CN103888033A - 一种集成化的磁悬浮储能飞轮双电机控制系统 - Google Patents
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Abstract
一种集成化的磁悬浮储能飞轮双电机控制系统，包括DSP控制系统、上/下电机Buck电路、上/下电机三相桥逆变电路、BOOST电路、上/下电机电流和位置检测电路、放电电压检测电路和转速检测电路，DSP控制系统包括DSP芯片和CPLD芯片，DSP芯片与CPLD芯片连接，DSP控制系统分别与上/下电机Buck电路、上/下电机三相桥逆变电路、上/下电机电流和位置检测电路、放电电压检测电路、转速检测电路、BOOST电路连接。本系统实现了对磁悬浮储能飞轮双电机的高精度控制，更加精准可靠的实现了磁悬浮储能飞轮双电机充/放电的要求，而且降低了成本，提高了系统的可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及电气控制领域，具体涉及一种集成化的磁悬浮储能飞轮双电机控制系统。
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。
由于磁悬浮储能飞轮需要通过自身存储的能量为控制系统供电，实现对飞轮的悬浮控制和在超高速的情况下的充/放电控制，因此，对于整体电机控制装置的精确度，可靠性和稳定性等方面提出了较高的要求。
目前磁悬浮储能飞轮双电机控制系统一般采用每个电机单独的控制系统。这种方案的优点是：每个电机单独控制，都是独立的系统，互不影响。但是这种方案的缺点是：整个硬件系统体积大、功耗高、集成度差，并且存在较大的资源浪费。
发明内容
基于以上不足之处，本发明的技术解决问题是：提供了一种硬件设计简洁，集成度高，稳定性好，精度高的磁悬浮储能飞轮双电机控制系统。
本发明的技术解决方案是：一种集成化的磁悬浮储能飞轮双电机控制系统，包括DSP控制系统、上/下电机Buck电路、上/下电机三相桥逆变电路、BOOST电路、上/下电机电流和位置检测电路、放电电压检测电路和转速检测电路，DSP控制系统包括DSP芯片和CPLD芯片，DSP芯片与CPLD芯片连接，DSP控制系统分别与上/下电机Buck电路、上/下电机三相桥逆变电路、上/下电机电流和位置检测电路、放电电压检测电路、转速检测电路、BOOST电路连接；母线电压与上电机Buck电路连接，上电机Buck电路与上电机三相桥逆变电路连接，上电机三相桥逆变电路与上电机连接；母线电压与下电机Buck电路连接，下电机Buck电路与下电机三相桥逆变电路连接，下电机三相桥逆变电路与上电机连接；上/下电机三相桥逆变电路分别与BOOST电路连接，BOOST电路与负载电路连接，放电电压检测电路与BOOST电路连接；上/下电机分别与转速检测电路连接，上电机与上电机电流和位置检测电路连接，下电机与下电机电流和位置检测电路连接。
本发明还具有如下特征：
1、储能飞轮充电时，DSP控制系统分别发出上/下电机的定子电流控制信号通过对上电机Buck电路和下电机BUCK电路进行电压控制，达到对上电机和下电机的电压值的调节，从而对上电机和下电机的定子电流进行控制；DSP控制系统分别发出上/下路三相桥逆变电路的控制信号用于对上/下电机三相桥逆变电路分别驱动上电机和下电机按给定的方向、速度和定子电流大小进行充电，上/下电机电流和位置检测电路分别检测上/下电机转子位置，从而判断电机的换相顺序，并将该上/下电机位置信号和电流信号传输给DSP控制系统，DSP控制系统根据给定的充电电流与反馈的电流值的比较，采用PID控制算法使上/下电机的充电电流维持在一个稳定的值，从而使上/下电机的充电电流实现闭环控制。
2、储能飞轮放电时，电机升速到额定转速后，DSP控制系统统根据控制要求，DSP控制系统产生放电控制信号，DSP控制系统统按照给定值以及Boost电路电压反馈值采用PID控制算法进行双闭环控制，通过调整BOOST电路的上的占空比，BOOST电路将上电机和下电机由动能产生的电能稳压到给定电压值，然后为负载电路供电。
3、所述的DSP控制系统分别发出上/下三相桥逆变电路的控制信号为脉宽调制PWM信号。
4、所述的上电机和下电机为直流电机。
5、所述的DSP芯片为TMS320F28335。
