电机驱动体系是电动汽车的中心部分[1-2]。按所运用电机的类型可以分为直流电机驱动体系和沟通电机驱动体系[3]，而沟通电机驱动体系中，感应电机简单被承受，运用较广泛，永磁同步电机因为其自身的高能量密度与高功率，具有比较大的竞赛优势，运用规模日益增多。
为了满意整车动力功用要求，电机驱动体系要有较高的动态功用，现在比较成功的操控战略包含：依据稳态模型的变频变压操控(VVVF)、依据动态模型的磁场定向操控(FOC)以及直接转矩操控(Direct Torque Control–DTC)。其间直接转矩操控是在矢量操控根底之上发展起来的，其首要长处是：摒弃了矢量操控中的解耦思维，直接操控电动机的磁链和转矩，并运用定子磁链定向替代了矢量操控中的转子磁链定向，避开了电动机中不易确认的参数(转子电阻等)辨认。现在国内外的永磁同步电机的数学模型仅仅依据中线不接出三相对称绕组条件下，引进转子磁链、定子漏抗、及各绕组的互感而树立的，疏忽了轴承及其他杂散损耗以及PWM波等要素对电机的影响，因而依据该电机模型树立的操控战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许多问题[5]。为了能更好的处理直接转矩操控下电机的低速转矩脉动的问题，本文树立了引进逆变器死区时刻的电机模型，经过对死区时刻的发生和作用机理进行剖析，得出引起输出电压波形畸变以及相位改动的要害影响因子，针对仿真成果提出一种减小死区时刻引起电压波形畸变的办法，经过运用PCI-9846H、电流传感器、电压传感器、转矩仪、电机及其操控器、测功机等设备完结车用电机实验渠道的建立，上位机经过LABVIEW编写数据收集体系，经过对电压、电流、转矩、转速信息的收集与剖析，对本文提出的减小死区时刻对输出电压波形畸变的办法进行了验证。
1.逆变器死区时刻的研讨
1.1逆变器死区时刻发生机理
关于永磁同步电机驱动而言，在IGBT正常作业时，上下桥臂是替换互补导通的。在替换进程中有必要存在上下桥臂一起封闭的状况，确保在上/下桥臂导通前，对应的互补下/上桥臂牢靠关断，这段上下两个桥臂一起关断的时刻称为死区时刻。针对现在市场上IGBT的调研发现，逆变器死区时刻一般为3～7μs[6]。在电机作业在必定转速以上时，因为基波电压满意大，死区效应对基波电压影响较小，所以不为人们所注重;但电机作业在低速时，基波电压很小，死区效应对基波电压影响相对较大，死区时刻越长，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，除此之外死区时刻还会影响输出电压的相位，使PWM波形不再对称于中心，形成电机损耗添加，功率下降，输出转矩脉动等。图1所示为死区时刻发生的机理以及对输出电压的影响，其间V为抱负的PWM电压输出波形，Ua-为负母线电压，Ua+为正母线电压，v为差错电压，Ia为输出电流。
图1 死区效应由图1所示，可以发现差错电压具有以下特征[7]：
1) 在每个开关周期内均存在一个差错电压脉冲;
2) 每个差错电压脉冲的幅值均为Ud;
3) 每个差错电压脉冲的宽度均为Td;
4) 差错电压脉冲的极性与电流极性相反;
尽管一个差错电压脉冲不会引起输出电压太大的改动，可是一个周期内总的差错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差错电压对输出电压波形的影响进行剖析。
1.2死区时刻引起输出电压波形畸变的剖析
运用均匀电压的概念[8]，假定载波频率十分高，不含电流在一个载波周期内过零的状况，则半个周期内差错电压脉冲序列的均匀值为：
(1)式中 依据傅里叶级数展开式：
(2)因为波形关于坐标原点对称，是奇函数，所以式中a0,an都为0。其间，
所以差错电压的傅里叶展开式为：
(3)基波差错电压为：
(4)死区时刻不只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 死区时刻对输出电压相位的影响
由三角形的余弦定理可得
(5)解得：
为了更直观的剖析死区时刻对输出电压的影响，本文对上述成果进行归一化：
(6)界说电压调制深度M为输出电压峰-峰值和直流母线电压Ud之比，则M=
，Ua为抱负输出电压，Ua’为实践输出电压。
图3 功率因数角对输出电压的影响
