基於dsp與fpga的電動車電機驅動系統控制器的製作方法

2023-06-06 16:34:46

專利名稱：基於dsp與fpga的電動車電機驅動系統控制器的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及電動車電機驅動系統技術，特別是一種基於DSP與FPGA雙MCU的電動車電機驅動系統控制器。
背景技術：
進入21世紀，世界各國面臨著石油資源枯竭和環境汙染嚴重兩個巨大挑戰，在我國，這兩個問題尤為突出。電動車由於能夠實現零排放，所以能夠有效地避免空氣汙染，同時它直接利用電能驅動，擺脫了對石油的依賴。隨著科學技術的發展，電動車技術的研究，正在成為世界各國現代車輛研究和發展的重點。 隨著電力電子技術和計算機控制技術的迅速發展，在電動車的電機驅動控制系統中已開始採用各種新型、高性能的器件。如數位訊號處理器(DSP)、現場可編程門陣列(FPGA)、智能功率控制模塊等，以實現數字控制。以往的電機控制系統大多是基於DSP，DSP+GAL, DSP+CPLD構架。例如公告號為CN102377380A，
公開日為20120314的中國專利文獻，公開了一種電動車輛交流永磁同步電機控制系統，包括交流永磁同步電機、功率變換器、控制器和檢測器，所述控制器為一 DSP微處理器，所述檢測器包括位置檢測器和電流檢測器，所述位置檢測器和電流檢測器將其各自檢測到的交流永磁同步電機的轉子位置/速度信號和電流信號分別輸入DSP微處理器，所述DSP微處理器根據輸入的轉子位置/速度信號計算出電流的給定值，再與輸入的電流檢測值相比較得出相應的控制信號，並經功率變換器驅動交流永磁同步電機；所述功率變換器採用由MOSFET逆變器和IGBT逆變器構成的三相雙逆變橋式結構。但是該方案也和上述構架一樣，同樣在實現時序邏輯的功能方面比較弱，實現複雜的控制算法和保證實時性也比較困難。
發明內容本實用新型的目的是提供一種基於DSP與FPGA的電動車電機驅動系統控制器，通過DSP與FPGA雙MCU的有效結合，和傳統構架相比，通過DSP與FPGA的結合在時序邏輯方面具有很明顯的優勢，實現了信號採集速度快，精度高，編程方便，控制可靠，安全穩定，通信速度快，操作便捷等目的。為了達到上述目的，本實用新型的技術方案如下基於DSP與FPGA的電動車電機驅動系統控制器，通過電源模塊連接至電機系統，其特徵在於包括通過外部並行總線連接的DSP晶片和FPGA晶片，其中，DSP晶片連接至電機系統，同時，DSP晶片連接有CAN通信模塊，電機系統分別通過母線電壓採集模塊、三相電流採集模塊、光電編碼器模塊、保護電路模塊、模擬控制信號模塊與FPGA晶片連接，FPGA晶片再連接至DSP晶片。所述三相電流採集模塊為電流傳感器。所述母線電壓採集模塊、三相電流採集模塊、模擬控制信號模塊和FPGA晶片之間還設置有模數轉換晶片(A/D晶片)。在電機驅動控制器中，DSP晶片和FPGA晶片分工合作FPGA晶片主要承擔採集電機各項信號的工作，包括模擬控制信號，三相電流信號，母線電壓信號，光電編碼器信號，保護電路信號；DSP晶片主要承擔計算和輸出PWM波的工作，通過定時讀取FPGA採集的電機反饋信號，DSP就能確定電機系統目前的狀態，通過一定的算法，對其進行進一步的控制。由於採集信號中的三相電流傳感器信號、母線電壓信號和踏板信號均為模擬信號，為了提高控制效率和採樣頻率，本技術方案採用FPGA控制A/D數模轉換晶片來對模擬信號進行調理和轉換。模擬信號通過A/D晶片之後可以轉換為數位訊號輸入FPGA，存於FPGA內部RAM中。