運動控制引領(lǐng)汽車發(fā)展新方向

　　快速發(fā)展的電動汽車(EV)和混合動力汽車(HEV)行業(yè)正在發(fā)生翻天覆地的變化。雖然這些汽車的銷售情況仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于燃油汽車，但汽車制造商從他們的努力中已經(jīng)學(xué)到了許多。因此，汽車設(shè)計人員不能僅滿足于為工業(yè)應(yīng)用開發(fā)的運動控制元件。

　　汽車制造商正在行使他們的綜合購買力使新產(chǎn)品更符合他們的需求，與此同時，用于電子推進系統(tǒng)的功率電子元件、微控制器、系統(tǒng)設(shè)計和開發(fā)工具等方面也發(fā)生著巨大變化。

電動汽車的發(fā)展

　　電動機提供推進動力，而具有雙功能(電動發(fā)電機)的電動機還可以從各種新型汽車中恢復(fù)能量。除了人們熟知的豐田Prius混合動力產(chǎn)品外，還有多家汽車制造商正在開發(fā)或提供插電式混合動力、輕度混合動力汽車甚至微混合動力(沒有推進力)和純電動汽車(見表)。雖然每家制造商使用的術(shù)語可能稍有不同，但對大多數(shù)汽車制造商來說永磁同步電機(PMSM)是理想的選擇。

　　由于電機或電動機是汽車推進中的運動控制系統(tǒng)的中心部件，所以汽車制造商和供應(yīng)商一直不斷地改進現(xiàn)有設(shè)計，并開發(fā)新的替代產(chǎn)品。從目前汽車發(fā)展趨勢看，至少兩條路可走，一條是采用全新的電機設(shè)計，另一條是使用人們更加熟悉的方法。

　　就熟悉的方法而言，由于作為實現(xiàn)高性能永磁電機的關(guān)鍵要素：釹磁鐵的成本在不斷上升，促使汽車制造商和他們的一級供應(yīng)商對交流電機設(shè)計特別是感應(yīng)電機設(shè)計進行重新評估。

　　在底特律舉行的2011 SAE大會上，高效率電動機、發(fā)電機和功率電子控制器的開發(fā)商與制造商UQM Technologies公司工程技術(shù)副總裁Jon Lutz介紹了永磁電機的替代方案。

　　由于成本幾乎翻了4倍，再考慮到永磁體電機中使用的釹磁鐵主要產(chǎn)于中國，以前曾被認(rèn)為可用性不高的感應(yīng)與繞線磁場設(shè)計得到了人們越來越多的關(guān)注，Lutz指出。

　　Lutz還認(rèn)為，正在開展的材料研究可以最大限度地減少特定電機標(biāo)準(zhǔn)和替代磁體材料所需的釹含量。包括碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)在內(nèi)的功率半導(dǎo)體技術(shù)的進步有望提高交流電機技術(shù)可實現(xiàn)的性能。

　　Protean Electric公司首席技術(shù)官Andy Watts認(rèn)為，從更加激進的角度看，輪內(nèi)電機(IWM)可顯著改進電動汽車和混合動力汽車性能。該公司的Protean Drive就是用于汽車推進的一款高度集成、三相、永磁直接驅(qū)動解決方案。每個電機都有內(nèi)置的逆變器、控制電路和軟件(圖1)。

圖1：TT electronics公司定制的微型逆變器模塊，可提供Protean公司輪內(nèi)電子驅(qū)動系統(tǒng)中的集成式功率電子電路。

　　Protean Electric公司在福特的F-150電池電動汽車(BEV)中安裝了4個輪內(nèi)電機。每個輪內(nèi)電機大小為18英寸，工作在400V直流電壓，采用了集成逆變器技術(shù)的Protean Drive PD18，在每分鐘1300轉(zhuǎn)時可以提供300Nm以上的扭矩，峰值功率可達84kW，連續(xù)功率為54kW。

仿真電機控制

　　為使新車更早上市，并避免可能影響到生產(chǎn)、進而引起質(zhì)量和可靠性問題的高代價開發(fā)錯誤，仿真工具是每個汽車制造商和許多供應(yīng)商工具箱中的一個有機組成部分。隨著電動汽車和混合動力汽車復(fù)雜性的提高，不管下一代設(shè)計涉及到新電機、新元件還是系統(tǒng)級改進，這些工具都是不可或缺的。

