专利名称：一种磁悬浮储能飞轮拖动电机一体化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、高可靠磁悬浮储能飞轮拖动电机用数字控制装置，用于对磁悬浮储能飞轮的拖动电机进行主动控制，特别适用于高精度、高可靠、高集成度等场
I=I O
背景技术：
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拖动电机的控制方法大都采用核心处理器和外围芯片搭配的控制方案。这种控制方案的优点是控制层次分明，核心处理器主要用来跑算法而外围处理器主要用来处理传感器信号的各种接口和负责控制PWM脉冲的产生。这样核心处理器和外围芯片在一定程度上可以灵活搭配，具有非常宽泛的选择。但是这种方案的缺点就是整个硬件控制系统的集成度不高，所占用的控制板面积大，从而造成了设计的复杂化和功耗的上升。还有就是核心处理器为了控制外围器件进行工作，需要和外围芯片进行频繁通信， 造成了稳定性的下降。发明内容本发明的技术解决问题是主要用来解决磁悬浮储能飞轮用拖动电机数字控制系统中核心处理器和外围芯片分立带来的系统集成度不高、硬件控制电路复杂、控制板体积大和控制系统功耗高的问题，提供一种硬件设计简洁、集成度和稳定性高的磁悬浮储能飞轮拖动电机用数字控制装置。本发明的技术解决方案是一种集成化、高可靠磁悬浮储能拖动电机用数字控制伺服装置，包括接口电路、通讯接口、DSP系统、电机功率模块、传感器电路、磁悬浮储能飞轮拖动电机本体。其中接口电路包括拖动电机速度信号接口电路、电机绕组电流信号接口电路；电机功率模块包括电机高速光电隔离电路、电机脉冲保护驱动电路、电机三相H桥逆变电路；磁悬浮储能飞轮拖动电机本体包括电机定子绕组、电机转子；传感器电路包括电机绕组电流传感器、转子位置传感器。传感器电路分别获取飞轮转子位置信号、电机绕组电流信号；接口电路接收传感器电路检测到的飞轮转速信号、电机绕组电流信号，对这些信号进行滤波与放缩处理后将处理过的信号传输给DSP系统，DSP系统接收经接口电路处理后的电机转子转速信号、电机绕组电流信号对拖动电机进行转速的主动控制。DSP系统根据磁悬浮储能飞轮拖动电机绕组的电流、转子位置信号，通过控制算法生成转速控制量并将其进行PWM调制，再将调制完成的电机PWM信号直接经过电机高速光电隔离电路、电机脉冲驱动保护电路传送给电机三相H桥逆变电路生成所需的控制电流。DSP系统根据转子位置传感器检测的飞轮转子位置信号进行飞轮转速控制。控制系统中转子位置传感器用于获得磁悬浮储能飞轮转子即电机转子的转速信号。DSP系统采用一片DSP芯片作为处理器，完成磁悬浮储能飞轮拖动电机的转速控制，DSP 控制芯片可以是 TMS320F283;35 或 TMS320M8346。[0009]DSP系统上有通讯接口，用于连接到上位控制计算机上，方便实现磁悬浮储能飞轮拖动电机用数字控制系统的在线调试。通过通讯接口磁悬浮储能飞轮拖动电机的运行状态信息可以上传到控制计算机，并可以通过通讯接口将控制计算机的控制指令下传到电机数字伺服控制系统。DSP系统通过通讯接口接收控制指令，并将磁悬浮储能飞轮运行状态参数上传至控制计算机。DSP系统将磁悬浮储能飞轮接收到的控制计算机传过来的转速指令转换为电机绕组电流指令，并比较电机绕组指令电流与传感器反馈过来的电机绕组电流，通过控制算法输出电机绕组电流控制量。磁悬浮储能飞轮拖动电机绕组电流控制量用于驱动控制系统功放，令拖动电机按预设的指令速度旋转。在解算过程中DSP系统根据飞轮当前转速值实时调整电机电流控制参数。采用的控制算法为PID控制算法或模糊控制算法。本发明的原理是本发明采用一片DSP芯片实现磁悬浮储能飞轮拖动电机的速度控制。磁悬浮储能飞轮拖动电机转速控制中主要部分为飞轮电机控制系统状态参数的采集与控制算法的实现。其中飞轮控制系统状态参数的采集主要分为模拟量的采集与数字量的采集，如飞轮电机绕组电流信号可通过DSP芯片自带的AD转换器来实现，另外转子位置信号为数字信号可通过DSP芯片自带的捕捉模块来实现电机转子位置信号的检测。本发明采用的控制算法为转速双闭环的PID。由此可见磁悬浮储能飞轮拖动电机的控制完全可以在一片DSP芯片上实现。