全国大学生电子设计竞赛(二)--电源常用技术与算法
電源常用技術(shù)與算法
- 1 有效值檢波技術(shù)
- 1.1 均值檢波技術(shù)
- 1.2 峰值檢波技術(shù)
- 1.3 均方根值檢波技術(shù)
- 2 高精度采樣技術(shù)
- 2.1 AD的選擇
- 2.1.1 A/D轉(zhuǎn)換器的性能指標(biāo)
- 2.1.2 A/D轉(zhuǎn)換器的選擇
- 2.1.3 A/D轉(zhuǎn)換器的使用注意事項(xiàng)
- 2.2 采樣電路的設(shè)計(jì)
- 2.2.1 直流電壓采樣
- 2.2.2 交流電壓采樣
- 3 SPWM波調(diào)制技術(shù)
- 3.1 單極性正弦脈寬調(diào)制
- 3.2 雙極性正弦脈寬調(diào)制
- 3.3 三相正弦脈寬調(diào)制
- 3.4 正弦脈寬調(diào)制（SPWM）控制信號(hào)的生成
- 3.4.1 模擬控制方式
- 3.4.2 數(shù)字控制方式
- 4 PID算法
- 4.1 PID控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介
- 4.2 PID參數(shù)控制效果分析
- 4.3 通俗易懂的理解PID
- 4.4 數(shù)字PID控制的實(shí)現(xiàn)
- 4.4.1 位置式PID控制算法
- 4.4.2 增量式PID控制算法
- 5 數(shù)字濾波算法
- 5.1 限幅濾波
- 5.2 中值濾波
- 5.3 算術(shù)平均濾波
- 5.4 遞推平均濾波
- 5.5 中值平均濾波
- 5.6 遞推中值平均濾波
1 有效值檢波技術(shù)
1.1 均值檢波技術(shù)
??在工業(yè)中，我們常用的檢波技術(shù)主要由三種：均值檢波技術(shù)、峰值檢波技術(shù)以及均方根值檢波技術(shù)。其中，均值檢波法主要應(yīng)用于交直流轉(zhuǎn)換電路中，其主要實(shí)現(xiàn)方法是將交流信號(hào)進(jìn)行半波或者全波整流，再對(duì)整流輸出的脈動(dòng)直流信號(hào)進(jìn)行積分得到較為平緩的直流信號(hào)，最后再根據(jù)被測(cè)信號(hào)的半波整流平均值或全波整流平均值與有效值的關(guān)系即可計(jì)算出被測(cè)信號(hào)的有效值。圖2.1為均值檢波的典型電路圖：
??圖2.1為用于電流的交直流轉(zhuǎn)換電路，圖中二極管D1和D2構(gòu)成半波整流電路，二極管D2用于保持被測(cè)回路電流的連續(xù)性，并非轉(zhuǎn)換電路本身需要。當(dāng)用于測(cè)量電壓信號(hào)時(shí)，二極管D2可以省略。當(dāng)輸入處于正半周時(shí)，二極管D1導(dǎo)通，向電容C充電，微安表得到的是經(jīng)電容平滑濾波之后的直流電，當(dāng)輸入處于負(fù)半周時(shí)，電流從D2流過，二極管D1截止，電容電荷通過微安表內(nèi)阻放電，電容電壓下降。
??電容兩端的電壓波形如圖2.2所示，流過微安表的電流波形與圖2.2電壓波形相同，可見，只要輸入交流電流幅值不變，流過電流表的波形非常接近一條直線。充放電電路的時(shí)間常數(shù)越大或信號(hào)頻率越高，輸出波形越接近直線。充放電電路的時(shí)間常數(shù)越大，當(dāng)輸入電流幅值發(fā)生變化時(shí)，輸出響應(yīng)越慢。因此，均值檢波電路較適合于幅值相對(duì)穩(wěn)定或變化緩慢，而頻率較高的交流電測(cè)量。
??而峰值檢波則是對(duì)交流信號(hào)進(jìn)行半波或者全波整流，再用充電電容保持整流輸出的脈動(dòng)直流信號(hào)的峰值，得到較為平緩的直流信號(hào)。
??均值檢波電路通常采用電容充放電電路作為平均值電路，由于輸出為整流平均值，要求電容充放電時(shí)間常數(shù)相等。由圖2.1可知，電容充放電時(shí)間常數(shù)取決于微安表內(nèi)阻，充電時(shí)，微安表內(nèi)阻越大，電容越大，流過微安表的電流越小，電容充電電流越大，充電越快；放電時(shí)，微安表內(nèi)阻越大，電容越大，放電越慢。為了使充放電速度相同，因此，只有在微安表內(nèi)阻與電容符合特定關(guān)系時(shí)，才能使充放電速度相同。
??對(duì)于數(shù)字采樣的儀表，圖中微安表可用取樣電阻替代。并且一般會(huì)先將電流信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)再作轉(zhuǎn)換，電壓半波整流的均值檢波電路如圖2.3所示。
??但是，上圖存在一些問題：
??① 由于二極管存在壓降，當(dāng)測(cè)量電壓較小時(shí)，二極管壓降帶來(lái)的影響不能忽略。
??② 這是電阻電容串聯(lián)電路，并不是嚴(yán)格的平均電路。
??因此，圖2.3電路不能實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格的整流平均值，我們可以通過將變?nèi)荻O管半波整流電路采用基于精密整流的絕對(duì)值電路替代來(lái)解決第一個(gè)問題，圖2.4為實(shí)用的均值檢波電路，圖中只要去除C1，就是全波精密整流電路，本電路在A2構(gòu)成反相加法器上增加積分電容，將其變?yōu)榉聪嗉臃胺e分電路。圖中R3=2R4。
1.2 峰值檢波技術(shù)
??峰值檢波法構(gòu)建的交直流轉(zhuǎn)換電路對(duì)交流信號(hào)進(jìn)行半波或全波整流，再用充電電容保持整流輸出的脈動(dòng)直流信號(hào)的峰值，得到較平緩的直流信號(hào)，直流信號(hào)的幅值就是被測(cè)交流信號(hào)的峰值，再利用被測(cè)信號(hào)的峰值與有效值的關(guān)系即可計(jì)算出被測(cè)信號(hào)的有效值。與均值檢波技術(shù)不同的是，它利用的是被測(cè)信號(hào)的峰值而不是均值來(lái)計(jì)算有效值。
??峰值因數(shù)是指信號(hào)的峰值與有效值的比值。因此，峰值檢波法交直流轉(zhuǎn)換電路得到的測(cè)量結(jié)果需要除以峰值因數(shù)才是被測(cè)信號(hào)的有效值。
??有趣的是，峰值檢波的最簡(jiǎn)電路模型可以采用和交流電壓檢波電路一樣的模型，如圖2.5所示：
??但是實(shí)際上，峰值檢波和均值檢波還是有很多差別的，它們的最大差別在于：
??① 峰值檢波電路要求充電時(shí)間足夠短，用于窄脈沖測(cè)試的峰值檢波電路，要求在很短的時(shí)間之內(nèi)，電容可以快速充電至峰值。而放電時(shí)間相對(duì)長(zhǎng)，否則，輸出波形不夠平滑。對(duì)于正負(fù)對(duì)稱并且幅值相對(duì)穩(wěn)定的交流電而言，只要放電速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于充電速度，即使充電速度較慢，也能使輸出非常接近于峰值。
