集成電路鎖相環(huán)在特種加工專機(jī)自適應(yīng)控制電路中的應(yīng)用

沈斌

1.蘇州高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校；2.江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院蘇州分院

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

鎖相環(huán)簡稱PLL，是廣泛應(yīng)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(tǒng)，也是一種負(fù)反饋系統(tǒng)[1]。該系統(tǒng)的傳遞函數(shù)H（S）可用下列方程描述：

公式中:K0為壓控振蕩器的轉(zhuǎn)換增益，KP為相位比較器的增益，F(xiàn)（S）為低通濾波器的傳遞函數(shù)。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(yīng)用實(shí)例。

1 鎖相環(huán)在壓電式頻率自動跟蹤超聲波拋光機(jī)的應(yīng)用

超聲波拋光機(jī)在對各種模具等材料進(jìn)行拋光加工時，隨著負(fù)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(diào)整超聲波發(fā)生器的最佳工作頻率，才能獲得良好的加工效果。

國內(nèi)超聲發(fā)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(fā)生器末級取出反饋信號。信號經(jīng)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(diǎn)是：不易起振，性能不穩(wěn)，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(fā)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(fā)生器框圖Fig.2 (Japan)Block diagram of phase locked frequency tracking ultrasonic generator

本設(shè)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(wěn)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(shè)計）頻率跟蹤超聲波發(fā)生器框圖Fig.3 (This design)Block diagram of frequency tracking ultrasonic generator

因本設(shè)計的超聲波發(fā)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(zhuǎn)換為對應(yīng)的直流電壓去調(diào)節(jié)壓控振蕩源的自由振蕩頻率，經(jīng)隔離、放大后推動振子始終工作在諧振狀態(tài)[6]。

與已有技術(shù)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(jīng)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(yīng)的直流電壓來調(diào)節(jié)壓控振蕩器初設(shè)的中心振蕩頻率，使振蕩源提供的波形頻率適應(yīng)隨機(jī)變化的振子固有諧振頻率的需要。振蕩源產(chǎn)生的矩形波經(jīng)隔離、電流放大、功率放大成為振子的驅(qū)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(yùn)放來實(shí)現(xiàn)。

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(yùn)放構(gòu)成的觸發(fā)器。

相位比較器采用邊沿控制的數(shù)字存儲網(wǎng)絡(luò)，由一系列R-S 觸發(fā)器和控制門構(gòu)成，如圖4 所示：電路用脈沖上跳邊觸發(fā)，輸出端用“三態(tài)”結(jié)構(gòu)，這樣電路一旦入鎖，輸出處于高阻狀態(tài)，以便保持最小的功耗[10]。并對輸入波無嚴(yán)格要求。由數(shù)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(dāng)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(dāng)fin相位超前fCO時，P1管導(dǎo)通N1管截止，Vd輸出高電平，直至fCO上跳P1才截止，恢復(fù)高阻狀態(tài)。

當(dāng)fin相位滯后fCO時，N1管導(dǎo)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(jīng)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(dāng)?shù)剡x擇參數(shù)，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(shù)選擇可以改變電路的鎖定范圍和轉(zhuǎn)換速率。

根據(jù)振子特性及檢相器的功能，現(xiàn)把電流信號作為fin，電壓信號作為fCO。當(dāng)加工時負(fù)載發(fā)生變化，引起振子固有諧振頻率的變化，若此時驅(qū)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(jīng)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(dāng)驅(qū)動源的頻率高于振子的諧振頻率，電路也能使驅(qū)動源的頻率靠近振子的諧振頻率，達(dá)到了頻率自動跟蹤。

本設(shè)計與已有技術(shù)的區(qū)別：驅(qū)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(diào)節(jié)為90°。

