基于锁相环的高稳定性斩器的设计

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3.0 陈辉 2024-11-19 4 4 2.82MB 62 页 15积分

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摘要

在越来越多领域中需要使用斩光器，一个优良的斩光器必须具备高稳定性、

高精度和比较宽的调节范围这三个关键因素。

本文根据上述三点原则摒弃了传统的直流有刷电机，使用无刷直流电机，并

采用软件锁相控制，是其他控制方法所不及的。频率稳定性和精确性是斩光器设

计的瓶颈，本文所采用的方案使系统的性能提升了一个台阶。对高精度、高稳定

性斩光器的研制，同时对其他需要频率稳定性控制的系统，具有重要的意义。

本文从理论和实践上进行了一系列的分析和研究，设计并实现了基于锁相技

术的斩光控制系统，该系统是基于高性能带 DSP 引擎的数字信号控制器实现的，

通过实验样机验证了上述方法的有效性。

首先本文从斩光器的工作机理做了详细的分析，提出了影响斩光器稳定性以

及精度的关键因素，同时给出了解决方案。

根据斩光器设计要求优于 1%的目标对控制系统进行了设计，并得出了适合系

统需要的稳定指标。同时针对高精度频率稳定控制需要，结合主控制器强大的 DSP

引擎，提出了新颖的软件锁相环实现的方法，即锁频环节的增量型算法，重积分

环节的数字积分器的设计方法，结合实际系统模型的特点，对上述方案进行了实

验研究。

本文最后对锁相环工作的稳定性进行实质性的研究。通过计算机仿真软件

(MATLAB)对各种环路进行分析，从而较方便地确定环路的最佳工作状态并设计出

最佳环路。

关键词：斩光器 ML4428 无刷直流电机软件锁相环数字积分器

-2-

ABSTRACT

The optical chopper exists in military application fields，There are three key points

on this problem ：the first is stability ；the second is accuracy ；the third is wide of

frequency．

Our optical chopper spurn the brushed dc motor and adopt the BLDC, When the

BLDC is used in the optical chopper ，the whole equipment will have mang inimitable

merits，such as the easily operation，speediness，higher precision，inexpensive．The

frequency stability control is called chokepoint to optical chopper．So it is important to

study the high precision frequency stability control to optical chopper develop and

others stable frequency control system．

According to optical chopper need the high precision stable frequency control，the

paper carry through a series of analisis and study from the theory and practice，design

and realize SPLL based DSC and the BLDC controller based ML4428, and validate the

methods’validity on the Prototype.

First，the working mechanism of the optical chopper is analyzed in detail．The

stability factors of optical chopper is discussed in theory,and deal it．Then the necessary

of stable frequency control and the specifically frequency merit are point out．

According to the optical chopper (the directional precision is less than 1%) ，the

stable frequency target is gained by simulation study ．And two novelty mehod is

proposed to the SPLL，one is the Solution of the PI method based DSP Engine ,the

other is the Solution of Multiple Integral ，in the same way is the design of Digital

integrator. ．And to the model charaeteristic ．the former method id studied in

experiments．

Because the system need the higher frequency stability, So the PLL is adopted

SPLL . The author through simulation software (MATLAB) to conduct a variety of loop

analysis, which is more convenient to determine the best working condition the loop

and to design the best loop.

Keywords: optical chopper, BLDC, SPLL, Digital integrator

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中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论 ................................................................................................................ 1

§1.1 研究背景 .............................................................................................................. 1

§1.2 国内外研究现状 .................................................................................................. 2

§1.3 论文研究的目的和主要内容 .............................................................................. 3

第二章对斩光器工作原理的研究 .........................................................................4

§2.1 斩光器的组成 ....................................................................................................... 4

§2.1.1 斩光盘组件.....................................................................................................4

§2.1.2 速度电子学控制系统.....................................................................................5

§2.2 斩光器的应用 ..................................................................................................... 10

§2.3 本章小结 .............................................................................................................11

第三章锁相电机控制系统设计 .........................................................................12

§3.1 锁相电机控制系统控制策略 ............................................................................ 12

§3.2 电机驱动设计 .................................................................................................... 13

§3.2.1 无传感器无刷直流电机无传感器控制......................................................13

§3.2.2 基于 ML4428 无刷直流电机驱动器的实现..............................................15

§3.2.3 ML4428 设计驱动系统的参数优化.........................................................16

§3.4 控制部分设计 .................................................................................................... 21

§3.4.1 过流检测......................................................................................................21

§3.4.1 人机接口......................................................................................................22

§3.4.1 电机速度指令给定系统..............................................................................23

§3.5 本章小结 ............................................................................................................ 24

第四章锁相环算法研究及软件设计 ............................................................... 25

§4.1 软件锁相环原理 ................................................................................................ 26

§4.2 软件锁相环的设计 ............................................................................................ 26

§4.2.1 鉴相器...........................................................................................................28

§4.2.2 压控振荡器...................................................................................................29

§4.2.3 环路滤波器...................................................................................................29

