《車用驅動電機原理與控制基礎》配套教學試驗指導書《車用驅動電機原理與控制基礎》配套教學試驗指導書~~PAGE10~《發動機原理》教學大綱課程編碼：課程名稱：發動機原理英文名稱：FundamentalofAutomobileEngine開課學期：6學時/學分：64/4或36/2（其中實驗學時：8或4）課程類型：專業課開課專業：熱能與動力工程專業或車輛工程選用教材：《發動機原理》（第2版）林學東編著機械工業出版社2015.01執筆人：林學東課程性質、目的與任務本課程是汽車發動機及車輛工程專業本科生必修的一門主要專業理論課。本課程的目的是通過本課程的學習，使學生掌握發動機的能量轉換的基本原理及其性能評價方法、影響發動機性能因素的分析方法；了解提高或改進發動機性能的主要途徑和措施。為合理使用、正確調整以及汽車動力傳動系統合理匹配奠定理論基礎；同時初步掌握發動機的試驗方法和實驗技能。教學基本要求本課程主要講述汽車發動機的工作原理及其特性，它以發動機性能指標為主要研究對象，介紹發動機的基本工作原理，分析影響內燃機各工作過程以及性能指標的各種因素。從節能減排角度合理組織發動機工作過程以及如何提高其性能是本課程的中心內容。通過本課程的學習，使學生牢固掌握發動機的性能指標、性能特性及其分析方法和主要影響因素；初步掌握發動機的試驗方法及其數據處理和萬有特性制取方法；為汽車動力系統合理匹配奠定理論基礎。根據總學時的要求，內容可根據具體培養要求進行刪減。各章節內容及學時分配緒論教學目的與要求本章節著重介紹汽車發動機在國民經濟中的重要作用。通過本章的學習，使學生了解內燃機的發明與發展歷程，以及不同階段汽車發動機發明發展過程中存在的問題，正確對待發動機原理這門課程，正確對待以發動機為動力源的汽車發展對社會環境與文明的影響，明確本課程的學習目的和方法，培養對本課程的學習興趣。1.1本課程的任務、要求和學習方法1.2內燃機與汽車及其發展史簡介1.3汽車工業的發展階段1.4汽車發展對社會環境的影響考核要求：了解內燃機在國民經濟中的作用、內燃機的發展歷史、現狀及趨勢。發動機的性能指標教學目的與要求本章的目的是使學生掌握發動機能量轉換的特點、理論循環與實際循環的差別，在此基礎上建立發動機性能指標的評價體系，并了解發動機熱平衡及提高性能的主要途徑。重點是發動機性能指標的概念、意義及計算公式以及機械損失的概念和測定方法。教學內容2.1概述2.2內燃機的理論循環2.3內燃機實際循環及其評價指標2.4內燃機有效性能指標2.5機械損失2.6熱平衡考核要求了解：發動機能量轉換過程中的熱平衡以及理論循環與實際循環的特點理解：發動機能量轉換特點及發動機性能評價體系掌握：發動機各項性能指標的概念、含義與計算公式，以及機械損失的概念及測定方法。第三章發動機換氣過程教學目的與要求通過本章節的學習使學生了解四沖程內燃機的換氣過程，掌握換氣過程的評價方法、換氣損失、泵氣損失以及改善換氣過程的有效途徑；掌握充氣效率、殘余廢氣系數的定義及影響因素；了解配氣相位對充氣效率的影響及進排氣管內動態效應對提高充氣效率的作用和基本原理；了解內燃機增壓的實質、廢氣再循環對換氣過程的影響。教學內容3-1四沖程發動機換氣過程3-2充氣效率及其影響因素3-3提高充氣效率的措施3-4內燃機增壓3-5內燃機廢氣再循環(EGR)系統考核要求了解：進排氣管內的動態效率及其對充氣效率的影響。理解：進氣配氣相位對充氣效率的影響以及增壓和EGR的作用。掌握：充氣效率、殘余廢氣系數的定義以及影響充氣效率的主要因素和提高充氣效率的主要途徑。