某伺服PWM驅動系統中低通功率濾波電路優化設計

摘 要：伺服系統是控制系統的重要組成部分。其中，PWM功率放大器是通過低通功率濾波電路連接直流力矩電動機，該濾波電路的性能對整個系統能否正常工作起著非常關鍵的作用。基于某伺服PWM驅動系統，使用Excel宏編寫的功率設計軟件，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，通過使用Multisim電路仿真軟件的方式分析和驗證了該優化設計的有效性與可行性。
關鍵詞：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25 V，20 A的直流電動機負載。因此濾波電路的穩定與效率對伺服系統的性能有著直接影響。SA03是高度集成的PWM功率放大器件，若作為PWM驅動系統必須設計相應的濾波電路。濾波電路的優化設計要充分考慮到SA03的技術特點和該伺服系統的應用環境。

1 PWM系統的拓撲結構
如圖1所示，PWM(脈沖寬度調制)放大器是一個復雜的系統，系統的核心是高度非線性調制和解調，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中主要起兩個作用。
(1)對PWM輸出信號進行調制，首先PWM模塊將輸入信號轉換成對時間進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，當一個輸出為高，另一個輸出總是低。假如50％占空比，則意味著開關頻率的每個周期內高和低的時間相等，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時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開關頻率的負載載波信號，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，會嚴重干擾反饋電路的參數，同時過高的載波頻率可能會損壞負載本身。

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低通濾波器。不同類型的低通濾波器都有各自的優缺點，因此一般采用折衷的原則設計最佳的濾波器。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，所以在設計中采用巴特沃斯濾波器。
以往關于濾波電路的設計，由于計算量大，過程復雜，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)驅動的負載為一個電動機，根據應用要求在功率設計軟件中，輸入相應的數據，該電動機電樞可等效為電阻(Rload)7 Ω和電感(Lload)100μH相串聯的負載網絡；驅動負載信號最大電壓為25 Vpk;SA03電源電壓(Vs)可通過軟件中的PWM Power表格分析設置合適的值，為28．5 V；由于SA03開關頻率Fsw為22．5 kHz，根據采樣定理，開關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，這兩個信號頻率的設定同時也決定著隨后頻率掃描的范圍值，截止頻率Futoff設置為2 kHz；在開關頻率上的紋波峰值電壓Vripple為0.05 V。