本科毕业论文（设计）
开 题 报 告
1．课题研究的目的和意义
汽车是现代社会生活所必不可少的一种交通运输工具。据资料统计，当今世界，汽车保有量已超过8亿辆，年产量达到6000万辆。虽然汽车的广泛使用使我们的生活便利快捷，但是这也不可避免地造成了严重的的资源短缺和环境污染问题。汽车不仅消耗着大量的石油资源，调查还表明：每年汽车尾气约排放2亿吨有害气体，占大气污染总量60%以上[1]。随着地球上石油资源的大量减少和环境污染日益严重，我们迫切地需要设计出一种低消耗轻污染的交通运输工具。电动汽车便应运而生。为了尽快降低燃油汽车的排放，美日等国正在广泛研制混合动力汽车，目前己经开始小批量商业化生产[2,3]。可以预言，在全球性大力推进研究开发电动汽车技术的21世纪，电动汽车的产业化并进入商业营运市场的实用化时期必将到来[4]。
新能源电动汽车是在工业革命期间直流电机驱动的电动汽车（Electric Vehicle)的基础上发展起来的现代交通工具。电动汽车包括纯电动汽车、混合动力电动汽车和燃料电池电动汽车，相比较于传统的内燃机汽车，它污染、噪声低，能源利用率高，结构简单，使用维修方便。大面积推广和使用电动汽车是解决燃油汽车所带来的能源和环境问题的有效途径，因此，世界各国政府和各大汽车制造商都对开发出具有优越性能的电动汽车做了大量投入。从20世纪70年代起，世界发达国家均投入巨资进行电动汽车的商业化开发和应用[5]。由于我国的工业基础相对薄弱，在汽车的核心技术方面与发达国家之间存在着较大的差距，并且西方大国也对我国实行技术封锁，因而我们国家想要在这些领域取得重大成就是难上加难。而相对于传统工业技术方面的差距，我国在新能源汽车技术方面与其他国家的差距较小，很多技术成果甚至达到世界先进水平，因此我国必须紧紧抓住这一重大发展机遇，大力发展和研究电动汽车，使电动汽车的研发和产业化程度跃居世界先进国家前列[6]。
电动汽车多数采用轮毂电机驱动技术。与电动机集中动力驱动相比，轮毂电机技术具备很大的优势，主要体现在以下几点：省略大量传动部件，让车辆结构更简单；可实现多种复杂的驱动方式；便于采用多种新能源车技术等。不过同时也有自己的显著不足，比如密封和起步电流/扭矩间的平衡关系，以及转向时驱动轮的差速问题等等，如果能在工程上解决这些难题，轮毂电机驱动技术将在未来的新能源车中拥有广阔的前景。
无论是纯电动汽车、混合动力电动汽车还是燃料电池电动汽车，车用驱动电机系统既是关键技术又是共性技术[7]。由于车用驱动电机工作环境恶劣，同时又要求其具有低速大扭矩、调速范围宽、过载能力大、成本低等要求，因而该系统的开发难度较大。车用驱动控制系统包括电机本体，逆变器，控制系统等部分，其中控制系统是其核心部分。但是纵观国内各大汽车厂家，电动汽车驱动系统的控制器却基本采用进口产品，这对我国电动汽车产业的发展是很不利的。所以，我们要加大力度研发具有自主知识产权的电动汽车驱动系统控制器，本次设计正是从这个角度出发，深入研究了以直流无刷轮毂驱动电机为控制对象的控制器。该控制器未来将具有很大的发展空间。
2．国内外研究现状
2.1国外研究现状
美国在新能源技术方面的研发和应用一直处于世界先进水平。近年来美国能源部与通用和福特两大汽车商合作研究开发未来的新能源汽车，主要以整车集成研发为主导，包括发动机标定、技术研发、电控系统验证与测试。20##年1月7日，通用汽车继福特汽车在北美车展上，推出了多款融合现代科技的燃料电池汽车，随后克莱斯勒公司也相继推出了自己的混合动力电动汽车(HEV)，这些新能源汽车的推出被认为是确定了未来汽车的发展趋势。进入新世纪以来，美国新一代的新能源汽车如电动车、油电混合车和体积小的节能车占据了新能源汽车的领导地位[8]。对于轮毂电机的应用，美国也一直处于世界先进水平。