開題報(bào)告 樣板

天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）—開題報(bào)告PAGE16-=本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）開題報(bào)告論文題目直流無刷輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)班級(jí)姓名院（系）導(dǎo)師開題時(shí)間8-天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）—開題報(bào)告1．課題研究的目的和意義汽車是現(xiàn)代社會(huì)生活所必不可少的一種交通運(yùn)輸工具。據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，當(dāng)今世界，汽車保有量已超過8億輛，年產(chǎn)量達(dá)到6000萬輛。雖然汽車的廣泛使用使我們的生活便利快捷，但是這也不可避免地造成了嚴(yán)重的的資源短缺和環(huán)境污染問題。汽車不僅消耗著大量的石油資源，調(diào)查還表明：每年汽車尾氣約排放2億噸有害氣體，占大氣污染總量60%以上[1]。隨著地球上石油資源的大量減少和環(huán)境污染日益嚴(yán)重，我們迫切地需要設(shè)計(jì)出一種低消耗輕污染的交通運(yùn)輸工具。電動(dòng)汽車便應(yīng)運(yùn)而生。為了盡快降低燃油汽車的排放，美日等國正在廣泛研制混合動(dòng)力汽車，目前己經(jīng)開始小批量商業(yè)化生產(chǎn)[2,3]?？梢灶A(yù)言，在全球性大力推進(jìn)研究開發(fā)電動(dòng)汽車技術(shù)的21世紀(jì)，電動(dòng)汽車的產(chǎn)業(yè)化并進(jìn)入商業(yè)營運(yùn)市場的實(shí)用化時(shí)期必將到來[4]。新能源電動(dòng)汽車是在工業(yè)革命期間直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)汽車（ElectricVehicle)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的現(xiàn)代交通工具。電動(dòng)汽車包括純電動(dòng)汽車、混合動(dòng)力電動(dòng)汽車和燃料電池電動(dòng)汽車，相比較于傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)汽車，它污染、噪聲低，能源利用率高，結(jié)構(gòu)簡單，使用維修方便。大面積推廣和使用電動(dòng)汽車是解決燃油汽車所帶來的能源和環(huán)境問題的有效途徑，因此，世界各國政府和各大汽車制造商都對(duì)開發(fā)出具有優(yōu)越性能的電動(dòng)汽車做了大量投入。從20世紀(jì)70年代起，世界發(fā)達(dá)國家均投入巨資進(jìn)行電動(dòng)汽車的商業(yè)化開發(fā)和應(yīng)用[5]。由于我國的工業(yè)基礎(chǔ)相對(duì)薄弱，在汽車的核心技術(shù)方面與發(fā)達(dá)國家之間存在著較大的差距，并且西方大國也對(duì)我國實(shí)行技術(shù)封鎖，因而我們國家想要在這些領(lǐng)域取得重大成就是難上加難。而相對(duì)于傳統(tǒng)工業(yè)技術(shù)方面的差距，我國在新能源汽車技術(shù)方面與其他國家的差距較小，很多技術(shù)成果甚至達(dá)到世界先進(jìn)水平，因此我國必須緊緊抓住這一重大發(fā)展機(jī)遇，大力發(fā)展和研究電動(dòng)汽車，使電動(dòng)汽車的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化程度躍居世界先進(jìn)國家前列[6]。電動(dòng)汽車多數(shù)采用輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)。與電動(dòng)機(jī)集中動(dòng)力驅(qū)動(dòng)相比，輪轂電機(jī)技術(shù)具備很大的優(yōu)勢(shì)，主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：省略大量傳動(dòng)部件，讓車輛結(jié)構(gòu)更簡單；可實(shí)現(xiàn)多種復(fù)雜的驅(qū)動(dòng)方式；便于采用多種新能源車技術(shù)等。