一种新型对称式功率滤波器网络结构及其参数设计方法技术

本发明专利技术公开了一种新型对称式功率滤波器网络结构，其包含：一对电感

【技术实现步骤摘要】
一种新型对称式功率滤波器网络结构及其参数设计方法
本专利技术涉及微小型数字化伺服系统
，具体涉及一种新型对称式功率滤波器网络结构及其参数设计方法。
技术介绍
小型化是伺服控制器发展的必然趋势，传统的模拟式伺服控制器以其较高的稳定性能获得了广泛应用，随着伺服控制系统性能指标要求的不断提高，模拟控制策略不再能满足精度要求，首先它不利于先进控制算法的应用，再者模拟元器件的尺寸和功耗较大，无法满足伺服控制器尺寸小型化的需求，基于以上原因，数字化控制已成为必然趋势。在数字控制系统中，脉宽调制(PWM)驱动方式以其发热小、效率高的优势获得了广泛应用。虽然PWM驱动系统中在有效地减少电流脉动量，改善波形系数，减小功率损耗，提高系统低速平稳性的同时，但是开关噪声的频带宽、幅度大、辐射强，给系统带来严重的干扰，特别是在小空间内，直接影响到系统的可靠性、稳定性、品质指标。双极性PWM电机驱动系统中，输出到电机两端的是一对互补对称的方波，如图1所示，图中UD为电机电源电压，Uag为电机两端的平均电压的直流分量。所谓双极性PWM功率驱动系统是指，在单电源条件下，采取H桥式驱动方式，控制电机正反转。PWM功率驱动电路输入到电机两端的平均电压如式(1)所示，是直流电压与一系列高频电压之和。直流电压由占空比决定，如式(2)所示，交流电压与频率相关，频率越高，幅值越小。由于调制频率远高于电机开关频率是电机频带的几百～上千倍，高频交流电压完全被电机衰减，对电机起作用的是直流分量。Uag＝(2γ-1)UD式中：γ为占空比，fk为开关频率，Uan为与占空比和阶次n相关交流分量。PWM功率驱动对系统性能造成的恶劣影响得到了国内外学者的重视，由于PWM功率驱动系统连接到电机两端的是一对互补对称的方波，所以其拓扑结构必须是一个对称的拓扑结构。专利“一种LCL滤波的三相PWM整流器三环控制方法”(201110327903.7)提出了一种LCL滤波器，但是这种滤波器的应用场合为三相PWM整流器，功耗也相对比较高。专利“基于PWM逆变器的LC滤波器”(201320709945.1)提出了一种LC形式的多级滤波器，结构相对复杂。美国Glenn研究院的学者在“FilteringandControlofHighSpeedMotorCurrentinaFlywheelEnergyStorageSystem”一文提出了一种多级滤波器的设计方案，采用分割电感法的多级LCR滤波器，如图2所示，这种方案结构复杂，虽然可以获得一定的抑制效果，但是其功耗和尺寸偏大，不满足小型化的要求，同时也增加了设计难度。清华大学李海霞教授在“高精度惯导平台低噪声PWM功率驱动装置设计”一文提出了一种简化的滤波网络，但是实际中功耗较大，而且对于高频噪声抑制效果差。综上，目前双极性PWM驱动系统中所涉及的滤波器，存在结构复杂、设计难度大、成本高及体积大的缺点，无法在狭小空间下使用，不利于伺服控制器小型化的发展趋势。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种新型对称式功率滤波器网络结构及其参数设计方法，不仅要降低双极性PWM驱动系统中的电磁噪声，提高伺服系统的稳定性，而且要具有结构简单、可靠性高、体积小、低成本以及设计容易的优点。为了达到上述目的，本专利技术通过以下技术方案实现：一种新型对称式功率滤波器网络结构，其特征是，包含：一对电感L1，其输入端分别连接PWM驱动系统的一对输出端，用于确定系统带宽；第一电容C1，用于调节系统阻尼防止谐振，其一端连接其中一个电感L1的输出端；电阻R1，用于调节系统阻尼防止谐振，其一端连接所述第一电容C1的另一端，另一端连接另一个电感L1的输出端；一对第二电容C2，用于建立系统参考地吸收高频噪声，该一对第二电容C2串联形成串联电路，且串联点接地，该串联电路两端分别连接一对电感L1的输出端；第三电容C3，两端分别连接一对电感L1的输出端以及电机负载的一对输入端。上述的新型对称式功率滤波器网络结构，其中：2L1/R1<<R1C1，C2<<C3，2L1<<La，其中，La为电机负载的电机电感值。上述的新型对称式功率滤波器网络结构，其中：C2≤0.1μF。上述的新型对称式功率滤波器网络结构，其中：PWM驱动系统开关频率处的衰减量G满足：G≥-20*lg(0.5*U纹波p-p/Ua)式中，U纹波p-p为PWM驱动系统经功率滤波器网络滤波后的电机输入电压的纹波幅度，Ua为滤波器网络最大输入电压值。一种新型对称式功率滤波器网络结构的参数设计方法，其特征是，包含以下步骤：S1、根据10*f带宽≤f转折≤f开关/10确定功率滤波器网络的转折频率f转折，式中，f带宽、f开关分别为PWM驱动系统的带宽以及开关频率；S2、确定PWM驱动系统开关频率处的衰减量G≥-20*lg(0.5*U纹波p-p/Ua)，式中，U纹波p-p为PWM驱动系统经功率滤波器网络滤波后的电机输入电压的纹波幅度，Ua为功率滤波器网络最大输入电压值；S3、确定功率滤波器网络的下降斜率K，K≤G/lg(f开关/f转折)；S4、确定功率滤波器网络中的C2；S5、确定功率滤波器网络中的L1；S6、根据C3＝π/(2*L1*f带宽)确定功率滤波器网络中的C3；S7、根据Ra≤R1≤5*Ra确定功率滤波器网络中的R1，式中，Ra为电机负载的电阻值；S8、根据C1>10L1/R12确定功率滤波器网络中的C1；S9、根据选定参数，计算最终功率滤波器网络的传递函数式中，Ui为功率滤波器网络输入电压，Ua为功率滤波器网络最大输入电压值。本专利技术与现有技术相比具有以下优点：1、设计简单：该对称式滤波网络可以等效为一个二阶滤波器，参数设计容易，可以实现快速设计。2、低成本：该对称式滤波网络仅采用2个功率电感，1个功率电阻，4个滤波电容，可以实现低成本。3、小型化：本滤波网络结构简单，占用空间小，经过集成后，可以进一步压缩体积，完全满足小型化的需求。4、稳定性好：实验证实，本滤波网络结构在长时间高低温环境试验及振动试验下仍可稳定运行。附图说明图1为现有技术中的PWM驱动系统双极性占空比图；图2为现有技术中的分割式电感滤波器拓扑结构；图3为本专利技术的功率滤波器网络拓扑结构。具体实施方式以下结合附图，通过详细说明一个较佳的具体实施例，对本专利技术做进一步阐述。如图3所示，一种新型对称式功率滤波器网络结构，其特征在于，包含：一对电感L1，其输入端分别连接PWM驱动系统的一对输出端，用于确定系统带宽；第一电容C1，用于调节系统阻尼防止谐振，其一端连接其中一个电感L1的输出端；电阻R1，用于调节系统阻尼防止谐振，其一端连接所述第一电容C1的另一端，另一端连接另一个电感L1的输出端；一对第二电容C2，用于建立系统参考地吸收高频噪声，该一对第二电容C2串联形成串联电路，且串联点接地，该串联电路两端分别连接一对电感L1的输出端；第三电容C3，两端分别连接一对电感L1的输出端以及电机负载的一对输入端。图中，电机的电感值为La，电机的电阻值为Ra，由于该滤波网络采用对称式结构，所以可以将该滤波网络等效成对称式的滤波网络。如图3，在电路系统中s＝jω,若电感值为L，则其阻抗即为Ls,若电容值为C，则其阻抗为设定Ua本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种新型对称式功率滤波器网络结构，其特征在于，包含：一对电感L

