一種磁懸浮飛輪無刷直流電機控制系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種磁懸浮飛輪無刷直流電機控制系統(tǒng)，是一種用來對磁懸浮飛輪用三相永磁無刷直流電機的輸出力矩進行控制的裝置，其主要包括濾波電路、buck電路、電流檢測環(huán)節(jié)、三相永磁無刷直流電機、霍爾效應轉子位置傳感器、三相半橋功率放大器和以FPGA為核心的控制器。本發(fā)明通過控制磁懸浮飛輪用三相永磁無刷直流電機繞組的導通順序和電流大小，從而實現(xiàn)對磁懸浮飛輪輸出力矩的控制。
【專利說明】一種磁懸浮飛輪無刷直流電機控制系統(tǒng)
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種磁懸浮飛輪無刷直流電機控制系統(tǒng)，用于對磁懸浮飛輪三相永磁無刷直流電機的輸出力矩進行精確控制。
【背景技術】
[0002]磁懸浮飛輪是高精度、長壽命三軸姿態(tài)穩(wěn)定衛(wèi)星理想的姿態(tài)控制執(zhí)行機構，通過電機控制系統(tǒng)調整電機的電流輸出期望的控制力矩?，F(xiàn)有的磁懸浮飛輪電機控制系統(tǒng)一般使用三相全橋或者三相半橋拓撲結構的功率放大器。說明書附圖1所示為現(xiàn)有使用三相全橋拓撲結構功率放大器的磁懸浮飛輪電機控制系統(tǒng)的結構框圖(ZL200710119966.7，房建成、王志強、劉剛、樊亞洪，一種磁懸浮反作用飛輪電機速率模式控制系統(tǒng))，三相橋功率放大器使用6個功率管，通過PWMl?PWM6控制6個功率管的開通與關斷，實現(xiàn)對電機繞組電流的控制。說明書附圖2為現(xiàn)有使用三相半橋拓撲結構功率放大器的磁懸浮飛輪電機控制系統(tǒng)的結構框圖(ZL200910236136.1，房建成、周新秀、劉剛、王志強，一種磁懸浮反作用飛輪電機電磁轉矩脈動抑制裝置)，三相橋功率放大器使用7個功率管，通過PWMl?PWM7控制7個功率管的開通與關斷，實現(xiàn)對電機繞組電流的控制。其中:PWM1?PWM3控制三相半橋主電路功率管的開通與關斷；PWM4控制Buck電路中功率管的開通與關斷；PWM5控制能耗制動功率管的開通與關斷；PWM6和PWM7控制轉矩脈動抑制功率管的開通與關斷。功率管及其驅動電路是影響磁懸浮飛輪電機控制系統(tǒng)可靠性的主要因素，如果能夠減少現(xiàn)有的磁懸浮飛輪電機控制系統(tǒng)使用的功率管的數(shù)量，則可以進一步提高控制系統(tǒng)的可靠性。
【發(fā)明內容】
[0003]本發(fā)明解決的技術問題是:針對現(xiàn)有磁懸浮飛輪無刷直流電機控制系統(tǒng)使用功率管較多的不足，將磁懸浮飛輪無刷直流電機控制系統(tǒng)的導通相控制電路與能耗制動電路合并，提出了一種只使用4個功率管的磁懸浮飛輪無刷直流電機控制系統(tǒng)方案，相對現(xiàn)有的磁懸浮飛輪控制系統(tǒng)，具有可靠性高、結構簡單的特點。
[0004]本發(fā)明的技術解決方案:一種磁懸浮飛輪無刷直流電機控制系統(tǒng)，主要包括:濾波電路、buck電路、電流檢測環(huán)節(jié)、三相永磁無刷直流電機、霍爾效應轉子位置傳感器、三相半橋功率放大電器和以FPGA為核心的控制器。其中:
[0005]濾波電路:輸出接buck電路，用于消除+28V輸入上的高頻噪聲；
[0006]buck電路:輸入與濾波電路相接，輸出與電流檢測環(huán)節(jié)相接，根據(jù)以FPGA為核心的控制器輸出的控制信號控制達林頓功率管V4的導通與關斷，對濾波電路的輸出電壓進行調制；
