【正文】 試驗研究平。 本章小結(jié)對控制系統(tǒng)應(yīng)用軟件總體進(jìn)行了分析，給出了系統(tǒng)應(yīng)用軟件總體流程圖，編寫系統(tǒng)輸入、輸出及協(xié)調(diào)控制模塊軟件，完成了控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計。電流PI調(diào)節(jié)時，當(dāng)檢測到電機(jī)過流標(biāo)志位為1時，將計算的PWM信號比較值與過流PWM比較值進(jìn)行對比，保證輸出PWM信號的比較值小于過流值。 電流閉環(huán)調(diào)節(jié)流程圖由于比較值寄存器設(shè)置值不能無限制的增加或減小，當(dāng)比較值等于定時器周期值一半時，所對應(yīng)的PWM信號的占空比為0；當(dāng)比較值減小到0時，所對應(yīng)的PWM信號的占空比為1。(2) 將上述比例系數(shù)調(diào)節(jié)為80%，將積分時間常數(shù)設(shè)置一個較大值，再將積分時間常數(shù)由大到小調(diào)節(jié)，逐漸加大積分作用，依次觀察電機(jī)電流采樣曲線，反復(fù)試湊至得到較滿意的響應(yīng)，確定比例和積分的參數(shù)。由于位置式PI算法中需要累計偏差值，不僅要占用較多的存儲空間，不便于程序的書寫，而且電機(jī)控制系統(tǒng)中常常需要計算控制量的增量，故采用增量式PI調(diào)節(jié)算法，即比例積分調(diào)節(jié)算法，其控制規(guī)律為[31]：式中，為比例系數(shù)，為積分時間常數(shù)，、分別為第和第時刻的偏差信號，、分別第和第時刻的控制量，為第時刻控制調(diào)節(jié)增量。 死區(qū)使能情況下的PWM輸出波形 控制模塊軟件設(shè)計系統(tǒng)雙電機(jī)協(xié)調(diào)控制模塊的功能是根據(jù)輸入電流控制信號及電機(jī)電流反饋信號，實現(xiàn)雙電機(jī)的電流閉環(huán)控制。通過軟件設(shè)置寄存器DBTCONx相應(yīng)位，改變PWM輸出信號的死區(qū)時間。系統(tǒng)中，通過軟件對PWM信號進(jìn)行死區(qū)編程設(shè)置避免上下橋臂的直通。當(dāng)比較寄存器的值設(shè)置為0時，輸出的PWM信號的占空比為1；當(dāng)比較寄存器的值設(shè)置為936時，輸出的PWM信號的占空比為0。由于高頻率的斬波信號抗干擾能力強(qiáng)，并且可以減小電機(jī)的運行噪音。在固定PWM信號周期的前提下，通過改變比較寄存器TxCMPR的值就可以改變有效相位的占空比。對比較寄存器寫入新的比較值，可以實現(xiàn)對PWM信號占空比的調(diào)節(jié)；對比較方式寄存器ACTRx進(jìn)行設(shè)置，可以對比較輸出引腳的輸出方式進(jìn)行設(shè)置，圖中分別給出有效低和有效高時的PWM波形。因此，系統(tǒng)中左、右兩驅(qū)動電機(jī)分別采用定時器T1和T3作為時間基準(zhǔn)，并采用連續(xù)增減模式產(chǎn)生PWM調(diào)制信號。PWM調(diào)制信號采用事件管理器(EV)模塊的完全比較單元產(chǎn)生，并且可編程設(shè)置極性輸出和死區(qū)時間，對功率開關(guān)器件進(jìn)行保護(hù)。當(dāng)電池欠壓時，電流指令信號置0；當(dāng)電機(jī)過流時，讀取過流PWM比較寄存器值，并將過流標(biāo)志位置1。由于程序中A/D排序器選用開始停止模式，因此A/D轉(zhuǎn)換完成后需要清除中斷標(biāo)志并重新復(fù)位ADC模塊。由于PWM周期中斷時需要采樣兩個電機(jī)的電流信號，傳統(tǒng)的順序采樣模式必然會由于時間上的偏差，導(dǎo)致采樣結(jié)果出現(xiàn)誤差，因此程序中A/D采樣采用同步采樣模式。