汽車電動水泵轉速測量方法分析及對比

袁書豪 楊曉荷

摘 要：本文介紹了汽車電動水泵（以下簡稱電動水泵）開發(fā)過程中轉速的多種測量方法，對各種方法的原理、應用范圍及優(yōu)缺點進行了分析對比。本文介紹的測量方法可以方便地應用于電動水泵設計開發(fā)和試驗過程。

關鍵詞：電動水泵；熱管理；轉速測量；性能標定

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.23.033

1 前言

為響應國家節(jié)能減排的政策，新能源汽車逐步取代傳統(tǒng)汽車，電動水泵作為新能源汽車熱管理系統(tǒng)的重要部件，發(fā)揮著不可替代的作用。電動水泵的動力來源為電能，影響到水泵的性能指標有轉速及工作電壓，其中轉速是電動水泵依據(jù)整車運行工況實時調(diào)整的。因此，研究選擇恰當?shù)霓D速測量方法對標定電動水泵性能、快速定位問題、提高試驗數(shù)據(jù)的準確性具有重要意義。

2 轉速測量方法

電動水泵轉速的測量主要包括光電傳感器法、霍爾法、電壓法、電流法、軟件反饋法等。

2.1 光電傳感器法

光電傳感器法是利用光的反射原理進行光電轉換。光電傳感器法有發(fā)射器、接收器、檢測電路三部分組成，如圖1所示，其中發(fā)射器為發(fā)光二極管（LED）、紅外發(fā)射二極管等半導體光源，接收器有光電二極管、光電三極管等。檢測電路主要是起到信號放大、濾波的作用。

使用光電傳感器法測速，需要被測物體上的某個位置具備反光特性，即被測物體轉一周，傳感器可以產(chǎn)生固定數(shù)量的脈沖信號。簡而言之，反光的物體上畫黑線，不反光的物體上畫白線（或者貼反光紙）?？梢灾苯邮褂霉怆娹D速表等儀器儀表或光電傳感器組成信號采集模塊，由系統(tǒng)接收處理模塊的信號，轉換為轉速值。

以被測物體轉一周，傳感器產(chǎn)生一個脈沖信號為例，電動水泵對應的轉速：

n=f*60

其中，f為系統(tǒng)采集到光電傳感器模塊的輸出信號頻率。

2.2 霍爾法

霍爾元件是應用霍爾效應的半導體。當磁場的一個磁極靠近它，霍爾輸出低電位電壓（低電平）或關的信號，當磁場的另一個磁極靠近它，霍爾輸出高電位電壓（高電平）或開的信號。在單相電機控制及有位置的三相電機控制中，霍爾用于轉子位置檢測。同時，也可以通過霍爾測量電動水泵轉速。

電動水泵正常運行過程中，霍爾的輸出信號為方波（正占空比為50%的矩形波）。電動水泵對應的轉速：

n=f*60/p

其中f為電動水泵霍爾輸出信號的頻率，p為電動水泵的轉子極對數(shù)。

以單相電機的電動水泵為例，圖2為霍爾的輸出波形，從波形上分析，可以看到霍爾輸出信號頻率f=115.4Hz，轉子極對數(shù)為2，則電動水泵的轉速n=115.4*60/2=3462rpm。

2.3 電壓法

在BLDC電機的運行過程中，單相或者三相電機的相電壓產(chǎn)生周期性地變化，生成旋轉磁場，從而驅動轉子轉動。所以，可以通過電機的相電壓的波形間接的獲取轉速信息。

對于單相電機的電動水泵，可以通過檢測電機線圈的任意一端測量轉速；對于三相電機的電動水泵，可以通過檢測U、V、W三相中的任意一相（必要時需要檢測任意兩相）測量轉速。電動水泵對應的轉速：

n=f*60/p

其中f為電動水泵相電壓的頻率，p為電動水泵的轉子極對數(shù)。

以三相電機的電動水泵為例，驅動方式為方波控制，圖3為A相的相電壓波形，從波形上分析，可以看到相電壓的頻率f=163.7Hz，轉子極對數(shù)為2，則電動水泵的轉速n=163.7*60/2=4911rpm。

