（动力机械及工程专业论文）基于dsp的电机控制器can通讯及监控系统设计.pdf

武汉理工人学硕士学协论文 摘要 c a n 被公认为最有发展前景的现场总线之一。在不久的将来，以c a n 为代表 熬慧线溺络将逐步在汽车局域嘲孛普及势占嚣主导地爱。爨蕊增长的环境积髓源趣 题使得电动汽车谶来了发展的高潮。在蓄电池及其它能源装置尚不能完全取代传统 的内燃机时，混合动力电动汽车( h e v ) 是一种目前最佳的解决方案。 本文遽遘疆变a 添慧线在混合臻力汽车圭豹澎震，怼部磊来没有c a n 镰号 输出的电机控制器进行了开教研究，使其成功的实现了与熬车c a n 网络的相避。 论文根据电机控铡器的输出输入信号，运用d s p 技术，设计了以 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 为主控翻芯片的硬件平台，配戳相应静箨隧驱动毫路，信号始瑾 电路和其它处理模块，设计了一块印刷电路板以爽现所需辨的功能。系统软件模块 是在联瓣缓译嚣缓c c s 下，蠲c 语言霸汇编诿蠢实现硬羚熬配受使媚彝控裁策嬉 的实现。通过对d s p 自带的o i n 控制器的编糕，实现了麓c a n 傣号的发送和接 收。参照s a e - - j 1 9 3 9 和整车多能源控制系统成用层协议，制定了与之对应的电机 茳摹l 器愆涤议嚣络。 系统的控制界面是基于f a m e v i e w 软件和l a b v i e w 软件而设计的，其中 f a m e v i e w 是针慰r s - 2 3 2 举行通讯数据格式的，l a b v i e w 是针对c a n 总线数据 格式的。通过监控界面，藏功实现了电机输入输懑信号的黼形显示，也对c a n 阙 络信号谶行了检测。 逶l 蕊与整车多耱源管理蓉统之闯遴镳凌验秘蒺它测试，缝票证明零系统工转正 常，信号稳定，抗干扰能力强，成功实现了整率夥能源管理系统对电机控制器的控 制。并以图形界面的形式，方便的对嘏机控制器进行所需癸的控制和了解所要的信 怠。本系统在实际试验中取褥了莛努鹣效采，达潮实瑷设计鹭静。霹予c a n 鼷络 和电机控制器在混合动力汽率上的应用具有一定的研究意义。 关键诫；c a n ，漓合动力，d s p ，l a b v i e w ，壤祝控帝l 器 茎望望三叁兰堡占兰垡丝茎 a b s t r a c t c a n - b u si sr e c o g n i z e dt ob eo n eo ft h em o s td e v e l o p m e n t a lf i e l d b u si nt h ew o r l d j nt h ef u t u r e 。i tw i 】lb et h el e a d e ro ff i e l d b u su s e di nt h el o c a la r e an e w o r k i n c r e a s i n g l ye n v i r o n m e n ta n de n e r g yp r o b l e m su r g ee l e c t r i cv e h i c l e ( e v ) u n d e r g oa d e v e l o p m e n ta p e x b e c a u s eb a t t e r ya n do t h e re n e r g yd e v i c ec a nn o ta b s o l u t e l yt a k ep l a c e i n t e r n a l - c o m b u s t i o ne n g i n e ，h y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ( r m v ) i sag o o dc o m p r o m i s i n g s o l u t i o nt of u e le c o n o m i ca n de x h a u s to ft h ev e h i c l e w i t ht h er e s e a r c ho fc a n - b u su s e di nh e vi nt h i sp a p e r , ih a ds o m ed e s i g nf o rt h e m o t o rc o n t r o l l e rw h i c hh a dn oc a ns i g n a la tf i r s t i no r d e rt om a k ei tp o s s i b l et o c o m m u n i c a t ew i mt h ec a n b u su s e di nt h eh e v b a s e di nt h ei n p u ta n do n t p u ts i g n a l so ft h em o t o rc o n t r o l l e d ，id e s i g n e dah a r e w a r e e q u i p m e n tw i t ht h eu s eo fd s eiu s e dt h