步进电机在汽车制动元件测试系统中的应用
电机在车辆领域中的应用综述
电机在车辆领域中的应用综述摘要：电机是电动汽车驱动系统的动力元件，本文介绍了车用电动机技术的背景与发展趋势，采用中文和外文的专利数据库收集整理和分析车用电动机的相关专利，如专利申请发展、技术发展状况以及核心专利技术分析等信息，并且梳理了车用电动机技术相关重要领域的发展脉络，分析了车用电动机的专利技术发展。
关键词：车用电机，专利一、概述传统燃油汽车的使用需要消耗大量的石油资源，而全球石油资源短缺，且燃油汽车在行驶过程中会产生大量有害气体，污染环境，损害人类健康，另外石油的使用还会带来温室气体的排放，导致全球气候变暖。
新能源汽车采用车载电源作为动力来源，相对于传统燃油汽车，以电动机代替内燃机，由电动机驱动，具有环保、节能、简单的优点。
中国新能源汽车产业策略为“三纵三横”。
其中“三纵”包括: 纯电动汽车、混合动力汽车、燃料电池汽车，“三横”是: 多能源动力总成系统、驱动电动机及其控制系统、动力电池及其管理系统。
纯电动汽车是指以电池为储能单元，以电动机为驱动系统的汽车；混合动力电动汽车是指同时装备两种动力源即热动力源（传动的汽油机或柴油机）与电动力源（蓄电池与电动机）的汽车；燃料电池电动汽车是指采用燃料电池作为电源的电动汽车[1]。
驱动电动机是电动汽车动力系统的核心部分，对电动汽车的最高时速、加速和爬坡性能等具有直接影响。
二、车用电动机的专利量分析图1申请量趋势分析图图2-1示出了从2003年至2019年期间车用电动机技术领域的专利申请年度趋势，而从2020-2022年的申请量有所减少。
从全球范围数据来看，申请量是逐年呈增长趋势，说明车用电动机在2003年-2009年期间处于高速发展的时期，车用电动机的专利保持快速增长，更是在2019年申请量达到了高点，这也与近年来电动汽车的快速发展和普及相对应，由于电动汽车的快速发展，车用电动机得到的众多研究。
2020 至2022 年专利申请量有所下滑，说明车用电动机的发展处于成熟期，车用电动机的技术从高速的发展进入了较平稳的时期。
电机在汽车中的应用
电机在汽车中的应用
动力系统方面，电动汽车采用电动机作为主要的动力来源。
相较于传统的内燃机，电动机有更高的能量利用效率，减少了能量的浪费，同时排放更少的污染物。
另外，一些混合动力汽车也采用了电机作为辅助动力源，以提高燃油经济性和减少排放。
辅助系统方面，汽车中的许多辅助设备都需要电机来驱动，比如空调压缩机、电动窗户、电动座椅、电动天窗等。
这些设备可以提高驾驶舒适性、便利性和安全性。
控制系统方面，电机还可以用于汽车的控制系统中。
比如，车辆稳定控制系统(VSC)、防抱死制动系统(ABS)、制动力分配系统(EBD)等系统均需要电机来实现控制和调节。
总而言之，电机在汽车中的应用已经成为了汽车技术发展的重要方向。
随着技术的不断发展和创新，电机在汽车中的应用将会越来越广泛，为汽车行业带来更多的发展机遇。
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机电一体化技术在汽车制动系统中的应用
机电一体化技术在汽车制动系统中的应用摘要：进入二十一世纪以来，由于我国社会的高速发展，推动了我国技术水平的不断提升，越来越多的行业在对自身生产技术体系改善和革新过程中，开始应用机电一体化生产技术，尤其是在当前的汽车行业，在进行汽车生产，包括汽车各个动力系统设计过程当中都会应用到机电一体化技术。
而机电一体化技术最主要的应用领域就是应用在汽车的制动系统设计当中，本文将会就机电一体化技术在汽车制动系统中的应用进行分析。
关键词：机电一体化技术；汽车制动系统；应用引言机电一体化技术集计算机与信息技术、自动控制技术、传感检测技术、伺服传动技术、机械技术等为一体，随着科学技术的不断发展，各技术融合的趋势越来越明显，因此机电一体化技术的应用前景非常广阔。
