DC/DC開關(guān)電源的故障診斷研究

朱俊波

摘要：目前，在各種常見的設(shè)備中都會涉及開關(guān)電源部分，因其應(yīng)用廣泛致使缺乏正規(guī)的故障模型檢測與診斷，而采用常規(guī)的故障診斷理論與方法，往往無法精準(zhǔn)的解決故障問題。故此，通過小波變換聯(lián)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，為開關(guān)電源故障診斷研究提供了新的依據(jù)。本文以小波變換為基礎(chǔ)，簡要介紹了開關(guān)電源故障診斷的內(nèi)容與研究價值，并提出了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的故障檢測方法，通過變換器智能故障仿真，可以提高開關(guān)電源的故障診斷能力。

關(guān)鍵詞：開關(guān)電源;故障診斷;小波變換;故障提取

現(xiàn)階段，故障診斷技術(shù)是近年來逐漸發(fā)展起來的一門新學(xué)科，其涵蓋多項學(xué)科知識，又被稱為綜合性交叉學(xué)科。故障診斷技術(shù)分為兩個方面的內(nèi)容：一方面是檢測設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài);另一方面是診斷設(shè)備的異常狀態(tài)，并作出細(xì)致的分析。故障診斷技術(shù)已經(jīng)歷經(jīng)半世紀(jì)的發(fā)展歷程，在人造衛(wèi)星、電網(wǎng)系統(tǒng)、汽車系統(tǒng)等領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛。

一、概述開關(guān)電源故障診斷的發(fā)展現(xiàn)狀

（一）故障診斷技術(shù)的內(nèi)容與研究方法

故障診斷技術(shù)涉及三個層次的內(nèi)容：即一是故障檢測;二是故障診斷;三是故障修復(fù)。以故障診斷為例分析，故障診斷是指依據(jù)殘差方向與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的因素，找出產(chǎn)生系統(tǒng)故障的位置與相應(yīng)的故障類型，并判斷出故障產(chǎn)生的時間與原因。其中，故障的分類，是說明將系統(tǒng)設(shè)備的故障等級作出分類;故障的評價是指判斷故障是否進(jìn)行修復(fù)與補(bǔ)救，進(jìn)而預(yù)防后續(xù)較大事故的產(chǎn)生。

故障診斷技術(shù)的研究方法在近年來誕生了一大批新的研究方法，例如解析模型的研究方法與信號處理的研究方法。以信號處理的研究方法為例，根據(jù)信號模型的差異與特征，分析與提取幅值、頻率等相應(yīng)數(shù)據(jù)。其中涉及到小波變換的研究方式，小波變換是由法國學(xué)者引入信號研究領(lǐng)域，作為一種時間與頻域的信號分析技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)低熵特性、正交特性等優(yōu)勢，較為適用于動態(tài)故障系統(tǒng)的診斷與檢測。同時，連續(xù)的小波變換借助多尺度分析提取信號的奇異點(diǎn)，根據(jù)噪聲的特點(diǎn)，作出精準(zhǔn)的故障判斷，繼而科學(xué)識別故障信號[1]。

（二）開關(guān)電源故障診斷技術(shù)的研究價值

開關(guān)電源的使用率與市場需求同比增長，不僅與市場的龐大需求有關(guān)，還與高新科學(xué)技術(shù)的集成化發(fā)展有關(guān)。在設(shè)備使用過程中，多半的系統(tǒng)問題都與開關(guān)電源相關(guān)，如若發(fā)生開關(guān)電源故障會致使整個設(shè)備處于無法運(yùn)行的過程，嚴(yán)重時會造成經(jīng)濟(jì)事故與人員傷亡。故此，依據(jù)新進(jìn)的理論方法與檢測技術(shù)，獲取設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，準(zhǔn)確分析設(shè)備的異常因素，是解決開關(guān)電源故障的重點(diǎn)。

二、探究DC/DC開關(guān)電源的故障診斷

（一）開關(guān)變換器故障特征的提取

根據(jù)全橋直流變換器的故障運(yùn)行階段，會出現(xiàn)特征數(shù)據(jù)（輸出電壓與電流）的差異化，因為變換器可以輸出大電感，電流波形呈現(xiàn)出一條直線，在產(chǎn)生整流器件故障時，電流輸出的變化差異不大，較難從中提出相應(yīng)的故障數(shù)據(jù)。另外，對于變換器輸出電壓波形來說，可以有效的反映整流器件的故障數(shù)據(jù)，故此需要將電壓波形數(shù)據(jù)作為在線檢測的信號，從而根據(jù)電壓輸出波形進(jìn)行特征提取。

