（信号与信息处理专业论文）可控ipm的pwm信号源及ipm测试系统的研究.pdf

可控i p m 的p w m 信号源及i p m 测试系统的研究 摘要 变频产品中普遍使用的智能功率模块i p m ( i n t e l l i g e n tp o w e rm o d u l a t i o n ) 是 电力集成电路的一种。该模块具有集成度高，功率因数高，丌关速度快和可靠 性好的特点，它的智能主要体现在易实现控制功能、保护功能和接口功能。目 前国内尚无i p m 的测试系统制造商，也未建立i p m 相关的测试标准。本文旨 在通过对可控i p m 的p w m 信号源及i p m 测试系统的研究，为生产i p m 或直 接选用1 p m 生产变频产品的厂家提供可借鉴的测试方法，促进i p m 的国产化。 本文的主要研究工作如下 系统学习了i p m 的工作原理及测试中所用仪器的工作特性，深入研究了数 据采集及信号调理的相关知识；熟练掌握了组建测试系统的基本知识；能 熟练运用l a b v i e w 编制虚拟仪器程序。 针对i p m 的控制原理，深入分析了p w m 技术及其实现算法；采用平均对 称规则采样算法，运用图形化编程语言l a b v i e w 实现了虚拟s p w m 控制 信号源；该信号源可产生可控i p m 的三相六通道胃具有i p m 自保护功能的 s p w m 信号。输出信号的载波频率在1 0 0 h z 一1 0 k h z 范围内连续可调。 深入研究了i p m 模块的待测参数的特性及测试条件，设计了基于数据采集 卡的基本型现代测试系统；用l a b v i e w 编制虚拟仪器测试程序，通过对采 集的数据进行分析与处理测出i p m 的电气参数。 关键词：智能功率模块虚拟仪器测试系统脉冲宽度调制l a b v i e w 数掘采集 卡 r e s e a r c ho nt e s ts y s t e mo fi p ma n dp w m s i g n a ls o u r c e a b s t r a c t i p m ( i n t e l l i g e n tp o w e rm o d u l a t i o n ) t h a th a sb e e nw i d e l yu s e di nt h ef i e l do f f r e q u e n c yc o n v e r s i o ni so n eo ft h ep o w e ri n t e g r a t ec i r c u i t i tp o s s e s s e so fh i g h i n t e g r a t e d ，h i g hs w i t c h - s p e e da n dh i g h - p o w e r ，a n ds i n c e i tc a nb ec o n t r o l l e d ， p r o t e c t e da n di n t e r f a c e de a s i l y ，t h e nw ec a l li ti n t e l l i g e n tm o d u l a t i o n ，a ss of a rt h e r e a r en oc o m p a n yi nc h i n a w h i c hc a np r o v i d ei p mt e s ts y s t e m ，e v e nt h o u g ht h e r ea r e h a v e n te s t a b l i s h e dt h es t a n d a r dt ot e s ti p m t h i sp a p e ra i m e da tt h r o u g ht h es t u d y o fp w m s i g n a ls o u r c ew h i c hc a nc o n t r o li p ma n dt h et e s ts y s t e mo fi p m ，w i s ht o f i n do u taf e a s i b l et e s tm e t h o dw h i c hc a nb ee f f i c i e n t l yu s e db ys o m ec o m p a n y w h i c hp r o d u c ti p m b r i n go ns o m ec h i n e s ec o m p a n yc a nm a k ei p mt h e m s e l v e s t h em a i nw o r ka n dc o n t r i b u t i o n so fd i s s e r t a t i o na r