由于PWM調(diào)制采用“半斬”調(diào)制方式，在PWM無效期間直流側(cè)電流為零，需要在PWM有效期間進(jìn)行電流信號進(jìn)行采樣。以左輪電機(jī)轉(zhuǎn)速測量為例：T2為時基脈沖計數(shù)器，T2prd為T2計數(shù)器的周期值，為相鄰霍爾跳變沿之間T2計數(shù)器周期中斷次數(shù)，T2t為捕獲中斷發(fā)生時的T2計數(shù)器的當(dāng)前計數(shù)值，相鄰跳變沿之間的時基脈沖的個數(shù)表示為：=；采樣12次求平均值得到，代入式(44)計算電機(jī)轉(zhuǎn)速。由于電機(jī)換相過程中存在抖動，采用連續(xù)采樣12次霍爾信號跳變沿之間時基脈沖數(shù)的平均值計算電機(jī)的轉(zhuǎn)速，保證轉(zhuǎn)速測量精度。由于本文所選電機(jī)轉(zhuǎn)動一周輸出的霍爾脈沖數(shù)僅有132個，相對于DSP的150M主頻時鐘非常小，因此選用T法測量電機(jī)的轉(zhuǎn)速，利用CAP單元計算電機(jī)換相時間間隔內(nèi)的高頻脈沖個數(shù)。電機(jī)的轉(zhuǎn)速越高，霍爾信號相鄰跳變沿之間的高頻脈沖個數(shù)就越小，故T法測速適用于電機(jī)轉(zhuǎn)速較低的場合。電機(jī)低速運行時，采樣周期內(nèi)的反饋脈沖數(shù)較少，測量精度較低，因此M法一般用于電機(jī)轉(zhuǎn)速較高的測量場合。電機(jī)轉(zhuǎn)速的測量有三種測量方法[4345]： 轉(zhuǎn)子位置信號檢測及換相流程圖(1) M法測速M法測速，又稱測頻法，通過測量設(shè)定的采樣周期內(nèi)霍爾位置信號的跳變次數(shù)，計算電機(jī)的轉(zhuǎn)速： (41)式中，為電機(jī)轉(zhuǎn)速，單位為轉(zhuǎn)/分；為霍爾位置傳感器的分辨率，單位為脈沖/轉(zhuǎn)。中斷程序中，首先將CAP口設(shè)置為一般I/O功能，查詢捕獲單元輸入引腳的電平信號，通過查表改變PWM方式控制寄存器ACTRx，控制PWM輸出信號的變換，實現(xiàn)功率開關(guān)管的調(diào)節(jié)導(dǎo)通，完成電機(jī)換相。系統(tǒng)中，電機(jī)處于靜止?fàn)顟B(tài)時，將捕獲單元的CAP引腳設(shè)置為一般I/O功能，查詢霍爾輸出信號的狀態(tài)得到電機(jī)當(dāng)前轉(zhuǎn)子位置信號，查表得到該狀態(tài)下所對應(yīng)的開關(guān)管的導(dǎo)通情況，對應(yīng)繞組通電后電機(jī)轉(zhuǎn)動。系統(tǒng)采用EVA和EVB模塊中的兩組捕獲單元CAP1～CAPCAP4～CAP6分別對兩電機(jī)霍爾位置傳感器輸出信號的電平跳變進(jìn)行中斷捕獲，其捕獲功能引腳設(shè)置為雙沿捕獲，T2和T4作為兩組捕獲單元的時間基準(zhǔn)。 特定字符與設(shè)定功能對應(yīng)表特定字符功能特定字符功能w電流指令＋j左電機(jī)電流反饋e電流指令－k右電機(jī)電流反饋s力矩分配值＋n左電機(jī)轉(zhuǎn)速反饋d力矩分配值－m右電機(jī)轉(zhuǎn)速反饋p剎車u左電機(jī)PWM設(shè)定c倒車i右電機(jī)PWM設(shè)定系統(tǒng)中，選用SCIB模塊與上位機(jī)進(jìn)行通信，通信波特率設(shè)置為19200bps，SCI中斷接收控制特定字符，實現(xiàn)對應(yīng)的控制功能。控制值變化量可根據(jù)需要設(shè)定，如：電流指令每次加減量為50，；電流分配值每次加減量為50。系統(tǒng)中，SCI模塊與上位機(jī)通信采用中斷方式實現(xiàn)，通過上位機(jī)給控制器發(fā)送特定字符，實現(xiàn)對各個控制信號的設(shè)置及控制參數(shù)的反饋顯示。