一种具有FlexRay通信功能的开关磁阻电机控制器的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种具有FlexRay通信功能的开关磁阻电机控制器，该控制器电路主要包括功率板和控制板两部分。功率板针对三相12/8开关磁阻电机，通过IPM智能功率模块搭建不对称半桥型功率拓扑结构，实现直流电压转换供电、功率输出、相电压电流采集、保护报警等功能；控制板以TMS570系列高安全性芯片为核心，实现了FlexRay总线通信、AD转换、旋转变压器反馈信号处理、闭环控制算法、角度控制算法、PWM输出等功能。本发明能够满足车载开关磁阻电机的控制要求，实现转速、转矩闭环控制，有效减小转矩脉动；结合新一代车载总线FlexRay，满足新型电驱动车辆对于通讯上高可靠性、高实时性的要求。
【专利说明】
一种具有FI exRay通信功能的开关磁阻电机控制器
技术领域
[0001]本发明属于电学领域的电动机控制器，具体是一种具有FlexRay总线通信功能的开关磁阻电机控制器。
【背景技术】
[0002]随着电力电子技术和计算机技术的迅速发展，电动车在汽车领域有着广阔的发展前景。先进的电力电子器件和日益完善的控制技术不仅使电动车在能源利用率和可靠性方面有很大的提高，而且使电动车在经济性和动力性能上有不断改善的空间。在降低电动车的设计制造成本的前提下，不断提高驱动系统的运行效率是未来新能源汽车的一个主要发展趋势。电机驱动技术和动力电池技术是制约电动车发展的两大技术瓶颈，它们的技术指标会直接影响电动车的运行成本和一次充电续航行驶里程。目前，在动力电池技术没有突破的前提下，采用性能高的电动车用电机驱动技术能够在一定程度上降低设计制造成本，提高电动车的一次充电续航行驶里程。所以，电机驱动技术成为了电动车发展领域的研究热点。
[0003]开关磁阻电机(Switched Reluctance Motor，SRM)具有结构简单、成本低、起动转矩大和可靠性高等优点，这种电机的工作原理与传统直流及交流电机不同，其遵循磁通总是沿着磁阻最小的闭合路径流动原则，通过定子极和转子极之间的磁拉力产生电磁转矩。开关磁阻电机只在定子上有绕组，转子由硅钢片叠加组成，且没有绕组和永磁体，不会出现退磁现象。SRM工作于连续开关模式，磁路回路的磁阻呈周期性的变化，电磁转矩方向与绕组中流过的电流方向无关，这也使得开关磁阻电机调速系统的功率变换器结构更为简单，运行可靠性更高。开关磁阻电机的可控变量较多，包括绕组电流，开通和关断角等，其控制方式灵活，可单相导通也可多相同时导通。因此，开关磁阻电机相关研究已成为电机及传动领域的研究热点。
[0004]开关磁阻电机调速系统(Switched Reluctance Motor Drive,SRD)是80年代中期发展起来的新型调速系统，它将开关磁阻电机、电力电子功率器件和控制芯片结合于一体，兼有交流异步电动机变频调速系统和直流电动机调速系统的优点，调速性能十分优秀。目前，国内外己有商业化的SRD产品，广泛应用于交通运输、工业自动化、航空航天、家用电器等领域，显示出强大的市场竞争力。
[0005]FlexRay是为车载网络系统中高速率通信需求而开发的网络通信标准，将事件触发和时间触发2种方式相结合，以满足汽车安全性和可靠性的需求。由于其良好的发展前景，得到了学界和企业界的广泛关注，在提高网络利用率和可靠性方面开展了很多研究。FlexRay作为下一代车载总线标准将引导整个汽车电子产品结构的走向，具有高吞吐量、确定性、容错性三大属性。它具有高的数据传输速率，能够满足汽车安全性和可靠性的需求，同时满足分布式控制系统的通信要求，是对CAN，LIN和MOST等主要车用总线技术标准的有效补充。实现FlexRay高速总线是未来高端电驱动汽车的趋势。
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于结合开关磁阻电机以及FlexRay车载总线两种技术优势。在开关磁阻电机驱动的功率拓扑结构的基础上，由弱电控制模块进行功率器件的控制，在控制模块中加入FlexRay通信的链路层硬件电路及其外围接口，结合芯片的FlexRay通信处理模块的软件编程实现相应的总线通信功能。
