本發(fā)明涉及數(shù)字控制系統(tǒng)信號(hào)處理領(lǐng)域，具體是指一種用于pwm數(shù)字控制的過采樣即時(shí)信號(hào)處理方法。

背景技術(shù)：

數(shù)字控制主要是借助數(shù)字計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)的，在計(jì)算機(jī)控制技術(shù)發(fā)展的初期，計(jì)算機(jī)處理數(shù)據(jù)的速度較低，一般都采用單次采樣控制技術(shù)，即信號(hào)采樣、控制規(guī)律運(yùn)算及控制量輸出三個(gè)步驟在同一個(gè)采樣周期內(nèi)相繼完成，也即信號(hào)采樣頻率等于控制頻率。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)以及a/d轉(zhuǎn)換器處理信息的速度已經(jīng)有了極大的提高，采樣頻率可以大大增加。很多情況下，被控對(duì)象(例如pwm電路中的功率開關(guān)器件)的速度已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于計(jì)算機(jī)的信息處理速度。以基于電流pwm閉環(huán)控制的并網(wǎng)逆變器為例，計(jì)算機(jī)完成信號(hào)采樣和控制規(guī)律運(yùn)算的時(shí)間小于8微秒，大功率igbt管的最佳開關(guān)頻率約為10khz(周期為100微秒)。這就意味著，在一個(gè)pwm電流控制周期內(nèi)，可以對(duì)信號(hào)進(jìn)行多次采樣和運(yùn)算，也即是過采樣。

現(xiàn)有的過采樣信號(hào)處理技術(shù)主要是過采樣平均法，即在一個(gè)控制周期內(nèi)，對(duì)信號(hào)多次采樣，取平均值作為本次控制周期的信號(hào)采樣值。過采樣平均法可使采樣環(huán)節(jié)的頻帶加寬，并能完全濾除pwm載波及其諧波的干擾，在實(shí)際的數(shù)字控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。

申請(qǐng)?zhí)枮閏n201710172918.8的發(fā)明專利申請(qǐng)，提出了一種過采樣平均預(yù)測方法，該方法兼具過采樣平均法和差分預(yù)測法的優(yōu)點(diǎn)，但該方法要求采樣頻率是pwm載波頻率的偶數(shù)倍，采樣頻率的選擇受到較大的限制，而且在計(jì)算奇次采樣平均值和偶次采樣平均值時(shí)，分別只利用了一半的采樣數(shù)據(jù)，抑制pwm諧波干擾的能力減弱。

在pwm控制周期一定的情況下，如果能進(jìn)一步改進(jìn)過采樣信號(hào)處理方法，擴(kuò)展控制系統(tǒng)的頻帶寬度，將推進(jìn)計(jì)算機(jī)控制理論特別是pwm控制技術(shù)的發(fā)展，也會(huì)帶來良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，提出一種能大幅提高信號(hào)頻帶寬度并能完全濾除pwm載波干擾的過采樣即時(shí)信號(hào)處理方法。

一種用于pwm數(shù)字控制的采樣信號(hào)處理方法，包含信號(hào)采樣處理單元和pwm比較單元，信號(hào)采樣頻率是pwm載波頻率的n倍，n為大于1的整數(shù)，信號(hào)采樣處理單元在每個(gè)采樣周期內(nèi)，依次選取當(dāng)前周期的采樣值x(0)及此前周期的采樣值x(-1)，x(-2)，……，x(-m+1)，x(-m)，共m+1個(gè)，m為大于1的整數(shù)，確定用于控制規(guī)律運(yùn)算的采樣等效值，并計(jì)算pwm控制量和輸出pwm控制量，pwm比較單元根據(jù)載波特性在特殊時(shí)間點(diǎn)接收由信號(hào)采樣處理單元輸出的最新的pwm控制量，舍棄多余的pwm控制量，其特征在于按以下方式確定用于控制規(guī)律運(yùn)算的采樣等效值y：

y＝(1/m+k)*x(0)+x(-1)/m+x(-2)/m+…+x(-m+1)/m-k*x(-m)

其中k為大于0的常數(shù)。由于k在上述算式中代表了即時(shí)預(yù)測作用的大小，不妨稱其為預(yù)測系數(shù)。

經(jīng)過簡單的數(shù)學(xué)運(yùn)算，上述算法又可寫為：

y＝(x(0)+x(-1)+x(-2)…+x(-m+1))/m+k*(x(0)-x(-m))

上式的第一項(xiàng)，是傳統(tǒng)的過采樣平均，保持了傳統(tǒng)過采樣平均的優(yōu)點(diǎn)，具有較寬的頻帶，對(duì)特定干擾頻率有很強(qiáng)的抑制作用。上式的第二項(xiàng)是利用即時(shí)采樣值x(0)和x(-m))進(jìn)行微分預(yù)測，可減小系統(tǒng)延遲，擴(kuò)展頻帶寬度。本方法可稱為過采樣平均即時(shí)預(yù)測法。

上述方法要求采樣頻率是pwm載波頻率的整數(shù)倍(n)，在計(jì)算機(jī)處理速度允許的情況下，n盡量取最大值。n越大，系統(tǒng)延遲越小，對(duì)干擾頻率的抑制能力越強(qiáng)。

