基于DSP儲能飛輪用無刷直流電機的數字控制系統

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、節能等優點，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：



飛輪儲能系統包括儲存能量的飛輪轉子系統、支撐轉子的軸承系統、進行能量轉化和拖動的電動/發電機系統、控制系統。飛輪的姿控、儲能兩種功能都是由電機系統完成的。在飛輪儲存能量狀態下，電機處于電動狀態，給飛輪轉子提供力矩；在飛輪釋放能量狀態下，電機處于發電狀態，向蓄電池等提供能量[2]。這就要求飛輪用電機系統既要有電動功能，又要有發電功能。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，使得無直流電機數字控制系統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系統硬件結構

2.1 DSP的選用

DSP芯片，也稱數字信號處理器，是一種具有特殊結構的微處理器[3]。無刷直流電機數字控制系統的核心為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各種數字信號處理算法。指令系統還支持程序存儲器和數據存儲器之間的數據傳輸，從而可以將算法中可能用到的表或系數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，只要在功率電路上增加兩個控制電子開關即可實現電動和發電狀態的切換。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。

當T2導通、T1關斷時，三相橋工作在整流模式，電機處于發電狀態，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。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_diffT2PR，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。該函數中，DUTY為占空比，將DUTY和Timer1的計數周期值T1pr相乘，即可得所需的比較寄存器值。其它函數改變DUTY之后再調用該函數，即可改變PWM輸出的占空比。

3.3調節算法實現

在實際的電機穩速系統中使用的調節算法是多樣的，模糊控制、比例積分控制、鎖相環控制等，本系統中選用傳統的PI控制方式。在基于DSP的數字控制系統中，將模擬系統中使用的連續調節函數離散化，同時為了防止由于誤差的累加，調節輸出大幅度變化，這種情況是實際系統中所不允許的，故選用增量式PID調節，具體數學表達式為：



PID子程序算法具體實現如下：

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，穩速精度達0.02%。（作者：夏蕾　劉剛　房建成　韓潮 微計算機信息）