仿真技术在汽车电子设计中的应用

《 汽车电器》 ２００ ６ 年第 ５ 期
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设计!研究
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"# $ % &# $ 汽车双电压系统原理图
速器之间的起动 ! 发电机，借助一个半导体整流 ! 逆 变功率变换器，它不仅充当交流发电机， 发 出 "# $ 的高电压，而且在发动机起动时还作为起动机用。 由于它是直接起动发动机 ， 起 动 时 间 仅 为 %&’ (， 所 以噪声很小。
功能卓著的仿真工具。对于复杂的混合信号设计和 验证问题， )*+,- 软件为设计工程师提供了一种功 能强大的混合信号行为仿真器。由于混合信号硬件 描述语言— —— .*)/ 的 支 持 ， )*+,- 软 件 实 现 了 单 一内核混合信号及混合技术的仿真，完全改变了模 拟电路仿真的现状。 )*+,- 软件在混合技术领域具 有多个仿真引擎，可以分别处理不同领域的设计单
修改稿收稿日期： !""#$"!$"!
作者简介：章一舫 （%&’($ ） ，男，上海人，高级工程师，全国汽车标准化技术委员会电气分会副主任委员，从事 汽 车 电 子 电气技术研究和设计工作，曾主编 《汽车电器产品手册》等多部图书。
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《 汽车电器》 ２００ ６ 年第 ５ 期
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图" 质量 # 阻尼 # 弹簧系统
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对系统原理进行仿真 在仿真过程中，将数学模型转变成为计算机上
运 行 的 仿 真 模 型 ， 是 由 1,789 软 件 系 统 来 完 成 的 ， 并同时根据仿真模型编制出仿真程序。通过对系统 的仿真，可以随时得出各个子系统或零部件的瞬时 工作状态及性能参数变化，如电压、电流、功率、 转矩等各参数的波形。通过对这些波形与实际试验 的结果进行对比分析，找出两者的差别，从而修正 原设计。 如先前所提及的，安全性和舒适性的需求导致了 新的、高能耗的负载。这些负载可能随着汽车产品 的进一步电子化，汽车电子控制装置得到更多的应 用，所消耗的电能也将大幅度 地 增 加 。 现 有 的 !( : 动力电源已满足不了汽车上所有电气系统的需要， 今 后 将 采 用 集 成 的 ;( : 起 动 机 ’ 发 电 机 供 电 系 统 ， 发电机最大输出功率将由目前的 !<; => 提 高 到 ? => 左右，发电效率 将 会 达 到 ?)@ 以 上 。 同 时 ， 电 压 等 级的提升还将同时带来许多新的问题。 !( : A ;( : 汽
图!
扬声器的物理模型
车双电压系统原理图如图 B 所示。
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于是可将其进一步简化为质量’阻尼’弹簧系统， 如 图 ( 所 示 ， 图 ( 中 #、 $ 、 % 分 别 表 示 质 量 、 粘 性 阻 尼系 数 、 弹 簧 刚 度 。 对 系 统 而 言 ， 质 量 受 外 力（ ! "） 的作用，质量位移为（ （实际扬声器衔铁的振幅） ， & "） 系统的动力学方程为 （" ） （" ） （" ） （" ） ，& （) ） #&’ ($&) (%& *! *&)， &（ + )） *&+) 其中， & （) ） 与 &（ 分别为质量的初位移与初速 + )） 度，这就是在输入作用于系统之前系统的初始状 态。显然，此系统在任何瞬间的状态完全可以由质
图’ 双电压系统中 &# $ 供电系统的变化曲线
:6 $ 蓄电池的充放电状态。另一种方法是观察在各
设计!研究
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建立数学模型 所谓计算机仿真就是将实际系统的运行规律用
