當(dāng)代汽車(chē)電子產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)在加速開(kāi)發(fā)過(guò)程、降低開(kāi)發(fā)成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量等方面廣泛地受益于計(jì)算機(jī)輔助工程軟件(cae)。本文以某發(fā)動(dòng)機(jī)的油氣控制和點(diǎn)火系統(tǒng)為例，說(shuō)明ansoft的em工具在汽車(chē)電子與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)等諸多方面的應(yīng)用，為中國(guó)汽車(chē)電子設(shè)計(jì)工程師提供新的選擇。

    汽車(chē)中電子成分的不斷增多是因?yàn)槭袌?chǎng)對(duì)汽車(chē)產(chǎn)品的要求與期望的不斷增加。例如，對(duì)汽車(chē)安全系統(tǒng)的更高要求就產(chǎn)生了防抱死剎車(chē)(abs)、軌道控制系統(tǒng)、防滑出、防翻滾及其側(cè)面氣囊保護(hù)等措施。對(duì)更高燃油效率的要求又引入了直噴發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)(direct injection)、隨換多缸系統(tǒng)(displacement on demand)、電子閥控系統(tǒng)(electronic valving)以及混合動(dòng)力型汽車(chē)(hybrid vehicle)。這些不斷增加的電子系統(tǒng)使汽車(chē)系統(tǒng)變得更為復(fù)雜，也使得這些系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)、設(shè)計(jì)過(guò)程變得更具有挑戰(zhàn)性。

    對(duì)日趨復(fù)雜的汽車(chē)部件及電子系統(tǒng)，傳統(tǒng)的控制方法已顯得力不從心。例如，傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火時(shí)序控制都是基于表格查找方法。這種方法對(duì)現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)有很多局限性，一是表格法不能將發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)特征考慮進(jìn)來(lái)；二是現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)需要控制的狀態(tài)從以前的幾百個(gè)到現(xiàn)在的上萬(wàn)個(gè)，這樣，用表格查找的方法就很難實(shí)施，也無(wú)法再繼續(xù)提高發(fā)電機(jī)的性能。隨之而來(lái)，一種代替這種方法的現(xiàn)代控制是基本模型的控制方法(。這種方法的實(shí)施過(guò)程不太隨發(fā)動(dòng)機(jī)的復(fù)雜程度而變，但需要一個(gè)較準(zhǔn)確的發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)模型。另外，汽車(chē)電子器件與系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)方式和過(guò)程也必須加快速度、降低成本、增加質(zhì)量才能滿(mǎn)足廠(chǎng)家的管理目標(biāo)。傳統(tǒng)的硬件研制、測(cè)試、再研制、再測(cè)試的重復(fù)模式就顯得費(fèi)時(shí)、費(fèi)力，成本也會(huì)相應(yīng)增加。

    在這樣的背景下，越來(lái)越多的汽車(chē)電子廠(chǎng)家利用計(jì)算機(jī)輔助工程軟件來(lái)加速研發(fā)過(guò)程，降低研發(fā)成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量。具體做法是：廠(chǎng)家在計(jì)算機(jī)的虛擬平臺(tái)上來(lái)完成盡可能多(可高達(dá)80%到90%的工作量)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)、分析工作，只是在最后一步才進(jìn)行實(shí)際硬件實(shí)施。

    圖1：發(fā)動(dòng)機(jī)的油氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例。

    無(wú)刷電機(jī)代替有刷電機(jī)油泵的設(shè)計(jì)實(shí)例

    我們以發(fā)動(dòng)機(jī)的油氣控制系統(tǒng)為例來(lái)說(shuō)明設(shè)計(jì)過(guò)程。如圖1所示。首先，一個(gè)廠(chǎng)家決定用無(wú)刷電機(jī)來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的有刷電機(jī)油泵。它可以從rmxprt軟件開(kāi)始，該軟件中有包含無(wú)刷電機(jī)在內(nèi)的13種電機(jī)和發(fā)電機(jī)模式。用戶(hù)只需要輸入與電機(jī)有關(guān)的設(shè)計(jì)參數(shù)，例如輸入電壓、功率、極數(shù)、永磁鐵類(lèi)型等，rmxprt就可以自動(dòng)設(shè)計(jì)出一個(gè)基本的無(wú)刷電機(jī)，并計(jì)算出該電機(jī)在不同運(yùn)營(yíng)狀態(tài)(例如空載和全載)的性能參數(shù)，例如力矩、轉(zhuǎn)速和效率等。

    如果用戶(hù)想對(duì)以上設(shè)計(jì)的基本電機(jī)進(jìn)行更進(jìn)一步的分析與優(yōu)化，他可以選用全功能的fea軟件。maxwell是一套通用的用于電磁分析的fea軟件。它可以對(duì)任意的兩維或三維的實(shí)體設(shè)計(jì)，其中每一物體可以有不同的包括非線(xiàn)性的電磁特性，進(jìn)行與電磁場(chǎng)有關(guān)的靜態(tài)或動(dòng)態(tài)的性能分析。例如，用戶(hù)可以分析一個(gè)電機(jī)內(nèi)的磁場(chǎng)強(qiáng)度的分布來(lái)確定定子槽距的間隙，或者調(diào)整空氣間隙來(lái)確定力矩的大小。同時(shí)maxwell一個(gè)很重要的功能就是動(dòng)態(tài)的損耗計(jì)算，包括由渦流和滯回引起的鐵芯損耗。由于maxwell軟件的通用性，它可以用于除電機(jī)外任何包括電磁原理的系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)，例如可變磁阻的速度傳感器、電磁線(xiàn)圈(solenoid)、電抗器以及變壓器等。

    電機(jī)設(shè)計(jì)完成后，其準(zhǔn)確的仿真模型可直接應(yīng)用于線(xiàn)路仿真系統(tǒng)軟件simplorer中。這種從fea模型直接生成線(xiàn)路模型的過(guò)程省去了很多對(duì)物理系統(tǒng)建模的繁雜過(guò)程。simplorer是一個(gè)以電路為核心并具有包括機(jī)械、液壓、熱能等多物理域的仿真系統(tǒng)軟件。與許多其他線(xiàn)路仿真軟件不同的是，simplorer線(xiàn)路中所用的元件都是基于物理原理的模型，而不是行為模型。這樣，當(dāng)整個(gè)系統(tǒng)模型建成后，其行為由每個(gè)元件的物理特性所決定。在線(xiàn)路仿真中，電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路的設(shè)計(jì)和分析首先得到完成，這包括用固體開(kāi)關(guān)元件和pwm的控制方法對(duì)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制。

    電路以外的系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例

    此外，simplorer還可用于電路以外的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。在下