通用汽车高级技术研发中心成功地将自行研制的轮毂电机应用到雪弗兰s210皮卡车中。该电机给车轮增加的重量只有约15kg，却可产生约25kw的功率，产生的扭矩比普通的雪弗兰s210四缸皮卡车高出60%，加速性能也有所提高。美国通用汽车公司20##年试制的全新线控四轮驱动燃料电池概念车Autonomy采用轮毂驱动形式，于20##年推出后轮采用轮毂驱动系统的燃料电池电动车Sequel（如图1），该车前端采用集中电机驱动，后轮采用两个轮毂电机驱动，3个电机总功率达到110kW，续驶里程达到500km。轮毂驱动系统灵活的控制与布置方式，使得该车能更好地实现线控技术[1]。
日本的电动车开发经历了三次高峰：第一次，1970年，经济高速增长，空气高污染，但是使用铅蓄电池，可靠度低，加上高峰电力需求不能满足，所以没有成功推广；第二次，1990年以后，政府出台法律，一部分企业必须生产电动汽车，日本开始研发第二代电动汽车；第三高峰，20##年以后，油价迅速上涨，加上环境污染的压力，电动汽车开发速度开始加快。日本庆应义塾大学清水浩教授领导的电动汽车研究小组在过去十几年中，研制的IZA、ECO、KAZ等电动汽车均采用轮毂电机驱动技术，其中KAZ经典的结构与卓越的性能使其至今仍是轮毂驱动型电动汽车开发的典范。日本的各大公司也在20##年东京汽车展上纷纷推出自己的轮毂驱动产品，如:普利司通公司的动力阻尼型车轮内装式电机系统、丰田公司的燃料电池概念车FINEZN等等[9]。1996年底，丰田公司在北京国际电动汽车展览会上展示了用于电动汽车的永磁无刷直流电动机，它将电动机，机械差速器，制动器和传感器等一体化设计，采用同轴结构，此组合部件直接驱动两个车轮，结构新颖、紧凑，表征了轮式驱动的一个发展方向[10]。
图1 Sequel电池车底盘系统
欧洲国家则凭借其汽车厂商在柴油发动机上强大的技术优势，在清洁柴油乘用车方面的发展最为迅速。英国PML Flightlink公司研制的轮毂电机，目前主要应用在Volvo ReChange C30混合动力汽车和Ford-50纯电动汽车上，其电机的设计比较特殊，电机由几个可单独运行的子电机系统构成，电机运行时由各个子电机系统共同提供转矩和功率，即使有某个子电机系统损坏，也不至于整个电机停止运转[11]。但由于各个子电机系统都需要一个由逆变器和功率器件组成的控制系统，控制系统复杂，成本高。同时，受电机内部空间的限制，电子元件的体积很小，控制器焊接困难。而且每个子电机的控制系统都置于电机内部，使得电机系统结构复杂，温升较高，维护困难。
俄罗斯一位博士曾经研制了一款高转矩密度的轮毂电机，其转子结构示意图如图2所示。该电机采用内外双转子结构，使电机有限的空间得到充分利用，永磁体粘贴在转子上，通过增加永磁体的体积提高了电机的性能，但同时增加了电机成本。在相同技术指标的前提下，该电机定子绕组的用铜量少，热损耗小，效率高。电机定子齿是独立的，有利于绕线，但同时对齿的固定提出了更高要求，加工工艺复杂，成本较高[12]。
图2 转子结构图
2.2国内研究现状
我国几年前就提出了“混合动力汽车—电动汽车—燃料电池汽车”的发展模式，并在十二五规划中明确推出现阶段重点发展新能源电动汽车的科研和产业化。奇瑞汽车在20##年深圳车展会上推出了增程式电动车瑞麒Xl一REEV，该电动汽车搭载了336V功率的电驱动系统，并配备了60Ah的高性能锂电池。我国已能自主研发200kw以下永磁无刷电机，电机重量比功率超过1300w/kg，电机系统最高效率达到93%。在20##年北京奥运期间，北京市政府集中投入了595辆自主研发的混合动力、纯电动及燃料电池汽车，实现奥运史上最大规模的电动汽车示范运行。中船总公司724研究所的四轮电动汽车，其电动机性能指标为：额定功率3kw，额定转速3000r/min，额定电压为110v[13]。
