模拟程序的制作方法

本发明涉及一种模拟程序，尤其涉及一种车辆统合模拟器的程序。

背景技术

车辆系统是由大量部件的组合构成的复杂系统。近年来，车辆所要求的功能在低油耗化、安全性能的强化等方面日益提升且复杂化。而且，市场需求每年都在发生变化，因此需要缩短开发时间来尽快应对客户需求。

作为用以实现上述课题的一种方法，车辆统合模拟器的利用在不断发展。车辆统合模拟器以能够使用计算机等进行模拟的方式将车辆整体的行为数式化或程序化，其目的在于在不依靠实车的情况下通过计算来估算车辆的性能。后面，将数式、程序称为“模型”，此外，将形成能够使用模型来进行模拟的状态这一操作称为“建模”。

以往是通过试制车辆来进行性能评价，而若使用车辆统合模拟器，则可以在计算机上进行性能评价。因此，能够评价比试制更多的设计方案，所以能够选择与客户需求更相称的设计。此外，除了不依靠试制则无法评价的部分以外可以削减试制费用，因此预见开发成本会降低。进而，通常而言，模拟器在评价上耗费的时间比试制短，因此能够期待开发时间的减少。

车辆模拟器通常是使用simulink(注册商标)等控制系统cad来加以实现。控制系统cad通过块的组合来构建整体系统。块是指根据输入及内部状态来计算输出的一套模型。块的大小(后面记载为“粒度”)可以自由设定，但通常而言，大多是将构成车辆的一个部件作为一个块。若针对每一部件来制作块，则在实际更换部件时，车辆统合模拟器只须更换对应部分的块便能够应对，从而减少变更所耗费的工时。此外，通过针对各部件中的每一方来制作块，各部件制造商可以同时进行多个块的制作，因此有模型开发时间缩短这一优点。

现有技术文献

非专利文献

非专利文献1：森本、真田，节能马达的原理和设计方法(省エネモータの原理と設計法)，科学信息出版株式会社(2013.7)

非专利文献2：兼松和其他8人，马达的考虑了源于磁铁配置的磁通分布的无负荷时的ipmsm的径向力控制(モータの磁石配置による磁束分布を考慮した無負荷時におけるipmsmのラジアル力制御)，电气学会汽车研究会资料vt-12，电气学会(2012.3)

非专利文献3：福江，风机气冷电子设备的简易高精度热设计方法(ファン空冷電子機器の簡易高精度熱設計手法)，日本机械学会热工学部门简报no.72(2014.4)

技术实现要素：

发明要解决的问题

以往，车辆统合模拟器是用于油耗评价、行驶性能评价等用途，而近年来要求进一步缩短开发时间，从而有希望在热或振动等的评价当中也使用车辆统合模拟器的要求。期待通过模拟来计算行驶中的热或振动等并使用该结果而在结构改善中发挥作用。

通常，热或振动是通过称为刚性矩阵的矩阵来建模。刚性矩阵表现的是表示热或振动的物理量彼此的关系。刚性矩阵由刚体形状决定，因此针对呈一体的每一刚体来进行建模。

在电动汽车的情况下，有些马达是直接紧固在变速箱上的构成，在该情况下，在热、振动评价中会将马达和变速箱归拢而构成一个块。以往的车辆统合模型虽然将马达和变速箱设为不同块，但在考虑了热、振动时，模型粒度与以往不一样。针对热、振动而将马达和变速箱像以往那样设为不同块来建模也不是不可能，但在该情况下，需要对马达与变速箱之间相互的影响进行建模而得的新的相互影响计算块。通常，供给马达的制造商和供给变速箱的制造商是不一样的，而跨及两者的信息是制作相互影响计算块所需要的，因此，由哪一制造商分担变得不明确。

解决问题的技术手段

为了解决上述问题，本发明的模拟程序具备：第1模型，其计算第1车辆特性参数；第2模型，其计算不伴随能量的转换且传递该能量的第2车辆特性参数；以及接口模型，其进行所述第1车辆特性参数与所述第2车辆特性参数的转换计算。

