某伺服ＰＷＭ驅(qū)動系統(tǒng)中低通功率濾波電路優(yōu)化設(shè)計

姚　鵬　張勝修　王道平　蔡　鍔

摘 要:伺服系統(tǒng)是控制系統(tǒng)的重要組成部分。其中,PWM功率放大器是通過低通功率濾波電路連接直流力矩電動機(jī),該濾波電路的性能對整個系統(tǒng)能否正常工作起著非常關(guān)鍵的作用?；谀乘欧WM驅(qū)動系統(tǒng),使用Excel宏編寫的功率設(shè)計軟件,分析并構(gòu)建了相應(yīng)的巴特沃斯分割電感低通功率濾波電路,通過使用Multisim電路仿真軟件的方式分析和驗證了該優(yōu)化設(shè)計的有效性與可行性。

關(guān)鍵詞:PWM;SA03;低通功率濾波電路;功率設(shè)計軟件;Multisim

中圖分類號:TP274文獻(xiàn)標(biāo)識碼:B

文章編號:1004-373X(2009)10-178-04

Optimization Design of Low Pass Power Filter Circuit for PWM Servo Driving System

YAO Peng,ZHANG Shengxiu,WANG Daoping,CAI E

(The Second Artillery Engineering College,Xi′an,710025,China)

Abstract:Servo system is an important part of control systems.PWM power amplifier connects a direct current moment motor with low pass power filter circuit.Accordingly it′s the key point to this circuit′s reliability and performance for overall system.Basing upon the certain PWM servo drive system,analysis and design of Butterworth split inductor low pass power filter circuit is done by power design software compiled by EXCEL macro,and the validity and feasibility of this optimization design are analyzed and proved by circuit simulation of Multisim.

Keywords:PWM;SA03;low pass power filter;power design software;Multisim

某伺服系統(tǒng)根據(jù)其應(yīng)用需求,采用SA03作為功率放大器。要求其在0~10 V的控制信號作用下,能夠驅(qū)動25 V,20 A的直流電動機(jī)負(fù)載。因此濾波電路的穩(wěn)定與效率對伺服系統(tǒng)的性能有著直接影響。SA03是高度集成的PWM功率放大器件,若作為PWM驅(qū)動系統(tǒng)必須設(shè)計相應(yīng)的濾波電路。濾波電路的優(yōu)化設(shè)計要充分考慮到SA03的技術(shù)特點(diǎn)和該伺服系統(tǒng)的應(yīng)用環(huán)境。

1 PWM系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

如圖1所示,PWM(脈沖寬度調(diào)制)放大器是一個復(fù)雜的系統(tǒng),系統(tǒng)的核心是高度非線性調(diào)制和解調(diào),它包含了極點(diǎn)和零點(diǎn)以及高次諧波和次諧波選擇的問題。低通功率濾波電路在系統(tǒng)中主要起兩個作用。

(1) 對PWM輸出信號進(jìn)行調(diào)制,首先PWM 模塊將輸入信號轉(zhuǎn)換成對時間進(jìn)行調(diào)制而幅度等于電源電壓的脈沖信號,PWM模塊內(nèi)的全橋放大器一般都利用反相鎖存調(diào)制,當(dāng)一個輸出為高,另一個輸出總是低。假如50%占空比,則意味著開關(guān)頻率的每個周期內(nèi)高和低的時間相等,脈沖信號必須通過低通功率濾波電路解調(diào)后,才能到達(dá)負(fù)載端其信號值為零。

(2) 低通功率濾波電路抑制通過時間調(diào)制的方波載波信號,在濾波電路的輸出端上可以得到遠(yuǎn)低于PWM開關(guān)頻率的負(fù)載載波信號,事實上占空比不斷變化的PWM信號參雜了很多高頻毛刺成分,會嚴(yán)重干擾反饋電路的參數(shù),同時過高的載波頻率可能會損壞負(fù)載本身。

2 PWM低通功率濾波電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2.1 低通功率濾波電路的結(jié)構(gòu)選擇

PWM 濾波電路通常是一個低通濾波器。不同類型的低通濾波器都有各自的優(yōu)缺點(diǎn),因此一般采用折衷的原則設(shè)計最佳的濾波器。主要特點(diǎn)是:通頻帶的平坦度、衰減率,相對于頻率的相位移,常見的有巴特沃斯、切比雪夫及貝塞耳濾波器。相比之下,巴特沃斯濾波器在通頻帶上有一個很好的平滑的響應(yīng)曲線,而且在截止頻率以外有很好的衰減率,元件的變化對性能沒有很大的影響,因此它是一個性能比較好而且常用的濾波器,所以在設(shè)計中采用巴特沃斯濾波器。

