基于TMS320LF2407A的电动汽车控制系统设计

　

　?1504? 计算机测量与控制.2006.14(11)　Computer Measurement &Control

工业控制

收稿日期:20060325;　修回日期:20060427。

作者简介:丁磊(1980),男,江苏徐州人,教师,主要从事无刷直流电机驱动与控制的研究。

文章编号:16714598(2006)11150403 中图分类号:TP276 文献标识码:A

基于TMS320LF2407A 的电动汽车控制系统设计

丁　磊,经怀明

(安徽蚌埠解放军汽车管理学院,安徽蚌埠　233001)

摘要:基于TMS320L F2407DSP 的特点,设计了新的双轮独立驱动电动车控制系统;通过改进软件设计,实现了单电流传感器检测相电流;提出了新的转子位置检测方法;介绍了实用的313～5V 接口电路等,实验结果证明了新方案的有效性。

关键词:控制器;电子差速;轮毂电机;电动车

Application of DSP2407in the Electric Control System Applied

to Wheel Motor Driven Micro EV

Ding Lei ,Jing Huaiming

(Management of Automobile Institute of PL A ,Bengbu 233001,China )

Abstract :Based on t he characteristics of TMS320L F2407DSP.a novel elect ric differential control system applied to in -wheel motor driven elect ric vehicle (EV )is developed ,and a new detection met hod of phase current is realized by using one current sensor ,a novel phase position measurement is designed ,some simple interface circuit s between 313～5V are presented.Experimental result s verified t he feasibility of t he new means.

K ey w ords :controller ;electric differential velocity ;in -wheel motor ;electric vehicle (EV )

0　引言

电动汽车的控制管理系统是整个系统运行的智能核心,其

作用是根据各种传感信息,合理控制其余子系统的工作,以获得EV 良好的动、静态运行性能和效率。传统燃油汽车通过左右轮间的机械差速器保证了两侧车轮能够以不同速度旋转,而满足了汽车行驶运动学的要求,同时也增加了减震悬架系统的复杂度,降低了系统的效率。电动汽车一般都采用一种直接驱动方法,每个车轮配备独立的驱动电机,按所需动力来分配两电机的功率,不再需要传动机构和差速齿轮,节省了空间,也提高了传动系统的效率。对于这种驱动单元,需要电子差速系统来实现[1]。

TMS320407是DSP (简称DSP2407)控制器24X 系列的新成员,即电机数字化控制的升级产品,它采用高性能静态CMOS 技术,使得供电电压降到313V ,减小了控制器的功耗,处理性能更好(30MIPS ),几种先进外设被集成到该芯片内,尤其是它具有两个事件管理器模块,所以能够同时控制两台电机,因此可以应用于双轮独立驱动电动车控制系统。

1　电动车的轮式驱动方式

轮式驱动对比传统驱动方式,取消了离合器、变速器、差

速器等机构,电机直接驱动车轮。既可以完全消除传动中的机械磨损与功率损耗,又减小车辆体积和重量,根据面向高性能电动车应用的要求,采用轮式驱动的运行模式。电池采用免维护封闭式阀控铅酸蓄电池。样车采用轮觳电机为外转子的三相永磁无刷直流电机(浙江卧龙集团制造),供电电压为96V ,

额定输出功率为019kW ,极对数为8。在供电方式上,该轮觳电机需要实时根据转子位置判断电子绕组的供电顺序,其执行的换向逻辑功能相当于有刷直流电机的电刷换向功能,该永磁无刷电机具有与传统有刷直流电机相似的良好的调速性能。

2　电动车用电机驱动控制策略分析

理想车辆驱动原动机的输出特性为恒功率特性,即

T

ω=const (1)但实际上当ω→0时不可能达到T =0,因此,在工程可实现的范围内,传统燃油汽车在其主要工作转速范围内,为近似的恒力距特性,且其高效率工作的转速范围较窄。对于电动车辆,一般继承已被人们接受的传统内燃机车辆踏板式或手柄式控制方式,对驾驶者的驱动意识也应具有与传统内燃机车辆一致或更优良的驱动响应。

