CN1968003A - 一种低耗、高可靠集成磁悬浮飞轮直流无刷电动机控制系统 - Google Patents

Abstract

一种低耗、高可靠集成磁悬浮飞轮直流无刷电动机控制系统，是一种能够对磁悬浮飞轮用直流无刷电动机进行高精度控制的数字装置，其主要包括FPGA系统、电流检测反馈模块、位置传感器接口电路和功率模块。FPGA模块从上位机获得期望转速，通过位置传感器接口电路、电流检测反馈模块获取位置信号、电流信号，按照在FPGA片内基于硬件编程实现的控制算法进行运算生成控制量并进行降压斩波PWM调制和PWM调制，再将调制后的PWM脉冲经功率放大模块后生成电机所需的控制电流，从而实现对直流无刷电动机的高精度控制。本发明通过FPGA实现了直流无刷电动机控制器的集成化、低功耗、高可靠性等特性；通过先进的控制算法实现了直流无刷电动机的高精度控制。

Description

一种低耗、高可靠集成磁悬浮飞轮直流无刷电动机控制系统

技术领域

本发明涉及一种低耗、高可靠集成磁悬浮飞轮直流无刷电动机控制系统，实现对磁悬浮飞轮驱动用高速直流无刷电动机进行高精度控制，适用于低功耗、高集成度、高可靠性、高精度的精密航天器控制执行机构，同样适用于对功耗、可靠性、集成度要求不太高的直流无刷电动机控制系统。

背景技术

飞轮系统是中小型空间飞行器关键的姿态控制执行机构，它通过改变转子的转速来产生空间飞行器姿态控制所需的控制力矩，从而精确地控制空间飞行器的姿态。

现有的磁悬浮飞轮用电动机控制系统分为模拟控制系统和数字控制系统两大类。由于以运算放大器为核心的模拟控制系统难于实现比较复杂的控制算法，难于满足磁悬浮飞轮高精度控制的需要，而且中小型航天器上的空间和能量供给十分有限，控制系统的体积和功耗是一个必须谨慎考虑的因素，因此数字控制系统是必然选择。

数字控制系统的优点表现在：参数修改方便，能够实现复杂的控制算法，能够满足高精度控制的要求。另外数字控制系统适合集成化、模块化设计，相对于模拟控制系统其体积大大缩小，而且功耗明显降低，这对于航天应用非常有吸引力。数字系统的优势还在于更新换代只涉及软件不用对硬件进行改变，因此控制系统的更新换代变得更加容易实现。

现有的磁悬浮飞轮电动机数字控制系统一般以DSP为运算核心，加上外围电路构成。由于空间环境十分复杂，对电子电路和所用芯片的可靠性有较高的要求，由普通的DSP构成的电动机控制系统虽然能够完成对磁悬浮飞轮电动机的控制，但是DSP本身可靠性低，加之需要大量外围器件的配合，进一步降低了系统可靠性，无法应用于航天。国外虽然有一些宇航级的DSP芯片，又对我国进行技术封锁，故急需寻求一种能够应用于航天的高可靠性磁悬浮飞轮电动机数字控制系统。

因此，现有的磁悬浮飞轮电动机用控制系统，无论是模拟控制系统还是基于DSP实现的数字控制系统，由于存在大量的外围电路，无法实现高集成化设计，均存在功耗偏大的问题，难以满足航天器上能量供给有限的要求，而且由于从控制器输出的控制信号到电动机驱动用PWM脉冲之间有需要有D/A转换电路和PWM脉冲生成电路，进一步加大了系统的功耗，降低了系统的可靠性。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有模拟控制系统和以DSP为核心的数字控制系统的不足，提供一种低耗、高可靠集成磁悬浮飞轮直流无刷电动机控制系统，使其满足当前磁悬浮飞轮电动机控制系统的需求，并可推广应用到其他对功耗、可靠性、精度要求较高的电动机控制系统。

