（电机与电器专业论文）电动汽车用dcdc变换器控制系统的研究.pdf

同济大学硕士论文电动汽丰用d c d c 变换器控制系统的研究 t h er e s e a r c ho fc o n t r o ls y s t e mi nd c d cc o n v e r t e r u s e di ne l e c t r i cv e h i c l e m a s t e rd e p a r t m e n t ：s o n gp e n g d i r e c t e db y ：z h a n gy i c h e n g a b s t r a c t t h i sd i s s e r t a t i o np r o v i d e st h ea n a l y s i so ft h ea v e r a g ec u r r e n tc o n t r o lm e t h o d b a s e do nt h es p e c i a lr e q u i r e m e n t so ft h ef u e lc e l le l e c t r i cv e h i c l e t h ed i s s e r t a t i o n p r e s e n t st h em e t h o dt od e t e r m i n et h ep a r a m e t e r so ft h ec u r r e n tl o o p i nt h ec o n t r o l s y s t e mo ft h ed c d cc o n v e n er t h r o u g ht h es i m u l a t i o no ft h et o t a ls y s t e m ，i ts h o w s t h a tt h ea v e r a g ec u r r e n tc o n t r o lm e t h o dh a sg d o dd y n a m i c sa n ds t a b i l i t y af u l l s c a l e t e s tp r o v e st h ev a l i d i t yo ft h es i m u l a t i o nr e s u l t d s pi sak i n do fh i g hs p e e dc o n t r o lc h i p a p p l y i n gad s pi nt h ec o n t r o lo f d c d cc o n v e r t e rc a nm e e tt h er e q u i r e m e n t so fv e l o c i t ya n dp r e c i s i o n t h i s d i s s e r t a t i o nu s e st i sl f 2 4 0 7d s pa st h em a i nc o n t r o lc h i p t h ec o n t r o la r e an e t w o r k ( c a n ) i so n ek i n do fs e r i a lc o m m u n i c a t i o nb u sd e f i n e d b y1 s o i ti sf i r s tu s e db yb o s c hc o m p a n yi nm o d e ma u t o m o b i l et e c h n o l o g y - i th a s h i g hb a u dr a t ea n ds t r o n gi m m u n i t yt oe m i ，s oi ti su s e di nm a n yf i e l d s t h i s d i s s e r t a t i o nd e s c r i b e sh o wt oa p p l yi ti nt h ep r o v i s i o no ft h er e f e r e n c ep a r a m e t e ra n d t h eu p l o a do fs y s t e md i a g n o s t i cc o d e s a tt h ee n do ft h i sd i s s e n a t i o n ，m e a s u r e so fp r o t e c t i o na n di m p r o v i n gt h e i m m u n i t yt oe m ia r eg i v e no u tt oe n s u r et h et o t a ls y s t e mc a nw o r ks t a b l ye v e nu n d e r s e r i o u se l e c t r o m a g n e t i cs i t u a t i o n k e yw o r d s ：d c d cc o n v e r t e la v e r a g ec u r r e n tc o n t r o lm e t h o d ，c a n b u s i i 声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取 得的成果，撰写成博士顾士学位论文! 