基于DSP儲(chǔ)能飛輪用無(wú)刷直流電機(jī)的數(shù)字控制系統(tǒng)

1引言

所謂飛輪儲(chǔ)能(Flywheel Energy Storage , FES)技術(shù)，就是利用高速旋轉(zhuǎn)的飛輪將能量以動(dòng)能的形式儲(chǔ)存起來(lái)，當(dāng)能量緊急缺乏或需要時(shí)，飛輪減速運(yùn)行，將儲(chǔ)存的能量釋放出米。飛輪儲(chǔ)能技術(shù)以其高效率、長(zhǎng)壽命、維持簡(jiǎn)單、無(wú)污染且高效、節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)，日益受到人們的關(guān)注，成為國(guó)際能源界研究的熱點(diǎn)之一。同時(shí)飛輪儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用于航天領(lǐng)域也成為人們追求的目標(biāo)[1]。

不平衡轉(zhuǎn)動(dòng)力矩作用是飛輪轉(zhuǎn)速改變的根本原因，當(dāng)轉(zhuǎn)矩的方向與飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)方向一致時(shí)，飛輪受到正向不平衡轉(zhuǎn)矩的作用而加速，能量轉(zhuǎn)化為動(dòng)能儲(chǔ)存起來(lái);相反，飛輪減速，動(dòng)能轉(zhuǎn)化為其它形式的能量。在轉(zhuǎn)化過程中可以吸收和釋放的能量為：

飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)包括儲(chǔ)存能量的飛輪轉(zhuǎn)子系統(tǒng)、支撐轉(zhuǎn)子的軸承系統(tǒng)、進(jìn)行能量轉(zhuǎn)化和拖動(dòng)的電動(dòng)/發(fā)電機(jī)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)。飛輪的姿控、儲(chǔ)能兩種功能都是由電機(jī)系統(tǒng)完成的。在飛輪儲(chǔ)存能量狀態(tài)下，電機(jī)處于電動(dòng)狀態(tài)，給飛輪轉(zhuǎn)子提供力矩；在飛輪釋放能量狀態(tài)下，電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，向蓄電池等提供能量[2]。這就要求飛輪用電機(jī)系統(tǒng)既要有電動(dòng)功能，又要有發(fā)電功能。本方案是集這兩種功能為一體的設(shè)計(jì)。

控制領(lǐng)域高速DSP的出現(xiàn)，使得無(wú)直流電機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)不僅能獲得較高的控制性能，更具有方便靈活的特點(diǎn)。本文介紹方案以DSP為控制核心，

2系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

2.1 DSP的選用

DSP芯片，也稱數(shù)字信號(hào)處理器，是一種具有特殊結(jié)構(gòu)的微處理器[3]。無(wú)刷直流電機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)的核心為TI公司的DSP芯片TMS320LF2407A，它是TI公司推出的專門用于電機(jī)控制DSP芯片，其為定點(diǎn)DSP，具有極高的運(yùn)算速度，主頻可達(dá)40MHz，運(yùn)算能力可達(dá)40MIPS，可以用來(lái)快速地實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字信號(hào)處理算法。指令系統(tǒng)還支持程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器之間的數(shù)據(jù)傳輸，從而可以將算法中可能用到的表或系數(shù)直接放在程序存儲(chǔ)空間內(nèi)，不用另外配置ROM芯片[3]。

2.2功率驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)

儲(chǔ)能飛輪要求電機(jī)在不同時(shí)刻工作在兩種狀態(tài)，只要在功率電路上增加兩個(gè)控制電子開關(guān)即可實(shí)現(xiàn)電動(dòng)和發(fā)電狀態(tài)的切換。具體電路如圖1。

當(dāng)T1導(dǎo)通、T2關(guān)斷時(shí)，三相橋工作在逆變模式，電流由28V直流逆變成三相交流提供給電機(jī)，電機(jī)處于電動(dòng)狀態(tài)。

當(dāng)T2導(dǎo)通、T1關(guān)斷時(shí)，三相橋工作在整流模式，電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，電流通過三相橋整流為直流電，提供給耗能或儲(chǔ)能裝置（功率電阻或升降壓變換器）。

2.3系統(tǒng)整體方案

選用TMS320LF2407A作核心處理器，通過DSP事件管理器的PWM模塊輸出脈寬調(diào)制波形，經(jīng)過光電耦合電路，到達(dá)智能功率模塊IPM的邏輯控制端。IPM的輸出端接電機(jī)三相。電流傳感器和霍爾位置傳感器分別將電流和轉(zhuǎn)速信號(hào)回饋給DSP的CAP單元和AD單元，在IPM和供電電壓28V和能耗功率電阻之間分別是一個(gè)智能功率開關(guān)，控制切換IPM狀態(tài)。具體框圖如圖2。

