CN111181528A - 一种同步基频提取滤波器 - Google Patents

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章春娟
王慧贞
刘伟峰
路通
宋洁
傅子锐
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Abstract

本发明公开了一种同步基频提取滤波器，该滤波器为一闭环控制，包括正弦支路和余弦支路；输入端信号X(t)与输出端信号X * 做差后乘上滤波器增益得x(t)，x(t)乘上同步基频提取滤波器跟踪的输入信号频率ω 0得a(t)，a(t)经过正弦和余弦两个支路，正弦支路由a(t)乘上参考信号sin(ω 0 t)得a(t)1；a(t)1经积分环节得b(t)1；b(t)1再与参考信号sin(ω 0 t)相乘得c(t)1；余弦支路由a(t)乘上参考信号cos(ω 0 t)得a(t)2；a(t)2经积分环节得b(t)2；b(t)2再与参考信号cos(ω 0 t)相乘得c(t)2；将正弦和余弦支路相加得到滤波器输出端信号X *，X *反馈到输入端，构成完整的闭环控制。本发明滤波器能够消除输入高频谐波，提取基波分量，实现无相移滤波功能，从而提高控制精度，且具有较高的通频带，系统易于稳定；且具有较高的普适性。

Description

一种同步基频提取滤波器
技术领域
本发明涉及一种同步基频提取滤波器，属于信号处理中的滤波器技术领域。
背景技术
永磁同步电机具有高效率、高功率密度、无碳刷等优点，在伺服场合获得了广泛应用。在伺服应用技术领域，分位置传感器控制与无位置控制两种。机械传感器检测电机转子位置，通过对转子位置的微分计算转子转速，得到的转速值往往存在较大的噪声；无位置传感器控制估计到的反电势受系统量化误差等因素的影响，存在较大的噪声，直接用反电势反正切得到电机转子位置，微分计算得转子转速，转速值也会存在较大的噪声。这种噪声经过速度环的调节放大作用，会引起速度环输出亦即电流指令信号出现更大的毛刺，使电机出现剧烈的噪声。
降低速度调节器增益可以在一定程度上减小这种噪声，但增益的降低会减慢系统对指令信号的跟随速度，牺牲了系统动态性能，显然不适合需要快速响应的伺服场合。实际应用场合中，通常采用低通滤波器对信号进行处理，这样的处理方式简单易行，计算量少，但会带来较大的延时，而延时的出现同样会降低系统动态性能。
论文《High-Precision Speed and Position Estimation Based on HallVector Frequency Tracking for PMSM With Bipolar Hall-Effect Sensors》提出了一种同步频率跟踪滤波器SFTF(synchronous frequency tracking filter)，这种滤波器的结构控制框图请参阅图1，引入了频率闭环，可以消除高频干扰，实现基波提取的功能。
Figure BDA0002370909610000011
由式(1)可知，该滤波器的幅频特性：
Figure BDA0002370909610000021
由式(1)和式(2)可以得到该滤波器的品质因数：
Figure BDA0002370909610000022
由式(3)可知，当ε值一定时，G1(s)的品质因数会随着ω0的变化而变化，也就是Q1会随着输入信号频率ω0的波动而变化，这显然会影响系统的动态特性。为了克服这个缺点，需要提出一种新型同步基频提取滤波器。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种同步基频提取滤波器，克服了现有同步频率跟踪滤波器存在品质因数随着输入信号频率的波动而变化，影响系统动态特性的缺陷。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
一种同步基频提取滤波器，该滤波器为一闭环控制滤波器，其包括正弦支路和余弦支路；输入端信号X(t)与输出端信号X*做差后乘上滤波器增益ε得到x(t)，x(t)乘上同步基频提取滤波器跟踪的输入信号频率ω0得到a(t)，a(t)经过正弦和余弦两个支路，其中，正弦支路由a(t)乘上参考信号sin(ω0t)得到a(t)1；a(t)1经积分环节得到b(t)1；b(t)1再与参考信号sin(ω0t)相乘得到c(t)1；余弦支路由a(t)乘上参考信号cos(ω0t)得到a(t)2；a(t)2经积分环节得到b(t)2；b(t)2再与参考信号cos(ω0t)相乘得到c(t)2；将正弦和余弦支路相加即c(t)1和c(t)2相加得到滤波器输出端信号X*，t表示时域；输出端信号X*反馈到输入端，构成完整的闭环控制。
作为本发明的一种优选方案，所述同步基频提取滤波器的传递函数为：
Figure BDA0002370909610000023
其中，G(s)表示传递函数，ε表示滤波器增益，ω0表示同步基频提取滤波器跟踪的输入信号频率，s表示频域。
作为本发明的一种优选方案，所述同步基频提取滤波器的幅频特性为：
Figure BDA0002370909610000031
