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1、本研究基于电动汽车电机驱动控制系统技术，通过对电机控制器的开发和优化，达到能够提高电动汽车的性能和使用寿命的目的。本文选取了永磁无刷直流电机(BLDCM)作为电动汽车的驱动电机。首先对无刷直流电机的工作原理和数学模型进行了详细分析和阐述，包括永磁体和转子之间的作用、转矩以及运动特性等关键参数。本文设计了以TMS320F28335为核心，设计了控制电路，并通过采用霍尔电流传感器和霍尔位置传感器等元件，构建了电流、电压、位置和转速检测电路。该电路体系具备高度可靠性和精度，能够实时监测和反馈电动机运行状态，并对电机控制进行实时调整和优化。设计了软件整体框架，使用模块化编程设计主程序和各个中断程序，包
2、括转子位置检测、电机换相与转速计算程序，电机启动、停机与保护程序等。关键词：电动汽车；电机；控制系统；传感器AbstractBasedonthemotordrivecontrolsystemtechnologyofelectricvehicles,thisstudycanimprovetheperformanceandservicelifeofelectricvehiclesthroughthedevelopmentandoptimizationofmotorcontrollers.Inthispaper,apermanentmagnetbrushlessDCmotor(BLDCM)issel
3、ectedasthedrivemotorforelectricvehicles.Firstly,theworkingprincipleandmathematicalmodelofbrushlessDCmotorareanalyzedandelaboratedindetail,includingkeyparameterssuchastheactionbetweenthepermanentmagnetandtherotor,torqueandmotioncharacteristics.Inthispaper,thehardwarecircuitofthemotordrivecontrolsyste
4、misdesigned,thecontrolcircuitisdesignedwithTMS320F28335asthecore,andthecurrent,voltage,positionandspeeddetectioncircuitisconstructedbyusingcomponentssuchasHallcurrentsensorandHallpositionsensor.Thecircuitsystemhasahighdegreeofreliabilityandaccuracy,whichcanmonitorandfeedbackthemotoroperatingstatusin
5、realtime,andadjustandoptimizethemotorcontrolinrealtime.Theoverallsoftwareframeworkisdesigned,andthemainprogramandeachinterruptprogramaredesignedusingmodularprogramming,includingrotorpositiondetection,motorcommutationandspeedcalculationprograms,motorstart,shutdownandprotectionprograms,etc.Keywords:el
6、ectricvehicles;Motor;controlsystem;sensor目录第一章绪论1.1 课题研究背景与意义1.1.1 研究背景1.1.2 研究意义与价值1.2 国内外发展状况1.2.1 国内发展1.2.2 国外发展1.3 对电动汽车电机性能要求1.4 论文的主要内容第二章电机驱动控制系统的总体设计2.1 电机驱动控制系统的组成2.2 电机驱动控制系统总体设计2.3 永磁无刷直流电机2.3.1 永磁无刷直流电机的基本结构2.3.2 无刷直流电机的基本工作原理2.3.3 永磁无刷直流电机的数学模型2.3.4 永磁无刷直流电机的特性分析2.4 本章小结第三章硬件设计3.1 控制电路的