3軟件設(shè)計(jì)

3.1速度檢測(cè)

電機(jī)的速度檢測(cè)方式主要有三種：速度反饋的具體算法對(duì)于離散系統(tǒng)的性能有很大影響，目前的速度檢測(cè)算法通常有M法、T法、M/T 法，其中M法適合高速，T法適合低速，M/T法在的適用范圍較大。本系統(tǒng)在速度計(jì)算上，由于采用的是霍爾反饋，電機(jī)每轉(zhuǎn)一圈只產(chǎn)生3個(gè)脈沖，即使在30000rpm下，轉(zhuǎn)頻為1500Hz，也要0.67ms產(chǎn)生一個(gè)脈沖，產(chǎn)生脈沖周期較長(zhǎng)，故本方案采用T法進(jìn)行計(jì)算。比較捕捉時(shí)間間隔平均值timer_diff和定時(shí)器周期T2pr的大小以判斷比例輸出的符號(hào)：如果timer_diff>T2pr，則說(shuō)明實(shí)際轉(zhuǎn)速較要求轉(zhuǎn)速低，此時(shí)應(yīng)加速，也即比例輸出為正；如果timer_diff<T2PR，則說(shuō)明實(shí)際轉(zhuǎn)速較要求轉(zhuǎn)速為高，此時(shí)應(yīng)減速，比例輸出為低。頻率差的計(jì)算公式為，可以利用長(zhǎng)除法進(jìn)行計(jì)算。程序如下：

LACC #4Ch,15

ADD #25A0h ；1/T2pr

RPT #15

SUBC TIME_DIFF ；除以時(shí)間間隔，得到轉(zhuǎn)頻

3.2PWM的產(chǎn)生

首先是對(duì)PWM模塊的進(jìn)行初始化。配置PWM模塊各寄存器，選擇Timer1作為其時(shí)間基礎(chǔ)，發(fā)生6kHz的PWM方波。

利用變量DUTY調(diào)整PWM輸出脈沖的占空比。由于PWM實(shí)際上就是比較輸出，因此，只要改變相關(guān)的比較輸出寄存器，既可改變PWM的占空比。該函數(shù)中，DUTY為占空比，將DUTY和Timer1的計(jì)數(shù)周期值T1pr相乘，即可得所需的比較寄存器值。其它函數(shù)改變DUTY之后再調(diào)用該函數(shù)，即可改變PWM輸出的占空比。

3.3調(diào)節(jié)算法實(shí)現(xiàn)

在實(shí)際的電機(jī)穩(wěn)速系統(tǒng)中使用的調(diào)節(jié)算法是多樣的，模糊控制、比例積分控制、鎖相環(huán)控制等，本系統(tǒng)中選用傳統(tǒng)的PI控制方式。在基于DSP的數(shù)字控制系統(tǒng)中，將模擬系統(tǒng)中使用的連續(xù)調(diào)節(jié)函數(shù)離散化，同時(shí)為了防止由于誤差的累加，調(diào)節(jié)輸出大幅度變化，這種情況是實(shí)際系統(tǒng)中所不允許的，故選用增量式PID調(diào)節(jié)，具體數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

PID子程序算法具體實(shí)現(xiàn)如下：

SPLK #0,MID_RESULT ；初始化中間變量

LDP #E_NOW

LACC E_NOW ；讀取當(dāng)前速度誤差

SUB E_LAST

LDP #MID_RESULT

SACL MID_RESULT ; e[KT]-e[KT-T]

LT MID_RESULT

MPY K_P ;Kp*{e[KT]-e[KT-T]}

SPL MID_RESULT

; --------------------------------------------------------

LDP #E_NOW

LT E_NOW

MPY K_I ;Ki*e[KT]

SPL DELTA

;----------------------------------------------------------

LACC MID_RESULT

ADD DELTA

LDP #DUTY

; ADD DUTY

SACL DUTY ；輸出占空比

5實(shí)驗(yàn)結(jié)果

系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)對(duì)象為磁懸浮飛輪用直流無(wú)刷電機(jī)，轉(zhuǎn)子組件重2.21kg，額定電壓28V，極對(duì)數(shù)3，Ke=0.00157，GD2=0.004819kgm2，R=0.135 ，KT=0.015，kp=0.65，ki=0.96，在高速30000rpm時(shí)，穩(wěn)速精度達(dá)0.02%