交流傳動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試性能提升優(yōu)化方案

王鵬魁，周小玲，程 浩，王益民，徐偉專

（1.株洲中車時(shí)代電氣股份有限公司，湖南 株洲 412001；2.湖南銀河電氣有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410600）

0 引言

交流傳動(dòng)牽引控制技術(shù)在軌道交通、工業(yè)傳動(dòng)、風(fēng)力發(fā)電、船舶、電動(dòng)汽車等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，相關(guān)的牽引傳動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)品具有高開(kāi)關(guān)頻率、高效率等技術(shù)優(yōu)勢(shì)。為了更加準(zhǔn)確地評(píng)估其性能，對(duì)交流傳動(dòng)測(cè)試技術(shù)提出了更高的要求，主要體現(xiàn)在采樣率、帶寬、精度等方面。目前虛擬儀器技術(shù)在各行各業(yè)[1-5]均有著廣泛的應(yīng)用，主要是在通道數(shù)較多、精度要求不高等場(chǎng)合進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，但是在高精度測(cè)試方面的研究較少。目前在變頻電量測(cè)試領(lǐng)域，相關(guān)技術(shù)的國(guó)際和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)尚屬空白，且國(guó)內(nèi)大部分工程技術(shù)人員還是依靠傳統(tǒng)的功率分析儀和示波器進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試成本高、效率低且通道數(shù)受限等問(wèn)題突出。針對(duì)測(cè)試技術(shù)中存在的難點(diǎn)，本文從測(cè)試系統(tǒng)角度出發(fā)，梳理了交流傳動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)中的硬件和軟件方面的關(guān)鍵技術(shù)，通過(guò)運(yùn)用相關(guān)的理論計(jì)算及實(shí)測(cè)驗(yàn)證，定量分析影響系統(tǒng)精度的關(guān)鍵參數(shù)并逐一進(jìn)行改善和提升。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

本文所述交流傳動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)[1]主要用于軌道交通機(jī)車車輛用牽引變壓器、牽引變流器、牽引電機(jī)等產(chǎn)品的測(cè)試，參考標(biāo)準(zhǔn)有GB/T 25122.1—2018《軌道交通 機(jī)車車輛用電力變流器 第1部分：特性和試驗(yàn)方法》和GB/T 25117—2020《軌道交通 機(jī)車車輛牽引系統(tǒng)組合試驗(yàn)方法》等。系統(tǒng)主要包括測(cè)量柜、轉(zhuǎn)矩/轉(zhuǎn)速傳感器、數(shù)據(jù)采集設(shè)備和上位機(jī)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中測(cè)量柜包含電壓、電流傳感器和調(diào)理模塊，數(shù)據(jù)采集設(shè)備包括數(shù)采機(jī)箱、PXI控制器和數(shù)據(jù)采集板卡，上位機(jī)包括工控機(jī)和測(cè)試軟件[1,6]。

圖1 交流傳動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 System structure block diagram of the AC drive test system

測(cè)量柜主要負(fù)責(zé)將高壓、大電流信號(hào)調(diào)理成可供其他數(shù)據(jù)采集設(shè)備采集的小信號(hào)。如采用電壓傳感器將高壓側(cè)電壓（0～2 800 V）轉(zhuǎn)換成小電壓信號(hào)（0～10 V）；采用電流傳感器將大電流信號(hào)（0～2 000 A）轉(zhuǎn)換成小電流信號(hào)（0～200 mA）。電流傳感器二次回路輸出電流范圍一般為0～200 mA，通過(guò)5 Ω, 25 Ω,50 Ω和75 Ω等調(diào)理電阻器轉(zhuǎn)換成0 ～ 10 V的標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)，調(diào)理電阻器精度為0.1%。

轉(zhuǎn)矩/轉(zhuǎn)速傳感器主要負(fù)責(zé)交流傳動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速測(cè)試。其基本原理是通過(guò)彈性軸和兩組磁電信號(hào)發(fā)生器，將被測(cè)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成具有相位差的兩組交流電信號(hào)，這兩組信號(hào)的頻率相同且與軸的轉(zhuǎn)速成正比，而其相位差的變化部分又與被測(cè)轉(zhuǎn)矩成正比。與扭矩儀配套的智能盒將數(shù)據(jù)通過(guò)CAN總線傳到數(shù)據(jù)采集卡。

