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论电机控制系统的应用对新能源汽车行业的重要意义

2020-01-06 452 上传者：管理员

摘要：节能、环保既是新能源开发的战略思想，也是可持续发展的基本要求，在现阶段可以说是备受关注。近年来，在国家大力支持下，新能源汽车出现了飞跃式发展的局面。据统计，2015—2017年，新能源汽车销量每年以超过20%的速率增长，可以说是得到了质的飞跃。为了进一步优化新能源汽车的电能分配，设计一种电机控制系统就显得尤为重要。系统的总体设计基于电机工作原理，并将控制器、供电模块、信号采集模块和功率驱动模块等硬件设计融入其中。该系统功能可靠，抗干扰能力强，应用效果良好，对于节能降耗有着积极促进作用，既可以促进新能源汽车的电机控制，又可以节能减排，保护环境。

关键词：
单片机
控制系统
模块
电机
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节能、环保是新能源开发的战略思想，也是可持续发展的基本要求。近年来，在国家的大力支持下，新能源汽车出现了飞跃式的发展。据统计，2015—2017年，新能源汽车的销量每年以超过20%的速率增长。目前，新能源汽车技术已经从实验化阶段进入产业化阶段^[1]，这对国家的绿色能源开发和应用起到显著的促进作用，但新能源汽车发展最大的难题仍是电池技术。在现有的电池技术条件下，设计有效的电机控制系统对于新能源汽车的节能作用有着良好效果。通过对电机控制系统的优化设计，不但能够提升车辆在特定电能条件下的续航里程，而且利于电池和电机寿命的提升。

1、系统控制原理和总体设计

1.1 电机控制原理

电机工作时，驱动性能由驾驶需求和车辆状态综合控制。通过对转矩、转速等参数的调节，实现电机不同工作模式的切换。对于一般的新能源汽车而言，驱动电机选用永磁同步电机，其主要的工作模式包括纯电动模式、混合动力模式、充电模式和再生制动模式等。如何根据电源工作状态调节合理分配和管理电能是电机控制系统的关键。

永磁同步电机是最主要的驱动电机，其关键部件包括转子铁芯、转轴和永磁体。对于该类型的电机，永磁材料采用贴附方式定位于转子铁芯，这种设计方式结构简单，易于磁化，成本较低，已得到广泛应用。电机驱动力矩主要来源于定子绕组线圈内电流与永磁铁芯磁场之间的相互作用。当转子处于静止状态时，在轴向方向将存在直流的磁场，此时，定子绕组内根据相应的电流控制同样可以产生一个直流磁场。这两个直流磁场之间将产生旋转力矩，由于定子是固定不动的，使得转子本身具有旋转趋势。在电机控制系统中，脚踏板的位移信号将转换为转速或转矩控制信号。为了实现节能效果，通过能量回馈模块对转矩和制动力矩进行智能分配，整个过程中要参考车辆行驶工况、电池能量状态等，在不影响正常行驶条件下，降低电能消耗。

1.2 系统总体设计

对于新能源汽车而言，控制器的设计非常关键，要求具有较强的可控性、稳定性和抗干扰能力^[2]。为此，文中选用PIC16F72系列微处理器，该处理器为典型的8位控制器，安全性能显著，工作电压范围9耀16V。由于车辆的工况条件不同，为了提升车辆的恶劣环境适应能力，设定系统的工作温度范围为-40耀90益，供电系统关闭后，整个控制器的漏电流不超过1mA。此外，系统采用双层电路板样式，具备防水性能，安全防护级别超过IP65。系统的信号传输功能基于CAN总线来实现，控制系统内的供电模块可提供5V和12V电压，传感器能够实时接收压力、温度等模拟信号。当信号出现异常时，可根据实际状况预警。为了确保系统的高效性，由控制器直接识别开关量信号，根据16路信号确定指令性质。系统可以将PWM信号高效输入和输出，具备低功耗特点。根据电机工作原理和设计要求，可将控制系统进行模块化，主要包括：核心处理器模块、信号采集模块、功率驱动模块、供电模块等。各个子模块之间协同工作，共同完成信号的识别以及电机的智能控制。

2、系统关键硬件设计

2.1 控制器设计

系统中核心处理器模块所采用的中央处理器为单片机，型号为PIC16F72系列。在该单片机的控制下，能够有效地实施相关的控制算法和运行策略。同时，该单片机性能良好，抗干扰能力强，作为控制系统的载体，在车辆控制中有着良好的应用效果。

2.2 供电模块设计

电机控制系统中的供电模块是独立的单元，也是非常重要的子模块。供电模块的稳定性直接决定了控制系统对于环境的适用能力，特别是较强电信号冲击条件下的工作性能。在供电模块的控制下，其性能指标为：可提供9耀16V的稳压直流电；具备反压保护和掉电保护功能；可实现充放电的实时监测；具有温度传感性能。对于供电模块的传感器，系统选用TLE4250G系列，可对断路和短路实现良好的保护。在传感器中，引脚3为输入端，引脚1为校对端，即使输入电压有明显波动，输出电压仍能保持稳定。

2.3 信号采集模块

信号采集模块是决定系统输入/输出的关键^[3]，其主要的接口主要包括模拟信号端、数字信号端和PWM信号端等。信号采集模块在整个系统中处于底层，若没有良好的信号采集能力，将无法得出理想的控制效果。此外，信号采集模块配制有保护和诊断功能。

2.4 功率驱动模块

对于整个系统而言，功率驱动的主要器件包括继电器、控制器灯等，具有的基本功能：过压和过流保护，过温监测。为了简化系统，设计功率驱动接线，不但可以确保整个电机控制系统的稳定性，还能配合其他模块更好运行。

3、结语

文中所设计的新能源汽车电机控制系统可有效提升驱动系统的工作效率，通过相关的指令控制优化分配能源利用，这对于节能降耗有着重要的意义。系统具有较高的强度和抗干扰能力，通过对系统的设计，充分实现了设计要求。

参考文献：

[1]欧阳明高.中国新能源汽车的研发及展望[J].科技导报,2016,34(6):13-20.

[2]郭丹蕊,林晓焕,单星,等.基于DSP的无刷直流电机控制系统研究[J].国外电子测量技术,2016,35(2):98-101.

[3]王佳顺,陆小龙,赵世平.基于C8051F020的高精度电感传感器信号采集模块[J].电子测量技术,2015,38(3):104-106.

明波,高建伟.新能源汽车电机控制系统设计与研究[J].设备管理与维修,2019,(21):128-129.