一種集成化的磁懸浮儲能飛輪雙電機控制系統的製作方法

2023-06-28 23:27:51

專利名稱：一種集成化的磁懸浮儲能飛輪雙電機控制系統的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及電氣控制領域，具體涉及一種集成化的磁懸浮儲能飛輪雙電機控制系統。
背景技術：
磁懸浮儲能飛輪是一種新一代的物理儲能裝置，具有大功率、高儲能密度，綠色環保，並具有很強的抗幹擾性和快速響應等優點，在國際上已逐步得到應用，並且必將成為我國新一代大規模儲能裝置的首選儲能方式。由於磁懸浮儲能飛輪需要通過自身存儲的能量為控制系統供電，實現對飛輪的懸浮控制和在超高速的情況下的充/放電控制，因此，對於整體電機控制裝置的精確度，可靠性和穩定性等方面提出了較高的要求。目前磁懸浮儲能飛輪雙電機控制系統一般採用每個電機單獨的控制系統。這種方案的優點是:每個電機單獨控制，都是獨立的系統，互不影響。但是這種方案的缺點是:整個硬體系統體積大、功耗高、集成度差，並且存在較大的資源浪費。

實用新型內容基於以上不足之處，本實用新型的技術解決問題是:提供了一種硬體設計簡潔，集成度高，穩定性好，精度高的磁懸浮儲能飛輪雙電機控制系統。本實用新型的技術解決方案是:一種集成化的磁懸浮儲能飛輪雙電機控制系統，包括DSP控制系統、上/下電機Buck電路、上/下電機三相橋逆變電路、BOOST電路、上/下電機電流和位置檢測電路、放電電壓檢測電路和轉速檢測電路，DSP控制系統包括DSP晶片和CPLD晶片，DSP晶片與CPLD晶片連接，DSP控制系統分別與上/下電機Buck電路、上/下電機三相橋逆變電路、上/下電機電流和位置檢測電路、放電電壓檢測電路、轉速檢測電路、BOOST電路連接；母線電壓與上電機Buck電路連接，上電機Buck電路與上電機三相橋逆變電路連接，上電機三相橋逆變電路與上電機連接；母線電壓與下電機Buck電路連接，下電機Buck電路與下電機三相橋逆變電路連接，下電機三相橋逆變電路與上電機連接；上/下電機三相橋逆變電路分別與BOOST電路連接，BOOST電路與負載電路連接，放電電壓檢測電路與BOOST電路連接；上/下電機分別與轉速檢測電路連接，上電機與上電機電流和位置檢測電路連接，下電機與下電機電流和位置檢測電路連接。本實用新型還具有如下特徵:1、儲能飛輪充電時，DSP控制系統分別發出上/下電機的定子電流控制信號通過對上電機Buck電路和下電機BUCK電路進行電壓控制，達到對上電機和下電機的電壓值的調節，從而對上電機和下電機的定子電流進行控制；DSP控制系統分別發出上/下路三相橋逆變電路的控制信號用於對上/下電機三相橋逆變電路分別驅動上電機和下電機按給定的方向、速度和定子電流大小進行充電，上/下電機電流和位置檢測電路分別檢測上/下電機轉子位置，從而判斷電機的換相順序，並將該上/下電機位置信號和電流信號傳輸給DSP控制系統，DSP控制系統根據給定的充電電流與反饋的電流值的比較，採用PID控制算法使上/下電機的充電電流維持在一個穩定的值，從而使上/下電機的充電電流實現閉環控制。2、儲能飛輪放電時，電機升速到額定轉速後，DSP控制系統統根據控制要求，DSP控制系統產生放電控制信號，DSP控制系統統按照給定值以及Boost電路電壓反饋值採用PID控制算法進行雙閉環控制，通過調整BOOST電路的上的佔空比，BOOST電路將上電機和下電機由動能產生的電能穩壓到給定電壓值，然後為負載電路供電。3、所述的DSP控制系統分別發出上/下三相橋逆變電路的控制信號為脈寬調製PWM信號。4、所述的上電機和下電機為直流電機。5、所述的 DSP 晶片為 TMS320F28335。6、所述的 CPLD 晶片為 EPM7256AET144-7。本系統實現了對磁懸浮儲能飛輪雙電機的高精度控制，更加精準可靠的實現了磁懸浮儲能飛輪雙電機充/放電的要求。本實用新型與現有技術相比的優點在於，採用DSP晶片加CPLD來構建磁懸浮儲能飛輪雙電機控制系統，與現有的採用兩套獨立的磁懸浮儲能飛輪電機控制系統相比，具有以下特點:(I)採用DSP晶片加CPLD作為核心處理器，同時控制兩路BUCK信號，一路BOOST信號以及兩路三相橋逆變電路，具有系統集成度高，可靠性好，硬體電路結構簡單，體積小，功耗低等優點。(2)採用DSP晶片加CPLD作為核心處理器，減少了系統操作難度，降低了成本，提高了控制系統的穩定性，由於採樣參數的增加，也使得系統的整體控制精度更高。

