CN102904504B - 一种车用永磁同步电机控制系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种车用永磁同步电机控制系统，基于数字信号处理器DSP和复杂可编程逻辑器件CPLD，该系统包括：功率模块、永磁同步电机及固定在电机上的旋转变压器，还包括：控制模块、驱动模块、传感器组及电源模块，采用DSP和CPLD作为硬件主构架，其中DSP为主控芯片，实现与整车控制器HCU进行通信、温度检测处理、状态监控与故障诊断等；CPLD能并行处理DSP对外设的大量逻辑与、或、非运算，快速实现对众多外设的寻址、译码、使能控制，这种同时运用DSP和CPLD共同对电机实施控制的方式，既可以发挥DSP计算能力强，又可利用CPLD并行逻辑运算快速的特点，达到提高电机系统的运算能力，实现复杂的实时控制。

Description

一种车用永磁同步电机控制系统

技术领域

本发明涉及永磁同步电机控制领域，更具体的说，是涉及一种车用永磁同步电机控制系统。

背景技术

目前，常用的电机控制系统方式有很多种，具体包括：（1）采用DSP(DigitalSignal Processing，数字信号处理器)为核心的电机控制系统；（2）采用FPGA（Field－Programmable Gate Array，可编程逻辑器件）为核心的电机控制系统；（3）采用单片机为核心的电机控制系统；（4）采用单片机和DSP为核心的电机控制系统。这些控制系统各有其特点，适用于不同的情况。例如：方式1对核心器件DSP的性能要求很高，不适用I/O和功能多的复杂电机控制系统；方式2适用于小型的、控制简单的电机控制器系统；方式3适用于功能多，但实时性不高的电机控制系统；方式4适用于多功能、复杂的实时电机控制系统。

对于永磁同步电机及其控制系统来说，其在EV/HEV车上的应用非常广泛，其作为整车动力总成系统的一个核心组成部分，必须保证其工作的安全性和可靠性，因此，就对电机控制系统提出了更高要求：高实时性、多功能性和控制复杂性。

因此，提供一种车用永磁同步电机控制系统，基于数字信号处理器DSP和复杂可编程逻辑器件CPLD，以提高电机控制系统的高实时性、多功能性和控制复杂性，是领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种车用永磁同步电机控制系统，基于数字信号处理器DSP和复杂可编程逻辑器件CPLD，以克服现有技术中由于不能有效提高电机控制系统的高实时性、多功能性和控制复杂性的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种车用永磁同步电机控制系统，基于数字信号处理器DSP和复杂可编程逻辑器件CPLD，该系统包括：功率模块、永磁同步电机及固定在所述永磁同步电机上的旋转变压器，还包括：

设置在控制板上，实现与整车控制器HCU进行通信、温度检测处理、状态监控与故障诊断、电机矢量控制以及负责所述永磁同步电机的转子位置、三相电流、直流电流和电压信号采集与数据处理的控制模块；

