无传感器控制的逆变器驱动用于BLDC电机

Z源逆变器(ZSI)是一种DC-AC转换器,可以作为单级执行降压和升压功能。ZSI的独特尝试是直通状态,通过该状态可以在同一时刻打开同一相脚的两个开关。因此,不需要死区时间,并且输出失真大大降低,从而在没有LC滤波器的情况下提供改善的输出。ZSI克服了传统系统的概念和理论障碍和局限。ZSI可以在没有DC-DC升压转换器或升压变压器的帮助下提升直流输入电压。

 

永磁无刷直流(BLDC)电机由于其更高的效率,更大的功率重量比和更低的维护而被用于多种应用中。梯形电动势(EMF)BLDC电机需要转子位置信息以对逆变器驱动进行排序。该位置信息通常由放置在电动机的非驱动端的三个霍尔效应传感器产生。然而,这些温度敏感传感器增加了电动机的成本并且需要特殊的机械设备来安装。

本文旨在为BLDC电机驱动系统的性能提升做出贡献。它提出了一种ZSI驱动器,用于无传感器控制的BLDC电机,采用巧妙的随机脉冲宽度调制(RPWM)技术。所提出的系统采用反电动势(BEMF)传感进行位置估算,并且ZSI驱动引线提供更宽范围的升压电压。针对ZSI-BLDC电机驱动器,提出了一种迂回的二次随机性简单升压脉冲宽度调制(DTRSBPWM),它通过四个初始载波以两种方式获得随机性。

两个载波是固定频率三角波的正常和反相版本。而第三和第四载波是通过混沌频率发生器及其逆变器版本获得的可变频率三角波。开发的DTRSBPWM分配谐波功率的方法,胜过简单的升压PWM(SBPWM)方法。所提出的驱动系统的仿真研究在MATLAB软件中完成,并且使用SPARTAN-6现场可编程门阵列(FPGA)进行确证(

XC6SLX45
)设备。讨论包括输出线电压,直流母线利用率和谐波扩展因子(HSF)中的总谐波失真(THD)。

 

ZSI的运作方式

ZSI是一种DC-AC转换器,可以作为单级执行降压和升压功能。ZSI克服了传统方法的概念和理论障碍和局限。ZSI可以在没有升压变压器的帮助下提升直流输入电压。ZSI的工作可以通过四种模式详细说明。第一种模式是传统的有源状态模式,其中逆变器桥用作来自DC链路的电流源。第二种模式是直通状态模式,其中逆变器桥在两个传统零矢量中的任何一个中操作,并且通过逆变器的上三个器件和下三个器件短路。第三种模式是非直通模式,其中电感电流有助于线电流的谐波降低。

简单的升压PWM

ZSI中最广泛使用的开关策略是简单的升压PWM。正是这种简单的策略,需要两条直线来控制直通状态。当三角波形高于上包络线Vp或低于底部包络线V N时,电路以击穿状态工作。否则,它的运行方式与传统的基于载波的PWM相同。在简单的升压PWM期间,器件上产生的电压应力很高。

 

无传感器控制ZSI馈电BLDC电机

ZSI的无传感器控制如图1中的框图所示该研究通过估计反电动势的过零瞬间(来自端子电压)并且从中估计正确的换向瞬间并且馈送到ZSI电路来执行BLDC电机的无传感器控制。通过比例积分控制器(PIC)检测电动机的速度控制并将其与参考速度进行比较以进行控制动作。


图1 ZSI馈电BLDC电机的无传感器控制

建议的RPWM方法

所提出的DTRSBPWM方法涉及两个级别的随机性,其中使用四个(两组)三角形载波。该集合是在混沌数字生成器的帮助下生成的。基于混沌的PWM的基本原理是使用混沌信号来改变开关或载波频率。以预设限制为界的混沌数被馈送到三角形发生器。该数字被固定为当前载波周期和载波的频率。每个周期的数量和载波频率都会发生变化。由等式(1)切割的混沌序列参与该研究。


其中,f n混沌PWM的 n 开关频率,可以简单地通过迭代生成混沌序列x n因此,开关频率可以从下限,f low到上限,f high变化任意周期轨道可以通过使用c的不同值来达到。通过混沌序列获得的典型三角形载波如图2所示这种形式的载波及其180°相移(逆变器形式)被认为是第一组载波。


