TMS320F241在混合動(dòng)力汽車(chē)電機(jī)控制中的應(yīng)用

來(lái)源：電子技術(shù)應(yīng)用; 作者：劉忠祥 邱阿瑞 柴建云 王同勛
摘要：一種專(zhuān)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(chē)（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(chē) 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(chē)尾氣的控制越來(lái)越受到人們的重視，很多國(guó)家都開(kāi)展了電動(dòng)汽車(chē)的研究。但是電動(dòng)汽車(chē)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(chē)和電動(dòng)汽車(chē)的優(yōu)點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外都開(kāi)始進(jìn)行混合動(dòng)力汽車(chē)的研究。
由于混合動(dòng)力汽車(chē)有兩套驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與整車(chē)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)格低廉等特點(diǎn)，因此被廣泛用于工業(yè)控制中。
TMS320X24X是TI公司專(zhuān)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(chē)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，程序幾乎不同修改就能移植到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)換和電流雙閉環(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(kāi)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(kāi)關(guān)器件和驅(qū)動(dòng)電路以及過(guò)程電壓、過(guò)電流等檢測(cè)電路，其中的開(kāi)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)子轉(zhuǎn)速。
A/D轉(zhuǎn)換器的8位輸入通道中，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(kāi)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(kāi)關(guān)器件的開(kāi)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CA