[发明专利]一种集成化的高可靠磁悬浮储能飞轮数字控制装置

权利要求书

1.一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。

2.根据权利要求1所述的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：所述的FPGA系统(3)采用一片FPGA芯片作为处理器，完成磁轴承转子(10)5个自由度的控制与磁悬浮储能飞轮系统(8)转速控制，FPGA芯片可以是EP1C6Q/12Q240C8。

3.根据权利要求1所述的所述的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：所述FPGA系统(3)上可有通讯接口(2)，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(2)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(2)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所述的所述的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：控制系统的算法流程为：首先由控制计算机发出控制指令，FPGA系统(3)通过通讯接口(2)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(3)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(3)将磁悬浮储能飞轮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(3)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。

5.根据权利要求1所述的所述的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：所述的控制算法为PID控制算法或模糊控制算法。