CN101013875B - 基于dsp的混合动力汽车用电机控制器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于DSP的混合动力汽车用电机控制器，整车控制器给电机控制模块发送运行模式等信息，电机控制模块包括永磁电机矢量控制模块、空间电压矢量脉宽调制、模数转换模块和传感器测量处理模块，电机控制模块根据运行模式和速度指令以及扭矩指令的要求，确定了其控制***的结构，基于矢量控制方法，实现电流、速度、位置以及故障的检测，实现了混合动力汽车电机的控制。
Description
技术领域
本发明属于自动控制领域中的电机控制，特别涉及混合动力汽车用电机控制。
背景技术
由于能源问题和环境问题的日益严峻，人们正在考虑用混合动力汽车代替内燃机车。融合了传统内燃机汽车和电动汽车优点的混合动力汽车，电动机作为其关键部件，它的控制性能对于混合***有举足轻重的影响。永磁同步电机具有采用高性能永磁体，消除了旋转伺服电动机由旋转运动到直线运动的机械传动链的影响，具有高推力精度、低损耗、小电气时间常数、响应快等特点。由于混合动力汽车均处在研制阶段，鲜有成熟可靠的适于产业化的混合动力汽车用电机控制器。
发明内容
本发明的目的就是提供一种适于产业化的混合动力汽车用电机控制器，根据混合动力汽车用永磁电机的技术要求，确定了其控制***的结构，基于矢量控制方法，实现电流、速度、位置以及故障的检测，满足了混合动力汽车电机控制的要求。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于DSP的混合动力汽车用电机控制器，其特征在于：整车控制器通过整车通讯接口给电机控制模块发送运行模式、扭矩指令以及速度指令信息，电机控制模块包括永磁电机矢量控制模块、空间电压矢量脉宽调制、模数转换模块和传感器测量处理模块；与电流、电压以及温度传感器调节电路AD输入端相连的数据采集头与永磁电机相连，传感器测量处理模块输出端与传感器测量处理模块的输入端相连，传感器测量处理模块的两个输出端分别与整车通讯接口和永磁电机矢量控制模块相连，永磁电机矢量控制模块的输出端与空间电压矢量脉宽调制模块相连，
空间电压矢量脉宽调制模块的输出端与逆变器的输入端相连，经逆变器将控制信号输出至永磁电机，永磁电机有四种运行模式：零扭矩模式、故障模式、速度模式和扭矩模式，电机控制模块通过CAN从整车控制器接收永磁电机的运行模式。
本发明中，整车控制器通过整车通讯接口给电机控制模块发送运行模式、扭矩指令以及速度指令等信息。通过电流、电压以及温度传感器调节电路AD采样永磁电机A相电流、B相电流传感器信号、定子绕组温度和逆变器温度信号，以及霍尔位置传感器信号，通过模数转换和传感器测量处理模块得到永磁电机相电流信号、电机位置角θ、电机速度ω以及电机温度和逆变器温度信号值，通过CAN通讯由整车控制器接口发送电机的信息给整车控制器，同时输入给永磁电机矢量控制模块。电机控制模块接收到这些信息后，永磁电机矢量控制模块会对运行模式要求进行判断，根据电机本身的特性以及反馈的电机温度和逆变器温度值对整车控制器对于电机的速度指令和扭矩指令进行判断，确定电机矢量控制模块的速度指令和扭矩指令值进行电机矢量控制。在永磁电机矢量控制模块，输入相电流和电机位置角θ，通过Clark和Park变换得到直轴和交轴电流反馈值；输入电机速度ω作为矢量控制模块的速度反馈值。根据运行模式和速度指令以及扭矩指令的要求，通过采用每安培最大扭矩控制或者弱磁控制产生直轴和交轴电流参考值，然后对电机直轴和交轴电流进行PI控制，输出直轴和交轴电压值，再采用Clark和Park逆变换产生SVPWM输入信号，SVPWM输出信号输入逆变器驱动电机旋转。
