某伺服PWM驱动系统中低通功率滤波电路优化设计

摘 要：伺服系统是控制系统的重要组成部分。其中，PWM功率放大器是通过低通功率滤波电路连接直流力矩电动机，该滤波电路的性能对整个系统能否正常工作起着非常关键的作用。基于某伺服PWM驱动系统，使用Excel宏编写的功率设计软件，分析并构建了相应的巴特沃斯分割电感低通功率滤波电路，通过使用Multisim电路仿真软件的方式分析和验证了该优化设计的有效性与可行性。
关键词：PWM；SA03；低通功率滤波电路；功率设计软件；MuItisim

某伺服系统根据其应用需求，采用SA03作为功率放大器。要求其在0～10 V的控制信号作用下，能够驱动25 V，20 A的直流电动机负载。因此滤波电路的稳定与效率对伺服系统的性能有着直接影响。SA03是高度集成的PWM功率放大器件，若作为PWM驱动系统必须设计相应的滤波电路。滤波电路的优化设计要充分考虑到SA03的技术特点和该伺服系统的应用环境。

1 PWM系统的拓扑结构
如图1所示，PWM(脉冲宽度调制)放大器是一个复杂的系统，系统的核心是高度非线性调制和解调，它包含了极点和零点以及高次谐波和次谐波选择的问题。低通功率滤波电路在系统中主要起两个作用。
(1)对PWM输出信号进行调制，首先PWM模块将输入信号转换成对时间进行调制而幅度等于电源电压的脉冲信号，PWM模块内的全桥放大器一般都利用反相锁存调制，当一个输出为高，另一个输出总是低。假如50％占空比，则意味着开关频率的每个周期内高和低的时间相等，脉冲信号必须通过低通功率滤波电路解调后，才能到达负载端其信号值为零。
(2)低通功率滤波电路抑制通过时间调制的方波载波信号，在滤波电路的输出端上可以得到远低于PWM开关频率的负载载波信号，事实上占空比不断变化的PWM信号参杂了很多高频毛刺成分，会严重干扰反馈电路的参数，同时过高的载波频率可能会损坏负载本身。

2 PWM低通功率滤波电路的拓扑结构
2．1 低通功率滤波电路的结构选择
PWM滤波电路通常是一个低通滤波器。不同类型的低通滤波器都有各自的优缺点，因此一般采用折衷的原则设计最佳的滤波器。主要特点是：通频带的平坦度、衰减率，相对于频率的相位移，常见的有巴特沃斯、切比雪夫及贝塞耳滤波器。相比之下，巴特沃斯滤波器在通频带上有一个很好的平滑的响应曲线，而且在截止频率以外有很好的衰减率，元件的变化对性能没有很大的影响，因此它是一个性能比较好而且常用的滤波器，所以在设计中采用巴特沃斯滤波器。
以往关于滤波电路的设计，由于计算量大，过程复杂，往往既繁琐又费时，还很可能得到一些不常见、不容易得到的器件结果。由于该系统采用的SA03作为脉冲宽度调制放大器，因此在设计中采用功率设计软件以减少工作量，提高效率。Power Design是一个基于Microsoft Office Excel电子表格软件，该软件被广泛应用到此设计中。
2．2 低通功率滤波电路的参数设定
如图2所示，该PWM(SA03)驱动的负载为一个电动机，根据应用要求在功率设计软件中，输入相应的数据，该电动机电枢可等效为电阻(Rload)7 Ω和电感(Lload)100μH相串联的负载网络；驱动负载信号最大电压为25 Vpk;SA03电源电压(Vs)可通过软件中的PWM Power表格分析设置合适的值，为28．5 V；由于SA03开关频率Fsw为22．5 kHz，根据采样定理，开关频率与截止频率保持10分频，而信号频率和截止频率保持2分频；DC的频率一般可以认为是10 Hz，所以最小信号频率Fmin设置为O．01 kHz，最大信号频率Fmax设置为1 kHz，这两个信号频率的设定同时也决定着随后频率扫描的范围值，截止频率Futoff设置为2 kHz；在开关频率上的纹波峰值电压Vripple为0.05 V。