用于PWM数字控制的过采样即时信号处理方法技术

本发明专利技术涉及数字信号处理领域，特别是用于PWM数字控制的过采样信号处理方法。随着电子技术的发展，计算机处理信息的速度已经有了极大的提高，意味着信号采样频率可以大大增加。大功率PWM电路中功率开关器件的最佳开关频率远远小于计算机允许的信号采样频率，在一个PWM控制周期内，可以对控制信号进行多次采样和运算，也即是过采样。过采样可以获得更多的系统信息，减小采样延时，提高控制系统的性能。本发明专利技术克服单次采样的缺点，结合过采样平均法和预测法的优点，提出了一种新的过采样信号处理方法，能提高信号频带宽度，抑制PWM电路固有的载波干扰，提高控制精度，改善PWM数字控制系统的瞬态响应速度和高频信号跟踪能力。

【技术实现步骤摘要】
用于PWM数字控制的过采样即时信号处理方法
本专利技术涉及数字控制系统信号处理领域，具体是指一种用于PWM数字控制的过采样即时信号处理方法。
技术介绍
数字控制主要是借助数字计算机来实现的，在计算机控制技术发展的初期，计算机处理数据的速度较低，一般都采用单次采样控制技术，即信号采样、控制规律运算及控制量输出三个步骤在同一个采样周期内相继完成，也即信号采样频率等于控制频率。随着电子技术的发展，计算机以及A/D转换器处理信息的速度已经有了极大的提高，采样频率可以大大增加。很多情况下，被控对象(例如PWM电路中的功率开关器件)的速度已经远远小于计算机的信息处理速度。以基于电流PWM闭环控制的并网逆变器为例，计算机完成信号采样和控制规律运算的时间小于8微秒，大功率IGBT管的最佳开关频率约为10kHz(周期为100微秒)。这就意味着，在一个PWM电流控制周期内，可以对信号进行多次采样和运算，也即是过采样。现有的过采样信号处理技术主要是过采样平均法，即在一个控制周期内，对信号多次采样，取平均值作为本次控制周期的信号采样值。过采样平均法可使采样环节的频带加宽，并能完全滤除PWM载波及其谐波的干扰，在实际的数字控制系统中得到了广泛的应用。申请号为CN201710172918.8的专利技术专利申请，提出了一种过采样平均预测方法，该方法兼具过采样平均法和差分预测法的优点，但该方法要求采样频率是PWM载波频率的偶数倍，采样频率的选择受到较大的限制，而且在计算奇次采样平均值和偶次采样平均值时，分别只利用了一半的采样数据，抑制PWM谐波干扰的能力减弱。在PWM控制周期一定的情况下，如果能进一步改进过采样信号处理方法，扩展控制系统的频带宽度，将推进计算机控制理论特别是PWM控制技术的发展，也会带来良好的社会效益和经济效益。
技术实现思路
本专利技术克服现有技术的缺点，提出一种能大幅提高信号频带宽度并能完全滤除PWM载波干扰的过采样即时信号处理方法。一种用于PWM数字控制的采样信号处理方法，包含信号采样处理单元和PWM比较单元，信号采样频率是PWM载波频率的N倍，N为大于1的整数，信号采样处理单元在每个采样周期内，依次选取当前周期的采样值X(0)及此前周期的采样值X(-1)，X(-2)，……，X(-M+1)，X(-M)，共M+1个，M为大于1的整数，确定用于控制规律运算的采样等效值，并计算PWM控制量和输出PWM控制量，PWM比较单元根据载波特性在特殊时间点接收由信号采样处理单元输出的最新的PWM控制量，舍弃多余的PWM控制量，其特征在于按以下方式确定用于控制规律运算的采样等效值Y：Y＝(1/M+K)*X(0)+X(-1)/M+X(-2)/M+…+X(-M+1)/M-K*X(-M)其中K为大于0的常数。由于K在上述算式中代表了即时预测作用的大小，不妨称其为预测系数。经过简单的数学运算，上述算法又可写为：Y＝(X(0)+X(-1)+X(-2)…+X(-M+1))/M+K*(X(0)-X(-M))上式的第一项，是传统的过采样平均，保持了传统过采样平均的优点，具有较宽的频带，对特定干扰频率有很强的抑制作用。上式的第二项是利用即时采样值X(0)和X(-M))进行微分预测，可减小系统延迟，扩展频带宽度。本方法可称为过采样平均即时预测法。上述方法要求采样频率是PWM载波频率的整数倍(N)，在计算机处理速度允许的情况下，N尽量取最大值。N越大，系统延迟越小，对干扰频率的抑制能力越强。上述方法中，PWM比较单元根据载波特性在特殊时间点接收由信号采样处理单元输出的最新的PWM控制量，实现方案有3种：①在PWM载波开始上升的时刻接收最新的PWM控制量，②在PWM载波开始下降的时刻接收最新的PWM控制量，③在PWM载波开始上升的时刻和开始下降的时刻都接收最新的PWM控制量。前两种方案在每个PWM周期只接收一个控制量。第三种方案在每个PWM周期接收两个控制量，可进一步减小系统延迟，改善控制性能。上述方法中，预测系数K越大，频带扩展能力越强。当K超过一定的值，可使信号采样处理单元在中频和高频区的幅频特性和相频特性上翘。