电机驱动控制系统
电机驱动系统优化与控制
电机驱动系统优化与控制电机驱动系统在现代工业中扮演着至关重要的角色。
优化和控制电机驱动系统可以大大提高生产效率，降低能源消耗，减少故障率，提高产品质量。
本文将探讨电机驱动系统的优化和控制方法，并介绍一些案例研究。
首先，电机驱动系统的优化是通过改善电机的设计和性能来实现的。
一种常见的优化方法是选用高效的电机。
高效的电机可以减少能源消耗，并且在长时间运行下热量积聚较少，延长使用寿命。
高效电机一般采用先进的设计和制造技术，例如采用高效的磁力学设计、降低电机功率损耗的轴承和冷却系统等。
另外，电机驱动系统的控制也是至关重要的。
一个好的控制系统可以实现电机的精确运动控制，并且在不同的工作环境下保持稳定性能。
常见的电机控制方法有各种PID控制方法，模糊逻辑控制方法和模型预测控制方法等。
这些方法的选择将根据具体应用的需求来确定。
为了更好地展示电机驱动系统的优化和控制方法，下面我们介绍两个案例研究。
首先，我们将介绍一种用于机床电机驱动系统的优化和控制方法。
机床是制造业中常用的设备，电机驱动系统在机床中起着至关重要的作用。
为了提高机床的精度和效率，我们可以通过优化电机的设计和选择适当的控制算法来实现。
例如，采用高效的无刷直流电机可以提高机床的精度和效率，而采用PID控制算法可以实现更精确的位置和速度控制。
其次，我们将介绍一种用于电动汽车电机驱动系统的优化和控制方法。
电动汽车的兴起使得电机驱动系统的优化和控制变得尤为重要。
为了提高电动汽车的续航里程和驾驶舒适度，我们可以通过优化电机的能量转换效率和选择合适的控制策略来实现。
例如，采用永磁同步电机可以提高电机的能量转换效率，而采用模型预测控制算法可以实现更精确的动力分配和回收系统。
综上所述，电机驱动系统的优化和控制是提高生产效率和产品质量的重要手段。
通过使用高效的电机和适当的控制算法，我们可以实现电机驱动系统的优化和控制。
这不仅可以减少能源消耗，提高生产效率，而且可以增加设备的可靠性和使用寿命。
基于AUTOSAR的电动汽车驱动电机控制系统设计与实现
3、传感器与执行器设计：传感器负责采集电机的状态信息，如转速、电流、 温度等，并将信息传递给电机控制器。执行器则根据控制器的指令来调整电机的 运行状态，如扭矩输出、速度等。
4、通信接口设计：基于AUTOSAR的电动汽车驱动电机控制系统采用CAN （Controller Area Network）或LIN（Local Interconnect Network）等通信 协议进行数据传输。这使得各个组件之间的数据交互更加稳定和可靠。
三、结论
用于电动汽车的永磁同步电机驱动控制系统是现代电动汽车的核心部分，对 于车辆的性能和效率起着决定性的作用。在设计和实现该系统时，需要充分考虑 到系统的稳定性、可靠性和效率性，同时要结合实际使用情况进行持续的优化和 升级。只有这样，才能为电动汽车的发展提供有力的支持。
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一、AUTOSAR与电动汽车驱动 电机控制系统
AUTOSAR是一种面向服务的架构，它为汽车电子控制单元（ECU）提供了一套 统一的接口和规范。这使得不同供应商的ECU能够相互协作，从而实现更高效和 可扩展的系统设计。对于电动汽车的驱动电机控制系统来说，AUTOSAR提供了新 的设计和实现的可能性。
基于AUTOSAR的电动汽车驱动电机 控制系统设计与实现
目录
01
一、AUTOSAR与电动 汽车驱动电机 三、优势与挑战
04 四、未来展望
05 参考内容
