CN106842900A - 用于pwm采样控制系统的过采样信号处理方法 - Google Patents

用于pwm采样控制系统的过采样信号处理方法 Download PDF

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潘玥
夏雨
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    • G05—CONTROLLING; REGULATING
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    • G05B11/01—Automatic controllers electric
    • G05B11/26—Automatic controllers electric in which the output signal is a pulse-train
    • G05B11/28—Automatic controllers electric in which the output signal is a pulse-train using pulse-height modulation; using pulse-width modulation

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Abstract

本发明涉及采样控制信号处理领域，特别是用于PWM采样控制的过采样信号处理方法。随着电子技术的发展，计算机处理信息的速度已经有了极大的提高，意味着控制信号采样频率可以大大增加。大功率PWM电路中功率开关器件的最佳开关频率远远小于计算机允许的信号采样频率。在一个PWM控制周期内，可以对控制信号进行多次采样和运算，也即是过采样。过采样可以获得更多的系统信息，提高采样控制系统的性能。本发明克服单次采样的缺点，结合过采样平均法的优点，提出了一种新的过采样信号处理方法，能提高信号频带宽度，抑制PWM电路固有的载波干扰，提高控制精度，改善PWM采样控制系统的瞬态响应速度和高频信号跟踪能力。

Description

用于PWM采样控制系统的过采样信号处理方法
技术领域
本发明涉及采样控制系统信号处理领域，具体是指一种用于PWM采样控制系统的过采样信号处理方法。
背景技术
一般而言，采样控制主要是借助数字计算机来实现的。在计算机控制技术发展的初期，计算机处理数据的速度较低，计算机控制系统的理论和应用，基本上都是基于单次采样控制技术，即信号采样、控制规律运算及控制量输出三个步骤在同一个采样周期内相继完成，也即信号采样周期等于控制周期。随着电子技术的发展，计算机以及A/D转换器等信号调理电路处理信息的速度已经有了极大的提高，采样频率可以大大增加。很多情况下，被控对象(例如PWM电路中的功率开关器件)的速度已经远远小于计算机的信息处理速度。以基于PWM电流反馈控制的有源电力滤波器为例，计算机完成信号采样和控制规律运算的时间小于9微秒，大功率IGBT管的最佳开关频率约为10kHz(周期为100微秒)。这就意味着，在一个PWM电流控制周期内，可以对控制信号进行多次采样和运算，也即是过采样。过采样可以获得更多的系统信息，对过采样信号进行适当的处理，可以提高采样控制系统的性能。
现有的过采样信号处理技术主要是过采样平均(或加权平均)法，即在一个控制周期内，对信号多次采样，将多次采样取得的信号相加，除以相加信号的个数，得到平均值作为本次控制周期的信号采样值。过采样平均法和传统的单次采样法相比，具有显著的优点：1、信号频带加宽；2、特定的干扰频率可以完全被滤除。过采样平均法在实际的采样控制系统中得到了广泛的应用，以至于一提到过采样，就会很自然地联想到平均法。
采样控制系统中，受采样定理的约束，以及受实际的抗混叠滤波器性能的影响，信号的最高频率通常远小于采样频率。信号频带宽度受限，又影响了控制系统的瞬态响应速度和对高频信号的跟踪能力。在控制周期一定的情况下，如果能进一步改进过采样信号处理方法，扩展控制系统的频带宽度，将推进计算机控制理论和应用技术的发展，也会带来良好的社会效益和经济效益。
发明内容
本发明克服单次采样的缺点，结合过采样平均法的优点，提出一种能大幅提高信号频带宽度的新的过采样信号处理方法。
一种用于PWM采样控制系统的过采样信号处理方法，设定信号采样频率大于PWM载波频率，其特征在于按以下2个步骤确定用于控制规律运算的采样计算值：
步骤1：依次选取当前的采样值X(0)及此前的采样值X(-1)，X(-2)，……，X(-N+1)，共N个，N为正的偶数，按下式求取两个平均值：
偶次采样平均值，XO＝2*(X(0)+X(-2)+X(-4)…+X(-N+2))/N
