒng)及方法
【專利摘要】飛輪電機(jī)鎖相環(huán)控制系統(tǒng)及方法，屬于鎖相環(huán)相位誤差控制領(lǐng)域。為了解決目前鎖相環(huán)控制系統(tǒng)中的鑒頻鑒相器采用十狀態(tài)的狀態(tài)機(jī)存在輸出的相位誤差與相位差不成正比的問題。它包括鑒頻鑒相器PFD、環(huán)路濾波器LF和等效壓控振蕩器VCO，所述鑒頻鑒相器PFD利用計(jì)數(shù)器測(cè)量參考信號(hào)和和反饋信號(hào)的絕對(duì)相位差，然后根據(jù)參考信號(hào)和反饋信號(hào)頻率和相位的不同，狀態(tài)機(jī)進(jìn)行狀態(tài)切換，輸出校正信號(hào)，根據(jù)所述校正信號(hào)對(duì)測(cè)量的相位誤差進(jìn)行校正，從而得到鑒相范圍為-2π～2π的鑒頻鑒相器PFD。它用于調(diào)速飛輪系統(tǒng)中。
【專利說明】飛輪電機(jī)鎖相環(huán)控制系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及鎖相環(huán)相位誤差控制領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]鎖相環(huán)由三個(gè)基本的部件組成:鑒頻鑒相器PFD、環(huán)路濾波器LF和壓控振蕩器VCO0鎖相環(huán)是個(gè)相位誤差控制系統(tǒng)。它比較輸入信號(hào)和壓控振蕩器輸出信號(hào)之間的相位差，從而產(chǎn)生誤差控制電壓來調(diào)整壓控振蕩器的頻率，以達(dá)到與輸入信號(hào)同頻.在環(huán)路開始工作時(shí)，如果輸入信號(hào)頻率與壓控振蕩器頻率不同，則由于兩信號(hào)之間存在固有的頻率差，它們之間的相位差勢(shì)必一直在變化，結(jié)果鑒相器輸出的誤差電壓就在一定范圍內(nèi)變化。在這種差電壓的控制下，壓控振蕩器的頻率也在變化.若壓控振蕩器的頻率能夠變化到與輸入信號(hào)頻率相等，在滿足穩(wěn)定性條件下就在這個(gè)頻率上穩(wěn)定下來。達(dá)到穩(wěn)定后，輸入信號(hào)和壓控振蕩器輸出信號(hào)之間的頻差為零，相差不再隨時(shí)間變化，誤差電壓為一固定值，這時(shí)環(huán)路就進(jìn)入“鎖定”狀態(tài)。
[0003]鑒相器是個(gè)相位比較裝置.它把輸入信號(hào)fi和壓控振蕩器的輸出信號(hào)fo的相位進(jìn)行比較，產(chǎn)生對(duì)應(yīng)于兩個(gè)信號(hào)相位差的誤差電壓Ue,通過Ue的變化使輸入信號(hào)與輸出信號(hào)頻率相同，相位差為一個(gè)定值。
[0004]環(huán)路濾波器的作用是濾除誤差電壓Ue中的高頻成分和噪聲，輸出經(jīng)濾波后的電壓Ud以保證環(huán)路所要求的性能，增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
[0005]壓控振蕩器受控制電壓Ud的控制，使壓控振蕩器的頻率向輸入信號(hào)的頻率靠攏，直至消除頻差而鎖定。在本專利中，壓控振蕩器被無刷直流電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)部件替代，通過Ud的信號(hào)使驅(qū)動(dòng)信號(hào)的PWM占空比發(fā)生變化，從而電機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)發(fā)生變化，這樣就實(shí)現(xiàn)了閉環(huán)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。
[0006]傳統(tǒng)意義的鎖相環(huán)由鑒頻鑒相器PFD、環(huán)路濾波器LF、壓控振蕩器VCO以及反饋分頻模塊組成。
[0007]其中，鑒頻鑒相器用于檢測(cè)輸入?yún)⒖夹盘?hào)與反饋信號(hào)之間的相位和頻率差，其輸出信號(hào)ud(t)是相位差Λ Θ的函數(shù)，對(duì)于線性PLL，二者成線性關(guān)系。環(huán)路濾波器用于對(duì)PFD的輸出信號(hào)進(jìn)行調(diào)理，其特性表現(xiàn)為低通濾波器，主要功能是濾除PFD輸出的高頻噪聲，以及實(shí)現(xiàn)校正控制功能，其設(shè)計(jì)對(duì)系統(tǒng)的性能具有決定性的影響。壓控振蕩器輸出頻率與控制電壓幅值成正比的方波信號(hào)，實(shí)現(xiàn)電壓到頻率的轉(zhuǎn)化，是PLL控制系統(tǒng)中的執(zhí)行元件。
[0008]相比傳統(tǒng)的鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)，無刷直流電機(jī)鎖相環(huán)控制系統(tǒng)中功率放大器、飛輪電機(jī)及霍爾位置傳感器一起實(shí)現(xiàn)了鎖相環(huán)系統(tǒng)中VCO的功能。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。
[0009]其中，功率放大器將弱電控制信號(hào)轉(zhuǎn)化為強(qiáng)電信號(hào)驅(qū)動(dòng)無刷直流電機(jī)，在控制系統(tǒng)中可以簡(jiǎn)化為慣性環(huán)節(jié)和放大器的組合；功率放大器輸出的控制電壓驅(qū)動(dòng)無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)霍爾位置傳感器檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)子位置，輸出與轉(zhuǎn)子位置相關(guān)的方波信號(hào)，其輸出信號(hào)的頻率與電機(jī)極對(duì)數(shù)、霍爾元件的個(gè)數(shù)以及電機(jī)的轉(zhuǎn)速成正比。由于飛輪電機(jī)的轉(zhuǎn)速不能突變，因此在飛輪電機(jī)的鎖相環(huán)控制系統(tǒng)中，壓控振蕩器具有較大的慣性，這就使得飛輪鎖相環(huán)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)不同于傳統(tǒng)鎖相環(huán)控制系統(tǒng)。
