TMS320F241在混合動(dòng)力汽車(chē)電機控制中的應用

摘要：一種專(zhuān)用于電機控制且內嵌CAN模塊的DSP芯片TMS320F241的主要特點(diǎn)。根據混合動(dòng)力汽車(chē)（HEV）永磁無(wú)刷直流電機控制方案，提出了用DSP芯片實(shí)現電機控制的策略，并簡(jiǎn)要地介紹了TMS320F241的外圍設計和CAN編程。關(guān)鍵詞：TMS320F241 混合動(dòng)力汽車(chē) CAN總線(xiàn) 無(wú)刷直流電機 隨著(zhù)城市環(huán)境污染問(wèn)題的日益嚴重，汽車(chē)尾氣的控制越來(lái)越受到人們的重視，很多國家都開(kāi)展了電動(dòng)汽車(chē)的研究。但是電動(dòng)汽車(chē)存在續駛里程短、動(dòng)力性能差等弱點(diǎn)，加之成本太高，目前還無(wú)法大批量投入市場(chǎng)。為了兼顧傳統燃油汽車(chē)和電動(dòng)汽車(chē)的優(yōu)點(diǎn)，國內外都開(kāi)始進(jìn)行混合動(dòng)力汽車(chē)的研究。 由于混合動(dòng)力汽車(chē)有兩套驅動(dòng)系統，驅動(dòng)系統與整車(chē)控制單元（VCU）之間的信息交換與協(xié)調就顯得尤其重要。CAN（Controller Area Network）總線(xiàn)即控制器局域網(wǎng)絡(luò )，是一種有效支持分布式控制或實(shí)時(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò )，屬于現場(chǎng)總線(xiàn)的范疇，具有實(shí)時(shí)性強、可靠性高、抗干擾性強、結構簡(jiǎn)單、操作性好、價(jià)格低廉等特點(diǎn)，因此被廣泛用于工業(yè)控制中。 TMS320X24X是TI公司專(zhuān)為數字電機控制而設計的系列芯片。而TMS320F241與同系列的TMS320C240或TMS320F240相比，除了具有后者的基本功能之外，還內嵌了CAN模塊，因此很適合混合動(dòng)力汽車(chē)電機驅動(dòng)系統的控制。1 TMS320F241的主要特點(diǎn) 與TMS320X240相比，TMS320F241除了多出一個(gè)CAN模塊之外，還具有以下不同之處： %26;#183;TMS320X240具有雙10位A/D轉換器，16個(gè)輸入通道，轉換時(shí)間為6μs；而TMS320F241則只有一個(gè)10位A/D轉換器，8個(gè)輸入通道，轉換時(shí)間為1μs。 %26;#183;TMS320X240的事件管理器中有3個(gè)定時(shí)/計數器、4個(gè)捕獲單元和9路PWM輸出（6個(gè)Full PWM和3個(gè)Simple PWM）；而TMS320F241的事件管理器中只有2個(gè)定時(shí)/計數器、3個(gè)捕獲單元和6路PWM輸出（6個(gè)Full PWM），計數器的計數方式也少了單上升沿和單上升/下降沿兩種模式。 TMS320F241具有8K片內Flash，沒(méi)有擴展RAM接口，調試起來(lái)不是很方便。但可以用同系列的TMS320F243EVM板進(jìn)行調試，程序幾乎不同修改就能移植到TMS320F241芯片內運行。 2 無(wú)刷直流電機控制系統方案 圖1為電機系統控制框圖，采用轉換和電流雙閉環(huán)控制。 轉子位置由霍爾元件檢測，是3個(gè)相差120度（電角度）、脈寬為180度（電角度）的重疊信號。由轉子位置可得出轉速，進(jìn)而得到電流的計算值；而由電流傳感器可以檢測到實(shí)際的電流，根據電流給定值與實(shí)際值兩者的差值調節PWM信號的占空比，并根據當前轉子位置觸發(fā)相應的功率開(kāi)關(guān)器件，從而達到控制電機轉速的目的。 逆變器采用IPM智能功率模塊，它內含功率開(kāi)關(guān)器件和驅動(dòng)電路以及過(guò)程電壓、過(guò)電流等檢測電路，其中的開(kāi)關(guān)器件為IGBT。 