随着全球对环保和能源转型的重视，电动汽车（EV）已经成为交通产业未来 的重要发展方向。在EV的核心技术中，驱动电机控制系统扮演着重要的角色，它 直接决定了车辆的性能和效率。近年来，AUTOSAR（AUTomotive Open System ARchitecture）作为一种开放和标准化的汽车电子架构，正在被广泛地应用于EV 的设计与开发。本次演示将探讨基于AUTOSAR的电动汽车驱动电机控制系统的设 计与实现。
电机驱动系统名词解释
电机驱动系统名词解释
电机驱动系统名词解释
1.启动控制：启动控制又称为启动器控制或启动调节，它是电动机启动过程中所需的电器设备，是控制电动机转速的重要部件。
2.变频器：变频器是一种电机驱动系统，它使用电子元件将内部输入电源的频率及电压调节为固定频率，以控制和调整电机的转速及功率，从而控制电机的输出功率。
3.数字化控制装置：数字化控制装置是一种用于对电机驱动系统及其他控制设备进行数字化控制的装置，通常用于更精确地控制电机的转速及功率。
4.自动化控制器：自动化控制器是一种具有定时和定压功能的控制装置，用于自动控制电机的转速及功率，从而实现按指定要求控制电机。
5.传感器：传感器是一种装置，它可以感测到电机的运行状态，具有检测电机转速、功率、温度、负载和电流等功能。
使用传感器进行反馈可以精确地控制电机的输出功率。
6.驱动箱：驱动箱是电机驱动系统中主要的元件，由电机、变频器、启动装置及控制装置等组成，为整个驱动系统提供动力源。
第四章 驱动电机及控制系统
组通过的线电流值。
额定转速
在额定电压输入下以额定功率输出时对应的电机最低转速。
额定功率
额定条件下，电机轴上输出的机械功率。
峰值功率
在规定的时间内，电机允许输出的最大功率。
最高工作转速 相应于电动汽车最高设计车速的电机转速。
最高转速
在无带载条件下，电机允许旋转的最高转速。
额定转矩
电机在额定功率和额定转速下的输出转距。
整车控制器（VCU）根据驾驶员意图发出各种指令，电机 控制器响应并反馈，实时调整驱动电机输出，以实现整车的 怠速、前行、倒车、停车、能量回收以及驻坡等功能。电机 控制器另一个重要功能是通信和保护，实时进行状态和故障 检测，保护驱动电机系统和整车安全可靠运行。
第四章 驱动电机及控制系统
2.电动汽车对驱动电机性能的要求
由于存在电刷、 换向器等易损件, 所以必须进行定期维护 或更換。
第四章 驱动电机及控制系统
2.新能源汽车直流电动机的性能要求 （1）低能耗性
为了延长一次充电续驶里程以及抑制电动机的温升、 尽量 保持低损耗和高效率成为直流电动机的重要特性 。 近年来, 由 于稀土系列永磁体的研究开发, 直流电动机的效率已明显提高, 能耗明显减低。 （2）环境适应性
直流电动机作为新能源汽车的驱动电机时, 与在室外使用时 的环境大致相同, 所以要求在设计时充分考虑密封的问题, 防止 灰尘和水汽侵入电动机, 另外还要考虑电动机的散热性能。
第四章 驱动电机及控制系统
（3）抗振动性 由于直流电动机具有较重的电枢, 所以在颠簸的路况行驶时,
车辆振动会影响到轴承所承受的机械应力, 对这个应力进行监 控和采取相应的对策是很有必要的。 同时由于振动, 很容易影 响到換向器和电刷的滑动接触, 因此必须采取提高电刷弹簧预 紧力等措施。
电机驱动系统(完整)
八、开关磁阻电机控制系统
1. 开关磁阻电机结构
定、转子为结构双凸结构。 定、转子齿满足错位原理， 即错开1/m转子齿距。 通电一周，转过一个转子齿。 需要转子位置传感器。
6/4极的开关磁阻电动机
2. 开关磁阻电动机工作原理
靠磁通收缩产生转矩
转矩：
开关磁阻电机的 转矩瞬时值正比于 电流的平方， 也正比于电感对转 子位置角的变化率。
+
+C
-C
PWM 输入
电动“1” 回馈制动“ 0”
驱动信号 输出
6. 无刷直流电机及其控制系统的优缺点
优点： 1. 具有直流电机的控制特性。 2. 控制相对简单。 3. 电机效率高，体积小。
