面对能源危机这一全球性难题,可再生能源与储能技术的开发利用已成为世界各国的研究热点。飞轮电池是一种高性能储能装置,具有功率密度高、清洁高效、寿命长等诸多优势,在应对能源危机的难题中有着极高的科研与应用价值。驱动电机作为飞轮电池系统的关键部件,是各国学者的重点研究对象。磁悬浮无刷直流电机(Bearingless Brushless DC Motor,BBLDCM)在传统无刷直流电机的基础上,于定子槽中嵌入一套悬浮绕组,实现了在转子两自由度稳定悬浮的同时又可产生转矩,具有高集成、低损耗、高临界转速、高功率密度等优点,其在飞轮电池领域具有重大的研究意义。本文以电动运行的BBLDCM为研究对象,在分析其工作原理、推导数学模型的基础上,针对BBLDCM非线性、强耦合、高脉动的问题,在国家自然科学基金项目(51707082,51877071)的资助下,开展相关研究。主要工作及研究成果如下:首先阐述了BBLDCM的本体结构,分析了转矩、悬浮力产生机理及其耦合关系,推导单自由度径向悬浮力数学模型,并扩展至任意转子位置的悬浮力数学模型,同时利用有限元软件验证转矩、悬浮耦合特性,为构建BBLDCM的控制系统提供了理论依据。针对BBLDCM电动运行中存在转矩脉动大的问题,推导了其磁链、电压、电流与转矩的数值解析关系,将直接转矩控制策略应用于BBLDCM的转矩控制子系统。由于直接转矩控制对电机高速运行区段的转矩脉动抑制效果不明显,进一步分析了其脉动的根本原因,并在直接转矩的基础上引入了电流预测控制,推导了电机在高速及低速区间的电流预测表达式,实现了电机全速度范围下转矩脉动抑制。为提高悬浮转子运行鲁棒性和控制精度,借鉴直接转矩控制基本原理,针对悬浮控制子系统提出新型直接悬浮力控制策略,推导不同状态下的悬浮力矢量,给出悬浮绕组导通表,同时阐明新型直接悬浮力调节原理。为减少外界干扰的影响,提高鲁棒性,实现转子抖动最小化,在所提直接悬浮力控制策略的基础上,结合超螺旋算法,设计并改进二阶滑模位移控制器,实现悬浮子系统的高性能控制。为满足BBLDCM高速运行控制需求,构建了以DSP为主控制器的数字控制系统。设计了转矩、悬浮子系统功率变换器、驱动隔离以及信号检测等电路,为后续相关研究的开展奠定了基础。