基于fpga的电动汽车控制系统及方法
【技术领域】
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[0001]本发明涉及电动汽车控制领域，尤其涉及一种基于FPGA的电动汽车控制系统及方法。
【背景技术】
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[0002]随着汽车工业的高速发展，全球汽车保有量的不断增加，汽车带来的环境污染、能源短缺等问题越来越突出。各国政府及汽车行业普遍认识到节能减排是未来汽车技术发展的主攻方向。电动汽车具有高效、节能、低噪声、零排放等显著特点，在环保和节能方面具有不可比拟的优势，因此发展电动汽车将是解决环境污染、能源短缺等问题的最佳途径。
[0003]电动汽车车轮驱动电机是所有电动汽车必不可少的关键部件。目前使用较多的有直流有刷、永磁无刷、交流感应和开关磁阻等4种电机。现有的感应电动机驱动的电动汽车通常采用矢量控制和直接转矩控制，矢量控制又有最大效率控制和无速度传感器矢量控制，前者使励磁电流随着电动机参数和负载条件的变化，从而使电动机的损耗最小、效率最大、控制性能优良和动态响应迅速，因此非常适合电动汽车的控制。
[0004]然而，现有的电动汽车控制系统多采用DSP控制，系统控制精度不高，多电机驱动能力弱，市场价格相对较高。
【发明内容】
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[0005]针对现有技术的缺陷，本发明提供一种基于FPGA的电动汽车控制系统及方法，提高了电动汽车的控制精度，增强了多电机扩展能力，并且成本较低。
[0006]一方面，本发明提供一种基于FPGA的电动汽车控制系统，包括:检测单元、FPGA控制单元、驱动单元、电动汽车车轮驱动电机；
[0007]所述检测单元用于采集电动汽车车轮驱动电机的电流、电压和转速信号；
[0008]所述FPGA控制单元用于根据所述电动汽车车轮驱动电机的电流、电压和转速信号，结合用户发送的调节信号，采用矢量控制算法得到电压值；
[0009]所述驱动单元用于根据所述电压值，驱动所述电动汽车车轮驱动电机工作；
[0010]其中，所述电动汽车车轮驱动电机与所述检测单元的输入端相连，所述检测单元的输出端与所述FPGA控制单元的输入端相连，所述FPGA控制单元的输出端与所述驱动单元的输入端相连，所述驱动单元的输出端与所述电动汽车车轮驱动电机相连。
[0011]可选地，所述检测单元包括:
[0012]用于采集所述电动汽车车轮驱动电机电流和电压信号的霍尔传感器；
[0013]用于采集所述电动汽车车轮驱动电机转速信号的光电编码器；
[0014]用于将所述电动汽车车轮驱动电机电流和电压信号进行A/D转换的A/D转换器；
[0015]所述光电编码器的输出端与所述FPGA控制单元的输入端相连，所述霍尔传感器的输出端与所述A/D转换器的输入端相连，所述A/D转换器的输出端与所述FPGA控制单元相连。
[0016]可选地，所述驱动单元采用IGBT驱动。
[0017]可选地，所述FPGA控制单元包括:数字滤波器、矢量控制模块、SVPWM模块、软核处理器、CAN总线模块；
[0018]所述数字滤波器用于将采集到的所述电动汽车车轮驱动电机的电流、电压信号进行滤波处理；
[0019]所述CAN总线模块用于接收用户发送的调节信号；
[0020]所述矢量控制模块用于结合所述用户发送的调节信号和所述电动汽车车轮驱动电机的电流、电压和转速信号，采用双闭环PI调节控制，得到控制信号；
[0021]所述软核处理器用于将实现用户与所述矢量控制模块的交互；
[0022]所述SVPWM模块用于根据所述控制信号计算得到电压值，输出所述电压值至所述驱动单元。
[0023]可选地，所述数字滤波器采用FIR滤波器进行滤波处理。
[0024]可选地，所述SVPWM模块中三角函数的计算采用CORDIC算法。
[0025]另一方面，本发明提供一种基于FPGA的电动汽车控制方法，包括:
[0026]采集电动汽车车轮驱动电机的电流、电压和转速信号；
[0027]根据所述电动汽车车轮驱动电机的电流、电压和转速信号，结合用户发送的调节信号，采用矢量控制算法得到电压值，输出所述电压值至驱动单元；
[0028]根据所述电压值，驱动所述电动汽车车轮驱动电机工作。
[0029]可选地，所述根据所述电动汽车车轮驱动电机的电流、电压和转速信号，结合用户发送的调节信号，采用矢量控制算法得到电压值，输出所述电压值至驱动单元，包括:
[0030]将采集到的所述电动汽车车轮驱动电机的电流、电压信号进行滤波处理；
[0031]接收用户发送的调节信号；
[0032]结合所述用户发送的调节信号和所述电动汽车车轮驱动电机的电流、电压和转速信号，采用双闭环PI调节控制，得到控制信号；
[0033]根据所述控制信号计算得到电压值，输出所述电压值至所述驱动单元。
[0034]可选地，结合所述用户发送的调节信号和所述电动汽车车轮驱动电机的电流、电压和转速信号，采用双闭环PI调节控制，得到控制信号，包括:
