純電動(dòng)車用無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

周衛(wèi)明，張向文，2

（1.桂林電子科技大學(xué)電子工程與自動(dòng)化學(xué)院，廣西桂林 541004；2.桂林電子科技大學(xué)廣西自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)與儀器重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西桂林 541004）

純電動(dòng)車用無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

周衛(wèi)明1，張向文1，2

（1.桂林電子科技大學(xué)電子工程與自動(dòng)化學(xué)院，廣西桂林 541004；2.桂林電子科技大學(xué)廣西自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)與儀器重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西桂林 541004）

針對(duì)純電動(dòng)汽車用無刷直流電機(jī)（BLDCM）控制系統(tǒng)的要求，設(shè)計(jì)了一款以TMS320F2812為核心的控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)利用DSP產(chǎn)生的6路PWM信號(hào)實(shí)時(shí)調(diào)控電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，并通過占空比實(shí)現(xiàn)高精度轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。系統(tǒng)軟件采用中斷方式編程。測(cè)試結(jié)果表明，本控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度快，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，且穩(wěn)態(tài)誤差小。

無刷直流電機(jī)；TMS320F2812；控制系統(tǒng)

電動(dòng)汽車具有行駛噪聲低、能量利用效率高、無污染物排放等優(yōu)點(diǎn)。隨著傳統(tǒng)資源日益枯竭、環(huán)境污染加劇，電動(dòng)汽車必將成為人們生活中必不可少的綠色交通工具。無刷直流電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠和維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，是一種理想的變速電機(jī)，在電動(dòng)汽車領(lǐng)域應(yīng)用廣泛［1-3］。由于無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)較復(fù)雜，且穩(wěn)定性要求較高，常采用數(shù)字信號(hào)處理器DSP等高端芯片設(shè)計(jì)控制器［4-5］。信號(hào)處理器DSP是一種可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)信號(hào)處理的微處理器，具有豐富的I／O接口、PWM輸出、可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制算法等功能。段麗娜等［6］對(duì)控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，完成了PWM波形的測(cè)試，但未對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試；劉明等［7］研究了自適應(yīng)模糊PID控制算法在無刷直流電機(jī)控制中的應(yīng)用，但只進(jìn)行了Simulink仿真分析，未進(jìn)行實(shí)際電機(jī)控制器測(cè)試；崔方等［8］以dsPIC30F4012為控制核心設(shè)計(jì)了電動(dòng)汽車用BLDCM控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)采用了PID控制算法，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)大。為此，采用專用芯片TMS320F2812設(shè)計(jì)了純電動(dòng)車用無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)，以滿足實(shí)時(shí)性好、精度高、穩(wěn)定性好的要求。

1 系統(tǒng)總設(shè)計(jì)框圖

控制系統(tǒng)整體框架如圖1所示。控制系統(tǒng)主要包括DSP2812主控模塊、PWM信號(hào)處理模塊、驅(qū)動(dòng)電路、功率電路、電池電壓檢測(cè)、母線電流采樣、電源電路、轉(zhuǎn)把信號(hào)采集、轉(zhuǎn)子位置信號(hào)處理。其中，DSP2812主控模塊的事務(wù)管理器EVA的比較單元產(chǎn)生PWM信號(hào)，捕獲模塊獲取轉(zhuǎn)子位置傳感器的電平狀態(tài)，根據(jù)霍爾傳感器輸出的電平狀態(tài)控制電機(jī)換相；PWM信號(hào)處理模塊對(duì)PWM信號(hào)進(jìn)行隔離處理；驅(qū)動(dòng)電路根據(jù)PWM信號(hào)控制功率電路的導(dǎo)通；母線電流采樣實(shí)現(xiàn)電流檢測(cè)和過流保護(hù)功能；轉(zhuǎn)子位置信號(hào)處理實(shí)現(xiàn)對(duì)霍爾傳感器輸出的電平信號(hào)的整形處理。

