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基于F2407aDSP的全數字混合動力電動汽車驅動系統的設計
關鍵字： 混合動力電動汽車、驅動、 F2407A 、 bsm300gb600dlc 、 TX-KA101 、 bldcm
1 引言
隨著城市環境污染問題的日益嚴重，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汽車的研究。但是電動汽車存在續駛里程短、動力性能差等弱點，加之成本太高，目前還無法大批量投入市場。為了兼顧傳統燃油汽車和電動汽車的優點，國內外都開始進行混合動力汽車的研究�；旌蟿恿﹄妱悠囀悄壳敖鉀Q低排放、大幅度地降低污染最有效最現實的一種環保交通工具，它不僅具有續駛里程長的優點，還能發揮出更好的動力性能�；旌蟿恿﹄妱悠囃瑫r擁有電機驅動和內燃機驅動，對電機驅動系統不僅要求具有較高的重量比功率，而且既能作電動機運行，還能作發電機運行。
本文所介紹的混合動力系統采用 tms320lf2407a dsp 芯片構成主控制器，同時選用 infineon 公司的 bsm300gb600dlc igbt 模塊作為功率器件，選用北京落木源公司的 TX-KA101 作為 IGBT 驅動芯片。實現了基于無刷直流電機 (brushless dc motor, bldcm) 的控制系統。實驗結果表明，該系統設計合理，性能可靠。
2 bldcm 的控制原理
bldcm 轉子采用永磁體激磁，功率密度高，控制簡單，調速性能好，既具備交流電動機的結構簡單、運行可靠、維護方便等特點，又具備直流電機的運行效率高、無勵磁損耗以及調速性能好等諸多優點，故廣泛應用于車輛驅動，家用電器等方面。
如圖 1 所示，通常的無刷直流電機具有 120 °的反電動勢波形，在每相反電動勢的最大處通入電流，就能產生恒定的電磁轉矩，其轉矩表達式如下式。
圖 1 三相反電勢和電流波形
 (1)
其中 td 是電機的電磁轉矩， ea 、 eb 、 ec 分別是每相的反電動勢， ia 、 ib 、 ic 分別是每相的電流值，ω是電機的角速度。因此，當電機反電動勢純梯形分布時，其力矩與電流的大小成正比。但是，通常情況下電機的反電動勢不是純梯形分布，另外，由于電機繞組電感的存在使得電流在換相時存在脈動，從而造成較大的轉矩脈動。已有大量的文獻對 bldcm 的換相轉矩脈動抑制進行了討論。 bldcm 調速中另一個必須知道的是電機轉子軸位置，一般通過檢測電機的霍爾信號來獲得，并以此進行電機的換相控制。
3 主電路以及控制策略
圖 2 驅動系統主電路
圖 2 是整個系統的主電路圖，本系統中， bldcm 的驅動采用了 buck ＋ full_bridge 的電路結構。與常規三相橋的驅動方式不同，通過控制 buck 電路的輸出電流，即電感 l1 上的電流來使 bldcm 獲得近乎直流的電流，以此來獲得盡可能好的力矩控制效果。圖 3(a) 、 (b) 、 (c) 分別是電感 l1 ，電容 c0 以及電機母線端電流波形。
下面來分析該電路的工作原理。
(1) 正向電動模式
此時 t1 工作于開關狀態， t2 不導通， d2 作為 buck 電路的二極管。通過控制電感 l1 上的電流和電容 c0 上的電壓可以實現電路的恒流、恒壓控制。此時，后端的 full_bridge 電路根據電機的三相霍爾信號進行換相控制，其開關工作在低頻條件下。通過對電感 l1 電流的控制可以減少電機啟動時的沖擊電流，減少啟動轉矩的脈動。
圖 3 恒流控制下各元件電流波形
(2) 反向充電模式
當整個系統的內燃機開始工作后，后端 bldcm 處于發電狀態。此時 t2 工作于開關狀態， t1 不導通， d1 作為 boost 電路的二極管工作。通過控制 boost 電路的輸出電壓和電感 l1 上的電流可以使電路工作于恒壓、恒流等模式，從而實現對蓄電池的恒壓限流、恒流和浮充三段式充電方式。此時后端的三相橋電路工作于不控整流狀態下。
(3) 制動模式
當車輛需要停止或剎車時，通過反向對蓄電池充電來進行制動，其工作方式與反向充電模式類似。此時電機內相反電動勢與相電流反相位，其電磁轉矩起制動作用，從而可以使電機很快的停下來。
4 系統軟硬件設計
4.1 軟件設計
f2407a 控制程序由 3 個部分組成 : 主程序的初始化、 pwm 定時中斷程序和 dsp 與周邊資源的數據交換程序。
(1) 主程序
主程序先完成系統的初始化、 i/o 口控制信號管理、 dsp 內各個控制模塊寄存器的設置等，然后進入循環程序，并在這里完成系統參數的保存。
(2) pwm 定時中斷程序