[0010]在基礎(chǔ)的三狀態(tài)PFD的基礎(chǔ)上，衍生出了 10狀態(tài)PFD，采用多個(gè)狀態(tài)對(duì)應(yīng)同一輸出值，相比三狀態(tài)PFD具有更好的鑒頻性能。但是由于其輸出值為三個(gè)離散的變量，需要利用低通濾波器將其變?yōu)檫B續(xù)的輸出值。這樣必然造成了輸出滯后于實(shí)際相位誤差的輸入，同時(shí)濾波器設(shè)計(jì)的合理性也大大影響了 PFD對(duì)相位誤差的線性程度及動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能。
[0011]目前飛輪電機(jī)的鎖相環(huán)控制系統(tǒng)中的鑒頻鑒相器采用十狀態(tài)的狀態(tài)機(jī)輸出相位誤差，但是十狀態(tài)的狀態(tài)機(jī)存在輸出的相位誤差與相位差不成正比的問題。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0012]本發(fā)明的目的是為了解決目前鎖相環(huán)控制系統(tǒng)中的鑒頻鑒相器采用十狀態(tài)的狀態(tài)機(jī)存在輸出的相位誤差與相位差不成線性的問題，本發(fā)明提供一種飛輪電機(jī)鎖相環(huán)控制系統(tǒng)及方法。
[0013]本發(fā)明的飛輪電機(jī)鎖相環(huán)控制系統(tǒng)，所述控制系統(tǒng)包括鑒頻鑒相器PFD、環(huán)路濾波器LF和等效壓控振蕩器VC0，
[0014]環(huán)路濾波器LF，用于對(duì)鑒頻鑒相器PFD輸出的相位誤差進(jìn)行濾波；
[0015]等效壓控振蕩器VC0，用于將濾波后的相位誤差進(jìn)行功率放大后驅(qū)動(dòng)飛輪電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，并檢測(cè)飛輪電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置，輸出飛輪電機(jī)的轉(zhuǎn)速方波信號(hào)；所述飛輪電機(jī)的轉(zhuǎn)速方波信號(hào)作為鑒頻鑒相器的反饋信號(hào)；
[0016]所述鑒頻鑒相器PFD包括相位誤差測(cè)量模塊和校正模塊；
[0017]相位誤差測(cè)量模塊，用于利用計(jì)數(shù)器測(cè)量O □ 2 π相位內(nèi)參考信號(hào)和反饋信號(hào)的相位誤差的模塊；
[0018]校正模塊，用于根據(jù)參考信號(hào)和反饋信號(hào)頻率和相位的不同，狀態(tài)機(jī)進(jìn)行狀態(tài)切換，輸出校正信號(hào)，根據(jù)所述校正信號(hào)對(duì)測(cè)量的相位誤差進(jìn)行校正，將相位誤差的測(cè)量范圍擴(kuò)展至-2 31 □ 231的模塊；
[0019]飛輪電機(jī)鎖相環(huán)控制方法，所述方法包括如下步驟:
[0020]用于對(duì)鑒頻鑒相器PFD輸出的相位誤差進(jìn)行濾波的步驟；
[0021]用于將濾波后的相位誤差進(jìn)行功率放大后驅(qū)動(dòng)飛輪電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，并檢測(cè)飛輪電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置，輸出飛輪電機(jī)的轉(zhuǎn)速方波信號(hào)的步驟；
[0022]用于利用計(jì)數(shù)器測(cè)量O □ 2 π相位內(nèi)參考信號(hào)和反饋信號(hào)的相位誤差的模塊；所述反饋信號(hào)為飛輪電機(jī)的轉(zhuǎn)速方波信號(hào)；
[0023]用于根據(jù)參考信號(hào)和反饋信號(hào)頻率和相位的不同，狀態(tài)機(jī)進(jìn)行狀態(tài)切換，輸出校正信號(hào)，根據(jù)所述校正信號(hào)對(duì)測(cè)量的相位誤差進(jìn)行校正，將相位誤差的測(cè)量范圍擴(kuò)展至-2 31 □ 2 31的步驟；
[0024]上述用于根據(jù)參考信號(hào)和反饋信號(hào)頻率和相位的不同，狀態(tài)機(jī)進(jìn)行狀態(tài)切換，輸出校正信號(hào)的過程為:
[0025]當(dāng)參考信號(hào)ref的頻率小于反饋信號(hào)var頻率時(shí)，狀態(tài)機(jī)處于負(fù)向飽和狀態(tài)，輸出
PE ^
校正信號(hào)f 2π，PE = O ；
iTef
[0026]當(dāng)參考信號(hào)ref的頻率等于反饋信號(hào)var頻率時(shí)，且參考信號(hào)ref相位滯后于反
PE ^
饋信號(hào)var時(shí)，狀態(tài)機(jī)處于滯后狀態(tài)，輸出校正信號(hào)7 2π，PE = τ ;
ref
[0027]當(dāng)參考信號(hào)ref的頻率等于反饋信號(hào)var頻率時(shí),且參考信號(hào)ref相位超前于反
PE I
饋信號(hào)var時(shí)，狀態(tài)機(jī)處于超前狀態(tài)，輸出校正信-F 2π，PE = Tref+T ；
[0028]當(dāng)參考信號(hào)ref的頻率大于反饋信號(hào)var頻率時(shí)，狀態(tài)機(jī)處于正向飽和狀態(tài)，輸出
PE ?
