專利名稱：基于dsp的混合動力汽車用電機控制器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于自動控制領域中的電機控制，特別涉及混合動力汽車用電機控制。
背景技術：
由于能源問題和環(huán)境問題的日益嚴峻，人們正在考慮用混合動力汽車代替內(nèi)燃機車。融合了傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車和電動汽車優(yōu)點的混合動力汽車，電動機作為其關鍵部件，它的控制性能對于混合系統(tǒng)有舉足輕重的影響。永磁同步電機具有采用高性能永磁體，消除了旋轉(zhuǎn)伺服電動機由旋轉(zhuǎn)運動到直線運動的機械傳動鏈的影響，具有高推力精度、低損耗、小電氣時間常數(shù)、響應快等特點。由于混合動力汽車均處在研制階段，鮮有成熟可靠的適于產(chǎn)業(yè)化的混合動力汽車用電機控制器。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是提供一種適于產(chǎn)業(yè)化的混合動力汽車用電機控制器，根據(jù)混合動力汽車用永磁電機的技術要求，確定了其控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，基于矢量控制方法，實現(xiàn)電流、速度、位置以及故障的檢測，滿足了混合動力汽車電機控制的要求。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術方案是一種基于DSP的混合動力汽車用電機控制器，其特征在于整車控制器通過整車通訊接口給電機控制模塊發(fā)送運行模式、扭矩指令以及速度指令等信息，電機控制模塊包括永磁電機矢量控制模塊、空間電壓矢量脈寬調(diào)制、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊和傳感器測量處理模塊；與電流、電壓以及溫度傳感器調(diào)節(jié)電路AD輸入端相連的數(shù)據(jù)采集頭與永磁電機相連，傳感器測量處理模塊輸出端與傳感器測量處理模塊的輸入端相連，傳感器測量處理模塊的兩個輸出端分別與整車通訊接口和永磁電機矢量控制模塊相連，永磁電機矢量控制模塊的輸出端與空間電壓矢量脈寬調(diào)制模塊相連，空間電壓矢量脈寬調(diào)制模塊的輸出端與逆變器的輸入端相連，經(jīng)逆變器將控制信號輸出至永磁電機。
本發(fā)明中，整車控制器通過整車通訊接口給電機控制模塊發(fā)送運行模式、扭矩指令以及速度指令等信息。通過電流、電壓以及溫度傳感器調(diào)節(jié)電路AD采樣永磁電機A相電流、B相電流傳感器信號、定子繞組溫度和逆變器溫度信號，以及霍爾位置傳感器信號，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換和傳感器測量處理模塊得到永磁電機相電流信號、電機位置角θ、電機速度ω以及電機溫度和逆變器溫度信號值，通過CAN通訊由整車控制器接口發(fā)送電機的信息給整車控制器，同時輸入給永磁電機矢量控制模塊。電機控制模塊接收到這些信息后，永磁電機矢量控制模塊會對運行模式要求進行判斷，根據(jù)電機本身的特性以及反饋的電機溫度和逆變器溫度值對整車控制器對于電機的速度指令和扭矩指令進行判斷，確定電機矢量控制模塊的速度指令和扭矩指令值進行電機矢量控制。在永磁電機矢量控制模塊，輸入相電流和電機位置角θ，通過Clark和Park變換得到直軸和交軸電流反饋值；輸入電機速度ω作為矢量控制模塊的速度反饋值。根據(jù)運行模式和速度指令以及扭矩指令的要求，通過采用每安培最大扭矩控制或者弱磁控制產(chǎn)生直軸和交軸電流參考值，然后對電機直軸和交軸電流進行PI控制，輸出直軸和交軸電壓值，再采用Clark和Park逆變換產(chǎn)生SVPWM輸入信號，SVPWM輸出信號輸入逆變器驅(qū)動電機旋轉(zhuǎn)。
本發(fā)明根據(jù)混合動力汽車用永磁電機的技術要求，確定了其控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，基于矢量控制方法，實現(xiàn)電流、速度、位置以及故障的檢測，實現(xiàn)了混合動力汽車電機控制的要求。
附圖概述

圖1是本發(fā)明的控制原理框圖；圖2是電機DSP控制器與外圍逆變器硬件電路接口圖；圖3是電機DSP控制器的控制流程圖。
