[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

说明书

技术领域：

本发明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。

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。

发明内容：

本发明的技术解决问题是：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。

本发明的技术解决方案是：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。