基於PCI-9846H的死區時間引起的電壓波形畸變的研究

電機驅動系統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和交流電機驅動系統[3]，而交流電機驅動系統中，感應電機容易被接受，使用較廣泛，永磁同步電機由於其本身的高能量密度與高效率，具有比較大的競爭優勢，應用範圍日益增多。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201610/306841.htm

為了滿足整車動力性能要求，電機驅動系統要有較高的動態性能，目前比較成功的控制策略包括：基於穩態模型的變頻變壓控制(VVVF)、基於動態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展起來的，其主要優點是：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，並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於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，因此基於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時間的電機模型，通過對死區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編寫數據採集系統，通過對電壓、電流、轉矩、轉速信息的採集與分析，對本文提出的減小死區時間對輸出電壓波形畸變的方法進行了驗證。

1.逆變器死區時間的研究

1.1逆變器死區時間產生機理

對於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，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時間。針對目前市場上IGBT的調研發現，逆變器死區時間一般為3～7μs[6]。在電機工作在一定轉速以上時，由於基波電壓足夠大，死區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，死區效應對基波電壓影響相對較大，死區時間越長，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，除此之外死區時間還會影響輸出電壓的相位，使PWM波形不再對稱於中心，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 死區效應由圖1所示，可以發現誤差電壓具有以下特徵[7]：

1) 在每個開關周期內均存在一個誤差電壓脈衝;

2) 每個誤差電壓脈衝的幅值均為Ud;

3) 每個誤差電壓脈衝的寬度均為Td;

4) 誤差電壓脈衝的極性與電流極性相反;

儘管一個誤差電壓脈衝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衝序列的平均值為：

(1)式中 根據傅立葉級數展開式：

(2)由于波形關於坐標原點對稱，是奇函數，所以式中a0,an都為0。其中，

於是誤差電壓的傅立葉展開式為：

(3)基波誤差電壓為：

(4)死區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 死區時間對輸出電壓相位的影響

由三角形的餘弦定理可得

(5)解得：

為了更直觀的分析死區時間對輸出電壓的影響，本文對上述結果進行歸一化：

(6)定義電壓調製深度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，死區時間對輸出電壓的影響越小。當死區時間比較短時，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佔理想輸出電壓有效值的百分比隨電壓調製比、死區時間以及載波頻率變化的曲線圖，本文將公式(6)中死區時間Td和載波頻率fc的乘積作為一個影響因子，其範圍為0～0.08。當電壓調製比較高時，死區時間和載波頻率對輸出電壓的影響不明顯，但是當電壓調製比較低時，死區時間對輸出電壓影響就會非常明顯。

1.3死區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，死區時間引起電壓波形畸變的程度受電壓調製比的影響，當電壓調製比較低時，死區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，提高電壓調製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，當電機低速運行時，減少電池輸出的直流母線電壓，從而提高電壓調製比，來減小死區時間對輸出電壓的影響，通過上述控制調節電池的輸出電壓，將電壓調製比控制在一個較高的範圍，從而減少死區時間引起的電壓波形的畸變。

2.基於PCI9846H的數據採集系統設計

2.1硬體設計與實現

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的工作電壓和電流範圍比較大，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定性和重複性。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 數據採集卡

本論文的研究對數據採集卡提出了很高的要求，由上文可知，死區時間一般為3～7μS，實際中IGBT的開關過程有延時和滯後，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時間引起的電壓波形畸變，工程中用到的採樣率通常為信號中最高頻率的6-8倍，這就要求數據採集卡的採樣率至少要達到10MS/s。

試驗平臺採用凌華公司生產的PCI-9846H高端數據採集卡，這是一款4通道同步並行採集，每通道採樣率高達16MS/s的多功能數據採集卡，該採集卡具有4個同步單端模擬輸入和16位的高解析度A/D轉換器，同時PCI-9846H在總諧波失真(THD)、信噪比SNR、無雜散動態範圍(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，可以延長連續採集的時間，其數據傳輸方式採用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，通過硬體為RAM與I/O設備開闢一條直接傳送數據的通路，使CPU的效率大為提高，提高了數據採集的實時性和動態響應特性，該數據採集卡能夠滿足本文對採樣率和精度的研究要求，其主要特性如表2所示。

表2 PCI-9846H數據採集卡特性通道數 4通道輸入方式 BNC採樣率 同步採樣16MS/s輸入電壓範圍 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位無雜散動態範圍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採集設備，信號調理功能包括放大、隔離、濾波、激勵、線性化等。由於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，本文由信號調理板採用RC低通濾波器來實現。

(2)對信號進行轉換。對於模擬信號，PCI-9846H數據採集卡只能接收-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。由以上硬體的選擇確定本系統的硬體拓撲結構如圖7所示，圖8所示為試驗現場布線圖。

圖7 數據採集系統硬體圖

圖8 試驗現場布線圖

2.2基於LABVIEW的系統軟體設計

LABVIEW集數據採集、儀器控制、工業自動化等眾多功能於一身，為圖形化虛擬儀器的開發提供了最佳的平臺[9]。本文用LABVIEW進行數據採集系統上位機軟體的編制，完成數據採集的任務：

(1) 對試驗環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後，在設備管理器會看到相應硬體設備的增加。與此同時，為了能夠應用LABVIEW進行上位機數據採集系統的開發，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採集之前必須通過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，採用了生產/消費者模式，通過隊列的操作使數據的採集與分析在不同的循環中運行，從而避免了高速採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，對於電量和非電量信號採集之前都選擇靜態標定的方法對其進行標定，其中對於控制器輸入電壓/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採集。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採集，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行效率同時利用板載同步時鐘保證轉矩/轉速採集的同步性。2.3試驗結果分析本文利用基於PCI-9846H的數據採集系統完成了對電機電量與非電量的採集，圖16所示為直流母線電壓電流與交流電壓電流動態數據波形，圖17和圖18分別顯示了改進前後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 改進前後電流輸出波形

圖18改進前後轉矩輸出波形

試驗結果表明基於PCI-9846H的數據採集系統具有高採樣率和高採樣精度，能夠滿足本文對死區時間引起的電壓波形畸變信號捕捉的要求，對採集數據的分析表明本文所提出的根據電機的工作狀態調節直流母線電壓保持電壓調製比在較高的範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，進而能夠減少死區時間對電機在低速工況時性能的影響。