第四章燃料與燃燒教學目的與要求通過本章節的學習使學生了解燃料的碳原子數和分子結構對燃料理化特性的影響及燃料的生產方法；掌握汽油的主要評價指標及其意義，柴油的主要評價指標及其意義；掌握理論空氣量、過量空氣系數（空燃比）、理論分子變更系數、實際分子變更系數的概念和計算公式；掌握燃料的熱值及混合氣熱值的概念；掌握熱力自燃和鏈鎖反應的機理，以及火焰傳播式燃燒、預混合燃燒和擴散燃燒的概念。教學內容4-1內燃機的燃料4-2燃料的使用性能4-3燃燒熱化學4-4燃燒的基本知識考核要求了解：現代汽車發動機用燃料的類型、特點及其發展趨勢，以及碳原子數和分子結構對燃料理化特性的影響。理解：熱力著火理論和鏈鎖反應機理以及火焰傳播、預混合燃燒及擴散燃燒的概念。掌握：發動機傳統燃料的使用性能，理論空氣量、過量空氣系數、燃料的熱值和混合氣的熱值概念和計算公式。第五章汽油機混合氣形成和燃燒教學目的與要求通過本章節的學習，使學生掌握汽油機混合氣形成方式及能量轉換特點，掌握汽油機正常燃燒過程的分析方法和各階段的特點及其影響因素以及火焰傳播速度、質量燃燒速度、平均壓力升高率的概念和影響因素；掌握汽油機循環變動產生的原因、危害及其改進措施、多缸不均勻性的概念、產生原因及改善各缸均勻性的主要措施；掌握汽油機不正常燃燒（爆震燃燒、表面點火）現象產生的原因、危害、影響因素和控制原理；掌握電控汽油噴射系統及其對噴油量的控制方法；掌握汽油機點火調整特性和燃料調整特性的定義、制取方法和曲線歷程分析，最佳點火提前角的概念及其隨轉速和負荷的變化關系；掌握汽油機燃燒室設計的基本要求、設計要點及典型燃燒室的特點；掌握汽油機有害排放物及其產生條件和主要控制措施；了解新型燃燒技術的應用與發展情況以及缸內直噴式混合氣形成特點及組織稀薄燃燒的基本原理。教學內容5-1汽油機混合氣形成及熱功轉換特點5-2汽油機燃燒過程5-3汽油機燃料噴射量的控制5-4汽油機燃燒組織方式及燃燒室5-5汽油機的有害排放物及其控制考核要求了解：現代汽油機電控系統的類型、組成、特點及工作原理。理解：電控噴射系統的控制方法和策略以及缸內直噴稀薄燃燒控制等新技術掌握：汽油機燃燒過程的分析方法、基本概念以及影響燃燒過程的主要因素；不正常燃燒現象產生的原因、危害、影響因素及消除原則和措施；汽油機有害排放物的生成機理及主要控制措施。第六章柴油機混合氣形成和燃燒教學目的與要求通過本章節的學習首先使學生從柴油機混合氣形成和燃燒特點，了解混合氣形成過程對其燃燒過程的重要意義。在此基礎上通過教學使學生掌握柴油機燃燒過程的分析方法（四個階段的劃分及各階段的主要影響因素）、柴油機工作粗暴的原因及其影響因素和控制途徑；掌握放熱規律的概念和低排放燃燒過程控制的基本要求；了解柴油機燃料噴射系統的類型、特點及控制原理；掌握燃料霧化特性的評價方法以及典型的高壓共軌噴射系統及其工作原理、噴射壓力、噴射時刻以及噴射方式對柴油機混合氣形成及燃燒過程的影響；掌握直噴式燃燒室的結構特點及其對缸內氣流特性和混合氣形成的影響；了解傳統的渦流室式燃燒室和直噴式燃燒室的主要缺點；掌握柴油機主要有害尾氣排放物的產生機理、條件、危害和控制措施。教學內容6-1柴油機熱功轉換的特點6-2柴油機的燃燒過程6-3燃油噴射和霧化6-4混合氣的形成和燃燒室6-5燃燒過程的影響因素6-6柴油機的排放控制技術考核要求了解：現代柴油機電控系統的組成、特點、控制原理及發展趨勢理解：柴油機節能與減排的控制技術及其特點掌握：柴油機混合氣形成及燃燒過程的主要影響因素及其分析方法，放熱規律的概念和低排放燃燒過程控制的基本要求，有害排放物的生成機理及控制原理。第七章發動機的特性教學目的與要求本章節是發動機原理課程內容的總結，是前述各章節知識的綜合應用部分。