数字信号处理技术在电子信息工程中的应用.pdf

2 0 2 4年2期1 6 3 2 0 2 4年第4 6卷第2期数字信号处理技术在电子信息工程中的应用金爱花作者简介:金爱花(1 9 7 6-),本科,实验师,研究方向为计算机科学与技术。(河南省鹤壁职业技术学院 河南 鹤壁4 5 8 0 3 0)摘 要 随着信息技术的快速发展和应用领域的不断扩展,数字信号处理技术在电子信息工程中的应用越来越广泛。例如,在人工智能、机器学习、深度学习和计算机视觉等领域。文中首先介绍了数字信号处理技术的优点,包括高效的数据处理能力、可控的实现过程和高度集成的特点。接着,阐述了数字控制系统的设计和实现过程。最后,分析了基于D S P控制器架构下PWM整流数字信号的仿真控制。关键词:数字信号处理技术;电子信息;仿真中图分类号 T P 3 9 3A p p l i c a t i o no fD i g i t a l S i g n a lP r o c e s s i n gT e c h n o l o g y i nE l e c t r o n i c I n f o r m a t i o nE n g i n e e r i n gJ I NA i h u a(H e b iP o l y t e c h n i c,H e b i,H e n a n4 5 8 0 3 0,C h i n a)A b s t r a c t W i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g ya n dt h ec o n t i n u o u se x p a n s i o no fa p p l i c a t i o nf i e l d s,d i g i t a l s i g n a l p r o c e s s i n gt e c h n o l o g y i sm o r ea n dm o r ew i d e l yu s e d i ne l e c t r o n i c i n f o r m a t i o ne n g i n e e r i n g.F o re x a m p l e,i nt h e f i e l d s o f a r t i f i c i a l i n t e l l i g e n c e,m a c h i n e l e a r n i n g,d e e p l e a r n i n ga n dc o m p u t e r v i s i o n.T h i sp a p e r f i r s t i n t r o d u c e s t h e a d-v a n t a g e so fd i g i t a l s i g n a l p r o c e s s i n gt e c h n o l o g y,i n c l u d i n ge f f i c i e n td a t ap r o c e s s i n gc a p a b i l i t i e s,c o n t r o l l a b l e i m p l e m e n t a-t i o np r o c e s s a n dh i g h l y i n t e g r a t e d c h a r a c t e r i s t i c s.T h e n t h ed e s i g na n d i m p l e m e n t a t i o np r o c e s s o f t h ed i g i t a l c o n t r o l s y s t e mi sd e s c r i b e d.F i n a l l y,t h e s i m u l a t i o nc o n t r o l a n a l y s i s o fPWMr e c t i f i e dd i g i t a l s i g n a l b a s e do nD S Pc o n t r o l l e r a r c h i t e c t u r e i si n t r o d u c e d.K e y w o r d s D i g i t a l s i g n a l p r o c e s s i n gt e c h n o l o g y,E l e c t r o n i c i n f o r m a t i o n,S i m u l a t i o n0 引言随着科学技术的不断发展,数字信号处理技术已经成为电子信息工程领域的重要技术之一。数字信号处理技术通过对信号进行数字化处理,可以更加高效地处理信号数据,实现信号的传输、处理和控制。当前,数字信号处理技术在软线无线电系统、机器人移动领域和短波通信领域等方面得到了广泛应用。本文将分析数字信号处理技术在电子信息工程中的应用以及基于D S P控制器架构下PWM整流数字信号的仿真控制。