CN102011799A - 一种高可靠储能飞轮磁轴承数字控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种高可靠储能飞轮磁轴承数字控制系统，是一种能够用来对磁悬浮储能飞轮的电磁轴承进行控制的装置，其主要包括接口电路、DSP系统、磁轴承控制功率模块、磁悬浮储能飞轮系统、传感器电路。DSP系统通过接口电路获取磁轴承转子位移信号、转速信号、磁轴承线圈电流等数据。DSP系统根据磁轴承转子位移信号、磁轴承线圈电流、转速信号，对电磁轴承进行主动控制。本发明实现了磁轴承数字控制器的集成化设计，使得磁悬浮储能飞轮系统控制器集成度大大提高，减小了体积和重量，并降低了控制器的功耗，提高了控制器的可靠性。

Description

一种高可靠储能飞轮磁轴承数字控制系统

技术领域

本发明涉及一种集成化、高可靠磁悬浮储能飞轮磁轴承数字控制装置，用于对磁悬浮储能飞轮磁轴承系统进行主动控制，特别适用于低功耗、高可靠、高集成度等场合。

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系统的电磁轴承控制采用核心处理器搭配外围芯片的方式进行控制。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磁轴承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磁轴承用数字控制装置。

本发明的技术解决方案是：一种集成化、高可靠磁悬浮储能飞轮磁轴承数字控制装置，包括接口电路、通讯接口、DSP系统、磁轴承功率模块、传感器电路、磁悬浮储能飞轮系统。其中接口电路包括位移传感器接口电路、转速信号接口电路、磁轴承电流传感器接口电路；磁轴承功率模块包括磁轴承高速光电隔离电路、磁轴承脉冲保护驱动电路、磁轴承全桥式换能电路；磁悬浮储能飞轮磁轴承系统包括磁轴承线圈、磁轴承转子；传感器电路包括磁轴承电流传感器、转子位置传感器、转子位移传感器。传感器电路分别获取磁轴承转子位移信号、飞轮转速信号、磁轴承线圈电流信号；接口电路接收传感器电路检测的磁轴承转子位移信号、飞轮转速信号、磁轴承线圈电流信号将这些信号进行滤波与放缩处理并将处理后的信号传输给DSP系统，DSP系统接收经接口电路处理后的磁轴承转子位移信号、飞轮转速信号、磁轴承线圈电流信号进行电磁轴承的主动控制。其中磁轴承线圈的电流、磁悬浮储能飞轮系统转子位置与磁轴承转子位移信号，用于实现对电磁轴承的主动控制。DSP系统根据磁轴承线圈的电流、磁悬浮储能飞轮系统转子位置与磁轴承转子位移信号，通过控制算法生成转子悬浮控制量并将其进行PWM调制，再将调制完成的磁轴承PWM信号直接经过磁轴承高速光电隔离电路、磁轴承脉冲驱动保护电路传送给磁轴承全桥式换能电路，生成磁轴承线圈所需的控制电流。DSP系统根据转子位置传感器检测的飞轮转子位置信号可分别进行飞轮转子悬浮控制；控制系统中转子位置传感器用于获得磁悬浮储能飞轮的转速信号，转子位移传感器用于获得磁悬浮储能飞轮转子的悬浮位置信号。

DSP系统采用一片DSP芯片作为处理器，完成磁轴承转子5个自由度的控制，DSP芯片可以是TMS320F28335或TMS320F28346。

DSP系统上可有通讯接口，用于连接到控制计算机上，方便实现磁悬浮储能飞轮控制系统的在线调试，通过通讯接口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将控制计算机的控制指令传输到飞轮控制系统。

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系统根据电磁轴承悬浮指令与反馈的转子位移信号求解悬浮力，解算电磁轴承线圈绕组电流指令并比较电磁轴承线圈绕组电流指令与反馈线圈电流通过控制算法输出电磁轴承线圈电流控制量。电磁轴承线圈电流控制量用于驱动控制系统功放，令磁悬浮储能飞轮转子悬浮。在解算过程中DSP系统根据飞轮当前转速值实时调整悬浮控制参数。采用的控制算法为交叉PID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的控制。进行磁悬浮储能飞轮电磁轴承的主动控制中主要部分为飞轮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，如磁轴承线圈电流信号、转子位移信号为模拟信号可通过DSP自带的AD转换模块来实现，另外转子位置信号为数字信号可通过DSP自带的捕捉模块来实现位置和速度检测。本发明采用的控制算法为交叉增量式PID算法。综上所述可见磁悬浮储能飞轮磁轴承的主动控制可以在一片DSP芯片上实现。

本发明提供了磁悬浮储能飞轮磁轴承控制系统进行电磁轴承控制的模拟量、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。一方面，由位移传感器输出的五个自由度的位移信号和电流传感器检测的磁轴承线圈中的电流信号通过DSP自带的AD转换模块直接转换为数字量；同时利用DSP自带的EPWM模块控制信号进行PWM调制，输出磁轴承PWM调制信号以控制磁轴承功率开关器件，通过接口提给电磁轴承线圈控制电流从而实现磁轴承飞轮转子的稳定悬浮。