不過同時(shí)也有自己的顯著不足，比如密封和起步電流/扭矩間的平衡關(guān)系，以及轉(zhuǎn)向時(shí)驅(qū)動(dòng)輪的差速問題等等，如果能在工程上解決這些難題，輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)將在未來的新能源車中擁有廣闊的前景。無論是純電動(dòng)汽車、混合動(dòng)力電動(dòng)汽車還是燃料電池電動(dòng)汽車，車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)既是關(guān)鍵技術(shù)又是共性技術(shù)[7]。由于車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作環(huán)境惡劣，同時(shí)又要求其具有低速大扭矩、調(diào)速范圍寬、過載能力大、成本低等要求，因而該系統(tǒng)的開發(fā)難度較大。車用驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)包括電機(jī)本體，逆變器，控制系統(tǒng)等部分，其中控制系統(tǒng)是其核心部分。但是縱觀國內(nèi)各大汽車廠家，電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制器卻基本采用進(jìn)口產(chǎn)品，這對(duì)我國電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展是很不利的。所以，我們要加大力度研發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制器，本次設(shè)計(jì)正是從這個(gè)角度出發(fā)，深入研究了以直流無刷輪轂驅(qū)動(dòng)電機(jī)為控制對(duì)象的控制器。該控制器未來將具有很大的發(fā)展空間。2．國內(nèi)外研究現(xiàn)狀2.1國外研究現(xiàn)狀美國在新能源技術(shù)方面的研發(fā)和應(yīng)用一直處于世界先進(jìn)水平。近年來美國能源部與通用和福特兩大汽車商合作研究開發(fā)未來的新能源汽車，主要以整車集成研發(fā)為主導(dǎo)，包括發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定、技術(shù)研發(fā)、電控系統(tǒng)驗(yàn)證與測(cè)試。2002年1月7日，通用汽車?yán)^福特汽車在北美車展上，推出了多款融合現(xiàn)代科技的燃料電池汽車，隨后克萊斯勒公司也相繼推出了自己的混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(HEV)，這些新能源汽車的推出被認(rèn)為是確定了未來汽車的發(fā)展趨勢(shì)。進(jìn)入新世紀(jì)以來，美國新一代的新能源汽車如電動(dòng)車、油電混合車和體積小的節(jié)能車占據(jù)了新能源汽車的領(lǐng)導(dǎo)地位[8]。對(duì)于輪轂電機(jī)的應(yīng)用，美國也一直處于世界先進(jìn)水平。通用汽車高級(jí)技術(shù)研發(fā)中心成功地將自行研制的輪轂電機(jī)應(yīng)用到雪弗蘭s210皮卡車中。該電機(jī)給車輪增加的重量只有約15kg，卻可產(chǎn)生約25kw的功率，產(chǎn)生的扭矩比普通的雪弗蘭s210四缸皮卡車高出60%，加速性能也有所提高。美國通用汽車公司2001年試制的全新線控四輪驅(qū)動(dòng)燃料電池概念車Autonomy采用輪轂驅(qū)動(dòng)形式，于2005年推出后輪采用輪轂驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的燃料電池電動(dòng)車Sequel（如圖1），該車前端采用集中電機(jī)驅(qū)動(dòng)，后輪采用兩個(gè)輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)，3個(gè)電機(jī)總功率達(dá)到110kW，續(xù)駛里程達(dá)到500km。輪轂驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)靈活的控制與布置方式，使得該車能更好地實(shí)現(xiàn)線控技術(shù)[1]。日本的電動(dòng)車開發(fā)經(jīng)歷了三次高峰：第一次，1970年，經(jīng)濟(jì)高速增長，空氣高污染，但是使用鉛蓄電池，可靠度低，加上高峰電力需求不能滿足，所以沒有成功推廣；第二次，1990年以后，政府出臺(tái)法律，一部分企業(yè)必須生產(chǎn)電動(dòng)汽車，日本開始研發(fā)第二代電動(dòng)汽車；第三高峰，2000年以后，油價(jià)迅速上漲，加上環(huán)境污染的壓力，電動(dòng)汽車開發(fā)速度開始加快。