具體實施例方式
本發(fā)明是基于DSP的混合動力汽車用電機控制器，整車控制器10通過整車通訊接口20給電機控制模塊30發(fā)送運行模式、扭矩指令以及速度指令等信息，電機控制模塊30包括永磁電機矢量控制模塊31、空間電壓矢量脈寬調(diào)制32、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊33和傳感器測量處理模塊34；與電流、電壓以及溫度傳感器調(diào)節(jié)電路AD60輸入端相連的數(shù)據(jù)采集頭與永磁電機70相連，傳感器測量處理模塊34輸出端與傳感器測量處理模塊34的輸入端相連，傳感器測量處理模塊34的兩個輸出端分別與整車通訊接口20和永磁電機矢量控制模塊31相連，永磁電機矢量控制模塊31的輸出端與空間電壓矢量脈寬調(diào)制模塊32相連，空間電壓矢量脈寬調(diào)制模塊32的輸出端與逆變器40的輸入端相連，逆變器40將控制信號輸出至永磁電機70。
所述的電流、電壓以及溫度傳感器調(diào)節(jié)電路AD60采樣永磁電機70的A相電流、B相電流傳感器信號、定子繞組溫度和逆變器溫度信號以及霍爾位置傳感器信號，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊33和傳感器測量處理模塊34得到永磁電機相電流信號、電機位置角θ、電機速度ω以及電機溫度和逆變器溫度信號值，通過CAN通訊由整車控制器接口20發(fā)送電機的信息給整車控制器10，同時輸入給永磁電機矢量控制模塊31。
所述的永磁電機矢量控制模塊31根據(jù)運行模式和速度指令以及扭矩指令的要求，通過采用每安培最大扭矩控制或者弱磁控制產(chǎn)生直軸和交軸電流參考值，然后對電機直軸和交軸電流進行PI控制，輸出直軸和交軸電壓值，再采用Clark和Park逆變換產(chǎn)生空間電壓矢量脈寬調(diào)制模塊SVPWM32輸入信號，空間電壓矢量脈寬調(diào)制模塊SVPWM32輸出信號輸入逆變器驅(qū)動電機旋轉(zhuǎn)。
所述的永磁電機矢量控制模塊31選用DSP TMS320f2808芯片，具有兩個獨立的模塊A和B的16通道12位的ADC，ADC通過DSP芯片的EPWM周期事件觸發(fā)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)果保存在結(jié)果寄存器中，它包括2個線性霍爾位置傳感器信號輸出，3個電流測量信號、逆變器直流母線SPI裝數(shù)字接口、2個溫度測量信號、電機定子溫度和逆變器溫度、轉(zhuǎn)子位置傳感器電源以及電流傳感器電源。
保護電路50的輸入端與電流、電壓以及溫度傳感器相連，保護電路50的輸出端分別與逆變器40和空間電壓矢量脈寬調(diào)制模塊SVPWM32的一個輸入端相連。
美國TI(德州儀器)公司自1982年發(fā)明第一片DSP(數(shù)字處理信號)，之后不斷推出新的控制器。本發(fā)明是以TMS320f2808芯片為例，它是TMS320C2000平臺下的一種32位定點DSP芯片，32位CPU處理能力和靈活的外設接口更便于進行電機控制器的開發(fā)，將DSP的高速運算能力與面向電機的高效控制能力集于一體，具有了低成本、低功耗、高性能的處理能力，對電機的數(shù)字化處理非常有用。如圖1所示，在混合動力汽車中，圖中逆變器40主電路由汽車上的電池系統(tǒng)供電，作為逆變橋的母線電壓，逆變橋由6個IGBT組成，其輸出驅(qū)動永磁同步電機70。IGBT的觸發(fā)信號由DSP控制器給出。通過電流、電壓傳感器以及位置傳感器的模擬輸入，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換33，再進行處理作為永磁同步電機70控制算法的輸入信號。如圖中虛線部分為DSP控制器部分，為永磁同步電機70的矢量控制核心部分。它主要包括(1)通過CAN與整車控制器20進行通訊；(2)永磁同步電機70矢量控制算法實現(xiàn)；(3)空間電壓矢量脈寬調(diào)制SVPWM32；(4)模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊33；(5)對傳感器信號處理。在本混合動力汽車系統(tǒng)中，電機有四種運行模式零扭矩模式、故障模式、速度模式、扭矩模式。電機控制模塊30通過CAN從整車控制器10接收信息包括電機運行模式，如果新模式被電機控制器接收后，對新模式進行模式錯誤檢查。直接從速度模式跳轉(zhuǎn)到扭矩模式或者直接從扭矩模式跳到速度模式導致模式錯誤。以下對零扭矩模式、故障模式、速度模式、扭矩模式進行說明。
