新能源汽車電力電子技術(shù) 課件 項目五 新能源汽車執(zhí)行器

新能源汽車電力電子技術(shù)（第1版）高等職業(yè)教育新能源汽車類專業(yè)Contents項目一新能源汽車電工基礎(chǔ)知識認知與應用項目二新能源汽車典型電子器件應用與檢測項目三新能源汽車典型電子電路應用與檢測項目四新能源汽車典型電壓轉(zhuǎn)換電路檢測項目五新能源汽車執(zhí)行器項目五新能源汽車執(zhí)行器任務1高壓上電過程控制任務2

直流電機控制電路原理與應用任務3

三相電機控制原理習題及答案高壓電路中電機控制器和空調(diào)壓縮機控制器內(nèi)部含有電容，為了防止動力蓄電池與高壓電路直接接通瞬間的電流過大，損壞控制器內(nèi)部電子元件，ＢＭＳ按特定順序來控制繼電器的通斷，達到以低電壓、小電流對各控制器內(nèi)部電容充電的目的。

本任務通過搭建電路，模擬高壓上電過程，使學生學習新能源汽車高壓上電的控制原理，并通過規(guī)范的操作，養(yǎng)成良好的職業(yè)素養(yǎng)。任務1

高壓上電過程控制（一）高壓上電預充電過程圖5-1預充電示意圖

驅(qū)動電機電機控制器和空調(diào)壓縮機的電機控制器內(nèi)部含有電容，如果動力蓄電池接入高壓電路時，電容內(nèi)沒有預先儲存一定的電荷量則高壓電路中電容的充電電流會非常大，極容易發(fā)生危險，為了避免發(fā)生短路的意外，應加入預充繼電器和預充電阻來給電容進行預充電，以此來保護電路，預充電示意圖如圖5-1所示。1.預充電原因一、知識準備任務1

高壓上電過程控制圖5-2高壓預充電電路2.預充電控制過程

常規(guī)的高壓預充電電路如圖5-2所示。任務1

高壓上電過程控制一、知識準備預充電控制過程任務1

高壓上電過程控制

利用充電電阻Ｒ１’、緩沖電感Ｌ１’和防反接二極管Ｄ１’向充電電容Ｃ１’預充電，充電電阻Ｒ１’用于限制預充電電流，當電壓達到預期時，閉合繼電器ＲＬ１’，完成預充電。預充電電流與充電電阻Ｒ１’、上電電壓高度關(guān)聯(lián)，需要充分考慮不同電壓、不同環(huán)境溫度下充電電阻Ｒ１’的發(fā)熱，繼電器ＲＬ１’的選型也非常關(guān)鍵，并且為維持繼電器ＲＬ１’導通，需要持續(xù)提供電流給繼電器ＲＬ１’的線圈，一般是１２Ｖ、４０ｍＡ。另外直流系統(tǒng)的繼電器驅(qū)動需要反向供電才能使繼電器ＲＬ１’的觸點斷開，繼電器ＲＬ１’的壽命有限，關(guān)閉時有電弧發(fā)生，會影響觸點電阻。此外，繼電器ＲＬ１’的體積比較大，占用空間比較大。一、知識準備

對于純電動汽車而言，沒有電是萬萬不可的，可是有了電，也并不是萬能的，畢竟在純電動汽車起動之前還要經(jīng)過一個高壓上電過程，新能源汽車高壓系統(tǒng)電路簡圖如圖5-3所示。（二）高壓上電的控制原理圖5-3新能源汽車高壓系統(tǒng)電路簡圖任務1

高壓上電過程控制一、知識準備

上電過程可以簡單理解為各部件間開關(guān)閉合的通電順序，標準說法應是上電時序，在純電動汽車中，使用了更多的電子元件作為通電開關(guān)，它們根據(jù)控制單元的指令，嚴格遵循開閉的先后順序，即為上電時序，如圖5-4所示。圖5-4新能源汽車整車高壓系統(tǒng)上下電流程任務1

高壓上電過程控制一、知識準備既然有上電時序，就必有下電時序，有正常工作時的上下電時序，也有充電狀態(tài)下的上下電時序，在進一步了解它們之前，我們必須要知道高壓上電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。圖5-5高壓上電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1.高壓上電系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)任務1

高壓上電過程控制一、知識準備(１)母線

(２)ＶＣＵ(３)ＢＭＳ(４)主正繼電器(５)主負繼電器(６)預充繼電器(７)預充電阻圖5-5高壓上電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)任務1

高壓上電過程控制一、知識準備(１)高壓上電時序高壓上電控制時序如下:①整車上電后，ＢＭＳ被喚醒，此時高壓系統(tǒng)處于Ｉｎｉｔ(初始化)模式；②ＢＭＳ進行自檢狀態(tài)，如果沒有故障將反饋Ｒｅａｄｙ(預準備狀態(tài))到ＶＣＵ，檢測主負繼電器和主正繼電器是否粘連；③通過檢測后等待ＶＣＵ上電指令，此時由Ｉｎｉｔ模式切換至Ｓｔａｎｄｂｙ(待命)模式；④在接收到ＶＣＵ上高壓電指令后，閉合主負、預充繼電器進行預充；2.高壓上電的控制過程任務1

高壓上電過程控制一、知識準備⑤預充完成后閉合主正繼電器，延時１００ｍｓ

后斷開預充，預充時間不大于６００ｍｓ；⑥預充結(jié)束后，斷開預充繼電器，高壓上電完成，進入Ｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌ(運作)模式，如圖5-6所示。任務1

