一種新型PID控制的全數(shù)字鎖相環(huán)的設(shè)計與實現(xiàn)

鎖相環(huán)是一種能夠跟蹤輸入信號相位的閉環(huán)自動控制系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用于信號處理、時鐘同步、倍頻、頻率綜合等領(lǐng)域。它根據(jù)輸入信號和反饋信號的相位差來調(diào)整壓控振蕩器的輸出頻率，最終達(dá)到輸入信號頻率和輸出信號頻率相等，輸入信號和輸出信號保持恒定的相位差。
傳統(tǒng)的PI控制器可以消除穩(wěn)態(tài)誤差，保證鎖定精度，但是對阻尼有不利影響。在PI控制器中引入微分項可以改善響應(yīng)速度和阻尼，保證了鎖定時間，但不能減少穩(wěn)態(tài)誤差，因此本文提出積分分離PID控制，能夠大大改善響應(yīng)時間和阻尼并減少穩(wěn)態(tài)誤差，從而保證了鎖相精度和鎖相時間。
1 電路結(jié)構(gòu)與工作原理
1.1 全數(shù)字鎖相環(huán)電路結(jié)構(gòu)
快速全數(shù)字鎖相環(huán)的系統(tǒng)框圖如圖1所示。

鑒相器采用JK觸發(fā)器，該鑒相器結(jié)構(gòu)簡單，鑒相范圍為±π，能夠滿足一般工程的需要。由于鑒相器輸出的是二值高低脈沖，后需接數(shù)字濾波器來平滑其中的起伏，消除噪聲和干擾脈沖的影響。一般數(shù)字序列濾波器有兩種：N先于M序列濾波器和隨機(jī)徘徊濾波器，數(shù)字濾波器不是環(huán)路濾波器，它是無惰性的，加在環(huán)路中不影響環(huán)路的階數(shù)，僅起到濾噪抗干擾的作用。本文采用隨機(jī)徘徊濾波器。環(huán)路濾波器采用PID控制器，能夠很好地控制環(huán)路相位校正的速度和精度，相對于文獻(xiàn)[1]的PI控制器具有更好的特性。數(shù)字壓控振蕩器采用可變模的分頻器。M分頻器對輸出信號進(jìn)行分頻，以使環(huán)路得到相應(yīng)的倍頻信號。
1.2 電路工作原理
鑒相器比較輸入信號和輸出信號的相位差，產(chǎn)生一誤差高低電平脈沖序列pha。該脈沖的寬度和輸入、輸出信號的相位誤差是成比例的。K序列濾波器對相位誤差信號進(jìn)行量化，又可以消除輸入信號噪聲和干擾脈沖的影響。當(dāng)pha為高電平時，K序列濾波器對fO進(jìn)行加計數(shù)，當(dāng)計數(shù)器溢出時，一方面向環(huán)路濾波器產(chǎn)生一加脈沖i，同時對計數(shù)器進(jìn)行復(fù)位，重新計數(shù)。相反，當(dāng)pha為低電平時，K序列濾波器對fO進(jìn)行減計數(shù)，當(dāng)計數(shù)器減為零時，一方面向環(huán)路濾波器產(chǎn)生一減脈沖d，同時對計數(shù)器進(jìn)行復(fù)位，重新計數(shù)。在一個pha周期內(nèi)，K序列濾波器產(chǎn)生加減脈沖的綜合值，表征了輸入信號和輸出信號相位誤差的大小。由于干擾和噪聲的影響是隨機(jī)的，此時K計數(shù)器產(chǎn)生的加減脈沖的概率相等，因此環(huán)路具有較強(qiáng)的抗干擾能力。環(huán)路濾波器采用了PID控制，所以，數(shù)字壓控振蕩器輸出的信號經(jīng)M分頻后，反饋給環(huán)路濾波器作為采樣信號。環(huán)路濾波器在其上升沿對一個pha周期內(nèi)由K計數(shù)器產(chǎn)生的加減脈沖個數(shù)進(jìn)行計數(shù)綜合、PID計算、并把計數(shù)值輸出給壓控振蕩器作為分頻因子和寄存器清零操作。在控制過程中，由于把壓控振蕩器輸出的信號M分頻后的信號作為環(huán)路濾波器的采樣信號，因此保證了采樣周期和輸出信號fout的周期是同步的，這樣既保證了逐周波控制，也保證了在壓控振蕩器的計數(shù)開始時賦予其寄存器新的分頻計數(shù)值。
2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)性能分析
2.1 數(shù)學(xué)模型分析
圖2是圖1中全數(shù)字鎖相環(huán)的數(shù)學(xué)模型。

