SABER仿真技術在汽車系統技術的驗證和開發中的應用研究

汽車電子設備的配置已成為當今汽車發展的潮流，電子技術的應用幾乎深人到了汽車所有的系統當中。

汽車電子設計已成為汽車系統設計中的重點和難點。傳統方式下的汽車設計者不得不借助各種機械的、液壓的、電子的汽車零部件以驗證汽車各子系統的功能，開發周期長，成本居高不下。為了縮短開發周期、降低開發成本，人們引入了SABER仿真技術進行汽車系統技術的驗證和開發。SABER仿真技術通過對整個汽車系統進行有效的建模和分析，能夠節約大量的試驗設備和試驗時間。國際上幾大跨國汽車公司都已使用SABER仿真技術進行設計，如美國通用、大眾、克萊斯勒等。目前，國內有泛亞技術中心能夠運用此項技術與通用（北美）進行同步開發。

1、SABER軟件仿真技術

SABER軟件是一個在數學模擬及硬件設計方面功能卓著的仿真工具。對于復雜的混合信號設計和驗證問題，SABER軟件為設計工程師提供了一種功能強大的混合信號行為仿真器。由于混合信號硬件描述語言——MAST的支持，SABER軟件實現了單一內核混合信號及混合技術的仿真，完全改變了模擬電路仿真的現狀。SABER軟件在混合技術領域具有多個仿真引擎，可以分別處理不同領域的設計單元，且遵循相應的守恒定律，支持電力系統、機電一體化、機械系統、電子系統、光電控制系統、液壓系統等系統單元?，F在，SABER軟件在汽車和飛機制造領域已得到廣泛的應用。尤其是在汽車制造領域，許多歐美公司已將它定為行業標準，并投資SABER軟件的發展以不斷滿足新的設計需要。

SABER軟件具有明顯的優勢：分析從SOC到大型系統之間的設計，包括模擬電路、數字電路及混合電路；通過單一的混合信號仿真內核就可以提供精確有效的仿真結果；通過對穩態、時域、頻域、統計、可靠性及控制等方面的分析來檢驗系統性能。

SABER仿真器能夠讓設計人員對從汽車的最初設計方案（方框圖）到由實際電路和機械實現的完整系統進行仿真。這種能力對于復雜運動控制系統的設計（如ABS系統、安全氣囊系統、發動機控制系統、車身控制系統等）尤為重要。

2、 汽車電子仿真技術的應用

汽車在投產之前要經過大量的測試試驗，對原設計不斷地進行修正往往會耗費大量的物力和時間。在設計階段，對各種狀況進行模擬仿真、修正、完善設計，能夠提高效率、縮短開發周期。使用SABER軟件進行仿真，主要分為3個階段：建立數學模型、對系統原理進行仿真和對仿真模型進行修改檢驗。

2.1 建立數學模型

所謂計算機仿真就是將實際系統的運行規律用數學形式表達出來，它們通常是一組微分方程或差分方程，然后通過計算機采用數值求解法求解這些方程。

在仿真之前，首先對系統原理圖中的所有零部件進行抽象化，建立數學模型，繪制系統的數學模型。為了對電路或系統進行計算機仿真，經常需要開發一個或一組模型。要研究電路的詳細特性，可能要求對物理器件建模，有時還需要對大型電路或系統建模。系統模型可能無需和器件模型一樣詳盡，但作為大系統仿真的一部分，系統模型仍然非常有用。零部件數學模型的質量直接關系到仿真結果的準確性。通過對數學模型各種參數屬性的設置來模擬零部件的功能，同時，經過大量計算和試驗，不斷修正、完善數模。對于同一類零部件可以共用一個（或一類）模型，通過調整數模參數值來實現零部件的更迭。這對于縮短開發周期、節省開發成本，起著至關重要的作用。

在一定外界條件（即輸人或激勵，包括外加控制與外加干擾）的作用下，從系統的一定初始狀態出發，所經歷的由其內部的固有特性（即由系統的結構與參數所決定的特性）決定了整個動態過程。研究系統及其輸人、輸出三者之間的動態關系，即可確定其性能的屬性。圖1是汽車音響系統中揚聲器的物理模型，其中In_p fU In_m作為輸人信號、由電磁學可知，可以進一步將其簡化為力f（t）輸人。

于是可將其進一步簡化為質量-阻尼-彈簧系統，如圖2所示，圖2中m、c、k分別表示質量、粘性阻尼系數、彈簧剛度。對系統而言，質量受外力f（t）的作用，質量位移為y（t）（實際揚聲器銜鐵的振幅），系統的動力學方程為my“（t）+cy\‘（t）+ky（t）=f（t），y（o）=yo，y\’（o）=y\‘。

其中，y（0）與y\’（0）分別為質量的初位移與初速度，這就是在輸人作用于系統之前系統的初始狀態。顯然，此系統在任何瞬間的狀態完全可以由質 量的，y（t）與y\‘（t）這兩個變動著的狀態（即狀態變量）在此瞬間的取值來刻畫。因為y（t）在此瞬間的取值代表了位移的情況，y\’（t）在此瞬間的取值代表了y（t）在此瞬間的變化趨勢（速度）的情況。

