汽车用永磁起动发电机控制器设计

SHANDONG毕业设计说明书汽车用永磁起动发电机控制器设计学 院：电气与电子工程学院专 业： 自动化 学生姓名： 董玉洁 学 号： 0812107456 指导教师： 杜钦君 2012年6月摘 要摘 要随着永磁技术的不断发展和电力电子技术的成熟，以及当前保护环境对汽车技术的新要求，永磁起动发电技术在汽车领域的应用越来越广泛的应用。起动发电技术将汽车起动机和发电机集成在一个电机上，这个永磁电机在汽车发动机起动前用作起动电机，当汽车发动机开始正常运转时，用作发电机。本设计在绪论部分论述的了起动发电技术在国内外研究的现状，然后通过对永磁电机分类比较，确定了永磁无刷直流电动机作为本次设计的电动机类型。随后介绍了无刷直流电动机的工作原理、基本方程和机械特性，并对本次设计所使用的永磁无刷直流电动机进行了电机参数的计算。确定控制算法为数字PID控制技术，使用积分分离法对其做了改进。在控制器的硬件设计中，经过对控制芯片的选择，确定主控芯片为TMS320LF2407A型号的DSP，随后设计了逆变电路、驱动电路、相电流检测电路等相关电路。在设计的最后，对控制系统的软件进行了设计，确定了主程序和中断子程序。关键词：起动发电机，永磁无刷直流电机，控制器，PID，TMS320LF2407AIIAbstractAbstractWith the continuous development of the permanent magnet technology and the mature of the power electronics technology, and the new requirements of the environment protection for automotive technology, permanent magnet starter and power generation technology is more widely used in the automotive sector. Starting the power generation technologies integrated automotive starter and generator in a motor, before starting the car engine the permanent magnet motor is used as a starter motor and used as a generator when the car engine start normal operation.In the introduction part, the design discussed the status of the starting the power generation technology in the domestic and foreign research. Then by the classification of permanent magnet motor, make sure of the brushless DC motor as the design of the motor，and then introduced the principle of working, the basic equations and mechanical properties of the brushless DC motor, design and work out calculation of the permanent magnet brushless DC motor. Then determine the digital PID control technology as the control algorithm, use the integral detach to improvement the algorithm. In the hardware design of the controller, after the select of the control chip, we determine to use the DSP TMS320LF2407A as the master chip, followed by the design of the inverter circuit of the circuit, the drive circuit, the phase current detection circuit. At the end of the design, design the software of the control system, the