某伺服PWM驱动系统中低通功率滤波电路优化设计

 摘 要：伺服系统是控制系统的重要组成部分。其中，PWM功率放大器是通过低通功率滤波电路连接直流力矩电动机，该滤波电路的性能对整个系统能否正常工作起着非常关键的作用。基于某伺服PWM驱动系统，使用Excel宏编写的功率设计软件，分析并构建了相应的巴特沃斯分割电感低通功率滤波电路，通过使用Multisim电路仿真软件的方式分析和验证了该优化设计的有效性与可行性。
关键词：PWM；SA03；低通功率滤波电路；功率设计软件；MuItisim

    某伺服系统根据其应用需求，采用SA03作为功率放大器。要求其在0～10 V的控制信号作用下，能够驱动25 V，20 A的直流电动机负载。因此滤波电路的稳定与效率对伺服系统的性能有着直接影响。SA03是高度集成的PWM功率放大器件，若作为PWM驱动系统必须设计相应的滤波电路。滤波电路的优化设计要充分考虑到SA03的技术特点和该伺服系统的应用环境。

1 PWM系统的拓扑结构
    如图1所示，PWM(脉冲宽度调制)放大器是一个复杂的系统，系统的核心是高度非线性调制和解调，它包含了极点和零点以及高次谐波和次谐波选择的问题。低通功率滤波电路在系统中主要起两个作用。
    (1)对PWM输出信号进行调制，首先PWM模块将输入信号转换成对时间进行调制而幅度等于电源电压的脉冲信号，PWM模块内的全桥放大器一般都利用反相锁存调制，当一个输出为高，另一个输出总是低。假如50％占空比，则意味着开关频率的每个周期内高和低的时间相等，脉冲信号必须通过低通功率滤波电路解调后，才能到达负载端其信号值为零。
    (2)低通功率滤波电路抑制通过时间调制的方波载波信号，在滤波电路的输出端上可以得到远低于PWM开关频率的负载载波信号，事实上占空比不断变化的PWM信号参杂了很多高频毛刺成分，会严重干扰反馈电路的参数，同时过高的载波频率可能会损坏负载本身。

2 PWM低通功率滤波电路的拓扑结构
2．1 低通功率滤波电路的结构选择
    PWM滤波电路通常是一个低通滤波器。不同类型的低通滤波器都有各自的优缺点，因此一般采用折衷的原则设计最佳的滤波器。主要特点是：通频带的平坦度、衰减率，相对于频率的相位移，常见的有巴特沃斯、切比雪夫及贝塞耳滤波器。相比之下，巴特沃斯滤波器在通频带上有一个很好的平滑的响应曲线，而且在截止频率以外有很好的衰减率，元件的变化对性能没有很大的影响，因此它是一个性能比较好而且常用的滤波器，所以在设计中采用巴特沃斯滤波器。
    以往关于滤波电路的设计，由于计算量大，过程复杂，往往既繁琐又费时，还很可能得到一些不常见、不容易得到的器件结果。由于该系统采用的SA03作为脉冲宽度调制放大器，因此在设计中采用功率设计软件以减少工作量，提高效率。Power Design是一个基于Microsoft Office Excel电子表格软件，该软件被广泛应用到此设计中。
2．2 低通功率滤波电路的参数设定
    如图2所示，该PWM(SA03)驱动的负载为一个电动机，根据应用要求在功率设计软件中，输入相应的数据，该电动机电枢可等效为电阻(Rload)7 Ω和电感(Lload)100μH相串联的负载网络；驱动负载信号最大电压为25 Vpk;SA03电源电压(Vs)可通过软件中的PWM Power表格分析设置合适的值，为28．5 V；由于SA03开关频率Fsw为22．5 kHz，根据采样定理，开关频率与截止频率保持10分频，而信号频率和截止频率保持2分频；DC的频率一般可以认为是10 Hz，所以最小信号频率Fmin设置为O．01 kHz，最大信号频率Fmax设置为1 kHz，这两个信号频率的设定同时也决定着随后频率扫描的范围值，截止频率Futoff设置为2 kHz；在开关频率上的纹波峰值电压Vripple为0.05 V。