1、速度模式該模式只被用在發(fā)動機啟動時，HCU給MCU速度指令，如果MCU當前速度已超出了指定的發(fā)動機啟動速度，則MCU速度控制指令會鉗制在允許的范圍之內(nèi)。電機控制模塊30控制環(huán)調(diào)節(jié)電機扭矩以達到使電機運行在指定的速度，這個扭矩不能變?yōu)樨撝?，如果電機被驅(qū)動到比要求速度更高的轉(zhuǎn)速時，控制扭矩將會鉗制為零。
2、扭矩模式僅當發(fā)動機啟動成功后，電機運行在扭矩模式。此模式提供輔助扭矩和再生制動功能，扭矩控制是此電機矢量控制的核心部分；對電機需求扭矩指令來自HCU CAN信息；如果MCU得到的電機扭矩超過ISG電機最大扭矩，這個扭矩指令會被鉗制為最大扭矩值。為了抵消反電動勢對電機的影響，能達到需求的扭矩，在高速時應用弱磁控制方法。MCU控制環(huán)會調(diào)節(jié)扭矩保持到指令值。速度不會變?yōu)樨撝担绻噶钆ぞ貢闺姍C反轉(zhuǎn)，則電機控制扭矩鉗制為零。
3、故障模式故障模式是針對系統(tǒng)故障例如傳感器故障、門驅(qū)動故障、逆變器故障等用來保護MCU硬件和電機。對于MCU故障有兩種故障模式處理方法。
(1)、DSP檢測到MCU可恢復故障(與控制器硬件無關)，比如傳感器失敗、電機超速等，DSP將會禁止產(chǎn)生驅(qū)動信號。如果弱磁控制采用，DSP PWM控制輸出禁止，否則3相驅(qū)動開關鉗制為閉合。DSP保持控制inverter直到ISG系統(tǒng)復位(發(fā)動機停止，重新點火)才取消鉗制動作，在這個模式?jīng)]有不可控電池充電。
(2)、如果DSP檢測到與控制器硬件相關的故障。比如inverter出錯、門驅(qū)動電源故障等。DSP不會控制Inverter并且不會產(chǎn)生驅(qū)動信號。DSP會把故障信號通過CAN傳給HCU，HCU會對硬件作出相應的動作直到系統(tǒng)復位為止。
4.零扭矩模式ISG電機被控制提供零扭矩輸出，在高速時，需要電機繞組中的弱磁電流以壓制反電動勢。因此零扭矩模式為速度模式和扭矩模式轉(zhuǎn)換過渡模式，為電機運行提供可靠保障。
在混合動力汽車系統(tǒng)中，需要使電機運行于高速區(qū)，拓寬電機系統(tǒng)的調(diào)速范圍。電機的控制運行與系統(tǒng)中逆變器密切相關，在電機端電壓不可能提高的情況下，減弱電機磁場是實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速升高的方法。對于永磁電機，不可能直接減弱轉(zhuǎn)子磁場，因此利電機直軸電樞反應使氣隙磁場減弱，從而達到直接減弱磁場的控制效果。在本混合動力系統(tǒng)中，對于電機矢量控制根據(jù)控制要求采用每安培最大扭矩控制或者弱磁控制方法。
以下結(jié)合TMS320f2808芯片說明本發(fā)明的具體實施例。
TMS320f2808高性能的CPU以及強大的外設如增強型PWM(EPWM)、CAN、ADC等模塊使得它非常適合于電機控制中。
如圖2所示為電機DSP控制器與外圍逆變器硬件電路接口圖?？紤]到系統(tǒng)的安全，母線直流電壓通過采用片外12位SPI(串聯(lián)外設接口)ADC芯片與DSP接口。CS為外圍ADC芯片片選信號，clock為時鐘外圍ADC芯片，data為輸入DSP芯片的直流母線電壓。
從圖2可以看出，DSP控制器主要應用了GPIO、ADC、PWM、CAN模塊。通過配置GPIO為可用的PWM以及CAN。
(1)、ADC模塊DSP TMS320f2808芯片具有兩個獨立的模塊A和B的16通道12位的ADC。在圖2所示中，ADC是通過DSP芯片的EPWM周期事件觸發(fā)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)果保存在結(jié)果寄存器中。ADC模塊主要負責更新系統(tǒng)測量信號，它主要包括a、2個線性霍爾位置傳感器信號輸出。霍爾傳感器互差90度電角度裝在電機定子上；b、3個電流測量信號。電機A相電流、B相電流和逆變器直流母線電流；c、逆變器直流母線SPI裝數(shù)字接口；d、2個溫度測量信號電機定子溫度和逆變器溫度；e、轉(zhuǎn)子位置傳感器電源；f、電流傳感器電源。