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磁轴承数字控制器，与现有磁悬浮储能飞轮磁轴承控制系统相比具有以下特点：

(1)较现有的磁悬浮储能飞轮磁轴承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磁轴承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片上系统功能的高速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磁轴承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芯片包含了以往磁轴承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。

附图说明

图1为本发明的结构组成框图；

图2为本发明的电磁轴承控制原理框图；

图3为本发明的DSP系统电路框图；

图4为本发明的飞轮转子结构示意图；

图5为本发明的DSP系统的算法程序图；

图6为本发明的磁轴承控制算法程序图；

图7为本发明的单个通道高速光电隔离电路、脉冲保护驱动电路和全桥式换能电路的电路图；

图8为本发明的单个通道的位移传感器接口电路；

图9为本发明的单个通道的电流传感器接口电路；

图10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、磁轴承功率模块2、传感器电路4、磁悬浮储能飞轮系统3。其中接口电路5包括位移传感器接口电路12、磁轴承电流传感器接口电路11、转子位置信号接口电路16；磁轴承功率模块2包括磁轴承高速光电隔离电路6、磁轴承脉冲保护驱动电路7、磁轴承全桥式换能电路8；传感器电路4包括磁轴承电流传感器9、转子位移传感器10、磁悬浮转子位置传感器15。传感器电路4通过接口电路5连接到DSP系统1，DSP系统1通过位移传感器接口电路12、磁轴承电流传感器接口电路11获取磁轴承转子位移信号、磁轴承线圈电流信号等数据，通过一定控制算法生成磁轴承PWM信号，磁轴承功率模块2接收磁轴承PWM从而控制磁轴承线圈的电流，实现对电磁轴承的主动控制。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，为本发明的电磁轴承控制原理框图，由控制计算机向DSP系统发送磁轴承悬浮位置控制指令，DSP系统比较给定控制指令与反馈的转子位移信号的差别，通过PID运算输出磁轴承线圈电流控制指令，控制系统比较线圈电流控制指令与反馈的线圈电流值的差别，通过PID运算输出磁轴承线圈电流控制量，将磁轴承线圈电流控制量进行调制生成控制信号(PWM)以驱动磁轴承功率模块，控制程序通过磁轴承线圈电流控制电磁铁的电磁力大小，从而控制转子悬浮位置。

如图3所示，为本发明的DSP系统电路框图，5路位移传感器信号(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系统自带的AD转换模块，然后DSP系统1按照数字控制的控制算法进行运算处理，产生5个自由度的控制量。通过对DSP系统1软件编程可以产生独立的3对(即六个输出)磁轴承PWM信号，磁轴承PWM信号直接经过磁轴承高速光电隔离电路6、磁轴承脉冲驱动保护电路7传送给磁轴承全桥式换能电路8，以控制功率开关器件组成的磁轴承全桥式换能电路8生成磁轴承线圈所需的控制电流，从而实现磁轴承的主动控制。

如图4所示，为本发明的飞轮转子结构示意图，飞轮转子由两个径向磁轴承悬浮，一端称为A端磁轴承，另一端为B端磁轴承，A、B端分别沿X轴、Y轴方向的线圈构成径向AX、AY、BX、BY四通道，另外转子还有一个轴向通道Z。

如图5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磁轴承运行状态参数上传至控制计算机，DSP系统根据电磁轴承悬浮指令与反馈的转子位移信号求解悬浮力，解算电磁轴承线圈绕组电流指令并比较电磁轴承线圈绕组电流指令与反馈线圈电流通过控制算法输出电磁轴承线圈电流控制量。电磁轴承线圈电流控制量用于驱动控制系统功放，令磁悬浮储能飞轮转子稳定悬浮。在解算过程中DSP系统根据飞轮当前转速值实时调整悬浮控制参数。采用的控制算法为交叉PID控制算法。

如图6所示，为本发明的磁轴承控制算法程序图，本发明的磁轴承控制采用了PID加交叉反馈的控制算法，可以有效抑制其他与转速相关的各种涡动模态振动，实现磁轴承转子的高速稳定运转。转子轴两端分别定义为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分别表示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表示轴向传感器输出的轴向位移信号。Iax、Iay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分别表示B端电流传感器X、Y方向的磁轴承线圈电流信号；Iz表示轴向电流传感器输出的轴向磁轴承线圈电流信号。

PWMax+、PWMax-为DSP输出的A端X方向的控制量的一对PWM调制信号；PWMay+、PWMay-为DSP输出的A端Y方向的控制量的一对PWM调制信号；PWMbx+、PWMbx-为DSP输出的B端X方向的控制量的一对PWM调制信号；PWMby+、PWMby-为DSP输出的B端Y方向的控制量的一对PWM调制信号；PWMz+、PWMz-为DSP输出的轴向控制量的一对PWM调制信号。输出的五个自由度的控制量算式为：

OUTax＝PIDSax(k)+(Say(k)-Sby(k))Kc

OUTbx＝PIDSbx(k)-(Say(k)-Sby(k))Kc

OUTay＝PIDSay(k)+(Sax(k)-Sbx(k))Kc

OUTby＝PIDSby(k)-(Sax(k)-Sbx(k))Kc

OUTz＝PIDSz(k)