es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： t ob e g i nw i t h ，w er e s e a r c h e dd e v i c ec h a r a c t e r i s t i c sa n dc o n t r o lt h e o r yo fi p m d e e p l y ；l e a r ns o m es i g n i f yi n f o r m a t i o no fd a t aa c q u i r ea n ds i g n a lc o n d i t i o n a l m a s t e rt h et e c h n o l o g yo fv i r t u a li n s t r u m e n ta n dc a nu s el a l ：l v i e wt om a k es o m e p r o g r a m sp r o f e s s i o n a l l y f u r t h e r m o r e ，r e s e a r c hs o m ea r i t h m e t i co fp w m t e c h n o l o g y , g e n e r a t es p w m s i g n a ls o u r c e ，w h i c hb a s e do na v e r a g e s y m m e t r y s a m p l i n gm e t h o da n dl a b v i e w e n v i r o n m e n t t h i ss i g n a lh a st h r e ep h a s e sa n ds i xc h a n c e sw h i c hc a nb eu s e dt o c o n t r o li p m t h ef r e q u e n c yr a n g eo f t h i ss i g n a li sf r o m1 0 0 h zt ol o k h z l a s tb u tn o tl e a s t ，w es y s t e m i cs t u d yt h ec h a r a c t e ro fi p m ，a n dw h a tc o n d i t i o n i st h ec h a r a c t e ro fi p mc a nb ec o r r e c t l ym e a s u r e d d e s i g nt h et e s to fi p mt h a tb a s e d o nd a t aa c q u i r ec a r d a n du s el a b v i e wm a k es o m ep r o g r a mw h i c hc a nm e a s u r et h e p a r a m e t e ro fi p mt h r o u g ha n a l o g yt h ed a t aw h i c ha c q u i r e db yd a t aa c q u i r ec a r d k e yw o r d s ：i n t e l l i g e n t p o w e rm o d u l a t i o nv i r t u a li n s t r u m e n tt e s ts y s t e m p u l s ew i d t hm o d u l a t el a b v i e wd a t aa c q u i r ec a r d 图表清单 图2 ii p m 内部结构示意图4 图2 - 2i p m 内部保护电路示意图5 图2 - 31 p m 型号说明6 图2 - 4h f l p m 2 0 a o l 0 6 0 型智能功率模块外形图6 圈2 - 5h f i p m 2 0 a o l 0 6 0 型智能功率模块内部结构图7 图2 - 6h f i p m 2 0 a o l 0 6 0 刑智能功率模块外部连接幽7 幽2 7 测试系统功能模块框图， 1 1 图2 - 8 基本型的现代测试系统】2 图2 - 9 具有g p i b 总线接口的现代测试系统1 2 图2 1 0 闭环控制系统中的测试系统。1 2 图3 1s p w m 原理图1 5 图3 - 2 单极性控制与双极性控制1 6 图3 - 3 自然采样法1 8 图3 - 4 规则采样法。