專利名稱：一種基于z源的直流無刷電機驅(qū)動器及其控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于直流電機控制的技術(shù)領(lǐng)域，涉及直流無刷電機的控制技術(shù)，更具體地說，本發(fā)明涉及一種基于Z源的直流無刷電機驅(qū)動器。另外，本發(fā)明還涉及該直流無刷電機驅(qū)動器的控制方法。
背景技術(shù)：
直流無刷電機因為其高效率、長壽命、低噪音以及較好的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩等特性優(yōu)點，已經(jīng)廣泛應(yīng)用在汽車空調(diào)、雨刮器、電動車門、安全氣囊、電動座椅等驅(qū)動上。特別是在純電動汽車領(lǐng)域，作為電動汽車的動力系統(tǒng)組成，有著極其廣闊的發(fā)展空間。但是，傳統(tǒng)的直流無刷驅(qū)動器將升壓電路與電機驅(qū)動電路分開，不能實現(xiàn)既升壓、又驅(qū)動直流無刷電機的目的?，F(xiàn)有技術(shù)將升壓系統(tǒng)和驅(qū)動系統(tǒng)分開，使其成為兩級系統(tǒng)，降低了整個系統(tǒng)的工作效率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種基于Z源的直流無刷電機驅(qū)動器，其目的是將傳統(tǒng)直流無刷驅(qū)動器的兩級系統(tǒng)用一級系統(tǒng)替換，并且減少硬件電路，允許橋路直通，提高系統(tǒng)的安全性和效率。為了實現(xiàn)上述目的采取的技術(shù)方案為本發(fā)明提供的基于Z源的直流無刷電機驅(qū)動器，所述的直流無刷電機驅(qū)動器包括Z源功率變換驅(qū)動模塊、電壓電流檢測模塊、控制器、過壓過流保護模塊、直流無刷電機和電機霍爾信號檢測模塊；所述的Z源功率變換驅(qū)動模塊分別與直流輸入電源、直流無刷電機連接；所述的Z源功率變換驅(qū)動模塊還分別與所述的控制器、過壓過流保護模塊連接；所述的電機霍爾信號檢測模塊分別與所述的直流無刷電機和控制器連接；所述的電壓電流檢測模塊與所述的控制器連接。所述的Z源功率變換驅(qū)動模塊設(shè)有Z源網(wǎng)絡(luò)和三相全橋；所述的Z源網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)為直流輸入電源的兩相各串聯(lián)一個電感；兩個電感的兩端交叉各并聯(lián)一個電容；所述的三相全橋由六個功率開關(guān)構(gòu)成。所述的Z源網(wǎng)絡(luò)的前端串聯(lián)一個二極管，其導(dǎo)通方向與直流輸入電源的電流方向相同。為了實現(xiàn)與上述技術(shù)方案相同的發(fā)明目的，本發(fā)明還提供了以上所述的控制方法，該控制方法的主程序流程為主程序開始；步驟1、系統(tǒng)初始化；步驟2、設(shè)置Z源升壓標(biāo)志和電機啟動標(biāo)志位；步驟3、檢測標(biāo)志位，如果符合，進入步驟4 ;如果不符合，則返回步驟2 ;步驟4、調(diào)用Z源升壓和電機啟動子程序；
步驟5、檢測是否達到升壓要求以及電機轉(zhuǎn)速是否達到要求；如果是，則進入步驟6 ;如果否，則返回步驟4 ;步驟6、主程序結(jié)束，返回。以上步驟4中所述的調(diào)用Z源升壓和電機啟動子程序的流程為進入Z源升壓和電機啟動子程序；步驟1、Z源功率變換PWM控制子程序；步驟2、設(shè)置A/D標(biāo)志位步驟3、判斷是否有A/D轉(zhuǎn)換標(biāo)志，如果是，則進入步驟4 ;如果否，則返回步驟2 ;步驟4、判斷是否是第一次A/D，如果是，則進入步驟5 ;如果否，則進入步驟7 ;步驟5、檢測輸出電壓是否滿足升壓要求，如果是，則進入步驟6，如果否，則返回步驟I ;步驟6、將輸出電壓數(shù)值存入A/D數(shù)組，設(shè)置第一次A/D結(jié)束標(biāo)志，設(shè)置第二次A/D標(biāo)志；步驟7、判斷是否第二次A/D，如果是，則進入步驟8 ;如果否，則返回步驟4 ;步驟8、檢測電路電流和U、V、W三相電壓是否滿足要求，如果是，則進入步驟9，如果否，則進行過流過壓保護，然后進入步驟10 ；步驟9、將相應(yīng)數(shù)值存入A/D數(shù)組，設(shè)置第二次A/D結(jié)束標(biāo)志；步驟10、Z源升壓和電機啟動子程序結(jié)束,返回。