[0007]電流檢測環(huán)節(jié):輸入與buck電路相接，輸出與三相永磁無刷直流電機相接，用于檢測通過三相永磁無刷直流電機的繞組電流；
[0008]霍爾效應轉子位置傳感器:輸入與三相永磁無刷直流電機相接，輸出與以FPGA為核心的控制器相接，輸出為3路磁懸浮飛輪轉子位置信號；[0009]三相半橋功率放大器:根據(jù)以FPGA為核心的控制器的輸出控制達林頓功率管的開通與關斷，從而在三相永磁無刷直流電機的繞組中生成期望的控制電流；
[0010]以FPGA為核心的控制器:電流檢測環(huán)節(jié)輸出的電流反饋信號經過以FPGA為核心的控制器的電流信號模數(shù)轉換芯片進行采樣，電流信號采樣值與外部輸入的電流參考值相減，差值作為電流環(huán)PID算法的輸入量，電流環(huán)PID算法的輸出量輸出給以FPGA為核心的控制器的D/A模塊，D/A模塊的輸出經過以FPGA為核心的控制器的控制電壓分配環(huán)節(jié)生成三相半橋功率放大器的控制信號。三相半橋功率放大器輸出的電壓反饋信號經過以FPGA為核心的控制器的電壓檢測環(huán)節(jié)后輸入給以FPGA為核心的控制器的電壓信號模數(shù)轉換芯片，電壓信號模數(shù)轉換芯片的采樣值與外部輸入的電壓參考值相減，差值作為電壓環(huán)PID算法的輸入量，電壓環(huán)PID算法的輸出量經以FPGA為核心的控制器的PWM波形發(fā)生模塊生成buck電路的控制信號PWM_V4。
[0011]本發(fā)明的原理是:磁懸浮飛輪無刷直流電機控制系統(tǒng)根據(jù)外部輸入的電流/力矩指令進行三相永磁無刷直流電機加速運行和制動運行控制，使永磁無刷直流電機能夠在四個象限工作。原理如下:
[0012](I)當三相永磁無刷直流電機電機工作在一、三象限，S卩外部輸入的電流或力矩方向指令與磁懸浮飛輪的轉向一致，加速運行狀態(tài)時，電流從+28V電源輸入，經濾波電路、buck模塊的達林頓功率管V4和電感L2、電流檢測環(huán)節(jié)至電機繞組。以FPGA為核心的控制器通過控制三相半橋功率放大器中的三個達林頓功率管(VI?V3)的導通順序，并保證電機導通相通過的電流與輸入的電流或力矩指令一致，從而實現(xiàn)了對電機在一、三象限工作時輸出力矩的控制。當電機工作在一、三象限時，導通相的反電勢與通過的電流的方向相同。
[0013](2)當三相永磁無刷直流電機電機工作在二、四象限，即外部輸入的電流或力矩方向指令與磁懸浮飛輪的轉向相反，制動運行狀態(tài)時:當三相永磁無刷直流電機反電勢能夠維持三相半橋功率放大器中三個達林頓功率管(VI?V3)產生期望的制動電流時處于能耗制動狀態(tài)，此時buck模塊中的達林頓功率管V4關斷，電流經電流檢測環(huán)節(jié)電機繞組、三相半橋功率放大器、buck電路中的二極管Dl和電感L2、電流檢測環(huán)節(jié)形成能耗通道，磁懸浮飛輪轉子的能量主要消耗在三相半橋功率放大器中的三個達林頓功率管(VI?V3)上；隨著磁懸浮飛輪轉速的降低，電機反電勢不能維持三相半橋功率放大器中三個達林頓功率管(VI?V3)產生期望的制動電流，buck電路中的達林頓功率管V4重新開通，電機控制系統(tǒng)轉為反接制動模式，電流重新從+28V電源輸入，經濾波電路、buck模塊的達林頓功率管V4和電感L2、電流檢測環(huán)節(jié)至電機繞組。電機制動運行時，同樣通過以FPGA為核心的控制器控制三相半橋功率放大器中的三個達林頓功率管(VI?V3)的導通順序，并保證電機導通相通過的電流與輸入的電流或力矩指令一致。由此實現(xiàn)了對電機在二、四象限工作時輸出力矩的控制。與電機工作在一、三象限時不同，電機工作在二、四象限時，導通相的反電勢與通過的電流的方向相反。
