专利名称：一种集成化高温超导磁悬浮储能飞轮磁轴承数字控制系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种集成化高温超导磁悬浮储能飞轮磁轴承数字控制系统，用于对超导磁悬浮 储能飞轮磁轴承系统的高精度控制，特别适用于对运算速度和通信速度要求较高的场合，该数 字控制系统同样适用于其它采用较复杂先进控制算法，或对运算能力要求较高的系统。
背景技术：
飞轮作为重要的新型机械式储能方式，它将能量或者是动能存储在高速旋转的飞轮转子中， 实现电能到机械能再到电能的转换。高温超导磁悬浮储能飞轮系统具有无能耗、本质自稳定的 特性，成为国际上储能飞轮的重要发展趋势。它由高速转子、支撑转子的轴承、高速发电/电动 互逆式电机以及控制系统组成。储能密度是储能飞轮重要的技术指标，提高转速是实现高储能 密度的最有效手段，因此高温超导磁悬浮储能飞轮的高转速成为其主要特点，同时由于不平衡 力与转速的平方成正比，所以随着转速的提高，所需克服不平衡力的控制力越来越大，而且由 于转速高，系统对参数变化敏感，需要更先进的控制算法才能保证高精度控制。随着现代控制 理论的不断发展，为高温超导磁悬浮储能飞轮磁轴承系统的高精度控制提供了一条重要途径， 在航空等对精度要求很高的场合，高精度、高性能的控制系统有其无可比拟的优势，同时先进 的控制算法对数字控制系统提出了更高的要求，因此实时在线处理，解决处理速度问题成为高 温超导磁悬浮储能飞轮控制的关键问题之一，且高精度控制系统是必须突破的关键技术。
现有的磁轴承数字控制系统主要有两类，以Ti的C2000或C3000系列DSP为核心的磁轴 承数字控制系统以及TMS320VC33浮点DSP+FPGA磁轴承数字控制系统，前者比较普遍，它 具有集成度高、功耗小等优点，但因其计算能力有限不能很好满足运算速度的要求，后者使得 DSP主要用于运算，FPGA作为功率模块的控制器，充分发挥了每个模块的优点，数据处理能 力显著提高，然而，首先TMS320VC33相比TMS320C67xx的运算速度有限，而且它的结构方
式限制了通信速度，成为处理速度的瓶颈；其次由于无串行通信模块，无法实现参数在线调节， 这样每次参数改变时都要中断程序运行，影响系统的稳定性和飞轮转子的寿命；再者，目前磁 轴承控制算法大多基于PID，虽然PID控制方法简单但无法满足高温超导磁悬浮飞轮磁轴承系 统高精度控制的要求。此外，其一磁轴承系统存在很多不确定因素、外界干扰和对参数变化敏 感，需要控制算法具有较强的鲁棒性，其二大多数控制算法基于连续系统，而在实际磁轴承控 制中，计算机实时控制均为离散系统，这样无法满足计算机实时控制的要求，所以有必要设计
高性能的离散鲁棒控制器用于实现高温超导磁悬浮储能飞轮磁轴承系统的高精度控制，而其实 现依赖于高性能的数字控制系统。综上所述，由于现有的数字控制系统存在计算能力、数据处 理能力和通信速度无法满足超导磁悬浮飞轮磁轴承系统计算复杂度和高精度的要求的缺陷，所 以有必要设计高精度、高性能、集成化高温超导磁悬浮储能飞轮磁轴承数字控制系统。
发明内容
本发明的技^^解决问题克服其他磁轴承数字控制系统无法高精度控制高温超导磁悬浮储 能飞轮磁轴承系统的缺点，提供一种集成化高温超导磁悬浮储能飞轮磁轴承数字控制系统，实 现其实时、在线及高精度控制。
本发明的技术解决方案 一种集成化高温超导磁悬浮储能飞轮磁轴承数字控制系统，包括