高壓上電過程控制圖5-6新能源汽車高壓上電控制時序圖示一、知識準備(2)高壓下電時序高壓下電控制時序如下:①待ＯＮ擋消失(持續(xù)2ｓ)后，ＢＭＳ等待ＶＣＵ下電指令，若１５ｓ未收到ＶＣＵ下電指令，ＢＭＳ會強制下電休眠；②當ＢＭＳ收到ＶＣＵ下電指令時，若母線電流小于２０A，則先后斷開主正繼電器和主負繼電器，然后判斷母線電壓，若母線電壓下降到斷電前電壓的10％，ＢＭＳ將下電指令反饋給ＶＣＵ，此時進入Ｐｏｗｅｒｄｏｗｎ模式，同時ＢＭＳ發(fā)送下電完成指令后500s內(nèi)進入休眠狀態(tài)；③當ＢＭＳ收到ＶＣＵ下電指令時，若母線電流大于20Ａ，ＢＭＳ則會以５Ａ/１００ｍｓ的速度逐漸降低最大允許電流到０Ａ，若15ｓ內(nèi)母線電流仍然大于２０Ａ，ＢＭＳ會強制下電，如圖5-7所示。任務1

高壓上電過程控制一、知識準備任務1

高壓上電過程控制圖5-7新能源汽車高壓下電控制時序圖示一、知識準備(3)慢充上電時序慢充上電控制時序如下:①ＢＭＳ接收到ＯＢＣ(車載充電器)的充電喚醒信號且檢測到ＯＢＣ發(fā)出的ＣＣ、ＣＰ信號均為連接狀態(tài)時，ＢＭＳ進入充電模式。同時接收ＶＣＵ上高壓指令后且自檢通過，ＢＭＳ先后閉合主負繼電器、預充繼電器，當預充電壓與母線電壓差值在±１５Ｖ時閉合正繼電器，然后斷開預充繼電器，最后ＢＭＳ發(fā)送需求電流和需求電壓給ＯＢＣ；②當電充滿后，ＢＭＳ會發(fā)送充電完成指令，并斷開主繼電器，若此后不進入休眠狀態(tài)則不再響應ＶＣＵ的上電指令；③當斷開充電設(shè)備時，ＯＢＣ會斷開ＢＭＳ的喚醒信號，同時ＢＭＳ在檢測到充電喚醒消失后，先將充電電流降為０，然后自己再進入睡眠狀態(tài)；任務1

高壓上電過程控制一、知識準備④在充電過程中，若檢測到ＯＢＣ的二級以上故障，ＢＭＳ會主動終止充電，此時充電設(shè)備ＣＣ/ＣＰ信號未連接到ＢＭＳ，只連接到ＯＢＣ；⑤當ＢＭＳ檢測到自身故障或ＯＢＣ發(fā)出的三級故障，或充滿/充電過程中ＣＣ/ＣＰ/喚醒信號消失，則請求電流值為０，充電機模式為ＮＯＯＵＴＰＵＴ(無輸出模式)，如圖5-8所示。任務1

高壓上電過程控制圖5-8新能源汽車慢充上電控制時序圖示一、知識準備(4)快充上電時序快充上電控制時序如下:①ＢＭＳ接收到ＯＢＣ的充電喚醒信號且檢測到ＯＢＣ發(fā)出的ＣＣ、ＣＰ信號均為連接狀態(tài)時，ＢＭＳ進入充電模式。同時接收ＶＣＵ上高壓指令后且自檢通過，ＢＭＳ先后閉合主負繼電器、預充繼電器，當預充電壓與母線電壓差值在±１５Ｖ

時閉合正繼電器，然后斷開預充繼電器。最后ＢＭＳ發(fā)送需求電流和需求電壓給ＯＢＣ。②ＢＭＳ會先以每３ｓ增加０.０５Ｃ的速度給定充電電流，然后等待響應電流，如果響應電流未達到給定值，則等待給定電流以防止充電樁響應電流超調(diào)。③為兼容快充充電樁，ＢＭＳ將充電開始前的絕緣檢測放在充電過程中進行，其目的是為了防止充電樁在未完成絕緣檢測時發(fā)電而導致ＢＭＳ絕緣誤報現(xiàn)象的發(fā)生。任務1

高壓上電過程控制一、知識準備④只要插入充電設(shè)備，ＢＭＳ都應置位充電插頭處于連接狀態(tài)，但只有ＣＣ、ＣＰ同時有效或ＣＣ２有效時才允許進入充電模式。⑤當ＢＭＳ連續(xù)１５ｓ未接收到ＶＣＵＣＡＮ總線的指令信息，則認定為通信超時，此時ＢＭＳ將執(zhí)行下電命令。⑥首先以５Ａ/１００ｍｓ的步長速率將充電電流逐漸減小至０，然后斷開主繼電器。該故障為可恢復故障，即當通信恢復時，ＢＭＳ恢復正常通信，但不再接通主繼電器，故障等級為三級，如圖5-9所示。任務1

高壓上電過程控制圖5-9新能源汽車快充上電控制時序圖示一、知識準備

汽車起動時，如圖5-10所示，ＢＭＳ首先控制主負繼電器和預充繼電器閉合，主正繼電器斷開。此時，動力蓄電池首先經(jīng)預充壓，以較小的電流對電機控制器內(nèi)部的電容進行充電。待電容充電達到目標電壓后，ＢＭＳ控制預充繼電器斷開和主正繼電器閉合，使動力蓄電池直接連接主電路，完成上電過程。3.高壓上電的控制原理任務1

高壓上電過程控制圖5-10新能源汽車高壓上電控制時序圖示一、知識準備

維修開關(guān)在電動汽車的裝位置相對廣泛，包括設(shè)置于車廂中部扶手箱內(nèi)或車廂后部的扶手箱，還有在儲物箱內(nèi)、動力蓄電池總成上方等。因車型不同，需按照車輛維修手冊提示進行查找。

針對維修開關(guān)有著不同的稱呼:手動維修開關(guān)(Ｍａｎｕ￣ａｌＳｅｒｖｉｃｅＤｉｓｃｏｎｎｅｃｔ，ＭＳＤ)、緊急維修開關(guān)(ＥｍｅｒｇｅｎｃｙＳｅｒｖｉｃｅＳｗｉｔｃｈ，ＥＳＳ)，如5-11所示：（三）維修開關(guān)1.認識維修開關(guān)任務1

