基于TMS320F28035电动汽车电机操纵器.docx

1、基于TMS320F28035电动汽车电机操纵器2020-2021德州仪器C2000及MCU创新设计大赛项目报告题 目： 基于TMS320F28035电动汽车用电机操纵器 学校： 重庆大学 组别： 专业组 应用类别： 先进操纵类 平台： C2000 题 目： 基于TMS320F28035电动汽车电机操纵器 摘要：21世纪，纯电动汽车已经成了解决燃油车辆带来的能源和环境问题的最有希望的方案之一。而电动汽车电机操纵器又是纯电动汽车的核心部份。本设计以TI公司的TMS320F28035为操纵核心，设计了一款用于电动汽车的低压电机操纵器，采纳先进的弱磁操纵算法和效率优化策略，实现了电机在整个运行范围内输

2、出最大转矩和达到较高的效率。Abstract：ELECTRIC vehicles (EV) are seen as a possible step towards the solution of the pollution problem in urban environment. And the motor controller is core of the electric vehicle. Based on TMS320F28035 ,we design a motor controller used in low voltage EV. With the advanced contro

3、l scheme ,we can get the maximum torque in the whole speed range and the maximum efficiency.1引言1.1系统设计的背景20世纪90年代以来，汽车作为人类最重要的代步和交通工具，在全世界范围内取得蓬勃快速进展。其实世界汽车工业总共进展了100连年，已经成为世界上许多国家的支柱产业，在人类经济生活和生产中发挥着举足轻重的作用。进入21世纪，在尔后的50年里，全世界人口将从60亿增加到100亿，汽车的数量将从7亿增加到25亿。若是这些车辆利用内燃机的话，他们所需要的石油将不可估量，它们所排出的尾气将无法处置，

4、它们将对咱们的环境造成庞大的损害。这些问题迫令人们去寻觅21世纪可持续进展的道路交通工具。另外，由于能源资源日趋消耗，迫令人们从头考虑以后汽车的动力来源，世界各国都竞相踊跃地研制新能源汽车，从而来替代燃料汽车。由于新能源汽车清洁无污染，能源形式多样而且能量比重高，结构简单而且保护方便，是21世纪最有进展潜力的汽车。近二十连年来，西方工业发达国家政府把电动汽车的研究开发看做解决环境问题和能源问题的一种有效手腕，在经济上给予大力支持。美国政府至今已出资数百亿美元支持汽车厂商和相关厂商进行电动汽车技术的开发研究。美国三大汽车公司1991年联合成立了美国先进电池联合体，投入了4.5亿美元，其中政府拨款

5、2.25亿美元，一起开发镍镉、镍氢、锌空气电池、燃科电池等各类高性能蓄电池。日、法、德等国各大公司也投入巨资研究开发高性能电池。在电动汽车整车研究开发方面，至90年代末期，国外大汽车公司已开发生产了100多种型号的纯电动汽车、燃料电动汽车和混合动力汽车(表1)。其中，已有10多种纯电动汽车车型投入商业化生产；最近几年来，燃料电池电动汽车成为新的开发烧点，美国打算到2020年市场上燃料电池汽车占市场4%份额，达到60万辆，日本政府发布燃料电池汽车进展打算-2020年5万辆，2020年500万辆；在纯电动汽车和燃料电池汽车因技术和本钱问题尚未进入批量生产情形下，为了尽快降低燃油汽车的排放，美日等国

6、正在普遍研制混合动力汽车，目前已经开始小批量商业化生产。近些年来，国外闻名的汽车厂商都在研制各类电动汽车，并取得了必然的成绩。如日本的丰田公司在 1997 年 12 月推出了世界上第一款批量生产的混合动力轿车 PRIUS，并在 2000 年后开始出口北美、欧洲。我国从“九五”期间就有打算地开展了电动汽车关键技术的攻关和整车研制工作，“十五”，“十一五”期间，我国已将电动汽车列入“863”重大科技攻关项目。国家科委、计委在八五、九五期间组织了纯电动汽车的攻关，此刻又将纯电动汽车列入十五国家863打算电动汽车重大专项。国内大型汽车企业、高等院校、研究单位对纯电动汽车的研究也热情高涨，通过量轮试制，