图2通过混沌序列的三角载波

 

第二组载波是从普通三角形及其逆变器形式获得的。双随机载波由伪随机二进制序列(PRBS)表示。对于4×1多路复用器(MUX),所有四个载波都作为输入给出,而循环方向选择由来自线性反馈移位寄存器(LFSR)的两个选择位完成,如图3所示多路复用器(MUX)的输出是所需的随机载波,其与正弦参考进行比较,如在传统的正弦PWM(SPWM)的情况下,以获得脉冲。


图3 DTRSBPWM发生器的逻辑图

模拟和实验研究

模拟研究在具有常微分方程(ODE)Solver ode23tb的MATLAB-Simulink(版本2010a)软件中进行。分别使用表I和表II中所示的规格的ZSI和BLDC电动机。混沌频率限制设置在2kHz和4kHz之间。另外两个载波为+ 3kHz和-3kHz。所建议的无传感器BLDC驱动系统的Simulink原理图如图10所示

 

表I ZSI的规格

 

表II无刷直流电动机规范

 

 

如图4所示,阻抗网络电容器和电感器两端的电压显示

 

 
图4电感和电容两端的电压

图5显示了ZSI的输出电压。


图5 ZSI的输出波形

估计的BEMF波形如图6所示,而A相电流和A相BEMF 如图7所示

 


图6估计的BEMF波形


图7定子波形

图8和图9显示了所开发系统对电源电压和负载转矩阶跃变化的抗扰性能


图8电源电压变化时的速度响应-350 Vdc至300Vdc)


图9负载变化时的速度响应扭矩

 

速度阶跃的速度响应在负载转矩下从950转到1000转/分钟,T L = 1.5Nm,如图10所示


图10速度阶跃变化的速度响应从950到1000 rpm(T L = 1.5Nm)

 

表III谐波传播能力

 

所提出的驱动系统使用SPARTAN-6现场可编程门阵列(FPGA)(XC6SLX45)设备以硬件实现。该体系结构使用VHDL语言设计。使用Modelsim 6.3工具执行架构的功能仿真。寄存器传输级(RTL)级验证和实现使用综合工具Xilinx ISE 13.2完成。

XC6SLX45

)设备。该体系结构使用VHDL语言设计。使用Modelsim 6.3工具执行架构的功能仿真。寄存器传输级(RTL)级验证和实现使用综合工具Xilinx ISE 13.2完成。

 

 

所提出的基于ZSI的BLDC电机驱动和无传感器速度控制具有能够提高来自DC电源的电压,提高系统安全性的优点,适用于由于缺少传感器而导致的恶劣环境和带有增加了低成本,减小尺寸和减少维护的优势。基于四个三角形载波的新型随机脉冲宽度调制方案改善了系统的谐波功率扩展特性。在DTRSBPWM的情况下,HSF的减小值导致声学噪声和机械振动减小。

用户喜欢...

了解电器的最新电机BLDC设计注意事项

诸如洗衣机,空调和冰箱的可变频率家用电器通常使用无刷DC电机(BLDC)。这些电机因其高效率,低噪音和无级调速而在家用电器中很受欢迎。 仍有许多低功率电机 - 例如洗衣机和洗碗机中的...


BLDC 循序渐进:多轴速度和位置控制

我们讨论了实现快速准确位置控制的难点。在这篇博客中,我们将逐步向您展示如何在台式路由器上实现最佳的双轴速度和位置控制(图1)。 图1. 15x15台式路由器 在不到20个小时的时间里,路...


BLDC电机的传感器安装(AD4571)

selina 在 周三, 12/21/2016 - 12:00 提交 对于大部分BLDC控制系统,根据可用空间和电机轴安装的便利性,配置和安装传感器有许多选择方式。 典型的轴端配置包括一个安装在旋转轴上的直径磁化盘...


角度传感器在BLDC电机控制中的作用

selina 在 周一, 12/19/2016 - 11:41 提交 要实现电机的精确控制和高效换向,高分辨率电流和旋转位置信息至关重要。一般而言,在基于旋变器的系统中,分辨率和精度可能非常高,但终端解决方案...