集成電路鎖相環在特種加工專機自適應控制電路中的應用

2023-02-19 12:24:54沈斌

數字技術與應用 2023年1期

沈斌

1.蘇州高等職業技術學校；2.江蘇聯合職業技術學院蘇州分院

集成鎖相環技術（PLL）廣泛運用于廣播通訊、自動電子控制、電子檢測等場合。本設計介紹了該項技術通過頻率鎖定、自適應控制在壓電式頻率自動跟蹤超聲波拋光機以及金剛石砂輪電火花成型修整機床自適應控制電路中的應用。在提高工作頻率穩定性，以及減少電路誤動作方面效果顯著。

鎖相環簡稱PLL，是廣泛應用于廣播通訊、自動電子控制、電子檢測等場合的一種功能部件。它由3 個基本部件組成：相位比較器、電壓控制振蕩器、低通濾波器。是一個自動相位控制系統，也是一種負反饋系統[1]。該系統的傳遞函數H（S）可用下列方程描述：

公式中:K0為壓控振蕩器的轉換增益，KP為相位比較器的增益，F（S）為低通濾波器的傳遞函數。其主要特性由K0和KP決定，而F（S）則取決于外部電路特性。下面介紹兩個應用實例。

1 鎖相環在壓電式頻率自動跟蹤超聲波拋光機的應用

超聲波拋光機在對各種模具等材料進行拋光加工時，隨著負載加工條件的不斷變化，其諧振頻率也隨之改變，必須不斷調整超聲波發生器的最佳工作頻率，才能獲得良好的加工效果。

國內超聲發生器的頻率跟蹤形式均為自激振蕩式，其反饋方式有聲反饋和電反饋[2-4]。聲反饋是在換能器上粘一塊壓電片來獲取振動信號，電反饋是從發生器末級取出反饋信號。信號經移相后反饋輸入放大器形成自激振蕩。其框圖如圖1 所示。該方案的缺點是：不易起振，性能不穩，跟蹤范圍窄。國外（如日本）已有的鎖相式頻率自動跟蹤，其框圖如圖2 所示。

圖1 自激振蕩式超聲波發生器框圖Fig.1 Block diagram of self-excited oscillation ultrasonic generator

圖2 （日本）鎖相式頻率跟蹤超聲波發生器框圖Fig.2 (Japan)Block diagram of phase locked frequency tracking ultrasonic generator

本設計采用新型的超聲波頻率跟蹤線路，能在不同的加工條件下起振可靠，工作穩定，跟蹤范圍寬（幾KHZ），具有良好的工作效率。其框圖如圖3 所示。

圖3 （本設計）頻率跟蹤超聲波發生器框圖Fig.3 (This design)Block diagram of frequency tracking ultrasonic generator

因本設計的超聲波發生器選用壓電振子方式。由該振子的阻抗一頻率特性曲線可知：在小于諧振頻率處其電抗呈容性，在大于諧振頻率處其電抗呈感性，振子上電壓電流的相位是隨頻率變化的[5]。

電路的基本原理是：用電反饋的方式，取得工作時電流電壓的相位差信號，轉換為對應的直流電壓去調節壓控振蕩源的自由振蕩頻率，經隔離、放大后推動振子始終工作在諧振狀態[6]。

與已有技術不同：取樣信號不是通過膠在振子上的振動檢測器來獲得，而是在末級功放級用簡單的分壓分流電阻取回的。表證工作狀況的反饋信號經帶通濾波器、波形整形電路得到兩個矩形波，再送入相位比較電路，輸出相對應的直流電壓來調節壓控振蕩器初設的中心振蕩頻率，使振蕩源提供的波形頻率適應隨機變化的振子固有諧振頻率的需要。振蕩源產生的矩形波經隔離、電流放大、功率放大成為振子的驅動源[7-9]。

帶通濾波器用來濾去高次諧波，濾波器可用集成運放來實現。

波形整形電路可以用CMOS 的多電壓比較器或CMOS與非門，也可以用集成運放構成的觸發器。

相位比較器采用邊沿控制的數字存儲網絡，由一系列R-S 觸發器和控制門構成，如圖4 所示：電路用脈沖上跳邊觸發，輸出端用“三態”結構，這樣電路一旦入鎖，輸出處于高阻狀態，以便保持最小的功耗[10]。并對輸入波無嚴格要求。由數字電路的功能可得：

圖4 相位比較器電路圖Fig.4 Circuit diagram of phase comparator

當fin和fCO同時上跳或同時下跳，即fin和fCO同相位時，P1、N1場截止，Vd=0。

當fin相位超前fCO時，P1管導通N1管截止，Vd輸出高電平，直至fCO上跳P1才截止，恢復高阻狀態。

當fin相位滯后fCO時，N1管導通Vd輸出高電平，直至fin上跳來時再度截止。檢相器的工作波形如圖5 所示。

圖5 相位比較器工作波形圖Fig.5 Working waveform diagram of phase comparator

壓控振蕩器VCO為電流控制型振蕩器，電流源電流IO受相位比較器輸出電壓（經濾波后）的控制。由于VCO線性良好，輸出阻抗高，外部控制靈活，只需適當地選擇參數，就可以方便地確定FO和頻率鎖定范圍。

