TMS320F241在混合動(dòng)力汽車電機(jī)控制應(yīng)用

隨著城市環(huán)境污染問題的日益嚴(yán)重，汽車尾氣的控制越來越受到人們的重視，很多國家都開展了電動(dòng)汽車的研究。但是電動(dòng)汽車存在續(xù)駛里程短、動(dòng)力性能差等弱點(diǎn)，加之成本太高，目前還無法大批量投入市場。為了兼顧傳統(tǒng)燃油汽車和電動(dòng)汽車的優(yōu)點(diǎn)，國內(nèi)外都開始進(jìn)行混合動(dòng)力汽車的研究。

　　由于混合動(dòng)力汽車有兩套驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與整車控制單元（VCU）之間的信息交換與協(xié)調(diào)就顯得尤其重要。CAN（Controller Area Network）總線即控制器局域網(wǎng)絡(luò)，是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)，屬于現(xiàn)場總線的范疇，具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)、可靠性高、抗干擾性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡單、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公司專為數(shù)字電機(jī)控制而設(shè)計(jì)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(nèi)嵌了CAN模塊，因此很適合混合動(dòng)力汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)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：

　　•TMS320X240具有雙10位A/D轉(zhuǎn)換器，16個(gè)輸入通道，轉(zhuǎn)換時(shí)間為6μs；而TMS320F241則只有一個(gè)10位A/D轉(zhuǎn)換器，8個(gè)輸入通道，轉(zhuǎn)換時(shí)間為1μs。

　　•TMS320X240的事件管理器中有3個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)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(jì)數(shù)器、3個(gè)捕獲單元和6路PWM輸出（6個(gè)Full PWM），計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)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(nèi)Flash，沒有擴(kuò)展RAM接口，調(diào)試起來不是很方便。但可以用同系列的TMS320F243EVM板進(jìn)行調(diào)試，程序幾乎不同修改就能移植到TMS320F241芯片內(nèi)運(yùn)行。

　　2 無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)方案

　　圖1為電機(jī)系統(tǒng)控制框圖，采用轉(zhuǎn)換和電流雙閉環(huán)控制。

轉(zhuǎn)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(hào)。由轉(zhuǎn)子位置可得出轉(zhuǎn)速，進(jìn)而得到電流的計(jì)算值；而由電流傳感器可以檢測到實(shí)際的電流，根據(jù)電流給定值與實(shí)際值兩者的差值調(diào)節(jié)PWM信號(hào)的占空比，并根據(jù)當(dāng)前轉(zhuǎn)子位置觸發(fā)相應(yīng)的功率開關(guān)器件，從而達(dá)到控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。

　　逆變器采用IPM智能功率模塊，它內(nèi)含功率開關(guān)器件和驅(qū)動(dòng)電路以及過程電壓、過電流等檢測電路，其中的開關(guān)器件為IGBT。

　　電機(jī)控制策略中各功能模塊（包括ASR、ACR、PWM、換流邏輯和轉(zhuǎn)速計(jì)算）都由TMS320F241芯片實(shí)現(xiàn)。

　　3 TMS320F241的外圍設(shè)計(jì)

　　圖2是TMS320F241芯片的主要外圍接線圖。有關(guān)說明如下：
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　XTAL1和XTAL2之間接5MHz的晶振，提供系統(tǒng)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(zhuǎn)子的位置信號(hào)存儲(chǔ)到捕獲單元的緩沖器，經(jīng)過計(jì)算可以得到轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。

　　A/D轉(zhuǎn)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電流Idc、電壓Vdc以及電機(jī)三相電流Iu、Iv、Iw；另外3個(gè)通道經(jīng)過電阻接地。

　　6路PWM輸出接到逆變器六個(gè)開關(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(hào)控制著開關(guān)器件的開通與關(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通過光耦器件6N137連接到收發(fā)器82C250，而收發(fā)器82C250再通過兩個(gè)引腳 CANH和CANL與CAN總線相連，從而實(shí)現(xiàn)了TMS320F241與CAN總線間的通訊。其通訊介質(zhì)采用雙絞線，如果通訊距離在40m之內(nèi)，最高傳輸速率可達(dá)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(biāo)準(zhǔn)幀（11位標(biāo)識(shí)符）和擴(kuò)展幀（29位標(biāo)識(shí)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(shù)據(jù)地址空間為0x7100h～0x710Fh。6個(gè)郵箱中有兩個(gè)收件箱（編號(hào)為0和1）、兩個(gè)發(fā)件箱（編號(hào)為4和5），還有兩個(gè)郵箱（編號(hào)為2和3）可以根據(jù)需要設(shè)置為收件箱或發(fā)件箱。而每個(gè)郵箱又包含標(biāo)識(shí)符、信息長度及遠(yuǎn)程幀發(fā)送請(qǐng)求、數(shù)據(jù)等三個(gè)部分，其中發(fā)送或接收的數(shù)據(jù)長度為8字節(jié)。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總線上每個(gè)節(jié)點(diǎn)的位傳輸時(shí)間是可以編程的（通過設(shè)置波特率），但必須相同。當(dāng)一個(gè)節(jié)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：

　?。?）禁用郵箱

　　CANMDER=00000000000000000000b

　　(2)設(shè)置改變數(shù)據(jù)請(qǐng)求

　　CANMCR=0000000100000000b（bit8CDR=1）

　　(3)改變郵箱的標(biāo)識(shí)符、控制字和數(shù)據(jù)（只有發(fā)件箱才能改變數(shù)據(jù)）

　?。?）反回正常模式

　　CANMCR=00000000000000000000b

　?。?）啟用郵箱（ME=1）

　　初始化CAN模塊之后，再經(jīng)過正確的配置，就能夠收發(fā)數(shù)據(jù)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。

　　通過以上介紹可以看出，TMS320F241是一種專用于電機(jī)控制且內(nèi)嵌CAN模塊的DSP芯片。用它可以方便地對(duì)混合動(dòng)力汽車（HEV）的永磁無刷直流電機(jī)實(shí)現(xiàn)速度控制，同時(shí)利用其內(nèi)嵌的CAN模塊，可以通過CAN總線（協(xié)議規(guī)范CAN2.0）與混合動(dòng)力汽車的整車控制單元（VCU）進(jìn)行通訊。因而非常適用于混合的動(dòng)力汽車永磁無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)。