洪鑫宇,潘楊,馬洪斌,張顧洪,皇甫江濤

(1.浙江大學(xué) 信息與電子工程學(xué)院,杭州 310027;2.浙江大學(xué) 微小衛(wèi)星研究中心,杭州 310027)

0 引言

星載大功率器部件往往需要處于高溫高壓的復(fù)雜工作環(huán)境,一旦出現(xiàn)問(wèn)題,若無(wú)法及時(shí)發(fā)現(xiàn)并解決,對(duì)安全生產(chǎn)和人員安全都危害極大,無(wú)法保證人身和設(shè)備財(cái)產(chǎn)安全。在目前的工業(yè)生產(chǎn)中,傳統(tǒng)的功率器部件檢測(cè)方案通常需要安裝大量傳感器,這在實(shí)際應(yīng)用中存在許多弊端:特別是傳感器在惡劣的環(huán)境中表現(xiàn)不穩(wěn)定[1-4];傳感器的使用增加了系統(tǒng)的控制接口和布線,降低了系統(tǒng)的可靠性;大多數(shù)檢測(cè)方法需要將傳感器直接安裝在功率驅(qū)動(dòng)電路中進(jìn)行單模塊測(cè)量,這不利于設(shè)備的擴(kuò)展和更新。對(duì)于星載功率器部件的檢測(cè)來(lái)說(shuō),對(duì)于傳感器的要求將更加嚴(yán)苛,如星載制冷機(jī)的狀態(tài)檢測(cè)中的各類傳感器需要忍受極端的溫度變化,當(dāng)局部溫度快速降低到零下200 ℃時(shí),各類傳感器的性能保持穩(wěn)定[5]。此外,傳感器需要克服溫度變化的帶來(lái)的各種效應(yīng)如熱脹冷縮等。對(duì)于各類機(jī)械式傳感器還需要克服失重帶來(lái)的影響。因此,星載大功率器部件的狀態(tài)檢測(cè)需要提出更加智能可擴(kuò)展、可靠性高的檢測(cè)方法。

1 智能檢測(cè)方法

圖1為衛(wèi)星電源上接入的大功率器部件的電源紋波模型。

圖1 衛(wèi)星電源上接入的大功率器部件的電源紋波模型

通常這些電源紋波往往是需要抑制的,因?yàn)槠湓谝欢ǔ潭壬蠒?huì)影響功率器部件的效率性能等,往往采用接入大功率LC濾波器、提高開(kāi)關(guān)信號(hào)的頻率和改善信號(hào)的占空比等方法來(lái)降低電源紋波的干擾[6-7]。實(shí)際上,衛(wèi)星電源電源線上紋波電流幅值、相位與負(fù)載的大功率器部件的數(shù)量、工作狀態(tài)(功率)有直接關(guān)系,即電源紋波中蘊(yùn)含了大功率器部件工作狀態(tài)的各類特征[8]。因此,文章提出了一種基于電源狀態(tài)檢測(cè)的功率器部件旁路多點(diǎn)狀態(tài)檢測(cè)方法,旁路采集電源紋波作為重要特征,對(duì)目標(biāo)功率器部件的工作狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)。

文章提出的智能檢測(cè)方法框圖如圖2所示,通過(guò)在直流電源上旁路接入的紋波采集電路獲取多路功率器部件的混合電源紋波,進(jìn)一步做歸一化預(yù)處理后,分析該信號(hào)的頻譜,提取功率器部件的紋波頻率。根據(jù)紋波的頻點(diǎn)特征,將每個(gè)頻點(diǎn)的相位、占空比等信息作為變量,生成相應(yīng)的單頻點(diǎn)紋波信號(hào),再將多路單頻點(diǎn)紋波信號(hào)重新隨機(jī)組合生成紋波信號(hào)。文章用這些重新生成的混合紋波信號(hào)構(gòu)成一定規(guī)模的數(shù)據(jù)集,通過(guò)SVM算法將原始的混合紋波信號(hào)分類至某一類別的數(shù)據(jù)集中的某一混合紋波下。從該類別的信號(hào)的組合情況反推得到混合電源紋波分離出的多路紋波信號(hào)的頻率、相位、占空比等信息。

