【正文】 ,數(shù)據(jù)傳輸距離可達(dá) 10km，有效地支持分布式控制和實(shí)時(shí)控制的串行通信系統(tǒng)。由于 CAN 總線具有很高的實(shí)時(shí)性能，因此，它已經(jīng)在汽車工業(yè)、工業(yè)控制、航空工業(yè)等領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用。本文通過 TMS32OLF24O7 內(nèi)置的 CAN 總線模塊，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和動(dòng)力總成系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)通訊：動(dòng)力總成系統(tǒng)向電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)傳輸常規(guī)狀態(tài)查詢指令和速度指令，電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)向動(dòng)力總成系統(tǒng)報(bào)告常規(guī)狀態(tài)和發(fā)出緊急情況處理請求。 另外高性能的 DSP 控制器能有效提高控制算法的實(shí)時(shí)性，因此 DSP 與電機(jī)二者的結(jié)合，一方面可以減少整個(gè)系統(tǒng)的組成部分，另一方面也可以優(yōu)化設(shè)計(jì)以減少系統(tǒng)的造價(jià)[14]。具體說來，一個(gè)高性能的 DSP 控制器的性能主要有:，進(jìn)而減少振動(dòng)并延長系統(tǒng)壽命；，從而無需使用速度與位置傳感器； PWM 輸出；。由此看來芯片 TMS320LF2407A 如此齊全的外設(shè)單元使得電機(jī)控制系統(tǒng)硬件電路的構(gòu)建十分方便，使該電機(jī)控制系統(tǒng)精度高、造價(jià)低、抗干擾能力強(qiáng)。 （2）外圍電路的設(shè)計(jì)—電平轉(zhuǎn)換電路 隨著便捷式數(shù)字電子產(chǎn)品，數(shù)字式移動(dòng)電話等迅速發(fā)展，要求使用體積小、功耗低、耗電小的器件，從而使得集成電路的工作電壓從 5V 降到 甚至更低。但是目前仍有許多 5V 電源的數(shù)字器件和邏輯器件可用，因此在許多設(shè)計(jì)中將有 5V 邏輯器件和 邏輯器件共存，而且不同的電源電壓在同一電路板中混用。 TMS32OLF24Ox A 等新一代 DSP 芯片采用高性能靜態(tài) CMOS 技術(shù)，使得供電電壓降為 ，減小了控制器的功耗。而整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)字電路等的電壓為 5V，故在整個(gè)控制板上有 5V 電源和 電源并存，所以在 DSP 設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，必須設(shè)計(jì)電源轉(zhuǎn)換電路。本文采用 LM317 為電源轉(zhuǎn)換芯片，通過選擇合適的電容電阻參數(shù)，可將 5V轉(zhuǎn)換為 。 主電路設(shè)計(jì) HEV 電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主電路如圖 所示，主要是電源、逆變器、電機(jī)三部分。其中混合動(dòng)力電動(dòng)汽車采用的是永磁同步電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)，電源采用鋰電池組，總電壓 280V，逆變器采用智能功率模塊(IPM 模塊)。IPM 是先進(jìn)的混合集成功率器件，由高速，低耗的 IGBT 芯片和優(yōu)化的門極驅(qū)動(dòng)及保護(hù)電路構(gòu)成[13]。圖 驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)主電路結(jié)構(gòu)圖Kl 為主電源刀閘，通過汽車鑰匙來控制強(qiáng)電的通斷。