汽車電子產(chǎn)品設(shè)計的CAE平臺

當(dāng)代汽車電子產(chǎn)品的開發(fā)與設(shè)計在加速開發(fā)過程、降低開發(fā)成本、提高產(chǎn)品質(zhì)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(fā)動機的油氣控制和點火系統(tǒng)為例，說明Ansoft的EM工具在汽車電子與控制系統(tǒng)設(shè)計等諸多方面的應(yīng)用，為中國汽車電子設(shè)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(chǎn)品的要求與期望的不斷增加。例如，對汽車安全系統(tǒng)的更高要求就產(chǎn)生了防抱死剎車(ABS)、軌道控制系統(tǒng)、防滑出、防翻滾及其側(cè)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(fā)動機系統(tǒng)(Direct Injection)、隨換多缸系統(tǒng)(Displacement On Demand)、電子閥控系統(tǒng)(Electronic Valving)以及混合動力型汽車(Hybrid Vehicle)。這些不斷增加的電子系統(tǒng)使汽車系統(tǒng)變得更為復(fù)雜，也使得這些系統(tǒng)的開發(fā)、設(shè)計過程變得更具有挑戰(zhàn)性。

對日趨復(fù)雜的汽車部件及電子系統(tǒng)，傳統(tǒng)的控制方法已顯得力不從心。例如，傳統(tǒng)發(fā)動機點火時序控制都是基于表格查找方法。這種方法對現(xiàn)代發(fā)動機來說有很多局限性，一是表格法不能將發(fā)動機的動態(tài)特征考慮進來；二是現(xiàn)代發(fā)動機需要控制的狀態(tài)從以前的幾百個到現(xiàn)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(xù)提高發(fā)電機的性能。隨之而來，一種代替這種方法的現(xiàn)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(fā)動機的復(fù)雜程度而變，但需要一個較準確的發(fā)動機的動態(tài)模型。另外，汽車電子器件與系統(tǒng)的開發(fā)方式和過程也必須加快速度、降低成本、增加質(zhì)量才能滿足廠家的管理目標(biāo)。傳統(tǒng)的硬件研制、測試、再研制、再測試的重復(fù)模式就顯得費時、費力，成本也會相應(yīng)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(fā)過程，降低研發(fā)成本，提高產(chǎn)品質(zhì)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(chǎn)品設(shè)計、分析工作，只是在最后一步才進行實際硬件實施。

圖1：發(fā)動機的油氣控制系統(tǒng)設(shè)計實例。

無刷電機代替有刷電機油泵的設(shè)計實例

我們以發(fā)動機的油氣控制系統(tǒng)為例來說明設(shè)計過程。如圖1所示。首先，一個廠家決定用無刷電機來代替?zhèn)鹘y(tǒng)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(nèi)的13種電機和發(fā)電機模式。用戶只需要輸入與電機有關(guān)的設(shè)計參數(shù)，例如輸入電壓、功率、極數(shù)、永磁鐵類型等，RMxprt就可以自動設(shè)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(tài)(例如空載和全載)的性能參數(shù)，例如力矩、轉(zhuǎn)速和效率等。

如果用戶想對以上設(shè)計的基本電機進行更進一步的分析與優(yōu)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(shè)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(guān)的靜態(tài)或動態(tài)的性能分析。例如，用戶可以分析一個電機內(nèi)的磁場強度的分布來確定定子槽距的間隙，或者調(diào)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(tài)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(tǒng)分析與設(shè)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(shè)計完成后，其準確的仿真模型可直接應(yīng)用于線路仿真系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(dāng)整個系統(tǒng)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(qū)動控制電路的設(shè)計和分析首先得到完成，這包括用固體開關(guān)元件和PWM的控制方法對電機進行調(diào)速控制。

電路以外的系統(tǒng)設(shè)計實例

此外，Simplorer還可用于電路以外的系統(tǒng)設(shè)計。在下面的油路控制示意圖(圖2)中，由上面設(shè)計的電機來驅(qū)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(guān)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(shè)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(tǒng)模型就完成了，油路的壓力及流量的動態(tài)特性就可以用仿真進行分析和調(diào)試。

圖2：油路控制示意圖。

與此類似的是燃氣控制系統(tǒng)，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(tǒng)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(dǎo)線、保險絲、點火器、發(fā)動機和變速箱等等。這樣，汽車電子設(shè)計工程師可以很快地建立起所設(shè)計的系統(tǒng)模型。在油路和氣路控制完成后，就可以進行點火系統(tǒng)的設(shè)計。在點火系統(tǒng)中，直接安插在點火器的點火線圈(ignition coil)的設(shè)計也是用FEA的方法設(shè)計出最優(yōu)的電磁特性。通過電子控制的方式將電能轉(zhuǎn)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(xù)時間長短)對發(fā)動機點火過程和運行性能有很大影響，所以用CAE設(shè)計出的一個性能良好的點火系統(tǒng)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(jié)果與仿真結(jié)果非常吻合。

本文小結(jié)

美國Ansoft公司EM工具是包括北美、歐洲及日本在內(nèi)的汽車電子行業(yè)內(nèi)的一種主流CAE產(chǎn)品，它的產(chǎn)品用于機電系統(tǒng)的仿真、分析、設(shè)計與優(yōu)化。EM工具包括：專用元部件設(shè)計軟件RMxprt和Pexprt；通用電磁系統(tǒng)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(chǎn)品有機地組合在一起形成一個流暢、高效的設(shè)計平臺。以上實例說明，利用先進的設(shè)計仿真軟件，像發(fā)動機油氣點火系統(tǒng)這樣復(fù)雜的過程也可以在設(shè)計出實物之前進行精確的性能分析。

Ansoft 的EM工具在汽車設(shè)計的其它方面也得到了廣泛的應(yīng)用，在下列汽車電子系統(tǒng)中，EM工具用來設(shè)計和分析傳感器、驅(qū)動器、通訊和控制系統(tǒng)，它們包括：

動力系統(tǒng)：包括油氣控制、點火系統(tǒng)、電水泵、電壓縮機和電控閥門系統(tǒng)等。

變速系統(tǒng)：包括電控液壓系統(tǒng)和舒適換速等。

底盤及懸掛系統(tǒng)：包括半積極和全積極懸掛系統(tǒng)。

軌道控制系統(tǒng)：包括ABS、電助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(EPS)、輪胎壓力管理系統(tǒng)(TPM)等。

車身電子：包括儀表盤系統(tǒng)、線束設(shè)計、照明和通訊等。

安全保護系統(tǒng)：包括側(cè)面氣囊傳感和引爆系統(tǒng)以及防翻滾系統(tǒng)等。

舒適方便設(shè)置：包括用于車椅、車門、雨刷、空調(diào)等等的小電機。