電動廢氣門電機溫度模型及其過熱保護研究

周俊宏習 綱劉 寧曾 宇喻 凡

電動廢氣門電機溫度模型及其過熱保護研究

周俊宏1習 綱2劉 寧2曾 宇2喻 凡1

（1.上海交通大學；2.聯合汽車電子有限公司）

電動廢氣門執(zhí)行電機性能直接決定廢氣門的控制精度和響應速度，而溫度是影響電機輸出力矩和壽命的關鍵因素。對永磁直流電機的發(fā)熱-散熱機理進行分析，建立了基于功率算法的電機溫度模型，通過試驗對電機參數進行了辨識及模型驗證。在此基礎上，設計了根據電機溫度限制電機占空比的實時過熱保護控制算法，試驗結果表明，該控制算法可以有效預防電機溫度過高。

1 電動廢氣門簡介

對于渦輪增壓發(fā)動機，為獲得低速大扭矩性能、防止渦輪轉速過高導致增壓器損壞，需采用廢氣門進行增壓器壓力控制[5，6]。

傳統的氣動廢氣門驅動力受進氣壓力控制，在發(fā)動機小負荷運轉時會形成節(jié)氣門前、后壓力差，從而產生節(jié)流損失；另外，進氣壓力的波動使得氣動廢氣門的控制精度和響應速度也不夠理想。電動廢氣門采用集成于永磁直流電機的蝸桿驅動廢氣門，因永磁直流電機具有體積小、動作反應靈敏、運行平穩(wěn)、低速力矩大、頻率可調特點，可以滿足廢氣門的性能需求，故電動廢氣門可以克服氣動廢氣門的缺點，其結構如圖1所示。

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，進而決定增壓壓力。電動廢氣門開度由蝸桿推力決定，其控制原理如圖2所示。

由圖2可知，蝸桿推力決定廢氣門開度，而電機溫度升高會導致蝸桿推力減小，參數如表1所列。另外，高溫可能導致電機絕緣材料損壞和永磁體消磁[7]，使電機壽命隨溫度呈指數下降。

表1 不同溫度下的電機輸出

由表1可知，蝸桿最大推力隨電機溫度升高而減小，而且100～140℃的平均下降速度為25～100℃的3倍多。因此，為了防止蝸桿推力影響廢氣門開度控制，需要防止電機過熱。

由于熱電偶成本高昂且在發(fā)動機艙內不便于安裝，本文通過建立電機溫度模型實時監(jiān)測電機溫度，并設計過熱保護控制算法防止電機溫度超限。

2 電機溫度模型建立

2.1 發(fā)熱-散熱機理分析

電機各部分材料導熱能力、散熱條件相差很大，且受熱不均勻，溫度達到穩(wěn)定以前，各點溫度不斷變化，是一個發(fā)熱-散熱過程非常復雜的不穩(wěn)定導熱過程。若要分析、計算每個節(jié)點的溫度，將會使模型難度大大增加[8]，不利于工程實現。對于廢氣門采用的小型永磁直流電機，本文將其視為常物性的均質物體，即物理性質不發(fā)生變化、表面各點散熱情況相同且其內部沒有溫差的物體。

永磁直流電機工作時產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，因此繞組是電機溫度最高的地方[9]。忽略其他損耗，即假設除了繞組銅損，電機其余功率均作為機械輸出，得到永磁直流電機等效發(fā)熱原理如圖3所示。

電機工作時的電壓平衡方程為：

式中，U為電機等效工作電壓；E為電機反電勢；I為電機等效工作電流；R為電機等效電阻；Ce為反電勢系數；Φ為磁通；ω為電機角速度。

于是，可以得到電機的發(fā)熱功率q1為：

電機與周圍介質之間的傳熱方式主要為對流散熱，根據牛頓冷卻公式，可得電機的散熱功率q2為：

式中，h為對流換熱系數；A為電機表面積；T、Ta分別為電機溫度和環(huán)境溫度。

考慮風速影響的對流換熱系數為[10]：

式中，h0為無風環(huán)境下的對流換熱系數；v為風速；n為風速影響因子。

2.2 數學模型建立

根據能量守恒定律，由式（3）、式（4）可得基于功率的永磁直流電機溫度模型算法如下：

式中，c為電機比熱容；m為電機質量；t為時間。

根據傳熱學知識，可知熱容Hc=cm，熱阻Hr=1/hA。當電機溫度飽和時有dT/dt，由式（6）可得電機穩(wěn)態(tài)溫度Tmax為：

將式（7）帶入式（6），可得電機的發(fā)熱方程為：

斷電時，電機的冷卻方程為：

式中，T0為電機（發(fā)熱/冷卻）初始溫度；τ=Hc·Hr，為發(fā)熱/冷卻時間常數。

根據前文所述可得風速與時間常數的關系為：

式中，τ1、τ2分別表示風速為v1、v2時的電機發(fā)熱/冷卻時間常數。

考慮到永磁直流電機溫度變化并不十分靈敏，取計算周期Δt=1s，即可滿足廢氣門需求，于是得到電機發(fā)熱方程的離散解析式為：

2.3 電機參數確定

由式（8）、式（9）可知，電機的溫度變化服從指數規(guī)律，當t=τ時，電機溫升/溫降為其飽和溫升/溫降的63.21%。在環(huán)境溫度為25℃、電壓為12 V的條件下，分別進行無風、風速為10 m/s、風速為20 m/s的電機自加熱試驗，根據電機發(fā)熱-冷卻曲線可以確定各風速條件下的電機發(fā)熱-冷卻時間常數，根據式（10）可計算出風速影響因子。不同風速條件下的電機發(fā)熱-冷卻曲線如圖4所示。

