專利名稱：一種集成化的高可靠磁懸浮儲能飛輪數(shù)字控制裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種集成化的高可靠磁懸浮儲能飛輪數(shù)字控制裝置，用于對磁懸浮儲 能飛輪系統(tǒng)進行主動控制，特別適用于低功耗、高可靠、高集成度等場合。
背景技術：
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，并具有很強的抗干擾性和很快響應速度等優(yōu)點，在國際上已逐步得到應用，并且將成為 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系統(tǒng)的電磁軸承與飛輪電機是采用兩套控制系統(tǒng)分別進行 控制，并且大都采用DSP芯片與FPGA相結合的控制方法。這種控制方式的優(yōu)點是兩套控制 系統(tǒng)分別進行電磁軸承與飛輪電機的控制，單獨的系統(tǒng)控制相對簡單，但存在的缺點是系 統(tǒng)的集成度低，采用兩套控制系統(tǒng)統(tǒng)、兩套轉速接口電路占用的體積大、功耗大、可靠性低， 磁懸浮儲能飛輪控制系統(tǒng)與控制計算機之間的信息傳輸復雜，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控制都需要轉子位置信號，因此要轉子位置信號分別傳 輸給電磁軸承控制系統(tǒng)與飛輪電機控制系統(tǒng)，這樣就造成信號傳輸、硬件電路復雜。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術解決問題是克服現(xiàn)有磁懸浮儲能飛輪控制系統(tǒng)中電磁軸承與飛輪 電機分別進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能飛輪數(shù)字控制裝置。本發(fā)明的技術解決方案是一種集成化的高可靠磁懸浮儲能飛輪數(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、電機功率模塊、傳感器電路、磁懸浮 儲能飛輪系統(tǒng)，其中接口電路包括位移傳感器接口電路、轉速信號接口電路、磁軸承電流傳 感器接口電路、電機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、 磁軸承脈沖保護驅動電路、磁軸承全橋式換能電路，電機功率模塊包括電機高速光電隔離 電路、電機脈沖保護驅動電路、電機半橋逆變電路；磁懸浮儲能飛輪系統(tǒng)包括磁軸承線圈、 磁軸承轉子，電機本體；傳感器電路包括電機電流傳感器、磁軸承電流傳感器、轉子位置傳 感器、轉子位移傳感器，傳感器電路分別獲取磁軸承轉子位移信號、飛輪轉速信號、磁軸承 線圈電流信號和電機繞組電流信號；接口電路接收傳感器電路檢測的磁軸承轉子位移信 號、飛輪轉速信號、磁軸承線圈電流信號和電機繞組電流信號將這些信號進行濾波與放縮 處理并將處理后的信號傳輸給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子 位移信號、飛輪轉速信號、磁軸承線圈電流信號和電機繞組電流信號分別進行電磁軸承的 主動控制，其中磁軸承線圈的電流、磁懸浮儲能飛輪系統(tǒng)轉子位置與磁軸承轉子位移信號， 用于實現(xiàn)對電磁軸承的主動控制，F(xiàn)PGA系統(tǒng)根據(jù)磁軸承線圈的電流、磁懸浮儲能飛輪系統(tǒng) 轉子位置與磁軸承轉子位移信號，通過控制算法生成轉子懸浮控制量并將其進行PWM調 制，再將調制完成的磁軸承PWM信號直接經(jīng)過磁軸承高速光電隔離電路、磁軸承脈沖驅動保護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)磁懸浮儲能飛輪電機繞組的電流、轉子位置信號，通過控制算法生成轉速控制量并 將其進行PWM調制，再將調制完成的電機PWM信號直接經(jīng)過電機高速光電隔離電路、電機脈 沖驅動保護電路傳送給電機半橋逆變電路生成所需的控制電流；FPGA系統(tǒng)根據(jù)轉子位置 傳感器檢測的飛輪轉子位置信號可分別進行飛輪轉速控制與轉子懸浮控制；控制系統(tǒng)中轉 子位置傳感器用于獲得磁懸浮儲能飛輪的轉速信號，轉子位移傳感器用于獲得磁懸浮儲能 飛輪轉子的懸浮位置信號。FPGA系統(tǒng)采用一片F(xiàn)PGA芯片作為處理器，完成磁軸承轉子5個自由度的控制與磁 懸浮儲能飛輪系統(tǒng)轉速控制，F(xiàn)PGA芯片可以是EP1C6Q/12Q240C8。