[0035]将所述用户发送的调节信号与转速值输入至外环PI调节器，得到外环控制量；
[0036]滤波后的电流值采用Clark变换和Park变换分解得到第一参考值和第二参考值，将所述第一参考值与系统设定值输入至第一内环PI调节器，得到第一内环控制量，将所述第二参考值与所述外环控制量输入至第二内环PI调节器，得到第二内环控制量；
[0037]将所述第一内环控制量与所述第二内环控制量采用Park逆变换得到控制信号。
[0038]可选地，所述Clark变换和Park变换采用CORDIC算法。
[0039]由上述技术方案可知，本发明的基于FPGA的电动汽车控制系统及方法，所述系统包括:检测单元、FPGA控制单元、驱动单元、电动汽车车轮驱动电机，根据所述检测单元采集所述电动汽车车轮驱动电机的电流、电压和转速信号，结合用户发送的调节信号，采用矢量控制算法得到电压值，输出所述电压值至驱动单元，根据所述电压值，驱动所述电动汽车车轮驱动电机工作，提高了电动汽车的控制精度，增强了多电机扩展能力，并且成本较低。【附图说明】:
[0040]图1为本发明第一实施例提供的基于FPGA的电动汽车控制系统结构示意图；
[0041]图2为本发明第二实施例提供的基于FPGA的电动汽车控制系统结构示意图；
[0042]图3为本发明第二实施例提供的FPGA控制单元的矢量控制框图；
[0043]图4为本发明第三实施例提供的基于FPGA的电动汽车控制方法流程示意图。
【具体实施方式】
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[0044]下面结合附图和实施例，对本发明的【具体实施方式】作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
[0045]图1示出了本发明一实施例提供的基于FPGA的电动汽车控制系统结构示意图，如图1所示，本实施例的系统包括:FPGA控制单元11、驱动单元12、检测单元13、电动汽车车轮驱动电机14;
[0046]所述FPGA控制单元11用于根据所述电动汽车车轮驱动电机的电流、电压和转速信号，结合用户发送的调节信号，采用矢量控制算法得到电压值；所述调节信号为用户通过上位机界面对电机的速度、方向等进行调节的调节信号；
[0047]所述驱动单元12用于根据所述电压值，驱动所述电动汽车车轮驱动电机工作；
[0048]所述检测单元13用于采集电动汽车车轮驱动电机的电流、电压和转速信号；
[0049]其中，所述电动汽车车轮驱动电机14与所述检测单元13的输入端相连，所述检测单元13的输出端与所述FPGA控制单元11的输入端相连，所述FPGA控制单元11的输出端与所述驱动单元12的输入端相连，所述驱动单元12的输出端与所述电动汽车车轮驱动电机14相连。
[0050]进一步地，所述检测单元13包括:
[0051]用于采集所述电动汽车车轮驱动电机电流和电压信号的霍尔传感器；
[0052]用于采集所述电动汽车车轮驱动电机转速信号的光电编码器；
[0053]用于将所述电动汽车车轮驱动电机电流和电压信号进行A/D转换的A/D转换器；
[0054]所述光电编码器的输出端与所述FPGA控制单元的输入端相连，所述霍尔传感器的输出端与所述A/D转换器的输入端相连，所述A/D转换器的输出端与所述FPGA控制单元相连。
[0055]进一步地，所述驱动单元12采用IGBT驱动。
[0056]具体地，图2示出了本发明第二实施例提供的基于FPGA的电动汽车控制系统结构示意图，如图2所示，所述FPGA控制单元11包括:数字滤波器111、矢量控制模块112、SVPWM模块113、软核处理器114、CAN总线模块115 ；
[0057]所述数字滤波器111用于将采集到的所述电动汽车车轮驱动电机的电流、电压信号进行滤波处理；
[0058]所述CAN总线模块115用于接收用户发送的调节信号；
[0059]所述矢量控制模块112用于结合所述用户发送的调节信号和所述电动汽车车轮驱动电机的电流、电压和转速信号，采用双闭环PI调节控制，得到控制信号，如图3所示，图3示出了本发明第二实施例提供的FPGA控制单元的矢量控制框图；
[0060]所述软核处理器114用于将实现用户与所述矢量控制模块112的交互；；
[0061]所述SVPWM模块113用于将所述控制信号计算得到电压值，输出所述电压值至驱动单元12 ；
[0062]进一步地，所述数字滤波器111为FIR滤波器，考虑到电气系统的干扰和信号采集系统本身的噪声，本发明设计了数字滤波器对采集的信号进行滤波处理。由于IIR滤波器对信号具有非线性相位，故采用了 FIR滤波器，它能够保证在任意幅频特性的同时具有严格的线性相频特性，同时其单位抽样响应是有限长的，保证了滤波器系统的稳定性。
[0063]具体地，上述的FPGA控制单元11结合图3所示，具体为:
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