2 0 图3 - 5 平均对称规则采样2 1 图3 - 6 三相s p w m 虚拟信号发生器前面板2 1 图3 - 7 具有自保护功能的三相六通道s p w m 波形输出程序2 2 图3 - 8s p w m 信号脉冲宽度的计算，2 2 幽3 - 9 开通时间与荚断时间的计算2 3 图3 1 0 加入死区时间的s p w m 波形程序2 4 图3 1l 移相程序2 5 图3 - 1 2 加入了死区时问豹三相s p w m 信号波形2 5 图3 1 3 保护信号的采集2 5 图3 - 1 4 通过数字端口输s p w m 信号2 6 幽3 - 15 川数字示波器测得的单相s p w m 信号波形2 6 幽3 一】6s p w m 信号及其通过低通滤波器的波形：2 7 图3 1 7 载波频率低使滤山的波形有较多的皱波2 7 图3 一1 8 载波频率增大皱波减小2 8 图3 19 载波频率为2 k 时频谱图2 8 图3 2 0 载波频率为5 k 时频谱图2 9 图3 - 2 1 载波频率为1 0 k 时频谱图2 9 幽4 - 1i p m 测试系统r 作原理示意图3 1 图4 - 2i p m 驱动电路示意幽3 2 图4 - 3h c p l 4 5 0 4 的外形图与内部结构原理图3 3 图4 - 4h c p l 4 5 0 4 与i p m 的典型接口电路3 4 幽4 5i p m 驱动电路，3 4 幽4 - 6 数据采集电路示意图3 5 图4 7c d 4 0 5 3 3 7 图4 - 8 单管压降测试电路连接示意图3 7 图4 - 9 二选一开关选择控制信号时序图3 8 图4 - 1 0 控制信号的产生稃序3 8 图4 一l l 八选一模拟开芙控制信号产生程序3 9 图4 一1 2 理想情况r 测量单管压降的输出信号 图4 1 3 单管压降的测试程序 。，3 9 ，3 9 图4 1 4 类三角渡控制信号4 0 图4 1 5 开通与关断电压采集的信号波形4 l 图4 - 1 6 开通与荚断电压测试程序4 1 幽4 一1 7 上升时间与卜降时间示意幽4 2 幽4 1 8 上升时间与f 降时间的测颦程序，4 2 图4 1 9 开通时间与关断时间示意图4 3 幽4 2 0 开通时间与关断时间波形4 3 图4 2 1 开通与关断时间的测量程序4 4 图4 2 2i p m 保护电路示意图，4 4 剀4 2 3i p m 短路及过流保护操作4 5 图4 2 4 欠压保护测试电路连接示意豳4 6 图4 - 2 5 集电极发射极电流及相应的驱动信号4 6 图4 2 6 欠压保护电乎测试一4 6 幽4 2 7 过流保护采集的信号波形，4 7 蚓4 2 8i p m 过电流测试程序4 7 表4 - 】 表4 - 2 p m 待测参数表一 j s l 5 8 功能说明， 3 0 3 2 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得金魍王些太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位黻储签新梆签锢期：彩年护伊 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金筵王些太堂有关保留、使用学位论文的规定有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权金篷王些太 堂一可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位敝储签名力争昂 签字b 觏；移6 年96 窍| g 日 黧辅铽秽 裟勰黼蒯厅芬 电话： 邮编：乎j 7 、乙了 啃磊 霉也 各 期 签 日 师 字 导 签 致谢 本论文是在鲁昌华老师的精心指导和热切关怀下完成的。鲁老师渊博的学 识、求实创新的精神、严谨的治学态度和平易近人的工作作风，引导我在工作 中不断进步。没有他的悉心指导和无私帮助，就不会有今天的论文。 感谢鲁老师和刘老师对我生活上的关心与鼓励，事业上的大力支持与鼎力 相助。鲁老师和刘老师的忘我工作热情、坦诚待人、乐于助人，爱护学生给我 留下深刻印象。三年里跟他们不仅学到了知识，更学到了做人的道理。 感谢我的父母，没有他们伟大的无私的爱，没有他们的对我学业的大力支持 与任劳任怨，就没有今天的我。他们勤劳，朴实，善良的品质让已溶入我们血 液，他们的高传身教使我受益终身。 感谢合肥工业大学智能测试研究室的各位同学，特别是张尚启、张菲菲、苌 凝凝、李艳红等，你们给了我很多帮助和集体的温暖。 感谢所有在我困难时给我以帮助的朋友，在我困惑时给我以方向的朋友， 在我寂寞时陪伴过我的朋友。感谢所有关心过我的人。 乔永伟 2 0 0 6 年5 月 第一章绪论 变频调速技术以其调速范围宽、精度高、以及可靠性好的特性而受到人们 的青睐【”。实现变频调速技术的主要器件是变频器，而变频器的核心器件即为 智能功率模块( i p m - - i n t e l l i g e n tp o w e r m o d u l a t i o n ) 。