某伺服PWM驅(qū)動系統(tǒng)中低通功率濾波電路優(yōu)化設(shè)計

摘 要：伺服系統(tǒng)是控制系統(tǒng)的重要組成部分。其中，PWM功率放大器是通過低通功率濾波電路連接直流力矩電動機(jī)，該濾波電路的性能對整個系統(tǒng)能否正常工作起著非常關(guān)鍵的作用。基于某伺服PWM驅(qū)動系統(tǒng)，使用Excel宏編寫的功率設(shè)計軟件，分析并構(gòu)建了相應(yīng)的巴特沃斯分割電感低通功率濾波電路，通過使用Multisim電路仿真軟件的方式分析和驗證了該優(yōu)化設(shè)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(shè)計軟件；MuItisim

某伺服系統(tǒng)根據(jù)其應(yīng)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(qū)動25 V，20 A的直流電動機(jī)負(fù)載。因此濾波電路的穩(wěn)定與效率對伺服系統(tǒng)的性能有著直接影響。SA03是高度集成的PWM功率放大器件，若作為PWM驅(qū)動系統(tǒng)必須設(shè)計相應(yīng)的濾波電路。濾波電路的優(yōu)化設(shè)計要充分考慮到SA03的技術(shù)特點和該伺服系統(tǒng)的應(yīng)用環(huán)境。

1 PWM系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
如圖1所示，PWM(脈沖寬度調(diào)制)放大器是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，系統(tǒng)的核心是高度非線性調(diào)制和解調(diào)，它包含了極點和零點以及高次諧波和次諧波選擇的問題。低通功率濾波電路在系統(tǒng)中主要起兩個作用。
(1)對PWM輸出信號進(jìn)行調(diào)制，首先PWM模塊將輸入信號轉(zhuǎn)換成對時間進(jìn)行調(diào)制而幅度等于電源電壓的脈沖信號，PWM模塊內(nèi)的全橋放大器一般都利用反相鎖存調(diào)制，當(dāng)一個輸出為高，另一個輸出總是低。假如50％占空比，則意味著開關(guān)頻率的每個周期內(nèi)高和低的時間相等，脈沖信號必須通過低通功率濾波電路解調(diào)后，才能到達(dá)負(fù)載端其信號值為零。
(2)低通功率濾波電路抑制通過時間調(diào)制的方波載波信號，在濾波電路的輸出端上可以得到遠(yuǎn)低于PWM開關(guān)頻率的負(fù)載載波信號，事實上占空比不斷變化的PWM信號參雜了很多高頻毛刺成分，會嚴(yán)重干擾反饋電路的參數(shù)，同時過高的載波頻率可能會損壞負(fù)載本身。

2 PWM低通功率濾波電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
2．1 低通功率濾波電路的結(jié)構(gòu)選擇
PWM濾波電路通常是一個低通濾波器。不同類型的低通濾波器都有各自的優(yōu)缺點，因此一般采用折衷的原則設(shè)計最佳的濾波器。主要特點是：通頻帶的平坦度、衰減率，相對于頻率的相位移，常見的有巴特沃斯、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很好的平滑的響應(yīng)曲線，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有很大的影響，因此它是一個性能比較好而且常用的濾波器，所以在設(shè)計中采用巴特沃斯濾波器。
以往關(guān)于濾波電路的設(shè)計，由于計算量大，過程復(fù)雜，往往既繁瑣又費時，還很可能得到一些不常見、不容易得到的器件結(jié)果。由于該系統(tǒng)采用的SA03作為脈沖寬度調(diào)制放大器，因此在設(shè)計中采用功率設(shè)計軟件以減少工作量，提高效率。Power Design是一個基于Microsoft Office Excel電子表格軟件，該軟件被廣泛應(yīng)用到此設(shè)計中。
2．2 低通功率濾波電路的參數(shù)設(shè)定
如圖2所示，該P(yáng)WM(SA03)驅(qū)動的負(fù)載為一個電動機(jī)，根據(jù)應(yīng)用要求在功率設(shè)計軟件中，輸入相應(yīng)的數(shù)據(jù)，該電動機(jī)電樞可等效為電阻(Rload)7 Ω和電感(Lload)100μH相串聯(lián)的負(fù)載網(wǎng)絡(luò)；驅(qū)動負(fù)載信號最大電壓為25 Vpk;SA03電源電壓(Vs)可通過軟件中的PWM Power表格分析設(shè)置合適的值，為28．5 V；由于SA03開關(guān)頻率Fsw為22．5 kHz，根據(jù)采樣定理，開關(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(rèn)為是10 Hz，所以最小信號頻率Fmin設(shè)置為O．01 kHz，最大信號頻率Fmax設(shè)置為1 kHz，這兩個信號頻率的設(shè)定同時也決定著隨后頻率掃描的范圍值，截止頻率Futoff設(shè)置為2 kHz；在開關(guān)頻率上的紋波峰值電壓Vripple為0.05 V。