所示为fc=4kHz，M=0.8时，输出电压跟着不同的功率因数角的改动曲线图，可以看出功率因数角越高，死区时刻对输出电压的影响越小。当死区时刻比较短时，功率因数角的改动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，可是增大功率因数角会减小功率因数，影响电机的功率，在功率因数角的规划中需求归纳考虑这两方面。
图4 三维图
图4所示为实践输出电压有用值占抱负输出电压有用值的百分比随电压调制比、死区时刻以及载波频率改动的曲线图，本文将公式(6)中死区时刻Td和载波频率fc的乘积作为一个影响因子，其规模为0～0.08。当电压调制比较高时，死区时刻和载波频率对输出电压的影响不显着，可是当电压调制比较低时，死区时刻对输出电压影响就会十分显着。
1.3死区时刻对输出电压波形影响的处理办法
图5 改进的操控框图
由以上剖析可知，当载波频率必守时，死区时刻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，死区时刻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要素之一。从另一方面来看，进步电压调制比可以在必定程度上按捺波形畸变，图5所示为改进的操控框图，经过转速传感器检测电机的运转状况，当电机低速运转时，削减电池输出的直流母线电压，然后进步电压调制比，来减小死区时刻对输出电压的影响，经过上述操控调度电池的输出电压，将电压调制比操控在一个较高的规模，然后削减死区时刻引起的电压波形的畸变。
2.依据PCI9846H的数据收集体系规划
2.1硬件规划与完结
2.1.1 电压传感器、电流传感器、转矩仪的选型及特性剖析驱动电机体系的作业电压和电流规模比较大，从几十伏(安)到上千伏(安)，这就要求电压和电流传感器不只要有杰出的绝缘性，还要将输入信号和输出信号彻底阻隔，一起，传感器的呼应时刻也应优先考虑。实验台上驱动电机转速与转矩的丈量需求转矩仪有很好的输出信号的稳定性和重复性。结合电机实验的要求，本文从传感器的量程、精度以及动态呼应时刻方面考虑，别离挑选电压传感器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、转矩仪的特性传感器类型 量程 精度 动态呼应时刻CV 3-500LF 505-SF1i S转矩仪 ±1500V±800A±2500Nm25000rpm 0.6%0.6%0.1%0.1% 0.4μs1μs0.1μs0.1μs
2.1.4 数据收集卡
本论文的研讨对数据收集卡提出了很高的要求，由上文可知，死区时刻一般为3～7μS，实践中IGBT的开关进程有延时和滞后，以东芝公司的MG25N2S1型25A/1000V IGBT模块为例，其电压上升和下降时刻别离为0.3μs和0.6μS，为了可以实在的捕捉死区时刻引起的电压波形畸变，工程中用到的采样率一般为信号中最高频率的6-8倍，这就要求数据收集卡的采样率至少要到达10MS/s。
实验渠道选用凌华公司出产的PCI-9846H高端数据收集卡，这是一款4通道同步并行收集，每通道采样率高达16MS/s的多功用数据收集卡，该收集卡具有4个同步单端模仿输入和16位的高分辨率A/D转化器，一起PCI-9846H在总谐波失真(THD)、信噪比SNR、无杂散动态规模(SFDR)等方面功用可以满意本文对实验精度的要求。此外，板载512M Byte内存，作为数据暂存空间，可以延伸接连收集的时刻，其数据传输办法选用DMA的办法，无需CPU直接操控传输，也没有中止处理办法那样保存现场和康复现场的进程，经过硬件为RAM与I/O设备拓荒一条直接传送数据的通路，使CPU的功率大为进步，进步了数据收集的实时性和动态呼应特性，该数据收集卡可以满意本文对采样率和精度的研讨要求，其首要特性如表2所示。
