運(yùn)動(dòng)控制將汽車(chē)發(fā)展推往新方向(上)

　　汽車(chē)行業(yè)中，發(fā)展迅猛的電動(dòng)汽車(chē)與混合動(dòng)力汽車(chē)正在經(jīng)歷很大的變化。盡管從銷(xiāo)售量來(lái)看，它們還遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于采用燃油的車(chē)型，但汽車(chē)生產(chǎn)商已經(jīng)從中學(xué)到了不少。其中的一點(diǎn)就是，汽車(chē)設(shè)計(jì)師已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足于當(dāng)前為工業(yè)應(yīng)用而開(kāi)發(fā)的的運(yùn)動(dòng)控制元件了。

　　汽車(chē)生產(chǎn)商也在運(yùn)用聯(lián)合購(gòu)買(mǎi)力，使得新產(chǎn)品更貼合自己的需求。與此同時(shí)，電力電子器件、微控制器、系統(tǒng)設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)工具等方面對(duì)電力的使用也在發(fā)生變化。

馬達(dá)的發(fā)展

　　電動(dòng)馬達(dá)提供動(dòng)力，那些雙重功能的馬達(dá)（電動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)）能夠從多種不同類(lèi)別的新車(chē)型上收集能量。除了知名的本田普銳斯混合動(dòng)力車(chē)以外，其它數(shù)家汽車(chē)生產(chǎn)商也已提供或正在開(kāi)發(fā)插電式混合動(dòng)力（plug-in hybrid）、輕度混合動(dòng)力（mild hybrid）甚至微混合動(dòng)力（micro hybrid，無(wú)動(dòng)力）車(chē)型（見(jiàn)表1）。盡管每家廠商所用的術(shù)語(yǔ)略有不同，但永磁同步電機(jī)（PMSM）是絕大多數(shù)廠家的選擇。

　　汽車(chē)推進(jìn)方面，馬達(dá)是運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的核心。汽車(chē)廠商和供應(yīng)商正在持續(xù)改進(jìn)現(xiàn)有的設(shè)計(jì)，同時(shí)開(kāi)發(fā)新的技術(shù)。現(xiàn)在有至少兩種不同的趨勢(shì)。其中一個(gè)和新型馬達(dá)設(shè)計(jì)有關(guān)，另一個(gè)使用了我們更加熟悉的方法。

　　更熟悉的方法是，高性能永磁電機(jī)必須使用的永磁材料成本不斷增加，正在迫使汽車(chē)廠商及其一級(jí)供應(yīng)商重新評(píng)估其他的馬達(dá)替代設(shè)計(jì)，特別是感應(yīng)馬達(dá)。

　　2011年，底特律舉行的SAE大會(huì)上，UQM Technologies公司工程副總裁Jon Lutz探討了永磁電機(jī)的替代品。UQM Technologies開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)高能效比的電動(dòng)馬達(dá)、發(fā)電機(jī)以及電力電子控制器。

　　Lutz說(shuō)，用于永磁電機(jī)的永磁材料主要來(lái)自中國(guó)。由于成本增加四倍，而且經(jīng)常缺貨，之前不太被看好的的感應(yīng)電機(jī)和繞線磁極式電機(jī)現(xiàn)在吸引了更多的關(guān)注。Lutz還指出，目前的材料研究可以將特定級(jí)別的電機(jī)中使用的永磁材料降低至最少，還可以用其他磁體代替。功率半導(dǎo)體的技術(shù)的進(jìn)步，包括碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）器件就是眾多替代電機(jī)技術(shù)中，能夠提升性能的技術(shù)。

　　更激進(jìn)的一種方式是，輪轂電機(jī)將顯著提升電力和混合動(dòng)力汽車(chē)的表現(xiàn)。Protean Electric的首席技術(shù)官Andy Watts表示。Protean Electric的Protean Drive是整合了三相、永磁直驅(qū)的汽車(chē)推進(jìn)解決方案。每個(gè)點(diǎn)擊都有內(nèi)置的逆變器、控制電子和軟件（圖1）。