圖2 算法框圖

如圖3所示,電源紋波信號(hào)采集電路包括負(fù)載電阻、采樣電阻、濾波電路、AD采樣模塊、放大電路;電源VCC和GND之間連接有串聯(lián)的負(fù)載電阻R1和取樣電阻R2,其中負(fù)載電阻為120 Ω,采樣電阻為1 Ω。取樣電阻的兩端與信號(hào)放大電路連接。信號(hào)放大電路的作用是將取樣電阻兩端的微弱差分信號(hào)放大后轉(zhuǎn)換成單端輸出。信號(hào)放大電路依次與濾波電路、電容、AD模塊連接,AD模塊通過(guò)CH340串口轉(zhuǎn)USB芯片將采集到的電源紋波傳輸?shù)絇C上。信號(hào)放大電路由三個(gè)基本運(yùn)算放大器構(gòu)成,通過(guò)基于OP27的運(yùn)算放大器A1和A2的同相輸入實(shí)現(xiàn)信號(hào)的差分放大。接著將信號(hào)接入雙端口差分放大器A3,再將差分輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為單端輸出信號(hào),其中A3運(yùn)算放大器的芯片為INA105。圖3所設(shè)計(jì)的信號(hào)放大電路在抑制噪聲的同時(shí),提高了放大電路的共模抑制比,也就是對(duì)共模信號(hào)(噪聲等)進(jìn)行抑制,放大差模增益。根據(jù)電路原理,該放大器的差模增益為:

圖3 旁路電源紋波信號(hào)采集電路

Avd=1+2R3/RX

(1)

其中Avd表示電壓放大倍數(shù)。其中電阻RX為5 kΩ的滑動(dòng)變阻器,電阻R3為20 kΩ,因此放大倍數(shù)最小為9倍。

濾波電路使用的是基于OP27的二階低通濾波器,其目的是濾除外界的高頻的噪聲,使采集的紋波信號(hào)更加平滑?；镜亩ARC低通濾波器的截止頻率f的計(jì)算方式如下:

(2)

其中濾波電路中電阻R5=R6=5 kΩ,電容C1=C2=0.01 uF,由此可計(jì)算得到該低通濾波器的截止頻率f為1 190 Hz。

AD模塊選用ST公司STM32F103系列單片機(jī)內(nèi)部ADC資源,該模塊通過(guò)STM32內(nèi)部DMA通道將獲取的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移至內(nèi)存DDR中,在增強(qiáng)AD采樣穩(wěn)定性和提升AD采樣精確度的同時(shí),減輕CPU的負(fù)擔(dān)。數(shù)據(jù)通過(guò)UART串行通信傳送到PC端,其中設(shè)定的取樣頻率為10 kHz,以滿足Nequester頻率定理。

信號(hào)分析算法部分,將從上述旁路電源紋波信號(hào)采集電路中獲得的混合電源紋波信號(hào)與漢明窗相乘,以減少頻譜混疊和頻譜泄漏的影響。在提取到加窗后的混合電源紋波信號(hào)后進(jìn)行傅里葉變換后,我們按照以下規(guī)則從頻譜中計(jì)算出PWM信號(hào)的數(shù)量和每個(gè)PWM信號(hào)的頻率。

?設(shè)置一個(gè)閾值,選擇頻譜中幅度高于閾值的頻率。

?選擇的頻率可能包含PWM信號(hào)的諧波。當(dāng)所選的兩個(gè)頻率之間存在倍數(shù)關(guān)系時(shí),根據(jù)以下公式重新計(jì)算較大的頻率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的頻譜幅度。

(3)

進(jìn)一步構(gòu)建專屬數(shù)據(jù)集,根據(jù)得到的有效頻率點(diǎn)生成不同占空比的PWM信號(hào)作為數(shù)據(jù)集樣本,每個(gè)PWM信號(hào)的初始相位延遲步驟為π/4。根據(jù)占空比的組合類型對(duì)樣本進(jìn)行標(biāo)記后,我們選擇80%的數(shù)據(jù)集作為訓(xùn)練集,其余的作為測(cè)試集。

