基于dsp和fpga的储能飞轮磁轴承控制系统及方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于DSP和FPGA的储能飞轮磁轴承控制系统及方法，系统包括DSP算法模块、FPGA驱动控制模块、磁轴承功率模块、磁轴承信号监测模块、磁轴承信号调理模块、A/D转换模块、LCD显示模块、键盘、上位机通信模块、DSP算法模块电信号连接FPGA驱动控制模块，磁轴承功率模块电信号连接FPGA驱动控制模块的PMW发生器。通过PWM完成飞轮磁轴承线圈电流大小控制，来完成对飞轮运行的实时控制；磁轴承信号监测模块电信号连接对飞轮磁轴承转子位移信号和磁轴承线圈电流线信号的监测。本发明具电路简单、系统稳定、控制精度高。
【专利说明】基于DSP和FPGA的储能飞轮磁轴承控制系统及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种基于DSP和FPGA的储能飞轮磁轴承控制系统及方法。
【背景技术】
[0002]储能飞轮是一种的机械储能装置，具有高效率、高储能密度，绿色环保，使用寿命长，充放电迅速等优点，是新能源中的关键设备，是国际电力电子研究的热点。目前储能飞轮的控制系统主要采用单微处理器芯片(例如DSP芯片)搭配控制驱动电路来进行控制。此种控制方案最大优点是控制系统电路比较简单，但是这种方案最大缺点是系统的自动化控制程度不高和无法对磁轴承的运行状况在线实时监测。
【发明内容】
[0003]基于以上缺点，本发明公开一种基于DSP和FPGA的储能飞轮磁轴承控制系统及方法，主要用来解决储能飞轮的采用单微处理芯片控制系统自动化控制程度不高和无法对运行状况在线实时监测等问题，同时还能对飞轮的运行状况实时监测。本系统用于对储能飞轮磁轴承系统进行稳定悬浮控制和实时运行状况监测，特别适用于高精度、高自动化控制等场合。
[0004]本发明的技术解决方案是:一种基于DSP和FPGA的储能飞轮磁轴承控制系统，包括DSP算法模块(2)、FPGA驱动控制模块(I)、磁轴承功率模块(7)、磁轴承信号监测模块
[5]、磁轴承信号调理模块(4)、A/D转换模块(3)、IXD显示模块(8)、键盘(11)、上位机通信模块(9)、FPGA驱动控制模块(I)包括A/D控制器模块(12)、LCD控制器(13)、PWM发生器
(14)、SCI通信模块(15)、双端口 RAM(16)和键盘控制器(17)，DSP算法模块(2)电信号连接FPGA驱动控制模块(I)，磁轴承功率模块(7)电信号连接FPGA驱动控制模块(I)的PMW发生器(14)，键盘(11)电信号连接FPGA驱动控制模块⑴的键盘控制器，上位机通信模块(9)电信号连接FPGA驱动控制模块(I)的SCI通信控制器(15)，LCD显示模块(8)电信号连接FPGA驱动控制模块(I)的IXD控制器(13)，磁轴承信号监测模块(5)电信号连接磁轴承信号调理模块(4)，磁轴承信号调理模块(4)电信号连接A/D转换模块(3)，A/D转换模块(3)电信号连接FPGA驱动控制模块(I)的A/D采样控制器(12)，磁轴承功率模块
(7)电信号连接飞轮磁轴承，通过PWM完成飞轮磁轴承线圈电流大小控制，来完成对飞轮运行的实时控制；磁轴承信号监测模块(5)电信号连接对飞轮磁轴承转子位移信号和磁轴承线圈电流线信号的监测。
[0005]本发明还具有如下特征:
[0006]1、所述的DSP算法模块(2)采用BP神经网络-PID算法完成对磁轴承的稳定悬浮控制，采用FFT算法完成对磁轴承运行状况的实时监控。
[0007]2、所述的DSP算法模块⑵采用TMS320F28335，FPGA驱动控制模块⑴采用EP2C8Q208C8。
[0008]3、一种基于DSP和FPGA的储能飞轮磁轴承控制方法，如下:磁轴承信号监测模块(5)中电流传感器和电涡流传感器分别捕获磁轴承线圈电流信号、磁轴承转子位移信号，信号调理模块（4)对磁轴承信号监测模块(5)捕获的信号进行滤波与放大，把信号调理在0-2. 5V的范围内，FPGA驱动控制模块（I)通过A/D采样控制器（12)控制A/D转换模块
(3)对调理后电流信号和位移信号的采集，并将采集后的数据存放在FPGA的内嵌双端口RAM(16)中，DSP算法模块⑵从FPGA驱动控制模块（I)的内嵌双端口 RAM(16)中读取数据，通过BP神经元-PID算法（18)和FFT算法（19)处理数据生成磁轴承控制信号和磁轴承实时监测信号，处理后数据又被存放在FPGA驱动控制模块（I)中内嵌双端口 RAM(16)中，FPGA驱动控制模块（I)读取这些信息，一方面驱动IXD控制器（13)在IXD显示模块（8)上显示频谱信号，另一面驱动PWM发生器生成PWM波，通过磁轴承功率模块（7)控制飞轮本体