R1 為充電限流電阻，主要是用于防止主電路上電時(shí)由于電容充電而引起瞬間過大的電流沖擊，因?yàn)楫?dāng)主電路通電時(shí)，蓄電池首先給電容 C1 充電，如果沒有限流電阻 Rl，充電電流會(huì)非常大，可能損壞電容。因此，需要在蓄電池和濾波電容之間串入一個(gè)限流電阻。主電路上并聯(lián)的電解電容 C1 為濾波電容，它使 IPM 模塊獲得平滑的直流電壓，同時(shí)為逆變器負(fù)載和直流電源之間的無功功率提供緩沖。電容值越大，直流電壓越平穩(wěn)。 K2 為開關(guān)接觸器，其通斷由軟件程序控制。當(dāng)主回路上電之前，先把開關(guān) K2打開，逆變橋所有橋臂全部封鎖，然后主回路合閘給濾波電容充電。限流電阻如果長期在電路中 ， 會(huì)影響直流電壓，產(chǎn)生不必要的直流損耗，因此控制器TMS320LF2407A 在電容充電期間對電容兩端電壓實(shí)時(shí)采樣，一旦電壓達(dá)到蓄電池電壓的 90%，便合上開關(guān) K2，使電阻 Rl 從主回路中切除。 C2 為無感電容。主電路工作時(shí)，因?yàn)橹悄芄β誓K IPM 的開關(guān)頻率很高，開關(guān)的通斷會(huì)在直流母線上疊加一些高頻干擾，出現(xiàn)高頻的尖峰電壓毛刺，影響逆變橋的工作，因此需要在電解電容器旁邊并聯(lián)一個(gè)無感電容 C2 作為吸收緩沖電路，其作用就是為了高頻干擾的濾波。 F 為熔斷器。逆變器在工作過程中，如果發(fā)生過流或者短路，不但將損壞 IPM，而且可能造成蓄電池的大電流放電，時(shí)間長的話，甚至?xí)鹦铍姵乇?。在逆變器的直流母線中串聯(lián)熔斷器，使逆變器在發(fā)生短路和過流時(shí)及時(shí)斷開，減少損失。同時(shí)在每個(gè) IGBT 旁邊并聯(lián)一個(gè) RCD 緩沖電路(或稱為吸收電路)可以抑制過電壓[15]。因直接并聯(lián)在 IGBT 的 C、E 兩端，IGBT 關(guān)斷時(shí)吸收電容上的電壓從零開始上升，因而有較好的過電壓吸收效果。 （1）逆變器的設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)選用了三菱公司 IPMPM75CLA060，其額定電壓和額定電流分別為 600V 和75A。它將輸出功率器件 IGBT 和驅(qū)動(dòng)電路、多種保護(hù)電路集成在同一模塊內(nèi)，所以在使用時(shí)可將 DSP 輸出的 PWM 信號經(jīng)光耦隔離之后直接輸入給 IPM。 另外 IPM 內(nèi)部還具有異常情況檢測保護(hù)電路，如 SC（短路）、OC（過流）、UV（欠壓）、OT（過熱）。當(dāng)其中任一個(gè)發(fā)生故障時(shí)，IPM 中 6 個(gè) IGBT 會(huì)馬上切斷，同時(shí) IPM 會(huì)輸出一個(gè)對應(yīng)的故障信號給 DSP，并通過一個(gè)故障保護(hù)綜合電路將 4 路信號綜合輸出給 DSP 的 PDPINTA腳，以便故障時(shí)及時(shí)封鎖 DSP 的 PWM 信號[16]。由于 IPM 集 IGBT、驅(qū)動(dòng)電路和自身保護(hù)電路于一體，但是沒有隔離電路，外圍驅(qū)動(dòng)信號加進(jìn)來之后需要進(jìn)行電氣隔離。下面介紹一下 PWM 輸出及驅(qū)動(dòng)隔離電路，如圖 所示。圖 PWM 輸出及驅(qū)動(dòng)隔離電路如圖 所示，DSP 的脈寬調(diào)制單元輸出的 PWM 信號經(jīng)過施密特觸發(fā)器整形后，通過高速光耦 HCPL4504 對 PWM 進(jìn)行隔離后再輸入給 IPM 進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。該款光耦是安捷倫公司專為 IPM 等功率器件設(shè)計(jì)的高速光電隔離接口芯片。圖中的 VCC 為控制板電源+，Un、Vn、Wn、Up、Vp、Wp、分別是 6 個(gè) IGBT 的基極驅(qū)動(dòng)輸入信號，他們都是低電平有效的電平信號。