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電動(dòng)廢氣門電機(jī)溫度模型及其過熱保護(hù)研究

文檔作者：周俊宏習(xí)綱劉寧曾宇喻凡文檔來源： 1．上海交通大學(xué) 2．聯(lián)合汽車電子有限公司		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2021年05月12日
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· 基礎(chǔ)研究·
電動(dòng)廢氣門電機(jī)溫度模型及其過熱保護(hù)研究
周俊宏 習(xí) 綱 劉 寧 曾 宇 喻凡
(1．上海交通大學(xué)；2．聯(lián)合汽車電子有限公司)
【摘要】電動(dòng)廢氣門執(zhí)行電機(jī)性能直接決定廢氣門的控制精度和響應(yīng)速度，而溫度是影響電機(jī)輸出力矩和壽命的關(guān)
鍵因素。對永磁直流電機(jī)的發(fā)熱一散熱機(jī)理進(jìn)行分析，建立了基于功率算法的電機(jī)溫度模型，通過試驗(yàn)對電機(jī)參數(shù)進(jìn)行
了辨識(shí)及模型驗(yàn)證。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了根據(jù)電機(jī)溫度限制電機(jī)占空比的實(shí)時(shí)過熱保護(hù)控制算法，試驗(yàn)結(jié)果表明，該控
制算法可以有效預(yù)防電機(jī)溫度過高。
主題詞：電動(dòng)廢氣門永磁直流電機(jī)溫度模型過熱保護(hù)
中圖分類號(hào)：U464 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1000—3703(2015)05-0045—04
Study on M otor Temperature M odel and Overheat Protection fl0r
Electric W aste Gate
Zhou Junhong ，Xi Gang2，Liu Ning ，Zeng Yu ，Yu Fan’
(1．Shanghai Jiaotong University；2．United Automotive Electronics System Co．，Ltd)
【Abstract】The control accuracy and response speed of electric waste gate rely directly on motor performance，
while motor temperature is a critical factor to influence motor output torque and life．By analyzing the heat generating／
dissipating mechanism of the motor，we build a motor temperature model based on power algorithm．Based on
experiments，motor parameters are identified and model is verified．On this basis，a real—time overheat protection control
algorithm is designed，which can limit motor duty cycle according to prevailing motor temperature．The experiment
results show that the control algorithm can prevent the motor from overheating effectively．
Key wOrds：Electric waste gate，PM DC motor，Temperature model，Overheat protection
1 電動(dòng)廢氣門簡介
對于渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)，為獲得低速大扭矩性能、防
止渦輪轉(zhuǎn)速過高導(dǎo)致增壓器損壞，需采用廢氣門進(jìn)行增
壓器壓力控制 。
傳統(tǒng)的氣動(dòng)廢氣門驅(qū)動(dòng)力受進(jìn)氣壓力控制，在發(fā)動(dòng)
機(jī)小負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)形成節(jié)氣門前、后壓力差，從而產(chǎn)生
節(jié)流損失；另外，進(jìn)氣壓力的波動(dòng)使得氣動(dòng)廢氣門的控
制精度和響應(yīng)速度也不夠理想。電動(dòng)廢氣門采用集成
于永磁直流電機(jī)的蝸桿驅(qū)動(dòng)廢氣門，因永磁直流電機(jī)具
有體積小、動(dòng)作反應(yīng)靈敏、運(yùn)行平穩(wěn)、低速力矩大、頻率
可調(diào)特點(diǎn)，可以滿足廢氣門的性能需求，故電動(dòng)廢氣門