7、力争在十五终止时实现电动汽车的产业化。十五目标是：解决关键技术，完成可有效的电动汽车的开发，并实现产业化。要紧研究内容：电动汽车的整体设计；先进的电池技术；电动机及操纵驱动系统；整车监控与治理系统、利用环境与配套技术等。 电动汽车是新能源汽车中的一种，采纳电力进行驱动，具有无排放、噪音低、能量转换效率高等特点，是当前研究讨论的热点。可是目前电动汽车还不如内燃机汽车技术完善，要紧缘故是车载电池本钱太高，寿命太短。而且单节电池的储能容量很低，需要装载多节电池，占据车身总重量，而且一次充电后续驶里程也不睬想。于是各类缘故造成了电动汽车的本钱一直居高不下。电池租赁的营销策略的提出，可能打破这一瓶颈，而

8、且从进展久远的角度看，随着科技的不断进步，电动汽车此刻存在的问题将会慢慢取得解决，价钱和利用本钱也会随着技术的成熟、电动汽车的普及和大量量生产慢慢降低，价廉物美的电动汽车前景令人注视同时异步电机由于其体积小、结构简单、牢固靠得住、本钱低、易于保护等优势，被愈来愈多的厂商用做电动汽车的驱动电机。可是相关于国外，国内关于电动汽车电机驱动操纵器的研究还比较掉队，很多国内电动汽车厂商都依托从国外入口电动汽车电机操纵器来组装电动汽车，而自身的研发能力不强。因此对电动汽车电机操纵器的研究显得超级重要。1.2系统设计的目的目前，电动汽车感应电机及驱动操纵器通常采纳两种操纵方式：转子磁场定向矢量操纵和直接转矩

9、操纵。转子磁场定向适量操纵具有类似直流电机的转矩操纵特性，取得了普遍的应用。当前多数电动汽车操纵器采纳大电压加IGBT来驱动电机，在带来大转矩的同时，也带来了平安隐患。一旦发生漏电，对人体的损害将是致命的。本系统设计的目的是：采纳额定电压为48V的低压电机作为电动轿车的驱动电机，以TI公司生产的DSP芯片TMS320F28035作为核心操纵芯片，设计一款用于纯电动汽车的操纵器及转子磁场定向矢量操纵系统。并对整个操纵算法进行优化改良，在提高电动汽车平安性的同时实现电动汽车在运行进程中能提供尽可能大的转矩和达到比较高的效率。1.3系统设计需要解决的问题本系统设计学要解决的问题：1以TI公司生产的D

10、SP芯片TMS320F28035芯片作为操纵核心，大电流MOSFET作为功率器件，完本钱系统电动汽车电机操纵器硬件部份的设计2完成电动汽车电机操纵器操纵算法的编写，实现电动汽车操纵器要求的功能，包括在电动汽车运行进程中实现大转矩输出，高效率和各类爱惜功能。3对本系统设计进行实验台实验和实车路试实验。2系统方案 本系统整体方案为：本系统设计的要紧功能有：电子加速，刹车，档位功能，过流爱惜，欠压爱惜，过酷爱惜，限流运行，限温运行，CAN通行功能和能量回馈功能。系统设计的整体设计思路如图1所示：图1 系统设计整体思路2.1系统设计电压品级的选择目前电动汽车电压品级有：48V，72V，300V等，当前

11、多数电动汽车操纵器采纳大电压加IGBT来驱动电机，在带来大转矩的同时，也带来了平安隐患。一旦发生漏电，对人体的损害将是致命的。同时采纳高电压对整个电动汽车的绝缘性能要求超级高，因此本钱将大大增加。从平安角度动身，因此本系统设计选择低压48V作为驱动电压。本系统设计采纳16节3.3V的磷酸铁锂电池串联来作为电动汽车的驱动电压。图2为实际驱动电压实物图;图2 48V电池实物图2.2系统设计主驱电机的选择电动机是电机驱动系统的核心，其性能、效率、重量直接阻碍电动汽车的性能。目前电动汽车利用的电机要紧有直流电动机，感应电动机，永磁无刷电动机和开关磁阻电动机,对各类电机特点简要介绍如下： 直流电动机有刷

