運(yùn)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(jīng)歷很大的變化。盡管從銷售量來看，它們還遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于采用燃油的車型，但汽車生產(chǎn)商已經(jīng)從中學(xué)到了不少。其中的一點(diǎn)就是，汽車設(shè)計(jì)師已經(jīng)無法滿足于當(dāng)前為工業(yè)應(yīng)用而開發(fā)的的運(yùn)動控制元件了。

　　汽車生產(chǎn)商也在運(yùn)用聯(lián)合購買力，使得新產(chǎn)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(shè)計(jì)和開發(fā)工具等方面對電力的使用也在發(fā)生變化。

馬達(dá)的發(fā)展

　　電動馬達(dá)提供動力，那些雙重功能的馬達(dá)（電動機(jī)-發(fā)電機(jī)）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(shù)家汽車生產(chǎn)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(shù)語略有不同，但永磁同步電機(jī)（PMSM）是絕大多數(shù)廠家的選擇。

　　汽車推進(jìn)方面，馬達(dá)是運(yùn)動控制系統(tǒng)的核心。汽車廠商和供應(yīng)商正在持續(xù)改進(jìn)現(xiàn)有的設(shè)計(jì)，同時開發(fā)新的技術(shù)?，F(xiàn)在有至少兩種不同的趨勢。其中一個和新型馬達(dá)設(shè)計(jì)有關(guān)，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(jī)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(yīng)商重新評估其他的馬達(dá)替代設(shè)計(jì)，特別是感應(yīng)馬達(dá)。

　　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(jī)的替代品。UQM Technologies開發(fā)、生產(chǎn)高能效比的電動馬達(dá)、發(fā)電機(jī)以及電力電子控制器。

　　Lutz說，用于永磁電機(jī)的永磁材料主要來自中國。由于成本增加四倍，而且經(jīng)常缺貨，之前不太被看好的的感應(yīng)電機(jī)和繞線磁極式電機(jī)現(xiàn)在吸引了更多的關(guān)注。Lutz還指出，目前的材料研究可以將特定級別的電機(jī)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(dǎo)體的技術(shù)的進(jìn)步，包括碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）器件就是眾多替代電機(jī)技術(shù)中，能夠提升性能的技術(shù)。

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

　　Protean 在一部福特F150電動車?yán)锇惭b了四個輪內(nèi)馬達(dá)，以400V直流驅(qū)動運(yùn)行， Protean Drive PD18內(nèi)置了逆變器技術(shù)，扭矩為300Nm/rpm，峰值功率為84kW，額定功率為54kW。

模擬馬達(dá)控制

　　模擬工具是每個汽車廠商和許多零部件供應(yīng)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(chǎn)造成影響以及帶來質(zhì)量和可靠性的問題，從而導(dǎo)致?lián)p失。由于電動車和混合動力車的復(fù)雜度不斷攀升，無論是新馬達(dá)、新部件還是系統(tǒng)級的改進(jìn)，這些新一代的設(shè)計(jì)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(jìn)技術(shù)開發(fā)總裁Scott Stanton指出，永磁電機(jī)的關(guān)注度仍在上升。

　　Stanton說，“我們有客戶正在研究電動機(jī)如何采用更細(xì)致的建模方式，為系統(tǒng)工程師提供更詳盡的模型。”和基于馬達(dá)參數(shù)的建模技術(shù)相比更重要的是，其電感和電容對先進(jìn)的建模有很大影響?，F(xiàn)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(dá)性能的表現(xiàn)。Stanton 說，“他們會用電磁解法器分析問題，將電機(jī)的表現(xiàn)特性化，然后創(chuàng)建模型?！毙履Ｐ偷氖褂脤︸R達(dá)特性有主要影響（圖2）。

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

　　他說“六七年前，當(dāng)我們開始和客戶談的時候，他們在使用永磁馬達(dá)設(shè)計(jì)，現(xiàn)在突然都找上門說，我們正在解決感應(yīng)馬達(dá)的問題和磁阻馬達(dá)的問題”。除了對比馬達(dá)的性能之外，客戶還通過模擬工具建立了針對感應(yīng)馬達(dá)的新的控制策略，這比控制永磁馬達(dá)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(shù)能夠?yàn)榛旌蟿恿ζ噹砥鋬?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(yīng)商可以用這一工具來設(shè)計(jì)、驗(yàn)證和優(yōu)化牽引馬達(dá)控制中的電力電子器件。Synopsis Saber 產(chǎn)品線的業(yè)務(wù)開發(fā)高級經(jīng)理Lee Johnson說，“Saber的工具能夠讓用戶分析和優(yōu)化在單獨(dú)運(yùn)作或整合進(jìn)完整系統(tǒng)的獨(dú)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(shè)計(jì)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(shù)對他們馬達(dá)控制設(shè)計(jì)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(dá)技術(shù)的研究。Johnson 表示其他的成本如用于控制電子的復(fù)雜度、熱度和電磁兼容性表現(xiàn)、電機(jī)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(dá)和控制策略的平臺，而硬件原型和物理測試設(shè)備的開銷并沒有上升，”他說。

　　基于模型的設(shè)計(jì)（Model-based deisign）和MathWorks的工具已經(jīng)大量應(yīng)用于電動車和混合動力車的牽引馬達(dá)中，用途包括生產(chǎn)項(xiàng)目和快速建模。這些復(fù)雜度的不斷提升是使用基于模型設(shè)計(jì)的有力因素。

　　MathWorks的汽車行業(yè)經(jīng)理Wensi Jin 表示，“我們發(fā)現(xiàn)能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)計(jì)的可操作的模型應(yīng)用廣泛，使用模擬工具實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)折衷，使用自動代碼生成工具用以具體的實(shí)現(xiàn)?！?/P>

　　MathWorks的應(yīng)用工程經(jīng)理Chris Fillyaw把寶押在不斷發(fā)展的SimPowerSystem上，利用他的電力驅(qū)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(gòu)件實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)折衷和控制器驗(yàn)證，從而快速構(gòu)建馬達(dá)驅(qū)動的系統(tǒng)級模型的能力，對于馬達(dá)控制開發(fā)者來說非常重要?！保▓D3）

　　不斷增加的系統(tǒng)復(fù)雜性需要更強(qiáng)大的處理能力，以實(shí)現(xiàn)嵌入式控制器的模擬和執(zhí)行。結(jié)果是，F(xiàn)illyaw發(fā)現(xiàn)馬達(dá)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(jī)實(shí)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(biāo)準(zhǔn)的工具模擬和同步，然后在FPGA和ASIC平臺上實(shí)現(xiàn)?！?/P>

電動汽車馬達(dá)的計(jì)算能力

　　最早的電動車和混合動力車的馬達(dá)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(lǐng)先的汽車電子MCU廠商，瑞薩在電動車和混合動力車領(lǐng)域投入多年，現(xiàn)在正在開發(fā)下一代系統(tǒng)和設(shè)計(jì)導(dǎo)入。