1、汽车异步集成起动发电系统控制平台的研制题 目： 汽车异步集成起动/发电系统控制平台的研制 摘要：汽车异步集成起动/发电电源系统用一台异步电机兼作起动电机和发电电机两种用途，可省去专门起动的装置，使汽车配置更加合理与简洁。对由DSP控制系统与电力电子变换器组成的汽车异步集成起动/发电电源系统控制平台进行了设计。设计分为硬件与软件两部分。硬件包括以TMS320F2812为核心的主控电路、外围电路、主功率电路与电源适配器，软件包括与上位机的通信软件及实现起动/发电双功能的控制软件。硬件已经调试成功，与上位机的通信软件已调试成功。控制平台具有较强的通用性，除可用于汽车异步集成起动/发电电源系统外，还可
2、在多种电机控制场合使用。Abstract: Induction integrated starter/generator(ISG) of automobile has two function, one function is used as starter motor ,the other function is used as generator.By using this machine,the special starter can be leave out.The configuration of automobile can be simple and reasonable.The
3、 control platform of induction ISG, which is constructed of DSP control system and power electronic, is designed.The hardware and software of control platform are designed.TMS320F2812 is used as control core of the hardware. The hardware includes master control circuit, periphery circuit, master pow
4、er circuit and power supply.The software includes communication software to personal computer and starter/generator double function control software. The hardware is debugged successfully. The communication software to personal computer is also debugged successfully。The control platform has general-
5、purpose.It can be used to control many electrical machine. 1. 引言为了进一步降低油耗，提高能量使用效率，现代汽车上越来越多地采用各种电子控制辅助装置替代传统的机械驱动的辅助装置；为了提高整车的舒适性和安全性，现代汽车电气需求功率也在不断增大。电气系统功率要求增加，会引起发电机的体积、重量以及驱动它的发动机、起动机的体积、重量的大大增加，但是汽车空间是有限的，因此研究新型汽车电气技术十分迫切。汽车集成起动/发电(Integrated Starter Generator，简称ISG)技术用一台电机实现起动与发电双功能，可省去专门起动用的
6、电机，还可方便地选择电机的电动或发电工作状态，使发动机快速起动，避免其怠速空转，是提高汽车电源系统功率、节约空间、减轻重量、节约燃油、降低二氧化碳排放的理想办法，成为当今新型汽车电气技术发展的重要方向。汽车ISG系统可以采用多种电机，其中异步电机具有结构简单、运行可靠、适合高速运行、成本低等众多优点，它和电力电子变换器以及以DSP为核心的控制器结合构成的新型异步电机控制系统，无论是电动还是发电运行均可获得优良的性能，因此异步电机是汽车集成起动/发电电机的首选之一。汽车异步电机集成起动/发电系统原理框图如图1-1所示。系统由发动机、齿轮箱、异步电机、电力电子变换器、控制器、蓄电池和负载等组成。发
