CN106533307A - 基于dsp的电动汽车用永磁同步电机矢量解耦控制器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于DSP的电动汽车用永磁同步电机矢量解耦控制器，该控制器基于DSP芯片，包括DSP供电电源及串口通讯电路、功率主电路、信号检测电路、保护电路以及CAN通信接口电路；所述控制器收到总线上来自VCU的电机控制模式与转矩参数；DSP芯片完成相应的矢量控制、电流速度环控制以及SVPWM算法；输出PWM信号控制逆变电路中电力电子器件的通断，从而控制PMSM；电流电压检测电路通过采集PMSM实时的电压电流参数，经过保护电路实现自我保护与故障诊断；光电编码器通过采集PMSM的位置与转速参数，得到电角度以及转速反馈值；最后通过CAN通信接口电路将电机控制的实时状态反馈给VCU。本发明使电动汽车用永磁同步电机控制系统具有高性能、高可靠性以及维护方便、全数字化的优点。

Description

基于DSP的电动汽车用永磁同步电机矢量解耦控制器
技术领域
本发明涉及动力电动汽车电机驱动传动领域，特别是一种基于DSP的电动汽车用永磁同步电机矢量解耦控制器。
背景技术
随着世界经济与汽车工业的飞速发展，汽车已经逐渐成为人们日常的交通工具，但与此同时，世界环境污染以及资源短缺问题促使汽车从传统的燃油汽车向新能源电动汽车发展，因此大力研究和发展电动汽车技术，实现汽车能源动力系统从油到电的转变，在全世界掀起了很大的研究热潮。
电动汽车驱动系统的总体结构是以电池为供电电源，以电机为动力输出，并且包括功率转换器以及相应的控制器构成的电机控制系统。由于电动汽车需要保证在启动停止、加速减速、爬坡等不同工况下能保持安全稳定地运行，故对电动汽车的电机控制器的研究具有非常重大的意义。
电动汽车用电机控制器在国外汽车发达的国家趋于成熟，多数汽车企业在电动汽车领域拥有着优良的技术，通过市场的验证其控制器控制策略成熟度高，整车经济性好，控制器产品可靠性高。例如美国的Rinehart Motion Systems LLC公司生产的PMl00型号的控制器，该控制器多应用于电动汽车、混合动力汽车及工业控制中，散热采用了高热流强化的技术，外观尺寸更加和谐，重量也小，功且寿命延长，此控制器为电动车和混合动力汽车提供了优良的控制，其电机控制就是对转矩的控制，使用矢量控制控制技术，根据磁场定向对电动机的转矩电流、励磁电流进行控制。目前该产品已经投入市场，并大量应用在了电动汽车上。
目前，我国已有电机控制器的软、硬件开发上的相关技术，但是产品功能较之国外还不够完善，存在功率小、动态性能差、转矩惯量和时间常数大、抗干扰性弱等缺点，无法满足电动汽车控制器的需要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种功率大、动态性能良好、转矩惯量和时间常数较小、抗干扰性强的基于DSP的电动汽车用永磁同步电机矢量解耦控制器。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于DSP的电动汽车用永磁同步电机矢量解耦控制器，该控制器基于DSP芯片，包括DSP供电电源及串口通讯电路、功率主电路、信号检测电路、保护电路以及CAN通信接口电路；
所述控制器收到总线上来自VCU的电机控制模式与转矩参数；DSP芯片完成相应的矢量控制算法、电流速度环控制算法以及SVPWM算法；输出PWM信号通过PWM信号隔离电路后控制逆变电路中电力电子器件的通断，从而控制PMSM；电流电压检测电路通过采集PMSM实时的电压电流参数，经过保护电路从而实现电机控制器与电机的自我保护与故障诊断；光电编码器通过采集PMSM的位置与转速参数，得到DSP矢量变换计算中涉及的电角度以及转速调节器所需要的转速反馈值；最后通过CAN通信接口电路将电机控制的实时状态反馈给VCU。
