基于TMS320F28035电动汽车电机控制器

2011-2012德州仪器C2000及MCU创新设计大赛项目报告题目：基于TMS320F28035电动汽车用电机控制器学校：重庆大学组别：专业组应用类别：先进控制类平台：C2000题目：基于TMS320F28035电动汽车电机控制器摘要：21世纪，纯电动汽车已经成为了解决燃油车辆带来的能源和环境问题的最有希望的方案之一。而电动汽车电机控制器又是纯电动汽车的核心部分。本设计以TI公司的TMS320F28035为控制核心，设计了一款用于电动汽车的低压电机控制器，采用先进的弱磁控制算法和效率优化策略，实现了电机在整个运行范围内输出最大转矩和达到较高的效率。Abstract：ELECTRICvehicles(EV)areseenasapossiblesteptowardsthesolutionofthepollutionprobleminurbanenvironment.Andthemotorcontrolleriscoreoftheelectricvehicle.BasedonTMS320F28035,wedesignamotorcontrollerusedinlowvoltageEV.Withtheadvancedcontrolscheme,wecangetthemaximumtorqueinthewholespeedrangeandthemaximumefficiency.1引言1.1系统设计的背景20世纪90年代以来，汽车作为人类最重要的代步和交通工具，在全球范围内得到蓬勃快速发展。其实世界汽车工业总共发展了100多年，已经成为世界上许多国家的支柱产业，在人类经济生活和生产中发挥着举足轻重的作用。进入21世纪，在今后的50年里，全球人口将从60亿增加到100亿，汽车的数量将从7亿增加到25亿。如果这些车辆使用内燃机的话，他们所需要的石油将不可估量，它们所排出的尾气将无法处理，它们将对我们的环境造成巨大的伤害。这些问题迫使人们去寻找21世纪可持续发展的道路交通工具。另外，由于能源资源日益消耗，迫使人们重新考虑未来汽车的动力来源，世界各国都竞相积极地研制新能源汽车，从而来替代燃料汽车。由于新能源汽车清洁无污染，能源形式多样并且能量比重高，结构简单而且维护方便，是21世纪最有发展潜力的汽车。近二十多年来，西方工业发达国家政府把电动汽车的研究开发看作解决环境问题和能源问题的一种有效手段，在经济上给予大力支持。美国政府至今已出资数百亿美元支持汽车厂商和相关厂商进行电动汽车技术的开发研究。美国三大汽车公司1991年联合成立了美国先进电池联合体，投入了4.5亿美元，其中政府拨款2.25亿美元，共同开发镍镉、镍氢、锌空气电池、燃科电池等各种高性能蓄电池。日、法、德等国各大公司也投入巨资研究开发高性能电池。在电动汽车整车研究开发方面，至90年代末期，国外大汽车公司已开发生产了100多种型号的纯电动汽车、燃料电动汽车和混合动力汽车(表1)。其中，已有10多种纯电动汽车车型投入商业化生产；近年来，燃料电池电动汽车成为新的开发热点，美国计划到2010年市场上燃料电池汽车占市场4%份额，达到60万辆，日本政府发布燃料电池汽车发展计划--2010年5万辆，2020年500万辆；在纯电动汽车和燃料电池汽车因技术和成本问题尚未进入批量生产情况下，为了尽快降低燃油汽车的排放，美日等国正在广泛研制混合动力汽车，目前已经开始小批量商业化生产。近些年来，国外著名的汽车厂商都在研制各类电动汽车，并取得了一定的成就。如日本的丰田公司在1997年12月推出了世界上第一款批量生产的混合动力轿车PRIUS，并在2000年后开始出口北美、欧洲。我国从“九五”期间就有计划地开展了电动汽车关键技术的攻关和整车研制工作，“十五”，“十一五”期间，我国已将电动汽车列入“863”重大科技攻关项目。国家科委、计委在"八五"、"九五"期间组织了纯电动汽车的攻关，现在又将纯电动汽车列入"十五"国家863计划电动汽车重大专项。国内大型汽车企业、高等院校、研究单位对纯电动汽车的研究也热情高涨，通过多轮试制，力争在"十五"结束时实现电动汽车的产业化。"十五"目标是：解决关键技术，完成可实用的电动汽车的开发，并实现产业化。主要研究内容：电动汽车的总体设计；先进的电池技术；电动机及控制驱动系统；整车监控与管理系统、使用环境与配套技术等。

