[发明专利]一种机械飞轮高精度控制装置

摘要

一种机械飞轮高精度控制装置，由主处理器DSP模块、协处理器FPGA模块、CAN通信接口、MOSFET三相全桥逆变器、无刷直流电机本体、直流降压斩波器、信号调理及AD采样电路和RC低通滤波器构成。其中主处理器DSP模块主要完成机械飞轮无刷直流电机的四象限运行控制、先进控制算法的计算以及与星务计算机之间的实时CAN通信功能；协处理器FPGA模块主要完成AD采样控制、根据霍尔信号和逻辑换相表产生正反转的换相信号以及对控制量进行脉宽调制。本发明以主处理器DSP和协处理器FPGA为控制核心，具备较强的运算能力和较高的通信速度，实现了与星务计算机之间的实时通信，而基于RBF神经网络的免疫PID控制器设计则实现了机械飞轮的高精度力矩输出，提高了机械飞轮的控制精度。

主权项

一种机械飞轮高精度控制装置，其特征在于包括：主处理器DSP模块(1)、协处理器FPGA模块(2)、CAN通信接口(3)、MOSFET三相全桥逆变器(4)、无刷直流电机本体(5)、直流降压斩波器(6)、信号调理及AD采样电路(7)和RC低通滤波器(8)；主处理器DSP模块(1)用于实现机械飞轮的四象限运行控制、先进控制算法的计算以及与星务计算机之间的实时CAN通信功能；协处理器FPGA模块(2)用于实现AD采样控制、根据霍尔信号和逻辑换相表产生正反转的换相信号，并对控制量进行脉宽调制；主处理器DSP模块(1)通过地址总线、控制总线和数据总线与协处理器FPGA模块(2)进行实时的数据交换；协处理器FPGA模块(2)首先通过CAN通信接口(3)从星务计算机接收控制力矩指令，经过转换得到指令电流值；无刷直流电机本体(5)中的直流母线电流，经过信号调理及AD采样电路(7)采样后得到数字采样值，并与指令电流值作差；然后在主处理器DSP模块(1)中进行基于RBF神经网络的免疫PID算法计算，得到控制量后，在协处理器FPGA模块(2)中经过脉宽调制产生占空比随时变化的调制信号，控制直流降压斩波器(6)中开关器件的占空比，以保证有稳定的直流电压作用在MOSFET三相全桥逆变器(4)上；同时，无刷直流电机本体(5)中的霍尔效应位置传感器产生3路霍尔信号，经过RC低通滤波器(8)滤波后，根据协处理器FPGA模块(2)中的逻辑换相表产生正反转的换相信号，控制MOSFET三相全桥逆变器(4)进行正确地换相，并调节无刷直流电机本体(5)中U、V、W三相绕组电流，以实现对机械飞轮输出力矩的高精度控制；所述的基于RBF神经网络的免疫PID算法计算得到的控制量为： u ( k ) = K P ( 1 - σf ( u ( k ) , Δu ( k ) ) ) ( 1 + K I z - 1 + K D z - 1 z ) e ( k ) - - - ( 1 ) 式中，u(k)为当前k时刻的控制量；Δu(k)为当前k时刻控制量u(k)的变化量， 即Δu(k)＝u(k)‑u(k‑1)，u(k‑1)为当前k时刻的前一时刻控制量；KP为比例系数，控制反应速度；σ为稳定因子，控制稳定效果；f(u(k)，Δu(k))为一选定的非线性函数，采用RBF神经网络来实现，其中u(k)、Δu(k)为该选定的非线性函数自变量；z为离散因子；KI、KD分别为积分和微分系数，均大于零；e(k)为当前k时刻的跟踪误差值，即直流母线电流数字采样值与指令电流值之差。