燃料電池車離散MRAC電機控制系統的DSP軟件設計

摘 要:自適應控制理論在燃料電池車電機控制系統中的應用，對于提高電動汽車的驅動性能具有較好的效果。在此給出采用離散模型參考自適應控制的燃料電池車電機控制系統，控制系統設計以數字信號處理器為核心，簡單介紹了系統的硬件設計，并在此基礎上重點探討DSP控制系統的軟件設計，分析了主程序、脈寬調制中斷處理程序、電流PI調節程序和速度自適應調節程序的軟件實現，給出了主要程序流程圖。探討在電機DSP控制系統中，離散模型參考自適應算法的實現對于各種先進的控制策略在電動汽車中的應用具有重要意義。

關鍵詞:燃料電池車; 離散模型參考自適應; 電機控制系統; DSP

中圖分類號:TM921;TP368.1 文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)10-0184-03

Software Design of Fuel Cell Electric Vehicle Discrete-time MRAC

Motor Control System Based on DSP

LIU Jian-ying

(Dalian Vocational Technology College， Dalian 116035， China)

Abstract: The application of adaptive control theory in the fuel cell electric vehicle motor control system has a better result for improving the performances of electric vehicles. The motor control system of the fuel cell electric vehicle with discrete-time model reference adaptive control， which takes the digital signal processor as a core is presented. The hardware design is simply introduced and the software design is discussed in detail. The main program，PWM interrupt program，current PI control program and speed MRAC control program are analyzed， and the main flow charts are presented. The implementation of the discrete model reference adaptive algorithm in the motor DSP control system is investigated， which has great significance for the advanced control strategies applied inelectric vehicles.

Keywords: fuel cell electric vehicle (FCEV); discrete-time model reference adaptive control; motor control system; DSP

燃料電池車是以氫氣為燃料，氫氣與大氣中的氧氣發生化學反應，通過電極將化學能轉化為電能，以電能作為動力驅動汽車前進[1-2]。燃料電池汽車具有高效率、無污染、零排放、無噪聲等高科技優勢[3]，代表了未來汽車使用新型能源、先進科技以及追求環保的發展趨勢，領導著汽車工業革命的新潮流。電機驅動系統是燃料電池車的心臟，直接影響著燃料電池車性能的優劣。數字信號處理器(DSP)的發展使各種先進的控制策略應用于電機驅動系統成為可能[4]。模型參考自適應控制在電動汽車中的應用，能夠提高電動汽車電機驅動系統性能，加速電動汽車產業的發展。

1 燃料電池車及其離散MRAC電機控制系統

本文所研究的燃料電池車電機是型號為XQ-5-5H的5 kW直流牽引電機，對電機的控制采用包括電流環和速度環的雙閉環調速系統，其結構框圖如圖1所示。圖中虛線方框內由以DSP為核心的控制系統來實現，本文主要探討其軟件的設計。

圖1 系統結構框圖

對雙閉環調速系統的設計[5]在此不做詳細討論，這里只給出設計結果。對電流的調節采用傳統的PI調解，其傳遞函數為:

WPI(s)=U(s)E(s)=Kτs+1τs(1)

式中:K為PI調節器比例部分的放大系數;τ為積分時間常數。

對速度的調節采用自適應調解方法，為了便于計算機實現，采用離散模型參考自適應控制，結構圖如圖2所示。對于其具體說明參見文獻[6-8]。

圖2 離散模型參考自適應結構圖

2 控制系統軟件設計

2.1 硬件系統介紹

基于TMS320LF2407A的燃料電池車電機驅動控制系統硬件系統方框圖如圖3所示，主要包括給定信號檢測電路、電流檢測電路、速度檢測電路、PWM輸出電路和DSP外部電路。

圖3 基于DSP燃料電池車電機驅動控制系統方框圖

2.2 主程序設計

主程序包括初始化程序和循環等待2部分。系統上電或復位后主程序自動運行，它首先將系統初始化，主要包括硬件初始化即根據要求給各種硬件如時鐘及看門狗模塊、I/O模塊、定時器、SCI模塊、ADC模塊、定時器、控制寄存器等賦值，以便各模塊正常工作，以及程序全局變量初始化，主要包括電流PI調節、轉速自適應控制調節參數初始化以及其他全局變量初始化，然后開中斷并等待。