為了確保數(shù)據(jù)的完整性，SCI對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行間斷檢測、奇偶性校驗、超時和幀出錯的檢查。SCI接收器和發(fā)送器是雙緩沖的，每一個都有它自己單獨的使能和中斷標(biāo)志位。 輸入信號及電流分配流程圖(2) SCI通信輸入TMS320LF2812外設(shè)集成了兩個串行通信接口SCIA和SCIB模塊。 電流指令信號的采樣轉(zhuǎn)換結(jié)果的范圍為0～4095，對應(yīng)的電流指令值為0～10A；電流分配信號的采樣轉(zhuǎn)換結(jié)果范圍為0～4095，對應(yīng)的電流分配系數(shù)為0～1。由于T1定時器同時作為PWM信號的時間基準(zhǔn)，()。力矩調(diào)節(jié)旋鈕輸入采用AD4通道，校正方法與之相同，校正值ma=，b=。利用兩次的轉(zhuǎn)換結(jié)果對該通道進(jìn)行校正，經(jīng)過計算：ma=，b=。由于單次采樣轉(zhuǎn)換誤差比較大，測量中連續(xù)采樣50次轉(zhuǎn)換值，求平均值作為轉(zhuǎn)換結(jié)果，采樣頻率為1kHz。c) 利用方程及實際值和轉(zhuǎn)換值(xL，yL)和(xH，yH)，計算校正增益及校正失調(diào)：校正增益：校正失調(diào)：d) 將校正增益及校正失調(diào)應(yīng)用于該測量通道，對A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果進(jìn)行校正。具體實現(xiàn)過程如下：a) 用萬用表測量直流參考電壓值xL和xH。校正方程表示為，式中ma為實際增益，b為失調(diào)誤差。輸入電壓范圍0V～3V，單通道最快轉(zhuǎn)換周期為200ns，流水線最快轉(zhuǎn)換周期為60ns。(1) A/D采樣輸入TMS320F2812的片內(nèi)A/D模塊是一個16通道12位具有流水線結(jié)構(gòu)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，模數(shù)轉(zhuǎn)換單元的模擬電路包括前向模擬多路復(fù)用開關(guān)、采樣/保持電路、變換內(nèi)核、電壓參考及其他模擬輔助電路。 系統(tǒng)應(yīng)用軟件總體流程圖 輸入模塊軟件設(shè)計 控制信號輸入控制信號包括電流調(diào)節(jié)信號、力矩分配信號和剎車、倒車信號，其中剎車、倒車控制利用I/O口的開關(guān)控制實現(xiàn)。后者不僅可以實現(xiàn)對控制參數(shù)的設(shè)置，還可以將電機(jī)轉(zhuǎn)速、電流等控制信息發(fā)送到上位機(jī)顯示，方便系統(tǒng)調(diào)試。 軟件總體分析：系統(tǒng)的應(yīng)用軟件設(shè)計由以下幾個模塊組成：剎車、倒車、電流指令及力矩分配控制信號的輸入、雙電機(jī)PWM調(diào)制信號輸出、電機(jī)轉(zhuǎn)子位置檢測及換相、電機(jī)的轉(zhuǎn)速測量、雙電機(jī)電流信號檢測及電流PI調(diào)節(jié)。 驅(qū)動板PCB實物圖 本章小結(jié)對電動三輪車功率橋電路結(jié)構(gòu)與控制方式、電機(jī)電流檢測、電機(jī)轉(zhuǎn)子位置檢測及轉(zhuǎn)速測量方案進(jìn)行了比較分析；針對控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)需求，以SEED_DSK2812開發(fā)板作為主控制器，設(shè)計了電氣控制系統(tǒng)驅(qū)動硬件電路，搭建了雙電機(jī)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的硬件試驗研究平臺。設(shè)計中電機(jī)驅(qū)動部分的電源線寬度設(shè)置為5mm，地線設(shè)置為6mm。 