电动遗奎用殳q 墅变逸鲞撞 剑丕统的班窥：。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做 出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不 包含仟何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表或未公开发 表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名： 2 t a - os 年| 其 磐聍 ，小” 同济大学硕士论文电动汽车用d c d c 变换嚣控制系统的研究 1 绪论 1 1 电动汽车发展概述 电动汽车起源于十九世纪中后期的欧洲，从1 8 7 3 年英国人首次在马车基础 上制造出世界上第一辆电动三轮车开始n - - 十世纪初，电动汽车经历了一个较为 快速的发展历程。 进入二十世纪。由于油田的大量发现，石油歼采提炼和内燃机技术的迅速进 步，而电动汽车则由于电池技术进步缓慢，在性能、价格等方面都难以与燃油汽 车竞争，因而逐步被燃油汽车所取代。 二十世纪中后期，由于汽车尾气对大气的污染和对人体健康的危害，同时由 于石油储量有限，电动汽车的发展重新受到人们的重视。 上个世纪九十年代，随着燃料电池技术的发展，电动汽车迎来了一个新的发 展阶段。燃料电池将化学能直接转化为电能作为汽车动力，摊放的是水( 并把氢 气和氧气转化为水) ，其效率为热机效率的2 3 倍。随着燃料电池关键技术的突 破，从性能、效率、重量、成本等多方面都趋于满足车载能源的要求，使得燃料 电池汽车成为电动汽车发展的“热点”【1 m 2 i 。 我国是发展中国家。人1 3 众多，劳动力成本较工业发达国家低许多，发展汽 车工业有广阔的国内市场和极大的国际市场竞争力，是符合我国国情的。根据我 囤人口多、能源储备少的国情，汽车行业把目光投向电动汽车业。考虑到我国的 电动汽车技术，特别是燃料电池电动汽车技术起步相对不晚，所以在我国发展电 动汽车技术，可以更好的抢占汽车工业的市场份额，促进国民经济的进一步发展。 同济走学硕士论文电动汽车用d c d c 变换嚣控制系统的研究 1 2 燃料电池特性介绍 燃料电池是将化学反应的化学能直接转化为电能的装置。单个燃料电池由阳 极、阴极和电解质构成，然后通过若干个单个燃料电池串、并联构成燃料电池组 输出相应电流、电压和功率。燃料电池中，在阳极上连续吹充氢气燃料，而阴极 上则连续吹充氧气就可以在电极上连续发生电化学反应，并产生电流。因而燃 料电池是电化学能量发生器，是以化学发电，从理论来讲，只要向其不断供给燃 料及氧化剂就可以连续不断的发电【3 l 。 燃料电池不存在能量限制和自放电等问题，且燃料电池操作温度低，启动时 削短，以及高效的转换效率和很好的可靠性，因此燃料电池电动汽车优越于其它 汽车。因而作为电动汽车的车载能源，具有不可比拟的优点和发展前景。 然而燃料电池作为车载能源具有一个缺点，即输出电压电流特性偏软。这是 因为一旦输出电流突变，电极上的电荷会产生相应突变。另外，产生电能的化学 反应还和压力、温度、反应气体组成及利用率、杂质等外界因素有较大关系。因 此其输出特性较软，且在干扰下不稳定。 1 3d c d c 控制系统描述 在以燃料电池为电力来源的电动汽车中，由于燃料电池的输出特性偏软，输 出电压随负载变化波动较大，需要在燃料电池与电机驱动器之间增加一个 d c d c 变换器。通过d c d c 变换器的电压转换和稳压作用，使燃料电池能够与 电机驱动器配合工作。p w m 控制的d c d c 变换器是由主电路和控制电路组成 的闭环系统。电路拓扑和所采用的控制系统决定了整个系统的性能。在主电路 拓扑已确定的情况下，控制系统对系统性能的影响将是十分重要的。 同济大学硕士论文 电动汽车用d c t d c 变换器控制系统的研究 目前传统的p 1 d 控制方法己能基本满足当前电动汽车对d c d c 的控制要 求，但随着更多新技术的应用，更优良的控制系统硬件设计和控制方法的研究仍 是十分重要的。 1 4 本章参考文献 【1 】 廖抒华汽车技术开发与环境保护汽车研究与开发1 9 9 9 2 ( 4 ) 【2 】陈清泉2 1 世纪的绿色交通工具- 电动车清华大学出版社，2 0 0 0 3 】阿布里提阿布都拉燃料电池汽车的现状及开发动向电工电能新技术，2 0 0 1 3 同济大学硕士论文电动汽车用d c d c 变换器控制系统的研究 2d c d c 变换器概述 2 1 燃料电池电动汽车对d c d c 变换器的要求 在以燃料电池为电力来源的电动汽车中，由于燃料电池的输出特性偏软，输 出电压不稳，需要在燃料电池与逆变器之间增加一个d c _ f d c 变换器。d c d c 变 换器在燃料电池电动汽车中起到如下作用p l ： ( 1 )电压变换，通过d c d c 变换器对燃料电池的输出电压进行变换后再 提供给电机驱动器。 ( 2 ) 稳压作用，燃料电池的输出电压不稳，通过d c d c 变换器闭环控制 系统对其进行稳压。 ( 3 ) 根据d c d c 变换器在燃料电池电动汽车中的作用以及运行的特殊要 求，d c d c 变换器必须满足以下要求： ( 4 ) 变换器是能量传递部件，因此需要满足转换效率高的要求，以便提高 能源的利用率。 ( 5 ) 因为本文所采用的燃料电池的输出电压比电机驱动器所要求的电压 高，所以变换器应该设计为降压交换器。 ( 6 )由于燃料电池输出响应较慢，故需要变换器具有良好的动态调节能 力。 ( 7 ) 为了提高汽车功率密度比，需要汽车各部件体积小，重量轻，以提高 燃料电池电动汽车的运输能力，使其更有实用价值。因而d c d c 变换器要满足 体积小，重最轻的要求。 4 同济大学硕士论文电动汽车用d c d c 变换器控制系统的研究 d c d c 变换器的主电路一般分为隔离式与非隔离式两种。隔离式d c ，d c 变 换器包括f 激、反激、全桥和半桥等几种类型。非隔离式d c d c 变换器包括降 压、降压、升降压等几种类型。本文以体积、效率等各方面综合指标比较合理的 非隔离式b u c k 降压d c d c 变换器的主电路为例进行研究。 2 2b u c k 降压变换器 2 2 1 线路组成 b u c kd c d c 变换器的主电路如图2 - 1 所示。主电路由功率开关器件t 、电 感l 、滤波电容c 和二极管d 1 组成。完成把输入电压v j 。降压到输出电压v 0 的 功能【“。 2 2 2 工作原理 图2 - 1b u c kd c d c 变换器主电路 工作过程：当功率器件导通时，如图2 - 2 所示。电流流过电感线圈l ，向 电容c 充电，电阻r 上流过的电流为i o ，r 两端为输出电压v o ，极性上正下负m 。 同济大学硕士论文电动汽车用d c d c 变换嚣控制系统的研究 图2 - 2 功率开关器件导通时b u c k 主电路拓扑 功率器件断开时，如图2 3 所示，由于电感线圈l 中的磁场将改变电感l 两端的电压极性，以保持i l 不变。在i l 小于i 。时，电容c 两端电压将向负载r 供电。 卜 兰 ；c 1 r 1 图2 - 3 功率开关器件关断时b u c k 主电路拓扑 由于有输出滤波电容c 的存在，使得负载r 上有稳定、连续的电压输出。 2 2 3 电路各点的波形 在电流连续工作模式下，波形如图2 _ 4 ( a ) 所示。在i i 开关周期t s 最后时 刻的电流i 。值，就是下一个t s 周期中电流i l 的开始值。但是，如果电感量过小， 电流线性下降快，即在电感中能量释放完时，尚来达到功率器件重新导通的时刻， 6 同济大学硕士论文电动汽车用d c d c 变换嚣控制系统的研究 而能最得不到及时的补充，这样就会出现电流不连续的工作状态，如图2 - 4 ( b ) v l v 一v o l r _ 。 每一t 叫 l ii ：琳j ： ii 。i i i 2 2 4 主要参数 v - 。 奈- 。- - 。i ， ，。 ( a ) ( b ) 图2 4 ( a ) ( b ) 变换器主电路工作波形图 ( 1 ) 电压增益【4 1 如图2 - 4 ( a ) 与( b ) 所示，开关周期为t s ，闭合时f n j y gt l = d 1 t s ，断开时间为 t 2 t 1 = d 2 t 。d 1 为接通时间占空比，d 2 为断开时间占空比，电流连续模式下d l + d 2 5 l 。 在输入输出电压不变的前提下，当功率器件开通时，i - 线性上升，其电感电 流增量为： ，l - v sl - v o d l 瓦( 公式2 - 1 ) k v j 同济走学硕士论文电动汽车用d c 变换器控制系统的研究 功率器件关断时，i i 线性下降，其增量为： ：；一孥d ：瓦 l 由于稳态时这两个电流变化量绝对值相等i l l = 卜- ，。：i ，所以 坠二坠! 里垦。燮 ll 由此式可以推出，电压增益： 吖。鱼。d ， 1 ( 公式2 - 2 ) ( 公式2 - 3 ) ( 公式2 - 4 ) 当电感较小、或负载电阻较大、或t s 较大时。降压变换器工作波形如图2 - 4 ( b ) 所示。称为电感电流断续工作模式。此时，当功率器件导通时电感电流的 增量为： 量为 k - 半婀 ( 公式2 - 5 ) 功率丌关器件在关断时，在d ：正期间，电流线性下降到零，其电感电流增 铲专嘲 ( 公式2 6 ) 功率器件在关断中的剩余时间瓦一( d 。+ d ：f 。时间内，电流为0 。 最后可导出 8 同济大学硕士论文电动汽车用d c d c 变换器控制系统的研究 m ；监； k 2 ( 2 ) 电沉惩绥与小运绥工作糗式明临界祭仟 b u c k 变换器工作在电流连续与不连续状态之间有个临界状态，与电感的平 均电流，。的关系为： ；。t ，o 时为电流连续模式 = _ 1 。，l 时为临界状态 = 1 叫。，l时为电流不连续模式 根掘。：；一v l od ：瓦( 公式2 - 2 ) ，整理得： 堡l 。生 2 。r ( 公式2 7 ) 卜式即为电流连续的临界条件，该时l 即为临界电感，可表为l c 。 2 3 本章小结 本章主要介绍了电动汽车用d c d c 变换器控制系统的控制对象燃料电 池电动汽车用d c d c 变换器。首先简要介绍了燃料电池电动汽车对d c d c 变换 器的主要性能要求，出此选择b u c k 降压变换器作为主电路和拓扑结构。针对b u c k 降压变换器，本章简要介绍了其线路组成、工作原理、电路中各点的波形及主要 参数选择。 