CN110677024A - 一种用于抑制数字变换器的工频纹波的装置 - Google Patents

一种用于抑制数字变换器的工频纹波的装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种用于抑制数字变换器的工频纹波的装置；包括工频纹波采样电路模块、电压采样电路模块、电压控制模块、纹波控制模块、PWM控制模块和隔离驱动模块。本发明通过改进工频纹波提取和数字控制器的方法对数字变换器工频纹波进行了有效抑制，避免了使用大量储能元件来滤除工频纹波的缺点，在降低设计成本的同时减小了数字变换器的体积；本发明通过改进采样电路对工频纹波进行准确的提取，并将工频纹波叠加到电压环主控制器的电压给定基准中，弥补PI控制器在跟踪正弦信号时会出现静态误差的缺点，增设了使用准谐振控制的纹波控制环；本发明装置结构设计巧妙，成本低，效果显著。

Description

一种用于抑制数字变换器的工频纹波的装置
技术领域
本发明涉一种电子信息领域；尤其涉及一种用于抑制数字变换器的工频纹波的装置。
背景技术
目前，所用的工频纹波抑制方法主要是采取在输出端加入滤波电路以滤除输出中夹杂的工频纹波，这样不可避免的就会引入额外的储能元件，造成变换器硬件成本和体积的增加。本创新的目的是在不增加设计成本和产品体积的前提下提供一种有效抑制变换器工频纹波的方法及装置。
数字变换器输出电压中所含的工频纹波相对于实际的输出电压来说只占很小的一部分，而现有的输出电压采样为了防止出现采样超限和杂波干扰会在采样电路上进行电压倍数的缩小和平滑滤波，这就导致了工频纹波在实际采样电路中被大大衰减，造成了数字变换器无法很好的提取到工频纹波的现象。
发明内容
本发明的目的是提供了一种用于抑制数字变换器的工频纹波的装置。
第一方面，本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种用于抑制数字变换器的工频纹波的装置，包括工频纹波采样电路模块、电压采样电路模块、电压控制模块、纹波控制模块、PWM控制模块和隔离驱动模块。
优选地，所述纹波控制模块为纹波环控制模块。
优选地，所述工频纹波采样电路模块、电压采样电路模块分别与数字变换器的输出电压端连接；
所述电压控制模块、纹波控制模块、PWM控制模块和隔离驱动模块设置在工频纹波采样电路模块、电压采样电路模块和数字变换器之间。
优选地，所述工频纹波采样电路模块连接纹波控制模块与电压控制模块连接纹波控制模块形成并联后，连接PWM控制模块和隔离驱动模块。
优选地，所述工频纹波采样电路模块包括电容C1、C2、C3和电阻R1、R2、R3、R4、 R5、R6。
优选地，所述电容C1连接R1、R3，所述C2、C3并联，C2连接R5、R6。
优选地，所述由R4、C2、C3及R5组成的带宽为10hz，中心频率为50hz的带通滤波器。
优选地，所述工频纹波采样电路模块中，由于工频纹波采样为交流信号，存在正负电压，dsp只能采集电压为正的信号，所以需要将AD采样口信号做一个1.65v的电压抬升，最终Vad口的电压应该为0-3.3v的电压信号。
优选地，所述电压控制采用PI控制，在控制过程中将工频纹波采样电路提取出来的工频纹波叠加到输出电压设定值，用来修正输出电压采样与设定值之间的差值。
优选地，所述纹波控制模块中所涉及的函数公式为：
Figure BDA0002264730290000021
其中KR为准谐振控制器系数，ωc为准谐振控制器带宽，ω0为谐振频率
采用双线性变换法对准谐振控制器进行离散化
Figure BDA0002264730290000022
纹波环准谐振控制器离散化后的时域差分方程为：
u(k)＝b0e(k)+b1e(k-1)+b2e(k-2)-a1u(k-1)-a2u(k-2)
其中Gv(s)为主控制电压环的传函，GR(s)为增设的纹波准谐振控制器传函，H1(s)为现有电压采样电路传函，H2(s)为工频纹波采样电路传函，VO为变换器的实际输出电压，VRipple为变换器的工频纹波，Vset为变换器的期望输出电压。
本发明通过改进采样电路对工频纹波进行准确的提取，并将工频纹波叠加到电压环主控制器的电压给定基准中。为了弥补PI控制器在跟踪正弦信号时会出现静态误差的缺点，增设了使用准谐振控制的纹波控制环。
针对现有技术数字变换器输出电压中所含的工频纹波相对于实际的输出电压来说只占很小的一部分，而现有的输出电压采样为了防止出现采样超限和杂波干扰会在采样电路上进行电压倍数的缩小和平滑滤波，这就导致了工频纹波在实际采样电路中被大大衰减，造成了数字变换器无法很好的提取到工频纹波的现象。
本发明为了很好的得到工频纹波采样，本装置首先对输出电压进行交流信号采样并进行放大以此得到输出电压中的交流含量部分，其次为了防止高频杂波及负载突变对电压的干扰在采样电路上添加工频带通滤波，这样就可以得到比较纯净的工频纹波采样。
在本发明的方法有以下优点：
(1)本发明通过改进工频纹波提取和数字控制器的方法对数字变换器工频纹波进行了有效抑制，避免了使用大量储能元件来滤除工频纹波的缺点，在降低设计成本的同时减小了数字变换器的体积；
