[发明专利]一种高可靠储能飞轮磁轴承数字控制系统

说明书

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。