日本慶應(yīng)義塾大學(xué)清水浩教授領(lǐng)導(dǎo)的電動(dòng)汽車研究小組在過去十幾年中，研制的IZA、ECO、KAZ等電動(dòng)汽車均采用輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)，其中KAZ經(jīng)典的結(jié)構(gòu)與卓越的性能使其至今仍是輪轂驅(qū)動(dòng)型電動(dòng)汽車開發(fā)的典范。日本的各大公司也在2003年東京汽車展上紛紛推出自己的輪轂驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品，如:普利司通公司的動(dòng)力阻尼型車輪內(nèi)裝式電機(jī)系統(tǒng)、豐田公司的燃料電池概念車FINEZN等等[9]。1996年底，豐田公司在北京國際電動(dòng)汽車展覽會(huì)上展示了用于電動(dòng)汽車的永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)，它將電動(dòng)機(jī)，機(jī)械差速器，制動(dòng)器和傳感器等一體化設(shè)計(jì)，采用同軸結(jié)構(gòu)，此組合部件直接驅(qū)動(dòng)兩個(gè)車輪，結(jié)構(gòu)新穎、緊湊，表征了輪式驅(qū)動(dòng)的一個(gè)發(fā)展方向[10]。圖1Sequel電池車底盤系統(tǒng)歐洲國家則憑借其汽車廠商在柴油發(fā)動(dòng)機(jī)上強(qiáng)大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，在清潔柴油乘用車方面的發(fā)展最為迅速。英國PMLFlightlink公司研制的輪轂電機(jī)，目前主要應(yīng)用在VolvoReChangeC30混合動(dòng)力汽車和Ford-50純電動(dòng)汽車上，其電機(jī)的設(shè)計(jì)比較特殊，電機(jī)由幾個(gè)可單獨(dú)運(yùn)行的子電機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成，電機(jī)運(yùn)行時(shí)由各個(gè)子電機(jī)系統(tǒng)共同提供轉(zhuǎn)矩和功率，即使有某個(gè)子電機(jī)系統(tǒng)損壞，也不至于整個(gè)電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)[11]。但由于各個(gè)子電機(jī)系統(tǒng)都需要一個(gè)由逆變器和功率器件組成的控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)復(fù)雜，成本高。同時(shí)，受電機(jī)內(nèi)部空間的限制，電子元件的體積很小，控制器焊接困難。而且每個(gè)子電機(jī)的控制系統(tǒng)都置于電機(jī)內(nèi)部，使得電機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，溫升較高，維護(hù)困難。俄羅斯一位博士曾經(jīng)研制了一款高轉(zhuǎn)矩密度的輪轂電機(jī)，其轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。該電機(jī)采用內(nèi)外雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，使電機(jī)有限的空間得到充分利用，永磁體粘貼在轉(zhuǎn)子上，通過增加永磁體的體積提高了電機(jī)的性能，但同時(shí)增加了電機(jī)成本。在相同技術(shù)指標(biāo)的前提下，該電機(jī)定子繞組的用銅量少，熱損耗小，效率高。電機(jī)定子齒是獨(dú)立的，有利于繞線，但同時(shí)對(duì)齒的固定提出了更高要求，加工工藝復(fù)雜，成本較高[12]。圖2轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)圖2.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀我國幾年前就提出了“混合動(dòng)力汽車—電動(dòng)汽車—燃料電池汽車”的發(fā)展模式，并在十二五規(guī)劃中明確推出現(xiàn)階段重點(diǎn)發(fā)展新能源電動(dòng)汽車的科研和產(chǎn)業(yè)化。奇瑞汽車在2010年深圳車展會(huì)上推出了增程式電動(dòng)車瑞麒Xl一REEV，該電動(dòng)汽車搭載了336V功率的電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，并配備了60Ah的高性能鋰電池。