校正信號(hào) f 2π，PE = 2Tref ；
iTef
[0029]上述狀態(tài)機(jī)為8狀態(tài)機(jī)，所述8狀態(tài)機(jī)包括sat_nl狀態(tài)、sat_n2狀態(tài)、Iagl狀態(tài)、lag2狀態(tài)、Ieadl狀態(tài)、lead2狀態(tài)、sat_pl狀態(tài)和sat_p2狀態(tài)；
PE ^
[0030]在sat_nl狀態(tài)，輸出校正信號(hào)7_2π，PE = 0，當(dāng)輸入的參考信號(hào)ref為上升沿
iISf
時(shí),轉(zhuǎn)入sat_n2狀態(tài),當(dāng)反饋信號(hào)var為上升沿時(shí),保持sat_nl狀態(tài)；
PE ^
[0031]在sat_n2狀態(tài)，輸出校正信號(hào)7 2π PE = 0，當(dāng)輸入的參考信號(hào)ref為上升沿
^ref
時(shí),轉(zhuǎn)入lag2狀態(tài),當(dāng)反饋信號(hào)var為上升沿時(shí),轉(zhuǎn)入sat_nl狀態(tài)；
PE ^
[0032]在lag2狀態(tài)，輸出校正信號(hào)7_2π，PE = T，T為計(jì)數(shù)器此時(shí)的計(jì)數(shù)值，當(dāng)輸入的
I ref
參考信號(hào)ref為上升沿時(shí)，轉(zhuǎn)入lead2狀態(tài)，當(dāng)反饋信號(hào)var為上升沿時(shí)，轉(zhuǎn)入Iagl狀態(tài)；
[0033]在Iagl狀態(tài)，輸出校正信號(hào)_2π，PE = T，T為計(jì)數(shù)器此時(shí)的計(jì)數(shù)值，當(dāng)輸入的
^ref
參考信號(hào)ref為上升沿時(shí)，轉(zhuǎn)入lead2狀態(tài)，當(dāng)反饋信號(hào)var為上升沿時(shí)，轉(zhuǎn)入sat_nl狀態(tài)；
PE
[0034]在lead2狀態(tài)，輸出校正信號(hào)f 2π，PE = Tref+T, Iref為參考信號(hào)ref的周期，
^ref
當(dāng)輸入的參考信號(hào)ref為上升沿時(shí)，轉(zhuǎn)入sat_p2狀態(tài)，當(dāng)反饋信號(hào)var為上升沿時(shí)，轉(zhuǎn)入Ieadl狀態(tài)；
PE Λ
[0035]在Ieadl狀態(tài)，輸出校正信號(hào)f 2π，PE = Tref+T, Tref為參考信號(hào)ref的周期，當(dāng)
yIci
輸入的參考信號(hào)ref為上升沿時(shí)，轉(zhuǎn)入lead2狀態(tài)，當(dāng)反饋信號(hào)var為上升沿時(shí)，轉(zhuǎn)入Iagl狀態(tài)；
PE Λ
[0036]在sat_p2狀態(tài)，輸出校正信號(hào)f 2π，PE = 2I；ef，當(dāng)輸入的參考信號(hào)ref為上升
^ref
沿時(shí)，保持sat_p2狀態(tài),當(dāng)反饋信號(hào)var為上升沿時(shí),轉(zhuǎn)入sat_pl狀態(tài)；
PE ,
[0037]在sat_pl狀態(tài)，輸出校正信號(hào)7_2k，PE = 2I；ef，當(dāng)輸入的參考信號(hào)ref為上升
iTef沿時(shí)，轉(zhuǎn)入sat_p2狀態(tài),當(dāng)反饋信號(hào)var為上升沿時(shí),轉(zhuǎn)入Ieadl狀態(tài)。
[0038]本發(fā)明的有益效果在于，本發(fā)明利用計(jì)數(shù)器測(cè)量?jī)蓚€(gè)信號(hào)之間的絕對(duì)相位差，然后通過參考信號(hào)和反饋信號(hào)頻率和相位的不同，在四個(gè)狀態(tài)進(jìn)行切換，輸出不同的校正信號(hào)，從而得到鑒相范圍為-2 π?2π的鑒頻鑒相器PFD，保證了鑒頻鑒相器PFD在-2 π?2π的鑒相范圍內(nèi)具有良好地線性特性，解決了十狀態(tài)機(jī)的相位誤差與輸出信號(hào)的非線性問題。同時(shí)，本發(fā)明還提供了狀態(tài)機(jī)的具體設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)的8狀態(tài)機(jī)對(duì)當(dāng)前狀態(tài)進(jìn)行誤差的補(bǔ)償和校正，從而得到鑒相范圍為-2 ?2 Ji的鑒頻鑒相器PFD。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0039]圖1為現(xiàn)有無刷直流電機(jī)鎖相環(huán)控制系統(tǒng)的原理示意圖。
[0040]圖2為【具體實(shí)施方式】一中當(dāng)fMf < fvar時(shí),相位突變?cè)硎疽鈭D。
[0041]圖3為【具體實(shí)施方式】一中當(dāng)f；ef > fvar時(shí),相位突變?cè)硎疽鈭D。
[0042]圖4為【具體實(shí)施方式】一中8狀態(tài)機(jī)的原理示意圖。
[0043]圖5為本實(shí)施方式中相位誤差檢測(cè)的流程示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0044]【具體實(shí)施方式】一:結(jié)合圖1至圖5說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式所述的飛輪電機(jī)鎖相環(huán)控制系統(tǒng)，所述控制系統(tǒng)包括鑒頻鑒相器PFD、環(huán)路濾波器LF和等效壓控振蕩器VC0，
[0045]環(huán)路濾波器LF，用于對(duì)鑒頻鑒相器PFD輸出的相位誤差進(jìn)行濾波；