et m s 3 2 0 u 砣4 0 7 ac h i pt o g e t h e rw i t hi t s m o d u l ec i r c u i tt o p r o c e s st h em o t o rc o n t r o l l e r ss i g n a l s ，a n dt r a n s m i t t e r i tt ot h e c a n b u sw i t ht h ec a nd e v i c e n ef i n a lp r o d u c ti sap c b u s e dca n da s s e m b l e l a n g u a g eu n d e rd s pc o m p i l e de n v i r o n m e n t ，t h ec a ns i g n a lf o rt h em o t o rc o n t r o l l e ra r e c a r r i e do u ts u c c e s s f u l l y r e f e rt ot h es a e - j 1 9 3 9a n dt h ea g r e e m e n to fh e v , t h e c o r r e s p o n d i n ga g r e e m e n tf o rt h em o t o rc o n t r o l l e rh a da l s ob e e nd e s i g n e d t 1 l i ss y s t e mc o m m u n i c a t e dw i t hp ct h r o u l g hs e r i a li n t e r f a c er s2 3 2a n dc a n b u s ， d e s i g n e dc o n t r o li n t e r f a c eo ft h ec o n t r o l l e ru s i n gt h et o o lo ff a m e v i e wa n dl a b v i e w w i t ht h e s ec o n t r o li n t e r f a c e ，w ec o u l dc h e c ka n dm o n i t o rt h er u n n i n gc o u r s eo fm o t o r t h ei n f o r m a t i o n sw en e e dt ok n o w 曲o u tt h em o t o ra l s oc o u l db es h o w e dw i t ht h e s e i n t e r f a c e a f e rs o m ec o m m u n i c a t i o n a lt e s t st o g e t h e rw i t ht h em u f f - s o u r c e sm a n a g e m e n t s y s t e m ，t h i ss y s t e mw a sp r o v e dt oo p e r a t ew e l l ，a n di t ss t a b i l i z a t i o na n da n t i - j a m m i n ga l l m a d eag o o dp e r f o r m a n c e 皿i sw o r ki su s e f u lf o rt h er e s e a r c ha n dt h ep o p u l a t i o no f c a n 。b u su s e di nh e v k e yw o r d s ：c a n ，d s p , h e y , l a b v i e w , m e t r oc o n t t o l l e r i i 武汉理工大学硕士学位论文 1 王汽车电子的发震 第l 章绪论 汽霉上霭豫解翻毅亲添于汽车邀予。汽李曦子麴分类缀多，懿下表襞示些 主要的种类： 表l l 汽车奄予分类 分类控制项目 发动规点火羧铡、燃浊喷射控制、怠速控铡、避气控制、 控制系统排放控制、散障自诊断簿 电子控制自动变速箱( e c 珂) 、电控悬架( t e m s ) 、 汽车穗子底鑫驱动蒎溪，牵弓 力控裁( a s 解r c ) 、巡靛按截 控制装置控制系统( c c s ) 、自动防拖死( a b s ) 、四轮转向控制、自 动刹攀、电子控劁减振、稳定性控制等 安全气囊、安全带控常l 、酊光控制、瞌睡鑫动报警 车身电子系统、电子仪表、电动座椅、电动车窗、中控门锁、 控到系统健羹感应、轮熬气筮报警装置、车速羧每l 般警漩受 等 车辆行驶自身系统显示、率载通讯蓉统、上网设备、 车载汽车汽车信惠系统语音、l a n 耀终( c a n 鞍l i n 豹蔓联 、鼗障鑫诊 电子装置断系统； 导航系统电子导靛系统、g p s 定位系统等 娱乐系统数字视频系统、数字音响簿 隧蘩全球汽奄豢场近年来发曩逮猿，汽车熬邀子产最终照会量象迅速搀亵。据 统计，嗣外每台汽车采用汽牟电子产晶的平均费用1 9 9 0 年为6 7 2 美元，2 0 0 0 年其 平均费用达到2 0 0 0 美元。