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TMS320F241在混合动力汽车电机控制中的应

TMS320F241在混合动力汽车电机控制中的应用
作者:    时间:2009-05-24    来源: 
 
       随着城市环境污染问题的日益严重,汽车尾气的控制越来越受到人们的重视,很多国家都开展了电动汽车的研究。但是电动汽车存在续驶里程短、动力性能差等弱点,加之成本太高,目前还无法大批量投入市场。为了兼顾传统燃油汽车和电动汽车的优点,国内外都开始进行混合动力汽车的研究。
  由于混合动力汽车有两套驱动系统,驱动系统与整车控制单元(VCU)之间的信息交换与协调就显得尤其重要。CAN(Controller Area Network)总线即控制器局域网络,是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络,属于现场总线的范畴,具有实时性强、可靠性高、抗干扰性强、结构简单、操作性好、价格低廉等特点,因此被广泛用于工业控制中。
  TMS320X24X是TI公司专为数字电机控制而设计的系列芯片。而TMS320F241与同系列的TMS320C240或TMS320F240相比,除了具有后者的基本功能之外,还内嵌了CAN模块,因此很适合混合动力汽车电机驱动系统的控制。
1 TMS320F241的主要特点

  与TMS320X240相比,TMS320F241除了多出一个CAN模块之外,还具有以下不同之处:
  ?TMS320X240具有双10位A/D转换器,16个输入通道,转换时间为6μs;而TMS320F241则只有一个10位A/D转换器,8个输入通道,转换时间为1μs。
  ?TMS320X240的事件管理器中有3个定时/计数器、4个捕获单元和9路PWM输出(6个Full PWM和3个Simple PWM);而TMS320F241的事件管理器中只有2个定时/计数器、3个捕获单元和6路PWM输出(6个Full PWM),计数器的计数方式也少了单上升沿和单上升/下降沿两种模式。
 
  TMS320F241具有8K片内Flash,没有扩展RAM接口,调试起来不是很方便。但可以用同系列的TMS320F243EVM板进行调试,程序几乎不同修改就能移植到TMS320F241芯片内运行。
2 无刷直流电机控制系统方案

  图1为电机系统控制框图,采用转换和电流双闭环控制。

  转子位置由霍尔元件检测,是3个相差120度(电角度)、脉宽为180度(电角度)的重叠信号。由转子位置可得出转速,进而得到电流的计算值;而由电流传感器可以检测到实际的电流,根据电流给定值与实际值两者的差值调节PWM信号的占空比,并根据当前转子位置触发相应的功率开关器件,从而达到控制电机转速的目的。
  逆变器采用IPM智能功率模块,它内含功率开关器件和驱动电路以及过程电压、过电流等检测电路,其中的开关器件为IGBT。
  电机控制策略中各功能模块(包括ASR、ACR、PWM、换流逻辑和转速计算)都由TMS320F241芯片实现。
3 TMS320F241的外围设计
  图2是TMS320F241芯片的主要外围接线图。有关说明如下:

  XTAL1和XTAL2之间接5MHz的晶振,提供系统时钟。
  3个捕获单元的引脚CAP1、CAP2、CAP3连接到霍尔元件的输出,转子的位置信号存储到捕获单元的缓冲器,经过计算可以得到转子转速。
  A/D转换器的8位输入通道中,用了5个通道,输入量分别是直流母线电流Idc、电压Vdc以及电机三相电流Iu、Iv、Iw;另外3个通道经过电阻接地。
  6路PWM输出接到逆变器六个开关器件的控制端,其中U+、V+、W+接上桥臂,U-、V-W-接下桥臂。这6路PWM信号控制着开关器件的开通与关断,从而决定了电流的流经路径。
  TMS320F241的CAN模块引脚CANRX和CANTX通过光耦器件6N137连接到收发器82C250,而收发器82C250再通过两个引脚 CANH和CANL与CAN总线相连,从而实现了TMS320F241与CAN总线间的通讯。其通讯介质采用双绞线,如果通讯距离在40m之内,最高传输速率可达1Mbps。

4 TMS320F241的CAN编程

  TMS320F241的CAN模块是FullCAN控制器,可以发送和接收标准帧(11位标识符)和扩展帧(29位标识符),它含有6个邮箱(Mailbox)以及15个不同的16位寄存器。这些寄存器分控制寄存器、状态寄存器、中断寄存器和本地接收屏蔽寄存器,它们映射到DSP的数据地址空间为0x7100h~0x710Fh。6个邮箱中有两个收件箱(编号为0和1)、两个发件箱(编号为4和5),还有两个邮箱(编号为2和3)可以根据需要设置为收件箱或发件箱。而每个邮箱又包含标识符、信息长度及远程帧发送请求、数据等三个部分,其中发送或接收的数据长度为8字节。6个邮箱占用地址空间为 0x7200h~0x722Fh。

  要使TMS320F241芯片能够正确地收发信息,首先要初始化CAN模块。CAN总线上每个节点的位传输时间是可以编程的(通过设置波特率),但必须相同。当一个节点收到一幅帧时,接收器必须与发射器保持同步。邮箱初始化的步骤如下:
  (1)禁用邮箱
  CANMDER=00000000000000000000b
  (2)设置改变数据请求
  CANMCR=0000000100000000b(bit8CDR=1)
  (3)改变邮箱的标识符、控制字和数据(只有发件箱才能改变数据)
  (4)反回正常模式
  CANMCR=00000000000000000000b
  (5)启用邮箱(ME=1)
  初始化CAN模块之后,再经过正确的配置,就能够收发数据信息了。
  图3和图4分别是CAN模块发射和接收信息流程图。
  通过以上介绍可以看出,TMS320F241是一种专用于电机控制且内嵌CAN模块的DSP芯片。用它可以方便地对混合动力汽车(HEV)的永磁无刷直流电机实现速度控制,同时利用其内嵌的CAN模块,可以通过CAN总线(协议规范CAN2.0)与混合动力汽车的整车控制单元(VCU)进行通讯。因而非常适用于混合的动力汽车永磁无刷直流电机控制系统。

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