運動(dòng)控制引領(lǐng)汽車(chē)發(fā)展新方向

　　快速發(fā)展的電動(dòng)汽車(chē)(EV)和混合動(dòng)力汽車(chē)(HEV)行業(yè)正在發(fā)生翻天覆地的變化。雖然這些汽車(chē)的銷(xiāo)售情況仍遠遠落后于燃油汽車(chē)，但汽車(chē)制造商從他們的努力中已經(jīng)學(xué)到了許多。因此，汽車(chē)設計人員不能僅滿(mǎn)足于為工業(yè)應用開(kāi)發(fā)的運動(dòng)控制元件。

　　汽車(chē)制造商正在行使他們的綜合購買(mǎi)力使新產(chǎn)品更符合他們的需求，與此同時(shí)，用于電子推進(jìn)系統的功率電子元件、微控制器、系統設計和開(kāi)發(fā)工具等方面也發(fā)生著(zhù)巨大變化。

電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展

　　電動(dòng)機提供推進(jìn)動(dòng)力，而具有雙功能(電動(dòng)發(fā)電機)的電動(dòng)機還可以從各種新型汽車(chē)中恢復能量。除了人們熟知的豐田Prius混合動(dòng)力產(chǎn)品外，還有多家汽車(chē)制造商正在開(kāi)發(fā)或提供插電式混合動(dòng)力、輕度混合動(dòng)力汽車(chē)甚至微混合動(dòng)力(沒(méi)有推進(jìn)力)和純電動(dòng)汽車(chē)(見(jiàn)表)。雖然每家制造商使用的術(shù)語(yǔ)可能稍有不同，但對大多數汽車(chē)制造商來(lái)說(shuō)永磁同步電機(PMSM)是理想的選擇。

　　由于電機或電動(dòng)機是汽車(chē)推進(jìn)中的運動(dòng)控制系統的中心部件，所以汽車(chē)制造商和供應商一直不斷地改進(jìn)現有設計，并開(kāi)發(fā)新的替代產(chǎn)品。從目前汽車(chē)發(fā)展趨勢看，至少兩條路可走，一條是采用全新的電機設計，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(shí)現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(chē)制造商和他們的一級供應商對交流電機設計特別是感應電機設計進(jìn)行重新評估。

　　在底特律舉行的2011 SAE大會(huì )上，高效率電動(dòng)機、發(fā)電機和功率電子控制器的開(kāi)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，以前曾被認為可用性不高的感應與繞線(xiàn)磁場(chǎng)設計得到了人們越來(lái)越多的關(guān)注，Lutz指出。

　　Lutz還認為，正在開(kāi)展的材料研究可以最大限度地減少特定電機標準和替代磁體材料所需的釹含量。包括碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)在內的功率半導體技術(shù)的進(jìn)步有望提高交流電機技術(shù)可實(shí)現的性能。

　　Protean Electric公司首席技術(shù)官Andy Watts認為，從更加激進(jìn)的角度看，輪內電機(IWM)可顯著(zhù)改進(jìn)電動(dòng)汽車(chē)和混合動(dòng)力汽車(chē)性能。該公司的Protean Drive就是用于汽車(chē)推進(jìn)的一款高度集成、三相、永磁直接驅動(dòng)解決方案。每個(gè)電機都有內置的逆變器、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公司輪內電子驅動(dòng)系統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(dòng)汽車(chē)(BEV)中安裝了4個(gè)輪內電機。每個(gè)輪內電機大小為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轉時(shí)可以提供300Nm以上的扭矩，峰值功率可達84kW，連續功率為54kW。

仿真電機控制

　　為使新車(chē)更早上市，并避免可能影響到生產(chǎn)、進(jìn)而引起質(zhì)量和可靠性問(wèn)題的高代價(jià)開(kāi)發(fā)錯誤，仿真工具是每個(gè)汽車(chē)制造商和許多供應商工具箱中的一個(gè)有機組成部分。隨著(zhù)電動(dòng)汽車(chē)和混合動(dòng)力汽車(chē)復雜性的提高，不管下一代設計涉及到新電機、新元件還是系統級改進(jìn)，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(wú)減，Ansys公司先進(jìn)技術(shù)部門(mén)技術(shù)總監Scott Stanton指出。

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

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

　　“他們使用Ansys電磁場(chǎng)解算器分析問(wèn)題，表征機器行為，然后根據結果創(chuàng )建模型?！盨tanton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(wèn)題。

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

　　“自從六、七年前向客戶(hù)介紹永磁設計以來(lái)，他們就一直在使用永磁設計?！彼赋?，“現在他們突然來(lái)找我們，并表示，‘我們現在正在解決感應電機問(wèn)題，我們正在解決同步磁阻問(wèn)題?！?/P>

　　除了比較機器性能外，客戶(hù)還使用仿真工具為感應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(hù)合作過(guò)程中發(fā)現，功率半導體將繼續沿著(zhù)人們熟悉的路徑發(fā)展?！癐GBT將在很長(cháng)時(shí)間內成為半導體產(chǎn)品的首選?！彼硎?。不過(guò)，采用Ansys方法后，SiC和GaN當然會(huì )聯(lián)合系統供應商一起進(jìn)行評估，從而判斷這些新技術(shù)可能給混合動(dòng)力汽車(chē)和電動(dòng)汽車(chē)帶來(lái)的優(yōu)勢和問(wèn)題。

