滤波器在电力电子控制环路中稳定性的分析

摘要：电力电子装置系统的开关噪声对控制环路的影响是显著的，反馈信号受到噪声的干扰之后，控制器无法准确采样输出变量（电压或电流），因此需要在在反馈环路添加滤波器对采样值进行滤波。由于滤波器存在相位滞后的问题，给系统带来不稳定的风险。本文针对添加滤波器之后的环路采用频域的分析方法进行分析，并提出稳定系统的方法。

关键词：噪声、滤波、稳定

噪声在电力电子系统是普遍存在的，由于电力电子的开关在切换的瞬间，产生比较大的dv/dt，使得装置的输出受到噪声的污染。控制系统的采样装置把噪声采样之后，由于噪声的种类多，频谱比较广，采样装置要求输入信号的频率必须小于采样频率的一半，如果输入信号的频率超过采样频率的一半，会使得各频率成分产生混叠，导致采样得到的值偏离正确的值，使得控制系统无法准确判断输出的正确值。由于滤波器存在相位滞后的问题，给系统带来不稳定的风险。本文针对添加滤波器之后的环路采用频域的分析方法进行分析，并提出稳定系统的方法。

一阶低通滤波器的幅频特性为在3-db频率之前增益为常量，3-db频率之后以10db/decade 的斜率下降，而相频特性为其最大的相位滞后为90°。当其应用在控制环路时，开环的环路增益和原来相比，则是乘上滤波器的传递函数Fs。 新的环路增益相比未加入滤波器之前，相位滞后90度，如果控制对象的传递函数相频特性相移超过90°，根据经典控制原理，该系统不稳定。加入滤波器之前和加入滤波器之后的反馈控制框图如图1和图2所示。

usGPSsysGPWMsPIDs

图 1

usGPSsysFsGPWMsPIDs

图 2

由控制框图知，图一的环路增益TsGPSGPWMGPID，图二的环路增益为

TsGPSGPWMGPIDF。若F的相位滞后过大，系统的相位裕度会比图一的低，

会使得系统闭环不稳定。若要使系统在闭环时稳定，则需要增加一超前环节

HLead(s)位于控制器GPIDs后，提升系统的相位裕度。添加超前环节后，系统的

控制框图如图3所示。

usGPSsysGPWMsFsHLeadsPIDs

图 3

经过修改之后的控制系统，HLead(s)环节最大可以提供90°的超前相移，用于抵消滤波环节Fs的滞后相移，系统的相位裕度大大提升，也即提升了系统的稳定性。