DSPTMSF的电动汽车驱动系统设计方案论文.docx
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DSPTMSF的电动汽车驱动系统设计方案论文
基于TMS320F2812的电动汽车驱动系统设计
姓名
陈逸武
学号
11226214
班级
自动化三班
指导老师
王坚
完成日期2014/5/20
第一章引言........................................1
第二章驱动系统的硬件设计..........................2
2.1控制电路设计...................................2
2.2功率主回路的设计...............................2
2.3滤波整形电路设计...............................3
第三章系统的控制策略..............................4
3.1速度计算和调节.................................4
3.2电流计算和调节.................................4
第四章系统的软件设计..............................5
笫五章实验结果与结论..............................6
致谢...............................................7
参考文献...........................................8
附录tms320f2812引脚图............................9
摘要
针对当前电动车运行效率低,稳定性差的特点,提出了新型电动汽车驱动系统的设计方法。
系统以高性能DSP芯片TMS320F2812作为控制核心,通过传感器实时采集相电流和转子转速信号,从而实现模糊正比例算法的双闭环控制。
实验
结果表明,该系统具有性能好、结构简单、可靠性高等特点。
关键词:
电动汽车;无刷电机;驱动;双闭环控制
Abstract
Inviewofthecurrentcharacteristicsofthedevelopmentofelectricvehicles,anewtypeofsmallandmedium-sizedelectricvehicledrivesystemisdesigned.Ahigh-performanceDSPchipTMS320F2812isusedascontrolcore,throughthereal-timesamplingofthephasecurrentandrotorspeedsignalbysensor,thedouble-loopcontrolisachieved.Theexperimentalresultsshowthatthesystemhasahigh-performance,simplestructure,highreliability.
Keywords:
electricvehicle;brushlessmotor;drive;doubleclosed-loopcontrol
1引言
电动汽车具有无污染,噪声低等优点,而传统中小型电动车控制器多采用基于有刷直流电机的控制系统,该系统属于机械换向,运行效率低。
为此设计了一种基于无刷直流电机的控制系统,整个系统的主控芯片为TMS320F2812型DSP,并针对无刷直流电动机非线性、强耦合、多变量以及传统控制方法难以进行优良控制的特点,采用了双闭环控制,以使系统更加稳定可靠[1]
2驱动系统的硬件设计
系统中的DSP根据外设输入模拟和数字信号确定电机的运行状态和转动速度,通过改变PWM波的占空比和功率管的导通顺序,达到控制电机的目的。
并采集安装在电机电枢上的霍尔位置传感器发出的信号,对电机进行实时位置检测和速度计算。
系统硬件框图如图1所示。
系统框图—图1
2.1控制电路设计
系统以TMS320F2812作为整个电动汽车驱动系统的核心。
TMS320F2812为32位定点DSP控制器,是目前数字控制器领域中最先进的处理器之一,采样频率高达150MHz,大大提高了控制精度和芯片处理能力,其丰富的外设接口非常适用于运动控制领域[2]。
在系统中设置DSP上的EVA为通用定时器工作方式,EVB为捕获工作方式。
首先采集脚踏板信号,脚踏板类似于0~5kΩ的电阻器,将电瓶电压分压后输入DSP的A/D采集口,将采集到的电压与预先设置的最大转速对应电压相比后,即可确定给定电机转速。
当实际转速与给定转速存在偏差时,通过模糊正比例算法直接改变比较寄存器的值以改变输出PWM占空比,从而调节无刷电机的速度。
为了实现无噪声操作,减少电瓶的损耗,PWM采用高频设计,根据工业标准设为20kHz。
