基于PCI-9846H的死區(qū)時(shí)間引起的電壓波形畸變的研究

電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是電動(dòng)汽車的核心部分[1-2]。按所使用電機(jī)的類型可以分為直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)[3]，而交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，感應(yīng)電機(jī)容易被接受，使用較廣泛，永磁同步電機(jī)由于其本身的高能量密度與高效率，具有比較大的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用范圍日益增多。

為了滿足整車動(dòng)力性能要求，電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)要有較高的動(dòng)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(dòng)態(tài)模型的磁場(chǎng)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(diǎn)是：摒棄了矢量控制中的解耦思想，直接控制電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)中不易確定的參數(shù)(轉(zhuǎn)子電阻等)識(shí)別。目前國內(nèi)外的永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型只是基于中線不接出三相對(duì)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(duì)電機(jī)的影響，因此基于該電機(jī)模型建立的控制策略在電機(jī)的低速脈動(dòng)、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(jī)的低速轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的問題，本文建立了引入逆變器死區(qū)時(shí)間的電機(jī)模型，通過對(duì)死區(qū)時(shí)間的產(chǎn)生和作用機(jī)理進(jìn)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(duì)仿真結(jié)果提出一種減小死區(qū)時(shí)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(jī)及其控制器、測(cè)功機(jī)等設(shè)備完成車用電機(jī)試驗(yàn)平臺(tái)的搭建，上位機(jī)通過LABVIEW編寫數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通過對(duì)電壓、電流、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速信息的采集與分析，對(duì)本文提出的減小死區(qū)時(shí)間對(duì)輸出電壓波形畸變的方法進(jìn)行了驗(yàn)證。

1.逆變器死區(qū)時(shí)間的研究

1.1逆變器死區(qū)時(shí)間產(chǎn)生機(jī)理

對(duì)于永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)而言，在IGBT正常工作時(shí)，上下橋臂是交替互補(bǔ)導(dǎo)通的。在交替過程中必須存在上下橋臂同時(shí)關(guān)閉的狀態(tài)，確保在上/下橋臂導(dǎo)通前，對(duì)應(yīng)的互補(bǔ)下/上橋臂可靠關(guān)斷，這段上下兩個(gè)橋臂同時(shí)關(guān)斷的時(shí)間稱為死區(qū)時(shí)間。針對(duì)目前市場(chǎng)上IGBT的調(diào)研發(fā)現(xiàn)，逆變器死區(qū)時(shí)間一般為3～7μs[6]。在電機(jī)工作在一定轉(zhuǎn)速以上時(shí)，由于基波電壓足夠大，死區(qū)效應(yīng)對(duì)基波電壓影響較小，所以不為人們所重視;但電機(jī)工作在低速時(shí)，基波電壓很小，死區(qū)效應(yīng)對(duì)基波電壓影響相對(duì)較大，死區(qū)時(shí)間越長(zhǎng)，逆變器輸出電壓的損耗越大，電壓波形的畸變程度也會(huì)變大，除此之外死區(qū)時(shí)間還會(huì)影響輸出電壓的相位，使PWM波形不再對(duì)稱于中心，造成電機(jī)損耗增加，效率降低，輸出轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)等。圖1所示為死區(qū)時(shí)間產(chǎn)生的機(jī)理以及對(duì)輸出電壓的影響，其中V為理想的PWM電壓輸出波形，Ua-為負(fù)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(gè)開關(guān)周期內(nèi)均存在一個(gè)誤差電壓脈沖;

2) 每個(gè)誤差電壓脈沖的幅值均為Ud;

3) 每個(gè)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(gè)誤差電壓脈沖不會(huì)引起輸出電壓太大的變化，但是一個(gè)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(duì)半個(gè)周期內(nèi)誤差電壓對(duì)輸出電壓波形的影響進(jìn)行分析。

1.2死區(qū)時(shí)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(gè)載波周期內(nèi)過零的情況，則半個(gè)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(jí)數(shù)展開式：

(2)由于波形關(guān)于坐標(biāo)原點(diǎn)對(duì)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(shí)間不僅影響輸出電壓的幅值，還會(huì)影響輸出電壓的相位，如圖2所示：

