雙向全橋DC—DC變換器故障智能檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張晨+凌躍勝

摘 要： 傳統(tǒng)DC?DC變換器故障檢測系統(tǒng)只對(duì)變換器中某重要元器件進(jìn)行故障檢測，導(dǎo)致檢測結(jié)果不準(zhǔn)確。為此，設(shè)計(jì)了新的雙向全橋DC?DC變換器故障智能檢測系統(tǒng)。通過閉環(huán)霍爾電流傳感器對(duì)電流信號(hào)進(jìn)行采集，給出信號(hào)采集電路，通過分析雙向全橋DC?DC變換器元件衰減過程提取故障數(shù)據(jù)，對(duì)不同故障狀態(tài)樣本進(jìn)行采集，構(gòu)建HMM模型，求出HMM模型初始參數(shù)，迭代參數(shù)直至其收斂到既定區(qū)間，對(duì)采集的電壓、電流信號(hào)進(jìn)行歸一化處理，產(chǎn)生觀察值序列，把觀察值序列輸入到訓(xùn)練完成的不同HMM模型中，求出相似或然率和相似或然率最大值相應(yīng)的HMM模型，即為雙向全橋DC?DC變換器故障檢測結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明所設(shè)計(jì)系統(tǒng)檢測準(zhǔn)確性高。

關(guān)鍵詞： 雙向全橋； DC?DC變換器； 故障； 智能檢測； 系統(tǒng)設(shè)計(jì)； 信號(hào)采集電路

中圖分類號(hào)： TN710?34； TP277 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2018）05?0144?05

Abstract： The traditional fault detection system of the bidirectional full?bridge DC?DC converter can only detect the fault of a certain important component in the converter， and its detection result is inaccurate. Therefore， a new intelligent fault detection system for bidirectional full?bridge DC?DC converter was designed. The current signal is acquired through closed?loop Hall current sensor. The signal acquisition circuit is given. The component attenuation process of bidirectional full?bridge DC?DC converter is analyzed to extract the fault data. The samples with different fault conditions are acquired. The hidden Markov model （HMM） is constructed， and its initial parameter is determined. The parameter is iterated until it is converged to the established section. The acquired voltage and current signals are normalized to generate the observing values sequence. The observing values sequence is input into different HMMs after training to get the similarity probability and the HMM corresponding to the maximum similarity probability， whose output is the fault detection result of a bidirectional full?bridge DC?DC converter. The experimental results show that the designed system has high detection accuracy.

Keywords： bidirectional full?bridge； DC?DC converter； fault； intelligent detection； system design； signal acquisition circuit

0 引 言

雙向全橋DC?DC變換器是電力電子技術(shù)的關(guān)鍵，通過雙向全橋開關(guān)DC?DC變換器技術(shù)組成的高頻開關(guān)電源被廣泛應(yīng)用于電子通信和家用電器等領(lǐng)域[1?2]。開關(guān)是整個(gè)電子設(shè)備的基礎(chǔ)，在出現(xiàn)故障的情況下會(huì)造成電子設(shè)備功能喪失，甚至?xí)?dǎo)致系統(tǒng)癱瘓，帶來很大的損失[3?4]。因此，準(zhǔn)確檢測雙向全橋DC?DC變換器故障非常關(guān)鍵，能夠及時(shí)采取防御措施，降低維修周期和損失。

當(dāng)前，針對(duì)雙向全橋DC?DC變換器故障檢測的研究主要是對(duì)變換器中某重要元器件進(jìn)行故障檢測，如通過卡爾曼濾波方法對(duì)電解電容器故障進(jìn)行檢測，通過高斯回歸方法對(duì)變換器、濾波器故障進(jìn)行檢測[5]，因?yàn)殡p向全橋DC?DC變換器中不同元件具有負(fù)載型和容差等問題，導(dǎo)致上述方法在實(shí)際應(yīng)用時(shí)均有局限性，不能有效實(shí)現(xiàn)雙向全橋DC?DC變換器的故障檢測。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 控制芯片選擇

為了保證智能故障檢測系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，要求選用芯片處理數(shù)據(jù)時(shí)間小于故障診斷的采樣周期，本文設(shè)定的采樣周期為3 μs。對(duì)雙向全橋DC?DC變換器故障智能檢測系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，控制芯片選用TSM320LF2407，該芯片為一種定點(diǎn)DSP芯片，擁有功耗小、性能強(qiáng)等特點(diǎn)，采用此芯片的DSP中央控制單元對(duì)指令處理周期只需28 ns，可達(dá)到系統(tǒng)采樣速率要求[6?7]。雙向全橋DC?DC變換器故障智能檢測系統(tǒng)硬件電路結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。其中，TSM320LF2407為主控芯片，外部電路有外部存儲(chǔ)電路、競爭倍頻驅(qū)動(dòng)電路、聲光報(bào)警電路、外部仿真電路、信號(hào)采集電路等。