该模块具有集成度高，开 关速度快，功率大的特点，它的智能主要体现在易实现控制功能、保护功能和 接口功能。本设计所测试的是厦门宏发声电有限公司生产的变频空调专用功率 模块h f i p m 2 0 a o l 0 6 0 ，采用的是基于数据采集卡和传感器的现代基本型测试 系统。 1 1 变频调速技术 变频调速技术是一种以改变电机频率和改变电压来达到电机调速目的的技 术。目前，无论哪种机械调速，都是通过电机来实现的。从大范围来分，电机 有直流电机和交流电机之分。由于直流电机调速容易实现。所以过去的调速， 多数采用直流电机，但直流机有其固有的缺点。因而出现了定子调速、变极调 速、滑差调速、转子串电阻调速、串极调速、液力偶和调速等交流调速方式。 从而出现了滑差电机、绕线式电机、同步机、等交流电机。到2 0 世纪8 0 年代， 由于电力电子技术，微电子技术和信息技术的发展，出现了对交流电机来说最 好的变频调速技术，它一出现就以其优异的性能逐步取代其它交流电机调速方 式，乃至直流电机调速，而成为电气传动的中椒5 6 1 2 ”1 。变频调速分为两种方 法：交一直一交变频和交一交变频。前者适用于高速小容量电机，后者适用于 低速大容量拖动系统f l j 。 1 2p w m 控制技术 变频器只有在控制信号的控制下才能实现变频的功能，可以说控制信号的 好坏直接决定变频器输出信号的优劣。常用的v v v f ( v a r i a h l e v o l t a g e v a r i a b l ef r e q u e n c y 一变频变压) 变频方式按调制方式可分为p a m ( p u l s e a m p l i t u d em o d u l a t i o n - - 脉冲幅度调制) 和p w m ( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n - - 脉 冲宽度调制) 。p w m 控制技术一直是变频技术的核心技术之一。1 9 6 4 年 a s c h o n u n g 和h s t e m m l e r 首先在 评论上提出把这项通讯技术应用到 交流传动中，从此为交流传动的推广应用开辟了新的局面1 52 0 , 2 8 , 5 4 。 从最初采用模拟电路完成三角调制波和参考正弦波比较，产生s p w m ( s i n u s o i d a lp w m 一正弦脉宽调制) 信号以控制功率器件的开关开始，到目前采 用全数字化方案，完成优化的实时在线的p w m 信号输出，可以说到目前为止， p w m 在各种应用场合仍占主导地位，并一直是人们研究的热点。 由于p w m 可以同时实现变频变压抑制谐波的特点，因此在交流传动乃至 其它能量变换系统中得到广泛应用。p w m 控制技术大致可以分为三类，s p w m ( 包括电压，电流或磁通的正弦为目标的各种p w m 方案，多重p w m 也应归 于此类) ，优化p w m 及随机p w m 。s p w m 已为人们所熟知，而旨在改善输出 电压、电流波形，降低电源系统谐波的多重p w m 技术在大功率变频器中有其 独特的优势( 如a b ba c s l 0 0 0 系列和美国r o b i c o n 公司的完美无谐波系列 等) ：而优化p w m 所追求的则是实现电流谐波畸变率( t h d ) 最小，电压利 用率最高，效率最优，及转矩脉动最小以及其它特定优化目标 2 “2 8 。 1 3 变频空调 变频技术通过对电流的转换来实现电动机运转频率的自动调节，把5 0 h z 的固定电网频率改为3 0 至1 3 0 h z 的变化频率，使空调完成了一个新革命；同 时，还使电源电压范围达到1 4 2 v 至2 7 0 v ，彻底解决了由于电源电压不稳造成 空调压缩机不能正常工作的难题【2 】。 所谓的“变频空调”是与传统的“定频空调”相比较而产生的概念。变频 器是它的核心部件。众所周知，我国的电网电压为2 2 0 伏、5 0 赫兹，在这种条 件下工作的空调称之为“定频空调”。由于供电频率不能改变，传统的定频空调 的压缩机转速基本不变，依靠不断地“_ 丌、停”压缩机来调整室内温度，其一 丌一关之间容易造成室温忽冷忽热，并消耗较多电能。而与之相比的“变频空 调”由变频器改变压缩机供电频率，调节压缩机转速，依靠压缩机转速的快慢 达到控制室温的目的，室温波动小、电能消耗少，其舒适度得到较大提高。运 用变频控制技术的变频空调，可根据环境温度自动选择制热、制冷和除湿运转 方式，使居室在短时间内迅速达到所需要的温度，并在低转速、低能消耗状态 下以较小的温差波动，实现了快速、节能和舒适控温效果。 供电频率高，压缩机转速快，空调器制冷( 热) 量就大；而当供电频率较 低时，空调器制冷( 热) 量就小，这就是所谓“变频”的原理。变频空调每次 开始使用时，通常是让空调以最大功率、最大风速量进行制冷或制热，迅速接 近所设定的温度。