基于PCI-9846H的死区时间引起的电压波形畸变的研究

2014-08-28 12:45:03来源: eefocus

引言

电机驱动系统是电动汽车的核心部分[1-2].按所使用电机的类型可以分为直流电机驱动系统和交流电机驱动系统[3],而交流电机驱动系统中,感应电机容易被接受,使用较广泛,永磁同步电机由于其本身的高能量密度与高效率,具有比较大的竞争优势,应用范围日益增多。

为了满足整车动力性能要求,电机驱动系统要有较高的动态性能,目前比较成功的控制策略包括:基于稳态模型的变频变压控制(VVVF)、基于动态模型的磁场定向控制(FOC)以及直接转矩控制(Direct Torque Control——DTC)。其中直接转矩控制是在矢量控制基础之上发展起来的,其主要优点是:摒弃了矢量控制中的解耦思想,直接控制电动机的磁链和转矩,并利用定子磁链定向代替了矢量控制中的转子磁链定向,避开了电动机中不易确定的参数(转子电阻等)识别。目前国内外的永磁同步电机的数学模型只是基于中线不接出三相对称绕组条件下,引入转子磁链、定子漏抗、及各绕组的互感而建立的,忽略了轴承及其他杂散损耗以及PWM波等因素对电机的影响,因此基于该电机模型建立的控制策略在电机的低速脉动、高速弱磁、稳定性和输出转矩一致性等方面还存在诸多问题[5].为了能更好的解决直接转矩控制下电机的低速转矩脉动的问题,本文建立了引入逆变器死区时间的电机模型,通过对死区时间的产生和作用机理进行分析,得出引起输出电压波形畸变以及相位变化的关键影响因子,针对仿真结果提出一种减小死区时间引起电压波形畸变的方法,通过应用PCI-9846H、电流传感器、电压传感器、转矩仪、电机及其控制器、测功机等设备完成车用电机试验平台的搭建,上位机通过LABVIEW编写数据采集系统,通过对电压、电流、转矩、转速信息的采集与分析,对本文提出的减小死区时间对输出电压波形畸变的方法进行了验证。

1.逆变器死区时间的研究

1.1逆变器死区时间产生机理

对于永磁同步电机驱动而言,在IGBT正常工作时,上下桥臂是交替互补导通的。在交替过程中必须存在上下桥臂同时关闭的状态,确保在上/下桥臂导通前,对应的互补下/上桥臂可靠关断,这段上下两个桥臂同时关断的时间称为死区时间。针对目前市场上IGBT的调研发现,逆变器死区时间一般为3~7μs[6].在电机工作在一定转速以上时,由于基波电压足够大,死区效应对基波电压影响较小,所以不为人们所重视;但电机工作在低速时,基波电压很小,死区效应对基波电压影响相对较大,死区时间越长,逆变器输出电压的损耗越大,电压波形的畸变程度也会变大,除此之外死区时间还会影响输出电压的相位,使PWM波形不再对称于中心,造成电机损耗增加,效率降低,输出转矩脉动等。图1所示为死区时间产生的机理以及对输出电压的影响,其中V为理想的PWM电压输出波形,Ua-为负母线电压,Ua+为正母线电压,v为误差电压,Ia为输出电流。



图1死区效应

由图1所示,可以发现误差电压具有以下特征[7]:1)在每个开关周期内均存在一个误差电压脉冲;2)每个误差电压脉冲的幅值均为Ud;3)每个误差电压脉冲的宽度均为Td;4)误差电压脉冲的极性与电流极性相反;尽管一个误差电压脉冲不会引起输出电压太大的变化,但是一个周期内总的误差电压引起的电压波形的畸变就比较严重,下面就对半个周期内误差电压对输出电压波形的影响进行分析。

1.2死区时间引起输出电压波形畸变的分析

利用平均电压的概念[8],假设载波频率非常高,不含电流在一个载波周期内过零的情况,则半个周期内误差电压脉冲序列的平均值为:

(1)

式中根据傅里叶级数展开式:

(2)

由于波形关于坐标原点对称,是奇函数,所以式中a0,an都为0.其中

,于是误差电压的傅里叶展开式为:

(3)

基波误差电压为:

(4)

死区时间不仅影响输出电压的幅值,还会影响输出电压的相位,如图2所示:



图2死区时间对输出电压相位的影响

其中,:平均误差电压,:实际输出电流,:理想输出电压,:实际输出电压,φ:实际功率因数角,φ\':理想功率因数角由三角形的余弦定理可得:

(5)

解得:



为了更直观的分析死区时间对输出电压的影响,本文对上述结果进行归一化:(6)

定义电压调制深度M为输出电压峰-峰值和直流母线电压Ud之比,则M=,Ua为理想输出电压,Ua\'为实际输出电压。



图3功率因数角对输出电压的影响

 


