某伺服PWM驅動(dòng)系統中低通功率濾波電路優(yōu)化設計

摘 要：伺服系統是控制系統的重要組成部分。其中，PWM功率放大器是通過(guò)低通功率濾波電路連接直流力矩電動(dòng)機，該濾波電路的性能對整個(gè)系統能否正常工作起著(zhù)非常關(guān)鍵的作用?；谀?a class="contentlabel" href="http://dyxdggzs.com/news/listbylabel/label/伺服">伺服PWM驅動(dòng)系統，使用Excel宏編寫(xiě)的功率設計軟件，分析并構建了相應的巴特沃斯分割電感低通功率濾波電路，通過(guò)使用Multisim電路仿真軟件的方式分析和驗證了該優(yōu)化設計的有效性與可行性。
關(guān)鍵詞：PWM；SA03；低通功率濾波電路；功率設計軟件；MuItisim

某伺服系統根據其應用需求，采用SA03作為功率放大器。要求其在0～10 V的控制信號作用下，能夠驅動(dòng)25 V，20 A的直流電動(dòng)機負載。因此濾波電路的穩定與效率對伺服系統的性能有著(zhù)直接影響。SA03是高度集成的PWM功率放大器件，若作為PWM驅動(dòng)系統必須設計相應的濾波電路。濾波電路的優(yōu)化設計要充分考慮到SA03的技術(shù)特點(diǎn)和該伺服系統的應用環(huán)境。

1 PWM系統的拓撲結構
如圖1所示，PWM(脈沖寬度調制)放大器是一個(gè)復雜的系統，系統的核心是高度非線(xiàn)性調制和解調，它包含了極點(diǎn)和零點(diǎn)以及高次諧波和次諧波選擇的問(wèn)題。低通功率濾波電路在系統中主要起兩個(gè)作用。
(1)對PWM輸出信號進(jìn)行調制，首先PWM模塊將輸入信號轉換成對時(shí)間進(jìn)行調制而幅度等于電源電壓的脈沖信號，PWM模塊內的全橋放大器一般都利用反相鎖存調制，當一個(gè)輸出為高，另一個(gè)輸出總是低。假如50％占空比，則意味著(zhù)開(kāi)關(guān)頻率的每個(gè)周期內高和低的時(shí)間相等，脈沖信號必須通過(guò)低通功率濾波電路解調后，才能到達負載端其信號值為零。
(2)低通功率濾波電路抑制通過(guò)時(shí)間調制的方波載波信號，在濾波電路的輸出端上可以得到遠低于PWM開(kāi)關(guān)頻率的負載載波信號，事實(shí)上占空比不斷變化的PWM信號參雜了很多高頻毛刺成分，會(huì )嚴重干擾反饋電路的參數，同時(shí)過(guò)高的載波頻率可能會(huì )損壞負載本身。

2 PWM低通功率濾波電路的拓撲結構
2．1 低通功率濾波電路的結構選擇
PWM濾波電路通常是一個(gè)低通濾波器。不同類(lèi)型的低通濾波器都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，因此一般采用折衷的原則設計最佳的濾波器。主要特點(diǎn)是：通頻帶的平坦度、衰減率，相對于頻率的相位移，常見(jiàn)的有巴特沃斯、切比雪夫及貝塞耳濾波器。相比之下，巴特沃斯濾波器在通頻帶上有一個(gè)很好的平滑的響應曲線(xiàn)，而且在截止頻率以外有很好的衰減率，元件的變化對性能沒(méi)有很大的影響，因此它是一個(gè)性能比較好而且常用的濾波器，所以在設計中采用巴特沃斯濾波器。
以往關(guān)于濾波電路的設計，由于計算量大，過(guò)程復雜，往往既繁瑣又費時(shí)，還很可能得到一些不常見(jiàn)、不容易得到的器件結果。由于該系統采用的SA03作為脈沖寬度調制放大器，因此在設計中采用功率設計軟件以減少工作量，提高效率。Power Design是一個(gè)基于Microsoft Office Excel電子表格軟件，該軟件被廣泛應用到此設計中。
2．2 低通功率濾波電路的參數設定
如圖2所示，該PWM(SA03)驅動(dòng)的負載為一個(gè)電動(dòng)機，根據應用要求在功率設計軟件中，輸入相應的數據，該電動(dòng)機電樞可等效為電阻(Rload)7 Ω和電感(Lload)100μH相串聯(lián)的負載網(wǎng)絡(luò )；驅動(dòng)負載信號最大電壓為25 Vpk;SA03電源電壓(Vs)可通過(guò)軟件中的PWM Power表格分析設置合適的值，為28．5 V；由于SA03開(kāi)關(guān)頻率Fsw為22．5 kHz，根據采樣定理，開(kāi)關(guān)頻率與截止頻率保持10分頻，而信號頻率和截止頻率保持2分頻；DC的頻率一般可以認為是10 Hz，所以最小信號頻率Fmin設置為O．01 kHz，最大信號頻率Fmax設置為1 kHz，這兩個(gè)信號頻率的設定同時(shí)也決定著(zhù)隨后頻率掃描的范圍值，截止頻率Futoff設置為2 kHz；在開(kāi)關(guān)頻率上的紋波峰值電壓Vripple為0.05 V。