運動控制將汽車發(fā)展推往新方向(上)

　　汽車行業(yè)中，發(fā)展迅猛的電動汽車與混合動力汽車正在經歷很大的變化。盡管從銷售量來看，它們還遠遠落后于采用燃油的車型，但汽車生產商已經從中學到了不少。其中的一點就是，汽車設計師已經無法滿足于當前為工業(yè)應用而開發(fā)的的運動控制元件了。

　　汽車生產商也在運用聯合購買力，使得新產品更貼合自己的需求。與此同時，電力電子器件、微控制器、系統(tǒng)設計和開發(fā)工具等方面對電力的使用也在發(fā)生變化。

馬達的發(fā)展

　　電動馬達提供動力，那些雙重功能的馬達（電動機-發(fā)電機）能夠從多種不同類別的新車型上收集能量。除了知名的本田普銳斯混合動力車以外，其它數家汽車生產商也已提供或正在開發(fā)插電式混合動力（plug-in hybrid）、輕度混合動力（mild hybrid）甚至微混合動力（micro hybrid，無動力）車型（見表1）。盡管每家廠商所用的術語略有不同，但永磁同步電機（PMSM）是絕大多數廠家的選擇。

　　汽車推進方面，馬達是運動控制系統(tǒng)的核心。汽車廠商和供應商正在持續(xù)改進現有的設計，同時開發(fā)新的技術?，F在有至少兩種不同的趨勢。其中一個和新型馬達設計有關，另一個使用了我們更加熟悉的方法。

　　更熟悉的方法是，高性能永磁電機必須使用的永磁材料成本不斷增加，正在迫使汽車廠商及其一級供應商重新評估其他的馬達替代設計，特別是感應馬達。

　　2011年，底特律舉行的SAE大會上，UQM Technologies公司工程副總裁Jon Lutz探討了永磁電機的替代品。UQM Technologies開發(fā)、生產高能效比的電動馬達、發(fā)電機以及電力電子控制器。

　　Lutz說，用于永磁電機的永磁材料主要來自中國。由于成本增加四倍，而且經常缺貨，之前不太被看好的的感應電機和繞線磁極式電機現在吸引了更多的關注。Lutz還指出，目前的材料研究可以將特定級別的電機中使用的永磁材料降低至最少，還可以用其他磁體代替。功率半導體的技術的進步，包括碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）器件就是眾多替代電機技術中，能夠提升性能的技術。

　　更激進的一種方式是，輪轂電機將顯著提升電力和混合動力汽車的表現。Protean Electric的首席技術官Andy Watts表示。Protean Electric的Protean Drive是整合了三相、永磁直驅的汽車推進解決方案。每個點擊都有內置的逆變器、控制電子和軟件（圖1）。

　　Protean 在一部福特F150電動車里安裝了四個輪內馬達，以400V直流驅動運行， Protean Drive PD18內置了逆變器技術，扭矩為300Nm/rpm，峰值功率為84kW，額定功率為54kW。

模擬馬達控制

　　模擬工具是每個汽車廠商和許多零部件供應商工具箱的一部分，能夠幫助汽車更快上市，同時避免開發(fā)錯誤對生產造成影響以及帶來質量和可靠性的問題，從而導致損失。由于電動車和混合動力車的復雜度不斷攀升，無論是新馬達、新部件還是系統(tǒng)級的改進，這些新一代的設計都需要模擬工具。

　　Ansys公司在2008年收購了Ansoft，所以可以提供新的模擬工具。Ansys的先進技術開發(fā)總裁Scott Stanton指出，永磁電機的關注度仍在上升。

　　Stanton說，“我們有客戶正在研究電動機如何采用更細致的建模方式，為系統(tǒng)工程師提供更詳盡的模型?！焙突隈R達參數的建模技術相比更重要的是，其電感和電容對先進的建模有很大影響。現在，Ansys的工程師正和客戶緊密合作，希望能通過解法器得到馬達性能的表現。Stanton 說，“他們會用電磁解法器分析問題，將電機的表現特性化，然后創(chuàng)建模型?！毙履Ｐ偷氖褂脤︸R達特性有主要影響（圖2）。