7、设计3.1.1 DSP及其周围电路3.1.2 TMS320F28335最小系统设计3.1.3 脉宽调制信号输出电路3.2 驱动电路的设计3.2.1 功率元器件的选择3.2.2 功率驱动芯片3.2.3 功率驱动电路的设计3.3 检测电路的设计3.3.1 用霍尔电流传感器实现信号检测3.3.2 位置信号检测及其转换电路3.4 本章小结第四章软件设计1.1 电机驱动系统软件整体构架1.2 主程序模块1.3 定时中断子程序模块1.4 本章小结第五章总结与展望5. 1总结6. 2展望5.3本章小结第一章绪论1.1 课题的研究背景与意义1.1.1 研究背景科技的飞速发展带动着汽车产业的迅速增长，当前全球的
8、汽车保有量也在持续增加，以石油为燃料的传统内燃机的汽车在给人们的生活生产带来巨大方便的同时，也为社会上的自然环境、人类的可持续发展埋下了巨大的隐患。在2020年4月9日举行的国务院新闻发布会上，国家发改委表示，目前我国全部汽车保有量大约在2.6亿左右，人均保有量从最开始的不到0.01辆，现如今已经增长到大于0.18辆。根据相关国际组织的统计调查，目前，全球石油使用总量的一半以上都是用于全球各地的交通运输行业。内燃机车所排放的尾气中含有大量的硫化物、氮氧化物等有害物质，因此，全球各地的雾霾情况愈发频繁，温室效应、环境污染也越发严重。同时，传统内燃机汽车的使用量不断的扩大，使得石油资源日益紧张，也
9、引起了一系列的纠纷问题，因此，环保无污染、能源效率高并且资源充足的电动汽车，逐渐的出现在大众的市场，并越来越受到人们的欢迎。根据中国制造2025，我国已将新能源汽车作为汽车领域的重点发展对象，并为此特定制造了一套完整的详细发展战略，在我国所制定的七大战略性产业，新能源汽车也位列其中，确定了要大力扶持并且发展电动汽车的方向，要求要坚决掌握汽车的智能化，自动化，低碳化等核心技术。我国在“十三五规划”中重点强调大力发展新能源汽车，主张自主研制自主创新，是实现汽车强国的必由之路。另外，我国的科技部还公开发布了国家首批科研试点的新能源汽车专项，主要是围绕着动力电池与管理，电机驱动与电子技术，电机汽车智能
10、化自动化等6个创新领域，发布了38个核心研究任务，并且在多个方面包括电机驱动控制器的效率、电池功能安全提出指标要求。新能源电动汽车最主要的部分就是电机驱动控制系统，它的性能指标将对电动汽车的续航里程、动力输出、安全舒适性、驾驶操控性等多方面有着重要的影响。所以，新能源电动汽车行业的核心就是能够研制并且掌握高效高端的电机驱动控制系统的控制技术。目前，全球各地在电机驱动控制系统领域均有了一些研究进展，但是国内在相关方面的研究起步时间相对较晚，一些关键的核心技术和国外相比，还是有不小的差距，因此，对于深入的研究电动汽车的驱动系统是有深刻的影响。随着这几年的发展，我国自主新能源汽车厂商已有了十足的进步
11、，比亚迪汽车、蔚来汽车、小鹏理想等新能源汽车的崛起，也标志着我国已逐步的掌握电机系统的核心技术。1.1.2 研究意义及价值电机驱动控制系统是电动汽车的核心系统之一，它负责控制电动汽车的电机转动，实现车辆的高效、稳定的运行。电机驱动控制系统性能的好坏与效率的高低能够全面影响汽车的各方面性能指标。让驶汽车在运动的过程中为行驶在各种路面上，会经历各种的行驶状况，这就要求汽车具有非常稳定的的驾驶安全性、操控性，这对电机控制系统的响应快速性，运行稳定性，行驶可靠性都提出了十分严格的要求。当前电动汽车产业对电机驱动控制系统有着严格性能要求，主要体现在以下几个方面：确保在额定转速下能够输出最大的转距以满足电
12、动汽车的启动速度、加速性能以及负载爬坡的稳定等要求，还要保证在额定转速以上时能够保持恒定功率稳定运行，保证在较宽的范围内合适调速来满足高速行驶、适应复杂多变的运行环境，因此，电动汽车电机驱动系统的技术层次方面的研究以及生产技术的落实有着更高的难度和要求。当前，全球各国汽车集团以及各区域的汽车科研机构都在不断的加大人力、物力、财力的投入，来不断深入对电动汽车电机驱动控制系统的技术研究，与此同时，我国对电动汽车研究也紧跟步伐，研发高性能和要求的电机驱动控制系统，对我国新能源电动汽车产业行业的发展具有深远的意义。1.2 国内外发展现状1.2.1 国内发展目前我国新能源电动汽车发展所取得的成就十分显著