发明的效果

通过本发明，能将模拟计算中的计算功能的部分与依赖于形状的部分加以分离。通常，功能与形状不会一一对应，模型分割较为困难，而通过本发明，能在功能与形状不相矛盾的情况下进行建模。

附图说明

图1表示本实施方式的着眼于振动的车辆统合模拟器的一实施例。

图2表示本实施方式的着眼于热的车辆统合模拟器的一实施例。

图3表示同时处理热和振动的马达接口的一实施例。

图4表示变速箱/振动接口302的一实施例。

图5表示本实施方式的模拟程序的基本构成。

图6表示使接口内包在第1模型中的实施例。

图7表示使接口内包在第2模型中的实施例。

具体实施方式

本发明的车辆统合模拟器尤其适于对热损耗、振动(包括噪声、噪音)等对于车辆而言非主作用的物理量进行评价的情况。作为应用例，设想如下用途：利用车辆统合模拟器来模拟实际的行驶条件，通过模拟求出此时的行为并反映到各部件的设计规格上，在试制之前抽出未达到规格的内容。

在本发明中，通过具备计算第1车辆特性参数的第1模型、计算不伴随能量的转换且传递该能量的第2车辆特性参数的第2模型、以及进行所述第1车辆特性参数与所述第2车辆特性参数的转换计算的接口模型，能将模拟计算中的计算功能的部分与依赖于形状的部分加以分离。通常，功能与形状不会一一对应，模型分割较为困难，而通过上述形态，能在功能与形状不相矛盾的情况下进行建模。

进而，在本发明中，所述第1车辆特性参数由车辆驱动力相关的物理量即电流、电压、扭矩、转速构成，所述第2车辆特性参数为损耗相关的物理量即热流、温度、激振力、位移速度，由此，能将作为对车辆的要求功能的驱动力与作为非要求功能的损耗加以分离。由此，能够实现如下的灵活应对：在希望只评价损耗的情况下，对第1模型使用简易的模型，此外，在希望只评价驱动力的情况下，对第2模型使用简易的模型，从而削减计算所耗费的时间。

进而，在本发明中，所述第1模型针对进行能量的运算的每一部件要素进行分割，所述第2模型针对每一机械性结合进行分割，由此，能将模型小分割为各单体模型，通过它们的组合，可以实现整体模拟器。通过如此进行分割，模型的独立性提高，因此，即便在模型变更时，也可以通过更换模型来应对，对于减少开发工时较为有效。

进而，在本发明中，所述模拟程序具有被分类为所述第2模型的振动模型及热模型，因此，可以利用车辆统合模拟器来评价热或振动。

进而，在本发明中，所述接口具有激振力/位移速度运算单元和振动能量运算单元，所述激振力/位移速度运算单元根据所述第1模型的输出信息来构建对模拟振动的振动模型的输出，所述振动能量运算单元根据振动状态来运算振动能量的从获得自所述第1模型的损耗信息减去所述振动能量来获得热流，由此，能够考虑驱动所使用的能量、振动能量以及热能的整体的保存关系，具有解析精度提高这一优点。

进而，在本发明中，所述模拟程序具有模拟逆变器的行为的逆变器设备模型以及模拟马达的行为的马达设备模型作为所述第1模型，所述接口模型输入在所述马达设备模型内以设定值的形式具有的马达的极数、槽数、偏斜状态、绕组方式，以及在逆变器设备模型内以设定值的形式具有的调制方式、调制率中的某一信息，由此，在使用马达的系统的形状无大幅变化的情况下，有时可以通过第1模型的参数再设定来进行应对而无须进行第2模型的变更。因而，能够削减伴随变更而来的开发工时。

进而，在本发明中，与变速箱的设备模型连接的接口模型由弹簧、质量、粘性阻力、齿隙中的某一方构成，因此，能够容易地运用控制系统cad所具有的机械系统库，从而谋求开发工时的减少。

