專利名稱：一種磁懸浮儲能飛輪拖動電機(jī)一體化數(shù)字控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種集成化、高可靠磁懸浮儲能飛輪拖動電機(jī)用數(shù)字控制裝置，用于對磁懸浮儲能飛輪的拖動電機(jī)進(jìn)行主動控制，特別適用于高精度、高可靠、高集成度等場
I=I O
背景技術(shù)：
磁懸浮儲能飛輪是一種新一代的物理儲能裝置，具有大功率、高儲能密度，綠色環(huán)保，并具有很強(qiáng)的抗干擾性和快速響應(yīng)等優(yōu)點，在國際上已逐步得到應(yīng)用，并且必將成為我國新一代大規(guī)模儲能裝置的首選儲能方式。目前磁懸浮儲能飛輪拖動電機(jī)的控制方法大都采用核心處理器和外圍芯片搭配的控制方案。這種控制方案的優(yōu)點是控制層次分明，核心處理器主要用來跑算法而外圍處理器主要用來處理傳感器信號的各種接口和負(fù)責(zé)控制PWM脈沖的產(chǎn)生。這樣核心處理器和外圍芯片在一定程度上可以靈活搭配，具有非常寬泛的選擇。但是這種方案的缺點就是整個硬件控制系統(tǒng)的集成度不高，所占用的控制板面積大，從而造成了設(shè)計的復(fù)雜化和功耗的上升。還有就是核心處理器為了控制外圍器件進(jìn)行工作，需要和外圍芯片進(jìn)行頻繁通信， 造成了穩(wěn)定性的下降。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的技術(shù)解決問題是主要用來解決磁懸浮儲能飛輪用拖動電機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)中核心處理器和外圍芯片分立帶來的系統(tǒng)集成度不高、硬件控制電路復(fù)雜、控制板體積大和控制系統(tǒng)功耗高的問題，提供一種硬件設(shè)計簡潔、集成度和穩(wěn)定性高的磁懸浮儲能飛輪拖動電機(jī)用數(shù)字控制裝置。本發(fā)明的技術(shù)解決方案是一種集成化、高可靠磁懸浮儲能拖動電機(jī)用數(shù)字控制伺服裝置，包括接口電路、通訊接口、DSP系統(tǒng)、電機(jī)功率模塊、傳感器電路、磁懸浮儲能飛輪拖動電機(jī)本體。其中接口電路包括拖動電機(jī)速度信號接口電路、電機(jī)繞組電流信號接口電路；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)動電路、電機(jī)三相H橋逆變電路；磁懸浮儲能飛輪拖動電機(jī)本體包括電機(jī)定子繞組、電機(jī)轉(zhuǎn)子；傳感器電路包括電機(jī)繞組電流傳感器、轉(zhuǎn)子位置傳感器。傳感器電路分別獲取飛輪轉(zhuǎn)子位置信號、電機(jī)繞組電流信號；接口電路接收傳感器電路檢測到的飛輪轉(zhuǎn)速信號、電機(jī)繞組電流信號，對這些信號進(jìn)行濾波與放縮處理后將處理過的信號傳輸給DSP系統(tǒng)，DSP系統(tǒng)接收經(jīng)接口電路處理后的電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速信號、電機(jī)繞組電流信號對拖動電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)速的主動控制。DSP系統(tǒng)根據(jù)磁懸浮儲能飛輪拖動電機(jī)繞組的電流、轉(zhuǎn)子位置信號，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信號直接經(jīng)過電機(jī)高速光電隔離電路、電機(jī)脈沖驅(qū)動保護(hù)電路傳送給電機(jī)三相H橋逆變電路生成所需的控制電流。DSP系統(tǒng)根據(jù)轉(zhuǎn)子位置傳感器檢測的飛輪轉(zhuǎn)子位置信號進(jìn)行飛輪轉(zhuǎn)速控制。控制系統(tǒng)中轉(zhuǎn)子位置傳感器用于獲得磁懸浮儲能飛輪轉(zhuǎn)子即電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速信號。DSP系統(tǒng)采用一片DSP芯片作為處理器，完成磁懸浮儲能飛輪拖動電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制，DSP 控制芯片可以是 TMS320F283;35 或 TMS320M8346。[0009]DSP系統(tǒng)上有通訊接口，用于連接到上位控制計算機(jī)上，方便實現(xiàn)磁懸浮儲能飛輪拖動電機(jī)用數(shù)字控制系統(tǒng)的在線調(diào)試。