【正文】 本文采用的是 M 法測速(又叫定時測角法)，該測速方法即在規(guī)定的時間間隔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： 假定電機(jī)在。正交編碼脈沖、定時器計(jì)數(shù)脈沖及計(jì)數(shù)方向時序邏輯如圖 所示。當(dāng)電機(jī)反轉(zhuǎn)時，脈沖信號 A的相位滯后 B 的相位90176。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脈沖序列相位超前，然后產(chǎn)生一個方向信號作為 T2 的方向輸入，當(dāng)電機(jī)正轉(zhuǎn)時，脈沖信號 A 的相位超前脈沖信號 B 的相位90176。要使 QEP 電路正常工作，必須使T2 工作在定向增/減模式。通常選擇通用定時器 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)生兩個內(nèi)部信號：QEP_CLK 和 QEP_DIR。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。旋轉(zhuǎn)時光電編碼器產(chǎn)生兩路互差90176。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。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。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。正是由于光電碼盤和電動機(jī)同軸，當(dāng)電動機(jī)轉(zhuǎn)動時，碼盤會隨電機(jī)同軸轉(zhuǎn)動，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。 （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。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。由于控制的需要還應(yīng)該準(zhǔn)確的獲得轉(zhuǎn)速值。由于永磁同步電動機(jī)定子磁場是在這個初始值的基礎(chǔ)上對定子電壓進(jìn)行積分的結(jié)果，所以準(zhǔn)確的測出這個初始值的幅值和位置對永磁同步電動機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制性能的影響至關(guān)重要。如圖正向直流電流INI 從 LV28P 的正端（+）到負(fù)端（）方向流動時獲得Iout 正向輸出，經(jīng)RL 轉(zhuǎn)換為U0 。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)時間，寬頻帶，無插入損壞，抗干擾能力強(qiáng)。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。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。 電壓檢測與接口電路永磁同步電動機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制采用電壓矢量方式控制，任一時刻的逆變器的開關(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 。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。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。電阻 RRRCC2 和運(yùn)算放大器MCP604 一起構(gòu)成了一個 Bessel 有源低通濾波器。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。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。本系統(tǒng)以 A 相電流的測量為例來介紹電流檢測電路。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。 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]。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。由于 IPM 是低電平有效，只有當(dāng)驅(qū)動 PWM 信號為低電平，VCC 提供上拉電流時，進(jìn)入 IPM 的 PWM 信號才有效。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。下面介紹一下 PWM 輸出及驅(qū)動隔離電路，如圖 所示。當(dāng)其中任一個發(fā)生故障時，IPM 中 6 個 IGBT 會馬上切斷，同時 IPM 會輸出一個對應(yīng)的故障信號給 DSP，并通過一個故障保護(hù)綜合電路將 4 路信號綜合輸出給 DSP 的 PDPINTA腳，以便故障時及時封鎖 DSP 的 PWM 信號[16]。它將輸出功率器件 IGBT 和驅(qū)動電路、多種保護(hù)電路集成在同一模塊內(nèi)，所以在使用時可將 DSP 輸出的 PWM 信號經(jīng)光耦隔離之后直接輸入給 IPM。因直接并聯(lián)在 IGBT 的 C、E 兩端，IGBT 關(guān)斷時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。在逆變器的直流母線中串聯(lián)熔斷器，使逆變器在發(fā)生短路和過流時及時斷開，減少損失。 F 為熔斷器。 C2 為無感電容。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。電容值越大，直流電壓越平穩(wěn)。因此，需要在蓄電池和濾波電容之間串入一個限流電阻。