12、直流电动机具有调速性能好、操纵简单、技术成熟等优势，在初期开发的电动汽车上大量采纳直流电动机进行驱动。有刷直流电动机的缺点存在电刷和机械换向器，不但限制了电机过载能力与速度的进一步提高，而且寿命低、保护本钱高；另外，由于损耗存在于转子上，使得散热困难，限制了电机转矩质量比的进一步提高。因此，在新研制的电动汽车上已大体不采纳有刷直流电动机。 永磁无刷电动机永磁无刷直流电动机是一种具有直流电动机的调速特性的高性能电动机。它的要紧优势是没有电刷及相关机械结构，没有换向火花，寿命长，运行靠得住，保护简便。可是永磁无刷直流电动机受到永磁材料工艺的阻碍和限制，功率范围较小；而且永磁材料在受到振动、高温和过

13、载电流作历时，其导磁性能可能会下降或发生退磁现象，将降低永磁电动机的性能，严峻时还会损坏电动机；永磁无刷直流电动机在恒功率模式下，操纵复杂，需要一套复杂的操纵系统，从而使得永磁无刷直流电动机的驱动系统造价很高。 开关磁阻电动机开关磁阻电动机是一种新型电动机，可控参数多，调速性能好、操纵方便、结构简单、本钱低、运转效率高、易于在很宽转速范围内实现高效节能操纵。可是由于其磁极端部的严峻磁饱和和磁极和沟槽的边缘效应，使开关磁阻电机设计和操纵超级困难和精细，而且开关磁阻电机常常引发噪声问题。因为受到国内电机进展水平和电机价钱的限制，目前国内将开关磁阻电机应用到电动汽车上的比较少。 感应电动机感应电动机

14、是应用得最普遍的电动机。感应电机有绕线式和鼠笼式两种类型，鼠笼式感应电机在电动汽车上的应用最为普遍。感应电机没有滑环、换向器等部件，结构简单，运行靠得住，经久耐用。转速可达到1200015000r/min。可采纳空气冷却或液体冷却方式。对环境的适应性好，并能够实现再生反馈制动。与一样功率的直流电动机相较较，效率较高，质量减轻一半左右，价钱廉价，维修方便。感应电动机的低本钱、高靠得住性及免保护等特性使其在电动汽车上取得了普遍的应用。三相感应电动机的缺点是：矢量操纵算法复杂，对处置器运算速度要求较高，造成操纵系统的本钱较高。表1为目前利用的各类电动汽车用电动机的比较，其性能以0-5分来评比。 直流

15、电机感应电机永磁无刷电机开关磁阻电机功率密度2.53.553.5效率2.53.553.5可控性5453可靠性3545成熟性5544成本4534功率范围4544总评26312927表1 各类电动汽车用电动机性能的比较45通过上述分析可知：异步电动机具有体积小、结构简单、牢固靠得住、本钱低、易于保护等优势，而且随着变频调速技术的进展，让异步电动机的操纵方式愈来愈完善，使异步电机有着优良的启动和调速性能，高效率、高功率因数和节能，有着普遍的应用范围。本课题选用低压大电流鼠笼式异步电机作为电动汽车电机驱动。采纳电机的要紧参数为：额定电压48V的4极鼠笼式异步电机，额定频率100HZ,最高转速6000r

16、pm，启动转矩85N.M，额定功率5KW,峰值功率20KW,最大电流500A，额定线电流有效值133A。图3为实际电机实物图:图3 48V电机实物图2.3系统设计主控芯片的选择本系统设计采纳TI公司的DSP芯片TMS320F28035作为电动汽车异步电机的电机操纵器的主控芯片。该芯片速该芯片是TI公司专门为电机驱动开发设计的一款DSP芯片其速度快，本钱低，完全能知足系统要求，该芯片具有以下一些特点：.高性能32位CPU，1616位和 3232位MAC 操作，1616位双通道MAC（乘累加运算），采纳哈佛总线结构 ,快速的中断响应和处置 ,统一的存储模式 用C/C+和汇编语言，代码效率高。 .装

