Abstract: The core device of the internal combustion shunting locomotive is a converter, and the converter includes rectifier, intermediate and inverter. Among them, the intermediate links play a role in filtering, regulating and resisting braking. As the power electronic device IGBT switching frequency is too high, the line instability, etc., will cause the intermediate link DC voltage doping high-frequency signal interference, pollution lines, and even brake chopper control caused by interference. Because the analog filter needs to design the relevant line structure, in the practical application to the hardware design to bring a certain pressure, so this paper by analyzing the intermediate link voltage spectrum, determine the sampling frequency, passband stopband cutoff frequency, attenuation amplitude and a series of indicators, The FDAtool design tool in matlab designed the IIR low-pass digital filter to filter and implement the software. By comparing the voltage waveforms before and after filtering, it is found that the low-pass digital filter is effective in this environment.

Key words: Intermediate link voltage; Spectrum; Digital filter

【中图分类号】P161.4 【文献标识码】B  【文章编号】1561-0330（2018）03-0000-00

1 前言

中间环节电压检测常遇到高频信号的干扰问题，数字滤波器在信号采集中检测精度较高，也避免了模拟滤波器在线路中容易受到电磁、环境等干扰的问题，通过分析原始信号特征，确定数字滤波器类型和结构，在MATLAB中对其仿真，观测效果。

2 中间环节电压原始信号分析

机车的中间制动斩波器在工程应用中，采集板进行数据采集时，很容易受到外部环境和电力电子器件高频开断的干扰，这样对中间环节直流母线电压的采集造成一定的高频干扰，导致采集到的电压波形含有很多毛刺，这些毛刺就是干扰信号。干扰信号不去除，对接下来斩波板的控制造成影响，对机车的正常运行更是产生危害。在该系统中，采用10kHz对中间环节直流电压进行采样，采集到的原始电压波形如图1所示。

从图2看出，原始信号的频谱含有频率为零的直流分量，也包含其他频率的分量，使用数字滤波器将高频分量滤除以提高精度。

3 IIR数字滤波器原理

IIR数字滤波器也叫无限长数字滤波器，数字滤波是将连续域内的表达形式转换成离散域的表达形式，那么输入时数字信号，输出也是数字信号，其实质是输入数字信号根据一定的数学算法转化成希望得到的输出数字信号。其差分方程表示形式如式（1）所示^[1]：

IIR数字滤波器的结构分为直接型、级联型和并联型结构，直接型的系数对系统的稳定性，响应等起不到明显的效果，而且这种结构的运算量比较大，在实际应用中会增加计算时间，本身误差累加就多，在加上耗时的影响，其效果并不理想；并联型的结构运算量小，精确度高，响应效果好，但如果采用零极点设计法设计时，零极点的调整有困难，不灵活；而级联型能对零极点较灵活地调整，可对一个零点调整时，不干扰其他的零点，该结构还可以减少存储单元，计算准确，精确度高。图3是二阶级联型结构图。

IIR滤波器的设计可以参考模拟滤波器的设计成果，根据已有的参数，结构分析进行相应设计，十分便捷。设计方法中，脉冲响应不变法在时域分析时能很快响应，它的瞬态性比较好，但在频域上分析时，极容易造成混杂和重叠，导致失真；双线性变换法在频域上的效果比脉冲响应法好，不会出现混叠和失真。模拟滤波器的类型常用的有椭圆形滤波器、切比雪夫I型和II型滤波器、巴特沃斯滤波器。椭圆型滤波器比巴特沃斯滤波器稳定性好，响应快，但是他的传递函数在数轴上有零点，所以在设计时比较困难，不容易保证精确度。契比雪夫I型滤波器的幅度在通带等纹波，阻带单调，切比雪夫II型跟它正相反，而且切比雪夫滤波器的衰减比较快，正符合数字滤波器让有用信号通过，无用信号快速衰减的原理，其阶数也远比有限长滤波器小得多，所以可以根据场合和信号特征选用契比雪夫型滤波器^[2]。

4 IIR数字滤波器的设计

图4 幅相频特性曲线图

从图4幅相频特性曲线看出，幅频特性精度高，在截止频率1200Hz处，信号幅度衰减，相位非线性，特性较好，也有衰减。

从图5零极点分布图中看出，系统的6个极点全部在单位圆内，因此系统是稳定的。

从上述公式也可看出，该滤波器是六阶滤波器，与零极点分布图相对应，说明该工具设计的滤波器比较精准。

5 IIR低通数字滤波器的仿真效果

从工具生成的数字滤波器结构可以看出，它是一个三级二阶级联组成的六阶滤波器，阶数比有限长滤波器要小很多。滤波器级联结构图如图6所示。

从图8中看出设计的滤波器能使中间电压成为稳定在750V的直流电，说明设计的滤波器效果显著。

6 结论

（1）经仿真示波器显示，并对原始信号进行频谱分析，确实掺杂其他频谱的干扰信号。

（2）传统模拟滤波器的设计比较复杂，且容易受到外部环境的干扰，相比较而言，数字滤波器避免了以上缺点，更能提高电压检测的精确度。

（3）根据对原始信号的分析，确定IIR数字滤波器设计的技术指标并根据指标完成设计，并通过幅相频特性曲线、零极点分布图检验了设计的滤波器的稳定性和合理性。

（4）在工程实际应用中，数据采集极容易受到干扰，本文中详细介绍了该滤波器的原理和数学算法，为通过编程在软件中实现该滤波器的功能提供了参考和基础。

（5）IIR数字滤波器的结构有很多，应用时还是应该考虑到实际信号的特征、结构的简化、软件编程的快速性等，不仅在仿真中有严谨的理论依据，在实际运用中也有合理的技术支撑。

参考文献

[1]周利清,苏菲.数字信号处理基础(第2版)[M].北京:北京邮电大学出版社,2008.

[2]尹文花,何小刚.IIR数字滤波器切比雪夫设计法的Matlab实现[J].煤矿机电,2010(1):69-70.

[3]赵红怡,张常年.数字信号处理基础及其MATLAB实现[M].北京化学工业出版社,2002.