FPGA系統(tǒng)上可有通訊接口，用于連接到控制計算機上，方便實現(xiàn)磁懸浮儲能飛輪 控制系統(tǒng)的在線調試，通過通訊接口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?算機并通過通訊接口將控制計算機的控制指令傳輸?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，并將磁懸浮儲能飛輪運行狀態(tài)參數(shù)上傳 至控制計算機，F(xiàn)PGA系統(tǒng)根據(jù)電磁軸承懸浮指令與反饋的轉子位移信號求解懸浮力，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)將磁懸浮儲能飛輪輸出轉速指令轉換 為電機繞組電流指令，并比較電機繞組電流指令與反饋繞組電流指令通過控制算法輸出電 機繞組電流控制量，電磁軸承線圈電流控制量與電機繞組電流控制量用于驅動控制系統(tǒng)功 放，令磁懸浮儲能飛輪轉子懸浮。在解算過程中FPGA系統(tǒng)根據(jù)飛輪當前轉速值實時 調整懸 浮控制參數(shù)，與電機電流控制參數(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F(xiàn)PGA芯片實現(xiàn)磁懸浮儲能飛輪的控制。進行磁 懸浮儲能飛輪電磁軸承的主動控制與磁懸浮儲能飛輪轉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，如飛輪電機繞組電流信號，磁軸承線圈電流信號與轉子位移信號 為模擬信號可通過FPGA控制AD芯片的轉換時序來實現(xiàn)，另外轉子位置信號為數(shù)字信號可 通過FPGA內(nèi)部定時器檢測位置信號時間來實現(xiàn)。本發(fā)明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，加法可通過帶進位位的加法實現(xiàn)，乘法可通過將數(shù) 值向左移位實現(xiàn)，除法可通過將數(shù)值向右移位實現(xiàn)。由此可見磁懸浮儲能飛輪的控制可以 在一片F(xiàn)PGA芯片上實現(xiàn)。本發(fā)明提供了磁懸浮儲能飛輪控制系統(tǒng)進行電磁軸承與飛輪電機控制的模擬量、 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)。一方 面，由位移傳感器輸出的五個自由度的位移信號和電流傳感器檢測的磁軸承線圈中的電流 信號通過AD芯片采樣與模擬開關控制分時送到FPGA系統(tǒng)輸入引腳，F(xiàn)PGA對分時采樣進來 的位移信號根據(jù)一定的數(shù)字控制算法進行運算處理；同時利用FPGA的脈沖寬度調制PWM生 成器對控制信號進行PWM調制，輸出磁軸承PWM調制信號以控制磁軸承功率開關器件，通過 接口提給電磁軸承線圈控制電流；另外一方面，由電機電流傳感器輸出的飛輪電機繞組電 流信號經(jīng)AD芯片采樣與模擬開關控制分時送到FPGA系統(tǒng)輸入引腳，F(xiàn)PGA對分時采樣進來 的位移信號根據(jù)一定的數(shù)字控制算法進行運算處理；同時利用FPGA的脈沖寬度調制方法 對控制信號進行PWM調制，輸出電機PWM調制信號以控制電機功率開關器件，通過接口提給飛輪電機繞組電流，從而控制磁懸浮儲能飛輪轉速。 本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比的優(yōu)點在于本發(fā)明利用了一種FPGA來構建磁懸浮儲能 飛輪數(shù)字控制器，與現(xiàn)有磁懸浮儲能飛輪控制系統(tǒng)相比具有以下特點(1)較現(xiàn)有的磁懸浮儲能飛輪控制系統(tǒng)采用電磁軸承與飛輪電機分離的數(shù)字控制 器，本發(fā)明具有集成數(shù)字控制器的優(yōu)點電路結構簡單、體積小、重量輕、功耗低、調試靈活 方便。