同济大学硕士论文电动汽车用i ) c d c 变换器控制系统的研究 2 4 本章参考文献 【4 张占松，蔡宣三开关电源的原理与设计电子工业出版社，1 9 9 8 7 5 1 肖明，张选成等燃料电池汽车用d c 母c 变换器及其控制策略研究低压电器，2 0 0 2 6 6 1 阮新波，严仰光编著直流开关电源的软开关技术科学出版社，2 0 0 0 1 【7 】 林辉，王辉电力电子技术武汉理工大学出版社，2 0 0 2 1 l o 同济走学硕士论文电动汽车用d c d c 变换器控制系统的研究 3 控制系统硬件设计 3 1 硬件总体设计 d c d c 变换器由主电路和控制电路组成，主电路采用b u c k 电路；控制电路 是本系统的关键，为了使d c d c 变换器具有较好的稳态和动态特性，具有强抗 干扰性，对控制电路中微处理器的速度和功能都有相当高的要求，美国i n t e l 公 司推出的1 6 位微处理机8 0 c 1 9 6 k c ，具有相当快的数字运算能力和较为丰富的 输入输出设备和接口电路，但对本课题的要求还不能完全满足，如通讯能力等。 为此，我们选用速度更快功能更强的d s p 芯片作为本系统控制回路的核心控制 器件。由美国t i 公司最近推出的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 芯片是用于控制系统的专用芯 片，其运算速度快，片内功能更丰富，控制能力强，因此，我们选用它作为本控 制系统的微处理器芯片。 整个系统的结构框图如图3 - 1 所示： 醚w 童电鼯 t n s 3 2 0 t f 2 | i o ? 日 图3 1d c d c 系统总体结构框图 同济大学项士论文电动汽车用d c d c 变换嚣控制系统的研究 3 2t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 简介 自从德州仪器1 9 8 2 年推出通用可编程d s p 芯片以来，d s p 技术带来了决定 数字技术未来的突破性应用。最初d s p 只是一种专门为实时处理大量数据而设 计的微处理器，但目前已经在多种不同的领域取得了许多新进展。本文主要介绍 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ，这是一种主要被用来进行工业控制的定点d s p 芯片。 3 2 1t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 d s p 的性能特点和资源州； 采用高性能静念c m o s 技术，使得供电电压降为3 3 v ，减少了控制器的功 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 ( 在3 0 m h z 的频率下) ，从而 提高了控制器实时控制能力。 ( 1 ) 片内有高达3 2 k 字的f l a s h 程序存储器，高达1 5 k 字的数据程序 r a m ，5 4 4 字的双口r a m ( d a r a m ) 和2 k 字的单口r a m ( s a r a m ) 。 ( 2 ) 两个事件管理器模块e v a 和e v b ，每个包括：两个1 6 位通用定时 器；8 个1 6 位脉宽调制( p w m ) 通道。可实现三相反相器控制：p w m 的对称 和非对称波形；当外部引脚p d p i n t x 引脚出现低电平时可快速关闭p w m 通道； j 实现可编程的p w m 死区控制，以防止上下桥臂同时输出触发脉冲：3 个捕获 单元；1 6 通道具有1 0 位有效位数的a d 模数转换器；片内光电编码器接口电路。 事件管理器模块适用于控制交流感应电机、无刷直流电机、步进电机、逆变器及 d c d c 变换器。 ( 3 ) 可扩展的外部存储器总共1 9 2 k 字空间：6 4 k 字程序存储器空间：6 4 k 字的数据存储器空问：6 4 k 字的i o 寻址空间。 ( 4 ) 看门狗定时器模块( w d t ) 。使得在实际使用时不用再外加看门狗电 路。这样控制电路的硬件结构更加简单。 同济大学硕士论文电动汽车用d c d c 变换器控制系统的研究 ( 5 ) 1 0 位a d 转换器最小转换时间为5 0 0 n s 。可选择由两个事件管理器来 触发两个8 通道输入a d 转换器或一个1 6 通道输入的a d 转换器。 ( 6 ) 控制器局域网络( c a n ) 2 0 b 模块。 ( 7 ) 串行通信接口( s c i ) 模块。 ( 8 ) 基于锁相环的时钟发生器。 ( 9 ) 高达4 0 个可单独编程或者复用特殊功能的输入输出引脚( g p i o ) 。 ( 1 0 ) 这些特点使得t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 d s p 芯片具有以下优点： 灵活的指令集 内部操作具有灵活性 高速的运算能力 改进的并行结构 有效的成本 因而t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 d s p 芯片在工业控制领域得到广泛的应用。本文中的基 于c a n 总线的对d c d c 变换器的控制与保护就是以t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 d s p 芯片 为核心来实现的。 3 2 2 基于控制领域的应用 l f 2 4 0 xd s p 是为了满足控制应用而设计的。