专利名称：磁悬浮储能飞轮的磁轴承控制电路的制作方法
技术领域：
磁悬浮储能飞轮的磁轴承控制电路技术领域[0001]本实用新型涉及一种磁悬浮储能飞轮的磁轴承控制电路。
背景技术：
[0002]磁悬浮储能飞轮是一种新一代的物理储能装置，具有大功率、高储能密度，绿色环保，并具有很强的抗干扰性和快速响应等优点，在国际上已逐步得到应用，并且必将成为我国新一代大规模储能装置的首选储能方式。目前磁悬浮储能飞轮系统的磁轴承控制主要依赖于位置传感器采集到的转子位置信号。由于需要同时对五个轴向进行控制，所以需要五路传感器信号。五路信号进入磁轴承控制板时，会将干扰信号带入控制系统。同时在飞轮升速过程中，磁轴承线圈电流脉动导致飞轮系统振动，传感器将振动的信息代入控制系统可能会产生共振而进一步放大噪声。通用的处理方法为:在传感器调理电路上，加入一个3kHz的二级滤波电路来确保控制稳定和减小噪声。但是这种方案的缺点就是噪声依然较大，对控制的稳定性也有一定的影响。实用新型内容[0003]基于以上不足之处，本实用新型涉及一种磁悬浮储能飞轮的磁轴承控制电路及其控制方法，用于对磁悬浮储能飞轮磁轴承系统进行控制时减小噪声污染，适用于各类磁悬浮储能飞轮磁轴承控制场合。[0004]本实用新型的技术解决方法是:一种磁悬浮储能飞轮的磁轴承控制电路，包括五路位移传感器接口、五路电流传感器接口、信号调理电路、二级滤波电路、DSP控制单元和功放驱动电路，五路转子位移传感器通过五路位移传感器接口与信号调理电路连接，五路电流传感器通过五路电流传感器接口与信号调理电路连接，信号调理电路与二级滤波电路连接，二级滤波电路与DSP控制单元的A/D接口连接，DSP控制单元与功放驱动电路连接；在每路位移传感器接口和信号调理电路之间，每路位移传感器接口通过电阻与大地连接；同时在二级滤波电路与DSP控制单元的A/D接口之间，每路连接信号通过电阻与大地连接；DSP控制单元形成PWM波调制信号，输入功放驱动电路控制磁悬浮储能飞轮的转子悬浮。[0005]本实用新型与现有技术相比的优点在于:本专利通过硬件处理和软件处理两个方面来解决磁悬浮储能飞轮运行过程中噪声较大的问题，与现有磁悬浮储能飞轮磁轴承控制方法相比具有以下特点:[0006](I)与现有的磁悬浮储能飞轮磁轴承控制系统相比，在位置传感器接口与信号调理电路之间，对五路位置传感器信号接地处理，不仅有效地将位移传感器的干扰信号衰减，而且使控制更稳定。[0007](2)较现有的磁悬浮储能飞轮磁轴承控制系统相比，在DSP内，五路位置传感器信号经PID计算后的结果每路再进行一种数字低通滤波，使产生噪声的高频干扰信号大幅度衰减。这种干扰的消除，使悬浮控制更稳定。
图1为本电路的硬件结构组成框图；图2为本专利的控制方法原理框图；图3为PWM控制信号形成原理图。
具体实施方式
如图1所示，本电路硬件结构包括五路电流传感器接口 1、五路位移传感器接口 2、信号调理电路3、二级滤波电路4、A/D接口 5、DSP控制单元6、和功放驱动电路7，其中DSP控制单元6采用TMS320F28335芯片8或TMS320F28346芯片8。5路转子位移传感器信号:四个径向通道AX、AY、BX、BY。一个轴向通道Z以及电流传感器信号经过接口输入信号调理电路3，经放大，电平偏移后与A/D输入范围相匹配(0V 3.3V)，然后经过二级低通滤波电路(截止频率可以根据所采取的采样频率而进行调节)后送入DSP控制单元6自带的A/D接口 5。为了消除位置传感器测量带来的噪声干扰，在位置传感器接口 2和信号调理电路3之间，五路位置传感器信号每一路都通过IK的电阻，旁路到电路板的地节点上。同时在二级滤波电路4与A/D接口 5之间，五路连接信号通路的每一路都通过IkQ的电阻，旁路到电路板的地节点上，从而实现有效消除位置传感器的信号干扰。如图2所示，为本专利的磁轴承控制原理框图。位置传感器测得的转子位移信号经图1所示的电路处理后，通过DSP控制单元的A/D接口进入DSP，在DSP控制单元对五路转子位移传感器信号经PID运算，然后再进行一次二级数字低通滤波，最后经过交叉运算后，与五路电流传感器信号比例运算后求和，形成PWM波调制信号，输入功放驱动电路控制磁悬浮储能飞轮的转子悬浮。具体控制方法如下:首先形成一个控制量转子轴上下两端分别定义为A端和B端，Sax、Say分别表示A端位移传感器X、Y两个正交方向的转子径向位移信号；Sbx、Sby分别表不B端位移传感器X、Y两个正交方向的转子径向位移信号；Sz表不轴向传感器输出的轴向位移信号；Iax、lay分别表示A端电流传感器X、Y方向的磁轴承线圈电流信号；Ibx、Iby分别表不B端电流传感器X、Y方向的磁轴承线圈电流信号；Ιζ表不轴向电流传感器输出的轴向磁轴承线圈电流信号，则每路控制量的计算如下:OUTax (k) = PIDSax (k) + (Say (k) -Sby (k)) *KcOUTbx (k) = PIDSbx (k) - (Say (k) -Sby (k)) KcOUTay (k) = PIDSay (k) + (Sax (k) -Sbx (k)) KcOUTby (k) = PIDSby (k) - (Sax (k) -Sbx (k)) KcOUTz (k) = PIDSz (k)上式中:k表示第k次采样，PIDSax (k)表示第k次径向位移信号Sax采样后进行PID计算的结果，PIDSbx (k)表示第k次径向位移信号Sbx采样后进行PID计算的结果，PIDSay (k)表示第k次径向位移信号Say采样后进行PID计算的结果，PIDSby (k)表示第k次径向位移信号Sby采样后进行PID计算的结果，PIDSz (k)表示第k次轴向位移信号Sz采样后进行PID计算的结果，Kc表示交叉计算系数，等于0.01-0.05倍的转速，[0026]OUTax (k)表示第k次采样后计算形成A端X方向的控制量，[0027]OUTbx (k)表示第k次采样后计算形成B端X方向的控制量，[0028]OUTay (k)表示第k次采样后计算形成A端Y方向的控制量，[0029]OUTby (k)表示第k次采样后计算形成B端Y方向的控制量，[0030]OUTz (k)表示第k次采样后计算形成轴向的控制量，[0031]对该其中径向四路控制量:0UTax (k)、OUTbx (k)、OUTay (k)和OUTby (k)分别进行一个二级低通数字滤波，滤波器的差动计算方程如下:[0032]HOUTax(k) = 1.85 XHOUTax(k_l)-0.86XHOUTax(k~2)+0.096XOUTax(k)-0.179XOUTax(k-1)+0.96XOUTax(k_2)；[0033]HOUTay(k) = 1.85 XHOUTay(k_l)_0.86XHOUTay(k~2)+0.096XOUTay(k)-0.179XOUTay(k_l)+0.96XOUTay(k_2)；[0034]HOUTbx(k) = 1.85 XHOUTbx(k_l)_0.86XHOUTbx(k_2)+0.096XOUTbx(k)-0.179XOUTbx(k-1)+0.96XOUTbx(k_2)；[0035]HOUTby(k) = 1.85 XHOUTby(k-1)-0.86XHOUTby(k_2)+0.096XOUTby(k)-0.179XOUTby(k-1)+0.96XOUTby(k_2)；[0036]上式中，k表示第k次采样后的计算值，k-1表示第k-Ι次采样的计算值，k-2表示第k-2次采样的计算值；[0037]滤波后形成控制量HOUTax (k)、HOUTbx (k)、HOUTay (k)和 HOUTby (k)，同时，五路电流传感器的信号经DSP控制单元进行比例运算后形成控制量:PIax(k)、PIbx(k)、PIay (k)、PIby (k)和 PIz (k)。[0038]与数字滤波后的控制量HOUTax (k) ,HOUTbx (k) ,HOUTay (k) ,HOUTby (k)和 OUTz (k)进行PWM波调制计算后形成如下PWM控制信号:[0039]PWMax (k) = HOUTax (k) +PIax (k)[0040]PWMay (k) = HOUTay (k) +Play (k)[0041 ] PWMbx (k) = HOUTbx(k)+PIbx(k)[0042]PWMby (k) = HOUTby (k) +PIby (k)[0043]PWMz (k) = OUTz (k) +PIz (k)。[0044]将该PWM控制信号通过输出传递给功放驱动。经该方法处理后，储能飞轮磁悬浮过程中，噪声被抑制，悬浮控制更稳定。[0045]噪声在采用本发明前为76dB(A)，超过国标GBJ87-1985《工业企业场区噪声控制设计规范》关于车间所属办公室、实验室、设计室噪声等级及GB3096-1993《城市区域环境噪声标准》关于工业区的噪声等级。噪声在采用本发明后降为40dB(A)，符合上述标准的要求。[0046]本实用新型可以应用到其他磁悬浮储能飞轮磁悬浮控制。应用者可以根据其特殊的需要通过修改接地电阻，以及根据采样频率修改传递函数即实现其功能。
权利要求1.一种磁悬浮储能飞轮的磁轴承控制电路，包括五路位移传感器接口、五路电流传感器接口、信号调理电路、二级滤波电路、DSP控制单元和功放驱动电路，其特征在于:五路转子位移传感器通过五路位移传感器接口与信号调理电路连接，五路电流传感器通过五路电流传感器接口与信号调理电路连接，信号调理电路与二级滤波电路连接，二级滤波电路与DSP控制单元的A/D接口连接，DSP控制单元与功放驱动电路连接；在每路位移传感器接口和信号调理电路之间，每路位移传感器接口通过电阻与大地连接；同时在二级滤波电路与DSP控制单元的A/D接口之间，每路连接信号通过电阻与大地连接；DSP控制单元形成PWM波调制信号，输入功放驱动电路控制磁悬浮储能飞轮的转子悬浮。
专利摘要一种磁悬浮储能飞轮的磁轴承电控电路及其控制量计算方法，包括五路位移传感器接口、五路电流传感器接口、信号调理电路、二级滤波电路、DSP控制单元和功放驱动电路，在每路位移传感器接口和信号调理电路之间，每路位移传感器接口通过电阻与大地连接；同时在二级滤波电路与DSP控制单元的A/D接口之间，每路连接信号通过电阻与大地连接；DSP控制单元形成PWM波调制信号，输入功放驱动电路控制磁悬浮储能飞轮的转子悬浮。本实用新型有效地将位移传感器的干扰信号衰减，使控制更稳定，减小噪声污染。
文档编号F16C41/00GK202971577SQ20122071235
公开日2013年6月5日 申请日期2012年12月21日 优先权日2012年12月21日
发明者蒋涛, 李虎全 申请人:北京奇峰聚能科技有限公司