我国轮毅电机技术虽然起步较晚，但近几年随着国家“863”计划电动汽车重大课题研究的深入，各高校对该技术的研究也有所加强，如同济大学研制出的“春晖一号”和“春晖二号”等。
随着中国成为全球最大的汽车消费市场，中国汽车业也逐步进入汽车工业发展新阶段。为实现汽车强国这一目标，中国政府将大力扶持自主研发投入力度，鼓励汽车生产企业提高研发能力和技术创新能力，积极开发具有自主知识产权的产品，实施品牌经营战略。逐步形成自主汽车品牌为支撑，各个产业链技术先进的汽车集团[14,15]。
3.本课题的研究内容及技术方案
本次设计的轮毂式驱动电机系统的电机本体选用的是永磁无刷直流电机。永磁无刷直流电机具有调速性能好，功率密度高，可靠性高等优点。因此，很快受到电动汽车研制单位的青睐。但其存在的问题却成为制约永磁无刷直流电机性能进一步提高的瓶颈，为了扩大调速范围，降低电机成本，增加输出转矩，提高电机可靠性，本文拟研究内容如下：
1、根据电机参数，建立合适的驱动控制系统数学模型：根据电动汽车的动力特性，选择合适的驱动电机技术参数，根据无刷直流电机的非线性特性，建立数学模型。控制策略方面初步计划采用转速电流的双闭环控制，其中速度环为PI控制策略，而电流环采用传统PID控制策略，这样就有效地抑制了无刷直流电机的非线性引起的控制问题。
2、控制系统仿真和分析：拟采用MATLAB/Simulink工具箱建立驱动电机的仿真模型，并重点分析两种控制策略的实现与调试，主要是对驱动电机的动态特性进行分析。
3、进行硬件电路设计：进行该电动汽车驱动电机的硬件设计，选择合适的控制芯片、驱动芯片和逆变器功率管。建立功率驱动器的模型并进行计算和分析，搭建系统内的位置传感器检测电路、驱动电路、控制芯片的供能电路、通信电路等等。
4、给出软件设计流程：设计驱动控制系统的软件结构，拟采用模块化的软件结构，包括各个底层硬件模块的初始化模块、主程序模块及相关的中断服务子程序，以实现系统内电流检测、电压检测、转速检测等检测功能 以及转速、电流调节、转速计算等功能。
4.本设计的特色
该技术适用于新能源汽车：本次设计属于新能源汽车领域的课题设计，由于其属于新能源汽车技术的核心技术，因而如若设计成功必将推动新能源汽车的大力向前发展。新能源汽车的普遍使用具有以下重大意义：
对解决传统汽车所造成的环境污染问题有很大帮助，新能源汽车燃烧的是清洁能源，不会排放CO、NOx、SO2等各种气体污染物；
对解决世界能源、资源短缺的问题有重大帮助，由于传统汽车消耗的是石油资源，所以对石油资源的供应要求较高，而新能源汽车使用二次能源，避免了这一问题；
由于省略了传统汽车里的离合器、变速器、机械式差速器等，是汽车的整体结构和整车布置更加方便，同时控制起来也更加轻便灵活；
促进我国创造更多属于我们的自主汽车品牌，打破由于其他国家技术封锁造成的我国汽车核心技术的落后情况。
设计方法及思路：本次设计是采用无刷直流轮毂电机作为控制对象，采用速度电流双闭环的控制策略。
设计基础：硬件设计方面拟采用专用的驱动芯片、控制芯片和MOSFET功率管，而软件方面初步计划采用C语言进行编程设计。在系统的动态仿真和分析方面采用MATLAB/Simulink软件。
5.进度安排
1、第1-第3周：查阅有关无刷直流轮毂电机的资料，初步弄清楚无刷直流电机的原理结构和轮毂电机驱动系统的原理，弄清楚基本的设计思路。
2、第4-第6周：仔细学习轮毂电机的相关原理知识和电动汽车驱动控制系统的结构和原理，尤其是控制器的原理和设计方法。
3、第7-第9周：建立数学模型并进行控制系统的整体性能仿真。
4、第10-第12周：进行控制系统的硬件电路学习和设计。
5、第13-第15周：进行软件系统的编程学习和设计。
