基于DSP儲能飛輪用無刷直流電機的數(shù)字控制系統(tǒng)

1引言

所謂飛輪儲能(Flywheel Energy Storage , FES)技術，就是利用高速旋轉的飛輪將能量以動能的形式儲存起來，當能量緊急缺乏或需要時，飛輪減速運行，將儲存的能量釋放出米。飛輪儲能技術以其高效率、長壽命、維持簡單、無污染且高效、節(jié)能等優(yōu)點，日益受到人們的關注，成為國際能源界研究的熱點之一。同時飛輪儲能技術應用于航天領域也成為人們追求的目標[1]。

不平衡轉動力矩作用是飛輪轉速改變的根本原因，當轉矩的方向與飛輪轉動方向一致時，飛輪受到正向不平衡轉矩的作用而加速，能量轉化為動能儲存起來;相反，飛輪減速，動能轉化為其它形式的能量。在轉化過程中可以吸收和釋放的能量為：

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

控制領域高速DSP的出現(xiàn)，使得無直流電機數(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。本文介紹方案以DSP為控制核心，

2系統(tǒng)硬件結構

2.1 DSP的選用

DSP芯片，也稱數(shù)字信號處理器，是一種具有特殊結構的微處理器[3]。無刷直流電機數(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控制DSP芯片，其為定點DSP，具有極高的運算速度，主頻可達40MHz，運算能力可達40MIPS，可以用來快速地實現(xiàn)各種數(shù)字信號處理算法。指令系統(tǒng)還支持程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器之間的數(shù)據(jù)傳輸，從而可以將算法中可能用到的表或系數(shù)直接放在程序存儲空間內，不用另外配置ROM芯片[3]。

2.2功率驅動電路結構

儲能飛輪要求電機在不同時刻工作在兩種狀態(tài)，只要在功率電路上增加兩個控制電子開關即可實現(xiàn)電動和發(fā)電狀態(tài)的切換。具體電路如圖1。

當T1導通、T2關斷時，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，電機處于電動狀態(tài)。

當T2導通、T1關斷時，三相橋工作在整流模式，電機處于發(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模塊輸出脈寬調制波形，經(jīng)過光電耦合電路，到達智能功率模塊IPM的邏輯控制端。IPM的輸出端接電機三相。電流傳感器和霍爾位置傳感器分別將電流和轉速信號回饋給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智能功率開關，控制切換IPM狀態(tài)。具體框圖如圖2。

3軟件設計

3.1速度檢測

電機的速度檢測方式主要有三種：速度反饋的具體算法對于離散系統(tǒng)的性能有很大影響，目前的速度檢測算法通常有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)在速度計算上，由于采用的是霍爾反饋，電機每轉一圈只產生3個脈沖，即使在30000rpm下，轉頻為1500Hz，也要0.67ms產生一個脈沖，產生脈沖周期較長，故本方案采用T法進行計算。比較捕捉時間間隔平均值timer_diff和定時器周期T2pr的大小以判斷比例輸出的符號：如果timer_diff>T2pr，則說明實際轉速較要求轉速低，此時應加速，也即比例輸出為正；如果timer_diff<T2PR，則說明實際轉速較要求轉速為高，此時應減速，比例輸出為低。頻率差的計算公式為，可以利用長除法進行計算。程序如下：

LACC #4Ch,15

ADD #25A0h ；1/T2pr

RPT #15

SUBC TIME_DIFF ；除以時間間隔，得到轉頻

3.2PWM的產生

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

利用變量DUTY調整PWM輸出脈沖的占空比。由于PWM實際上就是比較輸出，因此，只要改變相關的比較輸出寄存器，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之后再調用該函數(shù)，即可改變PWM輸出的占空比。

3.3調節(jié)算法實現(xiàn)

在實際的電機穩(wěn)速系統(tǒng)中使用的調節(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)調節(jié)函數(shù)離散化，同時為了防止由于誤差的累加，調節(jié)輸出大幅度變化，這種情況是實際系統(tǒng)中所不允許的，故選用增量式PID調節(jié)，具體數(shù)學表達式為：

PID子程序算法具體實現(xiàn)如下：

SPLK #0,MID_RESULT ；初始化中間變量

LDP #E_NOW

LACC E_NOW ；讀取當前速度誤差

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實驗結果

系統(tǒng)實驗對象為磁懸浮飛輪用直流無刷電機，轉子組件重2.21kg，額定電壓28V，極對數(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，穩(wěn)速精度達0.02%