1 数字控制系统的设计和实现数字控制系统是一种基于数字信号处理技术和控制理论的控制系统,可以用于各种自动化和控制应用。D S P单片机作为数字信号处理的核心处理器,广泛应用于数字控制系统的设计中。数字控制系统的设计和实现过程如下。1.1 控制系统的硬件设计硬件设计包括系统架构的设计、电路图的绘制、元器件的选型和电路板的制作等。在设计系统架构时,需要确定系统的输入、输出、控制算法和控制执行部分。通常情况下,数字控制系统的输入可以是模拟信号或数字信号,输出可以是电压、电流、PWM信号等。控制算法通常是在D S P单片机中编写的,而控制执行部分可以是驱动器、继电器、电机等。在电路图的绘制中,需要根据系统的架构设计出电路图。在绘制电路图时,需要特别注意电路的稳定性和噪声抑制。在元器件的选型中,需要选择适合系统的元器件。在选择元器件时,需要考虑元器件的参数、性能和价格等因素。在电路板的制作过程中,需要根据电路图制作电路板。在制作电路板时,需要注意板子的尺寸、电路布局和电路连接等1。1.2 D S P单片机控制算法设计D S P单片机控制算法的设计和实现包括控制系统的建模、控制系统的仿真、控制算法的设计和控制算法的实现等。控制系统的建模指将被控制的系统抽象为数学模型,通常使用微分方程、差分方程、状态空间模型等数学方法进行系统建模。控制系统的仿真指使用计算机软件对控制系统进行仿真。通过控制系统的仿真,可以评估控制系统的1 6 4 2 0 2 4年2期性能并优化控制算法。控制算法的设计包括P I D控制算法、滑模控制算法、模糊控制算法等。在控制算法的设计过程中,需考虑控制系统的性能指标,如响应时间、稳态误差和稳定性等。在实现控制算法时,需要将控制算法编写为D S P单片机能执行的程序。通常使用C语言或汇编语言编写程序,并利用D S P单片机的开发工具进行调试和烧录。1.3 实时数据采集和处理在数字控制系统中,需要采集系统的输入和输出信号,并对信号进行实时处理。实时数据采集和处理包括模拟信号的采集、数字信号的采集、信号的滤波和数据处理等。模拟信号的采集需要使用模拟信号采集电路,将模拟信号转换为数字信号。数字信号的采集则需要使用数字信号采集电路,并直接将数字信号采集到D S P单片机中。在采集信号时,需要注意采样频率和采样精度等参数。信号的滤波指对信号进行滤波处理,去除信号中的噪声和干扰。常用的滤波方法包括低通滤波、高通滤波、带通滤波和陷波滤波等。数据处理指对采集到的数据进行处理,例如进行数据分析、数据显示和数据存储等。常用的数据处理方法包括F F T变换、数据滤波、数据压缩和数据加密等2。1.4 控制系统的性能评估和优化在控制系统的动态性能评估中,需要评估系统的响应时间、超调量和阻尼比等指标。在静态性能评估中,需要评估系统的稳态误差和系统的静态精度等指标。在稳定性评估中,需要评估系统的稳定性和系统的抗干扰能力等指标。控制算法的优化指对控制算法进行改进,以提高控制系统的性能。例如,使用先进的控制算法、增加控制器的阶数和优化控制器参数等。系统参数的优化指对系统参数进行优化,以提高控制系统的性能。例如,优化控制系统的输入输出参数、增加传感器的灵敏度和优化驱动器的性能等。2 实践案例分析本文设计了基于D S P控制器架构下PWM整流数字信号的仿真控制方案。在此方案中,D S P控制器用于控制PWM整流电路的开关器件,以实现对电路中电流的控制。下面将分析PWM整流数字信号的仿真控制。2.1 PWM整流控制系统的硬件及模型构成PWM整流控制系统是一种常见的电力电子系统,可用于实现交流电源向直流电源的转换。PWM整流控制系统的硬件构成包括整流桥、滤波器、控制器等,模型构成包括功率模型、控制模型等3。2.1.1 硬件构成整流桥是PWM整流控制系统中的重要组成部分,可将输入的交流电源转换为直流电源。整流桥通常由4个二极管或MO S管组成,其中两个二极管或MO S管工作于正半周,另外两个二极管或MO S管工作于负半周4。滤波器是PWM整流控制系统中的另一个重要组成部分,可滤除整流桥输出的脉冲波形,并将其平滑为直流电压。滤波器通常由电容、电感、电阻等元器件组成,具有一定的滤波效果和响应时间。控制器是PWM整流控制系统中的关键组成部分,可实现对整流桥的控制和调节。控制器通常由微控制器或D S P单片机等芯片组成,具有高精度和高稳定性的控制算法和功能。2.1.2 模型构成功率模型是PWM整流控制系统中的重要模型之一,用于描述整流桥和滤波器的功率传递和转换。功率模型可以采用电力电子学中的平衡点法、小信号模型法等进行建模和分析,从而实现对PWM整流控制系统的功率传递和转换的分析和设计。2.1.3 控制模型控制模型可用于描述控制器对整流桥的控制和调节。控制模型可以采用P I D控制算法、模糊控制算法、神经网络控制算法等进行建模和分析,从而实现对PWM整流控制系统的控制和调节的分析和设计。2.2 数字控制程序设计数字控制程序设计是整个系统的核心,它主要负责对输入信号进行处理和控制输出信号的波形,如图1所示。图1 数字控制程序的执行流程(1)开始。在系统启动后,首先进入数字控制程序设计。程序会读取系统参数和控制参数,然后初始化系统。