DSP模块与FPGA模块、外部存储器SDRAM10和Flash相连，通过HPI (Host Port Interface, 主机接口)接口实现与FPGA模块高速实时通信，DSP模块接收来自FPGA模块的位移信号、 电流信号和转速计数值进行转速计算以及控制算法处理，计算得到控制量，计算过程中与外部 存储器SDRAM10和Flash9进行高速通信，而且通过HPI接口从FPGA中读取改变的参数值， 实现参数实时在线修改；
FPGA模块与DSP模块、串行通信模块和信号调理模块相连，用于对信号调理模块中转 速计数以及对位移和电流信号进行采样，通过HPI接口向DSP模块发中断读取转速计数值和采 样值，并根据DSP模块给定的控制量进行PWM调制；同时将串行通信模块发送的调节参数经 串并转换后传输至DSP模块，实现参数实时在线调节；
串行通信模块与上位机实现控制系统调试的可视化，与FPGA模块的实时在线通信，从 而达到磁轴承刚度、阻尼等控制参数的在线调节与实时显示；
信号调理模块与FPGA模块相连，其中位移传感器接口电路和电流传感器接口电路用于 将由电流传感器输入的电流信号和位移传感器输入的位移信号转换成0~5V的电压信号，控制模 拟开关和模数转换芯片对由电流传感器输入的电流信号和位移传感器输入的位移信号进行采 样，得到0 5V数字化的电流信号和位移信号，滤波后传给FPGA模块，Hall传感器将0 5V的 飞轮转速信号转换为0~3.3V的飞轮转速信号输出给FPGA模块。
本发明的原理FPGA模块对磁轴承线圈的电流信号和转子的位移信号进行采样，通过HPI 接口向DSP发出中断，DSP模块从FPGA模块中读取磁轴承转子的位移量科电流信号，结合由 转速计算模块得到的转速值，通过控制算法处理模块执行先进控制算法得到控制量，并将控制 量传给FPGA进行PWM调制，然后传给功放，最终得到磁轴承线圈中所需的控制电流，实现 高温超导磁悬浮储能飞轮磁轴承系统的实时、高精度控制，其中先进控制算法可采用具有较强 鲁棒性的离散模糊自适应滑模控制方法。如图1所示，整个闭环系统由离散息适应模糊滑模控制器、功放电路、控制对象(磁轴承线圈和转子系统)、位移传感器和非线性微分跟踪器等组成, 其工作原理为离散模糊自适应滑模控制器得到的控制量通过功放电路得到控制电流，以此控 制磁轴承——转子对象，通过位移传感器得到位移信号Z作为非线性微分跟踪器输入，利用微 分跟踪器能有效的从不连续或带随机噪声的量测信号合理地提取连续信号及微分信号得到跟踪 位移输出和跟踪微分，采用非线性微分跟踪器的输出Z代替状态X反馈给控制器，从而实现整 个闭环系统的全状态反馈。而且通过串行通信模块实现了串行通信的软硬件设计，极大方便了 控制系统调试。
本发明的优点在于-
(1) 相比现有的磁轴承数字控制系统，本发明针对高温超导磁悬浮储能飞轮磁轴承系统开 发，由于整个系统结构方式的改变及DSP数据处理能力和通信速度的显著提高，所以更适合高 转速、参数敏感的高温超导磁悬浮储能飞轮磁轴承系统的高精度控制。而且实现了控制系统的 数字化和集成化，极大地增加了控制器的运算能力和通信速度，特别适用于高温超导磁悬浮储 能飞轮磁轴承系统等对运算能力有严格要求的领域；
(2) 相比以DSP为核心的磁轴承数字控制系统，本发明主处理器DSP用乎控制算法和转 速计算，协处理器FPGA用于PWM调制、转速计数、模数转换。这种设计使得DSP主要用于 运算，FPGA作为功放的控制器，充分发挥了每个模块的优点，数据处理能力显著提高，能够满 足复杂控制算法的实时性要求，使得系统的性能有了很大提高；
