分析電機控制系統(tǒng)的功能及控制策略
課時
2 課時（90 min）
教學目標
知識目標：
（1）熟悉電機控制系統(tǒng)的基本功能和控制策略
（2）掌握MCU的基本結(jié)構(gòu)
（3）了解多合一電驅(qū)動系統(tǒng)的特點
技能目標：
能夠分析電機控制系統(tǒng)的基本功能和控制策略
素質(zhì)目標：
（1）堅定民族自豪感和文化自信心
（2）強化歷史使命感和社會責任感
（3）養(yǎng)成堅持不懈、刻苦鉆研的工作作風
教學重難點
教學重點：熟悉電機控制系統(tǒng)的基本功能和控制策略
教學難點：掌握電機控制器的基本結(jié)構(gòu)
教學方法
任務(wù)引入法、問答法、討論法、實踐操作法
教學用具
電腦、投影儀、多媒體課件、教材
教學設(shè)計
第1節(jié)課：課前任務(wù)→ 考勤（2 min）→ 任務(wù)引入（5 min）→ 傳授新知（33 min）→ 課堂討論（5 min）
第2節(jié)課：傳授新知（35 min）→ 課堂討論（5 min）→ 課堂小結(jié)（3 min）→ 作業(yè)布置（2 min）
教學過程
主要教學內(nèi)容及步驟
設(shè)計意圖
第一節(jié)課
課前任務(wù)
【教師】布置課前任務(wù)，和學生負責人取得聯(lián)系，組織學生下載“任務(wù)工單——分析電機控制系統(tǒng)的功能及控制策略”，并根據(jù)任務(wù)工單進行組內(nèi)分工，同時提醒同學通過文旌課堂APP或其他學習軟件，收集純電動汽車驅(qū)動電機的相關(guān)資料，并進行了解
【學生】提前上網(wǎng)觀看相關(guān)資料，熟悉教材
通過課前的預(yù)熱，讓學生了解所學課程的大概內(nèi)容，激發(fā)學生的學習欲望
考勤
（2 min）
【教師】使用文旌課堂APP進行簽到
【學生】按照老師要求簽到
培養(yǎng)學生的組織紀律性，掌握學生的出勤情況
任務(wù)引入
（5 min）
【教師】講述純電動汽車的電機控制系統(tǒng)相關(guān)知識
【學生】聆聽、思考
通過講解任務(wù)相關(guān)背景知識，讓學生帶著相關(guān)背景去探索新知識
傳授新知
（33 min）
【教師】講解電機控制系統(tǒng)的基本功能及控制策略
3.2.1 電機控制系統(tǒng)的基本功能
電機控制系統(tǒng)是驅(qū)動電機系統(tǒng)的控制單元，其核心部件為電機控制器，如圖所示。
電機控制系統(tǒng)一般具有總線通信、功率調(diào)節(jié)、能量回饋、高壓互鎖、過電流保護、過載保護、欠電壓保護、過電壓保護、缺相保護、故障上報等功能，具體表現(xiàn)在以下幾個方面。
（1）采集擋位信號以及加速踏板位置傳感器和制動踏板位置傳感器的信號。
（2）通過CAN總線與整車控制器、數(shù)字儀表板、電池管理系統(tǒng)通信，實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換、指令接收等。
（3）控制驅(qū)動電機的啟動、運行、加減速等。
（4）調(diào)節(jié)驅(qū)動電機的輸出功率，同時對驅(qū)動電機進行各種電氣保護。
（5）控制實現(xiàn)制動能量回收。
（6）控制防溜車系統(tǒng)。
（7）防止驅(qū)動電機出現(xiàn)“飛車”現(xiàn)象，防止功率模塊受損。
（8）檢測和處理系統(tǒng)內(nèi)部故障。
3.2.2 電機控制系統(tǒng)的控制策略
