辅助逆变器控制机箱PWM波参数测试研究

陈明奎，苏 理，谭利红

（株洲南车时代电气股份有限公司技术中心，湖南株洲412001）

辅助逆变器控制机箱PWM波参数测试研究

陈明奎，苏 理，谭利红

（株洲南车时代电气股份有限公司技术中心，湖南株洲412001）

为解决辅助逆变器控制机箱PWM参数复杂、难以测量的情况，介绍了一种基于PXI硬件环境和Lab-VIEW软件环境的PWM波参数测试方法。利用该方法能准确测量到PWM的脉冲幅值、基波频率、载波频率、占空比、总谐波畸变等重要参数，还能计算出PWM波的基波分量到49次谐波分量。通过对无锡地铁辅助逆变器控制机箱的PWM波的测试试验表明，该方法能为优化控制机箱的PWM波算法提供详实的数据参考。

PWM；辅助逆变器；控制机箱；参数测试

辅助逆变器控制机箱被称为整个辅助变流器的“大脑”，它通过算法输出PWM（Pulse Width Modulation：脉宽调制）波，控制逆变器IGBT的开通与关断，进而使得逆变器IGBT模块输出PWM波，再经过滤波器的滤波，得到低谐波含量的准正弦波形的交流输出电压，最后由三相变压器耦合得到基波有效值为380 V电压，供空调机组、通风装置、空压机、电加热器、客室照明等交流辅助负载使用。因此，对于机车或地铁用的辅助逆变器试验，一般会要求输出稳定的交流电压、电压总谐波畸变因数（THD：Total Harmonic Distortion）等一系列要求［1］。

在设计辅助逆变器控制机箱的过程中，必须考虑各种影响电压输出的因素，设计合适的控制策略。其中，由控制机箱输出的PWM波，作为整个环节最前端的控制量，对其进行各项参数的详细测量，并以此为基础进行算法分析和优化，进而使整个辅助逆变器对外输出电压符合设计要求，尤其显得重要。

1 辅助逆变器控制机箱PWM波测试需求

以某型号的辅助逆变器控制机箱为例，其设计目的是通过DSP等硬件，产生幅值为15 V左右、50 Hz正弦波为基波、1.35 k Hz三角波为载波的PWM波，PWM波的占空比为5%～95%之间变化。

利用控制理论中“冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同”的原理［2］，机箱采用SPWM（Sinusoidal PWM：正弦波脉宽调制）波算法，使控制机箱电路输出的脉冲电压的面积与所希望输出的正弦波在相应区间内的面积相等，以便灵活控制其最终输出电压的幅值和频率。因为辅助逆变器的负载一般为三相星形负载系统，为提高直流电压利用率，在SPWM波算法基础上，还采用了注入三次谐波的方法［3－4］，这是因为经过PWM调制后的逆变电路输出的相电压虽然包含3次谐波，但是在合成线电压时，各相电压中的谐波相互抵消，从而使线电压仍为正弦波，而此时则显著提高直流电压的利用率。

通过以上分析，对于控制机箱输出的PWM波，其测量的主要参数包含脉冲幅值、载波频率、基波频率、最大占空比、最小占空比，此外为衡量PWM波的质量，还需要进一步测量各次谐波电压、THD等参数。

2 PWM波测试方法及测试资源分析

由于控制机箱所输出的PWM波幅值为15 V左右，而一般通用的板卡测量范围是－10～＋10 V左右，因此需要对控制机箱直接输出的PWM波首先进行信号调理，可选用某型号的信号调理板卡，该板卡通过电阻分压并在其后级加运算放大器调理电路方法，能实现将－30～30 V电压信号线性转换为－10～10 V电压信号，其转化精度能达到0.1%，经调理转化后的PWM波可用NI PXI－1042Q机箱加NI PXI－6229的采集板卡进行采集。PXI－6229采集板卡的技术指标是32路模拟输入，16位采样精度，带宽为250 k Hz，经过和PWM波的参数相比较，基本满足脉冲幅值、载波频率、基波频率采集要求。

采集PWM波的占空比，有3种方案可供选择。最简单的方案是采用计数器半周期测量，支持的计数器需要有双边沿分离检测的特性，NI公司的M系列（STC2核心）、X系列（STC3核心）数据采集卡、定时器/计数器板卡（NI－TIO核心）和部分C模块（DIO数目≤8）等，通常32位宽的计数器都支持该测量。该方案通过预设半周期时间可以得到非常高精度的测量结果。利用1个计数器测量占空比的编程方法如图1所示。

第2种方案。对于带2个24位计数器的板卡，如PXI－6133，可以采用脉冲宽度测量，分别测量高脉宽时间和低脉宽时间，从而计算占空比。利用2个计数器测量占空比的编程方法如图2所示。

第3种方案。与前两种测试方案有所不同，不是将PWM波作为数字量而是将PWM波作为模拟量来采集，使用Lab VIEW软件中波形测量选板中的“脉冲测量”VI，根据周期性的采集数据计算占空比。只要选择的板卡模拟采集有足够高的采样率，获取足够的波形信息，也就能根据采样信息计算出占空比。