7、动机起动时，由控制器与电力电子变换器控制异步电机工作于电动状态，作起动电机用；发动机起动起来之后，再控制异步电机转入发电状态，由发动机驱动异步电机产理器，可非常方便地对电机进行控制。本项目对由电力电子变换器和以TMS320F2812为核心控制器组成的汽车异步起动/发电系统的控制平台进行研制，以获得高性能的汽车电源系统，推动汽车电气技术的发展2. 设计方案概述 2.1异步电机起动/发电系统控制平台的功能与设计要求汽车异步电机起动/发电系统的组成如图2-1所示。整个系统包括发动机、异步起动/发电机、DSP控制系统、电力电子变换器、蓄电池与负载五部分组成。其中由DSP控制系统与电力电子变换器组成了系
8、统的控制平台，本项目就是对该控制平台的硬件与软件进行设计与研制。图2-1 汽车异步电机集成起动/发电系统的组成异步电机起动/发电系统技术指标为：(1) 在蓄电池提供的电压下，起动电机可以在5s之内将发动机起动到点火速度，以满足发动机快速起动的要求。(2) 起动/发电电机在发动机怠速与最高转速范围内能够发出稳定的48V电压对蓄电池充电，给负载供电，在额定转速到最高转速之间能够以额定功率发电。(3) 起动/发电电机实现在起动、发电、电动助力、刹车制动发电这四种模式之间的快速平滑过渡。控制平台完成的功能如下：(1) 采集电机的电流、电压与转速等物理量； (2) 通过对采集量的计算，实现起动、发电及起
9、动与发电转换阶段的控制策略；(3) 由DSP实现控制策略，由电力电子变换器控制能量双向流动，使电机完成起动与发电双功能；(4) 具有D/A输出功能，便于随时观察参数变化；控制平台的设计要求：控制平台设计要求具有通用性，设计不针对某个特定的电机来进行，而是作为一个具有一定扩展能力的通用平台来开发，在改进或者更换了少量的外围电路并配合相应的软件后就可以胜任新的工作，不必对大部分电路进行重新设计，要求控制平台具有良好的可移植性，从而使研究人员有更多的精力关注控制策略理论的研究，不必进行频繁的硬件设计制作。2.2 总体设计根据控制平台的功能及对控制平台的设计要求，控制平台的总体设计框图如图2-2所示。
10、图2-2 控制平台总体设计框图控制平台包括四大部分：1主控电路。以DSP作为控制核心，配以时钟、复位、JTAG接口、外扩RAM、CPLD译码电路、D/A转换电路等，实现控制策略的运算与输出。2. 外围电路。包括信号检测电路、A/D输入调理电路、驱动电路及故障保护电路，实现对信号的检测、对功率电路的驱动及对整个系统进行保护。3. 电力电子变换器主电路。实现能量的变换与双向流动。4. 电源适配器。用来给主控电路与外围电路供电，同时给功率主电路提供控制电源。2.3 具体设计方案1. 主控电路(1) CPU部分选择TI公司的电机控制专用高性能32位定点DSP芯片TMS320F2812作为CPU，控制平
11、台的计算和决策均由该CPU来完成。由TMS320F2812配以时钟电路、复位电路、JTAG接口及电源模块，组成DSP最小应用系统。(2) 外扩RAM DSP内部自带RAM只有18K16位，对于复杂的控制算法不能胜任。在试验阶段，实时控制软件必须经过反复调试和不断优化，若直接将不完善的程序烧入到DSP芯片内部的Flash中，频繁地烧写和擦除Flash既浪费调试时间，又影响Flash的使用寿命。因此在本系统中，在DSP的外部扩展了一片随机存储器，作为调试程序的存放空间。(3) CPLD译码电路译码保护采用Xilinx公司的XC95144XL CPLD来完成，以完成外扩RAM、DAC片选信号的译码和
12、软件上的双重保护功能，并采集相应的故障信号；(4) D/A转换电路，如果超出这个范围将会损坏TMS320F2812 DSP器件，因此外部检测的物理量在送入A/D转换器进行模/数转换之前，必须先经过AD输入调理电路，将信号调理到允许的电压范围之内。(3) 故障保护电路对系统采样的物理量进行比较，若超出保护范围，则通知DSP执行相应的动作以防止电机、功率器件和控制平台的损坏；(4) 测速传感器采用光电式旋转编码器，经过测速接口电路的电平转换与处理，将编码器的速度信号送入DSP的CAP捕捉接口进行电机旋转速度的测量；(5) 驱动隔离电路：系统主电路工作于高电压大电流的开关方式，控制电路则要求电源电压
13、稳定无干扰，因此必须在两者之间增加隔离电路。隔离方式有光电隔离和磁隔离两种，此处采用光电隔离。(6) 驱动保护电路：由于驱动电机的是三相桥功率电路，要求三相桥的上桥臂和下桥臂不能同时导通，否则将使电路短路而烧毁功率主电路。因此要对主控电路送来的PWM信号进行识别，实现同一桥上桥臂和下桥臂导通信号同时为高时，发出报警信号并且关断PWM信号以实现对主电路的保护。该部分采用PLD器件GAL16V8。3. 电力电子变换器功率主电路若用分立IGBT构成功率主电路，虽然成本较低，但是除了要设计驱动电路外，还要配合设计IGBT的保护电路以及考虑抗干扰、散热和绝缘等问题，给设计带来面设计如果将电机控制平台的所