13、，我国在新能源电动汽车方面的发展政策也更加系统和完善，国家政府为了发展新能源电动汽车给予了相当多的支持，在财政上给予了巨大的财政补贴，也减免了相关的税务。在最近几年的发展中，我在电动汽车控制系统领域的研发已经取得了许多瞩目的成果，我国已经实现自主进行驱动设备的算法设计，并且能够独立的开发软件硬件。同时，国内的新能源汽车厂商也迅速崛起，有著名的新能源汽车企业：比亚迪汽车、未来汽车、小鹏汽车、理想汽车、吉利汽车，这些是我国较为突出新能源汽车厂商，他们大多采用永磁同步电机为主要的驱动电机，依靠自身技术支持自主研发，他们的不断发展壮大，也代表着我国新能源汽车领域的技术也在不断的发展，并走向世界。1.2
14、.2国外发展国外电动汽车企业成立大多都比较早，他们对于电动汽车的研究也是起步非常早，对于电动汽车，电机控制技术的方面的研究也有了一定的经验积累，到目前为止，他们已经取得了相当多的产品成果，技术方面也有一套成熟的完整体系。对于主控电机的使用类型，有一部分厂商采用了异步电动机作为主控电机，例如，美国的特斯拉产品，日本丰田下面的产品，其他的欧洲，美国厂商大多主要永磁同步电动机，例如，福特的focuselectrons宝马i系列产品、日产leaf、雪佛兰SPark等。外国电动汽车企业对于驱动研究主要有以下几个方面：1.技术比较成熟。国外汽车企业成立超过百年，有着大量的造车经验，同时对于电机驱动控制系统
15、的研究较为投入，有着丰富的开发经验，已经取得了大量研究成果。并且通过长时间的实践与测试，数据与经验较为丰富。他们现在已经开发出来的新能源汽车产品硬件结合度高，集成化质量好；软件设计成熟策略完整，整体构架好，体系完备，整套电机驱动控制系统更加高效。2 .科研方式多样。国外汽车厂商资金积累充足，他们看中电动汽车的广阔前景，并且不惜代价加大投入资源，并且是电动汽车的研发成为自己厂商的下属机构分支。也有一部分电器公司，与电机驱动控制系统的装置有着专门的研发，并取得了自己独有的优势。同时国外部分企业与高等院校共同设计研发，有着大量的人才储备资源，形成了完善成熟的研发环境。3 .驱动控制器标准化比较完整。
16、国外的研发环境已经形成了一套完整的标准，完整的标准化也提高了研发效率，同时驱动控制装置的适用性也得到了保隙，国外生产商也已经协商制定了相关标准。4 .3对电动汽车电机性能要求电动汽车具有绿色环保、能源高效、工艺结构简等众多优势。在环保方向，随着环保意识增强与科学技术的进步，国内的电能能源结构逐渐向水力发电、风能、太阳能、潮汐能、地热能等清洁能源方向转换，电能是电动汽车的主要能源动力，而且在运行过程中排放为零，对环境污染较少。在节能方向，传统的汽车燃油机只能在一个较窄的转速范围内产生最大转矩，因此需要较为庞大且复杂的变速箱体系去变速传递转速扭矩，而电动汽车可以在较宽的范围内直接产生最大转矩，运行
17、过程中不需要变速箱调速，直接由电控调速，将电能转换为运行功率，因此能量转换效率高，节约能源，而且构造简单，运行可靠，技术稳定。汽车行驶过程中，电动汽车的电机驱动控制系统扮演着至关重要的角色。作为电动汽车的三大核心部件之一，电机驱动控制系统对车辆的驱动特性、动力和能效等方面有着决定性影响。控制器、驱动器、传感器、电源、电动机共同构成了电动汽车电机驱动系统。对电动汽车电机的要求如下：（1）整体尺寸小，结构紧凑简洁，简洁的结构可按照特定要求进行外表的具体设计；（2）较轻的质量，能够灵活控制设备质量，为更好控制整体重量；（3）具备超强的过载适应能力，以及瞬时输出功率，保证汽车短时间大功率的输出高特性要
18、求；（4）力矩控制更加准确，提高动态性能；（5）良好的可靠性，要有良好的乘客安全可靠性，以满足高安全等级要求；（6）相比较传统汽车生产成本较低，满足消费市场消费者的要求，能够大批量生产，均化减少电动汽车整体生产成本；5 .4论文的主要内容设计永磁同步电机为对象，以电动汽车的控制系统为研究背景，分别对驱动控制系统的算法、硬件、软件进行了分析与研究。本课题首先从背景调查为开始，进一步对控制理论进行分析，根据电动汽车的应用特性设计了高性能控制器及驱动器硬件系统。第一章介绍了电动汽车的电机驱动控制系统的研究背景以及国内外发展现状，并根据其系统特性需求，分析了当前电动汽车领域对使用的电机的性能要求，以及