将机电一体化技术应用在汽车制动系统中，能够对汽车内部制动系统进行智能化的操作和控制，从而推动汽车的智能化发展，由此可见研究机电一体化技术在汽车制动系统中的应用具有非常重要的现实意义。
1机电一体化技术在汽车制动系统中的应用优势正如上文分析的，机电一体化技术本身具备一定的智能化特性，所以机电一体化技术在汽车制动系统中的应用优势之一就是能够使汽车的制动系统具备灵敏性，汽车制动系统具备灵敏性，能够使制动系统的反应速度更快，能够保证汽车在发生任何紧急情况时，第一时间就能够使制动系统发出动作，提高了整个汽车系统的使用安全性。
第二个应用优势就是使系统的维护和系统的设计工作更为简单，今天一体化技术本身带有一定的智能化特性，所以在进行整个控制系统设计过程中，机电一体化设计的汽车制动系统不需要太多的电路线路进行控制，既方便安装也方便检查。
2汽车制动系统中的主要技术近年来，在汽车工业中，一些由传统机械部件完成的功能逐渐被电子元件所取代，推动了汽车性能、功能、效率和节能等多个方面的进一步发展。
汽车制动系统是确保行车安全的关键，近年来随着车辆技术的进步和汽车行驶速度的不断提升，汽车制动系统的重要性越来越明显，如果制动系统存在故障，那么汽车行驶就存在着严重的安全隐患。
浅谈电机在汽车中的应用
浅谈电机在汽车中的应用一．概述汽车是由众多零部件构成的，其中十分重要的一个零部件就是电机，电机在汽车中有着广泛的应用，主要有直流电机和交流电机两种:直流电机又可以分为无刷直流电动机和有刷直流电动机；交流电机有可以分为同步电动机和异步电动机等。
汽车零部件用电机主要位于汽车的发动机、底盘和车身三大部位。
据统计，一般的普通汽车通常有15到28部电机。
下面会介绍一些相关的应用。
二．电机在发动机中的应用2.1在启动系统中的应用汽车发动机启动需要起动电机。
汽车发动机从静止到进入运动的状态，曲轴需要外力的帮助才能转动起来并到达需要的最低转速，汽车发动机才能启动。
汽车马达起动机的作用是启动发动机,启动机上的齿轮工作时和发动机曲轴相连的飞轮咬合,驱动飞轮,带动发动机。
传统的汽车起动电机采用的是电磁式直流串励电机，随着钕铁硼稀土永磁材料的应用，便产生了高性能的稀土磁式直流电动机。
它有着结构简单，效率高，起动转矩大，起动平稳等优点。
2.2在电控燃油喷射控制系统中的应用早期的发动机采用化油器和分电器的形式，有污染严重和燃油经济性差的两大缺点。
现代汽车发动机电子控制燃油喷射系统EFI（Electronic Fuel Injection）简称电控燃油喷射系统，它的主要功能是控制汽油喷射、电子点火、怠速、排放、进气增压、发电机负荷、巡航、警告指示、自我诊断与报警、安全保险、备用功能。
在供油系统中，电机和泵设计成为一体，即燃油泵为供油系统提供动力。
在怠速控制器中，旋转式四相永磁步进电机用于调整节气阀的位置。
2.3汽车中发电机的应用发电机是汽车的主要电源，其功用是在发动机正常运转时，向所有用电设备供电，同时给蓄电池充电。
以前的汽车发电机是直流发电机，用换向器整流，从20世纪70年代起已经逐步淘汰，现在的汽车发电机大都是交流发电机，用半导体整流。
它具有体积小，功率大，寿命长，故障少和低速充电性能好的优点。
由于发电机输出电压会随发动机转速增高而升高，故要用电压调节器进行调节，使之符合使用需要。
电机驱动技术在汽车动力系统中的应用
电机驱动技术在汽车动力系统中的应用第一章：引言随着现代汽车工业的不断发展，汽车动力系统也在不断演变，以满足人们日益增长的需求。
而电机驱动技术则在汽车动力系统的发展过程中扮演了越来越重要的角色。
本文将从电机驱动技术的基本原理入手，详细探讨电机驱动技术在汽车动力系统中的应用。
第二章：电机驱动技术基本原理电机驱动技术是指将电能转化为机械能，从而实现对物体的驱动。
常见的电机驱动技术包括直流电机驱动、交流电机驱动、步进电机驱动等。
