CN114460842B - 数字有源emi滤波控制系统模型及其建模方法 - Google Patents

数字有源emi滤波控制系统模型及其建模方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种数字有源EMI滤波控制系统模型，其特征在于：包括依次连接的传递函数GC、传递函数GDAC、传递函数GRFT、传递函数GOP及传递函数Gcom_net，传递函数Gcom_net连接传递函数Gse，传递函数Gse连接传递函数GADC；本发明还公开了数字有源EMI滤波控制系统模型的建模方法，采用本发明能够用来评价数字有源EMI滤波控制系统的稳定性能。

Description

数字有源EMI滤波控制系统模型及其建模方法
技术领域
本发明属于电力电子系统的电磁兼容技术领域，涉及一种数字有源EMI滤波控制系统模型，本发明还涉及上述模型的建模方法。
背景技术
随着电力电子系统在各个行业的广泛应用和快速发展，电力电子系统的传导电磁干扰越来越严重，对这样的传导电磁干扰的抑制或滤波成为一个行业问题。传统的无源EMI滤波器体积大、功耗大，抑制效果不理想，数字有源EMI滤波技术成为超小体积、超低功耗的新兴的滤波技术。但是，这个数字有源EMI滤波技术缺失从自动控制理论角度出发的滤波控制系统模型，所以，根本不能对数字有源EMI滤波系统的自动控制性能进行描述，也无法预测自动控制作用下的滤波效果。所以，本发明从控制性能角度出发，发明了一种数字有源EMI滤波控制系统模型及其建模方法，可以描述数字有源EMI滤波控制系统的自动控制性能和滤波效果。
另外，数字有源EMI滤波器的稳定性也很重要，如果数字有源EMI滤波系统不稳定，不仅对开关功率变换器的传导电磁干扰没有滤波效果，反而会增大被滤波开关功率变换器的电磁干扰，使得开关功率变换器不能正常工作，或者影响同一电路中的其它周围电子设备的工作性能。目前缺失一个能够评价数字有源EMI滤波系统稳定性的数学模型，用以评价数字有源EMI滤波控制系统的稳定性能。
发明内容
本发明的目的是提供一种数字有源EMI滤波控制系统模型，采用该模型能够用来评价数字有源EMI滤波控制系统的稳定性能。
本发明所采用的第一种技术方案是，数字有源EMI滤波控制系统模型，包括依次连接的传递函数GC、传递函数GDAC、传递函数GRFT、传递函数GOP及传递函数Gcom_net，传递函数Gcom_net连接传递函数Gse，传递函数Gse连接传递函数GADC；
其中，传递函数GADC为ADC模数转换模块中传递函数；传递函数Gse是电流检测传感器的传递函数；Gcom_net为EMI噪声源和EMI敏感单元并联的等效回路的传递函数；GOP为放大器模块中的传递函数；传递函数GRFT为射频变压器的传递函数；传递函数GDAC为数模转换模块的传递函数；传递函数GC数字控制器的传递函数。
本发明采用的第二种技术方案是，数字有源EMI滤波控制系统模型的建模方法，具体包括如下步骤：
步骤1，采用如下公式(1)确定数字控制器中的传递函数GC；
其中，KP为比例系数；KI为积分系数；s为复频率变量；
步骤2，采用如下公式(2)确定DAC数模转换模块的传递函数GDAC，若DAC数模转换模块采用n1位的DAC芯片，参考电压位则：
步骤3，确定射频变压器的传递函数GRFT；
步骤4，采用如下公式(3)确定放大器模块的传递函数GOP：
步骤5，采用如下公式(4)确定EMI噪声源和EMI敏感单元并联的等效回路的传递函数Gcom_net：
步骤6，确定数字有源EMI控制系统检测电路的传递函数Gse，设传感器的变比为nsense，则：
Gse＝1/nsense (5)；
步骤7，确定ADC模数转换模块的传递函数GADC，若ADC数模转换模块采用n2位的DAC芯片，参考电压位则：
步骤8，建立数字有源EMI滤波控制系统的稳定性数学模型；
