TWI274470B - Apparatus and method for digital control systems - Google Patents

Description

(i) 1274470 A、發明說明 (發明說ί應敘明：發明所屬之技術領域、先前技術、内容、實施方式及圖式簡單說明） 技術領域 本發明係廣泛關於一種用於數位控制系、统的裝置及方 法。具體而言，本發明係關於一種用於數位控制系統的裝 置及方法，例如，用於數位控制型功率放大器系統、數位 控制型馬達控制系統等等’用以最小化且抑制數位控制系 統中的極限週期行為。 先前技術 數位控制系統被運用在各種應用和系統中’例如，功率 玫大器控制（PAC)系統、馬達控制系統等等。不同於類比 控制系統，數位控制系統承受著根本上因數位動力學之非 線性性質而引發的各種問題。此一問題為極限週期。 極限週期可能是因系統的固有非線性所造成，這通常是 因數位轉類比轉換器（DAC)中執行的數量化處理程序所引 入。PAC系統中之極限週期的另一來源發生於，當功率參 考的分辨率大於類比轉數位轉換器（ADC)分辨率時。例如 ，在射頻（RF)功率放大器調節中使用之封閉迴路數位控 制系統中的DAC數量化非線性會在調變相位期間導致功 率位準的週期性行為。若未經過檢查，則週期性或循環行 為可能會非常嚴重，而造成系統未通過功率時間（powertime)及 切換和 調變輸 出射頻 （RF)頻 譜規格 ，例如 ，適 用於 行 動通信 全球 定 位 （Global System for Mobile Telecommunications ； GSM)標準的歐洲電信標準化委員會 (European Telecommunications Standardization Institute； ETSI) 1274470 ___ 發明說明續頁 1 1 · 10和 05.05 〇 由於需要更精確控制的數位控制系統，例如，精確控制 發射器功率放大器輸出以符合且遵照如GSM之分時多向 近接（Time Division Multiple Access ; TDMA)系統，所以需 要一種用於最小化且抑制極限週期行為的裝置及方法，以 滿足數位控制系統之標準需求。 發明内容 根據本發明，本發明提供一種如申請專利範圍第1項之 用於控制一數位系統之輸出的裝置，以及如申請專利範圍 第8項之用於控制一數位系統之輸出的方法。 實施方式 不同於類比控制系統，數位控制系統承受著因數位動力 學之非線性性質而引發的各種問題，例如，極限週期。諸 如數位控制系統之數位系統中的極限週期是自發型非線 性系統的自行持續週期性馬達。諸如數位控制系統之系統 (例如，功率放大器及多模式功率放大器控制）最終會導致 系統無法通過規格需求。這項非線性會從各種來源而導入 數位系統，.例如.，在數位控制系統中，會因數位轉類比轉 換器（DAC)的數量化處理程序而導入非線性。 圖1顯示根據本發明一項具體實施例之封閉迴路數位控 制系統1 0及方法的圖式。封閉迴路數位控制系統1 0可包含 波形產生器1 2，用於將一含有控制器錯誤e(n)的參考功率 值信號r(n) 40供應至控制器1 8。例如，控制器可能是二項 控制器（即，比例積分（proportional and integral ; PI)控制器） 1274470 __ (3) 發明說明讀頁 ，藉由方程式（8〇 + 812-1)/(1-2-1)(其中§〇 = 1^ + 1^且§1 = -1^)，控制器 的比例增k kp和積分增益k/分別表示PROP增益go和ERR增 益g i。控制器1 8在控制器輸出端將一控制或偏壓信號u(n) 46提供給具有以（l-zj/s表示之線性作用的DAC 20，其會因 為藉由對功率放大器子系統3 4之未滤波控制或偏壓信號 ύ(ΐ) 48所表示的數量化處理程序，而將數量化非線性導入 至系統1 0。功率放大器子系統3 4提供一功率放大器輸出信 號Ρ。50，這是從負回授端子1 4所回授且減去的信號。功率 偵測器2 8測量功率位準50。應明白，雖然圖中描繪出功率 放大器子系統3 4，但是其他組態可包含任何數位迴路，例 例如且不限於數位馬達控制、數位處理控制（包括如溫度 、流量、流向等等）及數位引擎管理單元（如制動恆溫控制 )° 在圖1中，圖中所示的功率放大器子系統3 4具有一已濾 波控制或偏壓信號u(t) 49，這是從濾波器2 2供應至功率放 大器24的信號。功率放大器輸出信號P。50被回授的方式為 ，通過定向耦合器26(具有耦合器增益kc&且提供定向耦 合器功率輸出信號Pc 52)、功率偵測器28(具有高效率偵測 器增益kd並且提供電壓輸出信號vd(t) 54)、消除鋸齒濾波 器3 0(提供已濾波電壓輸出信號vd(t) 56)及類比轉數位轉 換器（ADC) 32(提供結果數位編碼信號vd(n) 58，這是在負 回授端子14從參考功率值信號40減去的信號）。 