一种集成化的高可靠磁悬浮储能飞轮数字控制装置是一种能对磁悬浮储能飞轮系统电机与电磁轴承进行控制的装置，包括接口电路、FPGA系统、磁轴承控制功率模块、电机控制功率模块、磁悬浮储能飞轮系统、传感器电路，FPGA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、电机绕组电流等数据。一方面FPGA系统根据磁轴承转子位移信号、磁轴承线圈电流、转速信号，对电磁轴承的主动控制；另一方面FPGA系统根据转速指令、电机绕组电流、转速信号，对飞轮转速进行控制。实现了磁轴承数字控制器与电机数字控制器的集成化设计，提高了磁悬浮储能飞轮系统控制器集成度和可靠性，减小了体积和重量并降低了控制器的功耗。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种集成化的高可靠磁悬浮储能飞轮数字控制装置，用于对磁悬浮储 能飞轮系统进行主动控制，特别适用于低功耗、高可靠、高集成度等场合。
技术介绍
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很快响应速度等优点，在国际上已逐步得到应用，并且将成为 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与飞轮电机是采用两套控制系统分别进行 控制，并且大都采用DSP芯片与FPGA相结合的控制方法。这种控制方式的优点是两套控制 系统分别进行电磁轴承与飞轮电机的控制，单独的系统控制相对简单，但存在的缺点是系 统的集成度低，采用两套控制系统统、两套转速接口电路占用的体积大、功耗大、可靠性低， 磁悬浮储能飞轮控制系统与控制计算机之间的信息传输复杂，信息通过的中间环节太多， 并且由于电磁轴承控制与飞轮电机控制都需要转子位置信号，因此要转子位置信号分别传 输给电磁轴承控制系统与飞轮电机控制系统，这样就造成信号传输、硬件电路复杂。
技术实现思路
本专利技术的技术解决问题是克服现有磁悬浮储能飞轮控制系统中电磁轴承与飞轮 电机分别进行控制存在的控制系统体积大、功耗大、硬件与软件可靠性低的不足，提供一种 集成化的高可靠磁悬浮储能飞轮数字控制装置。本专利技术的技术解决方案是一种集成化的高可靠磁悬浮储能飞轮数字控制装置， 包括接口电路、通讯接口、FPGA系统、磁轴承功率模块、电机功率模块、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、电机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，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、电机半桥逆变电路；磁悬浮储能飞轮系统包括磁轴承线圈、 磁轴承转子，电机本体；传感器电路包括电机电流传感器、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 线圈电流信号和电机绕组电流信号；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和电机绕组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FPGA系统，FPGA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和电机绕组电流信号分别进行电磁轴承的 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，FPGA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；另外，FPGA系 统根据磁悬浮储能飞轮电机绕组的电流、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半桥逆变电路生成所需的控制电流；FPGA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速控制与转子悬浮控制；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。FPGA系统采用一片FPGA芯片作为处理器，完成磁轴承转子5个自由度的控制与磁 悬浮储能飞轮系统转速控制，FPGA芯片可以是EP1C6Q/12Q240C8。FPGA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。FPGA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，FPGA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；另外FPGA系统将磁悬浮储能飞轮输出转速指令转换 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，电磁轴承线圈电流控制量与电机绕组电流控制量用于驱动控制系统功 放，令磁悬浮储能飞轮转子悬浮。在解算过程中FPGA系统根据飞轮当前转速值实时 调整悬 浮控制参数，与电机电流控制参数。采用的控制算法为PID控制算法或模糊控制算法。