1.2 電壓信號(hào)采集電路設(shè)計(jì)endprint

設(shè)計(jì)雙向全橋DC?DC變換器故障智能檢測系統(tǒng)時(shí)，需對(duì)雙向全橋DC?DC變換器母線電壓進(jìn)行采集，母線電壓通?？蛇_(dá)到500 V，本節(jié)通過型號(hào)為VSM800D的霍爾電壓傳感器對(duì)其進(jìn)行測量[8?9]。電壓信號(hào)采集電路如圖2所示。為了增大輸入阻抗，將運(yùn)算放大器B1作為電壓跟隨器，其還具有緩沖、隔離以及增加帶載等功能。采用6 V電源為充電，采用穩(wěn)壓管產(chǎn)生相應(yīng)6 V參考電壓，對(duì)產(chǎn)生的參考電壓進(jìn)行反向放大處理，此時(shí)獲得的參考電壓用表示，參考電壓與采樣電壓的誤差值經(jīng)運(yùn)算放大器B2放大后輸出。則采集電壓信號(hào)為：

1.3 電流采集電路設(shè)計(jì)

為了確保采集電流信號(hào)的及時(shí)性和精確性，本節(jié)選用型號(hào)為CSM015P的閉環(huán)霍爾電流傳感器，其可實(shí)時(shí)對(duì)電流信號(hào)進(jìn)行采集，并且能夠使控制電路與雙向全橋DC?DC變換器電路隔離。變壓器原邊電流是交流電流，需在閉環(huán)霍爾電流傳感器的輸出值后添加一處理電路，通過LM317集成穩(wěn)壓IC控制輸出電壓不超過6 V。

電流信號(hào)采集電路如圖3所示。

2 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

雙向全橋DC?DC變換器故障檢測實(shí)際就是一種模式識(shí)別，因?yàn)殡[馬爾可夫模型HMM為一種能夠有效實(shí)現(xiàn)模式識(shí)別的模型，所以，本節(jié)采用HMM模型對(duì)雙向全橋DC?DC變換器故障進(jìn)行檢測。其原理包括：

1） 隱藏的故障信息無法直接檢測，雙向全橋DC?DC變換器的輸出電壓中存在隱藏故障信息，可采用其輸出電壓信號(hào)和電流信號(hào)進(jìn)行識(shí)別。

2） 雙向全橋DC?DC變換器的各運(yùn)行狀態(tài)通過特定的電信號(hào)特征描述。

3） 雙向全橋DC?DC變換器涉及很多電信號(hào)，通過觀測序列完成參數(shù)訓(xùn)練，以增強(qiáng)檢測精度。

2.1 特征參數(shù)的提取

采用HMM故障模型對(duì)雙向全橋DC?DC變換器故障進(jìn)行檢測時(shí)，準(zhǔn)確提取DC?DC變換器故障數(shù)據(jù)非常重要。本節(jié)通過分析雙向全橋DC?DC變換器元件衰減過程提取故障數(shù)據(jù)。

雙向全橋DC?DC變換器主要包括電阻、電感、二極管、電容等元件，本節(jié)根據(jù)檢測的輸出電壓與電流確定元件的衰減過程。采用等效電阻對(duì)各元件性能衰減過程進(jìn)行分析，對(duì)于選用的等效電阻，其參數(shù)與溫度、時(shí)間等因素的關(guān)系如下：

式中：用于描述根據(jù)電容特性得到的常數(shù)；用于描述等效電阻；用于描述時(shí)間；用于描述溫度。

2.2 HMM訓(xùn)練

HMM訓(xùn)練的目的是為雙向全橋DC?DC變換器所有故障狀態(tài)訓(xùn)練一個(gè)相應(yīng)的HMM模型，通過若干觀測序列完成對(duì)所有模型的訓(xùn)練。訓(xùn)練詳細(xì)過程如下：

1） 完成對(duì)4種不同待訓(xùn)練故障狀態(tài)樣本的采集，也就是在各故障狀態(tài)下對(duì)輸出電壓和電流信號(hào)進(jìn)行采集，將采集結(jié)果看作觀察序列，輸入HMM模型中，觀察序列用進(jìn)行描述。

2） 構(gòu)建HMM模型，。對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行初始化處理，包括狀態(tài)數(shù)量、初始狀態(tài)概率和狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣。依據(jù)雙向全橋DC?DC電路的特征，采用左右型HMM模型進(jìn)行訓(xùn)練，其隱含狀態(tài)是4，與雙向全橋DC?DC變換器的四種狀態(tài)相對(duì)應(yīng)，依次是正常運(yùn)行狀態(tài)、輕度退化狀態(tài)、重度退化狀態(tài)和故障狀態(tài)。假設(shè)雙向全橋DC?DC變換器初始時(shí)刻正常運(yùn)行，初始狀態(tài)概率是則狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣可描述成：

3） 對(duì)訓(xùn)練的雙向全橋DC?DC變換器故障數(shù)據(jù)進(jìn)行分割處理，將其和個(gè)狀態(tài)對(duì)應(yīng)，求出HMM模型初始參數(shù)。本節(jié)取觀察值序列時(shí)間長度，通過高斯函數(shù)對(duì)觀測值概率矩陣進(jìn)行描述，公式如下：