电动汽车是新能源汽车中的一种，采用电力进行驱动，具有无排放、噪音低、能量转换效率高等特点，是当前研究讨论的热点。但是目前电动汽车还不如内燃机汽车技术完善，主要原因是车载电池成本过高，寿命过短。而且单节电池的储能容量很低，需要装载多节电池，占据车身总重量，并且一次充电后续驶里程也不理想。于是各种原因造成了电动汽车的成本一直居高不下。电池租赁的营销策略的提出，可能打破这一瓶颈，而且从发展长远的角度看，随着科技的不断进步，电动汽车现在存在的问题将会逐步得到解决，价格和使用成本也会随着技术的成熟、电动汽车的普及和大批量生产逐步降低，价廉物美的电动汽车前景令人瞩目采用空气冷却或液体冷却方式。对环境的适应性好，并能够实现再生反馈制动。与同样功率的直流电动机相比较，效率较高，质量减轻一半左右，价格便宜，维修方便。感应电动机的低成本、高可靠性及免维护等特性使其在电动汽车上得到了广泛的应用。三相感应电动机的缺点是：矢量控制算法复杂，对处理器运算速度要求较高，造成控制系统的成本较高。表1为目前使用的各种电动汽车用电动机的比较，其性能以0-5分来评比。直流电机感应电机永磁无刷电机开关磁阻电机功率密度2.53.553.5效率2.53.553.5可控性5453可靠性3545成熟性5544成本4534功率范围4544总评26312927表1各种电动汽车用电动机性能的比较[4][5]通过上述分析可知：异步电动机具有体积小、结构简单、坚固可靠、成本低、易于维护等优点，并且随着变频调速技术的发展，让异步电动机的控制方法越来越完善，使异步电机有着优异的启动和调速性能，高效率、高功率因数和节能，有着广泛的应用范围。本课题选用低压大电流鼠笼式异步电机作为电动汽车电机驱动。采用电机的主要参数为：额定电压48V的4极鼠笼式异步电机，额定频率100HZ,最高转速6000rpm，启动转矩85N.M，额定功率5KW,峰值功率20KW,最大电流500A，额定线电流有效值133A。图3为实际电机实物图:图348V电机实物图2.3系统设计主控芯片的选择本系统设计采用TI公司的DSP芯片TMS320F28035作为电动汽车异步电机的电机控制器的主控芯片。该芯片速该芯片是TI公司专门为电机驱动开发设计的一款DSP芯片其速度快，成本低，完全能满足系统要求，该芯片具有以下一些特点：①.高性能32位CPU，16×16位和32×32位MAC操作，16×16位双通道MAC（乘累加运算），采用哈佛总线结构,快速的中断响应和处理,统一的存储模式用C/C++和汇编语言，代码效率高。②.装置和系统低消耗，单独的3.3V供电，没有上电顺序要求，先进的仿真性能，分析和断点功能，可通过硬件实时调试,增强性的控制模块，增强的PWM模块，HRPWM，增强性的脉冲编码模块，ADC转换模块2.4系统设计主控制策略的选取2.41异步电机矢量控制策略矢量控制理论是从异步电机内部的机电能量转换、电机统一理论和空间矢量理论基础上发展起来的，理论基础严谨。矢量控制技术完全模仿对直流电机的控制技术，用矢量变换的方式，把异步电机定子电流解耦成互相独立的产生激磁的分量和产生转矩的分量，分别控制着两个分量就可以实现对异步电机的转矩控制和磁链控制的解耦，从而实现理想的动态性能。在理想的情况下矢量控制的异步电机传动类似于他励直流电动机传动。在直流电机中，若忽略电枢效应和磁场饱和，则输出转矩可被表示为：(式2-1)式中Ia为电枢电流，If是励磁电流。直流电机的构造决定了励磁电流If产生的磁链与电枢电流Ia是垂直的，当控制电流Ia以控制转矩时，磁链不受影响。异步电机是多变量，非线性，强耦合系统，控制起来远比直流电机复杂。异步电机矢量控制示意图如图4图4异步电机矢量控制示意图将异步电机放在同步旋转坐标系（d-q）上进行控制，如果将Ids定向在转子磁链的方向且与Iqs垂直，则稳态时正弦量就变成了直流量，这样异步电机就具有了直流电机的特性，可获得类似直流电机的特性。