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

0    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)開關(guān)器件短路或開路故障,，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,。

圖1    Buck變換器

    在Buck變換器建模中,，開關(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,。

圖2    Buck變換器等效電路圖

    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＋s2)×＋s1（1）

    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

    ＋

    [s1(t－1)＋s2(t－1)]×＋s1(t－1)（2）

    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：

        φ(t)={i(t－1),uo(t－1),[s1(t－1)＋s2(t－1)]i(t－1),[s1(t－1)＋s2(t－1)]×uo(t－1),s1(t－1)}T（3）

        θ1=[1,0,0,－T/L,ET/L]T（4）

        θ2=（5）

    x1(t)=φT(t)θ1（6）

    x2(t)=φT(t)θ2（7）

    于是,，通過(guò)最小二乘法,，可以得出一組遞推算法：

    (t＋1)=(t)＋k(t)[xn(t＋1)－φT(t＋1)(t)]（8）

    k(t)=p(t)φ(t＋1)[1＋φT(t＋1)p(t)φ(t＋1]－1（9）

    p(t＋1)=p(t)－k(t)φT(t＋1)p(t)（10）

式中：n取值為1，2,。

    將式（2）寫成參數(shù)表達(dá)形式

    =＋[s1(t－1)＋s2(t－1)]＋s1(t－1)（11）

    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a11＋h11,，a21＋h21,，a12＋h12,，a22＋h22。通過(guò)仿真也證實(shí)了這點(diǎn),。于是可以用這些值來(lái)進(jìn)行應(yīng)辨識(shí)參數(shù)的計(jì)算,。

    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,。

圖3    實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)框圖 

    實(shí)驗(yàn)環(huán)境如下所述,。輸入電壓值在30V左右，開關(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。

1－輸出電壓波形（5V/div）    3－電感電流波形（0.5A/div）

（a）信號(hào)波形圖

（b）電壓紋波放大圖（0.5V/div）

圖4    CCM工作模式下波形

1－輸出電壓波形（2V/div）    3－電感電流波形（0.2A/div）

（a）信號(hào)波形圖

（b）電壓紋波放大圖（0.2V/div）

圖5    DCM工作模式下波形

    各辨識(shí)參數(shù)的誤差統(tǒng)計(jì)如表1所列,。由表1中可以看出,，辨識(shí)誤差大部分落在6％以內(nèi)，因此,，這一辨識(shí)方法還是相當(dāng)有效的,，可以比較準(zhǔn)確地估計(jì)出參數(shù)值。

表1    誤差統(tǒng)計(jì)表

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,。