main program and interrupt subroutine.Key words: starter-generator, the permanent magnet brushless DC motor, controller, PID, TMS320LF2407AIII第一章 绪论目 录摘 要IABSTRACTII目 录III第一章 绪论11.1 课题目的和意义11.2 国内外研究现状11.2.1国外研究现状11.2.2国内发展现状31.3 本论文主要工作4第二章 电机建模52.1 电机类型的选择52.2 无刷直流电动机工作原理62.3 三相逆变模块72.4 永磁无刷直流电动机的基本方程82.5 永磁无刷直流电机仿真模型132.6 永磁无刷直流电动机的起动特性142.7 PWM调速152.8 永磁起动发电机技术指标：172.9 本章小结19第三章 控制系统硬件设计203.1 控制系统总体方案203.2 主控芯片的选择203.3 控制系统硬件结构223.4 MOSFET驱动电路233.5 转速及转子位置检测电路243.6 相电流检测电路253.7欠电压保护电路263.8 DSP外围电路的设计273.8.1时钟电路273.8.2 JTAG仿真接口283.8.3串行通信接口电路293.8.4辅助电源293.9 本章小结30第四章 控制系统软件设计314.1 总体设计思路314.2 主程序324.3 中断子程序324.3.1捕捉中断子程序334.3.2电流采样中断344.3.3故障保护中断344.4 PID控制程序354.4.1模拟PID控制原理354.4.2位置式PID控制算法374.4.3增量式PID控制算法384.5 数字PID改进算法404.5.1积分分离法404.5.2数字滤波技术414.6 本章小结43总 结44参考文献45致 谢46- 43 -第一章 绪论1.1 课题目的和意义2002年以来，中国汽车行业开始进入黄金时期，轿车需求量猛增，这是中国汽车发展的支柱性力量。中国2011年累计生产汽车1841.89万辆，同比增长0.8%，销售汽车1850.51万辆，同比增长2.5%，再次刷新全球历史纪录。然而随着国际油价和国内油价的进一步提升，汽车的节能问题越来越引起人们的广泛关注。汽车永磁起动发电机的研究就是为了提高汽车起动过程和运行过程中的效率。稀土永磁电机最显著的性能特点是轻型化、高性能化、高效节能。高性能稀土永磁电机是许多新技术、高技术产业的基础。车用起动机和发电机是两个独立的电器设备，用于起动和发电。在传统的汽车电气系统中，发电机和起动机是体积和重量最大的两个独立电气装置，所起到的作用是十分重要的。但是它们普遍存在效率低、故障率高等缺点。起动发电一体化是将起动与发电功能集于一体，具有在蓄电池低电流小起动转矩大；在发动机转速范围内，发电机功率大、效率高、体积小，适于安装等优点。起动发电机能为新的电器供电，起动快，可以瞬间将发动机起动到怠速状态，起动几乎无噪声；起动过程有害物排放少；制动时能量可再回收；在起动停车过程中，可以降低燃料消耗；使曲轴扭转振动减小，传动系振动降低；可以提供增加功能，改善发动机的起动性能；可以减少发动机机的冷凝性，使发动机的功效提高；燃料消耗降低。1.2 国内外研究现状1.2.1国外研究现状ISAD(Integrated starter Alternator Damper)系统中的电机主要是交流电机、开关磁阻和永磁同步电机，为推进直流无刷电机在混合动力汽车中的应用，ISAD系统作为混合动力汽车（HEV）的一种形式，虽没有实现零排放，但它能达到的动力性、经济性和排放指标是缓解日益尖锐的汽车需求与环境污染、石油短缺矛盾的有效途径。德国大陆公司的Tocher子公司在1997年第一次开发出ISAD系统。1999年，起动发电一体化系统在法兰克福国际汽车展览会上首次展出。 法雷奥集团起动/发电一体化（ISA）组合的起动机发电机被整合成一起，连接在发动机和变速器间的轴承上，这种设计省去过去起动机和发电机的部件，发电电压为42V。发电机在反向电动机模式时作为起动机使用，通过控制器的作用起动过程速度快、噪声小。采用这种系统可以使普通柴油及发动机降低分贝数，并且再生制动，既提高了制动效率又增强了燃料燃烧效率。美国伟世通公司(Visteon Corporation)也推出了其ISA的样机，最大输出功率可达12kW。以上两种起动发电机也是以辅助动力作为它们的主要功能。ISG（Integrated Starter and Generator），是汽车起动发电一体机，直接集成在发动机主轴上，就是直接以某种瞬态功率较大的电机替代传统的启动电机，在起步阶段短时替代发动机驱动汽车，并同时起到启动发动机的作用，减少发动机的怠速损耗和污染，正常行使时，发动机驱动车辆，该电机断开或者起到发电机的作用，刹车时，该电机还可以起到再生发电，回收制动能量的节能效果。