其中，直流电机驱动是最为常见的电机驱动技术之一。
直流电机驱动是通过将直流电源施加到电机上，使电机转动。
在电机内部，通过电势差和磁场的互作用，产生了转矩，从而驱动机械运动。
由于直流电机转矩与励磁电流成正比，因此可以通过调整电源的电压来改变电机的转矩。
第三章：电机驱动技术在汽车动力系统中的应用电机驱动技术在汽车动力系统中的应用范围非常广泛。
下面将针对不同类型的电机驱动技术进行详细介绍。
1、混合动力汽车中的电机驱动技术混合动力汽车是指利用两种不同类型的动力源（如内燃机和电动机）来驱动汽车行驶的车辆。
其中，电动机系统则是核心部分。
混合动力汽车中的电动机通常采用的是交流电机或者永磁同步电机。
电动机通过内部的变频器将直流电转换成交流电，在控制系统的指导下，快速转向驱动轮胎，从而实现汽车的动力驱动。
在混合动力汽车中，电动机还具备回收能量的功能。
当汽车行驶下坡或者刹车时，电动机的转动方向逆转，这时电动机就会成为发电机将车辆的动能转化为电能，再将其储存起来以备使用。
2、纯电动汽车中的电机驱动技术纯电动汽车是指完全依靠电动机来驱动汽车行驶的车辆。
纯电动汽车中最常见的电机驱动技术是永磁同步电机。
纯电动汽车中的电动机采用的是电动机控制算法。
控制算法可以根据车速和踏板位置等信息来控制电机的转速和转矩。
当车速变化时，控制算法调整电机的转速以达到最佳效果。
当车辆启动或者加速时，电机提供高扭矩以迅速行驶。
在行驶过程中，控制算法能够平稳地控制电机的转速，以达到高效的能耗利用率。
步进电机在智能小车中的应用
校园电子在第五、六届全国大学生电子设计竞赛中，均出现了智能小车这种集光、机、电于一体的题目。
在以往的智能小车制作中大多采用Ｈ型桥式电路驱动直流电机，采用ＰＷＭ方式控制。
笔者将步进电机应用于小车的驱动系统，取得了令人满意的效果。
本文具体介绍其硬件、软件设计。
步进电机的特点及小车结构步进电机具有转矩大、惯性小、响应频率高等优点，因此具有瞬间起动与急速停止的优越特性。
与其他驱动元件相比，有明显优点：通常不需要反馈就能对位移或速度进行精确控制；输出的转角或位移精度高，误差不会积累，价格便宜。
并且因为步进电机是根据脉冲个数决定旋转角度的，单片机只需记下脉冲个数就能计算出电机的旋转角度，从而计算出小车的行驶距离，省去了路程检测模块，简化了设计。
笔者利用从淘汰５英寸软驱上拆下的步进角为１．８°、四相步进电机制作小车，利用凌阳ＳＰＣＥ０６１Ａ单片机作为控制核心，动作相当精准，循迹时红外传感器与黑线只留相当小的裕度，小车可以基本沿弧线行走，不再是折线。
小车结构如图１。
用两个步进电机直接驱动两个前轮，作为主动轮；用两个角轮作后轮，作为从动轮。
将它们固定到一块大小合适的实验版上，车架就组装完毕，非常简单。
分别对两个步进电机驱动，靠两个电机的速度差转向。
系统的硬件设计利用凌阳ＳＰＣＥ０６１Ａ单片机ＩＯＢ口来驱动步进电机，要求输出４位稳定而有序的１和０，ＩＯＢ０～ＩＯＢ３的４个引脚通过光耦连接到４个场效应管的栅极，步进电机的４个线圈连接到相应场效应管的漏极，场效应管的源极接地，如图２。
每个线圈从电源中得到适当的直流电压。
由单片机输出０和１的组合代码送到场效应管的栅极，栅极为１时，连接到场效应管上的线圈中有电流流过，栅极为０时，则无电流通过。
在锁存口上的１和０的分布时序产生步进电机４个线圈通电、断电的适当时序，从而产生精确的转动步矩。
ＩＯＢ４～ＩＯＢ７的４个引脚用同样的方式控制另一个电机。
步进电机在智能小车中的应用・东北电力学院 高宝生 程云霞・采用双电源供电。
浅谈步进电机在汽车上的应用
浅谈步进电机在汽车上的应用作者：王庆合来源：《职业·下旬》2010年第06期随着电子技术、计算机技术和汽车工业的发展,步进电机在汽车上应用日益广泛。