這樣不但提高了採集反饋信號的速度，還提高了反饋信號的精度。所述電動車電機控制的控制方式主要採用電壓空間正弦波脈寬調製(SVP WM)，而DSP晶片帶有事件管理器模塊，可以讓設計人員非常方便地通過軟體編程的方法生成各種形式的SVPWM，易於SVPWM的數位化實現。通過在算法中配置比較寄存器CMPRl，CMPR2和CMPR3，事件管理器可以產生3相6路互補的帶可編程死區的PWM波信號。由DSP晶片直接輸出PWM波，大大提高了系統的抗幹擾能力。在提高電動車電機控制器的可靠性方面，控制器保護模塊可以把電機的異常狀態，包括短路、過流、缺相、過載、主電路過壓和控制電路欠壓，送到FPGA的故障處理機進行處理，DSP則通過外部中斷等方式，快速地對DSP的PWM通道進行鎖存。同時，FPGA還可以通過溫度傳感器來監控電機和功率模塊的溫度，並且作為反饋信號由DSP定時讀取，並且在溫度過高的時候快速鎖存PWM通道並報警。這樣就避免因為器件溫度太高而造成功率模塊和電機的損壞，提聞了電機系統的安全穩定性。在通信方面，DSP自帶的IM通信速率的CAN總線功能提供了控制器與外界的通信接口，它能夠極大地提高數據傳輸的速度和精度。CAN總線有兩個功能，一是通過DSP將採集到的數據濾波後，打包發送到其他接收設備；二是DSP通過CAN總線接收外界發送的數據包，對電機實現簡單的控制，同時，電動車電機控制器的程序的更新和下載也可以方便快捷地通過CAN總線通信來完成。另外，控制器上也集成了一般的通信接口，如RS232，RS485等，這些都可以通過DSP的特定模塊進行控制和通信。在提高系統操作方便性方面，電動車電機驅動控制器上還集成了與FPGA相連的模擬控制信號模塊。模擬控制信號包括踏板信號，剎車信號，前進/後退信號，鑰匙信號。FPGA可以實時地採集這個模塊的模擬量和數字量，以此來判斷操作者的意圖，然後根據採集到的模擬控制信號改變DSP的控制狀態，從而改變電動車電機系統的狀態。本實用新型的實現原理如下首先，FPGA自動採集模擬控制信號模塊的控制信號，DSP根據FPGA採集的狀態信號確定電機的運行狀態。若採集到的鑰匙信號為解鎖狀態，則電機正常運行，反之則鎖存DSP的PWM通道。在鑰匙信號為解鎖的狀態下，若檢測到前進信號，則電機正轉；若為後退信號，則電機反轉；若檢測到剎車信號，則電機立刻將速度降為O。其次，DSP可以根據模擬控制信號輸出的踏板信號，來確定電機的轉速。DSP還可以通過CAN總線接收外界給予的控制信息來控制電機的運行狀態，轉速等，據此來對電機進行控制。由於採用了上述的技術方案，本實用新型的有益效果如下DSP和FPGA兩個MCU的結合，能夠優勢互補，取長補短，既充分發揮了 DSP較強的計算能力，又充分發揮了 FPGA的數據採集和處理能力的特點，並且在時序邏輯方面具有很明顯的優勢，使電動車的控制具有採集數據速度快，精確度高，安全可靠，通信速度快，控制簡便的特點。

圖I為本實用新型的結構框圖圖2為本實用新型的數據流圖其中，附圖標記為1、DSP晶片，2、FPGA晶片，3、電機系統，4、CAN通信模塊，5、母線電壓採集模塊，6、三相電流採集模塊，7、光電編碼器模塊，8、保護電路模塊.9、模擬控制信號模塊，10、A/D晶片，11、電源模塊。