总之这是一种介于混合动力和传统汽车之间的一种成本低廉的节能和环保方案。日本的混合电驱动技术以丰田公司最为著名，其混合电动车Prius已经成功商用化，并且行销欧美和亚洲国家。丰田公司在1996年于电动车RAV4中就采用了东京电机公司的插入式永磁同步电机作为驱动电机。丰田汽车公司和本田汽车公司是目前两家批量生产和销售混合动力车的汽造商。截至2003年7月底，日本混合动力汽车Toyota Prius已售出12万多在混合电动汽车开发方面，韩国现代集团相继于1999年、2000年和2002发出Avante、Verna和Click混合电动汽车。德国宝马汽车公司推出了自己的曲轴起动发电机(Crankshaft Starter/Alternator, CSA)。与此同时，一些美国汽车公司和学术机构也开始一体化起动发电机的研究工作。1.2.2国内发展现状我国的发展混合动力车辆的技术条件已基本具备。一气丰田将于今年内生产丰田混合动力的Prius轿车，而通用中国和上汽也将首度合作推出混合动力客车。国内吉利集团华普汽车有限公司最近也研制出一款新型ISAD轿车样机，其ISAD系统采用了永磁无刷直流电机方案。我国近年来非常重视该技术的发展，并将该技术开发课题列入了“十五”863计划。目前我国的东风、长安、吉利、比亚迪等汽车公司都在开展相应车用ISAD系统及配套部件的研究。吉林大学对“混合动力客车用ISG控制器”进行研究，本文的内容，是对ISG电机控制理论与方法的探索性研究。使用PIC18F458单片机作为核心控制器，对直流无刷电机作控制特性的研究与实验。但其单片机的计算能力不足，无法对电极的磁场，电流做更加复杂的控制。重庆大学对长安汽车公司的混合动力羚羊轿车项目进行了研究与开发(国家863计划项目)，进行了长安混合动力羚羊轿车系统的关键技术仿真实验，建立了数学模型，但车辆起动性能还有待提高。江苏大学和进行了基于开关磁阻电机的车用ISAD系统的控制策略的研究首先开展了汽车用开关磁阻电机ISAD系统的研究工作，提出了开关磁阻电机在ISAD系统的不同工作模式下的最优激励参数判别标准与及其控制策略，采用基于CPLD的纯硬件控制系统对开关磁阻电机ISAD系统进行控制，其电机角度位置控制电路，具有优异的控制效果，采用基于DSP+CPLD的控制系统对开关磁阻电机ISAD系统进行控制，简化了系统结构，提高了系统的性能和可靠性。但其原理试验样机系统还有很多不足之处，额定功率小起动转矩较小，脉动较大，开关磁阻电机光电传感的位置检测方法，系统可靠性不足。中科院电工研究所对车42V电气系统的起动发电机的全数字化控制软硬件进行了深入研究。研究了异步电机空间矢量脉宽调制S(VPWM)算法和DSP控制。研究了转矩、磁通、转速调节器等设备在全数字化矢量控制的控制算法，同时设计了系统软件。1.3 本论文主要工作本论文主要是对汽车用永磁起动发电机控制器中，无刷直流电机的起动控制部分做了研究和设计。做了以下几方面工作：(1) 首先选择永磁无刷直流电机为本次设计所使用的电机，介绍了永磁电机的内部结构和三相逆变器的工作原理，建立了数学模型和仿真模型，对其机械特性尤其是起动特性进行了分析，确定了电机的主要技术指标。(2) 确定电机的控制系统总体方案，选择主控芯片为TMS320LF2407A型号的DSP。设计了控制系统的驱动电路、相电流检测电路、电流保护电路、欠电压保护电路、时钟发生器、JTAG仿真接口、编码器接口电路和串行通信接口电路(3) 进行了控制系统软件设计，将软件部分分类为：主程序模块、中断子程序模块和PID控制程序模块。设计了系统初始化、捕获当前位置和设置中断标志等主程序框图，位置捕获中断、电流采样中断、故障保护中断等中断程序框图。对PID控制算法做了简单介绍，设计了增量式PID控制算法程序框图、积分分离算法程序框图和防脉冲干扰平均值滤波法程序框图。第二章 电机建模第二章 电机建模2.1 电机类型的选择永磁电机的分类：有刷直流电机、感应电机、电励磁同步电机、开关磁阻电机、双凸极电机和永磁无刷电机。Boliger于1917年提出了无刷直流电机的思想。随着电力电子及制造等相关专业的发展，美国D.Harrison等人于1955年首次以“用晶体管换向线路代替有刷直流电机机械电刷”的技术申请了专利，这是现代无刷直流电机诞生的标志。1978年，第一台无刷直流电机及其驱动器的展示，标志着无刷直流电机真正进入应用。永磁无刷电机是在直流电机的转子上装置永久磁铁，不再用电刷和换向器为转子输入励磁电流，工作时，直接将电流输入无刷直流电机的定子中，控制其运转。永磁无刷直流电机重量轻，体积小，比功率大，能量密度高。永磁无刷直流电机用作发电机使用时效率高，消耗少，低速供电性能优良，能适应低劣条件的环境，噪音低，使用寿命长，具有很强的市场竞争力。