濾波技術(shù)

濾波器的衰減是有限的，逆變器IGBT開關(guān)產(chǎn)生的開關(guān)噪聲會通過濾波器。本部分探討幫助從電流反饋中消除開關(guān)噪聲的技術(shù)。如果電機由電壓源逆變器利用標(biāo)準(zhǔn)空間矢量調(diào)制(SVPWM6)驅(qū)動，則相電流噪聲頻譜的特征將是邊帶以開關(guān)頻率整數(shù)倍為中心分布。例如，若使用10 kHz開關(guān)頻率，則在n × 10 kHz周圍會有高噪聲電平(n為整數(shù))。典型頻譜如圖10中的綠色曲線所示。這些邊帶會在電流反饋中引入噪聲，因此需要予以有效衰減。

sinc濾波器的極點和零點位置由抽取率和調(diào)制頻率決定。這說明，用戶可以自由地調(diào)諧濾波器頻率響應(yīng)以便最好地支持應(yīng)用。三階sinc濾波器的幅度響應(yīng)如圖10中紫色曲線所示。同預(yù)期一樣，幅度在較高頻率時縮小，但幅度也有特征陷波頻率；在這些頻率，衰減趨近無限大。陷波頻率由調(diào)制器時鐘和抽取率決定：

如果陷波頻率與相電流頻譜的邊帶相同，就能非常有效地衰減逆變器開關(guān)噪聲。舉個例子，考慮逆變器開關(guān)頻率fsw為10 kHz，ADC調(diào)制器時鐘fM為8 MHz，抽取率DR為800。這樣，陷波頻率為n × 10 kHz，響應(yīng)如圖10所示。注意每個邊帶是如何被陷波衰減的。

圖10. 相電流功率頻譜(綠色)和sinc濾波器幅度響應(yīng)(紫色)

sinc濾波器的某些硬件實現(xiàn)方案不支持高抽取率，因而無法將極點/零點置于PWM頻率。另外，與高抽取率相關(guān)的濾波器群延遲可能也是無法接受的。在圖10所示例子中，800的抽取率和8 MHz的調(diào)制頻率產(chǎn)生的延遲為150 μs。

另一種方法是讓sinc濾波器以較低抽取率運行，然后在軟件中對數(shù)據(jù)進(jìn)行后期處理。仍然假設(shè)fsw = 10 kHz且fM = 8 MHz，一種可能的方法是讓硬件sinc濾波器以200的抽取率運行，因此，數(shù)據(jù)速率為8 MHz/200 = 40 kHz。這一數(shù)據(jù)速率對電機控制算法而言太高，可以引入一個軟件濾波器，將數(shù)據(jù)速率降至10 kHz。這種濾波器的一個例子就是抽取率為4(相當(dāng)于4個樣本的移動平均值)的一階sinc濾波器。其配置如圖11所示。

圖11. 硬件和軟件sinc濾波器組合

硬件濾波器以高于控制算法需要的速率輸出數(shù)據(jù)，因此，軟件濾波器給信號增加的延遲非常小，遠(yuǎn)小于直接使用硬件濾波器進(jìn)行抽取以降低至控制算法更新速率這種情況下的延遲。此外，sinc1濾波器仍會在相電流頻譜的所有邊帶處設(shè)置一個陷波頻率。故而，對逆變器產(chǎn)生的開關(guān)噪聲進(jìn)行有效衰減的優(yōu)勢仍然存在。

濾波技術(shù)可以與分離反饋路徑方法一起使用。由于硬件和軟件sinc濾波器組合提供非常高的衰減，但會給電流反饋帶來一定的延遲，因此濾波技術(shù)最適合于I路徑。

實現(xiàn)和測試

本文所述的概念已在ADI公司的一個400 V電機控制平臺上得到實現(xiàn)和驗證，如圖12所示。電源板提供110 VAC/230 VAC通用輸入電壓、boost功率系數(shù)校正以及5 AMPS額定連續(xù)電流的三相IGBT逆變器。電機為帶遞增編碼器反饋的Kollmorgen AKM22三相PM伺服電機。用于電流反饋的Σ-Δ ADC為AD7403。Σ-Δ ADC與處理器ADSP-CM408直接接口，后者內(nèi)置sinc濾波器，支持本文所述的技術(shù)。更多信息請參閱文獻(xiàn)7。

圖12. 用于評估的硬件平臺

結(jié)論

盡管缺少明確定義的采樣時刻，但Σ-Δ轉(zhuǎn)換可用來測量電機電流而不會有混疊效應(yīng)。本文所述技術(shù)可將sinc濾波器對PWM信號的脈沖響應(yīng)正確對齊。

以PI控制器為例，本文說明可以調(diào)諧兩個并聯(lián)sinc濾波器來滿足控制算法的要求，從而改善帶寬和穩(wěn)態(tài)性能。

最后，本文討論了如何精心定位sinc濾波器零點以幫助消除電流反饋中的開關(guān)噪聲。所有這些概念都在一臺驅(qū)動永磁電機的400V逆變器上得到了實現(xiàn)和驗證。

參考文獻(xiàn)
1 應(yīng)用筆記AN-283，Σ-Δ型ADC和DAC，ADI公司。
2 Eugene B Hogenauer，“用于抽取和插值的經(jīng)濟(jì)型數(shù)字濾波器”，IEEE聲學(xué)、語音與信號處理論文集，1981年4月。
3 ADSP-CM40x數(shù)據(jù)手冊。
4 Christoph Klarenbach、Jens Onno Krah和Heiko Schmirgel。“基于空間矢量調(diào)制的伺服驅(qū)動用快速魯棒電流控制器的設(shè)計”，PCIM Europe，2011年。
5 Jens Onno Krah，“帶多通道反饋的閉環(huán)控制方法和閉環(huán)控制設(shè)備”，US 20100141198 A1。
6 Joachim Holtz，“脈寬調(diào)制調(diào)查”，IEEE工業(yè)電子論文集，第39卷。
7 Flex MC電機控制平臺。

作者簡介
Jens Sorensen是ADI公司應(yīng)用工程師，負(fù)責(zé)工業(yè)應(yīng)用的電機控制解決方案。他的主要興趣在于控制算法、電源電子和控制處理器。