布線線寬為減少干擾提高電路可靠性，布線時采取了以下措施：適當(dāng)加寬電源、地線寬度。DSP輸出的PWM數(shù)字控制信號在接入驅(qū)動芯片IR2136時，需要考慮驅(qū)動電路中由于感性負(fù)載的存在而對數(shù)字控制端的地線引入串?dāng)_，因此DSP的輸出信號需要先經(jīng)過光耦隔離再接到IR2136，以實現(xiàn)電氣完全隔離，消除強(qiáng)電信號對弱電控制信號的干擾。系統(tǒng)中，A/D轉(zhuǎn)換模塊為獲得高精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)果，必須保證連接到A/D采樣輸入端的模擬量輸入信號線要盡可能的遠(yuǎn)離數(shù)字電路信號線，以避免數(shù)字信號線對模擬信號產(chǎn)生的干擾；同時，需要將A/D模塊的電源輸入同數(shù)字電源隔離。去耦電容在設(shè)計時應(yīng)就近連接在芯片供電電源和地線之間，且電容引線不能太長，否則起不到相應(yīng)的去耦作用。電源在開關(guān)時產(chǎn)生的電源噪聲沿著電源線傳播，或者芯片在狀態(tài)發(fā)生改變時，電源功耗的變化均會在電源和地線之間產(chǎn)生噪聲，因此在電源設(shè)計電路中，要防止因為電源耦合造成元器件不能正常工作。論文討論了硬件系統(tǒng)設(shè)計中內(nèi)部因素對系統(tǒng)可靠性設(shè)計的影響原因及解決方案。影響系統(tǒng)可靠性的因素有內(nèi)部和外部兩種。設(shè)計中采用單電源供電HA17324集成運放，其輸出電流可達(dá)40mA。圖中，HCNR200左邊輸入電路采用驅(qū)動板上電平轉(zhuǎn)換得到的+15VG和GGND供電，右邊輸出電路采用DSP控制板輸出+5V電壓。由于DSP的A/D模塊的采樣電壓范圍為0～3V，而設(shè)計所用電機(jī)額定電流為10A，因此設(shè)計中將采樣電壓信號放大6倍，得到0～3V的采樣電壓范圍，經(jīng)過RC濾波后送入線性隔離光耦，其目的是增大輸入信號的量程，減小A/D轉(zhuǎn)換誤差。 三路霍爾信號的濾波電路 三路霍爾信號濾波后的隔離電路及與DSP接口。(3) 絕緣電阻高達(dá)1013歐姆。15%的傳輸增益偏差(1∶1傳輸信號的情況下)。其技術(shù)指標(biāo)如下[4142]：(1) 具有177。小電阻兩端的電壓經(jīng)過濾波放大處理后，再經(jīng)過線性光耦隔離接入DSP的模數(shù)轉(zhuǎn)換單元，通過A/D采樣值計算電機(jī)電流的大小。、。設(shè)計中，由于霍爾位置傳感器的輸出信號帶有干擾信號，所以在送入DSP的捕獲單元前，需要首先進(jìn)行濾波處理。 IR2136驅(qū)動電路圖 IR2136故障輸出信號的隔離電路 轉(zhuǎn)子位置檢測電路本設(shè)計中選用的輪轂無刷直流電機(jī)內(nèi)部裝有霍爾位置傳感元件，傳感器輸出為三路高速脈沖信號HALL1～HALL3。功率開關(guān)管選用IRFP250，其兩端電壓可達(dá)到200V，最大電流為32A，開通和關(guān)斷最大延遲時間分別560ns和1000ns。R33和R3R35組成過流檢測電路，其中R33是過流取樣電阻。由于D6～D8分別與C17～C19串聯(lián)，為了滿足主電路功率管開關(guān)頻率的要求，D6～D8選快速恢復(fù)二極管。圖中6路GPWM信號為DSP通過光耦隔離后輸入到IR2136的驅(qū)動控制信號，U、V、W輸出作為無刷直流電機(jī)的三相輸入信號；PDPINT為IR2136的電機(jī)欠壓、過流故障輸出信號，該信號經(jīng)過光耦隔離后輸入到DSP的功率保護(hù)單元PDPINTA。當(dāng)逆變器同一橋臂上兩個功率器件的輸入信號同時為高電平，則IR2136輸出的兩路門極驅(qū)動信號全為低電平，從而可靠地避免上下橋臂直通。