可以克服氣動(dòng)廢氣門的缺點(diǎn)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。
2015年第5期
圖1 電動(dòng)廢氣門結(jié)構(gòu)
從圖1可以看出，廢氣門開度控制決定了渦輪與旁
通道的廢氣流量分布，進(jìn)而決定增壓壓力。電動(dòng)廢氣門
- 45-
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開度由蝸桿推力決定，其控制原理如圖2所示。
圖2 電動(dòng)廢氣門控制原理
由圖2可知，蝸桿推力決定廢氣門開度，而電機(jī)溫
度升高會(huì)導(dǎo)致蝸桿推力減小，參數(shù)如表1所列。另外，
高溫可能導(dǎo)致電機(jī)絕緣材料損壞和永磁體消磁 ，使電
機(jī)壽命隨溫度呈指數(shù)下降。
表1 不同溫度下的電機(jī)輸出
電機(jī)溫度PC 電機(jī)最大持續(xù)占空I~L／％ 蝸桿最大推力，N
25 73 155
100 54 1l9
l40 26 55
由表1可知，蝸桿最大推力隨電機(jī)溫度升高而減
小，而且100～140cc的平均下降速度為25～100~C的3倍
多。因此，為了防止蝸桿推力影響廢氣門開度控制，需
要防止電機(jī)過熱。
由于熱電偶成本高昂且在發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)不便于安裝，
本文通過建立電機(jī)溫度模型實(shí)時(shí)監(jiān)測電機(jī)溫度，并設(shè)計(jì)
過熱保護(hù)控制算法防止電機(jī)溫度超限。
2 電機(jī)溫度模型建立
2．1 發(fā)熱一散熱機(jī)理分析
電機(jī)各部分材料導(dǎo)熱能力、散熱條件相差很大，且
受熱不均勻，溫度達(dá)到穩(wěn)定以前，各點(diǎn)溫度不斷變化，是
一個(gè)發(fā)熱一散熱過程非常復(fù)雜的不穩(wěn)定導(dǎo)熱過程。若
要分析、計(jì)算每個(gè)節(jié)點(diǎn)的溫度，將會(huì)使模型難度大大增
加_8_，不利于工程實(shí)現(xiàn)。對于廢氣門采用的小型永磁直
流電機(jī)，本文將其視為常物性的均質(zhì)物體，即物理性質(zhì)
不發(fā)生變化、表面各點(diǎn)散熱情況相同且其內(nèi)部沒有溫差
的物體。
永磁直流電機(jī)工作時(shí)產(chǎn)生的熱量來源有繞組銅損、
定子鐵損、渦流損耗等，其中，繞組銅損占絕大部份，因
此繞組是電機(jī)溫度最高的地方 。忽略其他損耗，即假
設(shè)除了繞組銅損，電機(jī)其余功率均作為機(jī)械輸出，得到
永磁直流電機(jī)等效發(fā)熱原理如圖3所示。
- 46
丁
圖3 永磁直流電機(jī)等效發(fā)熱原理
電機(jī)工作時(shí)的電壓平衡方程為：
U=E+，· (1)
E=C ∞ (2)
式中， 為電機(jī)等效工作電壓；E為電機(jī)反電勢；，為
電機(jī)等效工作電流；R為電機(jī)等效電阻；C 為反電勢系
數(shù)； 為磁通； 為電機(jī)角速度。
于是，可以得到電機(jī)的發(fā)熱功率g．為：
q，：， ．尺=—
(U- Coq'a,)~ (3)
電機(jī)與周圍介質(zhì)之間的傳熱方式主要為對流散熱，
根據(jù)牛頓冷卻公式，可得電機(jī)的散熱功率g：為：
q =h·A‘( 一Ta) (4)
式中，h為對流換熱系數(shù)；A為電機(jī)表面積；T、 分別
為電機(jī)溫度和環(huán)境溫度。
考慮風(fēng)速影響的對流換熱系數(shù)為 ：
h=ho" (5)
式中，h。為無風(fēng)環(huán)境下的對流換熱系數(shù)； 為風(fēng)速；n為
風(fēng)速影響因子。
2．2 數(shù)學(xué)模型建立
根據(jù)能量守恒定律，由式(3)、式(4)可得基于功率
的永磁直流電機(jī)溫度模型算法如下：
。m
dT ： T
- ) (6)
式中，c為電機(jī)比熱容；m為電機(jī)質(zhì)量；t為時(shí)間。
根據(jù)傳熱學(xué)知識(shí)，可知熱容日 =cm，熱阻H =1 。
當(dāng)電機(jī)溫度飽和時(shí)有dT／dt，由式(6)可得電機(jī)穩(wěn)態(tài)溫
度 為：
： ．Hr+To (7)
R
將式(7)帶入式(6)，可得電機(jī)的發(fā)熱方程為：
一 = ( 一To)【1一e I (8)
斷電時(shí)，電機(jī)的冷卻方程為：
一 = (To— )e (9)
式中，71o為電機(jī)(發(fā)熱／冷卻)初始溫度； =Hei日 ，為發(fā)
熱／冷卻時(shí)間常數(shù)。
根據(jù)前文所述可得風(fēng)速與時(shí)間常數(shù)的關(guān)系為：
： f 1 (10)
2 Vl／
式中，．r。、r 分別表示風(fēng)速為 、 時(shí)的電機(jī)發(fā)熱／冷卻
時(shí)間常數(shù)。
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考慮到永磁直流電機(jī)溫度變化并不十分靈敏，取計(jì)
算周期At=ls，即可滿足廢氣門需求，于是得到電機(jī)發(fā)
熱方程的離散解析式為：
Tk= +【 一 ]寺△f?)
