Цифрові компаратори частоти та фази в складі системи стабілізації положення рухомої платформи

Анотація

Актуальність теми дослідження. Дводіапазонна чотириквадрантна система стабілізації положення (ССП) безколекторного двигуна постійного струму (БДПС) у складі рухомої платформи (РП), в якій силовий каскад побудований на основі квазірезонансного імпульсного перетворювача (КРІП), має кращу швидкодію та точність у порівнянні із системами на основі перетворювачів з жорстким перемиканням та ШІМ.

Постановка проблеми. ССП БДПС може бути побудована на основі класичного багатоконтурної підпорядкованої системи автоматичного керування (САК), або ж у частотно-імпульсному (ЧІ-) домені. Задача керування швидкістю в ЧІ-домені трансформується в задачу порівняння та узгодження частот, а керування положенням – у порівняння та узгодження фаз опорного сигналу та сигналу зворотного зв’язку. Розробка спеціалізованих цифрових блоків частотного компаратора (ЧК) та фазового компаратора (ФК) для виконання вищезгаданих задач є нетривіальною задачею.

Аналіз останніх досліджень і публікацій. Найбільш ранні рішення ЧК, які коректно називати «частотним детектором» (ЧД), виконувались змішаними (містили як аналогові, так цифрові вузли) через їх використання в складі високочастотної системи з фазовим автопідстроюванням частоти (ФАПЧ). Повнофункціональний ЧК складається з двох лічильників, компаратора, блока ЧД і керуючого цифрового автомата (КЦА), та спеціалізованої комбінаційної схеми.

Виділення недосліджених частин загальної проблеми. Існуючі блоки ЧК не повертають кількісне відношення між частотами, яке можна використати для прогнозування динаміки та нечутливі до виявлення малих неузгоджень між частотами, що створює нестабільність виявлення стану рівності частот. Існуючі блоки ФК нестабільні в роботі, коли частота одного з вимірюваних сигналів наближається до системної частоти тактування, а також не враховують порядку надходження фронтів вимірюваних сигналів.

Постановка завдання. Стаття присвячена дослідженню і розробці структури повністю цифрових блоків ЧК та ФК, які усунуть недоліки існуючих рішень і пристосовані для інтеграції в системи стабілізації положення з КРІП у силовій частині та САК побудованою в ЧІ-домені.

Викладення основного матеріалу. Запропоновані, роблені і протестовані нові технічні рішення для повністю цифрових блоків ЧК та ФК, побудованих у базисі програмованої логічної інтегрованої схеми (ПЛІС) засобами мови опису апаратури (МОА) VHDL. Вони дозволяють не тільки виміряти знак нерівності частоти та фази між двома періодичними сигналами, а й отримати числові значення відмінності між ними. 

Висновки відповідно до статті. Введення блоків ЧК та ФК до складу ССП БДПС призводить до різкого зменшення використання апаратних ресурсів програмованої логічної інтегрованої схеми (ПЛІС) і високої надійності та завадостійкості САК через безперервний характер надходження сигналів. У запропонованих нових блоках усунуті недоліки, притаманні існуючим блокам ЧК та ФК за рахунок введення додаткових цифрових вузлів − синхронізаторів (вкорочувачів імпульсів і детекторів фронтів) та гістерезисної ланки, які підвищують стійкість і вирішують проблему виявлення практично рівних частот і фаз.