汽車(chē)電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)的CAE平臺(tái)

當(dāng)代汽車(chē)電子產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)在加速開(kāi)發(fā)過(guò)程、降低開(kāi)發(fā)成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量等方面廣泛地受益于計(jì)算機(jī)輔助工程軟件(CAE)。本文以某發(fā)動(dòng)機(jī)的油氣控制和點(diǎn)火系統(tǒng)為例，說(shuō)明Ansoft的EM工具在汽車(chē)電子與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)等諸多方面的應(yīng)用，為中國(guó)汽車(chē)電子設(shè)計(jì)工程師提供新的選擇。

汽車(chē)中電子成分的不斷增多是因?yàn)槭袌?chǎng)對(duì)汽車(chē)產(chǎn)品的要求與期望的不斷增加。例如，對(duì)汽車(chē)安全系統(tǒng)的更高要求就產(chǎn)生了防抱死剎車(chē)(ABS)、軌道控制系統(tǒng)、防滑出、防翻滾及其側(cè)面氣囊保護(hù)等措施。對(duì)更高燃油效率的要求又引入了直噴發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)力型汽車(chē)(Hybrid Vehicle)。這些不斷增加的電子系統(tǒng)使汽車(chē)系統(tǒng)變得更為復(fù)雜，也使得這些系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)、設(shè)計(jì)過(guò)程變得更具有挑戰(zhàn)性。

對(duì)日趨復(fù)雜的汽車(chē)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(dòng)機(jī)點(diǎn)火時(shí)序控制都是基于表格查找方法。這種方法對(duì)現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)有很多局限性，一是表格法不能將發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)特征考慮進(jìn)來(lái)；二是現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)需要控制的狀態(tài)從以前的幾百個(gè)到現(xiàn)在的上萬(wàn)個(gè)，這樣，用表格查找的方法就很難實(shí)施，也無(wú)法再繼續(xù)提高發(fā)電機(jī)的性能。隨之而來(lái)，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(shí)施過(guò)程不太隨發(fā)動(dòng)機(jī)的復(fù)雜程度而變，但需要一個(gè)較準(zhǔn)確的發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)模型。另外，汽車(chē)電子器件與系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)方式和過(guò)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(cè)試、再研制、再測(cè)試的重復(fù)模式就顯得費(fèi)時(shí)、費(fèi)力，成本也會(huì)相應(yīng)增加。

在這樣的背景下，越來(lái)越多的汽車(chē)電子廠家利用計(jì)算機(jī)輔助工程軟件來(lái)加速研發(fā)過(guò)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(jì)算機(jī)的虛擬平臺(tái)上來(lái)完成盡可能多(可高達(dá)80%到90%的工作量)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)、分析工作，只是在最后一步才進(jìn)行實(shí)際硬件實(shí)施。

圖1：發(fā)動(dòng)機(jī)的油氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例。

無(wú)刷電機(jī)代替有刷電機(jī)油泵的設(shè)計(jì)實(shí)例

我們以發(fā)動(dòng)機(jī)的油氣控制系統(tǒng)為例來(lái)說(shuō)明設(shè)計(jì)過(guò)程。如圖1所示。首先，一個(gè)廠家決定用無(wú)刷電機(jī)來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的有刷電機(jī)油泵。它可以從RMxprt軟件開(kāi)始，該軟件中有包含無(wú)刷電機(jī)在內(nèi)的13種電機(jī)和發(fā)電機(jī)模式。用戶只需要輸入與電機(jī)有關(guān)的設(shè)計(jì)參數(shù)，例如輸入電壓、功率、極數(shù)、永磁鐵類(lèi)型等，RMxprt就可以自動(dòng)設(shè)計(jì)出一個(gè)基本的無(wú)刷電機(jī)，并計(jì)算出該電機(jī)在不同運(yùn)營(yíng)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(duì)以上設(shè)計(jì)的基本電機(jī)進(jìn)行更進(jìn)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(duì)任意的兩維或三維的實(shí)體設(shè)計(jì)，其中每一物體可以有不同的包括非線性的電磁特性，進(jìn)行與電磁場(chǎng)有關(guān)的靜態(tài)或動(dòng)態(tài)的性能分析。例如，用戶可以分析一個(gè)電機(jī)內(nèi)的磁場(chǎng)強(qiáng)度的分布來(lái)確定定子槽距的間隙，或者調(diào)整空氣間隙來(lái)確定力矩的大小。同時(shí)Maxwell一個(gè)很重要的功能就是動(dòng)態(tài)的損耗計(jì)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(jī)外任何包括電磁原理的系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)，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(jī)設(shè)計(jì)完成后，其準(zhǔn)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(guò)程省去了很多對(duì)物理系統(tǒng)建模的繁雜過(guò)程。Simplorer是一個(gè)以電路為核心并具有包括機(jī)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(gè)系統(tǒng)模型建成后，其行為由每個(gè)元件的物理特性所決定。在線路仿真中，電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路的設(shè)計(jì)和分析首先得到完成，這包括用固體開(kāi)關(guān)元件和PWM的控制方法對(duì)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制。