图3所示为fc=4kHz,M=0.8时,输出电压随着不同的功率因数角的变化曲线图,可以看出功率因数角越高,死区时间对输出电压的影响越小。当死区时间比较短时,功率因数角的改变对输出电压的影响不大,当Td=7μs时,增大功率因数角可以减小电压波形的畸变,但是增大功率因数角会减小功率因数,影响电机的效率,在功率因数角的设计中需要综合考虑这两方面。



图4三维图

图4所示为实际输出电压有效值占理想输出电压有效值的百分比随电压调制比、死区时间以及载波频率变化的曲线图,本文将公式(6)中死区时间Td和载波频率fc的乘积作为一个影响因子,其范围为0~0.08.当电压调制比较高时,死区时间和载波频率对输出电压的影响不明显,但是当电压调制比较低时,死区时间对输出电压影响就会非常明显。

1.3死区时间对输出电压波形影响的解决方法



图5改进的控制框图

由以上分析可知,当载波频率一定时,死区时间引起电压波形畸变的程度受电压调制比的影响,当电压调制比较低时,死区时间对输出电压波形畸变会相对增大,这也正是引起电动汽车在低速转矩脉动的因素之一。从另一方面来看,提高电压调制比可以在一定程度上抑制波形畸变,图5所示为改进的控制框图,通过转速传感器检测电机的运行状态,当电机低速运行时,减少电池输出的直流母线电压,从而提高电压调制比,来减小死区时间对输出电压的影响,通过上述控制调节电池的输出电压,将电压调制比控制在一个较高的范围,从而减少死区时间引起的电压波形的畸变。

2.基于PCI9846H的数据采集系统设计

2.1硬件设计与实现

2.1.1电压传感器、电流传感器、转矩仪的选型及特性分析

驱动电机系统的工作电压和电流范围比较大,从几十伏(安)到上千伏(安),这就要求电压和电流传感器不仅要有良好的绝缘性,还要将输入信号和输出信号完全隔离,同时,传感器的响应时间也应优先考虑。试验台上驱动电机转速与转矩的测量需要转矩仪有很好的输出信号的稳定性和重复性。结合电机试验的要求,本文从传感器的量程、精度以及动态响应时间方面考虑,分别选择电压传感器CV 3-500,电流传感器LF 505-S,转矩仪F1i S,其特性如表1所示。

 

表1 电压传感器、电流传感器、转矩仪的特性

 

2.1.4 数据采集卡

本论文的研究对数据采集卡提出了很高的要求,由上文可知,死区时间一般为3~7μs,实际中IGBT的开关过程有延时和滞后,以东芝公司的MG25N2S1型25A/1000V IGBT模块为例,其电压上升和下降时间分别为0.3μs和0.6μs,为了能够真实的捕捉死区时间引起的电压波形畸变,工程中用到的采样率通常为信号中最高频率的6-8倍,这就要求数据采集卡的采样率至少要达到10MS/s。

试验平台采用凌华公司生产的PCI-9846H高端数据采集卡,这是一款4通道同步并行采集,每通道采样率高达16MS/s的多功能数据采集卡,该采集卡具有4个同步单端模拟输入和16位的高分辨率A/D转换器,同时PCI-9846H在总谐波失真(THD)、信噪比SNR、无杂散动态范围(SFDR)等方面性能能够满足本文对试验精度的要求。此外,板载512M Byte内存,作为数据暂存空间,可以延长连续采集的时间,其数据传输方式采用DMA的方式,无需CPU直接控制传输,也没有中断处理方式那样保留现场和恢复现场的过程,通过硬件为RAM与I/O设备开辟一条直接传送数据的通路,使CPU的效率大为提高,提高了数据采集的实时性和动态响应特性,该数据采集卡能够满足本文对采样率和精度的研究要求,其主要特性如表2所示。

 

表2 PCI-9846H数据采集卡特性



本文所研究的信号的频率较高,因此需要板卡有足够的带宽满足相应的研究要求。PCI-9846H-3dB-3dB带宽为20MHz,能够满足本文对频谱分析的要求,此外板卡的系统噪声在±1V时仅为5.0LSBRMS,其在±1V时的频谱特性如图6所示。


            图6 ±1V时的FFT

2.1.5 信号调理电路

从传感器得到的信号大多要经过调理才能进入数据采集设备,信号调理功能包括放大、隔离、滤波、激励、线性化等。由于不同传感器有不同的特性,因此,除了这些通用功能,还要根据具体传感器的特性和要求来设计特殊的信号调理功能。

[1] [2]

关键字:PCI-9846H  死区时间  波形畸变  逆变器  数据采集

编辑:什么鱼 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/Test_and_measurement/2014/0828/article_9391.html
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