仿真技術(shù)在汽車(chē)電子設計中的應用

　    汽車(chē)電子設備的配置已成為當今汽車(chē)發(fā)展的潮流，電子技術(shù)的應用幾乎深人到了汽車(chē)所有的系統當中。

　　汽車(chē)電子設計已成為汽車(chē)系統設計中的重點(diǎn)和難點(diǎn)。傳統方式下的汽車(chē)設計者不得不借助各種機械的、液壓的、電子的汽車(chē)零部件以驗證汽車(chē)各子系統的功能，開(kāi)發(fā)周期長(cháng)，成本居高不下。為了縮短開(kāi)發(fā)周期、降低開(kāi)發(fā)成本，人們引入了SABER仿真技術(shù)進(jìn)行汽車(chē)系統技術(shù)的驗證和開(kāi)發(fā)。SABER仿真技術(shù)通過(guò)對整個(gè)汽車(chē)系統進(jìn)行有效的建模和分析，能夠節約大量的試驗設備和試驗時(shí)間。國際上幾大跨國汽車(chē)公司都已使用SABER仿真技術(shù)進(jìn)行設計，如美國通用、大眾、克萊斯勒等。目前，國內有泛亞技術(shù)中心能夠運用此項技術(shù)與通用（北美）進(jìn)行同步開(kāi)發(fā)。

　　1 SABER軟件仿真技術(shù)

　　    SABER軟件是一個(gè)在數學(xué)模擬及硬件設計方面功能卓著(zhù)的仿真工具。對于復雜的混合信號設計和驗證問(wèn)題，SABER軟件為設計工程師提供了一種功能強大的混合信號行為仿真器。由于混合信號硬件描述語(yǔ)言——MAST的支持，SABER軟件實(shí)現了單一內核混合信號及混合技術(shù)的仿真，完全改變了模擬電路仿真的現狀。SABER軟件在混合

技術(shù)領(lǐng)域具有多個(gè)仿真引擎，可以分別處理不同領(lǐng)域的設計單元，且遵循相應的守恒定律，支持電力系統、機電一體化、機械系統、電子系統、光電控制系統、液壓系統等系統單元?，F在，SABER軟件在汽車(chē)和飛機制造領(lǐng)域已得到廣泛的應用。尤其是在汽車(chē)制造領(lǐng)域，許多歐美公司已將它定為行業(yè)標準，并投資SABER軟件的發(fā)展以不斷滿(mǎn)足新的設計需要。

　　    SABER軟件具有明顯的優(yōu)勢：分析從SOC到大型系統之間的設計，包括模擬電路、數字電路及混合電路；通過(guò)單一的混合信號仿真內核就可以提供精確有效的仿真結果；通過(guò)對穩態(tài)、時(shí)域、頻域、統計、可靠性及控制等方面的分析來(lái)檢驗系統性能。

　　SABER仿真器能夠讓設計人員對從汽車(chē)的最初設計方案（方框圖）到由實(shí)際電路和機械實(shí)現的完整系統進(jìn)行仿真。這種能力對于復雜運動(dòng)控制系統的設計（如ABS系統、安全氣囊系統、發(fā)動(dòng)機控制系統、車(chē)身控制系統等）尤為重要。

　　2 汽車(chē)電子仿真技術(shù)的應用

　　    汽車(chē)在投產(chǎn)之前要經(jīng)過(guò)大量的測試試驗，對原設計不斷地進(jìn)行修正往往會(huì )耗費大量的物力和時(shí)間。在設計階段，對各種狀況進(jìn)行模擬仿真、修正、完善設計，能夠提高效率、縮短開(kāi)發(fā)周期。使用SABER軟件進(jìn)行仿真，主要分為3個(gè)階段：建立數學(xué)模型、對系統原理進(jìn)行仿真和對仿真模型進(jìn)行修改檢驗。

　　    2.1 建立數學(xué)模型

　　    所謂計算機仿真就是將實(shí)際系統的運行規律用數學(xué)形式表達出來(lái)，它們通常是一組微分方程或差分方程，然后通過(guò)計算機采用數值求解法求解這些方程。