具體實施方式下面結合實施例來具體說明本實用新型。如圖1-2所示，基於DSP與FPGA的電動車電機驅動系統控制器，通過電源模塊連接至電機系統，包括通過外部並行總線連接的DSP晶片和FPGA晶片，其中，DSP晶片連接至電機系統，同時，DSP晶片連接有CAN通信模塊，電機系統分別通過母線電壓採集模塊、三相電流採集模塊、光電編碼器模塊、保護電路模塊、模擬控制信號模塊與FPGA晶片連接，FPGA晶片再連接至DSP晶片。DSP為32位數位訊號處理晶片，DSP晶片採用TI公司推出的高性能32位DSP晶片TMS320F2812，最高主頻可以達到150MIPS，這款DSP是目前控制領域的最高性能的處理器，具有精度高、速度快、集成度高等特點。它的內核支持IQ變換函數庫，使研發人員能夠方便地使用定點DSP來實現浮點運算。由於器件集成了快速的中斷管理單元，使得中斷延遲時間大幅減少，滿足了實時控制的需要。DSP的主要功能是定時從FPGA中讀取採集回來的電機反饋信號，根據這些反饋信號，計算出控制電機所需要輸出PWM波的佔空比信息，向功率模塊輸出PWM波，並且實時把信息通過CAN通信發送到外界，同時接收外界的控制信息。CAN通信模塊方面，採用DSP片內自帶的CAN通信模塊，主要用於實現外界和DSP之間的通信。FGPA為超大規模可編程邏輯門陣列，FPGA晶片採用Altera公司的FPGA晶片EP2C35F484C8，這款晶片屬於Cyclone II系，具有33216個邏輯單元，RAM ( kbit)為484，採用VHDL語言描述。FPGA的主要功能是控制和採集電流傳感器模塊，母線電壓採集模塊，光電編碼器模塊所得到的電機反饋信號，將其根據FIFO原則存儲在片內RAM中，通過總線傳輸給DSP作為控制的反饋信號，並且通過模擬控制模塊和保護電路隨時改變電機的控制狀態。為了保證DSP和FPGA在工作時序上的一致性，FPGA的時鐘信號由DSP的CLKOUT引腳提供。所述三相電流採集模塊為電流傳感器。所述母線電壓採集模塊、三相電流採集模塊、模擬控制信號模塊和FPGA晶片之間還設置有模數轉換晶片(A/D晶片)。A/D晶片採用ADS8364，這款晶片是一款低能耗高速度16位高速並行接口的高性能模數轉換晶片，擁有強大的抗幹擾能力，時鐘信號最高頻率5 MHz，採樣頻率為250kHz,採樣/轉換可在20個時鐘周期內完成。它的主要功能是對採集的模擬信號進行快速調理，將其轉換為數位訊號輸入FPGA中，提高系統採集數據速度和精度。由於ADS8364的時鐘信號需要由外部提供，這裡使用FPGA對其提供時鐘信號，這樣就能通過FPGA靈活改變晶片時鐘頻率，進而改變採樣頻率。電動車電機系統採用矢量控制的控制方式。電機在運行過程中，電流傳感器能實時地檢測三相電流的值，反饋給驅動系統控制器。DSP從FPGA中讀取這些電流值之後，可以通過坐標變換，將電流從三相靜止坐標系變換到兩相旋轉坐標系，解耦轉子磁鏈和電磁轉矩，以利於矢量控制的計算。DSP根據矢量控制的算法計算之後，輸出PWM波來對電機進行控制。本實用新型的實現原理如下首先，FPGA自動採集模擬控制信號模塊的控制信號，DSP根據FPGA採集的狀態信號確定電機的運行狀態。若鑰匙信號為解鎖狀態，則電機正常運行，反之則鎖存DSP的PWM·通道。在鑰匙信號為解鎖的狀態下，若檢測到前進信號，則電機正轉；若為後退信號，則電機反轉；若檢測到剎車信號，則電機立刻將速度降為O。其次，DSP可以根據模擬控制信號輸出的踏板信號，來確定電機的轉速。DSP還可以通過CAN總線接收外界給予的控制信息來控制電機的運行狀態，轉速等，據此來對電機進行控制。電動車電機系統的運行流程為電機系統運行時，FPGA同步採集光電編碼器脈衝信號、保護電路脈衝信號、電機驅動端的三相電流傳感器信號和母線電壓信號，獲得的信號通過由FPGA控制的A/D晶片進行信號調理之後，經由總線傳輸到FPGA的內部寄存器。