2．3 電機(jī)參數(shù)確定
由式(8)、式(9)可知，電機(jī)的溫度變化服從指數(shù)規(guī)
律，當(dāng)t= 時(shí)，電機(jī)溫升／溫降為其飽和溫升／溫降的
63．21％。在環(huán)境溫度為25℃、電壓為l2 V的條件下，
分別進(jìn)行無風(fēng)、風(fēng)速為10 m／s、風(fēng)速為20 m／s的電機(jī)自
加熱試驗(yàn)，根據(jù)電機(jī)發(fā)熱一冷卻曲線可以確定各風(fēng)速條
件下的電機(jī)發(fā)熱一冷卻時(shí)間常數(shù)，根據(jù)式(1O)可計(jì)算出
風(fēng)速影響因子。不同風(fēng)速條件下的電機(jī)發(fā)熱一冷卻曲
線如圖4所示。
圖4 電機(jī)發(fā)熱一冷卻曲線
由圖4可知，無風(fēng)條件下的電機(jī)發(fā)熱、冷卻時(shí)間常
數(shù)分別為17．37 min、113．3—93．01=20．29 min；10 m／s風(fēng)速
下的電機(jī)發(fā)熱、冷卻時(shí)間常數(shù)分別為15．63 min、75．65—
61．78=13．87 min；20 m／s風(fēng)速下的電機(jī)發(fā)熱、冷卻時(shí)間
常數(shù)分別為l0．15 min、57．85—46．49=11．36 min。于是，
根據(jù)式(10)可以計(jì)算出發(fā)熱、冷卻時(shí)的風(fēng)速影響因子分
別為：
log2( )_0．6228
log2( )_0288
從而可以計(jì)算出不同風(fēng)速條件下的發(fā)熱、冷卻時(shí)間
常數(shù)。
堵轉(zhuǎn)情況下，即∞=0時(shí)，電機(jī)不輸出機(jī)械功率，根
據(jù)式(1)、式(2)，可得電機(jī)等效電阻：
R= (12)
通過測量不同溫度下的電機(jī)工作電壓和電流，即可
求得電機(jī)等效電阻，如圖5所示。
2015年第5期
溫度／。C
圖5 電阻一溫度曲線
從圖5可以看出，電機(jī)等效電阻與溫度基本呈線性
關(guān)系，作簡化處理，即：
R=4．5+0．0l· (13)
3 過熱保護(hù)控制算法設(shè)計(jì)
傳統(tǒng)反時(shí)限保護(hù)只適用于電流恒定的電機(jī)發(fā)熱過
程u”，實(shí)際運(yùn)行過程中，電機(jī)負(fù)載波動(dòng)較大且頻繁，而且
電源電壓也可能出現(xiàn)波動(dòng)，電機(jī)穩(wěn)態(tài)溫度隨之相應(yīng)變
化，因此反時(shí)限保護(hù)容易導(dǎo)致誤動(dòng)作。
本文通過建立溫度模型實(shí)時(shí)監(jiān)控電機(jī)溫度，由表1
所示數(shù)據(jù)，根據(jù)當(dāng)前電機(jī)溫度線性插值，限制電機(jī)最大
持續(xù)占空比，即限制電流大小在允許范圍內(nèi)，從而減小
電機(jī)發(fā)熱功率，對電機(jī)起到過熱保護(hù)作用。一般情況
下，電機(jī)允許低倍過載，但不能持續(xù)較長時(shí)間，當(dāng)電機(jī)占
空比長時(shí)間持續(xù)超限時(shí)，需要切斷驅(qū)動(dòng)級。
綜上所述，設(shè)計(jì)的電機(jī)過熱保護(hù)控制算法如圖6
所示
比
圖6 過熱保護(hù)控制算法
4 試驗(yàn)驗(yàn)證及結(jié)果分析
4．1 試驗(yàn)平臺(tái)搭建
基于前文所述方法，利用Ascet軟件建立電機(jī)溫度
模型并集成到控制器中；將控制器連接到負(fù)載箱，通過
CAN通訊模塊ES590采集控制器信號(hào)；在電機(jī)各部分貼