難點是發動機特性曲線歷程的分析方法。通過本章節的學習，使學生了解固定式發動機、船用主機、車用發動機的工況特點、發動機試驗臺架以及典型的測功器、油耗儀的測量原理和排放物的測量方法。在此基礎上掌握發動機動力性和經濟性指標的分析式；掌握發動機負荷特性的定義、用途及制取方法，汽油機、柴油機負荷特性歷程分析和比較；掌握發動機速度特性及外特性的定義、制取方法和曲線歷程分析；掌握外特性的意義、發動機適應系數（扭矩儲備系數、轉速儲備系數）功率儲備的概念；掌握萬有特性的制取方法和應用技術；掌握增壓比和增壓度的概念以及廢氣渦輪增壓器和發動機的匹配原理。教學內容7-1概述7-2發動機的負荷特性7-3發動機的速度特性7-4發動機的萬有特性7.5渦輪增壓器與發動機的匹配7.6EGR對發動機性能的影響考核要求了解：固定式發動機、船用主機和車用發動機工況的特點以及發動機試驗臺架理解：發動機試驗臺架常規測試設備及其測量原理掌握：發動機負荷特性定義、用途及制取方法、汽油機、柴油機負荷特性歷程的分析方法；發動機速度特性（部分特性和外特性）的定義、制取方法和曲線歷程分析；外特性的扭矩儲備系數、功率儲備的概念；萬有特性的制取方法和分析方法；發動機增壓的目的及廢氣渦輪增壓器與發動機的匹配方法。第八章發動機與整車性能匹配*教學目的與要求通過本章節的學習使學生了解汽車的基本結構、類型以及不同車型的使用條件；理解汽車動力傳動系統的組成、各組成部分的結構特點及其工作原理；掌握汽車的行駛原理、牽引力的確定方法與發動機輸出轉矩之間的關系；掌握整車性能評價方法及發動機性能與汽車動力傳動系統的匹配方法；理解改善整車性能的主要途徑。教學內容8-1汽車動力傳動裝置及主要參數的確定8-2汽車行駛基本原理及特性8-3發動機與傳動裝置性能匹配8-4整車性能的改進途徑考核要求了解：各種汽車的類型及其結構特點和使用條件理解：汽車動力傳動系統的組成、結構特點及工作原理以及動力傳動原理；改善整車性能的有效途徑掌握：制取汽車萬有特性及其分析方法；汽車動力傳動系統主要性能參數的確定方法；汽車行駛原理及牽引力的概念；整車性能評價方法及發動機性能與汽車動力傳動系統的匹配方法，以及改進整車性能的有效途徑。

發動機原理實驗課程教學大綱課程編碼：課程名稱：發動機原理英文名稱：FundamentalofAutomobileEngine學時/學分：64/4，或36/2適用對象：熱能與動力工程或車輛工程實驗目的與任務：通過實驗課，讓學生深入了解內燃機能量轉換的基本原理和車用發動機性能隨工況變化的規律以及影響性能的主要因素，提高學生的實驗能力和分析、提高內燃機性能的能力。同時使學生了解內燃機實驗所需的實驗設備、儀器及其使用方法。實驗教學基本要求：了解和掌握內燃機性能試驗方法、試驗臺架以及所用儀器設備；了解和掌握試驗數據的測量、處理以及分析方法；掌握試驗報告的撰寫方法。對于設計性試驗，要求學生在參加試驗前必須寫好試驗大綱，并交實驗室相關負責人，經審查合格方允許參加試驗。在實驗中讓學生親自動手操作儀器，自己處理數據，并編寫合乎要求的實驗報告。要求實驗教學人員在每次實驗課之前準備好所有的設備和儀器。實驗教材或指導書：1.林學東，發動機原理（第2版），機械工業出版社，2015.01實驗項目一覽表：序號實驗項目內容提要實驗類型學時分配主要儀器設備1汽油機總功率實驗汽油機總功率特性的制取；試驗條件及主要儀器設備及其使用方法；通過繪制汽油機總功率特性曲線評價分析汽油機的動力性和經濟性。綜合型2汽油機、測功機、進排氣壓力傳感器、溫度傳感器、空氣流量計、油耗儀等2柴油機負荷特性實驗柴油機負荷特性的制取；試驗方法及主要儀器設備及其使用方法；通過繪制柴油機負荷特性分析評價柴油機在某一轉速下的經濟性。