圖1為本實用新型的結構組成框圖；圖3為本實用新型中的上下電機驅動框圖；圖3為本實用新型中的上下電機BUCK供電框圖；圖4為本實用新型中的BOOST電路框具體實施方式
下面結合上說明書附圖舉例對本實用新型作進一步說明:實施例1:如圖:1所示，本實用新型包括:一種集成化的磁懸浮儲能飛輪雙電機控制系統，包括DSP控制系統1、上/下電機Buck電路2.3、上/下電機三相橋逆變電路4.5,BOOST電路6、上/下電機電流和位置檢測電路7.8、放電電壓檢測電路9和轉速檢測電路10，DSP控制系統I包括DSP晶片和CPLD晶片，DSP晶片與CPLD晶片連接，DSP控制系統I分別與上/下電機Buck電路2.3、上/下電機三相橋逆變電路4.5、上/下電機電流和位置檢測電路
7.8、放電電壓檢測電路9、轉速檢測電路10、B00ST電路6連接；母線電壓與上電機Buck電路2連接，上電機Buck電路2與上電機三相橋逆變電路4連接，上電機三相橋逆變電路4與上電機連接；母線電壓與下電機Buck電路3連接，下電機Buck電路3與下電機三相橋逆變電路5連接，下電機三相橋逆變電路5與上電機連接；上/下電機三相橋逆變電路4.5分別與BOOST電路6連接，BOOST電路6與負載電路連接，放電電壓檢測電路9與BOOST電路6連接；上/下電機分別與轉速檢測電路10連接，上電機與上電機電流和位置檢測電路7連接，下電機與下電機電流和位置檢測電路8連接。儲能飛輪充電時，DSP控制系統I分別發出上/下電機的定子電流控制信號通過對上電機Buck電路2和下電機BUCK電路3進行電壓控制，達到對上電機和下電機的電壓值的調節，從而對上電機和下電機的定子電流進行控制；DSP控制系統分別發出上/下路三相橋逆變電路的控制信號用於對上/下電機三相橋逆變電路4.5分別驅動上電機和下電機按給定的方向、速度和定子電流大小進行充電，上/下電機電流和位置檢測電路7.8分別檢測上/下電機轉子位置，從而判斷電機的換相順序，並將該上/下電機位置信號和電流信號傳輸給DSP控制系統I ;DSP控制系統I根據給定的充電電流與反饋的電流值的比較，採用PID控制算法使上/下電機的充電電流維持在一個穩定的值，從而使上/下電機的充電電流實現閉環控制。儲能飛輪放電時，電機升速到額定轉速後，DSP控制系統統I根據控制要求，產生放電控制信號，DSP控制系統I按照給定值以及Boost電路電壓6反饋值採用PID控制算法進行雙閉環控制，通過調整BOOST電路6的上的佔空比，BOOST電路6將上電機和下電機由動能產生的電能穩壓到給定電壓值，然後為負載電路供電。所述的DSP控制系統I分別發出上/下三相橋逆變電路的控制信號為脈寬調製PWM信號。所述的上電機和下電機為直流電機。所述的DSP晶片為TMS320F28335。所述的CPLD 晶片為 EPM7256AET144-7。實施例2:如圖2所示，DSP控制系統通過對上下電機轉子位置傳感器信號的檢測進行邏輯變化後產生脈寬調製PWM信號，產生的控制信號經過功率驅動晶片分別加到上電機的三相橋逆變電路及下電機的三相橋逆變電路，每路三相橋逆變電路都包括六個開關管，電動機每轉一周要經過六次換相，每次換相都有兩個開關管導通，但是每一對上下管不能同時導通，開關管的不同順序導通控制電動機各相繞組按一定順序工作，於是在電機氣隙中產生跳躍式旋轉磁場，電機便可以轉動。如圖3所示，為磁懸浮儲能飛輪中的雙Buck結構，Buck變換器也稱為降壓式變換器，是一種輸出電壓小於輸入電壓的單管不隔離直流變換器。DSP控制系統產生的PWM控制信號分別加到雙Buck電路和三相逆變橋的開關管，當母線電壓直接加到三相橋兩端時，由於開關管的降壓作用導致開關管發熱嚴重。為了解決這個問題，母線電壓先經過Buck電路降壓，然後再加到三相橋的兩端，開關管的發熱明顯減小，保證了三相逆變電路的可靠性與穩定性。為磁懸浮儲能飛輪中的雙Buck結構，Buck變換器也稱為降壓式變換器，是一種輸出電壓小於輸入電壓的單管不隔離直流變換器。DSP處理器系統根據給定的充電電流與反饋的電流值的比較，採用PID控制算法使電機的充電電流維持在一個穩定的值，從而使電機的充電電流實現閉環控制。如圖4所示為本實用新型的Boost放電結構框圖，Boost變換器也稱為升壓變換器，是一種輸出電壓高於輸入電壓的單管不隔離直流變換器。當電機升速到額定轉速後，需要對儲能飛輪進行放電，DSP控制系統根據控制要求，產生放電控制信號，通過調整BOOST電路的上的佔空比，按照系統給定值以及Boost電路電壓反饋值採用PID控制算法進行雙閉環控制，滿足負載電路的電壓和電流要求。本系統不僅實現了雙電機連續充放電的功能，而且降低了成本，提高了系統的可靠性。
