一种双反馈PWM转模拟信号电路及信号调节方法与流程

一种双反馈pwm转模拟信号电路及信号调节方法
技术领域
1.本发明涉及信号电路调理技术领域，具体是一种双反馈pwm转模拟信号电路及信号调节方法。


背景技术：

2.led驱动器属于开关电源器件，其开关频率一般在300khz
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1mhz 的范围，当驱动器进行pwm调光时，如果pwm信号频率落在200hz
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20khz之间时，led驱动器驱动电路中的电感和输出电容容易产生啸声，而过高的驱动频率又容易造成功率器件的开关损耗过大导致发热严重。目前可调光led驱动器大致可分为模拟信号调光和数字信号调光两大类，pwm调光属于数字信号调光器的范畴价格相对较高，模拟信号调光驱动器电路简单具有更好的性价比，适合在路灯、隧道灯等需要统一控制的场合使用，由于具有优越的性价比模拟调光驱动器led驱动器市场仍占据着大部分的市场份额。此外，数字调光驱动器信号回路的防雷设计需要考虑防雷器件电容特性，对防雷元件性能要求较高，成本贵，而且防雷元件及电容容易造成信号失真影响灯光控制效果，模拟信号调光驱动器本身成本低廉，防雷电路也不担心器件结电容的影响，防雷设计更加灵活简单高效，在信号末端可以采用rc滤波网络滤除高频和低频干扰，作为户外灯光控制产品更加实用。
3.传统模拟信号传输线路只有两个信号线，在远距离传输时，电压信号在线路上的损耗不可避免，信号传输到目标点时容易产生误差。调光控制器若采用dac电路设计成本高昂，调光信号通过单片机输出pwm，通过pwm转模拟信号电路在传输给驱动器控制led灯，使得整个控制系统成本的性价比最高。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于克服现有技术的不足，而提供一种双反馈pwm转模拟信号电路及信号调节方法。
5.实现本发明目的的技术方案是：一种双反馈pwm转模拟信号电路，包括依次通信连接的pwm发生器、rc滤波网络单元1、输出运放比例调节器、输出缓冲单元、rc滤波网络单元2、输出防雷保护单元和远端信号采集反馈器；其中：所述的输出缓冲单元，其输出端还与信号采样缓冲单元的输入端连接，信号采样缓冲单元的输出端与输出信号比例调节器的输入端连接，输出信号比例调节器的输出端将信号输出，并反馈至pwm发生器中；所述的远端采集反馈器，其输出端还设置一根远端信号反馈线，通过远端信号反馈线与反馈输入防雷保护单元的输入端连接，反馈输入防雷保护单元的输出端与rc滤波网络单元3的输入端连接，rc滤波网络单元3的输出端与反馈信号缓冲单元的输入端连接，反馈信号缓冲单元的输出端与反馈信号比例调节器的输入端连接，反馈信号比例调节器的输出端将信号输出，并反馈至pwm发生器中。
6.所述的rc滤波网络单元1、rc滤波网络单元2和rc滤波网络单元3，配置的截止频率为33hz。
7.一种双反馈pwm转模拟信号电路的信号调节方法，包括如下步骤：1）通过单片机的定时器控制pwm发生器产生2-10khz的pwm信号，pwm信号通过rc滤波网络单元1和输出运放比例调节器后，获得电压信号v0，电压信号v0经过输出缓冲单元进行隔离缓冲后，获得可对外输出的模拟信号v1；2）模拟信号v1依次经过rc滤波网络单元2和输出防雷保护单元后获得输出信号v+，输出信号v+输出至远端信号采集反馈器；同时，模拟信号v1还依次经过信号采样缓冲单元进行隔离缓冲后，再经过输出信号比例调节器进行比例运算后得到模拟信号输出电压采样值v
f1
反馈补偿至pwm发生器中；3）远端信号采集反馈器将接收到的信号v+进行采样后获得回传信号v
fb
，通过远端信号反馈线将信号v
fb
回传反馈至输入防雷保护单元后，在依次经过rc滤波网络单元3和反馈信号缓冲单元进行处理得到远端电压信号v2+，远端电压信号v2+输入反馈信号比例调节器中进行比例运算后获得远端电压采样值v
f2
反馈补偿中pwm发生器中；4）在pwm发生器中，将步骤2）获得的电压采样值v
f1
和电压采样值v
f2
进行二分差值运算，获得电压反馈补偿值δv=(v
f1
ꢀ‑ꢀvf2