[0007]本发明的技术方案是这样实现的:
[0008]以TMS570LS1225型号DSP芯片为核心的CPU逻辑电路，通信上与FlexRay总线接口电路相连，控制上与位置译码及换相电路连接;位置译码及换相电路通过隔离电路与功率桥及输出功率驱动电路连接，通过外接信号线与电机上的旋转变压器连接;功率桥驱动电路通过外接线缆与开关磁阻电机连接，通过电流采样电路与DSP芯片连接;逻辑电路和功率电路分别通过隔离的布线与电源模块连接。
[0009]FlexRay总线接口电路中，通信链路层TJA1080芯片通过DSP芯片TMS570LS1225的两路Tx和Rx引脚进行双通道冗余信息交换，以DSP其他GP1引脚的输出作为控制信号，与外接总线上进行数据的发送以及接收。
[0010]位置译码及换相电路中的旋转变压器解码芯片AU6802通过±15V双电源自举放大电路对外输出励磁信号，将采集处理过的位置信号通过DSP芯片的一路SPI总线引脚进行数据传送。
[0011]输出功率驱动电路采用两个三菱的IPM智能功率模块，以不对称半桥的方式进行连接，接收控制模块发送且经过反相器与光耦进行隔离的PWM信号进行电压和电流的功率输出，并且产生报警信号通过功率模块和控制模块之间的双排插针接口提供置DSP的GP1引脚。
[0012]电源模块中直流开关电源电路通过UC2844外围电路，控制变压器进行高频开关，将DC550V直流电压转换成±15V、5V等电压，通过插针提供给控制模块，以及功率模块上的其他器件。
[0013 ]电流采样电路中输出相电流通过ACS756器件，将电流值转换为模拟电压值，经过运放电路的处理，输入至DSP的ADC引脚，进行模数转换的计算，获得电流数字量，进行闭环控制计算。
[0014]本发明具有以下有益效果:
[0015]本发明一方面作为电驱动调速系统，为新能源汽车提供了新的实现手段，能够有效地提高电驱动的安全性与可靠性，另一方面搭载了新型的车载总线FlexRay，能够适应未来车载通信的发展方向，提供高速可靠的通信控制手段。本发明应用于新型车辆的试制，结合实际进行控制优化，对于未来新概念车辆的研发、验证开关磁阻控制理论的实践效果、扩展开关磁阻电机的应用场合，均具有重要意义。
【附图说明】
[0016]图1为本发明控制器总体控制框图；
[0017]图2为本发明控制器硬件功能划分示意图；
[0018]图3为本发明控制模块硬件方案框图；
[0019]图4为本发明功率模块硬件框图；
[0020]图5为本发明开关磁阻驱动系统软件组成结构；
[0021 ]图6为本发明主程序流程图；
[0022]图7为本发明换相中断流程图；
[0023]图8为本发明算法处理中断流程图；
[0024]图9为本发明FlexRay通信流程图。
【具体实施方式】
[0025]本发明包括以下几部分:
[0026]I)硬件设计
[0027]按照硬件设计要求，绘制了所需设计控制器的总体控制框图，如附图1所示。
[0028]出于开关磁阻电机控制器的功能实现和以下几点考虑，将该款控制器分为电源板和控制板两部分。首先，设计时需要保证系统运行的稳定可靠，尤其兼顾电磁兼容性，驱动系统是一个强弱电混合的复杂系统，设计时必须考虑将不同模块之间的电磁干扰降到最小，进而将实现控制功能的模块和电源转换的模块有效分离。
[0029]控制板以DSP及其外部相关硬件电路为核心，用于控制算法的实现和AD转换等功能，正常运行时需要+2狀、±15￥、+5￥、+3.3￥、+1.2￥电源，是一个数模混合的高速电路，并且集成有位置反馈信号接口、总线通信接口、以及与电源板互联的接口。
[0030]功率板以IPM为核心，由外界550V直流电经过IPM模块，与控制板交互，提供频率和电压幅值可调的开关离散电流，驱动开关磁阻电机。同时，功率板集成有欠压、过压、过热等系统常见故障检测和应急处理功能。
[0031]在硬件设计的选取上，结合设计具体需求，主控DSP芯片上选用TI公司的高安全性产品TMS570系列芯片;位置反馈采样结合电机的高性能旋转变压器，选取多摩川的旋转变压器解码芯片；总线通信结合FlexRay通信链路层需求，选用NXP公司的FlexRay链路层处理芯片，考虑到电路板布线时的扇出问题，控制板采用4层板布线，做好电源层和地层的隔离。电源板走线较少，采用2层板布线，但过线电流非常大，线与线之间常有超600V的高压，需要严格控制走线宽带，避免短路或者击穿。