　　Ansys公司于2008年收購了Ansoft公司，因此可以提供新的仿真方法。目前人們對永磁電機的評估興趣仍是有增無減，Ansys公司先進技術(shù)部門技術(shù)總監(jiān)Scott Stanton指出。

　　“我們的客戶正在研究給電器設(shè)備更詳細(xì)建模、然后給系統(tǒng)工程師提供這種詳細(xì)模型的方法?！盨tanton表示。

　　以前的建模技術(shù)依賴于提供電機的電感和電阻等參數(shù)，對今天的仿真而言顯得太過粗略。現(xiàn)在，Ansys工程師與客戶一起使用場解算器來了解機器的性能。

　　“他們使用Ansys電磁場解算器分析問題，表征機器行為，然后根據(jù)結(jié)果創(chuàng)建模型。”Stanton指出。使用新模型可以表征大部分電機特性(圖2)。

圖2：用于電機控制系統(tǒng)的Ansys Simplorer仿真工具包含基于物理的模型，可解決熱、磁、機械、電磁兼容性(EMC)和電磁干擾(EMI)等諸多問題。

　　得到增強的系統(tǒng)分析能力是重新評估交流電機技術(shù)的一個有機組成部分。據(jù)Stanton透露，他有許多客戶正在研究替換永磁電機的可行性。

　　“自從六、七年前向客戶介紹永磁設(shè)計以來，他們就一直在使用永磁設(shè)計?！彼赋觯艾F(xiàn)在他們突然來找我們，并表示，‘我們現(xiàn)在正在解決感應(yīng)電機問題，我們正在解決同步磁阻問題?！?/P>

　　除了比較機器性能外，客戶還使用仿真工具為感應(yīng)機器建立新的控制策略，這要比控制永磁機器困難得多。

　　從Stanton與Ansys客戶合作過程中發(fā)現(xiàn)，功率半導(dǎo)體將繼續(xù)沿著人們熟悉的路徑發(fā)展。“IGBT將在很長時間內(nèi)成為半導(dǎo)體產(chǎn)品的首選。”他表示。不過，采用Ansys方法后，SiC和GaN當(dāng)然會聯(lián)合系統(tǒng)供應(yīng)商一起進行評估，從而判斷這些新技術(shù)可能給混合動力汽車和電動汽車帶來的優(yōu)勢和問題。

　　新思公司(Synopsys)的Saber是一整套物理建模和仿真工具，汽車制造商和一級供應(yīng)商可以使用這些工具對牽引電機控制用功率電子器件進行設(shè)計、驗證和優(yōu)化。“Saber工具可以幫助客戶分析和優(yōu)化獨立或集成進完整系統(tǒng)的單個子系統(tǒng)。”新思Saber產(chǎn)品線業(yè)務(wù)開發(fā)高級經(jīng)理Lee Johnson表示。

　　新思工程師期望SiC和GaN等新器件材料能應(yīng)用于電動汽車和混合動力汽車設(shè)計?！拔覀円呀?jīng)發(fā)布了首批SiC器件型號，可以讓客戶開始理解這些新技術(shù)對他們的電機控制設(shè)計的影響。”Johnson透露。

　　雖然地球稀有磁體的高昂成本不斷鼓勵人們研究其它電機技術(shù)，但Johnson堅持認(rèn)為還必須考慮其它多種成本，包括控制電路的復(fù)雜性、熱和電磁兼容(EMC)行為以及機器可靠性。“Saber仿真工具為客戶評估新的電機類型和控制策略提供了理想的平臺，客戶無需再使用硬件原型和物理測試裝置?！彼硎尽?/P>

　　基于模型的設(shè)計(MBD)和MathWorks工具已被廣泛用于電動汽車和混合動力汽車的牽引電機控制領(lǐng)域，用于生產(chǎn)計劃和快速原型創(chuàng)建。這些系統(tǒng)復(fù)雜性的不斷提高是使用模型設(shè)計的一個重要理由。

