一種基於z源的直流無刷電機驅動器的製作方法

2023-09-18 16:14:55 2

專利名稱：一種基於z源的直流無刷電機驅動器的製作方法
技術領域：
本實用新型屬於直流電機控制的技術領域，涉及直流無刷電機的控制技術，更具體地說，本實用新型涉及一種基於Z源的直流無刷電機驅動器。
背景技術：
直流無刷電機因為其高效率、長壽命、低噪音以及較好的轉速轉矩等特性優點，已經廣泛應用在汽車空調、雨刮器、電動車門、安全氣囊、電動座椅等驅動上。特別是在純電動汽車領域，作為電動汽車的動力系統組成，有著極其廣闊的發展空間。但是，傳統的直流無刷驅動器將升壓電路與電機驅動電路分開，不能實現既升壓、又驅動直流無刷電機的目的。現有技術將升壓系統和驅動系統分開，使其成為兩級系統，降低了整個系統的工作效率。

實用新型內容本實用新型提供一種基於Z源的直流無刷電機驅動器，其目的是將傳統直流無刷驅動器的兩級系統用一級系統替換，並且減少硬體電路，允許橋路直通，提高系統的安全性和效率。為了實現上述目的採取的技術方案為:本實用新型提供的基於Z源的直流無刷電機驅動器，所述的直流無刷電機驅動器包括Z源功率變換驅動模塊、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源功率變換驅動模塊設有Z源網絡和三相全橋；所述的Z源網絡的結構為:直流輸入電源的兩相各串聯一個電感；兩個電感的兩端交叉各並聯一個電容；所述的三相全橋由六個功率開關構成。所述的Z源網絡的前端串聯一個二極體，其導通方向與直流輸入電源的電流方向相同。為了實現與上述技術方案相同的發明目的，本實用新型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、系統初始化；步驟2、設置Z源升壓標誌和電機啟動標誌位；步驟3、檢測標誌位，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、主程序結束，返回。以上步驟4中所述的調用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、設置A/D標誌位步驟3、判斷是否有A/D轉換標誌，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、將輸出電壓數值存入A/D數組，設置第一次A/D結束標誌，設置第二次A/D標誌；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，然後進入步驟10 ；步驟9、將相應數值存入A/D數組，設置第二次A/D結束標誌；步驟10、Z源升壓和電機啟動子程序結束,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源網絡是否工作在升壓狀態，如果是，則進入步驟2 ;如果否，則不插入直通量，只採用雙極性PWM控制電機，然後進入步驟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控制子程序結束，返回。本實用新型採用上述技術方案，省去了電動汽車蓄電池前端DC/DC變換器，使整個驅動系統成為一級裝置，提高了能量轉換效率，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，增強了系統抗幹擾能力；高效利用汽車內部空間，減輕了重量；也為純電動汽車的發展提供思路，節約能源，有利於低碳生活。

