TMS320F241在混合动力汽车电机控制中的应用

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摘要：一种专用于电机控制且内嵌CAN模块的DSP芯片TMS320F241的主要特点。根据混合动力汽车（HEV）永磁无刷直流电机控制方案，提出了用DSP芯片实现电机控制的策略，并简要地介绍了TMS320F241的外围设计和CAN编程。

    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）之间的信息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。
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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。
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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、信息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。
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    要使TMS320F241芯片能够正确地收发信息，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，就能够收发数据信息了。

图3和图4分别是CAN模块发射和接收信息流程图。

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。