燃料电池车电机驱动系统离散MRAC控制的DSP软件设计

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燃料电池车是以氢气为燃料，氢气与大气中的氧气发生化学反应，通过电极将化学能转化为电能，以电能作为动力驱动汽车前进。燃料电池汽车具有高效率、无污染、零排放、无噪声等高科技优势，代表了未来汽车使用新型能源、先进科技以及追求环保的发展趋势，领导着汽车工业革命的新潮流。电机驱动系统是燃料电池车的心脏，直接影响着燃料电池车性能的优劣。数字信号处理器 (DSP)的发展使各种先进的控制策略应用于电机驱动系统成为可能。模型参考自适应控制在电动汽车中的应用，能够提高电动汽车电机驱动系统性能，加速电动汽车产业的发展。
　　
l 燃料电池车及其离散MRAC电机控制系统
　　本文所研究的燃料电池车电机是型号为XQ-5-5H的5 kW直流牵引电机，对电机的控制采用包括电流环和速度环的双闭环调速系统，其结构框图如图1所示。图中虚线方框内由以DSP为核心的控制系统来实现。本文主要探讨其软件的没计。

  
　　对双闭环调速系统的设计在此不做详细讨论，这里只给出设计结果。对电流的调节采用传统的PI调解，其传递函数为：
　　
式中：K为PI调节器比例部分的放大系数；τ为积分时间常数。
　　对速度的调节采用自适应调解方法，为了便于计算机实现，采用离散模型参考自适应控制，结构图如图2所示。对于其具体说明参见文献。

  
　　
2 控制系统软件设计
　　2．1 硬件系统介绍
　　基于FMS320LF2407A的燃料电池车电机驱动控制系统硬件系统方框图如图3所示，主要包括给定信号检测电路、电流检测电路、速度检测电路、PWM输出电路和DSP外部电路。

  
　　2．2 主程序设计
　　主程序包括初始化程序和循环等待2部分。系统上电或复位后主程序自动运行，它首先将系统初始化，主要包括硬件初始化即根据要求给各种硬件如时钟及看门狗模块、I／O模块、定时器、SCI模块、ADC模块、定时器、控制寄存器等赋值，以便各模块正常工作，以及程序全局变量初始化，主要包括电流PI调节、转速自适应控制调节参数初始化以及其他全局变量初始化，然后开中断并等待。
　　2．3 PWM中断处理程序设计
　　采用定时器周期中断标志启动A／D转换，当T1下溢时启动A／D转换，所检测的电流经处理后接模／数转换器的ADCIN00引脚，当转换完成后，中断标志位都被设置为1，则在A／D中断服务程序中将转换结果读出，完成1次A／D采样。转换结束后申请PWM中断，PWM中断完成主要的控制功能，流程图如图4 所示。由于电机控制系统的机械时间常数远大于系统的电气时间常数，系统的速度环控制周期可比电流环控制周期大。该系统在每个PWM周期中都进行一次电流采样和PI调节，因此电流采样周期与PWM周期相同，可以实现实时控制，而速度环控制周期选为每100个PWM周期，对速度进行1次调节。在每个电流控制周期，被QEP单元计数的脉冲数被累加到变量speedcount中，变量speedflag从初始值speedstep(100)开始减1直到等于0，此时读取100个电流控制周期(1个速度控制周期)的总脉冲数进行速度计算，并将speedcount清零，将变量speedflag赋初始值，开始下一次速度脉冲计数。
　　2．4 电流PI调节器程序设计
　　式(1)给出的调节器为连续传递函数，为了便于计算机的实现，使用防积分饱和的PI调节器，其算法改进为：

式中：KI=KP／τ；KC=KI／KP=T／τ，根据防饱和的PI调节器算法确定系统流程图如图5所示。


           2．5 速度自适应程序设计
　　速度自适应调节算法在图2中已经给出，该算法为离散自适应算法，可直接用于程序设计。离散模型参考自适应分为参考模型和被控对象两部分，所以首先讨论参考模型的实现。对于二阶参考模型其离散方程可表示为：

  
　　这样可以得到参考模型输出。被控对象速度输出y(k)由速度检测电路检测，可得预报误差：
　　
　　可得u(k)。根据以上分析编写速度自适应控制程序，流程图如图6所示。

  
　　
3 结语
　　自适应控制理论在燃料电池车电机控制系统中的应用，对于提高电动汽车的驱动性能具有较好的效果。本文探讨了在电机DSP控制系统中，离散模型参考自适应算法的实现，对于各种先进的控制策略在电动汽车中的应用进行了积极的探索，对于推动电动汽车产业的发展具有重要意义。