(6)。
[0009]本发明与现有技术相比的优点在于：本发明利用了 DSP芯片和FPGA芯片来构建储能飞轮磁轴承自动控制系统，与现有储能飞轮磁轴承控制系统相比具有以下突出特点：
[0010](I)较现有的储能飞轮磁轴承控制系统采用两片核心处理器搭配外围电路的数字控制系统，本发明具有模块化设计的优点：电路简单、系统稳定、控制精度高。
[0011](2)较现有的储能飞轮磁轴承控制系统采用两片核心处理器搭配外围电路的数字控制系统，系统需要的大量数据运算由浮点型芯片DSP来完成，使得系统实时控制和实时监测能力更强，提高了系统的整体精确度。
[0012](3)较现有的储能飞轮磁轴承控制系统采用两片核心处理器搭配外围电路的数字控制系统，系统采用FPGA芯片设计除数据运算外的驱动控制电路，使电路设计更加灵活，且方便系统的再优化升级。
【专利附图】
【附图说明】
[0013]图I为本发明的结构组成框图；
[0014]图2为本发明的系统程序流程图；
[0015]图3为本发明的磁轴承BP神经网络-PID算法框图；
[0016]图4为本发明的双端口 RAM示意图；
[0017]图5为本发明的模式转换控制示意图。
【具体实施方式】
[0018]下面结合说明书附图对本发明作进一步说明：
[0019]实施例I :
[0020]如图I所示，本发明包括FPGA驱动控制模块I、DSP算法模块2、A/D转换模块3、磁轴承信号调理模块4、磁轴承信号检测模块5、飞轮本体6、磁轴承功率模块7、LCD显示8、通信接口 9、上位机10、键盘11，其中FPGA驱动控制模块I包括A/D控制器模块12、IXD控制器13、PWM发生器14、SCI通信模块15、双端口 RAM16，键盘控制器17，DSP算法模块2包括BP神经网络-PID算法18、FFT算法模块19。磁轴承信号监测模块5中电流传感器和电涡流传感器分别捕获磁轴承线圈电流信号、磁轴承转子位移信号，信号调理模块4对磁轴承信号监测模块5捕获的信号进行滤波与放大，把信号调理在0-2. 5V的范围内，FPGA驱动控制模块I通过A/D采样控制器12控制A/D转换模块3对调理后电流信号和位移信号的采集，并将采集后的数据存放在FPGA的内嵌双端口 RAM16中，DSP算法模块2从FPGA驱动控制模块I的内嵌双端口 RAM16中读取数据，通过BP神经元-PID算法18和FFT算法19处理数据生成磁轴承控制信号和磁轴承实时监测信号，处理后数据又被存放在FPGA驱动控制模块I中内嵌双端口 RAM16中，FPGA驱动控制模块I读取这些信息，一方面驱动IXD控制器13在IXD显示模块8上显示频谱信号，另一面驱动PWM发生器生成PWM波，通过磁轴承功率模块7控制飞轮本体6。
[0021]如图2所示，为本发明的控制算法流程图，系统上电初始化系统的控制参数实现在磁轴承在静态的稳定悬浮在中间位置，若未稳定悬浮在中间位置可以在线调整参数来实现稳定悬浮在中间位置，当电机驱动转子转动，通过A/D采样驱动器实时采集磁轴承信号检测模块反馈的磁轴承线圈电流大小和转子位移信息，BP神经元-PID算法对位移信息和电流信息进行处理形成PWM波，驱动磁轴承功率模块实现转子动态稳定悬浮，另一方面反馈转子的位移信息通过FFT算法进行频谱分析，形成转子实时运行频谱图，在LCD上显示出来。
[0022]如图3所示，为本发明的BP神经元-PID算法示意图，BP神经元采用三级网络结构，包含输入层、隐藏层和输出层；PID算法采用不完全微分PID算法。
[0023]如图4所示，为本发明的系统DSP和FPGA连接示意图，DSP和FPGA连接采用FPGA内嵌的双端口 RAM。DSP28335有自带的外部存储器接口(XINTF)，可以方便扩展RAM、FLASH等存储器；FPGA拥有很丰富的逻辑单元，可以方便构建RAM、R0M和FIFO等存储单元。本发明我们采用Verilog语言来构建双端口 RAM存储器，映射到DSP的ZoneO区域。FPGA和DSP的通信机制为:DSP的ZoneO信号与FPGA的XCSZO与RAM的CS相连；XWE0与RAM的WE相连；XRE0与RAM的RE相连；DSP的低8位地址线与RAM的8位地址线相连；DSP的低16位地址线与RAM的16位数据线相连。
[0024]如图5所示，为本发明的系统模数转换示意图，模数转换采用分时采样技术，用一片A/D芯片来完成10路信号的采集；多路选择器为16选I芯片SN74150，A/D转换芯片为16位、250MSPS的AD9467，FPGA通过控制SN74150选择器分时通过A/D芯片来完成10信号的转化，并将转换的数据存放在FIFO中。