電路以外的系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例

此外，Simplorer還可用于電路以外的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。在下面的油路控制示意圖(圖2)中，由上面設(shè)計(jì)的電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)油泵。燃油通過(guò)油泵過(guò)濾器，油壓控制閥進(jìn)入電控噴頭。電噴頭的開(kāi)關(guān)與時(shí)間的長(zhǎng)短由電磁閥來(lái)控制，閥中所用的電磁線圈也是由FEA的精確設(shè)計(jì)而來(lái)，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(gè)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(dòng)態(tài)特性就可以用仿真進(jìn)行分析和調(diào)試。

圖2：油路控制示意圖。

與此類(lèi)似的是燃?xì)饪刂葡到y(tǒng)，其中所有元部件模型均來(lái)自Simplorer軟件所隨帶的汽車(chē)和液壓系統(tǒng)模型庫(kù)，這些模型庫(kù)包含了許多汽車(chē)中用到的基本元部件，例如導(dǎo)線、保險(xiǎn)絲、點(diǎn)火器、發(fā)動(dòng)機(jī)和變速箱等等。這樣，汽車(chē)電子設(shè)計(jì)工程師可以很快地建立起所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)模型。在油路和氣路控制完成后，就可以進(jìn)行點(diǎn)火系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。在點(diǎn)火系統(tǒng)中，直接安插在點(diǎn)火器的點(diǎn)火線圈(ignition coil)的設(shè)計(jì)也是用FEA的方法設(shè)計(jì)出最優(yōu)的電磁特性。通過(guò)電子控制的方式將電能轉(zhuǎn)換成點(diǎn)火器所需要的高壓電弧，因?yàn)殡娀√匦?電壓高低、電弧延續(xù)時(shí)間長(zhǎng)短)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火過(guò)程和運(yùn)行性能有很大影響，所以用CAE設(shè)計(jì)出的一個(gè)性能良好的點(diǎn)火系統(tǒng)很有意義。由計(jì)算機(jī)仿真出來(lái)的點(diǎn)火器上的電壓和電流波形圖與其后的實(shí)際測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果非常吻合。

本文小結(jié)

美國(guó)Ansoft公司EM工具是包括北美、歐洲及日本在內(nèi)的汽車(chē)電子行業(yè)內(nèi)的一種主流CAE產(chǎn)品，它的產(chǎn)品用于機(jī)電系統(tǒng)的仿真、分析、設(shè)計(jì)與優(yōu)化。EM工具包括：專(zhuān)用元部件設(shè)計(jì)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(jī)地組合在一起形成一個(gè)流暢、高效的設(shè)計(jì)平臺(tái)。以上實(shí)例說(shuō)明，利用先進(jìn)的設(shè)計(jì)仿真軟件，像發(fā)動(dòng)機(jī)油氣點(diǎn)火系統(tǒng)這樣復(fù)雜的過(guò)程也可以在設(shè)計(jì)出實(shí)物之前進(jìn)行精確的性能分析。

Ansoft 的EM工具在汽車(chē)設(shè)計(jì)的其它方面也得到了廣泛的應(yīng)用，在下列汽車(chē)電子系統(tǒng)中，EM工具用來(lái)設(shè)計(jì)和分析傳感器、驅(qū)動(dòng)器、通訊和控制系統(tǒng)，它們包括：

動(dòng)力系統(tǒng)：包括油氣控制、點(diǎn)火系統(tǒng)、電水泵、電壓縮機(jī)和電控閥門(mén)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(pán)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(chē)身電子：包括儀表盤(pán)系統(tǒng)、線束設(shè)計(jì)、照明和通訊等。

安全保護(hù)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(chē)椅、車(chē)門(mén)、雨刷、空調(diào)等等的小電機(jī)。