圖2 死區(qū)時(shí)間對(duì)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(shí)間對(duì)輸出電壓的影響，本文對(duì)上述結(jié)果進(jìn)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(shí)際輸出電壓。

圖3 功率因數(shù)角對(duì)輸出電壓的影響

所示為fc=4kHz，M=0.8時(shí)，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(shí)間對(duì)輸出電壓的影響越小。當(dāng)死區(qū)時(shí)間比較短時(shí)，功率因數(shù)角的改變對(duì)輸出電壓的影響不大，當(dāng)Td=7μs時(shí)，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(huì)減小功率因數(shù)，影響電機(jī)的效率，在功率因數(shù)角的設(shè)計(jì)中需要綜合考慮這兩方面。

圖4 三維圖

圖4所示為實(shí)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(shí)間以及載波頻率變化的曲線圖，本文將公式(6)中死區(qū)時(shí)間Td和載波頻率fc的乘積作為一個(gè)影響因子，其范圍為0～0.08。當(dāng)電壓調(diào)制比較高時(shí)，死區(qū)時(shí)間和載波頻率對(duì)輸出電壓的影響不明顯，但是當(dāng)電壓調(diào)制比較低時(shí)，死區(qū)時(shí)間對(duì)輸出電壓影響就會(huì)非常明顯。

1.3死區(qū)時(shí)間對(duì)輸出電壓波形影響的解決方法

圖5 改進(jìn)的控制框圖

由以上分析可知，當(dāng)載波頻率一定時(shí)，死區(qū)時(shí)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(shí)，死區(qū)時(shí)間對(duì)輸出電壓波形畸變會(huì)相對(duì)增大，這也正是引起電動(dòng)汽車在低速轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)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(jìn)的控制框圖，通過轉(zhuǎn)速傳感器檢測(cè)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)電機(jī)低速運(yùn)行時(shí)，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(shí)間對(duì)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(gè)較高的范圍，從而減少死區(qū)時(shí)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(jì)

2.1硬件設(shè)計(jì)與實(shí)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(dòng)電機(jī)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(hào)和輸出信號(hào)完全隔離，同時(shí)，傳感器的響應(yīng)時(shí)間也應(yīng)優(yōu)先考慮。試驗(yàn)臺(tái)上驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩的測(cè)量需要轉(zhuǎn)矩儀有很好的輸出信號(hào)的穩(wěn)定性和重復(fù)性。結(jié)合電機(jī)試驗(yàn)的要求，本文從傳感器的量程、精度以及動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)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(hào) 量程 精度 動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)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(duì)數(shù)據(jù)采集卡提出了很高的要求，由上文可知，死區(qū)時(shí)間一般為3～7μS，實(shí)際中IGBT的開關(guān)過程有延時(shí)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(shí)間分別為0.3μs和0.6μS，為了能夠真實(shí)的捕捉死區(qū)時(shí)間引起的電壓波形畸變，工程中用到的采樣率通常為信號(hào)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(dá)到10MS/s。

試驗(yàn)平臺(tái)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(dá)16MS/s的多功能數(shù)據(jù)采集卡，該采集卡具有4個(gè)同步單端模擬輸入和16位的高分辨率A/D轉(zhuǎn)換器，同時(shí)PCI-9846H在總諧波失真(THD)、信噪比SNR、無雜散動(dòng)態(tài)范圍(SFDR)等方面性能能夠滿足本文對(duì)試驗(yàn)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(zhǎng)連續(xù)采集的時(shí)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(chǎng)和恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)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(shí)時(shí)性和動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，該數(shù)據(jù)采集卡能夠滿足本文對(duì)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(dòng)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(hào)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(duì)頻譜分析的要求，此外板卡的系統(tǒng)噪聲在±1V時(shí)僅為5.0LSBRMS，其在±1V時(shí)的頻譜特性如圖6所示。

圖6 ±1V時(shí)的FFT

2.1.5 信號(hào)調(diào)理電路

從傳感器得到的信號(hào)大多要經(jīng)過調(diào)理才能進(jìn)入數(shù)據(jù)采集設(shè)備，信號(hào)調(diào)理功能包括放大、隔離、濾波、激勵(lì)、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(jì)特殊的信號(hào)調(diào)理功能。

