项目1　数控锁相环调速电路

设计任务

本设计电路利用锁相环电路控制电动机的转速，将电动机转速分为两挡，通过开关控制电动机转速挡位的切换，然后通过霍尔传感器对电动机转速信号进行采样，产生脉冲信号（比较信号）。

基本要求

使用锁相环检测比较信号和参考信号之间的瞬时相位差，然后通过该相位差调节PWM（Pulse Width Modulation）波的占空比，以调节电动机两端电压，从而使电动机转速保持在选择挡位，实现调速。

总体思路

本设计以4020芯片构成的分频电路和4046芯片构成的锁相环电路为核心，通过选频开关选择频率基准，电动机将对应于不同的转速，并由有源晶振为电路提供振荡信号，通过分频电路的分频作用形成相应的参考信号。霍尔传感器对电动机转速信号进行采样，从而产生脉冲信号（比较信号），该比较信号即为反馈信号。通过锁相环检测比较信号和参考信号之间的瞬时相位差，然后通过该相位差调节PWM波的占空比，以调节电动机两端电压，从而使电动机转速保持设定值，实现调速。

系统组成

数控锁相环调速电路主要有以下5个模块。

开关控制电路：用于选择电动机基准频率并通过相应的发光二极管（Light Emitting Diode，LED）指示该频率。

分频电路：用于产生参考信号，即产生电路的基准频率。

转速采样电路：霍尔传感器对电动机转速信号进行实时采样，从而产生比较信号，该比较信号即为反馈信号。

锁相环电路：用于检测比较信号和参考信号之间的瞬时相位差，然后通过该相位差调节PWM波的占空比，以改变电动机两端的电压。

电动机驱动电路：用于驱动直流电动机旋转。

模块详解

1.开关控制电路

开关控制电路主要由非门（7404芯片）和3输入或非门（7427芯片）构成，如图1-1所示。本设计中，开关控制电路设置了两挡控制开关以选择电动机转速，分别将电动机转速控制为160rad/s和100rad/s。当选择不同电动机转速档位时，会有不同颜色的指示灯亮起。当选择160rad/s电动机转速时，黄色的LED亮；当选择100rad/s电动机转速时，绿色的LED亮。

图1-1　开关控制电路

注：图1-1中“uF”“k”为软件生成，即为“μF”“kΩ”，其中单位“Ω”被省略，全书下同。

开关控制电路仿真结果1如图1-2所示。开关控制电路仿真结果2如图1-3所示。

从图1-2可以看到，当开关SW2闭合时指示灯D3（即绿色的LED）亮起，选择的电动机转速是160rad/s。

图1-2　开关控制电路仿真结果1

从图1-3可以看到，当开关SW1闭合时指示灯D2（即黄色的LED）亮起，选择的电动机转速是100rad/s。

图1-3　开关控制电路仿真结果2

2.分频电路

在本设计中，分频电路的主要作用是为电路提供参考信号。分频电路分为两部分，一部分通过有源晶振为电路提供振荡信号，另一部分通过4020芯片将振荡信号进行分频，从而形成电路的参考信号。分频电路如图1-4所示。

图1-4　分频电路

在本设计中，选用的有源晶振频率为32.768kHz。当开关控制电路模块的SW1开关按下时，即选择160rad/s的电动机转速时，7427芯片的12引脚输出信号为高电平，或非门（7402芯片）的1引脚输出信号为低电平，所以32.768kHz振荡信号经4020芯片实现64分频，即此时分频电路输出的参考信号频率为512Hz。

当开关控制电路模块的SW2开关按下时，即选择100rad/s的电动机转速时，7427芯片的12引脚输出信号为低电平，7402芯片的1引脚输出信号随4020芯片的6引脚输出信号而变化，所以32.768kHz振荡信号经4020芯片实现128分频，即此时分频电路输出的参考信号频率为256Hz。

3.转速采样电路

在本设计中，由霍尔传感器构成转速采样电路对电动机转速信号进行采样。霍尔传感器接口及锁相环电路如图1-5所示。

霍尔传感器是依据霍尔效应实现转速测量的。所谓霍尔效应，是指磁场作用于金属导体、半导体中的载流子产生横向电位差的物理现象。当电流通过霍尔元件时，若在垂直于电流的方向施加磁场，则霍尔元件两侧面会出现横向电位差。通过磁场的变化，霍尔元件输出脉冲信号，并将该脉冲信号作为比较信号传输给锁相环电路。

在本设计中，将磁铁固定在塑料片上，将塑料片的中心固定在电动机轴上。这样当电动机旋转时，磁铁转到霍尔传感器放置的位置时，就会有磁场变化，霍尔传感器输出与转速对应的脉冲信号。

图1-5　霍尔传感器接口及锁相环电路

4.锁相环电路

能够完成两个电信号相位同步的自动控制闭环系统称为锁相环。在本设计中，锁相环的作用是生成与参考信号同步的新信号作为驱动电动机旋转的PWM波，从而控制电动机转速与设定值相同，实现电动机调速。

在图1-5中，霍尔传感器采集电动机转速信号，从而产生脉冲信号，并将其作为锁相环（4046芯片）3引脚的输入信号，该输入信号经有源晶振分频后成为参考信号，这个参考信号经14引脚输入锁相环（4046芯片），然后经锁相环内部相位比较器Ⅱ对13引脚输出的PWM波占空比进行不断调整，使得电动机按照设定转速运行。

在本次设计中，锁相环电路模块选择的是4046芯片。4046芯片的3引脚输入信号是经霍尔传感器采集回来的脉冲信号，14引脚输入信号是时钟信号。4046芯片输出PWM波来控制电动机的转速。对该模块具体仿真的情况分为两大类，时钟频率分别为256Hz与128Hz。在这两类中又分别测试了在不同比较信号下，锁相环的输出信号，如图1-6所示。

1）时钟频率为512Hz

当输入比较信号为256Hz方波信号时，锁相环的输出信号如图1-6（a）所示。