還有一種更直接的建立數學模型的方法，就是模擬硬件描述語言（AHDL）的含義。MAST就是一種AHDL， Saber仿真器可以仿真用MAST AHDL描述的網表。

零部件的模型是建立在大量計算和試驗基礎上的，SABER軟件提供了大量的零部件庫文件，對于類似的零件只需修改其屬性參數值即可。

2.2 對系統原理進行仿真

在仿真過程中，將數學模型轉變成為計算機上運行的仿真模型，是由SABER軟件系統來完成的，并同時根據仿真模型編制出仿真程序。通過對系統的仿真，可以隨時得出各個子系統或零部件的瞬時工作狀態及性能參數變化，如電壓、電流、功率、轉矩等各參數的波形。通過對這些波形與實際試驗的結果進行對比分析，找出兩者的差別，從而修正原設計。

如先前所提及的，安全性和舒適性的需求導致了新的、高能耗的負載。這些負載可能隨著汽車產品的進一步電子化，汽車電子控制裝置得到更多的應用，所消耗的電能也將大幅度地增加?，F有的12V動力電源已滿足不了汽車上所有電氣系統的需要，今后將采用集成的42V起動機-發電機供電系統，發電機最大輸出功率將由目前的1.4kW提高到8kw左右，發電效率將會達到80%以上。伺時，電壓等級的提升還將同時帶來許多新的問題。12V/42V汽車雙電壓系統原理圖如圖3所示。

2.2.1 雙電壓系統

在雙電壓系統中，把用電設備分成兩部分：中小功率負載由14V電壓供電，如室內燈、中控鎖、收音機、儀表、車載導航系統等主要為車身電子設備；大功率負載，如電控機械制動裝置、電控機械氣門正時裝置、三元催化轉換加熱器、電控懸架等，主要為發動機、底盤系統電子設備，由42V電壓供電。此雙電壓供電系統有兩個關鍵器件，一個是DC/DC變換器，它能把交流發電機輸出的42V高電壓轉變為14V的電壓。另一個，是裝在發動機和變 速器之間的起動-發電機，借助一個半導體整流-逆 變功率變換器，它不僅充當交流發電機，發出42V的高電壓，而且在發動機起動時還作為起動機用。由于它是直接起動發動機，起動時間僅為0.5s，所以噪聲很小。

2.2.2 起動機／發電機系統

大功率起動機與發電機（Integrated Starter/Alternator，ISA）的轉矩特性一致，因此，集成兩種設備于一體在技術上是可行的，在經濟上的效益也顯而易見。如圖4所示的輸出功率與內燃機曲軸轉速的關系曲線，ISA讓內燃機的速度達到600v/min的起動速度，然后切換到發電模式。由于42V系統能夠提供足夠的電能，發動機在極短的時間內起動且 在點火前達到更高的轉速，這樣可以降低低轉速下的排放，換句話說，使得汽車重起動變得更加容易。

2.2.3 雙電壓系統中42V供電系統

在運行中，雙電壓系統的電壓隨著轉速變化而變化，電壓峰值對電器元件的影響是非常明顯的。圖5所示的是雙電莊系統中42V供電系統的變化曲線，非常清晰地顯示了在轉速急劇變化時電壓的瞬時值，此脈沖電壓峰值在電氣系統設計和選擇電子電器元件時有著非常重要的參考價值。

在仿真過程中，主要分兩種類型進行。為了描述簡單，這里將42V與14V分開進行討論。第一種方法，全部打開所有的電子設備，可以觀察到整個系統及各個電子器件的電壓、電流波形，以及各個電子電器設備互相切換或同時打開時的電壓、電流波形。同時，很方便地觀察到在拋載狀況時的峰值電壓波形，局部拋載或全部拋載對系統的影響。

2.2.4 14V供電系統

14V電壓系統主要用于各控制單元，對波形要求甚高。若峰值電壓及電流產生嚴重的脈動，使蓄電池兩端電壓產生脈動干擾，控制單元搭鐵（蓄電池負極）電位也將隨之產生脈動干擾。如果這個干擾脈沖幅值過大，就會造成原有信號的丟失，引起控制失靈。觀察峰值電壓的波形，判定是否符合系統要求。

2.3 對仿真模型進行修改、檢驗

通過對系統的仿真，得出的初步結果往往不能與理想的目標相一致，還需要通過分析研究，以及與試驗進行對比，對系統原理或數學模型進行修改。SABER提供多種仿真分析，如：直流工作點分析、交流小信號分析、順態分析、蒙特卡羅分析（在模型參數值浮動范圍內隨機取樣，對所取的參數進行分析，檢驗器件參數在一定范圍內浮動對輸出的影響）、零極點分析等。結合多種分析，加以對仿真模型的完善。

3、 結束語

在新車型的開發中初步使用仿真技術已經收到了一定的成效，特別是在選擇發電機容量參數上獲得了明顯的效果。仿真技術的應用隨著經驗的豐富和積累，必將對汽車電子電器系統設計技術的先進性及縮短開發周期起到重要的推動作用。

責任編輯：gt