高壓上電過程控制圖5-11維修開關(guān)一、知識準備

維修開關(guān)，如圖5-12所示，布置于動力電池組中間，主要作用是在進行高壓系統(tǒng)的維修項目時，可以手動拔出維修開關(guān)，從而切斷動力電池電源，避免維修人員發(fā)生觸電意外。而且維修開關(guān)內(nèi)部裝有熔斷器，當高壓系統(tǒng)出現(xiàn)短路的情況，熔斷器熔斷連接，有效降低意外風險。2.維修開關(guān)的作用任務1

高壓上電過程控制圖5-12維修開關(guān)的安裝位置及結(jié)構(gòu)一、知識準備

維修開關(guān)電氣部位布置一般有兩種：一種是位于高壓電源的正極，另一種是布置于動力電池總成組中間，維修開關(guān)位于動力電池的正極，在動力電池正極與維修開關(guān)有一段電路，如果采用這種類型布置方式，需要保證此段電路處于人體不能接觸區(qū)域（一般在動力電池總成內(nèi)部位置）。

依據(jù)《混合動力電動汽車安全要求》（GB/T19751-2005）的規(guī)定，如果高壓連接器可不用工具斷開，則在未匹配的情況下需滿足IPXXB防護等級的要求，即防止手指直接接觸，所以維修開關(guān)的底座插孔應該依據(jù)IPXXB防護等級進行設(shè)計。3.維修開關(guān)的位置布局任務1

高壓上電過程控制一、知識準備

高壓互鎖指的是通過使用低壓信號來檢測高壓系統(tǒng)的完整性，例如：高壓纜線連接器是否出現(xiàn)松脫、電機控制器外殼是否未安裝到位和動力電池殼體是否移位等。

新能源汽車行駛過程中，高壓部件長時間處于振動的條件下，所以容易造成部件的移位或接線的松脫。當控制單元檢測到低壓系統(tǒng)斷開的時候，就需要啟動相應安全措施，給駕駛員發(fā)出警報并且斷開高壓回路等，如圖5-13所示。（四）高壓互鎖原理任務1

高壓上電過程控制圖5-13高壓互鎖控制示意圖一、知識準備任務1

高壓上電過程控制課程思政點

現(xiàn)代新能源汽車越來越注重安全駕駛，我們的研發(fā)人員從各個方面盡量為用戶規(guī)避行車危險，目的就是保證乘車人員的生命安全。生命安全大于一切，在進行高壓上電實踐操作時，我們應時刻牢記生命安全，規(guī)范操作，不讓自己和他人的受到傷害。一、知識準備準備工作防護裝備：防靜電工作服、絕緣手套、絕緣勞保鞋、絕緣安全鉤；制訂實訓方案，準備所需儀器、設(shè)備和工具。操作流程(１)教師進行實操示范，指導完成相關(guān)學習任務。(２)運用實訓臺，探究高壓上電預充階段、高壓上電預充階段結(jié)束后、維修開關(guān)斷開的條件下、高壓互鎖斷開的情況下，高壓電路的工作狀態(tài)。(3)填寫任務工單。操作提示實踐過程中，要保證自身及設(shè)備的安全，規(guī)范操作，這樣才能保證高壓上電實訓的準確進行。任務實施——新能源汽車高壓電上電實訓臺實訓任務1

高壓上電過程控制二、任務實施

新能源汽車一般采用電子助力轉(zhuǎn)向裝置，該裝置的動力源是直流電機。根據(jù)駕駛員的駕駛意圖，并且收集轉(zhuǎn)向、車速、扭矩等信息，由控制模塊完成直流電機的轉(zhuǎn)向控制和轉(zhuǎn)速控制，保證汽車在低速轉(zhuǎn)向行駛時輕便靈活，高速轉(zhuǎn)向行駛時穩(wěn)定可靠。

本任務通過搭建電路，學習直流電機的轉(zhuǎn)速控制方式和轉(zhuǎn)向控制方式，并通過規(guī)范的操作，養(yǎng)成良好的職業(yè)素養(yǎng)。任務2

直流電機控制電路原理與應用任務描述（一）直流電機的結(jié)構(gòu)圖5-14直流電機結(jié)構(gòu)任務2

直流電機控制電路原理與應用

直流電機（DirectCurrentMachine）是指能將直流電能轉(zhuǎn)換成機械能（直流電動機）或?qū)C械能轉(zhuǎn)換成直流電能（直流發(fā)電機）的旋轉(zhuǎn)電機。它是能實現(xiàn)直流電能和機械能互相轉(zhuǎn)換的電機。當它作電動機運行時是直流電動機，將電能轉(zhuǎn)換為機械能；作發(fā)電機運行時是直流發(fā)電機，將機械能轉(zhuǎn)換為電能。

直流電機的結(jié)構(gòu)主要由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成，如圖5-14所示。一、知識準備圖5-15定子結(jié)構(gòu)

定子主要部件包括主磁極、換向磁極、機座、端蓋和電刷裝置等，其剖面結(jié)構(gòu)如圖5-15所示：1.定子任務2

直流電機控制電路原理與應用一、知識準備圖5-16主磁極結(jié)構(gòu)

主磁極的作用是產(chǎn)生恒定、有一定空間分布形狀的氣隙磁通密度，即產(chǎn)生主磁場，主磁極的結(jié)構(gòu)如圖5-16所示。絕大多數(shù)直流電機的主磁極不是用永久磁鐵而是由勵磁繞組通以直流電流來建立磁場。

主磁極由鐵芯和放置在鐵芯上的勵磁繞組構(gòu)成，一般主磁極鐵心采用低碳鋼板沖成一定形狀疊裝固定而成，主磁極鐵芯分成極身和極靴。極靴的作用是使氣隙磁通密度的空間分布均勻并減小氣隙磁阻，同時極靴對勵磁繞組也起支撐作用。為減小渦流損耗，主磁極鐵芯是用1.0～1.5mm厚的低碳鋼板沖成一定形狀，用鉚釘把沖片鉚緊，然后固定在機座上。主磁極上的線圈是用來產(chǎn)生主磁通的，稱為勵磁繞組。

