专利名称：一种基于z源的直流无刷电机驱动器的制作方法
技术领域：
本实用新型属于直流电机控制的技术领域，涉及直流无刷电机的控制技术，更具体地说，本实用新型涉及一种基于Z源的直流无刷电机驱动器。
背景技术：
直流无刷电机因为其高效率、长寿命、低噪音以及较好的转速转矩等特性优点，已经广泛应用在汽车空调、雨刮器、电动车门、安全气囊、电动座椅等驱动上。特别是在纯电动汽车领域，作为电动汽车的动力系统组成，有着极其广阔的发展空间。但是，传统的直流无刷驱动器将升压电路与电机驱动电路分开，不能实现既升压、又驱动直流无刷电机的目的。现有技术将升压系统和驱动系统分开，使其成为两级系统，降低了整个系统的工作效率。
实用新型内容本实用新型提供一种基于Z源的直流无刷电机驱动器，其目的是将传统直流无刷驱动器的两级系统用一级系统替换，并且减少硬件电路，允许桥路直通，提高系统的安全性和效率。为了实现上述目的采取的技术方案为:本实用新型提供的基于Z源的直流无刷电机驱动器，所述的直流无刷电机驱动器包括Z源功率变换驱动模块、电压电流检测模块、控制器、过压过流保护模块、直流无刷电机和电机霍尔信号检测模块；所述的Z源功率变换驱动模块分别与直流输入电源、直流无刷电机连接；所述的Z源功率变换驱动模块还分别与所述的控制器、过压过流保护模块连接；所述的电机霍尔信号检测模块分别与所述的直流无刷电机和控制器连接；所述的电压电流检测模块与所述的控制器连接。所述的Z源功率变换驱动模块设有Z源网络和三相全桥；所述的Z源网络的结构为:直流输入电源的两相各串联一个电感；两个电感的两端交叉各并联一个电容；所述的三相全桥由六个功率开关构成。所述的Z源网络的前端串联一个二极管，其导通方向与直流输入电源的电流方向相同。为了实现与上述技术方案相同的发明目的，本实用新型还提供了以上所述的控制方法，该控制方法的主程序流程为:主程序开始；步骤1、系统初始化；步骤2、设置Z源升压标志和电机启动标志位；步骤3、检测标志位，如果符合，进入步骤4 ;如果不符合，则返回步骤2 ;步骤4、调用Z源升压和电机启动子程序；步骤5、检测是否达到升压要求以及电机转速是否达到要求；如果是，则进入步骤6 ;如果否，则返回步骤4 ;步骤6、主程序结束，返回。以上步骤4中所述的调用Z源升压和电机启动子程序的流程为:进入Z源升压和电机启动子程序；步骤1、Z源功率变换PWM控制子程序；步骤2、设置A/D标志位步骤3、判断是否有A/D转换标志，如果是，则进入步骤4 ;如果否，则返回步骤2 ;步骤4、判断是否是第一次A/D，如果是，则进入步骤5 ;如果否，则进入步骤7 ;步骤5、检测输出电压是否满足升压要求，如果是，则进入步骤6，如果否，则返回步骤I ;步骤6、将输出电压数值存入A/D数组，设置第一次A/D结束标志，设置第二次A/D标志；步骤7、判断是否第二次A/D，如果是，则进入步骤8 ;如果否，则返回步骤4 ;步骤8、检测电路电流和U、V、W三相电压是否满足要求，如果是，则进入步骤9，如果否，则进行过流过压保护，然后进入步骤10 ；步骤9、将相应数值存入A/D数组，设置第二次A/D结束标志；步骤10、Z源升压和电机启动子程序结束,返回。以上步骤I中所述的Z源功率变换PWM控制子程序的流程为:进入Z源功率变换PWM控制子程序；步骤1、Z源网络是否工作在升压状态，如果是，则进入步骤2 ;如果否，则不插入直通量，只采用双极性PWM控制电机，然后进入步骤3 ;步骤2、插入直通量，使上、下桥臂直通；步骤3、Z源功率变换PWM控制子程序结束，返回。本实用新型采用上述技术方案，省去了电动汽车蓄电池前端DC/DC变换器，使整个驱动系统成为一级装置，提高了能量转换效率，降低了整个装置的体积和成本，大大提高了有源器件的安全性，增强了系统抗干扰能力；高效利用汽车内部空间，减轻了重量；也为纯电动汽车的发展提供思路，节约能源，有利于低碳生活。
