运动控制在汽车领域发展应用

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。

飞思卡尔的下一代55nm微控制器有望集成源自底盘控制器件的定制电机控制外设。这些底盘控制器件能够驱动带电流测量与控制功能的三相电机，并将这些功能与高吞吐量微处理器和大内存传动系结合在一起。Rober希望这些改变可以通过改进控制信号来提高系统的可控性，并允许更高复杂度的电机控制算法，进而降低成本。

Rober预测，许多低端至中端汽车设计将采用电子控制系统来控制IC引擎和牵引电机。“我们新的55nm微控制器集内存、吞吐量和控制外设于一身，非常适合这些汽车设计使用。”他指出。

德州仪器(TI)发现最近推出的双子系统C2000 Concerto微控制器可在混合动力汽车以及其它非汽车应用中发挥重要使用。该系列微控制器整合了C28x内核和ARM Cortex-M3内核，是实时控制和连接的理想之选。

“C2000在汽车控制和数字电机控制中总是扮演着重要角色。”TI公司C2000 MCUU营销经理Michael Wei表示，“鉴于我们拥有的能力，我们的价值在交流感应设计得到了真正体现。”

根据为汽车系统开发的ISO 26262功能性安全标准，TI公司认为未来电动汽车和混合动力汽车电机控制中的一大变化是更加全面的安全要求。

“TMS470M可以与起牵引电机控制驱动作用的C2000实现完美配合。”TI公司安全MCU部门营销经理Anthony Vaughan表示。

在这种架构中，TMS470M提供安全功能。有位用户的前代系统使用C2000实现电机控制。针对下一代系统，这位用户将增加TMS470M。“例如，所有闪存都有ECC(纠错码)保护功能，因此它能检测单个比特错误，并实时进行纠正。”据Vaughan介绍。

传动系所用产品的供应商完全可以增加混合动力汽车和电动汽车用的电机控制产品。例如，Microsemi公司产品营销经理Minal Sawent指出，Microsemi公司已经从最近收购Actel中获得经AEC Q100认证的、为传动系应用设计的产品。

最新的SmartFusion产品包含了一款集成有硬ARM Cortex-M3和可编程模拟技术的FPGA。电机控制开发套件有助于用户演示该产品在电机控制应用方面的性能。虽然这些产品目前还没有获得汽车行业认证，但这种认证已经成为Microsemi公司今后的追求目标。

图4：英飞凌电机控制模块图定义了电动汽车和混合动力汽车中关键高层元件间的关系

实际功率

逆变器中的功率半导体器件直接连接电动汽车或混合动力汽车中的永磁、感应或其它电机。逆变器获取电池中的直流能量，然后将这种能量转换为运转电机所需的交流能量。

“提高逆变器效率对电池尺寸有直接影响。”英飞凌科技公司(Infineon)混合与电动汽车技术部门营销经理Carl Bonfiglio指出。

Bonfiglio发现，汽车制造商对更高功率电平的要求已经达到顶峰。“我们不认为他们能继续提高逆变器的输出功率，因此现在的目标是缩小逆变器尺寸。”他表示。

在加州阿纳海姆市举行的SAE2011混合动力汽车讨论会暨电动汽车讨论会的演讲中，英飞凌公司汽车事业部总裁Jochen Hanebeck介绍了在未来电动汽车与混合动力汽车领域中 功率半导体技术有望产生的许多变化。

与目前工作在200℃结点温度的标准技术相比，Hanebeck认为在相同使用时间条件下每单位硅片面积可以增加60%以上的输出功率，或者在相同输出功率条件下每单位硅片面积可延长500%以上的使用时间。另外一种好处是，在相同使用时间和输出功率条件下硅片面积可以减少40%以上，并且具有更强的温度冷却功能，甚至可以取消低温散热器(图5)。

图5：随着封装和硅技术的发展，英飞凌希望其电源模块能输出更大的功率，同时仍具有30年的使用寿命

栅极驱动IC的改进对系统有很大的好处。现在的情况是能够快速诊断不同的故障条件，然后采取措施，并与主要的微控制器进行通信，实现正确的响应。“在诊断要求不是太高的场合，业界一般采用面向工业电机控制开发的栅极驱动器。”Bonfiglio指出。

仅车载诊断(OBD)要求就足以推动这些进步。通过修改和完善，目前的方法可以经过优化实现更低的成本和系统复杂性。

TT electronics公司为Protean Electric公司的轮内电机开发了定制的微型逆变器/模块。TT electronics公司全球技术部总监Steve Jones认为集成式轮内电子驱动系统具有巨大优势，包括为更大的SUV汽车提供足够的功率和扭矩，节省车辆内的乘用空间等。他还看好交流电机和半导体技术。

“人们对混合动力汽车的感应控制很感兴趣。这种混合动力汽车在城市内用电力驱动，在其它地方则使用内燃机。”Jones表示，“这种改进可以很快完成，因而能很快上市。”

TT electronics公司在为电动汽车/混合动力汽车市场开发新产品的过程中实现了多种新技术。“使用SiC器件和兼容封装可提供诸多应用优势，包括更大的功率密度、更低的开关损耗、更高的工作频率和更高的工作温度。”Jones表示。

交流电机技术和先进的半导体器件当然不是推动未来电动汽车和混合动力汽车发展的唯一潜在变化。Ioxus有限公司工程技术副总裁Dave Torrey认为，电机驱动系统是可以从超级电容受益的汽车系统之一，这种超级电容可以在加速状态下补充电池电压。

“如果你使用超级电容，你就真正拥有了一个在电池和超级电容之间混用的能量系统。”Torrey表示，“超级电容可以支持这种功率。”

正确的方向

汽车制造商正在努力向两次充电之间实现更低燃油消耗、更长电动行驶距离和更长时间的方向发展。因此，他们需要得到拥有关键技术的各家供应商的帮助。总之，千里之行始于足下，只要迈出第一步，就有成功的希望。

“我发现整个混合动力汽车市场仍处于初级阶段。”Ansys公司的Stanton表示，“对我来说就像是100年前汽车产业的启蒙时期。你所拥有的是这些小型供应商和OEM以及试图向汽车市场出售电机和设计的汽车修理人员。”

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