14、有功能都做在一块PCB板上的话，会导致板子过大，而且在控制芯片升级或功率主电路容量变大时，均必须重新设计整套电路板，不符合通用性设计要求，因此设计控制平台的PCB板时，不在一块PCB板上，而采用分板设计的方式。DSP的工作频率高，为提高其工作的可靠性，要求它的复位、电源、时钟输入尽可能靠近DSP芯片，因此将包括DSP最小应用系统、外扩RAM、CPLD译码电路及D/A转换电路设计在一块PCB板上，减小主控板的板面面积，增加系统的抗干扰能力。将外围电路与电力电子变换器主电路制作在一块电路板上。将电源适配器单独制作在一块电路板上。采用分板设计方式，当控制要求提高时，可以只升级主控电路部分，此时外围电
15、路与电力电子变换器主电路部分不需做任何更改；而当电机功率大小改变时，只需重新设计功率主电路部分，而不用去重新设计复杂的DSP主控电路部分，这样平台就具有通用性，可以节省大量的时间与成本。从图2-2可见，主控电路要从外围电路输入多路检测信号，并且要输出三相功率主电路的六路PWM脉冲信号到外围电路。主控电路与外围电路之间交换的信号很多，它们的接口必须可靠设计。控制平台的主控电路和外围电路的接口采用插卡方式，采用DDR内存条插槽结观新颖。图2-3 主控电路板与控制平台底板的连接示意图由外围电路与功率主电路组成的控制平台底板布置如图2-4所示。在使用时将220V交流电源连接到外部自耦变压器的原边，自耦
16、变压器的副边连接到平台底板的交流电源接口上，三相交流电机连接到平台底板的电机接口，测速传感器一端连接到三相交流电机，另一端与测速接口相连。图2-4 控制平台底板布置图3. 系统硬件设计硬件设计分为主控电路、外围电路、主电路与电源适配器的设计。3.1 主控电路主控电路包括TMS320F2812DSP最小应用系统、外扩RAM、D/A转换电路及CPLD译码电路。3.1.1 TMS320F2812DSP最小应用系统TMS320F2812内含高性能的32位CPU，采用高性能的静态CMOS技术制造，150MHz时钟主频。DSP最小应用系统由TMS320F2812配以时钟电路、复位电路、JTAG接口及电源模
17、块，电路原理图如图3-1所示。图3-1 DSP最小应用系统电路原理图因为TMS320F2812 DSP内置振荡器电路，只需外加晶体和负载电容即可以产生时钟基准来满足TMS320F2812 DSP的时钟输入要求。TMS320F2812 DSP带有片内锁相环（PLL）时钟模块，其最大的预设比例因子为5，因此只要配置U2为30MHz的晶振就可以满足DSP的频率工作要求，电容C2、C3都为10pF。图3-1所示复位电路可实现上电与按钮复位，利用RC电路的延迟特性给出复位所需要的低电平时间。F2812的供电电压为3.3V和1.8V，上电顺序先后为3.3V、1.8V。图中的VCC5V电压由外部电源提供，3
18、.3V、1.8V为芯片TI公司电源转换芯片TPS73HD301产生。JTAG选选用IEEE1149.1标准接口，实现TMS320F2812 DSP的电路测试，同时实现仿真器与TMS320F2812 DSP之间的通讯。3.1.2 外扩RAM在DSP的外部扩展了一片随机存储器，用来作为试验调试期间程序和数据的存放空间，当系统成熟时，再将实时控制软件烧入到片内的Flash中。外部扩展的SRAM芯片是ISSI公司的IS61LV6416，它的最大存储空间为64K16位，有16根数据总线和16根地址总线，同时具有10的快速读写速度。外扩RAM电路与DSP的连接如图3-2所示。图3-2 外扩RAM电路 图3
19、-3 D/A转换电路3.1.3 D/A转换电路考虑到电机控制中要观察变量，在平台中扩展了两路D/A输出通道。DAC芯片采用的是TI公司的TLC7528C，它是一款双路、8位数字-模拟转换器，具有单独的片内数据锁存器，D/A转换电路的连接如图3-3所示。使系统开发灵活方便。图 3-4 译码保护电路3.1.5 主控电路与平台底板(外围电路与主电路)的接口将主控电路中TMS320F2812的I/O管脚、CPLD部分管脚以及DSP与CPLD的JTAG引脚引出，做成金手指形式插接在平台底板上，插接示意图如第2节图2-3所示。平台底板插槽采用标准的DDR-184针内存条插槽。主控电路与平台底板的接口电路如
