[发明专利]一种磁悬浮反作用飞轮电机控制系统

权利要求书

1.一种磁悬浮反作用飞轮电机控制系统，其特征在于：由稳恒直流电源(1)、Cuk 升降压变换器(2)、能耗单元(3)、三相星型半桥(4)、永磁无刷直流电动机(5)、 位置检测装置(6)和数字控制器(7)组成，稳恒直流电源(1)提供给Cuk升降压变 换器(2)一个恒定电压，Cuk升降压变换器(2)经能耗单元(3)、检测电阻R和三 相星型半桥(4)接永磁无刷直流电动机(5)，Cuk升降压变换器(2)用于对稳恒直 流电源(1)输出电压进行升降压变换，能耗单元(3)用于降速过程中的能耗制动，检 测电阻R在三相星型半桥(4)与地之间，用于检测永磁无刷直流电动机绕组电流，通 过三相星型半桥(4)对永磁无刷直流电动机(5)进行换相控制，位置检测装置(6) 用于检测永磁无刷直流电动机(5)转子位置信号，将其送入数字控制器(7)，在数字 控制器(7)中根据换相表产生PWM1～PWM3信号用于控制三相星型半桥(4)，同时 数字控制器(7)对永磁无刷直流电动机(5)绕组电流和Cuk升降压变换器(2)输出 电压进行采样，并经转速调节和电流调节转换成PWM4信号和PWM5信号，其中PWM4 信号用于控制能耗单元(3)，PWM5信号用于控制Cuk升降压变换器(2)的变压比， 且随着永磁无刷直流电动机(5)转子转速的变化实时调整Cuk升降压变换器(2)变压 比以控制永磁无刷直流电动机(5)的驱动电压；三相星型半桥(4)包括三个自关断功 率器件，其漏极分别接永磁无刷直流电动机的三相绕组，通过调整三个自关断功率器件 的开通与关断对永磁无刷直流电动机(5)的换相进行控制，源极接检测电阻R输出端；

所述的Cuk升降压变换器(2)包括输入滤波电感(21)、自关断功率器件(22)、 输入滤波电解电容(23)、快恢复功率二极管(24)、输出滤波电感(25)和输出滤波 电解电容(26)，其中输入滤波电感(21)一端接稳恒直流电源(1)的输出端，另一 端接自关断功率器件(22)的漏极和输入滤波电解电容(23)，输入滤波电解电容(23) 输出端分别接快恢复二极管(24)的阳极和输出滤波电感(25)的输入端，输出滤波电 感(25)的输出端分别接输出滤波电解电容(26)和永磁无刷直流电动机(5)中线， 自关断功率器件(22)源极、快恢复二极管(24)的阴极、输出滤波电解电容(26)的 输出端均接地，其中输入滤波电解电容(23)用于能量传递并和输入滤波电感(21)对 稳恒直流电源(1)电压进行滤波，输出滤波电感(25)和输出滤波电解电容(26)用 于储能并对输出电压进行滤波，通过控制自关断功率器件(22)导通与关断时间对Cuk 升降压变换器(2)变压比进行调整；

为使Cuk升降压变换器工作在电流连续导通模式下，Cuk升降压变换器须满足如下 关系：

2Lf_s/R₁≥(1-D)²，其中L为输入滤波电感(21)与输出滤波电感(25)的并联等效值， R₁为永磁无刷直流电动机等效电阻，f_s为调制频率，D为Cuk升降压变换器(2)的自 关断功率器件(22)导通比；

所述数字控制器(7)由DSP(71)、FPGA(72)、E²PROM(73)、模数转换模 块(74)和数字I/O(75)组成，数字I/O(75)用于将位置检测装置(6)输出的永磁 无刷直流电动机(5)转子位置信号传给FPGA(72)，在FPGA(72)中根据换相表生 成PWM1～PWM3信号用于控制三相星型半桥(4)，E²PROM(73)用于存储DSP(71) 的运算源程序，模数转换模块(74)对Cuk升降压变换器(2)输出电压、永磁无刷直 流电动机(5)绕组电流、永磁无刷直流电动机(5)转子位置信号进行采样，由FPGA (72)读取采样值传给DSP(71)，经转速调节和电流调节后由FPGA(72)生成PWM4 信号和PWM5信号；

当永磁无刷直流电动机(5)转子转速低于3000r/min时，FPGA(72)输出的PWM5 占空比小于0.5，Cuk升降压变换器(2)变压比小于1，当永磁无刷直流电动机(5)转 子转速高于3000r/min时，FPGA(72)输出的PWM5信号占空比将大于0.5，Cuk升降 压变换器(2)变压比大于1，当永磁无刷直流电动机(5)转子转速为5000r/min时， FPGA(72)输出的PWM5信号占空比等于0.6，Cuk升降压变换器(2)变压比等于1.5。