) /2；5）对输入的pwm信号与模拟信号v1拟合出函数关系式v1=k*pwm + a，以及函数关系式δv=k*(δpwm) + a，即完成pwm信号转模拟信号的调节，其中k为模拟电压与pwm比例系数，a为电压偏移量。
8.所述的电压采样值v
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和v
f2
，输入pwm发生器前，采用滤波算法进行滤波处理，分别对电压采样值v
f1
和v
f2
进行n次采样，并对各自采样值进行大小排列，取中间值为本次采样的有效值，采样周期为100ms。
9.本发明提供的一种双反馈pwm转模拟信号电路及信号调节方法，与现有技术相比，有如下优点：1、该电路可灵活配置成pwm转0-5v（1-5v）或0-10（1-10v）输出的模拟调光信号；2、采用三线制信号传输，增加远端信号反馈线路，确保输出的模拟信号达到目标节点时，还能保持较高的精度，并且反馈网络中包含运放负反馈电路，输出值反馈以及远端值反馈；利用算法进行调节，实现输出值和远端值的监测，使得传输到远端的信号不受传输损耗和中间信号的干扰；3、本发明可以有效解决模拟信号远距离传输时电压损耗造成的灯光控制效果失真问题，以及户外设备防雷击难题，也可以降低路灯、隧道灯控制系统成本；并解决pwm信号在户外使用时，防雷设计器选型困难、远距离传输时低占空比信号调光容易找出灯光闪动的问题。
附图说明
10.图1为一种双反馈pwm转模拟信号电路的功能原理框图；图2为一种双反馈pwm转模拟信号电路的具体电路示意图图3为算法调节示意图。
具体实施方式
11.下面结合附图和实施例对本发明内容做进一步阐述，但不是对本发明的限定。
12.实施例：如图1、图2所示，一种双反馈pwm转模拟信号电路，包括依次通信连接的pwm发生器、rc滤波网络单元1、输出运放比例调节器、输出缓冲单元、rc滤波网络单元2、输出防雷保护单元和远端信号采集反馈器；其中：所述的输出缓冲单元，其输出端还与信号采样缓冲单元的输入端连接，信号采样缓冲单元的输出端与输出信号比例调节器的输入端连接，输出信号比例调节器的输出端将信号输出，并反馈至pwm发生器中；所述的远端采集反馈器，其输出端还设置一根远端信号反馈线，通过远端信号反馈线与反馈输入防雷保护单元的输入端连接，反馈输入防雷保护单元的输出端与rc滤波网络单元3的输入端连接，rc滤波网络单元3的输出端与反馈信号缓冲单元的输入端连接，反馈信号缓冲单元的输出端与反馈信号比例调节器的输入端连接，反馈信号比例调节器的输出端将信号输出，并反馈至pwm发生器中。
13.所述的rc滤波网络单元1、rc滤波网络单元2和rc滤波网络单元3，配置的截止频率为33hz，rc滤波器的截止频率的计算公式为：。
14.上述电路中，电压信号公共端gnd与输出信号v-之间采用低直流阻抗的磁珠作为隔离。
15.在防雷电路中，输出防雷保护单元（浪涌保护电路）采用气体放电管gdt作为一级防护电路，共模电感作为第二级，采用共模电感可以很好的小区线路中引入的共模干扰信号，并用压敏电阻作为第三季浪涌保护，三级防护器件参数逐级分布，可以更好的消除浪涌干扰。
16.一种双反馈pwm转模拟信号电路的信号调节方法，包括如下步骤：1）通过单片机的定时器控制pwm发生器产生2-10khz的pwm信号，pwm信号通过rc滤波网络单元1和输出运放比例调节器后，获得电压信号v0，电压信号v0经过输出缓冲单元进行隔离缓冲后，获得可对外输出的模拟信号v1；2）模拟信号v1依次经过rc滤波网络单元2和输出防雷保护单元后获得输出信号v+，输出信号v+输出至远端信号采集反馈器；同时，模拟信号v1还依次经过信号采样缓冲单元进行隔离缓冲后，再经过输出信号比例调节器进行比例运算后得到模拟信号输出电压采样值v
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反馈补偿至pwm发生器中；3）远端信号采集反馈器将接收到的信号v+进行采样后获得回传信号v
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，通过远端信号反馈线将信号v
fb
回传反馈至输入防雷保护单元后，在依次经过rc滤波网络单元3和反馈信号缓冲单元进行处理得到远端电压信号v2+，远端电压信号v2+输入反馈信号比例调节器中进行比例运算后获得远端电压采样值v
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反馈补偿中pwm发生器中；4）在pwm发生器中，将步骤2）获得的电压采样值v
