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1、课题分析电机控制系统的功能及控制策略课时2课时(90min)教学目标知识目标：(1)熟悉电机控制系统的基本功能和控制策略(2)掌握MCU的基本结构(3)了解多合一电驱动系统的特点技能目标：能够分析电机控制系统的基本功能和控制策略素质目标：(1)坚定民族自豪感和文化自信心(2)强化历史使命感和社会责任感(3)养成坚持不懈、刻苦钻研的工作作风教学重难点教学重点：熟悉电机控制系统的基本功能和控制策略教学难点：掌握电机控制器的基本结构教学方法任务引入法、问答法、讨论法、实践操作法教学用具电脑、投影仪、多媒体课件、教材教学设计第1节课：课前任务T考勤(2min)任务引入(5min)传授新知(33min)
2、课堂讨论(5min)第2节课：传授新知(35min)一课堂讨论(5min)一课堂小结(3min)作业布置(2min)教学过程主要教学内容及步骤设计意图第一节课课前任务【教师】布置课前任务,和学生负责人取得联系，组织学生下载“任务工单分析电机控制系统的功能及控制策略”，并根据任务工单进行组内分工，同时提醒同学通过APP或其他学习软件，收集纯电动汽车驱动电机的相关资料，并进行了解【学生】提前上网观看相关资料，熟悉教材通过课前的预热，让学生了解所学课程的大概内容，激发学生的学习欲望考勒(2min)【教师】使用APP进行签到【学生】按照老师要求签到培养学生的组织纪律性，掌握学生的出勤情况任务引入(5m
3、in)【教师】讲述纯电动汽车的电机控制系统相关知识【学生】聆听、思考通过讲解任务相关背景知识，让学生带着相关背景去探索新知识传授新知(33min)【教师】讲解电机控制系统的基本功能及控制策略3.2.1电机控制系统的基本功能电机控制系统是驱动电机系统的控制单元，其核心部件为电机控制器，如图通过讲解、图片展示、课堂互动等教学方法，让学生了解电机控制系统的基本功能及控制策略电机控制系统一般具有总线通信、功率调节、能量回馈、高压互锁、过电流保护、过载保护、欠电压保护、过电压保护、缺相保护、故障上报等功能，具体表现在以下几个方面。(1)采集挡位信号以及加速踏板位置传感器和制动踏板位置传感器的信号。(2)
4、通过CAN总线与整车控制器、数字仪表板、电池管理系统通信，实现数据交换、指令接收等。(3)控制驱动电机的启动、运行、加减速等。(4)调节驱动电机的输出功率，同时对驱动电机进行各种电气保护。(5)控制实现制动能量回收。(6)控制防溜车系统。(7)防止驱动电机出现“飞车现象，防止功率模块受损。(8)检测和处理系统内部故障。3.2.2电机控制系统的控制策略在纯电动汽车行驶过程中，驾驶员根据实际行驶工况的需要，通过操作加速踏板、制动踏板、减速器操纵杆来控制车速。在不考虑换挡的情况下，加速踏板、制动踏板的位置信号就代表了驾驶员的指令，整车控制器通过这些信号判断驾驶员的驾驶意图，并将其转换成各种控制信号发
5、送至电机控制系统。电机控制系统从整车控制器获得整车的需求，从动力电池获得电能，经过自身逆变器的调制，输出驱动电机需要的电流和电压，使得驱动电机的转速和转矩满足整车的要求。因此纯电动汽车实际上是通过驾驶员、动力电池系统、整车控制系统、电机控制系统、驱动电机等实现对车速闭环控制的。电机控制系统的控制策略如图所示。电机控制系统的控制策略有开环控制、电流闭环控制、车速闭环控制、车速-电流双闭环控制等形式。开环控制：利用加速踏板位置信号，通过电机控制器输入PWM(PUlsewidthmodulation)占空比信号，其特点是线路简单、成本低，但是当动力电池电压参数发生变化时，电机控制系统没有自调节能力，