    如图3所示，功率设计软件自动计算在开关频率下最大纹波和电源电压比值，并转换成dB衰减比，然后根据开关频率和截止频率的数值，计算出滤波电路级数的推荐值，并采取四舍五入的方法求整N(recommended)。紧接着计算匹配网络(Matching Network)的相关数值，目的是使滤波电路输出端原来的电抗性负载现转换为阻性负载。图3提供了3种滤波电路拓扑结构的参数值，分别是双电容滤波电路拓扑结构、单端接地滤波电路拓扑结构和分割电感滤波电路拓扑结构。如图4所示，该设计采用的是分割电感滤波电路拓扑结构。

    如图5所示，由于实际所使用的电容类型不同可以导致寄生参数有所不同，可能会影响到滤波电路的输出响应，所以必须根据实际使用的电容类型，设置相应精确的寄生参数值，图5中寄生参数值采用的是默认塑料电容参考值。

3 PWM功率滤波电路性能分析
    当所有PWM功率滤波电路参数设置合理后，软件根据先前所设置的信号频率范围进行频率扫描，其结果可提供进一步的性能分析。
    如图6所示，图6(a)是Fmax设置为1 kHz的频率扫描图像，该滤波大约在0．72 kHz处出现尖峰，这是由于设置了匹配网络而造成的，若取消匹配网络则峰值消失，但滤波电路的终端需为纯阻性负载，否则滤波电路的输出响应不再是常数。图 6(b)是当Fmax重新设置为1．5 kHz的频率扫描图像。图6(c)是l．5 kHz取消匹配网络的滤波衰减波特图，此时虽无峰值，然而由于负载呈电抗性，1 kHz的衰减值已不是常数。

    如图7所示，以交流方式分析总体效率与频率关系，效率即输出有效功率与输入有效功率之比，在扫描频率段内效率仅2％的变化，大部分频带内仍有86．7％以上的效率。其中60 Hz左右的效率骤降是由于直流峰值功率向交流有效值功率的瞬态改变而引起的数学计算差。

    如图8所示，随着频率增加，负载上的视在功率增加的比例不大，通过其他图表的研究，发现增加是由于负载上的电流和电压随着频率有所增加，如果对最终输出有很大影响的话，可以在电路中设置一个简单的可调增益来补偿该点。

    如图9所示，软件可以通过频率扫描分析计算各元件的应力值，图中显示了C1的3个峰值电压，电容上的压差是24．77pk，接地电容的峰值电压是26． 64 V和1．86 V。在这个设计中C1无需双极性电容，但在某些设计中，峰值可能会出现负值，此时必须使用双极性电容。
    如图10所示，滤波电路会带来相位移。当反馈信号直接从PWM放大器的输出端采样时这常不是问题，然而在该伺服平台设计中，反馈从滤波电路后面取，会引入相位移，影响系统的相角裕度，图10显示了负载中电压和电流的相位移，如果对最终输出有很大影响的话，可以增加Fmax和Fcutoff的分频比例，相位移将会减小，除此之外减小滤波电路的级数也会减小相位移。

4 Multisim环境下的SPICE仿真
    如图11所示，根据功率设计软件中的低通功率滤波电路元件参数值，在NI公司的MuItisim 10的环境下构建其相应的电路模型。

    通过功率设计软件和电路仿真软件，从图12和图13可以清晰地发现，在截至频率2 kHz处，未加寄生参数值的电路模型比加入默认塑料电容寄生参数值的电路模型有O．5 dB的误差值。这也充分表明了功率设计软件所使用Excel宏仿真分析与NI公司的Multisim环境下的Spice模型仿真分析，它们具有共性可互为依托。

    若用于工业成品的仿真设计，势必要根据元件手册中的真实值，并通过选用合理的模型结构，同时要加入准确的寄生参数，否则可能导致最终设计结果与仿真结果有所出入。

5 结 语
    实际上由于脉冲宽度调制放大系统中的低通功率滤波电路对频率的敏感性，导致必须要反复进行修改，同时有目的根据折中原则更改一些电路参数，以提高低通功率滤波电路的部分性能，此外要根据实物类型设置合理并准确的寄生参数，以最终到达优化设计的目的。