缺点： 1. 由于永磁材料贵，电机价格较贵。 2. 过热容易导致永久性失磁。 3. 弱磁运行较困难。 4. 需要转子位置传感器。
功率变换器主电路
交流电机电枢绕组
六、无刷直流电机控制系统
1. 系统构成
三相功率 变换器
控制电路 控制器
永磁 同步电机
转子位置 传感器
自控式永磁 同步电机
2.无刷直流电机与永磁同步电机差别
B0(e0)
永磁同步电机
0
无刷直流电机
2π ωt
一对极下不同的气隙磁密分布图
3.无刷直流电机工作原理
有6个定子空间磁势。
A iA
根据转子位置传感器检
测到的转子位置和要求
FBA
FCA
转向来决定产生哪一个
X
磁势。
产生的平均转矩最大。 FBC
S
Z
iC
C
FAC
F0
N
FCB
Y
iB
电驱动控制系统的工作原理
电驱动控制系统的工作原理
电驱动控制系统是由电机、电源、控制器及相关传感器组成的系统。
其工作原理如下：
1. 电源供电：电驱动控制系统使用电源提供电能给电机。
电源可以是直流电源或交流电源，根据系统需求而定。
2. 控制器接收信号：控制器是电驱动控制系统的核心部件，接收来自用户输入或传感器的信号。
用户输入信号可以包括加速、减速、转向等操作指令。
3. 传感器检测参数：电驱动控制系统通常配备不同类型的传感器，用于检测电机的转速、位置、温度等参数，并将这些参数传输给控制器。
4. 控制算法处理信号：控制器根据接收到的信号和传感器检测到的参数，通过预设的控制算法进行处理。
控制算法可以根据需要进行调整，以实现不同的控制目标。
5. 控制信号输出：控制器经过处理后，会产生控制信号，将其发送给电机。
控制信号可以调整电机的电流、电压等参数，从而影响电机的运行状况。
6. 电机运行：电机根据接收到的控制信号进行动作。
电机会根据控制信号的变化调整自身的转速、扭矩等，以达到控制系统预设的要求。
7. 反馈信息传回控制器：电驱动控制系统通常会内置反馈传感器，用于检测电机运行状态。
反馈信息会传回控制器，以便控制器根据反馈信息进行进一步的调整和优化。
通过不断循环上述步骤，电驱动控制系统可以实现对电机的精确控制，满足用户的需求。
新能源汽车结构与检修课件-第四章驱动电机及控制系统
机械效率
在额定运行时电机轴上输出的机械功率与电机在额定运行时电源输入
到电机定子绕组上的功率之比值。
电机及控制器整 电机转轴输出功率除以控制器输入功率
体效率
温升
电机在运行时允许升高的最高温度。
（2）各种驱动电机的基本性能比较
项目 功率密度 过载能力（%） 峰值效率（%） 负荷效率（%） 功率因数（%） 恒功率区 转速范围（rpm） 可靠性 结构的坚固性 电机的外形尺寸 电机质量
却很大，因此产生一定的主磁通所需要的励磁电流较大， 一般为额定电流的20~50%。励磁电流是无功电流，励 磁电流较大是异步电动机功率因数较低的主要原因。为
提高功率因数，必须减小励磁电流，最有效的方法就是 减小气隙长度。异步电动机的气隙大小一般为0.2~1.5 mm左右。
(5)小型化、轻量化 直流电动机的转子部分含有较大比例的铜, 如电枢绕
组和换向器铜片, 所以与其他类型的电动机相比, 直流电 动机的小型化和轻量化更难以实现。 目前可以通过采用 高磁导率、 低损耗的电磁钢板减少磁性负荷, 虽然增加了 成本, 但可以实现轻量化 。
(6)免维护性 对于电刷, 根据负荷情况和运行速度等使用条件的不
直流电动机 低 200
85-89 80-87 ------------4000-6000 一般
差 大 重
三相异步电动机 中
300-500 94-95 90-92 82-85 1：5
12000-20000 好 好 中 中
永磁同步电动机 高 300
95-97 97-85 90-93 1：2.25 4000-10000 优良 一般
他励
并励
串励
图4-6直流电机的励磁方式
复励
