（电机与电器专业论文）燃料电池汽车dcdc变换器的虚拟仪器测试系统研究.pdf

摘要 a b s t r a c t t h ed e v e l o p m e n to ff u e lc e l le l e c t r i cv e h i c l e ( f c e v ) b e c o m e st h en e wf o c u s o fa u t o m o b i l ei n d u s t r y d c d cc o n v e r t e r ，o n eo ft h em o s ti m p o r t a n tp a r t so ft h e p o w e rs y s t e mo ff c e v ，d e m a n d sl o t so fb e n c ht e s t st oa c q u i r et h ep a r a m e t e r s m a t c h i n gw i t ht h ef c e v t h i st h e s i si sf o c u s e do nt h er e s e a r c ho ft h ea u t o m a t i c t e s t i n gs y s t e mf o rd c d cc o n v e r t e ri nf c e v ，a n dt h ev i r t u a li n s t r u m e n tt e s t i n g s t r u c t u r ei sb u i l tb a s e do nt h ep x im o d u l a rh a r d w a r ea n dl a b v i e wa p p l i c a t i o n s o f t w a r ee n v i r o n m e n t a tf i r s t ，t h ep r i n c i p l ea n ds p e c i a l t yo ft h ep o w e rs y s t e mo ff c e va n db u c k d c d cc o n v e r t e ri si n t r o d u c e d t h et o p o l o g yo fd c d cc o n v e r t e rt e s t i n gs y s t e mi s d e s i g n e da c c o r d i n gt ot h eb e n c h t e s tr e q u i r e m e n t s 1 1 1 ef u n d a m e n t a l sa n ds t r u c t u r eo f v i r t u a li n s t r u m e n t a t i o na n dp x ib u sa r ed i s c u s s e dd e t a i l e d l y w i t ht h es y s t e m c o n f i g u r a t i o no p t i o n , t h e w h o l es y s t e mi sd e v i d e di n t oe l e c t r i c a lp a r a m e t e r s ， e n v i r o n m e n t a lp a r m e t e r sa n dt h ec o n t r o l l e rp a r a m e t e r ss u b s y s t e mi n d e p e n d e n t l y s e c o n d l y , t h es e l e c t i o no fv o l t a g e ，c u r r e n ta n dt e m p e r a t u r et r a n s d u c e ra n d r e l a t i v es i g n a l c o n d i t i o n i n gc i r c u i t s i sa n a l y z e d 1 1 1 ec a nb u sc o m m u n i c a t i o n n e t w o r ki nf c e vi sa l s oi n t r o d u c e d a n dt h ec a ni n t e r f a c ec a r di sa p p l i e dt o s i m u l a t et h ev e h i c l es y s t e mc o n t r o l l e rn o d e f u t h e r m o r e ，t h ee l e c t r o m a g n e t i c c o m p a t i b i l i t y ( e m c ) o ft e s t i o n gs y s t e mi sd e c r i b e d ，w h i c hi n c l u d e st h ec o n f i g u r a t