圖1 控制系統(tǒng)總體框架Fig.1 The framework of control system

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 PWM信號(hào)隔離電路設(shè)計(jì)

控制電路輸出的PWM信號(hào)用于控制功率電路的導(dǎo)通。為防止高電壓、大電流信號(hào)對(duì)PWM信號(hào)的干擾，提高PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)負(fù)載的能力，對(duì)PWM信號(hào)進(jìn)行了隔離處理。本設(shè)計(jì)采用光電隔離芯片6N137，光耦隔離電路如圖2所示。PWM信號(hào)從6N137的2號(hào)引腳輸入，輸出端經(jīng)過上拉電阻R29上拉，輸出隔離后的PWM信號(hào)。

圖2 光耦隔離電路Fig.2 The optocoupler isolation circuit

2.2 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

經(jīng)過光耦隔離后的PWM信號(hào)不能直接作為驅(qū)動(dòng)功率電路的開關(guān)信號(hào)，需經(jīng)過驅(qū)動(dòng)電路的變換。本控制系統(tǒng)采用了IR2136芯片構(gòu)成的集成式驅(qū)動(dòng)電路。IR2136為高功率、高速的MOSFET和IGBT驅(qū)動(dòng)器，有3對(duì)獨(dú)立的高壓側(cè)和低壓側(cè)輸出通道為三相所應(yīng)用，采用自舉電壓技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)功率電路的驅(qū)動(dòng)。

驅(qū)動(dòng)電路如圖3所示。ITRIP引腳為IR2136芯片的過流檢測(cè)引腳，由芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定。當(dāng)ITRIP引腳的電壓低于0.5V時(shí)，電路正常工作。當(dāng)ITRIP引腳的電壓高于0.5V時(shí)，電路過流，此時(shí)芯片內(nèi)部產(chǎn)生2路信號(hào)：1）使FAULT引腳輸出為低電平，F(xiàn)AULT引腳與DSP2812的外部中斷引腳連接，產(chǎn)生中斷，禁止控制芯片的PWM信號(hào)輸出；2）關(guān)斷上橋臂的3路MOSFET管，使電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)對(duì)電路起保護(hù)作用。電路中的二極管為快恢復(fù)二極管，電容C49為鉭電容，起自舉升壓的作用。

2.3 轉(zhuǎn)子位置信號(hào)檢測(cè)處理電路設(shè)計(jì)

無刷直流電機(jī)自帶電機(jī)轉(zhuǎn)子位置傳感器，利用霍爾效應(yīng)檢測(cè)電機(jī)磁極的位置。電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)處理電路如圖4所示?；魻栃盘?hào)經(jīng)過施密特觸發(fā)器74HC14整形，再經(jīng)濾波電容濾波，消除信號(hào)中的噪聲，得到5V的霍爾反饋輸出信號(hào)。由于DSP2812的端口輸入電壓小于3.2V，5V的霍爾反饋信號(hào)需要經(jīng)過電阻的分壓處理，圖4中的R10和R18實(shí)現(xiàn)了分壓。

2.4 電流采樣電路設(shè)計(jì)

通過電流采樣電路的采樣，得到電路實(shí)際的電流值。根據(jù)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，通過電流環(huán)更新PWM波形的輸出，控制電機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。電機(jī)在超過額定電流的條件下工作時(shí)間過長(zhǎng)會(huì)燒壞電路中的元器件，因此，應(yīng)時(shí)刻監(jiān)測(cè)電路中的電流。

本控制系統(tǒng)采用電阻電流采樣法，選取10mΩ的康銅絲電阻，將采集電路中的電流轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷骸ｋ娏鞑蓸与娐啡鐖D5所示。PV-是功率電路MOSFET源極引出節(jié)點(diǎn)，R33采樣電阻兩端的電壓先經(jīng)過R26和C43組成的濾波電路濾波，進(jìn)入LM358運(yùn)算放大器進(jìn)行信號(hào)放大處理。電路采用了二級(jí)運(yùn)算放大，R24是阻值為1kΩ的電阻，R22為20kΩ的可調(diào)電阻。另外，DSP2812的ADC的模擬電壓信號(hào)采樣范圍為0～3V，調(diào)節(jié)可變電阻R21和R22，所得到的采樣電壓信號(hào)可直接接入到DSP2812的ADC采集引腳。