一、在怠速控制系统(ISC)中的应用怠速电控阀采用步进电机,它接受电控发动机ECU的指令,对发动机怠速运转的转速进行控制,控制的实质是对发动机怠速时的进气量进行控制。
1.旋转滑阀式怠速电控阀丰田车旋转滑阀式怠速电控阀的结构如图1所示,主要由旋转滑阀和步进电机组成。
旋转滑阀固定在步进电机的转子轴上,在步进电机的驱动下可以在90°范围内转动,通过改变旁通气道截面大小控制怠速转速。
ECU使用占空比脉冲信号控制旋转滑阀。
旋转滑阀内部有两个三极管,在三极管V1基极与占空比信号之间接有反相器,反相器使同一占空比信号输入时三极管V1和三极管V2集电极的输出正好反向。
当线圈L1(逆转线圈)占空比为80%时,线圈L2(顺转线圈)占空比为20%;当线圈L1占空比为40%时,线圈L2占空比为60%;当线圈L1占空比为50%时两线圈的平均通电时间相等,产生的磁场强度相同,阀轴静止不转动;当线圈L1占空比超过50%时,线圈L1的磁场强度大于线圈L2的磁场强度,阀轴逆时针转过一个角度,旁通空气道截面变小,怠速转速下降,线圈L1占空比越大阀轴逆时针转过的角度越大;当线圈L1占空比小于50%时,线圈L1的磁场强度小于线圈L2的磁场强度,阀轴顺时针转过一个角度,旁通空气道截面变大,怠速转速升高,线圈L1占空比越小阀轴顺时针转过的角度越大。
图1旋转滑阀式怠速电控阀2.步进电机式怠速电控阀丰田和三菱公司的步进电机式怠速电控阀结构如图2所示,螺杆端部装有锥芯。
步进电机转动时,螺杆带动锥芯向前或向后移动关小或开大旁通空气道的流通截面,电控发动机ECU通过控制步进电机的转动方向和转动角度(步级)来控制螺杆的移动方向和移动距离,从而达到控制怠速进气量的目的。
图2步进电机式怠速电控阀丰田轿车和Audi A6轿车的步进电机将转子转动一圈分为32步,每步转动11.25°,阀芯没移动一个螺距的距离ECU可分为32份进行控制,因此控制精度是非常高的。
电机在汽车中的应用
电机在汽车中的应用
随着汽车工业的不断发展，电机在汽车中的应用越来越广泛。
电机作为汽车的核心部件之一，不仅可以提供动力，还可以实现各种功能，如制动、转向、空调和音响等。
其中，最常见的电机应用包括发动机、电动机和发电机。
发动机是汽车的主要动力来源，它通过燃烧燃料来产生机械能。
而电动机则是一种将电能转化为机械能的设备，它可以用于驱动汽车的轮胎，例如电动汽车和混合动力汽车。
此外，电机还可以用于实现汽车的制动，如ABS制动系统，它可以通过电机控制刹车片与制动盘的接触力，从而实现更快、更安全的刹车效果。
另外，发电机也是一种重要的汽车电机应用。
它可以将汽车发动机产生的机械能转化为电能，从而为汽车提供电力。
这些电力不仅可以用于启动汽车，还可以为汽车的各种电子设备提供稳定的电源。
总之，电机在汽车中的应用已经成为汽车工业不可或缺的一部分。
未来，随着科技的不断进步和创新，电机在汽车中的应用将会变得更加广泛和普遍。
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1 什么是步进电机
步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。
当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(称为“步距角”)，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。
可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。
步进电机可以作为一种控制用的特种电机，利用其没有积累误差(精度为100%)的特点，广泛应用于各种开环控制。
现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机（VR）、永磁式步进电机（PM）、混合式步进电机（HB）和单相式步进电机等