[0046]等效壓控振蕩器VC0，用于將濾波后的相位誤差進(jìn)行功率放大后驅(qū)動(dòng)飛輪電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，并檢測(cè)飛輪電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置，輸出飛輪電機(jī)的轉(zhuǎn)速方波信號(hào)；所述飛輪電機(jī)的轉(zhuǎn)速方波信號(hào)作為鑒頻鑒相器的反饋信號(hào)；
[0047]為解決十狀態(tài)的狀態(tài)機(jī)存在輸出的相位誤差與相位差不成線性的問題，本實(shí)施方式提供一種鑒頻鑒相器PFD:通過計(jì)數(shù)器直接測(cè)量O □ 2 π相位誤差，并模擬十狀態(tài)鑒頻鑒相器PFD的工作特性，同時(shí)設(shè)計(jì)8狀態(tài)機(jī)測(cè)量?jī)蓚€(gè)信號(hào)之間的頻率差，以對(duì)測(cè)量得到的相位誤差進(jìn)行校正，將測(cè)量范圍擴(kuò)展至-2 π □ 2 π。該鑒頻鑒相器PFD由相位誤差測(cè)量模塊和校正模塊組成，其中測(cè)量模塊直接利用計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)，對(duì)校正模塊的工作原理進(jìn)行重點(diǎn)介紹。
[0048]所述鑒頻鑒相器PFD包括相位誤差測(cè)量模塊和校正模塊；
[0049]相位誤差測(cè)量模塊，用于利用計(jì)數(shù)器測(cè)量O □ 2 π相位內(nèi)參考信號(hào)和反饋信號(hào)的相位誤差的模塊；
[0050]校正模塊，用于根據(jù)參考信號(hào)和反饋信號(hào)頻率和相位的不同，狀態(tài)機(jī)進(jìn)行狀態(tài)切換，輸出校正信號(hào)，根據(jù)所述校正信號(hào)對(duì)測(cè)量的相位誤差進(jìn)行校正，將相位誤差的測(cè)量范圍擴(kuò)展至-2 31 □ 231的模塊；
[0051]對(duì)于具有固定頻率差的兩個(gè)信號(hào)，直接測(cè)量信號(hào)之間的相位差，測(cè)量值將會(huì)以鋸齒波形式變化，因此需要結(jié)合頻率差測(cè)量對(duì)相位差測(cè)量值進(jìn)行校正，根據(jù)ref與var的頻率大小可以分為如下面兩種情況。
[0052]Iref 頻率小于 var
[0053]fref < fvar時(shí)，ref與var的波形如圖2所示。直接測(cè)量相位誤差，得到的結(jié)果為bQ — Id1 — S1 — a2,由于在S1周期中，var出現(xiàn)了兩個(gè)上升沿，因此Id1 — B1的過程中，相位差測(cè)量值出現(xiàn)突變。為解決這個(gè)問題，不妨假設(shè)，在k時(shí)刻，ref超前于var，則相位誤差為b。一 Id1 — -b2 — _b3,將其加上ref周期,則測(cè)量相位誤差為TMf+b。一 Tre^b1 — S1 — a2 — a3。當(dāng)相位誤差測(cè)量值再次發(fā)生突變時(shí)，認(rèn)為ref落后var相位差大于2 π，相位誤差測(cè)量的輸出值達(dá)到最小值O，將其設(shè)置為負(fù)向飽和狀態(tài)。
[0054]2ref頻率大于var時(shí)
[0055]fMf > 時(shí)，兩者信號(hào)波形示意如圖3所示。初始測(cè)量得到的相位誤差為b0 - b! - a1；由于在Id1周期內(nèi)存在ref的兩個(gè)上升沿，因此，Id1 — B1的測(cè)量值存在突變。其解決方案與上面類似，設(shè)在k時(shí)刻，ref滯后于var，則相應(yīng)的誤差測(cè)量值可記為b0 — Tref+B1 — TMf+a2。當(dāng)再次出現(xiàn)誤差突變時(shí)，認(rèn)為相位誤差大于2 π，相位誤差測(cè)量元件的輸出值達(dá)到最大值2TMf，將其設(shè)置為正向飽和狀態(tài)。
[0056]可以看到對(duì)于ref與var的頻率大小的不同關(guān)系，具有類似的算法，不同之處在于測(cè)量開始時(shí)超前或者滯后狀態(tài)的選取。
[0057]根據(jù)上述論述，可以根據(jù)兩個(gè)信號(hào)的頻率和相位關(guān)系不同，對(duì)于相位誤差的校正方式可以分為四個(gè)狀態(tài):當(dāng)參考信號(hào)ref的頻率小于反饋信號(hào)var頻率時(shí)，狀態(tài)機(jī)處于負(fù)向
PE ^
飽和狀態(tài)，輸出校正信號(hào)fh，PE = 0，校正后的相位誤差為O ;
I ref
[0058]當(dāng)參考信號(hào)ref的頻率等于反饋信號(hào)var頻率時(shí)，且參考信號(hào)ref相位滯后于反
PE
饋信號(hào)var時(shí)，狀態(tài)機(jī)處于滯后狀態(tài)，輸出校正信號(hào)fk，PE = T，校正后的相位誤差與
iTef
實(shí)際測(cè)量值相等；
[0059]當(dāng)參考信號(hào)ref的頻率等于反饋信號(hào)var頻率時(shí),且參考信號(hào)ref相位超前于反
PF
饋信號(hào)var時(shí)，狀態(tài)機(jī)處于超前狀態(tài)，輸出校正信號(hào)7_2π，PE = T,ef+T，校正后的相位誤
^ref
差等于實(shí)際測(cè)量值加2 π ；
[0060]當(dāng)參考信號(hào)ref的頻率大于反饋信號(hào)var頻率時(shí)，狀態(tài)機(jī)處于正向飽和狀態(tài)，輸出
PE
校正信號(hào)f 2π，PE = 2I；ef，校正后的相位誤差為4π ；
1TQf