主磁極任務2

直流電機控制電路原理與應用一、知識準備

主磁極的個數(shù)一定是偶數(shù)，勵磁繞組的連接必須使得相鄰主磁極的極性按N，S極交替出現(xiàn)。套在主磁極鐵心上的勵磁繞組根據(jù)其不同的使用情況分為兩種：一種是并勵繞組；一種是串勵繞組；并勵繞組的匝數(shù)多、導線細，串勵繞組的匝數(shù)少、導線粗。整個主磁極再用螺桿固定在機座上。

在相鄰的主磁極之間裝有換向磁極，它也是由鐵心和繞組構(gòu)成。其作用是改善換向，使電機運行時，在電刷與換向器的接觸面上不致產(chǎn)生有害的火花。任務2

直流電機控制電路原理與應用一、知識準備

直流電機的機座有兩種形式，一種為整體機座，另一種為疊片機座。整體機座是用導磁效果較好的鑄鋼材料制成，能同時起到導磁和機械支撐作用。

直流電機的機座有兩個作用：一是構(gòu)成主磁路的一部分，機座中作為磁路通路的部分稱為磁軛，二是對電動機起到支撐作用，主磁極和換向極固定于磁軛上。機座任務2

直流電機控制電路原理與應用一、知識準備圖5-17電刷的結(jié)構(gòu)

電刷裝置是直流電機的重要組成部分，電刷裝置的作用是將轉(zhuǎn)動的電樞(轉(zhuǎn)子)中的電壓和電流引出來，或?qū)⑼饧与娫吹碾娏鬏斎氲睫D(zhuǎn)動的電樞中去。電刷是主要由石墨做成的導電塊，放在刷握中，由彈簧機構(gòu)施以一定的壓力使其壓在換向器表面上，電機運行時與換向器表面形成滑動接觸，電刷上焊的銅絲辮引出或引入電流。電刷的組數(shù)即電刷桿數(shù)一般與主磁極的極數(shù)相等，各刷桿裝在一圓形的可以轉(zhuǎn)動的刷桿座上，刷桿座固定在一端的端蓋上。電刷的結(jié)構(gòu)，如圖5-17所示。電刷裝置任務2

直流電機控制電路原理與應用一、知識準備

直流電機的轉(zhuǎn)子，它是電機實現(xiàn)機電能量轉(zhuǎn)換的樞紐，所以常稱之為電樞。直流電機的轉(zhuǎn)子是電機的轉(zhuǎn)動部分，由電樞鐵芯、電樞繞組、換向器、電機轉(zhuǎn)軸和軸承等部分組成。2.轉(zhuǎn)子任務2

直流電機控制電路原理與應用電樞鐵心

電樞鐵芯是主磁路的一部分，同時對放置在其上的電樞繞組起支撐作用。為減少當電機旋轉(zhuǎn)時鐵芯中由于磁通方向發(fā)生變化引起的磁滯損耗和渦流損耗，電樞鐵芯通常用0.5mm厚的低硅硅鋼片或冷軋硅鋼片沖壓成型，并在硅鋼片的兩側(cè)涂絕緣漆。一、知識準備任務2

直流電機控制電路原理與應用

硅鋼片上沖出轉(zhuǎn)子槽來放置繞組，沖制好的硅鋼片疊裝成電樞鐵芯。圖5-18為小型直流電機的電樞沖片形狀和電樞鐵芯裝配圖。圖5-18電樞鐵芯結(jié)構(gòu)一、知識準備任務2

直流電機控制電路原理與應用

電樞繞組

電樞繞組是直流電機的重要組成部分。繞組由帶絕緣的導體繞制而成，對于小型電機常采用銅導線繞制，對于大中型電機常采用成型線圈。在電機中每一個線圈稱為一個元件，多個元件有規(guī)律的連接起來形成電樞繞組。繞制好的繞組或成型繞組放置在電樞鐵芯上的槽內(nèi)，放置在鐵芯槽內(nèi)的直線部分在電機運轉(zhuǎn)時將產(chǎn)生感應電動勢，稱為元件的有效部分；在電樞槽兩端把有效部分連接起來的部分稱為端接部分，端接部分僅起連接作用，在電機運行過程中不產(chǎn)生感應電動勢。一、知識準備任務2

直流電機控制電路原理與應用

換向器

換向器也是直流電機中的關(guān)鍵部件之一，換向器又叫整流子。對于發(fā)電機，換向器的作用是把電樞繞組中的交變電動勢轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟妱觿菹蛲獠枯敵鲋绷麟妷?；對于電動機，它是把外界供給的直流電流轉(zhuǎn)變?yōu)槔@組中的交變電流以使電機旋轉(zhuǎn)。換向器采用導電性能好、硬度大、耐磨性能好的紫銅或銅合金制成，相鄰換向片間以0.6～1.2mm厚的云母片作為絕緣，如圖5-19所示。圖5-19換向器結(jié)構(gòu)一、知識準備任務2

直流電機控制電路原理與應用

換向片和云母片組成的圓筒兩端用V型云母套筒和V型金屬壓圈壓緊，以使其成為一個整體并保證其絕緣性能，這樣就構(gòu)成了一個換向器。將換向器裝到轉(zhuǎn)軸上，每個電樞線圈的首端和尾端的引線分別焊入相應換向片的升高片內(nèi)。功率較大的直流電機還裝有風扇，加強散熱冷卻。一、知識準備（二）直流電機的勵磁方式任務2

直流電機控制電路原理與應用

直流電機的性能與它的勵磁方式有密切的關(guān)系。按勵磁電流供給方式的不同，直流電機可分為他勵和自勵兩大類，其中自勵直流電機又分為并勵、串勵和復勵三種，它們的線路如圖5-20所示：圖5-20直流電機勵磁方式一、知識準備任務2

直流電機控制電路原理與應用

如圖5-20a）所示，勵磁繞組與電樞繞組無聯(lián)接關(guān)系，而由其他直流電源對勵磁繞組供電的直流電機稱為他勵直流電機。他勵直流電動機廣泛用于需要寬調(diào)速的拖動系統(tǒng)中，如龍門刨床等。1.他勵方式2.并勵方式