(3) 相比现有的DSP+FPGA磁轴承数字控制系统，本发明采用高性能的TMS320C6713浮 点DSP，满足高运算速度和实时性要求，通过HPI和EMIF (External Memory Interface,外部存 储器接口)技术保证了足够高的数据传输速率，使其更适合高速实时通信，采用模拟开关减少 模数转换芯片的片数，只用一片即可达到10M的采样频率。而且由于串行通信技术的使用，主 机与FPGA通信更加方便，实现了刚度和阻尼各个环节参数的实时在线调节，满足了高温超导 磁悬浮储能飞轮磁轴承系统实时性要求，采用Visual O+与VHDL实现了整个上位机与FPGA 的频繁、高速、实时通信，从而本控制系统性能和控制精度进一步提高；
(4) 相比现有的磁轴承系统控制算法，本发明采用离散模糊自适应滑模控制算法处理系统 中模型不确定性和非线性干扰，采用模糊控制器输出的绝对值作为滑模控制器的增益，实现了 增益的自适应调节，大大减弱了抖振，该控制方法还具有控制电流较小，对模型参数变化、非 线性和外界干扰具有良好的鲁棒性等优点，实现了高温超导磁悬浮储能飞轮磁轴承系统的高精 度鲁棒控制。
总之，本发明简化了电路，加快了运算速度与通信速度，同时能够采集与处理位移信号和 电流信号，并与控制算法同歩运行非线性微分跟綜器解决了微分信号无法得到的问题，实现
了精确的速度信号的跟踪，提高了系统的控制精度和抗干扰能力，而且实现了参数在线实时调
节，达到了高精度的要求。
图l为本发明的闭环系统框图2为本发明的控制系统组成框图3为本发明的DSP模块工作流程图4为本发明的FPGA模块工作流程图5为本发明的控制算法流程图6为本发明的FPGA芯片与其它器件信号连接的电路图7为本发明的DSP芯片与其它器件信号连接的电路图8为本发明的单个通道的位移、电流传感器接口电路；
图9a和9b分别为本发明的串行接口电路和硬件程序设计流程图10a和10b分别为本发明的第一HPI模块和第二HPI模块读、写操作工作流程图11为本发明的EMIF工作流程图。
具体实施例方式
如图2所示为本发明的控制系统组成框图，该控制系统包括DSP模块1、 FPGA模块2、串 行通信模块3、信号调理模块4等几部分，其中DSP模块1包括控制算法处理模块6、第一HPI 模块8、转速计算模块7和EMIF模块5， FPGA模块2包括串行通信控制模块11 、第二 HPI模 块12、模数转换控制模块15、模拟开关控制模块14、转速计数模块16和PWM调制模块13， 串行通信模块3包括基于MFC的通信界面20、基于硬件编程的串口通信18、 RS232接口电路 17,信号调理模块4包括模数转换芯片29、 Hall传感器23、电流传感器接口电路24、电流传感 器25、位移传感器26、位移传感器接口电路27和模拟开关28, DSP模块I接收来自FPGA模 块2中的模数转换控制模块15通过第二 HPI模块12读取磁轴承转子位移信号和电流信号以及 转速计数模块16中转速计数信号到第一 HPI模块8后，将转速计数值传给转速计算模块7通过 转速计算公式
<formula>complex formula see original document page 7</formula>
得到转速信号，并将位移信号和电流信号给控制算法处理模块6结合转速计算模块7得到
的转速通过先进控制算法计算控制量，计算过程中需要通过EMIF模块5实现DSP与外部存储
器SDRAM和Flash的高速、频繁通信，计算完毕后将控制量通过HPI接口传至FPGA模块2
中第二 HPI模块12，再传给PWM调制模块13调用PWM调制算法进行PWM调制，然后通过功放22，得到控制电流送至磁轴承线圈21，实现高温超导磁悬浮储能飞轮磁轴承系统的高精度 控制。此外，串行通信模块3主要完成刚度、阻尼等参数实时在线调节，其中串行通信控制模 块11将上位机19改变的阻尼、刚度等参数值通过串行通信模块3给第二 HPI模块12并反馈给 上位机19,实现FPGA与上位机的实时在线通信。
