CN202696532U - 基于dsp与fpga的电动车电机驱动***控制器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及基于DSP与FPGA的电动车电机驱动***控制器，通过电源模块连接至电机***，包括通过外部并行总线连接的DSP芯片和FPGA芯片，其中：DSP芯片连接至电机***，同时，DSP芯片连接有CAN通信模块，电机***分别通过母线电压采集模块、三相电流采集模块、光电编码器模块、保护电路模块、模拟控制信号模块与FPGA芯片连接，FPGA芯片再连接至DSP芯片；通过DSP和FPGA的结合，既充分发挥了DSP较强的计算能力，又充分发挥了FPGA的数据采集和处理能力，本实用新型可以使电动车的控制具有采集数据速度快、精确度高、安全可靠、通信速度快、控制简便的特点。
Description
技术领域
本实用新型涉及电动车电机驱动***技术，特别是一种基于DSP与FPGA双MCU的电动车电机驱动***控制器。
背景技术
进入21世纪，世界各国面临着石油资源枯竭和环境污染严重两个巨大挑战，在我国，这两个问题尤为突出。电动车由于能够实现零排放，所以能够有效地避免空气污染，同时它直接利用电能驱动，摆脱了对石油的依赖。随着科学技术的发展，电动车技术的研究，正在成为世界各国现代车辆研究和发展的重点。
随着电力电子技术和计算机控制技术的迅速发展 ,在电动车的电机驱动控制***中已开始采用各种新型、 高性能的器件。如数字信号处理器(DSP)、现场可编程门阵列( FPGA)、智能功率控制模块等，以实现数字控制。以往的电机控制***大多是基于DSP，DSP+GAL，DSP+CPLD构架。例如公告号为CN102377380A，公开日为20120314的中国专利文献，公开了一种电动车辆交流永磁同步电机控制***，包括交流永磁同步电机、功率变换器、控制器和检测器，所述控制器为一DSP微处理器，所述检测器包括位置检测器和电流检测器，所述位置检测器和电流检测器将其各自检测到的交流永磁同步电机的转子位置/速度信号和电流信号分别输入DSP微处理器，所述DSP微处理器根据输入的转子位置/速度信号计算出电流的给定值，再与输入的电流检测值相比较得出相应的控制信号，并经功率变换器驱动交流永磁同步电机；所述功率变换器采用由MOSFET逆变器和IGBT逆变器构成的三相双逆变桥式结构。
但是该方案也和上述构架一样，同样在实现时序逻辑的功能方面比较弱，实现复杂的控制算法和保证实时性也比较困难。
发明内容
本实用新型的目的是提供一种基于DSP与FPGA的电动车电机驱动***控制器，通过DSP与FPGA双MCU的有效结合，和传统构架相比，通过DSP与FPGA的结合在时序逻辑方面具有很明显的优势，实现了信号采集速度快，精度高，编程方便，控制可靠，安全稳定，通信速度快，操作便捷等目的。
为了达到上述目的，本实用新型的技术方案如下：
基于DSP与FPGA的电动车电机驱动***控制器，通过电源模块连接至电机***，其特征在于：包括通过外部并行总线连接的DSP芯片和FPGA芯片，其中，DSP芯片连接至电机***，同时，DSP芯片连接有CAN通信模块，电机***分别通过母线电压采集模块、三相电流采集模块、光电编码器模块、保护电路模块、模拟控制信号模块与FPGA芯片连接，FPGA芯片再连接至DSP芯片。
所述三相电流采集模块为电流传感器。
所述母线电压采集模块、三相电流采集模块、模拟控制信号模块和FPGA芯片之间还设置有模数转换芯片（A/D芯片）。
在电机驱动控制器中，DSP芯片和FPGA芯片分工合作：FPGA芯片主要承担采集电机各项信号的工作，包括模拟控制信号，三相电流信号，母线电压信号，光电编码器信号，保护电路信号；DSP芯片主要承担计算和输出PWM波的工作，通过定时读取FPGA采集的电机反馈信号，DSP就能确定电机***目前的状态，通过一定的算法，对其进行进一步的控制。
由于采集信号中的三相电流传感器信号、母线电压信号和踏板信号均为模拟信号，为了提高控制效率和采样频率，本技术方案采用FPGA控制A/D数模转换芯片来对模拟信号进行调理和转换。模拟信号通过A/D芯片之后可以转换为数字信号输入FPGA，存于FPGA内部RAM中。这样不但提高了采集反馈信号的速度，还提高了反馈信号的精度。
所述电动车电机控制的控制方式主要采用电压空间正弦波脉宽调制（SVPWM），而DSP芯片带有事件管理器模块，可以让设计人员非常方便地通过软件编程的方法生成各种形式的SVPWM，易于SVPWM的数字化实现。通过在算法中配置比较寄存器CMPR1，CMPR2和CMPR3，事件管理器可以产生3相6路互补的带可编程死区的PWM波信号。由DSP芯片直接输出PWM波，大大提高了***的抗干扰能力。