在變換器出現(xiàn)故障異常數(shù)據(jù)時，電壓數(shù)據(jù)與電流數(shù)據(jù)存在大量的非基頻暫態(tài)分量，是一個非平穩(wěn)隨機(jī)過程。傳統(tǒng)領(lǐng)域上常采用傅里葉變換的數(shù)字濾波技術(shù)，但是傅里葉變換尚未缺乏頻率局部化特征，導(dǎo)致處理信號存在一定的局限性。小波函數(shù)中的每一個函數(shù)都具有獨(dú)特的性質(zhì)，可以滿足正交性、對稱性、衰減性等。小波函數(shù)的選擇依據(jù)需要提高奇異度緩變信號的奇異性，選擇相關(guān)階消失矩的小波函數(shù)。同時，選擇階消失矩的小波函數(shù)，可以滿足在線檢測的時間與空間。故此，根據(jù)上文的分析來看，故障診斷的信號提取采用小波函數(shù)，提出各個頻段的系數(shù)因素，對各個系數(shù)作出能量值的秋季人，按相應(yīng)的順序排列。具體提取的方式為：一是根據(jù)預(yù)先仿真實(shí)驗獲取輸出電壓故障信號，作出三層小波分析;二是對小波分析系數(shù)重新構(gòu)建，獲取各個頻率帶層次的信號值;三是根據(jù)相應(yīng)的計算公式，求解各個頻帶信號的總能量值;四是構(gòu)造特征向量[2]。

（二）開關(guān)變換器故障與樣本的研究

根據(jù)全橋直流變換器的輸出電壓故障信號，分析時僅考慮硬件故障。開關(guān)變換器故障參數(shù)特征與學(xué)習(xí)樣本的研究，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入的方式選取特征數(shù)據(jù)值。同時需要注意特征值的選擇是否與故障存在一定的因果關(guān)系，一旦輸入輸出參數(shù)和故障之間無法構(gòu)連關(guān)系，就無法達(dá)到樣本設(shè)計的目的。在故障與樣本研究分為網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)建與網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練測試兩部分。其中網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)構(gòu)中需要根據(jù)模式識別的方案，采用三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，而三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的隱含層神經(jīng)元與輸入神經(jīng)元之間的關(guān)系為。在變換器仿真過程中，根據(jù)不同組元件損壞后的輸出波形直接采樣與小波分析。另外，需要注意故障樣本的樣本集數(shù)量不能太少，否則會直接影響過度訓(xùn)練與泛化能力。通過多次網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練，使用save net命令保存收斂誤差值，然后進(jìn)行樣本檢測，得出預(yù)期的診斷目標(biāo)。

（三）以小波聯(lián)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)分析故障與診斷

在開關(guān)變換器的智能故障診斷系統(tǒng)的分析過程中，需基于信號檢測與信號處理兩個部分，并將輸出電壓由傳感器部件與信號處理電路采集與處理后，保存到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，繼而采用串行通信方式的方式將數(shù)據(jù)傳遞到上位計算機(jī)。故障診斷的類型是在上位計算機(jī)處理后臺自動實(shí)現(xiàn)的。其中實(shí)現(xiàn)過程為：借助診斷系統(tǒng)預(yù)設(shè)的診斷方法，作出故障診斷，并將診斷數(shù)據(jù)值實(shí)時保存與故障存儲庫中，繼而實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的故障診斷與處理。

總結(jié)：

開關(guān)變換器作為開關(guān)電源的關(guān)鍵核心部件，其重要性不言而喻。本文以開關(guān)變換器為研究對象，綜合分析內(nèi)部結(jié)構(gòu)與工作原理，并借助小波變換提取相應(yīng)的故障特征，繼而分解系數(shù)作出能量求解。同時，將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)添加到故障識別中，作出智能診斷仿真，能夠準(zhǔn)確的確定故障類型。

參考文獻(xiàn)

[1]劉雪雁，牛悅苓，李連英.DC/DC單片開關(guān)電源故障分析與診斷[J].大連工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2019，028（003）：210-212.

[2]王海永，李永明，陳弘毅.便攜式電子系統(tǒng)的DC/DC開關(guān)電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計和研究[J].固體電子學(xué)研究與進(jìn)展，2017，22（002）：164-169.

（十堰巨能電力設(shè)計有限公司 442000）