一47—
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上熱電偶，放人溫控箱內(nèi)，利用熱電偶溫度測量模塊
Thermo—Scan和電流傳感器分別采集熱電偶所貼位置
電機(jī)溫度信號(hào)和電機(jī)電流信號(hào)；所有信號(hào)最終都通過
INCA軟件在計(jì)算機(jī)上顯示并記錄；反之，通過ES590和
負(fù)載箱，計(jì)算機(jī)可發(fā)出控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作。搭建的
試驗(yàn)平臺(tái)如圖7所示。
7 試驗(yàn)半臺(tái)，下恿
4．2 模型準(zhǔn)確性驗(yàn)證
由于發(fā)動(dòng)機(jī)高溫部件的熱輻射，廢氣門安裝位置的
環(huán)境溫度較高且波動(dòng)頻繁，為此，設(shè)計(jì)不同環(huán)境溫度的
電機(jī)自加熱試驗(yàn)。保持直流電源電壓為電機(jī)額定工作
電壓12V，使溫控箱內(nèi)溫度穩(wěn)定在25℃ 、50~C、75℃ 、
100~C，分別進(jìn)行自加熱測試，得到電機(jī)發(fā)熱一冷卻曲線
如圖8所示。
驀 1 蠢 霧匡 O 3O 60 9O 120 150 0 30 6O 9O 12O 150
時(shí)間／min 時(shí)間／rnin
(a)25。C (b)50。C
O 3O 60 90 120 l50
時(shí)間／min 時(shí)間／rain
(c)75。C (d)100。C
圖8 不同環(huán)境溫度下的電機(jī)發(fā)熱一冷卻曲線
從圖8可以看出，電機(jī)溫度模型計(jì)算值能實(shí)時(shí)跟隨
熱電偶實(shí)測值，兩者吻合度較高。試驗(yàn)過程溫度誤差分
析如表2所示。
表2 模型誤差分析 ℃
環(huán)境溫度 穩(wěn)定溫度偏差 動(dòng)態(tài)溫度偏差
25 103—97=6 10／一5
50 124-120=4 1o／一6
75 147-141=6 9／-5
100 168-168=0 5／-9
根據(jù)表2所示數(shù)據(jù)，穩(wěn)態(tài)溫度偏差最大僅為6cC，動(dòng)
一48一
態(tài)溫度偏差在~10~C以內(nèi)，滿足廢氣門的性能需求，證明
此模型準(zhǔn)確可靠。
導(dǎo)致模型計(jì)算誤差的原因有：
a． 由于溫控箱功率有限且電機(jī)發(fā)熱時(shí)對周圍環(huán)
境的熱輻射，試驗(yàn)過程中溫控箱內(nèi)環(huán)境溫度有所波動(dòng)且
各點(diǎn)溫度不完全一致；
b． 試驗(yàn)過程中電源電壓和負(fù)載會(huì)有波動(dòng)，造成電
機(jī)自加熱不能維持恒定；
c． 離散化導(dǎo)致計(jì)算精度降低；
d． 由單次試驗(yàn)(環(huán)境溫度為25％)確定的電機(jī)參
數(shù)可能對于其它試驗(yàn)工況存在偏差；
e． 模型忽略了電機(jī)熱輻射的作用。
為驗(yàn)證風(fēng)速對電機(jī)溫升的影響，進(jìn)行了不同車速下
的車載隨機(jī)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。
時(shí)間／min
圖9 電機(jī)溫升隨機(jī)試驗(yàn)
從圖9可以看出，電機(jī)溫度模型計(jì)算值能實(shí)時(shí)、準(zhǔn)
確跟蹤實(shí)際值，誤差在5℃以內(nèi)，表明模型動(dòng)態(tài)準(zhǔn)確性
