基于F2407aDSP的全数字混合动力电动汽车乐鱼系统的设计

关键字： 混合动力电动汽车、乐鱼、 F2407A 、 bsm300gb600dlc 、 TX-KA101 、 bldcm

1 引言
随着城市环境污染问题的日益严重，汽车尾气的控制越来越受到人们的重视，很多国家都开展了电动汽车的研究。但是电动汽车存在续驶里程短、动力性能差等弱点，加之成本太高，目前还无法大批量投入市场。为了兼顾传统燃油汽车和电动汽车的优点，国内外都开始进行混合动力汽车的研究。混合动力电动汽车是目前解决低排放、大幅度地降低污染最有效最现实的一种环保交通工具，它不仅具有续驶里程长的优点，还能发挥出更好的动力性能。混合动力电动汽车同时拥有电机乐鱼和内燃机乐鱼，对电机乐鱼系统不仅要求具有较高的重量比功率，而且既能作电动机运行，还能作发电机运行。
本文所介绍的混合动力系统采用 tms320lf2407a dsp 芯片构成主控制器，同时选用 infineon 公司的 bsm300gb600dlc igbt 模块作为功率器件，选用北京落木源公司的 TX-KA101 作为 IGBT 乐鱼芯片。实现了基于无刷直流电机 (brushless dc motor, bldcm) 的控制系统。实验结果表明，该系统设计合理，性能可靠。

2 bldcm 的控制原理
bldcm 转子采用永磁体激磁，功率密度高，控制简单，调速性能好，既具备交流电动机的结构简单、运行可靠、维护方便等特点，又具备直流电机的运行效率高、无励磁损耗以及调速性能好等诸多优点，故广泛应用于车辆乐鱼，家用电器等方面。
如图 1 所示，通常的无刷直流电机具有 120 °的反电动势波形，在每相反电动势的最大处通入电流，就能产生恒定的电磁转矩，其转矩表达式如下式。

图 1 三相反电势和电流波形

(1)

其中 td 是电机的电磁转矩， ea 、 eb 、 ec 分别是每相的反电动势， ia 、 ib 、 ic 分别是每相的电流值，ω是电机的角速度。因此，当电机反电动势纯梯形分布时，其力矩与电流的大小成正比。但是，通常情况下电机的反电动势不是纯梯形分布，另外，由于电机绕组电感的存在使得电流在换相时存在脉动，从而造成较大的转矩脉动。已有大量的文献对 bldcm 的换相转矩脉动抑制进行了讨论。 bldcm 调速中另一个必须知道的是电机转子轴位置，一般通过检测电机的霍尔信号来获得，并以此进行电机的换相控制。

3 主电路以及控制策略

图 2 乐鱼系统主电路
图 2 是整个系统的主电路图，本系统中， bldcm 的乐鱼采用了 buck ＋ full_bridge 的电路结构。与常规三相桥的乐鱼方式不同，通过控制 buck 电路的输出电流，即电感 l1 上的电流来使 bldcm 获得近乎直流的电流，以此来获得尽可能好的力矩控制效果。图 3(a) 、 (b) 、 (c) 分别是电感 l1 ，电容 c0 以及电机母线端电流波形。
下面来分析该电路的工作原理。
(1) 正向电动模式
此时 t1 工作于开关状态， t2 不导通， d2 作为 buck 电路的二极管。通过控制电感 l1 上的电流和电容 c0 上的电压可以实现电路的恒流、恒压控制。此时，后端的 full_bridge 电路根据电机的三相霍尔信号进行换相控制，其开关工作在低频条件下。通过对电感 l1 电流的控制可以减少电机启动时的冲击电流，减少启动转矩的脉动。

图 3 恒流控制下各元件电流波形
(2) 反向充电模式
当整个系统的内燃机开始工作后，后端 bldcm 处于发电状态。此时 t2 工作于开关状态， t1 不导通， d1 作为 boost 电路的二极管工作。通过控制 boost 电路的输出电压和电感 l1 上的电流可以使电路工作于恒压、恒流等模式，从而实现对蓄电池的恒压限流、恒流和浮充三段式充电方式。此时后端的三相桥电路工作于不控整流状态下。
(3) 制动模式
当车辆需要停止或刹车时，通过反向对蓄电池充电来进行制动，其工作方式与反向充电模式类似。此时电机内相反电动势与相电流反相位，其电磁转矩起制动作用，从而可以使电机很快的停下来。