i o n o ft h ea n a l o gi n p u to fd a t aa c q u i s i t i o nc a r d ( d a q ) f o rt h ei n t e g r i t yo fs i n a ia n dt h e m e a s u e st a k e nt od e a lw i t ht h ee l e c t r o m a g n e t i ci n f e r e n c e f i n a l l yi nt h el i g h to fm o d u l a rs o f t w a r ep r o g r a m m i n g , t h et h e s i sp r e s e n t st h e s o l f w a r ei n t e g r a t i o no ft h ed a t a , f u n c t i o na n du s e ri n t e r f a c ef r o md i f f e r e n tt e s t i n g s y s t e m s t h ek a i s e rw i d o wf i rd i g i t a lf i l t e ri sa l s od e s i g n e db a s e do nl a b v i e w ， a n dt h er e s u l t si st e s t i f i e db ym a t l a b t h ed a q m xd r i v e ro fd a qa n dt h ed l l d r i v e ro fc a ni n t e r f a c ec a r di se n c a p s u l a t e da n dc a l l e d i nl a b v i e w ，t h u st h e i n d e p e n d e n ts u b - t e s t i n gs y s t e ma p p l i c a t i o nc o u l db e s e tu pc o r r e s p o n d i n g l y n ed e b u g g i n go ft h et e s t i n gs y s t e mi se x c e c u t e di nt h ed c d cc o n v e r t e rb e n c h t e s t i n ge n v i r o n m e n t t h ee x p e r i m e n t a ld a t ad e m o n s t r a t e st h a tt h er e s o l u t i o n , w h i c hi s i i 摘要 f l e x i b l e ，e x p a n d a b l ea n dg e n e r a l ，s u c c e s s f u l l ym e e t st h ep r e c i s i o ns t a n d a r da n d e x p e c t i n gt e s t i n gr e q u i r e m e n t s k e yw o r d s ：d c d cc o n v e r t e r , a u t o m a t i ct e s t i n gs y s t e m ，v i r t u a li n s r u m c n t ，p x i ， l a b v i e w i i i 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名： 妈艇 砂。吕年f 月f 苫日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、己公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均己在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名： j i 弓傲 沙四年f 月fae l 第1 章绪论 1 1 引言 第1 章绪论 能源危机和环境污染问题己引起全球关注。内燃机汽车带来的污染及石油 的同益枯竭使得世界汽车行业正面临着一场革命。在全球范围内环保与节能已 成为当今世界汽车发展的两大主题。各国政府和汽车厂商们都在积极的寻找和 研究现有内燃机的代用动力源，社会公众对此也非常关注。电动汽车以其清洁 无污染、能量效率高、低噪声、能源多样化等优点迅速成为研究热点【l 】【4 1 。 电动汽车( e l e c t r i c a lv e h i c l e ，简称e v ) 是至少有一种动力源为车载电源，全 部或部分由电机驱动的汽车。通常包括纯电动汽车( e ，混合动力电动汽车 ( h y b r i de l e c t r i c a lv e h i c l e ，简称h e v ) ，燃料电池电动汽车( f u e lc e l le l e c t r i c a l v e h i c l e ，简称f c e v ) 三种类型。 