圖 驅(qū)動控制系統(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。其中混合動力電動汽車采用的是永磁同步電機(jī)作為驅(qū)動電機(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)。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 。 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。 （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。具體說來，一個高性能的 DSP 控制器的性能主要有:，進(jìn)而減少振動并延長系統(tǒng)壽命；，從而無需使用速度與位置傳感器； PWM 輸出；。本文通過 TMS32OLF24O7 內(nèi)置的 CAN 總線模塊，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)和動力總成系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)通訊：動力總成系統(tǒng)向電驅(qū)動系統(tǒng)傳輸常規(guī)狀態(tài)查詢指令和速度指令，電驅(qū)動系統(tǒng)向動力總成系統(tǒng)報(bào)告常規(guī)狀態(tài)和發(fā)出緊急情況處理請求。數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá) 1Mbit/s,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)時控制的串行通信系統(tǒng)。另外芯片內(nèi)還有用于外部器件或其他控制器件通信的 CAN 模塊。它支持半雙工和全雙工操作，發(fā)送器和接收器的操作可以通過中斷或轉(zhuǎn)換狀態(tài)標(biāo)志來完成。 本文采用 TMS320LF2407 芯片作為電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的另一個原因主要是由于該芯片有多種類型的通訊接口：串行通信接口 SCI 是一個標(biāo)準(zhǔn)的通用異步串行口（UART），可以和 RS232 格式的設(shè)備接口。 ●局域網(wǎng)控制器模塊（CAN）。 ●串行外設(shè)模塊（SPI）。每個事件管理器模塊包括通用定時器（GP）、比較單元、捕獲單元、正交編碼（QEP）單元以及 8 個 16 位脈寬調(diào)制（PWM）通道等。 ●5 個外部中斷（電機(jī)驅(qū)動保護(hù)、復(fù)用和兩個可屏蔽中斷）。 ●包括兩個配置寄存器：系統(tǒng)控制與狀態(tài)寄存器 SCSR1 和 SCSR2；兩個狀態(tài)寄存器：狀態(tài)寄存器 ST0 和 ST1。I/O 引腳多達(dá) 41 條。 主控制器 DSP TMS320LF2407A 簡述及外圍電路設(shè)計(jì) （1）DSP TMS320LF2407A 簡述 本系統(tǒng)選用的 DSP 芯片是 TI 公司的 TMS320LF2407A，TI 公司已成為世界上最大的 DSP 芯片供應(yīng)商，常用的 DSP 芯片分為三大系列： ● TMS320C2000 系列：包括 TMS320C2XX/C24X/C28X 等； ● TMS320C5000 系列：包括 TMS320C54X/C55X/OMAP 等； ● TMS320C6000 系列：包括 TMS320C62X/C67X/C64X 等 本系統(tǒng)采用的 TMS320LF2407A 是 TMS320C2000 系列 TMS320C24X 系列中的功能較強(qiáng)，低功耗的，供電電壓為 ,最高運(yùn)算速度為 40MIPS 的 DSP 芯片[12]。此外本文通過 CAN 總線完成與其他功能模塊的數(shù)據(jù)通信，通過 DSP 內(nèi)部的 AD 通道采集電子油門信號，通過 I/O 口來輸入電子檔位等。電機(jī)的轉(zhuǎn)速和位置信號的采集由光電編碼器來完成，經(jīng)電平轉(zhuǎn)換后送入 DSP 的 QEP 正交編碼電路。在 IPM 的輸出端 U、V、W 輸出三相相差 1200的 PWM 波來驅(qū)動永磁電機(jī)[8]，由于 IPM 具有過(欠)壓、過流和過熱探測及保護(hù)電路，當(dāng)發(fā)生以上任何一種故障時，將封鎖內(nèi)部 6 只 IGBT，同時送出故障信號通過光耦作用輸出給邏輯故障綜合電路，再輸出給 DSP 請求中斷，DSP 將立即停止 PWM 波的輸出。 本系統(tǒng)的直流電源由蓄電池提供，功率模塊采用的是三菱公司的IPMPM75CLA060。DSP 通過檢測電路實(shí)時地獲取驅(qū)動電機(jī)的轉(zhuǎn)速、電壓和電流信號，并可以通過顯示部件將采樣到的電機(jī)轉(zhuǎn)速和車速顯示出來。能源由蓄電池提供，經(jīng)過逆變器把直流電逆變成交流電給永磁電機(jī)供電，逆變器的主電路主要由中間濾波電路和逆變電路組成。其硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖 所示。永磁同步電機(jī)驅(qū)動控制系統(tǒng)硬件電路介紹是本系統(tǒng)研究的重點(diǎn)之一，硬件研究要求整個硬件電路安全可靠、功能強(qiáng)大、靈活方便，有利于調(diào)試和監(jiān)控。簡單的介紹了混聯(lián)式的控制策略，為接下來的電機(jī)驅(qū)動控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作做好了總體方案的設(shè)計(jì)?；旌蟿恿﹄妱悠噷︱?qū)動控制系統(tǒng)的要求有其特殊性：要有優(yōu)良的轉(zhuǎn)矩控制特性，以滿足混合動力電動汽車快速啟動、加速、爬坡、頻繁啟/停的要求,通常電機(jī)的過載系數(shù)應(yīng)達(dá) 34；再生制動時的能量回收率高；具有良好的環(huán)境適應(yīng)性,在不同的工作條件下能可靠地工作；快速的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)特性,在各種車速范圍內(nèi)能快速而柔和地控制驅(qū)動和制動轉(zhuǎn)矩。