在純電動汽車行駛過程中，駕駛員根據(jù)實際行駛工況的需要，通過操作加速踏板、制動踏板、減速器操縱桿來控制車速。在不考慮換擋的情況下，加速踏板、制動踏板的位置信號就代表了駕駛員的指令，整車控制器通過這些信號判斷駕駛員的駕駛意圖，并將其轉(zhuǎn)換成各種控制信號發(fā)送至電機控制系統(tǒng)。電機控制系統(tǒng)從整車控制器獲得整車的需求，從動力電池獲得電能，經(jīng)過自身逆變器的調(diào)制，輸出驅(qū)動電機需要的電流和電壓，使得驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩滿足整車的要求。因此純電動汽車實際上是通過駕駛員、動力電池系統(tǒng)、整車控制系統(tǒng)、電機控制系統(tǒng)、驅(qū)動電機等實現(xiàn)對車速閉環(huán)控制的。電機控制系統(tǒng)的控制策略如圖所示。
電機控制系統(tǒng)的控制策略有開環(huán)控制、電流閉環(huán)控制、車速閉環(huán)控制、車速-電流雙閉環(huán)控制等形式。
開環(huán)控制：利用加速踏板位置信號，通過電機控制器輸入PWM（pulse width mdulatin）占空比信號，其特點是線路簡單、成本低，但是當動力電池電壓參數(shù)發(fā)生變化時，電機控制系統(tǒng)沒有自調(diào)節(jié)能力，驅(qū)動電機系統(tǒng)的抗干擾能力差，車輛的起步、加速和動力等性能不高。
電流閉環(huán)控制：利用加速踏板位置信號控制驅(qū)動電機的電樞電流，從而控制驅(qū)動電機的輸出轉(zhuǎn)矩。電流閉環(huán)控制系統(tǒng)的主要特點是響應(yīng)時間短、控制準確，且具有自調(diào)節(jié)能力，但是此系統(tǒng)容易出現(xiàn)過電流現(xiàn)象，可能導致驅(qū)動電機或電機控制器損壞。
車速閉環(huán)控制：直接根據(jù)速度偏差計算驅(qū)動電機所需的電壓，但在整個控制過程中不能精確地控制驅(qū)動電機的輸出轉(zhuǎn)矩。
車速-電流雙閉環(huán)控制：具有良好的動態(tài)性能，加速踏板位置信號直接關(guān)聯(lián)駕駛員期望車速，車輛的起步、加速、動力等性能表現(xiàn)較好。
動力電池系統(tǒng)中采用了再生制動器，它通過驅(qū)動電機的發(fā)電功能將車輛制動減速時多余的動能轉(zhuǎn)換成電能儲存至動力電池中，以增大車輛的續(xù)駛里程。電機控制系統(tǒng)在制動時與制動器同時控制再生制動器，完美地將原來在減速中作為摩擦熱散失的動能回收為行駛用能量。車輛在利用驅(qū)動車輪的旋轉(zhuǎn)帶動驅(qū)動電機發(fā)電的同時，還可利用發(fā)電時的電磁阻力來減速。
【知識鏈接】拓展知識面
【教師】講述在城市道路上行駛時，反復進行的調(diào)速制動操作的原因
在城市道路上行駛時，反復進行的調(diào)速制動操作具有較高的能量回收效果，所以車輛在低速運行時優(yōu)先使用再生制動器。據(jù)統(tǒng)計，在城市道路上行駛100 km，可回收的能量等同于1 L汽油的能量。
【學生】聆聽、思考
【學生】聆聽、思考、理解、記憶
通過講解、圖片展示、課堂互動等教學方法，讓學生了解電機控制系統(tǒng)的基本功能及控制策略
課堂討論
（10 min）
【教師】組織學生以小組為單位討論以下問題：
（1）簡述電機控制系統(tǒng)的基本功能。
（2）簡述電機控制系統(tǒng)的控制策略？
【學生】聆聽、思考、小組討論，由小組代表發(fā)表討論結(jié)果
【教師】與學生一起評價各組的發(fā)言
通過課堂討論，激發(fā)學生的學習興趣，加深學生對所學知識的理解
第二節(jié)課
傳授新知
（35 min）
【教師】通過大家的發(fā)言，引入新知，講解電機控制器的基本結(jié)構(gòu)、多合一電驅(qū)動系統(tǒng)