纯电动汽车使用蓄电池作为能源。蓄电池作为贮能工具，充电时把电能转 化为化学能贮存起来，需要电能时，再把化学能转化为电能释放出来。由于技 术方面的原因，蓄电池的研究还没有突破性的进展，其主要表现为蓄电池电量 有限，续驶里程短，充电时间很长。混合动力汽车利用内燃机发电，以电力或 内燃机动力混合驱动汽车行驶，此时汽油充分燃烧，有利于保护环境，但仍没 有从根本上解决污染和油耗问题。 燃料电池电动汽车将燃料电池作为动力源，直接将燃料的化学能转化为电 能，经电动机驱动车辆运行 2 1 。燃料电池汽车具有高效率、零排放、无污染、低 噪声等高科技优势，大大减少了污染环境的氮氧化合物的产生，代表了未来汽 车使用新型能源和节能环保的发展趋势，领导着汽车工业革命的新潮流。应用 这一技术，不仅能减少汽车工业对日益短缺的传统能源的依赖，而且会推动人 类社会进入一个新的洁净能源一氢能的时代。目前，质子交换膜燃料电池 ( p e m f c ) 作为第5 代燃料电池具有能量转化率高、低温启动性好、无电解质泄 漏等优点，被公认为最有希望成为电动汽车的理想动力源【3 】。 2 0 世纪9 0 年代以来，世界一些主要国家和汽车公司在燃料电池大客车上已 经成功地采用了使用氢、甲醇和汽油( 经过重整) 燃料的燃料电池。近年来一 些厂家，如戴姆勒克莱斯勒、丰田、通用、本田、日产、福特等公司都开发了 第1 章绪论 自己的燃料电池电动汽车。 我国政府也非常重视燃料电池汽车关键技术的研究。“十五 期间，燃料电 池汽车及其关键技术的研究和样车的研制开发，被列入国家“8 6 3 ”电动汽车重 大专项，予以重点资助。燃料电池轿车的大规模研究开发进入了具体落实阶段， 将开发出整车性能达到目前国际先进水平的燃料电池轿车产品原型车，并进行 示范运行。同时，建立燃料电池轿车产品技术平台，为汽车工业提供产品前期 开发平台。 目前，上海燃料电池汽车动力系统有限公司与同济大学已联合研制出“超 越一、二、三号”燃料电池汽车。它采用自主开发框架式车身，并装备我国自 主研发的燃料电池发动机系统、车用d c d c 变换器、电机及驱动控制器、蓄电 池及管理系统。作为燃料电池汽车的动力源，燃料电池具有输出电压电流特性 偏软的特点，且燃料电池电压变化范围大。因此，在f c e v 上需要配置适宜的 d c d c 变换器，燃料电池的输出经过d c d c 变换器稳压后，得到稳定的直流电 压，从而提高整个动力系统的能量转化效率。d c d c 变换器作为燃料电池汽车 的关键零部件之一，在研究和使用中需要进行大量的台架试验，获得d c d c 变 换器相关参数并测试其性能。本文结合国家“8 6 3 计划电动汽车专项d c d c 变换器项目，进行“燃料电池汽车d c d c 变换器的虚拟仪器测试系统研究 。 1 2d o d o 变换器自动测试系统 1 。2 1i ) o i ) c 变换器测试系统 燃料电池汽车d c d c 变换器的研制过程中需要测量多个参数，较长时间地 采集变换器内部和外部的信号。随着对d c d c 变换器研究的逐步深入，实验内 容日趋复杂，测试工作量急剧增加，对测试设备在功能、性能、测试速度、测 试精度等方面的要求也日益提高，并需要对数据及时记录和处理。 传统的国内汽车台架试验主要采用手工测试或购置国外先进的性能测试系 统。手工测试精度不高，同步性差，工作节拍长，生产效率低。而国外先进的 性能测试系统往往价格昂贵，软件维护不方便，文字不直观，且多数是通用型， 无法满足用户的个性化需要。传统的汽车台架试验在人工操作的分散实验台上 进行，用到多个测量仪器，输出大量数据。实验人员主要精力和时间用于观察 第1 章绪论 相互独立的测量仪器，分别记录数据，易出差错。实验结束后还需花费大量时 间用于数据的计算机输入、校对及整理。实验操作周期长，工作量大，没有完 全发挥设备的优越性睁】。因此，需要一个自动化程度与性价比高的测试系统，利 用计算机软硬件技术来实现和扩展现有仪器的功能，以实现d c d c 变换器测试 数据的集成采集、显示和储存，并有效地判断变换器工作状态，对其故障进行 分析诊断。 1 2 2 自动测试系统的发展 测试是对某种信息的认知过程，是对被测信息进行检出、变换、分析、处 理、判断、显示、数据存储等的综合认识过程。测试的基本任务是获取有用的 信息，具有比单纯的测量更为丰富的内容。 通常把在最少人工参与的情况下能自动进行测量、数据处理并输出测试结 果的系统称为自动测试系统【6 】。自动测试系统是将检测技术与计算机技术和通信 技术有机结合在一起的产物，其研制工作可以追溯n - - 十世纪五十年代甚至更 早。到了六十年代，随着系统中开始采用电子计算机，才真正构成比较完善的 自动测试系统【l 。 自动测试系统的发展大体分为三个阶段。第一代多为专用系统，是针对某 项具体测试任务而设计的，主要用于大量复杂测试、要求可靠性高的复杂测试 或为了提高测试速度及工作于测试人员难以停留的场合。