在控制三相电机时,转子位置信号的获取十分关键。
设计中考虑实际,选择了技术更加成的熟霍尔位置传感器。
将相位差为120°的霍尔传感器安装在电机电枢上,通过DSP捕获口捕捉霍尔元件发出的高速脉冲信号,实现转子的转动位置检测[3]
功率主回路—图2
2.2功率主回路的设计
采用由6只功率MOSFET场效应管组成的三相全控桥作为功率变换元件,任意时刻有两相绕组导通,第三相绕组处于悬空状态。
功率管有6种触发状态,每次只有两只管子导通,每隔60°电角度换相一次,每次换相一个功率管,每一个功率管导通120°电角度。
功率主回路如图2所示。
由于DSP属于低功耗处理器,输出的PWM信号驱动能力较弱,无法直接驱动MOSFET。
采用上散热片,起到散热保护作用.A口,以便能及时关闭PWM波输出并使电机停止运转。
2.3滤波整形电路设计
在实际应用中,霍尔位置传感器输出的电机位置信号往往抖动很大,需经过滤波整形再输入到DSP捕获口。
具体电路如图3所示。
设计中所用霍尔传感器输出的位置信号为5VTTL电平,因此信号须经过5~3.3V电压转换再输入到DSP口。
霍尔电路图—图3
3系统的控制策略
为使系统具有良好的调速性能,可将其设计为双闭环系统控制(速度外环和电流内环),结构框图如图4所示。
为了简化电路设计,速度调节和电流调节均用软件编程实现。
3.1速度计算和调节
速度作为外环,采用模糊控制方式,以获得最佳的动态效果。
由于查表法比较容易在微处理器上实现,所以系统采用查表法来实现模糊控制法。
该算法中的输入变量为电动机转速,输出变量为电枢电流。
设输入量电动机转速偏差E的基本论域为[-50,50],模糊论域X=[-6,6],则误差因子e的量化因子Ke=6/50=0.12,语言变量选取7个语言值:
S3,S2,S1,CE,L1,L2,L3。
设转速偏差变化EC的基本论域为[-20,20],模糊论域Y=[-6,6],则误差因子ec的量化因Kec=6/20=0.3,语言变量选取5个语言值PB,PS,ZO,NS,NB。
设输出电枢电流U基本论域为[-60,60],模糊论域Z=[-6,6],则误差u的量化因子Ku=6/60=0.1,语言变量选取7个语言值PB,PM,PS,ZO,NS,NM,NB。
选取三角形作为隶属曲线。
根据专家知识和熟练操作人员的经验积累,对电机运行时输入输出变量的变化规律,总结出基于ifEandECthenU指令的19条模糊规则,由模糊规则可列出模糊规则表,如表1所示。
系统在离线计算基础上,可建立模糊控制器查询表。
计算出查询表后,将其事先存于计算机存储单元中,并编制一个查找查询表的子程序。
模糊规则表—表1
3.2电流计算和调节
电流调节采用比例调节,公式如下:
COMP(K)=COMP(K-1)+KpcIDC_ERROR(K)
(1)式中:
COMP(K)为产生的PWM的比较值;IDC_ERROR(K)为第K次电流偏差;Kpc为电流比例系数。
4系统的软件设计
在系统软件框架设计时,设置时基来调度所有的子程序。
时基用定时器来实现,每个子程序都设置一个计数值,定时器中断时,计数值加1,达到计数值后置标志位。
在主循环中,根据标志位执行该子程序。
这样每个子程序都能够在确定时间间隔内执行一次,确保子程序所占用的执行时间,保证了程序的可靠性。
软件使用DSP上16位定时器1作为时基,每200μs产生一次定时中断。
根据不同实时性要求,设置每4ms进行一次A/D采集,之后进行电流调节,每10ms进行一次转速计算,之后进行转速调节。
将CAP4~CAP6口设置为捕获口,每发生一次脉冲跳变,就产生一次中断,并在中断子程序中判断电机转动位置,调用换向程序。
图5示出主程序流程。
程序流程图—图5
5实验结果与结论
在实验平台上,以1kW电机作为实验对向,给定转速为1500r·min-1,并带有轻量负载,仿真波形如图6所示,实验波形如图7所示。
图7a为安装在转子上的3个传感器T1,T2,T3输入的位置检测波形。
实验结果表明,系统能够较好地完成对无刷直流电机的控制,整个控制方案切实可行,适用于电动车的生产与应用。
给定转速的仿真波形—图6
实验波形—图7
致谢
感谢XX文库对这次论文的理论支持
感谢曹波.谢利理.王博教授的论文参考
参考文献
[1]张琛.直流无刷电动机原理及应[M].北京:
机械工业出版社,1996.
[2]徐科军,张瀚,陈智渊.TMS320X281XDSP原理与应用[M].北京:
北京航空航天大学出版社,2006.
[3]ImplementationofaSensorlessSpeedControlledBrushlessDCdriveusingTMS320F240[S].TexasInstrument,1997.
[4]TexasInstrumentsIncorporated.TMS320C28X系列的CPU与外设[M].张卫宁,译.北京:
清华出版社,2005
附录tms320f2812引脚图