Оценка частотной характеристики для модели силовой электроники с использованием псевдослучайного двоичного сигнала

Этот пример использует:

Этот пример показывает, как идентифицировать модель частотного диапазона, используя псевдослучайную двоичную последовательность (PRBS) для энергосистемы, смоделированной в Simulink ®, используя Simscape™ Electrical™ компоненты. Этот пример относится к процессу оценки частотной характеристики в рабочем процессе проектирования контроллера, используя PRBS в качестве входного сигнала.

Обычно системы силовой электроники не могут быть линеаризированы, потому что они используют высокочастотные компоненты переключения, такие как генераторы модуляции ширины импульса (PWM). Однако большинство инструментов Simulink Control Design™ PID-настройки проектируют коэффициенты ПИД на основе линеаризированной модели объекта управления. Чтобы получить такую модель для модели силовой электроники, которая не может быть линеаризирована, можно оценить частотную характеристику объекта в области значений частот, как показано в этом примере.

Чтобы собрать данные частотной характеристики, можно:

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

Этот пример показывает, как оценить частотную характеристику объекта в командной строке. Чтобы узнать, как оценить частотную характеристику объекта для степени электронной системы в Model Linearizer с использованием входного сигнала PRBS, смотрите Оценку частотной характеристики в Model Linearizer Использование псевдослучайной двоичной последовательности.

Модель конвертера Boost

Этот пример использует модель усилителя конвертера как систему силовой электроники. Схема преобразователя постоянного тока преобразует одно напряжение постоянного тока в другое, обычно более высокое, постоянное напряжение путем управляемого измельчения или переключения напряжения источника.

mdl = 'scdboostconverter';
open_system(mdl)

Эта модель использует MOSFET, управляемый сигналом PWM для переключения. Выходное напряжение $Vout$ регулируется до опорного значения. $Vref$ Цифровой ПИД-контроллер регулирует коэффициент заполнения ШИМ на $Duty$ основе сигнала ошибки напряжения. В данном примере вы оцениваете частотную характеристику от коэффициента заполнения ШИМ до напряжения нагрузки. $Vout$

Программное обеспечение Simscape Electrical содержит предопределенные блоки для многих систем силовой электроники. Эта модель содержит вариантную подсистему с двумя версиями модели преобразователя ускорения:

Схема усилителя преобразователя, сконструированная с использованием компонентов степени. Параметры компонентов схемы основаны на [1].
Блок усилителя сконфигурирован так, чтобы иметь те же параметры, что и схема усилителя. Для получения дополнительной информации об этом блоке смотрите Boost Converter (Simscape Electrical).

Чтобы использовать блок версию подсистемы Boost Converter, в модели нажмите Boost Converter Блока или используйте следующую команду.

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

Поиск рабочей точки модели

Чтобы оценить частотную характеристику для усилителя, необходимо сначала определить установившуюся рабочую точку, в которой вы хотите, чтобы преобразователь работал. Для получения дополнительной информации о поиске рабочих точек смотрите Найти статические рабочие точки для моделей Simscape. В данном примере используйте рабочую точку, оцененную из моментального снимка симуляции в 0,045 секунды.

opini = findop(mdl,0.045);

Инициализируйте модель с вычисленной рабочей точкой.

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

Создайте псевдослучайный двоичный сигнал

Псевдослучайный двоичный сигнал (PRBS) является периодическим, детерминированным сигналом с белошумоподобными свойствами, который смещается между двумя значениями. PRBS является по своей сути периодическим сигналом с максимальной длиной периода, $2^{n}-1$ где $n$ является порядком PRBS. Для получения дополнительной информации смотрите Входные сигналы PRBS.

Создайте PRBS со следующим строением.

Чтобы использовать непериодический PRBS, установите количество периодов равным 1.
Используйте PRBS порядка 14, выдавая сигнал длины 16383. Чтобы получить точную оценку частотной характеристики, длина PRBS должна быть достаточно большой.
Установите частоту впрыска PRBS в 200 кГц, чтобы соответствовать шагу расчета в модели. То есть задайте шаг расчета 5e-6 секунд.
Чтобы убедиться, что система правильно возбуждена, установите амплитуду возмущения равной 0,05. Если амплитуда входа слишком велика, усилитель работает в режиме прерывистого тока. Если амплитуда входа слишком мала, PRBS неотличим от рябей в степень электронных схемах.