如图3所示为本发明的DSP工作流程图，DSP首先通过EMIF从Flash中读取初始化信息 进行初始化，然后进入工作模式，同时判断是否有中断，(1)当有转速脉冲中断时FPGA根据 两次霍尔信号的时间间隔计算飞轮转速，没有中断时执行空操作；(2)当有位移、电流信号中 断时，从DSP的相关地址读取位移、电流信号，然后结合所计算的转速用先进控制算法进行运 算，最后通过HPI接口传给FPGA进行PWM调制，没有中断时执行空操作；(3)当有串口信 号时，HPI从FPGA中读取改变的阻尼、刚度等参数值，然后重新调用控制算法进行运算，没 有中断时执行空操作。假如有上述中断请求且DSP处于中断程序执行过程中，则等待DSP执行 完中断服务程序后再对该中断进行处理。
如图4所示为本发明的FPGA工作流程图，系统首先加载整个控制程序，成功加载后进入工 作模式。进入工作模式后FPGA模块首先判断设定的采样时间(10K 100K左右)是否到，如果 到了， FPGA模块中模数转换控制模块15将触发信号调理模块中模数转换芯片对位移信号和电流 信号进行采样，采样结束后，FPGA模块向DSP模块发出中断请求，通知DSP将电流和位移信号 存入FPGA相关寄存器，直到结果存取完毕后，FPGA模块根据DSP给定的控制量和电流信号采 样值进行运算得到PWM信号占空比的调节量，然后进行PWM调制，最后输出PWM调制信号。 另外，如果有串口信号，FPGA模块将读取改变的参数值；如果有转速脉冲，则完成转速计数。
如图5所示为本发明的控制算法流程图，首先采集参考输入信号K"和跟踪输出及跟踪微 分信号，都采集完毕后做差通过滑模函数计算式，
<formula>complex formula see original document page 8</formula> (1)
得到第Ar时刻的离散滑模函数S(A:)及其变化率必(^)，然后把S("和必(W作为模糊控
制器的输入，模糊控制器输出的绝对值作为滑模控制器的增益s—FOl结合得到的滑模函数S
作为滑模控制律的输入，通过滑模控制律
<formula>complex formula see original document page 8</formula>(2)
得到控制量，最后将控制量输出到功放电路。其中上述滑模控制律是基于离散型趋近律
<formula>complex formula see original document page 8</formula>(3)
推出，由于控制律(2)中/(的未知，在实际中可取其估计值代替，也可忽略不计以此说
明本方法的鲁棒性。上面参^[说明如下，&为待定的二维行向量，
<formula>complex formula see original document page 9</formula>
,附为给定
的参考信号，根据控制需要而定，此处取<formula>complex formula see original document page 9</formula>。此夕卜，模糊控制器中， 定义模糊集PB-正大，Z0-零，NB^负大，模糊变量选择正态分布的隶属函数，模糊规则为 IfSisAanddSisBthenFOisC，最后利用重心法将模糊输出精确化。而跟踪输出及跟踪微分信 号通过非线性跟踪微^^方程求取，即
<formula>complex formula see original document page 9</formula>
其中r为采样时间，"(A:)为第Ar时刻的输入信号，r为决定跟踪快慢的参数，而/ 为输入 信号被噪声污染时，决定滤波效果的参数。/W函数由下面式子求得，
