Оценка частотного отклика для измерения входного допуска повышающего преобразователя

В этом примере используются:

В этом примере показано, как измерить входную допустимость повышающего преобразователя, смоделированного в Simulink ® с использованием компонентов Simscape™ Electrical™. В этом примере рассматривается процесс оценки частотной характеристики для измерения входной допустимости существующей модели схемы силовой электроники.

Обычно измерение входной допустимости систем силовой электроники требует значительных модификаций этих моделей. Однако программное обеспечение Simulink Control Design™ предоставляет инструменты для проведения оценки частотного отклика для измерения этого важного свойства схемы силовой электроники. В этом примере также сравнивается результат расчетной частотной характеристики с моделью аналитической передаточной функции, построенной с использованием параметров компонента.

Модель повышающего преобразователя

В этом примере используется модель повышающего преобразователя на основе scdboostconverter. Модель модифицируется блоком Probe и точками линейного анализа для измерения входного тока.

Откройте модель.

mdl = 'scdboostconverterMeasureAdmittance';
open_system(mdl)

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'],...
    'OverrideUsingVariant','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 псевдослучайных двоичных и синестрименных входных сигналов

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 возмущения равной 0,5.

in_PRBS = frest.PRBS('Order',14,'NumPeriods',1,'Amplitude',0.5,'Ts',5e-6);

Создание синестрименного входного сигнала с 30 частотами между 200 рад/с и 600000 рад/с. Установите амплитуду входного сигнала равной 0,25, чтобы она соответствовала входному сигналу PRBS.

in_Sinestream = frest.createFixedTsSinestream(5e-06,{200,6e5});
in_Sinestream.Amplitude = 0.25;

Использование различных входных сигналов приводит к различному времени моделирования для процесса оценки частотного отклика. Для достижения аналогичных результатов входной сигнал PRBS обычно занимает гораздо более короткое время моделирования, чем входной сигнал синестрима. Здесь, in_PRBS занимает около 15% времени моделирования как in_Sinestream.

Ниже приводится время моделирования для оценки частотного отклика in_PRBS.

in_PRBS.getSimulationTime

ans =

    0.0819

Ниже приводится время моделирования для оценки частотного отклика in_Sinestream.

in_Sinestream.getSimulationTime

ans =

    0.5207

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);

Оценка частотной характеристики с помощью входного сигнала PRBS дает результаты с большим количеством частотных точек. Программное обеспечение Simulink Control Design позволяет оценить частотную характеристику установки с помощью приложения Model Linearizer. Вы также можете использовать Model Linearizer для дальнейшего улучшения частотной характеристики, оцененной в командной строке.

Для извлечения интерполированного результата из модели расчетной частотной характеристики в указанном диапазоне частот и количестве точек частоты можно использовать функцию «Прореживание результатов в линеаризаторе модели». Дополнительные сведения см. в разделе Истончение результатов.

Применить утончение к sysest_prbs на частотах от 200 рад/с до 600 000 рад/с с 50 логарифмически разнесенными частотными точками.

Нажмите кнопку OK. Модель с утончением, sysest_prbs_thinned, появляется в рабочей области MATLAB ®.

Для сравнения оцените частотную характеристику с использованием определенного синестрименного входного сигнала.

sysest_sine = frestimate(mdl,io,op,in_Sinestream,opts);

Аналитическая передаточная функция модели бустерного преобразователя

Сравните результаты оценки с аналитической передаточной функцией на основе параметров компонента. Используйте следующие параметры из модели.

L = 20e-6;
C = 1480e-6;
R = 6;
rC=8e-3;
rL=1.8e-3;

Для вычисления аналитической передаточной функции требуется фактическое значение рабочего цикла. Для этого повышающего преобразователя используйте зарегистрированный рабочий цикл в рабочей точке.

D = 0.734785;
d = 1-0.734785;

Определите аналитическую передаточную функцию, основанную на [1], используя параметры компонента в модели повышающего преобразователя.

Yin = tf([C*(R+rC) 1], [L*C*(R+rC) L+C*rL*(R+rC)+C*R*rC-R*D*C*rC R+rL-R*D-R^2*D*d/(R+rC)]);

Для более точного описания учтите задержку из-за сигнала ШИМ в функции передачи Yin.

N = 0.5;
Ts = 5e-6;
iodelay = N*Ts; % 0.5 PWM
Yin.IODelay = iodelay;

Сравнение данных частотного отклика с аналитической передаточной функцией

Сравните результаты FRE с использованием входных сигналов PRBS и синестрима с аналитической передаточной функцией в интересующем частотном диапазоне.

Загрузите утонченный результат PRBS из ранее сохраненного сеанса и постройте график результатов.

load sysest_prbs_thinned_result
figure;
bode(sysest_prbs_thinned,'b-');
hold on
bode(sysest_sine,'k*-');
bode(Yin,'r--',{10,1e6});
legend('FRE Result Using PRBS','FRE Result Using Sinestream','Analytical Result',...
    'Location','northeast')
grid on

Изучите график Боде. Результат FRE, полученный с использованием входного сигнала PRBS, фиксирует интересные свойства частотной области. Например, результат оценки частотной характеристики со входным сигналом PRBS, вокруг пика амплитуды, намного лучше соответствует аналитической передаточной функции, чем результат оценки частотной характеристики со входным сигналом синестрима.

Закройте модель.

close_system(mdl,0)

Ссылки

[1] Ахмади, Реза и Мехди Фердовси. 2014 IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition - APEC 2014, 2014 1131-38. https://doi.org/10.1109/APEC.2014.6803449.

См. также

frest.createFixedTsSinestream | frest.PRBS | frestimate | frestimateOptions

Документация