??② 均值檢波電路要求充放電時(shí)間相等，否則，得到的不是整流平均值，均值檢波電路適用于正負(fù)對(duì)稱并且幅值相對(duì)穩(wěn)定的交流電的測(cè)量。
??與均值檢波類似，在被測(cè)電壓較小時(shí)，需要消除二極管壓降帶來(lái)的誤差，我們同樣對(duì)電路進(jìn)行改進(jìn)，得到如圖2.6所示電路：
??我是紅色當(dāng)Vi大于Vo時(shí)，A1輸出正電源電壓，變?nèi)荻O管D1截止，D2導(dǎo)通，電容C迅速充電至Vi。
??我是紅色當(dāng)Vi小于Vo時(shí)，A1輸出負(fù)電源電壓，變?nèi)荻O管D1導(dǎo)通，D2截止，電容C通過電阻Rc緩慢放電。
1.3 均方根值檢波技術(shù)
??均方根值檢波技術(shù)可以用硬件方法或者軟件算法來(lái)實(shí)現(xiàn)，如果要用硬件實(shí)現(xiàn)的話，可以采用專用的真有效值轉(zhuǎn)換芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)。常用真有效值轉(zhuǎn)換芯片有AD536、AD637、LTC1966、LTC1967、LTC1968等。其用法可以參考芯片的datasheet，這里不再贅述。我們來(lái)詳細(xì)探討下軟件算法的實(shí)現(xiàn)。
??均方根值，顧名思義，就是在輸入信號(hào)的整數(shù)周期內(nèi)，對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行平方，相加平均再開方。我們采用均方根值算有效值的流程通常是先將輸入信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，再根據(jù)信號(hào)的頻率選用高速AD對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣，最后，我們將采樣值輸入FPGA或者單片機(jī)中進(jìn)行算法處理，得到信號(hào)的有效值。這里有兩點(diǎn)要特別注意：
??① 對(duì)于頻率較高的信號(hào)，我們最好選用采樣率足夠高的AD和主頻足夠高的FPGA來(lái)進(jìn)行處理，否則的話，算出來(lái)的有效值誤差會(huì)非常大。
??② 在采樣時(shí)，最好是按照周期的整數(shù)倍來(lái)進(jìn)行采樣和數(shù)據(jù)處理，如果數(shù)據(jù)處理時(shí)不是按照整數(shù)個(gè)周期來(lái)處理的話，得到的值將會(huì)是一個(gè)跳動(dòng)的數(shù)字。
流程圖如下：
??接下來(lái)，我們以FPGA為例來(lái)詳細(xì)介紹一下如何利用算法實(shí)現(xiàn)有效值的計(jì)算。
??首先，搭建一個(gè)DDS平臺(tái)來(lái)產(chǎn)生周期性累加的時(shí)鐘信號(hào)，具體代碼如下所示：
??這個(gè)時(shí)鐘產(chǎn)生模塊實(shí)際就相當(dāng)于一個(gè)分頻器，對(duì)輸入的時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行分頻，其中data_rate_square是和輸入信號(hào)頻率有關(guān)的一個(gè)量，此模塊的作用就是產(chǎn)生一個(gè)和輸入信號(hào)周期整數(shù)倍同步的一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)，以保證每次進(jìn)行數(shù)據(jù)累加處理時(shí)，單個(gè)周期內(nèi)的數(shù)據(jù)量是一定的。
??接下來(lái)，我們用時(shí)鐘信號(hào)驅(qū)動(dòng)周期平方平均模塊，模塊內(nèi)部具體實(shí)現(xiàn)如下：
??代碼很明了，就是對(duì)輸入的信號(hào)進(jìn)行平方累加，這里不再多說(shuō)。最后，我們將以上模塊輸出的累加值進(jìn)行平均和開根號(hào)：
module EFFECT_Cal(input clk,rst_n,input [47:0]EV_IN,output [13:0]EV_OUT); wire [47:0]AVE_EVIN = EV_IN/200; wire [31:0]SQ_OUT; sqrt sqrt_inst (.radical ( AVE_EVIN ),.q ( SQ_OUT ),.remainder ( remainder_sig )); assign EV_OUT = SQ_OUT; endmodule??模塊最終輸出就是要求的有效值，經(jīng)實(shí)測(cè)，用TLC3578采樣，每個(gè)周期采樣兩百個(gè)點(diǎn)進(jìn)行運(yùn)算，最終得到的有效值精度可以到小數(shù)點(diǎn)后第三位，滿足絕大部分應(yīng)用場(chǎng)景。
??綜上所述，均值檢波電路輸出結(jié)果等于被測(cè)信號(hào)有效值除以波形因數(shù)，峰值檢波電路輸出結(jié)果等于被測(cè)信號(hào)有效值乘以峰值因數(shù)，均方根檢波電路輸出結(jié)果等于被測(cè)信號(hào)有效值。三種方法各有優(yōu)劣，應(yīng)根據(jù)實(shí)際場(chǎng)景來(lái)選擇最合適的方案。
2 高精度采樣技術(shù)
??采樣對(duì)于電源設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，是極其重要的一部分，采樣精度往往決定了整個(gè)系統(tǒng)最終輸出的精度，性能以及穩(wěn)定性，因此，我們?cè)谠O(shè)計(jì)系統(tǒng)的采樣部分時(shí)，應(yīng)盡可能地高標(biāo)準(zhǔn)。要想實(shí)現(xiàn)高精度采樣，有兩點(diǎn)最重要，第一是AD的選擇，第二則是采樣電路以及濾波算法的選擇。
2.1 AD的選擇
??根據(jù)A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換原理可以把A/D轉(zhuǎn)換器分為兩大類：直接型A/D和間接型A/D。
??直接型A/D將輸入的模擬電壓通過比較直接轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。而間接型A/D轉(zhuǎn)換器，模擬電壓先被轉(zhuǎn)換為一種中間變量（像時(shí)間、頻率、脈沖等），然后再把中間量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。