第二代自动测试系统， 解决了标准化的通用接口母线问题，各设备用标准化的接口和母线连接起来， 组成通用的总线式自动测试系统，在系统组建的灵活与迅速，工作的可靠性和 性能价格比上显示出越来越大的优越性，更改、增加测试内容也很灵活，因此 得到了广泛的应用。第三代自动测试系统是由模块化仪器构成的。模块化仪器 的机械尺寸、电气特性、通讯规程、电磁兼容和其它硬件特性做出了明确规定， 从而使所有仪器厂家生产的模块化仪器可以在一个主机箱内运行。 随着计算机、微电子、通信等技术的进步，测试技术可以融合多种信息处 理技术，测试总线和接口更加通用化与标准化，自动测试系统将向高度智能化 与网络化的方向发展。虚拟仪器技术( v i r t u a li n s t r u m n e t s ，简称v i ) 是自动测试 与电子测量仪器领域技术发展的一个崭新方向，是电子测量技术与计算机技术 深层次结合的新一类电子仪器1 6 1 。 第1 章绪论 1 3 本课题研究的目的与意义 研制大功率d c d c 变换器涉及到现代电力电子、微电子及自动控制等多个 技术领域，是确保燃料电池汽车能够在性能上与传统内燃机汽车抗衡的关键零 部件之一。通过参与“8 6 3 计划电动汽车重大专项d c d c 变换器的研制，同 济大学d c d c 变换器的研发团队已成功的在“超越一、二、三号 燃料电池汽 车上安装了大功率d c d c 变换器，并成功装车使用。当然，还有一系列问题需 要进一步解决。例如如何对d c d c 变换器的性能进行测试和评估，如何获得 d c d c 变换器的稳态和动态特性，如何对变换器的控制策略进行仿真、调试和 优化掣8 1 。因此，建立个完善的燃料电池汽车d c d c 变换器测试系统就是摆 在研发团队面前的一个重要课题。 从整车应用的角度出发，整个测试系统比较关注的是d c d c 变换器的性能 试验。为了节约人力、时间和经费，在变换器研究与试制的初期阶段，应该尽 量在实验室内进行大量的d c d c 变换器稳态及动态仿真试验。通过试验台模拟 变换器的实际运行工况，同时采集和记录试验数据，也为整车动力系统的参数 匹配和建模仿真提供可靠的依据。试验是建模的基础，反过来也是验证变换器 系统模型正确与否的重要环节。据有关资料估计，如果4 5 的道路试验能以燃料 电池发动机台架试验代替，将使电动汽车发的研制周期缩短至原来的1 4 ，而且 完成相同内容试验，台架试验的费用仅为整车道路试验的1 3 0 1 1 。所以和传统的 内燃机车辆一样，建立一套完善的d c d c 变换器自动测试系统对于燃料电池电 动汽车的开发具有重要意义。 1 4 本课题主要研究内容和关键技术 本论文对燃料电池汽车用d c d c 变换器虚拟仪器测试系统进行设计和实 现，并对其中的关键技术进行研究。整个测试系统采用虚拟仪器技术，研究测 试对象d c d c 变换器，明确测试的任务，对d c d c 变换器的原理和待测参数 进行分析。系统根据测试信号的不同，提出整体测试拓扑结构，结合硬件数据 采集卡与p x i 总线技术，完成了相应信号调理电路的设计。根据变换器与整车 的通讯要求，可对整车的c a n 信号进行模拟和接收。软件实现采用基于 l a b v i e w 的模块化设计，便于维护、扩展和移植。 4 第1 章绪论 课题研究中涉及到的关键技术有： 1 d c d c 变换器自动测试系统拓扑结构设计。根据d c d c 变换器台架试 验的对电气、控制器及环境参数测试的具体要求，确定以p x i 模块化硬件平台 和l a b v i e w 软件环境来构建测试系统的拓扑结构。 2 测试信号调理电路设计。分析测试系统要测试的电压、电流及温度信号， 有针对性的提出了相应的信号调理电路。特别提出了单运放恒流源的比率法温 度信号调理电路，解决了铂电阻测温过程中的非线性、零漂与导线电阻影响的 问题。 3 c a n 总线通讯技术。研究燃料电池汽车的c a n 通信网络，在l a b v i w 平台下对c a n 卡d l l 驱动封装调用，实现对整车控制器的c a n 指令模拟及与 d c d c 控制器的c a n 通讯。 4 电磁兼容技术。需要分析测试系统的所处的电磁环境，配置模拟输入通 道以保持信号完整性，并提出具体的抗干扰措施。 5 数字滤波器的设计。在l a b v i e w 环境下完成凯泽窗数字滤波器的设计， 讨论数字滤波器设计工具的开发过程，并应用工具进行数字信号处理。 6 系统软件集成开发。d c d c 变换器的测试系统环境由多个子系统构成， 需要完成不同测试数据、功能与界面的软件集成。 第2 章d c d c 变换器测试系统总体设计 第2 章d 0 d 0 变换器测试系统总体设计 2 1 燃料电池汽车动力系统 目前国际上各大汽车厂商研究的燃料电池电动汽车的基本结构有多种形 式，按照其能量来源可分为车载纯氢燃料电池电动汽车和燃料重整燃料电池电 动汽车，按其驱动型式可分为纯燃料电池驱动和燃料电池混合驱动。由于燃料 电池电动汽车正处在研究的初期阶段，所以各种技术竞相试用p j 。 燃料电池电动汽车按照驱动型式主要可分为：纯燃料电池，燃料电池和辅 助蓄电池联合驱动，燃料电池和超级电容联合驱动，燃料电池加辅助电池加超 级电容联合驱动四种结构【3 】。