2 测试系统概述
许多汽车制动元件的检测，例如液压制动系中制动主缸助力器总成的检测，气压制动系中气制动阀的检测，在测试系统中需要用到电机推动滚珠丝杠来模拟在实际汽车制动时踩下制动踏板进行制动的过程，滚珠丝杠推动主缸或者制动阀使其达到汽车制动时所需要的各种工作状态，以便来测试各种性能。
而步进电机由于角位移与输入脉冲严格成正比关系，在其运动过程中没有累计误差，跟随性良好，因此选择步进电机是汽车制动元件测试系统中性能较好的执行元件。
3 系统硬件构成
汽车制动元件测试系统中，因为有气压或者液压的压力要测试，所以电磁阀、压力表、压力传感器等是必不可少的，本文只讨论步进电机作为执行元件在制动元件在测试中的应用，故略去压力测试部分。
系统硬件组成有位移传感器，力传感器，步进电机；控制核心采用工控机和数据采集卡。
1.1系统硬件选型
某气制动阀检测试验台一台，步进电机选用四通电机，型号57BYG250E—SAFRMC 一0152型混合式步进电机，双极恒流、相电流为15A、2相4线、转子齿数为50齿，步
距角0．9°／1．8°；驱动器采用四通电机SH一20806N两相混合式步进电机驱动器；32控机配置为研祥工控机IPC一810A，C1I850以上，QT80G，HY256M以上，52X光驱、USB光电鼠标、10M／100M自适应以太网卡。
数据采集卡选用研祥公司PCL-812PG 采集卡。
位移传感器量程为：（0～60）mm，精度为05％。
输入力传感器量程为2500N，精度为1％。
如图1所示，为控制系统的基本组成。
步进电机正常运行的关键指标是其矩频特性曲线要满足系统的要求。
因此需要对所选的型号为57BYG250E—SAFRMC一0152型混合式步进电机做必要的验证工作。
估算步进电机所需的运行转矩：T=Te+Ta
式中：Te 一负载转矩；Ta一加速转矩。
由于无法计算电机的电磁转矩，因此只能初步计算负载转矩，步进电机需要克服制动元件弹簧力前进，估测得弹簧压缩力约为150N，因此，需要的负载转矩约为：
（1）
式中：F-弹簧压缩力；V一步进电机的前进速度。
估算步进电机需克服起动摩擦、转动惯量等所需的加速转矩，机械部分的转动惯量为：
（2）
式中：G一步进电机机械部分重量；D 一直径。
加速转矩Ta为：
（3）
式中：V a一目标速度；ta一加速时间。
根据式（3）计算结果可知Ta很小，可以忽略。
步进电机最大静转矩,故取最大静转矩
，故取最大静转矩
根据57BYG250E—SAFRMC一0152型混合式步进电机的矩频特性曲线（图略），可以看出该电机满足系统的要求。
1.2系统工作过程
具体的工作过程是，步进电机通过联轴器驱动滚珠丝杠组成加力装置，力传感器安装在丝杠顶杆前端，用于测量步进电机输出力暨“被测试件输入力”的大小，数据经由A ／D转换送工控机处理，工控机控制步进电机的启动、前进、后退、停止，并按测试程序控制前进和后退的速度，同时由位移传感器测量出步进电机的位移量，并将力和位移的相应数据通过显示器表示出来，根据相关行业标准来判断气制动阀的合格与否。
3 主要控制程序
一般采用软件延时的方法来对步进电机的运行速度、步数及方向进行控制，根据计算机所发出脉冲的频率和数量所需的时间来设计一个子程序，该子程序包含一定的指令，设计者通常要对这些指令的执行时间进行严密的计算或者精确的测试，以便确定延时时间是否符合要求，每当子程序结束后，可以执行下面的操作。
采用软件延时方式时，CPU一直被占用，CPU利用率低，这在许多场合是非常不利的。
因此需要重新设计对步进电机的控制程序，这里采用研祥公司生产的PCL-812PG数据采集卡，利用812PG卡中自带可编程计数／定时器8254及其他逻辑电路器件设计一种步进电机控制方式，仅需要几条简单的指令就可以产生具有一定频率和数目的脉冲信号。