19、介绍论文的整体架构；第二章介绍了章电动汽车电机驱动控制系统总体设计，本章对电动汽车永磁无刷直流电机的基本结构、工作原理、数学模型和运行特性以及对选取的数字信号处理器进行了结构介绍和周围功能模块的说明。第三章介绍了电机驱动控制系统硬件电路设计，本章使用6个IGBT和1个功率驱动芯片设计了三相全桥逆变电路，以TMS320F28335芯片为核心设计了控制电路，使用霍尔电流传感器和霍尔位置传感器等设计了电流电压和位置转速检测电路。第四章介绍了电机驱动控制系统软件设计，本章对控制系统软件进行设计，设计主程序和中断子程序，速度环控制子程序，电流环控制子程序。第五章对全文进行总结分析以及下一步的展望。第二章
20、电机驱动控制系统的总体设计2.1电机驱动控制系统的组成电动汽车电机驱动控制系统主要由驱动电机、能量转换器、电机控制器、动力电池和机械传动装置等几部分组成，驱动电机主要是使用永磁无刷直流电机，能量转换器使用的是逆变器，电动汽车电机驱动控制系统的组成框图如下图所示。2-1电机驱动控制系统的组成框图(1)电机控制器电机控制器采样踏板速度、电机转子位置、逆变器电流电压等信号，使用一定的算法或控制策略，控制逆变器中电力电子器件的导通顺序和PWM占空比，最终实现电机转速和转矩的调节。(2)逆变器绕组按照一定的顺序导通，从而产生旋逆变器根据电机控制器输出的驱动信号开通或关断电力电子器件，使电机定子各相转磁场
21、，拖动电机转子旋转。(3)驱动电机驱动电机是电动汽车的关键组成部分，它提供电动汽车的动力。永磁电机由于具有功率密度高、尺寸小、质量轻等特点，因此成为作为电动汽车驱动电机的理想选择。2.2电机驱动控制系统总体设计驱动电机选用的是永磁无刷直流电机；系统使用的逆变器是由6个IGBT组成；控制电路中的控制器是选取TMS320F28335芯片。图2-2中，永磁无刷直流电机是电机控制系统的控制对象；控制量是转速（即对应的电压）和转矩（即对应的电流）；控制目标是为了使系统精度更高、系统动态性能更稳定、系统抗干扰能力更强和转矩脉动幅度更小。图2-2电机驱动系统结构框图2.3永磁无刷直流电机2.3.1永磁无刷直
22、流电机的基本结构永磁无刷直流电机（BLDCM）,其基本结构和原理如下图2-4所示。图2-3永磁无刷直流电机原理图永磁无刷直流电机主要由转子位置传感器、电机本体和电子换向器等三部分组成；电机利用转子位置传感器输出的转子位置信号，从而驱动并控制电子换向器中控制转向相关的电力电子器件，使得各相绕组顺利导通并且有相应的顺序依据，从而在永磁无刷直流电机的定子绕组上产生磁场，这种磁场就是步进式的旋转磁场，能够拖动电机转子旋转。电机在转动的过程中，电机控制器不断作用，以改变定子各相绕组的通断状态，这样就使得某一磁极下导体中的电流方向始终保持固定不变，这样电机就按同一方向旋转。2.3.2无刷直流电机的基本工作
23、原理传统的有刷直流电机中使用的是机械换向器和碳刷，而在无刷直流电机中使用电子换向器和位置传感器取而代之。按控制电路的不同，无刷直流电机中的电子换向器主要可分为全桥式和半桥式两种，按电机绕组连接方式的不同，可分为星形和三角形两种。星形全桥接法的无刷直流电机能够满足性能要求，具有输出转矩大且转矩脉动较小的优点，因此采用三相星形全桥逆变电路控制无刷直流电机，电路如图2-5所示。上图主要介绍了永磁无刷直流电机的工作原理图，假设永磁无刷直流电机的初始导通相为U,V两相，此时的功率开关管T1和T6导通，此时电流从U相进入，由V相流出。一直维持此状态，直到持续60。电角度后，然后开始换相，此时T6关断，T2
24、导通，此时U,W两相状态导通，电流从U相进入，由W相流出。维持此状态，直到60。电角度后开始换相，此时Tl关断，T3导通状态，导通相为V,W两相，电流从V相进入，从W相流出。此状态持续600电角度后开始换相，T2关断，T1导通，此时导通相为V,U两相，电流由V相流入,由U相流出。此状态持续60。电角度后开始换相，T3关断，T5导通，此时导通相为W,U两相，电流由W相流入，由U相流出。此状态持续60。电角度后开始换相，L关断，T6导通，此时导通相为W,V两相，电流由W相流入，由V相流出。此状态维持60。电角度后开始换相，T5关断，Z导通，此时导通相为U,V两相，电流由U相流入，由V相流出，回到初