17、置和系统低消耗，单独的3.3V供电 ，没有上电顺序要求，先进的仿真性能， 分析和断点功能，可通过硬件实时调试,增强性的操纵模块 ，增强的PWM模块，HRPWM，增强性的脉冲编码模块 ，ADC转换模块 2.4系统设计主操纵策略的选取2.41 异步电机矢量操纵策略矢量操纵理论是从异步电机内部的机电能量转换、电机统一理论和空间矢量理论基础上进展起来的，理论基础严谨。矢量操纵技术完全仿照对直流电机的操纵技术，用矢量变换的方式，把异步电机定子电流解耦成相互独立的产生激磁的分量和产生转矩的分量，别离操纵着两个分量就能够够实现对异步电机的转矩操纵和磁链操纵的解耦，从而实现理想的动态性能。在理想的情形下矢量操

18、纵的异步电机传动类似于他励直流电动机传动。在直流电机中，假设忽略电枢效应和磁场饱和，那么输出转矩可被表示为： (式2-1)式中Ia为电枢电流，If是励磁电流。直流电机的构造决定了励磁电流If产生的磁链与电枢电流Ia是垂直的，当操纵电流Ia以操纵转矩时，磁链不受阻碍。异步电机是多变量，非线性，强耦合系统，操纵起来远比直流电机复杂。异步电机矢量操纵示用意如图4图4异步电机矢量操纵示用意将异步电机放在同步旋转坐标系（d-q）上进行操纵，若是将Ids定向在转子磁链的方向且与Iqs垂直，那么稳态时正弦量就变成了直流量，如此异步电机就具有了直流电机的特性，可取得类似直流电机的特性。现在异步电机的转矩可表示

19、为： （式2-2）其中为同步旋转坐标系按转子磁场定向后d轴电流，为同步旋转坐标系按转子磁场定向后q轴电流，这意味着当操纵时，只会阻碍实际的转矩电流Iqs,而可不能阻碍磁链，当操纵电流时，只会阻碍磁链，而可不能阻碍电流的转矩分量。图5动汽车异步电机矢量操纵原理系统框图2.42 空间矢量SVPWM调制技术目前PWM开关信号的取得最多见的有正弦脉宽调制(SPWM)和空间矢量脉宽调制(SVPWM)。其中，SVPWM是将逆变器和电动机看成一个整体，成立逆变器开关模式和电机电压空间矢量的内在联系，通过操纵逆变器的开关模式，使电机的定子电压空间矢量沿圆形轨迹运动，从而明显降低转矩脉动，与传统的SPWM相较，

20、其开关器件的开关次数能够减少1/3，直流电压的利用率可提高15%，能取得较好的谐波抑制成效，且易于实现数字化操纵。2.43高速时电机的弱磁操纵当电机要求运行在基速以上时，由于直流母线电压的限制和反电动势的阻碍，就需要转子磁场随着转速的上升而下降，即所谓的弱磁运行。电动汽车对电机驱动系统的弱磁运行性能有较高要求，有限的供电电压无法提供电机转速升高所需的不断升高的转子反电势，因此需要选择适当的弱磁方式在知足电机及逆变器的电压和电流限制条件下取得尽可能大的电机转矩输出，功率输出及良好的系统动静态特性。在电动汽车中，电机逆变器的母线电压易受电机运行工矿和电池特性的阻碍而产生必然范围的电压波动,为了能在

21、全速度范围内维持电机转矩可控性，专门是在高速弱磁区，需要留必然的电压余量以保证电机定子电流转矩及励磁分量的动静态性能 。目前最为常见的异步电机高速弱磁方式是假定母线电压不变的前提下依照磁链与速度成反比的关系进行的高速弱磁操纵 在以转子磁场定向矢量操纵下有以下公式： （式2-3）（式2-4）高速时电阻压降能够忽略，从以上两式可得： （式2-5）采纳转子磁场定向后： （式2-6）电机高速运行时， 那么： （式2-7）从式3-9 能够看出采纳磁链与速度成反比的弱磁操纵时，只有在空载时才能保证U恒定不变，U随电机负载增加而增加，另外逆变器母线电压是波动的这给电机弱磁操纵增加了难度。通过以上分析能够看出

