CN1789033A - 基于dsp的嵌入式电动汽车变频控制方法及装置 - Google Patents

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李方敏
周祖德
徐成
龙毅宏
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Abstract

本发明涉及一种基于DSP的嵌入式电动汽车变频控制方法及装置，本发明的电池组通过开关电源模块提供系统电能，三相电压型变频器构成直交转换电路，通过门极信号隔离驱动电路产生变频交流电压驱动三相鼠笼电机；信号A/D检测接口电路模块包括三相电流信号、直流电压信号、变频器温度信号及踏板油门信号等反馈输入；DSP通过对驾驶控制器输入输出信号的读取和判断，进行相应处理和操作，通过对反馈信号的读取实现矢量控制或直接转矩控制；通讯模块通过串口或CAN总线将系统故障信息和运行状态以协议形式传送给上位机，实现实时监控。本发明具有体积小、重量轻、结构简单紧凑、效率高、响应快、调速范围广、保护功能强等特点。

Description

基于DSP的嵌入式电动汽车变频控制方法及装置
                        技术领域
本发明属于一种专用交流电机变频控制技术，具体地讲是一种基于DSP(数字信号处理器)的嵌入式电动汽车变频控制方法及装置。
                        背景技术
随着高能电池技术、现代电力电子技术、传感器技术，微机处理技术、电机控制技术及现代控制理论的发展，用汽油和柴油作为能源的传统汽车将逐渐被电动汽车所代替。因此研究效率高、响应快、调速范围广、安全可靠的电动汽车驱动系统已成为必然。电动汽车的电机驱动系统一般由四个主要部分组成，即控制器、功率变换器、电动机及传感器。对驱动系统的所有要求都集中体现在对功率变换器(通常为变频器)的控制上，为满足这些要求，电动汽车驱动控制系统通常采用矢量控制(FOC)或直接转矩控制(DTC)来实现。电动汽车的驱动系统大体可以分为直流驱动系统和交流驱动系统两类。直流驱动系统采用直流电机作为电动机，具有控制简便、动态性能较好的特点至今仍然有广泛的应用，但是，由于直流电机换向器的存在，大大降低了系统的性能，限制了电机的最高转速并且给驱动系统的维护带来了很多问题。相对于直流电机而言，交流电机具有体积小、功率大、效率高、结构简单、易于维护等优点，但是传统的交流驱动系统的调速方式如变压调速、绕线式异步电机转子串电阻调速、串级调速、变极调速等等这些调速方式都存在着明显的局限。
                        发明内容
本发明的目的是提供一种利用DSP进行高速信号采集和分析，功率器件驱动交流变频电机的基于DSP的嵌入式电动汽车变频控制方法及装置，以克服上述的不足。
为了实现上述目的，本发明设计了一种基于转子磁场定向的三相鼠笼感应电机空间矢量控制(或直接转矩控制)方法及装置，本发明由高能电池组(144V)、高效三相电压型变频器、144V三相鼠笼电机、变频器IPM模块(或IGBT模块)、门极信号隔离驱动电路、DSP(TMS320F2407A、TMS320F2812)最小系统、电源模块、12V辅助电源、信号A/D检测接口电路及电机转速检测接口电路模块、通讯模块及驾驶控制器输入输出信号接口电路模块组成，其特点是：高能电池组通过开关电源模块提供系统电能，高效三相电压型变频器由IPM模块或IGBT模块构成直交转换电路，通过门极信号隔离驱动电路产生变频交流电压驱动144V三相鼠笼电机；信号AD检测接口电路模块包括三相电流信号、直流电压信号、变频器温度信号及踏板油门信号等反馈输入；DSP最小系统通过对驾驶控制器输入输出信号的读取和判断，进行相应处理和操作，通过对反馈信号的读取实现矢量控制(FOC)或直接转矩控制(DTC)；通讯模块通过串口或CAN(控制局域网)总线将系统故障信息和运行状态以协议形式传送给上位机，实现实时监控。
