[发明专利]基于DSP和FPGA的储能飞轮磁轴承控制系统及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于DSP和FPGA的储能飞轮磁轴承控制系统及方法。

背景技术

储能飞轮是一种的机械储能装置，具有高效率、高储能密度，绿色环保，使用寿命长，充放电迅速等优点，是新能源中的关键设备，是国际电力电子研究的热点。目前储能飞轮的控制系统主要采用单微处理器芯片(例如DSP芯片)搭配控制驱动电路来进行控制。此种控制方案最大优点是控制系统电路比较简单，但是这种方案最大缺点是系统的自动化控制程度不高和无法对磁轴承的运行状况在线实时监测。

发明内容

基于以上缺点，本发明公开一种基于DSP和FPGA的储能飞轮磁轴承控制系统及方法，主要用来解决储能飞轮的采用单微处理芯片控制系统自动化控制程度不高和无法对运行状况在线实时监测等问题，同时还能对飞轮的运行状况实时监测。本系统用于对储能飞轮磁轴承系统进行稳定悬浮控制和实时运行状况监测，特别适用于高精度、高自动化控制等场合。

本发明的技术解决方案是：一种基于DSP和FPGA的储能飞轮磁轴承控制系统，包括DSP算法模块(2)、FPGA驱动控制模块(1)、磁轴承功率模块(7)、磁轴承信号监测模块(5)、磁轴承信号调理模块(4)、A/D转换模块(3)、LCD显示模块(8)、键盘(11)、上位机通信模块(9)、FPGA驱动控制模块(1)包括A/D控制器模块(12)、LCD控制器(13)、PWM发生器(14)、SCI通信模块(15)、双端口RAM(16)和键盘控制器(17)，DSP算法模块(2)电信号连接FPGA驱动控制模块(1)，磁轴承功率模块(7)电信号连接FPGA驱动控制模块(1)的PMW发生器(14)，键盘(11)电信号连接FPGA驱动控制模块(1)的键盘控制器，上位机通信模块(9)电信号连接FPGA驱动控制模块(1)的SCI通信控制器(15)，LCD显示模块(8)电信号连接FPGA驱动控制模块(1)的LCD控制器(13)，磁轴承信号监测模块(5)电信号连接磁轴承信号调理模块(4)，磁轴承信号调理模块(4)电信号连接A/D转换模块(3)，A/D转换模块(3)电信号连接FPGA驱动控制模块(1)的A/D采样控制器(12)，磁轴承功率模块(7)电信号连接飞轮磁轴承，通过PWM完成飞轮磁轴承线圈电流大小控制，来完成对飞轮运行的实时控制；磁轴承信号监测模块(5)电信号连接对飞轮磁轴承转子位移信号和磁轴承线圈电流线信号的监测。

本发明还具有如下特征：

1、所述的DSP算法模块(2)采用BP神经网络-PID算法完成对磁轴承的稳定悬浮控制，采用FFT算法完成对磁轴承运行状况的实时监控。

2、所述的DSP算法模块(2)采用TMS320F28335，FPGA驱动控制模块(1)采用EP2C8Q208C8。

3、一种基于DSP和FPGA的储能飞轮磁轴承控制方法，如下：磁轴承信号监测模块(5)中电流传感器和电涡流传感器分别捕获磁轴承线圈电流信号、磁轴承转子位移信号，信号调理模块(4)对磁轴承信号监测模块(5)捕获的信号进行滤波与放大，把信号调理在0-2.5V的范围内，FPGA驱动控制模块(1)通过A/D采样控制器(12)控制A/D转换模块(3)对调理后电流信号和位移信号的采集，并将采集后的数据存放在FPGA的内嵌双端口RAM(16)中，DSP算法模块(2)从FPGA驱动控制模块(1)的内嵌双端口RAM(16)中读取数据，通过BP神经元-PID算法(18)和FFT算法(19)处理数据生成磁轴承控制信号和磁轴承实时监测信号，处理后数据又被存放在FPGA驱动控制模块(1)中内嵌双端口RAM(16)中，FPGA驱动控制模块(1)读取这些信息，一方面驱动LCD控制器(13)在LCD显示模块(8)上显示频谱信号，另一面驱动PWM发生器生成PWM波，通过磁轴承功率模块(7)控制飞轮本体(6)。

本发明与现有技术相比的优点在于：本发明利用了DSP芯片和FPGA芯片来构建储能飞轮磁轴承自动控制系统，与现有储能飞轮磁轴承控制系统相比具有以下突出特点：

(1)较现有的储能飞轮磁轴承控制系统采用两片核心处理器搭配外围电路的数字控制系统，本发明具有模块化设计的优点：电路简单、系统稳定、控制精度高。

(2)较现有的储能飞轮磁轴承控制系统采用两片核心处理器搭配外围电路的数字控制系统，系统需要的大量数据运算由浮点型芯片DSP来完成，使得系统实时控制和实时监测能力更强，提高了系统的整体精确度。