本发明的技术解决方案是：一种低耗、高可靠集成磁悬浮飞轮直流无刷电动机控制系统，其特征在于：包括FPGA系统(1)、上位机接口电路(4)、位置传感器接口电路(5)、功率模块(8)、电流检测反馈模块(12)，FPGA系统(1)通过上位机接口电路(4)从上位机获得期望转速，该期望转速作为电动机控制算法中的转速参考值；由位置传感器输出的数字化位置信号经位置传感器接口电路(5)直接输入至FPGA系统(1)，FPGA系统(1)解算出电动机当前的位置值和速度值，同时电流检测反馈模块(12)检测电动机的电流值，该电流信号一路产生过流保护信号反馈至功率模块(8)，实现过流保护，另一路在FPGA(1)的控制下对该电流值进行采样和模数转换后反馈至FPGA系统(1)，在FPGA系统(1)内进行位置、速度、电流三环控制，产生PWM脉冲，该脉冲经功率模块(8)后生成电机所需的控制电流，从而实现对直流无刷电动机的高精度控制；同时FPGA(1)产生降压斩波B-PWM脉冲，用以调整加在功率模块(8)中的三相逆变桥电路功率管的端电压，从而控制电动机驱动控制用电流PWM脉冲的幅值，以降低电流PWM脉冲引起的电动机的涡流损耗。

所述的FPGA系统(1)包括：硬件电路部分和在FPGA片内基于硬件编程实现的控制算法部分构成，硬件电路部分由一片FPGA芯片和相应的电源配置芯片构成，在FPGA片内基于硬件编程实现的控制算法包括：位置、速度计算算法(2)、软件锁相环算法(17)、电流调节算法(16)、PWM脉冲产生算法(15)、降压斩波PWM脉冲产生算法(18)、AD控制算法(14)，FPGA系统(1)从位置传感器接口电路(5)获得包含位置值和速度值的脉冲信号，并解算出该位置值和速度值，该值和从上位机(3)获得的期望转速作差生成软件锁相环算法(17)的输入信号，软件锁相环算法(17)输出控制量作为电流参考值，由AD控制算法(14)控制的电流传感器接口电路(13)获得的电流反馈值，该参考值和反馈值作差经电流调节算法(16)，得到电流输出值，并由PWM脉冲产生算法(15)生成驱动电机所需的PWM脉冲，结合降压斩波PWM脉冲产生算法(18)生成的降压斩波用PWM脉冲输出至功率模块，最终驱动电动机运转。

本发明的原理是：由位置传感器输出的数字化位置信号经位置传感器接口电路直接输入至FPGA系统，FPGA片内实现的算法根据输入的位置信号，解算出电动机当前的位置值和速度值；FPGA系统获得上位机给出的期望转速；电流传感器检测的电动机的电流值，该电流信号一方面产生过流保护信号反馈至功率模块，实现过流保护，一方面通过由FPGA内部算法控制的电流传感器接口电路进行AD采样，反馈输入至FPGA系统。FPGA系统进行位置、速度、电流三环控制，产生PWM脉冲，该脉冲经高速光耦电路、驱动电路、三相逆变桥，从而产生电动机驱动控制所需要的电流PWM脉冲。

由于PWM引起的电动机的铁耗的大小与电流PWM脉冲的幅值平方成正比，因此降低调速时的电流PWM脉冲幅值可以有效地降低电动机的铁耗。在升速过程中，反电势峰值电压反馈接口电路检测电动机中某一相定子反电势峰值电压，并通过反电势峰值电压反馈接口电路输入至FPGA，通过相应的控制算法，产生降压斩波B-PWM脉冲，该脉冲经降压斩波模块，用以调整加在三相逆变桥电路功率管的端电压，从而控制电动机驱动控制用电流PWM脉冲的幅值，有效减低了电流PWM脉冲引起的电动机的涡流损耗。通过以上方案从而实现磁悬浮飞轮电动机的低功耗、高精度转速控制。