[0014]本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比的優(yōu)點在于:本發(fā)明的磁懸浮飛輪無刷直流電機控制系統(tǒng)由于只使用4個功率管，相對現(xiàn)有使用6個功率管的三相全橋電機控制系統(tǒng)和使用7個功率管的三相半橋電機控制系統(tǒng)，具有結構簡單、可靠性高的特點?！緦＠綀D】
【附圖說明】
[0015]圖1為現(xiàn)有使用三相全橋拓撲結構功率放大器的磁懸浮飛輪電機控制系統(tǒng)的結構框圖；
[0016]圖2為現(xiàn)有使用三相半橋拓撲結構功率放大器的磁懸浮飛輪電機控制系統(tǒng)的結構框圖；
[0017]圖3為本發(fā)明的硬件組成框圖；
[0018]圖4為本發(fā)明的以FPGA為核心的控制器組成框圖；
[0019]圖5為本發(fā)明的FPGA內部功能框圖；
[0020]圖6為磁懸浮飛輪正向轉動時轉子位置信號、反電勢的波形圖。
【具體實施方式】
[0021]如圖1所示，給出了現(xiàn)有使用三相全橋拓撲結構功率放大器的磁懸浮飛輪電機控制系統(tǒng)的結構框圖。DSP根據(jù)轉速參考、3路轉子位置信號、電流電流反饋信號、轉速信號，生成6路PWM，經三相橋驅動電路生成三相全橋功率放大器的6個功率管的驅動控制信號，控制功率管的開通與關斷，在電機繞組中生成相應的電流，從而輸出期望的控制力矩。
[0022]如圖2所示，給出了現(xiàn)有使用三相半橋拓撲結構功率放大器的磁懸浮飛輪電機控制系統(tǒng)的結構框圖。DSP根據(jù)轉速參考、3路轉子位置信號、電流電流反饋信號，生成7路PWM，經驅動電路生成三相半橋功率放大器的7個功率管的驅動控制信號，控制功率管的開通與關斷，在電機繞組中生成相應的電流，從而輸出期望的控制力矩。其中:PWM1?PWM3控制三相半橋主電路功率管的開通與關斷；PWM4控制Buck電路功率管的開通與關斷；PWM5控制能耗制動功率管的開通與關斷；PWM6和PWM7控制轉矩脈動抑制功率管的開通與關斷。
[0023]如圖3所示，本發(fā)明的硬件主要包括濾波電路、buck電路、電流檢測環(huán)節(jié)、三相永磁無刷直流電機、霍爾效應轉子位置傳感器、三相半橋功率放大電器和以FPGA為核心的控制器。當電機工作在一、三象限時，電流從+28V電源輸入，經濾波電路、buck模塊的達林頓功率管V4和電感L2、電流檢測環(huán)節(jié)至電機繞組。當電機工作在二、四象限時:當三相永磁無刷直流電機反電勢能夠維持三相半橋功率放大器中三個達林頓功率管(VI?V3)產生期望的制動電流時處于能耗制動狀態(tài)，此時buck模塊中的達林頓功率管V4關斷，電流經電機繞組、三相半橋功率放大器、buck模塊中的二極管Dl和電感L2形成能耗通道，磁懸浮飛輪轉子的能量主要消耗在三相半橋功率放大器中的三個達林頓功率管(VI?V3)上；隨著飛輪轉速降低，buck模塊中的達林頓功率管V4重新開通，轉為反接制動模式，電流重新從+28V電源輸入，經濾波電路、buck模塊的達林頓功率管V4和電感L2、電流檢測環(huán)節(jié)至電機繞組。以FPGA為核心的控制器根據(jù)外部輸入的電流參考值、3路磁懸浮飛輪轉子位置信號、電流檢測環(huán)節(jié)的電流反饋信號和三相半橋功率放大器輸出的三個電壓反饋信號，產生三相半橋功率放大器中三個達林頓功率管的控制信號Ubel?Ube3和buck電路中達林頓功率管V4的控制信號PWM_V4。