3.2.3 電機控制器的基本結(jié)構(gòu)
電機控制器主要由中央控制模塊、功率模塊、驅(qū)動控制模塊及各種傳感器組成。
1．中央控制模塊
中央控制模塊一般包括PWM波形生成電路、復位電路、傳感器信號處理電路、交互電路等，如圖所示。對外，中央控制模塊通過對外接口，接收整車上其他部件的指令和狀態(tài)信息；對內(nèi)，中央控制模塊把接收到的指令和狀態(tài)信息傳遞給逆變器驅(qū)動電路，并檢測控制效果。
2．功率模塊
電機控制器的主體是一臺逆變器，它是通過功率模塊對驅(qū)動電機的電流、電壓進行控制的。功率模塊經(jīng)常選用的功率器件主要有金屬氧化物半導體場效應(yīng)晶體管（MOSFET）、門極可關(guān)斷晶閘管（GTO）、絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）等，其中以IGBT應(yīng)用最為廣泛。比亞迪車規(guī)級IGBT模塊如圖所示。
【國貨之光】拓展知識面
【教師】講述功率半導體的研發(fā)
在功率半導體方面，我國長期依賴國外進口產(chǎn)品。以IGBT為例，在2017年之前，車規(guī)級IGBT幾乎100%依賴進口，絕大部分市場份額由外資占據(jù)。2018年，比亞迪微電子發(fā)布全新一代車規(guī)級IGBT標桿性產(chǎn)品——比亞迪IGBT 4.0，一舉打破了IGBT市場完全被外資芯片巨頭壟斷的現(xiàn)狀。
【學生】聆聽、思考
3．驅(qū)動控制模塊
驅(qū)動控制模塊用于將中央控制模塊的指令轉(zhuǎn)換成對逆變器中晶體管的通斷指令；并作為保護裝置，對系統(tǒng)的電壓、電流等進行檢測，防止出現(xiàn)過電壓、過電流現(xiàn)象。
4．傳感器
電機控制系統(tǒng)應(yīng)用到的傳感器主要包括電流傳感器、電壓傳感器、溫度傳感器等，可根據(jù)設(shè)計要求適當增減。
電流傳感器：用以檢測驅(qū)動電機工作的實際電流（包括母線電流、三相交流電流等）。
電壓傳感器：用以檢測電機控制器工作的實際電壓（包括動力電池電壓、低壓蓄電池電壓）。
溫度傳感器：用以檢測驅(qū)動電機系統(tǒng)的工作溫度（包括IGBT模塊溫度、驅(qū)動電機溫度等）。
【多媒體演示】組織學生掃碼觀看“電機控制器”視頻，加深學生對“電機控制器”的認知
3.2.4 多合一電驅(qū)動系統(tǒng)
最初純電動汽車的電驅(qū)動系統(tǒng)是不存在集成式設(shè)計的，其驅(qū)動電機、電機控制器、減速器、充配電系統(tǒng)等部件均單獨布置，各部件間靠線束連接。整個空間布局非常復雜，且體積、質(zhì)量較大。如果將驅(qū)動電機、減速器和逆變器多合一集成一個整體的電驅(qū)動系統(tǒng)，可以省去高壓線束、冷卻水管等部件，如圖3-20所示。因此，多合一電驅(qū)動系統(tǒng)體積小，使車輛的布局可以更加靈活，也有利于汽車企業(yè)的平臺化設(shè)計，而對于用戶來說，則可獲得較大的乘坐空間以及寬敞的儲物空間。
總體來看，多合一電驅(qū)動系統(tǒng)的優(yōu)勢如下。
（1）適應(yīng)性好。多合一電驅(qū)動系統(tǒng)需要頂層設(shè)計，從車型平臺上進行規(guī)劃，這樣可以大幅縮短開發(fā)周期，并能以較低研發(fā)成本的代價滿足不同客戶多樣化的需求。
（2）降低成本。多合一電驅(qū)動系統(tǒng)可減少系統(tǒng)內(nèi)部的高壓線數(shù)量以及連接器、冷卻水管等部件，降低系統(tǒng)的總質(zhì)量，節(jié)約成本。
（3）節(jié)省空間。在尺寸相對較小的殼體內(nèi)整合驅(qū)動電機、電機控制器、減速器及動力傳輸模塊，解放車內(nèi)空間，有利于整車的布置。