下面对本说明书各幅附图所表达的内容及图中的标记作简要说明:图1是本实用新型的系统结构框图；图2是本实用新型的拓扑结构图；图3是本实用新型的功率开关管触发信号图；图4是本实用新型的Z源电路图；图5.1 5.11是本实用新型的功率驱动电路图，其中:图5.1 是 U4 (HllLl)及 U5 (ACS704)的电路图；图5.2 是 U6、U7 和 U8 (ACS706)的电路图；图5.3 是 Ull (L6386)的电路图；图5.4 是 U12 (L6386)的电路图；[0045]图5.5 是 U13 (L6386)的电路图；图5.6 是 01 (HCPL4504)的电路图；图5.7 是 02 (HCPL4504)的电路图；图5.8 是 03 (HCPL4504)的电路图；图5.9 是 05 (HCPL4504)的电路图；图5.10 是 06 (HCPL4504)的电路图；图5.11 是 07 (HCPL4504)的电路图；图6.1 6.6是本实用新型的电源及报警电路图，其中:图6.1 是 U15 (MC78L15)和 U16 (LMl 17-5)的电路图；图6.2 是 UlO (LM393)的电路图；图6.3是POWER OUT的电路图；图6.4 是 U9 (ACS706)的电路图；图6.5 是 U18 (LMl 17-3.3)的电路图；图6.6是D22、D23和D24的电路图；图7.1 7.4是本实用新型的霍尔信号检测电路图，其中:图7.1 是 U20 (74HC14)的电路图；图7.2是D25 D30的电路图；图7.3是Hl H3的电路图；图7.4是J6 (HALL)的电路图；图8是本实用新型的主程序流程图。图9是本实用新型的升压及电机启动子程序流程图。图10是本实用新型的Z源功率变换P丽控制子程序流程图。图1中标记为:1、直流输入电源，2、Z源功率变换驱动模块，3、电压电流检测模块，4、控制器，5、过压过流保护模块，6、直流无刷电机，7、电机霍尔信号检测模块。
具体实施方式
下面对照附图，通过对实施例的描述，对本实用新型的具体实施方式
作进一步详细的说明，以帮助本领域的技术人员对本实用新型的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。本实用新型所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种图1所示本实用新型的结构，是一种基于Z源的直流无刷电机驱动器，其目的是将传统直流无刷驱动器的两级系统用一级系统替换，并且减少硬件电路，允许桥路直通，提高系统的安全性和效率。实现该发明目的，本实用新型采取的技术方案为:如图1所示，本实用新型提供的基于Z源的直流无刷电机驱动器包括Z源功率变换驱动模块2、电压电流检测模块3、控制器4、过压过流保护模块5、直流无刷电机6和电机霍尔信号检测模块7 ;所述的Z源功率变换驱动模块2分别与直流输入电源1、直流无刷电机6连接；所述的Z源功率变换驱动模块2还分别与所述的控制器4、过压过流保护模块5连接；所述的电机霍尔信号检测模块7分别与所述的直流无刷电机6和控制器4连接；所述的电压电流检测模块3与所述的控制器4连接。系统的Z源功率变换驱动模块2、电压电流检测模块3、控制器4、过压过流保护5、电机霍尔信号检测7用来控制直流无刷电机6。本实用新型的上述技术方案与现有技术相比，省去了电动汽车蓄电池前端DC/DC变换器，使整个驱动系统成为一级装置，提高了能量转换效率，降低了整个装置的体积和成本，大大提高了有源器件的安全性，增强了系统抗干扰能力。高效的利用了汽车内部空间，减轻了重量。也为纯电动汽车的发展提供思路，节约能源，利于低碳生活。