本发明根据混合动力汽车用永磁电机的技术要求，确定了其控制***的结构，基于矢量控制方法，实现电流、速度、位置以及故障的检测，实现了混合动力汽车电机控制的要求。
附图概述
图1是本发明的控制原理框图；
图2是电机DSP控制器与***逆变器硬件电路接口图；
图3是电机DSP控制器的控制流程图。
具体实施方式
本发明是基于DSP的混合动力汽车用电机控制器，整车控制器10通过整车通讯接口20给电机控制模块30发送运行模式、扭矩指令以及速度指令等信息，电机控制模块30包括永磁电机矢量控制模块31、空间电压矢量脉宽调制模块SVPWM32、模数转换模块33和传感器测量处理模块34；与电流、电压以及温度传感器调节电路AD60输入端相连的数据采集头与永磁电机70相连，传感器测量处理模块34输出端与传感器测量处理模块34的输入端相连，传感器测量处理模块34的两个输出端分别与整车通讯接口20和永磁电机矢量控制模块31相连，永磁电机矢量控制模块31的输出端与空间电压矢量脉宽调制模块SVPWM32相连，空间电压矢量脉宽调制模块SVPWM32的输出端与逆变器40的输入端相连，逆变器40将控制信号输出至永磁电机70。
所述的电流、电压以及温度传感器调节电路AD60采样永磁电机70的A相电流、B相电流传感器信号、定子绕组温度和逆变器温度信号以及霍尔位置传感器信号，通过模数转换模块33和传感器测量处理模块34得到永磁电机相电流信号、电机位置角θ、电机速度ω以及电机温度和逆变器温度信号值，通过CAN通讯由整车控制器接口20发送电机的信息给整车控制器10，同时输入给永磁电机矢量控制模块31。
所述的永磁电机矢量控制模块31根据运行模式和速度指令以及扭矩指令的要求，通过采用每安培最大扭矩控制或者弱磁控制产生直轴和交轴电流参考值，然后对电机直轴和交轴电流进行PI控制，输出直轴和交轴电压值，再采用Clark和Park逆变换产生空间电压矢量脉宽调制模块SVPWM32输入信号，空间电压矢量脉宽调制模块SVPWM32输出信号输入逆变器驱动电机旋转。
所述的永磁电机矢量控制模块31选用DSP TMS320f2808芯片，具有两个独立的模块A和B的16通道12位的ADC，ADC通过DSP芯片的EPWM周期事件触发转换，转换结果保存在结果寄存器中，它包括：2个线性霍尔位置传感器信号输出，3个电流测量信号、逆变器直流母线SPI装数字接口、2个温度测量信号、电机定子温度和逆变器温度、转子位置传感器电源以及电流传感器电源。
保护电路50的输入端与电流、电压以及温度传感器相连，保护电路50的输出端分别与逆变器40和空间电压矢量脉宽调制模块SVPWM32的一个输入端相连。
美国TI(德州仪器)公司自1982年发明第一片DSP(数字处理信号)，之后不断推出新的控制器。本发明是以TMS320f2808芯片为例，它是TMS320C2000平台下的一种32位定点DSP芯片，32位CPU处理能力和灵活的外设接口更便于进行电机控制器的开发，将DSP的高速运算能力与面向电机的高效控制能力集于一体，具有了低成本、低功耗、高性能的处理能力，对电机的数字化处理非常有用。如图1所示，在混合动力汽车中，图中逆变器40主电路由汽车上的电池***供电，作为逆变桥的母线电压，逆变桥由6个IGBT组成，其输出驱动永磁同步电机70。IGBT的触发信号由DSP控制器给出。通过电流、电压传感器以及位置传感器的模拟输入，通过模数转换33，再进行处理作为永磁同步电机70控制算法的输入信号。如图中虚线部分为DSP控制器部分，为永磁同步电机70的矢量控制核心部分。