基于DSP控制系統(tǒng)的離散模型參考自適應(yīng)算法在燃料電池車中的實現(xiàn)

燃料電池車是以氫氣為燃料，氫氣與大氣中的氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，通過電極將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，以電能作為動力驅(qū)動汽車前進。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(yōu)勢，代表了未來汽車使用新型能源、先進科技以及追求環(huán)保的發(fā)展趨勢，領(lǐng)導(dǎo)著汽車工業(yè)革命的新潮流。電機驅(qū)動系統(tǒng)是燃料電池車的心臟，直接影響著燃料電池車性能的優(yōu)劣。數(shù)字信號處理器(DSP)的發(fā)展使各種先進的控制策略應(yīng)用于電機驅(qū)動系統(tǒng)成為可能。模型參考自適應(yīng)控制在電動汽車中的應(yīng)用，能夠提高電動汽車電機驅(qū)動系統(tǒng)性能，加速電動汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

l 燃料電池車及其離散MRAC電機控制系統(tǒng)

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(huán)和速度環(huán)的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。圖中虛線方框內(nèi)由以DSP為核心的控制系統(tǒng)來實現(xiàn)。本文主要探討其軟件的沒計。

對雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計在此不做詳細(xì)討論，這里只給出設(shè)計結(jié)果。對電流的調(diào)節(jié)采用傳統(tǒng)的PI調(diào)解，其傳遞函數(shù)為：

式中：K為PI調(diào)節(jié)器比例部分的放大系數(shù)；τ為積分時間常數(shù)。
對速度的調(diào)節(jié)采用自適應(yīng)調(diào)解方法，為了便于計算機實現(xiàn)，采用離散模型參考自適應(yīng)控制，結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。對于其具體說明參見文獻。

2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

2．1 硬件系統(tǒng)介紹

基于FMS320LF2407A的燃料電池車電機驅(qū)動控制系統(tǒng)硬件系統(tǒng)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。

2．2 主程序設(shè)計

主程序包括初始化程序和循環(huán)等待2部分。系統(tǒng)上電或復(fù)位后主程序自動運行，它首先將系統(tǒng)初始化，主要包括硬件初始化即根據(jù)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(diào)節(jié)、轉(zhuǎn)速自適應(yīng)控制調(diào)節(jié)參數(shù)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(shè)計

采用定時器周期中斷標(biāo)志啟動A／D轉(zhuǎn)換，當(dāng)T1下溢時啟動A／D轉(zhuǎn)換，所檢測的電流經(jīng)處理后接模／數(shù)轉(zhuǎn)換器的ADCIN00引腳，當(dāng)轉(zhuǎn)換完成后，中斷標(biāo)志位都被設(shè)置為1，則在A／D中斷服務(wù)程序中將轉(zhuǎn)換結(jié)果讀出，完成1次A／D采樣。轉(zhuǎn)換結(jié)束后申請PWM中斷，PWM中斷完成主要的控制功能，流程圖如圖4所示。由于電機控制系統(tǒng)的機械時間常數(shù)遠(yuǎn)大于系統(tǒng)的電氣時間常數(shù)，系統(tǒng)的速度環(huán)控制周期可比電流環(huán)控制周期大。該系統(tǒng)在每個PWM周期中都進行一次電流采樣和PI調(diào)節(jié)，因此電流采樣周期與PWM周期相同，可以實現(xiàn)實時控制，而速度環(huán)控制周期選為每100個PWM周期，對速度進行1次調(diào)節(jié)。在每個電流控制周期，被QEP單元計數(shù)的脈沖數(shù)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(shù)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(shù)。

2．4 電流PI調(diào)節(jié)器程序設(shè)計

式(1)給出的調(diào)節(jié)器為連續(xù)傳遞函數(shù)，為了便于計算機的實現(xiàn)，使用防積分飽和的PI調(diào)節(jié)器，其算法改進為：

式中：KI=KP／τ；KC=KI／KP=T／τ，根據(jù)防飽和的PI調(diào)節(jié)器算法確定系統(tǒng)流程圖如圖5所示。

2．5 速度自適應(yīng)程序設(shè)計

速度自適應(yīng)調(diào)節(jié)算法在圖2中已經(jīng)給出，該算法為離散自適應(yīng)算法，可直接用于程序設(shè)計。離散模型參考自適應(yīng)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(xiàn)。對于二階參考模型其離散方程可表示為：

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(yù)報誤差：

可得u(k)。根據(jù)以上分析編寫速度自適應(yīng)控制程序，流程圖如圖6所示。

3 結(jié)語

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