22、，传统弱磁方式并非能在整个电动汽车运行进程中产生最大的转矩，因此本文采纳先进的弱磁操纵算法，其操纵框图如图6所示： 图6 本系统设计采纳的弱磁操纵原理框图同过判定d轴和q轴电压来判定系统是不是进入弱磁区，在进入弱磁区后，通过PI调剂器来自动调剂励磁电流和转矩电流的分派。（1）在恒转矩区域，电机运行在基速以下，在那个区域电机所需电压矢量的幅值没有超过，电机运行只受电流限制圆的限制，有能力保证，达到其额定值，产生最大转矩。整个恒转矩区域电机电流分派如方程（3.21）所示： （2-8）（2）恒功率区，弱磁区1（），随着转速的增加，电机所需要的电压矢量愈来愈大，当时，电机运行所需要的电压矢量幅值与相等

23、。若是转速在增加，电机运行所需要的电压矢量幅值将大于，调剂器PI(e)将调整电机所需的电压矢量幅值使其不超过最大电压。PI(e)调剂器将自动减小励磁电流从而保证电机假设需电压不超过最大电压限制，这将致使减小，减小。同时在该区域转矩电流将增加，将增加这也意味着电机弱磁操纵的开始。该区域电流的分派情形： 由PI调剂器自动调剂，转矩电流为： （2-9）（3）恒电压区，弱磁区2（）：当电机转速进一步增加时，电机运行状态进入弱磁区2，在该区域，由于电机反电动势很高，已经不可能在在向电机输入最大的电流，因此在该区域电机运行状态只受电压限制椭圆的限制。该区域电机励磁电流任由PI(e)调剂器来调剂来知足电机运

24、行的电压限制条件，该区域的电流分派策略为： （2-10）通过上面分析能够看出系统设计采纳的方式能在整个电机运行进程中取得最大的转矩，不需要查表，对参数的依托小，系统鲁棒性强。与传统的弱磁方式相较，电流分派加倍合理，能够在整个电机运行区域取得更大的转矩。3系统硬件设计本系统设计的电动汽车电机操纵器整体框图和实物图如图7所示：图7 电动汽车电机操纵器整体框图和实物图如图7所示，本系统采纳48V电池作为操纵器母线电压输入，主驱电机为鼠笼是异步电机，操纵器主控芯片采纳TI公司生产的TMS320F28035，功率逆变桥部份采纳大电流MOSFET并联，电流采样采纳新型的电流采样芯片MLX91205.整个操

25、纵器状态的检测采纳一个上位机来监测，操纵器与上位机之间通过CAN通信来实现数据的传输。3.1主控芯片选择本文采纳的主控芯片为TI公司新推出的专门用于电机操纵的芯片TMS320F28035,该芯片运算速度快，价钱廉价，该芯片还具有一下一些特点：高性能32位CPU ：1616位和 3232位MAC 操作，1616位双通道MAC（乘累加运算），采纳哈佛总线结构，原子操作，快速的中断响应和处置，统一的存储模式，用C/C+和汇编语言，代码效率高可编程的CAL:32位的浮点数加速器,主CPU独立处置代码装置和系统低消耗:单独的3.3V供电,没有上电顺序要求, 完整的上电复位和掉电复位时钟: 2个内部的振荡

26、器, 片内晶体振荡器和外部时钟输入, 基于锁相环的PLL时钟模块, 程序监视器模块, 没有时钟侦查电路多达45个独立可编程复用的I/O引脚外设中断扩展模块（PIE），支持所有的外设中断32位的CPU按时器:每一个ePWM模块都有独立的16位的按时器,片内存储器，包括Flash,SARAM,OTP,BootROM.128位的平安密钥: 爱惜存储模块的平安,避免逆向设计持续的通信模块:1个SCI模块,2个SPI模块,1个I2C,1个LIN网络,1个ECAN先进的仿真性能:分析和断点功能,可通过硬件实时调试增强性的操纵模块:增强的PWM模块, HRPWM,增强性的脉冲编码模块,ADC转换,片内温度传