下面對本說明書各幅附圖所表達的內容及圖中的標記作簡要說明:圖1是本實用新型的系統結構框圖；圖2是本實用新型的拓撲結構圖；圖3是本實用新型的功率開關管觸發信號圖；圖4是本實用新型的Z源電路圖；圖5.1 5.11是本實用新型的功率驅動電路圖，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；圖5.4 是 U12 (L6386)的電路圖；[0045]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是本實用新型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是本實用新型的霍爾信號檢測電路圖，其中:圖7.1 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是本實用新型的主程序流程圖。圖9是本實用新型的升壓及電機啟動子程序流程圖。圖10是本實用新型的Z源功率變換P麗控制子程序流程圖。圖1中標記為:1、直流輸入電源，2、Z源功率變換驅動模塊，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。
具體實施方式
下面對照附圖，通過對實施例的描述，對本實用新型的具體實施方式
作進一步詳細的說明，以幫助本領域的技術人員對本實用新型的發明構思、技術方案有更完整、準確和深入的理解。本實用新型所要解決的技術問題是針對現有技術的不足，提供一種圖1所示本實用新型的結構，是一種基於Z源的直流無刷電機驅動器，其目的是將傳統直流無刷驅動器的兩級系統用一級系統替換，並且減少硬體電路，允許橋路直通，提高系統的安全性和效率。實現該發明目的，本實用新型採取的技術方案為:如圖1所示，本實用新型提供的基於Z源的直流無刷電機驅動器包括Z源功率變換驅動模塊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。系統的Z源功率變換驅動模塊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。本實用新型的上述技術方案與現有技術相比，省去了電動汽車蓄電池前端DC/DC變換器，使整個驅動系統成為一級裝置，提高了能量轉換效率，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，增強了系統抗幹擾能力。高效的利用了汽車內部空間，減輕了重量。也為純電動汽車的發展提供思路，節約能源，利於低碳生活。本實用新型的拓撲結構如圖2所示。該拓撲結構包括直流電源，Z源網絡，三相全橋和直流無刷電機。具體說，所述的Z源功率變換驅動模塊2設有Z源網絡和三相全橋；所述的Z源網絡的結構為:直流輸入電源的兩相各串聯一個電感；兩個電感的兩端交叉各並聯一個電容；所述的三相全橋由六個功率開關構成。所述的Z源網絡的前端串聯一個二極體，其導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，系統前端的二極體(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構成Z源網絡，L1=L2, C1=C2。利用Z源網絡具有的升壓功能，將直流輸入電源I的輸出電壓，經由Z源功率變換驅動模塊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，經過Z源網絡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。經過Z源升壓後的144V直流電，輸入到功率驅動模塊。如圖5.1 5.11所示，其中，六個功率開關(Q1-Q6)，採用飛利浦公司的IRF540，功率開關管既要控制直流無刷電機的正常調速，又要與前端Z源網絡配合，使整個系統可以將蓄電池的輸入電壓升壓到電動汽車用144V。因此採用雙極性PWM控制方式調速，並在雙極性控制中採用插入直通矢量的方式，使Z源網絡實現升壓，控制波形如圖3所示。在直通時間裡，上下橋臂短路，此時整個系統工作在升壓和電機控制狀態；在非直通時間裡，上下橋臂不短路，整個系統處於電機調速控制狀態。直通矢量插入的時間長短取決於對Z源網絡的升壓要求，經計算此處將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提供3.3V,5V, 15V的電源以及給各級晶片供電。設置了過/欠壓保護電路，保證控制系統能在出現異常狀況時及時作出保護動作。霍爾信號檢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。為了實現與上述技術方案相同的發明目的，本實用新型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並設置升壓標誌位以及電機啟動標誌位。其次判斷標誌位是否設置成功，如果成功則調用Z源升壓和電機啟動子程序，若未設置成功則重新標誌位。最後對轉速和升壓進行檢測如果滿足要求返回，若出現異常狀態則重新調用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:[0086]主程序開始；[0087]步驟1、系統初始化；[0088]步驟2、設置Z源升壓標誌和電機啟動標誌位；[0089]步驟3、檢測標誌位，如果符合，進入步驟4 ;如果不符合，則返回步驟2 ；[0090]步驟4、調用Z源升壓和電機啟動子程序；[0091]步驟5、檢測是否達到升壓要求以及電機轉速是否達到要求；如果是，則進入步驟6 ;如果否，則返回步驟4 ;[0092]步驟6、主程序結束，返回。[0093]以上步驟4中升壓及電機啟動子程序流程圖如圖9所示。首先調用Z源功率變換PWM控制子程序，再用兩次採樣分別檢測升壓和電機調速是否正常，若不正常及時作出保護動作。[0094]所述的調用Z源升壓和電機啟動子程序的流程具體如下:[0095]進入Z源升壓和電機啟動子程序；[0096]步驟1、Z源功率變換PWM控制子程序；[0097]步驟2、設置A/D標誌位[0098]步驟3、判斷是否有A/D轉換標誌，如果是，則進入步驟4 ;如果否，則返回步驟2 ;[0099]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 ;[0100]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 ;[0101]步驟6、將輸出電壓數值存入A/D數組，設置第一次A/D結束標誌，設置第二次A/D標誌；[0102]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 ;[0103]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，然後進入步驟10 ；[0104]步驟9、將相應數值存入A/D數組，設置第二次A/D結束標誌；[0105]步驟10、Z源升壓和電機啟動子程序結束，返回。[0106]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。首先判斷系統是否處於升壓狀態，如果處於升壓狀態，則在控制過程中插入直通量使上下橋臂直通，實現升壓。如果是處於電機控制狀態，則不插入直通量，只對電機進行調速和換向控制。[0107]所述的Z源功率變換PWM控制子程序的流程具體如下:[0108]進入Z源功率變換PWM控制子程序；[0109]步驟1、Z源網絡是否工作在升壓狀態，如果是，則進入步驟2 ;如果否，則不插入直通量，只採用雙極性PWM控制電機，然後進入步驟3 ;[0110]步驟2、插入直通量，使上、下橋臂直通；[0111]步驟3、Z源功率變換PWM控制子程序結束，返回。[0112]上面結合附圖對本實用新型進行了示例性描述，顯然本實用新型具體實現並不受上述方式的限制，只要採用了本實用新型的方法構思和技術方案進行的各種非實質性的改進，或未經改進將本實用新型的構思和技術方案直接應用於其它場合的，均在本實用新型的保護範圍之內。
權利要求1.一種基於Z源的直流無刷電機驅動器，其特徵在於:所述的直流無刷電機驅動器包括Z源功率變換驅動模塊(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.按照權利要求1所述的基於Z源的直流無刷電機驅動器，其特徵在於:所述的Z源功率變換驅動模塊(2)設有Z源網絡和三相全橋；所述的Z源網絡的結構為:直流輸入電源的兩相各串聯一個電感；兩個電感的兩端交叉各並聯一個電容；所述的三相全橋由六個功率開關構成。
3.按照權利要求2所述的基於Z源的直流無刷電機驅動器，其特徵在於:所述的Z源網絡的前端串聯一個二極體，其導通方向與直流輸入電源的電流方向相同。
專利摘要本實用新型公開了一種基於Z源的直流無刷電機驅動器，其中，Z源功率變換驅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。上述技術方案省去了電動汽車蓄電池前端DC/DC變換器，使整個驅動系統成為一級裝置，提高了能量轉換效率，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，增強了系統抗幹擾能力；高效利用汽車內部空間，減輕了重量；也為純電動汽車的發展提供思路，節約能源，有利於低碳生活。
文檔編號H02P6/00GK202978791SQ20122069462
公開日2013年6月5日 申請日期2012年12月15日 優先權日2012年12月15日
發明者高文根, 王俊傑, 許鋼, 江娟娟, 袁一鳴, 張海豔, 鮑學禮, 閻延 申請人:安徽工程大學