[0061]本實(shí)施方式的難點(diǎn)在于狀態(tài)之間的切換，既要保證對(duì)于兩個(gè)輸入信號(hào)的頻率關(guān)系具有良好的辨別能力，又要防止頻繁出現(xiàn)狀態(tài)切換。設(shè)定當(dāng)某個(gè)信號(hào)在另外一個(gè)信號(hào)的一個(gè)周期內(nèi)連續(xù)出現(xiàn)兩個(gè)上升沿時(shí)，進(jìn)行狀態(tài)切換。根據(jù)以上分析，以及狀態(tài)之間進(jìn)行切換的條件，可以設(shè)計(jì)8狀態(tài)鑒頻鑒相器PFD如圖4所示。
[0062]其中，ref為給定轉(zhuǎn)速，作為參考信號(hào)，var為電機(jī)的轉(zhuǎn)速，作為反饋信號(hào)。這樣的設(shè)計(jì)既保證了最低輸出值與最高輸出值之間最快的變化速度，同時(shí)嚴(yán)格保證了 O □ 4π輸出值與-2JI □ 2ji相位誤差嚴(yán)格對(duì)應(yīng)，避免了 10狀態(tài)PFD輸出與相位差不成正比的情況。基于8狀態(tài)機(jī)的PFD功能實(shí)現(xiàn)流程如5所示。
[0063]所述8狀態(tài)機(jī)包括sat_nl狀態(tài)、sat_n2狀態(tài)、Iagl狀態(tài)、lag2狀態(tài)、Ieadl狀態(tài)、lead2狀態(tài)、sat_pl狀態(tài)和sat_p2狀態(tài)；
PE ^
[0064]在sat_nl狀態(tài)，輸出校正信號(hào)f 2π，PE = 0，當(dāng)輸入的參考信號(hào)ref為上升沿時(shí),轉(zhuǎn)入sat_n2狀態(tài),當(dāng)反饋信號(hào)var為上升沿時(shí),保持sat_nl狀態(tài)；
PE
[0065]在sat_n2狀態(tài)，輸出校正信號(hào)f 2π，PE = 0，當(dāng)輸入的參考信號(hào)ref為上升沿
iFef
時(shí),轉(zhuǎn)入lag2狀態(tài),當(dāng)反饋信號(hào)var為上升沿時(shí),轉(zhuǎn)入sat_nl狀態(tài)；
[0066]在lag2狀態(tài)，輸出校正信號(hào)^_2π，PE = T，T為計(jì)數(shù)器此時(shí)的計(jì)數(shù)值，當(dāng)輸入的
^ref
參考信號(hào)ref為上升沿時(shí)，轉(zhuǎn)入lead2狀態(tài)，當(dāng)反饋信號(hào)var為上升沿時(shí)，轉(zhuǎn)入Iagl狀態(tài)；
PE ^
[0067]在Iagl狀態(tài)，輸出信號(hào)fh，PE = T，T為計(jì)數(shù)器此時(shí)的計(jì)數(shù)值，當(dāng)輸入的參考信號(hào)ref為上升沿時(shí),轉(zhuǎn)入lead2狀態(tài),當(dāng)反饋信號(hào)var為上升沿時(shí),轉(zhuǎn)入sat_nl狀態(tài)；
PE ^
[0068]在lead2狀態(tài)，輸出信號(hào)^PE = I；ef+T，I；ef為參考信號(hào)ref的周期，當(dāng)輸入
^ref
的參考信號(hào)ref為上升沿時(shí)，轉(zhuǎn)入sat_p2狀態(tài)，當(dāng)反饋信號(hào)var為上升沿時(shí)，轉(zhuǎn)入Ieadl狀態(tài)；
PE
[0069]在Ieadl狀態(tài)，輸出信號(hào)^2π，PE = Tref+T, I；ef為參考信號(hào)ref的周期，當(dāng)輸
^ref
入的參考信號(hào)ref為上升沿時(shí)，轉(zhuǎn)入lead2狀態(tài)，當(dāng)反饋信號(hào)var為上升沿時(shí)，轉(zhuǎn)入Iagl狀態(tài)；
[0070]在sat_p2狀態(tài)，輸出信號(hào)f 2π，pE = 2TMf，當(dāng)輸入的參考信號(hào)ref為上升沿時(shí)，
保持sat_p2狀態(tài),當(dāng)反饋信號(hào)var為上升沿時(shí),轉(zhuǎn)入sat_pl狀態(tài)；
PE 0
[0071]在sat_pl狀態(tài)，輸出校正信號(hào)f h，PE = 2I；ef，當(dāng)輸入的參考信號(hào)ref為上升
iIef
沿時(shí)，轉(zhuǎn)入sat_p2狀態(tài),當(dāng)反饋信號(hào)var為上升沿時(shí),轉(zhuǎn)入Ieadl狀態(tài)。
[0072]【具體實(shí)施方式】二:結(jié)合圖1至圖5說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式所述的飛輪電機(jī)鎖相環(huán)控制方法，所述方法包括如下步驟:
[0073]用于對(duì)鑒頻鑒相器PFD輸出的相位誤差進(jìn)行濾波的步驟；
[0074]用于將濾波后的相位誤差進(jìn)行功率放大后驅(qū)動(dòng)飛輪電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，并檢測(cè)飛輪電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置，輸出飛輪電機(jī)的轉(zhuǎn)速方波信號(hào)的步驟；
[0075]用于利用計(jì)數(shù)器測(cè)量O □ 2 π相位內(nèi)參考信號(hào)和反饋信號(hào)的相位誤差的模塊；所述反饋信號(hào)為飛輪電機(jī)的轉(zhuǎn)速方波信號(hào)；
[0076]用于根據(jù)參考信號(hào)和反饋信號(hào)頻率和相位的不同，狀態(tài)機(jī)進(jìn)行狀態(tài)切換，輸出校正信號(hào)，根據(jù)所述校正信號(hào)對(duì)測(cè)量的相位誤差進(jìn)行校正，將相位誤差的測(cè)量范圍擴(kuò)展至-2 31 □ 2 31的步驟；