(2)本发明为了达到本发明的创造性，本发明通过改进采样电路对工频纹波进行准确的提取，并将工频纹波叠加到电压环主控制器的电压给定基准中；
(3)本发明为了更进一步地弥补PI控制器在跟踪正弦信号时会出现静态误差的缺点，增设了使用准谐振控制的纹波控制环；
(4)本发明的目的是在不增加设计成本和产品体积的前提下提供一种有效抑制变换器工频纹波的方法及装置；
(5)本发明装置结构设计巧妙，成本低，效果显著。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明结构框图；
图2为本本发明工频纹波采样电路；
图3为本本发明装置的控制框图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。应当指出的是，以下的实施实例只是对本发明的进一步说明，但本发明的保护范围并不限于以下实施例。
实施例1
本实施例是通过以下技术方案实现的：
本实施例涉及一种用于抑制数字变换器的工频纹波的装置，包括工频纹波采样电路模块、电压采样电路模块、电压控制模块、纹波控制模块、PWM控制模块和隔离驱动模块。如图1所示：
所述工频纹波采样电路：
数字变换器输出电压中所含的工频纹波相对于实际的输出电压来说只占很小的一部分，而现有的输出电压采样为了防止出现采样超限和杂波干扰会在采样电路上进行电压倍数的缩小和平滑滤波，这就导致了工频纹波在实际采样电路中被大大衰减，造成了数字变换器无法很好的提取到工频纹波的现象。
很好的得到工频纹波采样，本装置首先对输出电压进行交流信号采样并进行放大以此得到输出电压中的交流含量部分，其次为了防止高频杂波及负载突变对电压的干扰在采样电路上添加工频带通滤波，这样就可以得到比较纯净的工频纹波采样。
优选地，所述纹波控制模块为纹波环控制模块。
优选地，所述工频纹波采样电路模块、电压采样电路模块分别与数字变换器的输出电压端连接；
所述电压控制模块、纹波控制模块、PWM控制模块和隔离驱动模块设置在工频纹波采样电路模块、电压采样电路模块和数字变换器之间。
优选地，所述工频纹波采样电路模块连接纹波控制模块与电压控制模块连接纹波控制模块形成并联后，连接PWM控制模块和隔离驱动模块。
优选地，所述工频纹波采样电路模块包括电容C1、C2、C3和电阻R1、R2、R3、R4、 R5、R6。
见图2所示：
如图2所示为工频纹波采样电路，其中电容C1的作用为滤除输出电压中的直流部分只采样输出电压中的交流部分。通过调整运放电路中的电阻R1和R2的阻值可对采集到的交流采样部分进行放大，在设计放大倍数时需要考虑实际采样电路的阈值以防采样超限。为了防止突变载或输出电压震荡带来的工频纹波采样干扰，添加由R4、C2、C3 及R5组成的带宽为10hz，中心频率为50hz的带通滤波器。该带通滤波器的作用是滤除其余频率段的杂波提取纯净的工频纹波采样。由于工频纹波采样为交流信号，存在正负电压，dsp只能采集电压为正的信号，所以需要将AD采样口信号做一个1.65v的电压抬升，最终Vad口的电压应该为0-3.3v的电压信号。
优选地，所述电容C1连接R1、R3，所述C2、C3并联，C2连接R5、R6。
优选地，所述由R4、C2、C3及R5组成的带宽为10hz，中心频率为50hz的带通滤波器。
优选地，所述工频纹波采样电路模块中，由于工频纹波采样为交流信号，存在正负电压，dsp只能采集电压为正的信号，所以需要将AD采样口信号做一个1.65v的电压抬升，最终Vad口的电压应该为0-3.3v的电压信号。
优选地，所述电压控制采用PI控制，在控制过程中将工频纹波采样电路提取出来的工频纹波叠加到输出电压设定值，用来修正输出电压采样与设定值之间的差值。
见附图3所示：所示为本装置的控制框图，该控制将主控制电压环和纹波
其中Gv(s)为主控制电压环的传函，GR(s)为增设的纹波准谐振控制器传函，H1(s)为现有电压采样电路传函，H2(s)为工频纹波采样电路传函，VO为变换器的实际输出电压，VRipple为变换器的工频纹波，Vset为变换器的期望输出电压。
所述主控制电压环：
电压环回路主要用来实现数字变换器的稳压功能，该环路采用PI控制。在控制过程中将工频纹波采样电路提取出来的工频纹波叠加到输出电压设定值，用来修正输出电压采样与设定值之间的差值。
所述纹波环：
常规的电压闭环设计过程中电压环一般采用的PI控制器，PI控制器为一阶控制器，当电压反馈值中只包含直流量时采用PI控制器可以准确、快速的实现电压跟踪。但是当电压反馈值中包含工频纹波时，由于PI控制器在高频部分的幅值裕度很低，在跟踪工频纹波时会出现稳态误差。为使工频纹波得到无静差控制，引入了使用准谐振控制器的纹波环。
准谐振控制器的传递函数为：
Figure BDA0002264730290000051
其中KR为准谐振控制器系数，ωc为准谐振控制器带宽，ω0为谐振频率
采用双线性变换法对准谐振控制器进行离散化
Figure BDA0002264730290000061
纹波环准谐振控制器离散化后的时域差分方程为：
u(k)＝b0e(k)+b1e(k-1)+b2e(k-2)-a1u(k-1)-a2u(k-2)。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质。