如圖5-20b）所示，并勵電機的勵磁繞組與電樞繞組并聯(lián)。其勵磁繞組匝數(shù)較多，導線截面較小，電阻較大，勵磁電流只為電樞電流的一小部分（通常約為百分之幾）。一、知識準備任務2

直流電機控制電路原理與應用

如圖5-20c）所示，串勵直流電機的勵磁繞組與電樞繞組串聯(lián)后，再接于直流電源，這種直流電機的勵磁電流就是電樞電流。串勵電機的勵磁繞組與電樞繞組串聯(lián)，其勵磁電流與電樞電流相等。3.串勵方式4.復勵方式

如圖5-20d）所示，復勵直流電機有并勵和串勵兩個勵磁繞組，若串勵繞組產(chǎn)生的磁通勢與并勵繞組產(chǎn)生的磁通勢方向相同稱為積復勵。若兩個磁通勢方向相反，則稱為差復勵。不同勵磁方式的直流電機有著不同的特性。一、知識準備任務2

直流電機控制電路原理與應用課程思政點

如電動機類型，技術(shù)落后就要被淘汰，擇優(yōu)選擇，是每個行業(yè)的生存之道，我們唯有通過不斷的創(chuàng)新，優(yōu)化電機技術(shù)，才能使我們躋身電氣行業(yè)的前端，才能讓我們的企業(yè)立于不敗之地。一、知識準備（三）直流電動機工作原理圖5-21直流電機工作原理圖如圖5-21是直流電動機的工作原理圖：任務2

直流電機控制電路原理與應用一、知識準備

在圖示5-21a)的直流電機中，給A、B的電刷上加上直流電源，則有直流電流從電刷A流入，經(jīng)過線圈abcd，從電刷B流出，根據(jù)電磁力定律，載流導體ab和cd受到電磁力的作用，其方向可由左手定則判定，兩段導體受到的力形成一個轉(zhuǎn)矩，使得轉(zhuǎn)子逆時針轉(zhuǎn)動。

如果轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過180°在圖示5-21b）的位置，電刷A和換向片2接觸，電刷B和換向片1接觸，直流電流從電刷A流入，在線圈中的流動方向是dcba，從電刷B流出。此時載流導體ab和cd受到電磁力的作用方向同樣可由左手定則判定，它們產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩仍然使得轉(zhuǎn)子逆時針轉(zhuǎn)動。這就是直流電動機的工作原理。任務2

直流電機控制電路原理與應用

從上述分析可以看出，轉(zhuǎn)子上外加的電源是直流的，但由于電刷和換向片的作用，在轉(zhuǎn)子線圈中流過的電流是交變的，其產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩的方向卻是不變的。實用中的直流電動機轉(zhuǎn)子上的繞組是由多個線圈連接而成，以減小電動機電磁轉(zhuǎn)矩的波動。一、知識準備（四）直流電動機的反轉(zhuǎn)、起動和轉(zhuǎn)速控制

電動狀態(tài)下，直流電動機的旋轉(zhuǎn)方向與電磁轉(zhuǎn)矩方向一致，根據(jù)電磁轉(zhuǎn)矩公式(5-1)可知，其方向與電樞電流、主磁極磁場的方向有關(guān)：任務2

直流電機控制電路原理與應用1.反轉(zhuǎn)控制（5-1）

因此可知電動機的旋轉(zhuǎn)方向取決于電樞電流的方向和主磁極磁場的方向，任意改變其中一個物理量的方向，就可使電動機反轉(zhuǎn)。通常并勵電動機是改變電樞電流方向使電機反轉(zhuǎn)，這是因為勵磁電路的電感很大，換接時將會產(chǎn)生很高的電動勢，可能把絕緣擊穿。串勵電動機可改變其勵磁繞組的電流方向來實現(xiàn)反轉(zhuǎn)。Ｔｅｍ

——電磁轉(zhuǎn)矩

ＫＴ

——轉(zhuǎn)矩常數(shù)

Φ

——磁通量

Ｉａ——電樞電流一、知識準備

電動機起動的瞬間，轉(zhuǎn)速n=0，故Ea=Ke，，此時電樞電流稱為起動電流Ist,由式

得：

任務2

直流電機控制電路原理與應用2.起動控制

根據(jù)式(5-2)可知，由于電樞電阻Ra很小，因此起動電流可達額定值的10~20倍，會損壞換向器和電樞繞組等，并使供電線路的電壓U下降。因此，起動時可降低加在電樞繞組上的電壓，或在電樞電路中串聯(lián)起動變阻器，以限制起動電流。與他勵電動機相比，串勵電動機有較好的起動能力和較大的過載能力，但為減小起動電流，串勵電動機常常采用電路中串聯(lián)起動電阻進行起動。一、知識準備

控制電源周期性地通斷，給電機提供一個脈沖電源。如圖5-22所示，脈沖寬度越大，提供給電機的平均電壓越大，電機轉(zhuǎn)速就越高。反之亦然，脈沖寬度越小，提供給電機的平均電壓越小，電機轉(zhuǎn)速就越低。因此，通過改變脈沖的寬度，從而間接控制電機的轉(zhuǎn)速。任務2

直流電機控制電路原理與應用3.轉(zhuǎn)速控制圖5-22直流電機脈沖控制電壓波形一、知識準備（五）直流電機在新能源汽車上的應用

直流電機有非常廣泛的應用，例如電動車窗升降、電動雨刮和電動座椅等等，都是由直流電機實現(xiàn)的功能?，F(xiàn)今新能源汽車來都使用電子助力轉(zhuǎn)向，如圖5-23所示，該轉(zhuǎn)向系統(tǒng)通過控制電機輸出相應大小的扭矩和方向，從而產(chǎn)生輔助動力，使轉(zhuǎn)向系統(tǒng)更加輕便，響應速度更加快捷。任務2

