Buck變換器參數(shù)辨識(shí)的研究
摘要:構(gòu)建了Buck變換器參數(shù)辨識(shí)的方法。通過(guò)檢測(cè)電感電流和輸出電壓的波形信號(hào),可辨識(shí)出電路的濾波電感、濾波電容及其等效串聯(lián)電阻,并可應(yīng)用于參數(shù)在線辨識(shí),故障趨勢(shì)判斷和預(yù)知維護(hù)。最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了這一方法的有效性。
關(guān)鍵詞:Buck變換器;參數(shù)辨識(shí);方法
引言
隨著電力電子技術(shù)的日益發(fā)展,電力電子變換器在工業(yè)、航空、信息產(chǎn)業(yè)等領(lǐng)域得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。Buck變換器是一種結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單,應(yīng)用十分廣泛的DC/DC降壓變換器,也越來(lái)越多地應(yīng)用在許多大功率電壓變換場(chǎng)合。因此,對(duì)其可靠性和可維護(hù)性的要求也越來(lái)越高。
元器件的軟故障,如電容、變壓器、電感、開(kāi)關(guān)器件特性劣化等參數(shù)性故障,會(huì)降低變換器的工作性能和安全性,影響輸出指標(biāo),嚴(yán)重的會(huì)引發(fā)開(kāi)關(guān)器件短路或開(kāi)路故障,從而造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。因此,有必要研究變換器的參數(shù)辨識(shí)方法以實(shí)現(xiàn)參數(shù)性故障診斷,從而為故障趨勢(shì)判斷和預(yù)知維護(hù)創(chuàng)造條件。
本文通過(guò)建立Buck變換器的模型,并且在這一模型的基礎(chǔ)上,通過(guò)最小二乘算法獲得了的變換器參數(shù)辨識(shí)的方法。這種方法適用于CCM和DCM工作模式的變換器的參數(shù)辨識(shí),能夠推廣到其他開(kāi)關(guān)變換器,并且能夠被應(yīng)用于在線參數(shù)辨識(shí)和故障自動(dòng)診斷系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)變換器的濾波電感、濾波電容及其等效串聯(lián)電阻的參數(shù)辨識(shí)的實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了這一方法的有效性和準(zhǔn)確性。
1 Buck變換器的模型構(gòu)建
Buck變換器電路如圖1所示。
在Buck變換器建模中,開(kāi)關(guān)器件被視作理想器件。電容的等效串聯(lián)電阻(ESR)是衡量電容是否正常的一個(gè)很重要的參數(shù),同時(shí)它對(duì)電路的性能有較大的影響,特別是對(duì)輸出電壓的紋波影響較大,故在建模過(guò)程中予以考慮,并且在參數(shù)辨識(shí)過(guò)程中也作為一個(gè)參數(shù)來(lái)進(jìn)行辨識(shí)。而電感的ESR由于其影響較小,因此建模中不予考慮。變換器的等效電路圖如圖2所示。
在CCM工作模式下,變換器會(huì)在兩種正常的工作狀態(tài)下運(yùn)行,即s1=1,s2=0和s1=0,s2=1。在DCM工作模式下,變換器會(huì)在三種正常的工作狀態(tài)下運(yùn)行,即s1=1,s2=0、s1=0,s2=1和s1=0,s2=0。結(jié)合各種狀態(tài)下變換器的微分方程組,可以歸納推導(dǎo)出變換器的模型為
s1及s2不能同時(shí)為1。
2 Buck變換器的參數(shù)辨識(shí)
2.1 Buck電路參數(shù)辨識(shí)的基本原理
對(duì)式(1)作離散化處理,可以得到
采用遞推最小二乘法作參數(shù)辨識(shí),t可以作為第t次觀測(cè)數(shù)目,各矩陣定義如下:
于是,通過(guò)最小二乘法,可以得出一組遞推算法:
式中:n取值為1,2。
將式(2)寫(xiě)成參數(shù)表達(dá)形式
分析中我們發(fā)現(xiàn),式(2)右邊第一和第二項(xiàng)之間有相關(guān)性。當(dāng)s1+s2的值為1,即s1及s2之中至少有一個(gè)開(kāi)關(guān)是導(dǎo)通時(shí),第一項(xiàng)和第二項(xiàng)的狀態(tài)項(xiàng)是相同的,當(dāng)s1及s2的值為0,即s1及s2都是關(guān)斷時(shí),第二項(xiàng)的值始終為零,因此,理論上雖然并不是相對(duì)應(yīng)的收斂于a11,h11,a21,h21,a12,h12,a22,h22,但卻應(yīng)該分別收斂于
由所得到的過(guò)程參數(shù)估計(jì)值可以計(jì)算出需要辨識(shí)的參數(shù)值如下:
2.2 Buck電路參數(shù)辨識(shí)實(shí)驗(yàn)
實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的方框圖如圖3所示,通過(guò)PCI9810高速數(shù)據(jù)采集卡,將經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理的Buck電路的電感電流、輸出電壓和控制脈沖信號(hào)采集進(jìn)入PC中,在PC中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和參數(shù)辨識(shí)的工作。
實(shí)驗(yàn)環(huán)境如下所述。輸入電壓值在30V左右,開(kāi)關(guān)頻率維持在20kHz,采樣頻率是3MHz,采集點(diǎn)數(shù)是400點(diǎn),電容(C)值是302μF,電感(L)值是437μH,電容ESR是0.198Ω,負(fù)載電阻值分別取2.1,6.4,8.5,12.2,14.7,21.1,33.5,48.1Ω,占空比的范圍是0.1到0.9,每隔約0.1取一個(gè)值,電路運(yùn)行在CCM或DCM的工作模式下,在每一組實(shí)驗(yàn)環(huán)境數(shù)據(jù)下做5次實(shí)驗(yàn),總共做了200次實(shí)驗(yàn)。圖4、圖5分別列出CCM和DCM的信號(hào)波形圖。其中,圖4(a)的實(shí)驗(yàn)條件為占空比0.7,負(fù)載電阻值為12.2Ω,電路工作在CCM模式,圖4(b)所示的波形是輸出電壓紋波放大圖;圖5(a)的實(shí)驗(yàn)條件為占空比0.32,負(fù)載電阻值為48.1Ω,電路工作在DCM模式,圖5(b)所示的波形是輸出電壓紋波放大圖。
表1 誤差統(tǒng)計(jì)表
| L | C | Rc | R |
0~1% | 20.5% | 8.5% | 9% | 8% |
1%~2% | 24.5% | 9.5% | 16.5% | 17.5% |
2%~3% | 21% | 18.5% | 18% | 18.5% |
3%~4% | 14.5% | 21% | 15.5% | 20.5% |
4%~5% | 10.5% | 26.5% | 22% | 18.5% |
5%~6% | 9% | 16% | 19% | 14% |
6%~6.17% | 0 | 0 | 0 | 3% |
3 結(jié)語(yǔ)
本文對(duì)Buck電路的參數(shù)進(jìn)行了辨識(shí)。對(duì)于運(yùn)行在兩種工作模式下的Buck電路,這種方法都是適用的。該方法準(zhǔn)確性較高并可以實(shí)現(xiàn)參數(shù)的在線辨識(shí),為Buck電路的參數(shù)性故障診斷提供了一種可行的方法。它可集成于電力電子監(jiān)控及故障診斷系統(tǒng),從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)的在線辨識(shí)和故障的預(yù)知診斷。
評(píng)論