出于燃料电池的氢燃料效率、动态效率、负荷率、 车辆实际运行工况与能量控制策略的方便性等方面考虑，燃料电池和辅助蓄电 池联合驱动的模式是当前燃料电池汽车研发中比较流行的一种结构，其动力系 统结构框图如图2 1 所示。 l 黼桃b l 。a o c 姗b n d 既觚亵! 换器剖电机 i 蓄电池 o 图2 1 燃料电池汽车动力系统结构框图 在这种结构里燃料电池作为主动力源提供持续功率，蓄电池组的功能是回 收汽车制动能量，在汽车启动、加速、爬坡的过程中提供补充能量。此结构的 主要优点在于：相对减小对燃料电池的功率需求；燃料电池系统启动容易； 假如燃料电池出现故障，蓄电池仍可工作，系统的可靠性高；可以回收制 动能量。 燃料电池汽车动力系统是能将氢燃料的化学能通过燃料电池系统、d c d c 变换器、驱动电机及其控制系统直接转换为机械能而对外做功的系统。由图2 1 可以看出，燃料电池汽车动力系统包括燃料电池、d c d c 变换器、蓄电池、d c a c 变换器，驱动电机等多个部件节点。 6 第2 章d c d c 变换器测试系统总体设计 2 1 1 燃料电池特性 燃料电池是一种电化学装置，是将化学反应产生的化学能直接转化为电能 的装置。单个燃料电池通常由阳极( 氧化剂电极) 、阴极( 燃料电极) 以及夹在 两电极之间的电解质组成。当燃料电池工作时，燃料和氧化剂是由外部供给并 在电极进行反应产生电能的。理论上，只要反应物不断输入，反应产物不断排 出，燃料电池就能持续地发电【2 】。现有的燃料电池电动汽车大多数都采用质子交 换膜燃料电池( p e m f c ) 。 燃料电池作为车载能源具有一个缺点，即输出电压电流特性偏软，图2 2 为 燃料电池伏安特性曲线。 u f c ( u 细) u o o 图2 2 燃料电池输出电压一电流特性曲线 由图2 2 可以看出，在燃料电池输出功率的起始阶段，输出电压u f c 0 下降较 快，随着输出电流i f c 的增大，输出电压下降，下降斜率比普通电池大得多。这 是因为一旦输出电流突变，电极上的电荷会产生相应突变。另外，产生电能的 化学反应还和压力、温度、反应气体组成及利用率、杂质等外界因素有较大关 系。因而，燃料电池输出特性较软，且在干扰下不稳定。 2 1 2d c d c 变换器在燃料电池汽车中的作用 d c d c 变换器是燃料电池电动汽车系统中一个重要部分。它的主要功能是 把不可调的直流电源变为可调的直流电源。基于制造工艺和产品可靠性的考虑， 燃料电池的输出电压随着温度的升高而增大，而且燃料电池的外特性比较软， 随着输出电流的增加，电压波动大。电机驱动系统的效率与电压等级要求需要 7 第2 章d c d c 变换器测试系统总体设计 一个比较恒定可控的前端输入电源。同时，蓄电池的充放电特性及其使用安全 性也要求电池的端电压在较小的范围变化。因此燃料电池难以直接与蓄电池组 并联使用。解决这一问题的方法是在燃料电池的输出端串接一个d c d c 变换器， 对燃料电池的输出电压进行电压变换及稳压调整，使d c d c 变换器的输出电压 与蓄电池组的工作电压相匹配。同时，d c d c 变换器可以对燃料电池的最大输 出电流和功率进行控制，起到保护燃料电池系统的目的【1 3 1 。 2 2 燃料电池汽车用d c d c 变换器概述 如上一节所述，d c d c 变换器的使用可以极大地改善燃料电池和整车的电 气动力性能。然而，d c d c 变换器的设计要受到诸多因素的限制。除了要适应 燃料电池汽车的工作方式、动力性能和可靠性之外，还受到空间和能量效率的 限制，这些因素对变换器的主电路的设计提出了更高的要求。 2 。2 。1d c d c 变换器的设计方案 依照同济大学燃料电池电动汽车项目组协议规定，燃料电池电动汽车用 d c d c 变换器主要性能指标如下】： 1 实行恒流控制，额定工作电流1 8 0 a ，额定功率5 5 k w ； 2 转换效率9 5 以上； 3 采用c a n 总线通信，符合燃料电池车整车通信协议； 4 输入电压范围为3 2 0 v - 4 8 0 v ，输出电流范围0 - - 2 1 6 a ，额定功率时输出 电压在3 1 2 v 左右； 5 d c d c 变换器采用风冷方式，无故障运行1 0 0 小时以上，在2 9 加速度 下有足够的机械和抗震强度； 6 保护措施：i g b t 过流保护，输入欠压保护，输出恒压保护，输出过流保 护，温度保护，给定超出范围错误保护。在保护模式下，d c d c 变换器控制器 通过c a n 总线发送故障状态帧和错误状态代码至v m s 及故障诊断单元。 结合整车组的协议要求，燃料电池汽车用d c d c 变换器的主电路方案设计 原则确定如下：变换器是能量传递部件，因此需要满足转换效率高的要求， 以便提高能源的利用率。根据燃料电池的输出电压的要求，变换器应该是降 第2 章d c d c 变换器测试系统总体设计 压变换器。由于燃料电池输出不稳定，需要变换器具有良好的动态调节能力。 d c d c 变换器要满足体积小，重量轻的要求，以提高汽车的功率密度。 