設計型實驗2柴油機、測功機、進排氣壓力傳感器、溫度傳感器、空氣流量計、油耗儀等3汽油機調整特性汽油機點火定時和空燃比MAP圖的標定；點火提前角調整特性、燃料調整特性的制取方法；通過制取調整特性分析評價這些參數對汽油機性能的影響。研究型2電控汽油發動機、測功機、汽油機標定系統、進排氣壓力傳感器、溫度傳感器、空氣流量計、油耗儀4柴油機調整特性柴油機電控燃料噴射系統的噴射時間、噴射壓力、噴射時刻等燃燒參數控制MAP圖的標定，以及這些參數對柴油機性能的影響。研究型2柴油機、電控標定系統，進氣流量計，水溫傳感器，油耗儀等注：根據實際情況可調整或增減具體試驗內容。四、考核方式：考核方式以筆試（閉卷）考試為主，平時成績為輔。考試成績占80％，平時成績和實驗課成績占20％。五、其它信息： 無《車用驅動電機原理與控制基礎》如需配套試驗教學用硬件（含電路板、電機等）可郵件聯系：\h01141@目 錄1. 安全須知 32. 教學試驗裝置概述 42.1. 系統組成 42.2. 電機控制開發板概述 52.3. 電機參數 63. 控制算法介紹 73.1. PMSMFOC控制程序簡介（下位機程序） 73.2. 上位機程序簡介 93.3. 代碼編寫和編譯軟件支持 104. 基礎實驗項目 134.1. 開環電壓矢量激勵下電機穩態運行 134.2. FOC穩態過程分析 144.3. FOC動態過程分析 145. 提升項目要求 165.1. SVPWM實現方法分析 165.2. 電流濾波和坐標變換 165.3. 轉速和電流環PI整定 165.4. 電流比例諧振控制器 165.5. 位置標定 185.6. 位置解算（鎖相環方法） 181.安全須知 使用者必須在使用實驗套件前接受適當的電氣安全培訓；傷害。使用本實驗套件時必須謹慎，并采取適當措施避免造成人身傷害和/或財產損失； 本實驗套件應當遠離水、液體和灰塵； 使用者必須在明確理解實驗套件電壓和絕緣要求后再給實驗套件通電； 套件沒有運行時也不要接觸套件中的電子元件，避免靜電造成的元件損壞； 使用時不要超過電壓、電流、溫度等額定工作條件。2.教學試驗裝置概述PMSM電機矢量控制平臺，利于使用者更直觀地理解PMSM電機運行及控制過程。本教學試驗裝置的硬件原理圖、PCB工程文件及控制程序源代碼可以在項目網站（\hhttp://gofile.me/4VBZ9/EnvInJFeC）下載使用，但未經授權不得用于商業目的。2.1. 系統組成實驗套件系統組成如下表所示：No.組成部件參數/型號備注1PMSM電機DM2BLD150-24A-30S集成位置傳感器及傳感器引出線2電機控制開發板含電機控制板+驅動板分別基于TI28035DSP和低壓mosfet經由灰排線和紅白排線連接3控制板直流電源綠聯電源適配器12V/1A4驅動板直流電源明緯GST60A電源適配器24V/2.5A5USB數據線綠聯USB2.0轉MiniUSB數據線PMSM電機組成。控制板使用12V/1A直流電源供電，驅動板使用24V/2.5A直流電源供電，將直流逆變為三相交流電后驅動PMSM。控制板通過灰排線和紅白排線與驅動板連接，控制板將控制信號傳遞給驅動板，同時驅動板將電機狀態反饋至控制板。控制目標電機狀態

控制板

位置信號控制信號 電流信號直流電源

