【導(dǎo)讀】Z源逆變器(ZSI)是一種DC/AC轉(zhuǎn)換器，可以單級執(zhí)行降壓和升壓功能。ZSI克服了傳統(tǒng)系統(tǒng)的概念和理論限制，可以在不使用DC/DC升壓轉(zhuǎn)換器或升壓變壓器的情況下提升DC輸入電壓。本文針對無傳感器控制的BLDC電機(jī)，提出了一種采用巧妙的隨機(jī)脈寬調(diào)制(RPWM)技術(shù)的ZSI驅(qū)動器，旨在提高BLDC電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的性能。
Z源逆變器（ZSI）是一種DC-AC轉(zhuǎn)換器，可以單級執(zhí)行降壓和升壓功能。ZSI的一個獨特優(yōu)勢是其直通狀態(tài)，在這種狀態(tài)下，同橋臂的兩個開關(guān)可以在同一瞬間即時導(dǎo)通。不需要死區(qū)時間，輸出失真也大大降低，不使用LC濾波器就能提供更高的輸出。ZSI克服了傳統(tǒng)系統(tǒng)的概念和理論障礙及限制，在沒有DC-DC升壓轉(zhuǎn)換器或升壓變壓器的幫助下也可以提升DC輸入電壓。
永磁無刷直流（BLDC）電機(jī)由于其更高的效率、更大的功率重量比和更低的維護(hù)成本而被用于多種應(yīng)用場合。梯形電動勢（EMF）BLDC電機(jī)需要轉(zhuǎn)子位置信息以便為變頻器驅(qū)動排序。這種位置信息通常是由放置在電機(jī)非驅(qū)動端的三個霍爾效應(yīng)傳感器產(chǎn)生的。但是，這些對溫度敏感的傳感器不但會增加電機(jī)成本，而且需要特殊的機(jī)械設(shè)置來安裝固定。
本文旨在探討如何提高BLDC電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的性能，為此提出了一種ZSI驅(qū)動方案，即采用巧妙的隨機(jī)脈寬調(diào)制（RPWM）技術(shù)來驅(qū)動無傳感器控制的BLDC電機(jī)。所提出的系統(tǒng)使用反電動勢（BEMF）感測進(jìn)行位置估算，并且ZSI驅(qū)動可以提供更寬范圍的升壓電壓。針對ZSI-BLDC電機(jī)驅(qū)動，本文提出了一種迂回的雙隨機(jī)性簡單升壓脈寬調(diào)制（DTRSBPWM）技術(shù)，該方法能夠以四種初始載波實現(xiàn)兩種方式的隨機(jī)性。
其中兩個載波是正常和反向的固定頻率三角波，第三和第四載波是通過混沌頻率發(fā)生器及其逆變器獲得的變頻三角波。DTRSBPWM諧波功率分配方法要勝過簡單升壓PWM（SBPWM）方法。驅(qū)動系統(tǒng)的仿真研究是在MATLAB軟件上完成的，并且已經(jīng)使用SPARTAN-6場可編程門陣列（FPGA）（XC6SLX45）器件進(jìn)行了驗證。本文將重點討論輸出線電壓的總諧波失真（THD）、直流母線利用率，以及諧波擴(kuò)展因子（HSF）。
ZSI工作原理
Z源逆變器是一種DC-AC轉(zhuǎn)換器，可以作為單級執(zhí)行降壓和升壓功能。ZSI克服了傳統(tǒng)系統(tǒng)的概念和理論障礙及限制，在沒有DC-DC升壓轉(zhuǎn)換器或升壓變壓器的幫助下也可以提升DC輸入電壓。ZSI的工作原理可以分為四種模式。第一種模式是傳統(tǒng)的主動狀態(tài)（active state）模式，即逆變器橋充當(dāng)直流鏈路的電流源。第二種模式是直通狀態(tài)模式，即逆變器橋在兩個傳統(tǒng)的零矢量之一中工作，直通逆變器的上下三個器件。第三種模式是非直通模式，即電感電流協(xié)助降低線電流的諧波。第四種模式是傳統(tǒng)的零狀態(tài)，即逆變器橋在其中的一種零狀態(tài)下工作。
簡單升壓PWM
ZSI最常用的開關(guān)方法是簡單升壓PWM。這是一種簡單的辦法，只需兩條直線來控制直通狀態(tài)。當(dāng)三角波形高于上包絡(luò)線VP，或低于下包絡(luò)線VN 時，電路工作在直通狀態(tài)。其它情況下，它就像傳統(tǒng)的載波PWM一樣工作。在簡單升壓PWM期間，整個器件產(chǎn)生的電壓應(yīng)力很高。
ZSI饋電式BLDC電機(jī)的無傳感器控制
ZSI的無傳感器控制如圖1所示，通過估算反電動勢的過零瞬間（來自端子電壓）和正確的換向瞬間，并饋送到ZSI電路，對BLDC電機(jī)進(jìn)行無傳感器控制。電機(jī)的速度控制是通過一個比例積分控制器（PIC）來感應(yīng)的，并與控制動作的參考速度進(jìn)行比較。