进而，在本发明中，所述第1模型内包所述接口模型，由此，将各部件装配至车体的车辆的情况下的应对变得容易。这意味着按照部件制造商所供应的每一部件来汇总驱动、热、振动的模型，具有在发生模型的修正/变更时由哪一制造商承担这一情况变得明确的效果。

进而，在本发明中，所述第2模型内包所述接口模型，由此，汽车制造商进行车辆整体的热、振动设计的情况下的对应变得容易。这意味着按照每一结构体来汇总模型，在结构体汇集制造商(汽车制造商)针对热、振动而进行使热、振动的副作用达到最小的设计时较为有效。

下面，使用附图，对实施例进行说明。

图1表示通过本实施方式的模拟程序来实现的车辆统合模拟器的构成图。车辆统合模拟器1构成要素极多而复杂，因此，为了简化说明，仅抽出一部分进行图示。本图记载了电动汽车中的车辆统合模拟器的马达、逆变器、变速箱部分，尤其是振动相关的部分。

构成车辆统合模拟器1的模型大致分为模拟控制器的控制模型、模拟部件行为的设备模型、着眼于热或振动等能量的传递的能量传递模型、以及在设备模型与能量传递模型之间进行物理量的交换的接口模型。

各模型重视设计人员的可理解性并汇总配置到各模型中。将配置各模型的位置称为“层”。

车辆统合模拟器1由配置控制模型的控制模型层10、配置设备模型的设备模型层20、配置接口的接口模型层30、以及配置能量传递模型的能量传递模型层40构成。

配置在设备模型层20、接口模型层30、能量传递模型层40的模型主要交换像电流、电压、扭矩、转速等那样用于能量计算的物理量。本图中，以实线箭头表示能量计算中使用的物理量。此外，以单点划线箭头表示控制信号。在汇集有多只箭头的情况下，对箭头插入斜线来表示。

控制模型层10具有统合控制模型101和逆变器控制模型102。统合控制模型101以道路信息103、驾驶员操作104为输入，对逆变器控制模型102输出扭矩指令信号105。

逆变器控制模型102具有电流向量控制块106和3相交流/d-q坐标变换块107。3相交流/d-q坐标变换块107从后文叙述的马达设备模型203接收三相电流检测值108和马达速度检测值109，并输出d轴电流推断值110和q轴电流推断值111。电流向量控制块106根据扭矩指令信号105和速度检测值109来输出用于向量控制的d轴电流指令值112和q轴电流指令值113。

设备模型层20具有逆变器设备模型201、线束设备模型202、马达设备模型203及变速箱设备模型204。

逆变器设备模型201具有电流控制块211、d-q/3相交流坐标变换块212、调制块213及pwm逆变电路块214。电流控制块211根据来自电流向量控制块106的d轴电流指令112和q轴电流指令113来制作d轴电压指令215和q轴电压指令216。

d-q/3相交流坐标变换块212根据d轴电压指令215和q轴电压指令216来制作三相电压指令信号217。三相电压指令信号217通过调制块213转换为三相电压信号218并送至pwm逆变电路块214。pwm逆变电路块214使用直流电压219、从线束设备模型202获得的交流电流222以及三相电压信号218来计算直流电流220和三相电压221。

线束模型202以三相电压221和从马达设备模型203获得的马达相电流236为输入来计算三相电流222和马达相电压235。

马达设备模型203具有传感器响应特性块231、马达电路块232、扭矩/损耗运算块233及马达三相交流/d-q坐标变换块234。马达电路块232根据马达相电压235、使用马达等效电路来计算马达相电流236。扭矩/损耗运算块233根据马达相电流236和从变速箱设备模型204获得的马达速度237来计算马达扭矩238。马达三相交流/d-q坐标变换块234使用马达相电流236和马达速度237来计算马达d轴电流239和马达q轴电流240。此外，马达相电流236和马达速度237被送至传感器响应特性块231来计算三相电流检测值108和马达速度检测值109。