<formula>complex formula see original document page 9</formula>
，且^^/(J)为饱和函数，也可用符号函数代替，但抖振较大。 -r W(力
如图6所示为本发明的FPGA芯片与其它器件信号连接的电路图，该系统的协处理器采用 的FPGA芯片为Xilinx公司的XC3S400,该芯片采用50M的晶振作为系统时钟，40万个逻辑 门电路，16个18x18位的乘法器，能满足PWM调制和A/D的高速采样。而且具有丰富的1/0 资源，这样使得FPGA与外围芯片的接口非常方便。该芯片控制位移信号和电流信号的采样， PWM调制算法根据DSP得到的控制量结合电流信号采样值执行功率模块的控制算法，进行 PWM调制后输出给功放环节。
如图7所示为本发明的DSP芯片与其它器件信号连接的电路图，该系统的核心处理器是TI 公司的TMS320C67B系列浮点运算DSP，用于控制算法处理和转速计算。它支持32位浮点运 算；采用VelociTI甚长指令字结构，实现单周期发射多条指令，32位高性能EMIF提供了与外 部存储器SDRAM和Flash的直接接口， HPI接口解决了高速DSP与慢速外设通信之间的矛盾， 实现高速计算与数据传输。而且有8个独立的功能单元，采用流水线工作方式，可使多个指令 包(每包最多可达8条指令)交叠地在不同部件内处理，太太提高了, DSP的,吞吐量，支持正EE标 准单精度和双精度浮点运算，每个周期执行8条32位指令，2级高速缓存，时钟频率225MHz、 MIPS 1800M、 MFLOPS 1350M保证高速运算能力。相比其它DSP芯片，它的计算、处理速度 非常快和通信速度能满足现代复杂控制算法运算速度的要求，实现高温超导磁悬浮储能飞轮磁 轴承系统高精度控制。
如图8所示为本发明的单个通道的位移、电流传感器接口电路，位移传感器得到的位移信 号经过跟随、偏置放大、二阶滤波和跟随实现比例变换、电平偏移后变为0V 5V电压信号， 最后经过抗混叠低通滤波去除高频噪声后送入模数转换芯片29的输入通道。同样，电流传感器 28得到的电流信号经过跟随、偏置放大、二阶滤波和跟随实现比例变换、电平偏移后变为OV 5V电压信号，最后经过抗混叠低通滤波去除高频噪声后送入电流信号模数转换芯片29的输入 通道。
如图9所示分别为本发明的串口接口电路和硬件程序设计流程图，包括串口接口芯片图9a 和硬件程序设计流程图9b两部分，其中串口接口芯片采用MAX232，主要实现电平转换，由于 上位机与FPGA的高低电平的值不一样，上位机为负逻辑，用正负电压表示逻辑状态，逻辑"l"--3V -15V，逻辑"0"= 3V 15V，而FPGA为TTL电平，高电平为2.8V 3.3V，低电平为0 0.4V,所以必须进行电平转换。硬件程序设计流程由发送和接收两部分组成，首先FPGA收到 串口信号，先对起始位进行采样和可靠性判断，如果可靠，则对每个数据位进行采样和可靠性 判断，然后串行输入至输入移位寄存器，接下来并行传给接收缓冲器，通过内部总线并行输入 至发送缓冲器，最后串行输出之上位机。另外，设计发送部分目的是为了判断FPGA所接收数 据的准确性，上位机程序则是基于1^ (:由￥€++实现，达到了参数实时在线调节，方便了控制 系统调试。
