职称论文发表范文电动汽车直流母线信号处理系统设计

　　摘 要：根据电动汽车直流母线上噪声信号的类型和分布特点，设计信号处理系统以滤除干扰信号，获取直流母线电压信号的直流分量。采用模拟和数字滤波相结合的方法，并兼顾系统滤波精度和滤波延时要求，分别进行模拟和数字滤波器的设计，以滤除高频和低频主要噪声信号。试验结果表明，该系统在满足系统精度和实时性要求的前提下，有效滤除了直流上的母线干扰信号。

　　关键词：职称论文发表,电动汽车,直流母线,信号处理,模拟滤波器,数字滤波器

　　Abstract：According to the types and distribution of noise signal on direct current(DC) bus， a signal processing system was designed to filter the noise signal and to obtain the DC component of DC bus voltage. Combining analog and digital filtering methods and considering both accuracy and delay of the filter， the paper conducted the design of an analog and a digital filter respectively to remove the major high and low frequency noise signals. Experimental results show that this system can efficiently filter the noise signals while meeting the accuracy and real-time requirements.

　　Key words：electric vehicles; direct current bus; signal processing; analogy filter; digital filter

　　目前，国内外对电动汽车的研究主要集中在拓扑结构优化和电力变换等方面。随着对高驱动性能和高压电安全监测方面的考虑[1]，维持电动汽车直流母线电压的稳定和对母线电压信号的分析则显得极其重要。

　　电动汽车的电气系统是一个交直流混合的复杂电气系统，交流侧电压可通过逆变器耦合到直流侧，造成直流侧电压信号的高频波动。同时，接入直流母线的各电气设备也会产生相应的干扰信号，并叠加在直流母线上，也会导致母线电压的波动。这极易造成母线电压的直接测量偏差，不利于电压信号的后续处理，影响整车的状态监测和系统控制，易产生误判断进而执行误动作[2]。因此，必须滤除这些干扰信号，提取直流母线电压的有效信号，以满足后续处理要求。

　　本文主要针对电动汽车直流母线上的干扰信号，结合利用模拟滤波和数字滤波的优势进行信号处理系统的设计，并分别进行相应滤波器的设计，在满足电气安全的实时性要求前提下，以尽可能滤除高频和低频主要干扰噪声信号，进而获取直流母线电压的有效信号。

　　1 信号处理系统方案设计

　　本试验以某款纯电动汽车为研究对象，对不同工况下直流母线上的干扰信号进行频域分析，得到直流母线上的噪声信号类型及相应的分布情况，见表1[3]。由表1可知，电池端电压上的噪声干扰非常微弱，多处于高频区域;直流母线电压上的主要噪声为10 kHz斩波噪声和空调、水泵、电机基本工作频率噪声及其各次谐波噪声。因此，为滤除表1中的噪声信号，实现对直流母线电压有效信号的提取，需要设计合理的信号处理系统。

　　本文设计的信号处理系统如图1所示，整个系统以低通模拟滤波和数字滤波为主，直流母线电压信号先经分压电路和模拟滤波等前端处理后，在单片机内部经过A/D转换，然后再进行数字滤波，以最大限度地滤除干扰噪声信号。

　　本信号处理系统在设计时还应考虑实时性要求，即当人体意外触及高压回路或设备的可导电部分而引起电安全时，必须及时可靠地切断回路或设备供电。为此，IEC/TC64提出了交流预期接触电压与最长切断时间的关系要求。对本系统，人体若接触漏电导体，系统从出现漏电瞬间至电池主继电器断开这一过程所允许的最大反映时间为80 ms。系统的反应时间包括采样信号的滤波、转换、控制器处理和响应及继电器动作时间，各部分时间的分配如图2所示。

　　2 模拟滤波器设计

　　由表1可知，直流母线电压上叠加了很多噪声信号，噪声分布在300 Hz至几十kHz的范围内。电机斩波频率处噪声最强，频率最高;电机、空调和水泵噪声较弱，频率较低。本系统的目标是获取母线电压的直流分量，模拟低通滤波器主要负责滤除电机斩波等高频噪声。

