唐思均李源彬

(1.宜賓職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子信息與人工智能學(xué)院，四川 宜賓 644000；2.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院，四川 雅安 625014)

整流器是一種能夠改變交、直流電的裝置，能夠?yàn)殡姎怆娐诽峁╇娔芎蜔o(wú)線電信號(hào)的偵測(cè)等。因?yàn)樗粡V泛地應(yīng)用于各種各樣的整流電源內(nèi)，所以需要轉(zhuǎn)變的電壓也從幾十至幾千伏、電流從幾安至幾千安不等。將整流器應(yīng)用在高速電路中時(shí)，它的信號(hào)完整性非常重要。通過(guò)檢測(cè)信號(hào)傳輸路徑質(zhì)量，能夠確定整流器信號(hào)的完整性是否良好。傳輸路徑不僅是電路的連接金屬線，還可以是整體電氣元件，同時(shí)也可以是一些其他的媒質(zhì)[1-2]。整流器高速信號(hào)的反射、串?dāng)_問(wèn)題始終影響信號(hào)完整性檢測(cè)效果，相關(guān)學(xué)者對(duì)此問(wèn)題進(jìn)行了研究，取得了一定的進(jìn)展。

陳濤等人[3]提出一種雙重化脈沖整流器多管開(kāi)路故障快速診斷方法，通過(guò)StarSim 軟件獲取整流器電壓變化，利用原型控制器分析門(mén)極信號(hào)突變情況，實(shí)現(xiàn)整流器多管開(kāi)路故障快速診斷，此方法能夠提升故障定位準(zhǔn)確率，避免負(fù)載擾動(dòng)影響。王英等人[4]提出基于改進(jìn)譜峭度與電流均值的牽引整流器開(kāi)路故障診斷方法，利用IGBT 開(kāi)路計(jì)算電流均值，利用電流突變特征獲取整流器故障類(lèi)別，依據(jù)改進(jìn)譜峭度實(shí)現(xiàn)整流器開(kāi)路故障診斷。此方法能夠獲取較高的故障診斷準(zhǔn)確率，但是診斷過(guò)程比較復(fù)雜，診斷效果較高。

高速信號(hào)如果不完整性，并不是某種單一因素造成的，而是整體系統(tǒng)內(nèi)，通過(guò)多種不同因素所導(dǎo)致的。若信號(hào)不能正常響應(yīng)，就不能讓系統(tǒng)長(zhǎng)期處于穩(wěn)定的狀態(tài)下進(jìn)行工作，這時(shí)會(huì)發(fā)生信號(hào)完整性缺失問(wèn)題[2]。而本文提出的基于蟻獅算法的整流器高速信號(hào)完整性檢測(cè)方法，通過(guò)模擬蟻獅生物的行為生態(tài)，計(jì)算整流器內(nèi)電阻值，通過(guò)置零整流器內(nèi)的串?dāng)_以及反射系數(shù)，得到整流器內(nèi)所接收信號(hào)向量的所有分量，從而明確整流器內(nèi)高速信號(hào)是否完整。

1 蟻獅算法數(shù)據(jù)分析

整流器高速信號(hào)的不完整，會(huì)導(dǎo)致整體電路不能穩(wěn)定地工作，而蟻獅算法作為一種啟發(fā)式優(yōu)化方法，極為適用非凸優(yōu)化問(wèn)題，可不斷迭代搜索整流器內(nèi)各信號(hào)信息。蟻獅在沙子表面挖好洞穴以后，坐等獵物出現(xiàn)。制作的陷阱形狀能夠影響到獵物捕捉，使其無(wú)法從洞口爬出，同時(shí)，便于下次捕捉，計(jì)算螞蟻掉落陷阱的過(guò)程即計(jì)算整流器內(nèi)真實(shí)信號(hào)和干擾數(shù)據(jù)的過(guò)程[3]。

(1)螞蟻的隨機(jī)行動(dòng)分析

具體螞蟻行動(dòng)建模公式為:

式中:n代表最大迭代的個(gè)數(shù)，S代表累積和，t代表迭代的步長(zhǎng)，r(t)代表隨機(jī)的函數(shù)，具體公式為:

式中:rand 代表服從[0，1]內(nèi)均勻分布的隨機(jī)數(shù)。

螞蟻行動(dòng)位置是隨機(jī)的，所以隨機(jī)行走要對(duì)其歸一化處理，方便搜索空間中尋求最佳解。具體公式為:

式中:ai以及di代表第i個(gè)變量最小以及最大隨機(jī)的步數(shù)。分別代表第t次迭代的第i個(gè)變量最小以及最大值。

(2)螞蟻行動(dòng)到陷阱

螞蟻隨機(jī)行動(dòng)至陷阱位置，或受到陷阱位置的蟻獅M以及d向量控制，具體公式為:

(3)滿(mǎn)意滑落陷阱[4]

螞蟻一旦滑落陷阱，這時(shí)蟻獅會(huì)從洞口的中心位置對(duì)外拋沙，從而使螞蟻滑至洞底，使螞蟻的隨機(jī)行走半徑降低，具體公式為:

式中:t以及T代表目前迭代次數(shù)以及最大的迭代次數(shù)。ω代表與目前迭代次數(shù)所相關(guān)常數(shù)值。

(4)更新陷阱

在蟻獅捕捉獵物后會(huì)在沙子下方食用獵物，而適應(yīng)能力較強(qiáng)的蟻獅能夠捕捉的獵物會(huì)更多，這就說(shuō)明蟻獅捕捉完獵物后，要更新下個(gè)陷阱，具體公式為:

(5)蟻獅精英的選取

蟻獅精英的定義，是每次更新陷阱在最優(yōu)區(qū)域的蟻獅，就是適應(yīng)蟻獅，在每一次迭代的過(guò)程內(nèi)，會(huì)影響蟻獅行為，具體公式為:

2 整流器高速信號(hào)的完整性檢測(cè)

2.1 整流器的高速信號(hào)傳輸線分析

將整流器內(nèi)各參數(shù)代入蟻獅算法中，計(jì)算整流器內(nèi)電阻值，從而獲得整流器內(nèi)真實(shí)的特征阻抗Z0，設(shè)置點(diǎn)P作為整流器中任意的一個(gè)點(diǎn)。C1、L1、R1分別代表等效電容、電感、電阻。R2代表漏電流所體現(xiàn)出電阻，該阻值接近無(wú)限大。而傳輸線的靜態(tài)電阻R1非常小，基本忽略不計(jì)，具體公式為:

該情況的特征阻抗是無(wú)損阻抗。某個(gè)信號(hào)10%～90%上升以及下降的時(shí)間是Tr，那么此信號(hào)在整流器內(nèi)的走線延遲是D，此信號(hào)的有效長(zhǎng)度是L，具體公式為:

信號(hào)處于導(dǎo)線上的傳輸端比L/6 大時(shí)，要采用傳輸線理論。這就說(shuō)明在傳輸距離至一定程度時(shí)，才能夠采用傳輸線理論，反之，認(rèn)定此段線路上僅為一個(gè)點(diǎn)，將該信號(hào)當(dāng)成普通信號(hào)進(jìn)行處理[6]。

2.2 高速信號(hào)的完整性分析

高速信號(hào)的完整性，是作為整體系統(tǒng)的可靠性保障，因?yàn)楦咚傩盘?hào)內(nèi)含有較高的頻率，系統(tǒng)電氣參數(shù)變化較大，出現(xiàn)許多高速信號(hào)的特有狀況，其中包含:串?dāng)_、發(fā)射等[7]。

2.2.1 發(fā)射產(chǎn)生機(jī)制

實(shí)際傳輸線驅(qū)動(dòng)器的輸出阻抗并不是0，互連線傳輸與阻抗會(huì)形成分壓器，而在互連線上的入射波，是驅(qū)動(dòng)器電壓的部分，具體公式為:

式中:Vinc代表入射電壓，Vs代表驅(qū)動(dòng)器內(nèi)的電壓，Rs代表驅(qū)動(dòng)器的內(nèi)阻，z0代表互連線的阻抗[8]。

在高速信號(hào)能夠傳輸至負(fù)載端上或是任意阻抗的突變區(qū)域時(shí)，分界面的電流以及電壓會(huì)以連續(xù)的形式構(gòu)成。而對(duì)于阻抗分界面的兩側(cè)，存在V1=V2，I1=I2，且V1/I1=Z1，V2/I2=Z2，因此在阻抗產(chǎn)生突變時(shí)，就是Z1≠Z2時(shí)，那么5 個(gè)等式不會(huì)同時(shí)成立，而為了令系統(tǒng)保持整體平衡，要在分界面位置生成反射回源端電壓[9]。