如图10a和10b所示为本发明的第一HPI模块和第二HPI模块读、写操作工作流程图，HPI 是一种数据宽度为16bit的并行端口，为了满足DSP与FPGA接口而专门设计的，实现DSP与 FPGA之间并行、高速的数据传输。FPGA通过第二 HPI模块可直接访问DSP的全部片上的RAM (最高数据传输速率可达20M byte/s)而不影响DSP的其它操作。主处理器DSP对第一 HPI模 块的访问由内外两部分组成，其中外部主要为FPGA与HPI寄存器交换数据，而内部则用于为 HPI寄存器与DSP存储单元交换数据(由DMA自动完成)，而且在进行数据实时通信时，DSP 与FPGA可以通过中断信号进行握手。第一 HPI模块内部加入了两个8级深度的读写缓冲，可 以执行地址自增的读写操作，提高了读写操作的吞吐量。第一HPI模块内部有3个寄存器，分 别是控制寄存器HPIC，地址寄存器HPIA和数据寄存器HPID。这3个寄存器可以直接被FPGA 访问，FPGA每执行一次对DSP内部存储空间的访问，都必须先对控制寄存器和地址寄存器写 入相应的值，然后才能对数据寄存器进行读写操作。第一HPr模块和第二HPr模块的外部接口 由数据总线HD[15:0]以及一部分用于描述和控制HPI的控制信号组成，这些控制信号包括 HCNTL[1:0]: HPI控制寄存器，用于控制HPI的操作类型；
HHWIL:半字节控制寄存器，用于控制传输的高低字节，"0"， "l"分别表示一次字传输的 第一个半字和第二个半字；
HR/W#: HPI读/写选择，用于控制FPGA对DSP的读写；
HRDY#: DSP就绪状态标志；
HINT#: HPI中断控制寄存器，由PSP向FPGA发出中断；
HAS#:地址/数据复用选通，用于区别地址/数据复用总线的数据与地址；
HDS1#， HDS2#， HCS#:数据选通输入，共同作用产生一个HPI内部选通信号HSTROBE#， 其逻辑关系为[N0T(HDS1# XOR HDS2#)] OR HCS#。
HPI写操作的工作流程如图10a所示(1)首先设置HCNTL、 HHWIL和HR/W^等控制信 号，以初始化第一 HPI模块，准备与FPGA进行通信;(2)变化HDSW或HDS2弁，使得HSTROBE# 信号产生一个下降沿，DSP将在这个下降沿采样控制信号HCNTL、 HHWIL和HR/W仏并扇出 HRDY#，使FPGA进入等待状态，直到HRDY^产生下降沿，以使要写入DSP的数据到达第二 HPI模块的数据总线上；(3)控制HSTROBE^产生一个上升沿，此时DSP采样HD[15:0]上的数 据送入HPID寄存器，完成第一个半字的写入；(4)DSP在HSTROBE^的下降沿采样控制信号， 在HSTROBE存的上升沿采样数据总线HD[15:0]的数据送入HPID，完成第二个半字的写入。
HPI读操作工作流程如图10b所示(1)首先设置HCNTL、 HHWIL和HR7W存等控制信号， 以初始化第一 HPI模块，准备与FPGA进行通信；(2)变化HDS1弁或HDS2#，使得HSTROBE# 信号产生一个下降沿，DSP将在这个下降沿采样控制信号HCNTL、 HHWIL和HR/WA并扇出 HRDY#，使FPGA进入等待状态，直到HRDY弁产生下降沿，以使DSP的数据到达第二 HPI模 块的数据总线上；(3)控制HSTROBE^产生一个上升沿，此时FPGA采样由HPID寄存器送出 的HD[15:0]上的数据，完成第一个半字的读出；(4) DSP在HSTROBE弁的下降沿采样控制信号， FPGA在HSTROBE井的上升沿采样由HPID寄存器送出的数据总线HD[15:0]上的数据，完成第 二个半字的读出。
如图11所示为本发明的EMIF工作流程图，DSP在访问外部存储器时必须通过外部存储器 接口EMIF，由于EMIF的强大功能，不仅具有很高的数据吞吐率，而且可以与不同类型的同步、 异步器件进行无缝连接，使硬件接口电路简单，调试方便。当外部存储器Flash与SDRAM直接 通信时运用EDMA的方式进行数据传输，EDMA控制器完成两者存储空间内的数据搬移而不通 过DSP中CPU,这样可以最大限度地节省CPU的资源，提高整个系统的运算速度。