25、始状态，构成一个换相周期，形成三相六拍状态。各功率开关管的导通顺序为TlT6、TIT2、T3T2,T3T4、5tT5T6T1T6,电流形成六个状态分别为UV,UW,VW,VU,WU,WV,每个状态均持续60。电角度。一个换相周期内，无刷直流电机的每相正向导通120。电角度，反向导通120。电角度。2.3.3永磁无刷直流电机的数学模型以两两导通的三相星形六状态永磁无刷直流电机为例分析其数学模型，为简化分析，并作一下假设：(1)假设电机定子上的三相绕组完全对称，电角度在空间上相差120；(2)对于涡流损耗和磁滞损耗的影响不予考虑；(3)忽略电枢反应；(4)所使用的电力电子器件具均为理想器件，在开关
26、作用过程无损耗。(1)永磁无刷直流电机定子绕组的电压平衡方程为：uRoOHLMMiUeW=0R0ivMLMiv+ev(2.1)uwOoRiWMMLiwew其中Uu、Uv、Uw分别为绕组的相电压，iu、iv、或分别为绕组的相电流，eu,a、当分别为绕组的反电动势，L、M、R分别为三相绕组的自感、互感、相电阻，理想状态下，绕组的相电流为方波，反电动势为梯形波。当电机定子绕组采用星形接法且无中线连接时，则有iu+iv+iw=O,即Miu+Miv+Miw=O,将上式代入公式2.1并化简：wuROOiUL-M00euv=0R0iv+0L-M0iv+ev(2.2)“wOORiW00L-Miw由上面公式可得
27、电机的等效电路如图如L-Mu-L-MXzL-M-jrA=RRRkjIUU图2-5永磁无刷直流电机的等效电路(2)忽略绕组和铁芯损耗，永磁无刷直流电机的磁功率等于三相绕组的各个相反电动势和相电流的乘积相加。若忽略杂散损耗和其它损耗，电磁功率就等价于转子的动能，那么电机的电磁转矩的公式为：-pc-uiu+eviv+wiw。Te_3_5(2.3)若要求反电动势定子电流分别为梯形波、方波，且两个波形的平顶部分持续时长电角度均120。，以获得理想恒定电磁转矩，此时绕组只有两相导通且相电流和反电动势数值相等方向相反，由此电磁转矩方程可化简：Te=阻联=KTid(2上式ew为最大反打反电动势；Kt为转矩系数
28、；id为流过绕组的相电流；(3)永磁无刷直流电机的运动方程为：Te_TL=J与+BQ(2.5)上式Te为电机的电磁转矩；TL为负载转矩；B为阻尼系数；J为转动惯量；。为电机的机械角速度。2.3.4永磁无刷直流电机的特性分析(1)机械特性无刷直流电机的机械特性为电磁转矩Te与转速n之间的关系，其对应方程如下：_30KUdc-2RTc/、n-7-需焉工功方程中K为无刷直流电机的线反电动势系数，KT为转矩系数；且Utfc=Uv=UUV=u。(2)调节特性永磁无刷直流电机的调节特性是指在电磁转矩T,恒定时，直流母线电压UdC与电机转速n之间的关系，调节特性的方程如下：(2.7)KtI-Tl=B11(2
29、.8)n_30KU30%T(29)-3QKke+raBdc3QKkcnraBl,由调节特性方程能得出不同电磁转矩下对应的调节特性曲线，如下图图2-6无刷直流电机调节特性曲线根据上图，观察各条调节特性曲线，发现它们都不会过原点，存在一个死区电压，这是因为电机工作时会有静摩擦力作用，当UdC的值过小时，系统的负载转矩大于电磁转矩的作用，电机无法启动，因而转速为0；只有当UdC的值比死区电压大时，电机才能正常启动。2. 4本章小结本章主要介绍了电机驱动控制系统的组成、电机驱动控制系统总体设计以及永磁无刷直流电机三个部分。同时对永磁无刷直流电机分别从基本结构、无刷直流电机的基本工作原理、永磁无刷直流电
