소신호 해석

소신호 해석은 스위치 모드 전원 공급장치와 같은 비선형 전력전자 시스템의 거동을 관심 대상 동작점을 중심으로 유효한 LTI(선형 시불변) 모델을 사용하여 근사화합니다. 소신호 해석은 기존 제어 이론을 전력전자 시스템에 적용하기 위한 필수 단계로, 이를 위해서는 시스템의 전달 함수 또는 상태공간 모델과 같은 LTI 표현이 필요합니다.  

부스트 또는 벅 컨버터 같이 잘 알려진 간단한 토폴로지의 경우 그에 상응하는 LTI 시스템을 해석적으로 도출할 수 있습니다. 하지만 비표준 컨버터 토폴로지 및 복잡한 전력전자 기반 시스템에 통합된 컨버터의 경우에는 해석적 도출에 시간이 매우 오래 걸리고 오류가 발생하기 쉽습니다.

소신호 해석을 수행하기 위해 업계에서 널리 통용되는 접근법은 전력전자 시스템의 시뮬레이션 모델을 구축한 다음 주파수 응답 추정을 사용하는 것입니다. 주파수 응답 추정은 정의된 진폭 및 주파수 성분의 작은 섭동 신호를 동작점 주변에서 전력전자 시스템의 입력에 중첩시킨 다음, 이 섭동에 대한 시스템 응답을 측정하는 것으로 시작됩니다.

그런 후에 섭동 신호와 측정된 출력 신호를 사용하여 동작점 인근에서 시스템 동특성을 나타내는 전달 함수 또는 주파수 응답을 계산합니다. 주기적 여기 또는 자체 진동으로 인해 불연속성이 발생하는 시스템의 경우, 전체 과도 현상을 시뮬레이션하지 않고도 모델의 주기적 정상 상태 동작점을 계산할 수 있습니다.

모델에 다음과 같은 여러 유형의 입력 신호를 입력하여 주파수 응답을 계산할 수 있습니다.

• 하나씩 잇따라 적용되는 일련의 정현파 섭동인 사인스트림
• 입력 주파수가 즉시 변동되도록 일정한 주파수 범위에서 시스템을 가진하는 swept-frequency 신호인 처프
• 두 값 사이를 전환하고 백색 잡음과 유사한 특성이 있는 결정론적 의사난수 이진 시퀀스인 PRBS
• 임의의 입력 신호
• 스텝 입력 신호

시스템의 주파수 응답 또는 전달 함수를 계산한 후에는 보상기를 설계하여 이를 선형 모델을 기준으로 평가할 수 있습니다. 서로 다른 동작 조건(예: 여러 원하는 출력 전압 수준 또는 여러 듀티 사이클 비율)에 대해 소신호 해석을 반복함으로써 원하는 작동 범위에서 전력전자 시스템을 작동하기 위한 이득 스케줄링 제어기를 개발할 수 있습니다.

Simulink를 사용하여 다음을 수행할 수 있습니다.

• 스위치 모드 전원 공급장치, AC 모터, 분배 시스템에 있는 기타 부하를 나타내는 정확한 시뮬레이션 모델을 구축.
• 스위칭 과도현상을 대기할 필요 없이 스위칭된 전력전자 모델의 주기적 정상 상태 동작점을 프로그래밍 방식으로 찾아 소신호 해석을 신속하게 설정할 수 있도록 지원. 
• 여러 섭동 입력 신호를 사용하여 전력전자 모델의 소신호 해석 수행.
• 획득한 선형 모델에 대해 자동 PID 조정 또는 근궤적 및 보드 도식을 사용한 대화식 루프 성형과 같은 기법을 사용하여 보상기 설계 및 조정.
• 동작 조건 범위에서 전력전자 시스템을 제어하기 위한 이득 스케줄링 보상기 설계.
• 전력전자 시스템의 비선형 모델을 기준으로 제어기 설계를 시뮬레이션하여 검증 및 테스트.
• 제어기의 신속 프로토타이핑을 수행하고 양산을 구현하기 위해 ANSI, ISO 또는 프로세서 최적화 C 코드, HDL을 자동으로 생성.