基于PCI-9846H死區(qū)時(shí)間引起的電壓波形畸變

　挑戰(zhàn)

　　目前國(guó)內(nèi)外基于電機(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(wèn)題。為了能更好的解決電機(jī)的低速轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的問(wèn)題，本文建立了引入逆變器死區(qū)時(shí)間的電機(jī)模型，逆變器死區(qū)時(shí)間很短并且IGBT的開(kāi)關(guān)過(guò)程還存在延時(shí)和滯后的問(wèn)題，為了能夠準(zhǔn)確的捕捉死區(qū)時(shí)間引起的電壓波形畸變，要求數(shù)據(jù)采集卡有很高的采樣率，除此之外，為了使研究結(jié)果更加精確，需要板卡具有較高的信噪比以及有效位。綜上所述，在死區(qū)時(shí)間引起的電壓波形畸變的研究中，需要一塊高采樣率、高精度以及高信噪比的板卡以滿足對(duì)信號(hào)捕捉的要求。

　　解決方案

　　首先對(duì)死區(qū)效應(yīng)進(jìn)行分析，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(guò)應(yīng)用具有16位高分辨率A/D轉(zhuǎn)換器并且同步采樣采樣率高達(dá)16MS/s的數(shù)據(jù)采集卡PCI-9846H配合電流傳感器、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，通過(guò)凌華公司提供的LABVIEW相關(guān)驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行上位機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)，通過(guò)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，試驗(yàn)結(jié)果基于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，同時(shí)本文提出的改進(jìn)方法，能夠很好的改善電壓的輸出波形，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

　　引言

　　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(lái)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(kāi)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(guó)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(wèn)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(wèn)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(guò)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(guò)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(guò)LABVIEW編寫(xiě)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通過(guò)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(guò)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(kāi)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(guò)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：

　　圖3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。

　　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(lái)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(guò)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(lái)減小死區(qū)時(shí)間對(duì)輸出電壓的影響，通過(guò)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。

　　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(kāi)關(guān)過(guò)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(wú)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(wú)需CPU直接控制傳輸，也沒(méi)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(guò)程，通過(guò)硬件為RAM與I/O設(shè)備開(kāi)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。

　　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。

　　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(guò)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(lái)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(guò)低通濾波，本文由信號(hào)調(diào)理板采用RC低通濾波器來(lái)實(shí)現(xiàn)。

　?。?）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。

　　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(kāi)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)：

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

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

　?。?） 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(kāi)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(guò)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。

　　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(guò)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。

　　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。

作者信息：

呂晨光，宋強(qiáng)，靳建波（北京理工大學(xué)，機(jī)械與車輛學(xué)院，北京，100081）

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