由于 IPM 是低電平有效，只有當(dāng)驅(qū)動(dòng) PWM 信號為低電平，VCC 提供上拉電流時(shí)，進(jìn)入 IPM 的 PWM 信號才有效。 主要參量的檢測及接口電路 檢測電路目的主要是為了將要檢測的各種信號，經(jīng)過轉(zhuǎn)換變成 DSP 可以識別的數(shù)字信號。為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的需要本文設(shè)計(jì)了電流檢測、電壓檢測和位置速度檢測電路。這些信號都是通過外圍的電路接口接入 DSP 的外圍電路接口，然后根據(jù)相應(yīng)的設(shè)置，讀出檢測到的具體數(shù)值。 電流檢測與接口電路 在電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制中，電機(jī)磁鏈和轉(zhuǎn)矩都是由三相相電流、相電壓經(jīng)過一系列運(yùn)算后得到的[17]。根據(jù)瞬態(tài)時(shí)間空間矢量理論，在不考慮逆變器死區(qū)效應(yīng)的情況下，三相交流電壓的檢測可以由直流母線電壓和開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算來得到。而相電流的檢測，可以通過電流傳感器對其中的兩相進(jìn)行檢測，因?yàn)槿嚯娏鞯暮蜑榱?，只要知道兩相就可以通過計(jì)算得到另一相。由于輸出電流諧波大，要有濾波環(huán)節(jié)，還要考慮到 DSP 的接口特點(diǎn)，因此，電流檢測通道設(shè)計(jì)如圖 。本系統(tǒng)以 A 相電流的測量為例來介紹電流檢測電路。電機(jī)控制板上有兩路這樣的電流檢測通道，分別用來檢測 A、C 相電流。圖 本系統(tǒng)電流傳感器采用的是 LEM 公司生產(chǎn)的電流傳感器 LA108P（供電電壓為177。15V，頻率帶寬為 0～100k Hz）。由于 TMS320LF2407A DSP 集成的 A/D 轉(zhuǎn)換器只能接受幅值在一定范圍內(nèi)（0～）變化的電壓信號，因此電流檢測通道的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮電流/電壓變換、濾除干擾、極性變換和幅值變換等多個(gè)因素，然后把得到的電壓信號送入 A/D 轉(zhuǎn)換器，以便 DSP 采樣處理。 電阻 R1 是電流傳感器的測量電阻，它的作用是將電流傳感器輸出的電流變換成電壓信號，經(jīng)跟隨器后送往濾波電路。電阻 RRRCC2 和運(yùn)算放大器MCP604 一起構(gòu)成了一個(gè) Bessel 有源低通濾波器。這個(gè)低通濾波器把交流信號轉(zhuǎn)換成 03V 的直流信號，提供了一個(gè)直流偏置,以此來適應(yīng) DSP 芯片的 ADC 模塊的輸入電壓要求。該電流測量信號經(jīng)過濾波后，直接送到 DSP 相應(yīng)的 AD 采樣通道。圖中的穩(wěn)壓管 D1 是為了防止送入 DSP 的信號超過 ，而損壞 DSP。電流反饋通道低通濾波器的截止頻率設(shè)計(jì)為 10k Hz，直流增益為1。由于 LF24O7A 的 A/D 轉(zhuǎn)換是單極性的，但相電流信號有正有負(fù)，為了讓 TMS320LF2407A 的 ADC 模塊既能轉(zhuǎn)換正信號，又能轉(zhuǎn)換負(fù)信號，所以在電流信號送人 ADC 模塊之前必須進(jìn)行處理，本文采用對輸入電壓進(jìn)行提升的方法，OFFSET 即為提升用的偏置電壓，使得 ADCIN00 電壓范圍在 0～。 電壓檢測與接口電路永磁同步電動(dòng)機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制采用電壓矢量方式控制，任一時(shí)刻的逆變器的開關(guān)狀態(tài)都是確定的[18]，那么可以先測得直流電壓，再根據(jù)開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算得到αβ 坐標(biāo)系下的電壓Ua 、Ub 。