【新能源汽车空调压缩机驱动电机控制系统硬件和软件设计案例7000字】

新能源汽车空调压缩机驱动电机控制系统硬件和软件设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u13244新能源汽车空调压缩机驱动电机控制系统硬件和软件设计案例 1189431新能源汽车空调压缩机驱动电机控制系统硬件电路设计 1161161.1控制系统的硬件结构 1279111.2控制电路设计 2244231.2.1主控芯片功能介绍 2266661.2.2电机控制PWM模块功能 3279461.2.3主控芯片引脚分配 39001.3驱动电路设计 417511.1.1智能功率模块TPD4135K功能介绍 4180301.1.2IPM模块外围电路设计 653461.4采样电路设计 810301.2.1母线电流隔离放大电路设计 8247171.2.2端电压采样电路设计 9247902.新能源汽车空调压缩机驱动电机控制系统软件及算法设计 1090452.1控制系统软件设计概述 10171442.2驱动电机在霍尔传感器下的控制算法 11233262.3霍尔传感器角度估算法 13266692.4速度闭环控制 14205822.5位置闭环控制 141新能源汽车空调压缩机驱动电机控制系统硬件电路设计1.1控制系统的硬件结构本论文所设计的空调压缩机驱动电机控制系统整体结构如图3-1驱动电机控制系统总体结构图所示。在图3-1中能够看出驱动电机的控制系统是由硬件部分和软件部分组成，其中硬件部分是由驱动电路、控制电路和采样电路组成，其中软件部分会在下一章节详细介绍。图3-1驱动电机控制系统整体结构图Figure3-1Overallstructureofthedrivemotorcontrolsystem1.2控制电路设计本论文设计的控制系统所选用的主控芯片是dsPIC系列芯片dsPIC30F4011，该款高性能的芯片是产自于美国Microchip公司，该款芯片主要是针对电机专用的数字信号控制器，通过数字信号处理器来达到运算的功能[73]，可以在不同转速范围、不同控制方法和不同精度的实际工况下满足对于电机控制的严格要求，达到减少成本的效果。在实验研究过程中对于驱动电机的起动阶段，dsPIC30F4011芯片主要功能是保证起始位置和加速起动控制，在驱动电机的同步工作阶段，其芯片主要估算电机的转速，从而可以完成对电机转速的实时控制。1.2.1主控芯片功能介绍dsPIC30F4011芯片是在哈佛结构的基础上完善发展起来的，是一款新型高性能芯片，同时也继承了哈佛结构的特点如能够把程序和数据分别保存到不同存储空间中，可以进行高效的寻址模式，通过C语言编译器加强指令集结构。总共具有83个基本操作指令，采用的是二十四位的指令宽度和十六位的数据地址宽度。其片内是48KB的片上Flash程序存储器、1KB的非易失数据EEPROM和2KB的片上随机存取存储器[74]。芯片工作时候的运算速度最快能够达到30MIPS，DC至40MHz外部时钟输入，4MHz10MHz的振荡器输入，且带有PLL倍频。拥有三十个中断源，这其中有三个是外部中断源，四个是处理器陷阱源，每个中断源都有八个可供选择的优先级。芯片内部还集成了PWM模块，有六个输出通道接口。内部还集成了十位的ADC，能够达到1Mksps的转换速度。能够把16位定时器配置成为32位的定时器模块，有30个可编程数字I/O口，大量的外围资源，正好可以达到对于电机控制的需求。1.2.2电机控制PWM模块功能Microchip公司特地研发了一款专门应用于电机控制的dsPIC30F4011芯片，其内部集成了电机控制PWM模块（MCPWM），这个模块简化之后能够完成多个同步脉宽调制输出的任务，这一特点正好能够满足驱动电机的需求。MCPWM模块是选用特定的时间基准，包括三个占空比发生器，分别标号为1、2和3，有六个PWM输出引脚，分别标号为PWM1H/PWM1L、PWM2H/PWM2L和PWM3H/PWM3L。这六个引脚能够组成三个高低引脚对，用下标大写字母H和L区分。PWM模块可以在许多种模式下正常运行，这样就能够大大增加对于高要求功率的市场使用普及度。同时这个模块还有故障引脚，能够通过软件来手动控制故障引脚，把指定PWM引脚驱动设定为不工作状态，从而达到保护电机控制系统的效果。在充分考虑各个因素之后可得，本论文选择dsPIC30F4011芯片作为研究对象的主控芯片，该芯片能够满足空调压缩机驱动电机控制系统的实际工况需求。