基于DSP控制系統(tǒng)的離散模型參考自適應(yīng)算法在燃料電池車(chē)中的實(shí)現(xiàn)

燃料電池車(chē)是以氫氣為燃料，氫氣與大氣中的氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，通過(guò)電極將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，以電能作為動(dòng)力驅(qū)動(dòng)汽車(chē)前進(jìn)。燃料電池汽車(chē)具有高效率、無(wú)污染、零排放、無(wú)噪聲等高科技優(yōu)勢(shì)，代表了未來(lái)汽車(chē)使用新型能源、先進(jìn)科技以及追求環(huán)保的發(fā)展趨勢(shì)，領(lǐng)導(dǎo)著汽車(chē)工業(yè)革命的新潮流。電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是燃料電池車(chē)的心臟，直接影響著燃料電池車(chē)性能的優(yōu)劣。數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)的發(fā)展使各種先進(jìn)的控制策略應(yīng)用于電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)成為可能。模型參考自適應(yīng)控制在電動(dòng)汽車(chē)中的應(yīng)用，能夠提高電動(dòng)汽車(chē)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)性能，加速電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

l 燃料電池車(chē)及其離散MRAC電機(jī)控制系統(tǒng)
    本文所研究的燃料電池車(chē)電機(jī)是型號(hào)為XQ-5-5H的5 kW直流牽引電機(jī)，對(duì)電機(jī)的控制采用包括電流環(huán)和速度環(huán)的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。圖中虛線方框內(nèi)由以DSP為核心的控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。本文主要探討其軟件的沒(méi)計(jì)。

    對(duì)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)在此不做詳細(xì)討論，這里只給出設(shè)計(jì)結(jié)果。對(duì)電流的調(diào)節(jié)采用傳統(tǒng)的PI調(diào)解，其傳遞函數(shù)為：
   
式中：K為PI調(diào)節(jié)器比例部分的放大系數(shù)；τ為積分時(shí)間常數(shù)。
    對(duì)速度的調(diào)節(jié)采用自適應(yīng)調(diào)解方法，為了便于計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)，采用離散模型參考自適應(yīng)控制，結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。對(duì)于其具體說(shuō)明參見(jiàn)文獻(xiàn)。

2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
2．1 硬件系統(tǒng)介紹
    基于FMS320LF2407A的燃料電池車(chē)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)硬件系統(tǒng)方框圖如圖3所示，主要包括給定信號(hào)檢測(cè)電路、電流檢測(cè)電路、速度檢測(cè)電路、PWM輸出電路和DSP外部電路。

2．2 主程序設(shè)計(jì)
    主程序包括初始化程序和循環(huán)等待2部分。系統(tǒng)上電或復(fù)位后主程序自動(dòng)運(yùn)行，它首先將系統(tǒng)初始化，主要包括硬件初始化即根據(jù)要求給各種硬件如時(shí)鐘及看門(mén)狗模塊、I／O模塊、定時(shí)器、SCI模塊、ADC模塊、定時(shí)器、控制寄存器等賦值，以便各模塊正常工作，以及程序全局變量初始化，主要包括電流PI調(diào)節(jié)、轉(zhuǎn)速自適應(yīng)控制調(diào)節(jié)參數(shù)初始化以及其他全局變量初始化，然后開(kāi)中斷并等待。
2．3 PWM中斷處理程序設(shè)計(jì)
    采用定時(shí)器周期中斷標(biāo)志啟動(dòng)A／D轉(zhuǎn)換，當(dāng)T1下溢時(shí)啟動(dòng)A／D轉(zhuǎn)換，所檢測(cè)的電流經(jīng)處理后接模／數(shù)轉(zhuǎn)換器的ADCIN00引腳，當(dāng)轉(zhuǎn)換完成后，中斷標(biāo)志位都被設(shè)置為1，則在A／D中斷服務(wù)程序中將轉(zhuǎn)換結(jié)果讀出，完成1次A／D采樣。轉(zhuǎn)換結(jié)束后申請(qǐng)PWM中斷，PWM中斷完成主要的控制功能，流程圖如圖4所示。由于電機(jī)控制系統(tǒng)的機(jī)械時(shí)間常數(shù)遠(yuǎn)大于系統(tǒng)的電氣時(shí)間常數(shù)，系統(tǒng)的速度環(huán)控制周期可比電流環(huán)控制周期大。該系統(tǒng)在每個(gè)PWM周期中都進(jìn)行一次電流采樣和PI調(diào)節(jié)，因此電流采樣周期與PWM周期相同，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制，而速度環(huán)控制周期選為每100個(gè)PWM周期，對(duì)速度進(jìn)行1次調(diào)節(jié)。在每個(gè)電流控制周期，被QEP單元計(jì)數(shù)的脈沖數(shù)被累加到變量speedcount中，變量speedflag從初始值speedstep(100)開(kāi)始減1直到等于0，此時(shí)讀取100個(gè)電流控制周期(1個(gè)速度控制周期)的總脈沖數(shù)進(jìn)行速度計(jì)算，并將speedcount清零，將變量speedflag賦初始值，開(kāi)始下一次速度脈沖計(jì)數(shù)。
2．4 電流PI調(diào)節(jié)器程序設(shè)計(jì)
    式(1)給出的調(diào)節(jié)器為連續(xù)傳遞函數(shù)，為了便于計(jì)算機(jī)的實(shí)現(xiàn)，使用防積分飽和的PI調(diào)節(jié)器，其算法改進(jìn)為：
   
式中：KI=KP／τ；KC=KI／KP=T／τ，根據(jù)防飽和的PI調(diào)節(jié)器算法確定系統(tǒng)流程圖如圖5所示。

2．5 速度自適應(yīng)程序設(shè)計(jì)
    速度自適應(yīng)調(diào)節(jié)算法在圖2中已經(jīng)給出，該算法為離散自適應(yīng)算法，可直接用于程序設(shè)計(jì)。離散模型參考自適應(yīng)分為參考模型和被控對(duì)象兩部分，所以首先討論參考模型的實(shí)現(xiàn)。對(duì)于二階參考模型其離散方程可表示為：
   
這樣可以得到參考模型輸出。被控對(duì)象速度輸出y(k)由速度檢測(cè)電路檢測(cè)，可得預(yù)報(bào)誤差：

可得u(k)。根據(jù)以上分析編寫(xiě)速度自適應(yīng)控制程序，流程圖如圖6所示。

3 結(jié)語(yǔ)
    自適應(yīng)控制理論在燃料電池車(chē)電機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，對(duì)于提高電動(dòng)汽車(chē)的驅(qū)動(dòng)性能具有較好的效果。本文探討了在電機(jī)DSP控制系統(tǒng)中，離散模型參考自適應(yīng)算法的實(shí)現(xiàn)，對(duì)于各種先進(jìn)的控制策略在電動(dòng)汽車(chē)中的應(yīng)用進(jìn)行了積極的探索，對(duì)于推動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重要意義。