[0025]本发明的原理是:本发明采用DSP芯片和FPGA芯片实现储能飞轮的自动控制和在线实时监测，10路数据的采集、磁轴承线圈电流控制和频谱信号的显示主要由FPGA芯片完成；对采集数据的实时控制处理和频谱分析主要DSP芯片完成。其中FPGA驱动控制A/D模块完成对磁轴承转子位移信号和磁轴承线圈电流信号的采集；DSP对采集的转子位移信号和线圈电流信号一方面进行FFT运算形成频谱信息，另一方通过BP神经网络-PID算法对磁轴承稳定悬浮控制。
[0026]本发明提供了储能飞轮磁轴承自动控制系统对磁轴承转子位移信号和磁轴承线圈电流监测的模拟量输入接口，提供了经功率放大模块对磁轴承线圈电流控制的输出接口。一方面，由磁轴承信号监测模块中位移传感器监测磁轴承转子的五个自由度的位移信号和经电流传感器检测的磁轴承线圈中的电流信号，FPGA通过AD采样控制算法转换为数字量；DSP生成的磁轴承实时控制数据通过FPGA的PWM产生算法模块生成PWM波，PWM波调制信号驱动磁轴承功率开关器件来实现磁轴承飞轮转子的稳定悬浮。
[0027]本发明可以作为一种通用的储能飞轮磁轴承自动控制系统平台，提供了足够的硬 件资源和人性化的操作界面，工程人员可以很方便的来实磁轴承的稳定悬浮。
【权利要求】
1.一种基于DSP和FPGA的储能飞轮磁轴承控制系统，包括DSP算法模块（2)、FPGA驱动控制模块（1)、磁轴承功率模块（7)、磁轴承信号监测模块（5)、磁轴承信号调理模块（4)、 A/D转换模块（3)、IXD显示模块（8)、键盘（11)、上位机通信模块（9)、FPGA驱动控制模块(1)包括A/D控制器模块（12)、LCD控制器（13)、PWM发生器（14)、SCI通信模块（15)、双端口 RAM(16)和键盘控制器（17)，其特征在于：DSP算法模块（2)电信号连接FPGA驱动控制模块（1)，磁轴承功率模块（7)电信号连接FPGA驱动控制模块（1)的PMW发生器（14)，键盘（11)电信号连接FPGA驱动控制模块⑴的键盘控制器，上位机通信模块（9)电信号连接 FPGA驱动控制模块（1)的SCI通信控制器（15)，LCD显示模块（8)电信号连接FPGA驱动控制模块（1)的LCD控制器（13)，磁轴承信号监测模块（5)电信号连接磁轴承信号调理模块(4)，磁轴承信号调理模块（4)电信号连接A/D转换模块（3)，A/D转换模块（3)电信号连接 FPGA驱动控制模块（1)的A/D采样控制器（12)，磁轴承功率模块（7)电信号连接飞轮磁轴承，通过PWM完成飞轮磁轴承线圈电流大小控制，来完成对飞轮运行的实时控制；磁轴承信号监测模块（5)电信号连接对飞轮磁轴承转子位移信号和磁轴承线圈电流线信号的监测。
2.根据权利要求1所述的一种基于DSP和FPGA的储能飞轮磁轴承控制系统，其特征在于：所述的DSP算法模块（2)采用BP神经网络-PID算法完成对磁轴承的稳定悬浮控制，采用FFT算法完成对磁轴承运行状况的实时监控。
3.根据权利要求1所述的一种基于DSP和FPGA的储能飞轮磁轴承控制系统，其特征在于：所述的DSP算法模块⑵片采用TMS320F28335，FPGA驱动控制模块（1)采用 EP2C8Q208C8。
4.一种使用如权利要求1所述的一种基于DSP和FPGA的储能飞轮磁轴承控制系统得出的一种基于DSP和FPGA的储能飞轮磁轴承控制方法，其特征在于，方法是：磁轴承信号监测模块（5)中电流传感器和电涡流传感器分别捕获磁轴承线圈电流信号、磁轴承转子位移信号，信号调理模块（4)对磁轴承信号监测模块(5)捕获的信号进行滤波与放大，把信号调理在0-2. 5V的范围内，FPGA驱动控制模块（1)通过A/D采样控制器（12)控制A/D转换模块（3)对调理后电流信号和位移信号的采集，并将采集后的数据存放在FPGA的内嵌双端口 RAM(16)中，DSP算法模块⑵从FPGA驱动控制模块（1)的内嵌双端口 RAM(16)中读取数据，通过BP神经元-PID算法（18)和FFT算法（19)处理数据生成磁轴承控制信号和磁轴承实时监测信号，处理后数据又被存放在FPGA驱动控制模块（1)中内嵌双端口 RAM(16)中， FPGA驱动控制模块（1)读取这些信息，一方面驱动IXD控制器（13)在IXD显示模块（8)上显示频谱信号，另一面驱动PWM发生器生成PWM波，通过磁轴承功率模块（7)控制飞轮本体(6)。
【文档编号】F16C41/00GK103836079SQ201210480176
【公开日】2014年6月4日 申请日期:2012年11月23日 优先权日:2012年11月23日
【发明者】蒋涛, 孙金刚 申请人:北京奇峰聚能科技有限公司