各类永磁电机优缺点比较如表2-1所示。表2-1 各类永磁电机优缺点比较比较内容有刷直流电机感应电机开关磁阻电机永磁无刷电机电动机控制方式差一般优优大小质量差优一般优高速运转能力差优优一般维修性差优优一般效率差一般优优控制装置尺寸质量优一般一般一般控制性一般优一般优功率元件少多较多多综合评价差一般坚固较优优高效基于这些优点，永磁无刷直流电机很适合作为燃油汽车用起动发电机。永磁无刷电机按照气隙磁场分布分为两类：永磁无刷直流电动机(Brushless DC Motor-BLDCM)和永磁无刷同步电动机(Permanent Magnet Synchronous Motor -PMSM)，这两种电机的定、转子结构相似，但电流波形、气隙磁场布局和感应电动势波形差异明显，永磁无刷直流电动机为矩形波，永磁无刷同步电动机为正弦波；基于以上原因永磁无刷直流电动机亦称矩形波永磁无刷电动机，而永磁无刷同步电动机则称为正弦波永磁无刷电动机。永磁无刷直流电动机（BLDCM）通过调节直流端电压进行控制转速，控制系统比较简单，价格较便宜。在电机产生梯形波的磁场分布和梯形波的感应电动势要比产生正弦波的磁场分布和正弦化的电动势简单，因此无刷直流电机结构简单、制造成本低，但性能上稍有逊色。永磁无刷同步电动机（PMSM）由正弦变频电源来提供电压，比较而言其控制系统价格昂贵，体积较大；优点是电磁转矩脉振较小，运行的稳定性较高，动态性能出色。综合考虑，由于我们所设计的车用起动发电机对转矩和转速的稳定性要求不高，电机起动后，转速达到一定值时，电机转入发电状态，使用矩形波更有利于电机控制器、位置传感器、稳压装置和变频装置的简化，使电机和逆变器各自的潜力得到充分的发挥。而且电机起动部分对转矩和转速稳定性的要求不高，所以选择永磁无刷直流电动机（BLDCM）。2.2 无刷直流电动机工作原理永磁无刷直流电动机的控制器和电机本体紧密结合，是典型的机电一体化器件，由电动机本体、控制器和转子位置传感器三部分组成。无刷直流电动机的原理框图如图2-1所示。图2-1 永磁无刷直流电动机的原理框图控制与驱动电路作为直流电源和电动机本体的中介，将电动机的定子绕组通电。通电后，转子的位置通过位置传感器检测出来，并根据转子的位置信号来控制开关管是应处于导通还是断开状态，来控制各相绕组的通、断电，实现电子的换相。永磁无刷直流电机原理图如图2-2所示。图2-2 永磁无刷直流电机原理图2.3 三相逆变模块永磁电机通过汽车蓄电池供直流电，而永磁电机本身需要三相交流电进行带动，因此需要逆变电路将直流电转变成三相交流电来带动永磁电机，逆变电路的主要作用是根据转子位置信号适时给定子绕组供电。目前最合适的是三相星型六状态全桥逆变电路，上桥臂元件VTl、VT3、VT5给各相绕组提供正向电流，产生正向电磁转矩；下桥臂元件VT2、VT4、VT6给各相绕组提供反向电流，在相同极性转子永磁磁场作用下产生反向电磁转矩。三相桥式逆变电路原理图如图2-2所示。目前常用的控制方式有两种：二二导通方式和三三导通方式。二二导通方式是指在同一时刻逆变电路有两个开关管同时导通。三三导通方式是指在同一时刻逆变电路有三个开关管同时导通。使用二二导通方式时，每个导通管均有60电角度的不导通时间，不可能直接发生短路故障。三三导通方式中，每个导通管有180电角度的导通时间，任何一个管件的导通和关断稍有延迟，就会直接发生短路，造成严重后果。另外，在电枢电流和转速相同的情况下，三三导通方式下平均电磁转矩比二二导通方式下要小，同时瞬时电磁转矩还存在脉动，两相导通方式可以更充分地利用BLDCM的方波气隙磁场的平顶部分，转矩平稳性好。因此我们选择二二导通方式来控制电机定子的通电状态。在二二导通方式下，开关管的导通顺序应为：VTl-VT6、VTl-VT2、VT3-VT2、VT3-VT4、VT5-VT1、VT5-VT6。相应的各相通电顺序为A-B、A-C、B-C、B-A、C-A、A-B。每个电周期共有六种导通状态，每个开关管导通120电度角，每隔60电度角电路的工作状态改变一次。图2-2 三相桥式逆变电路原理图2.4 永磁无刷直流电动机的基本方程BLDCM的特征是反电动势为梯形波，这意味着定子和转子间的互感为非正弦。由于BLDCM是方波磁场，使用dq0方程比较困难，使用abc坐标系来建立数字模型较容易。在理想条件下，假设：（1）定子绕组为三相星形连接，定子电流、转子磁场分布对称；（2）忽略齿槽的影响，定子光滑，绕组均匀分布在定子的内表面；（3）不计涡流和磁滞损耗；（4）转子上没有阻尼绕组，永磁体不起阻尼作用；（5）位置传感器以及控制电路中的功率损耗忽略。在此条件下，BLDCM的状态方程为：(2-1)上式中，Ux、UY、Uz为三相绕组电压；RS为每相定子绕组电阻；Lx、LY、LZ为定子三相绕组自感；LXY、LYX、LYZ、LZY、LZX、LXZ二为定子三相绕组互感；IX、IY、IZ为定子三相绕组电流；EX、EY、EZ为三相绕组感应电动势。