本系统采用电压控制策略,通常所称的调压调速特性,即属电压控制策略。此外,采用线性的电流调节系数的电流负反馈控制系统,也属于电压控制范畴[2]。

直流有刷电机系统和三相永磁无刷直流电机系统,在PWM 调压驱动下的机械特性为

T =K t

ρU -K e

ωR a

(2)式中,R a 为绕组相电阻,K t 为转距系数,K e 为电动势系数,

ω为电动机转速,ρ为单极性PWM 控制时的占空比,设定与踏板踏位成线性关系,U 为逆变电源电压。在限制最大输出电流的条件下,其机械特性如图1所示。

如果采用线性调节系数的电流负反馈控制,控制框图如图2所示。其输出特性为

T =K t K i V im -K e ωR a +K f K i

=K t

K i V im -K e

ωR f

(3)其中R f =R a +K f K i ;V in 为与控制踏板对应的电流控制指令。

第11期

丁　磊,等:基于TMS320L F2407A 的电动汽车控制系统设计　?1505?

该机械特性如图2所示

。

图1　PWM 调压控制 图2　线性电流负反馈控

下的机械特性 制下的机械特性

图1和图2表明,电压控制策略下的无刷直流电机系统具有线性控制特性,即对应于一定的输出转距,输出指令和速度呈线性关系;对应于一定的速度,输入指令和输出转距呈线性关系。此于内燃机汽车的踏板控制比较类似,有与传统汽车类似的驾驶感觉[3]。

此外,电压控制策略除了具有与内燃机车辆一致的驱动特性,要达到驾驶者期望的车速,是通过驾驶者相应的控制反应实现的。由式(3)可得

d ωd t =

K t R f J

(K i V im -K e ω)(4)这表明电压控制策略对应于车辆加速度控制,并随着车速的提高,同一指令控制下所产生的加速度相应减小。当V in 为阶跃输入时,转速的响应为

ω=

1-exp -K e K t

R f J

t K i

K e

V in (5)

即对于输入指令而言,转速是一个以

R f J

K e K t

为时间常数的大惯性环节。因此,当车辆寸进、点动行驶时,由于大惯性环节的积分作用,对驾驶者反应的速度的要求大大下降,同时,电压控制策略下,随着车速的增加,驱动力则相应下降,符合车辆稳定性和安全性的要求。

图3　控制系统的总体框图

3　基于DSP2407的双轮轮毂电机电子差速驱动系统

设计

311　总体框图

图3示出设计的基于DSP2407的电子差速驱动控制系统总体框图。功率电路采用半桥调制方式,可以降低逆变器的开关损耗,三相Y 联接的无刷直流方波轮毂电机采用两两导通方式,即每一瞬间有两个功率管导通,每隔60电角度换相一次,每个功率管导通120电角度。DSP240芯片包括EVA ,

EVB 两个事件管理器模块,每个事件管理器模块又包括通用

定时器、比较单元、捕获单元等。在该设计中,EVA ,EVB

分别用于控制轮式驱动电动车的两个轮毂电机,同时,两个电源保护中断PDPIN TA 和PDPIN TB 又分别对应EVA 、EVB ,这样两个电机可以独立控制。图4给出了电子差速算法的实施框图。

图4　电子差速算法实施框图

312　新的半桥调制时相电流的检测方法

通常需要多个电流传感器检测电机的相电流进行电流控制。该系统中电机为两相导通三相六拍运行方式,PWM 调制采用半桥方式,在PWM 有效期间直流端电流即为相应相的相电流,在PWM 无效期间直流端电流为0,因此,只有在PWM 有效期间进行电流信号采样,才能有效地检测到电机的相电流。现在仅通过改进软件设计,就能简单准确地实现单电流传感器对相电流的检测。图5示出AD 转换的时序图。以左电机为例简要说明如下:电流传感器放在直流端,通过设定DSP 控制字ACTRA 使PWM 信号的高电平有效,DSP 的通用定时器T 1。设定为连续加减记数方式,每10次T 1周期中断为一个电流采样周期,启动电流的AD 采样,这样每次进行电流信号采样的时刻均在PWM 的有效期间内,从而实现单电流传感器对相电流的检测。相比于文献[