直流電機控制電路原理與應用圖5-23新能源汽車電子助力轉(zhuǎn)向一、知識準備準備工作防護裝備：普通實訓服、絕緣手套、絕緣勞保鞋；制訂實訓方案，準備所需儀器、設(shè)備和工具。操作流程(１)教師進行實操示范，指導完成相關(guān)學習任務。(２)運用實訓臺，分別探究電機正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)下的端電壓和控制信號特點。(3)填寫任務工單。操作提示實踐過程中，要保證自身及設(shè)備的安全，規(guī)范操作，這樣才能保證高壓上電實訓的準確進行。任務實施——直流電機控制電路原理與應用實訓臺實訓任務2

直流電機控制電路原理與應用二、任務實施

電機及其控制系統(tǒng)是新能源汽車的核心部件，決定了汽車行駛的主要性能指標。相比與傳統(tǒng)汽車，電機可以在較大的速度范圍內(nèi)高效產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，所以新能源汽車不需要變速器，傳動機構(gòu)更簡單，噪音低。

本任務通過搭建電路，測量三相電機的控制，學習其基本驅(qū)動原理，并通過規(guī)范的操作，養(yǎng)成良好的職業(yè)素養(yǎng)任務3

三相電機控制原理任務描述（一）新能源汽車應用驅(qū)動電機的種類

新能源汽車電機類型主要分為直流電機、交流異步電機、永磁同步電機和開關(guān)磁阻電機。目前交流異步感應電機和開關(guān)磁阻電機主要應用于新能源商用車，開關(guān)磁阻電機的實際裝配應用較少；永磁同步電機主要應用于新能源乘用車。驅(qū)動電機系統(tǒng)是新能源汽車核心系統(tǒng)之一，其性能決定了爬坡能力、加速能力以及最高車速等汽車行駛的主要性能指標。任務3

三相電機控制原理一、知識準備任務3

三相電機控制原理課程思政點

目前，國內(nèi)的汽車電機技術(shù)在國際上是比較先進的，這是我們民族企業(yè)不斷努力奮斗的結(jié)果，也是目前汽車工業(yè)我們比較引以為豪的一面。當然，我們不能驕傲，汽車技術(shù)遠不止于此，還需砥礪前行，為中國的汽車發(fā)展貢獻微薄之力。一、知識準備圖5-24直流電機

直流電動機是將直流電能轉(zhuǎn)換為機械能的電動機，因其良好的調(diào)速性能而在電力拖動中得到廣泛應用，如圖5-24所示。1.直流電機任務3

三相電機控制原理一、知識準備

①起動和調(diào)速性能好，調(diào)速范圍廣平滑，過載能力較強，受電磁干擾影響?。?/p>

②直流電機具有良好的啟動特性和調(diào)速特性；

③直流電機的轉(zhuǎn)矩比較大；

④維修比較便宜；

⑤直流電機的直流相對于交流比較節(jié)能環(huán)保。

直流電機的優(yōu)點任務3

三相電機控制原理一、知識準備

①直流電機制造比較貴，有碳刷；

②與異步電動機比較，直流電動機結(jié)構(gòu)復雜，使用維護不方便，而且要用直流電源；

③復雜的結(jié)構(gòu)限制了直流電動機體積和重量的進一步減小，尤其是電刷和換向器的滑動接觸造成了機械磨損和火花，使直流電動機的故障多、可靠性低、壽命短、保養(yǎng)維護工作量大。

④換向火花既造成了換向器的電腐蝕，還是一個無線電干擾源，會對周圍的電器設(shè)備帶來有害的影響。電機的容量越大、轉(zhuǎn)速越高，問題就越嚴重。所以，普通直流電動機的電刷和換向器限制了直流電動機向高速度、大容量的發(fā)展。

直流電機的缺點任務3

三相電機控制原理一、知識準備

它具有結(jié)構(gòu)簡單、制造容易、價格低廉、運行可靠、維護方便、堅固耐用等一系列優(yōu)點。異步電機有較高的運行效率和較好的工作特性，從空載到滿載范圍內(nèi)接近恒速運行，能滿足大多數(shù)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)機械的傳動要求。2.交流異步電機任務3

三相電機控制原理交流異步電機的優(yōu)點一、知識準備

與直流電動機相比，其啟動性和調(diào)速性能較差；與同步電動機相比，其功率因數(shù)不高，在運行時必須向電網(wǎng)吸收滯后的無功功率，對電網(wǎng)運行不利。但隨著科學技術(shù)的不斷進步，異步電動機調(diào)速技術(shù)的發(fā)展較快，在電網(wǎng)功率因數(shù)方面，也可以采用其他辦法進行補償。交流異步電機的缺點任務3

三相電機控制原理一、知識準備

異步電動機，其功率范圍從幾瓦到上萬千瓦，是國民經(jīng)濟各行業(yè)和人們?nèi)粘Ｉ钪袘米顝V泛的電動機，為多種機械設(shè)備和家用電器提供動力，如圖5-25所示，為三輪車交流異步電機。機床、中小型軋鋼設(shè)備、風機、水泵、輕工機械、冶金和礦山機械等，大都采用三相異步電動機拖動；電風扇、洗衣機、電冰箱、空調(diào)器等家用電器中則廣泛使用單相異步電動機。異步電機也可作為發(fā)電機，用于風力發(fā)電廠和小型水電站等。異步電機的應用任務3

三相電機控制原理圖5-25三輪車交流異步電機一、知識準備

永磁同步電機是以永磁體替代勵磁繞組進行勵磁。當永磁電機的三相定子繞組（各相差120°電角度）通入頻率為f的三相交流電后，將產(chǎn)生一個以同步轉(zhuǎn)速推移的旋轉(zhuǎn)磁場。穩(wěn)態(tài)情況下，主極磁場隨著旋轉(zhuǎn)磁場同步轉(zhuǎn)動，因此轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速亦是同步轉(zhuǎn)速，定子旋轉(zhuǎn)磁場恒與永磁體建立的主極磁場保持相對靜止，它們之間相互作用并產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動電機旋轉(zhuǎn)并進行能量轉(zhuǎn)換。如圖5-26所示，為永磁同步電機結(jié)構(gòu)。3.永磁同步電機任務3