Claims (10)

1.一种用于抑制数字变换器的工频纹波的装置，其特征在于，包括工频纹波采样电路模块、电压采样电路模块、电压控制模块、纹波控制模块、PWM控制模块和隔离驱动模块。
2.如权利要求1所述的用于抑制数字变换器的工频纹波的装置，其特征在于，所述纹波控制模块为纹波环控制模块。
3.如权利要求1所述的用于抑制数字变换器的工频纹波的装置，其特征在于，所述工频纹波采样电路模块、电压采样电路模块分别与数字变换器的输出电压端连接；
所述电压控制模块、纹波控制模块、PWM控制模块和隔离驱动模块设置在工频纹波采样电路模块、电压采样电路模块和数字变换器之间。
4.如权利要求1所述的用于抑制数字变换器的工频纹波的装置，其特征在于，所述工频纹波采样电路模块连接纹波控制模块与电压控制模块连接纹波控制模块形成并联后，连接PWM控制模块和隔离驱动模块。
5.如权利要求1所述的用于抑制数字变换器的工频纹波的装置，其特征在于，所述工频纹波采样电路模块包括电容C1、C2、C3和电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6。
6.如权利要求5述的用于抑制数字变换器的工频纹波的装置，其特征在于，所述电容C1连接R1、R3，所述C2、C3并联，C2连接R5、R6。
7.如权利要求1所述的用于抑制数字变换器的工频纹波的装置，其特征在于，所述由R4、C2、C3及R5组成的带宽为10hz，中心频率为50hz的带通滤波器。
8.如权利要求1所述的用于抑制数字变换器的工频纹波的装置，其特征在于，所述工频纹波采样电路模块中，由于工频纹波采样为交流信号，存在正负电压，dsp只能采集电压为正的信号，所以需要将AD采样口信号做一个1.65v的电压抬升，最终Vad口的电压应该为0-3.3v的电压信号。
9.如权利要求1所述的用于抑制数字变换器的工频纹波的装置，其特征在于，所述电压控制采用PI控制，在控制过程中将工频纹波采样电路提取出来的工频纹波叠加到输出电压设定值，用来修正输出电压采样与设定值之间的差值。
10.如权利要求1所述的用于抑制数字变换器的工频纹波的装置，其特征在于，所述纹波控制模块中所涉及的函数公式为：
其中KR为准谐振控制器系数，ωc为准谐振控制器带宽，ω0为谐振频率
采用双线性变换法对准谐振控制器进行离散化
Figure FDA0002264730280000022
纹波环准谐振控制器离散化后的时域差分方程为：
u(k)＝b0e(k)+b1e(k-1)+b2e(k-2)-a1u(k-1)-a2u(k-2)
其中Gv(s)为主控制电压环的传函，GR(s)为增设的纹波准谐振控制器传函，H1(s)为现有电压采样电路传函，H2(s)为工频纹波采样电路传函，VO为变换器的实际输出电压，VRipple为变换器的工频纹波，Vset为变换器的期望输出电压。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112234833A (zh) * 2020-09-29 2021-01-15 西安交通大学 一种双有源桥直流变换器的直流偏磁抑制方法及装置
CN113315394A (zh) * 2021-06-15 2021-08-27 矽力杰半导体技术(杭州)有限公司 控制电路及应用其的ac/dc电源

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