估算电力电子模型的频率响应

由Antonino Riccobono和Arkadiy Turevskiy，Mathworks

本文是两部分系列中的第一个。第2部分，估计电力电子模型的频率响应：SINESTREAM与伪随机二进制序列（PRB），将FRE为带有SINESTREAM和PRB的开放循环降压转换器，专注于估计时间，估计频率点数和估计精度。

电力电子系统依靠反馈控制来将电源和电流从电源转换为负载所需的电流。例如，DC-DC功率转换器使用控制系统来实现所需的输出电压电平，并将该水平保持在源电压和负载电阻变化。

电力电子工程师基于经典控制理论的控制设计。由于该理论基于线性时间不变（LTI）系统，例如传输功能和状态空间模型，以将其应用于电力电子系统，因此工程师需要找到这样一个系统的LTI表示。

频率响应估计（也称为交流扫描）通常用于计算电力电子模型的LTI表示。频率响应估计涉及将可控幅度的小扰动信号叠加到以稳态运行的系统的输入并测量对该扰动的系统响应。然后可以使用测量的输入和输出信号来计算频率响应或传输函数 - 即LTI系统，该LTI系统表示在操作点周围的系统动态。

本文介绍了六步工作流程，用于估计开环升压转换器的频率响应。

开环升压转换器模型

升压转换器是一种众所周知的开关模式转换器，能够产生大于DC输入电压的直流输出电压。它用于将较低电压源连接到许多应用中的高压负载，包括消费电子产品，电动汽车，更多电动船舶和飞机，可再生能源和LED驱动器。s manbetx 845

我们的开关模式开环Boost转换器模型采用Simscape Electrical™组件（图1）构建。假设转换器以连续导通模式（CCM）操作，这意味着当转换器以稳定状态运行时，电感器电流永远不会变为零。用于频率响应估计的输入扰动和输出测量点分别用于占空比和输出电压。然后，控制到输出传递函数将使占空比作为控制输入和输出电压作为输出。

图1.输入扰动和输出测量的开关模式开环升压转换器模型。

频率响应估计工作流程

频率响应估计工作流程涉及以下六个步骤。

1.指定模型的哪个部分需要频率响应估计。

为此，我们配置线性化分析点，用于在Simulink Control Design™中从线性化管理器应用程序估算的输入和输出。万博1manbetx我们将输入扰动分配给占空比和输出电压的输出测量（图2）。

图2.具有指定线性化点的线性化管理器ToolStrip。

2.找到操作点并初始化模型。

为了获得准确地捕获系统动态的频率响应，应在稳态操作点执行估计。仿真结果表明，升压转换器在大约0.005秒后达到稳态操作（图3，左侧）。我们可以在0.005秒拍摄模拟快照以找到稳态工作点（图3，中间）。在模拟结束时，一个手术点对象是在App Workspace中创建的。我们可以通过单击“初始化模型”（图3，右）初始化模型到此对象。笔记：重要的是要确保在扰动注射过程中没有导致操作点发生变化的干扰。

图3.输出电压初始瞬态（左），仿真快照（中间）和型号的初始化（右）。

3.创建扰动信号。

从模型线性化器应用程序中，我们选择Sinestream作为扰动信号。SINESTREAM信号由扫描系统在一段时间内激发系统的扫描。首先，我们指定正弦扫描应该覆盖的频率范围（图4）。

图4.频率响应估算器应用程序与SINESTREAM扰动信号（左）和频率范围（右）选择。

然后，我们可以针对所有频率或子集指定幅度，周期数，斜坡周期和稳定周期（图5）。

图5. SINESTREAM信号（左）和相应实现（右）的参数选择。

4.计算非参数频率响应。

要启动计算，我们单击“估计”选项卡中的“估计值”按钮。虽然模拟正在运行，Simulink Control Design在万博1manbetx我们指定的输入时注入了SINestream信号，并测量输出处的响应。在模拟结束时FRD.对象是在App Workspace中创建的。该对象收集频率响应数据 - 即非参数模型，系统的描述作为离散频率点。图6显示了时域和频域结果。

图6.时域和频域的仿真结果。

5.获得参数模型

在此步骤中，我们将传递函数符合数据（提取由一个表示的参数模型idtf.对象）使用TFEST.系统识别工具箱™中的命令。为此，我们需要复制已识别的FRD.从线性分析工作区到MATLAB工作空间的对象（图6中的红色箭头）。然后我们可以使用TFEST.命令在命令行或脚本中。由于升压转换器是二阶系统，因此杆的数量TFEST.需要设置为2.如果我们不知道我们正在估算动态的系统的顺序，我们可以尝试多个不同的值为极数，并选择提供可接受的拟合的最低值。