??直接型A/D中應(yīng)用較為廣泛的主要有逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器、流水線A/D轉(zhuǎn)換器；間接型A/D轉(zhuǎn)換器中應(yīng)用較為廣泛的主要有雙積分A/D轉(zhuǎn)換器和V/F變換A/D轉(zhuǎn)換器。
??這節(jié)主要介紹一下A/D的性能指標(biāo)以及應(yīng)用。
2.1.1 A/D轉(zhuǎn)換器的性能指標(biāo)
??在選擇A/D轉(zhuǎn)換器的時(shí)候，要根據(jù)需要選擇性能指標(biāo)合適的A/D轉(zhuǎn)換器，這就需要我們對(duì)A/D的性能指標(biāo)有一定的了解。
??（1）分辨率
??分辨率表示輸出數(shù)字量變化一個(gè)數(shù)字量，輸入的模擬電壓的變化量，轉(zhuǎn)換器的分辨率定義為滿刻度電壓與2的n次方的比值，其中n代表A/D轉(zhuǎn)換器位數(shù)。
??（2）轉(zhuǎn)換速率
??轉(zhuǎn)換速率是指A/D轉(zhuǎn)換器完成一次數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換所需要的時(shí)間。不同的A/D的轉(zhuǎn)換時(shí)間是不一樣的，根據(jù)實(shí)際需要轉(zhuǎn)換速率合適的A/D。
??（3）量化誤差
??量化誤差是由于A/D轉(zhuǎn)換器的有限分辨率而引起的誤差。量化誤差是指量化結(jié)果和被量化模擬量的差值，顯然量化級(jí)數(shù)越多，量化的相對(duì)誤差越小。分辨率高的A/D具有較小的量化誤差。
??（4）非線性度
??非線性度是指轉(zhuǎn)換器實(shí)際的轉(zhuǎn)換曲線與理想轉(zhuǎn)換曲線的偏移，也可以稱為線性度。
??（5）偏移誤差
??偏移誤差是指輸入信號(hào)為零時(shí)，輸出信號(hào)不為零的值，也叫做零值誤差。偏移誤差通常是由A/D轉(zhuǎn)換器內(nèi)部的放大器或比較器輸入的失調(diào)電壓或電流引起的。在使用A/D轉(zhuǎn)換器前，要先將偏移誤差降到最低，有的A/D轉(zhuǎn)換器有零點(diǎn)調(diào)節(jié)的功能。
??（6）輸入電壓范圍
??A/D轉(zhuǎn)換器一般都有規(guī)定的輸入電壓范圍，使用過程中盡量不要超出范圍，因?yàn)檫@樣會(huì)造成對(duì)A/D的永久損壞。
2.1.2 A/D轉(zhuǎn)換器的選擇
??對(duì)于品種繁多、性能各異的A/D轉(zhuǎn)換器，在設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)時(shí)要按照一下幾點(diǎn)要求進(jìn)行選擇。
??（1）A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)
??A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)的確定與整個(gè)測(cè)量控制系統(tǒng)所要測(cè)量控制的范圍和精度有關(guān)。A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)至少要比總精度要求的最低分辨率高一位。雖然分辨率與轉(zhuǎn)換精度是不同的概念，但是沒有基本的分辨率就談不上轉(zhuǎn)換精度。但是，選的太高也沒有實(shí)際意義，而且會(huì)增加系統(tǒng)的成本。
??（2）確定A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率
??A/D的轉(zhuǎn)換速率從s級(jí)到ns級(jí)都有，實(shí)際應(yīng)用中根據(jù)系統(tǒng)需要選擇合適的轉(zhuǎn)換速率。像積分型的A/D轉(zhuǎn)換速率就比較慢，一般用于對(duì)溫度、壓力、流量等緩變參量的測(cè)量和控制。逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器屬于中速轉(zhuǎn)換器，常用于單片機(jī)控制系統(tǒng)、音頻采集等。FLASHA/D轉(zhuǎn)換器屬于高速轉(zhuǎn)換器，適用于雷達(dá)、數(shù)字傳輸、瞬態(tài)記錄等實(shí)時(shí)要求高的測(cè)量系統(tǒng)。
??（3）確定工作電壓和基準(zhǔn)電壓
??早期設(shè)計(jì)的集成A/D轉(zhuǎn)換器需要±15V的工作電源，現(xiàn)在的A/D轉(zhuǎn)換器大多可以在5V～12V范圍內(nèi)工作。基準(zhǔn)電壓是A/D轉(zhuǎn)換準(zhǔn)確的保證，有的A/D帶有內(nèi)部基準(zhǔn)比較方便，對(duì)于要外接基準(zhǔn)的A/D轉(zhuǎn)換器，一定要保證基準(zhǔn)電壓幅度穩(wěn)定、準(zhǔn)確。必要時(shí)使用基準(zhǔn)電壓芯片。
??（4）輸入電壓范圍
??A/D轉(zhuǎn)換器根據(jù)用途不一，輸入電壓范圍各異，選擇A/D前一定要注意輸入電壓的范圍，超范圍的電壓輸入可能會(huì)導(dǎo)致A/D轉(zhuǎn)換器的永久損壞。
2.1.3 A/D轉(zhuǎn)換器的使用注意事項(xiàng)
??A/D轉(zhuǎn)換器的啟動(dòng)一般需要外部控制啟動(dòng)轉(zhuǎn)換信號(hào)，一般由CPU提供。A/D轉(zhuǎn)換器的啟動(dòng)轉(zhuǎn)換信號(hào)一般分為兩種：脈沖控制啟動(dòng)和電平控制啟動(dòng)。對(duì)于電平控制類A/D轉(zhuǎn)換器，電平應(yīng)在轉(zhuǎn)換的全過程中保持不變，否則會(huì)中止轉(zhuǎn)換。
??在正常使用中，A/D轉(zhuǎn)換芯片可能會(huì)電流突然增大、突然發(fā)熱，這是可控硅現(xiàn)象，是所有CMOS集成電路在使用中都可能發(fā)生的現(xiàn)象。出現(xiàn)這種情況以后，要切斷電源，然后重新打開，又會(huì)回復(fù)正常工作。為防止這種現(xiàn)象發(fā)生可采取一下措施：
??（1）盡量避免較大電流干擾竄入電路；
??（2）加強(qiáng)電源穩(wěn)壓濾波措施，在A/D轉(zhuǎn)換芯片的電源入口處加去耦電路。為防止窄脈沖竄入，應(yīng)加一個(gè)高頻濾波電容（0.01μF左右）；
??（3）在A/D轉(zhuǎn)換芯片的電源端串一個(gè)100～200?的限流電阻，可在出現(xiàn)可控硅現(xiàn)象時(shí)有效地限定電流，保護(hù)芯片。