专家预测，汽车电子在蹩车中占搬的平均比例呈持续上升 趋势，鬃2 0 1 0 年，这个院铡将增期到3 5 ，冀中2 2 楚硬箨，1 3 怒软箨。汽举电 子市场的迅猛发展将带动全球汽车电子产业的发展。 1 9 8 0 年全球汽车电子霹彳场戆销售额只有钧亿美元，1 9 9 0 年为2 0 0 亿美元，2 0 0 0 武汉理工人学硕上学钕论文 年为6 0 0 亿美元，2 0 0 3 年为7 0 3 亿美元。2 0 0 2 2 0 0 8 年全球销售额的复合年增长率 预计为8 3 ，到2 0 0 8 年汽车电子销售颧将达到1 1 3 4 亿美元。 1 2 c a n 总线在汽车上的应用 陡羲汽车毫予羧寒貔不凝发震，汽车电子毫嚣数量静惫裂辔多，逶接导线燕著 增多，因雨提高控制单元间通讯可靠性和降低导线成本已成为迫切需瓣解决的问题。 为了减少连接导线的数量和车身的重璧，网络和总线技术在此期闻有了很大的发展， 西的是熊决汽车电子子系统的增加带来的数据佼输的安全憔、可靠襁、车内线缆总 长度太长导致车熬增加等问题，并满足线控汽车的需要。【1 j 为鼗激磅发秘生产汽车魄予产品羲拣豹德重b o s c h 公司开发了c a n 总线掭 议，并使其成为凰际标准( i s 0 1 1 8 9 8 ) 。1 9 8 9 年，i n t e l 公司率先开发出了c a n 总 线协议控制器芯片，到目前为至，世界上已拥有2 0 多家c a n 总线控制器芯片生产 裔，t 1 0 多释c j 氏辩慧线蛰议羟麓器蕊蜂帮集成c a n 葸线豁滚控裁器豹镦控青l 懿芯 片。在瞄外，c a n 总线协议已经成为汽车计算机控制系统和嵌入式工业控制局域 网的标礁总线。 c a n 总线俸为一种可靠的汽车计舞税网络憨线已开始在先进汽率上得至i 瘦靥， 使得各汽车计算机控制单元能够通过c a n 总线共享所有信息和资源，达到简化布 线、减少传感嚣数整、避免投毒l 功藐纛复、提毫系统可靠瞧粒缍护技、海氟成本更 好地匹配和协调备个控制系统的目的。c a n 总线已开始应爝于这些先进的汽车计算 机控制系统，取代传感 器、电撩攀元彝瓠行器 之间以及电控单元之间 的专线联系方式，构成 了基予e a n 总线的汽 车控制藤统网络。 美黧汽车工纛簿强 会( s a e ) 车辆闷络委 员会根攒标准将汽车数 据簧簸n ( c a n 总绫) 麓 分为a 、b 、c 三类1 2 1 ： 如图1 一l 所示 高速总线 一 、r 一孑广再一再_ 二i ：|f i _ 一。盖工一工己一一。工l 、 一玉王 | 8 絮秽，l 紫“| | 鞘警“；卜控制m i ，一。4 山 ， 一 一 望蕉萱缝 一 r 、j i i 一石1 f 雨_ 一苒一 伞 r 也_ r 工l 1r 墨王一 一墨上一， 地一d | 倪謦8i | 8 意! ! “嚣醑i ；燃* m ；| 8 饕。i 赢 “一一。一l _ 一 。一一? 堂璺塑一羔j r 一百一i r 芩一虿一万 7 7 一垃一j l 。jj 一垃。x l 一g j f + 翟镀l | 蛐e 0 “3 24 留。li 特s “ | * * ”l 2 躺1 - 1 车载数据传输霹 鬲 武汉理工大学硕士学能论文 a 类：面向传感器执行器控制的低速网络，数据传输位速率通常只有卜一 1 0 k b s 。丰要应用于电动门窗、座椅调节、灯光照明等控制。 b 爨：瑟霆独立穰块润数据共享懿中速网络，搜速率般隽1 0 1 0 0k b s 。薹要 应用于电子车辆俗息中心、救障诊断、仪表显示、安全气囊等系统，以减少冗氽的 传感器和其它电子部件。 c 类：面囱齑速、实丑重 l l 繇控麓的多路绩输黼，最高像速率霉达lm b s ，聿要 用于悬架控制、牮引控制、先进发动机控制、a b s 等系统，以简化分布式控制和进 一步减少车身线隶。到霾 ；蓼为止，清楚c 类网簧浓的汽车技铡局域阚只有c a n 决 议。 而电子技术和大规模集成电路的迅速发展，网络控制j 海片性能逐步提高，体积 逐步减，l 、，跨耱滋一步洚羝，灸汽车筠域秘熬善及接广翎潦了莛努懿条终。在众多 的汽车岗域网协议中，c a n 以其良好的运行特性，极高的w 靠性和独特的设计，不 但特别遣合现代汽车各电子控制单元之间的互连通信，丽臆也越来越受到其它业界 酶欢迢，并被公试免最畜笈震前景静现场总线之。按汽率局域网发展趋势，猩不 久的将来以c a n 为代表的总线网络将逐步普及并占据主导地位。 1 3 c 扁n 总线在混合动力电动汽车上的运用 1 3 。1 混金动力电动汽车余绍 混台动力汽率是近年来汽车行业的热点。在电池技术没有完全解决的今天，混 台凌力汽车终为一秘较驽戆煞决方寨飘经残功熬实现了囊数 ：。往秀瓣混合动努汽 车结合了发动机和电 机的优点，成功的改 善7 汽车熬露气鬟 放，提高了燃油效率， 降低了澳耗。并熙不 需要充电站等纯亳动 车所需的配套设施。 这些饶患完全逶疲了 燃油紧张的今天，是 一种准绿色汽车。【3 l 。媚) 一 b 苇辘电缱堪ie 阿燃虢lr 燃瓣鞯l t g ：靛电机im ：电动机l p ：功率转换嚣i + t 聋述精td t ：积辅赣a 变速精一 = = ：橇槭麟 ：、= _ = ：；电境连接 一 p 加串联l b t 并鞲ic ：扼斡 蚕l 一2 漫合羲力毫动汽车獒罄澎式 3 武汉理工大学硕上学位论文 混合动力电动汽车是指由两种和两种以上的储能器，能源或转换器作驱动能源， 其中至少有一种能提供电能的车辆【3 】。