圖3 驅(qū)動(dòng)電路Fig.3 The drive circuit

圖4 電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)處理電路Fig.4 The rotor position signal processing circuit

圖5 電流采樣電路Fig.5 The current sampling circuit

2.5 調(diào)速信號(hào)采集電路設(shè)計(jì)

在外部接入的調(diào)速信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)速度的自動(dòng)調(diào)節(jié)。通過控制系統(tǒng)模擬信號(hào)采集ADC接口，對(duì)外部輸入的模擬電壓信號(hào)進(jìn)行采集，與電機(jī)給定轉(zhuǎn)速值相對(duì)應(yīng)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的調(diào)速。調(diào)速信號(hào)采集電路如圖6所示。調(diào)速信號(hào)從P10接口接入，從3號(hào)引腳輸出0.528～4.52V的線性電壓。通過R19和R20的分壓，把所得到的電壓接入到DSP2812的ADC引腳。

圖6 調(diào)速信號(hào)采集電路Fig.6 The speed signal sampling circuit

3 軟件程序設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)主要由一個(gè)主程序和一個(gè)中斷子程序組成。其主要包括霍爾位置檢測(cè)程序、速度計(jì)算程序、位置采樣程序、控制算法程序、ADC采樣程序、斜坡控制計(jì)算程序、PWM產(chǎn)生程序、PWM輸出程序、串口轉(zhuǎn)速輸出程序。

3.1 主程序設(shè)計(jì)

主程序主要完成系統(tǒng)初始化，主程序流程圖如圖7所示。主程序的主要功能：1）引用頭文件，定義需要的常量、變量，定義功能模塊；2）對(duì)DSP系統(tǒng)進(jìn)行初始化，產(chǎn)生內(nèi)部工作時(shí)鐘；3）關(guān)閉系統(tǒng)的總中斷，初始化中斷向量表，對(duì)終端進(jìn)行配置，對(duì)事務(wù)管理器及功能模塊參數(shù)初始化；4）使能中斷，讓程序進(jìn)入循環(huán)等待，等待中斷程序運(yùn)行。

圖7 主程序流程圖Fig.7 The flow chart of main program

3.2 中斷子程序設(shè)計(jì)

從實(shí)際程序功能來看，中斷程序調(diào)用了所有函數(shù)控制電機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。根據(jù)電機(jī)狀態(tài)運(yùn)行的過程，在中斷子程序中先后對(duì)各個(gè)函數(shù)進(jìn)行調(diào)用，即對(duì)電機(jī)所需要的狀態(tài)值調(diào)整。中斷子程序流程圖如圖8所示。首先調(diào)用ADC采集函數(shù)，一個(gè)通道檢測(cè)電路中的電流值作為電流環(huán)的電流實(shí)際值，另一個(gè)通道檢測(cè)外部轉(zhuǎn)速給定值，給定值代表電機(jī)的給定轉(zhuǎn)速，表示所設(shè)定的電機(jī)轉(zhuǎn)速；再調(diào)用斜坡控制函數(shù)，用于PWM波占空比由零逐漸增大，控制電機(jī)軟啟動(dòng)；調(diào)用霍爾檢測(cè)函數(shù)，檢測(cè)轉(zhuǎn)子的位置狀態(tài)；調(diào)用計(jì)數(shù)器函數(shù)，記錄電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置狀態(tài)；調(diào)用斜坡控制函數(shù)，防止控制采集所給定的電機(jī)轉(zhuǎn)速參考值的突變，起緩沖作用；調(diào)用速度計(jì)算函數(shù)，計(jì)算電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速；調(diào)用雙閉環(huán)滑模PID控制函數(shù)，輸出PWM波的比較值；調(diào)用PWM信號(hào)產(chǎn)生函數(shù)，根據(jù)所得到的PWM比較單元的比較值更新PWM波形占空比輸出。中斷子程序運(yùn)用了事務(wù)管理器EVA定時(shí)器2的周期中斷，中斷頻率設(shè)置為20kHz。

