開題報告 樣板

天津職業(yè)技術師范大學本科畢業(yè)論文（設計）—開題報告PAGE16-=本科畢業(yè)論文（設計）開題報告論文題目直流無刷輪轂電機驅(qū)動系統(tǒng)設計班級姓名院（系）導師開題時間8-天津職業(yè)技術師范大學本科畢業(yè)論文（設計）—開題報告1．課題研究的目的和意義汽車是現(xiàn)代社會生活所必不可少的一種交通運輸工具。據(jù)資料統(tǒng)計，當今世界，汽車保有量已超過8億輛，年產(chǎn)量達到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)境污染日益嚴重，我們迫切地需要設計出一種低消耗輕污染的交通運輸工具。電動汽車便應運而生。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言，在全球性大力推進研究開發(fā)電動汽車技術的21世紀，電動汽車的產(chǎn)業(yè)化并進入商業(yè)營運市場的實用化時期必將到來[4]。新能源電動汽車是在工業(yè)革命期間直流電機驅(qū)動的電動汽車（ElectricVehicle)的基礎上發(fā)展起來的現(xiàn)代交通工具。電動汽車包括純電動汽車、混合動力電動汽車和燃料電池電動汽車，相比較于傳統(tǒng)的內(nèi)燃機汽車，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開發(fā)出具有優(yōu)越性能的電動汽車做了大量投入。從20世紀70年代起，世界發(fā)達國家均投入巨資進行電動汽車的商業(yè)化開發(fā)和應用[5]。由于我國的工業(yè)基礎相對薄弱，在汽車的核心技術方面與發(fā)達國家之間存在著較大的差距，并且西方大國也對我國實行技術封鎖，因而我們國家想要在這些領域取得重大成就是難上加難。而相對于傳統(tǒng)工業(yè)技術方面的差距，我國在新能源汽車技術方面與其他國家的差距較小，很多技術成果甚至達到世界先進水平，因此我國必須緊緊抓住這一重大發(fā)展機遇，大力發(fā)展和研究電動汽車，使電動汽車的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化程度躍居世界先進國家前列[6]。電動汽車多數(shù)采用輪轂電機驅(qū)動技術。與電動機集中動力驅(qū)動相比，輪轂電機技術具備很大的優(yōu)勢，主要體現(xiàn)在以下幾點：省略大量傳動部件，讓車輛結(jié)構(gòu)更簡單；可實現(xiàn)多種復雜的驅(qū)動方式；便于采用多種新能源車技術等。不過同時也有自己的顯著不足，比如密封和起步電流/扭矩間的平衡關系，以及轉(zhuǎn)向時驅(qū)動輪的差速問題等等，如果能在工程上解決這些難題，輪轂電機驅(qū)動技術將在未來的新能源車中擁有廣闊的前景。無論是純電動汽車、混合動力電動汽車還是燃料電池電動汽車，車用驅(qū)動電機系統(tǒng)既是關鍵技術又是共性技術[7]。由于車用驅(qū)動電機工作環(huán)境惡劣，同時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)動控制系統(tǒng)包括電機本體，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，電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)的控制器卻基本采用進口產(chǎn)品，這對我國電動汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展是很不利的。所以，我們要加大力度研發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)控制器，本次設計正是從這個角度出發(fā)，深入研究了以直流無刷輪轂驅(qū)動電機為控制對象的控制器。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方面的研發(fā)和應用一直處于世界先進水平。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，包括發(fā)動機標定、技術研發(fā)、電控系統(tǒng)驗證與測試。2002年1月7日，通用汽車繼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力電動汽車(HEV)，這些新能源汽車的推出被認為是確定了未來汽車的發(fā)展趨勢。進入新世紀以來，美國新一代的新能源汽車如電動車、油電混合車和體積小的節(jié)能車占據(jù)了新能源汽車的領導地位[8]。對于輪轂電機的應用，美國也一直處于世界先進水平。通用汽車高級技術研發(fā)中心成功地將自行研制的輪轂電機應用到雪弗蘭s210皮卡車中。該電機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)動燃料電池概念車Autonomy采用輪轂驅(qū)動形式，于2005年推出后輪采用輪轂驅(qū)動系統(tǒng)的燃料電池電動車Sequel（如圖1），該車前端采用集中電機驅(qū)動，后輪采用兩個輪轂電機驅(qū)動，3個電機總功率達到110kW，續(xù)駛里程達到500km。