上述控制方法采用以矢量控制算法(包括改进型矢量控制算法)和直接转矩控制算法(包括改进型直接转矩控制算法)实现。
本发明还提供了一种基于DSP的嵌入式电动汽车变频控制装置，它由高能电池组(144V)、高效三相电压型变频器、144V三相鼠笼电机、变频器IPM模块(或IGBT模块)、门极信号隔离驱动电路、DSP(TMS320F2407A、TMS320F2812)最小系统、电源模块、12V辅助电源、信号A/D检测接口电路及电机转速检测接口电路模块、通讯模块、刹车模块及驾驶控制器输入输出信号接口电路模块组成，其特点是：高能电池组通过开关电源模块提供系统电能，高效三相电压型变频器由IPM模块或IGBT模块构成直交转换电路，通过门极信号隔离驱动电路产生变频交流电压驱动144V三相鼠笼电机，通讯模块连接车辆仪表盘，驾驶状态输入接口信号，电驾驶控制器控制信号与变频控制器相连接。
上述DSP模块采用美国Ti公司的TMS320F2407或TMS320F2812专用信号处理模块。
上述电源模块采用专用多路隔离开关电源，其高频开关电源变压器可输出多路隔离电压信号。
上述刹车模块采用刹车能量回馈模块，该模块根据速度信号、刹车信号及回馈信号对电动汽车在刹车过程采取能量制动。
本发明由于采用DSP芯片作为核心，使得本发明硬件设计大大简化，并且SVPWM波形的形成只需由矢量控制算法算出各空间电压矢量的作用时间从而得到各相导通时间，以此配置320TMSF2407A(TMS320F2812)全比较控制寄存器即可自动实现，从而在一定程度上简化了主控软件的设计。由于本发明为防止IPM模块或IGBT模块间相互干扰，给每个模块单独供电，并且数字系统电源、A/D基准电压、通讯模块电源(均为5V)分开，提高了系统的抗干扰能力。本发明具有体积小、重量轻、结构简单紧凑、效率高、响应快、调速范围广、保护功能强等特点。
                        附图说明
图1为本发明的硬件结构框图。
图2.1及图2.2为本发明的控制结构框图。
图3为本发明的外围接线结构框图。
                        具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但该实施例不应理解为对本发明的限制。
本发明控制系统的核心是TI公司的16位定点电机调速专用DSP芯片TMS320F2407A(TMS320F2812)，由于其片内集成了串行通信接口、SPI接口，特别是集成了可编程死区功能的12路比较/脉宽调制通道的事件管理器模块和测速用正交编码模块以及多达40个用户可用的中断源。信号A/D检测接口电路及电机转速检测接口电路模块是控制系统重要的接口电路。它包括三相电流及变频器温度检测接口电路、电机转速及温度检测接口电路、直流母线电压检测接口电路，负责对变频器输出三相电流、变频器和电机温度、直流母线电压进行A/D检测前的预处理(主要是用光耦、运放、电压比较器进行隔离、电平转换和比较以产生保护输入信号)以及对电机2路转速信号进行整形，TMS320F2407A(TMS320F2812)进行A/D转换后结合转速检测值及设定值进行矢量控制运算，并与GEL16V8共同实现变频器过流、过压、欠压、过热、电机过热等保护功能。由于变频器直流母线电压不可避免存在较大干扰，因此使用了霍尔式电压传感器对直流母线电压进行A/D前的电平转换，并且所有检测信号在送至TMS320F2407A(TMS320F2812)做A/D转换前由肖特基箝位二极管阵列SN74S1051进行降噪处理。电流传感器采用了LED公司穿心式的开环电流传感器，其最大采样电流±500A、转换时间不大于3μs且工作温度范围宽，可以满足本系统要求。由于电动汽车工作环境恶劣，为提高电机转速传感器工作可靠性，采用了一种每转输出512个脉冲的光电编码式速度传感器，其输出2路正交信号经施密特触发器整形后由320TMSF2407A(TMS320F2812)进行计数，其测速精度可通过适当增大测速周期实现(本系统中取为5ms，并采用变M/T法)。