设置在驱动板上与所述控制模块相互电连接，接收所述控制模块发送的信号对所述功率模块实现驱动，并将驱动故障信号反馈给所述控制模块的驱动模块；

所述驱动板设置在所述功率模块上，并与所述功率模块的针脚有电气连接；

分别与所述控制模块和所述驱动模块相连接，为所述控制模块和所述驱动模块提供控制和驱动电源的电源模块；

分别与所述控制模块和所述功率模块相连接，对系统的电流、电压及温度进行检测的传感器组；

所述传感器组包括电流传感器、电压传感器和温度传感器；

所述永磁同步电机采用旋转变压器来检测转子的位置。所述旋转变压器检测到的转子位置正弦信号和余弦信号发送给所述控制模块，得到转子的位置。

其中，所述控制模块包括：

作为主控芯片的数字信号处理器DSP；

与所述数字信号处理器DSP通过总线进行信号连接，协助所述数字信号处理器DSP管理外部设备的可编程逻辑器件CPLD；

与所述数字信号处理器DSP通过总线进行信号连接，对所述永磁同步电机进行旋变解码，并接收旋变解码控制信号的旋变解码信号电路；

与所述数字信号处理器DSP通过总线进行信号连接，并与所述可编程逻辑器件CPLD信号连接，接收直流电压故障信号的直流电压检测处理电路；

与所述数字信号处理器DSP通过总线进行信号连接，并与所述可编程逻辑器件CPLD信号连接，接收电流故障信号的电流检测处理电路；

与所述数字信号处理器DSP相连接，接收所述温度传感器所感知的系统温度的温度检测处理电路；

与所述数字信号处理器DSP通过专用串行外围接口SPI相连接，对所述系统数据进行存储的电可擦除可编程存储器EEPROM。

其中，所述驱动模块包括：

与所述电源模块相连接，为所述驱动模块提供控制和驱动电源的电源电路；

与所述控制模块和所述功率模块及所述电源电路相连接，对所述系统进行驱动和保护的驱动及保护电路。

其中，所述传感器组包括：直流电压传感器、直流电流传感器、永磁同步电机定子的三相电流传感器和温度传感器。

其中，所述温度传感器包括两个永磁同步电机的定子温度传感器、功率模块温度传感器、电路板PCB温度传感器、永磁同步电机控制器IPU的冷却液温度传感器和IPU的散热器底板温度传感器。

其中，所述电流传感器包括用于检测永磁同步电机定子三相电流和永磁同步电机控制器IPU直流母线电流，所述电流传感器检测的电流信号经过所述电流检测处理电路后送至所述数字信号处理器DSP，经过A/D转换、计算后获得采样电流值。

其中，所述电压传感器检测到的永磁同步电机逆变器的直流母线电压信号经过所述直流电压检测处理电路后送至所述数字信号处理器DSP，经过A/D转换、计算后获得采样电压值。

优选的，所述数字信号处理器DSP为32位定点数字信号处理器TMS320F2812。

优选的，所述电可擦除可编程存储器EEPROM通过专用串行外围接口SPI总线与所述数字信号处理器DSP相连，用来保存所述数字信号处理器DSP运算过程中的结果和数据。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开了一种车用永磁同步电机控制系统，基于数字信号处理器DSP和复杂可编程逻辑器件CPLD，该系统包括：功率模块、永磁同步电机及固定在所述永磁同步电机上的旋转变压器，还包括：控制模块、驱动模块、传感器组及电源模块，控制模块中包括数字信号处理器DSP和复杂可编程逻辑器件CPLD，采用数字信号处理器DSP和复杂可编程逻辑器件CPLD作为硬件主构架，其中数字信号处理器DSP为主控芯片，实现与整车控制器HCU进行通信、温度检测处理、状态监控与故障诊断、电机矢量控制以及负责所述永磁同步电机的转子位置、三相电流、直流电流和电压信号采集与数据处理；复杂可编程逻辑器件CPLD能并行处理数字信号处理器DSP对外设的大量逻辑与、或、非运算，快速实现对众多外设的寻址、译码、使能控制，这种同时运用DSP芯片和可编程器件CPLD共同对电机实施控制的方式，既可以发挥DSP计算能力强,又可利用CPLD并行逻辑运算快速的特点，达到提高电机系统的运算能力，实现复杂的实时控制。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例公开的一种车用永磁同步电机控制系统的结构示意图；

