專利名稱：一種集成化的高可靠磁懸浮儲(chǔ)能飛輪數(shù)字控制裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種集成化的高可靠磁懸浮儲(chǔ)能飛輪數(shù)字控制裝置，用于對(duì)磁懸浮儲(chǔ)能飛輪系統(tǒng)進(jìn)行主動(dòng)控制，特別適用于低功耗、高可靠、高集成度等場(chǎng)合。
背景技術(shù)：
磁懸浮儲(chǔ)能飛輪是一種新一代的物理儲(chǔ)能裝置，具有大功率、高儲(chǔ)能密度，綠色環(huán)保，并具有很強(qiáng)的抗干擾性和很快響應(yīng)速度等優(yōu)點(diǎn)，在國(guó)際上已逐步得到應(yīng)用，并且將成為我國(guó)新一代大規(guī)模儲(chǔ)能裝置的首選儲(chǔ)能方式。目前磁懸浮儲(chǔ)能飛輪系統(tǒng)的電磁軸承與飛輪電機(jī)是采用兩套控制系統(tǒng)分別進(jìn)行控制，并且大都采用DSP芯片與FPGA相結(jié)合的控制方法。這種控制方式的優(yōu)點(diǎn)是兩套控制系統(tǒng)分別進(jìn)行電磁軸承與飛輪電機(jī)的控制，單獨(dú)的系統(tǒng)控制相對(duì)簡(jiǎn)單，但存在的缺點(diǎn)是系統(tǒng)的集成度低，采用兩套控制系統(tǒng)統(tǒng)、兩套轉(zhuǎn)速接口電路占用的體積大、功耗大、可靠性低， 磁懸浮儲(chǔ)能飛輪控制系統(tǒng)與控制計(jì)算機(jī)之間的信息傳輸復(fù)雜，信息通過的中間環(huán)節(jié)太多， 并且由于電磁軸承控制與飛輪電機(jī)控制都需要轉(zhuǎn)子位置信號(hào)，因此要轉(zhuǎn)子位置信號(hào)分別傳輸給電磁軸承控制系統(tǒng)與飛輪電機(jī)控制系統(tǒng)，這樣就造成信號(hào)傳輸、硬件電路復(fù)雜。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的技術(shù)解決問題是克服現(xiàn)有磁懸浮儲(chǔ)能飛輪控制系統(tǒng)中電磁軸承與飛輪電機(jī)分別進(jìn)行控制存在的控制系統(tǒng)體積大、功耗大、硬件與軟件可靠性低的不足，提供一種集成化的高可靠磁懸浮儲(chǔ)能飛輪數(shù)字控制裝置。本實(shí)用新型的技術(shù)解決方案是一種集成化的高可靠磁懸浮儲(chǔ)能飛輪數(shù)字控制裝置，包括接口電路、通訊接口、FPGA系統(tǒng)、磁軸承功率模塊、電機(jī)功率模塊、傳感器電路、磁懸浮儲(chǔ)能飛輪系統(tǒng)，其中接口電路包括位移傳感器接口電路、轉(zhuǎn)速信號(hào)接口電路、磁軸承電流傳感器接口電路、電機(jī)電流傳感器接口電路，磁軸承功率模塊包括磁軸承高速光電隔離電路、磁軸承脈沖保護(hù)驅(qū)動(dòng)電路、磁軸承全橋式換能電路，電機(jī)功率模塊包括電機(jī)高速光電隔離電路、電機(jī)脈沖保護(hù)驅(qū)動(dòng)電路、電機(jī)半橋逆變電路；磁懸浮儲(chǔ)能飛輪系統(tǒng)包括磁軸承線圈、磁軸承轉(zhuǎn)子，電機(jī)本體；傳感器電路包括電機(jī)電流傳感器、磁軸承電流傳感器、轉(zhuǎn)子位置傳感器、轉(zhuǎn)子位移傳感器，傳感器電路分別獲取磁軸承轉(zhuǎn)子位移信號(hào)、飛輪轉(zhuǎn)速信號(hào)、磁軸承線圈電流信號(hào)和電機(jī)繞組電流信號(hào)；接口電路接收傳感器電路檢測(cè)的磁軸承轉(zhuǎn)子位移信號(hào)、飛輪轉(zhuǎn)速信號(hào)、磁軸承線圈電流信號(hào)和電機(jī)繞組電流信號(hào)將這些信號(hào)進(jìn)行濾波與放縮處理并將處理后的信號(hào)傳輸給FPGA系統(tǒng)，F(xiàn)PGA系統(tǒng)接收經(jīng)接口電路處理后的磁軸承轉(zhuǎn)子位移信號(hào)、飛輪轉(zhuǎn)速信號(hào)、磁軸承線圈電流信號(hào)和電機(jī)繞組電流信號(hào)分別進(jìn)行電磁軸承的主動(dòng)控制，其中磁軸承線圈的電流、磁懸浮儲(chǔ)能飛輪系統(tǒng)轉(zhuǎn)子位置與磁軸承轉(zhuǎn)子位移信號(hào)， 