(2)較現(xiàn)有的磁懸浮儲能飛輪控制系統(tǒng)采用電磁軸承與飛輪電機分離的數(shù)字控制 器，在硬件結構方面由于將電磁軸承的控制與電機控制集成到一片F(xiàn)PGA上因此節(jié)省了一 套控制電路與一套轉速信號接口電路，簡化了硬件設計，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)有的磁懸浮儲能飛輪控制系統(tǒng)采用電磁軸承與飛輪電機分離的數(shù)字控制 器，在軟件方面由于進行電磁軸承控制與電機控制都需要磁懸浮儲能飛輪的轉速信號與將 模擬信號轉換為數(shù)字信號的程序因此采用本發(fā)明的集成控制可以節(jié)省重復性的飛輪轉速 測定程序、AD采樣控制程序、模擬開關控制程序與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)有的磁懸浮儲能飛輪控制系統(tǒng)采用電磁軸承與飛輪電機分離的數(shù)字控制 器，在控制系統(tǒng)的通訊方面如控制計算機與電磁軸承控制系統(tǒng)，控制機算計與電機控制系 統(tǒng)，電機控制系統(tǒng)與電磁軸承控制系統(tǒng)的信息傳輸，本發(fā)明簡化了芯片與芯片、芯片與控制 計算機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便、提高了信息傳輸?shù)目煽啃浴?br>

圖1為本發(fā)明的結構組成框圖；圖2為本發(fā)明的電磁軸承控制原理框圖；圖3為本發(fā)明的飛輪電機控制原理框圖；圖4為本發(fā)明的FPGA系統(tǒng)電路框圖；圖5為本發(fā)明的飛輪轉子結構示意圖；圖6為本發(fā)明得FPGA系統(tǒng)的算法程序圖；圖7本發(fā)明的磁軸承控制算法程序圖；圖8本發(fā)明的電機控制算法程序圖；圖9為本發(fā)明的單個通道高速光電隔離電路、脈沖保護驅動電路和全橋式換能電 路的電路圖；圖10為本發(fā)明的單個通道的位移傳感器接口電路；圖11為本發(fā)明的單個通道的電流傳感器接口電路；圖12為本發(fā)明的轉速信號接口電路。
具體實施例方式如圖1所示，本發(fā)明包括接口電路1、FPGA系統(tǒng)3、磁軸承功率模塊7、電機功率模 塊12、傳感器電路16、磁懸浮儲能飛輪系統(tǒng)8，其中接口電路1包括位移傳感器接口電路24、轉速信號接口電路23、磁軸承電流傳感器接口電路22、電機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、磁軸承脈沖保護驅動電路5、磁軸承全橋 式換能電路6，電機功率模塊12包括電機高速光電隔離電路15、電機脈沖保護驅動電路14、 電機半橋逆變電路13，傳感器電路16包括電機電流傳感器20、磁軸承電流傳感器19、轉子 位置傳感器18、轉子位移傳感器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24、轉速信號接口電路23、磁軸承電流傳感器接口電 路22、電機電流傳感器接口電路21分別獲取磁軸承轉子位移信號、飛輪轉速信號、磁軸承 線圈電流信號和電機繞組電流信號等數(shù)據(jù)，通過一定控制算法生成磁軸承PWM與電機PWM 信號，磁軸承功率模塊7與電機功率模塊15分別接收磁軸承PWM與電機PWM信號從而控制 磁軸承線圈9的電流與電機本體11繞組電流，實現(xiàn)對電磁軸承的主動控制和磁懸浮儲能飛 輪系統(tǒng)轉速控制。本發(fā)明的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 算機上，磁懸浮儲能飛輪控制系統(tǒng)通過通訊接口 2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并通過通訊接口 2將控制計算機的控制指令傳輸?shù)斤w輪控制系統(tǒng)。如圖2所示，為本發(fā)明的電磁軸 承控制原理框圖，由控制計算機向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子位移信號的差別，通 過PID運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行 調制生成控制信號(PWM)以驅動磁軸承功率模塊，控制程序通過磁軸承線圈電流控制電磁 鐵的電磁力大小，從而控制轉子懸浮位置。如圖3所示，為本發(fā)明的電機控制原理框圖，由控制計算機向FPGA系統(tǒng)發(fā)送飛輪 輸出轉速指令，F(xiàn)PGA系統(tǒng)將轉速指令經(jīng)PID運算轉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運算輸出電機繞組電流控制量，將電機繞組電流控制量進行調 制生成電機繞組電流控制信號(PWM)以驅動電機功率模塊。 如圖4所示，為本發(fā)明的FPGA系統(tǒng)電路框圖，5路位移傳感器信號(四個徑向通道 AX、AY;BX，BY。