仿真技術(shù)在汽車電子設(shè)計中的應(yīng)用
英飛凌汽車電子生態(tài)圈
汽車電子設(shè)備的配置已成為當(dāng)今汽車發(fā)展的潮流，電子技術(shù)的應(yīng)用幾乎深人到了汽車所有的系統(tǒng)當(dāng)中。
汽車電子設(shè)計已成為汽車系統(tǒng)設(shè)計中的重點和難點。傳統(tǒng)方式下的汽車設(shè)計者不得不借助各種機械的、液壓的、電子的汽車零部件以驗證汽車各子系統(tǒng)的功能，開發(fā)周期長，成本居高不下。為了縮短開發(fā)周期、降低開發(fā)成本，人們引入了SABER仿真技術(shù)進(jìn)行汽車系統(tǒng)技術(shù)的驗證和開發(fā)。SABER仿真技術(shù)通過對整個汽車系統(tǒng)進(jìn)行有效的建模和分析，能夠節(jié)約大量的試驗設(shè)備和試驗時間。國際上幾大跨國汽車公司都已使用SABER仿真技術(shù)進(jìn)行設(shè)計，如美國通用、大眾、克萊斯勒等。目前，國內(nèi)有泛亞技術(shù)中心能夠運用此項技術(shù)與通用(北美)進(jìn)行同步開發(fā)。
1 SABER軟件仿真技術(shù)
SABER軟件是一個在數(shù)學(xué)模擬及硬件設(shè)計方面功能卓著的仿真工具。對于復(fù)雜的混合信號設(shè)計和驗證問題，SABER軟件為設(shè)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言——MAST的支持，SABER軟件實現(xiàn)了單一內(nèi)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(xiàn)狀。SABER軟件在混合技術(shù)領(lǐng)域具有多個仿真引擎，可以分別處理不同領(lǐng)域的設(shè)計單元，且遵循相應(yīng)的守恒定律，支持電力系統(tǒng)、機電一體化、機械系統(tǒng)、電子系統(tǒng)、光電控制系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)等系統(tǒng)單元?，F(xiàn)在，SABER軟件在汽車和飛機制造領(lǐng)域已得到廣泛的應(yīng)用。尤其是在汽車制造領(lǐng)域，許多歐美公司已將它定為行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，并投資SABER軟件的發(fā)展以不斷滿足新的設(shè)計需要。
SABER軟件具有明顯的優(yōu)勢：分析從SOC到大型系統(tǒng)之間的設(shè)計，包括模擬電路、數(shù)字電路及混合電路;通過單一的混合信號仿真內(nèi)核就可以提供精確有效的仿真結(jié)果;通過對穩(wěn)態(tài)、時域、頻域、統(tǒng)計、可靠性及控制等方面的分析來檢驗系統(tǒng)性能。
SABER仿真器能夠讓設(shè)計人員對從汽車的最初設(shè)計方案(方框圖)到由實際電路和機械實現(xiàn)的完整系統(tǒng)進(jìn)行仿真。這種能力對于復(fù)雜運動控制系統(tǒng)的設(shè)計(如ABS系統(tǒng)、安全氣囊系統(tǒng)、發(fā)動機控制系統(tǒng)、車身控制系統(tǒng)等)尤為重要。
2 汽車電子仿真技術(shù)的應(yīng)用
汽車在投產(chǎn)之前要經(jīng)過大量的測試試驗，對原設(shè)計不斷地進(jìn)行修正往往會耗費大量的物力和時間。在設(shè)計階段，對各種狀況進(jìn)行模擬仿真、修正、完善設(shè)計，能夠提高效率、縮短開發(fā)周期。使用SABER軟件進(jìn)行仿真，主要分為3個階段：建立數(shù)學(xué)模型、對系統(tǒng)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(shù)學(xué)模型
所謂計算機仿真就是將實際系統(tǒng)的運行規(guī)律用數(shù)學(xué)形式表達(dá)出來，它們通常是一組微分方程或差分方程，然后通過計算機采用數(shù)值求解法求解這些方程。