　　    在仿真之前，首先對系統原理圖中的所有零部件進(jìn)行抽象化，建立數學(xué)模型，繪制系統的數學(xué)模型。為了對電路或系統進(jìn)行計算機仿真，經(jīng)常需要開(kāi)發(fā)一個(gè)或一組模型。要研究電路的詳細特性，可能要求對物理器件建模，有時(shí)還需要對大型電路或系統建模。系統模型可能無(wú)需和器件模型一樣詳盡，但作為大系統仿真的一部分，系統模型仍然非常有用。零部件數學(xué)模型的質(zhì)量直接關(guān)系到仿真結果的準確性。通過(guò)對數學(xué)模型各種參數屬性的設置來(lái)模擬零部件的功能，同時(shí)，經(jīng)過(guò)大量計算和試驗，不斷修正、完善數模。對于同一類(lèi)零部件可以共用一個(gè)（或一類(lèi)）模型，通過(guò)調整數模參數值來(lái)實(shí)現零部件的更迭。這對于縮短開(kāi)發(fā)周期、節省開(kāi)發(fā)成本，起著(zhù)至關(guān)重要的作用。

　　    在一定外界條件（即輸人或激勵，包括外加控制與外加干擾）的作用下，從系統的一定初始狀態(tài)出發(fā)，所經(jīng)歷的由其內部的固有特性（即由系統的結構與參數所決定的特性）決定了整個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程。研究系統及其輸人、輸出三者之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系，即可確定其性能的屬性。圖1是汽車(chē)音響系統中揚聲器的物理模型，其中In_p fU In_m作為輸人信號、由電磁學(xué)可知，可以進(jìn)一步將其簡(jiǎn)化為力f（t）輸人。

　　    于是可將其進(jìn)一步簡(jiǎn)化為質(zhì)量-阻尼-彈簧系統，如圖2所示，圖2中m、c、k分別表示質(zhì)量、粘性阻尼系數、彈簧剛度。對系統而言，質(zhì)量受外力f（t）的作用，質(zhì)量位移為y（t）（實(shí)際揚聲器銜鐵的振幅），系統的動(dòng)力學(xué)方程為my"（t）+cy'（t）+ky（t）=f（t），y（o）=yo，y'（o）= y'。

　　    其中，y（0）與y'（0）分別為質(zhì)量的初位移與初速度，這就是在輸人作用于系統之前系統的初始狀態(tài)。顯然，此系統在任何瞬間的狀態(tài)完全可以由質(zhì)  量的,y （t）與y'（t）這兩個(gè)變動(dòng)著(zhù)的狀態(tài)（即狀態(tài)變量）在此瞬間的取值來(lái)刻畫(huà)。因為y（t）在此瞬間的取值代表了位移的情況，y'（t）在此瞬間的取值代表了y（t）在此瞬間的變化趨勢（速度）的情況。

　　    還有一種更直接的建立數學(xué)模型的方法，就是模擬硬件描述語(yǔ)言（AHDL）的含義。MAST就是一種AHDL, SABER仿真器可以仿真用MAST AHDL描述的網(wǎng)表。

　　零部件的模型是建立在大量計算和試驗基礎上的，SABER軟件提供了大量的零部件庫文件，對于類(lèi)似的零件只需修改其屬性參數值即可。

　　2.2 對系統原理進(jìn)行仿真

　　    在仿真過(guò)程中，將數學(xué)模型轉變成為計算機上運行的仿真模型，是由SABER軟件系統來(lái)完成的，并同時(shí)根據仿真模型編制出仿真程序。通過(guò)對系統的仿真，可以隨時(shí)得出各個(gè)子系統或零部件的瞬時(shí)工作狀態(tài)及性能參數變化，如電壓、電流、功率、轉矩等各參數的波形。通過(guò)對這些波形與實(shí)際試驗的結果進(jìn)行對比分析，找出兩者的差別，從而修正原設計。

　　如先前所提及的，安全性和舒適性的需求導致了新的、高能耗的負載。這些負 載可能隨著(zhù)汽車(chē)產(chǎn)品的進(jìn)一步電子化，汽車(chē)電子控制裝置得到更多的應用，所消耗的電能也將大幅度地增加?，F有的12V動(dòng)力電源已滿(mǎn)足不了汽車(chē)上所有電氣系統的需要，今后將采用集成的42V起動(dòng)機-發(fā)電機供電系統，發(fā)電機最大輸出功率將由目前的1.4kW提高到8kw左右，發(fā)電效率將會(huì )達到80%以上。伺時(shí)，電壓等級的提升還將同時(shí)帶來(lái)許多新的問(wèn)題。12V/42V汽車(chē)雙電壓系統原理圖如圖3所示。