圖8 中斷子程序流程圖Fig.8 The flow chart of interrupt program

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

在完成系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)后，將控制器與電池、電機(jī)連接，搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，電機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)物圖如圖9所示。本驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)選用浙江尤耐特電機(jī)公司生產(chǎn)的無刷直流電動(dòng)機(jī)，其額定功率為1.5kW，額定電壓為48V，額定電流為39A。

圖9 電機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)物圖Fig.9 The physical map of motor control system

在電機(jī)的啟動(dòng)、加速、減速過程中，電機(jī)的轉(zhuǎn)速波形如圖10～12所示。圖10為給定轉(zhuǎn)速1400r／min的電機(jī)啟動(dòng)過程轉(zhuǎn)速波形；圖11為轉(zhuǎn)速500～1500 r／min的電機(jī)加速過程轉(zhuǎn)速波形；圖12為速度1500～800r／min的電機(jī)減速過程轉(zhuǎn)速波形。從圖10～12可看出，本控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度快，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，且穩(wěn)態(tài)誤差小。

圖10 電機(jī)啟動(dòng)過程轉(zhuǎn)速波形Fig.10 The speed waveform of motor starting process

圖11 電機(jī)加速過程轉(zhuǎn)速波形Fig.11 The speed waveform of motor acceleration process

圖12 電機(jī)減速過程轉(zhuǎn)速波形Fig.12 The speed waveform of motor deceleration process

5 結(jié)束語

針對(duì)純電動(dòng)汽車用無刷直流電機(jī)（BLDCM）控制系統(tǒng)的要求，以TMS320F2812為核心，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)圍繞DSP2812進(jìn)行了硬件電路的設(shè)計(jì)，并根據(jù)硬件結(jié)構(gòu)進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)。利用了高性能的DSP2812芯片進(jìn)行全數(shù)字化精確控制策略控制，既簡(jiǎn)化了傳統(tǒng)的復(fù)雜硬件電路連接，又大幅提高了系統(tǒng)的可靠性。實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明，基于TMS320F2812設(shè)計(jì)的純電動(dòng)汽車用無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)具有良好的動(dòng)態(tài)性能，響應(yīng)速度快，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，且穩(wěn)態(tài)誤差小。

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編輯：翁史振

BLDCM control system for pure electric vehicle

ZHOU Weiming1，ZHANG Xiangwen1，2
（1.School of Electronic Engineering and Automation，Guilin University of Electronic Technology，Guilin 541004，China；2.Guangxi Key Laboratory of Automatic Detecting Technology and Instruments，Guilin University of Electronic Technology，Guilin 541004，China）

According to the requirement of brushless direct current motor（BLDCM）control system for pure electric vehicle，a control system with TMS320F2812is designed.Six channel PWM signals are generated by DSP to control the rotation of the motor，and the high precision speed regulation is realized through the variation of duty cycle.The system software adopts interrupt programming.The test results show that the response of the control system is fast，the speed is stable，and the steady state error is small.

brushless direct current motor；TMS320F2812；control system

TM351

：A

：1673-808X（2016）05-0391-05

2016-02-26

國(guó)家自然科學(xué)基金（51465011）；廣西自然科學(xué)基金（2014GXNSFAA118377）；廣西自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)與儀器重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金（YQ14111）

張向文（1976-），男，河南南陽人，研究員，博士，研究方向?yàn)槠囯娮?、智能控制與信號(hào)處理。E-mail：zxw＠guet.edu.cn

周衛(wèi)明，張向文.純電動(dòng)車用無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.桂林電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2016，36（5）：391-395.