一种基于DSP和CPLD的电动汽车驱动控制系统软硬件设计

由于本系统中变频器主电路采用了三菱公司 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。
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Ｒｏｂ— ｅｒｔＢｏｓｃｈ公司在８０年代初为汽车业开发的一种 串行数据通信总线，由于其具备良好的可靠性、健 壮性和性能价格比，因而得到了广泛的应用，使得 本系统的通讯组网能力强，数据传输可靠性高。
１２Ｖ辅助电源是外加电源，它通过控制直流 进线继电器来控制直流母线电压的接入与开关电 源的启动，并为散热风扇和车灯供电。
值得指出的是本系统采用了基于现场集成技 术的复杂可编程逻辑芯片ｘＣ９５３６来进行外设的 寻址和最终实现变频器保护信号的输出，由于其 具有７ｎｓ的传输延迟、３４个用户可用的Ｉ／Ｏ口、２ 个功能块，内部连线和可编程资源较为丰富，因而 可以实现较为复杂的时序和组合逻辑，能迅速地 实现变频器的保护，也大大简化了系统的硬件设
《中小型电机》２００４，３ｌ（１） 一种基于ＤｓＰ和ｃＰＬＤ的电动汽车驱动控制系统软硬件设计
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一种基于ＤＳＰ和ＣＰＬＤ的电动汽车驱动 控制系统软硬件设计
揭贵生，马伟明 （海军工程大学，武汉４３００３３）
摘要根据中等容量异步电机空间矢量控制的特点，设计了一种基于１６位定点数字信号处理器 ＴＭｓ３２０Ｆ２４０和复杂可编程逻辑器件ｘｃ９５３６的矢量控制系统，并详细说明了其软硬件设计方法。实验 结果表明，该控制系统充分利用了ＴＭｓ３２０Ｆ２４０和ｘｃ９５３６的硬件资源和特点，软硬件设计合理、实时性 较好，能可靠完成空间矢量控制算法。
１ 引言
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，社会出于对日益严重的环境污染问 题的关注，目前使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 协系统已成为必然。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。对驱动系统的所有这些要求都 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。本文根据课题研究实践，设计了一种基于 转子磁场定向的三相笼型异步电机空间矢量控制 系统，文中详细阐述了该系统的软硬件构成。
ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ ｉｎ ｄｅｔａｉｌ．Ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ Ｉ．ｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｔａｋｅｓ ｆｕＵ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｃｈａｒ— ａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｈａｒｄｗａｒｅ ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ ｏｆ ＴＭｓ３２０Ｆ２４０ ａｎｄ ＸＣ９５３６，ｈａｓ ａ ｗｅＵ ｄｓｉｇｎｅｄ ｓｏｆ¨ａｒｅ ａｎｄ ｈａｒｄｗａｒｅ
关键词 空间矢量控制电动汽车复杂可编程逻辑器件
ＤＳＰ跚Ｉｄ ＣＰＬＤ－ｂ蛾ｄ Ｄｅｓｉｊ乒ｏｆ瑚ｅｃｔｒｉｃ
ｖＩｅｈｉｃｌｅ Ｄ打代Ｃ１０ｎｔｒｏｌ Ｓｙ贻洳
Ｊｉｅ Ｇｌｌｉｓｈｅｎｇ，Ｍａ ＷｅｉＩＩＩｉｎｇ
Ａｋ缸翟ｃｔ：Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｍｅｄｉｕｍ—ｐｏｗｅｒ ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ ｍｏｔｏｒ ｖｅｃｔｏｒ ｃｏｎｔｒｏｌ，ａ ｃｏห้องสมุดไป่ตู้ｔｒｏｌｌｉｎｇ
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，负责对汽车启动、加速、减速、 倒车、电池充电等控制信号进行检测，供Ｆ２４０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（本系统中设计了１０路）和可靠性较好的优 点。在本系统中，为防止ＩＰＭ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。
麟０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 Ｈｏｎｅｙｗｅｕ公司基于ＰｃＢ板安装的开环电流传感