(2)初始化。初始化包括设置各个寄存器的初始值,配置A D C,PWM,G P I O等外设以及初始化P I D控制器等算法。(3)故障检测。在系统运行过程中,需要对各个部分进行故障检测,以保证系统的稳定性和可靠性。程序会检测电压、电流、温度等参数是否超过设定的阈值,如果有异常情况,则会触发保护机制,停止输出信号。(4)开关输入检测。系统需要检测开关输入信号,以控制输出信号的开关状态。程序会读取开关输入信号,然后根据设定的逻辑进行处理,控制PWM输出信号的占空比,实现输出电压和电流的控移动信息2 0 2 4年2期1 6 5 制。(5)系统状态转换。系统状态转换指根据输入信号和控制参数,控制输出信号的波形。程序会根据P I D控制器的输出值,计算PWM输出信号的占空比,并根据设定的输出频率和相位差,生成三相PWM波形。(6)PWM显示。程序会将PWM波形输出到D A C模块,以控制I G B T开关管的导通和截止,以实现输出电压和电流的控制。同时,程序会将PWM波形显示在L C D屏幕上,以便操作员进行监测和调试5。2.3 交流侧电压负载变动的仿真实验分析交流侧电压负载变动是电力电子系统中常见的负载变动方式,通常因负载变化而导致电网电压发生波动和变化。为了研究交流侧电压负载变动对电力电子系统的影响,可以采用仿真实验的方式进行分析。在仿真实验中,本文基于MA T L A B/S i m u l i n k平台,建立了1 0 0 k W三相PWM整流器和D S P控制器的仿真模型。利用数字信号处理技术,对整流器输出电压进行采样和滤波,从而实现精确的电压控制。此外,还记录了仿真实验结果,如整流器输出电压、电流和功率等,以进行分析和评估。(1)实验步骤:使用MA T L A B/S i m u l i n k建立仿真模型,包括三相整流器、D S P控制器和负载等模块。(2)整流器模型的设置:采用S PWM调制方式,使用三相全桥有源逆 变 器 实 现 三 相PWM整 流,设 置 电 感L=0.1 mH,电容C=2 2 0 0F,开关管损耗P l o s s=0.2W,电感损耗P l o s s=0.1W,电容损耗P l o s s=0.0 5W。(3)D S P控制器模型的设置:使用D S P控制器进行精确地电压控制,采样整流器输出电压,使用F I R滤波器进行数字滤波,通过控制PWM信号的占空比,实现对整流器输出电压的精确控制。(4)仿真实验的设计:设置输入电压为2 2 0 V,负载电阻为5,电流为2 0 A,采样频率为1 0 k H z,仿真时长为1 s。(5)仿真结果的分析:首先,观察整流器输出电压波形。在采样频率为1 0 k H z的情况下,整流器输出电压稳定在2 2 0 V左右。接着,观察整流器输出电流波形。在负载电阻为5 的情况下,整流器输出电流稳定在2 0 A左右。然后,观察整流器输出功率波形。根据电压和电流计算得到的整流器输出功率稳定在4.4 k W左右。最后,评估D S P控制器的控制精度和实时性。为了评估控制精度,还比较了不同采样频率下的整流器输出电压波形和功率波形。结果可以发现,在采样频率为1 0 k H z时,整流器输出电压波形的延迟最小,约为0.5 m s,表现出了良好的实时性。表1列出了不同采样频率下整流器输出电压和功率的平均值和标准差。表1 输出电压和功率的平均值采样频率/k H z整流器输出电压/V整流器输出功率/kW52 1 9.90.0 3 44.40.0 0 11 02 2 0.00.0 14.40.0 0 12 02 2 0.00.0 24.40.0 0 1从表1可以看出,在采样频率为1 0 k H z时,整流器输出电压和功率的标准差最小,说明控制精度较高。同时,整流器输出电压和功率的平均值均接近理论值,说明D S P控制器对整流器的控制效果良好。(6)结论:通过仿真实验可以发现,采用数字信号处理技术进行电压控制,能实现高精度、高稳定性的控制效果。在不同负载和输入电压下,整流器输出电压和功率波形稳定,表现出良好的性能。3 结语本文不仅深度解析了数字信号处理技术、机器人移动领域、电子信息化系统、D S P单片机控制技术等领域的相关理论和技术,也深入掌握了相关应用案例和实践经验。希望能对相关领域的研究和实践提供一定的参考和借鉴,同时也期望未来能在这些领域做出更多贡献。参考文献1谷桐宇.电子信 息 工程 中数 字信 号 处理 技术 的 应用 探讨J.数字技术与应用,2 0 2 3,4 1(3):2 0-2 2.2栾文南.数字信号处理技术在电子信息工程中的应用J.电子元器件与信息技术,2 0 2 2,6(1 1):1 6 1-1 6 4.3曾辉.电子信息工程中数字信号处理技术的应用研究J.电子质量,2 0 2 2(9):8 1-8 4.4祝钰翔.数字信号处理技术在电子信息工程中的应用研究J.信息与电脑(理论版),2 0 2 2,3 4(1 3):1 9-2 1.5潘茜茜.数字信号处理技术在电子信息工程的应用J.信息技术与信息化,2 0 2 2(3):1 1 4-1 1 6,1 2 1.移动信息