因为三相绕组为星形无中线连接，所以： (2-2)因此有 (2-3)由于互感和自感均各自相等，将式(2-2)和(2-3)代入式(2-1)得到方程式(2-4)。 (2-4)式中， M为互感；Ls为自感。永磁无刷直流电机的电压平衡方程为U=Ea+IaRa+2ub (2-5)式中，U为外加电压；Ia为电枢电流；Ra为电枢绕组电阻；为一对电刷接触压降，其大小与电刷型号有关，一般；Ea为电枢绕组内的感应电动势（V）。 电动机正负电刷之间的电动势称为电动机的感应电动势。电枢绕组各个并联支路的感应电动势都相同。在电枢旋转过程中，由于在正负电刷之间的元件数量基本不变，因此感应电动势为基本恒定的直流电动势。当电枢位于几何中性线上、电枢线圈均匀分布且为整距时，感应电动势 (2-6)式中，p为电机极对数；N为电枢绕组总导体数；为每极气隙磁通（Wb）；a为电枢绕组的并联支路对数；n为转速（r/min）；Ce=pN/60a为电动势常数。如果绕组短距，那么实际感应电动势比上式的计算值小，但由于直流电机的电枢绕组短距很小，对感应电动势影响也很小，可以忽略不计。如果电刷从几何中性线移开，则支路中一部分导体的感应电动势将相互抵消，导致Ea减小。如果计算空载感应电动势，那么应为空载时的每极磁通；如果计算负载感应电动势，应为负载时的每极磁通。永磁无刷直流电机电磁转矩是：当电枢绕组通电时，导体与永磁磁场相互作用产生的转矩。当电刷放在几何中性线上时，电磁转矩为 (2-7)式中，Tem为电磁转矩（Nm）；为转矩常数。 永磁直流电动机产生的电磁功率为： (2-8)式中，为转子机械角速度（rad/s）。将式（2-5）两边同乘以电枢电流Ia，得 (2-9)等式左边为电动机输入功率，用P1表示；右边第一项为电磁功率；第二项为电枢绕组铜耗PCua；第三项为电电刷接触电阻损耗Pb。因此有 (2-10)从电磁功率中扣除铁耗PFe、机械摩擦损耗Pfw后得到电机的输出功率P2即： (2-11)将式2-7两端同除以机械角速度有 (2-12)式中，为电动机轴上的机械负载转矩（Nm）；为电动机铁心中涡流、磁滞损耗和机械损耗的存在而产生的空载阻转矩（Nm）。永磁无刷直流电机的电磁转矩方程： (2-13) (2-14)式中，Te为电磁转矩，正方向与旋转方向相同；Tl为负载转矩，正方向与Te相反；为旋转阻尼系数，通常为速度的函数；J为包括转子在内的系统惯量。根据（2-5）的电压方程，可以得到无刷直流电机的状态方程：(2-15)根据式（2-15）的电压方程，可以得到等效电路如图2-5所示。图2-5 永磁无刷直流电机等效电路图2.5 永磁无刷直流电机仿真模型根据永磁无刷电机原理模型，可以得到永磁无刷直流电机在MATLAB中的仿真模型。该模块输入信号为三相电压信号，经过电流表测量电流之后，输出电流值信号，同时，三相电压信号与方波信号进行混合，转子产生感应电动势输出至电压表。电流信号与电压信号相乘产生功率信号，功率信号与机械角速度的倒数信号乘产生电磁转矩，电磁转矩经过积分器后变成产生角速度W信号，角速度信号W形成一个转速反馈环节，同时输出转速信号，与经过emf函数的作用变为可控波形控制转子的作用。永磁无刷直流电机仿真模型内部结构图如图2-7所示。图2-7 永磁无刷直流电机仿真模型内部结构图三相逆变模块的功能是把直流电源输出的电压信号转换成电压和频率都可调的三相交流电信号。输入为六个IGBT开关信号，开关信号由位置传感器经计算后产生。内部结构为直流电压源输出电压信号，电流表检测电流值，三相桥式逆变电流进行将直流电逆变为三相交流电。输出为A、B、C三相电压信号供给永磁无刷直流电机使用，同时产生电流信号输出至PWM转速控制模块，同时还有一个电流表检测电流信号的大小。三相逆变模块仿真模型内部结构如图2-8所示。2.6 永磁无刷直流电动机的起动特性永磁电机的控制系统为双闭环调速系统。永磁电机的电流调节、PWM控制器、电流检测和电流比较器构成了电流环。电机的位置检测装置、速度计算装置和速度比较器构成了速度环。电流环为内环，转速换为外环，电流环和转速环中各设置一个调节器调节相关量。双闭环调速系统原理如图2-9所示。图2-8 三相逆变模块仿真模型内部结构图图2-9双闭环调速系统原理图永磁电机在起动过程中为了保持最大转矩，往往会在起动和过渡过程中保持电流为最大值，使永磁电机在起动过程能保持最大的加速度，当电流达到最大值时，电机的控制系统中电流反馈环发生作用，会限制电流的继续增加，使其保持在一个相对稳定水平，当永磁电机达到稳定转速的时候，电机的转速环发挥作用，使电流下降电机转矩下降到和负载转矩相平衡，转速维持在一个相对稳定的水平。然而实际情况下，由于电流和转速都不能突变，永磁电机的实际起动特性与理想起动特性还有很大差异。实际起动过程和理想起动过程对比如图2-10所示。