電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)無刷電機(jī)溫度研究

 汽車電子技術(shù)，電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向(Electric Power Steering System，EPS)己成為世界汽車轉(zhuǎn)向技術(shù)發(fā)展的研究熱點(diǎn)和前沿技術(shù)之一。EPS系統(tǒng)的特點(diǎn)就是電流大，由于電流過大，勢必會(huì)導(dǎo)致電機(jī)甚至整個(gè)設(shè)備的溫度增高。因此，熱管理就成為保證電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)EPS安全的重要組成部分。目前，國內(nèi)對(duì)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的熱管理也有考慮，主要是提高電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制器(Engine Control Unit，ECU)的散熱性能，保證了電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制器的正常工作，但并沒有提及對(duì)整個(gè)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的溫度進(jìn)行評(píng)估并實(shí)施保護(hù)。故對(duì)EPS系統(tǒng)熱管理的全面性還有待進(jìn)一步提高。

EPS ECU印刷電路板(Printed Circuit Board，PCB)的主要熱量來自于大功率的MOSFET管的影響，一般都設(shè)計(jì)了合理的ECU散熱機(jī)構(gòu)以此提高其散熱能力，降低ECU的工作溫度，從而使PCB板上的電子元件可靠、穩(wěn)定地運(yùn)行。由于ECU MOSFET處裝有溫度傳感器，故可以隨時(shí)監(jiān)控MOSFET的溫度。

本文在已選擇了PMSM電機(jī)的情況下，基于系統(tǒng)電流與ECU MOSFET溫度信息對(duì)電機(jī)的繞組、磁鋼和即插件進(jìn)行溫度估計(jì)，使EPS系統(tǒng)電機(jī)與ECU在過熱時(shí)，能夠及時(shí)地進(jìn)行熱保護(hù)，保護(hù)電機(jī)和ECU。

1 EPS電機(jī)熱分析

本文通過對(duì)EPS電機(jī)發(fā)熱與散熱分析，建立EPS系統(tǒng)電機(jī)溫升模型。

1.1 EPS電機(jī)發(fā)熱分析

EPS電機(jī)發(fā)熱主要是由于電機(jī)的損耗，電機(jī)在機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的過程中將不可避免地產(chǎn)生損耗，而這些損耗絕大部分最終變成了熱量，使電機(jī)各部分溫度升高，所以對(duì)電機(jī)進(jìn)行熱分析時(shí)把電機(jī)損耗作為熱源。又因?yàn)樾D(zhuǎn)電機(jī)中的能量轉(zhuǎn)換過程是通過磁場對(duì)繞組作用進(jìn)行的，所以EPS電機(jī)中，繞組損耗是電機(jī)溫度快速上升的主要原因，也是電機(jī)溫度最大值的地方。

繞組損耗主要是銅損耗，也稱電氣損耗。由焦耳一愣次定律知，此損耗應(yīng)等于繞組中電流的平方與電阻的乘積。如電機(jī)具有多個(gè)繞組，則應(yīng)分別計(jì)算各繞組的銅損耗，然后相加

式中，Ix為繞組中對(duì)應(yīng)x軸的電流;Rx為繞組中對(duì)應(yīng)x軸的電阻。

1.2 EPS散熱分析

EPS電機(jī)發(fā)熱升溫，必定會(huì)向周圍散熱。熱量傳遞有3種基本方式：導(dǎo)熱、對(duì)流和熱輻射。而熱輻射對(duì)于電機(jī)溫度的估算影響過小，可以忽略。

(1)熱傳導(dǎo)。是熱能從高溫向低溫部分轉(zhuǎn)移的過程，是一個(gè)分子向另一個(gè)分子傳遞振動(dòng)能的結(jié)果。熱傳導(dǎo)定律，也稱為傅立葉定律，描述了熱量在介質(zhì)中的傳導(dǎo)規(guī)律。對(duì)于部分介質(zhì)面積為S的傅里葉定律的積分形式為