其中，A(ω)表示滤波器幅值，ε表示滤波器增益，ω0表示同步基频提取滤波器跟踪的输入信号频率，ω表示角频率。
作为本发明的一种优选方案，所述同步基频提取滤波器的品质因数为：
Figure BDA0002370909610000032
其中，Q表示品质因数，ε表示滤波器增益。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
1、本发明滤波器频率带宽只受ε值的影响，与中心频率ω0无关；能够消除输入高频谐波，提取基波分量，实现无相移滤波功能，从而提高控制精度，且具有较高的通频带，系统易于稳定。
2、本发明具有较高的普适性，该滤波器能够广泛地应用输入基频可得的领域，使系统高效而稳定地工作。
3、本发明滤波器滤波之后幅值无衰减且无相位延迟。
附图说明
图1是一种现有的同步频率跟踪滤波器结构控制图。
图2是图1所示滤波器伯德图。
图3是本发明提供的同步基频提取滤波器控制框图。
图4是图3所示滤波器伯德图。
图5是基于同步基频提取滤波器的滑模控制原理框图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
如图3所示，为本发明提供的同步基频提取滤波器控制框图。该滤波器是一个闭环控制，包括正弦和余弦两个支路；输入信号须乘上滤波器增益ε得x(t)；x(t)须乘上ω0得a(t)；a(t)经过正弦和余弦两个支路；正弦支路由a(t)乘参考信号sin(ω0t)得a(t)1；a(t)1经积分环节得b(t)1；b(t)1再与参考信号sin(ω0t)相乘得c(t)1；余弦支路由a(t)乘参考信号cos(ω0t)得a(t)2；a(t)2经积分环节得b(t)2；b(t)2再与参考信号cos(ω0t)相乘得c(t)2；正余弦支路相加得滤波器输出X*；输出反馈到输入端，构成闭环控制。
滤波器增益ε可以设定其带宽，ε越小，该滤波器的滤波效果越好，但动态响应时间越长，对于ε的选择要兼顾滤波器滤波效果和响应速度。ω0是同步基频提取滤波器跟踪的输入信号频率，随着跟踪频率ω0越精确，该滤波器的滤波效果越好。由上述可知，该滤波器的性能取决于合适的滤波器增益ε以及跟踪频率ω0的值。
由图3可得，新型同步基频提取滤波器的输出X*可以表示为：
Figure BDA0002370909610000041
对(4)式微分得：
Figure BDA0002370909610000042
X*与a(t)之间的传递函数可以表示为：
Figure BDA0002370909610000043
该新型同步基频提取滤波器的传递函数可以写为：
Figure BDA0002370909610000044
由式(7)可知，该滤波器的幅频特性为：
Figure BDA0002370909610000045
当ω＝ω0，滤波器幅值等于1，且由图4可知，此时的滤波器相位延迟为0。当ω大于或小于ω0时，滤波器幅值将衰减。因此如果ω0作为基频输入，输入的基波能够被提取，实现无相移滤波功能。
由式(7)和(8)可知，该滤波器的品质因数为：
Figure BDA0002370909610000051
由式(9)可知，本发明新型同步基频提取滤波器的品质因数不受频率ω0的影响，其频带宽只受ε的影响，与谐振频率无关。令Q不随输入信号频率的波动而变化，提升了系统的动态特性。因此该滤波器能够消除输入高频谐波，提取基波分量，实现信号幅值无衰减且无相位延迟的滤波功能，从而提高控制精度。
比较式(3)与式(9)发现，Q＜Q1，说明本发明提出的新型同步基频提取滤波器具有较宽的通频带，从而更容易使系统稳定。为进一步说明现有的SFTF与新型同步基频提取滤波器的不同，利用伯德图进行对比分析，分别如图2和图4所示。
由图2与图4对比可以看出，现有的SFTF通带较窄，对频率的依赖性强，本申请提出的新型同步基频提取滤波器的通带较宽，对频率的依赖性明显小于G1(s)，其频带宽只受ε值的影响，与中心频率ω0无关，在中心频率之外，其它频率均会有很大的衰减。
本发明提出的新型同步基频提取滤波器的稳态增益同样只受ε值的影响，与ω0无关。调节ε值可以设定其带宽，ε值越小，该滤波器的滤波效果越好，但是动态响应时间就越长。
如图5所示，是永磁同步电机滑模无位置控制原理框图，滑模观测器估计的反电势包含大量高频谐波，经由滤波器处理之后，采用锁相环技术获得电机转子的转速与位置信息，用于系统控制。本发明的新型同步基频提取滤波器，应用于滑模观测器估计得到反电势信号，对于滤波器增益ε值的选择，要兼顾滤波器的滤波效果和响应速度，一般取ε在
Figure BDA0002370909610000052
附近。跟踪频率ω0由锁相环得到，提高跟踪频率的精确度，从而提高该滤波器的滤波效果。在跟踪频率精确获取的前提下，实现滤波前后信号幅值无衰减且无相位延迟。
综上所述，本发明提供一种新型同步基频提取滤波器使滤波器频率带宽只受ε值的影响，与中心频率ω0无关，提升系统动态性能，同时消除输入高频谐波，提取基波分量，实现无相移滤波功能，从而提高控制精度，解决滤波器延迟的问题，克服现有同步频率跟踪滤波器存在品质因数随着输入信号频率的波动而变化，影响系统动态特性的缺陷。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (4)