數(shù)據(jù)采集設(shè)備主要負(fù)責(zé)信號(hào)的采集、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)傳輸，其程序涉及數(shù)據(jù)采集[1]、數(shù)據(jù)處理算法[1]程序和數(shù)據(jù)傳輸[1,4]，這些程序均被部署在數(shù)據(jù)采集設(shè)備的控制器中。

上位機(jī)主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的顯示、記錄和存儲(chǔ)，包含界面程序和通信程序。界面程序和通信程序被部署在工控機(jī)中，供用戶進(jìn)行遠(yuǎn)程操控。

表1 傳感器參數(shù)列表Tab.1 Sensor parameters

2 系統(tǒng)精度優(yōu)化方案

2.1 系統(tǒng)精度影響因素

從系統(tǒng)構(gòu)成可以得知，系統(tǒng)精度影響因素有以下幾個(gè)方面：

（1）傳感器精度

目前，系統(tǒng)電壓傳感器、電流傳感器和轉(zhuǎn)矩/轉(zhuǎn)速傳感器的精度分別是±0.4 %FS、±0.6 %FS和±0.2 %FS，精度普遍較低，具有較大的提升空間。待優(yōu)化的測(cè)試系統(tǒng)特征值相對(duì)誤差曲線如圖2所示，電壓相對(duì)誤差為±0.6 %，電流相對(duì)誤差為±0.9 %，功率相對(duì)誤差為±0.9 %。由圖可知，功率相對(duì)誤差曲線與電流相對(duì)誤差曲線趨勢(shì)基本一致，電流傳感器精度需要進(jìn)行優(yōu)化。從表1可以得知，電壓傳感器響應(yīng)時(shí)間為50 μs，電流傳感器響應(yīng)時(shí)間為小于1 μs，兩者的響應(yīng)時(shí)間相差較大，存在一定的響應(yīng)延時(shí)，因此需要進(jìn)行電壓傳感器性能優(yōu)化或軟件補(bǔ)償。

圖2 待優(yōu)化測(cè)試系統(tǒng)特征值相對(duì)誤差曲線Fig.2 Relative error curve of characteristic values of the test system to be optimized

（2）調(diào)理電路精度

系統(tǒng)給電流傳感器配套了調(diào)理電路，其調(diào)理精度受限于調(diào)理電阻器精度。目前已有0.05%精度的調(diào)理電阻器，其應(yīng)用可以進(jìn)一步提升調(diào)理電路的精度，同時(shí)提升電流測(cè)量精度。

（3）信號(hào)同步性

系統(tǒng)電性能參數(shù)采用高精度同步采集卡采集，板卡間通過(guò)機(jī)箱背板總線連接，電信號(hào)同步性較優(yōu)。而轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速等機(jī)械參數(shù)則通過(guò)與轉(zhuǎn)矩/轉(zhuǎn)速傳感器配套的智能盒CAN總線傳送到PXI控制器，無(wú)法很好地保證機(jī)械參數(shù)和電性能參數(shù)的同步性。

2.2 系統(tǒng)優(yōu)化方案

針對(duì)上述問(wèn)題，系統(tǒng)從以下3個(gè)方面進(jìn)行優(yōu)化：

（1）采用分壓器和高精度傳感器

系統(tǒng)采用分壓器、高精度電流傳感器和轉(zhuǎn)矩/轉(zhuǎn)速傳感器，詳見(jiàn)表2。

表2 傳感器參數(shù)列表Tab.2 Sensor parameters

（2）采用高精度I/V轉(zhuǎn)換模塊

I/V轉(zhuǎn)換模塊[2]采用高精度、寬頻帶、雙極型的變換器，主要面向要求超高準(zhǔn)確度的直流、交流以及脈沖電流測(cè)量和計(jì)量領(lǐng)域。其原理如圖3所示，主要由高精度、低溫漂取樣模塊和信號(hào)運(yùn)算放大模塊組成。其中信號(hào)運(yùn)算放大模塊具備零位調(diào)節(jié)和增益調(diào)節(jié)功能，其線性度<1×10-5，低溫度系數(shù)為2×10-6/K,年穩(wěn)定性為5×10-5。