由文獻(xiàn)[1]中對PI控制器及系統(tǒng)閉環(huán)響應(yīng)的分析，可以得到PI控制鎖相環(huán)能夠使控制滿足超調(diào)量、調(diào)節(jié)時間和零穩(wěn)態(tài)誤差以及自然諧振頻率與輸入信號的頻率成正比的優(yōu)點。然而需要更快的響應(yīng)速度，且又不增加超調(diào)量，則應(yīng)在控制器中增加微分項，即PID控制。在傳統(tǒng)的PI控制中，由于積分項的存在，雖然可以消除靜差、提高精度。但在過程的啟動、結(jié)束或大幅度增減設(shè)定值時，短時間內(nèi)系統(tǒng)會輸出很大的偏差，會造成PI運(yùn)算的積分積累，最終引起系統(tǒng)較大超調(diào)，甚至引起系統(tǒng)的振蕩。因此本文采用了積分分離的PID控制算法，既保持了積分作用，又減少了超調(diào)量，使控制性能有了較大的改善。具體實現(xiàn)如下：

積分分離PID算法的仿真圖如圖3所示。

2.2 環(huán)路線性分析
當(dāng)鎖相環(huán)在鎖定點附近波動時，計數(shù)值N的變化較小，假設(shè)此時環(huán)路為二階環(huán)，壓控振蕩器的傳遞函數(shù)為：



由式(7)、(8)可以看出，只要得到K序列濾波器的計數(shù)值k、積分系數(shù) ki、比例系數(shù) kp，就可以得到環(huán)路的諧振頻率和阻尼系數(shù)，反之依然。此外觀察自然諧振頻率可得它與輸入信號的頻率成正比，這意味著鎖相環(huán)的跟蹤速度和輸入信號的頻率成正比。
PID參數(shù)工程整定的一般步驟：
(1)只加入比例控制環(huán)節(jié)，慢慢增加kp使系統(tǒng)微微振蕩起來。
(2)加入微分控制環(huán)節(jié)，慢慢減小kd，這相當(dāng)于增大系統(tǒng)的阻尼，使系統(tǒng)平穩(wěn)下來。
(3)系統(tǒng)平穩(wěn)下來后，再增加kp使系統(tǒng)微微振蕩起來，然后再減小kd使系統(tǒng)平穩(wěn)下來。如此反復(fù)下去，直到kp和kd都不能變化時為止。
(4)把kp的值適當(dāng)減小一點，加入積分控制環(huán)節(jié)，慢慢增加ki的值，直到穩(wěn)態(tài)誤差在可接受的范圍內(nèi)。
(5)為了使系統(tǒng)更可靠和穩(wěn)定，保證魯棒性。最后還要把kp、kd、ki的值都適當(dāng)減小，再根據(jù)經(jīng)驗做一些相應(yīng)的調(diào)整。
3 系統(tǒng)仿真分析
3.1 仿真結(jié)果
本設(shè)計使用VHDL語言進(jìn)行設(shè)計，以Quartus軟件為設(shè)計平臺，用CycloneII EP2C35F484C8 器件完成設(shè)計。
本設(shè)計中參數(shù)均用整數(shù)，選擇為ki=2，kp=2，kd=4，K序列濾波器的模值為36，M分頻比為1在相位階躍為180的情況下的系統(tǒng)仿真圖如圖4。

3.2 結(jié)果分析
經(jīng)過反復(fù)調(diào)整系統(tǒng)的參數(shù)K值，選定一個較好的K值作為序列濾波器的模值，選定ki=2、kp=2、kd=4作為PID的積分系數(shù)、比例系數(shù)和微分系數(shù)。從仿真圖上可以看出，該設(shè)計結(jié)構(gòu)能夠達(dá)到鎖定狀態(tài)，且鎖定時間有所減少，達(dá)到了預(yù)期的效果。
本文提出了一種新型的環(huán)路濾波器，采用積分分離的PID控制器作為環(huán)路濾波器，有效地減少了鎖定時間，提高了鎖定精度。該鎖相環(huán)具有很強(qiáng)的通用性，并且電路參數(shù)配置方便、設(shè)計簡單、集成度高。理論分析、仿真和實驗結(jié)果都表明該全數(shù)字鎖相環(huán)性能良好。使用FPGA實現(xiàn)，占用資源較少，容易做成片上系統(tǒng)SoC。
參考文獻(xiàn)
[1] 李亞斌，彭詠龍，李和明.自采樣比例積分控制全數(shù)字鎖相環(huán)的性能分析和實現(xiàn)[J].中國電機(jī)工程學(xué)報，2005(9).
[2] ROLAND E.Phase-Locked Loop design, simulation, and application[M].北京：清華大學(xué)出版社，2003.
[3] 張厥盛，鄭繼禹，萬心平.鎖相技術(shù)[M].陜西西安：西安電子科技大學(xué)出版社,1994.
[4] 陶永華，尹怡欣，葛蘆生.新型PID控制及應(yīng)用[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2000.
[5] 周潤景，圖雅，張麗敏.基于Quartus ii 的FPGA/CPLD數(shù)字系統(tǒng)實例[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008.
[6] 侯衛(wèi)民，蔣景紅，張騁，等.基于FPGA的數(shù)字鎖相環(huán)的研究與實現(xiàn)[J].微計算機(jī)應(yīng)用，2008(8).