DSP飛輪儲(chǔ)能控制系統(tǒng)研究

陳嘉銘

（北華大學(xué)電氣信息工程學(xué)院，吉林 吉林 132021）

隨著世界各國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和科技水平的不斷進(jìn)步，人們對能源的需要和消耗也表現(xiàn)出前所未有的迫切和增加，傳統(tǒng)的能源表現(xiàn)出日益匱乏的態(tài)勢。由于能量的利用往往是先轉(zhuǎn)化為電能，伴隨著新型能源的利用，必須由相應(yīng)的先進(jìn)的儲(chǔ)能裝置與之配合，否則，難以實(shí)現(xiàn)新能源的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展和有效的利用。大容量儲(chǔ)能不但能夠提高能源的利用率，還有更重要的功效。這種方法無能量損耗，效果理想，對電網(wǎng)系統(tǒng)而言可以說是投資少而效益高，具有其他方式無法與之相比的優(yōu)越性。

目前化學(xué)蓄能在蓄能市場中得到了廣泛的應(yīng)用，常用的蓄電池具有能耗量低、需要長時(shí)間充電、使用周期短、對環(huán)境污染大等缺點(diǎn)。本文設(shè)計(jì)了一項(xiàng)新穎的電能存儲(chǔ)方法，突破了傳統(tǒng)的化學(xué)能儲(chǔ)能方式，將電能用機(jī)械能的方式蓄存起來，即飛輪儲(chǔ)能。

飛輪儲(chǔ)能包括三部分，分別是電能輸入、存儲(chǔ)和電能輸出。系統(tǒng)基本的工作原理具體來說是，充電過程中，飛輪被電機(jī)驅(qū)動(dòng)，在電機(jī)的帶動(dòng)下高速旋轉(zhuǎn)，將電能以機(jī)械能的形式儲(chǔ)存。放電過程中，已經(jīng)在高速旋轉(zhuǎn)的飛輪提供原動(dòng)力，作用相當(dāng)于原動(dòng)機(jī)，旋轉(zhuǎn)過程中帶動(dòng)發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電能經(jīng)過電力電子變換器的調(diào)整，最后輸出穩(wěn)定的、可以供負(fù)載直接使用的電壓、電流飛輪是真正的儲(chǔ)能元件，也是整個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)的核心，系統(tǒng)儲(chǔ)能的多少由飛輪直接決定，飛輪儲(chǔ)能過程中做的是高速的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)工作過程包括充電模式，此時(shí)電能轉(zhuǎn)換為動(dòng)能；保持模式，此時(shí)電能已經(jīng)被轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，由高速旋轉(zhuǎn)的飛輪負(fù)責(zé)儲(chǔ)存這些能量。放電模式，即系統(tǒng)將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，供負(fù)載使用。充電模式，外部電源通過電子變換器驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，飛輪在電動(dòng)機(jī)的帶動(dòng)下高速旋轉(zhuǎn)，電機(jī)工作在電動(dòng)狀態(tài)，電能由此被儲(chǔ)存在飛輪中，此過程中消耗了外部電能，增加了飛輪的機(jī)械能，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)。保持模式，飛輪系統(tǒng)依靠交流電輸入，飛輪保持在最高工作轉(zhuǎn)速運(yùn)行，能量基本保持恒定，系統(tǒng)損耗最低。此時(shí)，可以控制系統(tǒng)進(jìn)入低壓模式，使飛輪以額定能量運(yùn)轉(zhuǎn)，負(fù)載所需能量由電源直接提供。放電工作模式。高速旋轉(zhuǎn)的飛輪將自身的動(dòng)能轉(zhuǎn)換成電能傳遞給負(fù)載，電機(jī)工作在發(fā)電狀態(tài)。機(jī)械能被消耗，輸出連續(xù)的電能。

本文研究的飛輪儲(chǔ)能控制系統(tǒng)主要是對直流無刷直流電機(jī)的控制。即當(dāng)系統(tǒng)工作在對飛輪充能狀態(tài)下時(shí)，通過DSP控制電力電子器件，實(shí)現(xiàn)直流無刷電機(jī)帶動(dòng)飛輪高迅速旋轉(zhuǎn)；當(dāng)系統(tǒng)工作在飛輪釋能狀態(tài)時(shí)，飛輪帶動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，使其工作在發(fā)電狀態(tài)。本章就針對無刷直流電機(jī)構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，并對其進(jìn)行分析，運(yùn)用特定的計(jì)算公式，以便確定各項(xiàng)參數(shù)。

本系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)主要包括MCU控制電路、電壓電流檢測電路、隔離驅(qū)動(dòng)電路、系統(tǒng)電源和輔助電路等4個(gè)部分?？刂齐娐肥侵饕侵敢訫CU為控制核心的最小系統(tǒng)電路，它是整個(gè)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的控制核心，采集電壓、電流等反饋信號(hào)，經(jīng)過分析處理后，按照程序預(yù)設(shè)輸出多路PWM控制信號(hào)并負(fù)責(zé)發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)，確保飛輪儲(chǔ)能控制系統(tǒng)能正常、穩(wěn)定、可靠地工作。

本文選用TMS320LF240x系列來做控制電路的核心器件。TMS320LF240x系列DSP采用高性能靜態(tài)CMOS集成電路制造技術(shù)，具有先進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)，流水線技術(shù)，片內(nèi)外圍模塊，片內(nèi)存貯器和高度專業(yè)化指令系統(tǒng)。該控制器具有低成本、高性能處理的DSP內(nèi)核和幾種最適合電機(jī)控制的先進(jìn)外圍設(shè)備結(jié)合在一起。