由于本发明中变频器主电路可采用两种功能模块执行方式：
1.采用了三菱公司的IPM模块，因此变频器6路PWM信号隔离驱动电路较为简单，每路信号经缓冲器74HC244后再经专用隔离驱动芯片HCPL4504，即可用于控制IPM模块。
2.采用富士公司或西门子公司的IGBT功率模块，因此变频器6路PWM隔离驱动电路较为复杂，每路信号经缓冲器转换后再经专用智能隔离驱动芯片HCPL-316J，进行IGBT智能过流保护即可用于控制
IGBT模块。
通讯模块包括与监控微机SCI串行通讯模块和与整车控制系统基于CAN总线(控制器局域网)的通讯模块，实现驱动系统数据的传送及控制指令参数的接收。控制器局域网是德国RobertBosch公司在20世纪80年代初为汽车业开发的一种串行数据通信总线，系统通讯组网能力强，数据传输可靠性高。
驾驶控制器信号输入输出接口电路模块包括电驾驶控制器控制信号输入接口电路和驾驶状态信号输出接口电路，负责对汽车起动、加速、减速、倒车、电池充电等控制信号进行检测，供TMS320F2407A(TMS320F2812)进行判断处理，同时根据驱动系统运行情况输出车灯信号、风扇信号等状态控制信息。电源模块负责控制系统和IPM模块的供电，采用开关电源实现，具有体积小、容易实现多路输出(本系统IPM方式中设计了10路，IGBT方式中设计了13路)和可靠性较好的优点。在本系统中，为防止IPM模块或IGBT模块间相互干扰，给每个模块单独供电，并且数字系统电源、A/D基准电压、通讯模块电源(均为5V)分开，提高了系统的抗干扰能力。
如图1所示为本发明硬件总体框图，系统由144V高能电池组、高效三相电压型变频器、三相鼠笼电机、变频器IPM模块、门极信号隔离驱动电路、DSP(TMS320F2407A、TMS320F2812)最小系统、电源模块、辅助电源、信号A/D检测接口电路及电机转速检测接口电路模块、通讯模块及驾驶控制器输入输出信号接口电路模块组成。
如图2所示，空间电压矢量法以三相对称正弦波电压供电时交流电动机的理想圆形磁通轨迹为基准，用逆变器不同的开关模式产生实际磁通逼近基准磁通圆，从而达到较高的控制性能。它具有直流电源利用率高(较SPWM高出15％)、电流畸变率低和便于微机(特别是用TMS320F2407A、TMS320F2812)实现的优点。本发明中三相逆变器的8种开关模式分别对应8个空间矢量，SVPWM就是控制这些基本空间矢量的组合，使输出电压空间矢量按设定的参数圆旋转。在每个扇区用两个非零矢量和一个或两个零矢量合成一个等效的电压矢量，可以通过查表实现。在模式转换时保证只有一个功率器件状态发生变化，使得每个控制周期内开关次数最少。在本控制系统中，采用转速、电流双闭环的控制方案，TMS320F2407A(TMS320F2812)作为控制核心，不仅要对控制电的各环节进行管理、协调和监督，而且还要进行较为复杂的矢量控制运算，由于本发明的控制是属于快速性要求较高的实时控制范畴，这就要求系统的采样周期尽可能短，根据对变频器的损耗及散热计算和对尽可能抑制谐波的折衷，系统载频固定为8kHz，TMS320F2407A(TMS320F2812)工作频率取为20MHz。