TMS320F241在混合动力汽车电机控制中的应用_DSP论文
关键词：tms320f241 混合动力汽车 can总线 无刷直流电机
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。
由于混合动力汽车有两套驱动系统，驱动系统与整车控制单元（vcu）之间的交换与协调就显得尤其重要。can（controller area network）总线即控制器局域网络，是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络，属于现场总线的范畴，具有实时性强、可靠性高、抗干扰性强、结构简单、操作性好、价格低廉等特点，因此被广泛用于工业控制中。
tms320x24x是ti公司专为数字电机控制而设计的系列芯片。而tms320f241与同系列的tms320c240或tms320f240相比，除了具有后者的基本功能之外，还内嵌了can模块，因此很适合混合动力汽车电机驱动系统的控制。
1 tms320f241的主要特点
与tms320x240相比，tms320f241除了多出一个can模块之外，还具有以下不同之处：
·tms320x240具有双10位a/d转换器，16个输入通道，转换时间为6μs；而tms320f241则只有一个10位a/d转换器，8个输入通道，转换时间为1μs。
·tms320x240的事件管理器中有3个定时/计数器、4个捕获单元和9路pwm输出（6个full pwm和3个simple pwm）；而tms320f241的事件管理器中只有2个定时/计数器、3个捕获单元和6路pwm输出（6个full pwm），计数器的计数方式也少了单上升沿和单上升/下降沿两种模式。
tms320f241具有8k片内flash，没有扩展ram接口，调试起来不是很方便。但可以用同系列的tms320f243evm板进行调试，程序几乎不同修改就能移植到tms320f241芯片内运行。
2 无刷直流电机控制系统方案
图1为电机系统控制框图，采用转换和电流双闭环控制。
转子位置由霍尔元件检测，是3个相差120度（电角度）、脉宽为180度（电角度）的重叠信号。由转子位置可得出转速，进而得到电流的计算值；而由电流传感器可以检测到实际的电流，根据电流给定值与实际值两者的差值调节pwm信号的占空比，并根据当前转子位置触发相应的功率开关器件，从而达到控制电机转速的目的。
逆变器采用ipm智能功率模块，它内含功率开关器件和驱动电路以及过程电压、过电流等检测电路，其中的开关器件为igbt。
电机控制策略中各功能模块（包括asr、acr、pwm、换流逻辑和转速计算）都由tms320f241芯片实现。
3 tms320f241的外围设计
图2是tms320f241芯片的主要外围接线图。有关说明如下：
xtal1和xtal2之间接5mhz的晶振，提供系统时钟。
3个捕获单元的引脚cap1、cap2、cap3连接到霍尔元件的输出，转子的位置信号存储到捕获单元的缓冲器，经过计算可以得到转子转速。
a/d转换器的8位输入通道中，用了5个通道，输入量分别是直流母线电流idc、电压vdc以及电机三相电流iu、iv、iw；另外3个通道经过电阻接地。
6路pwm输出接到逆变器六个开关器件的控制端，其中u+、v+、w+接上桥臂，u-、v-w-接下桥臂。这6路pwm信号控制着开关器件的开通与关断，从而决定了电流的流经路径。
tms320f241的can模块引脚canrx和cantx通过光耦器件6n137连接到收发器82c250，而收发器82c250再通过两个引脚canh和canl与can总线相连，从而实现了tms320f241与can总线间的通讯。其通讯介质采用双绞线，如果通讯距离在40m之内，最高传输速率可达1mbps。
4 tms320f241的can编程
tms320f241的can模块是fullcan控制器，可以发送和接收标准帧（11位标识符）和扩展帧（29位标识符），它含有6个邮箱（mailbox）以及15个不同的16位寄存器。这些寄存器分控制寄存器、状态寄存器、中断寄存器和本地接收屏蔽寄存器，它们映射到dsp的数据地址空间为0x7100h～0x710fh。6个邮箱中有两个收件箱（编号为0和1）、两个发件箱（编号为4和5），还有两个邮箱（编号为2和3）可以根据需要设置为收件箱或发件箱。而每个邮箱又包含标识符、长度及远程帧发送请求、数据等三个部分，其中发送或接收的数据长度为8字节。6个邮箱占用地址空间为0x7200h～0x722fh。
要使tms320f241芯片能够正确地收发，首先要初始化can模块。can总线上每个节点的位传输时间是可以编程的（通过设置波特率），但必须相同。当一个节点收到一幅帧时，接收器必须与发射器保持同步。邮箱初始化的步骤如下：
（1）禁用邮箱
canmder=00000000000000000000b
(2)设置改变数据请求
canmcr=0000000100000000b（bit8cdr=1）
(3)改变邮箱的标识符、控制字和数据（只有发件箱才能改变数据）
（4）反回正常模式
canmcr=00000000000000000000b
（5）启用邮箱（me=1）
初始化can模块之后，再经过正确的配置，就能够收发数据了。
图3和图4分别是can模块发射和接收流程图。
通过以上介绍可以看出，tms320f241是一种专用于电机控制且内嵌can模块的dsp芯片。用它可以方便地对混合动力汽车（hev）的永磁无刷直流电机实现速度控制，同时利用其内嵌的can模块，可以通过can总线（协议规范can2.0）与混合动力汽车的整车控制单元（vcu）进行通讯。因而非常适用于混合的动力汽车永磁无刷直流电机控制系统。