圖1所示之用於控制功率放大器2 4之輸出的數位控制系 統1 0還包含有意圖的非線性構件N(e) 1 6。如上文所述，極 1274470 厂_ 發明說明續頁 元。 如圖2所示，DAC 20的有效增益等於線性增益，這使迴 路處於最低限度穩定，即，極限增益ku 60。圖2顯示DAC 20 之最低有效位元（lsb)之輸入誤差相對於DAC 20有效增益的 標繪圖，圖中的不穩定區域6 4高於極限增益6 0，而穩定區 域6 2低於極限增益6 0。針對這項特殊實施，圖中的6 0在相 當於X軸約0.125處交叉於增益曲線63，以決定DAC輸入編 碼極限週期的振幅。在循環期間，輸入至DAC 20的輸入編 碼4 6是具有如X軸所標示的振幅。請注意，實際的數值為 實例且僅供解說用途而呈現。關鍵動力在於，非線性的有 效增益會隨著輸入誤差遞減而趨向於無限，超過極限增益 ，因此產生不穩定增益6 4範圍、極限增益6 0及穩定增益6 2 範圍。循環頻率被稱為極限頻率，並且僅僅是迴路具有-1 80。相位響應的頻率。請注意，甚至系統1 〇中出現極限週 期的情況_下，仍然可符合系統規格。當在穩定狀態下DAC 20以（例如）振幅1 lsb的循環輸入信號（即，控制器1 8輸出控 制或偏壓信號u(n) 49)時，位於功率放大器24輸出端50上的 循環振幅將取決於介於偏壓或控制信號與功率放大器輸 出電壓之間的增益。如果這個增益被維持在足夠低（取決 定其他迴路參數，例如，功率設定等等），則維持可符合 規格需求，例如，適用於行動通信全球定位（G丨obal System for Mobile Telecommunications ; GSM)標準的歐洲電信標準化 委員會（European Telecommunications Standardization Institute ； ETSI) 11· l〇和0 5.05。即，功率放大器24輸出端50仍然存在 1274470 _ 發明說明續頁 將非線性錯誤死區域導入至錯誤信號4 2，但是可在迴路中 的任何位置導入任何類型的非線性，並且仍然解決與抑制 系統中極限週期的相關問題。圖5所示之標繪圖的基本特 徵呈現出，當輸入編碼變化趨向於零時，組合或複合增益 遞減。於是，當迴路穩定且控制器編碼變化趨向於零時， 組合增益也趨向於零，因此允許系統迴路處於D C穩定狀 態。圖5中還描繪出，當編碼誤差遞減至零以下時，複合 增益遞減至零，而呈現出極限週期被抑制。一般而言，應 明白，只需要將複合增益遞減至極限增益以下，而不需要 遞減至零。實際上，然而基於簡化目的，將增益遞減至零 會更容易。請參考圖2和圖5，圖中呈現有誤差增益的差異 低於1 lsb。例如，圖2中的增益趨向於無限，而圖5中的增 益趨向於零。另外，圖5中的大幅信號增益（例如，編碼誤 差）極大於1 lsb，而維持不變，即，趨向於一（unity)。 應明白，雖然前面已說明本發明的特定具體實施例，但 是熟習此項技術者可進行各種修改或改良，而不會脫離本 發明的範缚。 圖式簡單說明 現在參考附圖，藉由實例來詳細說明本發明的具體實施 例，附圖中： 圖1顯示根據本發明一項具體實施例之封閉迴路數位控 制糸統及方法的圖式； 圖2顯示根據本發明一項具體實施例，數位轉類比轉換 器之最低有效位元之輸入誤差相對於數位轉類比轉換器 -13 - 1274470 _ / (9) 發明說明續頁 ；\ 中有效增益的標繪圖； _ 圖3顯示根據本發明一項具體實施例之功率放大器控制 增益極限的標繪圖； 圖4顯示根據本發明一項具體實施例之錯誤死區域非線 ， 性的圖形；以及 λ 圖5顯示根據本發明一項具體實施例，在最低有效位元 _ 中錯誤之輸入誤差期間，錯誤死區域與數位轉類比轉換器 之有效增益響應的圖式。 ® 圖式代表符號說明 10 封 閉 迴 路 數 位 控 制 系 統 12 波 形 產 生 器 1 8 控 制 器 40 參 考 功 率 值 信 號 r(n) 46 控· 制 或 偏 壓 信 號 U (η) 20 數 位 轉 類 比 轉 換 器 (DAC) 34 功 率 放 大 器 子 系 統 48 未 濾 波 控 制 或 偏 壓 信 號 ύ(ί) Ρ〇50 功 率 放 大 器 輸 出 率 信 號Ρ〇 28 功 率 偵 測 器 49 已 濾 波 控 制 或 偏 壓 信 號 u(t) 22 、息 波 器 24 功 率 放 大 器 28 功 率 偵 測 器 30 去 頻 疊 濾 波 器 -14- 1274470 (10) 發明說明續頁 32 類. 比 轉 數 位 轉 換 器（ADC) 54 電· 壓 輸 出 信 號 vd 丨⑴ 56 已 濾、 波 電 壓 輸 出 信號 vd(t) 5 8 結 果 數 位 編 碼 信 號vd l(n) 60 最 終 增 益 j 50 輸 出 端 16 非 線 性 構 件 或 極 限週 期抑制器