本发明与现有技术相比优点在于：

(1)本发明采用的FPGA和传统的以运算放大器为核心的模拟控制系统相比，能够提供更加复杂的控制算法，从而提高电动机转速的控制精度，而且其功耗也显著降低，在FPGA片内基于硬件编程实现控制算法，和以DSP为核心的数字控制系统相比，除了具有一般数字系统的调试灵活的特点之外，其功耗进一步降低，集成度、可靠性大大提高。

(2)本发明省去了现有数字控制系统中的D/A环节以及模拟功放中的PWM产生电路，直接在FPGA内部调制成PWM脉冲输出，简化了电路，而且可以在FPGA内部进行算法并行处理运算，加快了系统响应速度、减少了时延、提高了系统的抗干扰能力。

(3)本发明在FPGA系统内的FPGA芯片内基于硬件编程实现了以往需实际电路才能实现的控制算法实现电路和直流无刷电动机PWM脉冲生成电路，输出的信号为所需的控制信号，即FPGA系统完成控制量的解算之后，输出的控制信号为PWM脉冲，FPGA系统和功率模块之间没有D/A转换电路和任何模拟的或者数字的PWM脉冲产生电路，省去了大量的处理电路，降低了控制系统的功耗，提高了系统的集成度和可靠性。

(4)采用FPGA后简化了控制系统电路的设计，同时由于FPGA系统可以进行算法的并行处理，加快了系统的响应速度、减少了延时、提高了系统的控制精度和抗干扰能力。

(5)采用一片FPGA芯片并由在该片内基于硬件编程实现的特定的控制算法降低了现有数字控制系统功耗大的问题。由斩波调压控制算法使得三相逆变桥功率管端电压可调，该可调电压用来调整电动机控制用电流PWM波的幅值，从而减小涡流损耗，使得整个飞轮系统的功耗进一步降低。特别适合应用于航天等对功耗有严格要求的场合。

(6)采用位置、速度、电流三闭环控制算法保证了电动机转速的高精度控制。通过在FPGA片内基于硬件编程实现的软件锁相环，使得电动机能够以较高的精度稳定的运转在任意期望转速下，适合应用于高精度的航天器的姿态执行机构。

附图说明

图1为本发明的结构组成框图；

图2为本发明的控制原理框图；

图3为本发明的FPGA系统的硬件电路部分框图；

图4为本发明的软件锁相环算法流程框图；

图5为本发明的降压斩波PWM脉冲产生算法原理框图；

图6为本发明的功率模块部分电路框图；

图7为本发明的降压斩波模块框图；

图8为本发明的电流检测反馈框图；

图9为本发明的电流调节算法流程图；

图10为本发明的PWM脉冲产生算法流程图；

图11为本发明的位置、速度计算算法流程图；

图12为本发明的AD控制算法原理框图。

具体实施方式

如图1所示，本发明主要由FPGA系统1、接口电路4、位置传感器接口电路5、功率模块8、电流检测反馈模块12组成，其中FPGA系统1包括：硬件电路部分和在FPGA片内基于硬件编程实现的控制算法部分构成，硬件电路部分由一片FPGA芯片和相应的电源配置芯片构成，在FPGA片内基于硬件编程实现的控制算法包括：位置和速度计算算法2、软件锁相环算法17、电流调节算法16、PWM脉冲产生算法15、降压斩波PWM脉冲产生算法18、AD控制算法14。功率模块8包括反电势峰值电压反馈接口电路6、降压斩波模块7、高速光耦隔离电路19、驱动电路20、三相逆变桥电路9五个部分组成。电流检测反馈模块12由电流传感器10、过流保护信号产生电路11、电流传感器接口电路13三个部分组成。

