基于PCI-9846H的死區(qū)時間引起的電壓波形畸變的研究

電機驅動系統(tǒng)是電動汽車的核心部分[1-2]。按所使用電機的類型可以分為直流電機驅動系統(tǒng)和交流電機驅動系統(tǒng)[3]，而交流電機驅動系統(tǒng)中，感應電機容易被接受，使用較廣泛，永磁同步電機由于其本身的高能量密度與高效率，具有比較大的競爭優(yōu)勢，應用范圍日益增多。

為了滿足整車動力性能要求，電機驅動系統(tǒng)要有較高的動態(tài)性能，目前比較成功的控制策略包括：基于穩(wěn)態(tài)模型的變頻變壓控制(VVVF)、基于動態(tài)模型的磁場定向控制(FOC)以及直接轉矩控制(Direct Torque Control--DTC)。其中直接轉矩控制是在矢量控制基礎之上發(fā)展起來的，其主要優(yōu)點是：摒棄了矢量控制中的解耦思想，直接控制電動機的磁鏈和轉矩，并利用定子磁鏈定向代替了矢量控制中的轉子磁鏈定向，避開了電動機中不易確定的參數(轉子電阻等)識別。目前國內外的永磁同步電機的數學模型只是基于中線不接出三相對稱繞組條件下，引入轉子磁鏈、定子漏抗、及各繞組的互感而建立的，忽略了軸承及其他雜散損耗以及PWM波等因素對電機的影響，因此基于該電機模型建立的控制策略在電機的低速脈動、高速弱磁、穩(wěn)定性和輸出轉矩一致性等方面還存在諸多問題[5]。為了能更好的解決直接轉矩控制下電機的低速轉矩脈動的問題，本文建立了引入逆變器死區(qū)時間的電機模型，通過對死區(qū)時間的產生和作用機理進行分析，得出引起輸出電壓波形畸變以及相位變化的關鍵影響因子，針對仿真結果提出一種減小死區(qū)時間引起電壓波形畸變的方法，通過應用PCI-9846H、電流傳感器、電壓傳感器、轉矩儀、電機及其控制器、測功機等設備完成車用電機試驗平臺的搭建，上位機通過LABVIEW編寫數據采集系統(tǒng)，通過對電壓、電流、轉矩、轉速信息的采集與分析，對本文提出的減小死區(qū)時間對輸出電壓波形畸變的方法進行了驗證。

1.逆變器死區(qū)時間的研究

1.1逆變器死區(qū)時間產生機理

對于永磁同步電機驅動而言，在IGBT正常工作時，上下橋臂是交替互補導通的。在交替過程中必須存在上下橋臂同時關閉的狀態(tài)，確保在上/下橋臂導通前，對應的互補下/上橋臂可靠關斷，這段上下兩個橋臂同時關斷的時間稱為死區(qū)時間。針對目前市場上IGBT的調研發(fā)現，逆變器死區(qū)時間一般為3～7μs[6]。在電機工作在一定轉速以上時，由于基波電壓足夠大，死區(qū)效應對基波電壓影響較小，所以不為人們所重視;但電機工作在低速時，基波電壓很小，死區(qū)效應對基波電壓影響相對較大，死區(qū)時間越長，逆變器輸出電壓的損耗越大，電壓波形的畸變程度也會變大，除此之外死區(qū)時間還會影響輸出電壓的相位，使PWM波形不再對稱于中心，造成電機損耗增加，效率降低，輸出轉矩脈動等。圖1所示為死區(qū)時間產生的機理以及對輸出電壓的影響，其中V為理想的PWM電壓輸出波形，Ua-為負母線電壓，Ua+為正母線電壓，v為誤差電壓，Ia為輸出電流。

圖1 死區(qū)效應由圖1所示，可以發(fā)現誤差電壓具有以下特征[7]：

1) 在每個開關周期內均存在一個誤差電壓脈沖;