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Claims (1)

1. Ι274|?βΐ35835號專利申請案 ---- 中文申請專利範圍替換本(94年I2月）日修(更)正替換頁 拾、申請專利範圍 1. 一種用於控制一數位系統之輸出之裝置，其包括： 一極限週期來源元件，用於接收該數位系統的一輸入 信號，並且使用一具有一第一有效增益的錯誤信號，以 將一第一非線性導入至該系統，以及 一極限週期抑制器，用於使用極限抑制器信號以將一 第二非線性導入該系統，該第二非線性具有一為該第一 Φ 有效增益之反向的第二有效增益，以提供一具有一在一 預先決定範圍内之複合增益的輸出信號，其中該第二非 線性係選自一預先決定範圍内，該預先決定範圍係選自 該第一有效增益之反向增益的範圍。 2. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中該數位系統進一步 包含一具有一輸入信號及輸出信號的功率放大器，其中 該功率放大器之輸出信號具有在該預先決定範圍内的 該複合增益。 g 3 .如申請專利範圍第1項之裝置，其中該複合增益實質上 是零。 4.如申請專利範圍第1項之裝置，其中該極限週期來源元 件是一數位轉類比轉換器。 5 .如申請專利範圍第1項之裝置，其中該數位系統是一數 位封閉迴路。 6 .如申請專利範圍第1項之裝置，其中該第二非線性是一 錯誤死區域。 1274470 If r曰修(更)正替換頁 7 · —種用於控制一數位系統之輸出之方法，其包括下列步 驟： 在一極限週期來源元件處接收該數位系統的一輸入 信號，以使用一具有一第一有效增益的錯誤信號，將一 第一非線性導入至該系統；以及 從一極限週期抑制器使用極限抑制器信號以將一第 二非線性導入該系統，該第二非線性具有一為該第一 有效增益之反向的第二有效增益，以提供一具有一在 一預先決定範圍内之複合增益的輸出信號，其中該第馨 二非線性係選自一預先決定範圍内，該預先決定範圍 取決於該第一有效增益之反向增益的範圍。 8.如申請專利範圍第7項之方法，其中該數位系統進一步 包含一控制步驟，用以控制在該數位系統中之具有一輸 入信號及輸出信號之功率放大器的輸出信號，其中該功 率放大器的該輸出信號具有在該預先決定範圍内的該 複合增益。

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