此时异步电机的转矩可表示为：（式2-2）其中为同步旋转坐标系按转子磁场定向后d轴电流，为同步旋转坐标系按转子磁场定向后q轴电流，这意味着当控制时，只会影响实际的转矩电流Iqs,而不会影响磁链，当控制电流时，只会影响磁链，而不会影响电流的转矩分量。图5动汽车异步电机矢量控制原理系统框图2.42空间矢量SVPWM调制技术目前PWM开关信号的获得最常见的有正弦脉宽调制(SPWM)和空间矢量脉宽调制(SVPWM)。其中，SVPWM是将逆变器和电动机看成一个整体，建立逆变器开关模式和电机电压空间矢量的内在联系，通过控制逆变器的开关模式，使电机的定子电压空间矢量沿圆形轨迹运动，从而明显降低转矩脉动，与传统的SPWM相比，其开关器件的开关次数可以减少1/3，直流电压的利用率可提高15%，能获得较好的谐波抑制效果，且易于实现数字化控制。2.43高速时电机的弱磁控制当电机要求运行在基速以上时，由于直流母线电压的限制和反电动势的影响，就需要转子磁场随着转速的上升而下降，即所谓的弱磁运行。电动汽车对电机驱动系统的弱磁运行性能有较高要求，有限的供电电压无法提供电机转速升高所需的不断升高的转子反电势，因此需要选择适当的弱磁方法在满足电机及逆变器的电压和电流限制条件下得到尽可能大的电机转矩输出，功率输出及良好的系统动静态特性。在电动汽车中，电机逆变器的母线电压易受电机运行工矿和电池特性的影响而产生一定范围的电压波动,为了能在全速度范围内保持电机转矩可控性，特别是在高速弱磁区，需要留一定的电压余量以保证电机定子电流转矩及励磁分量的动静态性能。目前最为常见的异步电机高速弱磁方法是假定母线电压不变的前提下按照磁链与速度成反比的关系进行的高速弱磁控制在以转子磁场定向矢量控制下有以下公式：（式2-3）（式2-4）高速时电阻压降可以忽略，从以上两式可得：（式2-5）采用转子磁场定向后：（式2-6）电机高速运行时，则：（式2-7）从式3-9可以看出采用磁链与速度成反比的弱磁控制时，只有在空载时才能保证U恒定不变，U随电机负载增加而增加，另外逆变器母线电压是波动的这给电机弱磁控制增加了难度。通过以上分析可以看出，传统弱磁方法并不能在整个电动汽车运行过程中产生最大的转矩，因此本文采用先进的弱磁控制算法，其控制框图如图6所示：图6本系统设计采用的弱磁控制原理框图同过判断d轴和q轴电压来判断系统是否进入弱磁区，在进入弱磁区后，通过PI调节器来自动调节励磁电流和转矩电流的分配。（1）在恒转矩区域，电机运行在基速以下，在这个区域电机所需电压矢量的幅值没有超过，电机运行只受电流限制圆的限制，有能力保证，达到其额定值，产生最大转矩。整个恒转矩区域电机电流分配如方程（3.21）所示：（2-8）（2）恒功率区，弱磁区1（），随着转速的增加，电机所需要的电压矢量越来越大，当时，电机运行所需要的电压矢量幅值与相等。如果转速在增加，电机运行所需要的电压矢量幅值将大于，调节器PI(e)将调整电机所需的电压矢量幅值使其不超过最大电压。PI(e)调节器将自动减小励磁电流从而保证电机若需电压不超过最大电压限制，这将导致减小，减小。同时在该区域转矩电流将增加，将增加这也意味着电机弱磁控制的开始。该区域电流的分配情况：由PI调节器自动调节，转矩电流为：（2-9）（3）恒电压区，弱磁区2（）：当电机转速进一步增加时，电机运行状态进入弱磁区2，在该区域，由于电机反电动势很高，已经不可能在在向电机输入最大的电流，所以在该区域电机运行状态只受电压限制椭圆的限制。该区域电机励磁电流任由PI(e)调节器来调节来满足电机运行的电压限制条件，该区域的电流分配策略为：（2-10）通过上面分析可以看出系统设计采用的方法能在整个电机运行过程中得到最大的转矩，不需要查表，对参数的依赖小，系统鲁棒性强。与传统的弱磁方法相比，电流分配更加合理，能够在整个电机运行区域得到更大的转矩。3系统硬件设计本系统设计的电动汽车电机控制器总体框图和实物图如图7所示：图7电动汽车电机控制器总体框图和实物图如图7所示，本系统采用48V电池作为控制器母线电压输入，主驱电机为鼠笼是异步电机，控制器主控芯片采用TI公司生产的TMS320F28035，功率逆变桥部分采用大电流MOSFET并联，电流采样采用新型的电流采样芯片MLX91205.