Buck变换器参数辨识的研究

2007-03-09 19:03:27来源: 互联网
摘要:构建了Buck变换器参数辨识的方法。通过检测电感电流和输出电压的波形信号,可辨识出电路的滤波电感、滤波电容及其等效串联电阻,并可应用于参数在线辨识,故障趋势判断和预知维护。最后通过实验验证了这一方法的有效性。 关键词:Buck变换器;参数辨识;方法 引言 随着电力电子技术的日益发展,电力电子变换器在工业、航空、信息产业等领域得到了越来越广泛的应用。Buck变换器是一种结构比较简单,应用十分广泛的DC/DC降压变换器,也越来越多地应用在许多大功率电压变换场合。因此,对其可靠性和可维护性的要求也越来越高。 元器件的软故障,如电容、变压器、电感、开关器件特性劣化等参数性故障,会降低变换器的工作性能和安全性,影响输出指标,严重的会引发开关器件短路或开路故障,从而造成严重的经济损失。因此,有必要研究变换器的参数辨识方法以实现参数性故障诊断,从而为故障趋势判断和预知维护创造条件。 本文通过建立Buck变换器的模型,并且在这一模型的基础上,通过最小二乘算法获得了的变换器参数辨识的方法。这种方法适用于CCM和DCM工作模式的变换器的参数辨识,能够推广到其他开关变换器,并且能够被应用于在线参数辨识和故障自动诊断系统。通过对变换器的滤波电感、滤波电容及其等效串联电阻的参数辨识的实验,验证了这一方法的有效性和准确性。 1 Buck变换器的模型构建 Buck变换器电路如图1所示。 在Buck变换器建模中,开关器件被视作理想器件。电容的等效串联电阻(ESR)是衡量电容是否正常的一个很重要的参数,同时它对电路的性能有较大的影响,特别是对输出电压的纹波影响较大,故在建模过程中予以考虑,并且在参数辨识过程中也作为一个参数来进行辨识。而电感的ESR由于其影响较小,因此建模中不予考虑。变换器的等效电路图如图2所示。 在CCM工作模式下,变换器会在两种正常的工作状态下运行,即s1=1,s2=0和s1=0,s2=1。在DCM工作模式下,变换器会在三种正常的工作状态下运行,即s1=1,s2=0、s1=0,s2=1和s1=0,s2=0。结合各种状态下变换器的微分方程组,可以归纳推导出变换器的模型为 s1及s2不能同时为1。 2 Buck变换器的参数辨识 2.1 Buck电路参数辨识的基本原理 对式(1)作离散化处理,可以得到 采用递推最小二乘法作参数辨识,t可以作为第t次观测数目,各矩阵定义如下: 于是,通过最小二乘法,可以得出一组递推算法: 式中:n取值为1,2。 将式(2)写成参数表达形式 分析中我们发现,式(2)右边第一和第二项之间有相关性。当s1+s2的值为1,即s1及s2之中至少有一个开关是导通时,第一项和第二项的状态项是相同的,当s1及s2的值为0,即s1及s2都是关断时,第二项的值始终为零,因此,理论上虽然并不是相对应的收敛于a11,h11,a21,h21,a12,h12,a22,h22,但却应该分别收敛于 由所得到的过程参数估计值可以计算出需要辨识的参数值如下: 2.2 Buck电路参数辨识实验 实验系统的方框图如图3所示,通过PCI9810高速数据采集卡,将经过信号调理的Buck电路的电感电流、输出电压和控制脉冲信号采集进入PC中,在PC中进行数据处理和参数辨识的工作。 实验环境如下所述。输入电压值在30V左右,开关频率维持在20kHz,采样频率是3MHz,采集点数是400点,电容(C)值是302μF,电感(L)值是437μH,电容ESR是0.198Ω,负载电阻值分别取2.1,6.4,8.5,12.2,14.7,21.1,33.5,48.1Ω,占空比的范围是0.1到0.9,每隔约0.1取一个值,电路运行在CCM或DCM的工作模式下,在每一组实验环境数据下做5次实验,总共做了200次实验。图4、图5分别列出CCM和DCM的信号波形图。其中,图4(a)的实验条件为占空比0.7,负载电阻值为12.2Ω,电路工作在CCM模式,图4(b)所示的波形是输出电压纹波放大图;图5(a)的实验条件为占空比0.32,负载电阻值为48.1Ω,电路工作在DCM模式,图5(b)所示的波形是输出电压纹波放大图。 各辨识参数的误差统计如表1所列。由表1中可以看出,辨识误差大部分落在6%以内,因此,这一辨识方法还是相当有效的,可以比较准确地估计出参数值。 表1 误差统计表   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 结语 本文对Buck电路的参数进行了辨识。对于运行在两种工作模式下的Buck电路,这种方法都是适用的。该方法准确性较高并可以实现参数的在线辨识,为Buck电路的参数性故障诊断提供了一种可行的方法。它可集成于电力电子监控及故障诊断系统,从而实现系统参数的在线辨识和故障的预知诊断。
编辑: 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/designarticles/power/200703/11340.html
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