??另外現(xiàn)在使用的A/D中一般都自帶采樣保持電路，不需要外面再外接采樣保持電路。
2.2 采樣電路的設(shè)計(jì)
??說(shuō)完了AD的選擇，我們就來(lái)聊聊采樣電路的設(shè)計(jì)。在電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，AD的采樣管腳直接采樣的一般都是電壓信號(hào)，如果需要采樣電流信號(hào)，我們可以先將電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)之后再進(jìn)行采樣，而電壓采樣一般也分為兩種：直流電壓采樣和交流電壓采樣，接下來(lái)我們來(lái)分別討論這兩種采樣的電路設(shè)計(jì)。
2.2.1 直流電壓采樣
??最簡(jiǎn)單，最直接的采樣方法：判斷采樣電壓的峰值是否在AD的采樣范圍之內(nèi)，如果信號(hào)范圍和AD采樣范圍相吻合，濾波后直接送入AD采樣口進(jìn)行采樣，這里濾波可以用簡(jiǎn)單的LC或者RC濾波。如果信號(hào)的范圍超出了AD的采樣范圍，可以用電阻分壓之后再將信號(hào)送入AD采樣口進(jìn)行采樣。如果分壓之后信號(hào)幅值太小，可以用運(yùn)放將信號(hào)放大之后再送入AD采樣口采樣。典型的電路圖如圖2.8所示：
2.2.2 交流電壓采樣
??在我國(guó)，交流電的頻率一般都是50Hz，對(duì)交流電壓的采樣，我們可以先用電壓電流互感器將強(qiáng)交流信號(hào)轉(zhuǎn)化為較弱的交流信號(hào)，以方便后級(jí)采樣。這里對(duì)交流互感器的選擇也是有講究的，普通的線圈互感器只能互感交流信號(hào)，如果采樣信號(hào)是交流加上直流偏置的話，直流信號(hào)會(huì)被直接過濾掉，從而破壞信號(hào)的完整性，為了同時(shí)采集直流信號(hào)和交流信號(hào)，我們可以采用霍爾交流互感器，它可以同時(shí)互感直流和交流信號(hào)，最大程度地保證信號(hào)的完整性。然后，我們可以利用高速AD，以周期為單位采集信號(hào)的瞬時(shí)值并保存在數(shù)組里，為之后求信號(hào)有效值值或者峰值做準(zhǔn)備，這里以求信號(hào)有效值為例，我們可以用FPGA搭建一個(gè)DDS信號(hào)發(fā)生器或者買一個(gè)DDS發(fā)生器模塊，使得DDS信號(hào)發(fā)生器的周期和交流信號(hào)的周期成整數(shù)倍關(guān)系，然后根據(jù)DDS信號(hào)的節(jié)拍去對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行均方根運(yùn)算，最后將結(jié)果除以那個(gè)整數(shù)，即可求得較為精確的交流電壓有效值。典型采樣電路如圖2.8所示：
3 SPWM波調(diào)制技術(shù)
??逆變電路的控制方式主要是采用SPWM（正弦脈寬調(diào)制技術(shù)），DUK-AL20控制開關(guān)管的通斷來(lái)實(shí)現(xiàn)正弦調(diào)制，正弦脈寬調(diào)制技術(shù)（SPWM）的基本思路是將一個(gè)正弦波按等寬間距分成N等份，對(duì)于每一個(gè)波形以一個(gè)等面積的脈沖來(lái)對(duì)應(yīng)，使脈沖的中點(diǎn)與相應(yīng)正弦波部分的中點(diǎn)重合，如圖2.10所示，由于此脈沖序列的面積分布滿足正弦規(guī)率，根據(jù)面積等效原理，將這個(gè)脈沖序列輸出至負(fù)載時(shí)，將使負(fù)載得到相當(dāng)接近正弦的輸出電壓和電流。
??由于采用該方式輸出的電壓波形很接近正弦波，所以電壓中的諧波成分較少，同時(shí)也可以提高功率因數(shù)。通過改變SPWM脈沖的寬度可以改變輸出電壓的幅值，調(diào)節(jié)電路的調(diào)制周期則可以改變輸出電壓的頻率，方便對(duì)負(fù)載進(jìn)行控制。
3.1 單極性正弦脈寬調(diào)制
??單極性正弦脈寬調(diào)制是以一個(gè)寬度正弦規(guī)律變化的正弦脈沖序列對(duì)應(yīng)交流輸出波形的正半周，再以一個(gè)寬度按正弦規(guī)率變換的負(fù)脈沖序列對(duì)應(yīng)交流輸出波形的負(fù)半周，這兩個(gè)脈沖序列交替作用，控制開關(guān)器件產(chǎn)生近似于正弦波的輸出電壓波形。
??正弦脈寬調(diào)制的基本方法是將正弦波性的調(diào)制波與三角波形的載波進(jìn)行比較，通過比較正弦波形各點(diǎn)的瞬時(shí)值確定該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的脈沖寬度。單極性正弦脈寬調(diào)制使用的三角波是單極性的，在正弦調(diào)制波為正半周時(shí)三角載波是正極性的；在正弦波為負(fù)半周時(shí)三角波載波為負(fù)極性。如圖2.12所示。
3.2 雙極性正弦脈寬調(diào)制
??雙極性正弦脈寬調(diào)制是以一個(gè)寬度按正弦規(guī)率變化的正負(fù)雙向脈沖序列對(duì)應(yīng)交流輸出波形的整個(gè)周期，通過正向脈沖與負(fù)向脈沖寬度的差產(chǎn)生出按正弦規(guī)率變換的正半周波和負(fù)半周波。
??雙極性正弦脈寬調(diào)制使用的三角波是雙極性的，其波形的形式如圖2.13，通過正弦調(diào)制波與三角波比較，當(dāng)正弦調(diào)制波值大于三角波時(shí)，輸出正脈沖；而當(dāng)正弦調(diào)制波的值小于三角載波時(shí)，輸出負(fù)脈沖。如此得到的脈沖序列是正負(fù)交替的雙向脈沖序列。
3.3 三相正弦脈寬調(diào)制
??三相正弦脈寬調(diào)制可以使用三個(gè)相角彼此相差120°的單相調(diào)制電路來(lái)合成，但是這樣會(huì)使調(diào)制電路結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。較簡(jiǎn)單的方法是采用一個(gè)雙極性的三角載波對(duì)三相正弦調(diào)制波進(jìn)行調(diào)制，其調(diào)制的波形如圖2.14。
??調(diào)制過程中，雙極性三角載波為三個(gè)正弦調(diào)制波共用，分別進(jìn)行比較后獲取脈寬調(diào)制信號(hào)，方式與雙極性正弦脈寬調(diào)制方法相同。從而得到三個(gè)雙向的脈沖序列，分別對(duì)應(yīng)A、B、C三相，使用此三個(gè)脈沖序列控制逆變電路的A、B、C三相開關(guān)元件，可以將直流電壓逆變?yōu)檎也ǖ娜嘟涣鬏敵鲭妷骸?br />