变速箱设备模型204在内部具有等功率转换/损耗运算块241。等功率转换/损耗运算块241以马达扭矩238和车轴转速245为输入，输出车轴扭矩244a和马达转速243a。等功率转换/损耗运算块241以齿轮效率(η)和变速比(ρ)为设定参数。若将马达扭矩238设为τ、将车轴扭矩244a设为τs、将车轴转速245设为ωs、将马达转速243a设为ω，则以下的简单的关系式成立。

τs＝ρητ

ωs＝ω/ρ

在本实施例中，变速箱设备模型204具有开关243，选择等功率转换/损耗运算块241和后文叙述的变速箱/振动接口302。其原因在于，在不需要振动计算的情况下，通过使用简单的等功率转换/损耗运算块241来谋求计算的高速化。振动激振力在后文叙述的变速箱/振动接口模型302中计算。

关于上述那样的逆变器、马达的详细控制方法，例如在非专利文献1中有揭示，因此省略说明。

接口模型层30具有马达/振动接口301和变速箱/振动接口302。在考虑逆变器的电磁振动的情况下，还可以设置逆变器/振动接口301，但在本实施例中，逆变器振动在车体振动成为问题的相对低频域中与马达振动相比足够小，因此予以省略。

马达/振动接口301使用从马达设备模型203获得的马达速度237、马达d轴电流239、马达q轴电流240、从逆变器设备模型201内的调制块213获得的调制方式或调制度311、以及从后文叙述的驱动桥振动模型401获得的马达位移速度313来计算马达激振力312。关于具体的马达激振力312的计算方法，例如在非专利文献2中有揭示。通过将根据所述方法等加以计算的马达的各动作点中的马达激振力预先映射化、近似式化，能够实现马达/振动接口301。

通常，马达激振力取决于马达的机械角转速与电角度转速的关系，因此，可以从外部设定马达的极数作为设定参数。此外，电角度每一转的感应电压波形、逆变器的调制方式、调制率与马达激振力相关，因此，将槽数、绕组方式作为设定参数。在马达具有偏斜的情况下，将偏斜角度等偏斜状态作为设定参数也较为有效。

在形状发生了大幅变化的情况下，需要驱动桥振动模型401的再构建，但在通常的设计变更范围内，大多仅靠设定参数的修正便能计算激振力。若能在逆变器设备模型201或马达设备模型203中设定修正参数，则能够灵活应对模型的变更。

变速箱/振动接口302以从变速箱设备模型204获得的马达扭矩238、车轴转速245以及从后文叙述的驱动桥振动模型401获得的变速箱位移速度315为输入来计算马达转速237b和车轴扭矩244b。变速箱/振动接口302以普通的机械系统的弹簧-质量-阻尼器-齿隙系统的形式建模。具体的模型将于后文叙述。

能量传递模型层40具有驱动桥振动模型401和车体振动模型402。驱动桥振动模型401以马达与变速箱紧固在一起的结构体的刚性矩阵加以表现。驱动桥振动模型401与车体振动模型402通过装配体403结合。装配体403传递各装配中的激振力404和位移速度405。此外，输入至车体振动模型402的物理量为强制外力406、强制位移速度407。

本实施方式有如下特征：配置于能量传递模型层40的块仅进行能量的传递，在需要能量的转换的情况下，经由接口而移交至设备模型层20内的模型来进行计算。因而，马达激振力312、齿轮激振力314、装配体403的激振力404、强制外力406均为相同物理量，具有力的维度。此外，马达位移速度313、齿轮位移速度315、装配体403的位移速度405、强制位移速度407均为相同物理量，具有速度的维度。力与速度相乘为每单位时间的能量(功率)，因此，能量传递模型层40可以说是进行能量传递的区域。

通过如此划分能量传递模型层40，能够仅对依赖于形状的部分独立进行处理。即，在部件的特性有变更的情况下变更设备模型层20内的模型即可，此外，在形状或机械约束发生了变更的情况下变更能量传递模型层40内的模型即可，能够减小对其他模型的影响。此外，通过设置接口层30，容易对以往的通过设备模型层20来实现的车辆统合模拟器附加热解析或振动解析的功能。