4 系统软硬件设计
4.1 软件设计
f2407a 控制程序由 3 个部分组成 : 主程序的初始化、 pwm 定时中断程序和 dsp 与周边资源的数据交换程序。
(1) 主程序
主程序先完成系统的初始化、 i/o 口控制信号管理、 dsp 内各个控制模块寄存器的设置等，然后进入循环程序，并在这里完成系统参数的保存。
(2) pwm 定时中断程序
pwm 定时中断程序是整个控制程序的核心内容，在这里实现电流环、速度环采样控制以及 bldcm 的换相控制、 pwm 信号生成、电感连续、断续控制，工作模式的选择，软件过流、过压的保护，以及与上位控制器的通讯等。中断控制程序周期为 50 μ s ，即 igbt 开关频率为 20khz 。其中每个开关周期完成电流环的采样和开关信号的输出，每 20 个开关周期完成一次速度环控制。 pwm 控制信号采用规则采样 pwm 调制方法生成。
(3) 数据交换程序
数据交换程序主要包括与上位机的通讯程序、 eeprom 中参数的存储。其中通讯可以采用 rs-232 或 can 总线接口，根据特定的通讯协议接受上位机的指令，并根据要求传送参数。 eeprom 的数据交换通过 dsp 的 spi 口完成。
4.2 硬件设计
(1) dsp 以及周边资源
整个系统的控制电路由 f2407a+gal 组成。其中 gal 主要用于系统 io 空间的选通信号以及开关乐鱼信号的输出控制等。 f2407a 作为控制核心，接受上位机信息后判断系统的工作模式，并转换成 igbt 的开关信号输出，该信号经隔离电路后直接乐鱼 igbt 模块给电机供电。另外 eeprom 用于参数的保存和用户信息的存储。
(2) 功率电路
系统的功率器件选用了 infineon 公司 bsm300 gb600dlc igbt 模块，其内部集成 2 个 igbt 开关管，耐压 600v ，耐流 300a 。乐鱼选用北京落木源公司的 TX-KA101 igbt 乐鱼芯片，内含三段式的过流保护电路。系统的辅助电源采用反激式开关电源，主要供电包括系统所有开关管的乐鱼电源， f2407a 和 gal 以及其他控制芯片的电源和采样 lem 以及三相霍尔的工作电源。
(3) 采样电路
本系统需要采样电感 l1 上的电流，另外需要对蓄电池电压和电机端输入电压进行采样，从而完成电路的恒流、恒压等控制功能。采样电路采用霍尔传感器并经模拟电路处理在 0~3.3v 的电压范围内，再送入 f2407a 的 ad 采样口。
(4) 转子位置检测电路
电机位置反馈采用双极性锁存型霍尔元件，在电机的每相绕组处都安放一个元件。霍尔信号根据电机转子磁极的极性来产生方波信号。霍尔元件安放的位置通常有 60 °和 120 °之分。 f2407a 通过判断方波信号跳变的极性来获取换相信息，同时记录方波脉冲的个数来计算电机的转速，从而实现电机速度的闭环控制。
(5) 保护电路
系统的保护分为软硬件保护，由于硬件保护速度较快，通常用于乐鱼信号的直接封锁。从保护等级来分，可以分系统级保护和乐鱼级保护，其中，乐鱼级保护是通过 igbt 乐鱼芯片 TX-KA101 特有的保护功能来实现的。系统级保护包括控制器的过流、过压、欠压，过温以及霍尔元件故障等保护。

5 实验结果
实验中采用了宁波欣达集团乐邦电机厂的 bldcm ，其额定功率为 50kw ，最大功率 100kw ，额定转矩 212n · m ，额定转速 2300r/min ，额定电流 214a 。额定电压 336v ，通过蓄电池组供电。整个乐鱼系统采用 f2407a dsp 芯片控制，其开关频率为 20khz, 电感 l1=75 μ h ，电容 c0=100 μ f 。功率模块选用 infineon 公司的 bsm300gb600dlc 低损耗 igbt 模块，其内部是一个半桥电路，具有低引线电感的封装结构。系统散热采用水冷。图 4 是正向电动时电感 l1 上的电流，此时电流连续，图 5 是电流连续时二极管 d2 两端的电压波形，可以看出几乎没有尖峰电压。图 6 是电感电流不连续时的波形，图 7 是电流断续时二极管 d2 两端电压波形。图 8 是电机轻载时的相电流波形，其电流较为平稳。图 9 ，图 10 分别是 igbt 在导通和关断时的电压波形，其开关时间都在 100ns 左右，且关断时没有尖峰电压。

图 4 正向放电电流连续波形

图 5 电流连续时二极管电压结论

图 6 正向放电电流断续波形

图 7 电流断续时二极管电压

图 8 电机相电流波形

图 9 igbt 导通时的电压波形

图 10 igbt 关断时的电压波形

6 结束语
本系统控制上采用 dsp 的数字结构，电路设计简单，紧凑，满足了大功率 bldcm 的实时控制要求。同时全数字化的控制，使系统在控制精度、功能和抗干扰能力上都有了很大程度的提高。整个系统不仅具有正向电动的功能，同时具有反向充电和制动功能。实验结果表明该系统设计合理，适应混合动力电动汽车的应用要求。

关于

落木源电子——IGBT乐鱼领域专家，是全国第一家专注于IGBT乐鱼模块研发生产的厂商，依托高校及研究院所，技术力量雄厚，拥有多项专利，现有各类乐鱼器产品六十余种。经过数年发展，落木源已成为IGBT乐鱼领域知名品牌，多款出口型号得到广泛应用，是 IGBT 乐鱼模块之优选解决方案供应商。

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