汽車(chē)電子產(chǎn)品設計的CAE平臺

當代汽車(chē)電子產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)與設計在加速開(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算機輔助工程軟件(CAE)。本文以某發(fā)動(dòng)機的油氣控制和點(diǎn)火系統為例，說(shuō)明Ansoft的EM工具在汽車(chē)電子與控制系統設計等諸多方面的應用，為中國汽車(chē)電子設計工程師提供新的選擇。

汽車(chē)中電子成分的不斷增多是因為市場(chǎng)對汽車(chē)產(chǎn)品的要求與期望的不斷增加。例如，對汽車(chē)安全系統的更高要求就產(chǎn)生了防抱死剎車(chē)(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(fā)動(dòng)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(dòng)力型汽車(chē)(Hybrid Vehicle)。這些不斷增加的電子系統使汽車(chē)系統變得更為復雜，也使得這些系統的開(kāi)發(fā)、設計過(guò)程變得更具有挑戰性。

對日趨復雜的汽車(chē)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(fā)動(dòng)機點(diǎn)火時(shí)序控制都是基于表格查找方法。這種方法對現代發(fā)動(dòng)機來(lái)說(shuō)有很多局限性，一是表格法不能將發(fā)動(dòng)機的動(dòng)態(tài)特征考慮進(jìn)來(lái)；二是現代發(fā)動(dòng)機需要控制的狀態(tài)從以前的幾百個(gè)到現在的上萬(wàn)個(gè)，這樣，用表格查找的方法就很難實(shí)施，也無(wú)法再繼續提高發(fā)電機的性能。隨之而來(lái)，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(shí)施過(guò)程不太隨發(fā)動(dòng)機的復雜程度而變，但需要一個(gè)較準確的發(fā)動(dòng)機的動(dòng)態(tài)模型。另外，汽車(chē)電子器件與系統的開(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(mǎn)足廠(chǎng)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(shí)、費力，成本也會(huì )相應增加。

在這樣的背景下，越來(lái)越多的汽車(chē)電子廠(chǎng)家利用計算機輔助工程軟件來(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(chǎng)家在計算機的虛擬平臺上來(lái)完成盡可能多(可高達80%到90%的工作量)的產(chǎn)品設計、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)機的油氣控制系統設計實(shí)例。

無(wú)刷電機代替有刷電機油泵的設計實(shí)例

我們以發(fā)動(dòng)機的油氣控制系統為例來(lái)說(shuō)明設計過(guò)程。如圖1所示。首先，一個(gè)廠(chǎng)家決定用無(wú)刷電機來(lái)代替傳統的有刷電機油泵。它可以從RMxprt軟件開(kāi)始，該軟件中有包含無(wú)刷電機在內的13種電機和發(fā)電機模式。用戶(hù)只需要輸入與電機有關(guān)的設計參數，例如輸入電壓、功率、極數、永磁鐵類(lèi)型等，RMxprt就可以自動(dòng)設計出一個(gè)基本的無(wú)刷電機，并計算出該電機在不同運營(yíng)狀態(tài)(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(hù)想對以上設計的基本電機進(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。它可以對任意的兩維或三維的實(shí)體設計，其中每一物體可以有不同的包括非線(xiàn)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(hù)可以分析一個(gè)電機內的磁場(chǎng)強度的分布來(lái)確定定子槽距的間隙，或者調整空氣間隙來(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(xiàn)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(xiàn)路仿真系統軟件Simplorer中。這種從FEA模型直接生成線(xiàn)路模型的過(guò)程省去了很多對物理系統建模的繁雜過(guò)程。Simplorer是一個(gè)以電路為核心并具有包括機械、液壓、熱能等多物理域的仿真系統軟件。與許多其他線(xiàn)路仿真軟件不同的是，Simplorer線(xiàn)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(gè)系統模型建成后，其行為由每個(gè)元件的物理特性所決定。在線(xiàn)路仿真中，電機驅動(dòng)控制電路的設計和分析首先得到完成，這包括用固體開(kāi)關(guān)元件和PWM的控制方法對電機進(jìn)行調速控制。

電路以外的系統設計實(shí)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(lái)驅動(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(cháng)短由電磁閥來(lái)控制，閥中所用的電磁線(xiàn)圈也是由FEA的精確設計而來(lái)，電磁線(xiàn)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)行分析和調試。

圖2：油路控制示意圖。

與此類(lèi)似的是燃氣控制系統，其中所有元部件模型均來(lái)自Simplorer軟件所隨帶的汽車(chē)和液壓系統模型庫，這些模型庫包含了許多汽車(chē)中用到的基本元部件，例如導線(xiàn)、保險絲、點(diǎn)火器、發(fā)動(dòng)機和變速箱等等。這樣，汽車(chē)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(jìn)行點(diǎn)火系統的設計。在點(diǎn)火系統中，直接安插在點(diǎn)火器的點(diǎn)火線(xiàn)圈(ignition coil)的設計也是用FEA的方法設計出最優(yōu)的電磁特性。通過(guò)電子控制的方式將電能轉換成點(diǎn)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(shí)間長(cháng)短)對發(fā)動(dòng)機點(diǎn)火過(guò)程和運行性能有很大影響，所以用CAE設計出的一個(gè)性能良好的點(diǎn)火系統很有意義。由計算機仿真出來(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(chē)電子行業(yè)內的一種主流CAE產(chǎn)品，它的產(chǎn)品用于機電系統的仿真、分析、設計與優(yōu)化。EM工具包括：專(zhuān)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(chǎn)品有機地組合在一起形成一個(gè)流暢、高效的設計平臺。以上實(shí)例說(shuō)明，利用先進(jìn)的設計仿真軟件，像發(fā)動(dòng)機油氣點(diǎn)火系統這樣復雜的過(guò)程也可以在設計出實(shí)物之前進(jìn)行精確的性能分析。

Ansoft 的EM工具在汽車(chē)設計的其它方面也得到了廣泛的應用，在下列汽車(chē)電子系統中，EM工具用來(lái)設計和分析傳感器、驅動(dòng)器、通訊和控制系統，它們包括：

動(dòng)力系統：包括油氣控制、點(diǎn)火系統、電水泵、電壓縮機和電控閥門(mén)系統等。

變速系統：包括電控液壓系統和舒適換速等。

底盤(pán)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(chē)身電子：包括儀表盤(pán)系統、線(xiàn)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(chē)椅、車(chē)門(mén)、雨刷、空調等等的小電機。