器ＣｓＬＡ２ＥＭ，其最大采样电流±７６５Ａ、转换时间 不大于３ｕｓ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６０ 个脉冲的磁电式速度传感器，其输出２路正交信 号经施密特触发器整形后由Ｆ２４０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）。
ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ １６一ｂｉｔ ｆｉｘｅｄ ｐｏｉｎｔ ｄｉｇｉｔａｌ ｓｉｇｎａｌ ｐｍｃｅｓｓｏｒ（ＤＳＰ）ＴＭＳ３２０Ｆ２４０ ａｎｄ ｃｏｍｐｌｅｘ ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ｌｏｇｉｃ ｄｅｖｉｃｅ（ＣＰＬＤ）ＸＣ９５３６ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐ印ｅｒ，ａｎｄ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｓｏｆｔｗａＩ．ｅ ａｒｌｄ ｈａｒｄｗａｒｅ ｉｓ
在本控制系统中，采用转速、电流双闭环的控 制方案，Ｆ２４０作为控制核心，不仪要对控制电路 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，由于本系统的控制是属 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１０ｋＨｚ，Ｆ２４０工作频率取为２０ＭＨｚ。由于 要求在１００ｕｓ内完成一次ＳＶＰＷＭ算法，则系统 主控程序指令（ｓＶＰＷＭ程序）必然控制在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。
４仿真及实验结果
本文对基于上述系统结构的驱动系统进行了 仿真和原理样机实验，电机为自制电机，额定功率 ４５ｋｗ，额定转速２０００ｒ／ｍｉｎ，转动惯量７．３ｌｋ· ｍ２，变频器直流母线额定电压３３６Ｖ，图４中从上 至下分别是负载转矩为２００Ｎ·ｍ、给定转速为 ２０００ｒ／ｍｉｎ时的转矩和转速响应仿真波形，图５中 从上至下分别为线电压仿真波形和相电流仿真波 形，图６、图７分别为电机转速稳定在２０００ｒ／ｎ·ｉｎ 时的变频器输出实测相电流对应电压波形和线电 压波形。其中实测线电压用电阻分压取实际值的 ｌ／１０，实测相电流采用变比为３００：５的互感器，
控制系统的核心采用ＴＩ公司的１６位定点电 机调速专用ＤｓＰ芯片ＴＭｓ３２０Ｆ’２４０，尽管其矢量 控制的数学运算必须通过定标来实现浮点运算， 但由于其片内集成了１６Ｋ字ＦｌＡｓＨ、５４４字双口 ＲＡＭ、１６路１０位模数转换模块、串行通信接口、 ＳＰｌ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
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）、定时器眨中断（用于正交编 码测速）、定时器够中断（用于对系统控制电路 状态监控，并决定是否启动或关闭电机）、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３分别给出了主程序及耶、他中 断服务程序软件流程框图。
２控制系统硬件设计
图１所示为系统硬件总体框图，系统由高能 电池组、高效三相电压型变频器、三相笼型电机、 变频器ＩＰＭ模块门极信号隔离驱动电路、ＤｓＰ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。整 个系统具有体积小、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。
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图２基于ｘｃ９５３６的变频器保护时序仿真波形
３ ＳＶＰＷＭ控制系统软件设计
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７ｒＭＳ３２０砣４０）实现的优点。 本系统中三相逆变器的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。
置黝０全比较控制寄存器ＡｃＴＲ即可自动实现，
从而在一定程度上简化了主控软件的设计。由它 和６４Ｋ１６位高速ＳＲＡＭ芯片ＩＤｒｌ７１０１６以及 ｃＰＬＤ芯片ｘＣ９５３６构成ＤｓＰ最小控制系统，负责 系统软件的装载、运行及数据交换。
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最重要接口电路，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，Ｆ２４０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 ｘｃ９５３６共同用这些状态信号实现变频器过流、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 用了隔离运放ＨＣＰＬ７８００对直流母线电匝进行 Ａ／Ｄ前的电平转换，并且所有检测信号在送至