6、所述的CPLD芯片为EPM7256AET144-7。
本系统实现了对磁悬浮储能飞轮双电机的高精度控制，更加精准可靠的实现了磁悬浮储能飞轮双电机充/放电的要求。
本发明与现有技术相比的优点在于，采用DSP芯片加CPLD来构建磁悬浮储能飞轮双电机控制系统，与现有的采用两套独立的磁悬浮储能飞轮电机控制系统相比，具有以下特点：
(1)采用DSP芯片加CPLD作为核心处理器，同时控制两路BUCK信号，一路BOOST信号以及两路三相桥逆变电路，具有系统集成度高，可靠性好，硬件电路结构简单，体积小，功耗低等优点。
(2)采用DSP芯片加CPLD作为核心处理器，减少了系统操作难度，降低了成本，提高了控制系统的稳定性，由于采样参数的增加，也使得系统的整体控制精度更高。
附图说明
图1为本发明的结构组成框图；
图3为本发明中的上下电机驱动框图；
图3为本发明中的上下电机BUCK供电框图；
图4为本发明中的BOOST电路框图；
具体实施方式
下面结合上说明书附图举例对本发明作进一步说明：
实施例1：
如图：1所示，本发明包括：一种集成化的磁悬浮储能飞轮双电机控制系统，包括DSP控制系统1、上/下电机Buck电路2.3、上/下电机三相桥逆变电路4.5、BOOST电路6、上/下电机电流和位置检测电路7.8、放电电压检测电路9和转速检测电路10，DSP控制系统1包括DSP芯片和CPLD芯片，DSP芯片与CPLD芯片连接，DSP控制系统1分别与上/下电机Buck电路2.3、上/下电机三相桥逆变电路4.5、上/下电机电流和位置检测电路7.8、放电电压检测电路9、转速检测电路10、BOOST电路6连接；母线电压与上电机Buck电路2连接，上电机Buck电路2与上电机三相桥逆变电路4连接，上电机三相桥逆变电路4与上电机连接；母线电压与下电机Buck电路3连接，下电机Buck电路3与下电机三相桥逆变电路5连接，下电机三相桥逆变电路5与上电机连接；上/下电机三相桥逆变电路4.5分别与BOOST电路6连接，BOOST电路6与负载电路连接，放电电压检测电路9与BOOST电路6连接；上/下电机分别与转速检测电路10连接，上电机与上电机电流和位置检测电路7连接，下电机与下电机电流和位置检测电路8连接。
储能飞轮充电时，DSP控制系统1分别发出上/下电机的定子电流控制信号通过对上电机Buck电路2和下电机BUCK电路3进行电压控制，达到对上电机和下电机的电压值的调节，从而对上电机和下电机的定子电流进行控制；DSP控制系统分别发出上/下路三相桥逆变电路的控制信号用于对上/下电机三相桥逆变电路4.5分别驱动上电机和下电机按给定的方向、速度和定子电流大小进行充电，上/下电机电流和位置检测电路7.8分别检测上/下电机转子位置，从而判断电机的换相顺序，并将该上/下电机位置信号和电流信号传输给DSP控制系统1；DSP控制系统1根据给定的充电电流与反馈的电流值的比较，采用PID控制算法使上/下电机的充电电流维持在一个稳定的值，从而使上/下电机的充电电流实现闭环控制。
储能飞轮放电时，电机升速到额定转速后，DSP控制系统统1根据控制要求，产生放电控制信号，DSP控制系统1按照给定值以及Boost电路电压6反馈值采用PID控制算法进行双闭环控制，通过调整BOOST电路6的上的占空比，BOOST电路6将上电机和下电机由动能产生的电能稳压到给定电压值，然后为负载电路供电。
所述的DSP控制系统1分别发出上/下三相桥逆变电路的控制信号为脉宽调制PWM信号。所述的上电机和下电机为直流电机。所述的DSP芯片为TMS320F28335。所述的CPLD芯片为EPM7256AET144-7。
实施例2：
如图2所示，DSP控制系统通过对上下电机转子位置传感器信号的检测进行逻辑变化后产生脉宽调制PWM信号，产生的控制信号经过功率驱动芯片分别加到上电机的三相桥逆变电路及下电机的三相桥逆变电路，每路三相桥逆变电路都包括六个开关管，电动机每转一周要经过六次换相，每次换相都有两个开关管导通，但是每一对上下管不能同时导通，开关管的不同顺序导通控制电动机各相绕组按一定顺序工作，于是在电机气隙中产生跳跃式旋转磁场，电机便可以转动。
