无轴承无刷直流电机飞轮储能系统基础研究

摘要

能源危机和环境污染是世界公认的两大社会问题。开发诸如风能、太阳能、水能等清洁能源成为各国研究的热点。将其他能源转换为电能储存是一种有效的储能方式。蓄电池是最为常见的电能储存方式之一，但是传统的蓄电池储能密度小、寿命短、易造成化学污染，渐渐不能满足社会的需求。因此，清洁高效的储能装置成为学者们研究的热点。飞轮储能系统以其寿命长、储能密度大、无污染、免维护等特点，在电动汽车、航空航天等领域具有重大的应用价值。在飞轮储能系统中，驱动电机作为能量转换装置起着至关重要的作用。无刷直流电机具有调速性能好、体积小、重量轻、效率高等优势，既可以作为电动机也可以作为发电机使用，相比于其他类型的电机更适合作为飞轮储能的驱动电机。但是传统轴承支撑的无刷直流电机因为存在摩擦磨损，产生粉尘和污染，不仅影响电机寿命，还限制了电机转速的提高，已经难以在高速及洁净的环境下运行。因此，无轴承无刷直流电机以其无摩擦磨损、无需润滑、转速高、寿命长等特点得到了广大学者的青睐。本文围绕无轴承无刷直流电机关键技术开展理论和试验研究，论文主要研究工作: (1)结合文献对飞轮储能系统及无轴承无刷直流电机进行了国内外研究发展现状的分析，并对其关键技术以及发展趋势进行了论述，提出一种五自由度飞轮储能系统。 (2)提出一种新型的无轴承无刷直流电机结构，并详细分析了转矩和悬浮力产生的原理，在此基础上推导了无轴承无刷直流电机转矩的数学模型和径向悬浮力数学模型。为无轴承无刷直流电机控制系统的设计奠定了理论基础。 (3)设计了无轴承无刷直流电机控制系统，提出一种12相悬浮力绕组导通策略，并阐述了转矩子系统电动机（充电）、发电机（放电）、待机三种状态控制系统的实现和悬浮力子系统控制系统的实现。利用MATLAB/Simulink平台构建转矩子系统仿真模型和悬浮力子系统仿真模型，并对仿真结果进行分析。 (4)基于TMS320F2812平台设计了无轴承无刷直流电机数字控制系统，阐述了各个模块的原理及功能，并设计了软件系统。利用样机进行了部分试验研究，并分析了试验结果。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 本文研究背景

1．2 飞轮储能系统概述

1．2．1 电动汽车车载电池

1．2．2 飞轮储能系统工作原理

1．2．3 飞轮储能系统的结构

1．2．4 一种五自由度飞轮储能系统

1．3 无轴承无刷直流电机概述

1．3．1 无轴承无刷直流电机研究发展现状

1．3．2 无轴承无刷直流电机关键技术

1．3．3 无轴承无刷直流电机应用趋势

1．4 本文研究的目的和意义

1．5 本文的主要研究内容

第二章 无轴承无刷直流电机的结构、原理及数学模型

2．1 无轴承无刷直流电机的结构组成

2．1．1 无轴承无刷直流电机的基本组成

2．1．2 无轴承无刷直流电机的本体结构

2．2 无轴承无刷直流电机的工作原理

2．2．1 无刷直流电机的工作原理

2．2．2 无轴承无刷直流电机悬浮机理

2．3 无轴承无刷直流电机的数学模型

2．3．1 转矩子系统数学模型

2．3．2 悬浮力子系统数学模型

2．3．3 电机运动方程模型

2．4 本章小结

第三章 无轴承无刷直流电机控制系统设计及仿真

3．1 无轴承无刷直流电机的控制系统设计

3．1．1 无轴承无刷直流电机的控制系统

3．2 转矩子系统

3．2．1 电动机(充电)状态

3．2．2 待机状态

3．2．3 发电机(放电)状态

3．3 悬浮力子系统

3．3．1 12相悬浮力绕组导通策略

3．3．2 悬浮力子系统控制系统的实现

3．4 无轴承无刷直流电机控制系统仿真

3．4．1 转矩子系统仿真

3．4．2 悬浮力子系统仿真

3．5 仿真结果

3．6 本章小结

第四章 无轴承无刷直流电机的数字驱动控制系统设计

4．1 无轴承无刷直流电机的数字控制系统

4．2 基于TMS320F2812的控制系统硬件设计

4．2．1 TMS320F2812开发板结构及工作原理

4．2．2 功率逆变电路

4．2．3 位移传感器及位移检测电路

4．2．4 速度传感器及速度检测电路

4．2．5 霍尔传感器及电流检测电路

4．3 基于TNS320F2812的控制系统软件设计

4．3．1 系统主程序

4．3．2 中断子程序

4．3．3 主要功能模块及具体实现方法

4．3．4 软件抗干扰

4．4 数控实验系统研究

4．4．1 数字控制系统构成

4．4．2 实验结果

4．5 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 本文的主要内容及结果

5．2 后续研究工作展望

参考文献

致谢

在学期间发表的学术论文与研究成果