运动控制引领汽车发展新方向

　　快速发展的电动汽车(EV)和混合动力汽车(HEV)行业正在发生翻天覆地的变化。虽然这些汽车的销售情况仍远远落后于燃油汽车，但汽车制造商从他们的努力中已经学到了许多。因此，汽车设计人员不能仅满足于为工业应用开发的运动控制元件。

　　汽车制造商正在行使他们的综合购买力使新产品更符合他们的需求，与此同时，用于电子推进系统的功率电子元件、微控制器、系统设计和开发工具等方面也发生着巨大变化。

电动汽车的发展

　　电动机提供推进动力，而具有双功能(电动发电机)的电动机还可以从各种新型汽车中恢复能量。除了人们熟知的丰田Prius混合动力产品外，还有多家汽车制造商正在开发或提供插电式混合动力、轻度混合动力汽车甚至微混合动力(没有推进力)和纯电动汽车(见表)。虽然每家制造商使用的术语可能稍有不同，但对大多数汽车制造商来说永磁同步电机(PMSM)是理想的选择。

　　由于电机或电动机是汽车推进中的运动控制系统的中心部件，所以汽车制造商和供应商一直不断地改进现有设计，并开发新的替代产品。从目前汽车发展趋势看，至少两条路可走，一条是采用全新的电机设计，另一条是使用人们更加熟悉的方法。

　　就熟悉的方法而言，由于作为实现高性能永磁电机的关键要素：钕磁铁的成本在不断上升，促使汽车制造商和他们的一级供应商对交流电机设计特别是感应电机设计进行重新评估。

　　在底特律举行的2011 SAE大会上，高效率电动机、发电机和功率电子控制器的开发商与制造商UQM Technologies公司工程技术副总裁Jon Lutz介绍了永磁电机的替代方案。

　　由于成本几乎翻了4倍，再考虑到永磁体电机中使用的钕磁铁主要产于中国，以前曾被认为可用性不高的感应与绕线磁场设计得到了人们越来越多的关注，Lutz指出。

　　Lutz还认为，正在开展的材料研究可以最大限度地减少特定电机标准和替代磁体材料所需的钕含量。包括碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)在内的功率半导体技术的进步有望提高交流电机技术可实现的性能。

　　Protean Electric公司首席技术官Andy Watts认为，从更加激进的角度看，轮内电机(IWM)可显著改进电动汽车和混合动力汽车性能。该公司的Protean Drive就是用于汽车推进的一款高度集成、三相、永磁直接驱动解决方案。每个电机都有内置的逆变器、控制电路和软件(图1)。

图1：TT electronics公司定制的微型逆变器模块，可提供Protean公司轮内电子驱动系统中的集成式功率电子电路。

　　Protean Electric公司在福特的F-150电池电动汽车(BEV)中安装了4个轮内电机。每个轮内电机大小为18英寸，工作在400V直流电压，采用了集成逆变器技术的Protean Drive PD18，在每分钟1300转时可以提供300Nm以上的扭矩，峰值功率可达84kW，连续功率为54kW。

仿真电机控制

　　为使新车更早上市，并避免可能影响到生产、进而引起质量和可靠性问题的高代价开发错误，仿真工具是每个汽车制造商和许多供应商工具箱中的一个有机组成部分。随着电动汽车和混合动力汽车复杂性的提高，不管下一代设计涉及到新电机、新元件还是系统级改进，这些工具都是不可或缺的。

　　Ansys公司于2008年收购了Ansoft公司，因此可以提供新的仿真方法。目前人们对永磁电机的评估兴趣仍是有增无减，Ansys公司先进技术部门技术总监Scott Stanton指出。

　　“我们的客户正在研究给电器设备更详细建模、然后给系统工程师提供这种详细模型的方法。”Stanton表示。

　　以前的建模技术依赖于提供电机的电感和电阻等参数，对今天的仿真而言显得太过粗略。现在，Ansys工程师与客户一起使用场解算器来了解机器的性能。

　　“他们使用Ansys电磁场解算器分析问题，表征机器行为，然后根据结果创建模型。”Stanton指出。使用新模型可以表征大部分电机特性(图2)。

图2：用于电机控制系统的Ansys Simplorer仿真工具包含基于物理的模型，可解决热、磁、机械、电磁兼容性(EMC)和电磁干扰(EMI)等诸多问题。

　　得到增强的系统分析能力是重新评估交流电机技术的一个有机组成部分。据Stanton透露，他有许多客户正在研究替换永磁电机的可行性。

　　“自从六、七年前向客户介绍永磁设计以来，他们就一直在使用永磁设计。”他指出，“现在他们突然来找我们，并表示，‘我们现在正在解决感应电机问题，我们正在解决同步磁阻问题。’”