交流電壓驅動板圖1：系統基本組成2.2. 電機控制開發板概述拓撲圖如下：位置信號檢波解算直流輸入位置信號檢波解算直流輸入E類逆變器激勵DRV8302三相驅動橋數字隔離狀態LED12V電源模塊FT2232HL板載仿真器USB28035 控制及反饋信號傳感器反饋信號傳感器激勵信號驅動板三相輸出圖2：電機控制開發板原理框圖其中，控制板按照主要功能分類可以分為如下硬件組成：的b) 電源模塊：使用兩個開關電源，12V直流電源輸入逐級轉換為5V以及3.3V；d) 板載仿真器模塊：板載仿真器除了代替TI仿真器功能以外，也是微處理器和電腦進行數據交換的橋梁。驅動板按照主要功能分類可以分為如下硬件模塊：a)逆變器：采用三相橋式逆變器，將直流電源轉換為三相交流電以驅動電機；b)柵極驅動器：采用TI的集成式三相柵極驅動器驅動逆變器工作；c)E類逆變器：產生高頻激勵信號，輸入至電機位置傳感器。關管的開通和關斷實現對直流電源電壓的變頻和變壓調制（詳見教材第7動板上的電壓型三相脈寬調制（PWM）逆變電路原理圖如下圖所示：2.3. 電機參數

圖3：電壓型逆變電路原理實驗套件的被控對象為一只PMSM型號D2BLD150-24A-30S功率/W150電壓/V24極對數2空載轉速/rpm3300額定轉速/rpm3000額定電流/A7.81額定轉矩/Nm0.48最大轉矩/Nm1.43空載電流/A<1.0A3.控制算法介紹本實驗套件軟件部分主體是PMSM電機的磁場定向（FOC）控制算法及其實現。具體分為上位機程序和下位機程序，此兩者通過串口通信的方式進行數據交互。3.1. PMSMFOC控制程序簡介（下位機程序）方面是完成與上位機的通信工作。其中，FOC算法是下位機程序的核心，其算法框圖如下：直流電源直流電源PID轉矩電流分配策略反Prk變換PM逆變器PIDPrk變換Crk變換電機位置檢測DC圖4：PMSM電機FOC控制原理PMSM的磁場定向矢量控制步驟可以歸納如下（參見教材第51) ? ?定??????和直電給????????；2) 對電三定繞實電流行通坐變換到際直和軸電流????????、????????3) 基于軸交電目值和際行流環反調到子組設定電壓????????????4) 利用標換根電目標得靜坐系電壓定????????????5) 根據止標下電設定由VM電調制制變中率關器件的斷????????、????實相電的制；按照上述矢量控制算法的框架，下位機程序流程圖如下：圖4：下位機中FOC的實現與上一小節提及的完整FOC算法框圖相比，控制模型中的算法不包含被控對象（即逆變器以及ADC模塊，采集電機運行過程中的電流和位PWM控制的閉環目的。微處理器作為運算模塊，ADC模塊作為感知器，逆變器作為執行器，互相協調配合，最終實現完整的FOC算法。下位機通信相關分為接收模塊和發送模塊。圖5：下位機的通訊模塊到2個3232FOC32據首先被舍棄掉前16168使能。而前8位作為回傳數據選擇信號，將參與到下位機發送模塊的數據選擇環節中。占用當前發送通道傳輸回上位機。3.2.上位機程序簡介上位機程序主要負責監控和通訊，通訊部分同樣分為接收模塊和發送模塊兩部分：圖6：上位機接收模塊由于控制板中的微處理器F28035運行使用定點數，因此，在串口通信模塊中，將數據收發類型統一設置為300數據，并分別將兩列數據傳輸至simlulink的示波器模塊顯示。圖7：上位機發送模塊位機。其中“參考轉速”采用32位定點數，而“使能信號”和“回傳數據選擇信號”分別占據8位字節，通過移位運算將兩個變量拼接在一個16位數據中，前8位代表“回傳數據832位數據。上位被打包由SCI發送模塊發送至下位機。特別注意，上位機使用前，需在“設備管理器”中查詢對應端口號，并在“SCIHOSTSETUP”模塊中進行正確設置方可正常實現通信。3.3. 