通过把一个高性能的d s p 内核 和微处理器的片内外设集成为一个芯片的方案，l f 2 4 0 xd s p 成为传统的微控制 单7 i ( m c u ) 和昂贵的多片设计的廉价的替代产品。每秒3 0 0 0 万条指令( 3 0 m i p s ) 的处理速度，使l f 2 0 4 xd s p 控制器可以提供远远超过传统的1 6 位微处理器的 性能。 l f 2 4 0 xd s p 的1 6 位定点d s p 内核为模拟系统的设计者提供了一个不牺牲 系统精度和性能的数字解决方案。实际上，对那些诸如自适应控制、卡尔曼滤波 和状念控制等技术，通过使用先进的控制算法，系统的性能会得到提高。l f 2 4 0 x 同济大学硕士论文电动汽车用d c d c 变换器控制乐统的研究 d s p 提供了高可靠性和高可编程性。而模拟控制系统的硬连线方案，会因老化、 器件失效和漂移等因素降低系统的性能。 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 d s p 芯片除了具有f l a s hm e m o r y 、r a m 及4 0 个通用 复用i o 口外，还具有锁相环、a d 模数转换、w a t c h d o g 定时器、s c i 、s p i 通 信、c a n 通信模块及事件管理模块等几个重要的功能模块。在工业控制领域中， 这些功能模块都具有及其广泛的应用。 3 3 控制电路设计 在本系统中，我们通过电流传感器对d c d c 输入、输出电流进行采样，通 过电压传感器对d c d c 的输入、输出电压进行采样，采样的电流值和电压值经 过信号调理后进入t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 内的a d 转换，通过计算后用以保护和控制。 同时，通过温度传感器对d c d c 内腔体温度进行采样，经t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 计算 后，对d c d c 进行检测，提供保护。d c d c 控制器通过c a n 通讯与上位机( v m s ) 交换数据，一方面接受v m s 的指令，包括启动、停止、使能和电流给定等，另 一方面向v m s 传送数据，包括d c ，d c 的各种运行数据。如输入电流、输出电 流、输入电压、输出电压、温度等；以及d c d c 的运行状态，如正常、过流、 过热等。 根据这些要求，设计控制电路，其方框图如图3 2 所示： 1 4 同济戈学硕士论文电动汽车用d c d c 变换器控制系统的研究 图3 2 控制电路方框图 3 3 1t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 最小系统 t m s 3 2 0 u 屯4 0 7 内部的随机存储器很少，需要外部扩展r a m 。外接晶振后 即可构成晟小系统进行正常工作。由于t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 内部有3 2 k 字的f l a s h r o m ，所以对于存储器扩展，只外接了i 乙a m 。由于t m s 3 2 0 u 屯4 0 7 的快速性， 程序、数据存储器我们都选用了快速的s r a m ，否则，当d s p 与外部存储器通 信时，必须设置等待时问，这可以由t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 的等待状态机来完成【1 1 1 。 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 内部有一个锁相环时钟模块，它与外部设备总线相连，提 供整个器件所需的全部时钟。t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 共有各自不同的频率的三组频率： c p u c l k 用于c p u ，所有存储器及直接与c p u 相连的外围设备。所有 其它时钟都是由这个时钟分频而得到的； s y s c i k 该时钟的频率是c p u c l k 的一半或四分之一，它向外围设备总 线上所有没备提供时钟； w d c i k 这是低电压时钟，用予看门狗定时器实时时钟中断模块。 同济大学硕士论文电动汽车用d c d c 变抉器控制系统的研究 为了与硬件仿真系统相连，最小系统中还设计了j 1 1 a g 仿真接口、电源接口。 t m s 3 2 0 u 吧4 0 7 的j t a g 逻辑扫描电路与i e e e 标准1 1 4 9 1 兼容，关于j t a g 口 的具体定义请查参考文献【9 】。 3 3 2 电压电流和温度检测 分别利用电压传感器、电流传感器、温度传感器将d c c 变换器的输入输 出电压、电流和内腔体温度进行采样。通过精密电阻将传感器如来的信号转换为 电压信号，适当选择电阻值，将电压值限定在( o r 一+ 3 3 v ) 之间。由精密电阻出来 的电压信号经过a d 转换才能供t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 计算使用。本系统中的a d 转 换模块是t m s 3 2 0 u 吧4 0 7 内部自带的1 0 位a d 转换器。 