DSP儲(chǔ)能飛輪用無(wú)刷直流電機(jī)的數(shù)字控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)解析

　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(guò)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(guò)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）。