进一步地，所述DSP供电电源采用双电源，对DSP芯片外部设备与内核进行供电；DSP芯片与外部设备通信方式采用异步串行口接口SCI实现。
进一步地，所述功率主电路包括逆变电路、驱动电路、光耦隔离电路，其中：
所述逆变电路直接对蓄电池所提供的电压进行滤波、逆变，该逆变电路为直-交逆变电路，包括功率开关器件逆变电路、电容滤波电路、预充电电阻电路；
所述光耦隔离电路与DSP芯片直接相连，接收DSP芯片中SVPWM算法得到的PWM，经过光耦隔离电路进行电平转换，从而输入驱动电路中；
所述驱动电路与逆变电路相连接，控制逆变电路中电力电子器件的开通与关断。
进一步地，所述信号检测电路包括电流电压检测调理电路、光电编码器外围电路，其中：
所述电流电压检测调理电路采用霍尔电压传感器和霍尔电流传感器，分别对直流母线电压和定子相电流进行检测，该电流电压检测调理电路与DSP芯片相连，将电流电压实时参数供给DSP芯片进行分析处理；
所述光电编码器外围电路采用混合式光电编码器对转子位置及速度进行检测，该光电编码器外围电路与DSP芯片相连，将永磁同步电机转子位置及速度参数提供给DSP芯片，使DSP芯片实现电流、转速双闭环控制算法。
进一步地，所述保护电路采用比较电路，通过实测值与设定值的比较，实现保护功能：如果实测值高于或低于设定值，则比较器输出进行翻转，将故障信号送入DSP芯片，中断引脚实现软件封锁PWM波，同时故障信号在硬件上封锁PWM信号，实现双保险。
进一步地，所述CAN通信接口电路，实时的将电机的采集信号和状态信号发送到CAN总线上，同时接收CAN总线发送过来的控制信号。
进一步地，所述DSP芯片中电机控制的子模块包括：坐标变换、空间矢量计算、PWM输出、模拟量采集、QEP模块、速度环电流环PID计算；DSP芯片包括系统初始化、主程序以及中断服务子程序，主程序实现对各个子模块的初始化，在中断程序内进行算法运算，电机控制程序采用定时器的上溢中断，在中断程序中将各个子模块相连接，最终实现电机控制。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)基于DSP芯片，DSP是一种速度快、容量大、功能集成度高的控制芯片，具备浮点计算能力、丰富数学函数，为设计复杂控制算法、提升控制性能带来了可能；(2)采用矢量控制，将车载电机的定子电流实现解耦，引入电流、转速双闭环控制，控制简单，调节精度高，基于空间矢量脉冲宽度调制技术(SVPWM)控制逆变电路中电力电子器件的通断，从而给车载永磁同步电机供电；(3)采用模块化设计，便于电机控制器的组装与维修。
附图说明
图1为本发明基于DSP的电动汽车用永磁同步电机矢量解耦控制器的总体结构示意图。
图2为本发明中矢量控制算法控制框图。
图3为本发明中系统初始化流程图。
图4为本发明中主程序流程图。
图5为本发明中断服务子程序流程图。
具体实施方式
本发明的目的是针对目前电机控制器无法满足大功率、良好的动态性能、较小的转矩惯量和时间常数、强抗干扰性等技术特点而提出的一种基于DSP的电动汽车用永磁同步电机矢量解耦控制器，它主要包括DSP供电电源及串口通讯电路、功率主电路、信号检测电路、保护电路以及CAN通信接口电路。所述控制器通过总线与VCU形成联系，可以保证电动汽车在启动停止、加速减速、爬坡等不同工况下能保持安全稳定地运行。
结合图1，本发明基于DSP的电动汽车用永磁同步电机矢量解耦控制器，该控制器基于DSP芯片，包括DSP供电电源及串口通讯电路、功率主电路、信号检测电路、保护电路以及CAN通信接口电路；