此外，在根据与执行时间之间的平衡而希望省略一部分热、振动计算的情况下，只要删除与希望省略的部分相对应的接口模型和能量传递模型便能容易地应对。如上所述，根据本实施方式，能够根据用途来实现模型易于组合且变更时的应对也较为容易的车辆统合模拟器。

对于热，也能进行同样的建模。图2表示本实施方式的着眼于热的车辆统合模拟器的构成图。再者，控制模型层10与图1相同，因此予以省略。

控制模型层20与图1共通的部分也较多，但在对接口模型层30送出马达热流250和变速箱热流251及逆变器热流252这一点上不一样。此处，所谓“热流”，是指每单位时间移动的热能，以热流束×传热面积来表示。本图中，假定损耗全部变为热。此时，马达热流250与由扭矩/损耗运算块233计算的损耗相等。变速箱热流251与由等功率转换/损耗运算块241计算的损耗相等。逆变器热流252与pwm逆变电路的损耗累计值相等。逆变器/热接口321根据与基于散热器的冷却装置的换热部位的温度和热流来计算逆变器内部的温度。具体而言，可以使用热回路法。关于热回路法，非专利文献3较为详细，因此省略说明。马达/热接口322、变速箱/热接口323也是一样的。图2中，逆变器/热接口321、马达/热接口322、变速箱/热接口323配置于接口模型层。

在能量传递模型层40配置散热器模型410和外部空气模型411。在着眼于热时，能量传递模型层40在换热部位412传递热流413及温度414。

图3表示同时处理热和振动的马达接口的一实施例。再者，为了简化图示，本图仅图示了马达相关的接口部分及其周边。

马达接口330具有图1中的马达/振动接口301和图2中的马达/热接口322的双方。再者，接口模型、设备模型、能量传递模型、控制模型都可以构成为嵌套状。

马达/振动接口301像图1中说明过的那样计算马达激振力312，并输出至驱动桥振动模型401。驱动桥振动模型401对马达/振动接口301送还马达位移速度313。此处，马达激振力312与马达位移速度313的积表示用于振动的每单位时间的能量(功率)。后面，能量与功率的记载不作特别区分。

赋予马达设备模型203的能量分为被有效利用的能量和损耗能量。损耗能量分为振动的能量和成为热的能量。现在，振动的能量以马达激振力312与马达位移速度313的积表示，因此，成为热的能量为图2中的马达热流250，通过总损耗331减去振动的能量来表示。通过将马达热流250和来自散热器模型410的温度414运用于热转换部位412，求出传递至散热器模型410的热流413。

图4表示变速箱/振动接口302的一实施例。此处例示的是通过两组齿轮来实现变速箱的情况。

变速箱/振动接口302是组合驱动轴块341、质量块342及齿轮块343来实现的。质量块342配置两枚齿轮和一根轴共计3个块，由于齿轮有2枚，因此齿轮块343配置2个块。

驱动轴块341由模拟轴的弹性变形的弹簧344和模拟润滑油或油脂等的粘性阻力的阻尼器345构成。齿轮块343由模拟齿轮的弹性变形的弹簧344和表示齿轮的齿隙的齿隙体346构成。驱动轴块341、质量块342、齿轮块343通过局部扭矩350a至350e以及局部转速351a至351e进行关联。

变速箱的振动由于齿轮块343的扭矩变动而较大，因此，从作用于齿轮块343的扭矩变动中抽出马达激振力312。由于变速箱以驱动桥的形式一体化，因此，作为变速箱单体的振动评价由驱动桥振动模型401统一进行。因此，从驱动桥振动模型401获得的位移速度不在变速箱/振动接口302和变速箱设备模型204中使用。因此，图中，马达位移速度313被终结器347中止之后的评价。