直流電壓Udc 與αβ坐標(biāo)系下的電壓Uα、Uβ與開關(guān)狀態(tài)量之間的關(guān)系表示如下[19]：因此，通過檢測到的母線電壓和該時(shí)刻的逆變器開關(guān)狀態(tài)就可以得到αβ坐標(biāo)系下的電壓Uα、Uβ 。所以在直接轉(zhuǎn)矩中可以通過采樣直流母線電壓計(jì)算得到電機(jī)的端電壓。本系統(tǒng)直流電壓檢測電路由霍爾電壓傳感器 LV28P 來檢測直流母線電壓，對于電壓測量,原邊電流與被測電壓的比一定要通過一個(gè)由用戶選擇的外部電阻確定，并串聯(lián)在傳感器原邊回路上。它的原理是原邊電壓通過原邊電阻轉(zhuǎn)換為原邊電流，該電流產(chǎn)生的磁通量與霍爾電壓經(jīng)放大產(chǎn)生的副邊電流通過副邊線圈所產(chǎn)生的磁通量相平衡。副邊電流精確地反映原邊電壓。其優(yōu)點(diǎn)在于：出色的精度，良好的線性度，低溫漂，最佳的反應(yīng)時(shí)間，寬頻帶，無插入損壞，抗干擾能力強(qiáng)。 電壓檢測電路如圖 。如圖正向直流電流INI 從 LV28P 的正端（+）到負(fù)端（）方向流動(dòng)時(shí)獲得Iout 正向輸出，經(jīng)RL 轉(zhuǎn)換為U0 。計(jì)算公式： 圖 電壓檢測電路 位置及轉(zhuǎn)速檢測與接口電路 盡管從直接轉(zhuǎn)矩控制原理上來看，不需要知道轉(zhuǎn)子的具體位置，但是永磁同步電動(dòng)機(jī)不同于感應(yīng)電機(jī)的一點(diǎn)是電機(jī)在起動(dòng)的那一刻，轉(zhuǎn)子永磁體磁場就已經(jīng)賦予定子磁場一個(gè)初始值[13]。由于永磁同步電動(dòng)機(jī)定子磁場是在這個(gè)初始值的基礎(chǔ)上對定子電壓進(jìn)行積分的結(jié)果，所以準(zhǔn)確的測出這個(gè)初始值的幅值和位置對永磁同步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制性能的影響至關(guān)重要。從精確獲知轉(zhuǎn)子初始位置這一點(diǎn)來說，位置傳感器是必要的。由于控制的需要還應(yīng)該準(zhǔn)確的獲得轉(zhuǎn)速值。一般情況下，永磁同步電動(dòng)機(jī)控制中常用的位置速度傳感器有旋轉(zhuǎn)變壓器和光電編碼器。與旋轉(zhuǎn)變壓器相比，光電編碼器的信號處理較簡單、噪聲容限大、易于實(shí)現(xiàn)高分辨率。又由于DSP 控制器選用的是 TMS320LF2407A，其本身就含有正交編碼脈沖電路和捕獲單元，再配合光電編碼傳感器輸出的脈沖檢測出電機(jī)運(yùn)動(dòng)方向及速度。 （1） 光電編碼器與 DSP 的接口光電編碼器，是一種主要由光柵盤和光電檢測裝置組成的傳感器。其工作原理主要是通過光電轉(zhuǎn)換將輸出軸上的幾何位移量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量或脈沖，通常對電機(jī)轉(zhuǎn)速的測量是通過測量與電機(jī)同軸安裝的編碼器轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)的。正是由于光電碼盤和電動(dòng)機(jī)同軸，當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，碼盤會(huì)隨電機(jī)同軸轉(zhuǎn)動(dòng)，才使得編碼器的轉(zhuǎn)速與電機(jī)的轉(zhuǎn)速相同，進(jìn)而達(dá)到對編碼器轉(zhuǎn)速的測量即是對電機(jī)轉(zhuǎn)速測量的目的。碼盤隨位置的變化輸出一系列的脈沖信號，經(jīng)檢測裝置檢測（一般由發(fā)光二極管等電子元件組成）輸出脈沖信號。然后根據(jù)位置變化的方向用計(jì)數(shù)器對脈沖進(jìn)行加/減計(jì)數(shù)，以此來檢測位置。