所述控制器收到总线上来自VCU的电机控制模式与转矩参数；DSP芯片完成相应的矢量控制算法、电流速度环控制算法以及SVPWM算法；输出PWM信号通过PWM信号隔离电路后控制逆变电路中电力电子器件的通断，从而控制PMSM；电流电压检测电路通过采集PMSM实时的电压电流参数，经过保护电路从而实现电机控制器与电机的自我保护与故障诊断；光电编码器通过采集PMSM的位置与转速参数，得到DSP矢量变换计算中涉及的电角度以及转速调节器所需要的转速反馈值；最后通过CAN通信接口电路将电机控制的实时状态反馈给VCU。
进一步地，所述DSP供电电源采用双电源，对DSP芯片外部设备与内核进行供电；DSP芯片与外部设备通信方式采用异步串行口接口SCI实现。
进一步地，所述功率主电路包括逆变电路、驱动电路、光耦隔离电路，其中：
所述逆变电路直接对蓄电池所提供的电压进行滤波、逆变，该逆变电路为直-交逆变电路，包括功率开关器件逆变电路、电容滤波电路、预充电电阻电路；由于电动汽车采用蓄电池供电因此逆变电路部分省去了一般变频器的整流环节，直接对蓄电池所提供的电压进行滤波、逆变。
所述光耦隔离电路与DSP芯片直接相连，接收DSP芯片中SVPWM算法得到的PWM，经过光耦隔离电路进行电平转换，从而输入驱动电路中；
所述驱动电路与逆变电路相连接，控制逆变电路中电力电子器件的开通与关断。
进一步地，所述信号检测电路包括电流电压检测调理电路、光电编码器外围电路，其中：
所述电流电压检测调理电路采用霍尔电压传感器和霍尔电流传感器，分别对直流母线电压和定子相电流进行检测，该电流电压检测调理电路与DSP芯片相连，将电流电压实时参数供给DSP芯片进行分析处理。矢量变换的计算涉及电角度，转速调节器需要转速反馈值，两者的实现依赖于光电编码器。矢量控制电流环的控制需要实时反馈的电流，可以采用电流传感器检测。SVPWM的计算涉及直流母线电压，可以通过电压传感器检测。
所述光电编码器外围电路采用混合式光电编码器对转子位置及速度进行检测，该光电编码器外围电路与DSP芯片相连，将永磁同步电机转子位置及速度参数提供给DSP芯片，使DSP芯片实现电流、转速双闭环控制算法。
进一步地，所述保护电路采用比较电路，通过实测值与设定值的比较，实现保护功能：如果实测值高于或低于设定值，则比较器输出进行翻转，将故障信号送入DSP芯片，中断引脚实现软件封锁PWM波，同时故障信号在硬件上封锁PWM信号，实现双保险。
进一步地，所述CAN通信接口电路，实时的将电机的采集信号和状态信号发送到CAN总线上，同时接收CAN总线发送过来的控制信号。
进一步地，所述DSP芯片中电机控制的子模块包括：坐标变换(Clark、Park及其反变换)、空间矢量计算、PWM输出、模拟量采集、QEP模块、速度环电流环PID计算；DSP程序主要运用了EV模块的全比较单元、QEP电路以及AD模块。DSP芯片包括系统初始化、主程序以及中断服务子程序，主程序实现对各个子模块的初始化，在中断程序内进行算法运算，电机控制程序采用定时器的上溢中断，在中断程序中将各个子模块连接，最终实现电机控制。
本发明利用高速信号处理器DSP，使电动汽车用永磁同步电机控制系统具有高性能、高可靠性以及维护方便的全数字化的优点。采用矢量控制，将车载电机的定子电流实现解耦，引入电流、转速双闭环控制，控制简单，调节精度高。基于空间矢量脉冲宽度调制技术(SVPWM)控制逆变电路中电力电子器件的通断，从而给车载永磁同步电机供电。电动汽车整车控制器VCU通过总线将所需的电机控制模式、转矩等参数发送给电机控制器，所述DSP完成SVPWM功能、矢量控制以及电流环、速度环等算法的实现；同时通过信号检测电路、保护电路实现对电机控制器及电机本身的自我保护与故障诊断；最后通过CAN通信接口电路将电机控制的实时状态反馈给VCU。