在仿真之前，首先對系統(tǒng)原理圖中的所有零部件進(jìn)行抽象化，建立數(shù)學(xué)模型，繪制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。為了對電路或系統(tǒng)進(jìn)行計算機仿真，經(jīng)常需要開發(fā)一個或一組模型。要研究電路的詳細(xì)特性，可能要求對物理器件建模，有時還需要對大型電路或系統(tǒng)建模。系統(tǒng)模型可能無需和器件模型一樣詳盡，但作為大系統(tǒng)仿真的一部分，系統(tǒng)模型仍然非常有用。零部件數(shù)學(xué)模型的質(zhì)量直接關(guān)系到仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。通過對數(shù)學(xué)模型各種參數(shù)屬性的設(shè)置來模擬零部件的功能，同時，經(jīng)過大量計算和試驗，不斷修正、完善數(shù)模。對于同一類零部件可以共用一個(或一類)模型，通過調(diào)整數(shù)模參數(shù)值來實現(xiàn)零部件的更迭。這對于縮短開發(fā)周期、節(jié)省開發(fā)成本，起著至關(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(tǒng)的一定初始狀態(tài)出發(fā)，所經(jīng)歷的由其內(nèi)部的固有特性(即由系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與參數(shù)所決定的特性)決定了整個動態(tài)過程。研究系統(tǒng)及其輸人、輸出三者之間的動態(tài)關(guān)系，即可確定其性能的屬性。圖1是汽車音響系統(tǒng)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)一步將其簡化為力f(t)輸人。
于是可將其進(jìn)一步簡化為質(zhì)量-阻尼-彈簧系統(tǒng)，如圖2所示，圖2中m、c、k分別表示質(zhì)量、粘性阻尼系數(shù)、彈簧剛度。對系統(tǒng)而言，質(zhì)量受外力f(t)的作用，質(zhì)量位移為y(t)(實際揚聲器銜鐵的振幅)，系統(tǒng)的動力學(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(tǒng)之前系統(tǒng)的初始狀態(tài)。顯然，此系統(tǒng)在任何瞬間的狀態(tài)完全可以由質(zhì) 量的,y (t)與y'(t)這兩個變動著的狀態(tài)(即狀態(tài)變量)在此瞬間的取值來刻畫。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(shù)學(xué)模型的方法，就是模擬硬件描述語言(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(chǔ)上的，SABER軟件提供了大量的零部件庫文件，對于類似的零件只需修改其屬性參數(shù)值即可。
2.2 對系統(tǒng)原理進(jìn)行仿真
在仿真過程中，將數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)變成為計算機上運行的仿真模型，是由SABER軟件系統(tǒng)來完成的，并同時根據(jù)仿真模型編制出仿真程序。通過對系統(tǒng)的仿真，可以隨時得出各個子系統(tǒng)或零部件的瞬時工作狀態(tài)及性能參數(shù)變化，如電壓、電流、功率、轉(zhuǎn)矩等各參數(shù)的波形。通過對這些波形與實際試驗的結(jié)果進(jìn)行對比分析，找出兩者的差別，從而修正原設(shè)計。
如先前所提及的，安全性和舒適性的需求導(dǎo)致了新的、高能耗的負(fù)載。這些負(fù) 載可能隨著汽車產(chǎn)品的進(jìn)一步電子化，汽車電子控制裝置得到更多的應(yīng)用，所消耗的電能也將大幅度地增加?，F(xiàn)有的12V動力電源已滿足不了汽車上所有電氣系統(tǒng)的需要，今后將采用集成的42V起動機-發(fā)電機供電系統(tǒng)，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)電效率將會達(dá)到80%以上。伺時，電壓等級的提升還將同時帶來許多新的問題。12V/42V汽車雙電壓系統(tǒng)原理圖如圖3所示。
2.2.1 雙電壓系統(tǒng)
本文引用地址：http://butianyuan.cn/article/79182.htm