用于實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁軸承的主動(dòng)控制，F(xiàn)PGA系統(tǒng)根據(jù)磁軸承線圈的電流、磁懸浮儲(chǔ)能飛輪系統(tǒng)轉(zhuǎn)子位置與磁軸承轉(zhuǎn)子位移信號(hào)，通過控制算法生成轉(zhuǎn)子懸浮控制量并將其進(jìn)行PWM調(diào)制，再將調(diào)制完成的磁軸承PWM信號(hào)直接經(jīng)過磁軸承高速光電隔離電路、磁軸承脈沖驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路傳送給磁軸承全橋式換能電路，生成磁軸承線圈所需的控制電流；另外，F(xiàn)PGA系統(tǒng)根據(jù)磁懸浮儲(chǔ)能飛輪電機(jī)繞組的電流、轉(zhuǎn)子位置信號(hào)，通過控制算法生成轉(zhuǎn)速控制量并將其進(jìn)行PWM調(diào)制，再將調(diào)制完成的電機(jī)PWM信號(hào)直接經(jīng)過電機(jī)高速光電隔離電路、電機(jī)脈沖驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路傳送給電機(jī)半橋逆變電路生成所需的控制電流；FPGA系統(tǒng)根據(jù)轉(zhuǎn)子位置傳感器檢測(cè)的飛輪轉(zhuǎn)子位置信號(hào)可分別進(jìn)行飛輪轉(zhuǎn)速控制與轉(zhuǎn)子懸浮控制；控制系統(tǒng)中轉(zhuǎn)子位置傳感器用于獲得磁懸浮儲(chǔ)能飛輪的轉(zhuǎn)速信號(hào)，轉(zhuǎn)子位移傳感器用于獲得磁懸浮儲(chǔ)能飛輪轉(zhuǎn)子的懸浮位置信號(hào)。FPGA系統(tǒng)采用一片F(xiàn)PGA芯片作為處理器，完成磁軸承轉(zhuǎn)子5個(gè)自由度的控制與磁懸浮儲(chǔ)能飛輪系統(tǒng)轉(zhuǎn)速控制，F(xiàn)PGA芯片可以是EP1C6Q/12QM0C8。FPGA系統(tǒng)上可有通訊接口，用于連接到控制計(jì)算機(jī)上，方便實(shí)現(xiàn)磁懸浮儲(chǔ)能飛輪控制系統(tǒng)的在線調(diào)試，通過通訊接口將磁懸浮儲(chǔ)能飛輪系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)信息傳輸?shù)娇刂朴?jì)算機(jī)并通過通訊接口將控制計(jì)算機(jī)的控制指令傳輸?shù)斤w輪控制系統(tǒng)。FPGA系統(tǒng)通過通訊接口接收控制指令，并將磁懸浮儲(chǔ)能飛輪運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)上傳至控制計(jì)算機(jī)，F(xiàn)PGA系統(tǒng)根據(jù)電磁軸承懸浮指令與反饋的轉(zhuǎn)子位移信號(hào)求解懸浮力，解算電磁軸承線圈繞組電流指令并比較電磁軸承線圈繞組電流指令與反饋線圈電流通過控制算法輸出電磁軸承線圈電流控制量；另外FPGA系統(tǒng)將磁懸浮儲(chǔ)能飛輪輸出轉(zhuǎn)速指令轉(zhuǎn)換為電機(jī)繞組電流指令，并比較電機(jī)繞組電流指令與反饋繞組電流指令通過控制算法輸出電機(jī)繞組電流控制量，電磁軸承線圈電流控制量與電機(jī)繞組電流控制量用于驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)功放，令磁懸浮儲(chǔ)能飛輪轉(zhuǎn)子懸浮。在解算過程中FPGA系統(tǒng)根據(jù)飛輪當(dāng)前轉(zhuǎn)速值實(shí)時(shí)調(diào)整懸浮控制參數(shù)，與電機(jī)電流控制參數(shù)。采用的控制算法為PID控制算法或模糊控制算法。本實(shí)用新型的原理是本實(shí)用新型采用一片F(xiàn)PGA芯片實(shí)現(xiàn)磁懸浮儲(chǔ)能飛輪的控制。進(jìn)行磁懸浮儲(chǔ)能飛輪電磁軸承的主動(dòng)控制與磁懸浮儲(chǔ)能飛輪轉(zhuǎn)速控制中主要部分為飛輪控制系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)的采集與控制算法的實(shí)現(xiàn)。