EMIF接口的工作流程为(1)设置SDRAM、 Flash的地址空间、接口宽度与工作频率， 对EMIF接口进行初始化；(2)设置BE[1:0]进行片选，以分别对SDRAM和FLASH进行读写 操作。
SDRAM写操作(1)将要写入的地址送至地址总线；(2)将要写入的数据送至数据总线； (3)写信号有效，完成本次写操作。
SDRAM读操作(1)将要读取的地址送至地址总线；(2)读信号有效；(3)将数据总线上 的数据送至DSP，完成本次读操作。
FLASH写操作(1)将要写入的地址送至地址总线；(2)擦除要写入地址单元的内容；(3) 将要写入的数据送至数据总线；(4)写信号有效，完成本次写操作。
FLASH读操作(1)将要读取的地址送至地址总线；(2)读信号有效；(3)将数据总线上 的数据送至DSP，完成本次读操作。
本发明虽为高温超导磁悬浮储能飞轮磁轴承数字控制系统，但也可以作为一种通用的磁轴 承数字控制平台作为其他磁轴承系统的控制器，应用者可以根据其特殊的应用领域通过修改软 件来灵活方便地实现其功能。另外，离散模糊自适应滑模控制算法可用其他高精度算法代替， 而且本算法也可用于其它磁轴承系统高精度控制的场合。
权利要求
1、一种集成化高温超导磁悬浮储能飞轮磁轴承数字控制系统，其特征在于包括DSP模块(1)与FPGA模块(2)、外部存储器SDRAM(10)和Flash(9)相连，通过HPI接口(30)实现与FPGA模块(2)高速实时通信，DSP模块(1)接收来自FPGA模块(2)的位移信号、电流信号和转速计数值进行转速计算以及控制算法处理，计算得到控制量，计算过程中不断与外部存储器SDRAM(10)和Flash(9)进行高速通信，而且通过HPI接口(30)从FPGA模块(2)中读取改变的参数值，实现参数实时在线修改；FPGA模块(2)与DSP模块(1)、串行通信模块(3)和信号调理模块(4)相连，用于对信号调理模块(4)中转速计数以及对位移和电流信号进行采样，通过HPI接口(30)向DSP模块(1)发中断读取转速计数值和采样值，并根据DSP模块(1)给定的控制量进行PWM调制；同时将串行通信模块(3)发送的调节参数经串并转换后传输至DSP模块(1)，实现参数实时在线调节；串行通信模块(3)与上位机(19)实现控制系统调试的可视化，与FPGA模块(2)的实时在线通信，从而达到对磁轴承刚度、阻尼控制参数的在线调节与实时显示；信号调理模块(4)与FPGA模块(2)相连，其中位移传感器接口电路(27)和电流传感器接口电路(24)用于将由电流传感器(25)输入的电流信号和位移传感器(26)输入的位移信号转换成0～5V的电压信号，控制模拟开关(28)和模数转换芯片(29)对由电流传感器(25)输入的电流信号和位移传感器(26)输入的位移信号进行采样，得到0～5V数字化的电流信号和位移信号，滤波后传给FPGA模块(2)，Hall传感器(23)将0～5V的飞轮转速信号转换为0～3.3V的飞轮转速信号输出给FPGA模块(3)。
2、 根据权利要求1所述的集成化高温超导磁悬浮储能飞轮磁轴承数字控制系统，其特征在 于所述的DSP模块(1)主要包括控制算法处理模块(6)、转速计算模块(7)、 EMIF模块(5) 和第一HPI模块(8)，其中第一HPI模块(8)接收来自FPGA模块(2)的位移信号、电流信 号和转速计数值，将转速计数值送至转速计算模块(7)根据测速逻辑进行转速计算，控制算法 处理模块(6)接收来自第一HPI模块(8)的位移信号和电流信号以及转速计算模块(7)得到 的转速调用先进控制算法进行运算，控制算法处理模块(6)在计算过程中，通过EMIF模块(5) 不断的与外部存储器SDRAM (10)和Flash (9)进行高速、频繁通信，最后控制算法处理模块(6)计算得到的控制量再给第一HPI模块(8)通过HPI接口 (30)传给FPGA模块(2)。