步骤9，采用如下公式(7)确定无有源EMI滤波器时的电流衰减GNF；
步骤10，采用如下公式(8)确定带有有源EMI滤波器时干扰源INS作用下的电流衰减为：
进而得出：
步骤11，采用如下公式(10)求数字有源EMI滤波器的滤波性能数学模型：
步骤8的具体过程为：从闭环控制系统中，将系统环路中的每个增益相乘就可以得到数字有源EMI滤波控制系统的稳定性数学模型GStable：
步骤11中，采用如下公式(12)确定数字有源EMI滤波器的电流衰减GCA_DAEF：
步骤11中，采用如下公式(13)确定被滤波的干扰电流：
本发明的有益效果是，本发明从控制性能角度出发，发明了一种数字有源EMI滤波控制系统模型及其建模方法，可以描述数字有源EMI滤波控制系统的自动控制性能和滤波效果。从数字有源EMI滤波器稳定性能的角度出发，发明了一种数字有源EMI滤波控制系统稳定性模型及其建模方法，可以描述和评价数字有源EMI滤波控制系统稳定性能。
附图说明
图1为本发明中电流检测电流注入的数字有源EMI滤波器的原理图；
图2为本发明中数字有源EMI滤波控制系统模型图；
图3为本发明中无有源EMI滤波器时干扰电流源INS作用下的电磁干扰电路图；
图4为本发明中带有有源EMI滤波器时干扰源INS作用下的电磁干扰电路图；
图5为本发明中数字有源EMI滤波器中放大器产生的注入电压源VOP_O作用下的电磁干扰电路图；
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明提供一种数字有源EMI滤波控制系统模型，
图1是电流检测电流注入的数字有源EMI滤波器原理图，图中可以分为三部分，分别是EMI噪声源、电流检测电流注入单元以及EMI敏感单元。
其中，EMI噪声源由噪声源电流INS和噪声源阻抗ZNS_P并联形成，EMI敏感单元中有电磁干扰的负载阻抗ZVL。
电流检测电流注入单元中间包含ADC模数转换模块、数字控制器(FPGA/DSP)模块、DAC数模转换模块、射频变压器模块和放大器模块，放大器模块由放大器G和等效电压源VOP_O。
电流检测电流注入的数字有源EMI的滤波过程是：先对被滤波的干扰电流Ian_daef进行检测，获得检测电流Isence，通过ADC模数转换模块将模拟信号转化为数字信号，然后将转化后的数字信号传送给数字控制器进行自动控制算法控制，控制后的信号送DAC数模转换模块，DAC数模转换模块将转换后的信号送射频变压器，经过射频隔离变压后，送放大器模块，放大后形成注入电压源VOP_O，在这个注入电压作用下，形成注入电流Icancel。
图2为本发明数字有源EMI滤波控制系统模型，图中Iref是数字有源EMI控制系统的给定电流，是在数字控制器(FPGA/DSP)中数字控制算法中的给定，一般情况下，这个给定电流Iref设置为0A，表示EMI控制系统的目标是抵消被抑制的电磁干扰到0A；Isence是数字有源EMI滤波控制系统的检测电流；Ian_daef是被滤波的干扰电流；Icancel是放大器在输出电压作用下产生的注入电流。
GC是数字控制器(FPGA/DSP)的传递函数；GDAC是DAC数模转换模块的传递函数；GRFT是射频变压器的传递函数；GOP是放大器模块的传递函数；Gcom_net是EMI噪声源和EMI敏感单元并联的等效回路的传递函数；Gse是数字有源EMI控制系统检测电路的传递函数；GADC是ADC模数转换模块的传递函数。
图3是无有源EMI滤波器时干扰电流源INS作用下的电磁干扰电路图，电流源INS给噪声源阻抗ZNS_P和电磁干扰的负载阻抗ZVL供电。在负载阻抗ZVL上产生的电流为InF_n。
图4是带有有源EMI滤波器时干扰源INS作用下的电磁干扰电路图，电流源INS给噪声源阻抗ZNS_P、电磁干扰的负载阻抗ZVL及注入电路阻抗Zinj并联的电路供电。在负载阻抗ZVL上产生的电流为Ian_1。
