[发明专利]一种磁悬浮飞轮无刷直流电机控制系统

摘要

一种磁悬浮飞轮无刷直流电机控制系统，是一种用来对磁悬浮飞轮用三相永磁无刷直流电机的输出力矩进行控制的装置，其主要包括滤波电路、buck电路、电流检测环节、三相永磁无刷直流电机、霍尔效应转子位置传感器、三相半桥功率放大器和以FPGA为核心的控制器。本发明通过控制磁悬浮飞轮用三相永磁无刷直流电机绕组的导通顺序和电流大小，从而实现对磁悬浮飞轮输出力矩的控制。

主权项

一种磁悬浮飞轮无刷直流电机控制系统，其特征在于包括：滤波电路（1）、buck电路（2）、电流检测环节（3）、三相永磁无刷直流电机（4）、霍尔效应转子位置传感器（5）、三相半桥功率放大器（6）和以FPGA为核心的控制器（7）；其中：滤波电路（1）：输出接buck电路（2），用于消除+28V输入上的高频噪声；buck电路（2）：输入与滤波电路（1）相接，输出与电流检测环节（3）相接；以FPGA为核心的控制器（7）输出的控制信号控制达林顿功率管V4的导通与关断，对滤波电路（1）的输出电压进行调制；buck电路（2）包括达林顿功率管V4、二极管D1和电感L2；达林顿功率管V4的集电极与二极管D1的阴极及电感L2的一端相接，电感L2的另一端与电容C3的阳极相接后与电流检测环节（3）相接，电容C3的阴极与电容C4的阳极相接，电容C4的阴极与+28V电源地相接；电流检测环节（3）：输入与buck电路（2）相接，输出与三相永磁无刷直流电机（4）相接，用于检测通过三相永磁无刷直流电机（4）的绕组电流；霍尔效应转子位置传感器（5）：输入与三相永磁无刷直流电机（4）相接，输出与以FPGA为核心的控制器（7）相接，输出为3路磁悬浮飞轮转 子位置信号；三相半桥功率放大器（6）：包括三个并联的达林顿功率管V1～V3；以FPGA为核心的控制器（7）的输出控制达林顿功率管V1～V3的开通与关断，从而在三相永磁无刷直流电机（4）的绕组中生成期望的控制电流；当三相永磁无刷直流电机（4）工作在一、三象限，即外部输入的电流或力矩方向指令与磁悬浮飞轮的转向一致，加速运行状态时，电流从+28V电源输入，经滤波电路、buck电路（2）的达林顿功率管V4和电感L2、电流检测环节（3）至三相永磁无刷直流电机（4）的绕组，以FPGA为核心的控制器（7）通过控制三相半桥功率放大器（6）中的三个达林顿功率管V1～V3的导通顺序，并保证三相永磁无刷直流电机（4）导通相通过的电流与输入的电流或力矩指令一致，从而实现了对三相永磁无刷直流电机（4）在一、三象限工作时输出力矩的控制；当三相永磁无刷直流电机（4）工作在一、三象限时，导通相的反电势与通过的电流的方向相同；当三相永磁无刷直流电机（4）工作在二、四象限，即外部输入的电流或力矩方向指令与磁悬浮飞轮的转向相反，制动运行状态时：当三相永磁无刷直流电机（4）反电势能够维持三相半桥功率放大器中三个达林顿功率管V1～V3产生期望的制动电流时处于能耗制动状态，此时buck电路（2）中的达林顿功率管V4关断，电流经电流检测环节（3）至三相永磁无刷直流电机（4）绕组、三相半桥功率放大器（6）、buck电路（2）中的二极管D1和电感L2，电流检测环节形成能耗通道，磁悬浮飞轮转子的能量主要消 耗在三相半桥功率放大器（6）中的三个达林顿功率管V1～V3上；随着磁悬浮飞轮转速的降低，三相永磁无刷直流电机（4）反电势不能维持三相半桥功率放大器中三个达林顿功率管V1～V3产生期望的制动电流，buck电路（2）中的达林顿功率管V4重新开通，变为反接制动模式，电流重新从+28V电源输入，经滤波电路（1）、buck电路（2）的达林顿功率管V4和电感L2、电流检测环节（3）至三相永磁无刷直流电机（4）绕组；三相永磁无刷直流电机（4）制动运行时，同样通过以FPGA为核心的控制器（7）控制三相半桥功率放大器（6）中的三个达林顿功率管V1～V3的导通顺序，并保证三相永磁无刷直流电机（4）导通相通过的电流与输入的电流或力矩指令一致，由此实现了对三相永磁无刷直流电机（4）在二、四象限工作时输出力矩的控制；与三相永磁无刷直流电机（4）工作在一、三象限时不同，三相永磁无刷直流电机（4）工作在二、四象限时，导通相的反电势与通过的电流的方向相反。