同時(shí)也可以利用光電編碼器輸出脈沖信號配合定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，通過計(jì)算光電編碼器每秒輸出脈沖的個(gè)數(shù)來得出電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。光電編碼器可以分為絕對式、增量式及混合式光電編碼器三類，增量式光電編碼器（光電脈沖發(fā)生器為其中一種）廣泛用于速度閉環(huán)控制和位置增量控制系統(tǒng)中。它將角度信息轉(zhuǎn)變成一列脈沖串，通過測量脈沖串的頻率，達(dá)到對轉(zhuǎn)速測量的目的。本系統(tǒng)選用的是增量式光電編碼器，它實(shí)際上是由脈沖發(fā)生器及其相應(yīng)電路組成的測角傳感器。脈沖發(fā)生器與被測軸相接，轉(zhuǎn)軸每旋轉(zhuǎn)一周脈沖發(fā)生器就輸出一個(gè)固定的脈沖數(shù)，所以其脈沖輸出的頻率與轉(zhuǎn)速是成正比的。旋轉(zhuǎn)時(shí)光電編碼器產(chǎn)生兩路互差90176。的正交脈沖 A、B，由于光電編碼器輸出脈沖的頻率較高,為提高系統(tǒng)的抗干擾能力,光電編碼器輸出的信號須經(jīng)光電隔離后才能輸入到控制系統(tǒng)中[8,20]。本文采用高速光電耦合器 4N25,來實(shí)現(xiàn)對于高頻率脈沖信號的光電隔離，同時(shí)由于 4N25輸出為與非門電路,因而還具有對于脈沖信號整形的功能,十分適用于光電編碼器輸出信號隔離電路。兩路正交脈沖經(jīng)過光電耦合隔離和施密特非門整型后輸入到DSP 中的 CAP1/QEP1 和 CAP2/QEP2 接口，光電編碼器與 DSP 的接口如圖 所示。通常選擇通用定時(shí)器 T2(EVA)對輸入的正交脈沖 A、B 進(jìn)行解碼和計(jì)數(shù)，并產(chǎn)生兩個(gè)內(nèi)部信號：QEP_CLK 和 QEP_DIR。QEP_CLK 信號是用來作為通用定時(shí)器的時(shí)鐘信號，QEP_DIR 信號是用來控制定時(shí)器的計(jì)數(shù)方向。要使 QEP 電路正常工作，必須使T2 工作在定向增/減模式。在此模式下，QEP 電路不僅為 T2 提供計(jì)數(shù)脈沖，而且還決定了其計(jì)數(shù)方向。QEP 電路對輸入的正交編碼脈沖的上升沿和下降沿都進(jìn)行計(jì)數(shù)，因此對輸入的正交編碼脈沖進(jìn)行 4 倍頻后作為 T2 的計(jì)數(shù)脈沖，并通過 QEP 電路的方向檢測邏輯確定哪個(gè)脈沖序列相位超前，然后產(chǎn)生一個(gè)方向信號作為 T2 的方向輸入，當(dāng)電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)，脈沖信號 A 的相位超前脈沖信號 B 的相位90176。，此時(shí)邏輯電路處理后可形成高電平的方向信號 QEP_DIR，T2 增計(jì)數(shù)。當(dāng)電機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)，脈沖信號 A的相位滯后 B 的相位90176。，此時(shí)邏輯電路處理后的方向信號 QEP_DIR 為低電平，T2減計(jì)數(shù)。正交編碼脈沖、定時(shí)器計(jì)數(shù)脈沖及計(jì)數(shù)方向時(shí)序邏輯如圖 所示。（2）轉(zhuǎn)速的計(jì)算方法常用的測速方法有三種：M法、T法和M/T 法[14]。本文采用的是 M 法測速(又叫定時(shí)測角法)，該測速方法即在規(guī)定的時(shí)間間隔Ts 內(nèi)，測量所產(chǎn)生的脈沖數(shù)來獲得被測速度值，設(shè)脈沖發(fā)生器每轉(zhuǎn)一圈發(fā)出的脈沖數(shù)為 N，且在規(guī)定的時(shí)間Ts（S）內(nèi)，測得的脈沖數(shù)為 M，則電機(jī)每分鐘轉(zhuǎn)速為： 圖 DSP 與光電編碼器接口電路圖 光電編碼器脈沖信號時(shí)序圖 （3）電機(jī)位置測量方法 由上式知電機(jī)每分鐘轉(zhuǎn)速為： 假