[0032]综合上述各方面考虑，将控制器硬件平台按照功能模块进行划分，提出可行的实现方案如附图2所示。
[0033]根据硬件功能划分图，设计各个子模块。控制模块以带有ARM核的DSP为核心架构，实现开关磁阻电机的换相控制、电压斩波及开关角控制等算法、提供PWM信号，与旋转变压器解码芯片交互获得高精度位置反馈信号，实现采样电流信号的AD转换，调试过程中实现人机交互以及进行总线通信等功能。控制板的设计方案如附图3所示。
[0034]控制模块的核心电路主要包括:TMS570LS1225最小DSP系统电路、FlexRay总线PHY接口电路、人机交互按键显示电路、AD转换电路、旋转变压器解码芯片外围电路、ETPffM驱动输出电路。
[0035]在控制模块的各个子模块的连接上，以TMS570LS1225芯片为核心，将各个子模块与该芯片进行连接，以芯片内部程序处理为纽带，实现各个子模块之间的信号传递及使能。FlexRay总线子模块通过TJA1080芯片作为链路层处理芯片及其外围电路，构成PHY的接口电路，处理总线上的信号，然后通过DSP芯片上的FlexRay两路Tx和Rx接口，与链路层处理芯片进行双通道冗余数据交换，并且通过DSP的GP1接口，控制链路层芯片其他使能信号；人机交互模块通过两个移位寄存器，与DSP芯片进行连接，通过DSP上的GP1脚发送连续信号，在移位寄存器上进行移位锁存、显示、按键扫描读取的功能;AD转换电路通过相应的运放单元，将功率模块中采集的电流电压等模拟量进行处理，输入DSP中进行运算转换;旋转变压器解码芯片电路以AU6802解码芯片为核心，将其产生的正弦励磁信号通过± 15V双电源自举放大电路进行放大，并且通过SPI总线与DSP进行处理完的位置数据的读取;ETPffM驱动输出电路由DSP输出Pmi信号，通过反相器与光耦实现与功率模块的电源及信号隔离，将PffM开关信号送至功率模块。
[0036]功率模块是整个系统的强电模块，主要完成供电、保护、电流采样、功率放大等功能。其组成部分和对外接口如附图4所示。功率模块的核心电路包括:软启动电路、控制电源电路、功率驱动电路、电流采样电路、保护电路等。
[0037]功率模块通过两个双排插针与上方的控制模块进行连接，通过两个尼龙支柱进行控制模块PCB板的固定，与控制模块交换PWM、AD采样、控制、反馈报警等信号，并且为控制模块提供±15V和5V电源。软启动电路实现上电延迟启动及防止浪涌冲击等功能;控制电源的电路将输入的DC550V直流电压通过高频开关电路，转换为5V、±15V信号，一方面提供功率模块上的部分器件使用，另一方面通过双排插针与控制模块相连，为控制模块提供电源;功率驱动电路采用不对称半桥设计，在实现上采用双IPM智能功率模块的方案，将双IPM以不对称半桥的方式连接，这样也可以利用IPM内部的保护功能为功率驱动电路提供保护；电流采样电路使用ACS756的电流传感器测量获取其模拟信号，直流母线电压通过分压降压电路及运放电路，将直流高压转换为低压模拟信号，送入控制模块进行处理;保护电路接收到控制模块的控制信号，根据其高低电平进行逻辑运算处理，实现对功率模块的控制。
[0038]设计、仿真验证电路后，依据不同规则对控制板和功率板进行布线。控制模块由于信号比较复杂，电源类型比较多，工作频率高，并涉及模拟和数字信号混合设计，PCB设计时遵守高速布线、混合信号布线的相关规范。从板层设计、供电策略、信号完整性和可测性设计几个方面规范设计。功率模块涉及强电交直流转化、弱点数字、模拟电路、高频器件和大功率器件，要求线路板有良好的EMC，布线时遵循强弱电分离、临近层十字交叉布线、总线式电源布线网络和可测性等原则。
[0039]2)软件设计
[0040]系统软件主要由TMS570系列芯片的相应C程序构成，如图5所示。TMS570软件是控制系统软件的核心部分，主要包括主程序、换相控制中断程序、报警中断程序、1扫描程序、AD采样处理程序、SPI通信程序、算法中断程序、人机接口程序和FlexRay总线通信程序等。