由于变频空调通过提高压缩机工作频率的方式增大了在低温 时的制热能力，最大制热量可达到同品牌同级别空调器的1 5 倍，低温下仍能 保持良好的制冷效果。另外由于风机的转速与空调器的能力配合较为合理，实 现了低噪音的宁静运行。在空调高功率运转时，迅速接近所设定的温度。这样 不但温度稳定，还避免了压缩机频繁地开开停停所造成的对压缩机寿命的衰减， 而且耗电量大大下降，实现了高效节能 2 8 , 2 9 。 1 4 变频器 变频器的出现是变频调速技术发展的必然产物。变频器亦叫电动机变频调 速器，是一种静止的频率变换器。它就是可以将输入的5 0 h z ( 中国的额定频率) 或6 0h z ( 月本、美国的额定频率) 恒定频率的交流电，变成可调频率的交流 电，供普通的交流异步电动机作用电源用的一种电力电子元器件。变频器以其 对电动机高效的驱动性能及良好盼控制特性而备受人们青睐，并争相使用。变 频器向前发展，一直是随着电力电子器件的发展而发展。只要电力电子器件有 的新的飞跃，变频器就一定有个新飞跃，必定有新的变频器出现。在2 0 世纪 5 0 年代出现了硅晶闸管( s c r ) ；6 0 年代出现了可关断晶闸管( g t o 晶闸管) ； 7 0 年代出现了高功率晶闸管( g t r ) 和功率场效应管( m o s f e t ) ；8 0 年代相 继出现了绝缘栅门控双极型功率晶闸管( i g b t ) 以及门控晶闸管( i g c t ) ；9 0 年代出现了智能功率模块( i p m ) 。只有这些元器件的出现，才相应出现了以这 些逆变器为主的变频器，反过来，变频器要求逆变器件有个理想的静态特性： 在阻断状态时，能承受高电压；在导通状态时，能大电流通过和低的的导通压 降，损耗小，发热量小；在开关状态转换时，具有短的开、关时涮，即开关频 率高，而且能承受高的d u d t ：全控功能，寿命长、结构紧凑、休积小等特点， 当然还要求成本低。上述这些电力电子器件有些是满足部分要求，有些是逐步 向这个方向发展，达到完善的要求口- 6 ，j 。 i 5 i p m 模块 i p m 模块是构成变频器的主要部件，更具体的说是构成逆变器的主要部 件。在控制信号的作用下i p m 可以把经过整流和滤波后得到的直流信号变为所 需频率的交流信号。它是在绝缘栅双极性晶体管( i g b t ) 的基础上，采用混合 集成电路工艺，将i g b t 芯片、栅极驱动电路、控制电路和过流、欠压、短路、 过热等保护电路集成为一体的新型控制模块。它是微电子技术和电力电子技术 最新发展的产品，具有低成本、小型化、高可靠性、易使用等优点。它的智能 主要表现在易实现控制功能、保护功能和接口功能( i ”。 1 6 课题意义 在当今这个电力不足的年代，变频技术以其节能的特性受到人们的青睐。但是目 前中国的变频技术同国外相比还有很大的差距，比如i p m 模块主要靠从r 本，美国进 口，国内生产i p m 模块的厂家很少，这些厂家所生产的i p m 模块其核心部件大部分也 都是从外国进口的，由于知识产权的问题，国内厂家在使用国外产品时，对其内部原 理不是很清楚，所以并不能达到最优化配置及最优性能，另外，售后维修费用昂贵。 因此，从经济及科技发展的角度来看，非常有必要推进i p m 的国产化，即必须促进国 内i p m 的规模化生产。要实现i p m 的规模化生产必须具备完善的测试方法及相关的测 试系统。国际上知名的变频器供应商主要有：日本富士电机、三菱电机、东芝电机、 德国西门子电器、a b b 公司等等。基于他们自身是大功率器件i g b t 的制造商，所以他 们生产的i p m 质量可靠，在国际变频器市场占绝对优势。本课题就是通过对可控i p m 的p w m 信号源及i p m 测试系统的研究，为生产i p m 或直接选用i p m 生产变频产品的厂 家提供可借鉴的测试方法2 ，5 】。 第二章智能功率模块及基于虚拟仪器的测试系统 2 1 智能功率模块 i p m 是先进的混合集成电力电子器件，由高速低功耗的i g b t ( i n s u l a t e d g a t eb i p o l a rt r a n s i s t o r 绝缘栅双极性晶体管) 芯片和优化的门极驱动及保护 电路构成。由于采用了能连续监测电力电子器件电流的有电流传感功能的i g b t 芯片，从而实现了高效的过电流保护和短路保护1 4 5 6 1 。由于i p m 集成了过热和 锁定保护电路，系统的可靠性得到进一步的提高。 三菱电机在1 9 9 1 年1 1 月首次推出全系列智能功率模块。此后在功率芯片、 封装和控制电路技术上不断改进推出第三代i p m 。第三代i p m 模块是为低功耗 的应用而设计的，以满足市场对工作频率2 0 k h z 以上的静音型变频器的需求。 