TMS320系列DSP控制器集強(qiáng)大的實(shí)時(shí)信號(hào)處理能力和眾多控制器外設(shè)功能于一身，其這種體系結(jié)構(gòu)是專門針對實(shí)時(shí)信號(hào)處理功能而設(shè)計(jì)，是高速信號(hào)處理的一種專用芯片，強(qiáng)大的處理速度功能是其它控制芯片無法相比的。

本文充電回路逆變器選用的是富士公司的PM30F070。該IPM內(nèi)置了保護(hù)電路，與普通IGBT驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)相比，本次設(shè)計(jì)中只需要設(shè)計(jì)隔離電路即可。隔離電路的作用就是將IPM模塊與控制電路的信號(hào)進(jìn)行可靠的分離，即驅(qū)動(dòng)IPM的PWM信號(hào)和IPM自保護(hù)產(chǎn)生的故障信號(hào)之間要隔離。

本文選用了IR公司的IR2103集成芯片作為功率驅(qū)動(dòng)芯片，柵極驅(qū)動(dòng)芯片IR2103是一種高壓高速的功率MOSFET驅(qū)動(dòng)器。它有兩個(gè)獨(dú)立的高端和低端輸出通道，一個(gè)芯片可以驅(qū)動(dòng)兩個(gè)MOSFET管。此芯片電路基于自舉驅(qū)動(dòng)方法，直接驅(qū)動(dòng)功率MOS-FET，其輸出的浮置通道可用來驅(qū)動(dòng)高端接于最大供電電壓為600V的N溝道MOS-FET。

直流回路電壓過大會(huì)造成功率管損壞，欠壓則會(huì)使得逆變后的交流壓值下降?；魻栁恢脵z測電路在這主要有兩個(gè)作用：一是檢測電機(jī)定、轉(zhuǎn)子的相對位置并提供驅(qū)動(dòng)換相信號(hào)；二是通過檢測某一路脈沖信號(hào)的個(gè)數(shù)，經(jīng)軟件計(jì)算后轉(zhuǎn)換為速度信號(hào)，構(gòu)成速度的反饋環(huán)節(jié)。

本文設(shè)計(jì)的飛輪儲(chǔ)能控制系統(tǒng)在正常工作的時(shí)候，需要的電源有+24V、±15V、+5V等。控制系統(tǒng)中驅(qū)動(dòng)、隔離、保護(hù)、檢測等都需要不同的電壓，所以，對電壓需要特定的電路保障。根據(jù)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的不同工作模式，能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)在儲(chǔ)能運(yùn)行時(shí)對電動(dòng)機(jī)力矩電流進(jìn)行調(diào)整，確保飛輪運(yùn)轉(zhuǎn)的平穩(wěn)、安全、可靠；而在飛輪系統(tǒng)釋能運(yùn)行時(shí)，需要對輸出設(shè)備的母線電壓進(jìn)行調(diào)整。我們建立了飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的仿真模型，并進(jìn)行仿真分析，確定了仿真參數(shù)。

系統(tǒng)主要軟件分析設(shè)計(jì)要根據(jù)功能需要而設(shè)計(jì)，充電部分主要是DSP芯片TMS320F2407通過控制電力電子器件完成對無刷直流電機(jī)的控制。在軟件設(shè)計(jì)和開發(fā)上，也采取了程序的模塊化設(shè)計(jì)理念并且根據(jù)DSP芯片的硬件資源豐富的優(yōu)點(diǎn)，完成充電部分控制系統(tǒng)的各項(xiàng)指標(biāo)。電流環(huán)的輸出換算成PWM的占空比。所以在本文的軟件設(shè)計(jì)中DSP會(huì)根據(jù)電流環(huán)的輸出來改變PWM占空比寄存器中輸入，從而完成電流環(huán)的調(diào)節(jié)。速度的反饋量是依據(jù)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)變化的時(shí)間間隔計(jì)算得出的，它與給定轉(zhuǎn)速形成的偏差，經(jīng)過PID調(diào)節(jié)算法來控制無刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使其具有穩(wěn)態(tài)性能好、響應(yīng)速度快和抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。放電部分程序主要分為兩大部分，一是當(dāng)飛輪在帶動(dòng)直流無刷電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，經(jīng)三相全橋整流后，直流母線電壓會(huì)隨飛輪轉(zhuǎn)速的下降而降低，這個(gè)時(shí)候就要調(diào)節(jié)BOOST升壓電路將直流母線電壓穩(wěn)定在310V左右，第二就是對MOSFET逆變電路控制使控制系統(tǒng)輸出220 V的工頻交流電。A/D轉(zhuǎn)換及調(diào)理模塊選用的是DSP 2407自帶的10位轉(zhuǎn)換模塊。

本文主要是對基于DSP芯片控制的飛輪電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的分析研究，使整個(gè)飛輪電池儲(chǔ)能控制系統(tǒng)能量高效率的轉(zhuǎn)換和使用，采用模塊化設(shè)計(jì)理念，提出一些新方法，并結(jié)合MATLAB軟件進(jìn)行了仿真試驗(yàn)。提出了一種采用電力電子器件的飛輪電池儲(chǔ)能控制系統(tǒng)：并進(jìn)行了理論分析和仿真建模，論文主要分析了充電和放電部分，對整體設(shè)計(jì)做出指導(dǎo)。

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