??三相脈寬調(diào)制波的三角載波只能是雙極性的，因?yàn)閱螛O性三角載波需要根據(jù)正弦調(diào)制波的正、負(fù)半周更換載波的極性。采用雙極性正弦脈寬調(diào)制，H橋上同一相的上、下兩個(gè)橋臂導(dǎo)通與截止都是互補(bǔ)的，為防止上下兩個(gè)橋臂直通而造成的短路，需要在給一個(gè)橋臂施加關(guān)斷信號(hào)后延遲一段時(shí)間，從而在波形中引入了死區(qū)時(shí)間，死區(qū)將會(huì)給輸出的SPWM波形帶來(lái)高次諧波。
3.4 正弦脈寬調(diào)制（SPWM）控制信號(hào)的生成
??早期的SPWM采用模擬控制方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，通過信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生所需的信號(hào)，由比較器進(jìn)行信號(hào)之間的比較，隨著數(shù)字技術(shù)和微處理器在SPWM逆變技術(shù)中的應(yīng)用，采用一定算法產(chǎn)生SPWM的數(shù)字控制方式越來(lái)越廣泛。
3.4.1 模擬控制方式
??波形比較法，其基本的方法是由正弦信號(hào)發(fā)生器件產(chǎn)生正弦調(diào)制波，由三角波信號(hào)發(fā)發(fā)生器產(chǎn)生的三角載波，將正弦調(diào)制波與三角載波比較，通過比較器的判斷而產(chǎn)生出對(duì)應(yīng)的脈沖信號(hào)序列，對(duì)逆變電路進(jìn)行控制從而得到所需的交流電壓。
3.4.2 數(shù)字控制方式
（1）等效面積法
??其原理就是按面積等效原理構(gòu)成與正弦波等效的一系列等幅但寬度按正弦規(guī)律變化的矩形脈沖。等效面積法適用于單極性控制，算法中計(jì)算的是正弦波形到橫軸間的面積，這與模擬控制方式中的單極性正弦脈沖調(diào)制的方式一致。
（2）自然采樣法與規(guī)則采樣法
??自然采樣法在算法上仿真模擬控制方式的雙極性正弦脈沖調(diào)制，通過計(jì)算正弦調(diào)制波與三角載波的交點(diǎn)位置，確定調(diào)制的脈沖寬度。而規(guī)則采樣法是對(duì)自然采樣法的簡(jiǎn)化，其幾何關(guān)系如圖2.16。
??規(guī)則采樣法適用于雙極性控制，因?yàn)樗惴ㄖ胁捎玫娜禽d波是雙極性。等效面積法和規(guī)則采樣法都是數(shù)字控制的算法，可以由微處理器實(shí)時(shí)計(jì)算SPWM脈沖的寬度和位置，實(shí)現(xiàn)對(duì)逆變電路的控制，也可以事先計(jì)算好每個(gè)脈沖中心位置和脈沖寬度存入微處理器中，以查表的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)逆變電路的控制。
??此外除了使用微處理器生成SPWM以外，目前還有專門產(chǎn)生SPWM波形的大規(guī)模集成芯片，有些微處理器也繼承有SPWM波形發(fā)生器，如89XC196MC微處理器，其內(nèi)部有三相互補(bǔ)SPWM波形發(fā)生器，可以直接輸出6路SPWM波形信號(hào)。
4 PID算法
??在連續(xù)時(shí)間控制系統(tǒng)中，PID控制器應(yīng)用非常廣泛，其設(shè)計(jì)技術(shù)成熟，長(zhǎng)期以來(lái)形成了典型的結(jié)構(gòu)，參數(shù)整定方便，結(jié)構(gòu)更改靈活。由于計(jì)算機(jī)程序的靈活性，數(shù)字PID控制比連續(xù)PID控制更為優(yōu)越。
4.1 PID控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介
??連續(xù)時(shí)間PID控制系統(tǒng)如圖3-37所示，D(s)完成PID控制規(guī)律，稱為PID控制器。PID控制器是一種線性控制器，用輸出量y(t)和給定量r(t)之間的誤差的時(shí)間函數(shù)e(t)=r(t)-y(t)的比例、積分和微分的線性組合構(gòu)成控制量u(t)，稱為比例(Proportional)、積分(Integrating)、微分(Differentiation)控制，簡(jiǎn)稱PID控制。
??PID控制組合了比例控制、積分控制和微分控制這三種基本控制規(guī)律，通過改變調(diào)節(jié)器參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)控制，其基本輸入輸出關(guān)系為：
??實(shí)際應(yīng)用中，可以根據(jù)受控對(duì)象的特性和控制的性能要求，靈活采用比例（P）控制器、比例+積分（PI）控制器、比例+積分+微分（PID）控制器三種不同控制組合。
4.2 PID參數(shù)控制效果分析
??PID控制的三基本參數(shù)為KP、KI、KD，分別對(duì)應(yīng)比例，積分，微分三個(gè)模，經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，可總結(jié)出這三項(xiàng)參數(shù)的實(shí)際控制作用為：
??比例調(diào)節(jié)參數(shù)（KP）：按比例反映系統(tǒng)的偏差，系統(tǒng)一旦出現(xiàn)偏差，比例調(diào)節(jié)立即進(jìn)行。比例調(diào)節(jié)是主要的控制部分，但過大的比例會(huì)使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降。增大KP，系統(tǒng)的反應(yīng)變靈敏、速度加快、穩(wěn)態(tài)誤差減小，但振蕩次數(shù)也會(huì)加多、調(diào)節(jié)時(shí)間加長(zhǎng)。
??積分調(diào)節(jié)參數(shù)（KI）：消除系統(tǒng)靜態(tài)（穩(wěn)態(tài)）誤差 ，提高系統(tǒng)的控制精度。積分調(diào)節(jié)會(huì)使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，動(dòng)態(tài)響應(yīng)變慢，超調(diào)加大。積分控制一般不單獨(dú)作用，而是與P或者PD結(jié)合作用。
??微分調(diào)節(jié)參數(shù)（KD）：反映系統(tǒng)偏差信號(hào)的變化率，可以預(yù)見偏差的變化趨勢(shì)，產(chǎn)生超前控制作用，使偏差在未形成前已被消除。因此，微分控制可以提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)跟蹤性能，減小超調(diào)量，但對(duì)噪聲干擾有放大作用，過強(qiáng)的微分調(diào)節(jié)會(huì)使系統(tǒng)劇烈震蕩，對(duì)抗干擾不利。