式中，k是這種材料的熱導(dǎo)率;A是介質(zhì)的截面積;△T是兩端溫差;△x是兩端距離。

(2)對(duì)流傳熱。又稱熱對(duì)流，對(duì)流通常發(fā)生在流體內(nèi)或流體和容器之間有溫度差時(shí)，因?yàn)闇囟鹊牟町悤?huì)使流體之間的密度不同，當(dāng)液體或氣體物質(zhì)一部分受熱時(shí)，體積膨脹，密度減少，逐漸上升，其位置由周圍溫度較低、密度較大的物質(zhì)補(bǔ)充，此物質(zhì)再受熱上升，周圍物質(zhì)又來補(bǔ)充，如此循環(huán)，遂將熱量由流動(dòng)的流體傳播到各處。

經(jīng)過流體表面的局部對(duì)流熱通量表示為

式中，為局部對(duì)流系數(shù);TS為表面溫度;T∞為精制或環(huán)境溫度。

通過一個(gè)表面總熱傳導(dǎo)通過計(jì)算q的積分得到式中，h為平均對(duì)流系數(shù);AS為表面面積;q為總熱導(dǎo)率。

對(duì)流換熱是流體的對(duì)流與導(dǎo)熱聯(lián)合作用結(jié)果，根據(jù)牛頓定律，對(duì)流散熱的熱量與固體對(duì)流體的溫度差和散熱面積成正比。

2 溫度估計(jì)

為了對(duì)EPs中的關(guān)鍵部件進(jìn)行熱保護(hù)，防止PCB過熱，系統(tǒng)設(shè)計(jì)在MOSFET上放置一個(gè)溫度傳感器。為了減少系統(tǒng)的復(fù)雜程度，并沒有在其他部件上添加溫度傳感器，如何使用僅有的溫度傳感器信息對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的溫度進(jìn)行估計(jì)和實(shí)施保護(hù)是本文研究的重點(diǎn)。本文對(duì)電機(jī)熱估計(jì)以電機(jī)電流、初始溫度值為輸入變量，進(jìn)行建模、實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)處理，從而求得電機(jī)溫度最大值的估計(jì)值，并對(duì)計(jì)算得到的溫度進(jìn)行分析，以此決定是否需要減小電機(jī)助力或停止電機(jī)工作，對(duì)電機(jī)和ECU進(jìn)行熱保護(hù)。

2.1 溫度估計(jì)模型建立

綜合EPS系統(tǒng)熱分析，將主要損耗等效成電流平方和電阻以及功率補(bǔ)償系數(shù)的乘積。運(yùn)用電機(jī)電流和開車初始時(shí)的溫度估算出電機(jī)溫度值。

2.2 熱估計(jì)溫度求取

本文電機(jī)估計(jì)溫度求取的基本公式為

T=△Tn+T0 (6)

式中，△Tn是指從初始時(shí)刻到第n次計(jì)算周期中總的溫度上升量;T0指初始溫度數(shù)值。

T0值可由MOSFET上的溫度傳感器求得，主要是對(duì)△Tn的求解。

(1)熱估計(jì)功率損耗計(jì)算。從EPS熱分析可知，溫度的估計(jì)和電機(jī)電流有關(guān)，即根據(jù)測量出的Q軸和D軸電流，可以計(jì)算出熱估計(jì)功率損耗P。

系統(tǒng)發(fā)熱功率損耗計(jì)算，如下式

式中，K為功率補(bǔ)償系數(shù)，其實(shí)質(zhì)是指修正電機(jī)的銅損和鐵損之和;R為繞組阻值。

(2)熱估計(jì)溫度上升計(jì)算。由前面對(duì)散熱分析知：電機(jī)散熱功率與介質(zhì)之間的溫度差成正比，所以電機(jī)的散熱功率

P0=P熱傳導(dǎo)+P對(duì)流=λ△Tn=△Tn/RC (9)

式中，RC為散熱系數(shù)阻值。

由于在計(jì)算時(shí)間步長內(nèi)的溫度上升量△T=
;所以熱估計(jì)溫度在計(jì)算步長內(nèi)上升的計(jì)算公式如下

式中，C是等效比熱;△t是兩個(gè)估計(jì)溫度上升量△Tn與△Tn-1之間的時(shí)間差，即計(jì)算溫度的步長。

3 溫度估計(jì)試驗(yàn)

