一种光学斩波器输出频率的控制方法和装置的制造方法

一种光学斩波器输出频率的控制方法和装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种光学斩波器的控制方法和装置，尤其是一种光学斩波器输出频率 的控制方法和装置。
【背景技术】
[0002] 参见图1，图1是现有的光学斩波器的结构示意图。用户根据系统人机界面的接 口设定频率R)或引入外部信号的同步信号，由控制器测量得到设定频率R)。而电机的实 际频率F1则经过光电门反馈到控制芯片，由控制芯片测得。然后控制芯片内部经过运行一 段PID算法或者SPLL算法后给出一个数字值，数字值经数模转换器后得到唯一对应的电压 值U0,U0经功率放大后驱动电机。通过负反馈不断调节数字值，可以使电机的转动频率稳 定在设定频率的值上。

【发明内容】

[0003] 本发明的目的在于提供一种光学斩波器输出频率的控制方法和装置，旨在现有的 光学斩波器输出频率调节偏差较大的技术缺陷。
[0004] 为此，本发明实施方式提供的一种光学斩波器输出频率的控制方法，其采用的技 术方案如下：
[0005] 一种光学斩波器输出频率的控制方法，其包括以下步骤：
[0006] 根据反馈的输出频率和预设频率进行对比，使用PID算法进行调节预定次数；
[0007] 检测当前的输出频率和预设频率之间的误差；
[0008] 如果所述误差小于预设误差值，则使用SPLL方法对输出频率进行调节，否则使用 PID方法对输出频率进行调节。
[0009] 优选地，所述预定次数为1次。
[0010] 优选地，所述预定误差值为1赫兹。
[0011] 优选地，所述SPLL方法包括鉴频方法。
[0012] 优选地，还包括初始化的步骤，所述初始化的步骤包括设定PID方法的参数。
[0013] 优选地，在如果所述误差小于预设误差值，则使用SPLL方法对输出频率进行调节 的步骤后，如果所述误差超过所述预设误差值，则使用PID方法对输出频率进行调节。
[0014]另外，本发明还提供了一种光学斩波器输出频率的控制装置，其包括：
[0015] 对比模块，用于根据反馈的输出频率和预设频率进行对比，使用PID算法进行调 节预定次数；
[0016] 误差计算模块，用于检测当前的输出频率和预设频率之间的误差；
[0017] 调节模块，用于如果所述误差小于预设误差值，则使用SPLL方法对输出频率进行 调节，否则使用PID方法对输出频率进行调节。
[0018] 优选地，所述预定次数为1次。
[0019] 优选地，所述预定误差值为1赫兹。
[0020] 优选地，所述SPLL方法包括鉴频方法。
[0021] 与现有技术相比，本发明实施方式提供的光学斩波器输出频率的控制方法和装置 摆脱了对现有方法中对精准测频模块的依赖，只需要设定频率和实际频率即可进入到频率 差小于预定误差值的SPLL的调节范围就可以准确调节斩波器的频率和相位。
[0022] 因此，在测频要求降低的情况下，可以减少测量得周期数，进而大大减少调节的时 间。而在高频的情况，因为先用PID算法调节频率到频率差小于预定误差值，所以即使在斩 波器机械转动的频率抖动的情况下，也能快速准确地调节到设定的频率和相位值。
【附图说明】
[0023] 图1是光学斩波器的结构示意图；
[0024] 图2是本发明实施方式提供的一种光学斩波器输出频率的控制方法的流程图；
[0025] 图3是本发明实施方式提供的一种光学斩波器输出频率的控制方法中PID方法的 示意图；
[0026] 图4是本发明实施方式提供的一种光学斩波器输出频率的控制方法中SPLL方法 中的锁相环的示意图；
[0027] 图5a是本发明实施方式提供的一种光学斩波器输出频率的控制方法中SPLL方法 中鉴相器方法的状态转换示意图；