??常規(guī)的PID控制系統(tǒng)中，減少超調(diào)和提高控制精度難以兩全其美。主要是積分作用有缺陷造成的。如果減少積分作用，靜差不易消除，有擾動(dòng)時(shí)，消除誤差速度變慢；而加強(qiáng)積分作用時(shí)又難以避免超調(diào)，這也是常規(guī)PID控制中經(jīng)常遇到的難題。
4.3 通俗易懂的理解PID
??P就是比例的意思。它的作用最明顯，原理也最簡(jiǎn)單。
??需要控制的量，比如水溫，有它現(xiàn)在的『當(dāng)前值』，也有我們期望的『目標(biāo)值』。
當(dāng)兩者差距不大時(shí)，就讓加熱器“輕輕地”加熱一下。要是因?yàn)槟承┰?#xff0c;溫度降低了很多，就讓加熱器“稍稍用力”加熱一下。要是當(dāng)前溫度比目標(biāo)溫度低得多，就讓加熱器“開足馬力”加熱，盡快讓水溫到達(dá)目標(biāo)附近。
??這就是P的作用，跟開關(guān)控制方法相比，是不是“溫文爾雅”了很多.實(shí)際寫程序時(shí)，就讓偏差（目標(biāo)減去當(dāng)前）與調(diào)節(jié)裝置的“調(diào)節(jié)力度”，建立一個(gè)一次函數(shù)的關(guān)系，就可以實(shí)現(xiàn)最基本的“比例”控制了~
??KP越大，調(diào)節(jié)作用越激進(jìn)，KP調(diào)小會(huì)讓調(diào)節(jié)作用更保守。
??要是你正在制作一個(gè)平衡車，有了KP的作用，你會(huì)發(fā)現(xiàn)，平衡車在平衡角度附近來(lái)回“狂抖”，比較難穩(wěn)住。如果已經(jīng)到了這一步——恭喜你！離成功只差一小步了~
??D的作用更好理解一些，所以先說(shuō)說(shuō)D，最后說(shuō)i。
??剛才我們有了P的作用。你不難發(fā)現(xiàn)，只有P好像不能讓平衡車站起來(lái)，水溫也控制得晃晃悠悠，好像整個(gè)系統(tǒng)不是特別穩(wěn)定，總是在“抖動(dòng)”。
??你心里設(shè)想一個(gè)彈簧：現(xiàn)在在平衡位置上。拉它一下，然后松手。這時(shí)它會(huì)震蕩起來(lái)。因?yàn)樽枇苄?#xff0c;它可能會(huì)震蕩很長(zhǎng)時(shí)間，才會(huì)重新停在平衡位置。
??請(qǐng)想象一下：要是把上圖所示的系統(tǒng)浸沒在水里，同樣拉它一下 ：這種情況下，重新停在平衡位置的時(shí)間就短得多。我們需要一個(gè)控制作用，讓被控制的物理量的“變化速度”趨于0，即類似于“阻尼”的作用。
??因?yàn)?#xff0c;當(dāng)比較接近目標(biāo)時(shí)，P的控制作用就比較小了。越接近目標(biāo)，P的作用越溫柔。有很多內(nèi)在的或者外部的因素，使控制量發(fā)生小范圍的擺動(dòng)。D的作用就是讓物理量的速度趨于0，只要什么時(shí)候，這個(gè)量具有了速度，D就向相反的方向用力，盡力剎住這個(gè)變化。kD參數(shù)越大，向速度相反方向剎車的力道就越強(qiáng)。
??如果是平衡小車，加上P和D兩種控制作用，如果參數(shù)調(diào)節(jié)合適，它應(yīng)該可以站起來(lái)了~歡呼吧
??等等，PID三兄弟好想還有一位。看起來(lái)PD就可以讓物理量保持穩(wěn)定，那還要I干嘛？
??因?yàn)槲覀兒鲆暳艘环N重要的情況：
??還是以熱水為例。假如有個(gè)人把我們的加熱裝置帶到了非常冷的地方，開始燒水了。需要燒到50℃。
??在P的作用下，水溫慢慢升高。直到升高到45℃時(shí)，他發(fā)現(xiàn)了一個(gè)不好的事情：天氣太冷，水散熱的速度，和P控制的加熱的速度相等了。這可怎么辦？
??P兄這樣想：我和目標(biāo)已經(jīng)很近了，只需要輕輕加熱就可以了。
??D兄這樣想：加熱和散熱相等，溫度沒有波動(dòng)，我好像不用調(diào)整什么。
??于是，水溫永遠(yuǎn)地停留在45℃，永遠(yuǎn)到不了50℃。
??作為一個(gè)人，根據(jù)常識(shí)，我們知道，應(yīng)該進(jìn)一步增加加熱的功率。可是增加多少該如何計(jì)算呢？
??前輩科學(xué)家們想到的方法是真的巧妙。設(shè)置一個(gè)積分量。只要偏差存在，就不斷地對(duì)偏差進(jìn)行積分（累加），并反應(yīng)在調(diào)節(jié)力度上。這樣一來(lái)，即使45℃和50℃相差不太大，但是隨著時(shí)間的推移，只要沒達(dá)到目標(biāo)溫度，這個(gè)積分量就不斷增加。
??系統(tǒng)就會(huì)慢慢意識(shí)到：還沒有到達(dá)目標(biāo)溫度，該增加功率啦！到了目標(biāo)溫度后，假設(shè)溫度沒有波動(dòng)，積分值就不會(huì)再變動(dòng)。這時(shí)，加熱功率仍然等于散熱功率。但是，溫度是穩(wěn)穩(wěn)的50℃。
??Ki的值越大，積分時(shí)乘的系數(shù)就越大，積分效果越明顯。所以，I的作用就是，減小靜態(tài)情況下的誤差，讓受控物理量盡可能接近目標(biāo)值。
??I在使用時(shí)還有個(gè)問題：需要設(shè)定積分限制。防止在剛開始加熱時(shí)，就把積分量積得太大，難以控制。
4.4 數(shù)字PID控制的實(shí)現(xiàn)
??數(shù)字PID控制是通過算法程序?qū)崿F(xiàn)PID控制的。數(shù)字控制系統(tǒng)大多數(shù)是采樣數(shù)據(jù)控制系統(tǒng)，進(jìn)入系統(tǒng)的連續(xù)時(shí)間信號(hào)必須經(jīng)過采樣和量化后轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，方能進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算和處理，不論是積分還是微分，只能用數(shù)值計(jì)算去逼近。當(dāng)采樣周期相當(dāng)短時(shí)，用求和代替積分，用差商代替微商，將描述連續(xù)時(shí)間PID算法的微分方程變?yōu)槊枋鲭x散時(shí)間PID算法的差分方程。數(shù)字PID控制通常有以下兩種實(shí)現(xiàn)：
4.4.1 位置式PID控制算法
??圖2.18為位置式PID控制算法的實(shí)現(xiàn)框圖，根據(jù)此框圖得到差分方程：