2) 每個誤差電壓脈沖的幅值均為Ud;

3) 每個誤差電壓脈沖的寬度均為Td;

4) 誤差電壓脈沖的極性與電流極性相反;

盡管一個誤差電壓脈沖不會引起輸出電壓太大的變化，但是一個周期內總的誤差電壓引起的電壓波形的畸變就比較嚴重，下面就對半個周期內誤差電壓對輸出電壓波形的影響進行分析。

1.2死區(qū)時間引起輸出電壓波形畸變的分析

利用平均電壓的概念[8]，假設載波頻率非常高，不含電流在一個載波周期內過零的情況，則半個周期內誤差電壓脈沖序列的平均值為：

(1)式中 根據傅里葉級數展開式：

(2)由于波形關于坐標原點對稱，是奇函數，所以式中a0,an都為0。其中，

于是誤差電壓的傅里葉展開式為：

(3)基波誤差電壓為：

(4)死區(qū)時間不僅影響輸出電壓的幅值，還會影響輸出電壓的相位，如圖2所示：

圖2 死區(qū)時間對輸出電壓相位的影響

由三角形的余弦定理可得

(5)解得：

為了更直觀的分析死區(qū)時間對輸出電壓的影響，本文對上述結果進行歸一化：

(6)定義電壓調制深度M為輸出電壓峰-峰值和直流母線電壓Ud之比，則M=

，Ua為理想輸出電壓，Ua'為實際輸出電壓。

圖3 功率因數角對輸出電壓的影響

所示為fc=4kHz，M=0.8時，輸出電壓隨著不同的功率因數角的變化曲線圖，可以看出功率因數角越高，死區(qū)時間對輸出電壓的影響越小。當死區(qū)時間比較短時，功率因數角的改變對輸出電壓的影響不大，當Td=7μs時，增大功率因數角可以減小電壓波形的畸變，但是增大功率因數角會減小功率因數，影響電機的效率，在功率因數角的設計中需要綜合考慮這兩方面。

圖4 三維圖

圖4所示為實際輸出電壓有效值占理想輸出電壓有效值的百分比隨電壓調制比、死區(qū)時間以及載波頻率變化的曲線圖，本文將公式(6)中死區(qū)時間Td和載波頻率fc的乘積作為一個影響因子，其范圍為0～0.08。當電壓調制比較高時，死區(qū)時間和載波頻率對輸出電壓的影響不明顯，但是當電壓調制比較低時，死區(qū)時間對輸出電壓影響就會非常明顯。

1.3死區(qū)時間對輸出電壓波形影響的解決方法

圖5 改進的控制框圖

由以上分析可知，當載波頻率一定時，死區(qū)時間引起電壓波形畸變的程度受電壓調制比的影響，當電壓調制比較低時，死區(qū)時間對輸出電壓波形畸變會相對增大，這也正是引起電動汽車在低速轉矩脈動的因素之一。從另一方面來看，提高電壓調制比可以在一定程度上抑制波形畸變，圖5所示為改進的控制框圖，通過轉速傳感器檢測電機的運行狀態(tài)，當電機低速運行時，減少電池輸出的直流母線電壓，從而提高電壓調制比，來減小死區(qū)時間對輸出電壓的影響，通過上述控制調節(jié)電池的輸出電壓，將電壓調制比控制在一個較高的范圍，從而減少死區(qū)時間引起的電壓波形的畸變。

2.基于PCI9846H的數據采集系統(tǒng)設計

2.1硬件設計與實現

2.1.1 電壓傳感器、電流傳感器、轉矩儀的選型及特性分析驅動電機系統(tǒng)的工作電壓和電流范圍比較大，從幾十伏(安)到上千伏(安)，這就要求電壓和電流傳感器不僅要有良好的絕緣性，還要將輸入信號和輸出信號完全隔離，同時，傳感器的響應時間也應優(yōu)先考慮。試驗臺上驅動電機轉速與轉矩的測量需要轉矩儀有很好的輸出信號的穩(wěn)定性和重復性。結合電機試驗的要求，本文從傳感器的量程、精度以及動態(tài)響應時間方面考慮，分別選擇電壓傳感器CV 3-500，電流傳感器LF 505-S，轉矩儀F1i S，其特性如表1所示。