20、图3-5所示。采用插卡式结构有可能增加整个系统电路板的高度，但由于主电路里大容量滤波电容本身就有一定的高度，所以实际控制系统的高度并未增加。但插卡式结构还存在一种可能，就是无法确知卡是否插到位了，因为有时会出现因卡插不到位或其他原因导致的系统不工作。为解决这一问题，进行了创新设计，即将底板插槽的左端设计为主控电路板的电源接口，如果插接良好主控板的电源指示灯便会点亮。在插槽的右端将主控板的最后正反一对金手指（96和192号引脚）用过孔短路，将底板插槽的最后两个引脚中一只连接到+5V电源，另一只通过电阻和绿色发光二极管LED接地。如此，只要主控板和底板插接亮好，底板上绿色LED便会点亮。有了以上设
21、计上的创新，便可以确保主控板和平台底板的可靠插接。3.2 外围电路图3-5 主控电路与平台底板的接口外围电路包括信号检测电路、A/D输入调理电路、驱动电路、故障保护电路。3.2.1 信号检测电路本系统中检测了4路电流量（三相电流、直流母线电流）和1路电压量（直流母线电压）。4路电流量的检测原理相同，以图3-6所示的A相电流检测电路为例来分析。电流通过图3-6中的LA霍尔电流传感器CSM040G进行检测。霍尔电流传感器的输出经精密电阻R1转换成电压信号后再连接一个电压跟随器OP-07以提高输出阻抗。图3-6 A相电流检测电路电压检测电路如图3-7所示。电压通过图中的LM闭环霍尔电压传感器VSM0
22、25A来进行检测。同样传感器的输出经精密电阻R5转换成电压信号后再连接一个电压跟随器OP-07以提高输出阻抗。图3-7电压检测电路3.2.2 A/D输入调理电路TMS320F2812 DSP内部ADC模拟通道的电压输入范围为03V，如果超出这个范围将会损坏DSP器件，因此外部检测的物理量在送入ADC进行模/数转换之前必须先经过A/D输入调理电路调理到允许的电压范围之内。若测量的是交流信号，调理电路还必须实现交流向直流电压的转换，因此首先必须设计A/D输入调理电路的参考电源。A/D调理电路中设置的电压可调的参考电源如图3-8所示。LM336是一个精密的5V快速调节二极管，它的第三端用于参考电压及
23、温度系数的调节。A/D输入调理电路如图3-9所示。由TL084运放和外围阻容元件构成实现交流向直流变换及输出直流幅值调理，外部被测量电压跟随器和参考电压进行反向相加和幅值的缩放，调整到所需要的幅值大小，以便后续电路的处理；输出部分用二极管对调理后的物理量进行电压钳位保护，用电容进行低通滤波。图3-8 A/D调理基准电源电路图3-9 A/D输入调理电路3.2.3 驱动电路1. PWM输出接口TMS320F2812 DSP可以产生16路PWM信号，其中12路由六个全比较器产生，4路由四个通用目的定时器产生。平台底板上用于控制功率电路的PWM信号来源可通过跳线帽选择，一是选择由主控电路板中DSP经D
24、DR插槽送来的PWM1-PWM6信号，另外一个是用接口从外部引入，PWM脉冲输入选择电路如图3-10所示。若两个底板共用一块主控板，主控板只能插到其中一块底板上，没有插接主控板的底板可从插接了主控板的底板上将事件管理器B的PWM7-PWM12信号用导线从外部PWM输入接口引进来，再通过PWM输入选择跳线柱，接入底板，如此就可以实现一块主控板控制两块底板，实现多相电机或多台电机的控制使，系统的通用性增强，这是设计的又一个创新之处。2. 驱动保护电路主功率电路为三相桥电路，要求三相桥的上桥臂和下桥臂不能同时导通，否则将使主功率电路短路而烧毁系统。对主控系统板送来的PWM信号进行检测，发现有使上桥臂
25、和下桥臂同时导通的信号，就发出报警信号并且关断PWM信图3-10 PWM脉冲输入选择电路号，以实现对主电路的保护。驱动电路采用的是PLD器件GAL16V8。电路连接件图3-10中PWM信号逻辑保护。3. 光电隔离系统主电路工作于高电压大电流的开关方式，而控制电路则要求电源电压稳定无干扰，因此必须在两者之间增加隔离电路。此处采用光电隔离。PWM脉冲的一路隔离电路如图3-11所示。光耦合器选择6N137，这是一款用于单通道的高速光耦合器。PWM开关信号经过GAL16V8的判断后输入到光耦的输入端，系统的保护源，如表3-1所示。根据实际情况还可增加相应的保护管理，通过修改CPLD部分的程序即可。表3
26、-1 系统保护信号源保护信号数量产 生 原 因IPM保护1IPM内部保护机制。包括工作电源欠压，器件过热，过流和短路保护。电流保护4当需要保护的电流超出最大承受值即产生保护电压保护1当需要保护的电压超出最大承受值即产生保护IPM的保护信号由模块内部直接产生，我们只需要把它引出即可；而电流保护和电压保护的实际信号值来自于3-6与图3-7的检测电路。保护的物理量有直流和交流两种形式，直流信号可以直接进入比较器与最大设置值进行比较，而交流信号则先通过一个精密绝对值电路，把交流信号转换成直流信号以利于进入比较器进行比较。保护阀值调节电路如图3-12所示。 图3-12 保护阀值调节电路由于起动/发电控制