一個軸向通道Ζ)以及電流傳感器信號經(jīng)過接口電路放大，電平偏移后與A/ D輸入范圍相匹配(-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 的采樣頻率而進行調節(jié))后送入FPGA系統(tǒng)3的A/D輸入端，轉子位置傳感器18給出的轉 速脈沖信號經(jīng)整形、隔離后送入FPGA系統(tǒng)3的轉速信號輸入端，可以用M/T法直接計算其 頻率，然后FPGA系統(tǒng)3按照數(shù)字控制的控制算法進行運算處理，產(chǎn)生5個自由度的控制量。 通過對FPGA系統(tǒng)3軟件編程可以產(chǎn)生獨立的3對(即六個輸出)磁軸承PWM信號，磁軸承 PWM信號直接經(jīng)過磁軸承高速光電隔離電路4、磁軸承脈沖驅動保護電路5傳送給磁軸承全 橋式換能電路6，以控制功率開關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，從而實現(xiàn)磁軸承的主動控制。另外一方面，飛輪電機的三相繞組電流(飛輪 電機采用無刷直流電機，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Im以及飛輪電機繞組端電壓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 率而進行調節(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)給定的飛輪轉速指令與 反饋的飛輪轉子位置、繞組電流按照PID算法進行運算處理產(chǎn)生6路飛輪電機控制PWM信 號，電機PWM直接經(jīng)過電機高速光電隔離電路15，電機脈沖驅動保護電路16傳送給電機半橋逆變電路13，以BUCK變換器組成的飛輪電機逆變電路，生成飛輪電機繞組所需的控制電 流，從而控制飛輪輸出給定轉速。如圖5所示，為本發(fā)明的飛輪轉子結構示意圖，飛輪轉子由兩個徑向磁軸承懸浮， 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軸方向的線圈構成徑向 AX, AY ；BX, BY四通道，另外轉子還有一個軸向通道Z。如圖6所示，為本發(fā)明的控制算法流程圖，F(xiàn)PGA系統(tǒng)通過通訊接口接收控制指令， 并將磁懸浮儲能飛輪運行狀態(tài)參數(shù)上傳至控制計算機，F(xiàn)PGA系統(tǒng)根據(jù)電磁軸承懸浮指令與 反饋的轉子位移信號求解懸浮力，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) 將磁懸浮儲能飛輪轉速指令經(jīng)PID運算轉換為電機繞組電流指令，并比較電機繞組電流指 令與反饋繞組電流指令通過控制算法輸出電機繞組電流控制量，電磁軸承線圈電流控制量 與電機繞組電流控制量用于驅動控制系統(tǒng)功放，令磁懸浮儲能飛輪轉子懸浮。在解算過程 中FPGA系統(tǒng)根據(jù)飛輪當前轉速值實時調整懸浮控制參數(shù)，與電機電流控制參數(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，為本發(fā)明的磁軸承控制算法程序圖，本發(fā)明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速相關的各種渦動模態(tài)振動，實現(xiàn)磁軸承 轉子的高速穩(wěn)定運轉。轉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兩個正交方向的轉子徑向位移信號；Sbx、Sby分別表示B端位移傳感器X、Y兩個 正交方向的轉子徑向位移信號；Sz表示軸向傳感器輸出的軸向位移信號。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；Ibx、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；Iz表示軸向電流傳感器輸出的軸向磁軸承線圈電流信號。P麗ax+、P麗ax-為FPGA輸出的A端X方向的控制量的一對P麗調制信號；PWMay+、 PWMay-為FPGA輸出的A端Y方向的控制量的一對P麗調制信號；PWMbx+、PWMbx-為FPGA 輸出的B端X方向的控制量的一對PWM調制信號；PWMby+、PWMby-為FPGA輸出的B端Y方 向的控制量的一對PWM調制信號；PWMz+、PWMz-為FPGA輸出的軸向控制量的一對PWM調制 信號。