[0028] 图5b是本发明实施方式提供的一种光学斩波器输出频率的控制方法中SPLL方法 中鉴相器方法的时序示意图；
[0029] 图6本发明实施方式提供的一种光学斩波器输出频率的控制装置的结构示意图。
【具体实施方式】
[0030] 下面结合附图及较佳实施例，对本发明的若干实施方式做进一步详细说明，但本 发明并不仅限于以下的实施例。
[0031] 参见图2,图2是本发明实施方式提供的一种光学斩波器输出频率的控制方法的 流程图。在图2示出的实施方式中，该光学斩波器输出频率的控制方法包括步骤S201-203。
[0032] 在步骤S201中，根据反馈的输出频率和预设频率进行对比，使用PID算法进行调 节预定次数。
[0033] 在步骤S202中，检测当前的输出频率和预设频率之间的误差。
[0034] 在步骤S203中，如果所述误差小于预设误差值，则使用SPLL方法对输出频率进行 调节，否则使用PID方法对输出频率进行调节。如果所述误差超过所述预设误差值，则使用 PID方法对输出频率进行调节。
[0035] 在一些优选的实施方式中，所述预定次数为1次，预定误差值为1赫兹。
[0036] 下面结合图3介绍本发明实施例涉及的PID方法。
[0037] 参见图3,在控制系统中，将被控参数的实际值与设定值的偏差的比例 (Portion)、积分（Integral)、微分（Differential)，通过线性组合构成一个新的控制量， 再用这个新的控制量对被控对象进行控制调整，以使被控参数达到设定值，这种控制技术 称为PID控制技术。
[0038] 当设定频率Fjt)比实际频率Fl(t)大时，e(t)大于0,经PID控制器后，Ujt)变 大，结果是使电机转速加快，F/变大。当设定频率Fjt)比实际频率FI(t)小时，e(t)小于 0,经PID控制器后，Ujt)变小，结果是使电机转速减慢，F/变小。最终的调节结果是使实 际频率值稳定在设定频率的值上。
[0039] PID控制器的控制规律为：
[0040]
[0041] 式中，Kp是比例系数，是积分时间，Td是微分时间，U。是控制常量，即偏差为零时 的控制变量值。
[0042] 1)偏差的比例是Kp*e(t)。一旦偏差不为零，就会马上生成一个偏差的比例值，立 即对偏差做出响应。比例系数Kp是正数。当设定频率大于实际频率时，偏差e(t)>0,偏差 的比例Kp*e(t)>0,其作用是使U(t)增大。U(t)增大则电机的驱动电压增大，实际频率也 随之增大；反之，当设定频率小于实际频率，偏差e(t)〈0,偏差的比例Kp*e(t)〈0,其作用是 使U(t)变小，实际频率也随之变小，这样就能使得实际频率向设定频率靠拢，达到调节的 目的。
[0043] 比例系数&是一个常数，但在不同的系统中，Kp的取值可能取值不同。一般而言， Kp越大，PID的控制作用越大，调节越快；但Kp越大，也越容易产生振荡，破坏系统的稳定性。
[0044] 2)偏差的积分是
偏差积分的作用是消除系统偏差。只要存在偏差， ~ ^ 〇 就会产生积分，控制作用就不断增加；只有在偏差为零时，它的积分才是一个常数，控制作 用才是一个不会增加的常数。
[0045] 积分时间凡越大，响应速度越慢，消除偏差所需的时间越长，但可以减少振荡，提 高系统稳定性。而当积分时间较小时，积分的作用较强，消除偏差的时间较短，但容易产生 振荡。所以也是要根据实际系统的具体要求来确定。
[0046] 3)偏差的微分是
偏差微分可以根据偏差的变化趋势预先给出适当的纠 正，起到阻止偏差变化的作用。由偏差微分的表达式可发现，偏差变化越快，微分控制器的 输出就越大 ，并能在偏差值变大之前进行纠正。微分作用的引入，可以提高系统稳定性，加 快系统的追踪速度。