為了簡便、實(shí)用并適合EPS系統(tǒng)中ECU使用的控制策略，文中通過溫度估計(jì)實(shí)驗(yàn)將上述模型簡化為查表的形式，然后采用Simulink的自動(dòng)代碼生成工具，生成C語言代碼運(yùn)行于MCU中。圖2為溫度估計(jì)的標(biāo)定試驗(yàn)原理圖，通過CANape軟件設(shè)定輸入電流的大小，用數(shù)據(jù)采集器采集電機(jī)溫度數(shù)據(jù)。

本文實(shí)驗(yàn)從兩方面展開：(1)快速發(fā)熱溫度估計(jì)實(shí)驗(yàn)。(2)慢速發(fā)熱實(shí)驗(yàn)，并通過快慢速發(fā)熱溫度估計(jì)實(shí)驗(yàn)?？焖侔l(fā)熱實(shí)驗(yàn)主要是指當(dāng)電流過大時(shí)，EPS電機(jī)溫度快速上升時(shí)的狀態(tài)，慢速發(fā)熱實(shí)驗(yàn)主要是指電機(jī)工作在一定電流時(shí)，EPS電機(jī)溫度平衡時(shí)的狀態(tài)。

通過采集快慢速發(fā)熱實(shí)驗(yàn)的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到對(duì)應(yīng)電流下快慢速溫升的大小，以此分別得出的快速發(fā)熱表和慢速發(fā)熱表，再標(biāo)定快速發(fā)熱溫升計(jì)算因子m、慢速發(fā)熱溫升計(jì)算因子n以及發(fā)熱混成因子i。綜合快慢發(fā)熱，估計(jì)所述電機(jī)的繞組溫度上升值△T

△T=m×i+n×(1-i) (11)

由此，得到△T發(fā)熱表，只要設(shè)置不同的電流大小通過實(shí)驗(yàn)采集到不同溫度下的△T，得到發(fā)熱表，再由電機(jī)溫度的初始值查表，經(jīng)過插值法計(jì)算，就能實(shí)時(shí)監(jiān)控電機(jī)溫度的變化，電機(jī)溫度估計(jì)查表模型如圖3所示。

在定義初始溫度為20°時(shí)，如圖4和圖5所示，分別為輸入電機(jī)電流在20 A、30 A、40 A、50 A、60 A、70 A、80 A、90 A時(shí)，EPS系統(tǒng)電機(jī)溫度估算曲線。

由圖4和圖5可知，隨著電流的增大，溫度上升到某一溫度的速度越快，在圖3中輸入較小的電流，溫度最終都達(dá)到恒定，而圖4中，輸入為大電流時(shí)，溫度很快達(dá)到了所設(shè)閾值125°，此時(shí)需減少電機(jī)助力，以預(yù)防EPS系統(tǒng)運(yùn)行出現(xiàn)故障。

4 結(jié)束語

在電機(jī)熱管理時(shí)，本文在考慮結(jié)構(gòu)上利于散熱的條件下，進(jìn)行電機(jī)繞組溫度估計(jì)，以防止過熱對(duì)系統(tǒng)造成破壞;進(jìn)行電機(jī)溫度估計(jì)時(shí)，通過發(fā)熱實(shí)驗(yàn)，得到發(fā)熱表，可直接根據(jù)電流輸入的大小查表，估計(jì)出溫度的大小，從而無需經(jīng)過復(fù)雜的計(jì)算;電機(jī)過熱容易導(dǎo)致繞組短路燒毀，電機(jī)損壞，在EPS系統(tǒng)中，電機(jī)的溫度可由上述計(jì)算方法估計(jì)出來，而ECU自配溫度傳感器，可以設(shè)置溫度界限，根據(jù)得到的電機(jī)溫度信號(hào)以及ECU溫度信號(hào)是否超過分別所設(shè)的溫度界限，來控制電機(jī)助力是否需要減小還是保持不變，以此保護(hù)電機(jī)和ECU使整個(gè)EPS系統(tǒng)能正常的運(yùn)行，由于溫度上升的快慢與很多因素有關(guān)，例如環(huán)境、物體材料等，所以溫度界限的設(shè)置根據(jù)實(shí)際情況而設(shè)定。