電機(jī)驅(qū)動控制系統(tǒng)是指電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)的電氣部分，電機(jī)控制器是電機(jī)驅(qū)動控制系統(tǒng)的核心，控制器設(shè)計(jì)直接影響電動汽車電機(jī)驅(qū)動控制系統(tǒng)的性能。圖 混聯(lián)式驅(qū)動總體控制方案本文著重介紹電機(jī)驅(qū)動控制系統(tǒng)這部分。電機(jī)我們則主要檢測轉(zhuǎn)子的位置轉(zhuǎn)速、電流和電壓等參量。只有當(dāng)發(fā)動機(jī)工作在一定的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩下，才能使汽車的工作效率達(dá)到最佳。在該模式下，發(fā)動機(jī)是驅(qū)動系統(tǒng)的核心，是最主要的動力來源，而電動機(jī)則提供輔助轉(zhuǎn)矩，使發(fā)動機(jī)效率最高，污染排放最低。 混聯(lián)式電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)控制策略 本文研究的是混聯(lián)式混合動力汽車驅(qū)動控制，有兩種動力裝置：發(fā)動機(jī)和電機(jī)。該芯片的 RS 端連接的電阻是用來控制 82C250 工作的模式（高速模式，斜率控制模式和準(zhǔn)備模式）。82C250 是 CAN 控制器和物理總線的接口，此器件對總線提供差動發(fā)送能力，對 CAN 控制器提供差動接收能力，符合“ISO11898”標(biāo)準(zhǔn)。這是因?yàn)?DSPTMS320LF2407 用 供電，而 PCA82C250 用 5V 供電,而 74LVX14 兼容 5V 電平，通過它可順利完成電平轉(zhuǎn)換，同時對防止來自 CAN 總線的干擾有很好的效果。電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng) DSP 芯片與 CAN BUS 的接口如圖 。 本文主要介紹電機(jī)驅(qū)動控制系統(tǒng)的 CAN 總線通信情況[10,11,47]。圖中，由于 DSP 芯片內(nèi)部已經(jīng)內(nèi)嵌了 CAN 總線模塊，所以 DSP 在與 CAN總線相連時就無需再使用 CAN 控制器，可直接與總線相連。 CAN BUS 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖目前 CAN 控制器有集成在微處理器內(nèi)的，也有獨(dú)立的。由于本系統(tǒng)采用的是分布式控制方式，即使當(dāng) CAN 總線發(fā)生故障，每個控制器模塊也能單獨(dú)完成自身的操作任務(wù)，不會造成整個系統(tǒng)癱瘓的嚴(yán)重后果。在正常行使的情況下，發(fā)動機(jī)的能量分為兩路，一路傳遞給車輛傳動與推進(jìn)系統(tǒng)，驅(qū)動車輛正常行駛，另一路則帶動電機(jī)工作，向蓄電池供電。其分布式控制方案如圖 所示。在這個總成系統(tǒng)中，本文采用的是分布式控制，多能源控制器的主控單元選用的 DSP TMS320LF24O7A，通過 CAN 總線與電機(jī)控制器、電池控制器、機(jī)械式自動變速器、發(fā)動機(jī)控制器、人機(jī)界面等系統(tǒng)進(jìn)行信息通信與控制。 該系統(tǒng)主要包括動力總成控制單元、發(fā)動機(jī)電控單元、電機(jī)控制器、AMT 控制器及動力電池管理系統(tǒng)[10]。隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)分布控制是現(xiàn)代控制技術(shù)中的一個重要發(fā)展方向。其基本思想是分散控制、分級管理、集中操作、組態(tài)方便。 相對于集中式控制系統(tǒng)而言，分布式控制系統(tǒng)是一種新型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。在這種情況下，分布式控制系統(tǒng)以高可靠性、高靈活性和操控簡便得到廣大工業(yè)用戶的青睞，廣泛應(yīng)用于電力、冶金、造紙和石油等工業(yè)領(lǐng)域。在生產(chǎn)自動化控制領(lǐng)域，集中式控制系統(tǒng)得到了廣泛的應(yīng)用，但是由于各種功能集中在一臺計(jì)算機(jī)上，因此需要龐大而復(fù)雜的軟件系統(tǒng)，使系統(tǒng)的軟件可靠性下降，計(jì)算運(yùn)行速度下降。3 基于 CAN 總線的混合動力電動汽車多能源動力總成控制系統(tǒng) 引言 對于混合動力電動汽車來說，多能源動力總成系統(tǒng)設(shè)計(jì)是關(guān)系車輛性能的重要因素，為了節(jié)約能源，還需要設(shè)計(jì)合理的控制策略來保證電源的最佳利用率。 本章小結(jié) 本章主要論述了混合動力電動汽車的四種驅(qū)動方式:串聯(lián)式、并聯(lián)式、混聯(lián)式和復(fù)合式。因此混聯(lián)方式是相對完善的混合動力驅(qū)動方式，能夠有效地彌補(bǔ)串聯(lián)式和并聯(lián)式的不足，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高。從低尾氣排放角度來看，串聯(lián)式電動車的性能要優(yōu)于其他的驅(qū)動類型；從動力總成和驅(qū)動模式來看，串聯(lián)結(jié)構(gòu)簡單，并聯(lián)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，而混聯(lián)式結(jié)構(gòu)最復(fù)雜，他們都能回收制動能量，