高，驗(yàn)證了風(fēng)速影響因子的計(jì)算準(zhǔn)確性。 ． ．
隨機(jī)試驗(yàn)中，分析模型誤差的來源為：
a． 車速變化頻繁且無規(guī)律；
b． 風(fēng)的流動(dòng)狀態(tài)變化無常。
4．3 過熱保護(hù)控制算法驗(yàn)證
保持與上述自加熱試驗(yàn)條件相同，采取圖6所示過
熱保護(hù)控制算法，在25℃、50oC、75oC、100oC下分別進(jìn)行
電機(jī)自加熱試驗(yàn)，并與無過熱保護(hù)進(jìn)行對比。試驗(yàn)結(jié)果
如圖10所示。
125
u
100
寇75
贈(zèng)5O
25
O 30 60 90 120 150
時(shí)間／rain
(a)25。C
150
125
100
贈(zèng)75
50
0 30 60 9O 120 150
時(shí)間／min
(b)50oC
(下轉(zhuǎn)第62頁)
汽車技術(shù)
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· 試驗(yàn)測試-
(上接第48頁)
175
50
25
O0
75
0 30 60 90 12O 15O
時(shí)間／min
(c)75。C
200
175
l50
125
100
時(shí)間／min
(d)100。C
圖1O 有／無過熱保護(hù)的電機(jī)發(fā)熱一冷卻曲線
由圖10可以看出，有過熱保護(hù)比無過熱保護(hù)的電
機(jī)溫度上升速度慢、穩(wěn)態(tài)溫度低，如表3所列。
表3 有，無過熱保護(hù)的電機(jī)溫度對比
環(huán)境 穩(wěn)態(tài)溫度 平均溫升速度
溫度，。C 降幅／。C 降幅／。C·rain
25 97-60=37 0．77—0．58=0．19
50 l 20-80=40 0．78-0．43=0_35
75 14l一101=40 0．73-0．3 1=0．42
100 168-114=54 0．93-0_23：0．7O
由表3可知，以環(huán)境溫度為100 oC為例，采取過熱
保護(hù)后，電機(jī)穩(wěn)態(tài)溫度降低54℃，平均溫升速度降低
0．70％／min，且降幅隨環(huán)境溫度上升而增大。由此證
明該控制算法可對電機(jī)進(jìn)行有效的過熱保護(hù)，廢氣
門在高溫惡劣環(huán)境下工作時(shí)，可以保證其電機(jī)持續(xù)
運(yùn)行。
5 結(jié)束語
建立了電機(jī)溫度模型，并設(shè)計(jì)了一種基于模型的電
機(jī)過熱保護(hù)控制算法，試驗(yàn)結(jié)果表明：
a． 該電機(jī)溫度模型能實(shí)時(shí)計(jì)算電機(jī)當(dāng)前溫度，準(zhǔn)
確可靠，可以替代熱電偶，降低了成本，并擴(kuò)展了ECU
的功能。
b． 過熱保護(hù)控制算法能有效防止電機(jī)過熱，簡單
可靠，在保護(hù)電機(jī)的同時(shí)可使電機(jī)利用率最大化。
上述建模方法和控制算法設(shè)計(jì)思想對其它車用永
磁直流電機(jī)同樣適用，但由于試驗(yàn)條件所限，只進(jìn)行了
恒溫、無風(fēng)環(huán)境下的電機(jī)自加熱試驗(yàn)，模型準(zhǔn)確性和控
制算法有效性還有待整車試驗(yàn)驗(yàn)證。
- 62-
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(責(zé)任編輯簾青)
修改稿收到日期為2014年11月1日。
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