直流电机励磁绕组所耗功率虽只占整个电机功率的1～3%， 但其性能随励磁方式不同产生很大差别，电动机的机械特性 也大不相同，如图4-7所示
电驱动控制系统的组成和工作原理
电驱动控制系统的组成和工作原理电驱动控制系统是一种将电能转化为机械能的系统，广泛应用于各种电动设备和机械设备中。
它由多个组成部分构成，包括电源、电机、传感器和控制器等。
本文将从组成和工作原理两个方面进行详细介绍。
一、组成1. 电源：电驱动控制系统的电源一般为直流电源或交流电源。
直流电源常用于直流电动机的驱动，交流电源常用于交流电动机的驱动。
电源为电驱动系统提供所需的电能。
2. 电机：电驱动控制系统中的电机是将电能转化为机械能的关键部件。
根据不同的应用需求，电驱动系统中常用的电机有直流电机、交流电机和步进电机等。
电机负责接收控制信号，并将电能转化为机械能，驱动设备的正常运行。
3. 传感器：传感器在电驱动控制系统中起到感知和监测的作用。
通过传感器可以实时获取设备运行状态的各种参数，如速度、位移、温度等。
这些参数将作为控制系统的反馈信号，用于控制器对电机进行调节和控制。
4. 控制器：控制器是电驱动控制系统的核心部件，负责对电机进行控制和调节。
控制器接收传感器提供的反馈信号，并根据设定的控制策略，生成控制信号，通过控制信号来调节电机的转速、转向和负载等参数，以实现对设备的精确控制。
二、工作原理电驱动控制系统的工作原理可以简单描述为以下几个步骤：1. 传感器感知：传感器感知设备的运行状态，如转速、位移、温度等参数，并将这些参数转化为电信号。
2. 控制器处理：控制器接收传感器提供的电信号，根据设定的控制策略和算法，对电机进行控制和调节。
控制器使用反馈控制算法，将传感器提供的反馈信号与设定值进行比较，计算出控制信号。
3. 控制信号输出：控制信号由控制器输出，经过电路传输到电机驱动器。
4. 电机驱动：电机驱动器接收控制信号，并通过电路将信号转化为适合电机驱动的电流或电压信号。
驱动器将电流或电压信号传递给电机，控制电机的转速、转向和负载等参数。
5. 电机运行：电机根据接收到的电流或电压信号，将电能转化为机械能，驱动设备正常运行。
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电机驱动控制系统
摘要
由于单片机具有体积小、集成度高、运算速度快、运行可靠、应用灵活、价格低廉以及面向控制等特点，因此在工业控制、数据采集、智能仪器仪表、智能化设备和各种家用电器等领域得到广泛的应用，而且发展非常迅猛。
随着单片机应用技术水平不断提高，目前单片机的应用领域已经遍及几乎所有的领域。
与交流电动机相比，直流电机结构复杂、成本高、运行维护困难，但是直流电机具有良好的调速性能、较大的启动转矩和过载能力强等许多优点，因此在许多行业仍大量应用。
近年来，直流电动机的机构和控制方式都发生了很大的变化。
随着计算机进入控制领域以及新型的电力电子功率元器件的不断出现，采用全控型的开关功率元件进行脉宽调制（Pulse Width Modulation，简称PWM）已成为直流电机新的调速方式。
这种调速方法具有开关频率高、低速运行稳定、动态性能良好、效率高等优点，更重要的是这种控速方式很容易在单片机控制系统中实现，因此具有很好的发展前景。
本设计为单片机控制直流电机，以AT89C51单片机为核心，采用了PWM技术对电机进行控制，通过对占空比的计算达到精确调速的目的。
由键盘控制电动机执行启停、速度和方向等各种功能，用红外对管测量电机的实际转速，并通过1602液晶显示出控制效果。
设计上，键盘输入采用阵列式输入，用4*4的矩阵键盘形式，这样可以有效的减少对单片机I/O口的占用。
关键词：AT89C51 PWM 电机测速
一、硬件设计
1、总体设计
20