在入射電壓Vinc通過(guò)互連線進(jìn)行傳輸，直到負(fù)載端時(shí)，由于阻抗突變情況，會(huì)生成反射電壓Vrefl，這時(shí)的傳輸電壓Vtrans則會(huì)繼續(xù)向前傳播，而分界面的兩側(cè)電壓則要滿(mǎn)足公式為:

相同的是，分界面兩側(cè)的電流要滿(mǎn)足條件具體公式為:

分界面兩側(cè)的電壓以及電流，需要滿(mǎn)足的關(guān)系公式，分別為:

把式(16)、式(17)以及式(18)代入式(15)內(nèi)，具體可以得到公式為:

將(14)代入式(19)內(nèi)，取消Vtrans且進(jìn)行整理獲得公式為:

可將入射電壓和發(fā)射電壓比，定義成反射系數(shù)，這時(shí)就能夠求出傳輸系數(shù)，具體公式為:

2.2.2 串?dāng)_產(chǎn)生機(jī)制

2.2.2.1 容性串?dāng)_

設(shè)置cm代表單位長(zhǎng)度互容，是沿著兩條傳輸線進(jìn)行分布的，在兩條導(dǎo)線距離足夠近的時(shí)候，電容會(huì)變得非常大，且令攻擊線的耦合能量影響到受害線[10]。

在傳輸線中間截取一段Δx，而高速信號(hào)的上升沿在經(jīng)過(guò)該段時(shí)，將位移電流注入受害線內(nèi)。能夠獲得公式為:

式中:Δx代表驅(qū)動(dòng)波形的幅度，Tr代表波形上升的時(shí)間，通過(guò)電壓連續(xù)性可以獲得Vb=Vf，具體公式為:

因?yàn)榍跋虼當(dāng)_傳播的方向以及速度和信號(hào)自身的相同，在受害線中的所有點(diǎn)前向串?dāng)_相加，而且要在相同的時(shí)間內(nèi)抵達(dá)遠(yuǎn)端。通過(guò)式(23)能夠獲得，長(zhǎng)度是VFE傳輸線，處于遠(yuǎn)端總噪聲公式為:

信號(hào)上升時(shí)間是Tr一半。式(23)內(nèi)距離為Δx=，Vp代表相速度，將其代入至式(23)，獲得近端的噪聲公式為:

根據(jù)上述過(guò)程可知，信號(hào)串?dāng)_能夠影響電容值與脈沖信號(hào)時(shí)寬，而且遠(yuǎn)端以及近端脈沖的極性全是正向的。

2.2.2.2 感性串?dāng)_

截取傳輸線中的一段，這時(shí)攻擊線經(jīng)過(guò)電流，互感線路會(huì)感受到串聯(lián)電壓，獲得串聯(lián)電壓的計(jì)算公式為:

上述兩種串?dāng)_的推導(dǎo)方法基本相同，其中，感性耦合能夠隨攻擊信號(hào)上升沿持續(xù)傳播，而在相同的時(shí)間內(nèi)會(huì)抵達(dá)至遠(yuǎn)端，此時(shí)攻擊信號(hào)傳播的方向則會(huì)與反向串?dāng)_位于相反狀態(tài)，進(jìn)而生成積累噪聲的幅度，具體公式為:

感性串?dāng)_處于近端以及遠(yuǎn)端的波形上，與容性串?dāng)_的機(jī)制類(lèi)似。

2.2.2.3 總串?dāng)_

通常情況下，感性串?dāng)_和容性串?dāng)_在同一時(shí)間出現(xiàn)，將式(26)和式(31)相加，能夠獲得近端串?dāng)_公式:

將式(24)和式(30)相加，能夠獲得遠(yuǎn)端串?dāng)_公式:

通過(guò)上述公式能夠看出，近端串?dāng)_是一直存在的，無(wú)法清除。而遠(yuǎn)端串?dāng)_，由于二者的串?dāng)_極性相反，所以會(huì)相互抵消一部分，而當(dāng)時(shí)，則會(huì)全部抵消，而實(shí)際的整流器，不會(huì)存在理想狀態(tài)，所以遠(yuǎn)端串?dāng)_無(wú)法清除[11]。

2.3 信號(hào)檢測(cè)方法

通過(guò)強(qiáng)制將整流器信道串?dāng)_以及反射進(jìn)行干擾置零。通過(guò)迫零矩陣實(shí)現(xiàn)線性加權(quán)，處理高速信號(hào)的向量，再對(duì)加權(quán)后接受信號(hào)向量所有分量進(jìn)行檢測(cè)，獲取發(fā)射符號(hào)的向量。