其将电力驱动和辅助动力单元( a u x i l i a r y p o w e ru n i t ，简称a p u ) 合用到一辆车上，其中a p u 是燃烧某种燃料的原动机或由 原动机驱动的发电机组。h e v 所采用的原动机一般为内燃机。混合动力电动汽车根 据其结构的不同大体上可以分为串联式、并联式和混联式，如图1 2 所示：【3 j 由于电动部分的加入，如何更好的实时优化控制电动机和发动机就成了混合动 力汽车的关键。而混合动力汽车的结构复杂，有多种需相互作用却又相对独立的部 件。并且车载环境比较恶劣，有很强的干扰，用模拟量的可靠性不高。这些特点都决定 了采用基于c a n 总线网络的整车控制方案必要性。 1 3 2 基于c a n 总线的混合动力电动汽车 不管是哪种类型的混合动力汽车，其主要部件还是基本一致的。包括：发动机、 电机、电池、变速箱、整车控制器等等。相应的，整车网络节点可以由整车控制器 节点、发动机控制器节点、电机控制器节点、电池管理系统节点和变速箱节点等组 成。在混合动力汽车的网络研制阶段，主要是对这些部件进行设计。当然也可以将 整车其他电气节点纳入整车的c a n 网络中，例如a b s 、音响、电子车锁车窗等。 我们在这里主要着重于动力方面的电气节点，c a n 网络的设计也主要针对控制性 能和实时性优化。 通过c a n 总线网络，混合动力车辆各系统之间以节点信息的形式交流信息， 方便各部件的匹配工作，也有利于整车控制与调节。如表1 2 显示典型的混合动力 汽车各节点之间的发送和接收信息内容 4 【5 l ： 表1 2 混合动力汽车各节点之间的发送和接收信息 节点发送信息接收信息 电机转速、力矩、温度、控制器电机设定转速、设定力矩、正反 电机控制器的直流端电压、电流，错误代码转、启动、停止、复位命令等f 整 等车控制器1 变速器档位信号 启动停止命令等( 整车控制器) 发动机控制器 发动机转速、力矩、温度、发动发动机设定转速、设定力矩、启 机控制器状态、错误代码等 动停止命令等( 整车控制器) 4 武汉理工大学硕士学位论文 l 电池斡理系统 电恐电舔、电池温度、充放宅嘏 宿动停止命令等( 熬车控制器) 流、功率强度、报警信息等 迫鬟设定转速、设定力瘫、最爱来蠡电税整毒l 器、交速器、发凑 转；发动机设定转速、设定力矩； 机控制器、电池管理系统等的所 l整车控露4 器备部 牛的髓动停止禽令；司机选有信息 择戆工露模式释夔率运行竣撬 等 | 鼗器采集系统鑫壹拔态 接竣惑绞土瑟毒蕊信息 量。4 。嘏动汽车趟电撬介绍 1 4 。1 。电动汽章对电视骡劫的要求【6 】 电机及其驱渤系统是电动汽车的核心部件之，其性能要求可阱蛸纳茺： l 鹿具有宽广驰调速范围，包括恒转矩区朔恒功率区。在恒转矩区，要求低速 运孬对其寓大转瘫，域满是起动帮窿瑗瓣簧隶；在恒功率医，要求舔转短对 具有高的速度，以满足汽车在平坦的路榭能够高速行驶的要嫩。 l 崔整令潺遮范围内，驱动系统效率最栳让，殴降低椠镄系统攮勰，提怒续驶 霾程。 j 应能够在汽车减速时嬖现再生制动，将自凝回收并反馈回蓄电池，使得电动 汽车冥存凝佳缝量豹爨霆率，逡在鸯憋瓿汽车上愚不能实蕊鹣 应具有瞬时功率大，过载能力强，加速健能好，使埔寿命长的特点。单位功 率的系统设备造价低。 l 毫撬及蒸控翻系藐蘸褥牢霾、俸获枣、鬟壁轻，黉维护，撬震动 总体来说，电动汽车对电机驱动燃统的要求就是：调遄性能好、皴率高、可靠 蛙奁。 1 4 2 错种驱动电机性能比较 按邀撬静类鼹来瓣努，窀税驱魏系统可努为袁滚甄舔系统秘交漆驱动系统溅失 类，各燃要驱动电机及其驱动系统的性能在表中剐出： 1 6 1 5 武汉理工大学硕上学位论文 直流电机异步电机 永磁无刷电机开关磁阻电机 优点控制简单，技术结构简单，造价 体积小，重量轻，结构简单、效率 成熟。只用电压低廉，可高速运功率密度大，低高，起动转矩大， 控制，不需要检 行，调速范围大， 速输出转矩大，价格低，免维护。 测磁极位置。转动惯量小，维 效率高，维护简调速范围宽，允 护简单。单许较高温升。 缺点 有整流电刷，结控制复杂，容量高速运行较异步噪音大，输出 构复杂，不适合小时效率降低，电机复杂，需检转矩脉动大。非 高速、大转矩运造价高。测转子磁极位 线性特性，驱动 行，效率低，环 置，永磁体有退系统复杂。 境适应性差，维 磁问题，造价较 护难。高 表1 - 3 电机驱动系统比较【7 】 从各驱动电机性能特点看，直流电机驱动系统由于其控制简单，动态性能好， 7 0 年代就已经实用化。7 0 年代后期，随着电机矢量控制理论的完善，以及微处理器、 电力电子元件技术的发展和成本的降低，交流电机驱动系统开始实用化。由于采用 了新的控制理论和新型元器件，交流驱动系统能够达到直流驱动系统的控制性能， 同时克服了直流驱动系统的缺点，因此在各个领域都有取代直流驱动系统的趋势。 电动汽车在不同的历史时期采用了不同的电动机，最早基本是采用了控制性能 最好和成本较低的直流电动机。