2.3 PWM中斷處理程序設計

采用定時器周期中斷標志啟動A/D轉換，當T1下溢時啟動 A/D 轉換，所檢測的電流經處理后接模/數轉換器的 ADCIN00引腳，當轉換完成后，中斷標志位都被設置為1，則在 A/D 中斷服務程序中將轉換結果讀出，完成1次A/D采樣。轉換結束后申請PWM中斷，PWM中斷完成主要的控制功能[9-10]，流程圖如圖4所示。由于電機控制系統的機械時間常數遠大于系統的電氣時間常數，系統的速度環控制周期可比電流環控制周期大。該系統在每個PWM周期中都進行一次電流采樣和PI調節，因此電流采樣周期與PWM周期相同，可以實現實時控制，而速度環控制周期選為每100個PWM周期，對速度進行1次調節。在每個電流控制周期，被 QEP 單元計數的脈沖數被累加到變量speedcount中，變量speedflag從初始值speedstep(100)開始減1直到等于 0，此時讀取100個電流控制周期(1個速度控制周期)的總脈沖數進行速度計算，并將speedcount清零，將變量 speedflag賦初始值，開始下一次速度脈沖計數。

2.4 電流PI調節器程序設計

式(1)給出的調節器為連續傳遞函數，為了便于計算機的實現，使用防積分飽和的PI調節器，其算法改進為:

u(k)=r(k-1)+KPe(k)

u(k)=umin，u≤umin

u，umin

umax，u≥umax

r(k)=r(k-1)+KIe(k)+KC[u(k)-u](2)

式中:KI=KP/τ;KC=KI/KP=T/τ，根據防飽和的PI調節器算法確定系統流程圖如圖5所示。

圖4 PWM中斷程序流程圖

圖5 電流PI調節程序流程圖

2.5 速度自適應程序設計

速度自適應調節算法在圖2中已經給出，該算法為離散自適應算法，可直接用于程序設計。離散模型參考自適應分為參考模型和被控對象兩部分，所以首先討論參考模型的實現。對于二階參考模型其離散方程可表示為:

(1-a1z-1-a2z-2)ym(k)=z-1(b0+b1z-1)r(k)(3)

化簡可得:

ym(k)=b0r(k-1)+b1r(k-2)+a1ym(k-1)+

a2ym(k-2)(4)

這樣可以得到參考模型輸出。被控對象速度輸出y(k)由速度檢測電路檢測，可得預報誤差:

e′(k)=y(k)-ym(k)(5)

根據:

e(k)=e(k)/{1+[l1e2(k-1)+l2e2(k-2)]+

[λ1y2m(k-1)+λ2y2m(k-2)]+(6)

[ρ0u2(k-1)+ρ1u2(k-2)]

得到誤差e(k)，根據:

H(z-1)=h1(k)+h2(k)z-1

=[h1(k-1)+λ1e(k)ym(k-1)]+(7)

[h2(k-1)+λ2e(k)ym(k-2)]z-1

F(z-1)=f1(k)+f2(k)z-1

=[f1(k-1)+l1e(k)e(k-1)]+(8)

[f2(k-1)+l2e(k)e(k-2)]z-1

r1(k)=(b0+b1z-1)r(k)=b0r(k)+b1r(k-1)(9)

可得到u1(k)，再由:

G(z-1)=g0(k)+g1(k)z-1

=[g0(k-1)+ρ0e(k)u(k-1)]+(10)

[g1(k-1)+ρ1e(k)u(k-2)]z-1

可得u(k)。根據以上分析編寫速度自適應控制程序，流程圖如圖6所示。

3 結 語

自適應控制理論在燃料電池車電機控制系統中的應用，對于提高電動汽車的驅動性能具有較好的效果。本文探討了在電機DSP控制系統中，離散模型參考自適應算法的實現，對于各種先進的控制策略在電動汽車中的應用進行了積極的探索，對于推動電動汽車產業的發展具有重要意義。

圖6 速度自適應調節程序流程圖

參考文獻

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