自由活塞式斯特林永磁直线发电机控制系统研究

论文摘要

自由活塞式斯特林发动机结构紧凑、效率高、燃料多样化,在空间技术、核能应用、太阳能应用、热回收等领域有很大潜力。直线发电机以其响应快、高效、高精度等优点,成为当前电机及其控制领域的研究热点。将两者配套工作,可以节省能源,提高效率和控制精度,促进新能源利用的发展。本文建立了永磁同步直线电机和自由活塞式斯特林发动机的数学模型,分析了斯特林发动机输出功率控制的决定因素,研究了起动控制和发电控制的不同控制策略。在MATLAB/Simulink中分别建立了起动阶段和发电阶段的系统仿真模型,并进行了仿真研究。仿真结果验证了控制策略的可行性。设计了控制系统的硬件电路,包括驱动电路和控制电路。驱动电路由驱动板电源、功率驱动及隔离电路、检测及隔离电路、保护电路等部分构成;控制电路由TMS320F2812 DSP控制器及外设、控制板电源、位置检测电路、故障信号处理电路等部分构成。系统使用可变差动变送器(LVDT)检测直线电机动子位置,设计了LVDT的驱动调理电路。进行了控制系统的软件设计,本系统软件包括主程序和中断处理程序两部分。系统复位后,先初始化定时器、AD模块、PWM模块等,开启定时器中断和PWM保护中断,在中断条件满足时执行中断服务子程序。最后,使用一台圆筒型永磁同步直线发电机为样机进行了实验。使用一台无刷直流电动机作为原动机模拟自由活塞式斯特林发动机,通过曲轴连杆机构实现旋转运动和直线运动间的转换。进行了起动阶段和发电阶段电压调整情况的实验,测试了电流环,获得了动子位置曲线数据,验证了电压调整的平稳性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及研究的目的和意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 自由活塞式斯特林发动机研究现状
• 1.2.2 圆筒型永磁同步直线电机的原理
• 1.2.3 自由活塞式永磁直线发电机发展概况
• 1.2.4 永磁同步直线电机的控制方法
• 1.2.5 自由活塞式斯特林发动机输出功率控制
• 1.3 本文的主要研究内容
• 第2章 系统控制策略研究与MATLAB仿真
• 2.1 系统的控制策略研究
• 2.2 系统的数学模型
• 2.2.1 永磁同步直线电机数学模型
• 2.2.2 自由活塞式斯特林发动机数学模型
• 2.3 系统平稳起动的研究及仿真
• 2.3.1 起动阶段仿真模型建立
• 2.3.2 起动阶段系统仿真及结果分析
• 2.4 发电阶段电压调整仿真
• 2.4.1 发电阶段仿真模型建立
• 2.4.2 发电阶段电压调整仿真及结果分析
• 2.5 本章小结
• 第3章 控制系统硬件设计
• 3.1 控制系统硬件总体结构图
• 3.2 驱动电路组成
• 3.2.1 驱动板电源设计
• 3.2.2 功率驱动及隔离电路
• 3.2.3 检测及隔离电路
• 3.2.4 保护电路
• 3.3 控制电路组成
• 3.3.1 控制板电源设计
• 3.3.2 TMS320F2812 DSP控制器及外设
• 3.2.3 位置检测电路
• 3.2.4 故障信号处理电路
• 3.4 系统实物
• 3.5 本章小结
• 第4章 控制系统软件设计
• 4.1 主程序
• 4.2 中断处理程序
• 4.2.1 ADC模块的信号检测与计算
• 4.2.2 起动阶段控制
• 4.2.3 发电阶段控制
• 4.2.4 速度调节
• 4.2.5 SVPWM发生器实现
• 4.3 本章小结
• 第5章 实验结果及分析
• 5.1 实验平台
• 5.2 实验结果
• 5.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果
• 致谢