利用最小二乘法準(zhǔn)則，對(duì)噪聲誤差e2定義，具體可得到公式為:

求導(dǎo)上式，令一階導(dǎo)數(shù)是0，二階導(dǎo)數(shù)比0 大，以此能夠獲得e2極小值估計(jì)，從而獲得高速信號(hào)迫零矩陣公式為:

式中:H+代表已知信道矩陣H廣義的逆矩陣。

利用F左乘接收信號(hào)的向量y，能夠獲得利用此迫零方法估計(jì)接收高速信號(hào)的向量，具體公式為:

利用式(34)確認(rèn)估計(jì)矩陣F，能夠完全去掉內(nèi)發(fā)射向量的所有分量間互相干擾。以此可以完成高速信號(hào)的完整性檢測(cè)[12]。

3 實(shí)驗(yàn)仿真證明

3.1 實(shí)驗(yàn)1

實(shí)驗(yàn)環(huán)境選擇CPU 為2.3GHz、內(nèi)存為4GB、操作系統(tǒng)為Window10，直流母線的電壓是220 V、幀數(shù)為2 000 幀、發(fā)射功率為1、開(kāi)關(guān)的頻率是1.75 kHz的三相量電平的PWM(Pulse width modulation)整流器系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，該整流器的高速信號(hào)為周期性的，在脈沖為線性的調(diào)頻信號(hào)。具體整流器的高速信號(hào)幅值變化曲線如圖1 所示。

圖1 整流器高速信號(hào)幅值變化檢測(cè)

從圖1 能夠看出，在一定時(shí)間內(nèi)，整流器的高速信號(hào)幅值呈周期變化。本文方法與實(shí)際信號(hào)幅值變化情況基本一致，而雙重化脈沖方法的整流器高速信號(hào)幅值變化明顯落后于實(shí)際情況，表明本文方法進(jìn)行整流器高速信號(hào)完整性檢測(cè)時(shí)的實(shí)時(shí)性更好。這是因?yàn)橐胂仾{算法，確定傳輸線間的能量耦合串?dāng)_，獲得加權(quán)接收信號(hào)向量的所有分量，使得檢測(cè)過(guò)程中即使出現(xiàn)冗余干擾也能不斷迭代搜索最優(yōu)解，可靠性高。

3.2 實(shí)驗(yàn)2

為了進(jìn)一步證明本文檢測(cè)方法的效果，將該信號(hào)通過(guò)人為的方式進(jìn)行外界干擾，使其發(fā)生輕微故障，然后采用本文方法，對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)，驗(yàn)證高速信號(hào)是否完整。具體如圖2 所示:

圖2 不同方法下檢測(cè)高速信號(hào)完整度

通過(guò)觀察圖2 能夠看出，隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，不同方法下高速信號(hào)完整度隨之變化。當(dāng)運(yùn)行時(shí)間為2 s 時(shí)，雙重化脈沖方法的高速信號(hào)完整度為79%，改進(jìn)譜峭度的高速信號(hào)完整度為73%，本文方法的高速信號(hào)完整度為97%。當(dāng)運(yùn)行時(shí)間為8 s 時(shí)，雙重化脈沖方法的高速信號(hào)完整度為73%，改進(jìn)譜峭度的高速信號(hào)完整度為74%，本文方法的高速信號(hào)完整度為98%，說(shuō)明本文方法能夠獲得完整的高速信號(hào)。這是因?yàn)楸疚囊肓讼仾{算法分析相鄰傳輸線接近時(shí)磁場(chǎng)邊緣與信號(hào)電場(chǎng)的相互影響，準(zhǔn)確計(jì)算整流器內(nèi)的電阻值以獲取特征阻抗，實(shí)現(xiàn)不同頻域的干擾信號(hào)對(duì)消，減少了高速信號(hào)傳輸完整性檢測(cè)干擾因素，使得高速信號(hào)的完整度得到提升。

4 結(jié)論

本文提出基于蟻獅算法的整流器高速信號(hào)完整性檢測(cè)方法，通過(guò)置零反射系數(shù)以及串?dāng)_系數(shù)，使用迫零矩陣完成線性加權(quán)，處理高速信號(hào)的向量，通過(guò)加權(quán)后接受信號(hào)向量的所有分量，實(shí)現(xiàn)信號(hào)檢測(cè)，不過(guò)由于整流器造成信號(hào)不完整的方式有很多，所以本文還需要進(jìn)一步努力，研究其他造成信號(hào)不完整的原因，從而完成檢測(cè)。