式中：為高斯函數(shù)混合個(gè)數(shù)，本節(jié)也就是為高斯函數(shù)。

4） 通過Viterbi法重新估計(jì)分割初始參數(shù)。

5） 獲取新的初始參數(shù)后，通過Baum?Welch法完成對(duì)參數(shù)的迭代，直至參數(shù)收斂到既定區(qū)間。

2.3 變換器狀態(tài)檢測

通過訓(xùn)練完成的HMM模型對(duì)雙向全橋DC?DC變換器故障信號(hào)進(jìn)行檢測，首先對(duì)采集的電壓電流信號(hào)進(jìn)行歸一化處理，產(chǎn)生觀察值序列，再把觀察值序列輸入訓(xùn)練完成的不同HMM模型中，求出相似或然率和相似或然率最大值相應(yīng)的HMM模型，即為雙向全橋DC?DC變換器故障檢測結(jié)果。

3 雙向全橋DC?DC變換器故障智能檢測系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

雙向全橋變換器電路結(jié)構(gòu)如圖4所示。

三相輸入電源通過三相整流電路和LC濾波電路后，變成直流電源傳輸?shù)饺珮蚰孀冸娐?，?jīng)全橋逆變電路處理后得到所需的交流電路，通過全波整流電路變成直流電路，最后傳輸至負(fù)載。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了5 kVA的雙向全橋直流變換器實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，將瑞新電力電子公司KA型高頻晶閘管作為樣機(jī)功率開關(guān)管。為了防止短路實(shí)驗(yàn)導(dǎo)致三相整流管失效，本節(jié)選用電流承受值是150 A的三相整流模塊。

全橋逆變電路包括4個(gè)開關(guān)管?KA型高頻晶閘管K1～K4，將經(jīng)整流濾波處理后的直流電源轉(zhuǎn)換成頻率是25 kHz的交流方波。將2個(gè)SS115肖特基二極管Ds1，Ds2和續(xù)流管Dx構(gòu)成全波整流電路，將交流方波轉(zhuǎn)換成直流，經(jīng)輸出濾波電路傳輸至負(fù)載。

雙向全橋變換器故障智能檢測系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)如圖5所示。

圖5中，在一個(gè)正常運(yùn)行的雙向全橋DC?DC變換器中添加兩個(gè)繼電器，用于人為設(shè)置開關(guān)管的開路故障與短路故障。利用排線將變換器中的輸出電壓與檢測信號(hào)和故障檢測系統(tǒng)相連。

續(xù)流管兩端電壓含有整流元件與開關(guān)管的故障信息，輸出電壓含有濾波器的故障信息，變壓器輸出電壓含有開關(guān)管故障信息，所以將三個(gè)變量看作特征參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。圖6描述的是雙向全橋DC?DC變換器正常運(yùn)行時(shí)三個(gè)特征參數(shù)的波形，圖7描述的是開關(guān)管出現(xiàn)故障時(shí)三個(gè)特征參數(shù)的波形，圖8描述的是出現(xiàn)故障時(shí)三個(gè)特征參數(shù)的波形。

分析圖6～圖8可知，雙向全橋DC?DC變換器正常和故障情況下三個(gè)特征參數(shù)波形存在很大差異，有利于檢測。

針對(duì)上述不同故障訓(xùn)練不同的HMM模型，雙向全橋具有對(duì)稱性，晶閘管中K1～K4出現(xiàn)故障的波形一致，將其合并成一類故障。另外，濾波時(shí)在電感出現(xiàn)開路故障的情況下，輸出電壓幅值是0。綜上，將故障劃分成含電感的故障和不含電感的故障，故障分類結(jié)果如表1所示。endprint

將雙向全橋DC?DC變換器不同故障情況下各10組樣本作為訓(xùn)練樣本，對(duì)進(jìn)行測量，組成觀測序列輸入模型，獲取HMM模型訓(xùn)練結(jié)果。通過訓(xùn)練好的HMM模型對(duì)變換器故障進(jìn)行智能檢測，將相似或然率最大值相應(yīng)模型看作檢測結(jié)果。

將不含故障的正常狀態(tài)（編號(hào)1）、Ds1開路故障（編號(hào)4）和含故障的開路故障（編號(hào)9）、開路故障（編號(hào)11）觀測序列輸入HMM模型，求出相似或然率，如表2所示。

分析表2可知，將4個(gè)測試樣本輸入各HMM模型后，經(jīng)模型求出的編號(hào)1、編號(hào)4、編號(hào)9和編號(hào)11的似然或然率值最高，和其余狀態(tài)間存在很大差異，可有效檢測故障狀態(tài)。

為了驗(yàn)證本文方法的檢測準(zhǔn)確性，進(jìn)行了120次實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)本文系統(tǒng)檢測精度高達(dá)98.22%，檢測結(jié)果很準(zhǔn)確。

4 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了一種新的雙向全橋DC?DC變換器故障智能檢測系統(tǒng)。介紹了系統(tǒng)控制芯片選擇過程，給出信號(hào)采集電路，分析了雙向全橋DC?DC變換器故障檢測的關(guān)鍵技術(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明所設(shè)計(jì)系統(tǒng)檢測準(zhǔn)確性高。

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