FPGA系统1通过接口电路4从上位机获得期望转速，作为转速的参考值。位置传感器接口电路5将位置传感器检测的数字化的0～5V位置电压脉冲信号转换成0～3.3V的FPGA系统1的输入信号，该输入信号被FPGA系统1获得之后，经位置、速度计算算法运算直接得出电动机当前的位置和速度，该位置和速度则是软件锁相环算法17所需的反馈输入信号。电流传感器10检测电动机的电流值，将其传给过流保护信号产生电路11，产生过流保护信号，并传给驱动电路20，实现过流保护，检测到的电流值同时输入给电流传感器接口电路13，该电路在AD控制算法14的控制下，对电流值进行采样和模数转换，并转换成0～3.3V的FPGA系统1的输入信号，该信号则是电流调节算16所需的反馈电流值。三闭环控制算法输出PWM1-6脉冲，该脉冲经高速光耦隔离电路19、驱动电路20、和三相逆变桥电路9产生电动机转速控制所需的电流PWM脉冲，实现电动机转速的精准控制。反电势峰值电压反馈接口电路6检测电动机某一相的反电势峰值，并对电压值进行采样，转换成0～3.3V的FPGA输入信号，该信号结合反馈回来的加在三相逆变桥9功率管上的电压值，进行降压斩波PWM调制，产生B-PWM1、B-PWM2脉冲，经降压斩波模块7后，改变三相逆变桥9功率管上的电压值，进而改变电动机控制所需的电流PWM幅值，从而降低电动机的涡流损耗。

如图2所示，给出了本发明的控制原理框图。控制原理如下：上位机根据需求给出电动机的期望转速，该期望转速为电动机控制算法中的转速参考值。FPGA系统1获得当前电动机的位置信号，并由该位置信号解算出实际的位置值和转速值，实际的转速值输出至上位机，进行实时显示。期望转速和实际的位置值、转速值作为FPGA系统1基于硬件编程实现的软件锁相环算法的输入信号；位置环、速度环控制算法根据软件锁相环的输出判断当前电动机需要加速，或减速还是已经进入锁相阶段，并生成需要的电流参考值。FPGA系统1根据采得的电动机的电流信号作为反馈值，该反馈值和电流参考值经电流PI调节算法之后生成所需的电流输出值，该电流输出值输出至PWM脉冲发生与同步算法，产生驱动控制电动机需要的PWM脉冲，即PWM1至PWM6。该三环控制算法使得电动机的转速控制精度大大提高，通过软件锁相环使得电动机能够以较高精度稳定在任意期望转速下。FPGA系统采样反电势峰值电压信号，结合降压斩波器的输出电压值，和参考电压依次经过斩波调压控制算法、电压PI控制算法和PWM脉冲发生与同步算法，输出降压斩波用PWM脉冲，即B-PWM1、B-PWM2，该脉冲通过降压斩波模块后改变加在三相逆变桥功率管上的电压值，进而改变电动机驱动用电流PWM脉冲幅值。

如图3所示，给出了本发明的FPGA系统的硬件电路部分框图。XC3S50代表本系统采用的FPGA芯片(部分管脚没有列出)；X2为有源晶振，给出频率为50MHz的方波信号，为整个FPGA提供时间基准；LM317和TPS767D325为电源芯片，分别给FPGA芯片提供1.25V和2.5V、3.3V的基准电压；XCF01S为PROM芯片，通过FPGA_JTAG接口和下载线缆下载并存储在FPGA中的执行程序；MODE为一个四位拨码开关，通过将相应的设定位置高电平或低电平，来配置FPGA的工作模式。

如图4所示，给出了本发明的锁相环算法流程框图。基于软件实现的锁相环其数学模型主要有三部分构成：比例环节、积分环节、重积分环节，反馈则是包含有相位信息的速度反馈，其中比例环节和积分环节构成锁频部分，加上重积分环节后构成锁相环系统。通过从上位机(3)获得的期望转速和当前实际转速作差后乘以一定的比例系数，构成比例环节，采用数字积分器构成比例环节，完成对速度误差的积分，控制电动机加速或减速运转，并判断是否进入锁相阶段，当进入锁相阶段后重积分环节开始作用，进行相位锁定，调节PWM脉冲占空比。