（4）提升能效。多合一電驅(qū)動系統(tǒng)可減少或縮短逆變器與電機之間的連接配線，降低連接部位的電力損耗，提升驅(qū)動系統(tǒng)的效率。
（5）提升可靠性。共殼體及同軸設(shè)計極大地提高了整機的NVH（nise、vibratin、harshness，噪聲、振動與聲振粗糙度）性能，從而提高了總成的可靠性。
多合一電驅(qū)動技術(shù)是近年來發(fā)展出來的一個主流技術(shù)路線，如特斯拉、蔚來、比亞迪等汽車企業(yè)引領(lǐng)了這個潮流，各大汽車零部件企業(yè)也紛紛投入該領(lǐng)域的研發(fā)。以比亞迪為例，其發(fā)布的e平臺3.0（見圖a）涵蓋了驅(qū)動電機、電機控制器、減速器集成的三合一電驅(qū)動系統(tǒng)（見圖b），以及DC/DC變換器、車載充電機和高壓配電盒集成的三合一充配電系統(tǒng)（見圖c）。
a 比亞迪 e 平臺 3.0
b 比亞迪 e 平臺三合一電驅(qū)動系統(tǒng)
C 比亞迪 e 平臺三合一充配電系統(tǒng)
在比亞迪的多合一電驅(qū)動系統(tǒng)中，驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速可達14 000 r/min，系統(tǒng)的綜合效率可達88%，最高效率可達91.9%。通過集成化設(shè)計，整個系統(tǒng)的質(zhì)量降低了35%，功率密度提升了40%，成本下降了40%。
【學生】聆聽、思考、理解、記憶
通過講解、圖片展示、課堂互動等教學方法，讓學生了解電機控制器的基本結(jié)構(gòu)、多合一電驅(qū)動系統(tǒng)
課堂討論
（5 min）
【教師】組織學生以小組為單位討論以下問題：
簡述功率模塊的主要作用？
【學生】聆聽、思考、小組討論，由小組代表發(fā)表討論結(jié)果
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課堂小結(jié)
（3 min）
【教師】簡要總結(jié)本節(jié)課的要點
本節(jié)課學習了電機控制系統(tǒng)的基本功能及控制策略、?電機控制器的基本結(jié)構(gòu)、多合一電驅(qū)動系統(tǒng)；希望大家課下能多練習，對電機控制系統(tǒng)的基本功能及控制策略、電機控制器的基本結(jié)構(gòu)、多合一電驅(qū)動系統(tǒng)有一定認識，并能正確、熟練的分析電機控制系統(tǒng)的功能和控制策略
【學生】總結(jié)回顧知識點
總結(jié)知識點，鞏固印象
作業(yè)布置
（2 min）
【教師】布置課后作業(yè)
本課作業(yè)布置二維碼
老師掃描此碼，即可進行線上作業(yè)布置
【學生】完成課后任務(wù)
復習鞏固學到的知識，并能學以致用
教學反思
本節(jié)課效果不錯，學生基本掌握了所學知識，并能夠積極參與課堂互動。我認為教師應(yīng)鼓勵學生主動參與活動并獲取積極的體驗，主動探索解決問題的途徑。學生主體性的展現(xiàn)需要自由，寬容則是自由的保障，沒有寬容也就沒有自由可言。因此，教師在教學過程中，應(yīng)主動、積極地營造寬容的課堂氛圍。

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中職專業(yè)課通用版新能源汽車概論（上海交大）電子課本

項目3 驅(qū)動電機系統(tǒng)

版本： 通用版

年級： 新能源汽車概論（上海交大）

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