其中飛輪控制系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)的采集主要分為模擬量的采集與數(shù)字量的采集，如飛輪電機(jī)繞組電流信號(hào)，磁軸承線圈電流信號(hào)與轉(zhuǎn)子位移信號(hào)為模擬信號(hào)可通過FPGA控制AD芯片的轉(zhuǎn)換時(shí)序來實(shí)現(xiàn)，另外轉(zhuǎn)子位置信號(hào)為數(shù)字信號(hào)可通過FPGA內(nèi)部定時(shí)器檢測(cè)位置信號(hào)時(shí)間來實(shí)現(xiàn)。本實(shí)用新型采用的控制算法為增量式PID算法，其算法中用到了加法、乘法和除法，加法可通過帶進(jìn)位位的加法實(shí)現(xiàn)，乘法可通過將數(shù)值向左移位實(shí)現(xiàn)，除法可通過將數(shù)值向右移位實(shí)現(xiàn)。由此可見磁懸浮儲(chǔ)能飛輪的控制可以在一片F(xiàn)PGA芯片上實(shí)現(xiàn)。本實(shí)用新型提供了磁懸浮儲(chǔ)能飛輪控制系統(tǒng)進(jìn)行電磁軸承與飛輪電機(jī)控制的模擬量、數(shù)字量和脈沖信號(hào)的輸入接口，提供了經(jīng)功率放大的電流輸出接口與信號(hào)檢測(cè)環(huán)節(jié)。 一方面，由位移傳感器輸出的五個(gè)自由度的位移信號(hào)和電流傳感器檢測(cè)的磁軸承線圈中的電流信號(hào)通過AD芯片采樣與模擬開關(guān)控制分時(shí)送到FPGA系統(tǒng)輸入引腳，F(xiàn)PGA對(duì)分時(shí)采樣進(jìn)來的位移信號(hào)根據(jù)一定的數(shù)字控制算法進(jìn)行運(yùn)算處理；同時(shí)利用FPGA的脈沖寬度調(diào)制 PWM生成器對(duì)控制信號(hào)進(jìn)行PWM調(diào)制，輸出磁軸承P麗調(diào)制信號(hào)以控制磁軸承功率開關(guān)器件，通過接口提給電磁軸承線圈控制電流；另外一方面，由電機(jī)電流傳感器輸出的飛輪電機(jī)繞組電流信號(hào)經(jīng)AD芯片采樣與模擬開關(guān)控制分時(shí)送到FPGA系統(tǒng)輸入引腳，F(xiàn)PGA對(duì)分時(shí)采樣進(jìn)來的位移信號(hào)根據(jù)一定的數(shù)字控制算法進(jìn)行運(yùn)算處理；同時(shí)利用FPGA的脈沖寬度調(diào)制方法對(duì)控制信號(hào)進(jìn)行PWM調(diào)制，輸出電機(jī)PWM調(diào)制信號(hào)以控制電機(jī)功率開關(guān)器件，通過接
4口提給飛輪電機(jī)繞組電流，從而控制磁懸浮儲(chǔ)能飛輪轉(zhuǎn)速。本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于本實(shí)用新型利用了一種FPGA來構(gòu)建磁懸浮儲(chǔ)能飛輪數(shù)字控制器，與現(xiàn)有磁懸浮儲(chǔ)能飛輪控制系統(tǒng)相比具有以下特點(diǎn)(1)較現(xiàn)有的磁懸浮儲(chǔ)能飛輪控制系統(tǒng)采用電磁軸承與飛輪電機(jī)分離的數(shù)字控制器，本實(shí)用新型具有集成數(shù)字控制器的優(yōu)點(diǎn)電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、功耗低、調(diào)試靈活方便。(2)較現(xiàn)有的磁懸浮儲(chǔ)能飛輪控制系統(tǒng)采用電磁軸承與飛輪電機(jī)分離的數(shù)字控制器，在硬件結(jié)構(gòu)方面由于將電磁軸承的控制與電機(jī)控制集成到一片F(xiàn)PGA上因此節(jié)省了一套控制電路與一套轉(zhuǎn)速信號(hào)接口電路，簡(jiǎn)化了硬件設(shè)計(jì)，提高了硬件控制系統(tǒng)的可靠性，降低了系統(tǒng)功耗。(3)較現(xiàn)有的磁懸浮儲(chǔ)能飛輪控制系統(tǒng)采用電磁軸承與飛輪電機(jī)分離的數(shù)字控制器，在軟件方面由于進(jìn)行電磁軸承控制與電機(jī)控制都需要磁懸浮儲(chǔ)能飛輪的轉(zhuǎn)速信號(hào)與將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的程序因此采用本實(shí)用新型的集成控制可以節(jié)省重復(fù)性的飛輪轉(zhuǎn)速測(cè)定程序、AD采樣控制程序、模擬開關(guān)控制程序與PWM生成程序，大大提高了控制系統(tǒng)的硬件、軟件可靠性。(4)較現(xiàn)有的磁懸浮儲(chǔ)能飛輪控制系統(tǒng)采用電磁軸承與飛輪電機(jī)分離的數(shù)字控制器，在控制系統(tǒng)的通訊方面如控制計(jì)算機(jī)與電磁軸承控制系統(tǒng)，控制機(jī)算計(jì)與電機(jī)控制系統(tǒng)，電機(jī)控制系統(tǒng)與電磁軸承控制系統(tǒng)的信息傳輸，本實(shí)用新型簡(jiǎn)化了芯片與芯片、芯片與控制計(jì)算機(jī)之間的控制指令與狀態(tài)參數(shù)的傳輸因此在通訊方面更加簡(jiǎn)便、提高了信息傳輸?shù)目煽啃浴?br>