(2)、GPIO模塊a、發(fā)動機點火信號它指的是點火鑰匙狀態(tài)，當它為高為點火鑰匙為有效。當電機運行在任何模式時，發(fā)動機點火信號變?yōu)闊o效信號時，DSP會使電機運行到故障模式。
b、DSP watchdog kick當它為高時有效。需要產(chǎn)生脈沖信號去復位外部watchdog，否則DSP其他管腳會接收到外部Watchdog的復位信號。
c、門驅(qū)動飽和故障高電平有效，信號輸出是為了清除逆變器門驅(qū)動飽和故障信號d、電機驅(qū)動故障高電平有效，該信號由過流、過壓、溫度過高保護電路觸發(fā)和閉鎖。
e、門驅(qū)動飽和故障表明逆變器驅(qū)動故障。
f、門驅(qū)動電源正常當為高電平時，表明逆變器驅(qū)動電源故障，此時EPWM信號禁止。
(2)與整車控制器的CAN通訊接口整車控制器10通過DSP CAN與電機控制模塊30通訊，整車控制器10給MCU發(fā)送速度指令、扭矩指令、電機模式、以及發(fā)動機的信息，電機控制模塊30通過CAN給整車控制器發(fā)送電機扭矩信息、電機溫度、運行模式、電機速度、逆變器信息以及故障等信息。
本混合動力汽車電機DSP控制器的運行流程如圖3所示(1)、軟件運行以后，在啟動模塊，首先進行DSP配置，首先進行GPIO(通用輸入輸出口)配置，設置參照圖2所示，設置部分GPIO口為DIO用途，部分GPIO口分別設置為PWM和CAN用途，設置通過ADC觸發(fā)PWM產(chǎn)生PWM中斷，同時使能看門狗。等待從整車控制器發(fā)送的第一個CAN信息，直到發(fā)送了第一個正確的CAN信息，使能PWM中斷，等中斷達到，禁止其他中斷同時復位看門狗定時器。
(2)、讀取整車控制器發(fā)送的CAN信息，首先，對整車控制器速度指令和扭矩指令進行處理，同時發(fā)送電機控制器信息給整車控制器包括電機相電流、速度以及CAN通訊故障、以及過流、過壓、溫升過高以及硬件故障等信息給整車控制器。
(3)、讀取從永磁電機AD采樣的信號信息，包括溫度、電流、位置和電壓等測量量，同時對這些信號采用濾波等處理。本混合動力汽車中，在永磁電機的轉(zhuǎn)軸上安裝位置磁環(huán)，此磁環(huán)能產(chǎn)生正弦磁通，在永磁電機的定子安裝兩相霍爾傳感器，與磁環(huán)磁通近似90度電角度。兩相霍爾位置傳感器的正/余弦輸出必須根據(jù)電機反電動勢進行校正調(diào)整，這樣才能為矢量控制算法確定絕對同步位置信號。由于安裝限制和誤差，兩相霍爾傳感器的正交輸出會出現(xiàn)幅值以及角度誤差，因此需要對補償來盡可能消除這些誤差。
(4)、對運行模式進行處理，電機初次啟動應當是速度模式，當從速度模式直接轉(zhuǎn)換到扭矩模式或者從扭矩模式轉(zhuǎn)換到速度模式被認為是模式錯誤，此時保留前一模式，當速度模式和扭矩模式轉(zhuǎn)換時，必須經(jīng)零扭矩模式才能轉(zhuǎn)換，被認為是正確的模式。根據(jù)位置信號得到速度反饋值，根據(jù)速度指令值和速度反饋值進行速度PI控制。
(5)、計算電機最大扭矩和可用扭矩值，結(jié)合整車控制器的扭矩指令確定合適的扭矩指令值，根據(jù)優(yōu)化控制方法，確定采用每安培最大扭矩控制或者弱磁控制來確定優(yōu)化的直軸和交軸電流參考值。
(6)、根據(jù)ADC采樣的相電流、電機溫度以及逆變器溫度、直流母線電壓和電流的信息，進行電機運行故障判斷，包括過壓、過流以及溫升過高的故障判斷。
(7)、根據(jù)ADC采樣的電流以及位置信號，通過Clark和Park變換得到直軸和交軸電流反饋值，通過對直軸和交軸電流進行PI控制。通過Clark和Park逆變換得到SVPWM輸入信號，輸出SVPWM驅(qū)動信號。
(8)、根據(jù)檢測到的故障類型，運行于故障模式，對不同故障采用不同處理。
(9)、完成一次中斷操作，使能PWM中斷進入下次PWM中斷操作。
權(quán)利要求
