陳明奎，蘇 理，譚利紅

（株洲南車時(shí)代電氣股份有限公司技術(shù)中心，湖南株洲412001）

輔助逆變器控制機(jī)箱PWM波參數(shù)測(cè)試研究

陳明奎，蘇 理，譚利紅

（株洲南車時(shí)代電氣股份有限公司技術(shù)中心，湖南株洲412001）

為解決輔助逆變器控制機(jī)箱PWM參數(shù)復(fù)雜、難以測(cè)量的情況，介紹了一種基于PXI硬件環(huán)境和Lab-VIEW軟件環(huán)境的PWM波參數(shù)測(cè)試方法。利用該方法能準(zhǔn)確測(cè)量到PWM的脈沖幅值、基波頻率、載波頻率、占空比、總諧波畸變等重要參數(shù)，還能計(jì)算出PWM波的基波分量到49次諧波分量。通過(guò)對(duì)無(wú)錫地鐵輔助逆變器控制機(jī)箱的PWM波的測(cè)試試驗(yàn)表明，該方法能為優(yōu)化控制機(jī)箱的PWM波算法提供詳實(shí)的數(shù)據(jù)參考。

PWM；輔助逆變器；控制機(jī)箱；參數(shù)測(cè)試

輔助逆變器控制機(jī)箱被稱為整個(gè)輔助變流器的“大腦”，它通過(guò)算法輸出PWM（Pulse Width Modulation：脈寬調(diào)制）波，控制逆變器IGBT的開(kāi)通與關(guān)斷，進(jìn)而使得逆變器IGBT模塊輸出PWM波，再經(jīng)過(guò)濾波器的濾波，得到低諧波含量的準(zhǔn)正弦波形的交流輸出電壓，最后由三相變壓器耦合得到基波有效值為380 V電壓，供空調(diào)機(jī)組、通風(fēng)裝置、空壓機(jī)、電加熱器、客室照明等交流輔助負(fù)載使用。因此，對(duì)于機(jī)車或地鐵用的輔助逆變器試驗(yàn)，一般會(huì)要求輸出穩(wěn)定的交流電壓、電壓總諧波畸變因數(shù)（THD：Total Harmonic Distortion）等一系列要求［1］。

在設(shè)計(jì)輔助逆變器控制機(jī)箱的過(guò)程中，必須考慮各種影響電壓輸出的因素，設(shè)計(jì)合適的控制策略。其中，由控制機(jī)箱輸出的PWM波，作為整個(gè)環(huán)節(jié)最前端的控制量，對(duì)其進(jìn)行各項(xiàng)參數(shù)的詳細(xì)測(cè)量，并以此為基礎(chǔ)進(jìn)行算法分析和優(yōu)化，進(jìn)而使整個(gè)輔助逆變器對(duì)外輸出電壓符合設(shè)計(jì)要求，尤其顯得重要。

1 輔助逆變器控制機(jī)箱PWM波測(cè)試需求

以某型號(hào)的輔助逆變器控制機(jī)箱為例，其設(shè)計(jì)目的是通過(guò)DSP等硬件，產(chǎn)生幅值為15 V左右、50 Hz正弦波為基波、1.35 k Hz三角波為載波的PWM波，PWM波的占空比為5%～95%之間變化。

利用控制理論中“沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)，其效果基本相同”的原理［2］，機(jī)箱采用SPWM（Sinusoidal PWM：正弦波脈寬調(diào)制）波算法，使控制機(jī)箱電路輸出的脈沖電壓的面積與所希望輸出的正弦波在相應(yīng)區(qū)間內(nèi)的面積相等，以便靈活控制其最終輸出電壓的幅值和頻率。因?yàn)檩o助逆變器的負(fù)載一般為三相星形負(fù)載系統(tǒng)，為提高直流電壓利用率，在SPWM波算法基礎(chǔ)上，還采用了注入三次諧波的方法［3－4］，這是因?yàn)榻?jīng)過(guò)PWM調(diào)制后的逆變電路輸出的相電壓雖然包含3次諧波，但是在合成線電壓時(shí)，各相電壓中的諧波相互抵消，從而使線電壓仍為正弦波，而此時(shí)則顯著提高直流電壓的利用率。