本发明提供了磁悬浮储能飞轮拖动电机用数字控制系统进行飞轮电机控制的模拟量、数字量和脉冲信号的输入接口，提供了经功率放大的电流输出接口与信号检测环节。 由飞轮拖动电机电流传感器输出的飞轮电机绕组电流信号经DSP自带的AD转换模块直接转换为数字量，DSP对输入进来的转子位置信号根据一定的数字控制算法进行运算处理解算出速度信号；同时利用DSP自带的EPWM模块对控制信号直接进行PWM调制，输出电机PWM 调制信号以控制电机功率开关器件，对飞轮电机绕组电流进行控制，从而控制磁悬浮储能飞轮转速。本发明与现有技术相比的优点在于本发明利用了一片DSP芯片来构建磁悬浮储能飞轮拖动电机用数字控制器，与现有磁悬浮储能飞轮电机控制系统相比具有以下特点(1)较现有的磁悬浮储能飞轮拖动电机控制系统采用核心处理器搭配外围芯片的数字控制器，本发明具有集成数字控制器的优点硬件电路结构简单、体积小、功耗低、稳定性高。(2)较现有的磁悬浮储能飞轮拖动电机控制系统采用核心处理器搭配外围芯片的数字控制器，将核心处理器搭配外围控制芯片的设计方案用一片具有偏上系统功能的高速DSP芯片取代。从而节省了处理器与外围芯片的接口电路设计，降低了功耗，提高了系统的整体稳定性。(3)较现有的磁悬浮储能飞轮拖动电机控制系统采用核心处理器搭配外围芯片的数字控制器，由于具有片上系统功能的DSP芯片包含了以往电机控制系统外围芯片的所有功能，该控制系统省掉了核心处理器和外围芯片频繁的通信操作，并将这种操作转化为了 DSP内部对寄存器的操作。从而使得处理器对外围模块的控制更为简单，节省了代码量。
[0017]图1为本发明的结构组成框图；图2为本发明的飞轮电机控制原理框图；图3为本发明的DSP系统电路框图；图4为本发明的DSP系统的算法程序图；图5本发明的电机控制算法程序图；图6为本发明的单个通道的电流传感器接口电路；图7为本发明的转速信号接口电路。
具体实施方式
如图1所示，本发明包括接口电路5、DSP系统1、电机功率模块2、传感器电路4、磁悬浮储能飞轮拖动电机系统3。其中接口电路5包括转速信号接口电路12、电机绕组电流传感器接口电路11 ；电机功率模块2包括电机高速光电隔离电路6、电机脉冲驱动电路7、 电机全桥逆变电路8 ；传感器电路4包括电机绕组电流传感器9、转子位置传感器10。传感器电路4通过接口电路5连接到DSP系统1，DSP系统1通过转速信号接口电路12、电机电流传感器接口电路11分别获取飞轮转速信号和电机绕组电流信号等数据，通过一定控制算法生成电机PWM信号。电机功率模块2接收电机PWM控制脉冲信号从而控制电机绕组电流，实现对磁悬浮储能飞轮系统拖动电机的转速控制。本发明的DSP系统1上接有通讯接口 13，所述通讯接口 13连接到控制计算机上，磁悬浮储能飞轮拖动电机控制系统通过通讯接口 13将磁悬浮储能飞轮系统的运行状态信息传输到控制计算机并通过通讯接口 13将控制计算机的控制指令传输到飞轮控制系统。如图2所示，为本发明的磁悬浮储能飞轮用拖动电机控制原理框图，由控制计算机向DSP系统发送飞轮输出转速指令，DSP系统将转速指令经PID运算转换为电流指令并比较给定电流指令与反馈电流的差别，并通过PID运算输出电机绕组电流控制量，将电机绕组电流控制量进行调制生成电机绕组电流控制信号(PWM)以驱动电机功率模块。如图3所示，为本发明的DSP系统电路框图。电流传感器信号经过接口电路放大， 电平偏移后与A/D输入范围相匹配(0V 3. 3V)，然后经过前置抗混叠低通滤波(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系统1的A/D转换模块；转子位置传感器10给出的转速脉冲信号经整形、隔离后送入DSP系统1的转速信号输入端，可以用M/ T法直接计算其频率，然后DSP系统1按照数字控制的控制算法进行运算处理。飞轮电机的三相绕组电流(飞轮电机采用无刷直流电机，绕组采用星型连接方式，中线引出，U，V，W三相绕组电流为Iu，Iv, Iw)、中线电流Lii以及飞轮电机绕组端电压Vb经接口电路放大，电平偏移后与A/D输入范围相匹配(0V 3. 