以上步驟I中所述的Z源功率變換PWM控制子程序的流程為進入Z源功率變換PWM控制子程序；步驟1、Z源網(wǎng)絡(luò)是否工作在升壓狀態(tài)，如果是，則進入步驟2 ;如果否，則不插入直通量，只采用雙極性PWM控制電機，然后進入步驟3 ;步驟2、插入直通量，使上、下橋臂直通；步驟3、Z源功率變換PWM控制子程序結(jié)束，返回。本發(fā)明采用上述技術(shù)方案，省去了電動汽車蓄電池前端DC/DC變換器，使整個驅(qū)動系統(tǒng)成為一級裝置，提高了能量轉(zhuǎn)換效率，降低了整個裝置的體積和成本，大大提高了有源器件的安全性，增強了系統(tǒng)抗干擾能力；高效利用汽車內(nèi)部空間，減輕了重量；也為純電動汽車的發(fā)展提供思路，節(jié)約能源，有利于低碳生活。


下面對本說明書各幅附圖所表達的內(nèi)容及圖中的標(biāo)記作簡要說明圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖；圖2是本發(fā)明的拓撲結(jié)構(gòu)圖；圖3是本發(fā)明的功率開關(guān)管觸發(fā)信號圖；圖4是本發(fā)明的Z源電路圖；圖5.1 5. 11是本發(fā)明的功率驅(qū)動電路圖，其中圖5.1 是 U4 (HllLl)及 U5 (ACS704)的電路圖；圖5. 2 是 U6、U7 和 U8 (ACS706)的電路圖；圖5. 3 是 Ull (L6386)的電路圖5. 4 是 U12 (L6386)的電路圖；圖5. 5 是 U13 (L6386)的電路圖；圖5. 6 是 01 (HCPL4504)的電路圖；圖5. 7 是 02 (HCPL4504)的電路圖；圖5. 8 是 03 (HCPL4504)的電路圖；圖5. 9 是 05 (HCPL4504)的電路圖；圖5. 10 是 06 (HCPL4504)的電路圖；圖5. 11 是 07 (HCPL4504)的電路圖；圖6.1 6. 6是本發(fā)明的電源及報警電路圖，其中圖6.1 是 U15 (MC78L15)和 U16 (LMl 17-5)的電路圖；圖6. 2 是 UlO (LM393)的電路圖；圖6. 3是POWER OUT的電路圖；圖6. 4 是 U9 (ACS706)的電路圖；圖6. 5 是 U18 (LMl 17-3. 3)的電路圖；圖6. 6是D22、D23和D24的電路圖；圖7.1 7. 4是本發(fā)明的霍爾信號檢測電路圖，其中圖1.1 是 U20 (74HC14)的電路圖；圖7. 2是D25 D30的電路圖；圖7. 3是Hl H3的電路圖；圖7. 4是J6 (HALL)的電路圖；圖8是本發(fā)明的主程序流程圖。圖9是本發(fā)明的升壓及電機啟動子程序流程圖。圖10是本發(fā)明的Z源功率變換PWM控制子程序流程圖。圖1中標(biāo)記為1、直流輸入電源，2、Z源功率變換驅(qū)動模塊，3、電壓電流檢測模塊，4、控制器，5、過壓過流保護模塊，6、直流無刷電機，7、電機霍爾信號檢測模塊。
具體實施例方式下面對照附圖，通過對實施例的描述，對本發(fā)明的具體實施方式
作進一步詳細的說明，以幫助本領(lǐng)域的技術(shù)人員對本發(fā)明的發(fā)明構(gòu)思、技術(shù)方案有更完整、準(zhǔn)確和深入的理解。本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種圖1所示本發(fā)明的結(jié)構(gòu)，是一種基于Z源的直流無刷電機驅(qū)動器，其目的是將傳統(tǒng)直流無刷驅(qū)動器的兩級系統(tǒng)用一級系統(tǒng)替換，并且減少硬件電路，允許橋路直通，提高系統(tǒng)的安全性和效率。