系统信号在采样前通常要先进行抗混叠滤波，抗混叠滤波器属于低通滤波器，其幅频特性和相频特性在中高频区都有明显的下垂。选择合适的预测系数K，使信号采样处理单元在中高频区的频率特性曲线上翘，和抗混叠低通滤波器的下垂特性形成互补，则可使控制系统的频带宽度更宽。上述方法中，选择M＝N，则在一个PWM周期中，刚好有N个采样值可以用来计算平均值，可以完全滤除PWM载波及谐波干扰，且不会引入额外的时间延迟，使控制性能最佳。上述方法中，选择M＝A*N，A为大于1的整数，可提高抗干扰能力，特别适合在强干扰环境中使用。本专利技术与现有技术相比，具有的优点和有益效果本专利技术提出的信号处理方法，兼具过采样平均和即时预测的优点。和现有技术相比，减小了系统延迟，提高了抑制PWM固有载波及其谐波干扰的能力，扩展了系统的频带，改善了PWM闭环系统的高频跟踪能力和干扰抑制能力。特别适合在并网逆变器或者有源电力滤波器的电流PWM闭环控制系统中使用。附图说明图1是本专利技术一个实施例的结构示意图。图2是本专利技术过采样平均即时预测法一个实施例的频率特性曲线图。图3是过采样平均法的频率特性曲线图。图4是过采样平均预测法的频率特性曲线图。具体实施方式图1是本专利技术一个实施例的结构示意图。这是一个并网逆变器的电流PWM闭环控制系统(只画出了其中的一相)，包含PWM主电路、抗混叠滤波器、PWM载波发生器、比较器、控制器和信号采样处理单元。PWM载波发生器、比较器、控制器和信号采样处理单元由一片TMS320F28335DSP芯片通过程序和片内硬件电路实现。信号采样频率为80kHz，信号采样处理单元，按本专利技术提出的过采样平均即时预测法(其中N＝M＝8，预测系数K＝0.5)，分别对逆变器的输出电流和输出电压进行采样并计算出电流和电压采样等效值，控制器根据采样等效值计算并输出PWM控制量，PWM控制量的输出频率为80kHz。PWM载波为三角波，频率为10kHz，在载波开始上升的时刻和开始下降的时刻接收PWM控制量。抗混叠滤波器采用二阶巴特沃斯低通滤波器，转折频率为20kHz。抗混叠滤波器的频率特性和信号采样处理单元的频率特性互补，使信号反馈通道具有平坦且较宽的低频和中频区。图2是本专利技术过采样平均即时预测法一个实施例的频率特性曲线图，采样频率为80kHz，PWM载波频率10kHz，N＝M＝8，预测系数K＝0.5。以相位误差小于45°和幅值误差小于3dB来划分低频区，其频带宽度为6.3kHz，PWM载波及谐波干扰10kHz--70kHz被完全滤除。图3是过采样平均法的频率特性曲线，采样频率为80kHz，PWM载波频率10kHz。其频带宽度为2.2kHz，PWM载波及谐波干扰10kHz--70kHz被完全滤除。图4是过采样平均预测法的频率特性曲线，采样频率为80kHz，PWM载波频率10kHz。其频带宽度为5.3kHz，PWM载波及谐波干扰10kHz--30kHz被完全滤除，40kHz干扰被放大约20dB。由图2至图4可知，本专利技术提出的过采样平均即时预测法，不仅兼具了过采样平均法和过采样平均预测法的优点，且可进一步扩展本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于PWM数字控制的采样信号处理方法，包含信号采样处理单元和PWM比较单元，信号采样频率是PWM载波频率的N倍，N为大于1的整数，信号采样处理单元在每个采样周期内，依次选取当前周期的采样值X(0)及此前周期的采样值X(‑1)，X(‑2)，……，X(‑M+1)，X(‑M)，共M+1个，M为大于1的整数，确定用于控制规律运算的采样等效值，并计算PWM控制量和输出PWM控制量，PWM比较单元根据载波特性在特殊时间点接收由信号采样处理单元输出的最新的PWM控制量，舍弃多余的PWM控制量，其特征在于按以下方式确定用于控制规律运算的采样等效值Y：Y＝(1/M+K)*X(0)+X(‑1)/M+X(‑2)/M+…+X(‑M+1)/M‑K*X(‑M)其中K为大于0的常数。

【技术特征摘要】
1.一种用于PWM数字控制的采样信号处理方法，包含信号采样处理单元和PWM比较单元，信号采样频率是PWM载波频率的N倍，N为大于1的整数，信号采样处理单元在每个采样周期内，依次选取当前周期的采样值X(0)及此前周期的采样值X(-1)，X(-2)，……，X(-M+1)，X(-M)，共M+1个，M为大于1的整数，确定用于控制规律运算的采样等效值，并计算PWM控制量和输出PWM控制量，PWM比较单元根据载波特性在特殊时间点接收由信号采样处理单元输出的最新的PWM控制量，舍弃多余的PWM控制量，其特征在于按以下方式确定用于控制规律运算...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄洪全，潘玥，张林峰，
申请(专利权)人：广西大学，
类型：发明
国别省市：广西,45