1.一種基于DSP的混合動力汽車用電機控制器，其特征在于整車控制器(10)通過整車通訊接口(20)給電機控制模塊(30)發(fā)送運行模式、扭矩指令以及速度指令等信息，電機控制模塊(30)包括永磁電機矢量控制模塊(31)、空間電壓矢量脈寬調(diào)制(32)、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊(33)和傳感器測量處理模塊(34)；與電流、電壓以及溫度傳感器調(diào)節(jié)電路AD(60)輸入端相連的數(shù)據(jù)采集頭與永磁電機(70)相連，傳感器測量處理模塊(34)輸出端與傳感器測量處理模塊(34)的輸入端相連，傳感器測量處理模塊(34)的兩個輸出端分別與整車通訊接口(20)和永磁電機矢量控制模塊(31)相連，永磁電機矢量控制模塊(31)的輸出端與空間電壓矢量脈寬調(diào)制模塊(32)相連，空間電壓矢量脈寬調(diào)制模塊(32)的輸出端與逆變器(40)的輸入端相連，逆變器(40)將控制信號輸出至永磁電機(70)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的混合動力汽車用電機控制器，其特征在于所述的電流、電壓以及溫度傳感器調(diào)節(jié)電路AD(60)采樣永磁電機(70)的A相電流、B相電流傳感器信號、定子繞組溫度和逆變器溫度信號以及霍爾位置傳感器信號，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊(33)和傳感器測量處理模塊(34)得到永磁電機相電流信號、電機位置角θ、電機速度ω以及電機溫度和逆變器溫度信號值，通過CAN通訊由整車控制器接口(20)發(fā)送電機的信息給整車控制器(10)，同時輸入給永磁電機矢量控制模塊(31)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的混合動力汽車用電機控制器，其特征在于所述的永磁電機矢量控制模塊(31)根據(jù)運行模式和速度指令以及扭矩指令的要求，通過采用每安培最大扭矩控制或者弱磁控制產(chǎn)生直軸和交軸電流參考值，然后對電機直軸和交軸電流進行PI控制，輸出直軸和交軸電壓值，再采用Clark和Park逆變換產(chǎn)生空間電壓矢量脈寬調(diào)制模塊SVPWM(32)輸入信號，空間電壓矢量脈寬調(diào)制模塊SVPWM(32)輸出信號輸入逆變器驅(qū)動電機旋轉(zhuǎn)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的混合動力汽車用電機控制器，其特征在于所述的永磁電機矢量控制模塊(31)選用DSP TMS320f2808芯片，具有兩個獨立的模塊A和B的16通道12位的ADC，ADC通過DSP芯片的EPWM周期事件觸發(fā)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)果保存在結(jié)果寄存器中，它包括2個線性霍爾位置傳感器信號輸出，3個電流測量信號、逆變器直流母線SPI裝數(shù)字接口、2個溫度測量信號、電機定子溫度和逆變器溫度、轉(zhuǎn)子位置傳感器電源以及電流傳感器電源。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的混合動力汽車用電機控制器，其特征在于保護電路(50)的輸入端與電流、電壓以及溫度傳感器相連，保護電路(50)的輸出端分別與逆變器(40)和空間電壓矢量脈寬調(diào)制模塊SVPWM(32)的一個輸入端相連。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于DSP的混合動力汽車用電機控制器，整車控制器給電機控制模塊發(fā)送運行模式等信息，電機控制模塊包括永磁電機矢量控制模塊、空間電壓矢量脈寬調(diào)制、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊和傳感器測量處理模塊，電機控制模塊根據(jù)運行模式和速度指令以及扭矩指令的要求，確定了其控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，基于矢量控制方法，實現(xiàn)電流、速度、位置以及故障的檢測，實現(xiàn)了混合動力汽車電機的控制。
文檔編號H02P6/14GK101013875SQ20061016147
公開日2007年8月8日 申請日期2006年12月15日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月15日
發(fā)明者謝美娟 申請人:奇瑞汽車有限公司