本实用新型的拓扑结构如图2所示。该拓扑结构包括直流电源，Z源网络，三相全桥和直流无刷电机。具体说，所述的Z源功率变换驱动模块2设有Z源网络和三相全桥；所述的Z源网络的结构为:直流输入电源的两相各串联一个电感；两个电感的两端交叉各并联一个电容；所述的三相全桥由六个功率开关构成。所述的Z源网络的前端串联一个二极管，其导通方向与直流输入电源的电流方向相同。如图1和图2所示，系统前端的二极管(Dl)目的是阻止电流倒流回直流电压源，电感LI，L2和电容Cl，C2构成Z源网络，L1=L2, C1=C2。利用Z源网络具有的升压功能，将直流输入电源I的输出电压，经由Z源功率变换驱动模块2升压到144V。如图4所示，电动汽车蓄电池通过POWER IN和POWER GND接口输入60V的直流电，经过Z源网络POWER OUT引脚，输出144V直流电压。其中P+和P-之间连接霍尔电流传感器做Z源前端部分的电流检测。经过Z源升压后的144V直流电，输入到功率驱动模块。如图5.1 5.11所示，其中，六个功率开关(Q1-Q6)，采用飞利浦公司的IRF540，功率开关管既要控制直流无刷电机的正常调速，又要与前端Z源网络配合，使整个系统可以将蓄电池的输入电压升压到电动汽车用144V。因此采用双极性PWM控制方式调速，并在双极性控制中采用插入直通矢量的方式，使Z源网络实现升压，控制波形如图3所示。在直通时间里，上下桥臂短路，此时整个系统工作在升压和电机控制状态；在非直通时间里，上下桥臂不短路，整个系统处于电机调速控制状态。直通矢量插入的时间长短取决于对Z源网络的升压要求，经计算此处将60V的直流电升压到144V，需要的升压2.4倍。如图6.1 6.6所示，电源及报警电路为整个一级系统提供3.3V,5V, 15V的电源以及给各级芯片供电。设置了过/欠压保护电路，保证控制系统能在出现异常状况时及时作出保护动作。霍尔信号检测是用来捕获电机的霍尔信号，从而保证电机的正常换向，电路如图7.1 7.4所示。为了实现与上述技术方案相同的发明目的，本实用新型还提供了以上所述的控制方法:该方法首先对控制器初始化并设置升压标志位以及电机启动标志位。其次判断标志位是否设置成功，如果成功则调用Z源升压和电机启动子程序，若未设置成功则重新标志位。最后对转速和升压进行检测如果满足要求返回，若出现异常状态则重新调用Z源升压和电机启动子程序。上述控制方法的主程序流程如图8所示，图中，该控制方法的主程序流程具体为:[0086]主程序开始；[0087]步骤1、系统初始化；[0088]步骤2、设置Z源升压标志和电机启动标志位；[0089]步骤3、检测标志位，如果符合，进入步骤4 ;如果不符合，则返回步骤2 ；[0090]步骤4、调用Z源升压和电机启动子程序；[0091]步骤5、检测是否达到升压要求以及电机转速是否达到要求；如果是，则进入步骤6 ;如果否，则返回步骤4 ;[0092]步骤6、主程序结束，返回。[0093]以上步骤4中升压及电机启动子程序流程图如图9所示。首先调用Z源功率变换PWM控制子程序，再用两次采样分别检测升压和电机调速是否正常，若不正常及时作出保护动作。[0094]所述的调用Z源升压和电机启动子程序的流程具体如下:[0095]进入Z源升压和电机启动子程序；[0096]步骤1、Z源功率变换PWM控制子程序；[0097]步骤2、设置A/D标志位[0098]步骤3、判断是否有A/D转换标志，如果是，则进入步骤4 ;如果否，则返回步骤2 ;[0099]步骤4、判断是否是第一次A/D，如果是，则进入步骤5 ;如果否，则进入步骤7 ;[0100]步骤5、检测输出电压是否满足升压要求，如果是，则进入步骤6，如果否，则返回步骤I ;[0101]步骤6、将输出电压数值存入A/D数组，设置第一次A/D结束标志，设置第二次A/D标志；[0102]步骤7、判断是否第二次A/D，如果是，则进入步骤8 ;如果否，则返回步骤4 ;[0103]步骤8、检测电路电流和U、V、W三相电压是否满足要求，如果是，则进入步骤9，如果否，则进行过流过压保护，然后进入步骤10 ；[0104]步骤9、将相应数值存入A/D数组，设置第二次A/D结束标志；[0105]步骤10、Z源升压和电机启动子程序结束，返回。