权衡d c d c 变换器的设计指标及相关因素，本文所论述的车用d c d c 变 换器的主电路设计采取非隔离式降压( b u c k ) 电路方案。 2 2 2b u c kd c d c 变换器的工作原理 2 2 2 1b u c kd c d c 变换器主电路结构 b u c k 降压d c d c 变换器的主电路如图2 3 所示，主电路由i g b t 功率开关 器件z l 、电感l l 、滤波电容c 和二极管d l 组成【】l 】【1 2 】。 z 1 l 1 、，i 图2 3b u c k 电路结构 电路工作过程如下：当功率器件导通时，如图2 4 ( a ) 所示，电流t 流过 电感线圈l ，负载电阻r 上流过的电流为乇，r 两端为输出电压，极性上正下 负。当 i o 时，电容在充电状态。这时二极管d 1 承受反向电压。 s l ( a ) 功率器件导通时( b ) 功率器件断开时 图2 4b u c k 电路工作过程 v o 功率器件断开时，如图2 4 ( b ) 所示，由于电感线圈l 中的磁场将改变电 9 第2 章d c d c 变换器测试系统总体设计 感l 两端的电压极性，以保持其电流c 不变。在t 刊攀s 连 接 o r n r s e 器 。i n 厂 信号输入范围选择 1 u u 图3 3 数据采集卡模拟输入通道结构框图 外部传感器等输进模拟信号至板卡的i o 连接器，即板卡的模拟输入连接端 1 2 1 。m u x ( m u l t i p e x e r s ) 称为多路复用器，即用来选择切换模拟输入端口共用一个 a d c 。 模拟通道信号输入方式配置：主要配置包括：采样率、输入方式、幅值范 围、输入通道数。具体的模拟信号输入方式配置方法将在后续章节详细介绍。 p g i a ( p r o g r a m m a b l eg a i ni n s t r u m e n t a t i o na m p l i f i e r ) 是板卡自带的可编程仪 第3 章d c d c 变换器测试子系统的设计与实现 器放大器，用来选择输入信号的范围。它是个差分放大器，可抑制共模信号， 减小输入信号的稳定时间，放大或减弱信号使a d c 达到最大精度。 a d c ：即模数转换器，采用的是逐次逼近型模数转换电路，可获得较高的 采样速率。p x i 一6 2 5 1 板卡的分辨率是1 6 位，代表着每位数字码可表示的电压。 如选用1 0 v 的范围时，每位代表的电压范围为型掣：3 0 5 “g 。选择小的 2 “ 输入范围可以提高采集分辨率。 a il o w p a s sf i l t e r ：根据香农采样定理，为了防止混叠现象的产生，最低采 样速率必须是信号最大频率的两倍。一般在数据采集卡中都有模拟抗混叠滤波 器电路如低通滤波器，可以减小噪声并降低混叠( a l i n i n g ) 。 数据采集卡还有一个重要指标微分非线性度( d n l ) 1 1 9 】：在理想情况下， 提高一个数据采集设备上的电压值时，模数转换器上的数字编码也应该线性增 加。对一个理想的模数转换器测定电压值与输出码的关系，绘出的线应是一条 直线。这条理想直线的离差被定义为非线性度。d n l 是指以l s b 为测量单位， 和1 l s b 理想值的最大离差。一个理想的数据采集设备的d n l 值为0 ，一个好 的数据采集设备的d n l 值应在士0 5l s b 以内。 在实际数据采集应用中应选择合理的通道采样顺序：避免从大的电压范围 通道切换至小电压范围通道，一般从小范围切换到大范围；可在大范围通道a 与小电压范围通道c 之间插入一个接地通道b ，b 通道可接至a i g n d ，并选择与 c 通道相同的电压范围；若相邻通道有相同的电压范围，避免所采集的信号有较 大的电压差异；避免采样率过高，相对低的足够的采样率可以使p g i a 有更多的 时间达到稳定i l 引。 ( 2 ) 同步采集与异步采集 自动测试系统的测试对象比较复杂，测试特征往往通过多种信息表征出来。 常用的测试方法是从不同角度用多种信号来测试被测对象，再用多类数据来共 同描述被测对象。 d c d c 变换器的信号特征就通过输入电压、输入电流、输出电压、输出电 流、温度等多个参数来表示。由于模拟信号通常都是时间的函数，频率非常高， 随时间变化很快，且信号之问的信息相关度很高。比如测试d c d c 变换器的效 率参数，需要的同一时间点输入输出的电压电流参数才能确定。这就要求被测 的不同信号在时间上必须保持一致，得到的数据才能准确反映所测试的信号。 时间的一致性就需要由采集硬件的同步来保证。 第3 章d c d c 变换器测试子系统的设计与实现 同步采集 同步采集板卡的基本结构如图3 4 所示。 d 触发信号 硼 信号 覆撮 信号 覆担 信号 图3 4 同步采集板卡基本结构 p x i 总 线 数据采集卡内部有一个基准时钟，当采用同步采集时，所有采集通道都采 用此时钟或者由基准时钟分频得到的采样时钟作为触发时钟【6 】。要实现严格的多 通道采集，每个采集通道都必须有自己独立的a i d 转换器，否则不能实现严格 意义上的同步。