整个控制器状态的检测采用一个上位机来监测，控制器与上位机之间通过CAN通信来实现数据的传输。3.1主控芯片选择本文采用的主控芯片为TI公司新推出的专门用于电机控制的芯片TMS320F28035,该芯片运算速率快，价格便宜，该芯片还具有一下一些特点：高性能32位CPU：16×16位和32×32位MAC操作，16×16位双通道MAC（乘累加运算），采用哈佛总线结构，原子操作，快速的中断响应和处理，统一的存储模式，用C/C++和汇编语言，代码效率高可编程的CAL:32位的浮点数加速器,主CPU独立处理代码装置和系统低消耗:单独的3.3V供电,没有上电顺序要求,完整的上电复位和掉电复位时钟:2个内部的振荡器,片内晶体振荡器和外部时钟输入,基于锁相环的PLL时钟模块,程序监视器模块,没有时钟侦查电路多达45个独立可编程复用的I/O引脚外设中断扩展模块（PIE），支持所有的外设中断32位的CPU定时器:每个ePWM模块都有独立的16位的定时器,片内存储器，包括Flash,SARAM,OTP,BootROM.128位的安全密钥:保护存储模块的安全,防止逆向设计连续的通信模块:1个SCI模块,2个SPI模块,1个I2C,1个LIN网络,1个ECAN先进的仿真性能:分析和断点功能,可通过硬件实时调试增强性的控制模块:增强的PWM模块,HRPWM,增强性的脉冲编码模块,ADC转换,片内温度传感器,比较器28035封装:64脚（TQFP）,80脚（LQFP）因此其完全满足电动汽车电机控制器要求，本系统设计采用80引脚的28035，其实物图为：图8TMS320F28035实物图3.2MOSFET功率电路设计随着半导体技术的快速发展，功率MOSFET性能越来越高，价格越来越低，因此在大电流功率驱动电路中被广泛采用。本系统采用功率MOSFET型号为STP75NF75，这种MOSFET的漏极和源极间电压最大为75V，栅极和源极之间的驱动电压最大为，导通电阻小于0.0095，导通电流最大为80A。本文设计的控制系统最大功率为20kW，直流供电电压为48V，因此每个桥臂允许通过的最大直流电流为416.7A，为此采用MOSFET并联结构，增大过流能力，本系统中每个桥臂并联12个MOSFET，这样每个桥臂可以承受的最大电流理论值为1000A，从而可以满足系统大电流工作情况的需要。图9所示为三相桥桥臂的MOSFET并联电路图，图9三相桥MOSFET并联结构电路图图9所示MOSFET并联电路具有以下特点：①MOSFET并联时，需要解决好并联MOSFET的均流问题，为此，在每个MOSFET栅极都串联了一个小电阻，该电阻根据MOSFET的栅极电流范围和MOSFET驱动信号电压计算，一般在5欧姆~30欧姆之间取值。②在MOSFET后级设计了RC滤波电路，对三相逆变桥输出的交流电压信号进行调节，防止出现过压等故障现象。功率电路部分采用了贴片式MOSFET，贴片式MOSFET的铝基板如图10所示，采用铝基板增大了导电面积，使板子可以承受的最大电流增大；采用贴片元件，板子体积小，器件焊接牢固，不易松动，可靠性较高；便于使用自动焊接技术，适合大批量生产。但是制板成本相对较高。图10实物图3.2电流检测的设计本系统设计中，使用新型的霍尔传感器MLX91205进行电流采样。磁集极霍尔传感器具有高线性度、低磁滞、高灵敏度、体积小、安装方便、价格低等优点。随着该技术的推广，磁集极霍尔传感器必将广泛应用于很多领域。与传统的霍尔传感器和磁阻传感器比较，磁集极霍尔传感器具有3个优点：①磁集极霍尔传感器的灵敏度比传统霍尔传感器高，和磁阻传感器相当。磁集极霍尔传感器的灵敏度高达280V/T，典型的霍尔传感器在5V供电的情况下的灵敏度是25V/T；②磁集极霍尔传感器改善了磁阻传感器的非线性和磁滞现象；③磁集极霍尔传感器的3dB带宽为100kHz，典型的响应时间只有3μs，可以广泛的应用于PWM控制和过载保护中检测电流信号，实现快速保护REF_Ref290564998\r\h错误!