在控制系统cad中，准备有模拟机械系统的行为的部件，通过像图4那样对机械要素进行配置/接线，能够容易地实现变速箱/振动接口302。

再者，若粘性阻力较小，也可以省略阻尼器345。此外，在像cvt等那样使用摩擦传递机构的情况下，可以省略齿隙体346。

图5表示本实施方式的模拟程序的基本构成。模拟程序具有对电压、电流、扭矩、转速等一般物理量200进行能量形态的转换、放大、损耗计算等的第1模型2和通过计算来模拟不伴随能量的转换且传递该能量这一情况的第2模型4。第2模型4进行热流、温度、激振力、位移速度等传递能量400的传递。

第1模型2与第2模型4由接口3关联在一起，接口3进行一般物理量200与传递能量400的转换计算。

图5中，接口3为独立的模型，但也可以使接口3内包在第1模型2或第2模型4中。

图6表示使接口3内包在第1模型2中的实施例。此处，内部运算块260实际对一般物理量200进行能量形态的转换、放大、损耗计算等。

图7表示使接口3内包在第2模型4中的实施例。此处，传递运算块420通过计算来模拟能量传递。

图5、图6、图7的构成由系统汇总主体、部件供给主体的承担范围决定。将系统汇总主体设为“甲”，将部件供给主体设为“乙”、“丙”。图5的构成例如用于乙供应电机部件、丙供应结构物、甲进行组合这一情况。乙制作第1模型2，丙制作第2模型4，甲制作接口3。乙及丙仅靠自己的承担范围的信息便能制作模型。制作中需要跨及第1模型2和第2模型4双方的信息的接口3由能够访问两种信息的甲制作。

图6的构成例如用于乙向甲供应机电一体组件的情况。在该情况下，乙制作第1模型2，甲制作第2模型4。关于图7的构成，例如以电动汽车为例，可列举甲设计包括马达的壳体在内的部分而使振动最小化、乙供应马达的转子部分这一情况。由此，有责任范围明确、因模型的独立性较高而使得在模型的制作/修整时参考来自其他模型v的信息的工时减少等效果。

符号说明

1车辆统合模拟器

2第1模型

3接口

4第2模型

10控制模型层

20设备模型层

30接口模型层

40能量传递模型层

101统合控制模型

102逆变器控制模型

103道路信息

104驾驶员操作

105扭矩指令信号

106电流向量控制块

1073相交流/d-q坐标变换块

108三相电流检测值

109马达速度检测值

110d轴电流推断值

111q轴电流推断值

112d轴电流指令值

113q轴电流指令值

200一般物理量

201逆变器设备模型

202线束设备模型

203马达设备模型

204变速箱设备模型

211电流控制块

212d-q/3相交流坐标变换块

213调制块

214pwm逆变电路块

215d轴电压指令

216q轴电压指令

217三相电压指令信号

218三相电压信号

219直流电压

220直流电流

221三相电压

222交流电流

231传感器响应特性块

232马达电路块

233扭矩/损耗运算块

234马达三相交流/d-q坐标变换块

235马达相电压

236马达相电流

237马达速度

237b马达转速

238马达扭矩

239马达d轴电流

240马达q轴电流

241等功率转换/损耗运算块

243开关

243a马达转速

244a车轴扭矩

244b车轴扭矩

245车轴转速

250马达热流

251变速箱热流

252逆变器热流

260内部运算块

301马达/振动接口

302变速箱/振动接口模型

311调制方式或调制度

312马达激振力

313马达位移速度

315变速箱位移速度

321逆变器/热接口

322马达/热接口

323变速箱/热接口

330马达接口

331总损耗

341驱动轴块

342质量块

343齿轮块

344弹簧

345阻尼器

346齿隙体

347终结器

350a～350e局部扭矩

351a～351e局部转速

400传递能量

401驱动桥振动模型

402车体振动模型

403装配体

404激振力

405位移速度

406强制外力

407强制位移速度

410散热器模型

411外部空气模型

412换热部位

413热流

414温度

420传递运算块。