通過通訊接口磁懸浮儲能飛輪拖動電機(jī)的運行狀態(tài)信息可以上傳到控制計算機(jī)，并可以通過通訊接口將控制計算機(jī)的控制指令下傳到電機(jī)數(shù)字伺服控制系統(tǒng)。DSP系統(tǒng)通過通訊接口接收控制指令，并將磁懸浮儲能飛輪運行狀態(tài)參數(shù)上傳至控制計算機(jī)。DSP系統(tǒng)將磁懸浮儲能飛輪接收到的控制計算機(jī)傳過來的轉(zhuǎn)速指令轉(zhuǎn)換為電機(jī)繞組電流指令，并比較電機(jī)繞組指令電流與傳感器反饋過來的電機(jī)繞組電流，通過控制算法輸出電機(jī)繞組電流控制量。磁懸浮儲能飛輪拖動電機(jī)繞組電流控制量用于驅(qū)動控制系統(tǒng)功放，令拖動電機(jī)按預(yù)設(shè)的指令速度旋轉(zhuǎn)。在解算過程中DSP系統(tǒng)根據(jù)飛輪當(dāng)前轉(zhuǎn)速值實時調(diào)整電機(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。本發(fā)明的原理是本發(fā)明采用一片DSP芯片實現(xiàn)磁懸浮儲能飛輪拖動電機(jī)的速度控制。磁懸浮儲能飛輪拖動電機(jī)轉(zhuǎn)速控制中主要部分為飛輪電機(jī)控制系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)的采集與控制算法的實現(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)繞組電流信號可通過DSP芯片自帶的AD轉(zhuǎn)換器來實現(xiàn)，另外轉(zhuǎn)子位置信號為數(shù)字信號可通過DSP芯片自帶的捕捉模塊來實現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信號的檢測。本發(fā)明采用的控制算法為轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)的PID。由此可見磁懸浮儲能飛輪拖動電機(jī)的控制完全可以在一片DSP芯片上實現(xiàn)。本發(fā)明提供了磁懸浮儲能飛輪拖動電機(jī)用數(shù)字控制系統(tǒng)進(jìn)行飛輪電機(jī)控制的模擬量、數(shù)字量和脈沖信號的輸入接口，提供了經(jīng)功率放大的電流輸出接口與信號檢測環(huán)節(jié)。 由飛輪拖動電機(jī)電流傳感器輸出的飛輪電機(jī)繞組電流信號經(jīng)DSP自帶的AD轉(zhuǎn)換模塊直接轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，DSP對輸入進(jìn)來的轉(zhuǎn)子位置信號根據(jù)一定的數(shù)字控制算法進(jìn)行運算處理解算出速度信號；同時利用DSP自帶的EPWM模塊對控制信號直接進(jìn)行PWM調(diào)制，輸出電機(jī)PWM 調(diào)制信號以控制電機(jī)功率開關(guān)器件，對飛輪電機(jī)繞組電流進(jìn)行控制，從而控制磁懸浮儲能飛輪轉(zhuǎn)速。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點在于本發(fā)明利用了一片DSP芯片來構(gòu)建磁懸浮儲能飛輪拖動電機(jī)用數(shù)字控制器，與現(xiàn)有磁懸浮儲能飛輪電機(jī)控制系統(tǒng)相比具有以下特點(1)較現(xiàn)有的磁懸浮儲能飛輪拖動電機(jī)控制系統(tǒng)采用核心處理器搭配外圍芯片的數(shù)字控制器，本發(fā)明具有集成數(shù)字控制器的優(yōu)點硬件電路結(jié)構(gòu)簡單、體積小、功耗低、穩(wěn)定性高。(2)較現(xiàn)有的磁懸浮儲能飛輪拖動電機(jī)控制系統(tǒng)采用核心處理器搭配外圍芯片的數(shù)字控制器，將核心處理器搭配外圍控制芯片的設(shè)計方案用一片具有偏上系統(tǒng)功能的高速DSP芯片取代。從而節(jié)省了處理器與外圍芯片的接口電路設(shè)計，降低了功耗，提高了系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性。(3)較現(xiàn)有的磁懸浮儲能飛輪拖動電機(jī)控制系統(tǒng)采用核心處理器搭配外圍芯片的數(shù)字控制器，由于具有片上系統(tǒng)功能的DSP芯片包含了以往電機(jī)控制系統(tǒng)外圍芯片的所有功能，該控制系統(tǒng)省掉了核心處理器和外圍芯片頻繁的通信操作，并將這種操作轉(zhuǎn)化為了 DSP內(nèi)部對寄存器的操作。從而使得處理器對外圍模塊的控制更為簡單，節(jié)省了代碼量。