27、感器, 比较器28035封装:64脚（TQFP）, 80脚（LQFP）因此其完全知足电动汽车电机操纵器要求，本系统设计采纳80引脚的28035，其实物图为：图8TMS320F28035实物图3.2MOSFET功率电路设计随着半导体技术的快速进展，功率MOSFET性能愈来愈高，价钱愈来愈低，因此在大电流功率驱动电路中被普遍采纳。本系统采纳功率MOSFET型号为STP75NF75，这种MOSFET的漏极和源极间电压最大为75V，栅极和源极之间的驱动电压最大为，导通电阻小于0.0095，导通电流最大为80A。本文设计的操纵系统最大功率为20kW，直流供电电压为48V，因此每一个桥臂许诺通过的最大直流

28、电流为416.7A，为此采纳MOSFET并联结构，增大过流能力，本系统中每一个桥臂并联12个MOSFET，如此每一个桥臂能够经受的最大电流理论值为1000A，从而能够知足系统大电流工作情形的需要。图9所示为三相桥桥臂的MOSFET并联电路图， 图9三相桥MOSFET并联结构电路图图9所示MOSFET并联电路具有以下特点： MOSFET并联时，需要解决好并联MOSFET的均流问题，为此，在每一个MOSFET栅极都串联了一个小电阻，该电阻依照MOSFET的栅极电流范围和MOSFET驱动信号电压计算，一样在5欧姆30欧姆之间取值。 在MOSFET后级设计了RC滤波电路，对三相逆变桥输出的交流电压信号

29、进行调剂，避免显现过压等故障现象。功率电路部份采纳了贴片式MOSFET，贴片式MOSFET的铝基板如图10所示，采纳铝基板增大了导电面积，使板子能够经受的最大电流增大；采纳贴片元件，板子体积小，器件焊接牢固，不易松动，靠得住性较高；便于利用自动焊接技术，适合大量量生产。可是制板本钱相对较高。 图10 实物图3.2电流检测的设计本系统设计中，利用新型的霍尔传感器MLX91205进行电流采样。磁集极霍尔传感器具有高线性度、低磁滞、高灵敏度、体积小、安装方便、价钱低等优势。随着该技术的推行，磁集极霍尔传感器必将普遍应用于很多领域。与传统的霍尔传感器和磁阻传感器比较，磁集极霍尔传感器具有3个优势： 磁

30、集极霍尔传感器的灵敏度比传统霍尔传感器高，和磁阻传感器相当。磁集极霍尔传感器的灵敏度高达280V/T，典型的霍尔传感器在5V供电的情形下的灵敏度是25V/T； 磁集极霍尔传感器改善了磁阻传感器的非线性和磁滞现象； 磁集极霍尔传感器的3dB带宽为100kHz，典型的响应时刻只有3s，能够普遍的应用于PWM 操纵和过载爱惜中检测电流信号，实现快速爱惜27。本系统设计选用melexis公司的MLX91205磁集极霍尔传感器，应用于电动汽车异步电机操纵器的电流检测(未加屏蔽防干扰)，其实物连接图如图11所示：（a）未加导电条 （b）加上导电条图11 MLX91205的实物连接图依照电磁学理论，随着距离

31、r的增大，磁场强度B迅速衰减。因此，传感器和导线之间的距离越小，传感器的输出电压就越大。本实验比较了距离与电流的关系。其实验部份波形如图12所示：图12 测试所得波形4统软件设计详细介绍算法设计与算法流程图（不得大量复制源代码）系统软件采纳模块化设计方式，将各个功能单元制作成各个独立的软件模块，在主程序中依照需要挪用各个功能模块，从而实现系统整体功能。模块化编程使得程序结构清楚明了，编写程序时思路清楚，简化了编写程序的步骤，使程序功能更易实现，同时为阅读程序和进一步修改程序带来极大的方便。系统中的功能模块要紧包括：AD采样转换模块、弱磁操纵模块，SVPWM模块、转子磁场角度计算、转速估量模块、CLARK变换，PARK变换、PARK反变换和PID计算模块等。系统软件要紧采纳C语言编写，部份需要快速执行的功能模块采纳汇编语言编写，从而大大减小了软件编写的难度，并提高了系统软件的运行效率。系统主程序要紧进行系统初始化和各个功能模块的初始化，进行速度给定和转矩给定操纵，并通过CAN通信与上位机进行