一种基于四节干电池的方杆电机驱动系统的制作方法

本发明涉及方杆电机驱动，且更具体地涉及一种基于四节干电池的方杆电机驱动系统。

背景技术：

1、干电池是一种化学能转换成电能的装置。它包括正极、负极和电解质。在放电过程中，正极材料（通常是氧化剂）和负极材料（通常是锌）之间的化学反应会释放电子，电子通过外部电路流动产生电流，同时在电池内部发生化学反应，但是大部分干电池存在记忆效应、不能频繁充放电，且在充放电过程中无法避免电池过充、过放、过热等安全问题，当电池的电压、容量或放电率与电机的要求不匹配，容易导致电机无法正常工作或性能不佳，方杆电机在转换电池储存的能量为机械能时，容易存在能量损失问题；

2、方杆电机是一种直流电机，通常由定子和转子两部分组成，方杆电机驱动通过基于洛伦兹力的作用，当电流通过定子线圈时，在磁场中产生的磁场会与转子上的磁场相互作用，从而产生转矩并驱动转子转动，传统方杆电机驱动系统通过控制输入电流的大小和方向，以实现所需的转速和转矩，控制精度不足，容易导致电机无法实现预期的速度、转矩或位置控制。

技术实现思路

1、针对上述技术的不足，本发明公开一种基于四节干电池的方杆电机驱动系统使用可充电电池自适应匹配方杆电机，基于模糊逻辑的pid控制算法模型对方杆电机进行精准控制。

2、为了实现上述技术效果，本发明采用以下技术方案：

3、一种基于四节干电池的方杆电机驱动系统包含：

4、可充电电池组，通过四节可充电干电池组成电池组，所述电池组通过串联为系统供电；

5、方杆电机驱动模块，所述方杆电机驱动模块包括方杆电机、电机驱动电路、保护电路、接口电路和散热系统；

6、电池匹配系统，通过遗传优化的支持向量机算法构建电池匹配预测模型，根据电机的实时工作状态自适应调节电池的电压、容量和放电率；

7、充放电管理系统，设置稳压均衡模块对每节电池进行稳定均衡充电，使用传感器实时监控电池组在充电过程中的电压、充放电电流和电池温度，并通过电池保护模块对电池进行保护；所述充放电管理系统包括数据采集模块、稳压均衡模块、充电管理模块、放电管理模块、性能优化模块和故障自检模块；

8、功率转换系统，使用升压、降压转换器根据不同电机的电压的需求自适应调整电池的输出功率，将电池组的电压转换为电机所需的电压；

9、电机控制系统，通过基于模糊逻辑的pid控制算法模型控制电机的启动、运行和停止，实现对电机速度和方向控制，提供api接口能够输入控制指令进行手动控制；

10、所述充放电管理系统的输出端与所述可充电电池组的输入端连接，所述可充电电池组的输出端与所述充放电管理系统和所述电池匹配系统的输入端连接，所述电池匹配系统的输出端与所述功率转换系统的输入端连接，所述功率转换系统的输出端与所述电机控制系统的输入端连接，所述电机控制系统的输出端与所述方杆电机驱动模块的输入端连接。

11、作为本发明进一步的实施例，所述的电机驱动电路能控制方杆电机的正反转，所述的电机驱动电路包括h桥电路，所述h桥电路具有四个开关元件，所述h桥电路通过接收的控制信号改变开关元件的导通状态实现方杆电机的正反转。当电路的两个对角开关元件导通时，方杆电机按一个方向旋转；当另外两个对角开关元件导通时，方杆电机反向旋转。

12、作为本发明进一步的实施例，所述电池匹配模型的工作方法为：

13、s1、采集各电池单元的初始状态数据，包括电池的电压、内阻、温度和历史充放电循环次数；

14、s2、利用支持向量机算法对采集到的数据进行分析，建立电池匹配预测模型，预测在特定放电条件下的电池组的组合模式及电池性能参数；

15、s3、通过遗传算法的核函数参数和惩罚系数调整电池匹配预测模型参数，优化电池匹配预测模型；

16、s4、根据预测模型的结果，对电池单元进行性能排序，选择匹配度最高的电池组的组合模式和电池性能参数，匹配度考量因子包括电池的剩余容量、预期寿命和输出稳定性；

17、s5、动态跟踪电池单元的状态变化，包括实时电压、电流和温度数据的监控，当电池单元的性能出现偏差且超过预设阈值时，重新进行匹配模型的计算和电池组的配置。

18、作为本发明进一步的实施例，所述数据采集模块通过电压和电流传感器来测量电池组在充电过程中的电压和充放电电流，通过温度传感器监测电池组在充电过程中温度，并通过模数转换器将传感器数据转换为数字信号；所述稳压均衡模块通过自适应均衡算法模型自适应调整电池组中的每节电池单元的电压，对每节电池单元进行均衡充放电；所述充电管理模块采用混合动力学与电化学模型能够根据电池的状态选择最佳的充电模式；所述放电管理模块通过动态放电率调节器根据负载需求和电池状态实时调整放电率，所述性能优化模块通过监控电池的健康状况和剩余使用寿命，自适应调整充放电策略；所述故障自检模块通过故障诊断算法模型检测电池的关键参数，当检测到异常时采取预定的安全措施；

19、所述数据采集模块的输出端与所述稳压均衡模块的输入端连接，所述稳压均衡模块的输出端与所述充电管理模块和所述放电管理模块的输入端连接，所述充电管理模块的输出端与所述性能优化模块和所述故障自检模块的输入端连接，所述放电管理模块的输出端与所述性能优化模块和所述故障自检模块的输入端连接，所述性能优化模块的输出端与所述充电管理模块和所述放电管理模块的输入端连接。