2.4 電流法

電流法的測試原理與電壓法基本一致，在BLDC電機的運行過程中，單相或者三相電機的線電流也是周期性地變化，在一些復雜的算法中可以通過三相電流重構技術估算轉子位置，從而實現(xiàn)換向。

對于單相電機而言，可以使用電流鉗檢測電機線圈的任意一端；對于三相電機，可以使用電流鉗檢測U、V、W三相中的任意一相。電動水泵對應的轉速：

n=f*60/p

其中f為電動水泵線電流的頻率，p為電動水泵的轉子極對數(shù)。

以三相電機的電動水泵為例，驅動方式為FOC控制，圖4為A相的線電流波形，從波形上分析，可以看到線電流為弦波，其頻率為f1，轉子極對數(shù)為2，則電動水泵的轉速n=f1*60/2=30f1。

2.5 軟件反饋法

在目前的電動水泵設計開發(fā)中，電動水泵控制器中都實現(xiàn)了轉速閉環(huán)控制，軟件可以診斷出電機的當前運行狀態(tài)以及轉速信息，可以將轉速信息以PWM或者其他通信方式反饋，實現(xiàn)實時測速。

以反饋信號為PWM信號為例，PWM信號的重要參數(shù)是頻率和占空比，水泵可以通過PWM信號的占空比反饋轉速信息。圖5為電動水泵的反饋信號波形，從波形數(shù)據(jù)分析，反饋信號的頻率為100Hz，正占空比為60%。根據(jù)通信協(xié)議，反饋信號正占空比30%-80%對應轉速1500-5500rpm，由此可以得到電機轉速n=3900rpm。

3 測試方法對比

（1）光電傳感器法具有簡單方便的特點，可以使用DT-2234B測速表等儀器儀表或光電傳感器組成轉速信號采集模塊。但是，測轉速需要光電器件發(fā)出的光束直射在轉子或者轉軸上，所以在電動水泵負載運行時，此方法難以應用。另外光電傳感器法測速，需要被測物體轉軸上具備反光特性。光電傳感器本身的精度和靈敏度等也會對測量數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響，轉速偏差±0.1%n。

（2）霍爾法是精確度較高的轉速測量方法，在單相電機的電動水泵測速中應用較多。霍爾法需要電機或者控制器設計中使用霍爾傳感器，目前先進的無位置控制算法（sensorless方案）不再使用霍爾傳感器，無法使用此方法測量轉速。

（3）電動水泵的原理為電機控制器驅動電機運行，所以電壓法和電流法對所有的電動水泵都適用，但是考慮到應用過程中的可操作性，控制器直接與電機連接的電動水泵無法使用電流法。

（4）軟件反饋法可以在不拆解電動水泵的前提下實現(xiàn)轉速測量，但是軟件反饋法測轉速需要電動水泵具有微控制器（MCU），可以軟件編程實現(xiàn)，同時也需要通信協(xié)議支持，有一定的局限性。

（5）霍爾法、電壓法、電流法以及軟件反饋法中的信號需要借助于信號檢測設備（如示波器）等進行分析識別，然后按照相應的公式或協(xié)議轉換為轉速信息，轉速偏差±0.05%n。

4 小結

電動水泵作為新能源汽車產(chǎn)品的新生代，已逐步取代傳統(tǒng)水泵。本文中的電動水泵轉速測量方法可以適用于多個功率區(qū)段的電動水泵，對電動水泵的性能標定、故障分析、結構優(yōu)化等具有重要指導意義。在實際應用過程中，應根據(jù)試驗環(huán)境以及測試條件來選取測量方法。

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作者簡介：袁書豪（1991-），男，河南西峽人，本科，主要從事電動水泵控制器開發(fā)及測試工作。