基于Quasi?Z源变换器的无刷直流电机控制系统研究

摘 要： 为了克服传统电动汽车功率变换器两级结构的不足，进一步提高其效率，提出一种基于Quasi?Z源变换器的无刷直流电机控制系统。分析其基本原理，利用该技术实现直流母线升压与电机调速一体化控制，使传统两级结构转变为一级结构。采用Simulink对控制系统进行仿真，验证此种控制方法的可行性。

关键词： Quasi?Z源； 变换器； 无刷直流电机； 闭环控制

中图分类号： TN911.7?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）01?0156?04

引 言

电动汽车作为国家重点发展的环保节能型车辆，将在未来得到广泛的应用和发展[1?2]。而永磁无刷直流电机具有效率高，寿命长，成本低，维护方便以及较好的转速转矩调节特性等优点，将成为电动车领域的主要动力系统。然而，传统的无刷直流电机驱动系统常常是由前级DC/DC升压电路和后极DC/AC变换器组成。这种驱动电路和升压电路分开从而构成典型的两级系统，其工作效率相对低下，在复杂工况中，配合调节的难度较大。前级DC/DC升压电路中以传统的BOOST升压电路应用最广，然而其拓扑本身固有缺点较为明显：该拓扑升压因子足够大时，开关导通比接近1，实际应用电路将会遇到一系列复杂的问题。因此加入BOOST电路既增加系统成本，又使得控制复杂程度增加。传统驱动电路中，为了避免同桥臂上下开关管同时导通，常常加入死区时间。然而这又会影响输出电流波形，产生大量谐波。

Z源拓扑是一个崭新的概念。基于Z源网络的电机控制系统相较于传统的电机传动系统拥有以下优势：Z源网络的直通占空比小于0.5，理论上其输出电压可达无限大；与传统逆变控制系统不同，Z源网络允许上下桥臂直通，因此不需要引入死去时间，有效解决了谐波电流过大等问题，提高了系统的稳定性，降低系统的控制难度。然而传统Z源网络存在一定的缺陷，因此本文引入了基于Quasi?Z源变换器的无刷直流电机调速系统，有效地弥补了传统Z源变换器的不足，并实现无刷直流电机的闭环调速。

1 传统Z源变换器

1.1 传统Z源变换器的原理

美国密歇根州立大学的彭方正教授于2002年创造性地提出了一种新型的功率变换拓扑即Z源变换器[3?4]。图1为传统Z源网络的拓扑结构。