??此式是數(shù)字PID算法的非遞推形式，稱全量算法，其中uo為控制量基值（n=0時(shí)的控制量）；un為第n個(gè)采樣時(shí)刻的控制量；Ts為采樣周期。算法中為實(shí)現(xiàn)求和，必須存儲(chǔ)系統(tǒng)偏差的全部值ei，得出的全量輸出un是控制量的絕對(duì)數(shù)值，這種控制量確定了執(zhí)行機(jī)構(gòu)在控制系統(tǒng)中的位置（如閥門控制中，輸出對(duì)應(yīng)閥門的位置），因此將這種算法稱為“位置算法”。
4.4.2 增量式PID控制算法
??當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要的不是控制量的絕對(duì)值，而是控制量的增量（例如驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)）時(shí)，需要用PID的“增量算法”，其簡(jiǎn)化示意圖如圖2.19所示。
??增量式PID算法的差分方程為
??此時(shí)已看不出P、I、D作用的直接關(guān)系，只能體現(xiàn)各次誤差量對(duì)控制作用的影響，但處理時(shí)只需要貯存最近的三個(gè)誤差采樣值en en-1 en-2 。
5 數(shù)字濾波算法
??說(shuō)到濾波，大家第一反應(yīng)可能就是各種電阻電容電感搭建成的無(wú)源濾波器或者是以各個(gè)不同型號(hào)的運(yùn)算放大器為核心構(gòu)建的有源濾波器，以上這些濾波器可以統(tǒng)稱為硬件濾波，它們已經(jīng)在電子行業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，但它們都有一個(gè)致命的缺點(diǎn)，那就是需要硬件電路作為支撐，費(fèi)材料，費(fèi)空間。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，目前很多微型處理器已經(jīng)具備很強(qiáng)大的運(yùn)算能力了，我們可以利用CPU強(qiáng)大的計(jì)算運(yùn)算功能，通過某種數(shù)值運(yùn)算，達(dá)到改變輸入信號(hào)中所含頻率分量的相對(duì)比例、或?yàn)V除某些頻率分量的目的，這種濾波方法我們稱之為數(shù)字濾波。
??數(shù)字濾波相對(duì)于硬件濾波來(lái)說(shuō)，在某些方面有著獨(dú)到的優(yōu)勢(shì)，數(shù)字濾波不需要硬件電路的支持，為系統(tǒng)的設(shè)計(jì)節(jié)省了空間。我們?cè)谶M(jìn)行有源濾波時(shí)，需要對(duì)濾波電路中的各個(gè)運(yùn)算放大器進(jìn)行供電，而數(shù)字濾波就省去了這個(gè)麻煩，總之，數(shù)字濾波在業(yè)界的應(yīng)用已經(jīng)越來(lái)越廣泛，熟練掌握一些基本的數(shù)字濾波技巧對(duì)于一名合格的電子工程師來(lái)說(shuō)是非常有必要的。
??數(shù)字濾波的方法有很多種，下面介紹常用的幾種，不同的濾波方法應(yīng)用的場(chǎng)合和環(huán)境也不用，應(yīng)根據(jù)具體情況選擇使用。為了直觀體現(xiàn)出這幾種濾波方法對(duì)不同噪聲的濾波效果，我們?nèi)藶樯闪藥锥位拘盘?hào)的組合，然后在它們的波形上疊加上不同的噪聲，測(cè)試這些濾波方法在不同信號(hào)、不同噪聲下的輸出結(jié)果，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖2.22所示：
??在這段長(zhǎng)度為800點(diǎn)，最大值為65535的測(cè)試樣本中，組合了以下幾種情況：
??① 起始階段是一段表達(dá)式近似為x的數(shù)據(jù)，用來(lái)模擬大多數(shù)系統(tǒng)從0開始啟動(dòng)的采樣波形，該段信號(hào)受到了約為信號(hào)本身1/5強(qiáng)度的隨機(jī)噪聲的干擾，用以測(cè)試濾波函數(shù)對(duì)噪聲的過濾程度。
??② 第二段是一段長(zhǎng)度為200點(diǎn)的方波信號(hào)，其上疊加了幅度為信號(hào)本身1/10的毛刺噪聲，測(cè)試函數(shù)對(duì)直流采樣過程中毛刺的過濾效果以及對(duì)階躍信號(hào)的響應(yīng)速度。
??③ 第三段為一段均勻上升的斜坡信號(hào)，但是疊加了幾個(gè)三角形的噪聲信號(hào)，用來(lái)模擬一些高慣性系統(tǒng)受到脈沖沖擊后產(chǎn)生的周期較長(zhǎng)的干擾雜波。
??④ 第四段是一段混有信號(hào)本身1/10強(qiáng)度的隨機(jī)噪聲與1/4強(qiáng)度的毛刺噪聲，模擬了平時(shí)在正弦逆變類題目中常常碰到的系統(tǒng)底噪與周期性開關(guān)噪聲。
??⑤ 最后一段是直流信號(hào)上疊加了一個(gè)長(zhǎng)周期的小幅正弦紋波，同時(shí)伴有一定的毛刺，用來(lái)模擬DC-DC類題目中常出現(xiàn)的輸出伴紋波信號(hào)。
5.1 限幅濾波
??限幅濾波又稱為程序判斷濾波，根據(jù)多次采集到的數(shù)據(jù)，如果當(dāng)前采集值與前一次采集的數(shù)值相差一般維持在一定的偏差detaD內(nèi)，則將每次采集到的數(shù)據(jù)和前一次的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，如果他們的差的絕對(duì)值小于△D則本次采集到的數(shù)據(jù)有效，否則無(wú)效舍棄。
??示例代碼
?&emsp濾波效果：可以看到，那些幅值變化很大的毛刺基本都被濾除了。
?&emsp適用性分析：
?&emsp限幅濾波程序設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、運(yùn)算速度快、占用RAM少，是一種最簡(jiǎn)單的基本濾波方法。能夠克服偶然因素引入的脈沖干擾，也可以消除波形上的尖峰毛刺，但是不能抑制周期性的干擾，而且其完全削除大幅度的階躍信號(hào)，容易造成控制失調(diào)，一般不適用于開關(guān)電源這類變化劇烈，需要迅速反饋的場(chǎng)景，適用于水溫控制等變化緩慢，安全性高的應(yīng)用。
5.2 中值濾波
??其基本濾波思路是將原來(lái)的采樣間隔?T進(jìn)行細(xì)分，也就是在原來(lái)的采樣間隔?T內(nèi)采樣N次，然后把N次采樣值按照大小排序，取中間值為本次采樣值。
??示例代碼
??濾波效果
??可以看出，其濾波效果較限幅濾波較好，毛刺基本被濾除。
??適用性分析