[0047] 微分部分作用的强弱由微分时间常数Td决定。Td越大时，则它抑制偏差e(t)变 化的作用越强；Td越小时，则它反抗偏差e(t)变化的作用越弱。适当选择微分时间常数Td 可以使微分作用达到最优。
[0048] 可以看出，PID算法要基于精准的测频模块，当输入的同步信号频率较低（几Hz)， 往往需要比较长的时间，控制芯片才能精确测到同步信号的频率。所以需要约20s的时间 才能实现一次反馈，要斩波器的频率达到稳定，则至少需要10次调节（约200s)才能实现。
[0049] 参见图4,图4是本发明实施方式提供的一种光学斩波器输出频率的控制方法中 SPLL方法中的锁相环的示意图。下面结合图4介绍本发明实施例涉及的SPLL方法。
[0050] 工程实践中使用的锁相环各种各样，但一般都包含鉴相器（PFD)、环路滤波器 (LF)及压控振荡器（VC0)3个环路基本部件。所述SPLL方法包括鉴频方法。SPLL方法使 输入信号和反馈信号的相位差朝着减小的方向变化，最后，系统两个信号达到了同频和接 近于同相。
[0051] 基于锁相环的速度控制系统获得高稳态精度的根本原因在于其将相位作为控制 信号，而相位是转速的积分，即使稳态相位存在误差，对于转速而言也是无差的。当速度反 馈信号和其参考信号锁定时，电机的平均速度误差将为零，只存在很小的瞬时高频抖动，稳 态精度很高。
[0052] 参见图5a和图5b，PFD的输出信号状态由基准频率信号fr和反馈频率信号fb的 上升沿决定，fr的上升沿将会迫使PFD进入下一个更高的状态，除非它本来就处于+1、0状 态。依次类推，fb的上升沿使PFD进入下一个更低的状态，除非它本来就处于-10状态。 而当这两个信号同相或几乎同相时，PFD在大多数时间里处于0、0状态。因此，在基准频率 和反馈频率相近的情况下，PFD持续+1、0状态或_1、0状态的宽度即为滞后或超前的相位 差。
[0053] 由PFD工作原理可知，使用软件实现其功能需要在基准信号和反馈信号的上升沿 处按图6方式改变PFD状态，并对其+1、0和_1、0状态的持续时间进行计时，由此计算出相 位差。在控制芯片中，基准信号上升沿对应基频定时器周期中断，反馈信号上升沿对应某一 相HALL信号上升沿捕获中断，使用事件管理器中的空闲定时器进行计时。
[0054] 因此，尽管理论上PFD的捕捉带为无限大，但由于其饱和的鉴频特性，单纯依靠 PFD进行调速，电机动态特性和调速范围均不理想。因为在相对于斩波器来说的高频部分 (约5KHz以上），斩波器的机械部分转动的频率抖动得比较严重，如果根据上面所说的SPLL 算法去控制，系统会再+1、〇状态和_1、〇状态不断的变化，所以在这种情况下，对+1、〇状态 和_1、0状态的计时会出现很大的误差（约30% )，因此斩波器的相位得不到准确的调节。
[0055] 从上述的实施方式可以看出，本发明实施方式提供的控制方法组合了PID方法和 SPLL方法，使PID算法摆脱了对精准测频模块的依赖，因为只需要设定频率和实际频率可 以进入到频率差小于1Hz的SPLL的调节范围就可以准确调节斩波器的频率和相位。因此 在测频要求降低的情况下，可以减少测量得周期数，进而大大减少调节的时间。而再高频的 情况，因为先用PID算法调节频率到频率差小于1Hz，所以即使在斩波器机械转动的频率抖 动的情况下，也能快速准确地调节到设定的频率和相位值。
[0056] 总而言之，为了减少斩波器的调节时间，拓宽斩波器的带宽，本发明实施方式提供 的控制方法在PID算法存在的情况下，可以拓宽斩波器的带宽，在斩波器机械不够稳定的 情况下也能配合SPLL精确地调节斩波器的相位和频率。而再SPLL算法存在的情况下，可 以降低斩波器的测频模块的要求，即使在频率比较低的情况，也能比较快地把斩波器的转 动频率稳定在设定的频率。