h f i p m 2 0 a o l 0 6 0 功率模块即为第三代i p m 模块。它具有低成本、小型化、高 可靠性、易使用等优点。它的智能主要表现在易实现控制功能、保护功能和接 口功能 6 1 。 c 型 r 型 图2 ii p m 内部结构示意图 d 型 h 型 2 1 1 智能功率模块的结构 智能功率模块采用了许多在i g b t 模块己得到验证的功率模块隔离封装技 术。由于使用了新的封装技术，使得内置的栅驱动电路和保护电路能适用的电流 范围很宽，同时使造价维持于合理水平。小功率器件采用一种多层环氧树脂粘合 绝缘系统，而中、大功率器件采用陶瓷绝缘。i p m 有四种电路形式：单管封装( h ) 、 双管封装( d ) 、六合一封装( c ) 和七合一封装( r ) ，如图2 1 所示：图2 一l 为i p m 内 部结构示意图，驱动电路，保护电路及故障输出电路都没有画出，事实上每一 i g b t 支路的都含有如图2 2 所示的结构。由图2 2 可以看出i p m 模块将i g b t 芯片、栅极驱动电路、控制电路和过流、欠压、短路、过热等保护电路集成为 一体。更易实现控制功能、保护功能和接口功能【6 “”j 。 驱动输入 故障输出 电源 地 图2 - 2i p m 内部保护电路示意图 2 1 2 智能功率模块的控制原理 集电极 发射极 i p m 在外加驱动的情况下，在控制信号的作用下将经过整流滤波后得到的 直流信号变换为p w m ( 脉冲宽度可调) 信号，在图2 1 e 型结构中，t j t 6 为同一型号的i g b t 管，它们的理想特性是：当控制端予上的电压超过开通阈 值后，i g b t 导通，呈现短路状态，反之则呈现断路状态。d i d 6 为续流二极 管，起保护i g b t 管的作用。p ，n 为经整流滤波后得到的直流电的正端与负端， u ，v ，w 为输出三相电的相电压输出端。i p m 工作时如果同一桥臂的上下管 同时导通，则形成直流短路，烧毁器件。为避免短路，理论上要求同一桥臂上 下管的电压控制信号极性相反，但由于i g b t 管的开关需要一定的时间，故通 常情况是：一管开通时，另一管还没有完全关断，亦可形成直流短路，所以i p m 的控制信号源必须加入定的延迟时间( 死区时间) 来保证一管开通时另一管 己完全关断。死区时间的长短与i g b t 的制造工艺有关。综上所述，可控i p m 的控制信号源的要求为：加入死区控制的极性相反的三相六通道p w m 信号。 如果能在i p m 发生短路、过流、欠压，过热时各通道输出电压为零，则该控制 信号具有保护i p m 的功能。 213h f l p m 2 0 a o l 0 6 0 型智能功率模块 h f i p m 2 0 a o l 0 6 0 是厦门宏发声电有限公司生产的变频空调专用功率模块， 该型号i p m 为双列直插式智能功率模块( d i p i p m ) 。其命名规则，外形图、内 部结构图及外部连接图分别如图2 3 ，图2 - 4 ，图2 - 5 ，图2 6 所示。该型号功 率模块是一种集成度更高、内置功能更强、体积更小、更易使用的智能功率模 块，非常适用于小型化的家电空调器、电冰箱、洗衣机等、也可应用于变频 空调，变频器等马达控制。其控制端子可直接兼容5 vc m o s t t l 电平，故障 输出脉冲宽度可外部调节，过流保护阈值也可通过外部电阻来设置。该型号i p m 模块还具有如下特性 三相6 0 0 v 2 0 a 输出 内置三相i g b t 逆变单元及其驱动、保护电路，有过流、短路等保护功能。 具有电源欠压检测、保护和故障信号输出功能， h fd m2 0a0l0 6 0 幽2 - 3l p m 型号说明 图2 - 4h f i p m 2 0 a o l 0 6 0 型智能功率模块外形幽 w i - l i f 0 1 1 t v b 2 h i ： l l 。、i i 鬲h v i c = 上 。一 l 2 l 。卜f g i f t d i t r p 图2 - 5h f i p m 2 0 a o l 0 6 0 型智能功率模块内部结构图 逢! 耍 鸯 * ， t 主如砗 a ， 斗礓 * 舶 丽 埘 v 垤 _ 锰 ，m 珊 o 二酽( 工 丑 - g g 2 v 譬 w j 虿- 坷 t t r u ￥ w 鞍旬 迎：耍 量 哪h 一 口如 c “ 艿1 矿 中 c l o 图2 - 6h f i p m 2 0 a o l 0 6 0 型智能功率模块外部连接剧 7 ll；ll=l=m=2u 2 2 虚拟仪器技术 电子测量仪器经历了由模拟仪器、带i e e e 4 8 8 接口的智能仪器到全部可编 程的虚拟仪器的发展。其中每一次的飞跃无不以高性能计算机的发展为动力1 。 虚拟仪器技术以计算机为核心，配以少量的硬件支持，实现传统仪器的功能。 