　　Protean 在一部福特F150電動(dòng)車(chē)?yán)锇惭b了四個(gè)輪內(nèi)馬達(dá)，以400V直流驅(qū)動(dòng)運(yùn)行， Protean Drive PD18內(nèi)置了逆變器技術(shù)，扭矩為300Nm/rpm，峰值功率為84kW，額定功率為54kW。

模擬馬達(dá)控制

　　模擬工具是每個(gè)汽車(chē)廠商和許多零部件供應(yīng)商工具箱的一部分，能夠幫助汽車(chē)更快上市，同時(shí)避免開(kāi)發(fā)錯(cuò)誤對(duì)生產(chǎn)造成影響以及帶來(lái)質(zhì)量和可靠性的問(wèn)題，從而導(dǎo)致?lián)p失。由于電動(dòng)車(chē)和混合動(dòng)力車(chē)的復(fù)雜度不斷攀升，無(wú)論是新馬達(dá)、新部件還是系統(tǒng)級(jí)的改進(jìn)，這些新一代的設(shè)計(jì)都需要模擬工具。

　　Ansys公司在2008年收購(gòu)了Ansoft，所以可以提供新的模擬工具。Ansys的先進(jìn)技術(shù)開(kāi)發(fā)總裁Scott Stanton指出，永磁電機(jī)的關(guān)注度仍在上升。

　　Stanton說(shuō)，“我們有客戶(hù)正在研究電動(dòng)機(jī)如何采用更細(xì)致的建模方式，為系統(tǒng)工程師提供更詳盡的模型。”和基于馬達(dá)參數(shù)的建模技術(shù)相比更重要的是，其電感和電容對(duì)先進(jìn)的建模有很大影響。現(xiàn)在，Ansys的工程師正和客戶(hù)緊密合作，希望能通過(guò)解法器得到馬達(dá)性能的表現(xiàn)。Stanton 說(shuō)，“他們會(huì)用電磁解法器分析問(wèn)題，將電機(jī)的表現(xiàn)特性化，然后創(chuàng)建模型。”新模型的使用對(duì)馬達(dá)特性有主要影響（圖2）。

　　改進(jìn)的系統(tǒng)分析能力是重新評(píng)估新馬達(dá)技術(shù)的一部分。Stanton表示，他有很多客戶(hù)都在研究永磁馬達(dá)的替代品。

　　他說(shuō)“六七年前，當(dāng)我們開(kāi)始和客戶(hù)談的時(shí)候，他們?cè)谑褂糜来篷R達(dá)設(shè)計(jì)，現(xiàn)在突然都找上門(mén)說(shuō)，我們正在解決感應(yīng)馬達(dá)的問(wèn)題和磁阻馬達(dá)的問(wèn)題”。除了對(duì)比馬達(dá)的性能之外，客戶(hù)還通過(guò)模擬工具建立了針對(duì)感應(yīng)馬達(dá)的新的控制策略，這比控制永磁馬達(dá)更難。

　　然而，采用Ansys的方法的同時(shí)，系統(tǒng)廠商也在評(píng)估SiC 和GaN器件，確定這些新技術(shù)能夠?yàn)榛旌蟿?dòng)力汽車(chē)帶來(lái)其優(yōu)勢(shì)和問(wèn)題。

　　Synopsys Saber提供一套物理建模和模擬工具，汽車(chē)廠商和一級(jí)供應(yīng)商可以用這一工具來(lái)設(shè)計(jì)、驗(yàn)證和優(yōu)化牽引馬達(dá)控制中的電力電子器件。Synopsis Saber 產(chǎn)品線的業(yè)務(wù)開(kāi)發(fā)高級(jí)經(jīng)理Lee Johnson說(shuō)，“Saber的工具能夠讓用戶(hù)分析和優(yōu)化在單獨(dú)運(yùn)作或整合進(jìn)完整系統(tǒng)的獨(dú)立子系統(tǒng)。