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

Сбор данных частотной характеристики

Чтобы собрать данные частотной характеристики, можно оценить частотную характеристику объекта в командной строке. Для этого сначала получите входные и выходные точки линейного анализа из модели.

io = getlinio(mdl);

Задайте рабочую точку, используя начальные условия модели.

op = operpoint(mdl);

Найдите все исходные блоки в сигнальных путях выходов линеаризации, которые генерируют изменяющиеся во времени сигналы. Такие изменяющиеся во времени сигналы могут мешать сигналу в выходных точках линеаризации и приводить к неточным результатам оценки.

srcblks = frest.findSources(mdl,io);

Чтобы отключить изменяющиеся во времени исходные блоки, создайте frestimateOptions опция устанавливает и задает BlocksToHoldConstant опция.

opts = frestimateOptions;
opts.BlocksToHoldConstant = srcblks;

Оцените частотную характеристику, используя входной сигнал PRBS.

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

Сравнение данных частотной характеристики с результатами Sinestream FRE

Сравните результаты оценки при использовании сигнала PRBS с результатами, обнаруженными при использовании входного сигнала синестриама. Сравните сигналы по 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 симуляции, занятое для оценки частотной характеристики входным сигналом, можно использовать getSimulationTime функция.

tfinal_sinestream = in_sine1.getSimulationTime
tfinal_prbs = in_PRBS.getSimulationTime

tfinal_sinestream =

    0.2833


tfinal_prbs =

    0.0819

Время симуляции с in_PRBS около 30% времени занимает in_sine1 для оценки частотной характеристики модели. Это указывает, что оценка частотной характеристики с помощью входного сигнала PRBS намного быстрее, чем входной сигнал синестрейма.

Предполагаемый результат частотной характеристики, sysest_prbs, тесно совпадает estsysSinestream. Поскольку входной сигнал PRBS оценивает частотные характеристики с большим количеством частотных точек, результат оценки предоставляет больше информации о резонансных характеристиках системы. Чтобы получить аналогичные результаты с помощью входного сигнала sinestream, вам, возможно, потребуется увеличить количество частотных точек, что приводит к увеличению времени оценки. Можно использовать этот подход, чтобы получить точные результаты оценки частотной характеристики за более короткое время симуляции по сравнению с оценкой с сигналами синестриама.

Улучшите результат частотной характеристики на низких частотах

Чтобы улучшить результат оценки частотной характеристики на более низких частотах, можно использовать шаг расчета медленнее, чем шаг расчета в исходной модели усилителя. Для этого измените модель, чтобы использовать блок Constant во входной точке анализа и блок Rate Transition в выходной точке анализа.

Для блока Constant и блока Rate Transition используйте шаг расчета 5e-5 секунд, что в десять раз медленнее, чем шаг расчета 5e-6 секунд.

Создайте входной сигнал PRBS, используя новый шаг расчета с порядком 12.

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

С новым входным сигналом PRBS можно получить частотную характеристику, которая распространяется на более низкие частоты.

Способность изменять шаг расчета входного сигнала PRBS обеспечивает дополнительную степень свободы в процессе оценки частотной характеристики. Используя больший шаг расчета, чем в исходной модели, можно получить результат оценки частотной характеристики более высокого разрешения в низкочастотной области значений с коротким временем симуляции. Кроме того, выполнение оценки с меньшей частотой дискретизации снижает требования к обработке при развертывании на оборудовании.

Закройте модель.

close_system(mdl,0)

Ссылки

[1] Lee, S.W. Practical Feedback Loop Analysis for Voltage-Mode Boost Converter. Отчет о SLVA633. Texas Instruments, 2014. https://www.ti.com/lit/an/slva633/slva633.pdf.

См. также

frest.PRBS | frestimate | frestimateOptions

Документация