汽车电子产品设计的CAE平台

分类：技术教程日期：2007-02-06 00:00:00

当代汽车电子产品的开发与设计在加速开发过程、降低开发成本、提高产品质量等方面广泛地受益于计算机辅助工程软件(CAE)。本文以某发动机的油气控制和点火系统为例，说明Ansoft的EM工具在汽车电子与控制系统设计等诸多方面的应用，为中国汽车电子设计工程师提供新的选择。
汽车中电子成分的不断增多是因为市场对汽车产品的要求与期望的不断增加。例如，对汽车安全系统的更高要求就产生了防抱死刹车(ABS)、轨道控制系统、防滑出、防翻滚及其侧面气囊保护等措施。对更高燃油效率的要求又引入了直喷发动机系统(Direct Injection)、随换多缸系统(Displacement On Demand)、电子阀控系统(Electronic Valving)以及混合动力型汽车(Hybrid Vehicle)。这些不断增加的电子系统使汽车系统变得更为复杂，也使得这些系统的开发、设计过程变得更具有挑战性。
对日趋复杂的汽车部件及电子系统，传统的控制方法已显得力不从心。例如，传统发动机点火时序控制都是基于表格查找方法。这种方法对现代发动机来说有很多局限性，一是表格法不能将发动机的动态特征考虑进来；二是现代发动机需要控制的状态从以前的几百个到现在的上万个，这样，用表格查找的方法就很难实施，也无法再继续提高发电机的性能。随之而来，一种代替这种方法的现代控制是基本模型的控制方法(。这种方法的实施过程不太随发动机的复杂程度而变，但需要一个较准确的发动机的动态模型。另外，汽车电子器件与系统的开发方式和过程也必须加快速度、降低成本、增加质量才能满足厂家的管理目标。传统的硬件研制、测试、再研制、再测试的重复模式就显得费时、费力，成本也会相应增加。
在这样的背景下，越来越多的汽车电子厂家利用计算机辅助工程软件来加速研发过程，降低研发成本，提高产品质量。具体做法是：厂家在计算机的虚拟平台上来完成尽可能多(可高达80%到90%的工作量)的产品设计、分析工作，只是在最后一步才进行实际硬件实施。

无刷电机代替有刷电机油泵的设计实例
我们以发动机的油气控制系统为例来说明设计过程。如图1所示。首先，一个厂家决定用无刷电机来代替传统的有刷电机油泵。它可以从RMxprt软件开始，该软件中有包含无刷电机在内的13种电机和发电机模式。用户只需要输入与电机有关的设计参数，例如输入电压、功率、极数、永磁铁类型等，RMxprt就可以自动设计出一个基本的无刷电机，并计算出该电机在不同运营状态(例如空载和全载)的性能参数，例如力矩、转速和效率等。
如果用户想对以上设计的基本电机进行更进一步的分析与优化，他可以选用全功能的FEA软件。Maxwell是一套通用的用于电磁分析的FEA软件。它可以对任意的两维或三维的实体设计，其中每一物体可以有不同的包括非线性的电磁特性，进行与电磁场有关的静态或动态的性能分析。例如，用户可以分析一个电机内的磁场强度的分布来确定定子槽距的间隙，或者调整空气间隙来确定力矩的大小。同时Maxwell一个很重要的功能就是动态的损耗计算，包括由涡流和滞回引起的铁芯损耗。由于Maxwell软件的通用性，它可以用于除电机外任何包括电磁原理的系统分析与设计，例如可变磁阻的速度传感器、电磁线圈(Solenoid)、电抗器以及变压器等。
电机设计完成后，其准确的仿真模型可直接应用于线路仿真系统软件Simplorer中。这种从FEA模型直接生成线路模型的过程省去了很多对物理系统建模的繁杂过程。Simplorer是一个以电路为核心并具有包括机械、液压、热能等多物理域的仿真系统软件。与许多其他线路仿真软件不同的是，Simplorer线路中所用的元件都是基于物理原理的模型，而不是行为模型。这样，当整个系统模型建成后，其行为由每个元件的物理特性所决定。在线路仿真中，电机驱动控制电路的设计和分析首先得到完成，这包括用固体开关元件和PWM的控制方法对电机进行调速控制。
电路以外的系统设计实例
此外，Simplorer还可用于电路以外的系统设计。在下面的油路控制示意图(图2)中，由上面设计的电机来驱动油泵。燃油通过油泵过滤器，油压控制阀进入电控喷头。电喷头的开关与时间的长短由电磁阀来控制，阀中所用的电磁线圈也是由FEA的精确设计而来，电磁线圈的上端接电控部分，下端接电喷的滑体与顶针。这样整个油路的控制的系统模型就完成了，油路的压力及流量的动态特性就可以用仿真进行分析和调试。

与此类似的是燃气控制系统，其中所有元部件模型均来自Simplorer软件所随带的汽车和液压系统模型库，这些模型库包含了许多汽车中用到的基本元部件，例如导线、保险丝、点火器、发动机和变速箱等等。这样，汽车电子设计工程师可以很快地建立起所设计的系统模型。在油路和气路控制完成后，就可以进行点火系统的设计。在点火系统中，直接安插在点火器的点火线圈(ignition coil)的设计也是用FEA的方法设计出最优的电磁特性。通过电子控制的方式将电能转换成点火器所需要的高压电弧，因为电弧特性(电压高低、电弧延续时间长短)对发动机点火过程和运行性能有很大影响，所以用CAE设计出的一个性能良好的点火系统很有意义。由计算机仿真出来的点火器上的电压和电流波形图与其后的实际测试结果与仿真结果非常吻合。
本文小结
美国Ansoft公司EM工具是包括北美、欧洲及日本在内的汽车电子行业内的一种主流CAE产品，它的产品用于机电系统的仿真、分析、设计与优化。EM工具包括：专用元部件设计软件RMxprt和Pexprt；通用电磁系统的有限元分析软件(FEA) Maxwell；通用的多物理域仿真软件Simplorer组成。这些产品有机地组合在一起形成一个流畅、高效的设计平台。以上实例说明，利用先进的设计仿真软件，像发动机油气点火系统这样复杂的过程也可以在设计出实物之前进行精确的性能分析。
Ansoft 的EM工具在汽车设计的其它方面也得到了广泛的应用，在下列汽车电子系统中，EM工具用来设计和分析传感器、驱动器、通讯和控制系统，它们包括：
动力系统：包括油气控制、点火系统、电水泵、电压缩机和电控阀门系统等。
变速系统：包括电控液压系统和舒适换速等。
底盘及悬挂系统：包括半积极和全积极悬挂系统。
轨道控制系统：包括ABS、电助力转向系统(EPS)、轮胎压力管理系统(TPM)等。
车身电子：包括仪表盘系统、线束设计、照明和通讯等。
安全保护系统：包括侧面气囊传感和引爆系统以及防翻滚系统等。
舒适方便设置：包括用于车椅、车门、雨刷、空调等等的小电机。