輪轂驅(qū)動系統(tǒng)靈活的控制與布置方式，使得該車能更好地實現(xiàn)線控技術[1]。日本的電動車開發(fā)經(jīng)歷了三次高峰：第一次，1970年，經(jīng)濟高速增長，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，政府出臺法律，一部分企業(yè)必須生產(chǎn)電動汽車，日本開始研發(fā)第二代電動汽車；第三高峰，2000年以后，油價迅速上漲，加上環(huán)境污染的壓力，電動汽車開發(fā)速度開始加快。日本慶應義塾大學清水浩教授領導的電動汽車研究小組在過去十幾年中，研制的IZA、ECO、KAZ等電動汽車均采用輪轂電機驅(qū)動技術，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)動型電動汽車開發(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)動產(chǎn)品，如:普利司通公司的動力阻尼型車輪內(nèi)裝式電機系統(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汽車展覽會上展示了用于電動汽車的永磁無刷直流電動機，它將電動機，機械差速器，制動器和傳感器等一體化設計，采用同軸結(jié)構(gòu)，此組合部件直接驅(qū)動兩個車輪，結(jié)構(gòu)新穎、緊湊，表征了輪式驅(qū)動的一個發(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)動機上強大的技術優(yōu)勢，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，目前主要應用在VolvoReChangeC30混合動力汽車和Ford-50純電動汽車上，其電機的設計比較特殊，電機由幾個可單獨運行的子電機系統(tǒng)構(gòu)成，電機運行時由各個子電機系統(tǒng)共同提供轉(zhuǎn)矩和功率，即使有某個子電機系統(tǒng)損壞，也不至于整個電機停止運轉(zhuǎn)[11]。但由于各個子電機系統(tǒng)都需要一個由逆變器和功率器件組成的控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)復雜，成本高。同時，受電機內(nèi)部空間的限制，電子元件的體積很小，控制器焊接困難。而且每個子電機的控制系統(tǒng)都置于電機內(nèi)部，使得電機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復雜，溫升較高，維護困難。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，其轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。該電機采用內(nèi)外雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，使電機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的性能，但同時增加了電機成本。在相同技術指標的前提下，該電機定子繞組的用銅量少，熱損耗小，效率高。電機定子齒是獨立的，有利于繞線，但同時對齒的固定提出了更高要求，加工工藝復雜，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“混合動力汽車—電動汽車—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)階段重點發(fā)展新能源電動汽車的科研和產(chǎn)業(yè)化。奇瑞汽車在2010年深圳車展會上推出了增程式電動車瑞麒Xl一REEV，該電動汽車搭載了336V功率的電驅(qū)動系統(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，電機重量比功率超過1300w/kg，電機系統(tǒng)最高效率達到93%。在2008年北京奧運期間，北京市政府集中投入了595輛自主研發(fā)的混合動力、純電動及燃料電池汽車，實現(xiàn)奧運史上最大規(guī)模的電動汽車示范運行。中船總公司724研究所的四輪電動汽車，其電動機性能指標為：額定功率3kw，額定轉(zhuǎn)速3000r/min，額定電壓為110v[13]。我國輪毅電機技術雖然起步較晚，但近幾年隨著國家“863”計劃電動汽車重大課題研究的深入，各高校對該技術的研究也有所加強，如同濟大學研制出的“春暉一號”和“春暉二號”等。隨著中國成為全球最大的汽車消費市場，中國汽車業(yè)也逐步進入汽車工業(yè)發(fā)展新階段。為實現(xiàn)汽車強國這一目標，中國政府將大力扶持自主研發(fā)投入力度，鼓勵汽車生產(chǎn)企業(yè)提高研發(fā)能力和技術創(chuàng)新能力，積極開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品，實施品牌經(jīng)營戰(zhàn)略。逐步形成自主汽車品牌為支撐，各個產(chǎn)業(yè)鏈技術先進的汽車集團[14,15]。