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TMS320F241在混合動力汽車電機控制中的應用
摘要：一種專用于電機控制且內嵌CAN模塊的DSP芯片TMS320F241的主要特點。根據混合動力汽車（HEV）永磁無刷直流電機控制方案，提出了用DSP芯片實現電機控制的策略，并簡要地介紹了TMS320F241的外圍設計和CAN編程。關鍵詞：TMS320F241混合動力汽車CAN總線無刷直流電機
隨著城市環境污染問題的日益嚴重，汽車尾氣的控制越來越受到人們的重視，很多國家都開展了電動汽車的研究。但是電動汽車存在續駛里程短、動力性能差等弱點，加之成本太高，目前還無法大批量投入市場。為了兼顧傳統燃油汽車和電動汽車的優點，國內外都開始進行混合動力汽車的研究。
由于混合動力汽車有兩套驅動系統，驅動系統與整車控制單元（VCU）之間的信息交換與協調就顯得尤其重要。CAN（ControllerAreaNetwork）總線即控制器局域網絡，是一種有效支持分布式控制或實時控制的串行通信網絡，屬于現場總線的范疇，具有實時性強、可靠性高、抗干擾性強、結構簡單、操作性好、價格低廉等特點，因此被廣泛用于工業控制中。
TMS320X24X是TI公司專為數字電機控制而設計的系列芯片。而TMS320F241與同系列的TMS320C240或TMS320F240相比，除了具有后者的基本功能之外，還內嵌了CAN模塊，因此很適合混合動力汽車電機驅動系統的控制。
1TMS320F241的主要特點
與TMS320X240相比，TMS320F241除了多出一個CAN模塊之外，還具有以下不同之處：
·TMS320X240具有雙10位A/D轉換器，16個輸入通道，轉換時間為6μs；而TMS320F241則只有一個10位A/D轉換器，8個輸入通道，轉換時間為1μs。
·TMS320X240的事件管理器中有3個定時/計數器、4個捕獲單元和9路PWM輸出（6個FullPWM和3個SimplePWM）；而TMS320F241的事件管理器中只有2個定時/計數器、3個捕獲單元和6路PWM輸出（6個FullPWM），計數器的計數方式也少了單上升沿和單上升/下降沿兩種模式。
TMS320F241具有8K片內Flash，沒有擴展RAM接口，調試起來不是很方便。但可以用同系列的TMS320F243EVM板進行調試，程序幾乎不同修改就能移植到TMS320F241芯片內運行。
2無刷直流電機控制系統方案
圖1為電機系統控制框圖，采用轉換和電流雙閉環控制。
轉子位置由霍爾元件檢測，是3個相差120度（電角度）、脈寬為180度（電角度）的重疊信號。由轉子位置可得出轉速，進而得到電流的計算值；而由電流傳感器可以檢測到實際的電流，根據電流給定值與實際值兩者的差值調節PWM信號的占空比，并根據當前轉子位置觸發相應的功率開關器件，從而達到控制電機轉速的目的。
逆變器采用IPM智能功率模塊，它內含功率開關器件和驅動電路以及過程電壓、過電流等檢測電路，其中的開關器件為IGBT。
電機控制策略中各功能模塊（包括ASR、ACR、PWM、換流邏輯和轉速計算）都由TMS320F241芯片實現。
3TMS320F241的外圍設計
圖2是TMS320F241芯片的主要外圍接線圖。有關說明如下：
XTAL1和XTAL2之間接5MHz的晶振，提供系統時鐘。
3個捕獲單元的引腳CAP1、CAP2、CAP3連接到霍爾元件的輸出，轉子的位置信號存儲到捕獲單元的緩沖器，經過計算可以得到轉子轉速。
A/D轉換器的8位輸入通道中，用了5個通道，輸入量分別是直流母線電流Idc、電壓Vdc以及電機三相電流Iu、Iv、Iw；另外3個通道經過電阻接地。
6路PWM輸出接到逆變器六個開關器件的控制端，其中U+、V+、W+接上橋臂，U-、V-W-接下橋臂。這6路PWM信號控制著開關器件的開通與關斷，從而決定了電流的流經路徑。
TMS320F241的CAN模塊引腳CANRX和CANTX通過光耦器件6N137連接到收發器82C250，而收發器82C250再通過兩個引腳CANH和CANL與CAN總線相連，從而實現了TMS320F241與CAN總線間的通訊。其通訊介質采用雙絞線，如果通訊距離在40m之內，最
高傳輸速率可達1Mbps。
4TMS320F241的CAN編程
TMS320F241的CAN模塊是FullCAN控制器，可以發送和接收標準幀（11位標識符）和擴展幀（29位標識符），它含有6個郵箱（Mailbox）以及15個不同的16位寄存器。這些寄存器分控制寄存器、狀態寄存器、中斷寄存器和本地接收屏蔽寄存器，它們映射到DSP的數據地址空間為0x7100h～0x710Fh。6個郵箱中有兩個收件箱（編號為0和1）、兩個發件箱（編號為4和5），還有兩個郵箱（編號為2和3）可以根據需要設置為收件箱或發件箱。而每個郵箱又包含標識符、信息長度及遠程幀發送請求、數據等三個部分，其中發送或接收的數據長度為8字節。6個郵箱占用地址空間為0x7200h～0x722Fh。
要使TMS320F241芯片能夠正確地收發信息，首先要初始化CAN模塊。CAN總線上每個節點的位傳輸時間是可以編程的（通過設置波特率），但必須相同。當一個節點收到一幅幀時，接收器必須與發射器保持同步。郵箱初始化的步驟如下：
（1）禁用郵箱
CANMDER=00000000000000000000b
(2)設置改變數據請求
CANMCR=0000000100000000b（bit8CDR=1）
(3)改變郵箱的標識符、控制字和數據（只有發件箱才能改變數據）
（4）反回正常模式
CANMCR=00000000000000000000b
（5）啟用郵箱（ME=1）
初始化CAN模塊之后，再經過正確的配置，就能夠收發數據信息了。
圖3和圖4分別是CAN模塊發射和接收信息流程圖。
通過以上介紹可以看出，TMS320F241是一種專用于電機控制且內嵌CAN模塊的DSP芯片。用它可以方便地對混合動力汽車（HEV）的永磁無刷直流電機實現速度控制，同時利用其內嵌的CAN模塊，可以通過CAN總線（協議規范CAN2.0）與混合動力汽車的整車控制單元（VCU）進行通訊。因而非常適用于混合的動力汽車永磁無刷直流電機控制系統。
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