　　新思公司(Synopsys)的Saber是一整套物理建模和仿真工具，汽車(chē)制造商和一級供應商可以使用這些工具對牽引電機控制用功率電子器件進(jìn)行設計、驗證和優(yōu)化?！癝aber工具可以幫助客戶(hù)分析和優(yōu)化獨立或集成進(jìn)完整系統的單個(gè)子系統?！毙滤糞aber產(chǎn)品線(xiàn)業(yè)務(wù)開(kāi)發(fā)高級經(jīng)理Lee Johnson表示。

　　新思工程師期望SiC和GaN等新器件材料能應用于電動(dòng)汽車(chē)和混合動(dòng)力汽車(chē)設計?！拔覀円呀?jīng)發(fā)布了首批SiC器件型號，可以讓客戶(hù)開(kāi)始理解這些新技術(shù)對他們的電機控制設計的影響?！盝ohnson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堅持認為還必須考慮其它多種成本，包括控制電路的復雜性、熱和電磁兼容(EMC)行為以及機器可靠性?！癝aber仿真工具為客戶(hù)評估新的電機類(lèi)型和控制策略提供了理想的平臺，客戶(hù)無(wú)需再使用硬件原型和物理測試裝置?！彼硎?。

　　基于模型的設計(MBD)和MathWorks工具已被廣泛用于電動(dòng)汽車(chē)和混合動(dòng)力汽車(chē)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。這些系統復雜性的不斷提高是使用模型設計的一個(gè)重要理由。

　　“我們發(fā)現人們廣泛使用可執行模型來(lái)捕獲設計，使用仿真進(jìn)行設計折衷，并在實(shí)現中使用自動(dòng)代碼生成功能?！盡athWorks公司汽車(chē)產(chǎn)業(yè)經(jīng)理Wensi Jin指出。

　　MathWorks公司應用工程經(jīng)理Chris Fillyaw相信，SimPowerSystem及其電力驅動(dòng)和功率電子元件模型的發(fā)展有助于簡(jiǎn)化電動(dòng)汽車(chē)和混合動(dòng)力汽車(chē)的開(kāi)發(fā)?！搬槍υO計折衷和控制器驗證而使用庫模塊快速建立電機驅動(dòng)的系統級仿真的能力被證實(shí)對電機控制器開(kāi)發(fā)人員來(lái)說(shuō)極具價(jià)值?！盕illyaw指出(圖3)。

圖3：SimPowerSystem仿真模型顯示了在電動(dòng)汽車(chē)電機控制系統中的電動(dòng)機和發(fā)電機中的數據流動(dòng)。

　　系統復雜性的提高對嵌入式控制器的仿真和執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(kāi)發(fā)人員對使用ASIC和FPGA越來(lái)越有興趣，因為它們可以提供執行電機模型硬件在環(huán)(HIL)仿真環(huán)境中實(shí)現實(shí)時(shí)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(yǔ)言(HDL)代碼，而這些模型可以使用工業(yè)標準工具進(jìn)行仿真和綜合，然后在FPGA和ASIC上實(shí)現?！盕illyaw指出。

電動(dòng)汽車(chē)電機所需的運算能力

　　最初電動(dòng)汽車(chē)和混合動(dòng)力汽車(chē)中的電機控制依賴(lài)于專(zhuān)業(yè)技術(shù)以及大多數情況下傳統汽車(chē)MCU供應商提供的產(chǎn)品。例如，作為領(lǐng)先的汽車(chē)MCU供應商，瑞薩公司(Renesas)多年來(lái)一直致力于電動(dòng)汽車(chē)和混合動(dòng)力汽車(chē)的研發(fā)，目前正在研發(fā)適合下一代系統使用的新型設計。

　　瑞薩公司業(yè)務(wù)發(fā)展總監Amrit Vivekanand已經(jīng)看到從第一代設計到第二代設計的顯著(zhù)變化?！霸诘谝淮O計中，汽車(chē)制造商對成本不是那么在意?！盫ivekanand表示。

　　雖然成本一直是個(gè)問(wèn)題，但出貨數量可能很少，因此上市時(shí)間和創(chuàng )建環(huán)保形象更加重要。這些系統“并沒(méi)有針對電機控制或混合動(dòng)力汽車(chē)”應用進(jìn)行過(guò)優(yōu)化，Vivekanand指出。

　　對于2016至2018這一時(shí)期的產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，重點(diǎn)將真正轉向更加大眾化的產(chǎn)品。這將使汽車(chē)制造商不禁要問(wèn)上幾個(gè)與系統有關(guān)的問(wèn)題?！叭绾谓档统杀?？如何提高效率？如何減小電池尺寸？”Vivekanand問(wèn)道，“如何盡可能高效地轉換能量？”

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

　　飛思卡爾半導體(Freescale)可以向一級廠(chǎng)商和OEM的電機控制電路設計提供微控制器技術(shù)?！澳壳盀橹?，飛思卡爾和市場(chǎng)上的大多數公司一直在重復利用為底盤(pán)控制和傳動(dòng)系等其它應用設計的微控制器?！憋w思卡爾半導體微控制器部門(mén)業(yè)務(wù)經(jīng)理Steven Rober透露。未來(lái)，飛思卡爾計劃采用更加完整的系統方法。