如图5所示，给出了本发明的降压斩波PWM脉冲产生算法原理框图。在无刷直流电动机升速过程中，利用反电动势检测装置检测某相定子反电势峰值电压信号，将该值加上一个适当的参考电压(一般为直流电源电压的20％)作为降压斩波器的参考输入电压，即使得降压斩波器的输出电压跟随无刷直流电动机相电动势的峰值而变化，并将检测到降压斩波器的实际输出电压作为反馈值，之后进行PI调节产生电压输出值，该输出值经过PWM脉冲调制，输出B-PWM1和B-PWM2两路脉冲至降压斩波模块，经降压斩波模块驱动后的脉冲可以改变加在三相逆变桥功率管的端电压。这种结构减小了电流PWM的幅值，从而有效地降低了由PWM引起的永磁无刷直流电动机的涡流损耗

如图6所示，给出了本发明的功率模块部分电路框图。FPGA系统输出的PWM1-6脉冲经过高速光耦隔离电路TLP2630后产生脉冲DRPWM1-6传至IR2130驱动芯片。三相逆变桥电路采用三相全控桥两两通电方式，六支IRF3710功率管接在IR2130相应的引脚，六支功率管以一定的顺序通断，提供电动机所需的PWM电流脉冲，实现电动机转速高精度控制。

如图7所示，给出了本发明的降压斩波模块框图。FPGA系统输出的B-PWM1和B-PWM2两路B-PWM脉冲经过高速光耦隔离电路TLP2630后产生脉冲DRB-PWM1和DRB-PWM12传至IR2118驱动芯片。两支IRF540功率管接在IR2118相应的管脚，该B-PWM脉冲控制两支功率管的开断，通过调制B-PWM脉冲的占空比可以实现输出电压+Vo的可调。该电压通过一支型号为LA_28NP电流传感器之后接至三相逆变桥电路8的功率管的+Vo_M端，用来控制最后输出的电动机驱动用PWM电流脉冲。

如图8所示，给出了本发明的电流检测反馈模块12框图。斩波调压输出电压+Vo接入至电流传感器LA_28NP，流经传感器之后接至三相逆变桥功率管+Vo_M端。该传感器可检测电动机绕组中流过的电流的大小。传感器检测的电流值current经比例变换、电平偏移之后输入至AD芯片，在FPGA的控制下被采样并输入至FPGA系统。传感器检测的电流值current经调理之后产生过流保护信号Itrip，反馈至IR2130，实现过流保护。

如图9所示，为本发明的电流调节算法流程框图。串入电动机母线的霍尔电流传感器检测并输出一个与母线电流成正比的微小电流，通过精密电阻后得到与母线电流成正比的电压值，该电压值通过AD采样作为电流调节算法所需的反馈值。由位置环、速度环算法得出电流参考值，由上述参考值和反馈值作差得出偏差量，该偏差量经过PI比例积分算法构成闭环控制算法，最终得出电动机驱动实际所需的电流值，该电流值输出至PWM脉冲产生同步算法，产生驱动电动机所需的PWM脉冲。

如图10为本发明的PWM脉冲产生算法流程框图。电流调节算法生成控制电动机所需的控制量，由FPGA系统内部产生一个20K的锯齿波作为载波，通过信号调制，计算PWM脉冲的占空比，生成电流值PWM脉冲。从位置传感器接口电路输出的三路脉冲信号可以得知当前电动机的位置值，并查换相表求得下一时刻电动机所要到达的位置生成对应的换相信号，换相信号结合生成的电流值PWM脉冲则可以输出六路驱动三相全桥电路用PWM脉冲。

