基于FPGA控制器的飞轮电池振动控制策略研究
发布时间：2021-01-03 06:42
飞轮电池具有使用寿命长,绿色环保等特点,为了提高比能量,飞轮转子的转速一般非常高,系统的动力学性能比较复杂。为了抑制飞轮转子的振动,本文对磁悬浮轴承的控制策略进行了研究。给出了飞轮电池机械总体设计方案和转子结构设计方案,分析了磁悬浮轴承电控系统各环节的传递函数,利用ANSYS软件建立了飞轮转子系统的有限元模型,并进行了模态分析和谐响应分析;借助MATLAB模糊推理系统设计了模糊自调整PID控制器,利用MATLAB/Simulink和Adams软件完成了控制系统仿真和机电系统联合仿真,对比了不完全微分PID和模糊自调整PID控制策略的控制效果;设计了基于FPGA控制器的硬件电路,包括FPGA芯片的选型、电源电路设计、AD电路设计和FPGA配置电路设计等;利用Quartus II搭建了FPGA控制器研究平台,采用Verilog HDL完成了各功能模块算法的编程,并烧写到FPGA控制器,完成了飞轮电池系统的静态悬浮和高速旋转试验。研究结果表明:与不完全微分PID控制策略相比,采用模糊自调整PID控制策略,能够实现控制参数的在线调整,能够较好地抑制飞轮转子的振动,保证飞轮转子平稳越过临界转速,...
【文章来源】：南京航空航天大学江苏省 211工程院校
【文章页数】：77 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
飞轮电池结构示意图
电池系统是集机械系统与电控系统于一体的机电一体化设备，采用磁悬浮轴支承，能实现飞轮转子的高速旋转，储存更高的能量，并且可以降低飞轮转能量损耗。本章对飞轮电池系统进行建模和动力学分析。轮电池工作原理电池类似于化学电池，主要有两种工作模式[44]，如图 2.1 所示：充电模式作为电动机运行，电网提供电能经电力变换器驱动电机，带动飞轮转子高速机械能存储在高速旋转的飞轮中。飞轮达到额定转速后，电机控制器切断与转子在磁悬浮轴承的支撑下，长期处于能量保持状态。放电模式电池外接负载，电机作为发电机工作，飞轮电池释放能量，利用飞轮转子的输出到负载，直至飞轮转子转速降低到最低转速时停止放电。
图 2. 2 磁悬浮轴承系统工作原理图图 2.2 为单自由度磁悬浮轴承系统工作原理图。位移传感器检测转子的位置信号 ，送入控制器内部，并与参考信号 0进行比较，得到位置偏差信号 ，经过一定的控制算法后得制信号 并送入功率放大器；功率放大器根据控制信号 在相对布置的电磁铁线圈内产生的差动电流，进而产生差动电磁力；转子在差动电磁力作用下，回到设定的参考位置。例如转子向下偏移时，位置偏差信号 > 0，位置控制信号 > 0，电磁铁 1 线圈内的电流为（），电磁铁 2 线圈内的电流为（ 0 ），电磁铁 1 的电流大于电磁铁 2 的电流，电磁铁 1 的大于电磁铁 2 的磁力，使转子在差动电磁力作用下回到指定参考位置。.2.1 飞轮电池总体机械结构飞轮电池总体机械结构如图 2.3 所示。1 为飞轮转子，具体结构详见 2.2.2 节；2 为电涡流位移传感器，主要包括上径向、下径轴向电涡流位移传感器，用于检测和采集飞轮转子的位移振动情况；3 和 6 为上、下径向铁，为飞轮转子提供径向悬浮力，限制径向（X 方向，Y 方向，绕 X 轴的旋转和绕 Y 轴的）四个方向的自由度；5 为轴向电磁铁，为飞轮转子提供轴向悬浮力，限制 Z 轴(轴向)方向
【参考文献】：
期刊论文