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

設(shè)計制造中須注意振子和發(fā)生器的阻抗匹配，以達(dá)到高效率地工作。

2 鎖相環(huán)在金剛石砂輪電火花成型修整機(jī)床自適應(yīng)控制電路中的應(yīng)用

金剛石砂輪電火花成型修整技術(shù),來源于1982 年治金部、一機(jī)部聯(lián)合攻關(guān)項目“硬質(zhì)合金軋輥電解磨削的成套技術(shù)”的科研成果，是國內(nèi)鋼鐵行業(yè)高速線材廠45度線材軋機(jī)的關(guān)鍵配套設(shè)備。

金剛石砂輪電火花成型修整機(jī)床在建材行業(yè)、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(yīng)用[11-14]。

金剛石砂輪電火花成型修整機(jī)床的基本原理是：將金屬結(jié)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(guī)則或不規(guī)則型狀，以滿足對硬質(zhì)合金、陶瓷、玻璃等復(fù)雜型面的磨削加工。

該機(jī)床的砂輪架裝有三相異步電機(jī)，通過齒輪變速至砂輪主軸（即石墨輪電極主軸），轉(zhuǎn)速降為恒速10 轉(zhuǎn)/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(yīng)式步進(jìn)電機(jī)通過蝸輪蝸桿變速帶動頭架主軸（工件主軸）轉(zhuǎn)動，主軸的轉(zhuǎn)速根據(jù)電火花放電加工的情況在0.008-0.5 轉(zhuǎn)/分范圍內(nèi)自動調(diào)節(jié)。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(jī)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(jī)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(diào)；電源規(guī)格分30A、50A 由用戶選擇。

金剛石砂輪電火花成型修整機(jī)床的自適應(yīng)控制是指工件主軸轉(zhuǎn)動的自動調(diào)節(jié)。工件主軸的自動調(diào)節(jié)電機(jī)步進(jìn)電機(jī)。它的步距角為0.36/0.72，電壓24V，相電流為3A，保持轉(zhuǎn)矩22KG.CM。工件主軸的轉(zhuǎn)速控制范圍在0.008-0.5 轉(zhuǎn)/分。控制系統(tǒng)由取樣電路，光電隔離，數(shù)模轉(zhuǎn)換，環(huán)形分配器，功放電路，步進(jìn)電機(jī)組成?？刂葡到y(tǒng)的方框圖如圖6 所示。

圖6 工件軸自適應(yīng)控制系統(tǒng)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(jīng)過兩只GO103 光電隔離，信號進(jìn)入由5G1555時基電路組成的模一數(shù)轉(zhuǎn)換器，將電壓的變化值轉(zhuǎn)為變化的頻率進(jìn)入由CD4013 雙D 觸發(fā)器構(gòu)成的環(huán)形分配器，經(jīng)功率放大，驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)，帶動工件軸運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)石墨輪電極正常進(jìn)給，放電間隙處的動態(tài)狀況會呈現(xiàn)在電控柜操作面板的電壓表、電流表上，根據(jù)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(zhuǎn)動，間隙電壓自動停在低電壓狀態(tài)，將大顆粒燒盡，再恢復(fù)正常轉(zhuǎn)動。

自適應(yīng)控制電路中關(guān)鍵部分：數(shù)模轉(zhuǎn)換電路。

在十幾年的使用實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)自動控制電路的光電隔離和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路經(jīng)常誤動作：當(dāng)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(yán)重時導(dǎo)致主回路脈沖電源的大功率管損壞。因此決定改進(jìn)設(shè)計。

圖7 選用鎖相環(huán)4046 設(shè)計的數(shù)模轉(zhuǎn)換電路Fig.7 Digital to analog conversion circuit designed by phase locked loop 4046

新設(shè)計的自適應(yīng)控制系統(tǒng)，用光電耦合器4N35 代替2 只GO103；用鎖相環(huán)CD4046 代替555 時基電路，新設(shè)計的自適應(yīng)控制系統(tǒng)，在幾十臺金剛石砂輪電火花成型修整機(jī)床的應(yīng)用，效果顯著。選用鎖相環(huán)4046 設(shè)計的數(shù)模轉(zhuǎn)換電路如圖7 所示。

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