[0057] 参见图6,图6本发明实施方式提供的一种光学斩波器输出频率的控制装置的结 构示意图。在图6示出的实施方式中，该控制装置包括对比模块601、误差计算模块602和 调节模块603。
[0058] 其中，对比模块601用于根据反馈的输出频率和预设频率进行对比，使用PID算法 进行调节预定次数。误差计算模块602用于检测当前的输出频率和预设频率之间的误差。 调节模块603用于如果所述误差小于预设误差值，则使用SPLL方法对输出频率进行调节， 否则使用PID方法对输出频率进行调节。
[0059] 在一些实施方式中，所述预定次数为1次。所述预定误差值为1赫兹。所述SPLL 方法包括鉴频方法。
[0060] 应该理解，本发明并不局限于上述实施方式，凡是对本发明的各种改动或变型不 脱离本发明的精神和范围，倘若这些改动和变型属于本发明的权利要求和等同技术范围之 内，则本发明也意味着包含这些改动和变型。
【主权项】
1. 一种光学斩波器输出频率的控制方法，其特征在于其包括以下步骤： 根据反馈的输出频率和预设频率进行对比，使用PID算法进行调节预定次数； 检测当前的输出频率和预设频率之间的误差； 如果所述误差小于预设误差值，则使用SPLL方法对输出频率进行调节，否则使用PID 方法对输出频率进行调节。2. 根据权利要求1所述的光学斩波器输出频率的控制方法，其特征在于：所述预定次 数为1次。3. 根据权利要求2所述的光学斩波器输出频率的控制方法，其特征在于：所述预定误 差值为1赫兹。4. 根据权利要求3所述的光学斩波器输出频率的控制方法，其特征在于：所述SPLL方 法包括鉴频方法。5. 根据权利要求4所述的光学斩波器输出频率的控制方法，其特征在于：还包括初始 化的步骤，所述初始化的步骤包括设定PID方法的参数。6. 根据权利要求5所述的一种光学斩波器输出频率的控制方法，其特征在于：如果所 述误差小于预设误差值，则使用SPLL方法对输出频率进行调节的步骤后，如果所述误差超 过所述预设误差值，则使用PID方法对输出频率进行调节。7. -种光学斩波器输出频率的控制装置，其特征在于其包括： 对比模块，用于根据反馈的输出频率和预设频率进行对比，使用PID算法进行调节预 定次数； 误差计算模块，用于检测当前的输出频率和预设频率之间的误差； 调节模块，用于如果所述误差小于预设误差值，则使用SPLL方法对输出频率进行调 节，否则使用PID方法对输出频率进行调节。8. 根据权利要求7所述的光学斩波器输出频率的控制装置，其特征在于，所述预定次 数为1次。9. 根据权利要求8所述的光学斩波器输出频率的控制装置，其特征在于：所述预定误 差值为1赫兹。10. 根据权利要求9所述的光学斩波器输出频率的控制装置，其特征在于：所述SPLL 方法包括鉴频方法。
【专利摘要】本发明公开了一种光学斩波器输出频率的控制方法和装置。该方法包括：根据反馈的输出频率和预设频率进行对比，使用PID算法进行调节预定次数；检测当前的输出频率和预设频率之间的误差；如果所述误差小于预设误差值，则使用SPLL方法对输出频率进行调节，否则使用PID方法对输出频率进行调节。与现有技术相比，本发明实施方式提供的光学斩波器输出频率的控制方法和装置摆脱了对现有方法中对精准测频模块的依赖，只需要设定频率和实际频率即可进入到频率差小于预定误差值的SPLL的调节范围就可以准确调节斩波器的频率和相位。
【IPC分类】H03L7/16
【公开号】CN104883184
【申请号】CN201510313436
【发明人】王自鑫, 蔡志岗, 陈弟虎, 莫宇, 钱少萍, 王敏
【申请人】中山大学
【公开日】2015年9月2日
【申请日】2015年6月9日