d c d c 变换器电气参数监测子系统就是采用了p x i 6 1 3 3 同步数 据采集卡来完成相关电气参数的采集。 异步采集 异步采集板卡的基本结构如图3 5 所示。 圃曰 一 一 第3 章d c d c 变换器测试子系统的设计与实现 图3 5 异步采集板卡基本结构 p x i 总 线 一圃 帼 异步采集板卡也有多个模拟信号通道，但并不是每个模拟通道都配置一个 模数转换器。异步采集卡的通道一般共用一个采样时钟和a d ，在a d 之前有 一个多路开关( m u x ) 、放大器( a m p ) 以及采样保持器等。各通道之间并不 是同步采集，而是通过多路开关的高速切换实现的顺序采集。d c d c 变换器环 境参数测试系统就采用了p x i 6 2 5 1 异步数据采集卡来完成相关温度参数的采 集。 对于共用一个a d 转换的异步采集卡来说，单个通道采样时间由完成模数 转换过程所需时间和硬件恢复到能够正常采样状态所需时间构成，而所有通道 均完成一次扫描后才能够进行第二次扫槲6 】【z 4 1 。 3 2 电气参数测试子系统 电气参数监测子系统的主要功能是监测d c d c 变换器的电气参数，同步监 测d c d c 变换器的输入电压、输入电流、输出电压、输出电流，并计算出实时 的功率、效率等参数。 3 2 1 电压、电流传感器的选型 根据上一节提出的p x i 系统传感器的特性及选型原则，电压、电流传感器 选择霍尔传感器。霍尔电流、电压传感器变送器模块是当今电子测量领域中应 张器 张器 ： 张鹪 第3 章d c d c 变换器测试子系统的设计与实现 用最多的传感器件之一，可广泛应用于电力、电子、交流变频调速、逆变装置、 电子测量和开关电源等领域【1 0 1 2 3 1 。霍尔传感器可以替代传统的互感器和分流器， 并具有精度高、线性好、频带宽、响应快、稳定性好、非接触、过载能力强和 不损失测量电路能量等优点。 ( 1 ) 电压传感器选取南京托肯( t o k e n ) 公司的t b v l 0 2 5 a 系统霍尔电压传 感器，该系列电压传感器的初、次级之间是绝缘的，可用于测量直流、交流和 脉冲电压。其电参数如下表所示。 表3 1t b v l 0 2 5 a 霍尔电压传感器电参数 额定输入有效值电流 1 0 m a 测量电流范围 1 4 m a 测量电阻1 0 0 1 9 0 q 额定输出有效值电流 2 5 0 5 v 电源电压1 5 v 匝比2 5 0 0 ：1 0 0 0 零电流失调 0 1 m a 电流失调温漂 0 5 m a 线性度0 2 f s 响应时间 7 u s 工作温度 4 0 + 8 5 该霍尔电压传感器在传感器输入电流为额定初级电流时传感器有最佳精 度，因此传感器应尽量测量与1 0 m a 的初级电流相对应的电压。d c d c 变换器 的电压测量范围为0 一- , 5 0 0 v ，故设计原边电阻冠计算如下： r ：5 0 k q (31)1 5 0 0 v l o m a 选取足后，电压传感器输入范围为0 - 5 0 0 v ，对应的线性输出0 - - 一2 5 m a 的 电流信号至信号调理电路。 ( 2 ) 电流传感器选取南京托肯( t o k e n ) 公司的t k c 2 0 0 e k a 系列霍尔电流 传感器。该系列霍尔可拆卸电流传感器是应用霍尔效应原理开发的新一代电流 传感器，能在电隔离条件下测量直流、交流、脉冲以及各种不规则波形的电流。 其电参数如下表所示。 第3 章d c d c 变换器测试子系统的设计与实现 表3 2t k c 2 0 0 - e k a 系列霍尔电流传感器电参数 额定输入电流2 0 0 a 测量电流范围 4 0 0 a 额定输出电压 4 _ - 4 - 1 v 电源电压 1 5 v 失调电压 2 0 m v 失调电压漂移 1 i n v 线性度 1 f s 响应时间7 u s 工作温度 _ 4 0 + 8 5 该霍尔电流传感器是电压输出型传感器，d c d c 变换器的电流测量范围为 0 - 4 0 0 a ，对应的线性输出0 一- - 8 v 的电压信号至信号调理电路。 3 2 2p x l - 6 1 3 3 同步数据采集卡 p x i 6 1 3 3 是美国n i 公司发布的s 系列高速多通道同步数据采集卡。该系列 数据采集卡采用了最新的p c 数据采集技术与高性能的电子元器件，主要应用于 航空、汽车电子、工业控制等领域【1 7 】。由于每个模拟输入通道都配置了很高的 采样速率，p x i 6 1 3 3 可以快速同步捕捉到信号的瞬变值，可以很好满足d c d c 变换器的电气参数测试需求。 与传统的多路开关复用的数据采集卡相比，p x i - - 6 1 3 3 可以为每个采集通道 设置更高的采样率，更好的动态范围。数据采集板卡上也设置了更大的输入输 出缓存，并可以设置多种信号输入范围。其基本参数见表3 3 所示。 