图5是数字有源EMI滤波器中放大器产生的注入电压源VOP_O作用下的电磁干扰电路图，注入电压源VOP_O先经过注入电路阻抗Zinj然后给噪声源阻抗ZNS_P和电磁干扰的负载阻抗ZVL并联电路供电。在负载阻抗ZVL上产生的电流为Ian_2。
本发明中数字有源EMI滤波控制系统模型的建模方法，具体步骤如下：
步骤1，建立图2的数字有源EMI滤波控制系统模型。
根据图1的电流检测电流注入的数字有源EMI滤波器的原理图建立图2的数字有源EMI滤波控制系统模型。其中Iref是数字有源EMI控制系统的给定电流，是在数字控制器(FPGA/DSP)中数字控制算法中的给定，一般情况下，这个给定电流Iref设置为0A，表示EMI控制系统的目标是抵消被抑制的电磁干扰到0A；Isence是数字有源EMI滤波控制系统的检测电流，这个检测电流是检测传感器输出的电流；Ian_daef是被滤波的干扰电流，是干扰源电流INS作用下产生的；Icancel是放大器输出电压VOP_O作用下产生的注入电流。
GC是数字控制器(FPGA/DSP)的传递函数；GDAC是DAC数模转换模块的传递函数；GRFT是射频变压器的传递函数；GOP是放大器模块的传递函数；Gcom_net是EMI噪声源和EMI敏感单元并联的等效回路的传递函数；Gse是数字有源EMI控制系统检测电路的传递函数；GADC是ADC模数转换模块的传递函数。
步骤2，确定图2中数字控制器(FPGA/DSP)的传递函数GC。
GC是数字控制器(FPGA/DSP)随着编写程序不断变化的控制算法或者策略的传递函数。如果只用最简单的算法，GC＝1，如果用比例积分控制器，其中，KP为比例系数，KI为积分系数。
步骤3，确定图2中DAC数模转换模块的传递函数GDAC，如果DAC数模转换模块采用n1位的DAC芯片，参考电压位则/>
步骤4，确定图2中射频变压器的传递函数GRFT，射频变压器主要是隔离作用，所以其传递函数可为GRFT＝1，实际上在高频情况下，其传递函数做不到全频段为1，可以根据射频放大器技术手册中的阻抗曲线，采用曲线拟合的方式获取。
步骤5，确定图2中放大器模块的传递函数GOP，GOP可以由以下公式确定：
其中：Gop_amp是放大器的开环传递函数、Zmo是放大器的开环输出阻抗，其值可以在放大器的技术手册中查到、R1是闭环反馈的输入电阻、R2是闭环反馈的反馈电阻。
步骤6，确定图2中EMI噪声源和EMI敏感单元并联的等效回路的传递函数Gcom_net。Gcom_net的表示为图5中在负载阻抗ZVL上产生的电流为Ian_2与电压源VOP_O的比值，可得：
步骤7，确定图2中数字有源EMI控制系统检测电路的传递函数Gse。Gse是电流检测传感器的传递函数，设传感器的变比为nsense，则Gse＝1/nsense。
步骤8，确定图2中ADC模数转换模块的传递函数GADC，如果ADC数模转换模块采用n2位的DAC芯片，参考电压位则/>
步骤9，建立数字有源EMI滤波控制系统的稳定性数学模型。从图2的闭环控制系统中，把系统环路中的每个增益相乘就可以得到数字有源EMI滤波控制系统的稳定性数学模型GStable：
步骤10，确定无有源EMI滤波器时的电流衰减GNF。按照图3无有源EMI滤波器时干扰电流源INS作用下的电磁干扰电路图，可以得出无有源EMI滤波器时的电流衰减GNF：
步骤11，确定图4中带有有源EMI滤波器时干扰源INS作用下的电流衰减为：
进而得出
步骤12，根据步骤6得出从图1中可以看出VOP_O＝GOPGRFTGDACGC(Iref-GADCGseIan_daef)，其中，Iref是数字有源EMI控制系统的给定电流，取0A，即有：
VOP_O＝-GOPGRFTGDACGCGADCGseIan_daef。
步骤13，根据步骤11得出的和步骤12得出的可以得出:
步骤14，根据步骤13可以得出数字有源EMI滤波器的电流衰减GCA_DAEF：