[0017]圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)組成框圖；圖2為本發(fā)明的飛輪電機(jī)控制原理框圖；圖3為本發(fā)明的DSP系統(tǒng)電路框圖；圖4為本發(fā)明的DSP系統(tǒng)的算法程序圖；圖5本發(fā)明的電機(jī)控制算法程序圖；圖6為本發(fā)明的單個通道的電流傳感器接口電路；圖7為本發(fā)明的轉(zhuǎn)速信號接口電路。
具體實施方式
如圖1所示，本發(fā)明包括接口電路5、DSP系統(tǒng)1、電機(jī)功率模塊2、傳感器電路4、磁懸浮儲能飛輪拖動電機(jī)系統(tǒng)3。其中接口電路5包括轉(zhuǎn)速信號接口電路12、電機(jī)繞組電流傳感器接口電路11 ；電機(jī)功率模塊2包括電機(jī)高速光電隔離電路6、電機(jī)脈沖驅(qū)動電路7、 電機(jī)全橋逆變電路8 ；傳感器電路4包括電機(jī)繞組電流傳感器9、轉(zhuǎn)子位置傳感器10。傳感器電路4通過接口電路5連接到DSP系統(tǒng)1，DSP系統(tǒng)1通過轉(zhuǎn)速信號接口電路12、電機(jī)電流傳感器接口電路11分別獲取飛輪轉(zhuǎn)速信號和電機(jī)繞組電流信號等數(shù)據(jù)，通過一定控制算法生成電機(jī)PWM信號。電機(jī)功率模塊2接收電機(jī)PWM控制脈沖信號從而控制電機(jī)繞組電流，實現(xiàn)對磁懸浮儲能飛輪系統(tǒng)拖動電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制。本發(fā)明的DSP系統(tǒng)1上接有通訊接口 13，所述通訊接口 13連接到控制計算機(jī)上，磁懸浮儲能飛輪拖動電機(jī)控制系統(tǒng)通過通訊接口 13將磁懸浮儲能飛輪系統(tǒng)的運行狀態(tài)信息傳輸?shù)娇刂朴嬎銠C(jī)并通過通訊接口 13將控制計算機(jī)的控制指令傳輸?shù)斤w輪控制系統(tǒng)。如圖2所示，為本發(fā)明的磁懸浮儲能飛輪用拖動電機(jī)控制原理框圖，由控制計算機(jī)向DSP系統(tǒng)發(fā)送飛輪輸出轉(zhuǎn)速指令，DSP系統(tǒng)將轉(zhuǎn)速指令經(jīng)PID運算轉(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(PWM)以驅(qū)動電機(jī)功率模塊。如圖3所示，為本發(fā)明的DSP系統(tǒng)電路框圖。電流傳感器信號經(jīng)過接口電路放大， 電平偏移后與A/D輸入范圍相匹配(0V 3. 3V)，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DSP系統(tǒng)1的A/D轉(zhuǎn)換模塊；轉(zhuǎn)子位置傳感器10給出的轉(zhuǎn)速脈沖信號經(jīng)整形、隔離后送入DSP系統(tǒng)1的轉(zhuǎn)速信號輸入端，可以用M/ T法直接計算其頻率，然后DSP系統(tǒng)1按照數(shù)字控制的控制算法進(jìn)行運算處理。飛輪電機(jī)的三相繞組電流(飛輪電機(jī)采用無刷直流電機(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(0V 3. 3V)，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DSP系統(tǒng)1的A/D模塊，DSP系統(tǒng)1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)行運算處理產(chǎn)生6路飛輪電機(jī)控制PWM信號，電機(jī)PWM直接經(jīng)過電機(jī)高速光電隔離電路6，電機(jī)脈沖驅(qū)動保護(hù)電路 7傳送給電機(jī)橋式逆變電路8，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4所示，為本發(fā)明的控制算法流程圖，DSP系統(tǒng)通過通訊接口接收控制指令， 并將磁懸浮儲能飛輪運行狀態(tài)參數(shù)上傳至控制計算機(jī)。另外DSP系統(tǒng)將磁懸浮儲能飛輪轉(zhuǎn)速指令經(jīng)PID運算轉(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。電機(jī)繞組電流控制量用于驅(qū)動控制系統(tǒng)功放， 令磁懸浮儲能飛輪拖動電機(jī)旋轉(zhuǎn)。