表3 3p x i - 6 1 3 3 基本参数 模拟输入通道数目 8 a d c 分辨率1 4 位 每通道最高采样率 2 5 m s s 输入阻抗( a i + 、a i )1 0 0 m q 输入耦合方式 直流 第3 章d c d c 变换器测试子系统的设计与实现 最高输入电压( a i + 、a i ) 1 3 v 输入输出缓存 3 2 m s 数据传递方式d m a 、中断、可编程i o d n l0 2 5 l s b 输入范围1 2 5 v 2 5 v , 5 v 1 0 v 数字m8 路，t t l 计数器定时器2 个，2 4 位 触发器模拟触发、数字触发 3 2 3 电压、电流信号调理电路 电气参数测试子系统的信号调理电路主要完成2 路电压、2 路电流的信号调 理功能。信号调理电路提供外部霍尔传感器1 5 v 的电源激励。由于测试系统 所处的d c d c 电磁环境噪声较大，信号调理功能主要考虑滤波环节，以及与数 据采集卡的阻抗匹配。另外，在信号传输通路中模拟电子元器件及传感器的存。 在，不可避免的存在零漂与温漂，故考虑在电路中引入校正环节【2 5 1 。 ( 1 ) 电压传感器的信号调理电路 o r 1+ l w 图3 6 电压传感器信号调理电路 图3 6 所示的是电压传感器信号调理电路，为d c d c 变换器的输入电压、 输出电压2 路传感器输出提供信号调理，图中仅列出一路信号调理方式。接插 件c o n 的1 5 v 电压给外部传感器供电。霍尔电压传感器输出的是0 - - 一2 5 m a 第3 章d c d c 变换器测试子系统的设计与实现 的电流信号，后接4 0 0 q 的精密电阻r 2 转换成电压信号v l 。 y l = i * r 2( 3 2 ) 可知v 1 的范围为0 - 1 0 v 。d c d c 变换器0 - - 5 0 0 v 的输入电压范围，经过 电压传感器及精密电阻输出后转变成0 - 1 0 v 的电压信号进入后续信号调理电 路。 可得线性系数k 1 的值为： k ：型：5 0 (33)t l o m a x 3 0 8 为8 选i 模拟开关，通过e n 、a 0 、a 1 、a 2 外接数字采集卡的数 字i ot t l 电平p 0 0 - p 0 4 输出选通。m a x 3 0 8 的选通真值表如表3 4 所示： 表3 4i d a x 3 0 8 选通真值表 a 2a la 0e no ns w i c h 0n o n e o0oll 0oll2 olol3 0lll4 lool5 loll6 ll017 ll l i8 m a x 3 0 8n 0 8 通道接一个+ 5 v 的精密电压源，该电压源可为该模拟通道电 路提供精密校正功能。n 0 7 通道接测试系统的模拟地。在模拟通道开始工作之 前，通过m a x 3 0 8 的开关分别选通+ 5 v 电压源与模拟地进行通道校正。该电压 源由精密基准电压芯片m a x 6 2 5 0 提供。m a x 6 2 5 0 是由m a x i m 公司提供的一款 高精度基准电压源，具有低噪声、低温漂等特性。整个芯片的可由8 - - - 3 6 v 的单 电源供电，温度系数仅为l p p m 。c ，输出的+ 5 v 基准电源精度高达0 0 2 。 m a x 6 2 2 5 的芯片引脚及外围电路如图3 7 所示。 3 2 第3 章d c d c 变换器测试子系统的设计与实现 + 1 5 v 图3 7m a x 6 2 5 0 引脚及外围电路 c 2 2 u f 考虑到测试系统工作环境电磁干扰较严重，所以在调理电路中加入了滤波 环节，以防止干扰信号使系统测试精度降低。由于电磁噪声干扰主要由相应干 扰的基波及高次谐波存在，故在信号调理电路中引入低通滤波环节。滤波电路 分为无源滤波和有源滤波电路。若滤波电路仅由无源器件( 电阻、电容、电感) 组成，则成为无源滤波电路。若滤波电路不仅由无源元件，还有有源元件( 双 极型管、单极型管、集成运放) 组成，则称为有源滤波电科2 5 1 。无源滤波电路 的通带放大倍数及其截止频率都随负载而变化，这个缺点通常不符合信号处理 的要求。为了使负载不影响滤波特性，可在无源滤波电路和负载间加入一个高 输入阻抗低输出阻抗的隔离电路，最简单的方法就是加一个电压跟随器构成有 源滤波电路。如图3 6 所示，采用二阶低通滤波器能较好的符合d c d c 变换器 的电气参数测试要求。图中有源滤波采用的运放选取高精度运算放大器o p 0 7 。 选取r 3 = 2 0 k , r 4 = 5 3 k , c 1 - - 0 2 2 u f , c 2 = l u f ，根据二阶低通滤波器的计算公式 【2 6 1 ，可得截止频率为： f , - - 0 3 7 二= o 3 7 ( 丽1 ) 3 8 5 k h z ( 3 4 ) 电压传感器的信号经过信号调理之后最终送入数据采集卡p x i - - 6 1 3 3 a i 通 道。d c d c 变换器输入电压信号接入a i o 通道，输出电压接入a 1 1 通道。此时 的信号是参考于模拟地的单端信号，从测量的e m c 、测试精度等方面考虑，可 以有多种测量接入方式，具体的连接方式将在本章后续章节详细讨论。 ( 2 ) 电流传感器信号调理电路 电流传感器信号主