汽車電子產品設計的CAE平臺

分類：技術教程日期：2007-02-06 00:00:00

當代汽車電子產品的開發與設計在加速開發過程、降低開發成本、提高產品質量等方面廣泛地受益于計算機輔助工程軟件(CAE)。本文以某發動機的油氣控制和點火系統為例，說明Ansoft的EM工具在汽車電子與控制系統設計等諸多方面的應用，為中國汽車電子設計工程師提供新的選擇。
汽車中電子成分的不斷增多是因為市場對汽車產品的要求與期望的不斷增加。例如，對汽車安全系統的更高要求就產生了防抱死剎車(ABS)、軌道控制系統、防滑出、防翻滾及其側面氣囊保護等措施。對更高燃油效率的要求又引入了直噴發動機系統(Direct Injection)、隨換多缸系統(Displacement On Demand)、電子閥控系統(Electronic Valving)以及混合動力型汽車(Hybrid Vehicle)。這些不斷增加的電子系統使汽車系統變得更為復雜，也使得這些系統的開發、設計過程變得更具有挑戰性。
對日趨復雜的汽車部件及電子系統，傳統的控制方法已顯得力不從心。例如，傳統發動機點火時序控制都是基于表格查找方法。這種方法對現代發動機來說有很多局限性，一是表格法不能將發動機的動態特征考慮進來；二是現代發動機需要控制的狀態從以前的幾百個到現在的上萬個，這樣，用表格查找的方法就很難實施，也無法再繼續提高發電機的性能。隨之而來，一種代替這種方法的現代控制是基本模型的控制方法(。這種方法的實施過程不太隨發動機的復雜程度而變，但需要一個較準確的發動機的動態模型。另外，汽車電子器件與系統的開發方式和過程也必須加快速度、降低成本、增加質量才能滿足廠家的管理目標。傳統的硬件研制、測試、再研制、再測試的重復模式就顯得費時、費力，成本也會相應增加。
在這樣的背景下，越來越多的汽車電子廠家利用計算機輔助工程軟件來加速研發過程，降低研發成本，提高產品質量。具體做法是：廠家在計算機的虛擬平臺上來完成盡可能多(可高達80%到90%的工作量)的產品設計、分析工作，只是在最后一步才進行實際硬件實施。

無刷電機代替有刷電機油泵的設計實例
我們以發動機的油氣控制系統為例來說明設計過程。如圖1所示。首先，一個廠家決定用無刷電機來代替傳統的有刷電機油泵。它可以從RMxprt軟件開始，該軟件中有包含無刷電機在內的13種電機和發電機模式。用戶只需要輸入與電機有關的設計參數，例如輸入電壓、功率、極數、永磁鐵類型等，RMxprt就可以自動設計出一個基本的無刷電機，并計算出該電機在不同運營狀態(例如空載和全載)的性能參數，例如力矩、轉速和效率等。
如果用戶想對以上設計的基本電機進行更進一步的分析與優化，他可以選用全功能的FEA軟件。Maxwell是一套通用的用于電磁分析的FEA軟件。它可以對任意的兩維或三維的實體設計，其中每一物體可以有不同的包括非線性的電磁特性，進行與電磁場有關的靜態或動態的性能分析。例如，用戶可以分析一個電機內的磁場強度的分布來確定定子槽距的間隙，或者調整空氣間隙來確定力矩的大小。同時Maxwell一個很重要的功能就是動態的損耗計算，包括由渦流和滯回引起的鐵芯損耗。由于Maxwell軟件的通用性，它可以用于除電機外任何包括電磁原理的系統分析與設計，例如可變磁阻的速度傳感器、電磁線圈(Solenoid)、電抗器以及變壓器等。
電機設計完成后，其準確的仿真模型可直接應用于線路仿真系統軟件Simplorer中。這種從FEA模型直接生成線路模型的過程省去了很多對物理系統建模的繁雜過程。Simplorer是一個以電路為核心并具有包括機械、液壓、熱能等多物理域的仿真系統軟件。與許多其他線路仿真軟件不同的是，Simplorer線路中所用的元件都是基于物理原理的模型，而不是行為模型。這樣，當整個系統模型建成后，其行為由每個元件的物理特性所決定。在線路仿真中，電機驅動控制電路的設計和分析首先得到完成，這包括用固體開關元件和PWM的控制方法對電機進行調速控制。
電路以外的系統設計實例
此外，Simplorer還可用于電路以外的系統設計。在下面的油路控制示意圖(圖2)中，由上面設計的電機來驅動油泵。燃油通過油泵過濾器，油壓控制閥進入電控噴頭。電噴頭的開關與時間的長短由電磁閥來控制，閥中所用的電磁線圈也是由FEA的精確設計而來，電磁線圈的上端接電控部分，下端接電噴的滑體與頂針。這樣整個油路的控制的系統模型就完成了，油路的壓力及流量的動態特性就可以用仿真進行分析和調試。

與此類似的是燃氣控制系統，其中所有元部件模型均來自Simplorer軟件所隨帶的汽車和液壓系統模型庫，這些模型庫包含了許多汽車中用到的基本元部件，例如導線、保險絲、點火器、發動機和變速箱等等。這樣，汽車電子設計工程師可以很快地建立起所設計的系統模型。在油路和氣路控制完成后，就可以進行點火系統的設計。在點火系統中，直接安插在點火器的點火線圈(ignition coil)的設計也是用FEA的方法設計出最優的電磁特性。通過電子控制的方式將電能轉換成點火器所需要的高壓電弧，因為電弧特性(電壓高低、電弧延續時間長短)對發動機點火過程和運行性能有很大影響，所以用CAE設計出的一個性能良好的點火系統很有意義。由計算機仿真出來的點火器上的電壓和電流波形圖與其后的實際測試結果與仿真結果非常吻合。
本文小結
美國Ansoft公司EM工具是包括北美、歐洲及日本在內的汽車電子行業內的一種主流CAE產品，它的產品用于機電系統的仿真、分析、設計與優化。EM工具包括：專用元部件設計軟件RMxprt和Pexprt；通用電磁系統的有限元分析軟件(FEA) Maxwell；通用的多物理域仿真軟件Simplorer組成。這些產品有機地組合在一起形成一個流暢、高效的設計平臺。以上實例說明，利用先進的設計仿真軟件，像發動機油氣點火系統這樣復雜的過程也可以在設計出實物之前進行精確的性能分析。
Ansoft 的EM工具在汽車設計的其它方面也得到了廣泛的應用，在下列汽車電子系統中，EM工具用來設計和分析傳感器、驅動器、通訊和控制系統，它們包括：
動力系統：包括油氣控制、點火系統、電水泵、電壓縮機和電控閥門系統等。
變速系統：包括電控液壓系統和舒適換速等。
底盤及懸掛系統：包括半積極和全積極懸掛系統。
軌道控制系統：包括ABS、電助力轉向系統(EPS)、輪胎壓力管理系統(TPM)等。
車身電子：包括儀表盤系統、線束設計、照明和通訊等。
安全保護系統：包括側面氣囊傳感和引爆系統以及防翻滾系統等。
舒適方便設置：包括用于車椅、車門、雨刷、空調等等的小電機。