圖3 I/V變換模塊原理框圖Fig.3 Block diagram of I/V transform module

（3）采用轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速信號(hào)同步采集

如表2描述，轉(zhuǎn)矩信號(hào)和轉(zhuǎn)速信號(hào)均為脈沖信號(hào)，通過(guò)將該信號(hào)接入同步采集卡，使之與電性能參數(shù)被同步采集，解決原有系統(tǒng)同步性差的問(wèn)題，同步精度可達(dá)微秒級(jí)。通過(guò)分別計(jì)算轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速信號(hào)的頻率來(lái)得到相應(yīng)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，其中式(1)、式(2)中頻率（f1和f2）計(jì)算算法采用成熟的時(shí)域頻率計(jì)算算法[1]或快速傅里葉變換（FFT）方法[1,4]。

式中：n——實(shí)際轉(zhuǎn)速，r/min；f1——轉(zhuǎn)速信號(hào)頻率，Hz；p——轉(zhuǎn)速編碼器齒數(shù)，個(gè)。

式中：T——實(shí)際轉(zhuǎn)矩，N·m；TN——滿量程轉(zhuǎn)矩，N·m；f2——轉(zhuǎn)矩信號(hào)頻率，Hz，頻率范圍為（10±5）kHz。

3 方案理論分析

本文主要針對(duì)硬件和軟件兩個(gè)方面的內(nèi)容進(jìn)行方案理論分析，其中硬件優(yōu)化涉及傳感器精度和帶寬、A/D采樣電路；軟件優(yōu)化包括相位補(bǔ)償算法、總有效值算法和總有功功率計(jì)算算法。

3.1 硬件優(yōu)化

3.1.1 分壓器精度和帶寬

分壓器[7]主要采用阻容網(wǎng)絡(luò)分壓，以達(dá)到高精度、寬頻帶的分壓測(cè)量特性。目前分壓器的精度能夠達(dá)到0.3 %，帶寬可達(dá)DC -100 kHz。分壓器阻容網(wǎng)絡(luò)原理如圖4所示。

圖4 阻容網(wǎng)絡(luò)原理圖Fig.4 Schematic diagram of resistor-capacitor network

圖4中，阻容網(wǎng)絡(luò)用于實(shí)現(xiàn)分壓功能。其中R1和C1組成高壓臂阻容網(wǎng)絡(luò)，R2和C2組成低壓臂阻容網(wǎng)絡(luò)，分壓比公式為

式中：β——分壓比；U1——高壓側(cè)電壓，V；U2——低壓側(cè)電壓，V；R1——高壓側(cè)電阻，Ω；C1——高壓側(cè)電容，F(xiàn)；R2——低壓側(cè)電阻，Ω；C2——低壓側(cè)電容，F(xiàn)。

當(dāng)R1C1=R2C2時(shí)，式(3)可被簡(jiǎn)化為

由式(4)可知，只要保證R1C1=R2C2，則分壓比與頻率無(wú)關(guān)，不會(huì)在測(cè)量高頻信號(hào)時(shí)形成角度差，從而減少角度差對(duì)系統(tǒng)功率計(jì)算結(jié)果造成的影響。對(duì)比表1和表2可知，分壓器的精度和響應(yīng)時(shí)間參數(shù)較電壓傳感器參數(shù)均有較大提升。

3.1.2 A/D采樣電路[6]

模擬信號(hào)通過(guò)雙絞屏蔽線路被接入數(shù)據(jù)采集卡信號(hào)輸入端（即AI+和AI-），差分輸入可以減少干擾信號(hào)的疊加影響。信號(hào)經(jīng)過(guò)多路復(fù)用器、可選的線路濾波器等進(jìn)入A/D采樣電路，通過(guò)隔離器將數(shù)字信號(hào)和背板總線相連，實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)的傳輸。數(shù)據(jù)采集卡原理如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)采集卡原理框圖Fig.5 Block diagram of data acquisition card