圖1：ZSI饋電式BLDC電機(jī)的無傳感器控制。
建議的RPWM方法
所提議的DTRSBPWM方法涉及兩個級別的隨機(jī)性，利用四個（兩組）三角載波來實現(xiàn)。三角載波是在混沌數(shù)字生成器的幫助下生成的。基于混沌的PWM的基本原理是使用混沌信號來改變開關(guān)頻率或載波頻率。被限制在一個預(yù)定范圍內(nèi)的混沌數(shù)被饋送到三角波發(fā)生器，該數(shù)目固定為當(dāng)前載波周期的頻率并生成載波。載波的數(shù)量和頻率每個周期都改變。我們來深入探究一下由公式（1）描述的混沌序列。
其中，fn是混沌PWM的第n個開關(guān)頻率，混沌序列xn 可以簡單地通過迭代生成。因此，開關(guān)頻率可以從下限flow變化到上限fhigh。任意的周期性軌跡可以通過使用c的不同值得到。通過混沌序列獲得的典型三角載波如圖2所示。這種載波形式及其180º相移（反相器形式）被認(rèn)為是第一組載波。
圖2：通過混沌序列的三角載波。
第二組載波是普通的三角波及其反相形式。雙隨機(jī)載波由偽隨機(jī)二進(jìn)制序列（PRBS）表示。對于4×1多路復(fù)用器（MUX），如圖3所示，所有四個載波都作為輸入提供，周期選擇則由線性反饋移位寄存器（LFSR）中的兩個選擇位完成。多路復(fù)用器（MUX）的輸出是所需的隨機(jī)載波，與傳統(tǒng)的正弦PWM（SPWM）情況下的正弦參考值進(jìn)行比較，以獲得脈沖。
圖3：DTRSBPWM發(fā)生器的邏輯示意圖。
仿真和實驗調(diào)查
仿真是在MATLAB-Simulink（版本2010a）軟件中用常微分方程（ODE）求解器ode23tb進(jìn)行的。表1和表2分別列出了ZSI和BLDC電機(jī)的規(guī)格。混沌頻率限定在2kHz和4kHz之間。另外兩個載波分別是+3kHz和-3kHz。圖10顯示了無傳感器BLDC驅(qū)動系統(tǒng)的Simulink原理圖。
表I：ZSI的規(guī)格。
表2：無刷DC電機(jī)的規(guī)格。
圖4顯示了阻抗網(wǎng)絡(luò)電容和電感兩端的電壓。
圖4：電感和電容兩端的電壓。
圖5顯示了ZSI的輸出電壓。
圖5：ZSI的輸出波形。
預(yù)估的BEMF波形如圖6所示， A相電流和A相BEMF如圖7所示。
圖6：預(yù)估的BEMF波形。
圖7：定子波形。
圖8和圖9顯示了開發(fā)系統(tǒng)對電源電壓和負(fù)載轉(zhuǎn)矩階躍變化的抗干擾性能。
圖8：電源電壓從 - 350 Vdc變化至300Vdc時的速度響應(yīng)。
圖9：速度響應(yīng)隨負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化而變化。
在負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL=1.5Nm的情況下，轉(zhuǎn)速從950變?yōu)?000rpm的速度響應(yīng)如圖10所示。
圖10：轉(zhuǎn)速從950到1000rpm(TL=1.5Nm)時的速度響應(yīng)。
表3：諧波傳播能力。
所提議的驅(qū)動系統(tǒng)可以使用SPARTAN-6現(xiàn)場可編程門陣列（XC6SLX45）器件實現(xiàn)。該架構(gòu)使用VHDL語言進(jìn)行設(shè)計，其功能仿真使用Modelsim 6.3工具進(jìn)行。使用綜合工具Xilinx ISE 13.2可以完成寄存器傳輸級（RTL）驗證和實現(xiàn)。
本文提出的基于ZSI的BLDC電機(jī)驅(qū)動和無傳感器速度控制具有很多優(yōu)點，不但能夠提升直流電源的電壓并提高系統(tǒng)的安全性，而且適用于惡劣環(huán)境，因為它不需要傳感器和導(dǎo)線。其它優(yōu)點還包括低成本、小尺寸和少維護(hù)等。基于四個三角載波的新型隨機(jī)脈寬調(diào)制方案改進(jìn)了系統(tǒng)的諧波功率擴(kuò)展特性。在DTRSBPWM的情況下，HSF的值降低，從而可降低噪聲和機(jī)械振動。
本文轉(zhuǎn)載自電子技術(shù)設(shè)計。
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