929303456781011121314151617318RFB 91112
10k
23
1918
2122232425262728
1.2.2 1602液晶显示模块
本模块实现了转速等显示功能。
D ：方向；占空比；预设转速；实测速度；
1.2.3键盘模块
根据实验要求，需由按键完成对直流电机的控制功能，并经分
析得出需要16个按键，为节省I/O 口并配合软件设计，此模块使用了4*4的矩阵模式。
并通过P1口与主机相连。
1.2.4 PWM 驱动电路模块设计与比较
方案一：
电机驱动电路采用“H”桥电路来驱动，H桥电路主要由三极管搭建而成。
通过控制三极管的的流通方向进而实现对电机转向的控制，由于51单片机输出端口电压不够大，所以采用H桥电路还需要加光耦隔离器。
方案二：
直接使用一片L298驱动直流电机。
由于H桥电路中使用较多的三极管，会受到三级管的不稳定影响且三极管使用不当易烧坏，整个电路连接比较复杂。
因为一片L298可以同时控制两个直流电机且使用比较方便，故选择方案二。
PWM驱动电路如下图：
1.2.5电机测速模块设计与比较
方案一：
用霍尔元件测量电机转速。
霍尔元件是利用霍尔效应实现磁电转换的一种传感器。
具有灵敏度高、线性度好、稳定性高、体积小耐高温等特性。
将一块永久磁钢固定在直流电机转轴上的转盘边沿，转盘随转轴旋转，磁钢也跟着同步旋转。
在转盘附近安装一个霍尔开关传感器，当转盘随转轴同步旋转时，受磁钢产生的磁场的影响，霍尔器件输出脉冲信号，器脉冲信号的频率和转速成正比。
这样只要测出脉冲信号的频率或者周期即可求出直流电机的转速。
方案二：
采用光电编码器。
其工作原理与光电传感器一样，不过它已将光电传感器、电子电路码盘等做成一个整体，只要用联轴器将光电传感器的轴与转轴相连，就能获得输出信号。
方案三：
用透射式光电对管测量电机转速。
基本原理就是当发射管光照射到接收管时，接收管导通，反之关断。
当不透光的物理挡住发射与接收之
间的间隙时，开关关关断，否则打开。
为此，可以制作一个遮光叶安装在转轴上，当扇叶经过时，产生脉冲信号。
若叶片数较多时，旋转一周可以获得多个脉冲信号。
由于使用霍尔传感器和光电编码器价格昂贵，因此我们采用光电对管测量电机转速。
其具体电路图如下图所示：
二、软件设计
2.1 键盘程序
按键的程序方面，主要是一个消抖动程序和，消抖动程序是非常有必要的，因为在平时没有按下键的时候，有可能会从电源或者其他地方突然产生一个尖峰电压，打在单片机检测按键的I/O口上，令单片机误以为有键按下了；或者是当人按下按键时候，如果手抖动，就会引起按键的接触不良，从而可能在很短时间内通-断多次，而导致单片机的处理错误。
2.2 PWM程序
因为电机调速是本次设计的最主要任务之一，所以PWM程序也是程序中最重要的一环。
PWM的调速原理是通过调节一个斩波周期中的脉冲占空比来调节电机功率而达到调速目的。
PWM调速子程序是放在定时器0中断中进行的。
2.3 测速程序
测速是本设计的另外一个重点。
本设计中测速系统的工作原理为：利用电机轴上带的圆盘的缺口，引起光电开关产生高电平脉冲，单片机就采集此脉冲的宽度，加以计算，得出其实时速度。
具体实现如下：
平时缺口不在光电开关处时，光电开关处于断开状态，输入到单片机口电平为低，当圆盘缺口的其中一边刚运转到令光电开关接通时，单片机INT1口电平跳变为高，此时计数器1以内部时钟信号为周期开始计数，然后当圆盘转到缺口的另外一边刚好令光电开关断开时，单片机INT1口产生一个下降沿信号，计数停止，并进入INT1中断子程序，在中断里把脉冲宽度转存出来并经过运算，就可得出实时速度值。
所以，测速程序得用到一个外部中断INT1，以及一个计数器1。
2.4软件流程图
主程序流程图 外部中断0服务程序
定时器0服务程序： 定时器1服务程序：。