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(qū)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(qū)動系統(tǒng)和交流電機驅(qū)動系統(tǒng)[3]，而交流電機驅(qū)動系統(tǒng)中，感應(yīng)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(yīng)用范圍日益增多。

為了滿足整車動力性能要求，電機驅(qū)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(zhuǎn)矩控制(Direct Torque Control--DTC)。其中直接轉(zhuǎn)矩控制是在矢量控制基礎(chǔ)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(zhuǎn)矩，并利用定子磁鏈定向代替了矢量控制中的轉(zhuǎn)子磁鏈定向，避開了電動機中不易確定的參數(shù)(轉(zhuǎn)子電阻等)識別。目前國內(nèi)外的永磁同步電機的數(shù)學(xué)模型只是基于中線不接出三相對稱繞組條件下，引入轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)矩控制下電機的低速轉(zhuǎn)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(chǎn)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(guān)鍵影響因子，針對仿真結(jié)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(yīng)用PCI-9846H、電流傳感器、電壓傳感器、轉(zhuǎn)矩儀、電機及其控制器、測功機等設(shè)備完成車用電機試驗平臺的搭建，上位機通過LABVIEW編寫數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通過對電壓、電流、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)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(chǎn)生機理

對于永磁同步電機驅(qū)動而言，在IGBT正常工作時，上下橋臂是交替互補導(dǎo)通的。在交替過程中必須存在上下橋臂同時關(guān)閉的狀態(tài)，確保在上/下橋臂導(dǎo)通前，對應(yīng)的互補下/上橋臂可靠關(guān)斷，這段上下兩個橋臂同時關(guān)斷的時間稱為死區(qū)時間。針對目前市場上IGBT的調(diào)研發(fā)現(xiàn)，逆變器死區(qū)時間一般為3～7μs[6]。在電機工作在一定轉(zhuǎn)速以上時，由于基波電壓足夠大，死區(qū)效應(yīng)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(yīng)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(zhuǎn)矩脈動等。圖1所示為死區(qū)時間產(chǎn)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(yīng)由圖1所示，可以發(fā)現(xiàn)誤差電壓具有以下特征[7]：

1) 在每個開關(guān)周期內(nèi)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(nèi)總的誤差電壓引起的電壓波形的畸變就比較嚴(yán)重，下面就對半個周期內(nèi)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(shè)載波頻率非常高，不含電流在一個載波周期內(nèi)過零的情況，則半個周期內(nèi)誤差電壓脈沖序列的平均值為：

(1)式中 根據(jù)傅里葉級數(shù)展開式：

(2)由于波形關(guān)于坐標(biāo)原點對稱，是奇函數(shù)，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(jié)果進行歸一化：

(6)定義電壓調(diào)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(shù)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(shù)角的變化曲線圖，可以看出功率因數(shù)角越高，死區(qū)時間對輸出電壓的影響越小。當(dāng)死區(qū)時間比較短時，功率因數(shù)角的改變對輸出電壓的影響不大，當(dāng)Td=7μs時，增大功率因數(shù)角可以減小電壓波形的畸變，但是增大功率因數(shù)角會減小功率因數(shù)，影響電機的效率，在功率因數(shù)角的設(shè)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(diào)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(dāng)電壓調(diào)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(dāng)電壓調(diào)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(dāng)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(diào)制比的影響，當(dāng)電壓調(diào)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(zhuǎn)矩脈動的因素之一。從另一方面來看，提高電壓調(diào)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(zhuǎn)速傳感器檢測電機的運行狀態(tài)，當(dāng)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(diào)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(diào)節(jié)電池的輸出電壓，將電壓調(diào)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(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計

2.1硬件設(shè)計與實現(xiàn)

2.1.1 電壓傳感器、電流傳感器、轉(zhuǎn)矩儀的選型及特性分析驅(qū)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(yīng)時間也應(yīng)優(yōu)先考慮。試驗臺上驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩的測量需要轉(zhuǎn)矩儀有很好的輸出信號的穩(wěn)定性和重復(fù)性。結(jié)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(yīng)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(zhuǎn)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(zhuǎn)矩儀的特性傳感器型號 量程 精度 動態(tài)響應(yīng)時間CV 3-500LF 505-SF1i S轉(zhuǎn)矩儀 ±1500V±800A±2500Nm25000rpm 0.6%0.6%0.1%0.1% 0.4μs1μs0.1μs0.1μs

2.1.4 數(shù)據(jù)采集卡

本論文的研究對數(shù)據(jù)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(guān)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(shù)據(jù)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(chǎn)的PCI-9846H高端數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(zhuǎn)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(nèi)存，作為數(shù)據(jù)暫存空間，可以延長連續(xù)采集的時間，其數(shù)據(jù)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(xiàn)場和恢復(fù)現(xiàn)場的過程，通過硬件為RAM與I/O設(shè)備開辟一條直接傳送數(shù)據(jù)的通路，使CPU的效率大為提高，提高了數(shù)據(jù)采集的實時性和動態(tài)響應(yīng)特性，該數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)采集卡特性通道數(shù) 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(zhuǎn)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(nèi)存 512兆數(shù)據(jù)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(yīng)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(diào)理電路

從傳感器得到的信號大多要經(jīng)過調(diào)理才能進入數(shù)據(jù)采集設(shè)備，信號調(diào)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(jù)具體傳感器的特性和要求來設(shè)計特殊的信號調(diào)理功能。

本系統(tǒng)所用的信號調(diào)理板主要實現(xiàn)兩方面的功能：

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

(2)對信號進行轉(zhuǎn)換。對于模擬信號，PCI-9846H數(shù)據(jù)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(diào)理板對傳感器輸出的信號進行轉(zhuǎn)換。由以上硬件的選擇確定本系統(tǒng)的硬件拓撲結(jié)構(gòu)如圖7所示，圖8所示為試驗現(xiàn)場布線圖。

圖7 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件圖

圖8 試驗現(xiàn)場布線圖

2.2基于LABVIEW的系統(tǒng)軟件設(shè)計

LABVIEW集數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)采集系統(tǒng)上位機軟件的編制，完成數(shù)據(jù)采集的任務(wù)：

(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(biāo)定;

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

圖9 PCI-9846H驅(qū)動

圖10 PCI-9846緩存設(shè)置

圖11 PCI-9846H通道設(shè)置根據(jù)

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(guān)LABVIEW操作界面的設(shè)計，在程序的設(shè)計過程中，采用了生產(chǎn)/消費者模式，通過隊列的操作使數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)的保存與顯示容易造成死機的問題出現(xiàn)。

圖13 登陸界面

圖14 試驗信息登記

圖15轉(zhuǎn)矩/轉(zhuǎn)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(biāo)定的方法對其進行標(biāo)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(zhuǎn)矩/轉(zhuǎn)速測量時，雖然轉(zhuǎn)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(yīng)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩/轉(zhuǎn)速采集的同步性。2.3試驗結(jié)果分析本文利用基于PCI-9846H的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(zhuǎn)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(zhuǎn)矩輸出波形

試驗結(jié)果表明基于PCI-9846H的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)的分析表明本文所提出的根據(jù)電機的工作狀態(tài)調(diào)節(jié)直流母線電壓保持電壓調(diào)制比在較高的范圍內(nèi)的方法能夠很好的改善電流與轉(zhuǎn)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。