1.2.3主控芯片引脚分配通过详细分析空调压缩机驱动电机传感器控制系统的要求，该控制器需要采样母线电流和三相端电压。dsPIC30F4011芯片内部集成了十位的A/D转换器，其转换速度能够达到1Msps，具有九个模拟信号输入通道，并且能够一起完成对于四个通道的采样工作，四个通道分别命名为CH0、CH1、CH2、CH3。在本研究过程中，设定CH0处于模拟输入扫描模式下，不断交替采集外接电位器的电压就可以速度控制，采集放大之后的直流母线电流采样信号用作电流控制，CH1、CH2、CH3就采样分压之后A、B、C三相端电压。在整个实验过程中，全部A/D转换是通过PWM触发器中端触发，保证PWM与ADC采样时相同的频率，这样就能够增加控制电机的精度。下面详细的介绍主控芯片dsPIC30F4011各个引脚的具体分布情况及其相应功能，其中VDD表示给主控芯片的供电电压是5V；PGD表示在线串行编程数据输入/输出信号；PGC表示在线串行编程时钟输入信号；RX表示异步接收器/发送器通信模块的接收信号；TX表示异步接收器/发送器通信模块的发送信号[75]；六路PWM输出信号分别为HIN1/LIN1、HIN2/LIN2、HIN3/LIN3；VSP表示用于给定转速的外接电位器的电压信号；I_DC表示经放大后的直流母线电流采样信号；OSC1表示外部晶振输入信号；OSC2表示外部晶振输出信号；FG表示驱动电机的转速输出信号为方便对所设计的控制系统进行测试和调试，和是设计的按键输入信号；为对控制系统进行保护，FLAT为系统的故障信号输入，具体的故障信号发生设计将在下一节中进行论述。图3-2为dsPIC30F4011的详细引脚分配图。图3-2dsPIC30F4011的详细引脚分配图Figure3-2dsPIC30F4011detailedpinassignmentdiagram1.3驱动电路设计1.1.1智能功率模块TPD4135K功能介绍智能功率模块（IntelligentPowerModule简称为IPM）本质上就是一种新型功能强大的功率开关电子器件，它的主要组成部分包括IGBT、门极驱动和保护电路，因此它也拥有了IGBT器件的优势。IPM里面自身带有保护电路和驱动电路部分，能够进行温度太高、电流太大和欠压等这些非正常工作的快速检测，这就保证了在出现故障情况下IPM能够进行自我保护，确保了自我的完好性，有效降低了不必要的安全隐患也节约了经济成本，这些特点在一定程度上增加了系统的可靠性和稳定性，器件体积也越来越小巧，大大减少了系统研发的周期，也被广泛的应用到实际市场中。图3-3IPM模块内部结构框图。图3-3IPM模块内部结构框图Figure3-3BlockdiagramoftheinternalstructureoftheIPMmodule与传统的驱动电路进行比较，TPD4135K所形成的驱动电路具有的优势：（1）加入了驱动器，输出阻抗非常小，提高了驱动的效率。（2）加入了电流保护电路，不需要其它没有必要的比较器，简化了电路的结构，使其结构趋于简单化方向发展（3）加入了欠电压保护电路，可以有效提升系统的可靠性。（4）加入了温度过高的自我保护电路，克服了IGBT、FRD工作温度过高的问题，达到保护TPD4135K的作用。（5）加入自我故障检测电路，如果TPD4135K处于温度太高、电流太大和欠电压情况下，能够做出异常提示，那么就能够快速关闭系统，增加系统的安全性和可靠性，避免不必要的安全隐患和损失。以上列举的这五个优势充分证明了该智能功率模块非常适合空调压缩机驱动电机的控制系统，可以保证实验研究顺利的进行。1.1.2IPM模块外围电路设计在本论文的实验研究中，主控芯片必须通过其它电路才能够进行驱动，这是因为其输出的PWM信号大小是5V，达不到驱动IGBT的效果。还有一个考虑因素就是对于主控芯片的保护，其引脚和功率半导体开关应该是处于隔离状态，互不干扰，可以针对性的设计一些驱动电路给功率半导体开关完成驱动操作。TPD4135K的驱动部分包括高低侧电平转换驱动器和输入逻辑模块，给输出的PWM完成电平转换操作，这样就可以达到驱动IGBT的效果。设计相应外围电路可以提高关于主控芯片保护能力。图3-4为IPM模块和外围电路。在下图3-4中，R8是选用精度很高的电阻，主要是用于给母线电流检测的，首先采集母线电流，然后将采集到的母线电流经过TPD4135K，在被放大电路放大之后传输到主控芯片就能够完成电流闭环控制，可以增加控制系统的可靠性，减少安全隐患。