我國已能自主研發(fā)200kw以下永磁無刷電機(jī)，電機(jī)重量比功率超過1300w/kg，電機(jī)系統(tǒng)最高效率達(dá)到93%。在2008年北京奧運(yùn)期間，北京市政府集中投入了595輛自主研發(fā)的混合動(dòng)力、純電動(dòng)及燃料電池汽車，實(shí)現(xiàn)奧運(yùn)史上最大規(guī)模的電動(dòng)汽車示范運(yùn)行。中船總公司724研究所的四輪電動(dòng)汽車，其電動(dòng)機(jī)性能指標(biāo)為：額定功率3kw，額定轉(zhuǎn)速3000r/min，額定電壓為110v[13]。我國輪毅電機(jī)技術(shù)雖然起步較晚，但近幾年隨著國家“863”計(jì)劃電動(dòng)汽車重大課題研究的深入，各高校對(duì)該技術(shù)的研究也有所加強(qiáng)，如同濟(jì)大學(xué)研制出的“春暉一號(hào)”和“春暉二號(hào)”等。隨著中國成為全球最大的汽車消費(fèi)市場，中國汽車業(yè)也逐步進(jìn)入汽車工業(yè)發(fā)展新階段。為實(shí)現(xiàn)汽車強(qiáng)國這一目標(biāo)，中國政府將大力扶持自主研發(fā)投入力度，鼓勵(lì)汽車生產(chǎn)企業(yè)提高研發(fā)能力和技術(shù)創(chuàng)新能力，積極開發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品，實(shí)施品牌經(jīng)營戰(zhàn)略。逐步形成自主汽車品牌為支撐，各個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈技術(shù)先進(jìn)的汽車集團(tuán)[14,15]。3.本課題的研究內(nèi)容及技術(shù)方案本次設(shè)計(jì)的輪轂式驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)的電機(jī)本體選用的是永磁無刷直流電機(jī)。永磁無刷直流電機(jī)具有調(diào)速性能好，功率密度高，可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。因此，很快受到電動(dòng)汽車研制單位的青睞。但其存在的問題卻成為制約永磁無刷直流電機(jī)性能進(jìn)一步提高的瓶頸，為了擴(kuò)大調(diào)速范圍，降低電機(jī)成本，增加輸出轉(zhuǎn)矩，提高電機(jī)可靠性，本文擬研究內(nèi)容如下：根據(jù)電機(jī)參數(shù)，建立合適的驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型：根據(jù)電動(dòng)汽車的動(dòng)力特性，選擇合適的驅(qū)動(dòng)電機(jī)技術(shù)參數(shù)，根據(jù)無刷直流電機(jī)的非線性特性，建立數(shù)學(xué)模型。控制策略方面初步計(jì)劃采用轉(zhuǎn)速電流的雙閉環(huán)控制，其中速度環(huán)為PI控制策略，而電流環(huán)采用傳統(tǒng)PID控制策略，這樣就有效地抑制了無刷直流電機(jī)的非線性引起的控制問題?？刂葡到y(tǒng)仿真和分析：擬采用MATLAB/Simulink工具箱建立驅(qū)動(dòng)電機(jī)的仿真模型，并重點(diǎn)分析兩種控制策略的實(shí)現(xiàn)與調(diào)試，主要是對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行分析。進(jìn)行硬件電路設(shè)計(jì)：進(jìn)行該電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)的硬件設(shè)計(jì)，選擇合適的控制芯片、驅(qū)動(dòng)芯片和逆變器功率管。建立功率驅(qū)動(dòng)器的模型并進(jìn)行計(jì)算和分析，搭建系統(tǒng)內(nèi)的位置傳感器檢測(cè)電路、驅(qū)動(dòng)電路、控制芯片的供能電路、通信電路等等。給出軟件設(shè)計(jì)流程：設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)，擬采用模塊化的軟件結(jié)構(gòu)，包括各個(gè)底層硬件模塊的初始化模塊、主程序模塊及相關(guān)的中斷服務(wù)子程序，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)電流檢測(cè)、電壓檢測(cè)、轉(zhuǎn)速檢測(cè)等檢測(cè)功能以及轉(zhuǎn)速、電流調(diào)節(jié)、轉(zhuǎn)速計(jì)算等功能。