圖1為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)組成框圖；圖2為本實(shí)用新型的電磁軸承控制原理框圖；圖3為本實(shí)用新型的飛輪電機(jī)控制原理框圖；圖4為本實(shí)用新型的FPGA系統(tǒng)電路框圖；圖5為本實(shí)用新型的飛輪轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)示意圖；圖6為本實(shí)用新型得FPGA系統(tǒng)的算法程序圖；圖7本實(shí)用新型的磁軸承控制算法程序圖；圖8本實(shí)用新型的電機(jī)控制算法程序圖；圖9為本實(shí)用新型的單個(gè)通道高速光電隔離電路、脈沖保護(hù)驅(qū)動(dòng)電路和全橋式換能電路的電路圖；圖10為本實(shí)用新型的單個(gè)通道的位移傳感器接口電路；圖11為本實(shí)用新型的單個(gè)通道的電流傳感器接口電路；圖12為本實(shí)用新型的轉(zhuǎn)速信號(hào)接口電路。
具體實(shí)施方式
如圖1所示，本實(shí)用新型包括接口電路1、FPGA系統(tǒng)3、磁軸承功率模塊7、電機(jī)功率模塊12、傳感器電路16、磁懸浮儲(chǔ)能飛輪系統(tǒng)8，其中接口電路1包括位移傳感器接口電路M、轉(zhuǎn)速信號(hào)接口電路23、磁軸承電流傳感器接口電路22、電機(jī)電流傳感器接口電路21， 磁軸承功率模塊7包括磁軸承高速光電隔離電路4、磁軸承脈沖保護(hù)驅(qū)動(dòng)電路5、磁軸承全橋式換能電路6，電機(jī)功率模塊12包括電機(jī)高速光電隔離電路15、電機(jī)脈沖保護(hù)驅(qū)動(dòng)電路 14、電機(jī)半橋逆變電路13，傳感器電路16包括電機(jī)電流傳感器20、磁軸承電流傳感器19、轉(zhuǎn)子位置傳感器18、轉(zhuǎn)子位移傳感器17，傳感器電路16通過接口電路1連接到FPGA系統(tǒng)3， FPGA系統(tǒng)3通過位移傳感器接口電路對(duì)、轉(zhuǎn)速信號(hào)接口電路23、磁軸承電流傳感器接口電路22、電機(jī)電流傳感器接口電路21分別獲取磁軸承轉(zhuǎn)子位移信號(hào)、飛輪轉(zhuǎn)速信號(hào)、磁軸承線圈電流信號(hào)和電機(jī)繞組電流信號(hào)等數(shù)據(jù)，通過一定控制算法生成磁軸承PWM與電機(jī)PWM 信號(hào)，磁軸承功率模塊7與電機(jī)功率模塊15分別接收磁軸承PWM與電機(jī)PWM信號(hào)從而控制磁軸承線圈9的電流與電機(jī)本體11繞組電流，實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁軸承的主動(dòng)控制和磁懸浮儲(chǔ)能飛輪系統(tǒng)轉(zhuǎn)速控制。本實(shí)用新型的FPGA系統(tǒng)3上接有通訊接口 2，所述通訊接口 2連接到控制計(jì)算機(jī)上，磁懸浮儲(chǔ)能飛輪控制系統(tǒng)通過通訊接口 2將磁懸浮儲(chǔ)能飛輪系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)信息傳輸?shù)娇刂朴?jì)算機(jī)并通過通訊接口 2將控制計(jì)算機(jī)的控制指令傳輸?shù)斤w輪控制系統(tǒng)。如圖2所示，為本實(shí)用新型的電磁軸承控制原理框圖，由控制計(jì)算機(jī)向FPGA系統(tǒng)發(fā)送磁軸承懸浮位置控制指令，F(xiàn)PGA系統(tǒng)比較給定控制指令與反饋的轉(zhuǎn)子位移信號(hào)的差別，通過PID運(yùn)算輸出磁軸承線圈電流控制指令，控制系統(tǒng)比較線圈電流控制指令與反饋的線圈電流值的差別，通過PID運(yùn)算輸出磁軸承線圈電流控制量，將磁軸承線圈電流控制量進(jìn)行調(diào)制生成控制信號(hào)(PWM)以驅(qū)動(dòng)磁軸承功率模塊，控制程序通過磁軸承線圈電流控制電磁鐵的電磁力大小，從而控制轉(zhuǎn)子懸浮位置。