分辨率是數(shù)據(jù)采集設(shè)備的精度指標(biāo)之一，一般使用A/D轉(zhuǎn)換器的數(shù)字位數(shù)來(lái)表示，數(shù)字位數(shù)越多，其分辨率越高。通常采用的16位A/D轉(zhuǎn)換器，其數(shù)字分段可達(dá)到216=65 536位。當(dāng)電壓量程范圍設(shè)為0～10 V時(shí)，可以檢測(cè)到的最小電壓為10 V/65536=0.152 6 mV；但若將電壓量程范圍設(shè)為0～5 V，則可以檢測(cè)到的最小電壓為5 V/65536=0.076 3 mV，相當(dāng)于把設(shè)備的分辨率提高了1倍，針對(duì)在信號(hào)幅值本身較小的測(cè)試工況，分辨率的提升對(duì)測(cè)試精度提升效果較為明顯。

3.2 軟件優(yōu)化

3.2.1 相位補(bǔ)償算法

由于電流傳感器的響應(yīng)時(shí)間小于1 μs，在補(bǔ)償過(guò)程中，電流傳感器的響應(yīng)時(shí)間可被忽略不計(jì)，而主要關(guān)注分壓器的延時(shí)或角度的影響?？赏ㄟ^(guò)軟件算法來(lái)補(bǔ)償分壓器的延時(shí)影響，從而提升功率計(jì)算的精度。

根據(jù)表3并結(jié)合當(dāng)前的基波頻率f[6,8]，就可以獲得延時(shí)角度Δφ（弧度）。f可利用快速傅里葉方法[3]獲得，通過(guò)軟件算法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)查詢表3，就能獲得當(dāng)前電壓信號(hào)的相位差值；將此差值引入到基波功率計(jì)算中進(jìn)行基波相角φ1相位補(bǔ)償，可補(bǔ)償因分壓器相角誤差對(duì)基波功率的影響，從而提升基波功率計(jì)算的精度。

表3 分壓器相位差列表Tab.3 Phase difference list of voltage divider

3.2.2 總有效值算法

按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3859.1—2013《半導(dǎo)體變流器 通用要求和電網(wǎng)換相變流器 第1部分：基本要求規(guī)范》第3.10.11節(jié)規(guī)定，總諧波畸變最高諧波分析次數(shù)是50次。按照標(biāo)準(zhǔn)TB/T 3523—2018[9]《交流傳動(dòng)電力機(jī)車試驗(yàn)方法 第2部分：輸入特性試驗(yàn)》中第3.1.2.3節(jié)規(guī)定的綜合電流畸變率計(jì)算公式，其諧波分析的最高次數(shù)是100次，則電壓、電流總有效值[4-6]為

式中：Un——第n次電壓幅值，V；In——第n次電流幅值，

通用變頻器開(kāi)關(guān)頻率為400 Hz，一般而言，諧波分析到變流器開(kāi)關(guān)頻率的5～10倍(即2～4 kHz)就已經(jīng)足夠。目前交流傳動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)諧波分析次數(shù)為100次，即式(5)和式(6)中n最大值為100。以基波頻率50 Hz信號(hào)為例，分析到100次諧波，其頻率為5 kHz，大于4 kHz（開(kāi)關(guān)頻率的10倍），能夠更客觀地描述非正弦信號(hào)的總有效值。

3.2.3 總有功功率[8-10]算法

對(duì)于非正弦周期交流電，將周期交變電壓、電流進(jìn)行傅里葉變換，有功功率計(jì)算公式還可以表示為

式中：φn——第n次相角。

從式(7)可以看出，有功功率總有效值需要被分析到∞次，從理論分析角度而言是可以，但是實(shí)際測(cè)試時(shí)不可能分析到∞次，由于沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，有功功率總有效值存在不一致的問(wèn)題。目前交流傳動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)定義分析到100次，即式(7)中n最大值為100。

根據(jù)上述方案對(duì)交流傳動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的硬件和軟件進(jìn)行優(yōu)化提升，搭建了一套高精度交流傳動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行牽引傳動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)品的性能數(shù)據(jù)測(cè)試。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果