[0077]用于根據(jù)參考信號(hào)和反饋信號(hào)頻率和相位的不同，狀態(tài)機(jī)進(jìn)行狀態(tài)切換，輸出校正信號(hào)的過程為:
[0078]當(dāng)參考信號(hào)ref的頻率小于反饋信號(hào)var頻率時(shí)，狀態(tài)機(jī)處于負(fù)向飽和狀態(tài)，輸出
PE 0
校正信號(hào)f 2π，PE = O ；
iTef
[0079]當(dāng)參考信號(hào)ref的頻率等于反饋信號(hào)var頻率時(shí)，且參考信號(hào)ref相位滯后于反
PE ^
饋信號(hào)var時(shí)，狀態(tài)機(jī)處于滯后狀態(tài)，輸出校正信號(hào)^2π，PE = T ；
< ref
[0080]當(dāng)參考信號(hào)ref的頻率等于反饋信號(hào)var頻率時(shí),且參考信號(hào)ref相位超前于反
PE ,
饋信號(hào)var時(shí)，狀態(tài)機(jī)處于超前狀態(tài)，輸出校正信號(hào)^~_2π，PE = Tref+T ；
Z ref
[0081]當(dāng)參考信號(hào)ref的頻率大于反饋信號(hào)var頻率時(shí)，狀態(tài)機(jī)處于正向飽和狀態(tài)，輸出
PE ^
校正信號(hào)PE = 2I；ef。
^rei'
[0082]本實(shí)施方式中的狀態(tài)機(jī)為8狀態(tài)機(jī)，所述8狀態(tài)機(jī)包括sat_nl狀態(tài)、sat_n2狀態(tài)、Iagl狀態(tài)、lag2狀態(tài)、Ieadl狀態(tài)、lead2狀態(tài)、sat_pl狀態(tài)和sat_p2狀態(tài)；
PE ^
[0083]在sat_nl狀態(tài),輸出校正信號(hào)_7_2π，PE = O,當(dāng)輸入的參考信號(hào)ref為上升沿
』ref
時(shí),轉(zhuǎn)入sat_n2狀態(tài),當(dāng)反饋信號(hào)var為上升沿時(shí),保持sat_nl狀態(tài)；
PE
[0084]在sat_n2狀態(tài)，輸出校正信號(hào)7 2π PE = O,當(dāng)輸入的參考信號(hào)ref為上升沿
iref
時(shí),轉(zhuǎn)入lag2狀態(tài),當(dāng)反饋信號(hào)var為上升沿時(shí),轉(zhuǎn)入sat_nl狀態(tài)；
PE ^
[0085]在lag2狀態(tài)，輸出校正信號(hào)^~_2π，PE = T，T為計(jì)數(shù)器此時(shí)的計(jì)數(shù)值，當(dāng)輸入的
^ref
參考信號(hào)ref為上升沿時(shí)，轉(zhuǎn)入lead2狀態(tài)，當(dāng)反饋信號(hào)var為上升沿時(shí)，轉(zhuǎn)入Iagl狀態(tài)；
PE ^
[0086]在Iagl狀態(tài)，輸出校正信號(hào)PE = T，T為計(jì)數(shù)器此時(shí)的計(jì)數(shù)值，當(dāng)輸入的
^ref
參考信號(hào)ref為上升沿時(shí)，轉(zhuǎn)入lead2狀態(tài)，當(dāng)反饋信號(hào)var為上升沿時(shí)，轉(zhuǎn)入sat_nl狀態(tài)；
PE
[0087]在lead2狀態(tài)，輸出校正信號(hào)，PE = Tref+T, Tref為參考信號(hào)ref的周期，
^ref
當(dāng)輸入的參考信號(hào)ref為上升沿時(shí)，轉(zhuǎn)入sat_p2狀態(tài)，當(dāng)反饋信號(hào)var為上升沿時(shí)，轉(zhuǎn)入Ieadl狀態(tài)；
PE ^
[0088]在Ieadl狀態(tài)，輸出校正信號(hào)f2TT，PE = I；ef+T，Tref為參考信號(hào)ref的周期，當(dāng)
^ref
輸入的參考信號(hào)ref為上升沿時(shí)，轉(zhuǎn)入lead2狀態(tài)，當(dāng)反饋信號(hào)var為上升沿時(shí)，轉(zhuǎn)入Iagl狀態(tài)；
PE ^
[0089]在sat—p2狀態(tài)，輸出校正信號(hào)f ，PE = 2Tref?當(dāng)輸入的參考信號(hào)ref為上升沿時(shí)，保持sat_p2狀態(tài),當(dāng)反饋信號(hào)var為上升沿時(shí),轉(zhuǎn)入sat_pl狀態(tài)；
PE ^
[0090]在sat_pl狀態(tài)，輸出校正信號(hào)f 2π，PE = 2I；ef，當(dāng)輸入的參考信號(hào)ref為上升
iTef
沿時(shí)，轉(zhuǎn)入sat_p2狀態(tài),當(dāng)反饋信號(hào)var為上升沿時(shí),轉(zhuǎn)入Ieadl狀態(tài)。
【權(quán)利要求】
1.飛輪電機(jī)鎖相環(huán)控制系統(tǒng)，其特征在于，所述控制系統(tǒng)包括鑒頻鑒相器PFD、環(huán)路濾波器LF和等效壓控振蕩器VCO， 環(huán)路濾波器LF，用于對(duì)鑒頻鑒相器PFD輸出的相位誤差進(jìn)行濾波； 等效壓控振蕩器VCO，用于將濾波后的相位誤差進(jìn)行功率放大后驅(qū)動(dòng)飛輪電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，并檢測(cè)飛輪電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置，輸出飛輪電機(jī)的轉(zhuǎn)速方波信號(hào)；所述飛輪電機(jī)的轉(zhuǎn)速方波信號(hào)作為鑒頻鑒相器的反饋信號(hào)； 所述鑒頻鑒相器PFD包括相位誤差測(cè)量模塊和校正模塊； 相位誤差測(cè)量模塊，用于利用計(jì)數(shù)器測(cè)量O □ 2π相位內(nèi)參考信號(hào)和反饋信號(hào)的相位誤差的模塊； 校正模塊，用于根據(jù)參考信號(hào)和反饋信號(hào)頻率和相位的不同，狀態(tài)機(jī)進(jìn)行狀態(tài)切換，輸出校正信號(hào)，根據(jù)所述校正信號(hào)對(duì)測(cè)量的相位誤差進(jìn)行校正，將相位誤差的測(cè)量范圍擴(kuò)展至-2 31 □ 2 31的模塊； 用于根據(jù)參考信號(hào)和反饋信號(hào)頻率和相位的不同，狀態(tài)機(jī)進(jìn)行狀態(tài)切換，輸出校正信號(hào)的過程為: 當(dāng)參考信號(hào)ref的頻率小于反饋信號(hào)var頻率時(shí)，狀態(tài)機(jī)處于負(fù)向飽和狀態(tài)，輸出校正 PE Λ信號(hào)^~.2π，PE = O ；