§4.3 高精度锁相控制系统软件设计 ......................................................................... 31

§4.3.1 控制功能的实现...........................................................................................31

§4.3.2 锁相环的软件实现.......................................................................................32

§4.5 本章小结 ...........................................................................................................39

第五章斩光器控制系统仿真与实验分析......................................................40

§5.1 基于 S函数的电机控制系统模型的建立.......................................................40

§5.1.1 电机本体仿真............................................................................................40

§5.1.2 控制系统模型的建立................................................................................42

-4-

§5.2 数字锁相环设计及其仿真 ...............................................................................45

§5.3 系统主要性能分析 ...........................................................................................47

§5.3.1 斩光器锁相环路稳定性分析......................................................................48

§5.3.2 锁相控制系统动态性能分析......................................................................51

§5.4 实验分析 ...........................................................................................................52

§5.4.2 误差测试....................................................................................................52

§5.4.2 极限斩光频率测试....................................................................................52

§5.5 本章小结 ............................................................................................................ 53

第六章全文总结和研究展望 ............................................................................. 55

参考文献 ..................................................................................................................... 57

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果.............................59

致谢 ..........................................................................................................................60

第一章绪论

-1-

第一章绪论

§1.1 研究背景

在越来越多的光学测量中，需要对光源的输出进行调制，斩光器在光测量应

用中，可以把连续光源发出的光调制成交变的光信号，以便于光电变换后进行选

频放大和相关的检测，因此在光学测量中得到了广泛的应用。例如光纤放大器特

性测量，精确光学定标系统中的光源调制，同时在光纤光栅传感、光电子材料特

性分析等研究、从简单的实验到双束和内部调制测量也都需要斩光器对光源进行

调制

在进行微弱光信号的吸收、反射和传输测量时，由于背景光、暗电流及电路

漏电流等的存在，经常使被测信号湮没在各种噪声中。在这种情况下，采用相

关检测技术可以有效提取和测量信号。然而，相关检测方法要求被测信号是调制

信号，而且调制频率稳定性要尽可能高，以减少测量误差。当必须用斩光器对

待测信号进行调制时就对斩光频率的稳定性提出了很高的要求。斩光频率稳定，

精度高，是进行现代调制光学测量必要条件，高稳定性斩光器是弱光测量中的必

备仪器[1]。

一般情况下，调制光信号可以减少自然光或杂散光对检测结果的影响。在测

量过程中很难避免外界非信号光输入光探测器。这些光由光探测器接收后将附加

在信号上，影响测量结果。而这些附加信号的共同特点是以直流量出现。将信号

光进行调制，并在放大器级间实施交流耦合，使交变的信号量通过，隔除掉非信

号的直流分量，从而消除了自然光或杂散光的影响。另外，调制光信号还可以消

除光探测器暗电流对测量结果的影响。如果后面的光探测器采用的是热释电探测

器，则一定要工作在调制光中，因为不调制的辐射能只能使元件表面产生一定的

温度，这样外电路就没有信号电流产生。