以往關(guān)于濾波電路的設(shè)計,由于計算量大,過程復(fù)雜,往往既繁瑣又費(fèi)時,還很可能得到一些不常見、不容易得到的器件結(jié)果。由于該系統(tǒng)采用的SA03作為脈沖寬度調(diào)制放大器,因此在設(shè)計中采用功率設(shè)計軟件以減少工作量,提高效率。Power Design是一個基于Microsoft Office Excel電子表格軟件,該軟件被廣泛應(yīng)用到此設(shè)計中。

2.2 低通功率濾波電路的參數(shù)設(shè)定

如圖2所示,該P(yáng)WM(SA03)驅(qū)動的負(fù)載為一個電動機(jī),根據(jù)應(yīng)用要求在功率設(shè)計軟件中,輸入相應(yīng)的數(shù)據(jù),該電動機(jī)電樞可等效為電阻(Rload)7 Ω和電感(Lload)100 μH相串聯(lián)的負(fù)載網(wǎng)絡(luò);驅(qū)動負(fù)載信號最大電壓為25 Vpk;SA03電源電壓(Vs)可通過軟件中的PWM Power表格分析設(shè)置合適的值,為28.5 V;由于SA03開關(guān)頻率Fsw為22.5 kHz,根據(jù)采樣定理,開關(guān)頻率與截止頻率保持10分頻,而信號頻率和截止頻率保持2分頻;DC的頻率一般可以認(rèn)為是10 Hz,所以最小信號頻率Fmin設(shè)置為0.01 kHz,最大信號頻率Fmax設(shè)置為1 kHz,這兩個信號頻率的設(shè)定同時也決定著隨后頻率掃描的范圍值,截止頻率Fcutoff設(shè)置為2 kHz;在開關(guān)頻率上的紋波峰值電壓Vripple為0.05 V。

如圖3所示,功率設(shè)計軟件自動計算在開關(guān)頻率下最大紋波和電源電壓比值,并轉(zhuǎn)換成dB衰減比,然后根據(jù)開關(guān)頻率和截止頻率的數(shù)值,計算出濾波電路級數(shù)的推薦值,并采取四舍五入的方法求整N(recommended)。緊接著計算匹配網(wǎng)絡(luò)(Matching Network)的相關(guān)數(shù)值,目的是使濾波電路輸出端原來的電抗性負(fù)載現(xiàn)轉(zhuǎn)換為阻性負(fù)載。圖3提供了3種濾波電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的參數(shù)值,分別是雙電容濾波電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、單端接地濾波電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和分割電感濾波電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。如圖4所示,該設(shè)計采用的是分割電感濾波電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

如圖5所示,由于實際所使用的電容類型不同可以導(dǎo)致寄生參數(shù)有所不同,可能會影響到濾波電路的輸出響應(yīng),所以必須根據(jù)實際使用的電容類型,設(shè)置相應(yīng)精確的寄生參數(shù)值,圖5中寄生參數(shù)值采用的是默認(rèn)塑料電容參考值。

3 PWM功率濾波電路性能分析

當(dāng)所有PWM功率濾波電路參數(shù)設(shè)置合理后,軟件根據(jù)先前所設(shè)置的信號頻率范圍進(jìn)行頻率掃描,其結(jié)果可提供進(jìn)一步的性能分析。

如圖6所示,圖6(a)是Fmax設(shè)置為1 kHz的頻率掃描圖像,該濾波大約在0.72 kHz處出現(xiàn)尖峰,這是由于設(shè)置了匹配網(wǎng)絡(luò)而造成的,若取消匹配網(wǎng)絡(luò)則峰值消失,但濾波電路的終端需為純阻性負(fù)載,否則濾波電路的輸出響應(yīng)不再是常數(shù)。圖6(b)是當(dāng)Fmax重新設(shè)置為1.5 kHz的頻率掃描圖像。圖6(c)是1.5 kHz取消匹配網(wǎng)絡(luò)的濾波衰減波特圖,此時雖無峰值,然而由于負(fù)載呈電抗性,1 kHz的衰減值已不是常數(shù)。

如圖7所示,以交流方式分析總體效率與頻率關(guān)系,效率即輸出有效功率與輸入有效功率之比,在掃描頻率段內(nèi)效率僅2%的變化,大部分頻帶內(nèi)仍有86.7%以上的效率。其中60 Hz左右的效率驟降是由于直流峰值功率向交流有效值功率的瞬態(tài)改變而引起的數(shù)學(xué)計算差。

