Z源逆變器（ZSI）是一種DC-AC轉(zhuǎn)換器，可以單級(jí)執(zhí)行降壓和升壓功能。ZSI的一個(gè)獨(dú)特優(yōu)勢(shì)是其直通狀態(tài)，在這種狀態(tài)下，同橋臂的兩個(gè)開(kāi)關(guān)可以在同一瞬間即時(shí)導(dǎo)通。不需要死區(qū)時(shí)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(duì)無(wú)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(dòng)器，旨在提高BLDC電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的性能。

ZSI克服了傳統(tǒng)系統(tǒng)的概念和理論障礙及限制，在沒(méi)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(wú)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(chǎng)合。梯形電動(dòng)勢(shì)（EMF）BLDC電機(jī)需要轉(zhuǎn)子位置信息以便為變頻器驅(qū)動(dòng)排序。這種位置信息通常是由放置在電機(jī)非驅(qū)動(dòng)端的三個(gè)霍爾效應(yīng)傳感器產(chǎn)生的。但是，這些對(duì)溫度敏感的傳感器不但會(huì)增加電機(jī)成本，而且需要特殊的機(jī)械設(shè)置來(lái)安裝固定。

本文旨在探討如何提高BLDC電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的性能，為此提出了一種ZSI驅(qū)動(dòng)方案，即采用巧妙的隨機(jī)脈寬調(diào)制（RPWM）技術(shù)來(lái)驅(qū)動(dòng)無(wú)傳感器控制的BLDC電機(jī)。所提出的系統(tǒng)使用反電動(dòng)勢(shì)（BEMF）感測(cè)進(jìn)行位置估算，并且ZSI驅(qū)動(dòng)可以提供更寬范圍的升壓電壓。針對(duì)ZSI-BLDC電機(jī)驅(qū)動(dòng)，本文提出了一種迂回的雙隨機(jī)性簡(jiǎn)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(shí)現(xiàn)兩種方式的隨機(jī)性。

其中兩個(gè)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(guò)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?jiǎng)龠^(guò)簡(jiǎn)單升壓PWM（SBPWM）方法。驅(qū)動(dòng)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(chǎng)可編程門(mén)陣列（FPGA）（XC6SLX45）器件進(jìn)行了驗(yàn)證。本文將重點(diǎn)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(jí)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(méi)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(dòng)狀態(tài)（activestate）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(gè)傳統(tǒng)的零矢量之一中工作，直通逆變器的上下三個(gè)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(jiǎn)單升壓PWM

ZSI最常用的開(kāi)關(guān)方法是簡(jiǎn)單升壓PWM。這是一種簡(jiǎn)單的辦法，只需兩條直線來(lái)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(shí)，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(jiǎn)單升壓PWM期間，整個(gè)器件產(chǎn)生的電壓應(yīng)力很高。

ZSI饋電式BLDC電機(jī)的無(wú)傳感器控制

ZSI的無(wú)傳感器控制如圖1所示，通過(guò)估算反電動(dòng)勢(shì)的過(guò)零瞬間（來(lái)自端子電壓）和正確的換向瞬間，并饋送到ZSI電路，對(duì)BLDC電機(jī)進(jìn)行無(wú)傳感器控制。電機(jī)的速度控制是通過(guò)一個(gè)比例積分控制器（PIC）來(lái)感應(yīng)的，并與控制動(dòng)作的參考速度進(jìn)行比較。

圖1：ZSI饋電式BLDC電機(jī)的無(wú)傳感器控制。

建議的RPWM方法

所提議的DTRSBPWM方法涉及兩個(gè)級(jí)別的隨機(jī)性，利用四個(gè)（兩組）三角載波來(lái)實(shí)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(hào)來(lái)改變開(kāi)關(guān)頻率或載波頻率。被限制在一個(gè)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(gè)周期都改變。我們來(lái)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(gè)開(kāi)關(guān)頻率，混沌序列xn可以簡(jiǎn)單地通過(guò)迭代生成。因此，開(kāi)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(guò)使用c的不同值得到。通過(guò)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(guò)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(duì)于4×1多路復(fù)用器（MUX），如圖3所示，所有四個(gè)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(gè)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(shí)驗(yàn)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?；煦珙l率限定在2kHz和4kHz之間。另外兩個(gè)載波分別是+3kHz和-3kHz。圖10顯示了無(wú)傳感器BLDC驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的Simulink原理圖。

表I：ZSI的規(guī)格。

表2：無(wú)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(kāi)發(fā)系統(tǒng)對(duì)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-350Vdc變化至300Vdc時(shí)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?gòu)?50變?yōu)?000rpm的速度響應(yīng)如圖10所示。

圖10：轉(zhuǎn)速?gòu)?50到1000rpm(TL=1.5Nm)時(shí)的速度響應(yīng)。

表3：諧波傳播能力。

所提議的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可以使用SPARTAN-6現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列（XC6SLX45）器件實(shí)現(xiàn)。該架構(gòu)使用VHDL語(yǔ)言進(jìn)行設(shè)計(jì)，其功能仿真使用Modelsim6.3工具進(jìn)行。使用綜合工具XilinxISE13.2可以完成寄存器傳輸級(jí)（RTL）驗(yàn)證和實(shí)現(xiàn)。

本文提出的基于ZSI的BLDC電機(jī)驅(qū)動(dòng)和無(wú)傳感器速度控制具有很多優(yōu)點(diǎn)，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?yàn)樗恍枰獋鞲衅骱蛯?dǎo)線。其它優(yōu)點(diǎn)還包括低成本、小尺寸和少維護(hù)等?；谒膫€(gè)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(dòng)。