如图11为本发明的位置、速度计算算法流程图。当电动机转动时置于电动机定子内部的三个霍尔传感器输出脉冲信号，FPGA系统检测经位置传感器接口电路变换之后的三路霍尔信号输出的脉冲信号的上升沿和下降沿。当电动机开始转动霍尔传感器输出脉冲信号，当任何一路的霍尔传感器输出脉冲信号产生跳变时，FPGA系统读取该时刻三路霍尔信号的电平状态，经逻辑运算后得到电动机此时的位置值。速度计算是通过检测某一路霍尔传感器输出的脉冲信号的脉宽周期来实现的。在FPGA系统内部建立一个计数器，当脉冲信号的上升沿到来时开始给计数器清零，并在下一个上升沿到来时读取计数器计数值，该计数值则包含有速度信息，再将其折算成频率就可以得到电动机的转速值。

如图12为本发明的AD控制算法原理框图。其中ADS7861表示AD采样芯片，FPGA表示Xilinx公司的XCS350型号的FPGA芯片，只标出主要相关引脚和主要连接关系。CLOCK为时钟信号，该信号在整个采样过程中为采样系统提供基准时钟信号。CS、A0、M0、M1为AD芯片配置信号，在本AD采样系统中FPGA系统输出相应电平将该四位配置信号配置为0000。一次采样周期过程中，CONVST信号为采样开始信号，当该信号电平由低变高，开始进行一次采样，采样结束后，该信号电平变低；在采样转换进行时，BUSY信号为高，转换结束之后，该信号变低；采样结束之后RD信号由低变高通知FPGA系统读取转换结果数据，FPGA开始从AD芯片的DATAA口连续读取16位数据，该数据的3至14位为采样结果，该采样结果即为当前对应的电流反馈值，反馈至电流调节算法，以构成闭环控制。

本发明虽为磁悬浮飞轮电动机数字控制系统，但是其应用不失一般性，可以作为一种通用的直流无刷电动机的数字控制系统，应用者可以根据其自身的应用要求通过修改软件算法来灵活的实现其算法功能。实现控制系统的集成化、低功耗、高可靠性，和对直流无刷电动机的高精度控制。

Claims (7)

1、一种低耗、高可靠集成磁悬浮飞轮直流无刷电动机控制系统，其特征在于：包括FPGA系统(1)、上位机接口电路(4)、位置传感器接口电路(5)、功率模块(8)、电流检测反馈模块(12)，FPGA系统(1)通过上位机接口电路(4)从上位机获得期望转速，该期望转速作为电动机控制算法中的转速参考值；由位置传感器输出的数字化位置信号经位置传感器接口电路(5)直接输入至FPGA系统(1)，FPGA系统(1)解算出电动机当前的位置值和速度值，同时电流检测反馈模块(12)检测电动机的电流值，该电流信号一路产生过流保护信号反馈至功率模块(8)，实现过流保护，另一路在FPGA(1)的控制下对该电流值进行采样和模数转换后反馈至FPGA系统(1)，在FPGA系统(1)内进行位置、速度、电流三环控制，产生PWM脉冲，该脉冲经功率模块(8)后生成电机所需的控制电流，从而实现对直流无刷电动机的高精度控制；同时FPGA(1)产生降压斩波B-PWM脉冲，用以调整加在功率模块(8)中的三相逆变桥电路功率管的端电压，从而控制电动机驱动控制用电流PWM脉冲的幅值，以降低电流PWM脉冲引起的电动机的涡流损耗。