通過(guò)以上分析，對(duì)于控制機(jī)箱輸出的PWM波，其測(cè)量的主要參數(shù)包含脈沖幅值、載波頻率、基波頻率、最大占空比、最小占空比，此外為衡量PWM波的質(zhì)量，還需要進(jìn)一步測(cè)量各次諧波電壓、THD等參數(shù)。

2 PWM波測(cè)試方法及測(cè)試資源分析

由于控制機(jī)箱所輸出的PWM波幅值為15 V左右，而一般通用的板卡測(cè)量范圍是－10～＋10 V左右，因此需要對(duì)控制機(jī)箱直接輸出的PWM波首先進(jìn)行信號(hào)調(diào)理，可選用某型號(hào)的信號(hào)調(diào)理板卡，該板卡通過(guò)電阻分壓并在其后級(jí)加運(yùn)算放大器調(diào)理電路方法，能實(shí)現(xiàn)將－30～30 V電壓信號(hào)線性轉(zhuǎn)換為－10～10 V電壓信號(hào)，其轉(zhuǎn)化精度能達(dá)到0.1%，經(jīng)調(diào)理轉(zhuǎn)化后的PWM波可用NI PXI－1042Q機(jī)箱加NI PXI－6229的采集板卡進(jìn)行采集。PXI－6229采集板卡的技術(shù)指標(biāo)是32路模擬輸入，16位采樣精度，帶寬為250 k Hz，經(jīng)過(guò)和PWM波的參數(shù)相比較，基本滿足脈沖幅值、載波頻率、基波頻率采集要求。

采集PWM波的占空比，有3種方案可供選擇。最簡(jiǎn)單的方案是采用計(jì)數(shù)器半周期測(cè)量，支持的計(jì)數(shù)器需要有雙邊沿分離檢測(cè)的特性，NI公司的M系列（STC2核心）、X系列（STC3核心）數(shù)據(jù)采集卡、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器板卡（NI－TIO核心）和部分C模塊（DIO數(shù)目≤8）等，通常32位寬的計(jì)數(shù)器都支持該測(cè)量。該方案通過(guò)預(yù)設(shè)半周期時(shí)間可以得到非常高精度的測(cè)量結(jié)果。利用1個(gè)計(jì)數(shù)器測(cè)量占空比的編程方法如圖1所示。

第2種方案。對(duì)于帶2個(gè)24位計(jì)數(shù)器的板卡，如PXI－6133，可以采用脈沖寬度測(cè)量，分別測(cè)量高脈寬時(shí)間和低脈寬時(shí)間，從而計(jì)算占空比。利用2個(gè)計(jì)數(shù)器測(cè)量占空比的編程方法如圖2所示。

第3種方案。與前兩種測(cè)試方案有所不同，不是將PWM波作為數(shù)字量而是將PWM波作為模擬量來(lái)采集，使用Lab VIEW軟件中波形測(cè)量選板中的“脈沖測(cè)量”VI，根據(jù)周期性的采集數(shù)據(jù)計(jì)算占空比。只要選擇的板卡模擬采集有足夠高的采樣率，獲取足夠的波形信息，也就能根據(jù)采樣信息計(jì)算出占空比。

綜合以上分析，為減少測(cè)試成本，簡(jiǎn)化測(cè)試方案，最終采用NI的PXI－1042Q機(jī)箱、PXI－6229數(shù)據(jù)采集卡，另外加上相應(yīng)的電壓調(diào)理板卡，來(lái)構(gòu)建PWM波的硬件測(cè)試環(huán)境，實(shí)現(xiàn)輔助逆變器控制機(jī)箱3路PWM波對(duì)“地”電壓即“相電壓”的測(cè)量。軟件方面，采用Lab-VIEW測(cè)試軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，并調(diào)用Harmonic Distortion Analyzer.vi計(jì)算基波頻率、THD、49次諧波分量，調(diào)用Amplitude and Levels.vi計(jì)算脈沖幅值，調(diào)用Pulse Measurements.vi分析載波頻率、最大占空比、最小占空比。