PIDSax为A端X方向的位移偏差的PID运算结果，PIDSbx、PIDSay、PIDSby含义类推。Kc为引入了转速后的交叉反馈通道增益。为提高控制的电流响应速度将输出的控制量与电流反馈信号的偏差做PD运算，然后对该结果进行PWM调制并输出调制波形。具体的程序运算流程见图5。

如图7所示，为本发明的磁轴承功率模块单个通道高速光电隔离电路、脉冲保护驱动电路和全桥式换能电路的电路图，五个通道类似(四个径向通道AX、AY、BX、BY，一个轴向通道Z)。高速光耦TLP2630实现了DSP输出的PWM信号与强电脉冲的隔离。PWM信号经IR2110驱动功率管IRF3710。比较器LM339和6N137、4001、4025构成的电路可以防止MOSFET电源侧直通并能提供过电流保护。可以通过调节电位器W1和W2来设置电流门限值。当磁轴承或电机绕组电流超过设定值或DSP输出的一个通道的一对PWM信号出现全高时，4025都输出低电平，从而防止直流测电源直通以及磁轴承线圈、电机绕组过电流。

如图8所示，为本发明的单个通道的位移传感器接口电路，位移传感器接口电路对位移传感器输出的位移信号作差分，然后进行放大和电平偏移，与A/D输入量程相匹配(0V-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9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磁轴承线圈电流，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(0V-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10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6N137将转速脉冲信号进行隔离，并将其幅值调整为0-3.3V，用74HC14进行脉冲整形后送入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磁轴承系统硬件平台，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。

Claims (5)

1.磁悬浮储能飞轮磁轴承数字控制装置，其特征在于包括接口电路(5)、通讯接口(13)、DSP系统(1)、磁轴承功率模块(2)、传感器电路(4)、磁悬浮储能飞轮系统(3)。其中接口电路(5)包括位移传感器接口电路(12)、磁轴承电流传感器接口电路(11)、转子位置信号接口电路(16)；磁轴承功率模块(2)包括磁轴承高速光电隔离电路(6)、磁轴承脉冲保护驱动电路(7)、磁轴承H桥换能电路(8)；磁悬浮储能飞轮系统(3)包括磁轴承线圈、磁轴承转子；传感器电路(4)包括磁轴承电流传感器(9)、转子位移传感器(10)和磁悬浮转子位置传感器(15)。传感器电路(4)分别获取磁轴承转子位移信号、飞轮转速信号、磁轴承线圈电流信号；接口电路(5)接收传感器电路(4)检测的磁轴承转子位移信号、飞轮转速信号、磁轴承线圈电流信号将这些信号进行滤波与放缩处理并将处理后的信号传输给DSP系统(1)，DSP系统(1)接收经接口电路(5)处理后的磁轴承转子位移信号、飞轮转速信号、磁轴承线圈电流信号进行电磁轴承的主动控制。其中磁轴承线圈(9)的电流、磁悬浮储能飞轮系统(3)转子位置与磁轴承转子位移信号，用于实现对电磁轴承的主动控制。DSP系统(1)根据磁轴承线圈(9)的电流、磁悬浮储能飞轮系统(3)转子位置与磁轴承转子位移信号，通过控制算法生成转子悬浮控制量并将其进行PWM调制，再将调制完成的磁轴承PWM信号直接经过磁轴承高速光电隔离电路(6)、磁轴承脉冲驱动保护电路(7)传送给磁轴承全桥式换能电路(8)，生成磁轴承线圈所需的控制电流。控制系统中转子位置传感器(15)用于获得磁悬浮储能飞轮的转速信号，转子位移传感器(10)用于获得磁悬浮储能飞轮转子的悬浮位置信号。

2.根据权利要求1对所设计的磁悬浮飞轮磁轴承控制系统的整体描述，其特征在于：所述的DSP系统(1)采用一片DSP芯片作为处理器，完成磁轴承转子5个自由度的控制，DSP芯片可以是TMS320F28335或TMS320F28346。

3.根据权利要求1对所设计的磁悬浮飞轮磁轴承控制系统的整体描述，其特征在于：所述DSP系统(1)上可有通讯接口(13)，用于连接到控制计算机上，方便实现磁悬浮储能飞轮控制系统的在线调试，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。

4.根据权利要求1对所设计的磁悬浮飞轮磁轴承控制系统的整体描述，其特征在于：控制系统的算法流程为：首先由控制计算机发出控制指令，DSP系统(1)通过通讯接口(13)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(1)根据电磁轴承悬浮指令与反馈的转子位移信号求解悬浮力，解算电磁轴承线圈绕组电流指令并比较电磁轴承线圈绕组电流指令与反馈线圈电流通过控制算法输出电磁轴承线圈电流控制量。在解算过程中DSP系统(1)根据飞轮当前转速值实时调整悬浮控制参数。

5.根据权利要求1对所设计的磁悬浮飞轮磁轴承控制系统的整体描述，其特征在于：所述的控制算法为带交叉反馈的PID控制算法。

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