[1]储能飞轮中的主动磁轴承技术[J]. 张剀,徐旸,董金平,张小章. 储能科学与技术. 2018(05)
[2]车载磁悬浮飞轮电池动力学分析及悬浮研究[J]. 金光宇,陈劭,徐向波. 林业机械与木工设备. 2018(04)
[3]飞轮电池储能技术分析[J]. 赵志芳. 通信电源技术. 2018(02)
[4]磁悬浮轴承研究现状及其发展[J]. 张维煜,朱熀秋,鞠金涛,陈涛. 轴承. 2016(12)
[5]磁悬浮轴承应用发展及关键技术综述[J]. 张维煜,朱熀秋,袁野. 电工技术学报. 2015(12)
[6]磁悬浮轴承发展及关键技术研究现状[J]. 李媛媛,朱熀秋,朱利东,吴晓军. 微电机. 2014(06)
[7]磁悬浮轴承技术在风机与泵类设备中的应用现状[J]. 汤士明,梅磊,欧阳慧珉. 微特电机. 2013(08)
[8]电动汽车磁悬浮飞轮电池储能系统设计[J]. 高辉,李怀良,翟长国,陈良亮. 电力系统自动化. 2013(01)
[9]清华大学飞轮储能技术研究概况[J]. 戴兴建,张小章,姜新建,王善铭,沈祖培,孙旭东. 储能科学与技术. 2012(01)
[10]飞轮储能系统用电动/发电机的研究[J]. 张广明,张龙,梅磊,季文娟. 微特电机. 2012(08)
博士论文
[1]基于DSP平台的磁悬浮轴承数字控制系统[D]. 卞斌.山东大学 2012
硕士论文
[1]永磁同步电机伺服系统的自适应模糊控制研究[D]. 刘爽.哈尔滨工业大学 2018
[2]基于DSP+FPGA的飞轮储能用磁悬浮轴承控制器的设计[D]. 孙畅.浙江大学 2018
[3]混合式磁悬浮电机结构设计及其径向控制驱动研究[D]. 孙冲.扬州大学 2017
[4]基于F2812 DSP的磁悬浮组合支承系统数字控制器研究[D]. 张景亭.南京航空航天大学 2009
[5]金属橡胶磁悬浮轴承组合支承转子系统动力学特性研究[D]. 高华.南京航空航天大学 2009
[6]基于DSP的磁悬浮转子控制系统设计与控制算法研究[D]. 商丽娟.武汉理工大学 2007
[7]混合式磁悬浮轴承及其控制系统的研究[D]. 张敬.沈阳工业大学 2005
[8]基于DSP的磁悬浮轴承控制系统及其控制算法的研究[D]. 彭春山.武汉理工大学 2003
本文编号：2954512
【文章来源】：南京航空航天大学江苏省 211工程院校
【文章页数】：77 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
飞轮电池结构示意图
电池系统是集机械系统与电控系统于一体的机电一体化设备，采用磁悬浮轴支承，能实现飞轮转子的高速旋转，储存更高的能量，并且可以降低飞轮转能量损耗。本章对飞轮电池系统进行建模和动力学分析。轮电池工作原理电池类似于化学电池，主要有两种工作模式[44]，如图 2.1 所示：充电模式作为电动机运行，电网提供电能经电力变换器驱动电机，带动飞轮转子高速机械能存储在高速旋转的飞轮中。飞轮达到额定转速后，电机控制器切断与转子在磁悬浮轴承的支撑下，长期处于能量保持状态。放电模式电池外接负载，电机作为发电机工作，飞轮电池释放能量，利用飞轮转子的输出到负载，直至飞轮转子转速降低到最低转速时停止放电。