6、驱动电机系统的抗干扰能力差，车辆的起步、加速和动力等性能不高。电流闭环控制：利用加速踏板位置信号控制驱动电机的电枢电流，从而控制驱动电机的输出转矩。电流闭环控制系统的主要特点是响应时间短、控制准确，且具有自调节能力，但是此系统容易出现过电流现象，可能导致驱动电机或电机控制器损坏。车速闭环控制：直接根据速度偏差计算驱动电机所需的电压，但在整个控制过程中不能精确地控制驱动电机的输出转矩。车速-电流双闭环控制：具有良好的动态性能，加速踏板位置信号直接关联驾驶员期望车速，车辆的起步、加速、动力等性能表现较好。动力电池系统中采用了再生制动器，它通过驱动电机的发电功能将车辆制动减速时多余的动能转换成电能储
7、存至动力电池中，以增大车辆的续驶里程。电机控制系统在制动时与制动器同时控制再生制动器，完美地将原来在减速中作为摩擦热散失的动能回收为行驶用能量。车辆在利用驱动车轮的旋转带动驱动电机发电的同时，还可利用发电时的电磁阻力来减速.【知识链接】拓展知识面【教师】讲述在城市道路上行驶时，反复进行的调速制动操作的原因在城市道路上行驶时，反复进行的调速制动操作具有较高的能量回收效果，所以车辆在低速运行时优先使用再生制动器。据统计，在城市道路上行驶100km,可回收的能量等同于1L汽油的能量。【学生】聆听、思考【学生】聆听、思考、理解、记忆课堂讨论(10min) 【教师】组织学生以小组为单位讨论以下问题：(I
8、)简述电机控制系统的基本功能.(2)简述电机控制系统的控制策略？ 【学生】聆听、思考、小组讨论，由小组代表发表讨论结果 【教师】与学生一起评价各组的发言通过课堂讨论，激发学生的学习兴趣，加深学生对所学知识的理解第二节课【教师】通过大家的发言，引入新知，讲解电机控制器的基本结构、多合一电驱动系统3.2.3电机控制器的基本结构电机控制器主要由中央控制模块、功率模块、驱动控制模块及各种传感器组成。1.中央控制模块中央控制模块一般包括PWM波形生成电路、复位电路、传感器信号处理电路、交互电路等，如图所示。对外，中央控制模块通过对外接口，接收整车上其他部件的指令和状态信息；对内，中央控制模块把接收到的指
9、令和状态信息传递给逆变器驱动电路，并检测控制效果.传授新知(35min)I通过讲解、图片展示、课堂互动等教学方法，让学生了解电机控制器的基本结构、多合一电驱动系统2.功率模块电机控制器的主体是一台逆变器，它是通过功率模块对驱动电机的电流、电压进行控制的。功率模块经常选用的功率器件主要有金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、门极可关断晶闸管(GTO)、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)等，其中以IGBT应用最为广泛。比亚迪车规级IGBT模块如图所示。【国货之光】拓展知识面【教师】讲述功率半导体的研发在功率半导体方面，我国长期依赖国外进口产品。以IGBT为例，在2017年之前，车规级IGBT几
10、乎100%依赖进口，绝大部分市场份额由外资占据。2018年，比亚迪微电子发布全新一怦规级IGBT标杆性产品比亚迪IGBT4.0L举打破了IGBT市场完全被外资芯片巨头垄断的现状。【学生】聆听、思考3 .驱动控制模块驱动控制模块用于将中央控制模块的指令转换成对逆变器中晶体管的通断指令；并作为保护装置，对系统的电压、电流等进行检测，防止出现过电压、过电流现象。4 .传感器电机控制系统应用到的传感器主要包括电流传感器、电压传感器、温度传感器等，可根据设计要求适当增减。电流传感器：用以检测驱动电机工作的实际电流（包括母线电流、三相交流电流等）.电压传感器：用以检测电机控制器工作的实际电压（包括动力电池