在提高电动车电机控制器的可靠性方面，控制器保护模块可以把电机的异常状态，包括短路、过流、缺相、过载、主电路过压和控制电路欠压，送到FPGA的故障处理机进行处理，DSP则通过外部中断等方式，快速地对DSP的PWM通道进行锁存。同时，FPGA还可以通过温度传感器来监控电机和功率模块的温度，并且作为反馈信号由DSP定时读取，并且在温度过高的时候快速锁存PWM通道并报警。这样就避免因为器件温度太高而造成功率模块和电机的损坏，提高了电机***的安全稳定性。
在通信方面，DSP自带的1M通信速率的CAN总线功能提供了控制器与外界的通信接口，它能够极大地提高数据传输的速度和精度。CAN总线有两个功能，一是通过DSP将采集到的数据滤波后，打包发送到其他接收设备；二是DSP通过CAN总线接收外界发送的数据包，对电机实现简单的控制，同时，电动车电机控制器的程序的更新和下载也可以方便快捷地通过CAN总线通信来完成。另外，控制器上也集成了一般的通信接口，如RS232，RS485等，这些都可以通过DSP的特定模块进行控制和通信。
在提高***操作方便性方面，电动车电机驱动控制器上还集成了与FPGA相连的模拟控制信号模块。模拟控制信号包括踏板信号，刹车信号，前进/后退信号，钥匙信号。FPGA可以实时地采集这个模块的模拟量和数字量，以此来判断操作者的意图，然后根据采集到的模拟控制信号改变DSP的控制状态，从而改变电动车电机***的状态。
本实用新型的实现原理如下：
首先，FPGA自动采集模拟控制信号模块的控制信号，DSP根据FPGA采集的状态信号确定电机的运行状态。若采集到的钥匙信号为解锁状态，则电机正常运行，反之则锁存DSP的PWM通道。在钥匙信号为解锁的状态下，若检测到前进信号，则电机正转；若为后退信号，则电机反转；若检测到刹车信号，则电机立刻将速度降为0。其次，DSP可以根据模拟控制信号输出的踏板信号，来确定电机的转速。DSP还可以通过CAN总线接收外界给予的控制信息来控制电机的运行状态，转速等，据此来对电机进行控制。
由于采用了上述的技术方案，本实用新型的有益效果如下：
DSP和FPGA两个MCU的结合，能够优势互补，取长补短，既充分发挥了DSP较强的计算能力，又充分发挥了FPGA的数据采集和处理能力的特点，并且在时序逻辑方面具有很明显的优势，使电动车的控制具有采集数据速度快，精确度高，安全可靠，通信速度快，控制简便的特点。
附图说明
图1为本实用新型的结构框图
图2为本实用新型的数据流图
其中，附图标记为：1、DSP芯片，2、FPGA芯片，3、电机***，4、CAN通信模块，5、母线电压采集模块，6、三相电流采集模块，7、光电编码器模块,8、保护电路模块.9、模拟控制信号模块,10、A/D芯片，11、电源模块。
具体实施方式
下面结合实施例来具体说明本实用新型。
如图1-2所示，基于DSP与FPGA的电动车电机驱动***控制器，通过电源模块连接至电机***，包括通过外部并行总线连接的DSP芯片和FPGA芯片，其中，DSP芯片连接至电机***，同时，DSP芯片连接有CAN通信模块，电机***分别通过母线电压采集模块、三相电流采集模块、光电编码器模块、保护电路模块、模拟控制信号模块与FPGA芯片连接，FPGA芯片再连接至DSP芯片。
DSP为32位数字信号处理芯片，DSP芯片采用TI公司推出的高性能32位DSP芯片TMS320F2812，最高主频可以达到150MIPS，这款DSP是目前控制领域的最高性能的处理器，具有精度高、速度快、集成度高等特点。它的内核支持IQ变换函数库，使研发人员能够方便地使用定点DSP来实现浮点运算。由于器件集成了快速的中断管理单元，使得中断延迟时间大幅减少，满足了实时控制的需要。DSP的主要功能是定时从FPGA中读取采集回来的电机反馈信号，根据这些反馈信号，计算出控制电机所需要输出PWM波的占空比信息，向功率模块输出PWM波，并且实时把信息通过CAN通信发送到外界，同时接收外界的控制信息。CAN通信模块方面，采用DSP片内自带的CAN通信模块，主要用于实现外界和DSP之间的通信。
FGPA为超大规模可编程逻辑门阵列，FPGA芯片采用Altera 公司的 FPGA 芯片EP2C35F484C8，这款芯片属于CycloneⅡ 系，具有33216 个逻辑单元，RAM( kbit) 为484，采用VHDL语言描述。FPGA的主要功能是控制和采集电流传感器模块，母线电压采集模块，光电编码器模块所得到的电机反馈信号，将其根据FIFO原则存储在片内RAM中，通过总线传输给DSP作为控制的反馈信号，并且通过模拟控制模块和保护电路随时改变电机的控制状态。为了保证DSP和FPGA在工作时序上的一致性，FPGA的时钟信号由DSP的CLKOUT引脚提供。