如圖3所示，為本實(shí)用新型的電機(jī)控制原理框圖，由控制計(jì)算機(jī)向FPGA系統(tǒng)發(fā)送飛輪輸出轉(zhuǎn)速指令，F(xiàn)PGA系統(tǒng)將轉(zhuǎn)速指令經(jīng)PID運(yùn)算轉(zhuǎn)換為電流指令并比較給定電流指令與反饋電流的差別，并通過PID運(yùn)算輸出電機(jī)繞組電流控制量，將電機(jī)繞組電流控制量進(jìn)行調(diào)制生成電機(jī)繞組電流控制信號(hào)(PWM)以驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率模塊。如圖4所示，為本實(shí)用新型的FPGA系統(tǒng)電路框圖，5路位移傳感器信號(hào)(四個(gè)徑向通道々乂4￥出乂，8￥。一個(gè)軸向通道Z)以及電流傳感器信號(hào)經(jīng)過接口電路放大，電平偏移后與A/D輸入范圍相匹配(-5V 5V)，然后經(jīng)過前置抗混疊低通濾波(截止頻率可以根據(jù)所采取的采樣頻率而進(jìn)行調(diào)節(jié))后送入FPGA系統(tǒng)3的A/D輸入端，轉(zhuǎn)子位置傳感器18給出的轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)經(jīng)整形、隔離后送入FPGA系統(tǒng)3的轉(zhuǎn)速信號(hào)輸入端，可以用M/T法直接計(jì)算其頻率，然后FPGA系統(tǒng)3按照數(shù)字控制的控制算法進(jìn)行運(yùn)算處理，產(chǎn)生5個(gè)自由度的控制量。通過對(duì)FPGA系統(tǒng)3軟件編程可以產(chǎn)生獨(dú)立的3對(duì)(即六個(gè)輸出)磁軸承PWM信號(hào)，磁軸承PWM信號(hào)直接經(jīng)過磁軸承高速光電隔離電路4、磁軸承脈沖驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路5傳送給磁軸承全橋式換能電路6，以控制功率開關(guān)器件組成的磁軸承全橋式換能電路6生成磁軸承線圈所需的控制電流，從而實(shí)現(xiàn)磁軸承的主動(dòng)控制。另外一方面，飛輪電機(jī)的三相繞組電流(飛輪電機(jī)采用無(wú)刷直流電機(jī)，繞組采用星型連接方式，中線引出，U, V，W三相繞組電流為Iu，Iv, Iw)、中線電流Lii以及飛輪電機(jī)繞組端電壓Vb經(jīng)接口電路放大，電平偏移后與 A/D輸入范圍相匹配(-5V 5V)，然后經(jīng)過前置抗混疊低通濾波(截止頻率可以根據(jù)所采取的采樣頻率而進(jìn)行調(diào)節(jié))后送入FPGA系統(tǒng)3的A/D輸入端，F(xiàn)PGA系統(tǒng)3根據(jù)給定的飛輪轉(zhuǎn)速指令與反饋的飛輪轉(zhuǎn)子位置、繞組電流按照PID算法進(jìn)行運(yùn)算處理產(chǎn)生6路飛輪電機(jī)控制PWM信號(hào)，電機(jī)PWM直接經(jīng)過電機(jī)高速光電隔離電路15，電機(jī)脈沖驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路16傳送給電機(jī)半橋逆變電路13，以BUCK變換器組成的飛輪電機(jī)逆變電路，生成飛輪電機(jī)繞組所需的控制電流，從而控制飛輪輸出給定轉(zhuǎn)速。如圖5所示，為本實(shí)用新型的飛輪轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)示意圖，飛輪轉(zhuǎn)子由兩個(gè)徑向磁軸承懸浮，一端稱為A端磁軸承，另一端為B端磁軸承，A、B端分別沿X軸、Y軸方向的線圈構(gòu)成徑向AX、AY ；BX, BY四通道，另外轉(zhuǎn)子還有一個(gè)軸向通道Z。