它主要包括：(1)通过CAN与整车控制器20进行通讯；(2)永磁同步电机70矢量控制算法实现；(3)空间电压矢量脉宽调制模块SVPWM32；(4)模数转换模块33；(5)对传感器信号处理。在本混合动力汽车***中，电机有四种运行模式：零扭矩模式、故障模式、速度模式、扭矩模式。电机控制模块30通过CAN从整车控制器10接收信息包括电机运行模式，如果新模式被电机控制器接收后，对新模式进行模式错误检查。直接从速度模式跳转到扭矩模式或者直接从扭矩模式跳到速度模式导致模式错误。以下对零扭矩模式、故障模式、速度模式、扭矩模式进行说明。
1、速度模式
该模式只被用在发动机启动时，HCU给MCU速度指令，如果MCU当前速度已超出了指定的发动机启动速度，则MCU速度控制指令会钳制在允许的范围之内。电机控制模块30控制环调节电机扭矩以达到使电机运行在指定的速度，这个扭矩不能变为负值，如果电机被驱动到比要求速度更高的转速时，控制扭矩将会钳制为零。
2、扭矩模式
仅当发动机启动成功后，电机运行在扭矩模式。此模式提供辅助扭矩和再生制动功能，扭矩控制是此电机矢量控制的核心部分；对电机需求扭矩指令来自HCU CAN信息；如果MCU得到的电机扭矩超过ISG电机最大扭矩，这个扭矩指令会被钳制为最大扭矩值。为了抵消反电动势对电机的影响，能达到需求的扭矩，在高速时应用弱磁控制方法。MCU控制环会调节扭矩保持到指令值。速度不会变为负值，如果指令扭矩会使电机反转，则电机控制扭矩钳制为零。
3、故障模式
故障模式是针对***故障例如：传感器故障、门驱动故障、逆变器故障等用来保护MCU硬件和电机。对于MCU故障有两种故障模式处理方法。
(1)、DSP检测到MCU可恢复故障(与控制器硬件无关)，比如：传感器失败、电机超速等，DSP将会禁止产生驱动信号。如果弱磁控制采用，DSP PWM控制输出禁止，否则3相驱动开关钳制为闭合。DSP保持控制inverter直到ISG***复位(发动机停止，重新点火)才取消钳制动作，在这个模式没有不可控电池充电。
(2)、如果DSP检测到与控制器硬件相关的故障。比如：inverter出错、门驱动电源故障等。DSP不会控制Inverter并且不会产生驱动信号。DSP会把故障信号通过CAN传给HCU，HCU会对硬件作出相应的动作直到***复位为止。
4.零扭矩模式
ISG电机被控制提供零扭矩输出，在高速时，需要电机绕组中的弱磁电流以压制反电动势。因此零扭矩模式为速度模式和扭矩模式转换过渡模式，为电机运行提供可靠保障。
在混合动力汽车***中，需要使电机运行于高速区，拓宽电机***的调速范围。电机的控制运行与***中逆变器密切相关，在电机端电压不可能提高的情况下，减弱电机磁场是实现电机转速升高的方法。对于永磁电机，不可能直接减弱转子磁场，因此利电机直轴电枢反应使气隙磁场减弱，从而达到直接减弱磁场的控制效果。在本混合动力***中，对于电机矢量控制根据控制要求采用每安培最大扭矩控制或者弱磁控制方法。
以下结合TMS320f2808芯片说明本发明的具体实施例。
TMS320f2808高性能的CPU以及强大的外设如增强型PWM(EPWM)、CAN、ADC等模块使得它非常适合于电机控制中。
如图2所示为电机DSP控制器与***逆变器硬件电路接口图。考虑到***的安全，母线直流电压通过采用片外12位SPI(串联外设接口)ADC芯片与DSP接口。CS为***ADC芯片片选信号，clock为时钟***ADC芯片，data为输入DSP芯片的直流母线电压。
从图2可以看出，DSP控制器主要应用了GPIO、ADC、PWM、CAN模块。通过配置GPIO为可用的PWM以及CAN。