图 2. 2 磁悬浮轴承系统工作原理图图 2.2 为单自由度磁悬浮轴承系统工作原理图。位移传感器检测转子的位置信号 ，送入控制器内部，并与参考信号 0进行比较，得到位置偏差信号 ，经过一定的控制算法后得制信号 并送入功率放大器；功率放大器根据控制信号 在相对布置的电磁铁线圈内产生的差动电流，进而产生差动电磁力；转子在差动电磁力作用下，回到设定的参考位置。例如转子向下偏移时，位置偏差信号 > 0，位置控制信号 > 0，电磁铁 1 线圈内的电流为（），电磁铁 2 线圈内的电流为（ 0 ），电磁铁 1 的电流大于电磁铁 2 的电流，电磁铁 1 的大于电磁铁 2 的磁力，使转子在差动电磁力作用下回到指定参考位置。.2.1 飞轮电池总体机械结构飞轮电池总体机械结构如图 2.3 所示。1 为飞轮转子，具体结构详见 2.2.2 节；2 为电涡流位移传感器，主要包括上径向、下径轴向电涡流位移传感器，用于检测和采集飞轮转子的位移振动情况；3 和 6 为上、下径向铁，为飞轮转子提供径向悬浮力，限制径向（X 方向，Y 方向，绕 X 轴的旋转和绕 Y 轴的）四个方向的自由度；5 为轴向电磁铁，为飞轮转子提供轴向悬浮力，限制 Z 轴(轴向)方向
【参考文献】：
期刊论文
[1]储能飞轮中的主动磁轴承技术[J]. 张剀,徐旸,董金平,张小章. 储能科学与技术. 2018(05)
[2]车载磁悬浮飞轮电池动力学分析及悬浮研究[J]. 金光宇,陈劭,徐向波. 林业机械与木工设备. 2018(04)
[3]飞轮电池储能技术分析[J]. 赵志芳. 通信电源技术. 2018(02)
[4]磁悬浮轴承研究现状及其发展[J]. 张维煜,朱熀秋,鞠金涛,陈涛. 轴承. 2016(12)
[5]磁悬浮轴承应用发展及关键技术综述[J]. 张维煜,朱熀秋,袁野. 电工技术学报. 2015(12)
[6]磁悬浮轴承发展及关键技术研究现状[J]. 李媛媛,朱熀秋,朱利东,吴晓军. 微电机. 2014(06)
[7]磁悬浮轴承技术在风机与泵类设备中的应用现状[J]. 汤士明,梅磊,欧阳慧珉. 微特电机. 2013(08)
[8]电动汽车磁悬浮飞轮电池储能系统设计[J]. 高辉,李怀良,翟长国,陈良亮. 电力系统自动化. 2013(01)
[9]清华大学飞轮储能技术研究概况[J]. 戴兴建,张小章,姜新建,王善铭,沈祖培,孙旭东. 储能科学与技术. 2012(01)
[10]飞轮储能系统用电动/发电机的研究[J]. 张广明,张龙,梅磊,季文娟. 微特电机. 2012(08)
博士论文
[1]基于DSP平台的磁悬浮轴承数字控制系统[D]. 卞斌.山东大学 2012
硕士论文
[1]永磁同步电机伺服系统的自适应模糊控制研究[D]. 刘爽.哈尔滨工业大学 2018
[2]基于DSP+FPGA的飞轮储能用磁悬浮轴承控制器的设计[D]. 孙畅.浙江大学 2018
[3]混合式磁悬浮电机结构设计及其径向控制驱动研究[D]. 孙冲.扬州大学 2017
[4]基于F2812 DSP的磁悬浮组合支承系统数字控制器研究[D]. 张景亭.南京航空航天大学 2009
[5]金属橡胶磁悬浮轴承组合支承转子系统动力学特性研究[D]. 高华.南京航空航天大学 2009
[6]基于DSP的磁悬浮转子控制系统设计与控制算法研究[D]. 商丽娟.武汉理工大学 2007
[7]混合式磁悬浮轴承及其控制系统的研究[D]. 张敬.沈阳工业大学 2005
[8]基于DSP的磁悬浮轴承控制系统及其控制算法的研究[D]. 彭春山.武汉理工大学 2003
本文编号：2954512
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