　　“我們發(fā)現(xiàn)人們廣泛使用可執(zhí)行模型來捕獲設(shè)計，使用仿真進行設(shè)計折衷，并在實現(xiàn)中使用自動代碼生成功能。”MathWorks公司汽車產(chǎn)業(yè)經(jīng)理Wensi Jin指出。

　　MathWorks公司應(yīng)用工程經(jīng)理Chris Fillyaw相信，SimPowerSystem及其電力驅(qū)動和功率電子元件模型的發(fā)展有助于簡化電動汽車和混合動力汽車的開發(fā)。“針對設(shè)計折衷和控制器驗證而使用庫模塊快速建立電機驅(qū)動的系統(tǒng)級仿真的能力被證實對電機控制器開發(fā)人員來說極具價值。”Fillyaw指出(圖3)。

圖3：SimPowerSystem仿真模型顯示了在電動汽車電機控制系統(tǒng)中的電動機和發(fā)電機中的數(shù)據(jù)流動。

　　系統(tǒng)復(fù)雜性的提高對嵌入式控制器的仿真和執(zhí)行所需的處理能力提出了更高的要求。因此Fillyaw看到電機控制開發(fā)人員對使用ASIC和FPGA越來越有興趣，因為它們可以提供執(zhí)行電機模型硬件在環(huán)(HIL)仿真環(huán)境中實現(xiàn)實時控制器測試所需的處理帶寬。

　　“可以使用Simulink HDL編碼器從模型中產(chǎn)生硬件描述語言(HDL)代碼，而這些模型可以使用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)工具進行仿真和綜合，然后在FPGA和ASIC上實現(xiàn)?！盕illyaw指出。

電動汽車電機所需的運算能力

　　最初電動汽車和混合動力汽車中的電機控制依賴于專業(yè)技術(shù)以及大多數(shù)情況下傳統(tǒng)汽車MCU供應(yīng)商提供的產(chǎn)品。例如，作為領(lǐng)先的汽車MCU供應(yīng)商，瑞薩公司(Renesas)多年來一直致力于電動汽車和混合動力汽車的研發(fā)，目前正在研發(fā)適合下一代系統(tǒng)使用的新型設(shè)計。

　　瑞薩公司業(yè)務(wù)發(fā)展總監(jiān)Amrit Vivekanand已經(jīng)看到從第一代設(shè)計到第二代設(shè)計的顯著變化。“在第一代設(shè)計中，汽車制造商對成本不是那么在意。”Vivekanand表示。

　　雖然成本一直是個問題，但出貨數(shù)量可能很少，因此上市時間和創(chuàng)建環(huán)保形象更加重要。這些系統(tǒng)“并沒有針對電機控制或混合動力汽車”應(yīng)用進行過優(yōu)化，Vivekanand指出。

　　對于2016至2018這一時期的產(chǎn)品來說，重點將真正轉(zhuǎn)向更加大眾化的產(chǎn)品。這將使汽車制造商不禁要問上幾個與系統(tǒng)有關(guān)的問題。“如何降低成本？如何提高效率？如何減小電池尺寸？”Vivekanand問道，“如何盡可能高效地轉(zhuǎn)換能量？”

　　Vivekanand提示在第一代設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和第二代設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)之間策略有明顯改變?！暗谝淮O(shè)計是全力保證安全地控制電機，這是設(shè)計師們的主要考慮因素，但現(xiàn)在首要因素變成了效率問題?！彼赋觥，F(xiàn)在，為了管理能量轉(zhuǎn)換效率和處理系統(tǒng)折衷，電機控制不得不做得特別復(fù)雜。

　　飛思卡爾半導(dǎo)體(Freescale)可以向一級廠商和OEM的電機控制電路設(shè)計提供微控制器技術(shù)?！澳壳盀橹梗w思卡爾和市場上的大多數(shù)公司一直在重復(fù)利用為底盤控制和傳動系等其它應(yīng)用設(shè)計的微控制器。”飛思卡爾半導(dǎo)體微控制器部門業(yè)務(wù)經(jīng)理Steven Rober透露。未來，飛思卡爾計劃采用更加完整的系統(tǒng)方法。