可编程的硬件定时器直接对系统时钟脉冲或某一固定频率的时钟脉冲进行计数，计数值则由编程决定当计数到预定的脉冲数时，给出定时时间到的信号，得到所需的延时时间或定时间隔，由于计数的初始值由编程决定，因而在不改动硬件的情况下，只通过程序的变化即可满足不同的定时和计数要求，因此使用很方便。
3.1对步进电机转速的控制
在测试系统中步进电机的转速要由设定值来实现，这个设定值存放在PCL-812PG上的8254芯片的计数值设定位上。
这个值的计算过程如下：
已知条件是电机的步进角为1．8°，控制器选择三十二细分，8254时钟频率是2MHZ，电机带动的丝杆螺距为5ram。
要求速度为￡秒前进s毫米，即s／t（mm／s）。
8254工作在方波发生模式，根据步进电机工作原理可知，每给步进电机一个脉冲，步进电机转动的角度为每个脉冲转动的角度为1．8°，由于步进电机驱动器采用了32细分模式，因此8254每发送32个脉冲步进电机才转过1jBo，步进电机每转一圈所需脉冲为：（360／1．8）32=6400，电机丝杆螺距为5ram，8254时钟频率是2MHz，如设N为分频数（写入8254计数器0的值），故步进电机的速度V应为：
（4）
式中：N一为分频数，即写入8254计数器0的值。
根据式（4）可以推导出：
（5）
式（5）中对8254计数器写入的分频值N只能为正整数，而通过计算得出的分频值N不一定为正整数，因此要对输入8254计数器0的分频值进行四舍五人，故应取：N=｛mund 1562．5×t／s｝在程序中改变N的值的大小，即可改变步进电机的转速。
分别向PCL-812PG基地址Base+0（也就是计数器0寄存器）中先低八位、后高八位写入，程序语句为：
OutPortb（Base+0，N mod 256）；
OutPortb（Base+0，N div 256）；
3.2步进电机的前进、后退、使能控制
PCL一812PG提供16路数字输入通道和16路数字输出通道的数字I／O寄存器。
地址Base+6和Base+7都用于数字输入，地址Base+13和Base+14用于数字输出通道。
在测试系统中，使用地址Base+13数字I／O寄存器，寄存器八位二进制意义，如图2所示。
D0位：脉冲信号输入线路选择，1为CW输入，0为CWW输入；
D1位：步进电机使能状态控制，0为FREE位（步进电机轴悬浮状态），1为使能状
态；
D2位：方向控制，1为顺时针（前进），0为逆时针（后退）；
D3位：Gate位，1为方波输出，0为低电平输出；
步进电机前进寄存器写入的二进制数，如图3所示。
程序语句为：OutPortb（Base+13，$0E）；步进电机后退寄存器写入的二进制数，如图4所示。
程序语句为：OutPortb（Base+13，$0A）；
步进电机悬浮寄存器写入的二进制数，如图5所示。
程序语句为：OutPoflb（Base+13，$08）。
4 结束语
随着科技发展，计算机硬件成本越来越低，其通用性和使用简便性得到很大提高，所以以计算机为核心的自动控制技术，越来越广泛的应用于工业控制的各个领域。
步进电机是一种常用的动力驱动设备，工控机对其具有良好的控制能力。
该系统已实践运用，操作简单、方便，运行稳定可靠，自动化程度高，效果良好。
在本论文的写作中，我也参照了大量的著作和文章，许多学者的科研成果及写作思路给我很大启发，在此向这些学者们表示由衷的感谢。
感谢我的老师、同学、朋友对我的大力支持，他们的无私奉献、关爱和支持使我能够继续去追求自己的人生理想和目标。
感谢所有关心、帮助和支持我的人。
但由于才疏学浅，本文疏漏之处在所难免，还望老师批评指正。
参考文献
[1]查宏民，同祥安，曹玉平．真空助力器一制动主缸总成测试装置．机床液压，2005（1）：75—76
[2]张明．步进电机的基本原理．科教信息，2007（9）
[3]詹跃东．电机及拖动基础．重庆：重庆大学出版社，2006。