本专利技术的原理是本专利技术采用一片FPGA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与磁悬浮储能飞轮转速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，如飞轮电机绕组电流信号，磁轴承线圈电流信号与转子位移信号 为模拟信号可通过FPGA控制AD芯片的转换时序来实现，另外转子位置信号为数字信号可 通过FPGA内部定时器检测位置信号时间来实现。本专利技术采用的控制算法为增量式PID算 法，其算法中用到了加法、乘法和除法，加法可通过带进位位的加法实现，乘法可通过将数 值向左移位实现，除法可通过将数值向右移位实现。由此可见磁悬浮储能飞轮的控制可以 在一片FPGA芯片上实现。本专利技术提供了磁悬浮储能飞轮控制系统进行电磁轴承与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。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AD芯片采样与模拟开关控制分时送到FPGA系统输入引脚，FPGA对分时采样进来 的位移信号根据一定的数字控制算法进行运算处理；同时利用FPGA的脉冲宽度调制PWM生 成器对控制信号进行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；另外一方面，由电机电流传感器输出的飞轮电机绕组电 流信号经AD芯片采样与模拟开关控制分时送到FPGA系统输入引脚，FPGA对分时采样进来 的位移信号根据一定的数字控制算法进行运算处理；同时利用FPGA的脉冲宽度调制方法 对控制信号进行PWM调制，输出电机PWM调制信号以控制电机功率开关器件，通过接口提给飞轮电机绕组电流，从而控制磁悬浮储能飞轮转速。 本专利技术与现有技术相比的优点在于本专利技术利用了一种FPGA来构建磁悬浮储能 飞轮数字控制器，与现有磁悬浮储能飞轮控制系统相比具有以下特点(1)较现有的磁悬浮储能飞轮控制系统采用电磁轴承与飞轮电机分离的数字控制 器，本专利技术具有集成数字控制器的优点电路结构简单、体积小、重量轻、功耗低、调试灵活 方便。(2)较现有的磁悬浮储能飞轮控制系统采用电磁轴承与飞轮电机分离的数字控制 器，在硬件结构方面由于将电磁轴承的控制与电机控制集成到一片FPGA上因此节省了一 套控制电路与一套转速信号接口电路，简化了硬件设计，提高了硬件控制系统的本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种集成化的高可靠磁悬浮储能飞轮数字控制装置，其特征在于包括接口电路（１）、通讯接口（２）、ＦＰＧＡ系统（３）、磁轴承功率模块（７）、电机功率模块（１２）、传感器电路（１６）、磁悬浮储能飞轮系统（８），其中接口电路（１）包括位移传感器接口电路（２４）、转速信号接口电路（２３）、磁轴承电流传感器接口电路（２２）、电机电流传感器接口电路（２１），磁轴承功率模块（７）包括磁轴承高速光电隔离电路（４）、磁轴承脉冲保护驱动电路（５）、磁轴承全桥式换能电路（６），电机功率模块（１２）包括电机高速光电隔离电路（１５）、电机脉冲保护驱动电路（１４）、电机半桥逆变电路（１３）；磁悬浮储能飞轮系统（８）包括磁轴承线圈（９）、磁轴承转子（１０），电机本体（１１）；传感器电路（１６）包括电机电流传感器（２０）、磁轴承电流传感器（１９）、转子位置传感器（１８）、转子位移传感器（１７），传感器电路（１６）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和电机绕组电流信号；接口电路（１）接收传感器电路（１６）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和电机绕组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ＦＰＧＡ系统（３），ＦＰＧＡ系统（３）接收经接口电路（１）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和电机绕组电流信号分别进行电磁轴承的主动控制与磁悬浮储能飞轮转速控制，其中磁轴承线圈（９）的电流、磁悬浮储能飞轮系统（８）转子位置与磁轴承转子（１０）位移信号，用于实现对电磁轴承的主动控制，ＦＰＧＡ系统（３）根据磁轴承线圈（９）的电流、磁悬浮储能飞轮系统（８）转子位置与磁轴承转子（１０）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（４）、磁轴承脉冲驱动保护电路（５）传送给磁轴承全桥式换能电路（６），生成磁轴承线圈（９）所需的控制电流；另外，ＦＰＧＡ系统（３）根据磁悬浮储能飞轮电机绕组的电流、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（１５）、电机脉冲驱动保护电路（１４）传送给电机半桥逆变电路（１３）生成所需的控制电流；ＦＰＧＡ系统（３）根据转子位置传感器（１８）检测的飞轮转子位置信号可分别进行电机控制；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（１７）用于获得磁悬浮储能飞轮转子的悬浮位置信号。...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：蒋涛，
申请(专利权)人：北京奇峰聚能科技有限公司，
类型：发明
国别省市：11
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