用于三相同步电机驱动控制的数字分频移相技术

用于三相同步电机驱动控制的数字分频移相技术

周向红，庄永河，卫青松，李倚天

中国电子科技集团第四十三研究所 安徽省 合肥市 230088

摘要：本文介绍了一种用于三相同步电机驱动控制的数字分频移相技术，通过分频移相把512kHz方波信号转换为三路1kHz且相位依次差120°的方波信号，从电路功能、指标要求、电路原理和设计技术分析等方面进行了阐述，并进行了仿真，且实现了产品化。

关键词：三相；同步电机；驱动控制；分频；移相

1 引言

电机在当今世界中的应用非常广泛，甚至可以说有运动的地方就可能有电机的存在,三相同步电机就是其中的一部分，作为电机系统的灵魂，控制技术和驱动技术将起到越来越重要的作用。

三相同步电机对三路控制驱动信号的频率和相位差精度要求较高，本文介绍了一种分频移相电路，输入512kHz方波信号，输出为三路1kHz且相位依次差120°的方波控制信号，要求三路控制信号的频率精度1±5×10^-7kHz，相位差满足120°±0.6°，本文结合设计指标要求给出了分频移相的技术方案，并对技术方案进行分析和仿真，最终仿真计算和实际电路测试指标都满足要求。

2 设计原理概述

如图1所示，首先将输入方波信号经过分频和逻辑处理，按脉冲数计算得到了伪384kHz的方波信号，再经过分频器64分频得到伪6kHz的方波信号，然后经过移位寄存器进行移相和分频得到三路1kHz且相位相差120°的方波信号。

图1 分频移相电路框图

分频移相电路用于对功率驱动的控制，主要指标为分频的频率精度和移相的相位差精度。采用的是分立数字电路芯片设计，分频移相的关键就是在初始分频时要把周期分的足够小，以保证移相的精度，同时在移相时要分析数字电路运行的稳定性。

3 电路的设计

3.1 4/3分频

电路先由512kHz的方波信号经过分频得到256kHz、128kHz两种频率的信号，这两信号与512kHz方波信号一起按如图2所示进行逻辑处理。仿真波形如图3所示，严格意义上进行了4分频得到128kHz信号，按脉冲数计算进行4/3分频得到了伪384kHz的方波信号。以512kHz的周期（1.953125us）为一个时钟T，则3个方波间隔时间为1.1T、1.5T、1.4T。

图2 4/3分频部分电路

图3 4/3分频部分电路仿真波形图

3.2 64分频

把这种伪384kHz（实际128kHz）的方波信号再通过分频器进行64分频，得到了伪6kHz（实际2kHz）的方波信号，即连续三个方波间隔时间不同，分别为166.22us、166.99us、166.78us，以512kHz的周期（1.953125us）为一个时钟T，则三个方波间隔时间分别为85.1T、85.5T、85.4T，如图4所示。

图4 64分频部分电路仿真波形图

3.3 分频移相

把伪6kHz（实际2kHz）的方波信号作为移位寄存器N6的时钟触发信号，分频移相电路图如图5所示。

图5 分频移相电路图

以移位寄存器的初始输出状态全为零，则其状态转移表如表1所示。取Q0 、Q2 、Q4为三路输出的控制信号，6个触发时钟为1个周期，则其输出控制信号的周期时间为85.1T+85.5T+85.4T+85.1T+85.5T+85.4T =512T，频率为512kHz/512=1kHz,三个控制信号的时间差分别为85.1T+85.5T=170.6T，85.4T+85.1T=170.5T，85.5T+85.4T=170.9T，其相位差分别为170.6T/512T×360°=119.953°, 170.5T/512T×360°=119.882°, 170.9T/512T×360°=120.164°, 相位差满足120°±0.6°的指标要求。

分频移相电路包含了纠错电路，即逻辑判断电路，如图5所示，反馈信号为移位寄存器N6的Q0 Q1 Q2，Q3 Q4是通过Q2移位过来的，所以分频移相电路主要分析Q0 Q1 Q2的运行情况，表1中，Q0 Q1 Q2共有6种状态000、100、110、111、011、001，并按这6种状态进行周期循环。按照排列组合这3个状态点共有8种状态，还有010、101两种状态未出现在周期循环中。在电路产品使用过程中，特别是在刚开始上电，或出现干扰时可能会出现010、101两种状态，当Q0 Q1 Q2在6种状态000、100、110、111、011、001循环时，D取Q2的反相状态值，而当Q0 Q1 Q2出现010、101两种状态时，D取Q2的原状态值。当开始出现010、101两种状态时，其状态转移表如表2、表3所示，状态被拉回到正常的循环周期，Q0 Q1 Q2的状态转移图如图6所示。

表1 Q0Q1Q2初始状态000时的状态转移表

时钟序号	Q0	Q1	Q2	Q3	Q4
1	0	0	0	0	0
2	1	0	0	0	0
3	1	1	0	0	0
4	1	1	1	0	0
5	0	1	1	1	0
6	0	0	1	1	1
7	0	0	0	1	1
8	1	0	0	0	1

表2 Q0Q1Q2初始状态010时的状态转移表

时钟序号	Q0	Q1	Q2	Q3	Q4
1	0	1	0	0	0
2	0	0	1	0	0
3	0	0	0	1	0
4	1	0	0	0	1
5	1	1	0	0	0
6	1	1	1	0	0
7	0	1	1	1	0
8	0	0	1	1	1
9	0	0	0	1	1
10	1	0	0	0	1

表3 Q0Q1Q2初始状态101时的状态转移表

时钟序号	Q0	Q1	Q2	Q3	Q4
1	1	0	1	0	0
2	1	1	0	0	0
3	1	1	1	0	0
4	0	1	1	1	0
5	0	0	1	1	1
6	0	0	0	1	1
7	1	0	0	0	1

图6 Q0 Q1 Q2的电路状态转移图

三路输出的仿真波形如图7所示。

图7 三路TTL方波仿真图

4 仿真结果与测试结果

通过仿真计算，输出信号的频率是对输入信号进行512分频后的频率，所以输出信号的频率精度与输入信号频率基本一致，三路输出信号的相位差通过前面的计算分别为170.6T/512T×360°=119.953°, 170.5T/512T×360°=119.882°, 170.9T/512T×360°=120.164°。

产品实际测量结果为：输入信号精度为1±5×10^-8kHz时，输出信号精度也能保证在1±5×10^-8kHz，三路输出信号的相位差精度在120°±0.3°。

5 结论

三相同步电机控制驱动电路由分频移相电路和功率驱动电路组成，为系统提供三路1kHz且相位相互差120°的方波驱动信号，本文主要论述了其中的分频移相电路，对设计电路进行了分析和仿真，并给出了仿真计算和实际测量结果，为同类电路的设计提供了参考，具有一定的实用性。

参考文献

［1］王毓银.脉冲与数字电路(第二版).高等教育出版社.1992.

［2］阎石.数字电子技术基础教程.清华大学出版社.2007.

［3］CMOS数字集成电路产品手册.电子工业部国营第八七八厂.1984.

第一作者简介

周向红(1979- )，男，安徽望江人，硕士研究生，控制理论与控制工程专业，现主要从事信号处理与控制电路的设计

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