3 PWM波測(cè)試結(jié)果與分析

將PXI－6229板卡的采樣率設(shè)置為83.3 kb/s，為平滑顯示所采集的數(shù)據(jù)，每通道的采樣點(diǎn)設(shè)為10 000點(diǎn)，按照此設(shè)置，采集到輔助逆變器控制機(jī)箱的PWM波形圖如圖4所示。從圖4橫坐標(biāo)的48.463 s到48.483 s時(shí)間段內(nèi)，0.02 s（此參數(shù)為50 Hz正弦波一個(gè)周期波的時(shí)間）內(nèi)共有變化的脈沖個(gè)數(shù)為27個(gè)，基本符合“50 Hz正弦波為基波、1.35 k Hz三角波為載波”的PWM波設(shè)計(jì)要求。

圖1 一個(gè)計(jì)數(shù)器測(cè)量PWM波占空比

圖2 兩個(gè)計(jì)數(shù)器測(cè)量PWM占空比

圖3 利用模擬通道測(cè)量PWM波占空比

圖4 控制機(jī)箱的PWM波形

通過(guò)多次測(cè)量，最后求其均值得到PWM波的基本參數(shù)如表1所示。

表1 控制機(jī)箱的PWM波基本參數(shù)

幅值的最大相對(duì)誤差：

基波頻率的最大相對(duì)誤差：

載波頻率的最大相對(duì)誤差：

最大占空比的最大相對(duì)誤差：

最小占空比的最大相對(duì)誤差：

以上相對(duì)誤差計(jì)算中，除了最小占空比的最大相對(duì)誤差大外，其余的相對(duì)誤差均在1.5%以內(nèi)，這說(shuō)明控制機(jī)箱的DSP硬件及控制算法基本正常。

圖5 泰克示波器測(cè)量的PWM最小脈沖時(shí)間

為進(jìn)一步明確及分析最小占空比的最大相對(duì)誤差大的原因，采用泰克示波器，對(duì)控制機(jī)箱的PWM波進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量時(shí)間為5 min，如圖5所示，示波器捕捉到的最小脈沖持續(xù)時(shí)間27.60μs，按照此值計(jì)算最小占空比，其中載波的采樣周期為

則示波器測(cè)量的最小占空比為：

示波器測(cè)量的最小占空比的相對(duì)誤差：

由以上分析可知，測(cè)試系統(tǒng)測(cè)量的控制機(jī)箱PWM波最小占空比確實(shí)存在偏差較大的現(xiàn)象，后期可在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步分析對(duì)輔助逆變器最終輸出電壓波形的影響，以便改進(jìn)算法。表2為控制機(jī)箱的3個(gè)PWM波通道各次諧波分量（到49次）測(cè)量分析結(jié)果。

觀察表2中的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，可以看出數(shù)值較大的分量基本集中在直流分量、基波、3次諧波、25次諧波、27次諧波、29次諧波上，其余的諧波分量均較小。理論上分析，采用SPWM波算法［5］，較大的諧波分量應(yīng)該為：

式中ωc為載波頻率；ωr為基波頻率；并且當(dāng)n＝1，3，5，…時(shí)，k＝0，2，4，…，且此時(shí)PWM波中不含低次諧波，只含有載波頻率ωc及附近的諧波。

分析表2中的數(shù)據(jù)，可看到3個(gè)通道的PWM波，都含有直流分量，這是因?yàn)榭刂茩C(jī)箱采用了“單極性PWM控制方法”，所以存在直流分量。

如前面所述的原因，為提高直流電壓利用率，在SPWM波算法的基礎(chǔ)上，采用了注入3次諧波的方法，所以在線電壓的測(cè)量中，3次諧波分量較為顯著，但此諧波對(duì)逆變器最終相電壓輸出影響不大。