但这些硬件仅仅是为了解决信号的输入输出。软件才是整个虚拟仪器系统的关 键，是仪器功能的实现部分，增加不同的分析处理算法就可以获得不同的仪器 功能，所以有“软件就是仪器”之说。 虚拟仪器技术充分利用计算机强大的图形界面和数掘处理能力，提供对 测量数据的分析和显示功能。它功能强、精度高、实时性好、具有良好的人机 界面；数据可以进行编辑、存储和打印；基于软件的结构体系可以大大节省开 发费用，性价比高；具有和其他设备互连的能力；开发周期短，易于维护和升 级【8 ”1 。本设计种采用n i 公司的m 系列数据采集卡使p c i 一6 2 5 l 和瑞典战略 测试公司的p c i 接口高速数据采集卡一u f 2 4 8 ，来组建i p m 的测试系统，既大 大减少了测试的成本，又提高了测试的灵活性，缩短系统的开发周期。 l a b v i e w ( l a b o r a t o r yv i r t u a li n s t r u m e n te n g i n e e r i n gw o r k b e n c h ，实验室虚 拟仪器工作平台) 是美国n i ( n a t i o n a l i n s t r u m e n t ) 公司推出的一种基于g 语言 ( g r a p h i c sl a n g u a g e ，图形化编程语言) 的虚拟仪器软件开发工具，是目前国 际上应用最广的虚拟仪器丌发环境之一，也是唯一的基于数据流的编译型图形 编程环境。主要应用于仪器控制、数据采集、数据分析、数据显示等领域。 l a b v i e w 所使用的术语，图标和概念都是技术人员、科学家、工程师所熟悉的。 即使没有多少编程经验，同样也能利用l a b v i e w 来开发自己的应用程序pj 。 在l a b v i e w 环境下开发的应用程序称之为v i ( v i r t u a li n s t r u m e n t ) ，它主要由 用于人机交互的界面一前面板( f r o n tp a n e l ) 和相当于源代码功能的框图程 序一一后面板( b l o c kd i a g r a m ) 组成。前面板是虚拟的仪器面板，在这一界面 上有模拟仪器的输入装置并把数据提供给v i 的框图程序的控制量( c o n t r o l s ) 和模拟仪器输出装置并显示由框图程序获得或产生的数据的显示量 ( i n d i c a t o r s ) 。后面板又称代码窗口或流程图，是v i 图形化的源程序，是仪器 功能的具体实现。它包括前面板上对象的连线端子，函数( f u n c t i o n ) 、结构 ( s t r u c t u r e ) 和连线等8 j 2 3 数据采集技术 虚拟仪器中所用的硬件主要是完成数据的输入输出功能。主要包括传感器， 信号调理模块及数据采集硬件，它们是虚拟仪器的基础组成部分。 2 3 1 传感器和信号调理 传感器感应物理现象并生成数据采集系统可测量的电信号，为了适合数据采 集设备的输入范围，由传感器生成的电信号必须经过处理。为了更精确地测量 信号，信号调理配件能放大低电压信号或降低高电压信号，并对信号进行隔离 和滤波。 信号调理配件可用于各种重要的应用放大功能一放大是最为普遍的信号调 理功能。为了得到最高的分辨率，要对信号放大以使调理后信号的最大电压范 围和a d c 的最大输入范围相等，从而最大限度地降低噪声对读数的影响。常 用的信号调理主要包括：隔离，滤波，多路复用，线性化等。 隔离是为了安全目的把传感器的信号和数据采集卡相隔离。被监测的系统 可能产生瞬态的高压，如果不使用信号调理，这种高压会对数据采集卡造成损 害。使用隔离的另一原因是为了确保插入式数据采集设备的读数不会受到接地 电势差或共模电压的影响。当数据采集设备输入和所采集的信号使用不同的参 考”地线”，而一旦这两个参考地线有电势差，就会带来麻烦。这种电势差会产 生所谓的接地回路，这样就将使所采集信号的读数不准确；或者如果电势差太 大，它也会对测量系统造成损害。使用隔离式信号调理能消除接地回路并确保 信号可以被准确地采集。 滤波是指在所测量的信号中滤除不需要的信号。噪声滤波器用于如温度这 样直流信号，它可以衰减那些降低测量精度的高频信号。例如，许多s c x i 模 块在使用数据采集设备对信号数字化前使用4h z 和1 0k h z 的低通滤波器来滤 除噪声。如振动这样的交流信号常常需要另一种被称为抗混频的滤波器。像噪 声滤波器一样，抗混频滤波器也是低通滤波器；然而，它需要有非常陡的截止 速率，从而可以滤除信号中所有高于设备输入波段的频率。如果这些频率没有 被滤除，它们将会作为信号错误地出现在设备输入带宽中。 多路复用是使用单个测量设备来测量多个信号的常用技术。a d c 采集一 个通道后，转换到另一个通道并进行采集，然后再转换到下一个通道，如此往 复。