仿真技术在汽车电子设计中的应用
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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
双电压系统
在双电压系统中,把用电设备分成两部分:中 小 功 率 负 载 由 !; : 电 压 供 电 , 如 室 内 灯 、 中 控 锁 、 收音机、仪表、车载导航系统等主要为车身电子设 备;大功率负载,如电控机械制动装置、电控机械 气门正时装置、三元催化转换加热器、电控悬架 等,主要为发动机、底盘系统 电 子 设 备 , 由 ;( : 电 压供电。此双电压供电系统有两个关键器件,一个 是 .C A .C 变换器,它能把交流发电 机 输 出 的 ;( : 高 电压转变为 !; : 的电压。另一 个 是 装 在 发 动 机 和 变
《 汽车电器》 200 6 年第 5 期
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设计!研究
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图!
"# $ % &# $ 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。
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。
图& 输出功率与内燃机曲轴转速的关系曲线
Hale Waihona Puke Baidu
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双电压系统中 "# $ 供电系统
在运行中,双电压系统的电压随着转速变化而 变化,电压峰值对电器元件的影响是非常明显的。 图 ’ 所 示 的 是 双 电 压 系 统 中 "# $ 供 电 系 统 的 变 化 曲 线,非常清晰地显示了在转速急剧变化时电压的瞬 时值,此脉冲电压峰值在电气系统设计和选择电子 电器元件时有着非常重要的参考价值。 在仿真过程中,主要分两种类型进行。为 了 描 述简单,这里将 "# $ 与 9" $ 分 开 进 行 讨 论 。 第 一 种 方法,全部打开所有的电子设备,可以观察到整 个系统及各个电子器件的电压、电流波形,以及
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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型系统之间的设计,包括模拟电路、数字电路及混 合电路;通过单一的混合信号仿真内核就可以提供 精确有效的仿真结果;通过对稳态、时域、频域、 统计、可靠性及控制等方面的分析来检验系统性能。
)*+,- 仿真器能够让设计人员对从汽车的最初
设计方案 (方框图)到由实际电路和机械实现的完 整系统进行仿真。这种能力对于复杂运动控制系统 的设 计 (如 *+) 系 统 、 安 全 气 囊 系 统 、 发 动 机 控 制 系统、车身控制系统等)尤为重要。
元,且遵循相应的守恒定律,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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"#$%&软件仿真技术 )*+,- 软件是一个在数学模拟及硬件设计方面 ’
汽车电子仿真技术的应用 汽车在投产之前要经过大量的测试试验,对原 设计不断地进行修正往往会耗费大量的物力和时 间。在设计阶段,对各种状况进行模拟仿真、修 正、完善设计,能够提高效率、缩短开发周期。使 用 )*+,- 软 件 进 行 仿 真 , 主 要 分 为 2 个 阶 段 : 建 立 数学模型、对系统原理进行仿真和对仿真模型进行 修改检验。
设计!研究
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建立数学模型 所谓计算机仿真就是将实际系统的运行规律用
数学形式表达出来,它们通常是一组微分方程或差 分方程,然后通过计算机采用数值求解法求解这些 方程。 在仿真之前,首先对系统原理图中的所有零部 件进行抽象化,建立数学模型,绘制系统的数学模 型。为了对电路或系统进行计算机仿真,经常需要 开发一个或一组模型。要研究电路的详细特性,可 能要求对物理器件建模,有时还需要对大型电路或 系统建模。系统模型可能无需和器件模型一样详 尽,但作为大系统仿真的一部分,系统模型仍然非 常有用。零部件数学模型的质量直接关系到仿真结 果的准确性。通过对数学模型各种参数属性的设置 来模拟零部件的功能,同时,经过大量计算和试 验,不断修正、完善数模。对于同一类零部件可以 共用一个 (或一类)模型,通过调整数模参数值来 实现零部件的更迭。这对于缩短开发周期、节省开 发成本,起着至关重要的作用。 在一定外界条件 (即输入或激励,包括外加控 制与外加干扰)的作用下,从系统的一定初始状态 出发,所经历的由其内部的固有特性 (即由系统的 结构与参数所决定的特性)决定了整个动态过程。 研究系统及其输入、输出三者之间的动态关系,即 可 确 定 其 性 能 的 属 性 。 图 !是 汽 车 音 响 系 统 中 扬 声 器的物理模型,其中 "#$% 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 类似的零件只需修改其属性参数值即可。
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