随着电机技术、机械制造技术、电力电子技术和自 动控制技术的不断发展，交流电动机、永磁无刷直流电动机和开关磁阻电动机显示 出比直流电动机更优越的性能，在电动汽车上，这些电动机逐步取代了直流电动机。 1 5 研究内容与意义 电机控制器作为混合动力电动汽车的一个很重要的节点，能在很大程度上决定 整车运行性能。如何达到电机运行状况与整车工作状态的匹配，在混合动力多能源 管理系统中如何正确的获得电机控制器信息和及时传送对其的控制信息，将依靠电 机控制器与整车网络之间的通讯情况。 在以往传统混合动力车中，电机控制器是通过各种实际的线束与整车控制器相 6 武汉理工大学硕士学位论文 连。随着需要获得信息和控制手段的增多，所需要的连线也越来越多，其在车内布 线很复杂。特别在车内强烈的干扰环境下，如何使得信息及时有效的传播将是一个 必须解决的问题。虽然基于c a n 总线的车载网络也逐渐使用在混合动力汽车上， 但一些电机控制器本身却不能提供相应的c a n 信号输出，这就将给电机控制器与 整车的选型造成麻烦。因此，对无c a n 信号输出的电机控制进行c a n 节点设计改 造，将有利与各种电机控制器在混合动力汽车上的使用，和c a n 总线网络在混合 动力汽车上的推广具有一定意义。 在本课题中，作者将对一部原来没有c a n 信号输出的电机控制器进行c a n 接 口节点的设计，使得其能与基于c a n 总线的混合动力电动汽车整车网络相连，达 到我们能用c a n 总线对整车进行通讯控制的功能需求。同时，为了在研究电机性 能及其它相关部件的试验中，能更方便有效的检测电机的状态和参数。将设计监控 系统对此电机控制器进行上位监控。所以本课题研究内容包括一下内容： c a n 节点的硬件设计。 包括主控制芯片的选择，根据所有电机控制器输入输出功能的决定相应硬件和 接口电路设计等。 c a n 节点的软件设计。 在硬件基础上，通过软件程序设计使得其内部功能达到所需要匹配的电机控制 器功能。参考整车c a n 总线网络的协议，设计电机控制器节点的协议信息。 上位监控系统的设计。 包括选择开发工具及对其的使用，使之能及时良好的与控制器之间通讯，相关 协议的制定等。 7 武汉理工火学硕士学位论文 第2 章系统硬件设计 2 1 交流电机变频调速系统 异步电机占交流电机的8 0 以上，因此异步电机变频调速系统应用最多，最广 泛。目前实用的异步电机变频调速系统，主要有四种控制类型，即【1 0 l 【1 l 】【1 4 l ： 恒压频比控制的调速系统； 转差频率控制的调速系统； 矢量控制的调速系统； 直接转矩控制的调速系统。 异步电机恒压频比调速系统以及控制转差频率的调速系统，由于它们的基本控 制关系及转矩控制原则是建立在异步电机静态数学模型的基础上，其被控制变量( 定 子电压有效值，定子电流有效值，定子供电频率，转差频率) 都是幅值意义上进行 的控制，而忽略幅角( 相位) 控制。虽然能够获得良好的静态特性指标，但是在动 态过程中不能获得良好的动态响应，从而对一些动态特性要求较高的需求时，这种 变压变频调速系统不能满足。 自2 0 世纪7 0 年代以来，矢量控制理论及应用技术经历了三十多年的发展和实 践，形成了当今普遍应用的高性能交流调速系统。其原理是使得交流电机模仿直流 电机转矩控制规律而加以控制。矢量变换控制成功解决了交流电机电磁转矩的有效 控制，像直流调速系统一样，实现了交流电机的磁通和转矩的分别独立控制，从而 使得交流变频调速系统具有直流调速系统的全部优点。 与著名的矢量控制方法不同，直接转矩控制不是通过控制电流，磁链等量来间 接控制转矩，而是把转矩直接作为被控量进行控制，强调的是转矩的直接控制效果。 其控制方式是，通过转矩两点式调节器把转矩检测值与转矩给定值作滞环比较，把 转矩波动限制在一定的容差范围内，容差的大小由频率调节器来控制。因此，它的 控制效果不取决与电机的数学模型是否能够简化，而是取决转矩的实际状况。它的 控制即直接又简单。直接转矩控制技术的诞生，就以新颖的控制思想，简洁明了的 系统结构，优良的静，动态特性能受到了普遍关注并得到迅速发展。 8 武汉理工人学硕上学位论文 2 2 电机控制器介绍 本系统设计是基于实验室现有的一部变频调速异步电机控制器所进行的开发。 其采用的带速度传感器的矢量控制调速系统。我们可以通过其3 5 芯的外接接口引出 各种控制导线，对其进行控制和数据采集。如2 - 1 图所示是其原来状态下的连线圈： 图2 1 电机控制器原输出引线图 我们可以看出其引线数量很多，如要引出其可提供的全部功能信号，则会更加 的复杂繁多，对与我们的试验和控制都很不方便。因此设计一个简单有效的控制平 台以实现对其的方便控制是十分必要的。【1 9 】 2 0 l z 1 9 通过内部配置，此控制器可向外提供各种数据信号，如电机线电压、线电流、 控制器温度、电机速度、力矩大小等。在原状态下，我们要检测这些数据，则必须 外接各种检测、显示设备。如要进行多点检测和采集，则更会导致仪器的复杂和不 便。因此也促使我们设计一个数据采集界面以方便进行监控。 而且这部电机控制器的通讯功能较弱，没有提供流行的c a n 信号接口，要想 对其装入混合动力电动汽车上进行整车匹配调试，则也只能通过繁多的引线进行操 作。因此对其通讯功能进行扩张开发对我们以后的工作也是很实用的。 