在高次諧波中，諧波分量較突出的為25次、27次、29次諧波，且27次諧波分量最大，這是因?yàn)?7次諧波頻率正好對(duì)應(yīng)載波頻率（1 350 Hz＝50 Hz×27），25次諧波頻率對(duì)應(yīng)ωc－2ωr，相應(yīng)的29次諧波頻率對(duì)應(yīng)ωc＋2ωr，這與理論分析相吻合。

綜合以上數(shù)據(jù)及分析，對(duì)輔助逆變器最終端輸出相電壓有較大影響的是載波頻率及附近的諧波，控制機(jī)箱后續(xù)的輔助逆變器電路按照載波頻率設(shè)計(jì)低通濾波器，那么頻率為ωc、2ωc、3ωc等高次諧波以及附近的諧波就會(huì)同時(shí)被濾除，使得輔助逆變器整體對(duì)外輸出的電壓符合設(shè)計(jì)要求。

表2 控制機(jī)箱PWM的諧波分量

4 結(jié)束語(yǔ)

控制機(jī)箱PWM的參數(shù)測(cè)量在輔助逆變器設(shè)計(jì)優(yōu)化中，具有很重要的作用。本文在分析PWM波測(cè)試需求的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了基于PXI機(jī)箱的數(shù)據(jù)測(cè)試系統(tǒng)，利用Lab VIEW軟件的強(qiáng)大分析功能，準(zhǔn)確測(cè)量到了PWM波的脈沖幅值、載波頻率、基波頻率、最大占空比、最小占空比、THD等參數(shù)，還進(jìn)一步分析了各次諧波電壓。該測(cè)試方法及測(cè)試系統(tǒng)已運(yùn)用到無(wú)錫地鐵輔助逆變器控制機(jī)箱的PWM波檢測(cè)中，后續(xù)也將應(yīng)用在同類型的控制機(jī)箱PWM波測(cè)量分析中，測(cè)量分析結(jié)果為進(jìn)一步優(yōu)化控制機(jī)箱PWM的算法提供了詳實(shí)的數(shù)據(jù)參考。

［1］ 王文軍.300 km/h動(dòng)車組輔助逆變器并聯(lián)控制技術(shù)研究［D］.北京：北京交通大學(xué)，2003.

［2］ 丁榮軍，黃濟(jì)榮.現(xiàn)代變流技術(shù)與電氣傳動(dòng)［M］.北京：科學(xué)出版社，2008.

［3］ 韓 琳，陳柏超，陳曉國(guó).三相整流電路諧波注入濾波方法［J］.高電壓技術(shù)，2003，（29）7：24-25，53.

［4］ 李小青.基于三次諧波注入的諧波抑制技術(shù)研究［D］.杭州：浙江大學(xué)，2007.

［5］ 王兆安，黃 俊.電力電子技術(shù)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

Study on Parameters measurement for Control Enclosure’s PWM of Auxiliary Inverter

CHEN Mingkui，SU Li，TAN Lihong
（Technology Center，Zhuzhou CSR Times Electric Co.，Ltd.，Zhuzhou 412001 Hunan，China）

A method of PWM parameters measurement based on PXI hardware and Lab VIEW software is introduced，in order to solve the problem that auxiliary inverter control enclosure’s PWM parameters are complex and difficult to test.By this way，many important parameters of PWM，such as pulse amplitude，fundamental frequency，carrier frequency，duty rate and total harmonic distortion，can be accurately obtained.Another benefit of this method is that the harmonic content up to 49th can be figured out.This technology has been applied in auxiliary inverter control enclosure’s PWM parameters measurement system for Wuxi Metro，and the abundant test data contribute to improving control algorithm of PWM.

PWM；auxiliary Inverter；control Enclosure；parameters measurement

U264.5

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2014.03.15

1008－7842（2014）03－0062－04

9—）男，工程師（

2013－10－29）