27、系统由多个功能模块组成，结构相对于一般的MCU控制系统而言较复杂，可能出现故障的情况也会比较多。为了对主要故障实现实时监测并报警，需对个故障源进行统一管理，而不能将每一个故障都接入到DSP的引脚。故障指示和报警电路如图3-13所示。本系统采用74LS30八输入与非门来对故障信号进行处理，无论哪个故障出现都产生报警信号。图3-13 故障指示和报警电路3.3 电力电子变换器功率主电路由于目前研制的起动/发电系统控制平台主要用于实验及算法验证，功率不大，利用了实验室现有的750W小功率异步电机，因此功率主电路选用了额定值，再用稳压块稳成5V电压，如图3-16所示。图3-14 功率模块及其外围电路图3
28、-15 DC-DC电源电路图3-16 5V线性稳压电源电路功率模块驱动部分电路对电源的质量要求不是较高，但是其中的平台的散热风扇耗电较多。如果采用普通的线性稳压电源的话，其稳压芯片也会因为耗散功率过大而发热温度过高，甚至烧坏芯片，需要较大的散热片才能工作。这里仍然采用LM2596 DC-DC芯片构成的DC-DC电源。由于使用的散热风扇为直流12V，因此将DC-DC电源设计为输出电压连续可调式，将其调节到12V或略高一些即可。起动/发电控制平台对各路电源的上电顺序有一定的要求，控制部分电源一定要先于驱动部分上电，否则就有可能烧坏电路。为此在平台的电源适配器设计上引入了一定的上电逻辑次序。平台电源
29、管理（上电逻辑保护）电路如图3-17所示。在驱动部分的电源输出端接入一个继电器的常开触点，继电器的线圈得电与否由控制部分的电源来控制，这样便可以实现上述上电逻辑关系的要求，且利用了继电器同时实现了隔离作用，简单实用，性价比高。图3-17 平台电源管理（上电逻辑保护）电路4. 系统软件设计4.1 与上位机的通信软件平台在实验和调试阶段，会有许多参数需要观察。因此虽然平台上设置了智能触摸屏模块，但是还是预留了通信接口，以实现和上位计算机的联机调试和远程监控。上位机软件采用VB6.0来开发，软件图标如图4-1所示。图4-1汽车异步集成起动/发电平台监控系统软件图标上位机和起动/发电系统控制平台之间采
30、用RS232串行口进行数据通信，波特率默认为9600，通过平台监控软件可以启动平台、设定平台电机转速、查看平台当前设定转速、查看电机当前实际转速以及电机的启停情况。双击图4-1所示的平台监控软件图标，进入图4-2所示的欢迎界面，点击ENTER按钮进入图4-3所示的软件工作界面。图4-2汽车异步集成起动发电平台监控系统软件欢迎界面界面上有四个按钮，分别是启动平台、设定频率、退出系统以及自定义指令设置。启动平台：按下此按钮，电机就以“返回设定频率”中的频率值旋转。返回设定频率：是指平台内部CPU内的预设频率值，如平台刚开机的默认频率为10Hz，那么此时电机旋转的频率就会向10Hz逼近。返回当前频率
31、：表示电机目前的旋转频率，它实时反映平台的设定速度和当前电机的速度，表盘中间还有数字显示当前电机的速度情况。返回指令：主要用于查看上位机发出指令和平台接受到的指令是否一致。返回状态：表示当前平台所处的工作状态。平台处于不工作状态，软件界面中间的色块变为红色，“返回状态”的值为“0”，起动电机后，“返回状态”的值为“1”，软件界面中间的色块变为绿色，表示平台处于工作状态。“返回数据”：是为了观察平台发送回来的数据是否正确而设置的，因为在平台的初期研制过程中有可能数据传送不正确（干扰、接口松动、波特率不匹配等），从这里便可以直接观察到普通返回的数据情况，一但发现数据不对就要立即对平台进行检查，以防
32、发生平台损坏。“设定新的频率”：用于改变电机转速，可以通过输入框左右的“+”“-”来改变设定的频率，也可以鼠标点击输入框直接输入数字，这里输入是频率范围是1-49Hz，输入大于49的数时软件自动更改为49，输入小于1的数时软件自动更改为1。“自定义指令输入”：预留了自编指令的接口，只要了解平台和上位机的通信图4-3 汽车异步集成起动发电平台监控系统软件工作界面协议即可自己设定指令，从“自定义指令输入”输入框输入指令，即可对指令进行测试，而不用全部重新设计编译平台的监控软件。4.2 实现起动/发电控制策略的软件准备采用直接转矩控制技术实现，起动/发电控制流程如图4-4所示，软件目前正在调试与研制过程中。图4-4 起动/发电控制流程5. 系统创新1. 采用TI公司新推出的电