4]的方法,检测到的电流值与实际的电流平均值更为接近。DSP2407器件的ADC 模块和24X 的ADC 模块不兼容,它的采样和保持获取单元有单独的预定标控制,且不同的预定标系数对应的输入阻抗也不同,所以,为了降低ADC 的时间,电流传感器的输出信号经过常规的滤波、放大和绝对值电路后再加一级射极跟随器电路,这样信号端的输出电阻就很小,同时通过改变图5　相电流AD 转换时序示意图

(图中TxPR —定时器周期寄存器值)

ADCTRl 的寄存器中的ACQ PS 3～ACQ PS 0位段域和CPS 位来调整DSP2407器件ADC 的采样和保持模块来适应信号阻抗的变化,以保证采样精度的同时,尽可能选取采样和转换时间短的设定。

313　改进的有位置传感器转子位置的检测方法

该系统的永磁无刷轮毂电机带有霍尔位置传感器,使用方便且价格低廉。通常此类电机的控制方案是把三路位置传感器输出接DSP 器件的捕获单元,该系统中两个电机的六路位置信号使用捕获单元处理就需要涉及4个定时器及相应中断的使用。这里摒弃这种常规方法,将位置传感器输出接至DSP 的I/O 口,在产生PWM 的定时器下溢中断服务程序中读I/O 口的状态,设计中PWM 的开关频率为15k Hz ,该系统使用的电机额定转速是340r/min ,所以定时器下溢中断间隔相对于电机最小换相时间间隔足够小。例如,左轮电机三路位置信号接至DSP 的输入输出脚(I/OPF0—2)。在软件设计中,将三相六步换相关系做成表格形式,同时考虑正、反转及制动信号,如正转时的换相真值表为:

P HASETABF :

?word 0000110011001100b ?word 0000111001001100b ?word 0000110011100100b ?word 0000111011000100b ?word 0000010011001110b ?word 0000110001001110b ?word 0000010011101100b ?word 0000110011001100b

表中每个字的内容即为左电机位置信号下ACTRA.

需的控制字,上桥臂信号为高电平有效;下桥臂信号为低电平有效。换相部分的关键程序为:

M AR 3,AR0 L AR AR0,#PFDA TDIR

L ACC 3

AND #07H

ADD #P HASETABF L AR AR0,#ACTRA

TBL R

3

另外,对于功率较大的电机,当绕组电流较大时,一方面会影响永磁转子所产生的磁场使其空间位置偏移;另一方面因换相电流冲击会影响位置传感器附近的磁场分布,这两种情况都将使霍尔位置传感器的信号产生误差,甚至因干扰不能正常工作。所以,采取弱延迟换相和换相锬定技术,即在定时器下溢中断服务程序判断三路位置信号,并与前次位置信号对比,在检测到位置改变时并非立即换相,而是继续在小间隔内进行若干次位置检测,进一步判定是否确实处于换相位置;当确定换相操作后。在一小间隔内无论转子位置信号有无变化,都不再进行换相,这样保证了换相处理的准确性。相对于使用捕获单元,软件设计大为简化。314　与DSP2407的接口电路

DSP2407的控制器是313V ,需要5V 的接口电路,现有的313～5V 的转换芯片价格较贵,图6给出了几个简单实用的接口电路。DSP 的输入脚有时有内部的上拉或下拉电路,为简化分析在此不考虑内部的上拉或下拉[5]。 5V 输出到313V DSP CMOS 输入:当T TL 器件的最大供电电压是5125V ,在额定电流时T TL 输出的高电压是314V ,空载时是4105V ;因此若考虑元件之间的最大压差,假定DSP 供电电压是310V ,最大容许电压是313V ,逻辑高图6　5～313V 的接口电路

电平的最大压差是0175V ,所以按电流要求加限流电阻即可;当供电电源是5125V 时,5V CMOS 输出在空载是5125V ,所

以逻辑高电平时的压差是1195V ,因此要加分压电路。因为DSP 的输出是T TL 兼容,T TL 的高低逻辑是214～3,L ABVIEW 其开发环境,因此,用户看见的是与实际硬件仪器很相似的操作面板。该系统采用RS232通信总线标准,通过上位机可观测两驱动轮转速、车体速度、转角等数据。316　软件设计