由于壓控振蕩器的輸入阻抗高，故介于檢相器和壓控振蕩器之間的低通濾波器很簡單，用R-C 滯后型無源濾波即可。濾波器的參數選擇可以改變電路的鎖定范圍和轉換速率。

根據振子特性及檢相器的功能，現把電流信號作為fin，電壓信號作為fCO。當加工時負載發生變化，引起振子固有諧振頻率的變化，若此時驅動源的頻率低于振子的諧振頻率，則振子呈容性，電流相位超前電壓，檢相器輸出高電平，經濾波后控制電壓升高，使壓控振蕩器的輸出頻率升高，接近振子的諧振頻率。

同樣，當驅動源的頻率高于振子的諧振頻率，電路也能使驅動源的頻率靠近振子的諧振頻率，達到了頻率自動跟蹤。

本設計與已有技術的區別：驅動源采用矩形波，輸入檢相器的兩個反饋信號的相位差不必調節為90°。

本設計的最佳實施方法是：將檢相器、壓控振蕩器、濾波器等用一個CMOS 鎖相環4046 代替。其顯著優點是元件集成度高，體積小，工作穩定可靠，性價比高，整個電路十分簡潔。鎖相環4046 頻率跟蹤范圍為28-30kHz。

設計制造中須注意振子和發生器的阻抗匹配，以達到高效率地工作。

2 鎖相環在金剛石砂輪電火花成型修整機床自適應控制電路中的應用

金剛石砂輪電火花成型修整技術,來源于1982 年治金部、一機部聯合攻關項目“硬質合金軋輥電解磨削的成套技術”的科研成果，是國內鋼鐵行業高速線材廠45度線材軋機的關鍵配套設備。

金剛石砂輪電火花成型修整機床在建材行業、汽車玻璃磨邊，特別在新興的陶瓷材料的磨削加工中，得到了廣泛應用[11-14]。

金剛石砂輪電火花成型修整機床的基本原理是：將金屬結合劑金剛石砂輪，放在絕緣工作液中，通過電火花放電蝕除加工來獲得各種規則或不規則型狀，以滿足對硬質合金、陶瓷、玻璃等復雜型面的磨削加工。

該機床的砂輪架裝有三相異步電機，通過齒輪變速至砂輪主軸（即石墨輪電極主軸），轉速降為恒速10 轉/分。石墨輪電極與主軸之間是絕緣的。石墨輪選用電火花加工專用的高純高密石墨。

頭架部分由反應式步進電機通過蝸輪蝸桿變速帶動頭架主軸（工件主軸）轉動，主軸的轉速根據電火花放電加工的情況在0.008-0.5 轉/分范圍內自動調節。頭架頂尖與主軸、尾架頂尖與套筒之間均須絕緣。

即待修整工件和石墨電極兩者與機床床身均是絕緣的，也稱雙絕緣。

金剛石砂輪電火花成型修整機床的脈沖電源由低壓主振級、低壓功率放大級；高頻疊加振蕩器、高壓疊加功放級組成。脈沖寬度、脈沖間隔八檔可調；電源規格分30A、50A 由用戶選擇。

金剛石砂輪電火花成型修整機床的自適應控制是指工件主軸轉動的自動調節。工件主軸的自動調節電機步進電機。它的步距角為0.36/0.72，電壓24V，相電流為3A，保持轉矩22KG.CM。工件主軸的轉速控制范圍在0.008-0.5 轉/分。控制系統由取樣電路，光電隔離，數模轉換，環形分配器，功放電路，步進電機組成。控制系統的方框圖如圖6 所示。

圖6 工件軸自適應控制系統框圖Fig.6 Block diagram of adaptive control system for workpiece axis

其工作原理為：從放電間隙處通過電容、電阻分壓取樣，經過兩只GO103 光電隔離，信號進入由5G1555時基電路組成的模一數轉換器，將電壓的變化值轉為變化的頻率進入由CD4013 雙D 觸發器構成的環形分配器，經功率放大，驅動步進電機，帶動工件軸運轉。當石墨輪電極正常進給，放電間隙處的動態狀況會呈現在電控柜操作面板的電壓表、電流表上，根據不同工件的修整要求，間隙加工電壓在50V 左右擺動，高效的正常工作。若加工中遇到工件上的大顆粒時，工件軸會停止轉動，間隙電壓自動停在低電壓狀態，將大顆粒燒盡，再恢復正常轉動。

自適應控制電路中關鍵部分：數模轉換電路。

在十幾年的使用實踐中發現自動控制電路的光電隔離和模數轉換電路經常誤動作：當工件配方中含有較大顆粒時，石墨電極與工件親密接觸，燒傷工件，電極撞壞，嚴重時導致主回路脈沖電源的大功率管損壞。因此決定改進設計。