解算過程中DSP系統(tǒng)根據(jù)飛輪當(dāng)前轉(zhuǎn)速值實時調(diào)整電機(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5所示，為本發(fā)明的電機(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運算生成電機(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)動慣量)。如圖6所示，為本發(fā)明的單個通道的電流傳感器接口電路，電流傳感器實時檢測電機(jī)繞組線圈電流，電流傳感器接口電路對電流傳感器信號進(jìn)行放大和電平偏移，與A/D 輸入量程相匹配(OV-3. 3V)，再經(jīng)過一級二階低通濾波器，濾除高頻噪聲信號防止產(chǎn)生頻譜混疊。如圖7所示，為本發(fā)明的轉(zhuǎn)速信號接口電路。轉(zhuǎn)子位置(霍爾位置)傳感器檢測轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，并產(chǎn)生轉(zhuǎn)速脈沖信號。轉(zhuǎn)速傳感器接口電路用高速光耦6W37將轉(zhuǎn)速脈沖信號進(jìn)行隔離，并將其幅值調(diào)整為0-3. 3V，用74HC14進(jìn)行脈沖整形后送給DSP，通過測量脈沖周期實現(xiàn)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的測量。本發(fā)明可以作為一種通用的磁懸浮儲能飛輪拖動電機(jī)控制系統(tǒng)硬件平臺，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現(xiàn)其功能。
權(quán)利要求1.一種磁懸浮儲能飛輪拖動電機(jī)一體化數(shù)字控制系統(tǒng)，包括接口電路(5)、通訊接口 (13)、DSP系統(tǒng)(1)、電機(jī)功率模塊O)、傳感器電路G)、磁懸浮儲能飛輪拖動電機(jī)本體(3) 和用于對DSP進(jìn)行控制的上位機(jī)(14)，其特征在于接口電路( 包括轉(zhuǎn)速信號接口電路 (12)和電機(jī)電流傳感器接口電路(11)，電機(jī)功率模塊⑵包括高速光電隔離電路(6)、控制脈沖驅(qū)動電路(7)和三相H橋逆變電路(8)；磁懸浮儲能飛輪拖動電機(jī)系統(tǒng)包括定子線圈、 電機(jī)轉(zhuǎn)子；傳感器電路(4)包括電機(jī)電流傳感器(9)和轉(zhuǎn)子位置傳感器(10)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種磁懸浮儲能飛輪拖動電機(jī)一體化數(shù)字控制系統(tǒng)，其特征在于所述的DSP系統(tǒng)(1)采用一片DSP芯片作為處理器，DSP芯片為TMS320F28335或 TMS320F28346。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種磁懸浮儲能飛輪拖動電機(jī)一體化數(shù)字控制系統(tǒng)，其特征在于所述的DSP系統(tǒng)(1)上有通訊接口(13)。
專利摘要磁懸浮儲能飛輪拖動電機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)，是一種能夠用來對磁懸浮儲能飛輪的驅(qū)動電機(jī)進(jìn)行控制的裝置，主要包括接口電路、DSP控制中樞、電機(jī)驅(qū)動功率放大模塊、磁懸浮儲能飛輪拖動電機(jī)本體、傳感器電路。DSP控制器通過傳感器接口電路獲取拖動電機(jī)轉(zhuǎn)速信號、電機(jī)繞組電流等數(shù)據(jù)。控制系統(tǒng)根據(jù)傳感器接收到的電機(jī)轉(zhuǎn)子位置、速度信號，以及根據(jù)拖動電機(jī)繞組線圈電流信號，對電機(jī)的運行狀態(tài)進(jìn)行調(diào)節(jié)。本實用新型實現(xiàn)了磁懸浮儲能飛輪系統(tǒng)拖動電機(jī)數(shù)字控制器的集成化設(shè)計，使得磁懸浮儲能飛輪拖動電機(jī)的控制器的穩(wěn)定性和集成度大大提高，僅僅用一片片上系統(tǒng)級的DSP芯片就完成了飛輪電機(jī)拖動的高精度控制。
文檔編號H02P6/16GK202034932SQ20102063509
公開日2011年11月9日 申請日期2010年12月1日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月1日
發(fā)明者蔣濤 申請人:北京奇峰聚能科技有限公司