在雙電壓系統(tǒng)中，把用電設(shè)備分成兩部分：中小功率負(fù)載由14V電壓供電，如室內(nèi)燈、中控鎖、收音機、儀表、車載導(dǎo)航系統(tǒng)等主要為車身電子設(shè)備;大功率負(fù)載，如電控機械制動裝置、電控機械氣門正時裝置、三元催化轉(zhuǎn)換加熱器、電控懸架等，主要為發(fā)動機、底盤系統(tǒng)電子設(shè)備，由42V電壓供電。此雙電壓供電系統(tǒng)有兩個關(guān)鍵器件，一個是DC/DC變換器，它能把交流發(fā)電機輸出的42V高電壓轉(zhuǎn)變?yōu)?14V的電壓。另一個，是裝在發(fā)動機和變 速器之間的起動-發(fā)電機，借助一個半導(dǎo)體整流-逆 變功率變換器，它不僅充當(dāng)交流發(fā)電機，發(fā)出42V的高電壓，而且在發(fā)動機起動時還作為起動機用。由于它是直接起動發(fā)動機，起動時間僅為0.5s，所以噪聲很小。
2.2.2 起動機/發(fā)電機系統(tǒng)
大功率起動機與發(fā)電機(Integrated Starter/Alternator，ISA)的轉(zhuǎn)矩特性一致，因此，集成兩種設(shè)備于一體在技術(shù)上是可行的，在經(jīng)濟(jì)上的效益也顯而易見。如圖4所示的輸出功率與內(nèi)燃機曲軸轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線，ISA讓內(nèi)燃機的速度達(dá)到600v/min的起動速度，然后切換到發(fā)電模式。由于42V系統(tǒng)能夠提供足夠的電能，發(fā)動機在極短的時間內(nèi)起動且 在點火前達(dá)到更高的轉(zhuǎn)速，這樣可以降低低轉(zhuǎn)速下的排放，換句話說，使得汽車重起動變得更加容易。
2.2.3 雙電壓系統(tǒng)中42V供電系統(tǒng)
在運行中，雙電壓系統(tǒng)的電壓隨著轉(zhuǎn)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(tǒng)中42V供電系統(tǒng)的變化曲線，非常清晰地顯示了在轉(zhuǎn)速急劇變化時電壓的瞬時值，此脈沖電壓峰值在電氣系統(tǒng)設(shè)計和選擇電子電器元件時有著非常重要的參考價值。
在仿真過程中，主要分兩種類型進(jìn)行。為了描述簡單，這里將42V與14V分開進(jìn)行討論。第一種方法，全部打開所有的電子設(shè)備，可以觀察到整個系統(tǒng)及各個電子器件的電壓、電流波形，以及各個電子電器設(shè)備互相切換或同時打開時的電壓、電流波形。同時，很方便地觀察到在拋載狀況時的峰值電壓波形，局部拋載或全部拋載對系統(tǒng)的影響。
2.2.4 14V供電系統(tǒng)
14V電壓系統(tǒng)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(yán)重的脈動，使蓄電池兩端電壓產(chǎn)生脈動干擾，控制單元搭鐵(蓄電池負(fù)極)電位也將隨之產(chǎn)生脈動干擾。如果這個干擾脈沖幅值過大，就會造成原有信號的丟失，引起控制失靈。觀察峰值電壓的波形，判定是否符合系統(tǒng)要求。14V線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
通過對系統(tǒng)的仿真，得出的初步結(jié)果往往不能與理想的目標(biāo)相一致，還需要通過分析研究，以及與試驗進(jìn)行對比，對系統(tǒng)原理或數(shù)學(xué)模型進(jìn)行修改。SABER提供多種仿真分析，如：直流工作點分析、交流小信號分析、順態(tài)分析、蒙特卡羅分析(在模型參數(shù)值浮動范圍內(nèi)隨機取樣，對所取的參數(shù)進(jìn)行分析，檢驗器件參數(shù)在一定范圍內(nèi)浮動對輸出的影響)、零極點分析等。結(jié)合多種分析，加以對仿真模型的完善。
3 結(jié)束語
在新車型的開發(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(shù)上獲得了明顯的效果。仿真技術(shù)的應(yīng)用隨著經(jīng)驗的豐富和積累，必將對汽車電子電器系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)的先進(jìn)性及縮短開發(fā)周期起到重要的推動作用。
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