實現(xiàn)該發(fā)明目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案為如圖1所示，本發(fā)明提供的基于Z源的直流無刷電機驅(qū)動器包括Z源功率變換驅(qū)動模塊2、電壓電流檢測模塊3、控制器4、過壓過流保護模塊5、直流無刷電機6和電機霍爾信號檢測模塊7 ;所述的Z源功率變換驅(qū)動模塊2分別與直流輸入電源1、直流無刷電機6連接；所述的Z源功率變換驅(qū)動模塊2還分別與所述的控制器4、過壓過流保護模塊5連接；所述的電機霍爾信號檢測模塊7分別與所述的直流無刷電機6和控制器4連接；所述的電壓電流檢測模塊3與所述的控制器4連接。系統(tǒng)的Z源功率變換驅(qū)動模塊2、電壓電流檢測模塊3、控制器4、過壓過流保護5、電機霍爾信號檢測7用來控制直流無刷電機6。本發(fā)明的上述技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，省去了電動汽車蓄電池前端DC/DC變換器，使整個驅(qū)動系統(tǒng)成為一級裝置，提高了能量轉(zhuǎn)換效率，降低了整個裝置的體積和成本，大大提高了有源器件的安全性，增強了系統(tǒng)抗干擾能力。高效的利用了汽車內(nèi)部空間，減輕了重量。也為純電動汽車的發(fā)展提供思路，節(jié)約能源，利于低碳生活。本發(fā)明的拓撲結(jié)構(gòu)如圖2所示。該拓撲結(jié)構(gòu)包括直流電源，Z源網(wǎng)絡(luò)，三相全橋和直流無刷電機。具體說，所述的Z源功率變換驅(qū)動模塊2設(shè)有Z源網(wǎng)絡(luò)和三相全橋；所述的Z源網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)為直流輸入電源的兩相各串聯(lián)一個電感；兩個電感的兩端交叉各并聯(lián)一個電容；所述的三相全橋由六個功率開關(guān)構(gòu)成。所述的Z源網(wǎng)絡(luò)的前端串聯(lián)一個二極管，其導(dǎo)通方向與直流輸入電源的電流方向相同。如圖1和圖2所示，系統(tǒng)前端的二極管(Dl)目的是阻止電流倒流回直流電壓源，電感LI，L2和電容Cl，C2構(gòu)成Z源網(wǎng)絡(luò)，L1=L2, C1=C2。利用Z源網(wǎng)絡(luò)具有的升壓功能，將直流輸入電源I的輸出電壓，經(jīng)由Z源功率變換驅(qū)動模塊2升壓到144V。如圖4所示，電動汽車蓄電池通過POWER IN和POWER GND接口輸入60V的直流電，經(jīng)過Z源網(wǎng)絡(luò)POWER OUT引腳，輸出144V直流電壓。其中P+和P-之間連接霍爾電流傳感器做Z源前端部分的電流檢測。經(jīng)過Z源升壓后的144V直流電，輸入到功率驅(qū)動模塊。如圖5.1 5. 11所示，其中，六個功率開關(guān)(Q1-Q6)，采用飛利浦公司的IRF540，功率開關(guān)管既要控制直流無刷電機的正常調(diào)速，又要與前端Z源網(wǎng)絡(luò)配合，使整個系統(tǒng)可以將蓄電池的輸入電壓升壓到電動汽車用144V。因此采用雙極性PWM控制方式調(diào)速，并在雙極性控制中采用插入直通矢量的方式，使Z源網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)升壓，控制波形如圖3所示。在直通時間里，上下橋臂短路，此時整個系統(tǒng)工作在升壓和電機控制狀態(tài)；在非直通時間里，上下橋臂不短路，整個系統(tǒng)處于電機調(diào)速控制狀態(tài)。直通矢量插入的時間長短取決于對Z源網(wǎng)絡(luò)的升壓要求，經(jīng)計算此處將60V的直流電升壓到144V，需要的升壓2. 4倍。如圖6.1 6. 6所示，電源及報警電路為整個一級系統(tǒng)提供3. 3V,5V, 15V的電源以及給各級芯片供電。設(shè)置了過/欠壓保護電路，保證控制系統(tǒng)能在出現(xiàn)異常狀況時及時作出保護動作?；魻栃盘枡z測是用來捕獲電機的霍爾信號，從而保證電機的正常換向，電路如圖7.1 7. 4所示。為了實現(xiàn)與上述技術(shù)方案相同的發(fā)明目的，本發(fā)明還提供了以上所述的控制方法該方法首先對控制器初始化并設(shè)置升壓標(biāo)志位以及電機啟動標(biāo)志位。其次判斷標(biāo)志位是否設(shè)置成功，如果成功則調(diào)用Z源升壓和電機啟動子程序，若未設(shè)置成功則重新標(biāo)志位。最后對轉(zhuǎn)速和升壓進行檢測如果滿足要求返回，若出現(xiàn)異常狀態(tài)則重新調(diào)用Z源升壓和電機啟動子程序。上述控制方法的主程序流程如圖8所示，圖中，該控制方法的主程序流程具體為