由圖4可知，無風條件下的電機發(fā)熱、冷卻時間常數分別為17.37 min、113.3-93.01=20.29 min；10 m/s風速下的電機發(fā)熱、冷卻時間常數分別為15.63 min、75.65-61.78=13.87 min；20 m/s風速下的電機發(fā)熱、冷卻時間常數分別為10.15 min、57.85-46.49=11.36 min。于是，根據式（10）可以計算出發(fā)熱、冷卻時的風速影響因子分別為：

從而可以計算出不同風速條件下的發(fā)熱、冷卻時間常數。

堵轉情況下，即ω=0時，電機不輸出機械功率，根據式（1）、式（2），可得電機等效電阻：

通過測量不同溫度下的電機工作電壓和電流，即可求得電機等效電阻，如圖5所示。

從圖5可以看出，電機等效電阻與溫度基本呈線性關系，作簡化處理，即：

3 過熱保護控制算法設計

傳統反時限保護只適用于電流恒定的電機發(fā)熱過程[11]，實際運行過程中，電機負載波動較大且頻繁，而且電源電壓也可能出現波動，電機穩(wěn)態(tài)溫度隨之相應變化，因此反時限保護容易導致誤動作。

本文通過建立溫度模型實時監(jiān)控電機溫度，由表1所示數據，根據當前電機溫度線性插值，限制電機最大持續(xù)占空比，即限制電流大小在允許范圍內，從而減小電機發(fā)熱功率，對電機起到過熱保護作用。一般情況下，電機允許低倍過載，但不能持續(xù)較長時間，當電機占空比長時間持續(xù)超限時，需要切斷驅動級。

綜上所述，設計的電機過熱保護控制算法如圖6所示。

4 試驗驗證及結果分析

4.1 試驗平臺搭建

基于前文所述方法，利用Ascet軟件建立電機溫度模型并集成到控制器中；將控制器連接到負載箱，通過CAN通訊模塊ES590采集控制器信號；在電機各部分貼上熱電偶，放入溫控箱內，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溫度信號和電機電流信號；所有信號最終都通過INCA軟件在計算機上顯示并記錄；反之，通過ES590和負載箱，計算機可發(fā)出控制信號驅動電機工作。搭建的試驗平臺如圖7所示。

4.2 模型準確性驗證

由于發(fā)動機高溫部件的熱輻射，廢氣門安裝位置的環(huán)境溫度較高且波動頻繁，為此，設計不同環(huán)境溫度的電機自加熱試驗。保持直流電源電壓為電機額定工作電壓12V，使溫控箱內溫度穩(wěn)定在25℃、50℃、75℃、100℃，分別進行自加熱測試，得到電機發(fā)熱-冷卻曲線如圖8所示。

從圖8可以看出，電機溫度模型計算值能實時跟隨熱電偶實測值，兩者吻合度較高。試驗過程溫度誤差分析如表2所示。

表2 模型誤差分析 ℃

根據表2所示數據，穩(wěn)態(tài)溫度偏差最大僅為6℃，動態(tài)溫度偏差在±10℃以內，滿足廢氣門的性能需求，證明此模型準確可靠。

導致模型計算誤差的原因有：

a.由于溫控箱功率有限且電機發(fā)熱時對周圍環(huán)境的熱輻射，試驗過程中溫控箱內環(huán)境溫度有所波動且各點溫度不完全一致；

b.試驗過程中電源電壓和負載會有波動，造成電機自加熱不能維持恒定；

c.離散化導致計算精度降低；

d.由單次試驗（環(huán)境溫度為25℃）確定的電機參數可能對于其它試驗工況存在偏差；

e.模型忽略了電機熱輻射的作用。

為驗證風速對電機溫升的影響，進行了不同車速下的車載隨機試驗，試驗結果如圖9所示。

從圖9可以看出，電機溫度模型計算值能實時、準確跟蹤實際值，誤差在5℃以內，表明模型動態(tài)準確性高，驗證了風速影響因子的計算準確性。

隨機試驗中，分析模型誤差的來源為：

a.車速變化頻繁且無規(guī)律；

b.風的流動狀態(tài)變化無常。

4.3 過熱保護控制算法驗證

保持與上述自加熱試驗條件相同，采取圖6所示過熱保護控制算法，在25℃、50℃、75℃、100℃下分別進行電機自加熱試驗，并與無過熱保護進行對比。試驗結果如圖10所示。

Study on Motor Temperature Model and Overheat Protection for Electric Waste Gate

Zhou Junhong1,Xi Gang2,Liu Ning2,Zeng Yu2,Yu Fan1
（1.Shanghai Jiaotong University;2.United Automotive Electronics System Co.,Ltd）

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.

Electric waste gate,PMDC motor,Temperature model,Overheat protection

電動廢氣門 永磁直流電機 溫度模型 過熱保護

U464

A

1000-3703（2015）05-0045-04