t m s 3 2 0 u 毪4 0 7 的片内a d c 是一个带有内部采样保持电路的1 0 位a d 变 换器。a d c 模块包括两个带有内置采样保持电路的1 0 位a d c 。t m s 3 2 0 l i 您4 0 7 总共有1 6 个模拟输入通道。每8 个通过一个八选一的模拟多路转换器提供一个 给a d c 。每个a d c 单元的最大转换时问为6 6 u s 。 需注意的是，单个a d c 模块在一个a d c 时钟预定标时钟周期内完成输入 的采样。在5 个a d c 预定标时钟周期内完成转换，所以一个采样转换需要6 个 a d c 时钟周期，为了保证转换的正确，预定标值必须满足【l o l ： s y s c l k 时钟周期预定标值6 t 6 u s 从上述可以看出，t m s 3 2 0 u 屹4 0 7 的片内a d c 模块不但速度快，而且功能 强，这非常有利于缩短d c d c 的控制周期。 3 ，4p w m 脉冲信号的发送 在本系统中，p w m 脉冲信号由t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 产生并借助其数字i o 口发 送。主电路丌关元件选用i g b t ，以便提高p w m 波开关频率，改善输出波形。 对于1 g b t 驱动电路设计，有多种驱动模块可供选择。如同本三菱公司集成驱动 1 6 同济大学硕士论文电动汽车用d c d c 变换器控制系统的研究 模块m 5 7 9 6 2 ，同本富士公司的集成驱动模块e x 8 4 1 及c o n c e p t 公司的集成驱 动模块2 s d 3 5 1 a 等。本文以三菱公司集成驱动模块m 5 7 9 6 2 ( 采用双电源，负 电源采用1 0 v 供电，以提高抗干扰能力) 为例，作为i g b t 的驱动模块来进行 简要介绍。 3 5c a n 通讯 前文己提及，本系统中的给定信号是通过上位微机给定。t m s 3 2 0 u 鬯4 0 7 与 上位微机的通讯是通过c a n 通讯来实现的。 3 5 1c a n 通信在电动汽车用d c d c 变换器控制系统中的作用 c a n ( c o n t r o l l e r a r e an e t w o r k ) 总线又称控制器局域网，由于其卓越的性能、 极高的可靠性、独特灵活的设计和低廉的价格，现已广泛应用于工业现场控制、 智能大厦、小区安防、交通工具、医疗仪器、环境监控等众多领域。c a n 己被 公认为几种最有前途的现场总线之一。c a n 总线规范己被i s o 国际标准组织制 订为国际标准。c a n 协议也是建立在国际标准组织的- 丌放系统互连参考模型基 础上的，主要工作在数据链路层和物理层，用户可在其基础上开发适合系统实际 需要的应用层通信协议。由于c a n 总线极高的可靠性从而使应用层通信协议 得以大大简化。 d c d c 变换器作为电动汽车的一个零部件，要实时受汽车主控器v m s ( v e h i c l em a n a g e m e n ts y s t e m ) 的监视与控制。要求d c d c 变换器能够接收并 执行来自v m s 的命令，而且能够将自己的运行状态及时反馈给v m s ，v m s 再 根据d c d c 变换器的运行状态进行控制。这里信息的交流与通信就经由c a n 总线来完成。因而c a n 总线作为电动汽车的控制系统中的脉络起着无可替代的 重要作用，对c a n 总线的软、硬件的性能提出了较高要求。 同济大学硕士论文电动汽车用d a d c 变换器控制系统的研究 3 5 2c a n 串行通信总线概述 控制器局域网是由i s o 定义的串行通信总线，它最初出现在8 0 年代末汽车 工业罩，是b o s c h 公司在现代汽车技术中率先推出的一种多主机局域网。它的 基本设计规范要求有高的波特率，高抗电磁干扰性，而且能够检测出产生的任何 错误。 c a n 通信协议描述了在设备之间信息如何传递。它对层的定义与开放系统 互连模型( o s i ) 一致。每一层与另个c a n 节点上相同层进行通信。各节点 通过物理层的物理连接相连。c a n 的结构定义了模型的最下面两层：物理层和 数据链路层。其中数据链路层包括逻辑链路控制子层( l l c ) 和媒体访问控制予 层( m a c ) 。应用层通过不同的新兴协议和用户自己的要求来定义【1 2 】。 ( 1 ) 逻辑链路控制予层( u ) 的作用如下： 为远程数据请求以及数据传输提供服务； 确定实际要接收的是哪一帧报文； 为恢复管理和过载通知提供手段； ( 2 ) 媒体访问控制子层( m a c ) 的作用如下： 控制帧结构； 执行仲裁： 进行错误检测； 出错标定： 故障代码界定； ( 3 ) 物理层的作用是在不同节点之闯根据所有的电气属性进行位传输。 3 5 3c a n 通信协议属性 c a n 通信协议有以下属性： 每帧报文自带优先级： 同济大学硕士论文电动汽车用d c d c 堑换嚣控制系统的研究 没有主从局限； 可以灵活地改变参数； 错误捕捉和检测功能； 总线空闲可以自动重发出错帧： 可以区别暂时性错误还是永久性错误，如果为永久性错误，可以关闭此节点 的总线，使其不参与c a n 通信。 3 5 4c a n 通信协议内容介绍 c a n 通信协议由两部分组成：p a r t a 和p a r tb 。 