图2-10实际起动过程和理想起动过程对比图2.7 PWM调速永磁无刷直流电动机转速表达式： (2-16)式中，U电枢端电压； I电枢电流；R电枢电路总电阻；每极磁通量；K电动机结构参数。输出电压为： (2-17)式中，占空比；。永磁无刷直流电机采用PWM控制，通过软件改变PWM波形的占空比来实现调速。我们采用定频调宽法来进行控制，保持周期T不变，同时改变t1和t2。原理图利用开关管进行PWM调速控制的原理、输入输出电压波形如图2-11、图2-12所示。 图2-11 PWM调速控制的原理图 图2-12 输入输出波形图由于永磁起动发电机与汽车的主轴相连，不可避免的会有正反转的情况，因此会用到可逆PWM系统。可逆PWM控制系统分为双极性和单极性。双极性可逆系统优点是低速运行平稳，缺点是电流波动幅度较高，功率损耗很大，开关频率有死区的限制无法有效提高，在小功率直流电动机中应用较为广泛。2.8 永磁起动发电机技术指标永磁起动发电机的各项技术指标如下，起动功率： (2-18)最低起动转速： (2-19)启动扭矩： (2-20)额定功率： (2-12)额定转速：4000r/min (2-22)输出电压： (2-23)额定效率： 额定电流： (2-24)额定转矩： (2-25)计算功率： (2-26)感应电动势初值计算： (2-27)极对数： (2-28)绕组形式：单叠。绕组并联支路对数： (2-29)实际感应电动势： (2-30)满载实际转速： (2-31)起动电流： (2-32)式中，电枢绕组电阻：起动电流倍数： (2-33)起动转矩： (2-34)起动转矩倍数： (2-35)根据以上计算结果可以得出：起动电流和起动转矩的计算结构符合任务设计书中的要求。2.9 本章小结本章主要确定了永磁无刷直流电机为本次设计所使用的电机，介绍了永磁电机的内部结构和三相逆变器的工作原理，建立了数学模型和仿真模型，对其机械特性尤其是起动特性进行了分析，最后确定了电机的主要技术指标。第三章 控制系统硬件设计第三章 控制系统硬件设计3.1 控制系统总体方案设计控制系统要求系统工作可靠、功耗小、寿命长、成本低。因此在控制系统设计的过程中，一方面要保证其满足主要的性能指标，工作稳定可靠，另一方面还要尽量减少系统的功耗和成本等，这样才能达到最合适的控制效果。本系统最关键的部分是起动环节，控制系统主要的任务就是在起动时为电机提供足够大的电流使起动转矩达到设计的要求来带动发动机做功，而后即转入发电状态运行。这一环节最显著的特性是低电压大电流，因此要求驱动电路和逆变电路要有足够大的容量，在选择功率器件和保护电路时也要注意选型。BLDCM起动发电机控制系统的原理框图如图3-1所示。图3-1 控制系统硬件原理图3.2 主控芯片的选择控制器是永磁起动发电机控制器设计的核心，选用控制器要求控制器要可靠，易于维护，可移植性强，效率高。(1) 专用芯片：有很多，无刷直流电机专用控制芯片，比如摩托罗拉公司的MC33035，这些芯片具有专门的控制用途。控制范围小，电机结构改变后效果不好。(2) 单片机：单片机在一般的自动控制系统中得到了广泛的应用。单片机种类很多但本身速度受到了限制，精度也会很难达到要求。控制无刷直流电机时，特别是主逆变电路中，单片机输出PWM的速度低，会产生很大的转矩脉动，并且不适合做很复杂的算法，因为一般的算法里会涉及到浮点运算。专用单片机成本较高，虽弥补了普通单片机的缺点，但是价格太高，使控制系统的成本加大。(3) 数字信号处理器：数字信号处理器(DSP)采用了不同的内部结构。目前主流DSP芯片内部一般采用的是哈佛结构或改进的哈佛结构。计算机具有独立的数据和程序存储空间是哈佛结构最大特点。这样使CPU可以同时执行取指令和取数据，数据吞吐率提高，系统的运算速度提升。DSP还具有速度快，存储容量大，软件编程灵活等特点。流水线技术和硬件乘法器也提高了系统效率。利用DSP来进行电机控制，可以减小系统的成本。基于以上比较，我们选择DSP作为永磁起动发电机的主控芯片，目前电机控制领域常用的是TMS320C24x系列DSP，这类芯片是16位定点DSP，速度为20MIPS-40MIPS，比传统的16为微控制器MCU的性能要高很多。采用四级流水线结构，能够在一个周期内完成其大部分指令，并且内嵌一个周期内完成两次存取操作的DARAM，加上TMS320C24x结构的并行处理特性，因此，在一个机器周期内能同时完成3个内存的存取。还有一种TMS320C28x系列DSP，它是目前数字控制领域中性能最高的DSP芯片，采用32位的浮点DSP内核，速度高达150MIPS，适合工业自动化、光学网络及其自动化控制等应用领域。但相对于TMS320C24x系列，TMS320C28x系列DSP的价格较贵，TMS320C28x的市场价格是TMS320C24x系列价格的2倍，用于永磁起动电机的简单控制不免大材小用，大大增加了成本。