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和电压采样值v
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进行二分差值运算，获得电压反馈补偿值δv=(v
f1
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) /2；5）对输入的pwm信号与模拟信号v1拟合出函数关系式v1=k*pwm + a，以及函数关系式δv=k*(δpwm) + a，即完成pwm信号转模拟信号的调节，其中k为模拟电压与pwm比例系
数，a为电压偏移量。
17.如图3所示：所述的电压采样值v
f1
和v
f2
，输入pwm发生器前，采用滤波算法进行滤波处理，分别对电压采样值v
f1
和v
f2
进行n次采样，并对各自采样值进行大小排列，取中间值为本次采样的有效值，采样周期为50ms。
18.滤波算法具体如下：每50毫秒同时对v
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和v
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进行采样n次（n≧5，n为奇数），依次将v
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的采样结果存储到数组arr1中，将v
f2
的采样结果存储到数组arr2中，采样完成后，分别对arr1和arr2数组中的数据进行快速排序，然后取出arr1[(n-1)/2] 和 arr2[(n-1)/2] 作为最终采样结果，即获得v
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和v
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的数据。
[0019]
经过滤波算法获得输出信号v
f1
和v
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，对两个信号进行二分差值运算得到差值电压δv=(vf1ꢀ‑ꢀvf2
)/2，δv将作为补偿值来调整信号输入。此时，δv电压信号与输入pwm信号尚未建立数学关系，则对pwm和输出信号v1建立数学关系模型，拟合出函数关系式：v1=k*pwm + a ，δv=k*（δpwm）+ a ，由此可以得到修正后的pwm目标值为：pwm+δpwm ；将修正后的pwm目标值传给pid算法实现函数参数tarpwm ，进行pid算法进行调整，pid算法实现方式为：采用带可自动进行积分分离形式的pid算法。首先pwm取值为0~100对应模拟量输出0-5v（1-5v）或者0-10v（1-10）电压，初始状态下将初始pwm值设定为cpwm=50,通过单片机串口获得目标pwm值为tpwm = n（0~100），此时pwm输出目标值tarpwm 需要通过双反馈的采样结果进行目标值修正，即tarpwm = tpwm +δpwm。记录此时目标值tarpwm与当前值cpwm 的偏差量err = tarpwm
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cpwm , 设定积分分离控制因子sep=1，当偏差量err的绝对值大于20时，将积分分离因子激活（sep=0）。通过sumerr 来统计累计偏差量，sumerr = sumerr +err，经过算法输出公式pid.out = pid.kp*pid.err + pid.ki*sep*pid.sumerr + pid.kd*(pid.err
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pid.lasterr)获得实际需要设定的pwm值（pid.out），其中pid.kp为pid比例系数，pid.ki 为积分量控制，pid.kd 为微分量控制，pid.err为偏差量err，pid.sumerr 为累计偏差量，pid.lasterr 为前一次偏差值，当完成一次pid算法运算后需要将当前偏差值赋值给前一次偏差量pid.lasterr。