【技术特征摘要】
1.一种新型对称式功率滤波器网络结构，其特征在于，包含：一对电感L1，其输入端分别连接PWM驱动系统的一对输出端，用于确定系统带宽；第一电容C1，用于调节系统阻尼防止谐振，其一端连接其中一个电感L1的输出端；电阻R1，用于调节系统阻尼防止谐振，其一端连接所述第一电容C1的另一端，另一端连接另一个电感L1的输出端；一对第二电容C2，用于建立系统参考地吸收高频噪声，该一对第二电容C2串联形成串联电路，且串联点接地，该串联电路两端分别连接一对电感L1的输出端；第三电容C3，两端分别连接一对电感L1的输出端以及电机负载的一对输入端。2.如权利要求1所述的新型对称式功率滤波器网络结构，其特征在于：2L1/R1<<R1C1，C2<<C3，2L1<<La，其中，La为电机负载的电机电感值。3.如权利要求2所述的新型对称式功率滤波器网络结构，其特征在于：C2≤0.1μF。4.如权利要求1所述的新型对称式功率滤波器网络结构，其特征在于：PWM驱动系统开关频率处的衰减量G满足：G≥-20*lg(0.5*U纹波p-p/Ua)式中，U纹波p-p为PWM驱动系统经...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹培培，陈峻山，孙高，吴雄君，
申请(专利权)人：上海无线电设备研究所，
类型：发明
国别省市：上海,31