奇次采样平均值，XJ＝2*(X(-1)+X(-3)+X(-5)…+X(-N+1))/N
步骤2：按下式确定用于控制规律运算的采样计算值Y：
Y＝(1+K)*XO-K*XJ
其中K为常数，选择不同的K，可以获得不同的采样信号处理性能。由于K在上述算式中代表了微分作用的大小，不妨称其为微分系数。
在上述算法步骤1中，偶次采样平均XO和奇次采样平均XJ分别是传统的过采样平均，保持了传统过采样平均的优点，具有较宽的频带，对特定干扰频率有很强的抑制作用。在步骤2中，采样计算值Y是XO和XJ的线性组合，并带有微分作用，不仅保持了抑制干扰频率的能力，更进一步扩展了信号频带宽度。
若选择采样频率是PWM载波频率的N倍，N为正偶数，则在一个PWM周期中，刚好有N个采样值可以用来确定采样计算值，不会引入额外的时间延迟。N越大，过采样处理方法的性能就越好，对干扰频率的抑制能力就越强。实际应用中，在计算机处理速度允许的情况下，N尽量取最大值。
微分系数K的选择也很重要。K越大，微分作用越强，频带扩展能力越强。当K超过一定的值，可使过采样信号处理方法在中频和高频区的幅频特性和相频特性上翘。系统信号在采样前通常要先进行抗混叠滤波，抗混叠滤波器属于低通滤波器，其幅频特性和相频特性在中高频区都有明显的下垂。选择合适的微分系数K，使过采样信号处理方法在中高频区的频率特性曲线上翘，和抗混叠低通滤波器的下垂特性形成互补，则可使控制系统的频带宽度更宽。
本发明与现有技术相比，具有的优点和有益效果
在PWM载波频率一定的情况下，采用较高的采样频率，本发明提出的过采样信号处理方法的信号带宽，比现有采样技术的信号带宽可扩展2至10倍。
附图说明
图1是本发明一个实施例的结构示意图。
图2是按本发明设计的过采样信号处理方法的频率特性曲线图。
图3是单次采样方法的频率特性曲线图。
图4是过采样平均方法的频率特性曲线图。
具体实施方式
图1是本发明一个实施例的结构示意图。这是一个典型的PWM过采样反馈控制系统，包含PWM电路、控制器、过采样信号处理单元、抗混叠滤波器、载波频率设定单元以及采样频率设定单元。其中控制器、过采样信号处理单元、载波频率设定单元和采样频率设定单元由一片DSP芯片通过程序和相应的硬件电路实现。过采样信号处理单元实际上是一段计算机程序，实现本发明提出的过采样信号处理方法。载波频率和采样频率可以自主运行，也可以通过一定的方法(比如PLL或者分频器)保持同步关系，本实施例中，PWM载波频率为10kHz，采样频率为80kHz，由同一片DSP芯片的内部时钟产生，保持严格的同步关系。过采样信号处理程序能完全滤除10kHz、20kHz、30kHz等PWM电路所固有的高频谐波干扰。抗混叠滤波器采用二阶巴特沃斯低通滤波器，转折频率为10kHz。微分系数K＝4，频率特性在高频区略有上翘。抗混叠滤波器和过采样信号处理单元互相补偿，使信号反馈通道具有平坦并较宽的低频和中频区，最大限度地提高系统的瞬态响应速度和高频跟踪能力。
图2是上述的过采样信号处理单元的频率特性曲线，包括相频特性和幅频特性。若以相角误差小于45°来划分低频区，由图2可知该过采样信号处理单元的频带宽度为5.5kHz。
图3是单次采样方法的频率特性曲线，其对应的采样频率为10kHz。若以相角误差小于45°来划分低频区，该单次采样方法的频带宽度为550Hz。
图4是过采样平均方法的频率特性曲线，其对应的采样频率为80kHz。若以相角误差小于45°来划分低频区，该过采样平均方法的频带宽度为2kHz。
由图2至图4可知，在本实施例中，采用本发明的过采样信号处理方法，可使信号带宽扩展2.5至10倍。

Claims (3)

1.一种用于PWM采样控制系统的过采样信号处理方法，设定信号采样频率大于PWM载波频率，其特征在于按以下2个步骤确定用于控制规律运算的采样计算值：
步骤1：依次选取当前的采样值X(0)及此前的采样值X(-1)，X(-2)，……，X(-N+1)，共N个，N为正的偶数，按下式求取两个平均值：
偶次采样平均值，XO＝2*(X(0)+X(-2)+X(-4)…+X(-N+2))/N
奇次采样平均值，XJ＝2*(X(-1)+X(-3)+X(-5)…+X(-N+1))/N
步骤2：按下式确定用于控制规律运算的采样计算值Y：
Y＝(1+K)*XO-K*XJ
其中K为常数。
2.根据权利要求1所述的用于PWM采样控制系统的过采样信号处理方法，其特征是：采样频率是PWM载波频率的N倍，N为正偶数。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的用于PWM采样控制系统的过采样信号处理方法，其特征是：选择合适的微分系数K，使过采样信号处理方法在中高频区的频率特性曲线上翘，和抗混叠低通滤波器的下垂特性形成互补。
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