(1)、ADC模块
DSP TMS320f2808芯片具有两个独立的模块A和B的16通道12位的ADC。在图2所示中，ADC是通过DSP芯片的EPWM周期事件触发转换，转换结果保存在结果寄存器中。ADC模块主要负责更新***测量信号，它主要包括：
a、2个线性霍尔位置传感器信号输出。霍尔传感器互差90度电角度装在电机定子上；
b、3个电流测量信号。电机A相电流、B相电流和逆变器直流母线电流；
c、逆变器直流母线SPI装数字接口；
d、2个温度测量信号：电机定子温度和逆变器温度；
e、转子位置传感器电源；
f、电流传感器电源。
(2)、GPIO模块
a、发动机点火信号：它指的是点火钥匙状态，当它为高为点火钥
匙为有效。当电机运行在任何模式时，发动机点火信号变为无效信号时，DSP会使电机运行到故障模式。
b、DSP watchdog kick：当它为高时有效。需要产生脉冲信号去复位外部watchdog，否则DSP其他管脚会接收到外部Watchdog的复位信号。
c、门驱动饱和故障：高电平有效，信号输出是为了清除逆变器门驱动饱和故障信号
d、电机驱动故障：高电平有效，该信号由过流、过压、温度过高保护电路触发和闭锁。
e、门驱动饱和故障：表明逆变器驱动故障。
f、门驱动电源正常：当为高电平时，表明逆变器驱动电源故障，此时EPWM信号禁止。
(2)与整车控制器的CAN通讯接口
整车控制器10通过DSP CAN与电机控制模块30通讯，整车控制器10给MCU发送速度指令、扭矩指令、电机模式、以及发动机的信息，电机控制模块30通过CAN给整车控制器发送电机扭矩信息、电机温度、运行模式、电机速度、逆变器信息以及故障等信息。
本混合动力汽车电机DSP控制器的运行流程如图3所示：
(1)、软件运行以后，在启动模块，首先进行DSP配置，首先进行GPIO(通用输入输出口)配置，设置参照图2所示，设置部分GPIO口为DIO用途，部分GPIO口分别设置为PWM和CAN用途，设置通过ADC触发PWM产生PWM中断，同时使能看门狗。等待从整车控制器发送的第一个CAN信息，直到发送了第一个正确的CAN信息，使能PWM中断，等中断达到，禁止其他中断同时复位看门狗定时器。
(2)、读取整车控制器发送的CAN信息，首先，对整车控制器速度指令和扭矩指令进行处理，同时发送电机控制器信息给整车控制器包括电机相电流、速度以及CAN通讯故障、以及过流、过压、温升过高以及硬件故障等信息给整车控制器。
(3)、读取从永磁电机AD采样的信号信息，包括温度、电流、位置和电压等测量量，同时对这些信号采用滤波等处理。本混合动力汽车中，在永磁电机的转轴上安装位置磁环，此磁环能产生正弦磁通，在永磁电机的定子安装两相霍尔传感器，与磁环磁通近似90度电角度。两相霍尔位置传感器的正/余弦输出必须根据电机反电动势进行校正调整，这样才能为矢量控制算法确定绝对同步位置信号。由于安装限制和误差，两相霍尔传感器的正交输出会出现幅值以及角度误差，因此需要对补偿来尽可能消除这些误差。
(4)、对运行模式进行处理，电机初次启动应当是速度模式，当从速度模式直接转换到扭矩模式或者从扭矩模式转换到速度模式被认为是模式错误，此时保留前一模式，当速度模式和扭矩模式转换时，必须经零扭矩模式才能转换，被认为是正确的模式。根据位置信号得到速度反馈值，根据速度指令值和速度反馈值进行速度PI控制。
(5)、计算电机最大扭矩和可用扭矩值，结合整车控制器的扭矩指令确定合适的扭矩指令值，根据优化控制方法，确定采用每安培最大扭矩控制或者弱磁控制来确定优化的直轴和交轴电流参考值。