如果電機(jī)發(fā)生過流或直通，則IR2136內(nèi)部的電流比較器迅速翻轉(zhuǎn)，使故障邏輯處理單元輸出低電平，一方面封鎖6路輸入脈沖信號處理器的輸出，使IR2136的輸出全為低電平，保護(hù)功率開關(guān)管；另一方面，IR2136的FAULT腳給出故障指示。IR2136正常工作時，輸入的6路PWM驅(qū)動信號經(jīng)輸入信號處理器處理后變?yōu)?路輸出脈沖，驅(qū)動下橋臂功率管的信號LO1～LO3經(jīng)輸出驅(qū)動器功率放大后，控制功率開關(guān)管。本設(shè)計中采用驅(qū)動芯片加上MOSFET的形式設(shè)計驅(qū)動電路，DSP輸出的PWM經(jīng)過光耦隔離后送到驅(qū)動芯片輸入端，由驅(qū)動芯片驅(qū)動功率MOSFET。(2) 采用智能功率模塊，本身具有過壓、欠壓、過流和溫度保護(hù)功能，但體積較大，價錢較高。由于上下橋臂管導(dǎo)通順序及導(dǎo)通時間的長短不同，從而使電機(jī)準(zhǔn)確換相并且能達(dá)到“變頻”調(diào)速。光耦HCPL063A輸入輸出兩側(cè)的電源信號不應(yīng)相通，這樣才能起到信號隔離的作用。以單電機(jī)驅(qū)動為例。 PWM信號隔離電路由于電機(jī)驅(qū)動電路中存在感性負(fù)載，大電壓干擾信號可能通過信號線串入DSP控制器，因此DSP控制板上的PWM輸出信號需要和驅(qū)動板上的控制信號隔離。為保證A/D轉(zhuǎn)換精度，需要對輸入模擬信號進(jìn)行濾波處理，圖中，電流調(diào)節(jié)信號經(jīng)過RC濾波和電壓跟隨電路，輸出端接到DSP的A/D轉(zhuǎn)換單元AD3輸入引腳。 電流控制輸入電路電動三輪車在行駛過程中，電流指令信號和電流分配信號調(diào)節(jié)分別采用轉(zhuǎn)把和旋鈕實現(xiàn)，兩者均采用電位器調(diào)節(jié)實現(xiàn)，力矩調(diào)節(jié)旋鈕工作電路與之相同。經(jīng)過比較分析，本設(shè)計選用TMS320F2812作為主控芯片，充分利用DSP片內(nèi)豐富的外設(shè)資源，使控制系統(tǒng)的電路設(shè)計大為簡化。與F24x系列數(shù)字信號處理器相比，F(xiàn)281x系列數(shù)字信號處理器提高了運算的精度(32位)和系統(tǒng)的處理能力(達(dá)到150MIPS)；同時還集成了128KB的Flash存儲器、4KB的引導(dǎo)ROM、數(shù)學(xué)運算表以及2KB的OPT ROM，從而大大改善了應(yīng)用的靈活性；128位的密碼保護(hù)機(jī)制有效保護(hù)了產(chǎn)品的知識產(chǎn)權(quán)；兩個事件管理器模塊為電機(jī)及功率變換控制提供了良好的控制功能；16通道高性能12位ADC單元可以實現(xiàn)對多通道模擬信號的采樣等。輸出功能：PWM調(diào)制信號產(chǎn)生、驅(qū)動保護(hù)指示。為滿足以上功能，控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)需要對調(diào)節(jié)及反饋信號進(jìn)行檢測和處理，輸出符合驅(qū)動要求的控制信號，并對電機(jī)欠壓、過流故障進(jìn)行指示。因此設(shè)計中選用第二種方法實現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)子位置檢測和轉(zhuǎn)速測量。(2) 輸出信號與控制器的捕獲單元連接。這種方法中控制單元需要定時讀取I/O端口狀態(tài)，通過判斷位置信號電平的高低變化，從而確定電機(jī)是否換相。轉(zhuǎn)子位置信號的檢測有以下兩種功能：(1) 控制系統(tǒng)通過檢測轉(zhuǎn)子位置變化，查表