Оценка частотного отклика для модели силовой электроники с использованием псевдослучайного двоичного сигнала

В этом примере используются:

В этом примере показано, как идентифицировать модель частотной области с использованием псевдослучайной двоичной последовательности (PRBS) для системы силовой электроники, смоделированной в Simulink ® с использованием компонентов Simscape™ Electrical™. В этом примере рассматривается процесс оценки частотного отклика в рабочем процессе проектирования контроллера с использованием PRBS в качестве входного сигнала.

Обычно силовые электронные системы не могут быть линеаризованы, поскольку они используют высокочастотные коммутационные компоненты, такие как генераторы широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Однако большинство инструментов настройки PID Simulink Control Design™ разрабатывают прирост PID на основе линеаризованной модели установки. Чтобы получить такую модель для модели силовой электроники, которая не может быть линеаризована, можно оценить частотную характеристику установки в диапазоне частот, как показано в этом примере.

Для сбора данных частотной характеристики можно:

Оцените частотную характеристику установки в командной строке.
Оцените частотную характеристику установки с помощью приложения Model Linearizer.

В этом примере показано, как оценить частотную характеристику установки в командной строке. Сведения об оценке частотной характеристики установки для системы силовой электроники в линейизаторе модели с использованием входного сигнала PRBS см. в разделе Оценка частотной характеристики в линеаризаторе модели с использованием псевдослучайной двоичной последовательности.

Модель повышающего преобразователя

В этом примере в качестве системы силовой электроники используется модель повышающего преобразователя. Схема повышающего преобразователя преобразует одно напряжение постоянного тока в другое, обычно более высокое, напряжение постоянного тока посредством управляемого измельчения или переключения напряжения источника.

mdl = 'scdboostconverter';
open_system(mdl)

В этой модели для переключения используется MOSFET, управляемый сигналом ШИМ. Выходное напряжение $Vout$ регулируется до эталонного значения. $Vref$ Цифровой контроллер PID регулирует рабочий цикл ШИМ $Duty$ на основе сигнала ошибки напряжения. В этом примере оценивается частотная характеристика от рабочего цикла ШИМ к напряжению нагрузки. $Vout$

Программное обеспечение Simscape Electrical содержит заранее определенные блоки для многих систем силовой электроники. Эта модель содержит вариационную подсистему с двумя версиями модели повышающего преобразователя:

Схема бустерного преобразователя, построенная с использованием компонентов электропитания. Параметры компонентов цепи основаны на [1].
Блок повышающего преобразователя, сконфигурированный так, чтобы иметь те же параметры, что и схема повышающего преобразователя. Дополнительные сведения об этом блоке см. в разделе Boost Converter (Simscape Electrical).

Для использования версии блока Boost Converter подсистемы в модели нажмите кнопку Boost Converter Block или используйте следующую команду.

set_param([bdroot '/Simscape Power Systems Boost Converter'],...
    'LabelModeActiveChoice','block_boost_converter');

Найти операционную точку модели

Чтобы оценить частотную характеристику повышающего преобразователя, необходимо сначала определить установившуюся рабочую точку, в которой преобразователь должен работать. Дополнительные сведения о поиске рабочих точек см. в разделе Поиск установившихся рабочих точек для моделей Simscape. В этом примере используется рабочая точка, оцененная по снимку моделирования через 0,045 секунды.

opini = findop(mdl,0.045);

Инициализируйте модель с вычисленной рабочей точкой.

set_param(mdl,'LoadInitialState','on','InitialState','getstatestruct(opini)');

Создание псевдослучайного двоичного сигнала

Псевдослучайный двоичный сигнал (PRBS) - это периодический, детерминированный сигнал с бело-шумоподобными свойствами, который сдвигается между двумя значениями. PRBS - это по своей сути периодический сигнал с максимальной длительностью периода, $2^{n}-1$ где $n$ - порядок PRBS. Дополнительные сведения см. в разделе Входные сигналы PRBS.

Создайте PRBS со следующей конфигурацией.