表2 PCI-9846H数据收集卡特性通道数 4通道输入办法 BNC采样率 同步采样16MS/s输入电压规模 可选±0.2V、±1V或±5VA/D转化精度 16位总谐波失真THD ±1V ±0.2V-90.65dBc -95.78dBc信噪比SNR 76.17 dBc 71.98 dBc有用位 12.34位 11.16位无杂散动态规模SFDR 91.62 dBc 96.15 dBc输入阻抗 50欧或1兆欧板载内存 512兆数据传输办法 DMA本文所研讨的信号的频率较高，因而需求板卡有满意的带宽满意相应的研讨要求。PCI-9846H-3dB-3dB带宽为20MHz，可以满意本文对频谱剖析的要求，此外板卡的体系噪声在±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 信号调度电路
从传感器得到的信号大多要经过调度才干进入数据收集设备，信号调度功用包含扩大、阻隔、滤波、鼓励、线性化等。因为不同传感器有不同的特性，因而，除了这些通用功用，还要依据详细传感器的特性和要求来规划特别的信号调度功用。
本体系所用的信号调度板首要完结两方面的功用：
(1)完结传感器信号的低通滤波。信号进入核算机前有必要要经过低通滤波，本文由信号调度板选用RC低通滤波器来完结。
(2)对信号进行转化。关于模仿信号，PCI-9846H数据收集卡只能接纳-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(0~100)mA的电流信号，所以有必要参加信号调度板对传感器输出的信号进行转化。由以上硬件的挑选确认本体系的硬件拓扑结构如图7所示，图8所示为实验现场布线图。
图7 数据收集体系硬件图
图8 实验现场布线图
2.2依据LABVIEW的体系软件规划
LABVIEW集数据收集、仪器操控、工业自动化等很多功用于一身，为图形化虚拟仪器的开发供给了最佳的渠道[9]。本文用LABVIEW进行数据收集体系上位机软件的编制，完结数据收集的使命：
(1) 对实验环境和测验电机的信息进行挂号;
(2) 测验项目的挑选以及实验前的标定;
(3) 对数据进行核算，存储以及屏幕显现等。
在运用PCI-9846H板卡之前需求装置板卡驱动，图9所示为装置好了板卡驱动之后，在设备管理器会看到相应硬件设备的添加。与此一起，为了可以运用LABVIEW进行上位机数据收集体系的开发，需求装置DAQPilot中支撑LABVIEW的板卡驱动程序。除此之外，在LABVIEW中运用该板卡进行数据收集之前有必要经过DAQMASTER为该块板卡进行相关的初始化作业，其间包含缓存区巨细的设置，通道称号的设置等初始化作业，图10-11显现了运用DAQMASTER对PCI-9846H进行相关的初始化作业。
图9 PCI-9846H驱动
图10 PCI-9846缓存设置
图11 PCI-9846H通道设置依据
本文要进行测验目标的特色及要求，确认VI的程序流程图如图12所示：
图12 LABVIEW程序操控流程图
图13-15为依照上述VI程序操控流程图进行的相关LABVIEW操作界面的规划，在程序的规划进程中，选用了出产/顾客形式，经过行列的操作使数据的收集与剖析在不同的循环中运转，然后避免了高速收集的一起进行数据的保存与显现简单形成死机的问题呈现。
图13 登陆界面
图14 实验信息挂号
图15转矩/转速丈量界面在实验中，关于电量和非电量信号收集之前都挑选静态标定的办法对其进行标定，其间关于操控器输入电压/电流以及操控器输出电压/电流运用PCI-9846H板卡的四个通道进行同步收集。在转矩/转速丈量时，尽管转矩仪输出的是频率信号，可是本文依照模仿量对其进行收集，经过在程序中对输入信号的处理核算出信号的频率然后可以得到相应的转矩和转速值，这样可以在程序中削减一部分代码量进步程序的履行功率一起运用板载同步时钟确保转矩/转速收集的同步性。2.3实验成果剖析本文运用依据PCI-9846H的数据收集体系完结了对电机电量与非电量的收集，图16所示为直流母线电压电流与沟通电压电流动态数据波形，图17和图18别离显现了改进前后电流的输出波形以及转矩的输出波形。
图16 电压/电流波形显现
图17 改进前后电流输出波形
图18改进前后转矩输出波形
实验成果标明依据PCI-9846H的数据收集体系具有高采样率和高采样精度，可以满意本文对死区时刻引起的电压波形畸变信号捕捉的要求，对收集数据的剖析标明本文所提出的依据电机的作业状况调度直流母线电压坚持电压调制比在较高的规模内的办法可以很好的改进电流与转矩的输出波形，特别是在电机低速工况时作用尤为显着，从而可以削减死区时刻对电机在低速工况时功用的影响。