三相電機控制原理圖5-26三輪車交流異步電機一、知識準備

高效率：由于永磁體產(chǎn)生的磁場可以直接驅(qū)動轉(zhuǎn)子，因此永磁同步電機比其他電機類型（如感應電機）具有更高的效率。在高負載條件下，效率尤其明顯。

高功率密度：永磁同步電機在相同體積下可以產(chǎn)生更高的輸出功率，因為它不需要輸送大量的電流到轉(zhuǎn)子上，這使得它成為許多緊湊型設(shè)備的理想選擇。

精準控制：永磁同步電機可以通過電子控制器精確地控制電流和速度，從而實現(xiàn)更好的控制和精度。

高可靠性：由于永磁同步電機的結(jié)構(gòu)相對簡單，且沒有電刷和滑動接觸件，因此其壽命較長，維護成本也相對較低。永磁同步電機的優(yōu)點任務3

三相電機控制原理一、知識準備

高成本：永磁同步電機使用永磁體產(chǎn)生磁場，因此其成本比一般的感應電機高。

適應性差：永磁同步電機對電網(wǎng)電壓和頻率的變化不太敏感，這限制了其在某些應用中的適用性。

需要高精度控制器：永磁同步電機的控制需要高精度電子控制器，這增加了成本和復雜度。

永磁同步電機的缺點任務3

三相電機控制原理一、知識準備

開關(guān)磁阻電動機是一種典型的機電一體化電動機，又稱“開關(guān)磁阻電動機驅(qū)動系統(tǒng)”，這種電動機主要包括開關(guān)磁阻電動機本體、功率變換器、轉(zhuǎn)子位置傳感器及控制器四部分。開關(guān)磁阻電動機本體主要結(jié)構(gòu)包括定子、轉(zhuǎn)子、位置傳感器、前后軸承、前后端蓋和電機殼體等，如圖5-27所示。4.開關(guān)磁阻電機任務3

三相電機控制原理開關(guān)磁阻電機的結(jié)構(gòu)圖5-27開關(guān)磁阻電機的結(jié)構(gòu)一、知識準備

開關(guān)磁阻電機的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單可靠，啟動性能好，效率高，成本低，可以通過改變導通、關(guān)斷角度和電壓來調(diào)速，擁有較寬的調(diào)速范圍和能力。開關(guān)磁阻電機的缺點是轉(zhuǎn)矩脈動較大，噪聲較大。目前在一些小型電驅(qū)動車輛上使用，比如電驅(qū)動四輪代步車、巡邏車等。

開關(guān)磁阻電機的優(yōu)缺點任務3

三相電機控制原理一、知識準備（二）三相永磁同步電機的結(jié)構(gòu)

永磁同步電機具有高效、高控制精度、高轉(zhuǎn)矩密度、良好的轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)性及低振動噪聲的特點，通過合理設(shè)計永磁磁路結(jié)構(gòu)能獲得較高的弱磁性能，在電動汽車驅(qū)動方面具有很高的應用價值，受到國內(nèi)外電動汽車界的高度重視，是最具競爭力的電動汽車驅(qū)動電機系統(tǒng)之一。

永磁同步電機分為正弦波驅(qū)動電流的永磁同步電機和方波驅(qū)動電流的永磁同步電機。這里介紹的主要是三相正弦波驅(qū)動的永磁同步電機。

永磁同步電機內(nèi)部的殼體上間隔繞制六匝線圈，對角的兩匝線圈為一組，共三組，而且這三組線圈相互錯開120°排列。任務3

三相電機控制原理一、知識準備

三相永磁同步電機的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖5-28所示，和傳統(tǒng)電機一樣，主要由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分構(gòu)成。任務3

三相電機控制原理圖5-28開關(guān)磁阻電機的結(jié)構(gòu)一、知識準備

定子與普通電機基本相同，由電樞鐵芯和電樞繞組構(gòu)成。電樞鐵芯一般采用0.5mm硅鋼沖片疊壓而成，對于具有高效率指標或頻率較高的電機，為了減少鐵耗，可以考慮使用0.35mm的低損耗冷軋無取向硅鋼片。電樞繞組則普遍采用分布、短距繞組；對于極數(shù)較多的電機，則普遍采用分數(shù)槽繞組；需要進一步改善電動勢波形時，也可以考慮采用正弦繞組或其他特殊繞組。任務3

三相電機控制原理1.定子一、知識準備

轉(zhuǎn)子主要由永磁體、轉(zhuǎn)子鐵芯和轉(zhuǎn)軸等構(gòu)成。其中永磁體主要采用鐵氧體永磁和釹鐵硼永磁材料；轉(zhuǎn)子鐵芯可根據(jù)磁極結(jié)構(gòu)的不同，選用實心鋼，或采用鋼板或硅鋼片沖制后疊壓而成，如圖5-29所示。任務3

三相電機控制原理2.轉(zhuǎn)子圖5-29三相永磁同步電機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)一、知識準備

表面式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)中，永磁體通常呈瓦片形，并位于轉(zhuǎn)子鐵芯的外表面上，永磁體提供磁通的方向為徑向。表面式結(jié)構(gòu)又分為凸出式和嵌入式兩種，如圖5-30所示。對采用稀土永磁材料的電機來說，由于永磁材料的相對回復磁導率接近1，所以表面凸出式轉(zhuǎn)子在電磁性能上屬于隱極轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)；而嵌入式轉(zhuǎn)子的相鄰兩永磁磁極間有著磁導率很大的鐵磁材料，故在電磁性能上屬于凸極轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。任務3

三相電機控制原理3.表面式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)圖5-30表面式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)一、知識準備

內(nèi)置式結(jié)構(gòu)的永磁體位于轉(zhuǎn)子內(nèi)部，永磁體外表面與定子鐵芯內(nèi)圓之間有鐵磁物質(zhì)制成的極靴，極靴中可以放置鑄鋁籠或銅條籠，起阻尼或啟動作用，動態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能好，廣泛用于要求有異步啟動能力或動態(tài)性能高的永磁同步電機。內(nèi)置式轉(zhuǎn)子內(nèi)的永磁體受到極靴的保護，其轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)的不對稱性所產(chǎn)生的磁阻轉(zhuǎn)矩也有助于提高電機的過載能力或功率密度，而且易于弱磁擴速。