主程序開始；步驟1、系統(tǒng)初始化；步驟2、設(shè)置Z源升壓標(biāo)志和電機啟動標(biāo)志位；步驟3、檢測標(biāo)志位，如果符合，進入步驟4 ;如果不符合，則返回步驟2 ；步驟4、調(diào)用Z源升壓和電機啟動子程序；步驟5、檢測是否達到升壓要求以及電機轉(zhuǎn)速是否達到要求；如果是，則進入步驟6 ;如果否，則返回步驟4 ;步驟6、主程序結(jié)束，返回。以上步驟4中升壓及電機啟動子程序流程圖如圖9所示。首先調(diào)用Z源功率變換PWM控制子程序，再用兩次采樣分別檢測升壓和電機調(diào)速是否正常，若不正常及時作出保護動作。所述的調(diào)用Z源升壓和電機啟動子程序的流程具體如下進入Z源升壓和電機啟動子程序；步驟1、Z源功率變換PWM控制子程序；步驟2、設(shè)置A/D標(biāo)志位步驟3、判斷是否有A/D轉(zhuǎn)換標(biāo)志，如果是，則進入步驟4 ;如果否，則返回步驟2 ;步驟4、判斷是否是第一次A/D，如果是，則進入步驟5 ;如果否，則進入步驟7 ;步驟5、檢測輸出電壓是否滿足升壓要求，如果是，則進入步驟6，如果否，則返回步驟I ;步驟6、將輸出電壓數(shù)值存入A/D數(shù)組，設(shè)置第一次A/D結(jié)束標(biāo)志，設(shè)置第二次A/D標(biāo)志；步驟7、判斷是否第二次A/D，如果是，則進入步驟8 ;如果否，則返回步驟4 ;步驟8、檢測電路電流和U、V、W三相電壓是否滿足要求，如果是，則進入步驟9，如果否，則進行過流過壓保護，然后進入步驟10 ；步驟9、將相應(yīng)數(shù)值存入A/D數(shù)組，設(shè)置第二次A/D結(jié)束標(biāo)志；步驟10、Z源升壓和電機啟動子程序結(jié)束，返回。以上步驟I中Z源功率變換PWM控制子程序流程圖如圖10所示。首先判斷系統(tǒng)是否處于升壓狀態(tài)，如果處于升壓狀態(tài)，則在控制過程中插入直通量使上下橋臂直通，實現(xiàn)升壓。如果是處于電機控制狀態(tài)，則不插入直通量，只對電機進行調(diào)速和換向控制。所述的Z源功率變換PWM控制子程序的流程具體如下進入Z源功率變換PWM控制子程序；步驟1、Z源網(wǎng)絡(luò)是否工作在升壓狀態(tài)，如果是，則進入步驟2 ;如果否，則不插入直通量，只采用雙極性PWM控制電機，然后進入步驟3 ;步驟2、插入直通量，使上、下橋臂直通；步驟3、Z源功率變換PWM控制子程序結(jié)束，返回。上面結(jié)合附圖對本發(fā)明進行了示例性描述，顯然本發(fā)明具體實現(xiàn)并不受上述方式的限制，只要采用了本發(fā)明的方法構(gòu)思和技術(shù)方案進行的各種非實質(zhì)性的改進，或未經(jīng)改進將本發(fā)明的構(gòu)思和技術(shù)方案直接應(yīng)用于其它場合的，均在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種基于Z源的直流無刷電機驅(qū)動器，其特征在于所述的直流無刷電機驅(qū)動器包括Z源功率變換驅(qū)動模塊(2)、電壓電流檢測模塊(3)、控制器(4)、過壓過流保護模塊(5)、直流無刷電機(6)和電機霍爾信號檢測模塊(7);所述的Z源功率變換驅(qū)動模塊(2)分別與直流輸入電源(I)、直流無刷電機(6)連接；所述的Z源功率變換驅(qū)動模塊(2)還分別與所述的控制器(4)、過壓過流保護模塊(5)連接；所述的電機霍爾信號檢測模塊(7)分別與所述的直流無刷電機(6)和控制器(4)連接；所述的電壓電流檢測模塊(3)與所述的控制器(4)連接。
