摘 要: 一種專用于電機控制且內嵌CAN模塊的DSP芯片TMS320F241的主要特點。根據混合動力汽車(HEV)永磁無刷直流電機控制方案,提出了用DSP芯片實現電機控制的策略,并簡要地介紹了TMS320F241的外圍設計和CAN編程。
關鍵詞: TMS320F241 混合動力汽車 CAN總線 無刷直流電機
隨著城市環境污染問題的日益嚴重,汽車尾氣的控制越來越受到人們的重視,很多國家都開展了電動汽車的研究。但是電動汽車存在續駛里程短、動力性能差等弱點,加之成本太高,目前還無法大批量投入市場。為了兼顧傳統燃油汽車和電動汽車的優點,國內外都開始進行混合動力汽車的研究。
由于混合動力汽車有兩套驅動系統,驅動系統與整車控制單元(VCU)之間的信息交換與協調就顯得尤其重要。CAN(Controller Area Network)總線即控制器局域網絡,是一種有效支持分布式控制或實時控制的串行通信網絡,屬于現場總線的范疇,具有實時性強、可靠性高、抗干擾性強、結構簡單、操作性好、價格低廉等優點,因此被廣泛用于工業控制中。
TMS320X24X是TI公司專為數字電機控制而設計的系列芯片。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,還內嵌了CAN模塊,因此很適合混合動力汽車電機驅動系統的控制。
1 TMS320F241的主要特點
與TMS320X240相比,TMS320F241除了多出一個CAN模塊之外,還具有以下不同之處:
·TMS320X240具有雙10位A/D轉換器,16個輸入通道,轉換時間為6μs;而TMS320F241則只有一個10位A/D轉換器,8個輸入通道,轉換時間為1μs。
·TMS320X240的事件管理器中有3個定時/計數器、4個捕獲單元和9路PWM輸出(6個Full PWM和3個Simple PWM);而TMS320F241的事件管理器中只有2個定時/計數器、3個捕獲單元和6路PWM輸出(6個Full PWM),計數器的計數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Flash,沒有擴展RAM接口,調試起來不是很方便。但可以用同系列的TMS320F243EVM板進行調試,程序幾乎不用修改就能移植到TMS320F241芯片內運行。
2 無刷直流電機控制系統方案
圖1為電機系統控制框圖,采用轉速和電流雙閉環控制。
轉子位置由霍爾元件檢測,是3個相差120度(電角度)、脈寬為180度(電角度)的重疊信號。由轉子位置可得出轉速,進而得到電流的計算值;而由電流傳感器可以檢測到實際的電流,根據電流給定值與實際值兩者的差值調節PWM信號的占空比,并根據當前轉子位置觸發相應的功率開關器件,從而達到控制電機轉速的目的。
逆變器采用IPM智能功率模塊,它內含功率開關器件和驅動電路以及過電壓、過電流等檢測電路,其中的開關器件為IGBT。
電機控制策略中各功能模塊(包括ASR、ACR、PWM、換流邏輯和轉速計算)都由TMS320F241芯片實現。
3 TMS320F241的外圍設計
圖2是TMS320F241芯片的主要外圍接線圖。有關說明如下:
XTAL1和XTAL2之間接5MHz的晶振,提供系統時鐘。
3個捕獲單元的引腳CAP1、CAP2、CAP3連接到霍爾元件的輸出,轉子的位置信號存儲到捕獲單元的緩沖器,經過計算可以得到轉子的轉速。
A/D轉換器的8個輸入通道中,用了5個通道,輸入量分別是直流母線電流Idc、電壓Vdc以及電機三相電流Iu、Iv、Iw;另外3個通道經過電阻接地。
6路PWM輸出接到逆變器六個開關器件的控制端,其中U+、V+、W+接上橋臂,U-、V-、W-接下橋臂。這6路PWM信號控制著開關器件的開通與關斷,從而決定了電流的流經路徑。
TMS320F241的CAN模塊引腳CANRX和CANTX通過光耦器件6N137連接到收發器82C250,而收發器82C250再通過兩個引腳CANH和CANL與CAN總線相連,從而實現了TMS320F241與CAN總線間的通訊。其通訊介質采用雙絞線,如果通訊距離在40m之內,最高傳輸速率可達1Mbps。
4 TMS320F241的CAN編程
TMS320F241的CAN模塊是FullCAN控制器,可以發送和接收標準幀(11位標識符)和擴展幀(29位標識符),它含有6個郵箱(Mailbox)以及15個不同的16位寄存器。這些寄存器分為控制寄存器、狀態寄存器、中斷寄存器和本地接收屏蔽寄存器,它們映射到DSP的數據地址空間為0x7100h～0x710Fh。6個郵箱中有兩個收件箱(編號為0和1)、兩個發件箱(編號為4和5),還有兩個郵箱(編號為2和3)可以根據需要設置為收件箱或發件箱。而每個郵箱又包含標識符、信息長度及遠程幀發送請求、數據等三個部分,其中發送或接收的數據長度為8字節。6個郵箱占用地址空間為0x7200h～0x722Fh。
要使TMS320F241芯片能夠正確地收發信息,首先要初始化CAN模塊。CAN總線上每個節點的位傳輸時間是可以編程的(通過設置波特率),但必須相同。當一個節點收到一幅幀時,接收器必須與發射器保持同步。郵箱初始化的步驟如下:
(1)禁用郵箱
CANMDER=0000000000000000b
(2)設置改變數據請求
CANMCR=0000000100000000b (bit8 CDR=1)
(3)改變郵箱的標識符、控制字和數據(只有發件箱才能改變數據)
(4)返回正常模式
CANMCR=0000000000000000b
(5)啟用郵箱(ME=1)
初始化CAN模塊之后,再經過正確的配置,就能夠收發數據信息了。
圖3和圖4分別是CAN模塊發射和接收信息的流程圖。
通過以上介紹可以看出,TMS320F241是一種專用于電機控制且內嵌CAN模塊的DSP芯片。用它可以方便地對混合動力汽車(HEV)的永磁無刷直流電機實現速度控制,同時利用其內嵌的CAN模塊,可以通過CAN總線(協議規范CAN2.0)與混合動力汽車的整車控制單元(VCU)進行通訊。因而非常適用于混合動力汽車永磁無刷直流電機控制系統。
參考文獻
1 汪 銳,許靜宇. 基于DSP芯片的永磁無刷直流電機控制器. 微電機,2000;33(4):27～29
2 薛迎成.基于DSP的永磁無刷直流電動機位置伺服系統.電力電子技術,2001(2):18～20
3 Texas Instruments. Understanding the CAN Controller on TMS320C24x DSP Controller.Application Report PRA500，Dec.1998