DSP通過外部並行總線與FPGA相連，把FPGA的內部寄存器地址映射到內部IO空間中，並且定時通過總線從存儲器中獲取傳感器信號和控制信號。通過這些數據，DSP可以根據磁場定向控制原理，通過矢量控制的算法對位置環和速度環進行控制，計算出三相PWM波的佔空比後，向電機系統的智能功率模塊輸出PWM波，達到控制電機的目的。隨著近年來DSP晶片價格不斷下降，特別是電機控制專用DSP晶片的出現，為交流伺服系統的全數位化提供了硬體支持。FPGA集成度非常大，片內通常含有幾萬、幾十萬個等效門，可以方便地實現多次修改，所以單片FPGA就可以替代多塊集成電路和分立元件組成的電路，實現複雜的邏輯功能，並且可以替代微處理器完成部分功能，減輕核心處理器的負擔。因此在電動車電機驅動系統通過FPGA+DSP結構實現全數位化，不僅使其控制系統的體積大大縮小，可靠性明顯提高，而且還便於一些先進控制策略的實現，對推動電機驅動系統智能化發展具有重要意義。在電機的控制策略上，一般控制算法採用的矢量控制和直接轉矩控制，都需要大量的數學運算。如果使用FPGA進行在線實時運算將會浪費大量的邏輯資源。但是如果由DSP實現如採集光電編碼盤等高速、周期性強的信號，保護模塊信號的檢測等功能，勢必會佔用大量的DSP時間。DSP在計算的速度和精度上，都具有一定的優勢；FPGA信息採集能力和調度能力十分強大。因此將兩者結合，優勢互補，FPGA晶片在控制中負責控制反饋信號和控制信號的採集，DSP晶片負責通過採集到的反饋信號和控制信號，根據一定的控制算法，計算控制電機所需要的控制量，這樣就能夠保證控制的快速性，精確性和可靠性。這種雙MCU緊密結合的控制器能獲得最大的控制效率。
權利要求1.基於DSP與FPGA的電動車電機驅動系統控制器，通過電源模塊連接至電機系統，其特徵在於包括通過外部並行總線連接的DSP晶片和FPGA晶片，其中，DSP晶片連接至電機系統，同時，DSP晶片連接有CAN通信模塊，電機系統分別通過母線電壓採集模塊、三相電流採集模塊、光電編碼器模塊、保護電路模塊、模擬控制信號模塊與FPGA晶片連接，FPGA晶片再連接至DSP晶片。
2.根據權利要求I所述的基於DSP與FPGA的電動車電機驅動系統控制器，其特徵在於所述三相電流採集模塊為電流傳感器。
3.根據權利要求I所述的基於DSP與FPGA的電動車電機驅動系統控制器，其特徵在於所述母線電壓採集模塊、三相電流採集模塊、模擬控制信號模塊和FPGA晶片之間還設置有模數轉換晶片。
專利摘要本實用新型涉及基於DSP與FPGA的電動車電機驅動系統控制器，通過電源模塊連接至電機系統，包括通過外部並行總線連接的DSP晶片和FPGA晶片，其中DSP晶片連接至電機系統，同時，DSP晶片連接有CAN通信模塊，電機系統分別通過母線電壓採集模塊、三相電流採集模塊、光電編碼器模塊、保護電路模塊、模擬控制信號模塊與FPGA晶片連接，FPGA晶片再連接至DSP晶片；通過DSP和FPGA的結合，既充分發揮了DSP較強的計算能力，又充分發揮了FPGA的數據採集和處理能力，本實用新型可以使電動車的控制具有採集數據速度快、精確度高、安全可靠、通信速度快、控制簡便的特點。
文檔編號H02P21/00GK202696532SQ20122031240
公開日2013年1月23日 申請日期2012年7月1日 優先權日2012年7月1日
發明者鄭剛, 任亞輝, 代同振, 蔡師臏 申請人:中國東方電氣集團有限公司