图3-4IPM模块和外围电路Figure3-4IPMmoduleandperipheralcircuitsTPD4135K加入了过流自我保护电路，当电机在锁死以及其它非正常工作情况下，避免出现因为电流过大而烧坏电路的情况。需要测量RS的引脚电流和电压，如果这个测量的电压大于TPD4135K的阈值（一般是0.5V）,那么IGBT输出在经过限流死区时间（一般是3.2s）后会暂时闭合，避免电路中全部电流经过TPD4135K，这个时候DIAG是导通模式，这种模式一直保持到输入全部为低电平才结束。在TPD4135K正常运行时候，可以承受的最高电流是3A，电机在制动和起动的情况下，其电流最大值是额定电流的四到七倍，所以采样电阻R8的阻值为0.2，这样既能够使工作电流处于正常范围，又可以保证控制系统的安全性。1.4采样电路设计1.2.1母线电流隔离放大电路设计基于图3-4IPM模块和外围电路中，先采样电压信号而达到对母线电流采样的效果，这个方法采集到的结果比较粗略，达不到实验要求。设计了一个放大电路，把采样到的电压信号先放大之后再传输到dsPIC30F4011，这样就能够达到电流闭环控制的目的，并且可以起到隔离驱动电路和主控电路的作用。通过上一章节的分析可知，母线电流最大可以是额定电流的四到七倍，dsPIC30F4011的供电电压是5V,所以可以将放大倍数设置为十一倍，采用这样的方法就可以有效的保证对母线电流的采样区间。图3-6为母线电流隔离放大电路。图3-6母线电流隔离放大电路Figure3-6Buscurrentisolationamplifiercircuit基于运算放大器的工作原理可得：注：RS表示母线电流经过R8的电压信号。I_DC表示输入到dsPIC30F4011的母线电流信号。将公式换算处理之后可得：在经过运算放大器处理之后，母线电流信号就为原来的十一倍。1.2.2端电压采样电路设计本论文的实验对象是电动汽车空调压缩机的驱动电机，其供电电压是230V,dsPIC30F4011的供电电压却只是5V，所以必须给端电压做等比例降压处理，最常见的策略就是电阻网络分压处理。因为控制系统使用了PWM控制方法，所以采样的端电压必然有许多高频斩波成分，这些成分会对实验造成影响。可以在端电压采样电路中加入滤波电容，这样就形成了低通滤波器，可以有效避免高频成分的影响。图3-7端电压采样电路。图3-7端电压采样电路Figure3-7Terminalvoltagesamplingcircuit由图3-7能够得到：将公式计算处理之后能够得到：注：f表示驱动电机的反电动势频率。由公式能够得出幅频特性：由上面章节讨论可得，既要保证230V电压供电也必须符合dsPIC30F4011的采样要求，本实验设定PWM的频率是20kHZ,通过电机的转速公式n=60f/p转换可知f=pn/60，实验对象的驱动电机转速为3000rpm，极对数是4，电机工作在额定负载情况下，其反电动势的频率最大为100HZ。R1是120k，R2是1kΩ，C1是0.1μF。由公式能够推导出电路的波特图如图3-8所示。图3-8采样电路波特图Figure3-8SamplingcircuitBodeplot根据采样电路的波特图分析可知，PWM的频率大于截止频率，能够有效避免控制系统高频成分的影响。2.新能源汽车空调压缩机驱动电机控制系统软件及算法设计2.1控制系统软件设计概述在第四章节中已经详细介绍了控制系统的硬件部分，本章节将详细介绍控制系统的软件部分，完善的软件系统和算法才能保证控制系统更加优化的正常工作。本论文所设计的软件主要功能是在矢量控制的条件能够进行起动、调节速度、设定中断程序、对转速的估算、PWM占空比设置和子程序模块。所有的软件程序都是用C语言编写的，在MPLAB编辑器的环境下完成开发，这个软件控制系统具有可靠性高和实时性的特点，所以很方便修改数据和调试实验数据。在这个软件程序研究中，本论文控制系统选用的是最常见的三环控制策略，分别第一环是电流环，第二环是速度环和第三环是位置环，这就形成了一个稳定的三闭环控制系统。图4-1为三闭环控制原理图。图4-1三闭环控制原理图Figure4-1Principlediagramofthreeclosedloopcontrol在这三个闭环中都存在比例和积分的作用，各自的功能如下：电流环ACR的功能是进行PI调节，使控制系统更加稳定可靠，能够进行快速调节控制，不断优化传递函数，克服电流环内部因素的影响，保证该控制系统能够正常工作。