1.一种同步基频提取滤波器，其特征在于，该滤波器为一闭环控制滤波器，其包括正弦支路和余弦支路；输入端信号X(t)与输出端信号X*做差后乘上滤波器增益ε得到x(t)，x(t)乘上同步基频提取滤波器跟踪的输入信号频率ω0得到a(t)，a(t)经过正弦和余弦两个支路，其中，正弦支路由a(t)乘上参考信号sin(ω0t)得到a(t)1；a(t)1经积分环节得到b(t)1；b(t)1再与参考信号sin(ω0t)相乘得到c(t)1；余弦支路由a(t)乘上参考信号cos(ω0t)得到a(t)2；a(t)2经积分环节得到b(t)2；b(t)2再与参考信号cos(ω0t)相乘得到c(t)2；将正弦和余弦支路相加即c(t)1和c(t)2相加得到滤波器输出端信号X*，t表示时域；输出端信号X*反馈到输入端，构成完整的闭环控制。
2.根据权利要求1所述同步基频提取滤波器，其特征在于，所述同步基频提取滤波器的传递函数为：
Figure FDA0002370909600000011
其中，G(s)表示传递函数，ε表示滤波器增益，ω0表示同步基频提取滤波器跟踪的输入信号频率，s表示频域。
3.根据权利要求1所述同步基频提取滤波器，其特征在于，所述同步基频提取滤波器的幅频特性为：
Figure FDA0002370909600000012
其中，A(ω)表示滤波器幅值，ε表示滤波器增益，ω0表示同步基频提取滤波器跟踪的输入信号频率，ω表示角频率。
4.根据权利要求1所述同步基频提取滤波器，其特征在于，所述同步基频提取滤波器的品质因数为：
Figure FDA0002370909600000013
其中，Q表示品质因数，ε表示滤波器增益。
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