代碼編寫和編譯軟件支持本開發套件下位機軟件參考了版本中更新的MotorControlBlockset以及EmbeddedCoderSupportPackageforInstrumentsC2000Processors，配合實驗套件并支持C代碼自動生成的矢量控制模型。C2000系列DPS由Simulink模型代碼生成的整個工具鏈。進行模型搭建以及代碼生成功能所前，需要先下載及TI的第三方軟件安裝包，詳細信息（軟件名及對應版本號供參考）見下表。軟件名稱版本號（供參考）基礎產品2021a工具包（Toolbox）SimulinkEmbeddedCoderCoderSimulinkCoderTI編譯器TICodeComposerStudio0009TIcontrolSUITE3.4.9TIC2000Ware3_02_00_00硬件支持包C2000硬件支持包21.1.2MotorControlBlockset1.2需要注意的是，下表中軟件出現順序即為推薦安裝的順序，安裝過程簡述如下：安裝及工具包后，請進入附加功能管理器，確認是否已安裝下列工具包，如果在安裝過程中未勾選上述擴展功能中的工具包，也可以手動安裝，對應工具包參考圖示如下：工具包圖示隨后請安裝TI編譯器相關軟件，對應下載地址見下：TICodeComposerStudio:\hCCSTUDIO_0012|TI.comTIcontrolSUITE:\hCONTROLSUITEDriverorlibrary|TI.com3) TI\hC2000WARE_4.00.00.00|TI.com確認安裝上述工具包后，在附加功能管理器中安裝C2000硬件支持包。圖：C2000硬件支持包第三方軟件關聯即可完成配置。配置完成后重新打開配置界面，可以驗證是否配置成功。圖：編譯器關聯，完成配置界面（供參考）MotorControlBlockset圖：MotorControlBlockset4.基礎實驗項目前讀懂理解算法實現細節。4.1. 開環電壓矢量激勵下電機穩態運行一、實驗目的1) 熟悉實驗套件使用流程，初步了解上位機與下位機通信方式及FOC算法框架；2) 的關系。二、實驗原理空載低速狀態下，電磁轉矩和負載轉矩均可視作近似為0，即轉矩角????≈0。經上述初步分析，開環空載低速運行狀態，轉子d軸近似保持與設定定子電壓矢量對齊。三、實驗步驟1) 在下位機程序中修改模型，產生0~1之間的鋸齒波用來模擬定子電壓矢量的旋轉d-q0.1序；2) d-q下dq軸電流曲線，分析該曲線特點及分析其機理。四、實驗報告撰寫要求1) 撰寫實驗報告，分析開環運行過程中的電流電壓關系。2) 記錄開環運行曲線，并解釋關鍵參數和指標。4.2. FOC穩態過程分析一、實驗目的1) 實現FOC控制算法的轉速閉環控制；2) 二、實驗原理穩態下，PMSM的電流矢量和電壓矢量幅值恒定，換算至同步旋轉坐標系下，dq軸電流及電壓都為恒定值。三、實驗步驟1) 首先將下位機程序調整至閉環控制模式，并將程序燒錄至微處理器；2) 3) 形。四、實驗報告撰寫要求1) 撰寫實驗報告，記錄穩態下電機相電流及同步坐標系下電流和電壓矢量曲線；2) 繪制同步坐標系下，電壓、電流穩態矢量圖。3) 對于關鍵數據給出定量分析解釋。4.3. FOC動態過程分析一、實驗目的1) 在FOC閉環控制狀態下，實現電機轉速的階躍響應；2) 體會PMSM不同轉速下運行的矢量變化規律。二、實驗原理可以看出，當dq軸電流不變時，隨著轉速升高，d軸電壓下降，q軸電壓上升。三、實驗步驟1) 2) 四、實驗報告撰寫要求1) 記錄轉速變化前后dq軸電流及電壓曲線，分析產生如此變化的原因；2) 對比轉速變化前后dq3) 結合矢量圖解釋其中關鍵變量之間的定量關聯關系。5.提升項目要求C