速度环ASR的功能是增加控制系统的抗干扰能力，使系统能够按照期望的速度转动，降低转速波动的干扰位置环APR的功能是提高系统位置控制的精度和加强动态跟踪效果。整个软件设计的大体方向如下面三个方面（1）初始化模块：合理设置所有的初始参数如中端、I/O端口、PWM的频率、系统时钟等参数。（2）起动模块：首先电机在最开始转动的时候必须精准的判断转子的位置，然后处于外同步加速阶段，最后电机的速度接近某个数值之后，就能够通过ADC采样其端电压完成自动换相模式。（3）转速估算模块：在被ADC采样之后就能基于端电压数值分析出电机的线电压，然后分析线电压数据来估算电机的转速，通过PI调节器动态补偿定子绕组的电阻压降得到最准确的电机转速。2.2驱动电机在霍尔传感器下的控制算法驱动电机在最开始的起动过程中，电机的转速会非常低或者电机的转子处于瞬时静止状态，电机出现无法快速正常起动的现象，这些情况都可能会造成其反电动势很小或者完全没有，这就使得控制系统无法测量到相应的反电动势，为了避免出现这些情况，本论文就选择三段式起动的控制算法，这样就能够使电机在起动阶段也保持正常运转。当电机的起动命令发送到控制系统之后，就会立即进行三段式起动算法，首先设定的绕组会处于导通状态，在很短时间之内就能够完成对转子永磁体的预定位，然后马上就能够进入外同步加速阶段，定时器可以确定绕组导通的时间，当定时器结束之后，通过调节转子的占空比和定时的时间长短就达到外同步加速的效果，最后电机的转速达到某一数值之后就能够自动切换到自同步工作阶段。控制程序由主程序和中断服务子程序构成。图4-2为软件设计流程程序框图图4-2软件设计流程程序框图Figure4-2Blockdiagramofsoftwaredesignprocess在磁场定向矢量控制（FOC）的程序中，一般会用PWM的信号触发AD开始采样程，当AD采样结束之后会进入到AD中断服务程序阶段，这时就会调用上面的磁场定向矢量控制的程序，因此PWM的频率与FOC运算的频率是相同的，同时也是与iq电流闭环采样频率相同。2.3霍尔传感器角度估算法图4-3为霍尔传感器的波形图，HallA表示最低位，HallC表示最高位，“0”代表低电平，“l”代表高电平。通过霍尔传感器的波形图可知，在一个完整的周期内，存在六种霍尔状态，依次是001、010、011、100、101、110，在十进制中各自状态对应的数值为1、2、3、4、5、6。基于电机学的理论可知，相电流的一个正弦波周期与每一个Hall周期之间存在相互对应的时间关系，因此，设计的程序就是通过霍尔传感器的角度来完成对于电角度的测算，这样就可以达到控制相电流的作用，保证了驱动电机能够一直处于正常的工作状态。图4-3霍尔传感器的波形图Figure4-3WaveformofHallsensor以前的方波驱动器是基于霍尔传感器来完成换向的功能，但是这种方法会存在一些弊端，会有正负三十度的相位偏差影响，而且还会有力矩波动，形成振动干扰，在工作时候还会产生很大的噪声影响。如果使用位置传感器来克服这些存在的问题，那一定会提高生产成本，系统的可靠性和稳定性必然会受到一定程度的影响，特别是在一些针对生产制造成本低的行业中如电动的轮椅、电动的自行车、电动玩具车和一部分工业制造化领域。当驱动电机在工作之后能够对电机的转速进行积分操作就可以获取其位置信号，再经过Hall传感器的信号完成实时校正，这样就能够提高对角度估算的准确度，从而达到获取更高精度的电流信号，这样就能够增加控制系统的可靠性。在转速很小的情况下，在开始阶段无法完成对转速的准确测算，不能计算出相应的电角度，所以无法完成电角度的估算工作，如果继续使用Hall传感器的角度，只有等速度达到预先设定的数值，才能够自动切换到角度估算状态。2.4速度闭环控制在本论文的实验研究中，自主编写了一套完整的速度闭环控制程序，保证电机能够在复杂的工作状态下继续正常工作，可以一直监测跟踪对象的转速，这样就能够保证高效的控制电机的转速。首先需要对于给定的速度Vref进行预处理过程，当转速突然变化太快，也就是加速度非常大，再要求将速度减小的情况下，避免出现跟踪不上电机的转速而形成积分过饱和的问题。需要将霍尔传感器所测得的电机转速和给定的转速数值做一个比较计算的过程，把比较之后得到的偏差数值送入到PID调节器环节完成PID调节，加入了一个积分过饱和程序，也就是控制量增加到最大数值的时候停止积分运算的过程，不然持续增加的控制量会非常巨大，即使命令指令要求把电机的转速减小