為了驗(yàn)證交流傳動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)優(yōu)化方案的正確性，本文主要通過(guò)不同類型的電壓傳感器對(duì)相同信號(hào)進(jìn)行采集對(duì)比來(lái)驗(yàn)證帶寬提升的效果，通過(guò)與高精度功率分析儀測(cè)試結(jié)果進(jìn)行比對(duì)來(lái)驗(yàn)證系統(tǒng)精度提升的效果。轉(zhuǎn)矩特性試驗(yàn)為牽引傳動(dòng)系統(tǒng)必須進(jìn)行的型式檢驗(yàn)項(xiàng)目，不僅可以全面考核牽引系統(tǒng)從低轉(zhuǎn)速到額定轉(zhuǎn)速的功率和力矩發(fā)揮情況，同時(shí)可以考核交流傳動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)在不同頻率點(diǎn)下性能參數(shù)測(cè)試結(jié)果的一致性水平。本次試驗(yàn)驗(yàn)證主要采用標(biāo)準(zhǔn)IEC 61377-2016[11]中轉(zhuǎn)矩特性試驗(yàn)方式，進(jìn)行升速（從最低轉(zhuǎn)速到最高轉(zhuǎn)速）工況下數(shù)據(jù)測(cè)試比對(duì)，并繪制出與高精度功率分析儀測(cè)試結(jié)果相對(duì)誤差曲線。

4.1 系統(tǒng)帶寬提升

由于之前電壓傳感器的帶寬為DC -6 kHz(-3dB),測(cè)試系統(tǒng)的采樣頻率為50 kS/s，系統(tǒng)實(shí)際帶寬由最小帶寬決定，即6 kHz。圖6示出采樣頻率為50 kS/s時(shí)所采集的電壓傳感器和分壓器波形圖，其中被測(cè)波形為通用變頻器輸出PWM電壓波形?？梢钥闯?，由于電壓傳感器的帶寬比較窄，所測(cè)試的波形已經(jīng)嚴(yán)重失真，而采用分壓器能夠很好地呈現(xiàn)出PWM電壓波形。

圖6 50 kS/s采樣頻率采集電壓傳感器和分壓器波形圖Fig.6 Waveforms of 50 kS/s sampling frequency acquisition voltage sensor and high voltage divider

4.2 系統(tǒng)測(cè)試精度提升

圖7～圖9示出交流傳動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)通過(guò)硬件和軟件提升后電壓、電流和功率相對(duì)誤差曲線，其測(cè)試精度均在0.4%以內(nèi)。

相對(duì)誤差[12]計(jì)算方法為

式中：T1——交流傳動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果（電壓、電流和功率）；T2——高精度功率分析儀測(cè)試結(jié)果（電壓、電流和功率）；σ——各特征值相對(duì)誤差，%。

圖7 電壓相對(duì)誤差曲線Fig.7 Relative error curve of the voltage

圖8 電流相對(duì)誤差曲線Fig.8 Relative error curve of the current

圖9 功率相對(duì)誤差曲線Fig.9 Relative error curve of the power

5 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了交流傳動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)構(gòu)成，并針對(duì)系統(tǒng)的硬件部分和軟件部分關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了理論分析和公式計(jì)算研究。通過(guò)硬件精度及帶寬的提升和軟件算法的相角補(bǔ)償并經(jīng)諧波次數(shù)分析，結(jié)果顯示系統(tǒng)測(cè)試的特征值相對(duì)誤差均控制在0.4%以內(nèi)，表明此次硬件和軟件方面的改進(jìn)對(duì)系統(tǒng)的精度提升起到了關(guān)鍵作用，為行業(yè)內(nèi)應(yīng)用提供了參考，可以推動(dòng)行業(yè)測(cè)試結(jié)果一致性的提升，促進(jìn)交流傳動(dòng)測(cè)試技術(shù)的升級(jí)應(yīng)用，具備很好的推廣應(yīng)用價(jià)值。

本文的研究成果在一定程度上能夠滿足未來(lái)更高效率、更高性能變頻器及傳動(dòng)系統(tǒng)的測(cè)試要求，研究結(jié)果表明系統(tǒng)測(cè)試的功率誤差曲線與電流誤差曲線趨勢(shì)一致，電流測(cè)試精度的提升將是系統(tǒng)測(cè)試精度持續(xù)提升的關(guān)鍵，也是交流傳動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中需要重點(diǎn)研究和考慮的內(nèi)容。后續(xù)將進(jìn)一步優(yōu)化數(shù)據(jù)采集設(shè)備硬件，將高精度電流傳感器輸出的電流信號(hào)直接輸入數(shù)據(jù)采集設(shè)備，從而充分發(fā)揮高精度電流傳感器的性能。