由于要求在100μs内完成一次SVPWM算法，则系统主控程序指令(SVPWM程序)必须控制在1000条以内，这一方面要合理利用中断减小软件开销，另外为提高编译效率，主控程序必须用汇编语言编写，并且为减小计算量，对一些矢量算法中需要通过运算得到的常量，如三角函数表、空间矢量6个扇区各对应的两个空间电压矢量组成的矩阵的逆矩阵、额定及设定参数等要预先运算好存入程序区或数据区。在本系统中主要用到了5个中断：它们是通用定时器T1的全比较中断(作矢量控制运算生成6路PWM信号)、定时器T2中断(用于正交编码测速)、定时器T3中断(用于对系统控制电路状态监控，并决定是否起动或关闭电机)、功率驱动保护中断和串口中断。为了编程时做到条理清楚，不易出错，程序尽可能采用模块化设计。特别是通用定时器T1的全比较中断服务程序，由于控制算法较为复杂，将其分解为电流A/D采样模块、测速模块、Clark变换模块、Park变换模块、电流模型模块、PI调节模块、速度及电流调节模块、反Park变换模块、弱磁控制模块等。图2.1分别给出了主程序及T3、T2中断服务程序软件流程框图。图2.2是电动汽车起停控制算法流程框图。
本发明的软件是：DSP高速信号采集和处理系统采用的是CCS调试及编译环境，通过JTAG通讯口编译和下载程序。
本发明可用于环保电动游览车、高尔夫电动车、电动警用车、电动工程用车等不同种类交流电动车的核心变频控制系统之中。
本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的
现有技术。

Claims (6)

1、一种基于DSP的嵌入式电动汽车变频控制方法，由高能电池组、高效三相电压型变频器、144V三相鼠笼电机、变频器模块、门极信号隔离驱动电路、嵌入式DSP、电源模块、12V辅助电源、信号A/D检测接口电路及电机转速检测接口电路模块、通讯模块及驾驶控制器输入输出信号接口电路模块组成，其特征在于：高能电池组通过开关电源模块提供系统电能，高效三相电压型变频器由IPM模块或IGBT模块构成直交转换电路，通过门极信号隔离驱动电路产生变频交流电压驱动三相鼠笼电机；信号A/D检测接口电路模块包括三相电流信号、直流电压信号、变频器温度信号及踏板油门信号等反馈输入；DSP通过对驾驶控制器输入输出信号的读取和判断，进行相应处理和操作，通过对反馈信号的读取实现矢量控制或直接转矩控制；通讯模块通过串口或CAN总线将系统故障信息和运行状态以协议形式传送给上位机，实现实时监控。
2、如权利要求1所述的基于DSP的嵌入式电动汽车变频控制方法，其特征在于：控制方法采用以矢量控制算法和直接转矩控制算法实现。
3、一种基于DSP的嵌入式电动汽车变频控制装置，由高能电池组、高效三相电压型变频器、144V三相鼠笼电机、变频器模块、门极信号隔离驱动电路、嵌入式DSP、电源模块、12V辅助电源、信号A/D检测接口电路及电机转速检测接口电路模块、通讯模块、刹车模块及驾驶控制器输入输出信号接口电路模块组成，其特征在于：高能电池组通过开关电源模块提供系统电能，高效三相电压型变频器由IPM模块或IGBT模块构成直交转换电路，通过门极信号隔离驱动电路产生变频交流电压驱动三相鼠笼电机，通讯模块连接车辆仪表盘，驾驶状态输入接口信号，电驾驶控制器控制信号与变频控制器相连接。
4、如权利要求3所述的基于DSP的嵌入式电动汽车变频控制装置，其特征在于：嵌入式DSP采用美国Ti公司的TMS320F2407或TMS320F2812专用信号处理模块。
5、如权利要求3所述的基于DSP的嵌入式电动汽车变频控制装置，其特征在于：电源模块采用专用多路隔离开关电源，其高频开关电源变压器可输出多路隔离电压信号。
6、如权利要求3所述的基于DSP的嵌入式电动汽车变频控制装置，其特征在于：刹车模块采用刹车能量回馈模块，该模块根据速度信号、刹车信号及回馈信号对电动汽车在刹车过程采取能量制动。
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