TMS320LF2407A是TMS320C24x系列中功能最强的一款DSP，该芯片与同系列其他DSP相比，有很多特点。TMS320LF2407A的核心CPU保证了TMS320LF240x系列DSP代码和TMS320系列DSP代码兼容。它功率极小，供电电压仅为3.3V，执行速度比一般DSP快，指令周期随之缩短。两个事件管理模块EVA和EVB具有强大的功能，可以实现：PWM对称和非对称波形的控制；可编程的PWM死区控制，以防止上、下桥臂同时输出触发脉冲。事件管理模块用于控制交流感应电机，无刷直流电机，开关磁阻电机，步进电机，多级电机和逆变器。3.3 控制系统硬件结构TMS320LF2407A专为电机控制应用而设计，它不仅具备强大高速的运算处理能力，芯片内集成了丰富的外围元件，整个数字控制系统的硬件设计相对简单。由此可见，TMS320LF2407A比较适合作为BLDCM式的永磁起动发电机的控制芯片。基于TMS320LF2407A型DSP的BLDCM起动发电机控制系统硬件结构如图3-2所示。图3-2 基于DSP的BLDCM起动发电机控制系统硬件结构图DSP通过位置传感器确定电机转子位置，输出合适的驱动逻辑电平给MOSFET驱动器IR2136，再由MOSFET驱动器驱动功率逆变器，进而控制电机旋转。DSP根据位置传感器送来的脉冲信号计算出当前转速，与电机的设定转速比较后，利用转速控制程序在不同模式下控制电机的转速跟随转速的设定值。DSP经过相电压、相电流检测电路采集电机绕组中的电流，与电流设定值比较后，经PID算法产生合适的PWM调制信号控制绕组中的电流。驱动电路可完成电机的过载、低电压、驱动时序异常等故障保护。3.4 MOSFET驱动电路三相星型六状态全桥逆变电路根据转子位置传感器的输出信号，通过逻辑电路控制这些开关管的导通和截止，控制电机三相电流的通断。因此选择一个合适的开关器件才能保证整个三相星型六状态全桥逆变电路保持一个正常的工作状态。由于本设计是用作起动发电机的控制，起动电流大，器件的开关频率高，根据这些特点，选择MOSFET驱动器IR2136组成三相星型六状态全桥逆变电路。IR2136是一种采用高压、高速功率MOSFET和IGBT的驱动器。IR2136可同时控制6个功率管的导通和关断，工作电压为10-20V。通过输出端口H01、H02、H03分别控制三相全桥驱动电路中上半桥VQ1、VQ3、VQ5的导通和关断，通过输出端口L01、L02、L03分别控制三相全桥驱动电路中下半桥VQ4、VQ6、VQ2的导通和关断，从而实现控制电机转速和正反转。在电机控制系统的运行过程中，如果出现过电流或低电压的情况，IR2136会启动内部保护电路，锁住之后产生的PWM信号，同时通过FAULT引脚拉低DPS控制器的PDPINT引脚电压，启动DSP控制器的电源驱动保护。这时所有的VE模块输出引脚将被硬件置为高阻态，保护了控制系统。IR2136驱动电路如图3-3所示。3.5 转速及转子位置检测电路本设计中无刷直流电机的定子齿凹槽内安装三个霍尔位置传感器，输出三路高速脉冲信号HALL1HALL3。DSP控制器根据其变化，通过改变驱动电路中功率管的导通顺序，实现对电动机的换相控制和转速测量。三路霍尔信号的滤波电路如图3-4所示。图3-3 IR2136驱动电路图图3-4三路霍尔信号的滤波电路图为了消除霍尔位置传感器输出信号中干扰信号的影响，在将输出信号送入DSP捕获单元之前，必须对输出信号进行两次反相和光耦隔离。本设计选用74LS14施密特触发反相器来对输出信号进行滤波和整形。光耦隔离电路如图3-5所示。图3-5三路霍尔信号滤波后的隔离电路及与DSP接口图3.6 相电流检测电路电流检测是PID双闭环控制中电流环的一个关键性的环节，电流环是控制系统的内环，电流环能保证系统的快速起动性能，反馈电流通过电流比较器与设定值进行比较，可以使永磁电机的电流快速达到额定值，达到额定值之后电流保持相对稳定。相电流检测有两种方式：第一种是采样电阻法，这种方法主要用到了运算放大器和采样电阻，可以直接将主电路的电流信号转化为电压信号送给控制电路，输出电压直接正比于主电路流过的电流，简单方便，适合小功率和小电流但是精度低，抗干扰能力差，易受外界干扰，性能不够稳定。第二种是电流传感器法，这种方法主要用到了霍尔传感器，霍尔传感器的工作原理已经在前面提到，精度高、线性性能好、速度快、电路简单，但成本比采样电阻法高。由于本设计中电流环关系到整个系统的电流的大小，影响到了永磁电机的运行情况，非常重要，所以选择电流传感器法，本设计采用磁平衡原理实现霍尔元件检测电流，把互感器、放大电路、霍尔元件和信号处理电路集成在一起，电流检测电路如图3-6所示。图3-6 相电流检测电路图3.7欠电压保护电路欠电压保护电路通过系统软件实现，目的是检测输入端直流电压值。