[0024]如圖4所示，以FPGA為核心的控制器由FPGA、電流信號模數(shù)轉換芯片、電壓信號模數(shù)轉換芯片、D/A模塊、電壓檢測環(huán)節(jié)和控制電壓分配環(huán)節(jié)組成。通過FPGA控制電流信號模數(shù)轉換芯片對電流反饋信號進行采樣，采樣值與外部輸入的電流參考值相減，差值作為電流環(huán)PID算法的輸入量，電流環(huán)PID算法的輸出量輸出給D/A模塊，D/A模塊的輸出信號Ube經過控制電壓分配環(huán)節(jié)生成控制信號Ubel~Ube3。反饋信號Um1~Um3經過電壓檢測環(huán)節(jié)后的信號Um輸入電壓信號模數(shù)轉換芯片進行采樣，采樣值與外部輸入的電壓參考值相減的差值作為電壓環(huán)PID算法的輸入量，電壓環(huán)PID算法的輸出量經PWM波形發(fā)生模塊生成控制信號PWM_V4。電壓檢測環(huán)節(jié)和控制電壓分配環(huán)節(jié)受FPGA內換向邏輯產生的換向控制信號S所控制。
[0025]控制電壓分配環(huán)節(jié)的功能如下:
[0026]
【權利要求】
1.一種磁懸浮飛輪無刷直流電機控制系統(tǒng)，其特征在于包括:濾波電路(l)、buck電路(2)、電流檢測環(huán)節(jié)(3)、三相永磁無刷直流電機(4)、霍爾效應轉子位置傳感器(5)、三相半橋功率放大器(6)和以FPGA為核心的控制器(7);其中: 濾波電路(I):輸出接buck電路(2)，用于消除+28V輸入上的高頻噪聲；buck電路(2):輸入與濾波電路(I)相接，輸出與電流檢測環(huán)節(jié)(3)相接；以FPGA為核心的控制器(7)輸出的控制信號控制達林頓功率管V4的導通與關斷，對濾波電路(I)的輸出電壓進行調制；buck電路(2)包括達林頓功率管V4、二極管Dl和電感L2 ;達林頓功率管V4的集電極與二極管Dl的陰極及電感L2的一端相接，電感L2的另一端與電容C3的陽極相接后與電流檢測環(huán)節(jié)(3)相接，電容C3的陰極與電容C4的陽極相接，電容C4的陰極與+28V電源地相接； 電流檢測環(huán)節(jié)(3):輸入與buck電路(2)相接，輸出與三相永磁無刷直流電機(4)相接，用于檢測通過三相永磁無刷直流電機(4)的繞組電流； 霍爾效應轉子位置傳感器(5):輸入與三相永磁無刷直流電機(4)相接，輸出與以FPGA為核心的控制器(7)相接，輸出為3路磁懸浮飛輪轉子位置信號； 三相半橋功率放大器(6):包括三個并聯(lián)的達林頓功率管Vl~V3 ;以FPGA為核心的控制器(7)的輸出控制達林頓功率管Vl~V3的開通與關斷，從而在三相永磁無刷直流電機(4)的繞組中生成期望的控制電流； 當三相永磁無刷直流電機(4)工作在一、三象限，即外部輸入的電流或力矩方向指令與磁懸浮飛輪的轉向一致，加速運行狀態(tài)時，電流從+28V電源輸入，經濾波電路、buck電路(2)的達林頓功率管V4和電感L2、電流檢測環(huán)節(jié)(3)至三相永磁無刷直流電機(4)的繞組，以FPGA為核心的控制器(7)通過控制三相半橋功率放大器(6)中的三個達林頓功率管Vl~V3的導通順序，并保證三相永磁無刷直流電機(4)導通相通過的電流與輸入的電流或力矩指令一致，從而實現(xiàn)了對三相永磁無刷直流電機(4)在一、三象限工作時輸出力矩的控制；當三相永磁無刷直流電機(4)工作在一、三象限時，導通相的反電勢與通過的電流的方向相同； 當三相永磁無刷直流電機(4)工作在二、四象限，即外部輸入的電流或力矩方向指令與磁懸浮飛輪的轉向相反，制動運行狀態(tài)時:當三相永磁無刷直流電機(4)反電勢能夠維持三相半橋功率放大器中三個達林頓功率管Vl~V3產生期望的制動電流時處于能耗制動狀態(tài)，此時buck電路(2)中的達林頓功率管V4關斷，電流經電流檢測環(huán)節(jié)(3)至三相永磁無刷直流電機(4)繞組、三相半橋功率放大器(6)、buck電路(2)中的二極管Dl和電感L2，電流檢測環(huán)節(jié)形成能耗通道，磁懸浮飛輪轉子的能量主要消耗在三相半橋功率放大器(6)中的三個達林頓功率管Vl~V3上；隨著磁懸浮飛輪轉速的降低，三相永磁無刷直流電機(4)反電勢不能維持三相半橋功率放大器中三個達林頓功率管Vl~V3產生期望的制動電流，buck電路(2)中的達林頓功率管V4重新開通，變?yōu)榉唇又苿幽Ｊ?