2.按照權(quán)利要求1所述的基于Z源的直流無刷電機驅(qū)動器，其特征在于所述的Z源功率變換驅(qū)動模塊(2)設(shè)有Z源網(wǎng)絡(luò)和三相全橋；所述的Z源網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)為直流輸入電源的兩相各串聯(lián)一個電感；兩個電感的兩端交叉各并聯(lián)一個電容；所述的三相全橋由六個功率開關(guān)構(gòu)成。
3.按照權(quán)利要求2所述的基于Z源的直流無刷電機驅(qū)動器，其特征在于所述的Z源網(wǎng)絡(luò)的前端串聯(lián)一個二極管，其導(dǎo)通方向與直流輸入電源的電流方向相同。
4.按照權(quán)利要求1所述的基于Z源的直流無刷電機驅(qū)動器的控制方法，其特征在于所述的控制方法的主程序流程為 主程序開始； 步驟1)、系統(tǒng)初始化； 步驟2)、設(shè)置Z源升壓標(biāo)志和電機啟動標(biāo)志位； 步驟3)、檢測標(biāo)志位，如果符合，進入步驟4);如果不符合，則返回步驟2)； 步驟4)、調(diào)用Z源升壓和電機啟動子程序； 步驟5)、檢測是否達到升壓要求以及電機轉(zhuǎn)速是否達到要求；如果是，則進入步驟6)；如果否，則返回步驟4)； 步驟6)、主程序結(jié)束，返回。
5.按照權(quán)利要求4所述的基于Z源的直流無刷電機驅(qū)動器，其特征在于所述的調(diào)用Z源升壓和電機啟動子程序的流程為 進入Z源升壓和電機啟動子程序； 步驟1 )、Z源功率變換PWM控制子程序； 步驟2)、設(shè)置A/D標(biāo)志位 步驟3)、判斷是否有A/D轉(zhuǎn)換標(biāo)志，如果是，則進入步驟4);如果否，則返回步驟2)； 步驟4)、判斷是否是第一次A/D，如果是，則進入步驟5);如果否，則進入步驟7)； 步驟5)、檢測輸出電壓是否滿足升壓要求，如果是，則進入步驟6)，如果否，則返回步驟I); 步驟6)、將輸出電壓數(shù)值存入A/D數(shù)組，設(shè)置第一次A/D結(jié)束標(biāo)志，設(shè)置第二次A/D標(biāo)志； 步驟7)、判斷是否第二次A/D，如果是，則進入步驟8);如果否，則返回步驟4)； 步驟8)、檢測電路電流和U、V、W三相電壓是否滿足要求，如果是，則進入步驟9)，如果否，則進行過流過壓保護，然后進入步驟10)； 步驟9)、將相應(yīng)數(shù)值存入A/D數(shù)組，設(shè)置第二次A/D結(jié)束標(biāo)志； 步驟10)、Z源升壓和電機啟動子程序結(jié)束，返回。
6.按照權(quán)利要求5所述的基于Z源的直流無刷電機驅(qū)動器，其特征在于所述的Z源功率變換PWM控制子程序的流程為 進入Z源功率變換PWM控制子程序； 步驟I)、Z源網(wǎng)絡(luò)是否工作在升壓狀態(tài)，如果是，則進入步驟2);如果否，則不插入直通量，只采用雙極性PWM控制電機，然后進入步驟3)； 步驟2)、插入直通量，使上、下橋臂直通； 步驟3)、Z源功率變換PWM控制子程序結(jié)束，返回。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于Z源的直流無刷電機驅(qū)動器，其中，Z源功率變換驅(qū)動模塊分別與直流輸入電源、直流無刷電機連接；Z源功率變換驅(qū)動模塊還分別與控制器、過壓過流保護模塊連接；電機霍爾信號檢測模塊分別與直流無刷電機和控制器連接；電壓電流檢測模塊與控制器連接。本發(fā)明公開了該直流無刷電機驅(qū)動器采用的控制方法。上述技術(shù)方案省去了電動汽車蓄電池前端DC/DC變換器，使整個驅(qū)動系統(tǒng)成為一級裝置，提高了能量轉(zhuǎn)換效率，降低了整個裝置的體積和成本，大大提高了有源器件的安全性，增強了系統(tǒng)抗干擾能力；高效利用汽車內(nèi)部空間，減輕了重量；也為純電動汽車的發(fā)展提供思路，節(jié)約能源，有利于低碳生活。
文檔編號H02P27/06GK103066899SQ20121054422
公開日2013年4月24日 申請日期2012年12月15日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月15日
發(fā)明者高文根, 王俊杰, 許鋼, 江娟娟, 袁一鳴, 張海艷, 鮑學(xué)禮, 閻延 申請人:安徽工程大學(xué)