利用电阻分压对主电路直流电压进行采样，将直流电压进行分压处理到合适的值后，直接输入到DSP控制板的AD转换电路中。当系统发生短路时，采样电压低于设定的门限值，DSP设置PWM输出为高阻态，以此来封锁PWM信号的输出，达到保护电机本体和功率管的效果。欠电压保护电路如图3-7所示。图3-7 欠电压保护电路图参数计算：电压42V，经过电阻分压后，取R1=120k，R2=100k。正常状态下，DSP中的AD模块能够转换的最大电压为3.3V。1.91V电压处于3.3V的1/32/3的区间，此时AD测量精度最佳。当母线电压降至30V时，我们设定此时对应的为系统欠压阀值电压，通过计算可知：，当检测值低于1.36V时，系统欠压。这时DSP会发出信号封锁PWM，这样可以整个系统的安全。3.8 DSP外围电路的设计3.8.1时钟电路控制系统的采样周期要远小于系统的时间常数，这是采用数字PID控制器的前提条件。一般为了使控制精度达到预期目标，同时增强系统的动态性能和抗干扰性能，需要采样周期足够短。不过，采样周期还要与执行元件的响应速度相匹配，而且过高的采样周期会大大增加DSP控制系统的计算时间，影响处理速度。因此采样周期应该适当小。根据香农采样定理公式： （3-1)式中，被采样信号的最高频率。我们实际取下面的关系来保证采样的精度。 （3-2)时钟信号的连接方式分为两种：第一种是直接输入外部时钟源，第二种是使用DSP芯片的内部晶振。本设计采用第二种方法，将晶体连接在XTALZ和XTALI/CLKIN引脚之间，通过晶体启动振荡器。由片内时钟发生器可以得到主时钟输出信号（CLKOUT1)，主时钟输出信号的输出频率是原时钟信号（CLKIN)频率的数倍或者几分之一。片内时钟发生器包括振荡器、锁相环和两个独立元件。两种信号的关系是：CLKOUT1=CLKIN/2，PLL则能够将CLKOUT1扩大为CLKIN的数倍。同时，PLL能够将主时钟输出信号锁定。时钟电路如图3-8所示。图3-8 利用内部时钟振荡器图3.8.2 JTAG仿真接口仿真控制电路是通过一个仿真接口来实现的。在TMS3202407系列中，一个分析模块和JTAG测试能同时运行。程序的仿真通过JTAG标准测试接口和在线调试及相应的控制器，在控制和观察系统中处理器的运行并能测试每一块芯片，在此基础上还可以写入程序。实时在线调试能在TI的集成开发环境（CCS)与JTAG接口两者配合下加以实现，能够顺利地进行。接口电路如图3-9所示。图3-9 JTAG仿真接口图3.8.3串行通信接口电路串行通信接口电路是DSP片内集成异步串行通信接口（SCI)模块, 支持DSP与其他使用相同格式的异步外设之间的串行通信。本设计采用MAX232进行串行通信，在MAX232和DSP之间加了一个电平匹配电路。MAX232为+5V供电，TMS320LF2407为+3.3V供电，电平匹配电路负责将+5V电压转换成3.3V电压，串行通信接口电路如图3-10所示。图3-10 串行通信接口电路图3.8.4辅助电源TMS320LF2407是一种低功耗DSP，工作电压为3.3V，需要设计专门的电源电路来满足要求。DSP最小系统一般有两种电压：核供电（1.8V)和I/O供电（3.3V)，两者供电是分开的。同时，由于芯片的A/D模块属于模拟电路部分，为减少数字电路部分对这部分的干扰，要求提供相隔离的电源电路。可以选用两个电源芯片，也可以使用一个电源芯片，但需通过电感或者磁珠进行隔离。采用TPS70151作为电源芯片，电路如图3-11所示。TPS70151除了可以稳定输出3.3V、1.8V电压外，同时具有复位功能。TPS70151复位脚与DSP复位脚相连接，当电源电路出现波动时，其复位脚可以输出200ms的复位信号，保证DSP芯片复位。该芯片同时具有手动复位功能。另外TPS70151的SEQ引脚接地，保证了电源上电顺序的要求。图3-11应用TPS70151芯片的DSP电源电路图3.9 本章小结本章确定可电机的控制系统总体方案，完成了控制系统硬件电路的设计。选择主控芯片为TMS320LF2407A型号的DSP。设计了控制系统的驱动电路、相电流检测电路、电流保护电路、欠电压保护电路、时钟发生器、JTAG仿真接口、串行通信接口电路和辅助电源。对每个部分的结构和功能做了介绍，对部分参数进行了计算。第四章 控制系统软件设计第四章 控制系统软件设计4.1 总体设计思路一个控制系统要正常工作，需要硬件和软件的密切配合才能构成一个完整的控制系统。软件将整个控制系统的各个硬件统一联系在一起，完成了控制算法的运行，对各个传感器产生的数据进行整理和计算，同时对硬件发出控制指令。一个好的软件不仅可以充分发挥各硬件的形成，还能有效的提高整个控制系统运算速度和缩短响应时间。本设计引入了CCS软件开发环境，这个集成开发环境给我们提供了很多工具，包括编程环境配置、汇编源文