30、机的数学模型和永磁无刷直流电机的特性分析展开介绍。第三章电机驱动控制系统硬件电路设计永磁无刷直流电机控制算法的实现的必要条件是有一套完整的电机驱动控制系统，而一套安全可靠的硬件平台是算法实现与研究的重要保障。因此需要是设计一套完整可靠的硬件平台，本章将对硬件的各个功能电路进行设计研究。硬件系统按照电路结构划分可以分为三个主要部分：控制电路、驱动电路、检测电路。根据电动汽车电机驱动控制电路总体需求分析性能要求及各模块功能，搭建电动汽车驱动器平台，包括外部信号采集：通过检测电路的电压电流传感器，并进行初步的信号处理，便于主电路的后续应用；信号处理与控制信号输出：将传感器采集的信号通过AD转换，经过
31、DSP的算法运算过程实现控制信号的输出。2.1 控制电路的设计为满足系统对快速精准的控制信号的处理与输出，需要对控制电路进行设计，主要包括数字信号处理、信号输出电路。2.1.1 DSP及其周围电路数字信号处理器(DigitalSignalProcessor)是对数字信号进行处理的理论与技术，首先是对环境中的物理模拟信号通过传感器测量转化为模拟量,再通过模拟/数字模块转换为数字信号，即实现模拟域信号转换为数字域信号，再根据需求进行数字信号的处理转换，最后通过数/模转换输出控制所需要的物理量信号。本文选取TMS320F28335芯片，结构图如图3-1所：图3-1DSP及其周围电路结构图(1)通用输
32、入输出端口模块(GPIO)：GPIO端口是设备进行数据交换的通道，可以通过寄存器的配置实现功能的选择如信号输入、输出、通信等，实现DSP的信号采集与控制。(2)增强型脉宽调制模块(ePWM)：ePWM模块是DSP的重要外设，在数字式电机控制系统、开关电源、电力变换设备中广泛应用，在CPWM模块的寄存器配置下简化了计算过程，提高了系统开关速度，实现对于主电路的有效控制。(3)模拟/数字转换模块(ADC)：TMS320F28335系列DSP具有16个通道的12位带流水线结构的模数转换器，可以将外部的电压电流传感器信号通过模数转换为数字输入信号，便于快速响应。(4)增强型正交编码脉冲模块(eQEP)
33、：eQEP是旋转编码器的A、B、I信号的输入接口，可以通过编码器的信号获取系统的高精度转速与位置信号。(5)控制器局域网络模块(CAN)：CAN总线具有开发速度快、抗干扰能力强等优点，是汽车计算机控制系统和嵌入式工业控制局域网的标准总线，为分布式控制系统实现各节点之间实时、可靠的数据通信提供了可靠的保证。(6)串口通信模块(SCI)：SCI是双线异步串行接口，通信方式简单，便于平台的调试。(7)外部中断扩展模块(PIE)：F28335系列的DSP的CPU无法同时处理所有的外部中断请求，因此通过中断扩展模块实现外设中断的仲裁判断，并进行处理，实现各个信号处理的优先级应用。3. 1.2TMS320
34、F28335最小系统设计采用TMS320F28335作为核心芯片组成应用系统时，需要确保该芯片的各种功能能够满足应用系统的要求。如果满足要求，则该系统可以称为最小应用系统。最小应用系统中应包括复位电路、时钟电路以及电源等关键电路，以确保系统的正常运行和稳定性。只有最小应用系统都得到充分考虑和实现，才能为设计和开发更高级、更复杂的应用系统提供必要的保隙。电路如图3-2所示。A【00 刈 THS320F28335D00:31),AOO03 156 157 158:A07 面 、A08 33 J09JiO 165 lt8 169J13 工J14 32 1.A16U 116181R9 278XA0 X
35、Al XA2 XA3 XA4 XA5 XA6 XA7 XA8 XA9 XAlO XAil XA12 XAB XA14 XA15 XAU XA17 XAl 8 XA19W TCK TMS TDl TDO EMUO EMlHb鼠甲TXD27gXD30_HrXD31 -YiRO 37-XllOLbA -X借 加TTFXR 僧 - XREADYXCLKlN 播7XCUOUT 一11 3VTESTl TEST2XCLKOUI24*3 OMIIz图3-2DSP最小系统电路图复位采用上电复位电路，由电源器件给出复位信号。一旦电源上电，系统便处于复位状态，当XRS为低电平时，DSP复位。为使DSP初始化正确，