　　Synopsys工程師也參與了SiC和GaN新材料在電動(dòng)車(chē)和混合動(dòng)力車(chē)設(shè)計(jì)中的重要部分。Johnson說(shuō)，“我們推出了第一款SiC器件模型，讓用戶(hù)開(kāi)始了解這些新技術(shù)對(duì)他們馬達(dá)控制設(shè)計(jì)的影響和沖擊?！?/P>

　　稀土磁體材料的成本不斷上升，間接推動(dòng)了對(duì)于其他馬達(dá)技術(shù)的研究。Johnson 表示其他的成本如用于控制電子的復(fù)雜度、熱度和電磁兼容性表現(xiàn)、電機(jī)的可靠性的成本都必須納入考慮?！癝aber的模擬工具為客戶(hù)提供了評(píng)估新型馬達(dá)和控制策略的平臺(tái)，而硬件原型和物理測(cè)試設(shè)備的開(kāi)銷(xiāo)并沒(méi)有上升，”他說(shuō)。

　　基于模型的設(shè)計(jì)（Model-based deisign）和MathWorks的工具已經(jīng)大量應(yīng)用于電動(dòng)車(chē)和混合動(dòng)力車(chē)的牽引馬達(dá)中，用途包括生產(chǎn)項(xiàng)目和快速建模。這些復(fù)雜度的不斷提升是使用基于模型設(shè)計(jì)的有力因素。

　　MathWorks的汽車(chē)行業(yè)經(jīng)理Wensi Jin 表示，“我們發(fā)現(xiàn)能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)計(jì)的可操作的模型應(yīng)用廣泛，使用模擬工具實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)折衷，使用自動(dòng)代碼生成工具用以具體的實(shí)現(xiàn)?！?/P>

　　MathWorks的應(yīng)用工程經(jīng)理Chris Fillyaw把寶押在不斷發(fā)展的SimPowerSystem上，利用他的電力驅(qū)動(dòng)庫(kù)和電力電子元件模型簡(jiǎn)化電動(dòng)或混合動(dòng)力系統(tǒng)開(kāi)發(fā)。“Fillyaw說(shuō)，利用庫(kù)里的構(gòu)件實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)折衷和控制器驗(yàn)證，從而快速構(gòu)建馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)級(jí)模型的能力，對(duì)于馬達(dá)控制開(kāi)發(fā)者來(lái)說(shuō)非常重要?！保▓D3）

　　不斷增加的系統(tǒng)復(fù)雜性需要更強(qiáng)大的處理能力，以實(shí)現(xiàn)嵌入式控制器的模擬和執(zhí)行。結(jié)果是，F(xiàn)illyaw發(fā)現(xiàn)馬達(dá)控制的開(kāi)發(fā)人員對(duì)ASIC和FPGA的興趣更大了。這些器件能提供足夠的處理帶寬，為處于硬件在環(huán)仿真（HIL）的控制器提供電機(jī)實(shí)時(shí)測(cè)試模型的執(zhí)行。

　　Fillyaw說(shuō)，“Simulink HDL Coder 可用于從模型中生成HDL（硬件描述語(yǔ)言）代碼，可以用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的工具模擬和同步，然后在FPGA和ASIC平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)?！?/P>

電動(dòng)汽車(chē)馬達(dá)的計(jì)算能力

　　最早的電動(dòng)車(chē)和混合動(dòng)力車(chē)的馬達(dá)控制依賴(lài)于專(zhuān)長(zhǎng)，很多時(shí)候這些專(zhuān)長(zhǎng)來(lái)自傳統(tǒng)汽車(chē)MCU廠商。例如，作為領(lǐng)先的汽車(chē)電子MCU廠商，瑞薩在電動(dòng)車(chē)和混合動(dòng)力車(chē)領(lǐng)域投入多年，現(xiàn)在正在開(kāi)發(fā)下一代系統(tǒng)和設(shè)計(jì)導(dǎo)入。