[0041]主程序流程图如图6所示，主要完成系统的初始化，包括芯片内部控制寄存器、参数以及变量的初始化、打开中断计时器、检测AD采样的基础偏移，此外，由于不同电机上的旋转变压器对应转子极的位置不同，在初始化过程中软件会进行偏移误差处理。
[0042]换相中断流程图如图7所示，主要采用SPI间隔产生的中断来实现当前旋转变压器位置采样以及当前通电相的判断，选择PWM使能的相绕组，是整个软件的核心部分。换相中断程序是系统程序中频率最高的中断程序，高频率的换相检测和换相使能保证了高速下开关磁阻电机的正常工作。
[0043]算法处理中断流程图如图8所示，采用DSP芯片内部rti中断计时器进入中断，进行速度计算，闭环控制计算等功能，是实现开关磁阻控制器转速转矩控制的核心。
[0044]FlexRay总线通信程序主要用来处理FlexRay总线通信协议的应用层报文解析和处理，保证控制器和上位机的实时通信。在DSP模块中通过对相应的寄存器进行配置，在初始化软件配置中将各个节点号以及其相应链路层配置写入，保证各个通信节点在通信配置上一致;正常工作过程中通过对寄存器的读写，在与其他节点同步的通信周期中，软件实现协议应用层的处理，获取所需节点的数据，并且将自身节点帧发送至总线，其流程如图9所不O
[0045]人机接口程序采用定时扫描的方式主要完成参数设置、修改和显示的功能。SPI通信主要用于和旋转变压器解码芯片进行交互，读取当前位置信息，并进入换相处理的中断程序。芯片大部分程序采用DMA方式，即直接内存访问，通过向对应寄存器中刷写参数值使相关功能自动运行，在需要使用数据的时候进行数据的提取，提高了软件系统的工作效率，缩短了程序处理时间。
【主权项】
1.一种具有FlexRay通信功能的开关磁阻电机控制器，包括:以TMS570LS1225型号DSP芯片为核心的CPU逻辑电路，其特征在于，通信上与FlexRay总线接口电路相连，控制上与位置译码及换相电路连接;位置译码及换相电路通过隔离电路与功率桥及输出功率驱动电路连接，通过外接信号线与电机上的旋转变压器连接;功率桥驱动电路通过外接线缆与开关磁阻电机连接，通过电流采样电路与DSP芯片连接;逻辑电路和功率电路分别通过隔离的布线与电源模块连接。2.根据权利要求1所述的一种具有FlexRay通信功能的开关磁阻电机控制器，其特征在于:FlexRay总线接口电路中，通信链路层TJA1080芯片通过DSP芯片TMS570LS1225的两路Tx和Rx引脚进行双通道冗余信息交换，以DSP其他GP1引脚的输出作为控制信号，与外接总线上进行数据的发送以及接收。3.根据权利要求1所述的一种具有FlexRay通信功能的开关磁阻电机控制器，其特征在于:位置译码及换相电路中的旋转变压器解码芯片AU6802通过±15V双电源自举放大电路对外输出励磁信号，将采集处理过的位置信号通过DSP芯片的一路SPI总线引脚进行数据传送。4.根据权利要求1所述的一种具有FlexRay通信功能的开关磁阻电机控制器，其特征在于:输出功率驱动电路采用两个三菱的IPM智能功率模块，以不对称半桥的方式进行连接，接收控制模块发送且经过反相器与光耦进行隔离的PWM信号进行电压和电流的功率输出，并且产生报警信号通过功率模块和控制模块之间的双排插针接口提供置DSP的GP1引脚。5.根据权利要求1所述的一种具有FlexRay通信功能的开关磁阻电机控制器，其特征在于:电源模块中直流开关电源电路通过UC2844外围电路，控制变压器进行高频开关，将DC550V直流电压转换成± 15V、5V等电压，通过插针提供给控制模块，以及功率模块上的其他器件。6.根据权利要求1所述的一种具有FlexRay通信功能的开关磁阻电机控制器，其特征在于:电流采样电路中输出相电流通过ACS756器件，将电流值转换为模拟电压值，经过运放电路的处理，输入至DSP的ADC引脚，进行模数转换的计算，获得电流数字量，进行闭环控制计笪并ο
【文档编号】H02P25/098GK106026842SQ201610421738
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年6月14日
【发明人】陶涛, 张迪德, 孔凡峰, 梅雪松
【申请人】西安交通大学