36、应保证XRS为低电平并至少保持3个CLKOUT周期，同时在上电后，该系统的晶体振荡器一般需要100200ms的稳定期。所选的电源器件TPS73HD301一旦加电，其输出电压紧随输入电压，当输出电压达到启动RESET的最小电压时(温度为25时，其电压为1.5V),引脚RESET输出低电平，并且至少保持200ms,从而满足复位要求。向DSP提供时钟一般通用的方法：利用DSP内部所提供的晶体振荡器电路,即在DSP的Xl和X2引脚之间连接一晶体来启动内部振荡器。由TMS320F28335组成的应用系统内核电压(L9V)与I/0供电电压(3.3V)不同，电源部分利用两路输出电源器件来实现。对于输入部分，
37、在输入端接入0.1UF的贴片电容，具有滤除噪声，提高响应速度。而对于输出部分，IoUF的固体锂电容接地可有效保证满载情况下的稳定性，选择电阻Rl和R2时应遵循:Vo=Vref1+(R1R2),其中Vref=L182V,推荐R2选用269kQ03.1.3脉宽调制信号输出电路PWM信号是控制器最主要的输出控制信号，实现控制器对外部驱动器的电流控制。输出原理图如下图3-3所示：PVI2APW13 A PWMlB INM2B PWV3BI -PWMVTCV(J)WCKJ) VCC7力GNO ISN74LVC4245图3-3PWM信号输出电路SN74LVC4245是一种双向总线转换器，可以实现两个不同电
38、平系统的双向数据传输。这种集成电路采用低电平的CMoS工艺，具有低电平功耗、高速度、稳定性好等优点，适用于许多应用场合。对于SN74LVC4245芯片，电平转换芯片有两个电源分别为VCCA,对应A1-A8输入；VCCB,对应B1-B8输入。OE使能低电平有效。DIR控制数据流的方向，高电平表示数据从A输入，B输出。ADUM1400是ADI（Analogdevice,inc）公司推出基于其专利iCoupIer磁耦隔离技术的通用型四通道数字隔离器。iCoupler磁隔离技术是ADl公司的一项专利隔离技术，是一种基于芯片尺寸的变压器隔离技术，它采用了高速CMOS工艺和芯片级的变压器技术。所以，在性能
39、、功耗、体积等各方面都有传统光电隔离器件（光耦）无法比拟的优势。由于磁隔离在设计上取消了光电耦合器中影响效率的光电转换环节，因此它的功耗仅为光电耦合器的1/6-1/10,具有比光电耦合器更高的数据传输速率、时序精度和瞬态共模抑制能力。同时也消除了光电耦合中不稳定的电流传输率，非线性传输，温度和使用寿命等方面的问题。为了保证控制信号的电压稳定并且与外部电压保持统一，故通过SN74LVC4245芯片实现DSP的3.3V电平与外部5V电平控制信号的转换，并且通过芯片的方向选择实现控制器向驱动器的单一方向信号传输控制，阻隔了外部大电压信号对DSP控制板信号的干扰。ADUM1400信号隔离芯片，四通道数
40、字式隔离器，具有低脉冲宽度失真（CRW级小于2ns）和严格的通道间匹配（CRW级小于2ns）特性。在输入端与控制信号输出分别接入相互隔离的电源电压，有效地实现了内部信号的隔离，保证内部信号的安全与输出信号的可靠性。3.2驱动电路的设计DSP控制系统的驱动信号不能够直接控制驱动功率，因此需要进行驱动电路连接，减小驱动电路的开关时间。本文选取加装功率驱动芯片的方式实现控制电路电流的接入，以及连接驱动电路。3.2.1功率元器件的选择对于半导体元器件来说，最早被人们使用的是GT。和GTR系统功率器件。但它们也有明显的缺点如GT。和GTR系统功率器件在实用性能上和精确性能上无法满足当代人们的使用需求，而
41、且GTo系统功率器件还存在一个严重的问题，当在高压或者电流很高的情况下进行工作，会造成系统控制器产生较大的热效应，导致控制器件产生发热，降低输出功率。目前随着科技的快速发展，科学家研发出了一款名为IGBT的绝缘栅双极型大功率晶体管，它是一种全新的复合型控制元器件。它具有体积很小，造价低的优点，因此成为人们主要使用的功率元器件。3.2.2功率驱动芯片电机驱动控制系统能够实现无刷直流电机驱动的控制集成。用功率驱动芯片来连接控制电路和驱动电路由于IR2132S功率驱动芯片集成度很高，在电路运行的过程中，产生的电流很小，因此被人们大力推广和使用。又由于IR2132S功率驱动芯片能够控制系统电路的驱动电