如图3所示，为磁悬浮储能飞轮中的双Buck结构，Buck变换器也称为降压式变换器，是一种输出电压小于输入电压的单管不隔离直流变换器。DSP控制系统产生的PWM控制信号分别加到双Buck电路和三相逆变桥的开关管，当母线电压直接加到三相桥两端时，由于开关管的降压作用导致开关管发热严重。为了解决这个问题，母线电压先经过Buck电路降压，然后再加到三相桥的两端，开关管的发热明显减小，保证了三相逆变电路的可靠性与稳定性。为磁悬浮储能飞轮中的双Buck结构，Buck变换器也称为降压式变换器，是一种输出电压小于输入电压的单管不隔离直流变换器。DSP处理器系统根据给定的充电电流与反馈的电流值的比较，采用PID控制算法使电机的充电电流维持在一个稳定的值，从而使电机的充电电流实现闭环控制。
如图4所示为本发明的Boost放电结构框图，Boost变换器也称为升压变换器，是一种输出电压高于输入电压的单管不隔离直流变换器。当电机升速到额定转速后，需要对储能飞轮进行放电，DSP控制系统根据控制要求，产生放电控制信号，通过调整BOOST电路的上的占空比，按照系统给定值以及Boost电路电压反馈值采用PID控制算法进行双闭环控制，满足负载电路的电压和电流要求。
本系统不仅实现了双电机连续充放电的功能，而且降低了成本，提高了系统的可靠性。
Claims (7)
1.一种集成化的磁悬浮储能飞轮双电机控制系统，包括DSP控制系统、上/下电机Buck电路、上/下电机三相桥逆变电路、BOOST电路、上/下电机电流和位置检测电路、放电电压检测电路和转速检测电路，其特征在于：DSP控制系统包括DSP芯片和CPLD芯片，DSP芯片与CPLD芯片连接，DSP控制系统分别与上/下电机Buck电路、上/下电机三相桥逆变电路、上/下电机电流和位置检测电路、放电电压检测电路、转速检测电路、BOOST电路连接；母线电压与上电机Buck电路连接，上电机Buck电路与上电机三相桥逆变电路连接，上电机三相桥逆变电路与上电机连接；母线电压与下电机Buck电路连接，下电机Buck电路与下电机三相桥逆变电路连接，下电机三相桥逆变电路与上电机连接；上/下电机三相桥逆变电路分别与BOOST电路连接，BOOST电路与负载电路连接，放电电压检测电路与BOOST电路连接；上/下电机分别与转速检测电路连接，上电机与上电机电流和位置检测电路连接，下电机与下电机电流和位置检测电路连接。
2.根据权利要求1所述的一种集成化的磁悬浮储能飞轮双电机控制系统，其特征在于：储能飞轮充电时，DSP控制系统分别发出上/下电机的定子电流控制信号通过对上电机Buck电路和下电机BUCK电路进行电压控制，达到对上电机和下电机的电压值的调节，从而对上电机和下电机的定子电流进行控制；DSP控制系统分别发出上/下路三相桥逆变电路的控制信号用于对上/下电机三相桥逆变电路分别驱动上电机和下电机按给定的方向、速度和定子电流大小进行充电，上/下电机电流和位置检测电路分别检测上/下电机转子位置，从而判断电机的换相顺序，并将该上/下电机位置信号和电流信号传输给DSP控制系统，DSP控制系统根据给定的充电电流与反馈的电流值的比较，采用PID控制算法使上/下电机的充电电流维持在一个稳定的值，从而使上/下电机的充电电流实现闭环控制。
3.根据权利要求1所述的一种集成化的磁悬浮储能飞轮双电机控制系统，其特征在于：储能飞轮放电时，电机升速到额定转速后，DSP控制系根据控制要求，产生放电控制信号，DSP控制系统按照给定值以及Boost电路电压反馈值采用PID控制算法进行双闭环控制，通过调整BOOST电路的上的占空比，BOOST电路将上电机和下电机由动能产生的电能稳压到给定电压值，然后为负载电路供电。
4.根据权利要求1所述的一种集成化的磁悬浮储能飞轮双电机控制系统，其特征在于：所述的DSP控制系统分别发出上/下三相桥逆变电路的控制信号为脉宽调制PWM信号。
5.根据权利要求1-3任一项所述的一种集成化的磁悬浮储能飞轮双电机控制系统，其特征在于：所述的上电机和下电机为直流电机。
6.根据权利要求1所述的一种集成化的磁悬浮储能飞轮双电机控制系统，其特征在于：所述的DSP芯片为TMS320F28335。
7.根据权利要求1所述的一种集成化的磁悬浮储能飞轮双电机控制系统，其特征在于：所述的CPLD芯片为EPM7256AET144-7。
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