数学形式表达出来，它们通常是一组微分方程或差 分方程，然后通过计算机采用数值求解法求解这些 方程。 在仿真之前，首先对系统原理图中的所有零部 件进行抽象化，建立数学模型，绘制系统的数学模 型。为了对电路或系统进行计算机仿真，经常需要 开发一个或一组模型。要研究电路的详细特性，可 能要求对物理器件建模，有时还需要对大型电路或 系统建模。系统模型可能无需和器件模型一样详 尽，但作为大系统仿真的一部分，系统模型仍然非 常有用。零部件数学模型的质量直接关系到仿真结 果的准确性。通过对数学模型各种参数属性的设置 来模拟零部件的功能，同时，经过大量计算和试 验，不断修正、完善数模。对于同一类零部件可以 共用一个 （或一类）模型，通过调整数模参数值来 实现零部件的更迭。这对于缩短开发周期、节省开 发成本，起着至关重要的作用。 在一定外界条件 （即输入或激励，包括外加控 制与外加干扰）的作用下，从系统的一定初始状态 出发，所经历的由其内部的固有特性 （即由系统的 结构与参数所决定的特性）决定了整个动态过程。 研究系统及其输入、输出三者之间的动态关系，即 可 确 定 其 性 能 的 属 性 。 图 !是 汽 车 音 响 系 统 中 扬 声 器的物理模型，其中 "#$% 和 "#$& 作 为 输 入 信 号 ， 由 电磁学可知，可以进一步将其简化为力（ 输入。 ! "） 量的 & （" ） 与 &) （" ） 这两个变动着的状态 （即状态变量） 在此瞬间的取值来刻画。因为（ 在此瞬间的取值代 & "） （" ） 在此瞬间的取值代表了 & （" ） 在 表了位移的情况， &) 此瞬间的变化趋势 （速度）的情况。 还有一种更直接的建立数学模型的方法，就是 模拟硬件描述语言 （,-./）的含义。 0,12 就是一 种 ,-./， 1345620仿真器可以仿真 用 0,12 ,-./ 描 述的网表。 零部件的模型是建立在大量计算和试验基础上 的， 1,789 软件提供了大量的零部件库文件，对于 类似的零件只应的守恒定律，支持电力系统、机电 一体化、机械系统、电子系统、光电控制系统、液 压系统等系统单元。现在， )*+,- 软件在汽车和飞 机制造领域已得到广泛的应用。尤其是在汽车制造 领域，许多欧美公司已将它定为行业标准，并投资
)*+,- 软件的发展以不断满足新的设计需要。 )*+,- 软 件 具 有 明 显 的 优 势 ： 分 析 从 )01 到 大
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起动机 ) 发电机系统
大 功 率 起 动 机 与 发 电 机 （ *+,-./0,-1 2,0/,-/ )
34,-/+0,5/，*23）的转矩特性一致，因此，集成两种
设备于一体在技术上是可行的，在经济上的效益也 显 而 易 见 。 如 图"所 示 的 输 出 功 率 与 内 燃 机 曲 轴 转 速 的 关 系 曲 线 ， *23 让 内 燃 机 的 速 度 达 到 6%% / ) 78+ 的起动速度，然后切换到发电模式。由于"# $系统能 够提供足够的电能，发动机在极短的时间内起动且 在点火前达到更高的转速，这样可以降低低转速下 的排放，换句话说，使得汽车重起动变得更加容易。
汽车电子设备的配置已成为当今汽车发展的潮 流，电子技术的应用几乎深入到了汽车所有的系统 当中。 汽车电子设计已成为汽车系统设计中的重点和 难点。传统方式下的汽车设计者不得不借助各种机 械的、液压的、电子的汽车零部件以验证汽车各子 系统的功能，开发周期长，成本居高不下。为了缩 短开发周期、降低开发成本，人们引入了 )*+,- 仿 真技术进行汽车系统技术的验证和开发。 )*+,- 仿 真技术通过对整个汽车系统进行有效的建模和分 析，能够节约大量的试验设备和试验时间。国际上 几大跨国汽车公司都已使用 )*+,- 仿真技术进行设 计，如美国通用、大众、克莱斯勒等。目前，国内 有 泛 亚 技 术 中 心 能 够 运 用 此 项 技 术 与 通 用 （北 美 ） 进行同步开发。
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设计!研究
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仿真技术在汽车电子设计中的应用
雍建军，章一舫 （上海通用汽车公司泛亚汽车技术中心，上海
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