所述三相电流采集模块为电流传感器。
所述母线电压采集模块、三相电流采集模块、模拟控制信号模块和FPGA芯片之间还设置有模数转换芯片（A/D芯片）。
A/D芯片采用ADS8364，这款芯片是一款低能耗高速度 16 位高速并行接口的高性能模数转换芯片，拥有强大的抗干扰能力，时钟信号最高频率 5 MHz，采样频率为250 kHz， 采样/转换可在20 个时钟周期内完成。它的主要功能是对采集的模拟信号进行快速调理，将其转换为数字信号输入FPGA中，提高***采集数据速度和精度。由于ADS8364的时钟信号需要由外部提供，这里使用FPGA对其提供时钟信号，这样就能通过FPGA灵活改变芯片时钟频率，进而改变采样频率。
电动车电机***采用矢量控制的控制方式。电机在运行过程中，电流传感器能实时地检测三相电流的值，反馈给驱动***控制器。DSP从FPGA中读取这些电流值之后，可以通过坐标变换，将电流从三相静止坐标系变换到两相旋转坐标系，解耦转子磁链和电磁转矩，以利于矢量控制的计算。DSP根据矢量控制的算法计算之后，输出PWM波来对电机进行控制。
本实用新型的实现原理如下：
首先，FPGA自动采集模拟控制信号模块的控制信号，DSP根据FPGA采集的状态信号确定电机的运行状态。若钥匙信号为解锁状态，则电机正常运行，反之则锁存DSP的PWM通道。在钥匙信号为解锁的状态下，若检测到前进信号，则电机正转；若为后退信号，则电机反转；若检测到刹车信号，则电机立刻将速度降为0。其次，DSP可以根据模拟控制信号输出的踏板信号，来确定电机的转速。DSP还可以通过CAN总线接收外界给予的控制信息来控制电机的运行状态，转速等，据此来对电机进行控制。
电动车电机***的运行流程为：
电机***运行时 , FPGA 同步采集光电编码器脉冲信号 、保护电路脉冲信号、电机驱动端的三相电流传感器信号和母线电压信号，获得的信号通过由FPGA控制的A/D芯片进行信号调理之后，经由总线传输到FPGA的内部寄存器。DSP通过外部并行总线与FPGA相连，把FPGA的内部寄存器地址映射到内部IO空间中，并且定时通过总线从存储器中获取传感器信号和控制信号。通过这些数据，DSP可以根据磁场定向控制原理，通过矢量控制的算法对位置环和速度环进行控制，计算出三相PWM波的占空比后，向电机***的智能功率模块输出PWM波，达到控制电机的目的。
随着近年来DSP芯片价格不断下降，特别是电机控制专用DSP芯片的出现，为交流伺服***的全数字化提供了硬件支持。FPGA集成度非常大，片内通常含有几万、几十万个等效门，可以方便地实现多次修改，所以单片FPGA就可以替代多块集成电路和分立元件组成的电路，实现复杂的逻辑功能，并且可以替代微处理器完成部分功能，减轻核心处理器的负担。
因此在电动车电机驱动***通过FPGA+DSP结构实现全数字化，不仅使其控制***的体积大大缩小，可靠性明显提高，而且还便于一些先进控制策略的实现，对推动电机驱动***智能化发展具有重要意义。
在电机的控制策略上，一般控制算法采用的矢量控制和直接转矩控制，都需要大量的数学运算。如果使用FPGA进行在线实时运算将会浪费大量的逻辑资源。但是如果由DSP实现如采集光电编码盘等高速、周期性强的信号，保护模块信号的检测等功能，势必会占用大量的DSP时间。DSP在计算的速度和精度上，都具有一定的优势；FPGA信息采集能力和调度能力十分强大。因此将两者结合，优势互补，FPGA芯片在控制中负责控制反馈信号和控制信号的采集，DSP芯片负责通过采集到的反馈信号和控制信号，根据一定的控制算法，计算控制电机所需要的控制量，这样就能够保证控制的快速性，精确性和可靠性。这种双MCU紧密结合的控制器能获得最大的控制效率。
Claims (3)
1.基于DSP与FPGA的电动车电机驱动***控制器，通过电源模块连接至电机***，其特征在于：包括通过外部并行总线连接的DSP芯片和FPGA芯片，其中，DSP芯片连接至电机***，同时，DSP芯片连接有CAN通信模块，电机***分别通过母线电压采集模块、三相电流采集模块、光电编码器模块、保护电路模块、模拟控制信号模块与FPGA芯片连接，FPGA芯片再连接至DSP芯片。
2.根据权利要求1所述的基于DSP与FPGA的电动车电机驱动***控制器，其特征在于：所述三相电流采集模块为电流传感器。
3.根据权利要求1所述的基于DSP与FPGA的电动车电机驱动***控制器，其特征在于：所述母线电压采集模块、三相电流采集模块、模拟控制信号模块和FPGA芯片之间还设置有模数转换芯片。
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