基于PCI-9846H的死区时间引起的电压波形畸变的研究

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：

　　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。

　　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。

　　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。

　　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。

　　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。

　　本系统所用的信号调理板主要实现两方面的功能：

　　（1）实现传感器信号的低通滤波。信号进入计算机前必须要经过低通滤波，本文由信号调理板采用RC低通滤波器来实现。

（2）对信号进行转换。对于模拟信号，PCI-9846H数据采集卡只能接收-5V~+5V的电压信号，而霍尔电压传感器输出的信号为（0~10）V的电压信号，霍尔电流传感器输出的信号为（0~1