如圖6所示，為本實(shí)用新型的控制算法流程圖，F(xiàn)PGA系統(tǒng)通過通訊接口接收控制指令，并將磁懸浮儲(chǔ)能飛輪運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)上傳至控制計(jì)算機(jī)，F(xiàn)PGA系統(tǒng)根據(jù)電磁軸承懸浮指令與反饋的轉(zhuǎn)子位移信號(hào)求解懸浮力，解算電磁軸承線圈繞組電流指令并比較電磁軸承線圈繞組電流指令與反饋線圈電流通過控制算法輸出電磁軸承線圈電流控制量；另外 FPGA系統(tǒng)將磁懸浮儲(chǔ)能飛輪轉(zhuǎn)速指令經(jīng)PID運(yùn)算轉(zhuǎn)換為電機(jī)繞組電流指令，并比較電機(jī)繞組電流指令與反饋繞組電流指令通過控制算法輸出電機(jī)繞組電流控制量，電磁軸承線圈電流控制量與電機(jī)繞組電流控制量用于驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)功放，令磁懸浮儲(chǔ)能飛輪轉(zhuǎn)子懸浮。在解算過程中FPGA系統(tǒng)根據(jù)飛輪當(dāng)前轉(zhuǎn)速值實(shí)時(shí)調(diào)整懸浮控制參數(shù)，與電機(jī)電流控制參數(shù)。 采用的控制算法為PID控制算法或模糊控制算法。如圖7所示，為本實(shí)用新型的磁軸承控制算法程序圖，本實(shí)用新型的磁軸承控制采用了 PID加交叉反饋的控制算法，可以有效抑制其他與轉(zhuǎn)速相關(guān)的各種渦動(dòng)模態(tài)振動(dòng)， 實(shí)現(xiàn)磁軸承轉(zhuǎn)子的高速穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)子軸兩端分別定義為A端和B端。SaX、Say分別表示 A端位移傳感器X、Y兩個(gè)正交方向的轉(zhuǎn)子徑向位移信號(hào)；Sbx、Sby分別表示B端位移傳感器X、Y兩個(gè)正交方向的轉(zhuǎn)子徑向位移信號(hào)Az表示軸向傳感器輸出的軸向位移信號(hào)。lax、 lay分別表示A端電流傳感器X、Y方向的磁軸承線圈電流信號(hào)；rtx、Iby分別表示B端電流傳感器X、Y方向的磁軸承線圈電流信號(hào)；Iz表示軸向電流傳感器輸出的軸向磁軸承線圈電流信號(hào)。P麗ax+、P麗ax-為FPGA輸出的A端X方向的控制量的一對(duì)P麗調(diào)制信號(hào)；P麗ay+、 PWMay-為FPGA輸出的A端Y方向的控制量的一對(duì)P麗調(diào)制信號(hào)；PWMbx+、PWMbx-為FPGA 輸出的B端X方向的控制量的一對(duì)PWM調(diào)制信號(hào)；PWMby+、PWMby-為FPGA輸出的B端Y方向的控制量的一對(duì)P麗調(diào)制信號(hào)；PWMz+、PWMz-為FPGA輸出的軸向控制量的一對(duì)P麗調(diào)制信號(hào)。輸出的五個(gè)自由度的控制量算式為OUTax = PIDSax (k) + (Say (k) -Sby (k)) KcOUTbx = PIDSbx (k) - (Say (k) -Sby (k)) KcOUTay = PIDSay (k) + (Sax (k) -Sbx (k)) KcOUTby = PIDSby (k) - (Sax (k) -Sbx (k)) KcOUTz = PIDSz (k)PIDSax為A端X方向的位移偏差的PID運(yùn)算結(jié)果，PID釙x、PID&iy、PIDSby含義類推。Kc為引入了轉(zhuǎn)速后的交叉反饋通道增益。為提高控制的電流響應(yīng)速度將輸出的控制量與電流反饋信號(hào)的偏差做PD運(yùn)算，然后對(duì)該結(jié)果進(jìn)行PWM調(diào)制并輸出調(diào)制波形。具體的程序運(yùn)算流程見圖5。如圖8所示，為本實(shí)用新型的電機(jī)控制算法流程圖，飛輪控制系統(tǒng)采用速率控制模式，根據(jù)飛輪轉(zhuǎn)速指令的需要，將給定速率指令與飛輪反饋速率指令比較通過轉(zhuǎn)速環(huán)PID 運(yùn)算生成繞組電流控制指令，將電流控制指令與電機(jī)繞組電流比較通過電流環(huán)PID運(yùn)算生
7成電機(jī)電流環(huán)控制量，從而控制繞組電流，進(jìn)而控制飛輪輸出轉(zhuǎn)速(其中J為飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣
量)O如圖9所示，為本實(shí)用新型的磁軸承功率模塊單個(gè)通道高速光電隔離電路、脈沖保護(hù)驅(qū)動(dòng)電路和全橋式換能電路的電路圖，五個(gè)通道類似(四個(gè)徑向通道AX、AY ；BX, BY。 一個(gè)軸向通道Ζ)。高速光耦TIi^630實(shí)現(xiàn)了 FPGA輸出的PWM信號(hào)與強(qiáng)電脈沖的隔離。PWM 信號(hào)經(jīng)IR2110驅(qū)動(dòng)功率管IRF3710。比較器LM339和TIi^630、4001、4025構(gòu)成的電路可以防止MOSFET電源側(cè)直通并能提供過電流保護(hù)。可以通過調(diào)節(jié)電位器Wl和W2來設(shè)置電流門限值。當(dāng)磁軸承或電機(jī)繞組電流超過設(shè)定值或FPGA輸出的一個(gè)通道的一對(duì)PWM信號(hào)出現(xiàn)全高時(shí)，4025都輸出低電平，從而防止直流測(cè)電源直通以及磁軸承線圈、電機(jī)繞組過電流。如圖10所示，為本實(shí)用新型的單個(gè)通道的位移傳感器接口電路，位移傳感器接口電路對(duì)位移傳感器輸出的位移信號(hào)作差分，然后進(jìn)行放大和電平偏移，與A/D輸入量程相匹配(-5-5V)，再經(jīng)過一級(jí)二階低通濾波器，濾除高頻噪聲信號(hào)防止產(chǎn)生頻譜混疊。如圖11所示，圖11為本實(shí)用新型的單個(gè)通道的電流傳感器接口電路，電流傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)磁軸承線圈電流，電流傳感器接口電路對(duì)電流傳感器信號(hào)進(jìn)行放大和電平偏移， 與A/D輸入量程相匹配(-5-5V)，再經(jīng)過一級(jí)二階低通濾波器，濾除高頻噪聲信號(hào)防止產(chǎn)生頻譜混疊。如圖12所示，圖12為本實(shí)用新型的轉(zhuǎn)速信號(hào)接口電路。轉(zhuǎn)子位置(霍爾位置) 傳感器檢測(cè)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，并產(chǎn)生轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)。轉(zhuǎn)速傳感器接口電路用高速光耦6W37將轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)進(jìn)行隔離，并將其幅值調(diào)整為0-3. 3V，用74HC14進(jìn)行脈沖整形后FPGA，通過測(cè)量脈沖周期實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的測(cè)量。本實(shí)用新型可以作為一種通用的磁懸浮儲(chǔ)能飛輪系統(tǒng)硬件平臺(tái)，提供了足夠的硬件資源。應(yīng)用者可以根據(jù)其特殊的應(yīng)用領(lǐng)域通過修改軟件來靈活方便地實(shí)現(xiàn)其功能。
權(quán)利要求1.一種集成化的高可靠磁懸浮儲(chǔ)能飛輪數(shù)字控制裝置，其特征在于包括接口電路 (1)、通訊接口 O)、FPGA系統(tǒng)(3)、磁軸承功率模塊(7)、電機(jī)功率模塊(12)、傳感器電路 (16)、磁懸浮儲(chǔ)能飛輪系統(tǒng)(8)，其中接口電路(1)包括位移傳感器接口電路(M)、轉(zhuǎn)速信號(hào)接口電路(23)、磁軸承電流傳感器接口電路02)、電機(jī)電流傳感器接口電路(21)，磁軸承功率模塊(7)包括磁軸承高速光電隔離電路G)、磁軸承脈沖保護(hù)驅(qū)動(dòng)電路(5)、磁軸承全橋式換能電路(6)，電機(jī)功率模塊(12)包括電機(jī)高速光電隔離電路(15)、電機(jī)脈沖保護(hù)驅(qū)動(dòng)電路(14)、電機(jī)半橋逆變電路(1 ；磁懸浮儲(chǔ)能飛輪系統(tǒng)(8)包括磁軸承線圈(9)、磁軸承轉(zhuǎn)子(10)，電機(jī)本體(11)；傳感器電路(16)包括電機(jī)電流傳感器(20)、磁軸承電流傳感器(19)、轉(zhuǎn)子位置傳感器(18)、轉(zhuǎn)子位移傳感器(17)，傳感器電路(16)分別獲取磁軸承轉(zhuǎn)子位移信號(hào)、飛輪轉(zhuǎn)速信號(hào)、磁軸承線圈電流信號(hào)和電機(jī)繞組電流信號(hào)；接口電路(1)接收傳感器電路(16)檢測(cè)的磁軸承轉(zhuǎn)子位移信號(hào)、飛輪轉(zhuǎn)速信號(hào)、磁軸承線圈電流信號(hào)和電機(jī)繞組電流信號(hào)將這些信號(hào)進(jìn)行濾波與放縮處理并將處理后的信號(hào)傳輸給FPGA系統(tǒng)(3)， FPGA系統(tǒng)C3)接收經(jīng)接口電路(1)處理后的磁軸承轉(zhuǎn)子位移信號(hào)、飛輪轉(zhuǎn)速信號(hào)、磁軸承線圈電流信號(hào)和電機(jī)繞組電流信號(hào)分別進(jìn)行電磁軸承的主動(dòng)控制與磁懸浮儲(chǔ)能飛輪轉(zhuǎn)速控制，其中磁軸承線圈(9)的電流、磁懸浮儲(chǔ)能飛輪系統(tǒng)(8)轉(zhuǎn)子位置與磁軸承轉(zhuǎn)子(10)位移信號(hào)，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁軸承的主動(dòng)控制，F(xiàn)PGA系統(tǒng)C3)根據(jù)轉(zhuǎn)子位置傳感器(18)檢測(cè)的飛輪轉(zhuǎn)子位置信號(hào)分別進(jìn)行電機(jī)控制；控制系統(tǒng)中轉(zhuǎn)子位置傳感器(1 用于獲得磁懸浮儲(chǔ)能飛輪的轉(zhuǎn)速信號(hào)，轉(zhuǎn)子位移傳感器(17)用于獲得磁懸浮儲(chǔ)能飛輪轉(zhuǎn)子的懸浮位置信號(hào)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種集成化的高可靠磁懸浮儲(chǔ)能飛輪數(shù)字控制裝置，其特征在于所述的FPGA系統(tǒng)(3)采用一片F(xiàn)PGA芯片作為處理器，完成磁軸承轉(zhuǎn)子(10) 5個(gè)自由度的控制與磁懸浮儲(chǔ)能飛輪系統(tǒng)(8)轉(zhuǎn)速控制，F(xiàn)PGA芯片可以是EP1C6Q/12QM0C8。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的所述的一種集成化的高可靠磁懸浮儲(chǔ)能飛輪數(shù)字控制裝置， 其特征在于所述FPGA系統(tǒng)C3)上可有通訊接口 O)，用于連接到控制計(jì)算機(jī)上，方便實(shí)現(xiàn)磁懸浮儲(chǔ)能飛輪控制系統(tǒng)的在線調(diào)試，通過通訊接口( 將磁懸浮儲(chǔ)能飛輪系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)信息傳輸?shù)娇刂朴?jì)算機(jī)并通過通訊接口( 將控制計(jì)算機(jī)的控制指令傳輸?shù)斤w輪控制系統(tǒng)。
專利摘要一種集成化的高可靠磁懸浮儲(chǔ)能飛輪數(shù)字控制裝置是一種能對(duì)磁懸浮儲(chǔ)能飛輪系統(tǒng)電機(jī)與電磁軸承進(jìn)行控制的裝置，包括接口電路、FPGA系統(tǒng)、磁軸承控制功率模塊、電機(jī)控制功率模塊、磁懸浮儲(chǔ)能飛輪系統(tǒng)、傳感器電路，F(xiàn)PGA系統(tǒng)通過接口電路獲取磁軸承轉(zhuǎn)子位移信號(hào)、轉(zhuǎn)速信號(hào)、磁軸承線圈電流、電機(jī)繞組電流等數(shù)據(jù)。一方面FPGA系統(tǒng)根據(jù)磁軸承轉(zhuǎn)子位移信號(hào)、磁軸承線圈電流、轉(zhuǎn)速信號(hào)，對(duì)電磁軸承的主動(dòng)控制；另一方面FPGA系統(tǒng)根據(jù)轉(zhuǎn)速指令、電機(jī)繞組電流、轉(zhuǎn)速信號(hào)，對(duì)飛輪轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制。實(shí)現(xiàn)了磁軸承數(shù)字控制器與電機(jī)數(shù)字控制器的集成化設(shè)計(jì)，提高了磁懸浮儲(chǔ)能飛輪系統(tǒng)控制器集成度和可靠性，減小了體積和重量并降低了控制器的功耗。
文檔編號(hào)H02N15/00GK201985799SQ20102068615
公開日2011年9月21日 申請(qǐng)日期2010年12月29日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月29日
發(fā)明者蔣濤 申請(qǐng)人:北京奇峰聚能科技有限公司