(6)、根据ADC采样的相电流、电机温度以及逆变器温度、直流母线电压和电流的信息，进行电机运行故障判断，包括过压、过流以及温升过高的故障判断。
(7)、根据ADC采样的电流以及位置信号，通过Clark和Park变换得到直轴和交轴电流反馈值，通过对直轴和交轴电流进行PI控制。通过Clark和Park逆变换得到SVPWM输入信号，输出SVPWM驱动信号。
(8)、根据检测到的故障类型，运行于故障模式，对不同故障采用不同处理。
(9)、完成一次中断操作，使能PWM中断进入下次PWM中断操作。
Claims (5)
1.一种基于DSP的混合动力汽车用电机控制器，其特征在于：整车控制器(10)通过整车通讯接口(20)给电机控制模块(30)发送运行模式、扭矩指令以及速度指令信息，电机控制模块(30)包括永磁电机矢量控制模块(31)、空间电压矢量脉宽调制模块SVPWM(32)、模数转换模块(33)和传感器测量处理模块(34)；与电流、电压以及温度传感器调节电路AD(60)输入端相连的数据采集头与永磁电机(70)相连，传感器测量处理模块(34)输出端与传感器测量处理模块(34)的输入端相连，传感器测量处理模块(34)的两个输出端分别与整车通讯接口(20)和永磁电机矢量控制模块(31)相连，永磁电机矢量控制模块(31)的输出端与空间电压矢量脉宽调制模块SVPWM(32)相连，空间电压矢量脉宽调制模块SVPWM(32)的输出端与逆变器(40)的输入端相连，逆变器(40)将控制信号输出至永磁电机(70)，永磁电机(70)有四种运行模式：零扭矩模式、故障模式、速度模式和扭矩模式，电机控制模块(30)通过CAN从整车控制器(10)接收永磁电机(70)的运行模式。
2.根据权利要求1所述的混合动力汽车用电机控制器，其特征在于：所述的电流、电压以及温度传感器调节电路AD(60)采样永磁电机(70)的A相电流、B相电流传感器信号、定子绕组温度和逆变器温度信号以及霍尔位置传感器信号，通过模数转换模块(33)和传感器测量处理模块(34)得到永磁电机相电流信号、电机位置角θ、电机速度ω以及电机温度和逆变器温度信号值，通过CAN通讯由整车控制器接口(20)发送电机的信息给整车控制器(10)，同时输入给永磁电机矢量控制模块(31)。
3.根据权利要求1或2所述的混合动力汽车用电机控制器，其特征在于：所述的永磁电机矢量控制模块(31)根据运行模式和速度指令以及扭矩指令的要求，通过采用每安培最大扭矩控制或者弱磁控制产生直轴和交轴电流参考值，然后对电机直轴和交轴电流进行PI控制，输出直轴和交轴电压值，再采用Clark和Park逆变换产生空间电压矢量脉宽调制模块SVPWM(32)输入信号，空间电压矢量脉宽调制模块SVPWM(32)输出信号输入逆变器驱动电机旋转。
4.根据权利要求1或2所述的混合动力汽车用电机控制器，其特征在于：所述的永磁电机矢量控制模块(31)选用DSP TMS320f2808芯片，具有两个独立的模块A和B的16通道12位的ADC，ADC通过DSP芯片的EPWM周期事件触发转换，转换结果保存在结果寄存器中，它包括：2个线性霍尔位置传感器信号输出，3个电流测量信号、逆变器直流母线SPI装数字接口、2个温度测量信号、电机定子温度和逆变器温度、转子位置传感器电源以及电流传感器电源。
5.根据权利要求1所述的混合动力汽车用电机控制器，其特征在于：保护电路(50)的输入端与电流、电压以及温度传感器相连，保护电路(50)的输出端分别与逆变器(40)和空间电压矢量脉宽调制模块SVPWM(32)的一个输入端相连。
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