离散MRAC电机控制系统的DSP软件的设计与实现

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                    　　燃料电池汽车是电动汽车的一种，其电池的能量是通过氢气和氧气的化学作用，而不是经过燃烧，直接变成电能或的。燃料电池的化学反应过程不会产生有害产物，因此燃料电池车辆是无污染汽车，燃料电池的能量转换效率比内燃机要高2"3倍，因此从能源的利用和环境保护方面，燃料电池汽车是一种理想的车辆。燃料电池汽车的工作原理是，使作为燃料的氢在汽车搭载的燃料电池中，与大气中的氧发生化学反应，从而产生出电能启动电动机，进而驱动汽车。甲醇、天然气和汽油也可以替代氢（从这些物质里间接地提取氢），不过将会产生极度少的二氧化碳和氮氧化物。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。
　　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。



　　对双闭环调速系统的设计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。



　　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，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
　　PWM是一种模拟控制方式，其根据相应载荷的变化来调制晶体管栅极或基极的偏置，来实现开关稳压电源输出晶体管或晶体管导通时间的改变，这种方式能使电源的输出电压在工作条件变化时保持恒定，是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术。PWM控制技术以其控制简单，灵活和动态响应好的优点而成为电力电子技术最广泛应用的控制方式，也是人们研究的热点。由于当今科学技术的发展已经没有了学科之间的界限，结合现代控制理论思想或实现无谐振软开关技术将会成为PWM控制技术发展的主要方向之一。
　　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。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开始减1直到等于0,此时读取100个电流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。