pwm 定時中斷程序是整個控制程序的核心內容，在這里實現電流環、速度環采樣控制以及 bldcm 的換相控制、 pwm 信號生成、電感連續、斷續控制，工作模式的選擇，軟件過流、過壓的保護，以及與上位控制器的通訊等。中斷控制程序周期為 50 μ s ，即 igbt 開關頻率為 20khz 。其中每個開關周期完成電流環的采樣和開關信號的輸出，每 20 個開關周期完成一次速度環控制。 pwm 控制信號采用規則采樣 pwm 調制方法生成。
(3) 數據交換程序
數據交換程序主要包括與上位機的通訊程序、 eeprom 中參數的存儲。其中通訊可以采用 rs-232 或 can 總線接口，根據特定的通訊協議接受上位機的指令，并根據要求傳送參數。 eeprom 的數據交換通過 dsp 的 spi 口完成。
4.2 硬件設計
(1) dsp 以及周邊資源
整個系統的控制電路由 f2407a+gal 組成。其中 gal 主要用于系統 io 空間的選通信號以及開關驅動信號的輸出控制等。 f2407a 作為控制核心，接受上位機信息后判斷系統的工作模式，并轉換成 igbt 的開關信號輸出，該信號經隔離電路后直接驅動 igbt 模塊給電機供電。另外 eeprom 用于參數的保存和用戶信息的存儲。
(2) 功率電路
系統的功率器件選用了 infineon 公司 bsm300 gb600dlc igbt 模塊，其內部集成 2 個 igbt 開關管，耐壓 600v ，耐流 300a 。驅動選用北京落木源公司的 TX-KA101 igbt 驅動芯片，內含三段式的過流保護電路。系統的輔助電源采用反激式開關電源，主要供電包括系統所有開關管的驅動電源， f2407a 和 gal 以及其他控制芯片的電源和采樣 lem 以及三相霍爾的工作電源。
(3) 采樣電路
本系統需要采樣電感 l1 上的電流，另外需要對蓄電池電壓和電機端輸入電壓進行采樣，從而完成電路的恒流、恒壓等控制功能。采樣電路采用霍爾傳感器并經模擬電路處理在 0~3.3v 的電壓范圍內，再送入 f2407a 的 ad 采樣口。
(4) 轉子位置檢測電路
電機位置反饋采用雙極性鎖存型霍爾元件，在電機的每相繞組處都安放一個元件�；魻栃盘柛鶕姍C轉子磁極的極性來產生方波信號�；魻栐卜诺奈恢猛ǔＳ� 60 °和 120 °之分。 f2407a 通過判斷方波信號跳變的極性來獲取換相信息，同時記錄方波脈沖的個數來計算電機的轉速，從而實現電機速度的閉環控制。
(5) 保護電路
系統的保護分為軟硬件保護，由于硬件保護速度較快，通常用于驅動信號的直接封鎖。從保護等級來分，可以分系統級保護和驅動級保護，其中，驅動級保護是通過 igbt 驅動芯片 TX-KA101 特有的保護功能來實現的。系統級保護包括控制器的過流、過壓、欠壓，過溫以及霍爾元件故障等保護。
5 實驗結果
實驗中采用了寧波欣達集團樂邦電機廠的 bldcm ，其額定功率為 50kw ，最大功率 100kw ，額定轉矩 212n · m ，額定轉速 2300r/min ，額定電流 214a 。額定電壓 336v ，通過蓄電池組供電。整個驅動系統采用 f2407a dsp 芯片控制，其開關頻率為 20khz, 電感 l1=75 μ h ，電容 c0=100 μ f 。功率模塊選用 infineon 公司的 bsm300gb600dlc 低損耗 igbt 模塊，其內部是一個半橋電路，具有低引線電感的封裝結構。系統散熱采用水冷。圖 4 是正向電動時電感 l1 上的電流，此時電流連續，圖 5 是電流連續時二極管 d2 兩端的電壓波形，可以看出幾乎沒有尖峰電壓。圖 6 是電感電流不連續時的波形，圖 7 是電流斷續時二極管 d2 兩端電壓波形。圖 8 是電機輕載時的相電流波形，其電流較為平穩。圖 9 ，圖 10 分別是 igbt 在導通和關斷時的電壓波形，其開關時間都在 100ns 左右，且關斷時沒有尖峰電壓。
圖 4 正向放電電流連續波形
圖 5 電流連續時二極管電壓結論
圖 6 正向放電電流斷續波形
圖 7 電流斷續時二極管電壓
圖 8 電機相電流波形
圖 9 igbt 導通時的電壓波形
圖 10 igbt 關斷時的電壓波形
6 結束語
本系統控制上采用 dsp 的數字結構，電路設計簡單，緊湊，滿足了大功率 bldcm 的實時控制要求。同時全數字化的控制，使系統在控制精度、功能和抗干擾能力上都有了很大程度的提高。整個系統不僅具有正向電動的功能，同時具有反向充電和制動功能。實驗結果表明該系統設計合理，適應混合動力電動汽車的應用要求。
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