设计!研究
()*+,-!&)*)./01
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
!"%!"%)
摘要:为了缩短汽车电子系统的开发周期、降低开发试验成本,仿真技术 被 引 入 汽 车 电 子 的 设 计 之 中 。 本 文 结 合实例介绍如何利用 )*+,- 软件对电子产品及系统建立数学模型、进行仿真和分析,以 及 如 何 利 用 仿 真 结 果 对 原 设 计进行验证和完善。 关键词:汽车电子; )*+,- 软件;仿真 中图分类号: 3’#24#"! 文献标识码: * 文章编号: %""2$5#2& (!""# ) "($"""5$"’
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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。
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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
:6 $ 蓄电池的充放电状态。另一种方法是观察在各
双电压系统
在双电压系统中,把用电设备分成两部分:中 小 功 率 负 载 由 !; : 电 压 供 电 , 如 室 内 灯 、 中 控 锁 、 收音机、仪表、车载导航系统等主要为车身电子设 备;大功率负载,如电控机械制动装置、电控机械 气门正时装置、三元催化转换加热器、电控悬架 等,主要为发动机、底盘系统 电 子 设 备 , 由 ;( : 电 压供电。此双电压供电系统有两个关键器件,一个 是 .C A .C 变换器,它能把交流发电 机 输 出 的 ;( : 高 电压转变为 !; : 的电压。另一 个 是 装 在 发 动 机 和 变
《 汽车电器》 200 6 年第 5 期
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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。
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。
图& 输出功率与内燃机曲轴转速的关系曲线
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双电压系统中 "# $ 供电系统
在运行中,双电压系统的电压随着转速变化而 变化,电压峰值对电器元件的影响是非常明显的。 图 ’ 所 示 的 是 双 电 压 系 统 中 "# $ 供 电 系 统 的 变 化 曲 线,非常清晰地显示了在转速急剧变化时电压的瞬 时值,此脉冲电压峰值在电气系统设计和选择电子 电器元件时有着非常重要的参考价值。 在仿真过程中,主要分两种类型进行。为 了 描 述简单,这里将 "# $ 与 9" $ 分 开 进 行 讨 论 。 第 一 种 方法,全部打开所有的电子设备,可以观察到整 个系统及各个电子器件的电压、电流波形,以及
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
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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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型系统之间的设计,包括模拟电路、数字电路及混 合电路;通过单一的混合信号仿真内核就可以提供 精确有效的仿真结果;通过对稳态、时域、频域、 统计、可靠性及控制等方面的分析来检验系统性能。
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设计方案 (方框图)到由实际电路和机械实现的完 整系统进行仿真。这种能力对于复杂运动控制系统 的设 计 (如 *+) 系 统 、 安 全 气 囊 系 统 、 发 动 机 控 制 系统、车身控制系统等)尤为重要。
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汽车电子仿真技术的应用 汽车在投产之前要经过大量的测试试验,对原 设计不断地进行修正往往会耗费大量的物力和时 间。在设计阶段,对各种状况进行模拟仿真、修 正、完善设计,能够提高效率、缩短开发周期。使 用 )*+,- 软 件 进 行 仿 真 , 主 要 分 为 2 个 阶 段 : 建 立 数学模型、对系统原理进行仿真和对仿真模型进行 修改检验。
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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 类似的零件只需修改其属性参数值即可。
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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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起动机 ) 发电机系统
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