基于上面考虑，作者对其进行了硬件设计。 9 武汉理工人学硕士学位论文 2 3 系统硬件设计总体框架 根据本系统所需要完成的功能和所用的的电机控制器，我们通过下面的硬件系 统框架来实现： 图2 - 2 系统硬件总体框架 i o 模块 本系统可通过数字量输出利实现控制电机的驱动、发电、方向、复位等功能。 a d 模块 该电机控制器可以提供电机转速、力矩、电池电压、定子电压和电流等模拟量 输出，本系统硬件通过a ，d 转换获得需要的数值。 | d a 模块 电机的转速和力矩大小可以通过本系统对电机控制器的模拟量输入来实现。 通讯模块 除了实现主要的c a n 通信模块以外，为了单独对电机控制器进行控制，我们 在做其它试验时可以方便的控制和查询电机状态，我们希望通过串行通信接口 ( s c i ) r s 一2 3 2 或c a n 接e 1 使它能和p c 机通讯，通过一个上位监控操作界面方便 我们工作。 1 0 武汉理t 大学硕士学位论文 2 3 1 节点硬件设计系统选择 在鼗实验台系统中，爨设计豹节点戆主要任务是实现c a n 通痿，完成把魄极 的采集信号和状态信号发送剿c a n 总线上，同时接收通过c a n 总线传送过来的控 制信号。在本系统中，节点硬件部分具有c a n 通讯、i o 输入、可扩展的a d 输入 与d a 输密等凌辘。 c a n 节点一般有两种实现方式： 擞控制器、c a n 控制器和c a n 收发器； l 集成c a n 控制嚣的徽控隶器窝c a n 收藏嚣。 c a n 总线得到了i n t e l 、m o t o r o l a 、p h i l i p s 、s i e m e n s 等众多大公司的支持，这 些公司提供了许多霹以实瑷c a n 总线携议的芯片。c a n 携浚是完全公开熬，只要 符合c a n 总线规范的单元都可以通过c a n 接口接入c a n 总线。c a n 控制器建节 点实现c a n 总线通信的关键器件。它具有完成商性能通信协议所要求的全部必要 簿萑，霹数完戒狻蘧屡器数撵链路瑟瓣掰毒硗麓。嚣裁c a n 控翻器蠢集成在微缝 理器内的，也有独立的。【2 3 1 根据节点功能要求及日后的扩展需要，我们有以下两种 方案进行选择： 方案一：攀片视逶行控制。用举片税控镧时，可采裙单片橇捆独立酶c a n 控制器方法或采用带有在片c a n 的单片机； | 方寨二：d s p 避行羧涮。采用謦独d s p 控割爨女g 独立豹c a n 控割器娥采 糟带有在片c a n 的d s p 控制器。 当c p u 集成了c a n 总线通信功能后，c a n 通信要占用c p u 的地址、寄存器、 内部存辕器察串鞭等资溪。掰疆方案懿蕈冀撬凌戆不太逶含本系统豹设计，考虑 到本实验室的硬件条件，同时考虑以麝的扩展功能，以及d s p 具有的些特点相对 适合本节点的设计，故我们选择了采耀方案二进行设计。 2 3 2 d s p 技术以及主芯片的选择 数字信号憝瀵( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ，淹髂d s p ) 怒- - f l 涉及诲多学辩掰又 广泛应用于许多领域的新兴学科。2 0 世纪6 0 年代以来，随着计算机和信息技术的 飞速发联，数字臻号处理技术应运藤生并褥到迅速豹发展。在过去的= 十多年对闻 里，数字信号处理已经在遥信等领域褥掰极为广泛的应餍。f 2 6 】 数字信号处理系统是以数字信号处理为基础，因此具有数字处理的全部优点： 接日方爱。d s p 系统与其它以瑷代数字援零麓基磊痿鳃系统或设冬都是耀趸 武汉理工大学硕十学位论文 兼容的，与这样的系统接口以实现某种功能要比模拟系统与这些系统接口要 容易得多： 编程方便。d s p 系统中的可编程d s p 芯片可使设计人员在开发过程中灵活 方便地对软件进行修改和升级； 稳定性好。d s p 系统以数字处理为基础，受环境温度以及噪声影响较小， 可靠性高； 精度高。1 6 位数字系统可以达到1 0 。的精度； 可重复性好。模拟系统的性能受元器件参数性能变化比较大，而数字系统基 本不受影响，因此数字系统便于测试、调试和大规模生产； 集成方便。d s p 系统中的数字部件有高度的规范性，便于大规模集成。 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 是1 r i 公司生产的一种定点d s p 芯片，它采用增强的c 2 x x 内 核结构，代码与2 4 x 系列的芯片兼容。采用高性能静态c m o s 技术，使供电电压降 为3 3 v ，减小了控制器的功耗；3 0 m i p s 的执行速度使得指令周期缩短到3 3 n s ( 3 0 m h z ) ，从而提高了控制器的实时控制能力；c p u 时钟频率可达4 0 m h z ；片上 带有3 2 k f l a s h , 5 4 4 字的d r a m 和2 k 的s a r a m ，并提供了与外部存储器接口 的信号，可分别寻址程序存储器、数据存储器以及i o 各6 4 k 空间；两个事件管理 模块e v a 和e v b ，各有两个1 6 位的通用定时器，8 个1 6 位的p w m 通道。