沈斌

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

集成鎖相環(huán)技術(shù)（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(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以及金剛石砂輪電火花成型修整機床自適應(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)用實例。

1 鎖相環(huán)在壓電式頻率自動跟蹤超聲波拋光機的應(yīng)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(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，濾波器可用集成運放來實現(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(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?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。當加工時負載發(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度線材軋機的關(guān)鍵配套設(shè)備。

金剛石砂輪電火花成型修整機床在建材行業(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(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)式步進電機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(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(zhuǎn)矩22KG.CM。工件主軸的轉(zhuǎn)速控制范圍在0.008-0.5 轉(zhuǎn)/分?？刂葡到y(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，步進電機組成。控制系統(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)動步進電機，帶動工件軸運轉(zhuǎn)。當石墨輪電極正常進給，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(dǎo)致主回路脈沖電源的大功率管損壞。因此決定改進設(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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