6、第16-第18周：撰写论文及准备毕业设计答辩。
6.参考文献
[1] 章昊. 轮式驱动电动汽车驱动系统的研究. 浙江大学硕士学位论文, 2007
[2] 陈清泉, 孙立清. 电动车的现状与发展趋势. 科技导报, 2005, 4: 25-28
[3] 胡明一. 国内外电动汽车发展状况. 汽车情报, 2003, 35: 16-23
[4] 葛英辉, 轮式驱动电动车控制系统的研究. 博士论文, 杭州: 浙江大学, 2004
[5] 陈清泉, 孙逢春, 祝嘉光. 现代电动汽车技术. 北京: 北京理工大学出版社, 2002
[6] 陈志鑫, 汪晓健. 我国电动汽车产业化发展策略研究. 上海节能, 2010, 08: 1-6
[7] 秦岭. 基于无刷直流电机的电动汽车驱动控制器的研制. 合肥工业大学硕士学位论文, 2007
[8] Xiao Fang, Zhang Jiqiang, Tu Hailing. Electrie Vehicles-Clean driving that presages the 21st century. Beijing: Metallurgical Industry Press, 2002: 11-22
[9] 王桂姣. 电动汽车轮毂电机驱动系统的运动特性与能量分配. 武汉理工大学硕士学位论文, 2009
[10] 李春生, 双轮独立驱动电动车驱动系统的研究. 杭州: 浙江大学硕士论文, 2003
[11] 张洪欣. 汽车设计. 机械工业出版社. 1999.5
[12] Patterson D, Spee,R. The design and development of an axial flux Permanent magnet brushless DC motorf or wheel drive in a solar powered vehiele,Industry Applications. IEEE Transactions onVolume 31,Issues 5,Sept.-Oct. 1995 : 1054-1061
[13] 余志生. 汽车理论. 机械工业出版社, 1990: 5
[14] 于博, 电动汽车-中国汽车工业的出路.创新科技. 2006,02: 42-43
[15] ChanC.C. An overview of electic vehicle technology. Proceedings of IEEE, Vol.81.1993: 1201-1212
第二篇：智能车控制系统开题报告
毕业设计(论文)开题报告
学生姓名： 学 号：
专 业：□∨自动化
□测控技术与仪器
设计(论文)题目： 智能车控制系统的研制 指导教师：
20xx年 3 月 30 日
开题报告填写要求
1．开题报告（含“文献综述”）作为毕业设计（论文）答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一。此报告应在指导教师指导下，由学生在毕业设计（论文）工作前期内完成，经指导教师签署意见及所在系审查后生效；
2．开题报告内容必须用黑墨水笔工整书写或按教务处统一设计的电子文档标准格式打印，禁止打印在其它纸上后剪贴，完成后应及时交给指导教师签署意见；
3．“文献综述”应按论文的格式成文，并直接书写（或打印）在本开题报告第一栏目内，学生写文献综述的参考文献应不少于10篇（不包括辞典、手册）；
4．有关年月日等日期的填写，应当按照国标GB/T 7408—94《数据元和交换格式、信息交换、日期和时间表示法》规定的要求，一律用阿拉伯数字书写。如“20xx年4月26日”或“2002-04-26”。
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