3.本課題的研究內(nèi)容及技術方案本次設計的輪轂式驅(qū)動電機系統(tǒng)的電機本體選用的是永磁無刷直流電機。永磁無刷直流電機具有調(diào)速性能好，功率密度高，可靠性高等優(yōu)點。因此，很快受到電動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性能進一步提高的瓶頸，為了擴大調(diào)速范圍，降低電機成本，增加輸出轉(zhuǎn)矩，提高電機可靠性，本文擬研究內(nèi)容如下：根據(jù)電機參數(shù)，建立合適的驅(qū)動控制系統(tǒng)數(shù)學模型：根據(jù)電動汽車的動力特性，選擇合適的驅(qū)動電機技術參數(shù)，根據(jù)無刷直流電機的非線性特性，建立數(shù)學模型?？刂撇呗苑矫娉醪接媱澆捎棉D(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)動電機的仿真模型，并重點分析兩種控制策略的實現(xiàn)與調(diào)試，主要是對驅(qū)動電機的動態(tài)特性進行分析。進行硬件電路設計：進行該電動汽車驅(qū)動電機的硬件設計，選擇合適的控制芯片、驅(qū)動芯片和逆變器功率管。建立功率驅(qū)動器的模型并進行計算和分析，搭建系統(tǒng)內(nèi)的位置傳感器檢測電路、驅(qū)動電路、控制芯片的供能電路、通信電路等等。給出軟件設計流程：設計驅(qū)動控制系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)，擬采用模塊化的軟件結(jié)構(gòu)，包括各個底層硬件模塊的初始化模塊、主程序模塊及相關的中斷服務子程序，以實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)電流檢測、電壓檢測、轉(zhuǎn)速檢測等檢測功能以及轉(zhuǎn)速、電流調(diào)節(jié)、轉(zhuǎn)速計算等功能。4.本設計的特色該技術適用于新能源汽車：本次設計屬于新能源汽車領域的課題設計，由于其屬于新能源汽車技術的核心技術，因而如若設計成功必將推動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，不會排放CO、NOx、SO2等各種氣體污染物；對解決世界能源、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，所以對石油資源的供應要求較高，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)汽車里的離合器、變速器、機械式差速器等，是汽車的整體結(jié)構(gòu)和整車布置更加方便，同時控制起來也更加輕便靈活；促進我國創(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封鎖造成的我國汽車核心技術的落后情況。設計方法及思路：本次設計是采用無刷直流輪轂電機作為控制對象，采用速度電流雙閉環(huán)的控制策略。設計基礎：硬件設計方面擬采用專用的驅(qū)動芯片、控制芯片和MOSFET功率管，而軟件方面初步計劃采用C語言進行編程設計。在系統(tǒng)的動態(tài)仿真和分析方面采用MATLAB/Simulink軟件。5.進度安排1、第1-第3周：查閱有關無刷直流輪轂電機的資料，初步弄清楚無刷直流電機的原理結(jié)構(gòu)和輪轂電機驅(qū)動系統(tǒng)的原理，弄清楚基本的設計思路。2、第4-第6周：仔細學習輪轂電機的相關原理知識和電動汽車驅(qū)動控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和原理，尤其是控制器的原理和設計方法。3、第7-第9周：建立數(shù)學模型并進行控制系統(tǒng)的整體性能仿真。4、第10-第12周：進行控制系統(tǒng)的硬件電路學習和設計。5、第13-第15周：進行軟件系統(tǒng)的編程學習和設計。6、第16-第18周：撰寫論文及準備畢業(yè)設計答辯。6.參考文獻[1]章昊.輪式驅(qū)動電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)的研究.浙江大學碩士學位論文,2007[2]陳清泉,孫立清.電動車的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢.科技導報,2005,4:25-28[3]胡明一.國內(nèi)外電動汽車發(fā)展狀況.汽車情報,2003,35:16-23[4]葛英輝,輪式驅(qū)動電動車控制系統(tǒng)的研究.博士論文,杭州:浙江大學,2004[5]陳清泉,孫逢春,祝嘉光.現(xiàn)代電動汽車技術.北京:北京理工大學出版社,2002[6]陳志鑫,汪曉健.我國電動汽車產(chǎn)業(yè)化發(fā)展策略研究.上海節(jié)能,2010,08:1-6[7]秦嶺.基于無刷直流電機的電動汽車驅(qū)動控制器的研制.合肥工業(yè)大學碩士學位論文,2007[8]XiaoFang,ZhangJiqiang,TuHailing.ElectrieVehicles-Cleandrivingthatpresa