[0106]以上步骤I中Z源功率变换PWM控制子程序流程图如图10所示。首先判断系统是否处于升压状态，如果处于升压状态，则在控制过程中插入直通量使上下桥臂直通，实现升压。如果是处于电机控制状态，则不插入直通量，只对电机进行调速和换向控制。[0107]所述的Z源功率变换PWM控制子程序的流程具体如下:[0108]进入Z源功率变换PWM控制子程序；[0109]步骤1、Z源网络是否工作在升压状态，如果是，则进入步骤2 ;如果否，则不插入直通量，只采用双极性PWM控制电机，然后进入步骤3 ;[0110]步骤2、插入直通量，使上、下桥臂直通；[0111]步骤3、Z源功率变换PWM控制子程序结束，返回。[0112]上面结合附图对本实用新型进行了示例性描述，显然本实用新型具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本实用新型的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本实用新型的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本实用新型的保护范围之内。
权利要求1.一种基于Z源的直流无刷电机驱动器，其特征在于:所述的直流无刷电机驱动器包括Z源功率变换驱动模块(2)、电压电流检测模块(3)、控制器(4)、过压过流保护模块(5)、直流无刷电机(6)和电机霍尔信号检测模块(7);所述的Z源功率变换驱动模块(2)分别与直流输入电源(I)、直流无刷电机(6)连接；所述的Z源功率变换驱动模块(2)还分别与所述的控制器(4)、过压过流保护模块(5)连接；所述的电机霍尔信号检测模块(7)分别与所述的直流无刷电机(6)和控制器(4)连接；所述的电压电流检测模块(3)与所述的控制器(4)连接。
2.按照权利要求1所述的基于Z源的直流无刷电机驱动器，其特征在于:所述的Z源功率变换驱动模块(2)设有Z源网络和三相全桥；所述的Z源网络的结构为:直流输入电源的两相各串联一个电感；两个电感的两端交叉各并联一个电容；所述的三相全桥由六个功率开关构成。
3.按照权利要求2所述的基于Z源的直流无刷电机驱动器，其特征在于:所述的Z源网络的前端串联一个二极管，其导通方向与直流输入电源的电流方向相同。
专利摘要本实用新型公开了一种基于Z源的直流无刷电机驱动器，其中，Z源功率变换驱动模块分别与直流输入电源、直流无刷电机连接；Z源功率变换驱动模块还分别与控制器、过压过流保护模块连接；电机霍尔信号检测模块分别与直流无刷电机和控制器连接；电压电流检测模块与控制器连接。上述技术方案省去了电动汽车蓄电池前端DC/DC变换器，使整个驱动系统成为一级装置，提高了能量转换效率，降低了整个装置的体积和成本，大大提高了有源器件的安全性，增强了系统抗干扰能力；高效利用汽车内部空间，减轻了重量；也为纯电动汽车的发展提供思路，节约能源，有利于低碳生活。
文档编号H02P6/00GK202978791SQ20122069462
公开日2013年6月5日 申请日期2012年12月15日 优先权日2012年12月15日
发明者高文根, 王俊杰, 许钢, 江娟娟, 袁一鸣, 张海艳, 鲍学礼, 阎延 申请人:安徽工程大学