综合以上分析，为减少测试成本，简化测试方案，最终采用NI的PXI－1042Q机箱、PXI－6229数据采集卡，另外加上相应的电压调理板卡，来构建PWM波的硬件测试环境，实现辅助逆变器控制机箱3路PWM波对“地”电压即“相电压”的测量。软件方面，采用Lab-VIEW测试软件开发平台，并调用Harmonic Distortion Analyzer.vi计算基波频率、THD、49次谐波分量，调用Amplitude and Levels.vi计算脉冲幅值，调用Pulse Measurements.vi分析载波频率、最大占空比、最小占空比。

3 PWM波测试结果与分析

将PXI－6229板卡的采样率设置为83.3 kb/s，为平滑显示所采集的数据，每通道的采样点设为10 000点，按照此设置，采集到辅助逆变器控制机箱的PWM波形图如图4所示。从图4横坐标的48.463 s到48.483 s时间段内，0.02 s（此参数为50 Hz正弦波一个周期波的时间）内共有变化的脉冲个数为27个，基本符合“50 Hz正弦波为基波、1.35 k Hz三角波为载波”的PWM波设计要求。

图1 一个计数器测量PWM波占空比

图2 两个计数器测量PWM占空比

图3 利用模拟通道测量PWM波占空比

图4 控制机箱的PWM波形

通过多次测量，最后求其均值得到PWM波的基本参数如表1所示。

表1 控制机箱的PWM波基本参数

幅值的最大相对误差：

基波频率的最大相对误差：

载波频率的最大相对误差：

最大占空比的最大相对误差：

最小占空比的最大相对误差：

以上相对误差计算中，除了最小占空比的最大相对误差大外，其余的相对误差均在1.5%以内，这说明控制机箱的DSP硬件及控制算法基本正常。

图5 泰克示波器测量的PWM最小脉冲时间

为进一步明确及分析最小占空比的最大相对误差大的原因，采用泰克示波器，对控制机箱的PWM波进行测量，测量时间为5 min，如图5所示，示波器捕捉到的最小脉冲持续时间27.60μs，按照此值计算最小占空比，其中载波的采样周期为

则示波器测量的最小占空比为：

示波器测量的最小占空比的相对误差：

由以上分析可知，测试系统测量的控制机箱PWM波最小占空比确实存在偏差较大的现象，后期可在此基础上进一步分析对辅助逆变器最终输出电压波形的影响，以便改进算法。表2为控制机箱的3个PWM波通道各次谐波分量（到49次）测量分析结果。

观察表2中的实测数据，可以看出数值较大的分量基本集中在直流分量、基波、3次谐波、25次谐波、27次谐波、29次谐波上，其余的谐波分量均较小。理论上分析，采用SPWM波算法［5］，较大的谐波分量应该为：

式中ωc为载波频率；ωr为基波频率；并且当n＝1，3，5，…时，k＝0，2，4，…，且此时PWM波中不含低次谐波，只含有载波频率ωc及附近的谐波。

分析表2中的数据，可看到3个通道的PWM波，都含有直流分量，这是因为控制机箱采用了“单极性PWM控制方法”，所以存在直流分量。

如前面所述的原因，为提高直流电压利用率，在SPWM波算法的基础上，采用了注入3次谐波的方法，所以在线电压的测量中，3次谐波分量较为显著，但此谐波对逆变器最终相电压输出影响不大。

在高次谐波中，谐波分量较突出的为25次、27次、29次谐波，且27次谐波分量最大，这是因为27次谐波频率正好对应载波频率（1 350 Hz＝50 Hz×27），25次谐波频率对应ωc－2ωr，相应的29次谐波频率对应ωc＋2ωr，这与理论分析相吻合。

综合以上数据及分析，对辅助逆变器最终端输出相电压有较大影响的是载波频率及附近的谐波，控制机箱后续的辅助逆变器电路按照载波频率设计低通滤波器，那么频率为ωc、2ωc、3ωc等高次谐波以及附近的谐波就会同时被滤除，使得辅助逆变器整体对外输出的电压符合设计要求。

表2 控制机箱PWM的谐波分量

4 结束语

控制机箱PWM的参数测量在辅助逆变器设计优化中，具有很重要的作用。本文在分析PWM波测试需求的基础上，构建了基于PXI机箱的数据测试系统，利用Lab VIEW软件的强大分析功能，准确测量到了PWM波的脉冲幅值、载波频率、基波频率、最大占空比、最小占空比、THD等参数，还进一步分析了各次谐波电压。该测试方法及测试系统已运用到无锡地铁辅助逆变器控制机箱的PWM波检测中，后续也将应用在同类型的控制机箱PWM波测量分析中，测量分析结果为进一步优化控制机箱PWM的算法提供了详实的数据参考。

［1］ 王文军.300 km/h动车组辅助逆变器并联控制技术研究［D］.北京：北京交通大学，2003.

［2］ 丁荣军，黄济荣.现代变流技术与电气传动［M］.北京：科学出版社，2008.

［3］ 韩 琳，陈柏超，陈晓国.三相整流电路谐波注入滤波方法［J］.高电压技术，2003，（29）7：24-25，53.

［4］ 李小青.基于三次谐波注入的谐波抑制技术研究［D］.杭州：浙江大学，2007.

［5］ 王兆安，黄 俊.电力电子技术［M］.北京：机械工业出版社，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，工程师（

2013－10－29）