图2为本发明实施例公开的车用永磁同步电机控制原理框图；

图3为本发明实施例公开的数字信号处理器DSP电路原理框图；

图4为本发明实施例公开的复杂可编程逻辑器件CPLD电路原理框图；

图5为本发明实施例公开的永磁同步电机控制系统的控制及驱动电路原理框图。

具体实施方式

为了引用和清楚起见，下文中使用的技术名词的说明、简写或缩写总结如下：

CPLD(Complex Programmable Logic Device，复杂可编程逻辑器件)，是从PAL和GAL器件发展出来的器件，相对而言规模大，结构复杂，属于大规模集成电路范围，是一种用户根据各自需要而自行构造逻辑功能的数字集成电路。其基本设计方法是借助集成开发软件平台，用原理图、硬件描述语言等方法，生成相应的目标文件，通过下载电缆将代码传送至目标芯片中，实现设计的数字系统。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本申请公开了一种车用永磁同步电机控制系统，基于数字信号处理器DSP和复杂可编程逻辑器件CPLD，该系统包括：功率模块、永磁同步电机及固定在电机上的旋转变压器，还包括：控制模块、驱动模块、传感器组及电源模块，采用DSP和CPLD作为硬件主构架，其中DSP为主控芯片，实现与整车控制器HCU进行通信、温度检测处理、状态监控与故障诊断等；CPLD能并行处理DSP对外设的大量逻辑与、或、非运算，快速实现对众多外设的寻址、译码、使能控制，这种同时运用DSP和CPLD共同对电机实施控制的方式，既可以发挥DSP计算能力强，又可利用CPLD并行逻辑运算快速的特点，达到提高电机系统的运算能力，实现复杂的实时控制。

请参阅附图1，为本发明实施例公开的一种车用永磁同步电机控制系统的结构示意图。具体本发明实施例公开了一种车用永磁同步电机控制系统，基于数字信号处理器DSP和复杂可编程逻辑器件CPLD，该系统包括：功率模块1、永磁同步电机2及固定在永磁同步电机2上的旋转变压器3，还包括：设置在控制板4上，实现与整车控制器HCU进行通信、温度检测处理、状态监控与故障诊断、电机矢量控制以及负责永磁同步电机的转子位置、三相电流、直流电流和电压信号采集与数据处理的控制模块5；设置在驱动板6上与控制模块5相互电连接，接收控制模块5发送的信号对功率模块1实现驱动，并将驱动故障信号反馈给控制模块5的驱动模块7；驱动板6设置在功率模块1上，并与功率模块1的针脚有电气连接；分别与控制模块5和驱动模块6相连接，为控制模块5和驱动模块6提供控制和驱动电源的电源模块8；分别与控制模块5和功率模块1相连接，对系统的电流、电压及温度进行检测的传感器组9。

上述传感器组9包括电流传感器91、电压传感器92和温度传感器93；永磁同步电机采用旋转变压器来检测转子的位置。所述旋转变压器检测到的转子位置正弦信号和余弦信号发送给所述控制模块，得到转子的位置。

具体的，请参阅附图2，为本发明实施例公开的车用永磁同步电机控制原理框图，上述控制模块包括：作为主控芯片的数字信号处理器DSP；与DSP通过总线进行信号连接，协助DSP管理外部设备的可编程逻辑器件CPLD；与DSP通过总线进行信号相连接，对永磁同步电机进行旋变解码，并接收旋变解码控制信号的旋变解码信号电路；与DSP通过总线进行信号相连接，并与CPLD信号连接，接收直流电压故障信号的直流电压检测处理电路；与DSP通过总线进行信号相连接，并与CPLD信号连接，接收电流故障信号的电流检测处理电路；与DSP相连接，接收温度传感器所感知的系统温度的温度检测处理电路；与DSP通过专用串行外围接口SPI相连接，对系统数据进行存储的电可擦除可编程存储器EEPROM。

控制模块的主控芯片DSP具有与整车控制器HCU进行通信、温度检测处理、状态监控与故障诊断、电机矢量控制以及负责永磁同步电机的转子位置、三相电流、直流电流和电压等信号采集与数据处理等功能。

请参阅附图3，为本发明实施例公开的数字信号处理器DSP电路原理框图，具体包括：

1个CAN模块，进行与整车控制器进行通信，接收整车控制信号。同时将永磁同步电机系统的运行状态信号发送给整车控制器，实现对永磁同步电机控制器IPU系统的状态监控与故障诊断。

GPIO模块，与CPLD进行通信的通用输入输出接口，实现对主控芯片外部设备的访问，包括读、写、片选等操作。

ADC模块，将温度传感检测处理电路的模拟信号进行A/D转换，得到采样信号的数字值。

SPI模块，主控芯片DSP通过专用串行外围接口（SPI）与EEPROM相连，用来保存主控芯片DSP运算过程中的结果和数据等。

PWM模块，主控芯片DSP通过PWM模块产生的PWM信号通过驱动及保护电路去驱动功率模块。

SCI串行通信模块，用于与其它异步通信设备或控制器进行数据传输。

时钟模块，通过对外接的晶振进行锁相、倍频，得到系统时钟信号。

电源管理模块，检测片内电压，以保证DSP在规定的电压范围内正常工作，并进行上电及下电时序管理。

控制模块具有2路CAN通信，其中一路CAN为主控芯片DSP2812自带，用来同整车控制器HCU进行通信。另一路，通过片外CAN通信电路与DSP的GPIO口相连实现DSP与外部设备的CAN通信，用来实现DSP的程序烧写、电机控制系统的参数标定等功能。