p a r ta 和p a r tb 之间的最主要的区别为两者的帧格式不同，本文应用的 是p a r t b ，关于p a r t b 的内容可以参考参考文献【”1 。 3 5 5c a n 总线器件 本文实验所选的c a n 通信器件为p h i l i p s 公司的s j a l 0 0 0 独立c a n 控制 器和t j a l 0 5 0 高速c a n 收发器。s j a l 0 0 0 的具体参数可以参考参考文献【1 4 1 。 3 5 6 燃料电池汽车动力系统d c ，d c 网络通信协议 3 5 6 1 协议相关标准 本协议参照高速通信控制局域网c a n 2 0 b 规范和s a ej 1 9 3 9 标准。c a n 2 0 b 协议是b o s c h 公司于1 9 9 1 年提出，包括p a r t a 和p a r t b 两部分，p a r t a 为标准帧协议，p a r tb 为扩展帧协议。s a ej 1 9 3 9 s a e 标准，由卡车及客车电 子电气委员会所属的卡车及客车控制及通信小组委员会制定，作为公路设备的控 制及通信劂络推荐操作规程。 1 9 同济走学硕士论文电动汽车用d c d c 变换嚣控制系统的研究 3 562 燃料电池汽车电子网络系统拓扑结构 燃料电池汽车电子网络系统由v m s ( 汽车管理系统) 、b m ( 电池管理系统) 、 d c f ( d c d c 系统) 、m c ( 电机控制系统) 和f c e ( 燃料电池发动机) 等部分 组成。各个部分均与v m s 进行实时通信。 3 5 6 3 网络硬件要求 c a n 总线通信电缆采用屏蔽双绞线。c a n 网络上每个零部件均有终端电阻 ( 1 2 0q ) ，同时终端电阻与网络线问通过跳线相连，以便灵活搭配。所有节点均 使用光耦隔离，总线驱动可采用p h i l i p s 公司的p c a 8 2 c 2 5 0 芯片或者t j a l 0 5 0 芯片，本文采用的是t j a l 0 5 0 。通信电缆应尽量离开动力线o 5 m 以上，离开控 制线0 1 m 以上。电缆屏蔽层在车内连续导通，要求每个部件的网络插座有屏蔽 层接头。 3 5 6 4 网络管理及控制策略 本协议目标是实现动力系统网络的互通互连，使控制系统能正常工作，并且 构成汽车网络的基本框架。 网络进行周期性正常通信方式时，各个零部件控制单元只与整车控制器 ( v m s ) i a j 进行周期性通信，各个零部件间不进行通信。 动力系统子网目前采用5 0 0 k b p s 的通信速率，整车控制器初始化后，每隔 2 0 m s 发送其数据帧，各部件在收到v m s 发来的第一帧，即v m s s t a t e c p 帧后， 延迟4 m s ，马上发送数据给v m s ，在一个周期里发送一次( 在收到v m s 数据后 的2 0 m s 内) 。因此要求各个零部件的控制器能够区分v m s 发送来的 v m s s t a t e c p 帧，并在收到此帧后有时间记录功能，以在4 m s 后发送数据帧给 v m s 。 当汽车零部件发生故障时，各相关控制器应具备故障数据记录功能，对于相 关故障，应以事件触发方式在线通知整车控制器，并通过整车控制器发送到显示 模块进行故障指示。 2 0 同济丸学硕士论文电动汽车用d c d c 变换器控制系统的研究 3 s 6 5 系统故障诊断协议 燃料电池电动汽车中故障状态帧是以事件触发方式进行发送的，无需通过请 求实现。 ( 1 ) 故障帧及诊断故障代码( d t c ) 定义 故障帧用来发送故障代码，一个诊断故障代码( d t c ) 由4 个部分组成，分 别为：故障等级、系统等级、系统分类代码、故障代码以及故障次数。 ( 2 ) 故障等级 表3 - 1 故障等级列表 0 0 0 01 级 危险故障( 零部件可自动紧急停机) 0 0 0 1 2 级严重故障( 零部件请求v m s 控制降低功率) 0 0 1 0 3 级 一般故障( 零部件请求v m s 只记录故障码) 0 0 1 1 4 级轻微故障( 零部件请求v m s 只记录故障码) 0 1 0 0 1 1 1 1 系统保留 ( 3 ) 故障诊断策略 系统d m l 故障的判断和存储由整车控制器( v m s ) 处理。各控制器发现故 障后，将故障信息发送给v m s ，同时记录，然后将故障数据发送至显示模块， 当显示模块收到故障数据后，发出确认p g n ，v m s 在5 0 0 m s 后未收到确认p g n 重发故障数据。 通过v m s 向显示模块发送d m l 消息可显示故障信息。显示模块接收到此 信息后。通过红、黄灯亮等方式实时动态提醒操作人员。 ( 4 ) 传输方式 各零部件c a n 节点控制器将v m s 第一次周期性通信中所发送的 v m s s t a t u s c p 帧作为时间起始参考信号，在收到此帧后，建立各自的系统时 钟，并以5 0 0 m s 为时问问隔发送d m l 消息。 同济大学硕士论文电动汽车用d c d c 变抉器拉制系统的研究 当某个故障激活后，则以事件触发形式向总线传输d m i 消息。本协议规定 在第一个d m l 消息发送后，必须在5 0 0 m s 的传输时问周期到来时再重复发送该 d m l 消息。 对于同一个故障，若在5 0 0 m s 期问经历激活不激活再次激活不激活的状 态变化，则只发送一个d m l 消息。