表1 電壓傳感器、電流傳感器、轉矩儀的特性傳感器型號 量程 精度 動態(tài)響應時間CV 3-500LF 505-SF1i S轉矩儀 ±1500V±800A±2500Nm25000rpm 0.6%0.6%0.1%0.1% 0.4μs1μs0.1μs0.1μs

2.1.4 數據采集卡

本論文的研究對數據采集卡提出了很高的要求，由上文可知，死區(qū)時間一般為3～7μS，實際中IGBT的開關過程有延時和滯后，以東芝公司的MG25N2S1型25A/1000V IGBT模塊為例，其電壓上升和下降時間分別為0.3μs和0.6μS，為了能夠真實的捕捉死區(qū)時間引起的電壓波形畸變，工程中用到的采樣率通常為信號中最高頻率的6-8倍，這就要求數據采集卡的采樣率至少要達到10MS/s。

試驗平臺采用凌華公司生產的PCI-9846H高端數據采集卡，這是一款4通道同步并行采集，每通道采樣率高達16MS/s的多功能數據采集卡，該采集卡具有4個同步單端模擬輸入和16位的高分辨率A/D轉換器，同時PCI-9846H在總諧波失真(THD)、信噪比SNR、無雜散動態(tài)范圍(SFDR)等方面性能能夠滿足本文對試驗精度的要求。此外，板載512M Byte內存，作為數據暫存空間，可以延長連續(xù)采集的時間，其數據傳輸方式采用DMA的方式，無需CPU直接控制傳輸，也沒有中斷處理方式那樣保留現場和恢復現場的過程，通過硬件為RAM與I/O設備開辟一條直接傳送數據的通路，使CPU的效率大為提高，提高了數據采集的實時性和動態(tài)響應特性，該數據采集卡能夠滿足本文對采樣率和精度的研究要求，其主要特性如表2所示。

表2 PCI-9846H數據采集卡特性通道數 4通道輸入方式 BNC采樣率 同步采樣16MS/s輸入電壓范圍 可選±0.2V、±1V或±5VA/D轉換精度 16位總諧波失真THD ±1V ±0.2V-90.65dBc -95.78dBc信噪比SNR 76.17 dBc 71.98 dBc有效位 12.34位 11.16位無雜散動態(tài)范圍SFDR 91.62 dBc 96.15 dBc輸入阻抗 50歐或1兆歐板載內存 512兆數據傳輸方式 DMA本文所研究的信號的頻率較高，因此需要板卡有足夠的帶寬滿足相應的研究要求。PCI-9846H-3dB-3dB帶寬為20MHz，能夠滿足本文對頻譜分析的要求，此外板卡的系統(tǒng)噪聲在±1V時僅為5.0LSBRMS，其在±1V時的頻譜特性如圖6所示。

圖6 ±1V時的FFT

2.1.5 信號調理電路

從傳感器得到的信號大多要經過調理才能進入數據采集設備，信號調理功能包括放大、隔離、濾波、激勵、線性化等。由于不同傳感器有不同的特性，因此，除了這些通用功能，還要根據具體傳感器的特性和要求來設計特殊的信號調理功能。

本系統(tǒng)所用的信號調理板主要實現兩方面的功能：

(1)實現傳感器信號的低通濾波。信號進入計算機前必須要經過低通濾波，本文由信號調理板采用RC低通濾波器來實現。

(2)對信號進行轉換。對于模擬信號，PCI-9846H數據采集卡只能接收-5V~+5V的電壓信號，而霍爾電壓傳感器輸出的信號為(0~10)V的電壓信號，霍爾電流傳感器輸出的信號為(0~100)mA的電流信號，所以必須加入信號調理板對傳感器輸出的信號進行轉換。由以上硬件的選擇確定本系統(tǒng)的硬件拓撲結構如圖7所示，圖8所示為試驗現場布線圖。