三个捕 获单元可随时捕获引脚上出现的跳变；正交编码脉冲( q e p ) 电路可测量电机的转 速和方向；1 6 个模拟量输入通道的1 0 位模数转换器；高达4 0 个可单独编程或复用 的通用加引脚；1 0 位a d 转换器最小转换时间为5 0 0 n s ；片上的看门狗电路保证 了系统的可靠运行；有三种通信接口模块，即串行通信接口( s c l ) 、串行外设接口 ( s p i ) 和控制器局域网( c a n ) 模块，通信方式非常灵活p 】。为了开发调试方便， 它同时带了j t a g 接口，同时还可提供c 语言编译器，完全可以用c 语言编程。【2 7 经过考虑，本系统采用的就是t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 作为硬件核心处理芯片。 2 3 3 d s p 系统的设计过程 实时d s p 系统的设计包括硬件设计和软件设计两个方面。 硬件设计首先要根据系统运算量的大小、对运算精度的要求、系统成本限制以 及体积、功耗等要求选择合适的d s p 芯片。然后设计d s p 芯片的外围电路及其它 电路。软件设计和编程主要根据系统要求和所选的d s p 芯片编写相应的d s p 汇编 程序，若系统运算量不大且有高级语言编译器支持，也可用高级语言( 如c 语言) 编程。由于现有的高级语言编译器的效率还比不上手工编写汇编语言的效率，因此 1 2 武汉理下大学硕王：学位论文 在实际应用系统中常常采用高级语言和汇编语言的混合编程方法，即在算法运算量 大的地方，用手工编写的方法编写汇编语言，而运簿量不大的地方则采用高级语言。 采薅这秘方法，甄可缩短较黪开发数蹋颓，糖麓羧疼懿霹读性秘可移羧惶，叉戆灌 是系统寅对运算豹要求。 d s p 硬件和软件设计究成后，就 需要进行硬件和软件的调试。软件的 调试一般借助于d s p 开发工具，如软 俘模拟器、d s p 齐发系缀域仿囊器 等。调试潞薹算法靖一簸浆麓较实 时结粜与模拟结果的方法，如果实时 程序和模拟程序的输入相同，则两者 的输出成该一致。应用系统的旗它软 件可以撤援实际情况进彳亍潺试。硬件 溪试毅采溺爱 孛谤囊器遴行镶试， 如采没稳搬应的硬件仿真器，叠硬件 系统不怒十分复杂，也可以借助于一般 的工具谶行调试。【冽 系统的软件和硬件分别调试完成后， 系绫上遮缝。 2 ，4 硬件模块设计 2 4 1 d s p 外围模块设计 圈2 ，2d s p 系统的设计流程 就可以将软馋脱离开发系统藤袁接在应餍 一、 淮源模块 零磺传系统将和电税羟制器连成一体，为了减少输入电源数量，所以也采翔与 电机控制器相同的车载电压供电，同时也方便了惩统数字量控制信号的输出。采用 车载2 4 v 赢流供电，通过晦源模块，为d s p 板内资源提供3 3 v ，5 v ，1 0 v 和+ 一1 5 v 四种电源，分别驱动d s p 芯片、运算放大器芯片、d a 芯片和些数字芯片 等。如灏2 3 囊示： 武汉理工大学硕_ 上学位论文 + 1 5 v 豢萋审 3 3 v r _ 钯? 掣 fi |q y l 。，。 。裂 嘘# 1 0 5 v 枣喟哥一 图2 - 3 电源模块部分电路 3 3 v ：由于当前的微处理器芯片多数采用3 3 v 内核设计，本系统采用的 l f 2 4 0 7 也不例外。因此必须有3 3 v 的稳压源或者稳压模块来对其进行供 电。不仅如此，d s p 的正常稳定运行就决定了对该稳压模块必须有比较高 的要求 5 w 1 0 v ：当对电机的转速或力矩进行控制时，可通过对电机控制器参数的 调整，使之能接收5 v 或i o v 的输入信号进行控制。在这里，相应的也准备 了两种电压输出以备变动之需。而且选用5 v 电压在选择某些数字芯片，继 电器等外设时会比较方便，这将是d a 模块的参考电压。 + - - 1 5 v ：外接a d 芯片模块、d a 模块和运算放大器都要求提供+ - - 1 5 v 模拟电源。 本系统采用两块d c d c 模块，把2 4 v 电源转换成5 v 和正负1 5 v ，分别为5 v 外设和d a 模块光偶等提供电压。为了避免外界干扰，在电源地的两端并联了一个 大的电容，防止电源间断毛刺干扰。 为了给d a 模块提供5 v 或1 0 v 的参考电压，采用一个2 5 v 精确连续电压参 考芯片m c l 4 0 3 ，通过和一个运放电路和跳线口，组成可选的电压输出模块。 本系统采用a l p h a 公司的a s l l l 7 提供3 3 v 电源，该芯片可提供8 0 0 m a 电 1 4 武汉理工大学硕十学位论文 流，足够给一块所有模块都运行的l f 2 4 0 7 供电。如果选用了t i 公司的芯片 t p s 7 3 3 3 q ，该芯片也是3 3 v 稳压输出，虽然体积小，但也可以输出6 0 0 m a 的电 流。该芯片还带有输出电压监控引脚，一旦电压高于或者低于3 3 v 时，芯片的复 位引脚就输出一个低电平，接至d s p 的复位芯片，使系统复位。 二、 复位模块 l f 2 4 0 7 d s p 器件有两个复位源：外部复位引脚和看门狗定时器溢出。 复位引脚为一个i o 引脚。