權利要求1.一種集成化的磁懸浮儲能飛輪雙電機控制系統，包括DSP控制系統、上/下電機Buck電路、上/下電機三相橋逆變電路、BOOST電路、上/下電機電流和位置檢測電路、放電電壓檢測電路和轉速檢測電路，其特徵在於:DSP控制系統包括DSP晶片和CPLD晶片，DSP晶片與CPLD晶片連接，DSP控制系統分別與上/下電機Buck電路、上/下電機三相橋逆變電路、上/下電機電流和位置檢測電路、放電電壓檢測電路、轉速檢測電路、BOOST電路連接；母線電壓與上電機Buck電路連接，上電機Buck電路與上電機三相橋逆變電路連接，上電機三相橋逆變電路與上電機連接；母線電壓與下電機Buck電路連接，下電機Buck電路與下電機三相橋逆變電路連接，下電機三相橋逆變電路與上電機連接；上/下電機三相橋逆變電路分別與BOOST電路連接，BOOST電路與負載電路連接，放電電壓檢測電路與BOOST電路連接；上/下電機分別與轉速檢測電路連接，上電機與上電機電流和位置檢測電路連接，下電機與下電機電流和位置檢測電路連接。
2.根據權利要求1所述的一種集成化的磁懸浮儲能飛輪雙電機控制系統，其特徵在於:儲能飛輪充電時，DSP控制系統分別發出上/下電機的定子電流控制信號通過對上電機Buck電路和下電機BUCK電路進行電壓控制，達到對上電機和下電機的電壓值的調節，從而對上電機和下電機的定子電流進行控制；DSP控制系統分別發出上/下路三相橋逆變電路的控制信號用於對上/下電機三相橋逆變電路分別驅動上電機和下電機按給定的方向、速度和定子電流大小進行充電，上/下電機電流和位置檢測電路分別檢測上/下電機轉子位置，從而判斷電機的換相順序，並將該上/下電機位置信號和電流信號傳輸給DSP控制系統，DSP控制系統根據給定的充電電流與反饋的電流值的比較，採用PID控制算法使上/下電機的充電電流維持在一個穩定的值，從而使上/下電機的充電電流實現閉環控制。
3.根據權利要求1所述的一種集成化的磁懸浮儲能飛輪雙電機控制系統，其特徵在於:儲能飛輪放電時，電機升速到額定轉速後，DSP控制系根據控制要求，產生放電控制信號，DSP控制系統按照給定值以及Boost電路電壓反饋值採用PID控制算法進行雙閉環控制，通過調整BOOST電路的上的佔空比，BOOST電路將上電機和下電機由動能產生的電能穩壓到給定電壓值，然後為負載電路供電。
4.根據權利要求1所述的一種集成化的磁懸浮儲能飛輪雙電機控制系統，其特徵在於:所述的DSP控制系統分別發出上/下三相橋逆變電路的控制信號為脈寬調製PWM信號。
5.根據權利要求1-3任一項所述的一種集成化的磁懸浮儲能飛輪雙電機控制系統，其特徵在於:所述的上電機和下電機為直流電機。
6.根據權利要求1所述的一種集成化的磁懸浮儲能飛輪雙電機控制系統，其特徵在於:所述的DSP晶片為TMS320F28335。
7.根據權利要求1所述的一種集成化的磁懸浮儲能飛輪雙電機控制系統，其特徵在於:所述的CPLD晶片為EPM7256AET144-7。
專利摘要一種集成化的磁懸浮儲能飛輪雙電機控制系統，包括DSP控制系統、上/下電機Buck電路、上/下電機三相橋逆變電路、BOOST電路、上/下電機電流和位置檢測電路、放電電壓檢測電路和轉速檢測電路，DSP控制系統包括DSP晶片和CPLD晶片，DSP晶片與CPLD晶片連接，DSP控制系統分別與上/下電機Buck電路、上/下電機三相橋逆變電路、上/下電機電流和位置檢測電路、放電電壓檢測電路、轉速檢測電路、BOOST電路連接。本系統實現了對磁懸浮儲能飛輪雙電機的高精度控制，更加精準可靠的實現了磁懸浮儲能飛輪雙電機充/放電的要求，而且降低了成本，提高了系統的可靠性。
文檔編號H02P5/68GK202997983SQ20122071238
公開日2013年6月12日 申請日期2012年12月21日 優先權日2012年12月21日
發明者蔣濤, 劉崇翔 申請人:北京奇峰聚能科技有限公司