主程序部分完成系统初始化、电流AD 采样结果处理、轮速计算、车体速度估算、电子差速算法及实旅等。T 定时器下溢中断服务程序中,从I/O 口分别读取两个电机位置信号,并完成上述的弱延迟换相和换相锁定,设定两个电机的AC 2

TRA/B 控制字,启动转角的AD 采样等。T 定时器周期中断

服务程序中,每10次周期中断启动相应的电流AD 采样[6]。

317　驱动与保护

该设计中功率器件选用IRFP250,DSP 的12路全比较PWM 输出经过高速光耦隔离后接至驱动集成模块IR2130。电流、过电压、欠电压等保护电路其保护信号产生时先硬件封锁IR2130的输出,同时该保护信号接DSP 的PDPIN TA 或

PDIN TB 脚。在相应的PDPIN TA/B 中断中,完成故障的处理

及相应的后台处理工作,经过试验证明该系统具有良好的差速性能。

参考文献:

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tric vehicle design [J ].IEEE Trans.Ind.Elect ron.,1997,44(1):14-18.

(下转第1512页)

IN T8U numanalog ;//模拟量路数IN T8U numswitch ;

//

开关量路数

IN T16U ADCData[MAX_ADC_AI]; //节点模拟量数据IN T16U DIData[MAX_DI_AI];//节点开关量数据IN T16U PrioData ;//负载优先级数据IN T16U DICtrl ;//开关量控制命令

}NODE_DA TA ;

图6　CAN 通信测试结果

SDO 模式通过节点标识(nodeid )、数据类型(nodetype )、模拟量、开关量路数定义了PDO 模式的目的节点标识、帧类型(数据帧或远程帧)、数据长

度等参数。21412　中断方式接收数据

根据μC/0S -Ⅱ任务划分功能,通信模块的数据传输由接收数据任务TaskCANRX ()、发送数据任务TaskCAN TX ()完成。21413　查询方式发送数据

通信模块采用查询方式发送数据,即依据设定的周期发送查询命令,在收到发送数据的命令后,对标志量FlagCAN TX 置位,并执行发送数据任务TaskCAN TX ()。当标志量FlagCA 2N TX 为1,首先获取发送邮箱的ID 号,再执行写邮箱函数Mail 2box TXWR ()将要发送的数据写入相应邮箱的数据缓存区内,接着执行DataPack ()将写入邮箱的数据进行打包,函数Mailbox 2TX ()

执行邮箱数据的发送操作。发送数据流程参照图5所示。

图5　接收数据流程

3　CANopen 协议下CAN 通信测试结果

利用逻辑分析仪WindView 可以监测到分布式测控平台CAN 通信的运行情况,如图6所示。其中IN T4是CAN 卡中断,time Task 是时钟TIC K 信号,receiviaSPort 进程通过CAN 总线接收PSP 指令、sendViaSport 进程发送终端状态数据。从图中可以看出使用CANopen 协议后,CAN 接收进程及时响应CAN 接收中断,而sendViaSport 进程也稳定的按照设

定的周期(9个TICK )向上位机PSP 发送本终端状态数据,

完全满足系统对CAN 通信的要求。

4　结束语

本文采用CANopen 协议作为CAN 应用层协议,将CAN 2open 与DSP 处理器和μC/0S -Ⅱ结合应用于飞机供电系统测控平台的设计。通过实际测试,本文研制的测控平台数据通信速率可达1Mbps ,传输速度快;数据接收采用中断方式,从而提高了通信的实时性;数据发送以稳定的周期进行,改善了通信的可预测性和稳定性,满足飞机供电的传输速度、实时性和稳定性的要求。各单元间数据通信准确、稳定,且线路连接简单,实现了测控系统的数字化、智能化,并提高了系统的扩展性和组态性,从测试结果看此测控平台可以应用于飞机供电系统。

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(上接第1506页)

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