輸出的五個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運算結果，PIDSbx、PIDSay、PIDSby含義 類推。Kc為引入了轉速后的交叉反饋通道增益。為提高控制的電流響應速度將輸出的控制 量與電流反饋信號的偏差做PD運算，然后對該結果進行PWM調制并輸出調制波形。具體的 程序運算流程見圖5。如圖8所示，為本發(fā)明的電機控制算法流程圖，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繞組電流比較通過電流環(huán)PID運算生成電 機電流環(huán)控制量，從而控制繞組電流，進而控制飛輪輸出轉速(其中J為飛輪轉動慣量)。
如圖9所示，為本發(fā)明的磁軸承功率模塊單個通道高速光電隔離電路、脈沖保護 驅動電路和全橋式換能電路的電路圖，五個通道類似(四個徑向通道AX、AY ；BX, BY。一個 軸向通道Z)。高速光耦TLP2630實現(xiàn)了 FPGA輸出的PWM信號與強電脈沖的隔離。PWM信 號經(jīng)IR2110驅動功率管IRF3710。比較器LM339和TLP2630、4001、4025構成的電路可以防 止MOSFET電源側直通并能提供過電流保護?？梢酝ㄟ^調節(jié)電位器Wl和W2來設置電流門 限值。當磁軸承或電機繞組電流超過設定值或FPGA輸出的一個通道的一對PWM信號出現(xiàn) 全高時，4025都輸出低電平，從而防止直流測電源直通以及磁軸承線圈、電機繞組過電流。如圖10所示，為本發(fā)明的單個通道的位移傳感器接口電路，位移傳感器接口電路 對位移傳感器輸出的位移信號作差分，然后進行放大和電平偏移，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11所示，圖11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 檢測磁軸承線圈電流，電流傳感器接口電路對電流傳感器信號進行放大和電平偏移，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12所示，圖12為本發(fā)明的轉速信號接口電路。轉子位置(霍爾位置)傳感 器檢測轉子轉速，并產(chǎn)生轉速脈沖信號。轉速傳感器接口電路用高速光耦6W37將轉速脈 沖信號進行隔離，并將其幅值調整為0-3. 3V，用74HC14進行脈沖整形后FPGA，通過測量脈 沖周期實現(xiàn)轉子轉速的測量。本發(fā)明可以作為一種通用的磁懸浮儲能飛輪系統(tǒng)硬件平臺，提供了足夠的硬件資 源。應用者可以根據(jù)其特殊的應用 領域通過修改軟件來靈活方便地實現(xiàn)其功能。
權利要求
1.一種集成化的高可靠磁懸浮儲能飛輪數(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)、電機功率模塊(12)、傳感器電路 (16)、磁懸浮儲能飛輪系統(tǒng)(8)，其中接口電路(1)包括位移傳感器接口電路(M)、轉速信 號接口電路(23)、磁軸承電流傳感器接口電路02)、電機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)、磁軸承脈沖保護驅動電路(5)、磁軸承 全橋式換能電路(6)，電機功率模塊(12)包括電機高速光電隔離電路(15)、電機脈沖保護 驅動電路(14)、電機半橋逆變電路(1 ；磁懸浮儲能飛輪系統(tǒng)(8)包括磁軸承線圈(9)、磁 軸承轉子(10)，電機本體(11)；傳感器電路(16)包括電機電流傳感器(20)、磁軸承電流傳 感器(19)、轉子位置傳感器(18)、轉子位移傳感器(17)，傳感器電路(16)分別獲取磁軸承 轉子位移信號、飛輪轉速信號、磁軸承線圈電流信號和電機繞組電流信號；接口電路(1)接 收傳感器電路(16)檢測的磁軸承轉子位移信號、飛輪轉速信號、磁軸承線圈電流信號和電 機繞組電流信號將這些信號進行濾波與放縮處理并將處理后的信號傳輸給FPGA系統(tǒng)(3)， FPGA系統(tǒng)C3)接收經(jīng)接口電路(1)處理后的磁軸承轉子位移信號、飛輪轉速信號、磁軸承線 圈電流信號和電機繞組電流信號分別進行電磁軸承的主動控制與磁懸浮儲能飛輪轉速控 制，其中磁軸承線圈(9)的電流、磁懸浮儲能飛輪系統(tǒng)(8)轉子位置與磁軸承轉子(10)位 移信號，用于實現(xiàn)對電磁軸承的主動控制，F(xiàn)PGA系統(tǒng)(3)根據(jù)磁軸承線圈(9)的電流、磁懸 