ebm-papst采用基于模型的设计方法开发自动变速器电动辅助油泵

ebm-papst被公认为世界领先的电机和风扇制造商，此前从未设计过油泵。为了设计能在极端温度下可靠工作的泵和控制器，工程师们首先需要建造一个原型来验证他们的设计想法。他们计划用电动机上的一个分流电阻来代替压力传感器来测量电流。为了根据测量结果准确估计压力，他们需要彻底描述受许多参数影响的电机电流和输出转矩之间的关系。然后，他们需要分析这个扭矩和泵的输出压力之间的关系，泵的输出压力受温度的影响很大。

在验证了这种方法后，工程师需要测试100多个泵和泵的变体的性能，所有泵都在不同的速度、压力和温度下工作。在以前的设计项目中，工程师手动进行类似的实验，并将结果编译成电子表格，但这种方法不能使他们在泵项目的截止日期前完成。

由于微控制器缺乏处理能力来处理标准的面向现场的控制设计，工程师们不得不设计和部署一个定制控制器。他们需要一种自动化的方法，在生产过程中校准控制器内部的系统模型，以考虑各个电机和泵之间的制造差异。

ebm-papst采用基于模型设计的MATLAB和Simulink软件对辅助油泵进行了开发、测试和标定。

在Simulink中，工程师们基于场向控制原理开发了永磁同步电机(PMSM)的控制器模型。他们用Stateflow^®管理泵的运行模式，包括空闲模式和各种压力级模式。

他们整合了来自Signal Processing Toolbox™的IIR滤波器，以去除来自霍尔传感器的电流测量和速度测量中的噪声。

工程师们根据控制器模型的闭环仿真结果和PMSM的一个工厂模型改进了他们的控制器设计。

为了创建实时原型，他们使用Simulink Coder™从控制器模型生成代码，并使用Simulink real-time™在Speedgoat目标硬件上运行代码。他们使用这个原型在试验台上验证了控制设计与实际电机和泵硬件。

测试表明，通过电流抽拉测量计算压力是可能的，但由于泵组件的变化，在所有操作条件下的计算都不准确。

使用MATLAB和Stateflow，该团队创建了一个自动化测试套件，可以系统地改变温度、压力和电机转速，同时记录测试台上的电流绘图和其他测量数据。他们连续3个月每天24小时运行该测试设置，对大约100个电机泵组合和组件变体进行全面表征。

该团队利用装满实验数据的查找表开发了泵的简单Simulink模型，并运行模拟来微调控制设计，确定生产中使用的最佳泵。

软件工程师基于Simulink模型为目标微控制器开发了ANSI-C代码。他们通过比较代码输出和模拟结果来验证实现。

为了最大限度地提高压力控制的准确性，该团队开发了一种用于生产线末端制造过程的校准系统。该系统运行测试以表征电机和泵，使用曲线拟合工具箱™根据测试测量填充查找表，然后使用查找表校准控制器内部的系统模型。

ebm-papst辅助油泵已批量生产，并已被德国汽车制造商使用。

• 整体开发时间减半。Löffler说:“在过去的项目中，我们手工编写原型，即使是很小的更改也需要修改代码。”“Simulink和Simulink Real-Time使我们能够快速开发概念验证原型，然后我们在自动化测试平台中重用该原型，从而将项目的开发时间至少减少了50%。”
• 系统调查时间减少60%。Löffler说:“即使有了复杂的实验设计，我们仍然需要进行数百次测试，而且没有时间使用手工方法。”“通过MATLAB，我们自动化了测试，连续数月24/7运行测试台架，并将研究我们系统所需的时间减少了至少60%。”
• 支持在指定的微控制器上部署。“对于这个项目，只有一个微控制器满足我们的高温要求，”Löffler说。“这种微控制器的处理能力有限，但它并没有延迟项目，因为基于模型的设计让我们可以在实现控制器设计之前运行模拟和实时测试来验证它。”