　　2.1 滤波器类型的选取

　　由于理想滤波器特性难以实现，设计中需要找到一个合适的逼近函数。巴特沃斯滤波器的频率响应曲线在通频带内最大限度平坦、无起伏，在阻频带则逐渐下降为 0，衰减特性和相位特性好，可以保证电压信号在直流分量处具有最大平坦度，且随着角频率的增大逐步衰减。由于其在线性相位、衰减斜率和加载特性方面具有特性均衡的优点，故选用巴特沃斯有源低通滤波器作为本系统的模拟滤波器[4]。

　　2.2 截止频率和阶数的选取

　　设计模拟低通滤波器时，需要选择合适的截止频率和阶数，在保证滤除表1中逆变器斩波导致的高频主要噪声的情况下，应尽量减少滤波延时以满足系统实时性要求。

　　滤波器的截止频率越低，滤波效果越好，滤波延时也越长。试验中通过对比在300 Hz、1 kHz和5 kHz截止频率下，经滤波器处理后的信号最大误差和信号延时，选取1 kHz作为模拟低通滤波器的截止频率，以兼顾滤除主要噪声和实时性要求。 　　滤波器的阶数根据对带外衰减特性要求确定，滤波电路以-20 dB /dec的速率衰减，阶数越高，噪声衰减越大。试验测得车辆60 km/h匀速运行空调开启工况下，截止频率为1 kHz，一阶(绿色实线部分)、二阶(紫色点线部分)和三阶(黑色虚线部分)巴特沃斯低通滤波器对正极直流母线对底盘电压信号滤波的效果如图3所示。由图 3可知，一阶滤波器阻频带衰减较小，高频分量无法滤除干净;二阶滤波器与三阶滤波器相比，多一些高频噪声，但幅值较小，且噪声信号峰值误差约为2.4%;高于二阶滤波器对滤波效果无显著提高[5]。

　　综上分析，考虑滤波效果和延时，选定截止频率为1 kHz的二阶低通滤波器。

　　2.3 参数计算和仿真

　　二阶巴特沃斯低通滤波器的截止频率fc与运放正相端RC值有如下关系：。根据经验，由截止频率初步选定C1=C2=10 nF，计算得，取标准值16 kΩ，实际截止频率为994.7 Hz。

　　二阶系统的平稳性主要由ξ决定，系统超调量，系统调节时间与ξ成反比。为获得较小的超调量和快速响应，一般选取ξ为0.707，则系统品质因数Q为

　　。

　　低通滤波器增益K为

　　。

　　为减少偏置电流及其漂移对电路的影响，R3和R4的选取应满足：

　　。

　　得R3=86.6 kΩ，R4=50.75 kΩ，分别取为标准值86.6 kΩ和51 kΩ，实际增益K=1.588 9[6-7]。

　　在SPICE中搭建二阶巴特沃斯低通滤波器仿真模型，输入0 V到2.5 V阶跃信号，仿真时间为10 ms，时域仿真结果如图5所示。系统稳态电压值为3.97 V，当响应进入±应进误差带即4.049 4 V(图中光标处)，此时从2 ms处阶跃信号发生到系统进入稳态经过了约1 ms的时间，即该滤波器的延时约为1 ms。

　　对时域仿真图形进行快速傅氏变换算法(Fast Fourier Transform Algorithm，FFT)变换，得到如图6所示的输入与输出信号幅频特性图。由图6可知，截止频率1 kHz之前的低频信号得到放大(这是因为该滤波器对频率低于截止频率的低频信号有增益放大作用)，高于截止频率的信号逐渐衰减到很低的能量。在10 kHz处，噪声信号已基本衰减为0，可满足滤除电机斩波等高频噪声信号的要求。

　　3 数字滤波器设计

　　由图3可知，经模拟滤波后，信号的峰值仍约占平均值的2%，这主要是由低频噪声引起的。若继续降低截止频率，将会使延时增加。因此，需要在模拟滤波后增加数字滤波，以处理1 kHz以下的低频噪声信号[8]。

　　3.1 数字滤波器选型

　　相比IIR，FIR数字滤波器具有可实现严格的线性相位和系统总是稳定的等优点。FIR数字滤波器设计实质上是确定能满足所要求的脉冲响应常数或转移序列，本文采用窗函数法来进行FIR数字滤波器的设计[9]。

　　3.2 窗函数的选取

　　窗函数设计滤波器的基本原理：用一个有限长度的窗函数ω(n)来截取一个无限长序列hd (n)获取一个有限长序列h(n)，即

　　。

　　窗函数应满足下面两个条件：(1)窗函数频谱主瓣应尽可能地窄，以获得较陡的过渡带。(2)应尽量减少窗函数频谱的最大旁瓣的相对幅度，即能量尽量集中于主瓣、减小纹波和峰肩，以增大阻带的衰减程度。