优选的，请参阅附图4，为本发明实施例公开的复杂可编程逻辑器件CPLD电路原理框图。控制模块的可编程逻辑器件CPLD通过其I/O端口对外部CAN电路、外部RAM电路、外部D/A转换电路、直流电压检测处理电路、电流检测处理电路、旋变解码信号电路的片选及控制信号、故障信号（包括驱动故障信号、电压故障信号、电流故障信号）的译码和逻辑运算，实现DSP对片外资源（RAM、CAN、旋变等）的访问控制和电机系统运行故障信号的检测与处理，使得主控芯片DSP能完成复杂的实时控制，提高主控芯片DSP的快速运算处理能力。

优选的，主控芯片数字信号处理器DSP为TI公司性能强大的32位定点数字信号处理器TMS320F2812。

优选的，控制模块的电可擦除可编程存储器EEPROM通过专用SPI总线与主控芯片DSP相连，用来保存主控芯片DSP运算过程中的结果和数据等。

针对电机控制系统中主控芯片的外部资源丰富（I/O数量多）的特点，本发明采用了可编程逻辑器件CPLD来协助DSP管理外设。CPLD能并行处理DSP对外设的大量逻辑与、或、非运算，快速实现对众多外设的寻址、译码、使能控制等。

CPLD通过其I/O端口对外部CAN电路、外部RAM电路、外部D/A转换电路、直流电压检测处理电路、电流检测处理电路、旋变解码信号电路的片选及控制信号、故障信号（包括驱动故障信号、电压故障信号、电流故障信号）的译码和逻辑运算，实现DSP对片外资源（RAM、CAN、旋变等）的访问控制和电机系统运行故障信号的检测与处理。

这种同时运用DSP芯片和可编程器件CPLD共同对电机实施控制的方式，既可以发挥DSP计算能力强,又可利用CPLD并行逻辑运算快速的特点，达到提高电机系统的运算能力，实现复杂的实时控制。具体实施方式为：CPLD通过其I/O端口对外部CAN电路、外部RAM电路、外部D/A转换电路、直流电压检测处理电路、电流检测处理电路、旋变解码信号电路的片选及控制信号、故障信号（包括驱动故障信号、电压故障信号、电流故障信号）的译码和逻辑运算，实现DSP对片外资源（RAM、CAN、旋变等）的访问控制和电机系统运行故障信号的检测与处理，从而使DSP能够完成复杂的实时控制，提高DSP系统的快速运算处理能力。

本发明中，控制系统的驱动模块包括：电源电路、驱动及保护电路、功率模块。其中电源电路为驱动及保护电路提供控制和驱动电源，主控芯片DSP发送的PWM信号经过驱动及保护电路后驱动功率模块。驱动故障信号经过驱动及保护电路后送至可编程逻辑器件CPLD，再送至DSP以进行相应故障处理。