任務3

三相電機控制原理4.內(nèi)置式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)一、知識準備（三）三相永磁同步電機的結(jié)構(gòu)

按永磁體磁化方向與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向的相互關(guān)系，內(nèi)置式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)又可分為徑向式、切向式和混合式三種，如圖5-31所示。任務3

三相電機控制原理圖5-31表面式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)一、知識準備

當永磁同步電機其中一組線圈通電時，同一組且對角的兩匝線圈會產(chǎn)生相異的磁極，吸引著轉(zhuǎn)子朝磁極轉(zhuǎn)動。當給三組線圈依次排列進行通電時，就定子內(nèi)部就會產(chǎn)生不斷旋轉(zhuǎn)的磁場，如圖5-32所示。因此，在磁場力矩的作用下，轉(zhuǎn)子會跟隨磁場的變化而轉(zhuǎn)動。任務3

三相電機控制原理圖5-32三相永磁同步電機磁場變化原理一、知識準備

實際應用中，轉(zhuǎn)子并不是只有一根磁鐵，而是多根磁鐵嵌入在定子上，轉(zhuǎn)子的外壁就形成了等距離間隔的S極和N極，如圖5-33所示。此時，三組線圈在三相交流電的通電下，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的磁場，使得轉(zhuǎn)子穩(wěn)定的旋轉(zhuǎn)起來。任務3

三相電機控制原理圖5-33三相永磁同步電機工作原理（四）三相永磁同步電機的工作原理一、知識準備

永磁同步電機的工作原理如圖5-34所示，圖中n為電機轉(zhuǎn)速，n0

為同步轉(zhuǎn)速，T為轉(zhuǎn)矩，θ

為功率角。電機的轉(zhuǎn)子是一個永磁體，N、S極沿圓周方向交替排列，定子可以看成是一個以速度n0

旋轉(zhuǎn)的磁場。

電機運行時，定子存在旋轉(zhuǎn)磁動勢，轉(zhuǎn)子像磁針在旋轉(zhuǎn)磁場中旋轉(zhuǎn)一樣，隨著定子的旋轉(zhuǎn)磁場同步旋轉(zhuǎn)。任務3

三相電機控制原理圖5-34三相永磁同步電機轉(zhuǎn)速控制原理一、知識準備

永磁同步電機的定子是三相對稱繞組，三相正弦波電壓在定子三相繞組中產(chǎn)生對稱三相正弦波電流，并在氣隙中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。旋轉(zhuǎn)磁場與已充磁的磁極作用，帶動轉(zhuǎn)子與旋轉(zhuǎn)磁場同步旋轉(zhuǎn)并力圖使定、轉(zhuǎn)子磁場軸線對齊。當外加負載轉(zhuǎn)矩以后，轉(zhuǎn)子磁場軸線將落后定子磁場軸線一個功率角，負載越大，功率角也越大，直到一個極限角度，電機停止。由此可見，同步電機在運行中，轉(zhuǎn)速必須與頻率嚴格成比例旋轉(zhuǎn)，否則會失步停轉(zhuǎn)。所以，它的轉(zhuǎn)速與旋轉(zhuǎn)磁場同步，其靜態(tài)誤差為零。在負載擾動下，只是功率角變化，而不引起轉(zhuǎn)速變化，它的響應時間是實時的。任務3

三相電機控制原理一、知識準備（五）永磁同步電機的控制

三相電機轉(zhuǎn)子跟隨定子產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)動，通過改變?nèi)嗑€的通電順序，改變旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)動方向，從而實現(xiàn)間接控制轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向?；蛘咝枰淖冃D(zhuǎn)磁場的方向時，只需將接入的三相線任意兩相進行交換，旋轉(zhuǎn)磁場就會向相反的方向旋轉(zhuǎn)。

任務3

三相電機控制原理1.轉(zhuǎn)向控制2.矢量控制

永磁同步電機矢量控制策略與異步電機矢量控制策略有些不同。由于永磁同步電機轉(zhuǎn)速和電源頻率嚴格同步，其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速等于旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)差恒等于零，沒有轉(zhuǎn)差功率，控制效果受轉(zhuǎn)子參數(shù)影響小。因此，在永磁同步電機上更容易實現(xiàn)矢量控制。一、知識準備

直接轉(zhuǎn)矩控制不需要矢量控制復雜的旋轉(zhuǎn)坐標變換和轉(zhuǎn)子磁鏈定向，轉(zhuǎn)矩取代電流成為受控對象，電壓矢量則是控制系統(tǒng)唯一的輸入，直接控制轉(zhuǎn)矩和磁鏈的增加或減小，但是轉(zhuǎn)矩和磁鏈并不解耦，對電機模型進行簡化處理，沒有PWM信號發(fā)生器，控制結(jié)構(gòu)簡單，受電機參數(shù)變化影響小，能夠獲得極佳的動態(tài)性能。任務3

三相電機控制原理3.直接轉(zhuǎn)矩控制一、知識準備

為了提高永磁同步電機的控制性能和控制精度，模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡控制等開始應用于同步電機的控制。

采用智能控制方法的永磁同步電機控制系統(tǒng)，在多環(huán)控制結(jié)構(gòu)中，智能控制器處于最外環(huán)充當速度控制器，而內(nèi)環(huán)電流控制、轉(zhuǎn)矩控制仍采用PI控制、直接轉(zhuǎn)矩控制這些方法，這主要是因為外環(huán)是決定系統(tǒng)的根本因素，而內(nèi)環(huán)主要的作用是改造對象特性以利于外環(huán)的控制，各種擾動給內(nèi)環(huán)帶來的誤差可以由外環(huán)控制或抑制。

在永磁同步電機系統(tǒng)中應用智能控制時，也不能完全摒棄傳統(tǒng)的控制方法，必須將兩者很好地結(jié)合起來，才能彼此取長補短，使系統(tǒng)的性能達到最優(yōu)。任務3

三相電機控制原理4.智能控制一、知識準備（五）三相永