如圖8所示,隨著頻率增加,負(fù)載上的視在功率增加的比例不大,通過其他圖表的研究,發(fā)現(xiàn)增加是由于負(fù)載上的電流和電壓隨著頻率有所增加,如果對最終輸出有很大影響的話,可以在電路中設(shè)置一個簡單的可調(diào)增益來補(bǔ)償該點(diǎn)。

如圖9所示,軟件可以通過頻率掃描分析計算各元件的應(yīng)力值,圖中顯示了C1的3個峰值電壓,電容上的壓差是24.77 Vpk,接地電容的峰值電壓是26.64 V和1.86 V。在這個設(shè)計中C1無需雙極性電容,但在某些設(shè)計中,峰值可能會出現(xiàn)負(fù)值,此時必須使用雙極性電容。

如圖10所示,濾波電路會帶來相位移。當(dāng)反饋信號直接從PWM 放大器的輸出端采樣時這常不是問題,然而在該伺服平臺設(shè)計中,反饋從濾波電路后面取,會引入相位移,影響系統(tǒng)的相角裕度,圖10顯示了負(fù)載中電壓和電流的相位移,如果對最終輸出有很大影響的話,可以增加Fmax和Fcutoff的分頻比例,相位移將會減小,除此之外減小濾波電路的級數(shù)也會減小相位移。

4 Multisim環(huán)境下的SPICE仿真

如圖11所示,根據(jù)功率設(shè)計軟件中的低通功率濾波電路元件參數(shù)值,在NI公司的Multisim 10的環(huán)境下構(gòu)建其相應(yīng)的電路模型。

通過功率設(shè)計軟件和電路仿真軟件,從圖12和圖13可以清晰地發(fā)現(xiàn),在截至頻率2 kHz處,未加寄生參數(shù)值的電路模型比加入默認(rèn)塑料電容寄生參數(shù)值的電路模型有0.5 dB的誤差值。這也充分表明了功率設(shè)計軟件所使用Excel宏仿真分析與NI公司的Multisim環(huán)境下的Spice模型仿真分析,它們具有共性可互為依托。

拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的低通功率濾波電路模型

若用于工業(yè)成品的仿真設(shè)計,勢必要根據(jù)元件手冊中的真實值,并通過選用合理的模型結(jié)構(gòu),同時要加入準(zhǔn)確的寄生參數(shù),否則可能導(dǎo)致最終設(shè)計結(jié)果與仿真結(jié)果有所出入。

5 結(jié) 語

實際上由于脈沖寬度調(diào)制放大系統(tǒng)中的低通功率濾波電路對頻率的敏感性,導(dǎo)致必須要反復(fù)進(jìn)行修改,同時有目的根據(jù)折中原則更改一些電路參數(shù),以提高低通功率濾波電路的部分性能,此外要根據(jù)實物類型設(shè)置合理并準(zhǔn)確的寄生參數(shù),以最終到達(dá)優(yōu)化設(shè)計的目的。

參考文獻(xiàn)

[1]潘榮霖.飛航導(dǎo)彈測高裝置與伺服機(jī)構(gòu)[M].北京:北京宇航出版社,1993.

[2]張莉松.伺服系統(tǒng)原理與設(shè)計[M].北京:北京理工大學(xué)出版社,2005.

[3]錢平.伺服系統(tǒng)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2005.

[4]王興梅,楊波.SA03集成脈寬調(diào)制(PWM)放大器的應(yīng)用[J].火炮發(fā)射與控制學(xué)報,2003(2):64-66.

[5]畢永利,劉洵,葛文奇.脈寬調(diào)制型功放SA03在無人機(jī)載陀螺穩(wěn)定平臺中的應(yīng)用[J].電子技術(shù),2003(2):49-51.

[6]張亞師.脈寬調(diào)制功率放大器SA03在電機(jī)控制中的應(yīng)用[J].國外電子元器件,2002(3):56-57.

[7]石嘉順.基于Multisim環(huán)境下的電路設(shè)計與仿真[J].計算機(jī)仿真,2007,24(12):306-308,323.

[8]Apex Microtechnology Corp.SA03 Product Data Sheet[Z].2006.

[9]Apex Microtechnology Corp.PWM Low Pass Filtering[Z].2001.

[10]Apex Microtechnology Corp.PWM BASICS[Z].2002.