Для использования непериодического PRBS установите число периодов равным 1.
Используйте порядок PRBS 14, создавая сигнал длиной 16383. Для получения точной оценки частотной характеристики длина PRBS должна быть достаточно большой.
Установите частоту впрыска PRBS в 200 кГц для соответствия времени выборки в модели. То есть укажите время выборки 5e-6 секунд.
Для обеспечения надлежащего возбуждения системы установите амплитуду возмущений на 0,05. Если входная амплитуда слишком велика, повышающий преобразователь работает в режиме прерывистого тока. Если входная амплитуда слишком мала, PRBS неотличим от пульсаций в силовых электронных схемах.

in_PRBS = frest.PRBS('Order',14,'NumPeriods',1,'Amplitude',0.05,'Ts',5e-6);

Сбор данных частотного отклика

Для сбора данных частотной характеристики можно оценить частотную характеристику установки в командной строке. Для этого сначала получите входные и выходные точки линейного анализа из модели.

io = getlinio(mdl);

Укажите рабочую точку, используя исходные условия модели.

op = operpoint(mdl);

Найдите все блоки источников в сигнальных трактах выходов линеаризации, которые генерируют изменяющиеся во времени сигналы. Такие изменяющиеся во времени сигналы могут создавать помехи сигналу в выходных точках линеаризации и давать неточные результаты оценки.

srcblks = frest.findSources(mdl,io);

Чтобы отключить изменяющиеся во времени исходные блоки, создайте frestimateOptions набор опций и укажите BlocksToHoldConstant вариант.

opts = frestimateOptions;
opts.BlocksToHoldConstant = srcblks;

Оцените частотную характеристику с помощью входного сигнала PRBS.

sysest_prbs = frestimate(mdl,io,op,in_PRBS,opts);

Сравнение данных частотного отклика с результатами FRE синестрима

Сравните результаты оценки при использовании сигнала PRBS с результатами, обнаруженными при использовании синестрименного входного сигнала. Сравните сигналы через 15 логарифмически разнесенные частоты, используемые для синестрима в диапазоне от 50 Гц до 5 кГц.

load frdSinestream
wbode = estsysSinestream.Frequency;
bode(sysest_prbs,'b-');
hold on
bode(estsysSinestream,'ro--',wbode(1:end-2));
legend('PRBS estimation result','Sinestream estimation result',...
    'Location','northeast')
grid on

Чтобы найти время моделирования, необходимое для оценки частотной характеристики по входному сигналу, можно использовать getSimulationTime функция.

tfinal_sinestream = in_sine1.getSimulationTime
tfinal_prbs = in_PRBS.getSimulationTime

tfinal_sinestream =

    0.2833


tfinal_prbs =

    0.0819

Время моделирования с помощью in_PRBS составляет около 30% времени, затраченного in_sine1 для оценки частотной характеристики модели. Это указывает на то, что оценка частотной характеристики с помощью входного сигнала PRBS намного быстрее, чем входного сигнала синестрима.

Результат расчетной частотной характеристики, sysest_prbs, близко соответствует estsysSinestream. Поскольку входной сигнал PRBS оценивает частотные характеристики с большим количеством частотных точек, результат оценки предоставляет больше информации о резонансных характеристиках системы. Для получения аналогичных результатов с помощью синестрименного входного сигнала может потребоваться увеличение числа частотных точек, что приводит к увеличению времени оценки. Этот подход можно использовать для получения точных результатов оценки частотной характеристики за меньшее время моделирования по сравнению с оценкой синестримными сигналами.

Улучшение результата частотной характеристики на низких частотах

Чтобы улучшить результат оценки частотной характеристики при более низких частотах, можно использовать время выборки медленнее, чем время выборки в исходной модели повышающего преобразователя. Для этого измените модель, чтобы использовать блок Константа (Constant) во входной точке анализа и блок Переход скорости (Rate Transition) в выходной точке анализа.

Для блока Constant и блока Rate Transition используйте время выборки, равное 5e-5 секунд, что в десять раз медленнее времени исходной выборки 5e-6 секунд.

Создайте входной сигнал PRBS с использованием нового времени выборки порядка 12.

in_PRBS = frest.PRBS('Order',12,'NumPeriods',1,'Amplitude',0.05,'Ts',5e-5);

С помощью нового входного сигнала PRBS можно получить частотную характеристику, которая распространяется на более низкие частоты.

Возможность изменения времени выборки времени входного сигнала PRBS обеспечивает дополнительную степень свободы в процессе оценки частотного отклика. Используя большее время выборки, чем в исходной модели, можно получить результат оценки частотной характеристики с более высоким разрешением в низкочастотном диапазоне с коротким временем моделирования. Кроме того, выполнение оценки при более низкой частоте дискретизации снижает требования к обработке при развертывании на аппаратном обеспечении.

Закройте модель.

close_system(mdl,0)

Ссылки

[1] Ли, С. В. Практический анализ контура обратной связи для повышающего преобразователя в режиме напряжения. SLVA633 отчета по приложению. Texas Instruments, 2014. https://www.ti.com/lit/an/slva633/slva633.pdf.

См. также

frest.PRBS | frestimate | frestimateOptions

Документация