　　改進的系統(tǒng)分析能力是重新評估新馬達技術的一部分。Stanton表示，他有很多客戶都在研究永磁馬達的替代品。

　　他說“六七年前，當我們開始和客戶談的時候，他們在使用永磁馬達設計，現在突然都找上門說，我們正在解決感應馬達的問題和磁阻馬達的問題”。除了對比馬達的性能之外，客戶還通過模擬工具建立了針對感應馬達的新的控制策略，這比控制永磁馬達更難。

　　然而，采用Ansys的方法的同時，系統(tǒng)廠商也在評估SiC 和GaN器件，確定這些新技術能夠為混合動力汽車帶來其優(yōu)勢和問題。

　　Synopsys Saber提供一套物理建模和模擬工具，汽車廠商和一級供應商可以用這一工具來設計、驗證和優(yōu)化牽引馬達控制中的電力電子器件。Synopsis Saber 產品線的業(yè)務開發(fā)高級經理Lee Johnson說，“Saber的工具能夠讓用戶分析和優(yōu)化在單獨運作或整合進完整系統(tǒng)的獨立子系統(tǒng)。

　　Synopsys工程師也參與了SiC和GaN新材料在電動車和混合動力車設計中的重要部分。Johnson說，“我們推出了第一款SiC器件模型，讓用戶開始了解這些新技術對他們馬達控制設計的影響和沖擊?！?/P>

　　稀土磁體材料的成本不斷上升，間接推動了對于其他馬達技術的研究。Johnson 表示其他的成本如用于控制電子的復雜度、熱度和電磁兼容性表現、電機的可靠性的成本都必須納入考慮?！癝aber的模擬工具為客戶提供了評估新型馬達和控制策略的平臺，而硬件原型和物理測試設備的開銷并沒有上升，”他說。

　　基于模型的設計（Model-based deisign）和MathWorks的工具已經大量應用于電動車和混合動力車的牽引馬達中，用途包括生產項目和快速建模。這些復雜度的不斷提升是使用基于模型設計的有力因素。

　　MathWorks的汽車行業(yè)經理Wensi Jin 表示，“我們發(fā)現能夠實現設計的可操作的模型應用廣泛，使用模擬工具實現設計折衷，使用自動代碼生成工具用以具體的實現。”

　　MathWorks的應用工程經理Chris Fillyaw把寶押在不斷發(fā)展的SimPowerSystem上，利用他的電力驅動庫和電力電子元件模型簡化電動或混合動力系統(tǒng)開發(fā)?！癋illyaw說，利用庫里的構件實現設計折衷和控制器驗證，從而快速構建馬達驅動的系統(tǒng)級模型的能力，對于馬達控制開發(fā)者來說非常重要?！保▓D3）

　　不斷增加的系統(tǒng)復雜性需要更強大的處理能力，以實現嵌入式控制器的模擬和執(zhí)行。結果是，Fillyaw發(fā)現馬達控制的開發(fā)人員對ASIC和FPGA的興趣更大了。這些器件能提供足夠的處理帶寬，為處于硬件在環(huán)仿真（HIL）的控制器提供電機實時測試模型的執(zhí)行。

　　Fillyaw說，“Simulink HDL Coder 可用于從模型中生成HDL（硬件描述語言）代碼，可以用行業(yè)標準的工具模擬和同步，然后在FPGA和ASIC平臺上實現?！?/P>

電動汽車馬達的計算能力

　　最早的電動車和混合動力車的馬達控制依賴于專長，很多時候這些專長來自傳統(tǒng)汽車MCU廠商。例如，作為領先的汽車電子MCU廠商，瑞薩在電動車和混合動力車領域投入多年，現在正在開發(fā)下一代系統(tǒng)和設計導入。