浮儲能飛輪系統(tǒng)(8)轉子位置與磁軸承轉子(10)位移信號，通過控制算法生成轉子懸浮控 制量并將其進行PWM調制，再將調制完成的磁軸承PWM信號直接經(jīng)過磁軸承高速光電隔離 電路G)、磁軸承脈沖驅動保護電路( 傳送給磁軸承全橋式換能電路(6)，生成磁軸承線 圈(9)所需的控制電流；另外，F(xiàn)PGA系統(tǒng)(3)根據(jù)磁懸浮儲能飛輪電機繞組的電流、轉子位 置信號，通過控制算法生成轉速控制量并將其進行PWM調制，再將調制完成的電機PWM信號 直接經(jīng)過電機高速光電隔離電路(15)、電機脈沖驅動保護電路(14)傳送給電機半橋逆變 電路(13)生成所需的控制電流；FPGA系統(tǒng)(3)根據(jù)轉子位置傳感器(18)檢測的飛輪轉子 位置信號可分別進行電機控制；控制系統(tǒng)中轉子位置傳感器(1 用于獲得磁懸浮儲能飛 輪的轉速信號，轉子位移傳感器(17)用于獲得磁懸浮儲能飛輪轉子的懸浮位置信號。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種集成化的高可靠磁懸浮儲能飛輪數(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，完成磁軸承轉子(10) 5個自由 度的控制與磁懸浮儲能飛輪系統(tǒng)(8)轉速控制，F(xiàn)PGA芯片可以是EP1C6Q/12QM0C8。
3.根據(jù)權利要求1所述的所述的一種集成化的高可靠磁懸浮儲能飛輪數(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)，用于連接到控制計算機上，方便實現(xiàn) 磁懸浮儲能飛輪控制系統(tǒng)的在線調試，通過通訊接口( 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并通過通訊接口( 將控制計算機的控制指令傳輸?shù)斤w輪控制 系統(tǒng)。
4.根據(jù)權利要求1所述的所述的一種集成化的高可靠磁懸浮儲能飛輪數(shù)字控制裝置， 其特征在于控制系統(tǒng)的算法流程為首先由控制計算機發(fā)出控制指令，F(xiàn)PGA系統(tǒng)C3)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，F(xiàn)PGA 系統(tǒng)C3)根據(jù)電磁軸承懸浮指令與反饋的轉子位移信號求解懸浮力，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)C3)將磁懸浮儲能飛輪轉速指令轉換為電機繞組電流指令，并比較電機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繞組電流控制 量，電磁軸承線圈電流控制量與電機繞組電流控制量用于驅動控制系統(tǒng)功放，令磁懸浮儲 能飛輪轉子懸浮。在解算過程中FPGA系統(tǒng)C3)根據(jù)飛輪當前轉速值實時調整懸浮控制參 數(shù)，與電機電流控制參數(shù)。
5.根據(jù)權利要求1所述的所述的一種集成化的高可靠磁懸浮儲能飛輪數(shù)字控制裝置， 其特征在于所述的控制算法為PID控制算法或模糊控制算法。
全文摘要
一種集成化的高可靠磁懸浮儲能飛輪數(shù)字控制裝置是一種能對磁懸浮儲能飛輪系統(tǒng)電機與電磁軸承進行控制的裝置，包括接口電路、FPGA系統(tǒng)、磁軸承控制功率模塊、電機控制功率模塊、磁懸浮儲能飛輪系統(tǒng)、傳感器電路，F(xiàn)PGA系統(tǒng)通過接口電路獲取磁軸承轉子位移信號、轉速信號、磁軸承線圈電流、電機繞組電流等數(shù)據(jù)。一方面FPGA系統(tǒng)根據(jù)磁軸承轉子位移信號、磁軸承線圈電流、轉速信號，對電磁軸承的主動控制；另一方面FPGA系統(tǒng)根據(jù)轉速指令、電機繞組電流、轉速信號，對飛輪轉速進行控制。實現(xiàn)了磁軸承數(shù)字控制器與電機數(shù)字控制器的集成化設計，提高了磁懸浮儲能飛輪系統(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H02N15/00GK102097981SQ20101061087
公開日2011年6月15日 申請日期2010年12月29日 優(yōu)先權日2010年12月29日
發(fā)明者蔣濤 申請人:北京奇峰聚能科技有限公司