20、作为本发明进一步的实施例，所述自适应均衡算法模型的工作方法为

21、l1、接收采集的每节电池单元的实时电压和实时电流，i=1,2,...,n表示电池单元的索引，n是电池组中电池单元的总数；

22、l2、对每节电池单元计算即时状态量，所述状态量包括电压、电流和电池温度，所述状态量计算公式为：

23、（1）

24、在公式（1）中，a,b,c,d是电池特性经过实验确定的系数，是一个描述电池温度影响的函数；

25、l3、对所有电池单元的状态量进行比较，识别出具有最低状态量和最高状态量的电池单元，计算二者之间的差异为：

26、（2）

27、在公式（2）中，是最低状态量和最高状态量的差值；

28、l4、设定一个阈值，当大于阈值，执行均衡调整；否则，跳过均衡调整步骤，进入到下一监测周期；

29、l5、根据差异、均衡系数和电池单元的温度，计算均衡调整量，所述均衡调整量计算公式为：

30、（3）

31、在公式（3）中，是一个根据电池温度调整均衡系数的函数，是根据电池充电特性和预期寿命经过优化的系数；

32、l6、将调整量应用于电池单元，对电压较高的电池单元减少相应的充放电电压，同时增加电压较低电池单元的充放电电压，实现电压的均衡。

33、作为本发明进一步的实施例，所述动态优先级评估模块的初始优先级函数为：

34、（5）

35、在公式（5）中，是任务的优先级，是任务的第个特征函数，是对应于特征的权重，是任务的所有直接依赖任务的集合，是任务的所有关联特征的集合，是依赖任务的权重，是关联特征的权重，是依赖任务的当前优先级。

36、作为本发明进一步的实施例，所述动态放电率调节器通过内置的放电模型计算当前的放电率，所述放电模型考虑了电池的化学特性、温度依赖性和电池老化因素，能够预测电池在不同负载条件下的放电行为，当需要调整放电率时，所述动态放电率调节器根据调节机制输出的调整策略调整方杆电机与电池组连接的电阻值，从而改变放电电流，实现放电率的调整。

37、作为本发明进一步的实施例，所述升压、降压转换器能够根据方杆电机工作状态的需要自动切换升压和降压模式；

38、所述升压模式切换；在检测到电池电压低于方杆电机运行所需的最低电压阈值时，所述升压、降压转换器自动切换至升压模式，通过升压电路将电池的输出电压提升至方杆电机所需电压；

39、所述降压模式切换；在电池电压高于方杆电机运行所需的最高电压阈值时，所述升压、降压转换器自动切换至降压模式，通过降压电路将电池的输出电压降低至适合方杆电机运行的电压。

40、作为本发明进一步的实施例，所述基于模糊逻辑的pid控制算法模型的工作方法为：

41、m1、输入变量的模糊化；

42、控制算法模型接收电机的速度偏差和偏差变化率作为输入变量，将所述输入变量模糊化，转换为模糊集合中的语言值，并通过模糊隶属函数将所述输入变量映射到[0,1]区间的隶属度；

43、m2、模糊逻辑规则库的建立；

44、建立一个模糊规则库，所述模糊规则库包含了基于经验和系统性能要求定义的若干模糊控制规则；

45、m3、推理机制；

46、使用mamdani模糊逻辑推理方法，根据输入变量的模糊值和规则库中的规则，计算出模糊输出值；

47、m4、输出变量的去模糊化；

48、通过质心法将推理得到的模糊输出值转换为精确的控制命令；

49、m5、pid参数的调整；

50、根据去模糊化后得到的精确控制命令，动态调整pid控制器的比例、积分和微分参数，所述比例的调整公式为：

51、（4）

52、在公式（4）中，是pid控制器的固定比例增益、基于模糊逻辑得出的比例增益动态调整函数；

53、所述积分的调整公式为：

54、（5）

55、在公式（5）中，是pid控制器的固定积分增益、基于模糊逻辑得出的积分增益动态调整函数，是时间间隔，是上一周期的积分输出值；

56、所述微分的调整公式为：

57、（6）

58、在公式（6）中，是pid控制器的固定微分增益、基于模糊逻辑得出的微分增益动态调整函数，是时间间隔；

59、m6、控制信号的输出：

60、将、、合成为pid控制器的输出信号，调整方杆电机的驱动电流，控制电机的速度。

61、积极有益效果

62、区别于常规技术，本发明公开一种基于四节干电池的方杆电机驱动系统通过四节可充电干电池组成电池组为系统供电，提供了可靠的电源供应，通过遗传优化的支持向量机算法构建电池匹配预测模型，根据电机的实时工作状态自适应调节电池的电压、容量和放电率，所选的四节干电池与方杆电机能够有效地匹配，确保电机正常工作并实现预期的性，通过充放电管理系统的稳压均衡模块对每节电池进行稳定均衡充电，并通过电池保护模块对电池进行保护，确保电池安全可靠地工作，通过功率转换系统根据不同电机的电压的需求自适应调整电池的输出功率，提高电池利用效率，通过电机控制系统使用基于模糊逻辑的pid控制算法模型控制电机的启动、运行和停止，并提供api接口能够输入控制指令进行手动控制，采用机器学习算法实现对电机速度、转矩和位置的精确控制，本发明使用可重复充放电的电池和灵活可调的电机，具有灵活性能够适应不同的工作要求。