소형 신호 분석

전력 전자 모델의 선형 근삿값 계산

소형신호 분석은 스위치 모드 전력 공급과 같은 비선형 전력 전자 시스템의 동작을 관심 대상 동작점을 중심으로 유효한 LTI(선형 시불변) 모델과 근사한 값으로 계산합니다.  소형 신호 분석은 시스템의 전달 함수 또는 상태 공간 모델과 같은 LTI 표현이 필요한 전력 전자 시스템에 기존의 제어 이론을 적용하기 위한 필수 단계입니다.  

부스트 또는 벅 컨버터와 같이 널리 알려진 간단한 토폴로지의 경우 그에 상응하는 LTI 시스템을 분석적으로 도출할 수 있습니다. 그러나 비표준 컨버터 토폴로지와 복잡한 전력 전자 기반 시스템에 통합된 컨버터의 경우에는 분석적 도출에 시간이 오래 걸리고 오류도 자주 발생합니다.

소형 신호 분석을 수행하기 위해 업계에서 널리 사용되는 접근 방식은 전력 전자 시스템의 시뮬레이션 모델을 빌드한 다음 주파수 응답 추정을 사용하는 것입니다. 주파수 응답 추정은 정의된 진폭 및 주파수 성분의 작은 섭동 신호를 동작점 주변에서 전력 전자 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. 

부스트 컨버터의 소형 신호 분석. 부스트 컨버터는 Simscape Electrical 및 Simulink에서 모델링됩니다(상단). Simulink Control Design을 사용하여 모델에 사인스트림 섭동 신호를 입력하고(좌측 하단) 주파수 응답을 계산합니다(우측 하단).

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

  • 하나씩 잇따라 적용되는 사인스트림(일련의 정현파 섭동).
  • 입력 주파수가 즉시 변동되도록 일정한 주파수 범위에서 시스템을 유도하는 swept-frequency 신호인 처프. 
  • 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 동작점에 대해(예: 여러 원하는 출력 전압 수준 또는 여러 듀티 사이클 비율) 소형 신호 분석을 반복함으로써 원하는 동작 범위에서 전력 전자 시스템을 작동하기 위한 이득 스케줄링 제어기를 개발할 수 있습니다.

Simulink를 사용하여 다음을 수행할 수 있습니다.

  • 모드 전환 전원, AC 모터, 분배 시스템에 있는 기타 부하를 나타내는 정확한 시뮬레이션 모델을 구축
  • 여러 섭동 입력 신호를 사용하여 전력 전자 모델의 소형 신호 분석 수행
  • 획득한 선형 모델에 대해 자동 PID 조정, 근궤적 및 보드 도식을 사용한 대화식 루프 성형과 같은 기법을 사용하여 보상기 설계 및 조정
  • 동작 조건 범위에서 전력 전자 시스템을 제어하기 위한 이득 스케줄링 보상기 설계
  • 전력 전자 시스템의 비선형 모델을 기준으로 제어기 설계를 시뮬레이션하여 검증 및 테스트
  • 제어기를 빠르게 프로토타이핑하고 양산을 구현하기 위해 ANSI, ISO 또는 프로세서 최적화 C 코드, HDL을 자동으로 생성

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