3V)，然后经过前置抗混叠低通滤波(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系统1的A/D模块，DSP系统1根据给定的飞轮转速指令与反馈的飞轮转子位置、绕组电流按照PID算法进行运算处理产生6路飞轮电机控制PWM信号，电机PWM直接经过电机高速光电隔离电路6，电机脉冲驱动保护电路 7传送给电机桥式逆变电路8，以BUCK变换器组成的飞轮电机逆变电路，生成飞轮电机绕组所需的控制电流，从而控制飞轮输出给定转速。如图4所示，为本发明的控制算法流程图，DSP系统通过通讯接口接收控制指令， 并将磁悬浮储能飞轮运行状态参数上传至控制计算机。另外DSP系统将磁悬浮储能飞轮转速指令经PID运算转换为电机绕组电流指令，并比较电机绕组电流指令与反馈绕组电流指令通过控制算法输出电机绕组电流控制量。电机绕组电流控制量用于驱动控制系统功放， 令磁悬浮储能飞轮拖动电机旋转。解算过程中DSP系统根据飞轮当前转速值实时调整电机电流控制参数。采用的控制算法为PID控制算法或模糊控制算法。如图5所示，为本发明的电机控制算法流程图，飞轮控制系统采用速率控制模式， 根据飞轮转速指令的需要，将给定速率指令与飞轮反馈速率指令比较通过转速环PID运算生成绕组电流控制指令，将电流控制指令与电机绕组电流比较通过电流环PID运算生成电机电流环控制量，从而控制绕组电流，进而控制飞轮输出转速(其中J为飞轮转动惯量)。如图6所示，为本发明的单个通道的电流传感器接口电路，电流传感器实时检测电机绕组线圈电流，电流传感器接口电路对电流传感器信号进行放大和电平偏移，与A/D 输入量程相匹配(OV-3. 3V)，再经过一级二阶低通滤波器，滤除高频噪声信号防止产生频谱混叠。如图7所示，为本发明的转速信号接口电路。转子位置(霍尔位置)传感器检测转子转速，并产生转速脉冲信号。转速传感器接口电路用高速光耦6W37将转速脉冲信号进行隔离，并将其幅值调整为0-3. 3V，用74HC14进行脉冲整形后送给DSP，通过测量脉冲周期实现转子转速的测量。本发明可以作为一种通用的磁悬浮储能飞轮拖动电机控制系统硬件平台，提供了足够的硬件资源。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。
权利要求1.一种磁悬浮储能飞轮拖动电机一体化数字控制系统，包括接口电路(5)、通讯接口 (13)、DSP系统(1)、电机功率模块O)、传感器电路G)、磁悬浮储能飞轮拖动电机本体(3) 和用于对DSP进行控制的上位机(14)，其特征在于接口电路( 包括转速信号接口电路 (12)和电机电流传感器接口电路(11)，电机功率模块⑵包括高速光电隔离电路(6)、控制脉冲驱动电路(7)和三相H桥逆变电路(8)；磁悬浮储能飞轮拖动电机系统包括定子线圈、 电机转子；传感器电路(4)包括电机电流传感器(9)和转子位置传感器(10)。
2.根据权利要求1所述的一种磁悬浮储能飞轮拖动电机一体化数字控制系统，其特征在于所述的DSP系统(1)采用一片DSP芯片作为处理器，DSP芯片为TMS320F28335或 TMS320F28346。
3.根据权利要求1所述的一种磁悬浮储能飞轮拖动电机一体化数字控制系统，其特征在于所述的DSP系统(1)上有通讯接口(13)。
专利摘要磁悬浮储能飞轮拖动电机数字控制系统，是一种能够用来对磁悬浮储能飞轮的驱动电机进行控制的装置，主要包括接口电路、DSP控制中枢、电机驱动功率放大模块、磁悬浮储能飞轮拖动电机本体、传感器电路。DSP控制器通过传感器接口电路获取拖动电机转速信号、电机绕组电流等数据。控制系统根据传感器接收到的电机转子位置、速度信号，以及根据拖动电机绕组线圈电流信号，对电机的运行状态进行调节。本实用新型实现了磁悬浮储能飞轮系统拖动电机数字控制器的集成化设计，使得磁悬浮储能飞轮拖动电机的控制器的稳定性和集成度大大提高，仅仅用一片片上系统级的DSP芯片就完成了飞轮电机拖动的高精度控制。
文档编号H02P6/16GK202034932SQ20102063509
公开日2011年11月9日 申请日期2010年12月1日 优先权日2010年12月1日
发明者蒋涛 申请人:北京奇峰聚能科技有限公司