图5为永磁同步电机控制系统的控制及驱动电路板原理框图。控制板和驱动板的电路原理框图各部分已经在上面的图2至图4中给予了说明，在此不再重复描述。

综上所述：本发明公开了一种车用永磁同步电机控制系统，基于数字信号处理器DSP和复杂可编程逻辑器件CPLD，该系统包括：功率模块、永磁同步电机及固定在所述永磁同步电机上的旋转变压器，还包括：控制模块、驱动模块、传感器组及电源模块，控制模块中包括数字信号处理器DSP和复杂可编程逻辑器件CPLD，采用数字信号处理器DSP和复杂可编程逻辑器件CPLD作为硬件主构架，其中数字信号处理器DSP为主控芯片，实现与整车控制器HCU进行通信、温度检测处理、状态监控与故障诊断、电机矢量控制以及负责所述永磁同步电机的转子位置、三相电流、直流电流和电压信号采集与数据处理；复杂可编程逻辑器件CPLD能并行处理数字信号处理器DSP对外设的大量逻辑与、或、非运算，快速实现对众多外设的寻址、译码、使能控制，这种同时运用DSP芯片和可编程器件CPLD共同对电机实施控制的方式，既可以发挥DSP计算能力强,又可利用CPLD并行逻辑运算快速的特点，达到提高电机系统的运算能力，实现复杂的实时控制。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种车用永磁同步电机控制系统，其特征在于，所述系统基于数字信号处理器DSP和复杂可编程逻辑器件CPLD，该系统包括：功率模块、永磁同步电机及固定在所述永磁同步电机上的旋转变压器，还包括：

设置在控制板上，实现与整车控制器HCU进行通信、温度检测处理、状态监控与故障诊断、电机矢量控制以及负责所述永磁同步电机的转子位置、三相电流、直流电流和电压信号采集与数据处理的控制模块；

设置在驱动板上与所述控制模块相互电连接，接收所述控制模块发送的信号对所述功率模块实现驱动，并将驱动故障信号反馈给所述控制模块的驱动模块；

所述驱动板设置在所述功率模块上，并与所述功率模块的针脚有电气连接；

分别与所述控制模块和所述驱动模块相连接，为所述控制模块和所述驱动模块提供控制和驱动电源的电源模块；

分别与所述控制模块和所述功率模块相连接，对系统的电流、电压及温度进行检测的传感器组；

所述传感器组包括电流传感器、电压传感器和温度传感器；

所述永磁同步电机采用旋转变压器来检测转子的位置，所述旋转变压器检测到的转子位置正弦信号和余弦信号发送给所述控制模块，得到转子的位置；所述控制模块包括：

作为主控芯片的数字信号处理器DSP；

与所述数字信号处理器DSP通过总线进行信号连接，协助所述数字信号处理器DSP管理外部设备的可编程逻辑器件CPLD；

与所述数字信号处理器DSP通过总线进行信号连接，对所述永磁同步电机进行旋变解码，并接收旋变解码控制信号的旋变解码信号电路；

与所述数字信号处理器DSP通过总线进行信号连接，并与所述可编程逻辑器件CPLD信号连接，接收直流电压故障信号的直流电压检测处理电路；

与所述数字信号处理器DSP通过总线进行信号连接，并与所述可编程逻辑器件CPLD信号连接，接收电流故障信号的电流检测处理电路；

与所述数字信号处理器DSP相连接，接收所述温度传感器所感知的系统温度的温度检测处理电路；

与所述数字信号处理器DSP通过专用串行外围接口SPI相连接，对系统数据进行存储的电可擦除可编程存储器EEPROM。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述驱动模块包括：

与所述电源模块相连接，为所述驱动模块提供控制和驱动电源的电源电路；

与所述控制模块和所述功率模块及所述电源电路相连接，对所述系统进行驱动和保护的驱动及保护电路。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述传感器组包括：直流电压传感器、直流电流传感器、永磁同步电机定子的三相电流传感器和温度传感器。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述温度传感器包括两个永磁同步电机的定子温度传感器、功率模块温度传感器、电路板PCB温度传感器、永磁同步电机控制器IPU的冷却液温度传感器和IPU的散热器底板温度传感器。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述电流传感器包括用于检测永磁同步电机定子三相电流和永磁同步电机控制器IPU直流母线电流，所述电流传感器检测的电流信号经过所述电流检测处理电路后送至所述数字信号处理器DSP，经过A/D转换、计算后获得采样电流值。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述电压传感器检测到的永磁同步电机逆变器的直流母线电压信号经过所述直流电压检测处理电路后送至所述数字信号处理器DSP，经过A/D转换、计算后获得采样电压值。

7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述数字信号处理器DSP为32位定点数字信号处理器TMS320F2812。

8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述电可擦除可编程存储器EEPROM通过专用串行外围接口SPI总线与所述数字信号处理器DSP相连，用来保存所述数字信号处理器DSP运算过程中的结果和数据。