??這種濾波方法能夠有效的克服偶然因素引起的波動(dòng)干擾，特別是對(duì)于像溫度、液位等變化緩慢的被測(cè)參數(shù)有良好的濾波效果，但是對(duì)于流量、速度或者其他快速變化的信號(hào)參數(shù)則不適合使用這種方法。中值濾波法的程序設(shè)計(jì)要稍復(fù)雜一些，排序可以使用冒泡法或者選擇排序法等，由于引入了排序算法，所以該方法不能處理速度要求很高的信號(hào)。其運(yùn)算處理速度和占用的RAM直接受所選擇的數(shù)值N決定。
5.3 算術(shù)平均濾波
??該方法也是先將原來(lái)設(shè)計(jì)要求的采樣間隔?T進(jìn)行細(xì)分，在?T內(nèi)采樣N次，但是對(duì)于采集進(jìn)來(lái)的數(shù)據(jù)不是進(jìn)行排序，而是進(jìn)行算術(shù)平均，算術(shù)平均的結(jié)果作為本次采樣值。N值的選取比較關(guān)鍵，N值較大者處理信號(hào)的平滑度會(huì)較高，但是靈敏度降低；相反，N值較小者處理信號(hào)的靈敏度提高，但是平滑度降低。
??示例代碼
??濾波效果
??適用性分析
??這種濾波方法是適用于對(duì)具有隨機(jī)干擾的信號(hào)進(jìn)行處理，并且被處理的信號(hào)必須具有一個(gè)平均值，信號(hào)在這個(gè)平均值上下波動(dòng)。該方法對(duì)于高速信號(hào)并不適用。對(duì)于毛刺信號(hào)，可以看到均值濾波將其分擔(dān)到了周圍的采樣點(diǎn)上，不如中值濾波那樣能夠完全去除。但是對(duì)于隨機(jī)噪聲信號(hào)，由于其理論均值為0，均值濾波對(duì)第一段噪聲有良好的濾除效果。該濾波方法運(yùn)算處理速度和RAM的占用率也受所選擇的數(shù)值N決定，可以使用時(shí)間復(fù)雜度較低的排序方法降低運(yùn)算開銷。
5.4 遞推平均濾波
??遞推平均濾波又稱為滑動(dòng)平均濾波，是將連續(xù)N個(gè)采樣值設(shè)為一個(gè)先入先出的隊(duì)列，隊(duì)列的長(zhǎng)度為N，每次采樣得到的新數(shù)據(jù)加入隊(duì)尾，并扔掉原隊(duì)列的隊(duì)首，然后對(duì)隊(duì)列中的N個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)平均，獲得的結(jié)果作為此次采樣值。
??示例代碼
??濾波效果
??適用性分析
??上圖為濾波長(zhǎng)度為5的輸出波形，下圖為濾波長(zhǎng)度為20的輸出波形。可以看到長(zhǎng)度為20的波形更好但延遲也更大。可見該方法對(duì)于周期性干擾有良好的抑制作用，平滑度也很高。但是靈敏度較低，對(duì)于偶然出現(xiàn)的脈沖干擾的抑制作用較差，不適用于脈沖干擾比較嚴(yán)重的場(chǎng)合，其運(yùn)算處理速度和RAM的占用率也直接受N值影響。
??另外，這種方法還有一個(gè)特殊用法：制作成軟件陷波器，濾除某個(gè)單一頻率信號(hào)的干擾（如工頻干擾）。具體實(shí)現(xiàn)方法介紹如下：由于正弦波一個(gè)周期內(nèi)任取N個(gè)等分點(diǎn)的幅值和為零，其它周期波形的N等分點(diǎn)的幅值和為常數(shù)C，設(shè)每次采樣值為Xi，采樣的平均值為
??若取N=s/f（其中S為每秒的采樣次數(shù)即采樣率；f是要消除的波形的頻率，S和N都取整數(shù)），這樣最終的結(jié)果就是Y-C，對(duì)于50Hz的工頻干擾，C為零，只要選擇合適的N和S就可以直接將其消除，構(gòu)成一個(gè)陷波器。
??對(duì)于本測(cè)試樣例，我們針對(duì)最后一段的紋波設(shè)計(jì)濾波器，由于這里是測(cè)試的一組數(shù)組，沒有采樣率概念，但是根據(jù)前面的關(guān)系換算，設(shè)置濾波點(diǎn)數(shù)為100點(diǎn)，對(duì)最后一段紋波進(jìn)行了較好的濾除，由于這一段數(shù)據(jù)較少，加之前面數(shù)據(jù)的相移影響，讀者可自己構(gòu)造一段足夠長(zhǎng)的紋波信號(hào)驗(yàn)證，效果將更加明顯。
5.5 中值平均濾波
??中值平均濾波也稱為防脈沖干擾平均濾波，相當(dāng)于中值濾波和算術(shù)平均濾波思想的結(jié)合。連續(xù)采樣N個(gè)數(shù)據(jù)，去掉其中的最大值和最小值，求剩下的N－2個(gè)數(shù)據(jù)的算術(shù)平均作為一次采樣值。
??示例代碼
濾波效果
5.6 遞推中值平均濾波
??遞推中值平均濾波也稱為滑動(dòng)中值平均濾波，與上一種不同的是采用滑動(dòng)方法對(duì)序列采樣，不降低系統(tǒng)采樣率與采樣速度。設(shè)定一個(gè)長(zhǎng)度為N的先進(jìn)先出隊(duì)列，同時(shí)為了方便排序同時(shí)構(gòu)造一個(gè)同樣長(zhǎng)度為N的已排序數(shù)組，每個(gè)周期采樣一個(gè)新的數(shù)值，插入采樣隊(duì)列隊(duì)尾并移除隊(duì)首的舊值。對(duì)這個(gè)隊(duì)列進(jìn)行插入排序（其他快速排序方法均可），然后去掉用戶指定個(gè)數(shù)的較大值與較小值，取中間剩下值的平均數(shù)作為最終結(jié)果。
??示例代碼
??濾波效果
??適用性分析
??上圖采用了32點(diǎn)濾波長(zhǎng)度，首尾去除8個(gè)點(diǎn)，波形平滑，沒有突變的噪聲與毛刺現(xiàn)象，對(duì)各種噪聲適應(yīng)性比較均衡，是我們電子競(jìng)賽實(shí)際中應(yīng)用的最多的一種濾波方法。但是細(xì)心的讀者可以發(fā)現(xiàn)，波形向后的延遲很高，差不多與濾波長(zhǎng)度相當(dāng)，這也是此方法的弊端。所以我們經(jīng)常使用32點(diǎn)或者64點(diǎn)甚至更長(zhǎng)的滑動(dòng)中值平均濾波進(jìn)行數(shù)據(jù)校準(zhǔn)階段的信號(hào)濾波，在恒壓恒流等達(dá)到準(zhǔn)確的穩(wěn)態(tài)值后換用前面的中值濾波等高靈敏度方法進(jìn)行PID的整定與調(diào)節(jié)，獲得系統(tǒng)高速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。
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總結(jié)
以上是生活随笔為你收集整理的全国大学生电子设计竞赛(二)--电源常用技术与算法的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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