iTef 當(dāng)參考信號(hào)ref的頻率等于反饋信號(hào)var頻率時(shí)，且參考信號(hào)ref相位滯后于反饋信
PE Λ號(hào)var時(shí)，狀態(tài)機(jī)處于滯后狀態(tài)，輸出校正信號(hào)PE = T ；
^rei 當(dāng)參考信號(hào)ref的頻率等于反饋信號(hào)var頻率時(shí)，且參考信號(hào)ref相位超前于反饋信
PB號(hào)var時(shí)，狀態(tài)機(jī)處于超前狀態(tài)，輸出校正信號(hào)2π，PE = Tref+T ；
2 ref 當(dāng)參考信號(hào)ref的頻率大于反饋信號(hào)var頻率時(shí)，狀態(tài)機(jī)處于正向飽和狀態(tài)，輸出校正 PE ^信號(hào) 7~.2兀’ PE = 2Tref。
^ref
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的飛輪電機(jī)鎖相環(huán)控制系統(tǒng)，其特征在于， 所述狀態(tài)機(jī)為8狀態(tài)機(jī)，所述8狀態(tài)機(jī)包括sat_nl狀態(tài)、sat_n2狀態(tài)、Iagl狀態(tài)、lag2狀態(tài)、Ieadl狀態(tài)、lead2狀態(tài)、sat_pl狀態(tài)和sat_p2狀態(tài)；
pE , 在sat_nl狀態(tài)，輸出校正信號(hào)F 2π, PE = O，當(dāng)輸入的參考信號(hào)ref為上升沿時(shí)，轉(zhuǎn)入sat_n2狀態(tài)，當(dāng)反饋信號(hào)var為上計(jì)沿時(shí),保持sat_nl狀態(tài)；
PE Λ 在sat_n2狀態(tài)，輸出校正信號(hào)f 2π，PE = O，當(dāng)輸入的參考信號(hào)ref為上升沿時(shí)，轉(zhuǎn)
7 ref入lag2狀態(tài),當(dāng)反饋信號(hào)var為上升沿時(shí),轉(zhuǎn)入sat_nl狀態(tài)；
PE Λ 在lag2狀態(tài)，輸出校正信號(hào)7 2π PE = T，T為計(jì)數(shù)器此時(shí)的計(jì)數(shù)值，當(dāng)輸入的參考
^ref信號(hào)ref為上升沿時(shí)，轉(zhuǎn)入lead2狀態(tài)，當(dāng)反饋信號(hào)var為上升沿時(shí)，轉(zhuǎn)入Iagl狀態(tài)；
PE ^在Iagl狀態(tài)，輸出信號(hào)7_2π，PE = T，T為計(jì)數(shù)器此時(shí)的計(jì)數(shù)值，當(dāng)輸入的參考信號(hào)
^refref為上升沿時(shí),轉(zhuǎn)入lead2狀態(tài)，當(dāng)反饋信號(hào)var為上升沿時(shí),轉(zhuǎn)入sat_nl狀態(tài)；
FE ^ 在lead2狀態(tài)，輸出信號(hào)f ^，PE = Tref+T, Tref為參考信號(hào)ref的周期，當(dāng)輸入的參
^ref考信號(hào)ref為上升沿時(shí)，轉(zhuǎn)入sat_p2狀態(tài)，當(dāng)反饋信號(hào)var為上升沿時(shí)，轉(zhuǎn)入Ieadl狀態(tài)；
PE ^ 在Ieadl狀態(tài)，輸出信號(hào)f &，PE = Tref+T, Tref為參考信號(hào)ref的周期，當(dāng)輸入的參
iTef考信號(hào)ref為上升沿時(shí)，轉(zhuǎn)入lead2狀態(tài)，當(dāng)反饋信號(hào)var為上升沿時(shí)，轉(zhuǎn)入Iagl狀態(tài)；
PE ^ 在sat_p2狀態(tài)，輸出信號(hào)f 2π，PE = 2T,ef，當(dāng)輸入的參考信號(hào)ref為上升沿時(shí)，保
Y ref持sat—p2狀態(tài)，當(dāng)反饋信號(hào)var為上升沿時(shí)，轉(zhuǎn)入sat—pi狀態(tài)；
PE 在sat_pl狀態(tài)，輸出校正信號(hào)f 2兀，PE = 2Tref,當(dāng)輸入的參考信號(hào)ref為上升沿時(shí)，轉(zhuǎn)入sat_p2狀態(tài),當(dāng)反饋信號(hào)var為上升沿時(shí),轉(zhuǎn)入Ieadl狀態(tài)。