，電流重新?28V電源輸入，經濾波電路(I )、buck電路(2)的達林頓功率管V4和電感L2、電流檢測環(huán)節(jié)(3)至三相永磁無刷直流電機(4)繞組；三相永磁無刷直流電機(4)制動運行時，同樣通過以FPGA為核心的控制器(7)控制三相半橋功率放大器(6)中的三個達林頓功率管Vl~V3的導通順序，并保證三相永磁無刷直流電機(4)導通相通過的電流與輸入的電流或力矩指令一致，由此實現(xiàn)了對三相永磁無刷直流電機(4)在二、四象限工作時輸出力矩的控制；與三相永磁無刷直流電機(4)工作在一、三象限時不同，三相永磁無刷直流電機(4)工作在二、四象限時，導通相的反電勢與通過的電流的方向相反。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種磁懸浮飛輪無刷直流電機控制系統(tǒng)，其特征在于:所述以FPGA為核心的控制器(7)包括FPGA、電流信號模數(shù)轉換芯片、電壓信號模數(shù)轉換芯片、D/A模塊、電壓檢測環(huán)節(jié)和控制電壓分配環(huán)節(jié)；電流檢測環(huán)節(jié)(3)輸出的電流反饋信號經過電流信號模數(shù)轉換芯片進行采樣，電流信號采樣值與外部輸入的電流參考值相減，差值作為FPGA中電流環(huán)PID算法的輸入量，電流環(huán)PID算法的輸出量輸出給D/A模塊，D/A模塊的輸出經過控制電壓分配環(huán)節(jié)生成三相半橋功率放大器(6)的控制信號，三相半橋功率放大器(6)輸出的電壓反饋信號經過電壓檢測環(huán)節(jié)后輸入給電壓信號模數(shù)轉換芯片，電壓信號模數(shù)轉換芯片的采樣值與外部輸入的電壓參考值相減，差值作為FPGA中電壓環(huán)PID算法的輸入量，電壓環(huán)PID算法的輸出量經FPGA的PWM波形發(fā)生模塊生成buck電路(2)的控制信號 PWM_V4。
3.根據(jù)權利要求1所述的一種磁懸浮飛輪無刷直流電機控制系統(tǒng)，其特征在于:所述buck電路(2)的調節(jié)對象為三相半橋功率放大器(6)中與三相永磁無刷直流電機(4)導通相連接的達林頓功率管V4的集電極-發(fā)射極電壓。
4.根據(jù)權利要求1所述的一種磁懸浮飛輪無刷直流電機控制系統(tǒng)，其特征在于:當所述能耗制動狀態(tài)時，buck電路(2)的達林頓功率管V4處于關斷狀態(tài)，電流經buck電路(2)的二極管Dl和電感L2、電流檢測環(huán)節(jié)(3)、三相永磁無刷直流電機(4)、三相半橋功率放大器(6)形成閉環(huán)回路；當所述反接制動模式時，電流由+28V電源輸入，經濾波電路(l)、buck電路(2)的達林頓功率管V4和電感L2、電流檢測環(huán)節(jié)(3)、三相永磁無刷直流電機(4)和三相半橋功率放大器(6)，返.回+28V電源地。
【文檔編號】H02P7/29GK103475285SQ201310415366
【公開日】2013年12月25日 申請日期:2013年9月12日 優(yōu)先權日:2013年9月12日
【發(fā)明者】劉虎, 劉剛, 湯繼強, 劉超 申請人:北京航空航天大學