Z源逆變器(ZSI)是一種DC-AC轉換器,可以單級執行降壓和升壓功能。ZSI的一個獨特優勢是其直通狀態,在這種狀態下,同一相腳的兩個開關可以在同一瞬間即時導通,不需要死區時間,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克服了傳統系統的概念和理論障礙及限制,在沒有DC-DC升壓轉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)馬達由於其更高的效率、更大的功率重量比和更低的維護成本而被用於多種應用場合。梯形電動勢(EMF)BLDC馬達需要轉子位置資訊以便為變頻器驅動排序,這種位置資訊通常是由放置在馬達非驅動端的三個霍爾效應感測器產生。但是,這些對溫度敏感的感測器不但會增加馬達成本,而且需要特殊的機械設置來安裝固定。

本文旨在探討如何提高BLDC馬達驅動系統的性能,為此提出了一種ZSI驅動器方案,即採用巧妙的隨機脈衝寬度調變(RPWM)技術來驅動無感測器控制的BLDC馬達。所提出的系統使用反電動勢(BEMF)感測進行位置估算,並且ZSI驅動器可以提供更寬範圍的升壓電壓。針對ZSI-BLDC馬達驅動器,本文提出了一種迂迴的雙隨機性簡單升壓PWM (DTRSBPWM)技術,該方法能夠以四種初始載波實現兩種方式的隨機性。

其中兩個載波是正常和反向的固定頻率三角波版本,第三和第四載波是透過混沌頻率產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。驅動系統的模擬研究是在MATLAB軟體上完成,並且已經使用SPARTAN-6現場可程式邏輯閘陣列(FPGA,即XC6SLX45)元件進行驗證。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,以及諧波擴展因數(HSF)。

ZSI工作原理

ZSI是一種DC-AC轉換器,可以作為單級執行降壓和升壓功能。ZSI克服了傳統系統的概念和理論障礙及限制,在沒有DC-DC升壓轉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,第一種模式是傳統的主動狀態(active state)模式,即逆變器橋充當直流鏈路的電流源;第二種模式是直通狀態模式,即逆變器橋在兩個傳統的零向量之一中工作,並直通逆變器的上下三個元件;第三種模式是非直通模式,即電感電流協助降低線電流的諧波;第四種模式是傳統的零狀態,即逆變器橋在其中的一種零狀態下工作。

簡單升壓PWM

ZSI最常用的開關方法是簡單升壓PWM。這是一種簡單的辦法,只需兩條直線來控制直通狀態。當三角波形高於上包絡線VP,或低於下包絡線VN時,電路工作在直通狀態,其他情況下,它就像傳統的載波PWM一樣工作。在簡單升壓PWM期間,整個元件產生的電壓應力很高。

ZSI饋電式BLDC馬達無感測器控制

ZSI的無感測器控制如圖1中所示,透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,並饋送到ZSI電路,由此對BLDC馬達進行無感測器控制。馬達的速度控制是利用一個比例積分控制器(PIC)來感應,並與控制動作的參考速度進行比較。

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圖1:ZSI饋電式BLDC馬達的無感測器控制。
(來源:EDN)

建議的RPWM方法

本文所提議的DTRSBPWM方法涉及兩個級別的隨機性,利用四個(兩組)三角載波來實現。三角載波是在混沌亂數產生器的協助下生成,基於混沌的PWM的基本原理是使用混沌訊號來改變開關頻率或載波頻率。被限制在一個預定範圍內的混沌數被饋送到三角波產生器,該數目固定為當前載波週期的頻率並生成載波,載波的數量和頻率每個週期都改變。以下來深入探究由公式(1)描述的混沌序列。

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其中,fn是混沌PWM的第n個開關頻率,混沌序列xn可以簡單地透過反覆運算生成,因此,開關頻率可以從下限flow變化到上限fhigh。任意的週期性軌道可以使用c的不同值得到,利用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180°相移(反相器形式)被認為是第一組載波。

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圖2:透過混沌序列的三角載波。
(來源:EDN)

第二組載波是從公共三角波及其反相器形式獲得,雙隨機載波由偽隨機二進位序列(PRBS)表示。對於4×1多工器(MUX),如圖3所示,所有四個載波都作為輸入提供,週期選擇則由線性回饋移位暫存器(LFSR)中的兩個選擇位完成。多工器的輸出是所需的隨機載波,與傳統的正弦PWM(SPWM)情況下的正弦參考值進行比較,以獲得脈衝。

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圖3:DTRSBPWM產生器的邏輯示意圖。
(來源:EDN)

模擬和實驗調查

模擬是在MATLAB-Simulink(版本2010a)軟體中用常微分方程(ODE)求解器ode23tb進行,表1和表2分別列出了ZSI和BLDC馬達的規格。混沌頻率限定在2kHz和4kHz之間,另外兩個載波分別是+3kHz和-3kHz。

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表1:ZSI的規格。
(來源:EDN)

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表2:無刷DC馬達的規格。
(來源:EDN)

圖4顯示阻抗網路電容和電感兩端的電壓。

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圖4:電感和電容兩端的電壓。
(來源:EDN)

圖5顯示了ZSI的輸出電壓。

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圖5:ZSI的輸出電壓波形。
(來源:EDN)

預估的BEMF波形如圖6所示, A相電流和A相BEMF如圖7所示。

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圖6:預估的BEMF波形。
(來源:EDN)

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圖7:定子(Stator)波形。
(來源:EDN)

圖8和圖9顯示了開發系統對電源電壓和負載轉矩階躍變化的抗干擾性能。

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圖8:電源電壓從-350Vdc變化至300Vdc時的速度回應。
(來源:EDN)

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圖9:速度回應隨負載轉矩變化而變化。
(來源:EDN)

在負載轉矩TL=1.5Nm的情況下,轉速從950變為1,000rpm的速度回應如圖10所示。

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圖10:轉速從950~1,000rpm(TL=1.5Nm)時的速度回應。
(來源:EDN)

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表3:諧波傳播能力。
(來源:EDN)

本文提議的驅動系統可以使用SPARTAN-6 FPGA(XC6SLX45)元件實現。該架構使用VHDL語言進行設計,其功能模擬使用Modelsim 6.3工具進行,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。

本文提出的基於ZSI的BLDC馬達驅動和無感測器速度控制具有很多優點,不但能夠提升直流電源的電壓並提高系統的安全性,而且適用於惡劣環境,因為它不需要感測器和導線,其他優點還包括低成本、小尺寸和少維護等。基於四個三角載波的新型RPWM方案改進了系統的諧波功率擴展特性,在DTRSBPWM的情況下,HSF的值降低,從而可降低雜訊和機械振動。

(參考原文:Sensorless controlled inverter drive for BLDC motors,by Ebby Darney P. , Dora Arul Selvi B)