3.飛輪電機(jī)鎖相環(huán)控制方法，其特征在于，所述方法包括如下步驟: 用于對(duì)鑒頻鑒相器PFD輸出的相位誤差進(jìn)行濾波的步驟； 用于將濾波后的相位誤差進(jìn)行功率放大后驅(qū)動(dòng)飛輪電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，并檢測(cè)飛輪電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置，輸出飛輪電機(jī)的轉(zhuǎn)速方波信號(hào)的步驟； 用于利用計(jì)數(shù)器測(cè)量O□2 π相位內(nèi)參考信號(hào)和反饋信號(hào)的相位誤差的模塊；所述反饋信號(hào)為飛輪電機(jī)的轉(zhuǎn)速方波信號(hào)； 用于根據(jù)參考信號(hào)和反饋信號(hào)頻率和相位的不同，狀態(tài)機(jī)進(jìn)行狀態(tài)切換，輸出校正信號(hào)，根據(jù)所述校正信號(hào)對(duì)測(cè)量的相位誤差進(jìn)行校正，將相位誤差的測(cè)量范圍擴(kuò)展至-2 31 □ 2 31的步驟； 用于根據(jù)參考信號(hào)和反饋信號(hào)頻率和相位的不同，狀態(tài)機(jī)進(jìn)行狀態(tài)切換，輸出校正信號(hào)的過程為: 當(dāng)參考信號(hào)ref的頻率小于反饋信號(hào)var頻率時(shí)，狀態(tài)機(jī)處于負(fù)向飽和狀態(tài)，輸出校正 PE ^信號(hào) ^ 2π , PE = ο ；
71-Ci 當(dāng)參考信號(hào)ref的頻率等于反饋信號(hào)var頻率時(shí)，且參考信號(hào)ref相位滯后于反饋信
PB號(hào)var時(shí)，狀態(tài)機(jī)處于滯后狀態(tài)，輸出校正信號(hào)PE = T ；
1Tef 當(dāng)參考信號(hào)ref的頻率等于反饋信號(hào)var頻率時(shí)，且參考信號(hào)ref相位超前于反饋信
PF號(hào)var時(shí)，狀態(tài)機(jī)處于超前狀態(tài)，輸出校正信號(hào)7 2π PE = Tref+T ；
2 re 丨: 當(dāng)參考信號(hào)ref的頻率大于反饋信號(hào)var頻率時(shí)，狀態(tài)機(jī)處于正向飽和狀態(tài)，輸出校正 PE信號(hào) f 2π，PE = 2Tref。
iTef
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的飛輪電機(jī)鎖相環(huán)控制方法，其特征在于， 所述狀態(tài)機(jī)為8狀態(tài)機(jī)，所述8狀態(tài)機(jī)包括sat_nl狀態(tài)、sat_n2狀態(tài)、Iagl狀態(tài)、lag2狀態(tài)、Ieadl狀態(tài)、lead2狀態(tài)、sat_pl狀態(tài)和sat_p2狀態(tài)；
PE ^ 在sat_nl狀態(tài)，輸出校正信號(hào)2π，PE = O，當(dāng)輸入的參考信號(hào)ref為上升沿時(shí)，轉(zhuǎn)
^ref入sat_n2狀態(tài),當(dāng)反饋信號(hào)var為上升沿時(shí),保持sat_nl狀態(tài)；
PE ^ 在sat_n2狀態(tài)，輸出校正信號(hào)f 2π，PE = O，當(dāng)輸入的參考信號(hào)ref為上升沿時(shí)，轉(zhuǎn)
1Tef入lag2狀態(tài)，當(dāng)反饋信號(hào)var為上升沿時(shí),轉(zhuǎn)入sat_nl狀態(tài)；
PE , 在lag2狀態(tài)，輸出校正信號(hào)f 2π，PE = Τ，τ為計(jì)數(shù)器此時(shí)的計(jì)數(shù)值，當(dāng)輸入的參考
^ref信號(hào)ref為上升沿時(shí)，轉(zhuǎn)入lead2狀態(tài)，當(dāng)反饋信號(hào)var為上升沿時(shí)，轉(zhuǎn)入Iagl狀態(tài)； 在Iagl狀態(tài)，輸出校正信號(hào)271，PE = T，T為計(jì)數(shù)器此時(shí)的計(jì)數(shù)值，當(dāng)輸入的參考
^ref信號(hào)ref為上升沿時(shí),轉(zhuǎn)入lead2狀態(tài),當(dāng)反饋信號(hào)var為上升沿時(shí),轉(zhuǎn)入sat_nl狀態(tài)；
PE , 在lead2狀態(tài)，輸出校正信號(hào)^，PE = Tref+T, Tref為參考信號(hào)ref的周期，當(dāng)輸入
^ref的參考信號(hào)ref為上升沿時(shí)，轉(zhuǎn)入sat_p2狀態(tài)，當(dāng)反饋信號(hào)var為上升沿時(shí)，轉(zhuǎn)入Ieadl狀態(tài)；
PE ^ 在Ieadl狀態(tài)，輸出校正信號(hào)f 2?t，PE = Tref+T, T,ef為參考信號(hào)ref的周期，當(dāng)輸入的參考信號(hào)ref為上升沿時(shí)，轉(zhuǎn)入lead2狀態(tài)，當(dāng)反饋信號(hào)var為上升沿時(shí)，轉(zhuǎn)入Iagl狀態(tài)；
PE ^ 在sat_p2狀態(tài)，輸出校正信號(hào)f &，PE = 2Tref,當(dāng)輸入的參考信號(hào)ref為上升沿時(shí)，
^ref保持sat_p2狀態(tài),當(dāng)反饋信號(hào)var為上升沿時(shí),轉(zhuǎn)入sat_pl狀態(tài)；
PE Λ 在sat_pl狀態(tài)，輸出校正信號(hào)f 2π，PE = 2Tref,當(dāng)輸入的參考信號(hào)ref為上升沿時(shí)，
^ref轉(zhuǎn)入sat_p2狀態(tài),當(dāng)反饋信號(hào)var為上升沿時(shí),轉(zhuǎn)入Ieadl狀態(tài)。
【文檔編號(hào)】H02P6/00GK104201942SQ201410418371
【公開日】2014年12月10日 申請(qǐng)日期:2014年8月22日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月22日
【發(fā)明者】趙輝, 趙楠楠, 章國(guó)江 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)