上述方法中，pwm比較單元根據(jù)載波特性在特殊時(shí)間點(diǎn)接收由信號(hào)采樣處理單元輸出的最新的pwm控制量，實(shí)現(xiàn)方案有3種：①在pwm載波開始上升的時(shí)刻接收最新的pwm控制量，②在pwm載波開始下降的時(shí)刻接收最新的pwm控制量，③在pwm載波開始上升的時(shí)刻和開始下降的時(shí)刻都接收最新的pwm控制量。前兩種方案在每個(gè)pwm周期只接收一個(gè)控制量。第三種方案在每個(gè)pwm周期接收兩個(gè)控制量，可進(jìn)一步減小系統(tǒng)延遲，改善控制性能。

上述方法中，預(yù)測系數(shù)k越大，頻帶擴(kuò)展能力越強(qiáng)。當(dāng)k超過一定的值，可使信號(hào)采樣處理單元在中頻和高頻區(qū)的幅頻特性和相頻特性上翹。系統(tǒng)信號(hào)在采樣前通常要先進(jìn)行抗混疊濾波，抗混疊濾波器屬于低通濾波器，其幅頻特性和相頻特性在中高頻區(qū)都有明顯的下垂。選擇合適的預(yù)測系數(shù)k，使信號(hào)采樣處理單元在中高頻區(qū)的頻率特性曲線上翹，和抗混疊低通濾波器的下垂特性形成互補(bǔ)，則可使控制系統(tǒng)的頻帶寬度更寬。

上述方法中，選擇m＝n，則在一個(gè)pwm周期中，剛好有n個(gè)采樣值可以用來計(jì)算平均值，可以完全濾除pwm載波及諧波干擾，且不會(huì)引入額外的時(shí)間延遲，使控制性能最佳。

上述方法中，選擇m＝a*n，a為大于1的整數(shù)，可提高抗干擾能力，特別適合在強(qiáng)干擾環(huán)境中使用。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有的優(yōu)點(diǎn)和有益效果

本發(fā)明提出的信號(hào)處理方法，兼具過采樣平均和即時(shí)預(yù)測的優(yōu)點(diǎn)。和現(xiàn)有技術(shù)相比，減小了系統(tǒng)延遲，提高了抑制pwm固有載波及其諧波干擾的能力，擴(kuò)展了系統(tǒng)的頻帶，改善了pwm閉環(huán)系統(tǒng)的高頻跟蹤能力和干擾抑制能力。特別適合在并網(wǎng)逆變器或者有源電力濾波器的電流pwm閉環(huán)控制系統(tǒng)中使用。

附圖說明

圖1是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本發(fā)明過采樣平均即時(shí)預(yù)測法一個(gè)實(shí)施例的頻率特性曲線圖。

圖3是過采樣平均法的頻率特性曲線圖。

圖4是過采樣平均預(yù)測法的頻率特性曲線圖。

具體實(shí)施方式

圖1是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。這是一個(gè)并網(wǎng)逆變器的電流pwm閉環(huán)控制系統(tǒng)(只畫出了其中的一相)，包含pwm主電路、抗混疊濾波器、pwm載波發(fā)生器、比較器、控制器和信號(hào)采樣處理單元。pwm載波發(fā)生器、比較器、控制器和信號(hào)采樣處理單元由一片tms320f28335dsp芯片通過程序和片內(nèi)硬件電路實(shí)現(xiàn)。信號(hào)采樣頻率為80khz，信號(hào)采樣處理單元，按本發(fā)明提出的過采樣平均即時(shí)預(yù)測法(其中n＝m＝8，預(yù)測系數(shù)k＝0.5)，分別對(duì)逆變器的輸出電流和輸出電壓進(jìn)行采樣并計(jì)算出電流和電壓采樣等效值，控制器根據(jù)采樣等效值計(jì)算并輸出pwm控制量，pwm控制量的輸出頻率為80khz。pwm載波為三角波，頻率為10khz，在載波開始上升的時(shí)刻和開始下降的時(shí)刻接收pwm控制量?？够殳B濾波器采用二階巴特沃斯低通濾波器，轉(zhuǎn)折頻率為20khz。抗混疊濾波器的頻率特性和信號(hào)采樣處理單元的頻率特性互補(bǔ)，使信號(hào)反饋通道具有平坦且較寬的低頻和中頻區(qū)。

圖2是本發(fā)明過采樣平均即時(shí)預(yù)測法一個(gè)實(shí)施例的頻率特性曲線圖，采樣頻率為80khz，pwm載波頻率10khz，n＝m＝8，預(yù)測系數(shù)k＝0.5。以相位誤差小于45°和幅值誤差小于3db來劃分低頻區(qū)，其頻帶寬度為6.3khz，pwm載波及諧波干擾10khz--70khz被完全濾除。

圖3是過采樣平均法的頻率特性曲線，采樣頻率為80khz，pwm載波頻率10khz。其頻帶寬度為2.2khz，pwm載波及諧波干擾10khz--70khz被完全濾除。

圖4是過采樣平均預(yù)測法的頻率特性曲線，采樣頻率為80khz，pwm載波頻率10khz。其頻帶寬度為5.3khz，pwm載波及諧波干擾10khz--30khz被完全濾除，40khz干擾被放大約20db。

由圖2至圖4可知，本發(fā)明提出的過采樣平均即時(shí)預(yù)測法，不僅兼具了過采樣平均法和過采樣平均預(yù)測法的優(yōu)點(diǎn)，且可進(jìn)一步擴(kuò)展信號(hào)的頻帶寬度。