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

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(guò)低通功率濾波電路連接直流力矩電動(dòng)機(jī)，該濾波電路的性能對(duì)整個(gè)系統(tǒng)能否正常工作起著非常關(guān)鍵的作用。基于某伺服PWM驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，使用Excel宏編寫(xiě)的功率設(shè)計(jì)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(guò)使用Multisim電路仿真軟件的方式分析和驗(yàn)證了該優(yōu)化設(shè)計(jì)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(jì)軟件；MuItisim

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(hào)作用下，能夠驅(qū)動(dòng)25 V，20 A的直流電動(dòng)機(jī)負(fù)載。因此濾波電路的穩(wěn)定與效率對(duì)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(dòng)系統(tǒng)必須設(shè)計(jì)相應(yīng)的濾波電路。濾波電路的優(yōu)化設(shè)計(jì)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(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，系統(tǒng)的核心是高度非線(xiàn)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(wèn)題。低通功率濾波電路在系統(tǒng)中主要起兩個(gè)作用。
(1)對(duì)PWM輸出信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，首先PWM模塊將輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換成對(duì)時(shí)間進(jìn)行調(diào)制而幅度等于電源電壓的脈沖信號(hào)，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(gè)輸出為高，另一個(gè)輸出總是低。假如50％占空比，則意味著開(kāi)關(guān)頻率的每個(gè)周期內(nèi)高和低的時(shí)間相等，脈沖信號(hào)必須通過(guò)低通功率濾波電路解調(diào)后，才能到達(dá)負(fù)載端其信號(hào)值為零。
(2)低通功率濾波電路抑制通過(guò)時(shí)間調(diào)制的方波載波信號(hào)，在濾波電路的輸出端上可以得到遠(yuǎn)低于PWM開(kāi)關(guān)頻率的負(fù)載載波信號(hào)，事實(shí)上占空比不斷變化的PWM信號(hào)參雜了很多高頻毛刺成分，會(huì)嚴(yán)重干擾反饋電路的參數(shù)，同時(shí)過(guò)高的載波頻率可能會(huì)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(gè)低通濾波器。不同類(lèi)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(jì)最佳的濾波器。主要特點(diǎn)是：通頻帶的平坦度、衰減率，相對(duì)于頻率的相位移，常見(jiàn)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(gè)很好的平滑的響應(yīng)曲線(xiàn)，而且在截止頻率以外有很好的衰減率，元件的變化對(duì)性能沒(méi)有很大的影響，因此它是一個(gè)性能比較好而且常用的濾波器，所以在設(shè)計(jì)中采用巴特沃斯濾波器。
以往關(guān)于濾波電路的設(shè)計(jì)，由于計(jì)算量大，過(guò)程復(fù)雜，往往既繁瑣又費(fèi)時(shí)，還很可能得到一些不常見(jiàn)、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(jì)中采用功率設(shè)計(jì)軟件以減少工作量，提高效率。Power Design是一個(gè)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(jì)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(dòng)的負(fù)載為一個(gè)電動(dòng)機(jī)，根據(jù)應(yīng)用要求在功率設(shè)計(jì)軟件中，輸入相應(yīng)的數(shù)據(jù)，該電動(dòng)機(jī)電樞可等效為電阻(Rload)7 Ω和電感(Lload)100μH相串聯(lián)的負(fù)載網(wǎng)絡(luò)；驅(qū)動(dòng)負(fù)載信號(hào)最大電壓為25 Vpk;SA03電源電壓(Vs)可通過(guò)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(kāi)關(guān)頻率Fsw為22．5 kHz，根據(jù)采樣定理，開(kāi)關(guān)頻率與截止頻率保持10分頻，而信號(hào)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(hào)頻率Fmin設(shè)置為O．01 kHz，最大信號(hào)頻率Fmax設(shè)置為1 kHz，這兩個(gè)信號(hào)頻率的設(shè)定同時(shí)也決定著隨后頻率掃描的范圍值，截止頻率Futoff設(shè)置為2 kHz；在開(kāi)關(guān)頻率上的紋波峰值電壓Vripple為0.05 V。