如果内部复位时间( 看门狗定时器) 发生，则该引 脚被设置为输入方式，并且被拉为低电平，向外部电路表明l f 2 4 0 7 正在自己复位。 看门狗定时器复位：如果看门狗定时器上溢，或有一个不正确的值写入看 门狗密钥寄存器或写入看门狗控制寄存器，就会产生一个看门狗定时器复 位。 复位引脚复位：为了在r s 引脚上产生一个外部复位脉冲，通常需要一个宽 度为几个纳秒的有效低电平脉冲。但是，需要一个宽度为s y s c l k 时钟周 期的脉冲，以保证器件识别复位信号。 电源刚加上时，l f 2 4 0 7 处于复位状态，r s 为低电平使芯片复位。为使芯片初始 化正确，一般应保证r s 为低电平至少持续3 个c l k o u t 周期，即当时钟为4 0 m h z 时的7 5 n s 。但是，在上电后，系统的晶体振荡器往往需要几百毫秒的稳定期，一般 为1 0 0 m s 2 0 0 m s 。本系统采用的是4 端口手动复位芯片i m p 8 1 1 1 s ，其提供1 4 0 m s 5 6 0 m s 的有效低电平脉冲，保证d s p 能够识别。 对于实际的d s p 应用系统，特别是产品化的d s p 系统，可靠性是一个不容忽 视的问题。实际上由于d s p 系统的时钟频率较高，在运行时极有可能发生干扰和被 干扰的现象，严重时系统可能会出现死机现象，为了克服这种情况，除了在软件上 做一些保护措施外，硬件上也必须做相应的处理。硬件上最有效的保护措施就是采 用具有监控电源的自动复位电路。 三、 时钟模块 给d s p 芯片提供时钟一般有两种方法。一种是利用d s p 芯片内部提供的晶振 电路，在d s p 芯片的x 1 和x 2 c l k i n 之间连接一晶体可启动内部振荡器，晶体应 为基本模式，且为并联谐振。 另一种方法是将外部时钟源直接输入x 2 c l k i n 引脚，x l 悬空。本系统采用封 装好的晶体振荡器，频率为1 5 m ，只要在4 脚加上3 3 v 电压，2 脚和1 脚接地，就 可在3 脚得到所需的时钟。 武汉理工大学硕士学位论文 c p u 复位 存储器 仿真模块 通用阵列逻辑g 址器件 1 上一面日出3 3 v 图2 4 复位，仿真，g a l 及存储器部分电路 四、仿真接口模块 j t a g 目标器件通过专用的仿真端口支持仿真。此端口由仿真器直接访问并提 供仿真功能。为了与仿真器通信，用户目标必须具有1 4 引脚的管座f 两排，每排七 个引脚) 。在仿真器和j t a g 目标系统之间提供高质量的信号是极为重要的。用户必 须提供正确的信号缓冲，测试时钟输入以及多处理器的内部连接，以确保仿真器和 目标系统良好地进行工作。 当仿真管脚和j t a g 之间的距离大于6 英寸时，那么仿真信号必须经过缓冲。 当仿真管脚和j t a g 之间的距离小于6 英寸时，那么仿真信号就不必经过缓冲。 本系统采用标准的j t a g 仿真接口，用来调试d s p 硬件和软件。 五、外部r a m 接口设计 d s p 与外部r a m 接e l 主要考虑到数据位数的问题，访问速度的问题，时序的 问题以及电压匹配的问题和地址分配的问题。 l f 2 4 0 7 的数据和地址总线都是1 6 位的，因此这里为了设计简单方便，应该选 1 6 武汉理工人学硕士学位论文 用数据和地址总线都是1 6 位的r a m 存储器。 然后是访问速度的问题，由于l f 2 4 0 7 对外部设备访问的指令周期为3 3 n s ，所以 我们最好选用存取时间在3 3 n s 以内的r a m ，这样在时序和速度方面就无需考虑别 的因素。但是如果r a m 的存取速度在3 3 n s 以外，我们也可以用插入等待状态的方 法来解决速度匹配的问题。 插入等待状态的方法分为硬件和软件两种。 基于硬件的方法，我们利用g a l ，需要插入等待状态的那一段地址给出一个与 之相关的低电平接至d s p 的r e a d y 信号，使d s p 在访问这一段地址是自动插入 等待状态，解决速度匹配问题。基于软件的方法，是直接使用l f 2 4 0 7 的等待状态 寄存器。需要插入几个等待状态，直接设置这个寄存器就行了。 考虑本系统并不需要太大的存储空间，所以外部存储器选用的是c y 7 4 1 0 2 1 ， 该芯片是6 4 k 字1 6 位宽的存储器，其存储时间为1 2 n s 。 2 4 2 a d ，d a ，i 他模块设计 一、d a 模块 d s p 里面没有d a 模块，本系统使用一片d a c 7 7 2 4 ，该芯片为4 通道1 2 位的 d a c 芯片。该芯片可以用单独1 5 v 供电或使用正负1 5 伏双电压供电，其最低功率 仅为2 5 0 r o w 。 为了转换电平，我们加了两个8 位转换器7 4 h c 2 4 5 ，在d a c 芯片输出引脚后 面加了跟随电路用以和外部接口连接。 外部存储器的接口译码和d a c 模块的选通是由一片g a l l 6 v 8 来实现的。 疳一翡罪 鞫e 趟蚺“ 剖卜 。 ”哗嗨雄 图2 - 4d a 模块部分电路 武汉理工人学硕上学位论文 g a l l 6 v 8 是一个通用阵列逻辑器件，采用e e c o m o s 工艺使得该器件的编程 非常方便。g a l l 6 v