　　2.2.1 雙電壓系統

　　在雙電壓系統中，把用電設備分成兩部分：中小功率負載由14V電壓供電，如室內燈、中控鎖、收音機、儀表、車(chē)載導航系統等主要為車(chē)身電子設備；大功率負載，如電控機械制動(dòng)裝置、電控機械氣門(mén)正時(shí)裝置、三元催化轉換加熱器、電控懸架等，主要為發(fā)動(dòng)機、底盤(pán)系統電子設備，由42V電壓供電。此雙電壓供電系統有兩個(gè)關(guān)鍵器件，一個(gè)是DC/DC變換器，它能把交流發(fā)電機輸出的42V高電壓轉變?yōu)?14V的電壓。另一個(gè)，是裝在發(fā)動(dòng)機和變  速器之間的起動(dòng)-發(fā)電機，借助一個(gè)半導體整流-逆  變功率變換器，它不僅充當交流發(fā)電機，發(fā)出42V的高電壓，而且在發(fā)動(dòng)機起動(dòng)時(shí)還作為起動(dòng)機用。由于它是直接起動(dòng)發(fā)動(dòng)機，起動(dòng)時(shí)間僅為0.5s，所以噪聲很小。

　　 2.2.2 起動(dòng)機／發(fā)電機系統

　　大功率起動(dòng)機與發(fā)電機（Integrated Starter/Alternator，ISA）的轉矩特性一致，因此，集成兩種設備于一體在技術(shù)上是可行的，在經(jīng)濟上的效益也顯而易見(jiàn)。如圖4所示的輸出功率與內燃機曲軸轉速的關(guān)系曲線(xiàn)，ISA讓內燃機的速度達到600v/min的起動(dòng)速度，然后切換到發(fā)電模式。由于42V系統能夠提供足夠的電能，發(fā)動(dòng)機在極短的時(shí)間內起動(dòng)且  在點(diǎn)火前達到更高的轉速，這樣可以降低低轉速下的排放，換句話(huà)說(shuō)，使得汽車(chē)重起動(dòng)變得更加容易。

　　2.2.3 雙電壓系統中42V供電系統

　　    在運行中，雙電壓系統的電壓隨著(zhù)轉速變化而變化，電壓峰值對電器元件的影響是非常明顯的。圖5所示的是雙電莊系統中42V供電系統的變化曲線(xiàn)，非常清晰地顯示了在轉速急劇變化時(shí)電壓的瞬時(shí)值，此脈沖電壓峰值在電氣系統設計和選擇電子電器元件時(shí)有著(zhù)非常重要的參考價(jià)值。

　　在仿真過(guò)程中，主要分兩種類(lèi)型進(jìn)行。為了描述簡(jiǎn)單，這里將42V與14V分開(kāi)進(jìn)行討論。第一種方法，全部打開(kāi)所有的電子設備，可以觀(guān)察到整個(gè)系統及各個(gè)電子器件的電壓、電流波形，以及各個(gè)電子電器設備互相切換或同時(shí)打開(kāi)時(shí)的電壓、電流波形。同時(shí)，很方便地觀(guān)察到在拋載狀況時(shí)的峰值電壓波形，局部拋載或全部拋載對系統的影響。

　　2.2.4 14V供電系統

　　14V電壓系統主要用于各控制單元，對波形要求甚高。若峰值電壓及電流產(chǎn)生嚴重的脈動(dòng)，使蓄電池兩端電壓產(chǎn)生脈動(dòng)干擾，控制單元搭鐵（蓄電池負極）電位也將隨之產(chǎn)生脈動(dòng)干擾。如果這個(gè)干擾脈沖幅值過(guò)大，就會(huì )造成原有信號的丟失，引起控制失靈。觀(guān)察峰值電壓的波形，判定是否符合系統要求。14V線(xiàn)路上的電壓波形如圖6所示。

　　2.3 對仿真模型進(jìn)行修改、檢驗

　　通過(guò)對系統的仿真，得出的初步結果往往不能與理想的目標相一致，還需要通過(guò)分析研究，以及與試驗進(jìn)行對比，對系統原理或數學(xué)模型進(jìn)行修改。SABER提供多種仿真分析，如：直流工作點(diǎn)分析、交流小信號分析、順態(tài)分析、蒙特卡羅分析（在模型參數值浮動(dòng)范圍內隨機取樣，對所取的參數進(jìn)行分析，檢驗器件參數在一定范圍內浮動(dòng)對輸出的影響）、零極點(diǎn)分析等。結合多種分析，加以對仿真模型的完善。

　　3 結束語(yǔ)

　　在新車(chē)型的開(kāi)發(fā)中初步使用仿真技術(shù)已經(jīng)收到了一定的成效，特別是在選擇發(fā)電機容量參數上獲得了明顯的效果。仿真技術(shù)的應用隨著(zhù)經(jīng)驗的豐富和積累，必將對汽車(chē)電子電器系統設計技術(shù)的先進(jìn)性及縮短開(kāi)發(fā)周期起到重要的推動(dòng)作用。