未找到引用源。。本系统设计选用melexis公司的MLX91205磁集极霍尔传感器，应用于电动汽车异步电机控制器的电流检测(未加屏蔽防干扰)，其实物连接图如图11所示：（a）未加导电条（b）加上导电条图11MLX91205的实物连接图根据电磁学理论，随着距离r的增大，磁场强度B迅速衰减。因此，传感器和导线之间的距离越小，传感器的输出电压就越大。本试验比较了距离与电流的关系。其试验部分波形如图12所示：图12测试所得波形4统软件设计详细介绍算法设计与算法流程图（不得大量复制源代码）系统软件采用模块化设计方法，将各个功能单元制作成各个独立的软件模块，在主程序中根据需要调用各个功能模块，从而实现系统整体功能。模块化编程使得程序结构清晰明了，编写程序时思路清楚，简化了编写程序的步骤，使程序功能更容易实现，同时为阅读程序和进一步修改程序带来极大的方便。系统中的功能模块主要包括：AD采样转换模块、弱磁控制模块，SVPWM模块、转子磁场角度计算、转速估计模块、CLARK变换，PARK变换、PARK反变换和PID计算模块等。系统软件主要采用C语言编写，部分需要快速执行的功能模块采用汇编语言编写，从而大大减小了软件编写的难度，并提高了系统软件的运行效率。系统主程序主要进行系统初始化和各个功能模块的初始化，进行速度给定和转矩给定控制，并通过CAN通信与上位机进行数据交换等，主程序流程图如图13所示：图13主程序流程图4.1主要功能模块软件设计根据系统中主要的功能模块分别编写相关程序，主要有中断程序、SVPWM程序、AD采样程序、PID控制程序、磁场角度计算，弱磁控制等。下面对各个主要软件模块进行详细介绍。4.1.2中断程序和保护程序设计①PWM定时器中断程序设计PWM定时器中断是系统的主要中断程序，当PWM计数器计数值为0时产生中断信号，进入主中断程序。这种方法节省了一个专门的定时器，使控制更加灵活，效果较好。中断程序中主要进行AD采样、若此算法弱磁算法，CALRK变换、PID调节、PARK变换、SVPWM计算、磁场角度计算等。主终端程序流程图如图14所示。图14主中断程序流程图②TZ故障保护程序设计TMS320F28035有专门的故障保护端口可以对故障信号进行中断保护，相对本文采用TZ2作为故障保护端口，当有故障信号时，TZ引脚变成低电平，DSP立即关断所有的PWM输出，同时发出报警信号。4.1.3SVPWM的软件设计SVPWM是矢量控制的关键，SVPWM波形的正确与否直接决定着系统的工作是否正常，为了产生正确的SVPWM波形，需要按照图15所示程序流程图进行程序编写。图15SVPWM流程图图16ADC程序流程图图15中PWM初始化主要内容包括设置PWM的产生方式、PWM周期和占空比及PWM死区等。PWM计数器采用增减计数模式，根据PWM周期和占空比设置周期寄存器(TBPRD)和比较寄存器(CMPA)的值。设置CAU=1、CAD=0，则计数器增加至与比较寄存器相等时，相应PWM端口输出高电平，计数器减小至与比较寄存器相等时，相应PWM端口输出低电平，从而决定了PWM的波形。PWM周期为 (4-1)其中为系统基准时钟周期，本文中设计值为0.01us。根据占空比计算比较寄存器的值如式(4-2)所示， (4-2)由于本系统设计的MOSFET驱动芯片IR21363S在驱动时自带700NS的死区时间，因此在本文中在PWM模块中将死去时间设为0。TMS320F28035的死区共有4种方式，本系统中采用的低有效互补方式（ALC）。设置的寄存器为：DBCTL=0x7，DBRED=0，DBFED=0，上升沿和下降沿死区时间均用驱动芯片自带的死区时间。4.1.4AD采样软件设计ADC采样信号必须要准确，因此需要对ADC软件模块进行合理设计。本文设计的ADC模块由PWM1的CNT_zero中断信号起动，每次CNT_zero中断产生时，使能主中断程序，进入主中断程序后首先进行AD采样，此时刻为PWM信号为高电平或低电平的中间位置，距离PWM边沿最远，在该时刻进行AD采样是最佳时机，可以避免PWM边沿处出现的各种数据跳变和信号尖峰毛刺等现象，从而达到最好的采样效果。T