由上海理工大学上海光学仪器研究所研制的紫外探测器精确光学定标测试

系统其中的光源为汞氙灯。为了满足应用环境的要求，自行研制了一套高稳定性

斩光器，高稳定性、高精度、通用性强是本斩光器的优势所在。本系统采用了锁

相技术作为无频差控制方法，斩光的频率稳定性能达到标定测试系统的要求，极

好地满足了相关检测技术的要求。在保证斩光频率具有很高的稳定性同时又可以

方便地连续调节斩光器的调制频率。同时可以与上位机进行通信，方便的调节参

数，方便与其他系统整合。

在该光源调制系统中本斩光器除了能对被测光进行调制外，同时输出与调制

基于锁相环的高稳定性斩光器的设计

-2-

频率同步的参考电压方波。本斩光器特别适用于采用锁定放大器的激光、光学或

微波测量系统。

§1.2 国内外研究现状

国产 ND-4 型和国外的 SR540 斩光器利用小型直流电机作为斩光器的驱动电

机。在满足启动电压的条件下，直流电机的转速与输人电压成正比。通过建立基

于脉宽调制( PWM) 技术的电机速度控制系统来实现对电机输人电压的调节，以得

到需求的斩光器转速，从而达到对斩光器频率的控制，同时输出与调制频率同步

的参考电压方波，作为锁定放大器的参考信号从而组成闭环控制系统，能方便地

连续调节斩光器的调制频率，并保证斩光频率具有很高的稳定性。该型采用了双

频斩光盘，能同时对两束光进行调制，获得两种调制频率，用数字显示。并由两电

缆插座对应输出两个频率的电压信号，供锁定放大器作为参考信号，给双光路或

单光路检测系统提供了一种性能优良的斩光器。适用于各种场合下的激光、光学

或微波测量系统。为了使用更加灵活方便，ND-4 型采用斩光盘与控制部份分开的

特殊形式，斩光盘的光路孔可以转动任意角度，并可调节高度。

以上两种斩光器均采用电压误差反馈控制技术来稳定斩光器的斩光频率。由

于控制频差的存在，再加上各种不稳定因素的影响，斩光频率有较大的频率波动

和漂移。在对斩波频率要求很高的场合，无法令人满意。

随着电力电子、微电子技术和控制技术的发展 ,一些场合对电机调速系统

性能的要求越来越高 ,而锁相调速控制在稳速精度方面有其独特的优势，因此锁

相电机控制技术作为一种廉价而高精度的无频差控制方法越来越受到重视。随着

高性能微处理器功能越来越强大 ,运算速度越来越高 ,软件锁相环电机速度控制

技术得到了非常广泛的应用，这就为斩光器提供了很好的技术基础。国外已有基

于该原理的商品化的斩光器出现。美国TTI公司 C－955 斩光器是基于微处理器控

制、利用直接数字精密同步，斩波频率从 4Hz 到 5000Hz，配有五位 LED 数码管数

字显示器，其控制器使它能通过控制面板前端来数字式输入客户需要的斩波频率。

另外，C－955 配备的 Rs－232 双向端口使用户能够设置需要斩波频率的分辨率达

到 0.001Hz，并同时能够了解斩光器使用时的状况。C－955 采用锁相环控制的系

统，使得斩波频率在 4Hz 到 5KHz 范围内能与用户提供的外时钟同步。此时，控制

器能够用来获取外时钟的频率。C－955 斩光器头是由 10 圈电位器控制，其中叶

片精确闭合使得它能够保护斩光器头不受意外危险。斩光器头上有两个孔径和两

个组成部分（30 孔和 3 孔），他们分别用于高频部分和低频部分。孔直径是 15mm，

孔宽度为 4.5mm(30 孔)和 30mm（3 孔）。边长为 4.75 英寸，深度为两英寸形状

第一章绪论

-3-

为正方形的小孔使得它能够很方便的与光学支架相配。两个#8－32 装配小孔使得

孔的高度能够低至 0.75 英寸。当它和 1/2 英寸的支杆连用时，高度又可以达到 13

英寸[2]。

§1.3 论文研究的目的和主要内容

斩光器对电机在低噪声、低电磁干扰；长寿命、高性能、智能化、机电一体

化、易于控制、体积小等方面的要求很苛刻，而无刷直流电机在这些方面具有明

显的技术优势，锁相调速控制在稳速精度方面有其独特的优势，因此基于锁相环

锁相电机控制技术作为一种廉价而高精度的无频差控制方法可以说是斩光器理想

的解决方案。

论文目的是提出一种全新的斩光器解决方案，其中包括对斩光器用无刷直流

电机的无位置传感器控制，并尽量对电流实行精确控制以减小转矩脉动，以及使

用锁相技术对输出频率达到高精度的无频差。

论文首先根据无刷直流电机的数学模型在 Matlab 中建立无刷直流电机的控制

模型，并在此基础上建立了斩光器数学模型，然后设计无刷直流电机控制系统的

硬件电路，并在此硬件电路上实现对无刷直流电机的无位置传感器控制以及使用

锁相技术对输出频率达到高精度的无频差。该系统实验平台的硬件结构主要包括：

DSPIC30F6010 芯片为核心的主控制器、基于 ML4428 的电机控制器，无刷直流电机

以及斩光盘以及光源。

本文主要完成以下工作：

（1）对斩光器进行建模，其中包括用无刷直流电机进行建模、斩光盘建模，并

在 Matlab 上进行仿真，对仿真结果进行分析并研究控制参数；

（2）采用 ML4428 电机专用芯片实现反电动势检测法实现无刷直流电机无位置传

感器控制；

（3）选择合适的无频差闭环控制方法, 采用锁相环来稳定斩光频率的设计方

法，将电机与斩光盘组件代替锁相环中的压控振荡器来实现对斩光频率的

锁相；并采用 DSPIC30F6010 为主控制器，并实现其核心算法。

（4）通过对其传输函数的分析 ,依次做出环路的奈奎斯特图、根轨迹图和波特

图。通过奈奎斯特图能够了解环路的稳定条件；

（5）合理选择环路参数能保证环路的可靠锁定及良好的动态性

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摘要：

-1-1摘要在越来越多领域中需要使用斩光器，一个优良的斩光器必须具备高稳定性、高精度和比较宽的调节范围这三个关键因素。本文根据上述三点原则摒弃了传统的直流有刷电机，使用无刷直流电机，并采用软件锁相控制，是其他控制方法所不及的。频率稳定性和精确性是斩光器设计的瓶颈，本文所采用的方案使系统的性能提升了一个台阶。对高精度、高稳定性斩光器的研制，同时对其他需要频率稳定性控制的系统，具有重要的意义。本文从理论和实践上进行了一系列的分析和研究，设计并实现了基于锁相技术的斩光控制系统，该系统是基于高性能带DSP引擎的数字信号控制器实现的，通过实验样机验证了上述方法的有效性。首先本文从斩光器的工作机理做了详细...

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