在5 0 0 m s 的传输周期到来后，再发送另一个 d m l 消息以确认该故障的状态变化。若在该故障后保持非激活状态，则不再出 现与之相关的d m l 消息。 若某个故障的激活时间为5 0 0 m s 或更长时间，然后变为不激活状念，则每 隔5 0 0 m s 的刷新周期传输一个d m l 消息，反映当前的故障状态，且当故障变为 非激活状态时立即传送一个d m i 消息，反映故障状态的改变。 若在5 0 0 m s 周划内出现两个( 或两个以上) 激活故障，则在故障激活时立 即分别传输各自的d m i 消息，该消息包含当前处于激活状态的相应故障。当下 一个5 0 0 m s 到来时，再分别发送两个( 或两个以上) d m l 消息，用以反映故障 状念的变化。若某个故障仍处于激活状态，则相应的d m l 消息应包含其故障码； 若某个故障已消失，则相应的d m l 消息不包含其故障码。 ( 5 ) d m i 报文格式 表3 2d m l 报文帧格式表 数据页面o p f ：2 5 4 p s ： 2 0 2 优先级( p r i o r i t y ) 2 参数组数编号： 6 5 2 2 6 字节：18 5 位故障等级( 最高有效位为第8 位) 4 1 位 系统分类代码( 最高有效位为第4 位) 同济大学硕士论文电动汽车用d c d c 变换器控制系统的研究 字节：2 8 1 位故障代码( 最高有效位为第8 位) 字节： 3 8 1 位故障代码( 最高有效位为第8 位) 字节：48 1 位发生次数 当故障变为不激活状态时，所要发送的d m l 消息格式为表3 3 所示。 表3 3 故障变为不激活状态时的d m l 帧格式表 字节18 - 1 位o 字节28 - 1 位o 字节38 - 1 位0 字节48 - 1 位 f f ( 6 )已激活的故障代码的数据清除、复位帧( d m 3 ) 在通过故障诊断仪读取各零部件故障代码的历史记录后，即可发送诊断故障 代码清除复位信息( d m 3 ) ，各零部件收到该信息后采取相应的动作。 肖发送该参数组时，所有与先前激活故障代码有关的诊断信息将均被清除。 该操作完成后，应有一个肯定应答a c k ，用来提供发送方和接收方的握手机制。 假如由j ：某种原因，某个零部件无法执行要求的操作，则发送一个否定应答 a c k 。 3 6 本章小结 本章简要介绍了本控制系统的硬件设计。首先介绍了硬件总体设计，基于控 制的精确性、快速性及可扩展性等方面的要求，该控制系统选用了t i 公司的 t , m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 作为主控制芯片。其次介绍了t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 的性能特点和可 用资源情况。对于该控制系统的数据采集处理，利用t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 内部自带 的具有内部采样保持电路的1 0 位a d 变换器，我们可以方便的进行数据采集处 理。关于p w m 发生器，本文以三菱公司集成驱动模块m 5 7 9 6 2 为例，作为i g b t 同济大学硕士论文 电动汽车用d c c 变换器拉制系统的研究 的驱动模块来进行简要介绍。另外，电动汽车中采用c a n 通讯作为主要通讯协 议，本章简要介绍了该控制系统中通讯协议。 3 7 本章参考文献 8 】刘和平等t m s 3 2 0 l f 2 4 0 x d s p 结构、原理及应用北京航空航天大学出版社，2 0 0 2 9 【9 】t m s 3 2 0 c 2 x x 高速数字信号处理器原理与应用北京闻亭科技发展有限公司 【1 0 】王念旭，d s p 基础与应用系统设计，北京：北京航空航天大学出版社2 0 0 1 【1 1 】刘和平，王维俊，江渝，邓力，t m s 3 2 0 l f 2 4 0 x d s p c 语言开发及应用北京航空航 天大学出版社，2 0 0 3 【1 2 】邬宽明c a n 总线原理和应用系统设计清华大学出版社，1 9 9 6 【1 3 】c a ns p e c i f i c a t i o nv e r s i o n 2 0 ，1 9 9 5 4 f 1 4 】p h i l i p ss j a l 0 0 0s t a n d - a l o n ec a nc o n t r o l l e rp r o d l i c ts p e c i f i c a t i o n ，2 0 0 0 1 同济大学硕士论文电动汽车用i ) c d c 变换器控誊j 幕统的研究 4 控制系统软件设计 4 1 数字控制特点 d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r 数字信号处理器) 是一种高性能的数据处理器， 最早由德州仪器生产推出。 本文采用d s p 对燃料电池电动汽车用b u c kd c d c 变换器进行数字控制。 数字控制与模拟控制相比有以下优点： ( 1 ) 能实现复杂的控制规律，从而提高控制质量。这主要是因为复杂控制 规律往往难以用模拟方法加以实现。而在数字控制系统中可通过对控制器c p u 进行编程实现复杂控制规律。 ( 2 ) 控制规律灵活多样，改变方便。在数字