在模型訓(xùn)練部分,我們選擇高斯核函數(shù)來(lái)建立一個(gè)有監(jiān)督的SVM學(xué)習(xí)模型。與其他經(jīng)典的機(jī)器學(xué)習(xí)方法相比,SVM的優(yōu)勢(shì)在于它可以在高維空間進(jìn)行小樣本學(xué)習(xí),而且結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)最小[9]。保存訓(xùn)練好的模型后,將歸一化的原始電源紋波設(shè)為模型輸入,根據(jù)模型輸出的標(biāo)簽推斷出相應(yīng)LED的工作狀態(tài)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)方面本文搭建了如圖4所示的大功率LED二極管PWM調(diào)制的LED電路電源紋波探測(cè)模型。由于LED是半導(dǎo)體器件,它們可以比其他照明技術(shù)更快地開(kāi)啟和關(guān)閉[10-11]。這種高開(kāi)關(guān)速度使大功率LED二極管適合使用PWM方法進(jìn)行調(diào)光[12]。通常情況下,PWM調(diào)制是通過(guò)將一個(gè)開(kāi)關(guān)器件(MOS管、三極管等)與大功率LED二極管串聯(lián)來(lái)實(shí)現(xiàn)。其中電流波形與PWM電壓的形狀相同[13-15]。因此,由于直流電源不理想,會(huì)產(chǎn)生電源紋波[16]。在實(shí)踐中,由多個(gè)PWM調(diào)制的大功率LED二極管產(chǎn)生的紋波是線性地疊加在電源的直流分量上。因此,電源紋波包含每個(gè)PWM調(diào)制信號(hào)的頻率和占空比的特征,而這些特征決定了大功率LED二極管的工作狀態(tài)。其中實(shí)驗(yàn)中電源為12 V直流電壓源,大功率LED二極管有25%、50%和75%三種亮度的狀態(tài),耐壓值為15 V,PWM調(diào)制信號(hào)的頻率隨機(jī)生成。

圖4 多路PWM調(diào)制LED電路電源紋波探測(cè)模型

由硬件電路收集的電源紋波如圖5(a)所示。通過(guò)分析信號(hào)的頻譜,我們計(jì)算出三個(gè)燈的PWM調(diào)制頻率,分別為100 Hz、250 Hz和300 Hz,如圖5(b)所示。圖6顯示了由三盞燈各自貢獻(xiàn)的電源紋波的最終分離結(jié)果,即各自的PWM調(diào)制信號(hào)。結(jié)果表明,經(jīng)過(guò)占空比的計(jì)算,得到三種不同調(diào)制頻率的LED的亮度為25、50、75。

圖5 信號(hào)處理過(guò)程

圖6 三個(gè)LED的PWM調(diào)制信號(hào)

此外,我們還研究了該方法的一般適應(yīng)性。電源紋波的頻率組成被設(shè)定為在50 Hz-1 kHz范圍內(nèi)隨機(jī)選擇,并在其上疊加高斯噪聲,噪聲的大小由信噪比(SNR)來(lái)表征。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所列,所提出的檢測(cè)方法性能非常優(yōu)越,在訓(xùn)練和測(cè)試集上都達(dá)到了至少95%的正確率。此外,該方法對(duì)環(huán)境的噪聲不敏感,如表2所列,即使在信噪比為1的情況下也能保持出色的分類性能。

表1 不同頻率、占空比PWM紋波信號(hào)分類結(jié)果

表2 不同信噪比對(duì)測(cè)試正確率的影響

3 結(jié)論

文章提出了一種基于電源紋波的可擴(kuò)展、可靠性高的多路功率器件狀態(tài)旁路檢測(cè)方法。在不修改原有電路結(jié)構(gòu)的情況下,旁路采集功率負(fù)載電源紋波作為重要特征,應(yīng)用機(jī)器學(xué)習(xí)算法對(duì)負(fù)載的工作狀態(tài)進(jìn)行分類,實(shí)現(xiàn)對(duì)功率器部件的智能狀態(tài)檢測(cè)。該方法可以降低系統(tǒng)成本,避免使傳統(tǒng)傳感器對(duì)信號(hào)通路的影響。通過(guò)相關(guān)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證所提方法在不同信噪比環(huán)境下能保持很好的識(shí)別能力。

雖然SVM可以通過(guò)使用核函數(shù)方法克服了維數(shù)災(zāi)難和非線性可分的問(wèn)題,但考慮到SVM方法在面對(duì)大規(guī)模訓(xùn)練樣本難以實(shí)施,不僅浪費(fèi)大量資源并且決策效果并不理想。因此未來(lái)的工作重點(diǎn)是優(yōu)化相關(guān)算法的速度和性能,一方面可以通過(guò)可編程邏輯門(mén)FPGA對(duì)SVM涉及的矩陣運(yùn)算進(jìn)行加速。另一方面可以結(jié)合一定的優(yōu)化算法進(jìn)行改進(jìn)如SMO算法、SOR算法對(duì)訓(xùn)練過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化,提升運(yùn)算速度;各類種群算法對(duì)SVM參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,提升分類性能。最終將其部署于實(shí)際的星載電路系統(tǒng)中進(jìn)行應(yīng)用。