2、根据权利要求1所述的一种低耗、高可靠集成磁悬浮飞轮直流无刷电动机控制系统，其特征在于：所述的FPGA系统(1)包括：硬件电路部分和在FPGA片内基于硬件编程实现的控制算法部分构成，硬件电路部分由一片FPGA芯片和相应的电源配置芯片构成，在FPGA片内基于硬件编程实现的控制算法包括：位置、速度计算算法(2)、软件锁相环算法(17)、电流调节算法(16)、PWM脉冲产生算法(15)、降压斩波PWM脉冲产生算法(18)、AD控制算法(14)，FPGA系统(1)从位置传感器接口电路(5)获得包含位置值和速度值的脉冲信号，并解算出该位置值和速度值，该值和从上位机(3)获得的期望转速作差生成软件锁相环算法(17)的输入信号，软件锁相环算法(17)输出控制量作为电流参考值，由AD控制算法(14)控制的电流传感器接口电路(13)获得的电流反馈值，该参考值和反馈值作差经电流调节算法(16)，得到电流输出值，并由PWM脉冲产生算法(15)生成驱动电机所需的PWM脉冲，结合降压斩波PWM脉冲产生算法(18)生成的降压斩波用PWM脉冲输出至功率模块，最终驱动电动机运转。

3、根据权利要求1所述的一种低耗、高可靠集成磁悬浮飞轮直流无刷电动机控制系统，其特征在于：所述的功率模块(8)包括：高速光耦隔离电路(19)、驱动电路(20)、三相逆变桥电路(9)、反电势峰值电压反馈接口电路(6)、降压斩波模块(7)，FPGA系统(1)将经过降压斩波PWM脉冲产生算法调制完成的两路降压斩波PWM脉冲B-PWM1、B-PWM2经降压斩波模块(7)驱动后用来改变加在三相逆变桥上的电压值；同时FPGA系统(1)通过PWM脉冲产生算法产生六路PWM1至PWM6驱动脉冲直接经过高速光耦隔离电路(19)、驱动电路(20)传送给三相逆变桥电路(9)，生成直流无刷电动机所需的驱动电流，从而实现直流无刷电动机的高精度控制。

4、根据权利要求1所述的一种低耗、高可靠集成磁悬浮飞轮直流无刷电动机控制系统，其特征在于：所述的电流检测反馈模块(12)由电流传感器(10)、过流保护信号产生电路(11)及电流传感器接口电路(13)组成，电流传感器(10)与三相逆变桥电路(9)的输出相接，用于检测电动机的电流值，该电流值经过过流保护信号产生电路(11)产生过流保护信号，送入功率模块(8)中的驱动电路20，实现过流保护；同时电流传感器(10)的检测到的电流值输入至电流传感器接口电路(13)，在FPGA(1)中的AD控制算法(14)的控制下，电流传感器接口电路(13)对电流值进行采样和模数转换，输入至FPGA系统(1)，构成电流调节算法(16)中所需的电流反馈值。

5、根据权利要求1所述的一种低耗、高可靠集成磁悬浮飞轮直流无刷电动机控制系统，其特征在于：所述的软件锁相环算法(17)如下：在FPGA片内基于硬件编程实现了锁相环数学模型中的比例环节、积分环节、重积分环节，通过从上位机(3)获得的期望转速和当前实际转速作差后乘以一定的比例系数，构成比例环节，采用数字积分器构成比例环节，完成对速度误差的积分，控制电动机加速或减速运转，并判断是否进入锁相阶段，当进入锁相阶段后重积分环节开始作用，进行相位锁定，调节PWM脉冲占空比。

6、根据权利要求1所述的一种低耗、高可靠集成磁悬浮飞轮直流无刷电动机控制系统，其特征在于：所述的降压斩波PWM脉冲产生算法如下：在无刷直流电动机升速过程中，利用反电动势检测装置检测某相定子反电势峰值电压信号，将该值加上一个参考电压作为降压斩波器的参考输入电压，即使得降压斩波器的输出电压跟随无刷直流电动机相电动势的峰值而变化，并将检测到降压斩波器的实际输出电压作为反馈值，之后进行PI调节产生电压输出值，经过PWM脉冲电压与同步输出两路B-PWM脉冲。

7、根据权利要求1所述的一种低耗、高可靠集成磁悬浮飞轮直流无刷电动机控制系统，其特征在于：所述的FPGA(1)的芯片采用Xilinx公司XCS350系列。

Images