4.本設(shè)計(jì)的特色該技術(shù)適用于新能源汽車：本次設(shè)計(jì)屬于新能源汽車領(lǐng)域的課題設(shè)計(jì)，由于其屬于新能源汽車技術(shù)的核心技術(shù)，因而如若設(shè)計(jì)成功必將推動(dòng)新能源汽車的大力向前發(fā)展。新能源汽車的普遍使用具有以下重大意義：對(duì)解決傳統(tǒng)汽車所造成的環(huán)境污染問題有很大幫助，新能源汽車燃燒的是清潔能源，不會(huì)排放CO、NOx、SO2等各種氣體污染物；對(duì)解決世界能源、資源短缺的問題有重大幫助，由于傳統(tǒng)汽車消耗的是石油資源，所以對(duì)石油資源的供應(yīng)要求較高，而新能源汽車使用二次能源，避免了這一問題；由于省略了傳統(tǒng)汽車?yán)锏碾x合器、變速器、機(jī)械式差速器等，是汽車的整體結(jié)構(gòu)和整車布置更加方便，同時(shí)控制起來也更加輕便靈活；促進(jìn)我國創(chuàng)造更多屬于我們的自主汽車品牌，打破由于其他國家技術(shù)封鎖造成的我國汽車核心技術(shù)的落后情況。設(shè)計(jì)方法及思路：本次設(shè)計(jì)是采用無刷直流輪轂電機(jī)作為控制對(duì)象，采用速度電流雙閉環(huán)的控制策略。設(shè)計(jì)基礎(chǔ)：硬件設(shè)計(jì)方面擬采用專用的驅(qū)動(dòng)芯片、控制芯片和MOSFET功率管，而軟件方面初步計(jì)劃采用C語言進(jìn)行編程設(shè)計(jì)。在系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)仿真和分析方面采用MATLAB/Simulink軟件。5.進(jìn)度安排1、第1-第3周：查閱有關(guān)無刷直流輪轂電機(jī)的資料，初步弄清楚無刷直流電機(jī)的原理結(jié)構(gòu)和輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的原理，弄清楚基本的設(shè)計(jì)思路。2、第4-第6周：仔細(xì)學(xué)習(xí)輪轂電機(jī)的相關(guān)原理知識(shí)和電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和原理，尤其是控制器的原理和設(shè)計(jì)方法。3、第7-第9周：建立數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行控制系統(tǒng)的整體性能仿真。4、第10-第12周：進(jìn)行控制系統(tǒng)的硬件電路學(xué)習(xí)和設(shè)計(jì)。5、第13-第15周：進(jìn)行軟件系統(tǒng)的編程學(xué)習(xí)和設(shè)計(jì)。6、第16-第18周：撰寫論文及準(zhǔn)備畢業(yè)設(shè)計(jì)答辯。6.參考文獻(xiàn)[1]章昊.輪式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的研究.浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文,2007[2]陳清泉,孫立清.電動(dòng)車的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì).科技導(dǎo)報(bào),2005,4:25-28[3]胡明一.國內(nèi)外電動(dòng)汽車發(fā)展?fàn)顩r.汽車情報(bào),2003,35:16-23[4]葛英輝,輪式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)車控制系統(tǒng)的研究.博士論文,杭州:浙江大學(xué),2004[5]陳清泉,孫逢春,祝嘉光.現(xiàn)代電動(dòng)汽車技術(shù).北京:北京理工大學(xué)出版社,2002[6]陳志鑫,汪曉健.我國電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)化發(fā)展策略研究.上海節(jié)能,2010,08:1-6[7]秦嶺.基于無刷直流電機(jī)的電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)控制器的研制.合肥工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文,2007[8]XiaoFang,ZhangJiqiang,TuHailing.ElectrieVehicles-Cleandrivingthatpresa