摘 要: 一種專用于電機(jī)控制且內(nèi)嵌CAN模塊的DSP芯片TMS320F241的主要特點(diǎn)。根據(jù)混合動(dòng)力汽車(HEV)永磁無(wú)刷直流電機(jī)控制方案,提出了用DSP芯片實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制的策略,并簡(jiǎn)要地介紹了TMS320F241的外圍設(shè)計(jì)和CAN編程。
關(guān)鍵詞: TMS320F241 混合動(dòng)力汽車 CAN總線 無(wú)刷直流電機(jī)
隨著城市環(huán)境污染問(wèn)題的日益嚴(yán)重,汽車尾氣的控制越來(lái)越受到人們的重視,很多國(guó)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(wú)法大批量投入市場(chǎng)。為了兼顧傳統(tǒng)燃油汽車和電動(dòng)汽車的優(yōu)點(diǎn),國(guó)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(chǎng)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(jiǎn)單、操作性好、價(jià)格低廉等優(yōu)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(méi)有擴(kuò)展RAM接口,調(diào)試起來(lái)不是很方便。但可以用同系列的TMS320F243EVM板進(jìn)行調(diào)試,程序幾乎不用修改就能移植到TMS320F241芯片內(nèi)運(yùn)行。
2 無(wú)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)速和電流雙閉環(huán)控制。
轉(zhuǎn)子位置由霍爾元件檢測(cè),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(cè)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(guò)電壓、過(guò)電流等檢測(cè)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(shuō)明如下:
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(guò)計(jì)算可以得到轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。
A/D轉(zhuǎn)換器的8個(gè)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(guò)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(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。這些寄存器分為控制寄存器、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(zhǎng)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(zhǎng)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(guò)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:
(1)禁用郵箱
CANMDER=0000000000000000b
(2)設(shè)置改變數(shù)據(jù)請(qǐng)求
CANMCR=0000000100000000b (bit8 CDR=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))
(4)返回正常模式
CANMCR=0000000000000000b
(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(shù)據(jù)信息了。
圖3和圖4分別是CAN模塊發(fā)射和接收信息的流程圖。
通過(guò)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(wú)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(guò)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動(dòng)力汽車永磁無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)。
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