42、流输出，能够改变高压通道信号。因此为了实现同一集成电路的驱动电路控制，本文选择使用IR2132S功率驱动芯片进行实验研究。IR2132管脚如图3-4所示：VCC一128VBIHINI一227-IK)II11N2326VSII11N3425-NCLINI524VB2UN2一623-HO2UNI一7IR2132S22-VS2FAULT一K21一NCITRIP一920-VB3CAOIO19一IIOJCII18-VSVSS1217NCVSO-1316-LOILO314151.02图3-41R2132S引脚图VBlVB3是悬浮电源接地端，通过自举电容为3个上桥臂功率管的驱动器提供内部悬浮电源，VSlVS
43、3是其对应的悬浮电源地端。HINlHIN3,LlNlLIN3是逆变器上桥臂和下桥臂的驱动信号输入端，低电平有效。ITRIP是过流信号检测输入端，可通过输入电流信号来完成过流或直通保护。CA-,CAO,VSO是内部放大器的反相端、输出端和同相端，可用来完成电流信号检测。HOlH03,LOlL03是逆变器上下桥臂功率开关器件驱动信号输出端。FAULT是过流、直通短路、过压、欠压保护输出端，该端提供一个故障保护的指示信号。它在芯片内部是漏极开路输出端，低电平有效。VCC,VSS是芯片供电电源连接端，VCC接正电源，而VSS接电源地。3.2.3功率驱动电路的设计选择三相逆变桥作为电机控制系统的功率主电
44、路，电路如图3-5所示。在工作情况下，每一个周期的前半段，通过控制开关器件的导通与关闭，将其中两个器件导通，而另外两个保持关闭状态，使之形成一个双向电流通道。然后向电容器充电，将交流电源的电压变换为直流电压，并通过逆变桥电路输出至负载电路中。在一个周期的后半段，开关器件的状态更改，此时，闭合的可控开关器件需要分流负载的反向电流，而开启的可控开关器件需要承受负载的正向电流。因此，在三相逆变桥电路中，可控开关器件一般采用轮流工作的方式，以实现电路的正常工作。图3-5主功率电路无刷直流电机驱动电路由驱动芯片和功率元器件两个部分组合而成。其中驱动芯片能够控制电路中高端浮动电路的电流的接入，还能够实现系
45、统供电，保证了驱动电路的运行，电路如图3-6。IR2132S在控制IGBT管时，主要通过外界控制信号使其在不同的时间段导通和截止。当IR2132S的输入信号为高电平时，即输出信号HIN为高电平，LIN为低电平时，IR2132S将输出正向的基极电压。此时，IGBT管的基极电流开始流动，形成一个电流通路，从而使其导通。当IR2132S的输入信号为低电平时，即输出信号HIN为低电平，LIN为高电平时，IR2132S将输出反向的基极电压。此时，IGBT管的基极电流开始减小，最终形成截止状态，从而使其关闭。在IR2132S的控制下，通过周期性交替地控制两个IGBT管的导通和截止，实现电路的正常工作。图3
46、-6功率驱动电路图3.3检测电路的设计3.3.1用霍尔电流传感器实现信号检测无刷直流电机驱动控制系统拥有很高的精确度，因此在电路运行的过程中，霍尔电流传感器能够控制产生的电流信号，选用霍尔电流传感器实现电路运行过程中电流信号的精确度检测。控制系统中电流传感器采用的是莱姆公司的100A霍尔电流传感器。霍尔电流传感器的原理是霍尔效应，即当电路中的电流垂直于外磁场时，电路中的载流子会发生偏移现象，在垂直于电流与磁场的方向产生电势差，根据电势差可以判断电路中的电流大小。将传感器的采样信号，通过采样保持电路，输入DSP的信号输入接口。图3-7电路信号检测电路3.3.2位置信号检测及其转换电路在电动汽车电
47、机驱动控制系统中，通过转速传感器将电机的转速位置转换为相应的电信号反馈至处理器，形成闭环控制的速度外环。转速传感器的主要技术要求有三个：分辨率、精度、检测时间。传感器两次信号采样之间的时间T,T越小，传感器的采样时间越小，系统响应越快。满足系统控制精度要求。根据增量式编码器的工作原理，测速方法可以分为以下三种：1、M法测速。2、T法测速。3、M/T法测速。通过差分驱动芯片AM26LS将电机内置的位置传感器的差动输出信号A+、A-、B+、B-、I+、1-转换为5V范围的方波输入信号A,B,I,经过隔离芯片ADUM1400实现信号的内外隔离，而且将电压信号转换为DSP的3.3V信号范围，保证信号的稳定性与可用性。位置传感器采集及其信号转换电路如图3-8所示。Q5G图3-8位置信号检测电路3. 4本章小结本章主要介绍了无刷直流电机控