圖7 數據采集系統(tǒng)硬件圖

圖8 試驗現場布線圖

2.2基于LABVIEW的系統(tǒng)軟件設計

LABVIEW集數據采集、儀器控制、工業(yè)自動化等眾多功能于一身，為圖形化虛擬儀器的開發(fā)提供了最佳的平臺[9]。本文用LABVIEW進行數據采集系統(tǒng)上位機軟件的編制，完成數據采集的任務：

(1) 對試驗環(huán)境和測試電機的信息進行登記;

(2) 測試項目的選擇以及試驗前的標定;

(3) 對數據進行計算，存儲以及屏幕顯示等。

在使用PCI-9846H板卡之前需要安裝板卡驅動，圖9所示為安裝好了板卡驅動之后，在設備管理器會看到相應硬件設備的增加。與此同時，為了能夠應用LABVIEW進行上位機數據采集系統(tǒng)的開發(fā)，需要安裝DAQPilot中支持LABVIEW的板卡驅動程序。除此之外，在LABVIEW中使用該板卡進行數據采集之前必須通過DAQMASTER為該塊板卡進行相關的初始化工作，其中包括緩存區(qū)大小的設置，通道名稱的設置等初始化工作，圖10-11顯示了利用DAQMASTER對PCI-9846H進行相關的初始化工作。

圖9 PCI-9846H驅動

圖10 PCI-9846緩存設置

圖11 PCI-9846H通道設置根據

本文要進行測試對象的特點及要求，確定VI的程序流程圖如圖12所示：

圖12 LABVIEW程序控制流程圖

圖13-15為按照上述VI程序控制流程圖進行的相關LABVIEW操作界面的設計，在程序的設計過程中，采用了生產/消費者模式，通過隊列的操作使數據的采集與分析在不同的循環(huán)中運行，從而避免了高速采集的同時進行數據的保存與顯示容易造成死機的問題出現。

圖13 登陸界面

圖14 試驗信息登記

圖15轉矩/轉速測量界面在試驗中，對于電量和非電量信號采集之前都選擇靜態(tài)標定的方法對其進行標定，其中對于控制器輸入電壓/電流以及控制器輸出電壓/電流利用PCI-9846H板卡的四個通道進行同步采集。在轉矩/轉速測量時，雖然轉矩儀輸出的是頻率信號，但是本文按照模擬量對其進行采集，通過在程序中對輸入信號的處理計算出信號的頻率從而能夠得到相應的轉矩和轉速值，這樣可以在程序中減少一部分代碼量提高程序的執(zhí)行效率同時利用板載同步時鐘保證轉矩/轉速采集的同步性。2.3試驗結果分析本文利用基于PCI-9846H的數據采集系統(tǒng)完成了對電機電量與非電量的采集，圖16所示為直流母線電壓電流與交流電壓電流動態(tài)數據波形，圖17和圖18分別顯示了改進前后電流的輸出波形以及轉矩的輸出波形。

圖16 電壓/電流波形顯示

圖17 改進前后電流輸出波形

圖18改進前后轉矩輸出波形

試驗結果表明基于PCI-9846H的數據采集系統(tǒng)具有高采樣率和高采樣精度，能夠滿足本文對死區(qū)時間引起的電壓波形畸變信號捕捉的要求，對采集數據的分析表明本文所提出的根據電機的工作狀態(tài)調節(jié)直流母線電壓保持電壓調制比在較高的范圍內的方法能夠很好的改善電流與轉矩的輸出波形，特別是在電機低速工況時效果尤為明顯，進而能夠減少死區(qū)時間對電機在低速工況時性能的影響。