　　除了比较机器性能外，客户还使用仿真工具为感应机器建立新的控制策略，这要比控制永磁机器困难得多。

　　从Stanton与Ansys客户合作过程中发现，功率半导体将继续沿着人们熟悉的路径发展。“IGBT将在很长时间内成为半导体产品的首选。”他表示。不过，采用Ansys方法后，SiC和GaN当然会联合系统供应商一起进行评估，从而判断这些新技术可能给混合动力汽车和电动汽车带来的优势和问题。

　　新思公司(Synopsys)的Saber是一整套物理建模和仿真工具，汽车制造商和一级供应商可以使用这些工具对牵引电机控制用功率电子器件进行设计、验证和优化。“Saber工具可以帮助客户分析和优化独立或集成进完整系统的单个子系统。”新思Saber产品线业务开发高级经理Lee Johnson表示。

　　新思工程师期望SiC和GaN等新器件材料能应用于电动汽车和混合动力汽车设计。“我们已经发布了首批SiC器件型号，可以让客户开始理解这些新技术对他们的电机控制设计的影响。”Johnson透露。

　　虽然地球稀有磁体的高昂成本不断鼓励人们研究其它电机技术，但Johnson坚持认为还必须考虑其它多种成本，包括控制电路的复杂性、热和电磁兼容(EMC)行为以及机器可靠性。“Saber仿真工具为客户评估新的电机类型和控制策略提供了理想的平台，客户无需再使用硬件原型和物理测试装置。”他表示。

　　基于模型的设计(MBD)和MathWorks工具已被广泛用于电动汽车和混合动力汽车的牵引电机控制领域，用于生产计划和快速原型创建。这些系统复杂性的不断提高是使用模型设计的一个重要理由。

　　“我们发现人们广泛使用可执行模型来捕获设计，使用仿真进行设计折衷，并在实现中使用自动代码生成功能。”MathWorks公司汽车产业经理Wensi Jin指出。

　　MathWorks公司应用工程经理Chris Fillyaw相信，SimPowerSystem及其电力驱动和功率电子元件模型的发展有助于简化电动汽车和混合动力汽车的开发。“针对设计折衷和控制器验证而使用库模块快速建立电机驱动的系统级仿真的能力被证实对电机控制器开发人员来说极具价值。”Fillyaw指出(图3)。

图3：SimPowerSystem仿真模型显示了在电动汽车电机控制系统中的电动机和发电机中的数据流动。

　　系统复杂性的提高对嵌入式控制器的仿真和执行所需的处理能力提出了更高的要求。因此Fillyaw看到电机控制开发人员对使用ASIC和FPGA越来越有兴趣，因为它们可以提供执行电机模型硬件在环(HIL)仿真环境中实现实时控制器测试所需的处理带宽。

　　“可以使用Simulink HDL编码器从模型中产生硬件描述语言(HDL)代码，而这些模型可以使用工业标准工具进行仿真和综合，然后在FPGA和ASIC上实现。”Fillyaw指出。

电动汽车电机所需的运算能力

　　最初电动汽车和混合动力汽车中的电机控制依赖于专业技术以及大多数情况下传统汽车MCU供应商提供的产品。例如，作为领先的汽车MCU供应商，瑞萨公司(Renesas)多年来一直致力于电动汽车和混合动力汽车的研发，目前正在研发适合下一代系统使用的新型设计。

　　瑞萨公司业务发展总监Amrit Vivekanand已经看到从第一代设计到第二代设计的显著变化。“在第一代设计中，汽车制造商对成本不是那么在意。”Vivekanand表示。

　　虽然成本一直是个问题，但出货数量可能很少，因此上市时间和创建环保形象更加重要。这些系统“并没有针对电机控制或混合动力汽车”应用进行过优化，Vivekanand指出。

　　对于2016至2018这一时期的产品来说，重点将真正转向更加大众化的产品。这将使汽车制造商不禁要问上几个与系统有关的问题。“如何降低成本？如何提高效率？如何减小电池尺寸？”Vivekanand问道，“如何尽可能高效地转换能量？”

　　Vivekanand提示在第一代设计标准和第二代设计标准之间策略有明显改变。“第一代设计是全力保证安全地控制电机，这是设计师们的主要考虑因素，但现在首要因素变成了效率问题。”他指出。现在，为了管理能量转换效率和处理系统折衷，电机控制不得不做得特别复杂。

　　飞思卡尔半导体(Freescale)可以向一级厂商和OEM的电机控制电路设计提供微控制器技术。“目前为止，飞思卡尔和市场上的大多数公司一直在重复利用为底盘控制和传动系等其它应用设计的微控制器。”飞思卡尔半导体微控制器部门业务经理Steven Rober透露。未来，飞思卡尔计划采用更加完整的系统方法。