3、 根据权利要求1所述的集成化高温超导磁悬浮储能飞轮磁轴承数字控制系统，其特征在 于所述的FPGA模块(2)包括串行通信控制模块(1.1)、第二HPI模块(12)、模数转换控制模块(15)、模拟开关控制模块(14)、转速计数模块(16)和PWM调制模块(13)，其中转速 计数模块(16)得到的计数值传给第二HPI模块(12),模数转换控制模块(15)和模拟开关控 制模块(14)主要完成位移与电流信号的采样及转换，将得到的位移和电流信号给第二HPI模 块(12)，串行通信控制模块(11)将上位机改变的参数值传给第二HPI模块(12)并反馈给上 位机(19)，实现FPGA与上位机(19)的实时在线通信，第二 HPI模块(12)接收来自DSP 模块(1)得到的控制量传给PWM调制模块(13)完成PWM调制，且FPGA模块(2)与DSP 模块U)并行工作。
4、 根据权利要求1所述的集成化高温超导磁悬浮储能飞轮磁轴承数字控制系统，其特征在 于所述的串行通信模块(3)包括基于MFC的通信界面(20)、基于硬件编程的审口通信(18) 和RS232接口电路(17)，其中RS232接口电路(17)完成上位机(19)与FPGA模块(2)的 电平转换，基于MFC的通信界面(20)与上位机(19)实现控制系统调试的可视化，并通过基 于硬件编程的串口通信(18)与FPGA模块(2)的实时在线通信，实现了各个环节参数的在线 调节，满足了系统实时在线修改参数的要求。
5、 根据权利要求2^f述的集成化高温超导磁悬浮储能飞轮磁轴承数字控制系统，其特征在 于所述的控制算法处理模块(6)与转速计算模块(7)、第一HPI模块(8)和EMIF模块(5) 相连，主要用于控制算法的处理，控制算法釆用离散模糊自适应滑模控制方法，其中模糊控制 器的输入为滑模函数5*(^) = 5^ = 5;[/ (^)-1(^)]及其变化率^^(幻，输出的绝对值作为滑模控制器的增益，滑模控制器则基于离散型趋近律推出，位移传感器的输出 y - ^ = IX^，;^,;^,;^r作为非线性微分跟踪器的输入，采用非线性微分跟踪器的输出Z 代替状态Z，实现全状态反馈，从而完成高温超导磁悬浮储能飞轮磁轴承的高精度控制。
全文摘要
一种集成化高温超导磁悬浮储能飞轮磁轴承数字控制系统，主要包括DSP模块、FPGA模块、串行通信模块和信号调理模块，其中DSP模块主要完成先进控制算法的处理和转速计算，FPGA模块则主要完成位移和电流信号采样、转速计数，并对控制量进行PWM调制，通过功放生成磁轴承线圈所需的控制电流，从而实现对高温超导磁悬浮储能飞轮磁轴承系统的高精度控制。此外，串行通信模块主要完成上位机与FPGA实时通信，信号调理模块对采集的位移和电流信号进行偏置、放大并进行滤波，输出给FPGA模块。本数字控制系统不但具备很强的运算能力和很高的通信速度，而且实现了上位机与FPGA实时通信，进一步提高了高温超导磁悬浮储能飞轮磁轴承系统的控制精度。
文档编号F16C32/04GK101196213SQ20071030423
公开日2008年6月11日 申请日期2007年12月26日 优先权日2007年12月26日
发明者刚 刘, 彬 刘, 通 文, 李彩凤, 潘明健 申请人:北京航空航天大学