【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）電機位置測量方法 由上式知電機每分鐘轉(zhuǎn)速為： 假定電機在靜止情況下的初始位置角是θ0 ，電機的極對數(shù)為Np ，則從靜止開始經(jīng)過Ts （ S）后的電機位置（電角度）為：θr=θ0+2πNpM/N。正交編碼脈沖、定時器計數(shù)脈沖及計數(shù)方向時序邏輯如圖 所示。當電機反轉(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行計數(shù)，因此對輸入的正交編碼脈沖進行 4 倍頻后作為 T2 的計數(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，當電機正轉(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 進行解碼和計數(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，它實際上是由脈沖發(fā)生器及其相應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數(shù)器對脈沖進行加/減計數(shù)，以此來檢測位置。正是由于光電碼盤和電動機同軸，當電動機轉(zhuǎn)動時，碼盤會隨電機同軸轉(zhuǎn)動，才使得編碼器的轉(zhuǎn)速與電機的轉(zhuǎn)速相同，進而達到對編碼器轉(zhuǎn)速的測量即是對電機轉(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、易于實現(xiàn)高分辨率。由于控制的需要還應該準確的獲得轉(zhuǎn)速值。由于永磁同步電動機定子磁場是在這個初始值的基礎上對定子電壓進行積分的結(jié)果，所以準確的測出這個初始值的幅值和位置對永磁同步電動機直接轉(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)點在于：出色的精度，良好的線性度，低溫漂，最佳的反應時間，寬頻帶，無插入損壞，抗干擾能力強。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算得到電機的端電壓。 電壓檢測與接口電路永磁同步電動機的直接轉(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)進行計算得到αβ 坐標系下的電壓Ua 、Ub 。電流反饋通道低通濾波器的截止頻率設計為 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 相應的 AD 采樣通道。電阻 RRRCC2 和運算放大器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計應考慮電流/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行檢測，因為三相電流的和為零，只要知道兩相就可以通過計算得到另一相。 電流檢測與接口電路 在電機直接轉(zhuǎn)矩控制中，電機磁鏈和轉(zhuǎn)矩都是由三相相電流、相電壓經(jīng)過一系列運算后得到的[17]。為實現(xiàn)系統(tǒng)的需要本文設計了電流檢測、電壓檢測和位置速度檢測電路。由于 IPM 是低電平有效，只有當驅(qū)動 PWM 信號為低電平，VCC 提供上拉電流時，進入 IPM 的 PWM 信號才有效。該款光耦是安捷倫公司專為 IPM 等功率器件設計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 會輸出一個對應的故障信號給 DSP，并通過一個故障保護綜合電路將 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電的通斷。其中混合動力電動汽車采用的是永磁同步電機作為驅(qū)動電機，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）外圍電路的設計—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，實現(xiàn)了電機驅(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 1Mbit/s,數(shù)據(jù)傳輸距離可達 10km，有效地支持分布式控制和實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)標志來完成。 本文采用 TMS320LF2407 芯片作為電機驅(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 是一個標準的通用異步串行口（UART），可以和 RS232 格式的設備接口。 ●局域網(wǎng)控制器模塊（CAN）。 ●串行外設模塊（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（電機驅(qū)動保護、復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 41 條。 主控制器 DSP TMS320LF2407A 簡述及外圍電路設計 （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，低功耗的，供電電壓為 ,最高運算速度為 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[8]，由于 IPM 具有過(欠)壓、過流和過熱探測及保護電路，當發(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 通過檢測電路實時地獲取驅(qū)動電機的轉(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。永磁同步電機驅(qū)動控制系統(tǒng)硬件電路介紹是本系統(tǒng)研究的重點之一，硬件研究要求整個硬件電路安全可靠、功能強大、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，為接下來的電機驅(qū)動控制系統(tǒng)的設計工作做好了總體方案的設計?；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,通常電機的過載系數(shù)應達 34；再生制動時的能量回收率高；具有良好的環(huán)境適應性,在不同的工作條件下能可靠地工作；快速的轉(zhuǎn)矩響應特性,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，電機控制器是電機驅(qū)動控制系統(tǒng)的核心，控制器設計直接影響電動汽車電機驅(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驅(qū)動控制系統(tǒng)這部分。電機我們則主要檢測轉(zhuǎn)子的位置轉(zhuǎn)速、電流和電壓等參量。只有當發(fā)動機工作在一定的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩下，才能使汽車的工作效率達到最佳。在該模式下，發(fā)動機是驅(qū)動系統(tǒng)的核心，是最主要的動力來源，而電動機則提供輔助轉(zhuǎn)矩，使發(fā)動機效率最高，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)動機和電機。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”標準。這是因為 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，也有獨立的。由于本系統(tǒng)采用的是分布式控制方式，即使當 CAN 總線發(fā)生故障，每個控制器模塊也能單獨完成自身的操作任務，不會造成整個系統(tǒng)癱瘓的嚴重后果。在正常行使的情況下，發(fā)動機的能量分為兩路，一路傳遞給車輛傳動與推進系統(tǒng)，驅(qū)動車輛正常行駛，另一路則帶動電機工作，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 總線與電機控制器、電池控制器、機械式自動變速器、發(fā)動機控制器、人機界面等系統(tǒng)進行信息通信與控制。 該系統(tǒng)主要包括動力總成控制單元、發(fā)動機電控單元、電機控制器、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)是一種新型計算機控制系統(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，廣泛應用于電力、冶金、造紙和石油等工業(yè)領域。在生產(chǎn)自動化控制領域，集中式控制系統(tǒng)得到了廣泛的應用，但是由于各種功能集中在一臺計算機上，因此需要龐大而復雜的軟件系統(tǒng)，使系統(tǒng)的軟件可靠性下降，計算運行速度下降。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)設計是關(guān)系車輛性能的重要因素，為了節(jié)約能源，還需要設計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，能夠有效地彌補串聯(lián)式和并聯(lián)式的不足，但其結(jié)構(gòu)復雜，成本高。從低尾氣排放角度來看，