步骤15，得出数字有源EMI滤波器的滤波性能数学模型：

Claims (2)

1.数字有源EMI滤波控制系统模型的建模方法，其特征在于：具体包括如下步骤：
步骤1，采用如下公式(1)确定数字控制器中的传递函数GC；
其中，KP为比例系数；KI为积分系数；s为传递函数，GC是原函数经过拉普拉斯变换后的表达式；
步骤2，采用如下公式(2)确定DAC数模转换模块的传递函数GDAC，若DAC数模转换模块采用n1位的DAC芯片，参考电压位U ref1，则：
步骤3，确定射频变压器的传递函数GRFT；
步骤4，采用如下公式(3)确定放大器模块的传递函数GOP：
其中：Gop_amp是放大器的开环传递函数、Zmo是放大器的开环输出阻抗，R1是闭环反馈的输入电阻、R2是闭环反馈的反馈电阻；
步骤5，采用如下公式(4)确定EMI噪声源和EMI敏感单元并联的等效回路的传递函数Gcom_net：
其中：Gcom_net是EMI噪声源和EMI敏感单元并联的等效回路的传递函数、VOP_O是电压源的电压，Ian_2是负载阻抗ZVL上产生的电流，ZNS_P是噪声源阻抗、ZVL是负载阻抗、Zinj是注入电路阻抗；
步骤6，确定数字有源EMI控制系统检测电路的传递函数Gse，设传感器的变比为nsense，则：
Gse＝1/nsense (5)；
步骤7，确定ADC模数转换模块的传递函数GADC，若ADC数模转换模块采用n2位的DAC芯片，参考电压位则：
步骤8，建立数字有源EMI滤波控制系统的稳定性数学模型；
所述步骤8的具体过程为：从闭环控制系统中，将系统环路中的每个增益相乘就可以得到数字有源EMI滤波控制系统的稳定性数学模型GStable：
其中：GStable是数字有源EMI滤波控制系统的稳定性数学模型、传递函数Gse是电流检测传感器的传递函数、传递函数GC数字控制器的传递函数、GOP为放大器模块中的传递函数、Gcom_net为EMI噪声源和EMI敏感单元并联的等效回路的传递函数、ZNS_P是噪声源阻抗、ZVL是负载阻抗、Zinj是注入电路阻抗；
步骤9，采用如下公式(8)确定无有源EMI滤波器时的电流衰减GNF；
其中：InF_n是在无有源EMI滤波器时干扰电流源INS作用下负载阻抗负载ZVL上产生的电流、ZNS_P是噪声源阻抗、ZVL是负载阻抗、Zinj是注入电路阻抗；
步骤10，采用如下公式(9)确定带有有源EMI滤波器时干扰源INS作用下的电流衰减为：
进而得出：
其中：Ian_1负载阻抗ZVL上产生的电流为、ZNS_P是噪声源阻抗、ZVL是负载阻抗、Zinj是注入电路阻抗；
步骤11，采用如下公式(11)求数字有源EMI滤波器的滤波性能数学模型：
其中：InF_n是在无有源EMI滤波器时干扰电流源INS作用下负载阻抗负载ZVL上产生的电流、Ian_daef是被滤波的干扰电流、GDAC是DAC数模转换模块的传递函数；GRFT是射频变压器的传递函数；GOP是放大器模块的传递函数、Gse是数字有源EMI控制系统检测电路的传递函数；GADC是ADC模数转换模块的传递函数、GC是数字控制器的传递函数、ZNS_P是噪声源阻抗、ZVL是负载阻抗、Zinj是注入电路阻抗；
所述步骤11中，采用如下公式(12)确定数字有源EMI滤波器的电流衰减GCA_DAEF：
2.根据权利要求1所述的数字有源EMI滤波控制系统模型的建模方法，其特征在于：所述步骤11中，采用如下公式(13)确定被滤波的干扰电流：
GDAC是DAC数模转换模块的传递函数；GRFT是射频变压器的传递函数；GOP是放大器模块的传递函数、Gse是数字有源EMI控制系统检测电路的传递函数；GADC是ADC模数转换模块的传递函数、ZNS_P是噪声源阻抗、ZVL是负载阻抗、GC是数字控制器的传递函数、Zinj是注入电路阻抗。
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