基于PCI-9846H的死區(qū)時(shí)間引起的電壓波形畸變的研究

　挑戰(zhàn)

　　目前國內(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題。為了能更好的解決電機(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，逆變器死區(qū)時(shí)間很短并且IGBT的開關(guān)過程還存在延時(shí)和滯后的問題，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)的開發(fā)設(shè)計(jì)，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，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：