由于同一个a d c 可以采集多个通道而不是一个通道，每个通道的有效采 样速率和所采样的通道数呈反比。例如，1 m s s 的p c i m i o 1 6 e 1 采样通道为 1 0 个，那么每个通道的有效采集速率大约为： 1l11v1 而不3 通s 遁2 l o o k s 每通道 线性化一许多传感器对被测量的物理量的响应是非线性的，这就需要对被 测信号进行处理以补偿由于传感性非线性化引起的误差。n i 的n i d a q 、 l a b v i e w 、m e a s u r e m e n ts t u d i o 和v i r t u a l b e n c h 等应用软件包包含了应用于热 电偶、压力计和r t d 的线性化功能。 实际测试中需要根据受测信号的特性，用于测量信号的配置以及系统周围 环境的影响来确定d a q 系统是否需要使用信号调理。 2 3 2 数据采集硬件 ( 1 ) 模拟输入“5 3 2 1 通道数一一对于采用单端和差分两种输入方式的设备，模拟输入通道数可 以分为单端输入通道数和差分输入通道数。在单端输入中，输入信号均以 共同的地线为基准。这种输入方法主要应用于输入信号电压较高( 高于l v ) ，信号源到模拟输入硬件的导线较短( 低于15 米) ，如果信号达不到这 些标准此时应该用差分输入。对于差分输入，每一个输入信号都有自己 的基准地线；由于共模噪声可以被导线所消除，从而减小了噪声误差。 采样速率一一每秒种进行模数转换的次数。一个高采样速率可以在给定时 间下采集更多数据，因此能更好地反映原始信号。 多路复用一一使用单个模数转换器来测量多个信号的一种常用技术。 分辨率一一模数转换器用来表示模拟信号的位数。分辨率越高，信号范围被 分割成的区间数目越多，因此，能探测到的电压变量就越小。 量程一一模数转换器可以量化的最小和最大电压值。 编码宽度一一数据采集设备最小可探测的电压变化。此电压变化代表了数 字值上的最低有效位l ( l s b ) 。理想的编码宽度为电压范围除以增益和2 的分辨率次幂的乘积。 ( 2 ) 模拟输出 在测试系统中经常需要模拟输出电路来为数据采集系统提供激励源。数模 转换器( d a c ) 的如下技术指标决定了所产生输出信号的质量。 稳定时间一一输出达到规定精度时所需要的时间。通常由电压上的满量程 变化来援定。 转换速率一一数模转换器所产生的输出信号的最大变化速率。稳定时间和 转换速率一起决定模数转换器改变输出信号值的速率。因此，数模转换器 在一个小的稳定时间和一个高的转换速率下可产生高频率的信号，这是因 为输出信号精确地改变至一个新的电压值这一过程所需要的时间极短。 输出分辨率一一产生模拟输出的数字码的位数。较大的位数可以缩小输出 电压增量的量值，因此可以产生更平滑的变化信号。对于要求动态范围宽、 增量小的模拟输出应用，需要有高分辨率的电压输出。 ( 3 ) 数字i o ( d i o ) d i o 接口经常在p c 数据采集系统中使用，它被用来控制过程、产生测试 波形、与外围设备进行通信。在每一种情况下，最重要的参数有：可应用的数 字线的数目、在这些通路上能接收和提供数字数据的速率、以及通路的驱动能 力。数字线的数量当然应该与需要被控制的过程数目相匹配。需要打开或关掉 设各的总电流必须小于设备的有效驱动电流。然而通过应用恰当的数字信号调 理配件，可以使用进出数据采集硬件的低电流t t l 信号来监测控制工业硬件 产生的高电压和电流信号。例如，在打开或关闭一个高阀门时，电压和电流的 值可能达到2 a 、1 0 0 v a c 的数量级。因为一个d i o 设备的输出为几个毫安，电 压为0 5 v d c ，所以可以使用如s s r 系列、e r 一8 1 6 ，s c 一2 0 6 x ，或s c x i 模 块来开关电源信号 2 3 , 2 4 1 ，控制阀门。一个常见的d i o 应用是传送计算机和设备 之间的数据，这些设备包括数据记录器、数据处理器以及打印机。因为上述设 备常以1 个字节( 8 位) 来传送数据，插入式d i o 设备的数字线常排列为8 位 一组，许多具有数字能力的板卡具有带同步通信功能的握手电路。通道数、数 据速率和握手能力都是很重要的技术指标，实际应用中需要了解这些指标并且 它们要与应用的要求相匹配。 2 4 测试系统 在面对一个测试任务时，首先应该考虑的是测试系统的总体规划，而不是 其中一个环节的具体实现。从信息论的角度来看，不论测试系统的形式如何变 化，基本上都要实现这么几个基本的信息处理功能：获取、处理、显示表达、 存储和传递。其功能模块框图如图2 7 所示 ll 信号调理及变换卜- 叫结果显示输出l i 一 信号分析及处理l 叫 数据存储 图2 7 测试系统功能模块框图 随着技术的进步，现代的测试系统在实现形式上较以前有了很大的改变