飞轮电池用单绕组磁悬浮开关磁阻电机电动控制研究

摘要

飞轮电池作为一种机电储能装置，具有功率密度高、无需周期性维护、环境友好、寿命长、循环效率高等诸多优点，在电力调峰、分布式发电、电动汽车、空间飞行器等关键科学技术领域具有广阔的应用前景。电机作为飞轮电池的核心部件是影响其发展和应用的关键。磁悬浮开关磁阻电机结合磁轴承与开关磁阻电机技术，可同时实现电机两自由度悬浮和产生电磁转矩，在保留磁轴承无摩擦、无机械磨损特点的基础上，缩短了电机轴向长度，有效提高了电机临界转速。单绕组磁悬浮开关磁阻电机(single winding bearingless switched reluctance motor, SWBSRM)在传统双绕组磁悬浮开关磁阻电机的基础上，省去了一套悬浮绕组，有效提高了系统的运行效率与控制灵活度，在飞轮电池领域具有重要研究意义和应用价值。 本文以SWBSRM 为研究对象，在分析其运行机理、全角度数学建模的基础上，针对SWBSRM非线性、强耦合、高脉动、动态性能差的问题，在国家自然科学基金(51377074)项目资助下，开展电动控制研究。论文的主要研究工作及成果如下： 分析了SWBSRM电动/悬浮机理，分割定子磁通与两个相邻转子极交链的磁路，采用虚位移法推导了SWBSRM全角度数学模型，并用有限元仿真验证了其准确性。 针对SWBSRM系统存在的悬浮力脉动、转矩脉动及相互的耦合问题，提出了SWBSRM的直接转矩与直接悬浮力控制。鉴于其独特的单绕组运行方式，采用五电平功率变换器，结合麦克斯韦应力和机电能量转换原理，推导 SWBSRM 磁链、电压、转矩和悬浮力的直接解析关系，构建分电压输入模块，实现转矩与悬浮力解耦控制。基于matlab\simulink平台搭建仿真模型，分析了模型的工作原理，仿真结果验证了控制策略的合理性。 为提高系统鲁棒性与可靠性，消除稳态运行过程中转速脉动，结合超螺旋算法，设计二阶滑模转速控制器，提出二阶滑模直接转矩与直接悬浮力控制。针对超螺旋算法只适用于相对阶为1的系统，引入高阶导数项建立滑动量，设计二阶滑模转子位移控制器，提出直接转矩与二阶滑模直接悬浮力控制。为进一步提高转子悬浮性能，改进超螺旋算法，并基于此算法设计转子位移控制器。构建样机控制系统，验证了所提控制方法的优越性。 为满足 SWBSRM 高速运行的需要，采用 DSP+CPLD 为主控芯片的设计方案，根据DSP和CPLD运行特性，合理分配任务。设计了五电平功率变换器、光耦驱动、正交编码器、电涡流传感器、电压保护、电流检测、电流保护等电路。

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