電機控制策略中各功能模塊（包括ASR、ACR、PWM、換流邏輯和轉速計算）都由TMS320F241芯片實(shí)現。3 TMS320F241的外圍設計 圖2是TMS320F241芯片的主要外圍接線(xiàn)圖。有關(guān)說(shuō)明如下： XTAL1和XTAL2之間接5MHz的晶振，提供系統時(shí)鐘。 3個(gè)捕獲單元的引腳CAP1、CAP2、CAP3連接到霍爾元件的輸出，轉子的位置信號存儲到捕獲單元的緩沖器，經(jīng)過(guò)計算可以得到轉子轉速。 A/D轉換器的8位輸入通道中，用了5個(gè)通道，輸入量分別是直流母線(xiàn)電流Idc、電壓Vdc以及電機三相電流Iu、Iv、Iw；另外3個(gè)通道經(jīng)過(guò)電阻接地。 6路PWM輸出接到逆變器六個(gè)開(kāi)關(guān)器件的控制端，其中U+、V+、W+接上橋臂，U-、V-W-接下橋臂。這6路PWM信號控制著(zhù)開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)通與關(guān)斷，從而決定了電流的流經(jīng)路徑。 TMS320F241的CAN模塊引腳CANRX和CANTX通過(guò)光耦器件6N137連接到收發(fā)器82C250，而收發(fā)器82C250再通過(guò)兩個(gè)引腳CANH和CANL與CAN總線(xiàn)相連，從而實(shí)現了TMS320F241與CAN總線(xiàn)間的通訊。其通訊介質(zhì)采用雙絞線(xiàn)，如果通訊距離在40m之內，最高傳輸速率可達1Mbps。 4 TMS320F241的CAN編程 TMS320F241的CAN模塊是FullCAN控制器，可以發(fā)送和接收標準幀（11位標識符）和擴展幀（29位標識符），它含有6個(gè)郵箱（Mailbox）以及15個(gè)不同的16位寄存器。這些寄存器分控制寄存器、狀態(tài)寄存器、中斷寄存器和本地接收屏蔽寄存器，它們映射到DSP的數據地址空間為0x7100h～0x710Fh。6個(gè)郵箱中有兩個(gè)收件箱（編號為0和1）、兩個(gè)發(fā)件箱（編號為4和5），還有兩個(gè)郵箱（編號為2和3）可以根據需要設置為收件箱或發(fā)件箱。而每個(gè)郵箱又包含標識符、信息長(cháng)度及遠程幀發(fā)送請求、數據等三個(gè)部分，其中發(fā)送或接收的數據長(cháng)度為8字節。6個(gè)郵箱占用地址空間為0x7200h～0x722Fh。要使TMS320F241芯片能夠正確地收發(fā)信息，首先要初始化CAN模塊。CAN總線(xiàn)上每個(gè)節點(diǎn)的位傳輸時(shí)間是可以編程的（通過(guò)設置波特率），但必須相同。當一個(gè)節點(diǎn)收到一幅幀時(shí)，接收器必須與發(fā)射器保持同步。郵箱初始化的步驟如下： （1）禁用郵箱 CANMDER=00000000000000000000b (2)設置改變數據請求 CANMCR=0000000100000000b（bit8CDR=1） (3)改變郵箱的標識符、控制字和數據（只有發(fā)件箱才能改變數據） （4）反回正常模式 CANMCR=00000000000000000000b （5）啟用郵箱（ME=1） 初始化CAN模塊之后，再經(jīng)過(guò)正確的配置，就能夠收發(fā)數據信息了。 圖3和圖4分別是CAN模塊發(fā)射和接收信息流程圖。 通過(guò)以上介紹可以看出，TMS320F241是一種專(zhuān)用于電機控制且內嵌CAN模塊的DSP芯片。用它可以方便地對混合動(dòng)力汽車(chē)（HEV）的永磁無(wú)刷直流電機實(shí)現速度控制，同時(shí)利用其內嵌的CAN模塊，可以通過(guò)CAN總線(xiàn)（協(xié)議規范CAN2.0）與混合動(dòng)力汽車(chē)的整車(chē)控制單元（VCU）進(jìn)行通訊。因而非常適用于混合的動(dòng)力汽車(chē)永磁無(wú)刷直流電機控制系統。