锁相环技术在狭缝像机中的应用

    狭缝式高速摄影机用来拍摄高速飞行中的弹丸,摄影机的控制由相应型号的电控仪完成.早期电控仪采用数字电路进行逻辑控制,用可控硅和集成稳压器控制电机.在实际应用中,出现的问题主要是电机高速运行较长时间后转速下降,低于原设定值,调节电机转速所需时间较长,精确调节不容易等等.旧式的电控仪虽然经过若干次改进,但只是改变可控硅、集成稳压器的型号和控制电路,产生问题的根本原因并未得到完全消除。为了彻底解决电机转速在运行一段时间后的下降问题,我们在XF-35型狭缝像机电控仪中,逻辑控制采用51系列单片机,电机控制电路中使用了锁相环技术,使电机稳定性提高,调节时间缩短,并使其性能有较大改善.本文重点介绍其中的电机调速线路的设计.

    1 用锁相环控制电机

    锁相环路是一个实现相位自动锁定的控制系统,按输入信号要求可以分为恒定输入环路与随动输入环路.前者用于稳频系统,后者用于跟踪、解调系统[1].本文所讨论的锁相环路属于前者,即稳频系统,有关锁相环路的工作原理参见文献[2].

    1.1 把电机接入锁相环路

    如果把电机的转速看作一个频率信号的话,那么直接把电机接入环路,即可实现对电机的精确控制,如图1.

    压控振荡器部分用信号放大电路、功率放大电路和电机代替,电机的转速经传感器转化为频率信号fo,用fo与fi进行比相,得到的误差电压经滤波后放大,再加到功率放大电路的输入端,控制电机转速升高或降低,但是因为电机的起动有一定的滞后性,所以必须采取一些方法改进电路,以达到精确控制的目的.这里主要是改进环路滤波器特性,以使其适应电机调速的特殊要求.

    1.2 系统技术指标

    本系统要求电机在调速范围1~50m/s内,转速小于10m/s时,误差不大于011m/s;转速为10~50m/s时,误差不大于1%.电机的起动时间,从静止到最高速50m/s的启动时间不得超过1min.

    狭缝像机的鼓轮为铝质材料,周长50 cm,每隔1 cm镶有一个软铁芯,当鼓轮转动时,软铁芯经过磁敏二极管,使磁敏二极管的磁场改变,变化的磁场被转化为电信号,经过放大、整形后成为脉冲信号.对应鼓轮转速为1 m/s时,信号频率为011 kHz,转速为50 m/s时,信号频率为5 kHz,所以,环路滤波器的工作频率范围是011~5 Hz,高低频差达50倍.这对滤波器的设计是很不利的,因为在最高和最低的频率下,同一个电容的滤波效能会相差50倍.考虑到狭缝相机的常用工作转速在10 m/s以上,所以设计时尽量使高端性能较佳.

    1.3 电机控制电路设计