　　通过对工程中常用窗函数的性能进行分析比较可知，海明窗的主瓣宽度较窄、滤波器的阶数不是很高、旁瓣较小、阻带衰减特性好。综上考虑，选用海明窗FIR数字低通滤波器。

　　3.3 参数设计及仿真

　　由表1中正极直流母线对底盘电压和电池端电压噪声信号的分布，初步选取滤波器的通带截止频率为10 Hz，阻带起始频率为300 Hz，以较好地滤除干扰噪声。滤波器的过渡带宽为?ω与滤波器阶数N近似成反比，若采样频率为2 kHz，则对应的带宽范围是0.29，海明窗函数的过渡带宽为6.6 π/N，应满足：

　　6.6π/N<0.29。

　　则N的最小值为72，考虑由截断效应引起的泄露效应，信号采样时间应和信号正周期倍数相吻合，选取滤波器阶数N为80。

　　在Matlab中的Fdatool界面，根据上述参数设计的滤波器，其阶跃响应延时达35 ms，不满足实时性要求。折中考虑滤波效果和延时，调节滤波器的截止频率和阶数，选取截止频率为100 Hz的80阶滤波器，得到对应的频率特性如图7所示。由图7中的幅频特性曲线(上方蓝色部分)可知，从160 Hz开始，系统衰减保持在-60 dB以上，低频段的主要噪声信号如空调、水泵工作噪声以及电机基本工作频率噪声都可被极大地衰减。

　　图8所示为截止频率100 Hz的80阶FIR数字低通滤波器的脉冲响应和阶跃响应。由图8可知，数字滤波器的脉冲响应延时为20 ms，阶跃响应调节时间为26 ms。由于模拟滤波器的延时约为1 ms，故总的滤波延迟在系统的最大可承受范围内，满足系统的实时性要求。

　　试验中以车辆怠速、60 km/h匀速和60 km/h匀速空调开启工况下为例，分别将正极直流母线对底盘电压信号的3组数据先通过上述设计的截止频率为1 kHz的二阶巴特沃斯低通滤波器，然后再经过截止频率为100 Hz的80阶海明窗FIR数字低通滤波器进行联合滤波仿真，怠速(上方绿色曲线)、匀速(下方蓝色曲线)和匀速空调开启(中间紫色曲线)工况下的仿真结果如图9所示。由图9可知，车辆60 km/h匀速空调开启工况下直流母线电压波动最大，波动峰峰值约占信号算术平均值的1.15%，近似直流分量。

　　3种工况下，经本系统进行滤波处理后测得的信号误差见表2。

　　4 结论

　　本文根据电动汽车直流母线上干扰信号的类型和分布，选定相应的信号处理系统方案，分别进行模拟滤波器和数字滤波器的设计，通过选取并调整合适的滤波器参数，以满足系统滤波精度和延时的要求。试验结果表明，该信号处理系统在满足实时性要求的前提下，有效滤除了直流母线上的干扰信号，提取的直流母线电压有效信号可直接用于后续处理。 　　参考文献(References)：

　　常学宇. 电动汽车高压电安全问题研究 [D]. 上海：同济大学，2011.

　　Chang Xueyu. Research on High Voltage Safety Problem of EV [D]. Shanghai： Tongji University，2011. (in Chinese)

　　程玉佼. 电动汽车高压电漏电监测研究 [D]. 上海：同济大学， 2013.

　　Cheng Yujiao. Research on High Voltage Leakage Monito-ring of EV [D]. Shanghai：Tongji University， 2013. (in Chinese)

　　邬昌盛，魏学哲，戴海峰，等. 电动汽车直流母线干扰信号频域分析 [J]. 机电一体化，2013，19(8)：26-30.

　　Wu Changsheng，Wei Xuezhe，Dai Haifeng，et al. Fre-quency Domain Analysis of Interference Signal on Direct Current Bus of Electric Vehicles [J]. Mechatronics，2013，19(8)：26-30. (in Chinese)

　　张白莉，郭红英. 基于EWB的巴特沃斯有源低通滤波器的设计与仿真 [J]. 吉林师范大学学报(自然科学版)，2011，32(4)：77-79.

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