本系統(tǒng)所用的信號(hào)調(diào)理板主要實(shí)現(xiàn)兩方面的功能：

(1)實(shí)現(xiàn)傳感器信號(hào)的低通濾波。信號(hào)進(jìn)入計(jì)算機(jī)前必須要經(jīng)過低通濾波，本文由信號(hào)調(diào)理板采用RC低通濾波器來實(shí)現(xiàn)。

(2)對(duì)信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。對(duì)于模擬信號(hào)，PCI-9846H數(shù)據(jù)采集卡只能接收-5V~+5V的電壓信號(hào)，而霍爾電壓傳感器輸出的信號(hào)為(0~10)V的電壓信號(hào)，霍爾電流傳感器輸出的信號(hào)為(0~100)mA的電流信號(hào)，所以必須加入信號(hào)調(diào)理板對(duì)傳感器輸出的信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。由以上硬件的選擇確定本系統(tǒng)的硬件拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖7所示，圖8所示為試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)布線圖。

圖7 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件圖

圖8 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)布線圖

2.2基于LABVIEW的系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

LABVIEW集數(shù)據(jù)采集、儀器控制、工業(yè)自動(dòng)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(tái)[9]。本文用LABVIEW進(jìn)行數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)上位機(jī)軟件的編制，完成數(shù)據(jù)采集的任務(wù)：

(1) 對(duì)試驗(yàn)環(huán)境和測(cè)試電機(jī)的信息進(jìn)行登記;

(2) 測(cè)試項(xiàng)目的選擇以及試驗(yàn)前的標(biāo)定;

(3) 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，存儲(chǔ)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(dòng)，圖9所示為安裝好了板卡驅(qū)動(dòng)之后，在設(shè)備管理器會(huì)看到相應(yīng)硬件設(shè)備的增加。與此同時(shí)，為了能夠應(yīng)用LABVIEW進(jìn)行上位機(jī)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(dòng)程序。除此之外，在LABVIEW中使用該板卡進(jìn)行數(shù)據(jù)采集之前必須通過DAQMASTER為該塊板卡進(jìn)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(duì)PCI-9846H進(jìn)行相關(guān)的初始化工作。

圖9 PCI-9846H驅(qū)動(dòng)

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(jìn)行測(cè)試對(duì)象的特點(diǎn)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(jìn)行的相關(guān)LABVIEW操作界面的設(shè)計(jì)，在程序的設(shè)計(jì)過程中，采用了生產(chǎn)/消費(fèi)者模式，通過隊(duì)列的操作使數(shù)據(jù)的采集與分析在不同的循環(huán)中運(yùn)行，從而避免了高速采集的同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)的保存與顯示容易造成死機(jī)的問題出現(xiàn)。

圖13 登陸界面

圖14 試驗(yàn)信息登記

圖15轉(zhuǎn)矩/轉(zhuǎn)速測(cè)量界面在試驗(yàn)中，對(duì)于電量和非電量信號(hào)采集之前都選擇靜態(tài)標(biāo)定的方法對(duì)其進(jìn)行標(biāo)定，其中對(duì)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(gè)通道進(jìn)行同步采集。在轉(zhuǎn)矩/轉(zhuǎn)速測(cè)量時(shí)，雖然轉(zhuǎn)矩儀輸出的是頻率信號(hào)，但是本文按照模擬量對(duì)其進(jìn)行采集，通過在程序中對(duì)輸入信號(hào)的處理計(jì)算出信號(hào)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(shí)利用板載同步時(shí)鐘保證轉(zhuǎn)矩/轉(zhuǎn)速采集的同步性。2.3試驗(yàn)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(duì)電機(jī)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(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)波形，圖17和圖18分別顯示了改進(jìn)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(jìn)前后電流輸出波形

圖18改進(jìn)前后轉(zhuǎn)矩輸出波形

試驗(yàn)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(duì)死區(qū)時(shí)間引起的電壓波形畸變信號(hào)捕捉的要求，對(duì)采集數(shù)據(jù)的分析表明本文所提出的根據(jù)電機(jī)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(jī)低速工況時(shí)效果尤為明顯，進(jìn)而能夠減少死區(qū)時(shí)間對(duì)電機(jī)在低速工況時(shí)性能的影響。