实施例1
结合图1，本发明采用模块化设计，将直-交型逆变电路、驱动电路、PWM信号隔离电路组成模块归结到功率主电路中；将电压、电流检测调理电路，光电编码器外围电路组成模块归结到信号检测电路中。模块化的设计方案使得电动汽车用永磁同步电机控制器变得易于安装与维修。
所述DSP需要采用双电源对其外设与内核进行供电，外设供电电压为3.3V，内核供电电压为1.9V，DSP在上电过程中，为了保证芯片内部各模块具有准确的复位状态，则要求DSP的外设IO3.3V先上电，然后再给内核1.9V上电。本发明采用TI公司提供的TPS707D301电源转换芯片将5V电压转换成两路3.3V与1.8V电压，并通过电位器将1.8V电压转换为DSP所需要的1.9V电压。
所述串口通讯电路，是为了实现DSP与电脑之间的串行通信，必须先要进行电平转换，通过电平转换芯片将串行数据由TTL电平转换成RS-232标准电平。
所述直—交型逆变电路，采用电动车中的蓄电池供电，通过电解电容进行稳压滤波之后连接至桥式逆变电路中。逆变电路与PMSM相连，从而控制PMSM的运行。
所述驱动电路对DSP中执行SVPWM算法之后输出的PWM进行处理，然后与逆变电路相连接，从而控制逆变电路中各个电力电子器件的开关与通断，给PMSM以控制信号。
所述光耦隔离电路接在驱动电路与DSP之间，从而实现电平的匹配。
所述电流、电压检测及调理电路采用霍尔电压传感器和霍尔电流传感器，分别对直流母线电压和定子相电流进行检测。该电路与DSP相连，将电流电压实时参数供给DSP进行分析处理。
所述光电编码器外围电路采用混合式光电编码器对转子位置及速度进行检测。与DSP相连，将永磁同步电机转子位置及速度参数提供给DSP，方便DSP实现电流、转速双闭环控制算法。
所述保护电路主要以过电流保护为主，因为在电机控制系统中，过流故障会非常严重的后果，发生过流可能烧毁功率开关管甚至烧毁电机。因此在发生过流时需要快速的封锁PWM的输出，使逆变器停止工作，保护功率开关管和电机。因此该保护电路运用比较电路，通过实测值与设定值的比较，实现保护功能：如果实测值高于(或低于)设定值，则比较器输出进行翻转，将故障信号送入DSP，中断引脚实现软件封锁PWM波，同时，故障信号也要在硬件上封锁PWM信号，实现双保险。
所述CAN通信接口电路可以实现将系统状态参数发布到CAN网络上，以便电动汽车其他的CAN节点获得电机控制系统的参数。同时在控制器与CAN总线之间增加转换器电路，以便使各个控制器之间实现兼容的电平转换。
所述电动汽车用永磁同步电机控制器，其控制策略是矢量控制，通过将定子电流通过坐标变换解耦成转矩电流以及励磁电流，分别对这两种电流进行控制使PMSM的控制变得简单方便。采用空间矢量脉冲宽度调制(SVPWM)的方法来控制逆变器，使得电压矢量的旋转磁场更逼近圆形，降低功率开关器件的功率损耗。引入电压电流双闭环控制，对电机控制系统的动态性能有良好的效果。具体的矢量控制算法控制框图如图2所示。
所述基于DSP的电动汽车用永磁同步电机控制器，电机控制系统的控制策略、算法、信号采集、PWM输出都是由DSP控制器完成的，因此DSP软件程序是电机正常运行的关键。电机控制程序主要包括：坐标变换(Clark、Park及其反变换)、空间矢量计算、PWM输出、模拟量采集、QEP模块、速度环电流环PID计算等主要子模块。DSP软件程序主要包括系统初始化、主程序以及中断服务子程序，图3为系统初始化流程图，图4为主程序流程图，图5为中断服务子程序流程图。主程序主要实现对各个模块的初始化，真正进行算法运算是在中断程序内。