11、电压、低压蓄电池电压）.温度传感器：用以检测驱动电机系统的工作温度（包括IGBT模块温度、驱动电机温度等）O【多媒体演示】组织学生扫码观看“电机控制器”视频，加深学生对“电机控制器”的认知5 .2.4多合一电驱动系统最初纯电动汽车的电驱动系统是不存在集成式设计的，其驱动电机、电机控制器、减速器、充配电系统等部件均单独布置，各部件间靠线束连接。整个空间布局非常复杂，且体积、质量较大.如果将驱动电机、减速器和逆变器多合一集成一个整体的电驱动系统，可以省去高压线束、冷却水管等部件，如图3-2（）所示。因此，多合一电驱动系统体积小，使车辆的布局可以更加灵活，也有利于汽车企业的平台化设计，而对于用户来说
12、，则可获得较大的乘坐空间以及宽敞的储物空间.总体来看，多合一电驱动系统的优势如下。(1)适应性好。多合一电驱动系统需要顶层设计，从车型平台上进行规划，这样可以大幅缩短开发周期，并能以较低研发成本的代价满足不同客户多样化的需求。(2)降(氐成本。多合一电驱动系统可减少系统内部的高压线数量以及连接器、冷却水管等部件，降低系统的总质量，节约成本.(3)节省空间.在尺寸相对较小的壳体内整合驱动电机、电机控制器、减速器及动力传输模块，解放车内空间，有利于整车的布置。(4)提升能效。多合一电驱动系统可减少或缩短逆变器与电机之间的连接配线，降低连接部位的电力损耗，提升驱动系统的效率。(5)提升可靠性。共壳体
13、及同轴设计极大地提高了整机的NVH(noise、vibration,harshnessf噪声、振动与声振粗糙度)性能，从而提高了总成的可靠性。多合一电驱动技术是近年来发展出来的一个主流技术路线，如特斯拉、蔚来、比亚迪等汽车企业引领了这个潮流，各大汽车零部件企业也纷纷投入该领域的研发。以比亚迪为例，其发布的C平台3.0(见图a)涵盖了驱动电机、电机控制器、减速器集成的三合一电驱动系统(见图b),以及DC/DC变换器、车载充电机和高压配电盒集成的三合一充配电系统(见图C).a比亚迪e平台3.0b比亚迪e平台三合一电驱动系统C比亚迪e平台三合一充配电系统在比亚迪的多合一极区动系统中，驱动电机的转速可
14、达14OOOr/min,系统的综合效率可达88%,最高效率可达91.9%。通过集成化设计，整个系统的质量降低了35%,功率密度提升了40%,成本下降了40%。【学生】聆听、思考、理解、记忆课堂讨论(5min) 【教师】组织学生以小组为单位讨论以下问题：简述功率模块的主要作用？ 【学生】聆听、思考、小组讨论，由小组代表发表讨论结果 【教师】与学生一起评价各组的发言通过课堂讨论，激发学生的学习兴趣，加深学生对所学知识的理解课堂小结(3min)【教师】简要总结本节课的要点本节课学习了电机控制系统的基本功能及控制策略、电机控制器的基本结构、多合一电驱动系统；希望大家课下能多练习，对电机控制系统的基本功能及控制策略、电机控制器的基本结构、多合一电驱动系统有一定认识，并能正确、熟练的分析电机控制系统的功能和控制策略【学生】总结回顾知识点总结知识点，巩固印象作业布置(2min)【教师】布置课后作业【学生】完成课后任务复习巩固学到的知识，并能学以致用教学反思本节课效果不错，学生基本掌握了所学知识，并能够积极参与课堂互动。我认为教师应鼓励学生主动参与活动并获取积极的体验，主动探索解决问题的途径.学生主体性的展现需要自由，宽容则是自由的保障，没有宽容也就没有自由可言。因此，教师在教学过程中，应主动、积极地营造宽容的课堂氛围。