由上可知，本发明基于DSP的电动汽车用永磁同步电机控制器，既能通过总线与VCU形成联系，保证电动汽车在启动停止、加速减速、爬坡等不同工况下能保持安全稳定地运行，又能保证该电机控制器易于组装与维修。

Claims (7)

1.一种基于DSP的电动汽车用永磁同步电机矢量解耦控制器，其特征在于，该控制器基于DSP芯片，包括DSP供电电源及串口通讯电路、功率主电路、信号检测电路、保护电路以及CAN通信接口电路；
所述控制器收到总线上来自VCU的电机控制模式与转矩参数；DSP芯片完成相应的矢量控制算法、电流速度环控制算法以及SVPWM算法；输出PWM信号通过PWM信号隔离电路后控制逆变电路中电力电子器件的通断，从而控制PMSM；电流电压检测电路通过采集PMSM实时的电压电流参数，经过保护电路从而实现电机控制器与电机的自我保护与故障诊断；光电编码器通过采集PMSM的位置与转速参数，得到DSP矢量变换计算中涉及的电角度以及转速调节器所需要的转速反馈值；最后通过CAN通信接口电路将电机控制的实时状态反馈给VCU。
2.根据权利要求1所述的基于DSP的电动汽车用永磁同步电机矢量解耦控制器，其特征在于，所述DSP供电电源采用双电源，对DSP芯片外部设备与内核进行供电；DSP芯片与外部设备通信方式采用异步串行口接口SCI实现。
3.根据权利要求1所述的基于DSP的电动汽车用永磁同步电机矢量解耦控制器，其特征在于，所述功率主电路包括逆变电路、驱动电路、光耦隔离电路，其中：
所述逆变电路直接对蓄电池所提供的电压进行滤波、逆变，该逆变电路为直-交逆变电路，包括功率开关器件逆变电路、电容滤波电路、预充电电阻电路；
所述光耦隔离电路与DSP芯片直接相连，接收DSP芯片中SVPWM算法得到的PWM，经过光耦隔离电路进行电平转换，从而输入驱动电路中；
所述驱动电路与逆变电路相连接，控制逆变电路中电力电子器件的开通与关断。
4.根据权利要求1所述的基于DSP的电动汽车用永磁同步电机矢量解耦控制器，其特征在于，所述信号检测电路包括电流电压检测调理电路、光电编码器外围电路，其中：
所述电流电压检测调理电路采用霍尔电压传感器和霍尔电流传感器，分别对直流母线电压和定子相电流进行检测，该电流电压检测调理电路与DSP芯片相连，将电流电压实时参数供给DSP芯片进行分析处理；
所述光电编码器外围电路采用混合式光电编码器对转子位置及速度进行检测，该光电编码器外围电路与DSP芯片相连，将永磁同步电机转子位置及速度参数提供给DSP芯片，使DSP芯片实现电流、转速双闭环控制算法。
5.根据权利要求1所述的基于DSP的电动汽车用永磁同步电机矢量解耦控制器，其特征在于，所述保护电路采用比较电路，通过实测值与设定值的比较，实现保护功能：如果实测值高于或低于设定值，则比较器输出进行翻转，将故障信号送入DSP芯片，中断引脚实现软件封锁PWM波，同时故障信号在硬件上封锁PWM信号，实现双保险。
6.根据权利要求1所述的基于DSP的电动汽车用永磁同步电机矢量解耦控制器，其特征在于，所述CAN通信接口电路，实时的将电机的采集信号和状态信号发送到CAN总线上，同时接收CAN总线发送过来的控制信号。
7.根据权利要求1所述的基于DSP的电动汽车用永磁同步电机矢量解耦控制器，其特征在于，所述DSP芯片中电机控制的子模块包括：坐标变换、空间矢量计算、PWM输出、模拟量采集、QEP模块、速度环电流环PID计算；DSP芯片包括系统初始化、主程序以及中断服务子程序，主程序实现对各个子模块的初始化，在中断程序内进行算法运算，电机控制程序采用定时器的上溢中断，在中断程序中将各个子模块相连接，最终实现电机控制。
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