电动废气门电机温度模型及其过热保护研究

周俊宏习 纲刘 宁曾 宇喻 凡

电动废气门电机温度模型及其过热保护研究

周俊宏1习 纲2刘 宁2曾 宇2喻 凡1

（1.上海交通大学；2.联合汽车电子有限公司）

电动废气门执行电机性能直接决定废气门的控制精度和响应速度，而温度是影响电机输出力矩和寿命的关键因素。对永磁直流电机的发热-散热机理进行分析，建立了基于功率算法的电机温度模型，通过试验对电机参数进行了辨识及模型验证。在此基础上，设计了根据电机温度限制电机占空比的实时过热保护控制算法，试验结果表明，该控制算法可以有效预防电机温度过高。

1 电动废气门简介

对于涡轮增压发动机，为获得低速大扭矩性能、防止涡轮转速过高导致增压器损坏，需采用废气门进行增压器压力控制[5，6]。

传统的气动废气门驱动力受进气压力控制，在发动机小负荷运转时会形成节气门前、后压力差，从而产生节流损失；另外，进气压力的波动使得气动废气门的控制精度和响应速度也不够理想。电动废气门采用集成于永磁直流电机的蜗杆驱动废气门，因永磁直流电机具有体积小、动作反应灵敏、运行平稳、低速力矩大、频率可调特点，可以满足废气门的性能需求，故电动废气门可以克服气动废气门的缺点，其结构如图1所示。

从图1可以看出，废气门开度控制决定了涡轮与旁通道的废气流量分布，进而决定增压压力。电动废气门开度由蜗杆推力决定，其控制原理如图2所示。

由图2可知，蜗杆推力决定废气门开度，而电机温度升高会导致蜗杆推力减小，参数如表1所列。另外，高温可能导致电机绝缘材料损坏和永磁体消磁[7]，使电机寿命随温度呈指数下降。

表1 不同温度下的电机输出

由表1可知，蜗杆最大推力随电机温度升高而减小，而且100～140℃的平均下降速度为25～100℃的3倍多。因此，为了防止蜗杆推力影响废气门开度控制，需要防止电机过热。

由于热电偶成本高昂且在发动机舱内不便于安装，本文通过建立电机温度模型实时监测电机温度，并设计过热保护控制算法防止电机温度超限。

2 电机温度模型建立

2.1 发热-散热机理分析

电机各部分材料导热能力、散热条件相差很大，且受热不均匀，温度达到稳定以前，各点温度不断变化，是一个发热-散热过程非常复杂的不稳定导热过程。若要分析、计算每个节点的温度，将会使模型难度大大增加[8]，不利于工程实现。对于废气门采用的小型永磁直流电机，本文将其视为常物性的均质物体，即物理性质不发生变化、表面各点散热情况相同且其内部没有温差的物体。

永磁直流电机工作时产生的热量来源有绕组铜损、定子铁损、涡流损耗等，其中，绕组铜损占绝大部份，因此绕组是电机温度最高的地方[9]。忽略其他损耗，即假设除了绕组铜损，电机其余功率均作为机械输出，得到永磁直流电机等效发热原理如图3所示。

电机工作时的电压平衡方程为：

式中，U为电机等效工作电压；E为电机反电势；I为电机等效工作电流；R为电机等效电阻；Ce为反电势系数；Φ为磁通；ω为电机角速度。

于是，可以得到电机的发热功率q1为：

电机与周围介质之间的传热方式主要为对流散热，根据牛顿冷却公式，可得电机的散热功率q2为：

式中，h为对流换热系数；A为电机表面积；T、Ta分别为电机温度和环境温度。

考虑风速影响的对流换热系数为[10]：

式中，h0为无风环境下的对流换热系数；v为风速；n为风速影响因子。

2.2 数学模型建立

根据能量守恒定律，由式（3）、式（4）可得基于功率的永磁直流电机温度模型算法如下：

式中，c为电机比热容；m为电机质量；t为时间。

根据传热学知识，可知热容Hc=cm，热阻Hr=1/hA。当电机温度饱和时有dT/dt，由式（6）可得电机稳态温度Tmax为：

将式（7）带入式（6），可得电机的发热方程为：

断电时，电机的冷却方程为：

式中，T0为电机（发热/冷却）初始温度；τ=Hc·Hr，为发热/冷却时间常数。

根据前文所述可得风速与时间常数的关系为：

式中，τ1、τ2分别表示风速为v1、v2时的电机发热/冷却时间常数。

考虑到永磁直流电机温度变化并不十分灵敏，取计算周期Δt=1s，即可满足废气门需求，于是得到电机发热方程的离散解析式为：

2.3 电机参数确定

由式（8）、式（9）可知，电机的温度变化服从指数规律，当t=τ时，电机温升/温降为其饱和温升/温降的63.21%。在环境温度为25℃、电压为12 V的条件下，分别进行无风、风速为10 m/s、风速为20 m/s的电机自加热试验，根据电机发热-冷却曲线可以确定各风速条件下的电机发热-冷却时间常数，根据式（10）可计算出风速影响因子。不同风速条件下的电机发热-冷却曲线如图4所示。

由图4可知，无风条件下的电机发热、冷却时间常数分别为17.37 min、113.3-93.01=20.29 min；10 m/s风速下的电机发热、冷却时间常数分别为15.63 min、75.65-61.78=13.87 min；20 m/s风速下的电机发热、冷却时间常数分别为10.15 min、57.85-46.49=11.36 min。于是，根据式（10）可以计算出发热、冷却时的风速影响因子分别为：

从而可以计算出不同风速条件下的发热、冷却时间常数。

堵转情况下，即ω=0时，电机不输出机械功率，根据式（1）、式（2），可得电机等效电阻：

通过测量不同温度下的电机工作电压和电流，即可求得电机等效电阻，如图5所示。

从图5可以看出，电机等效电阻与温度基本呈线性关系，作简化处理，即：

3 过热保护控制算法设计

传统反时限保护只适用于电流恒定的电机发热过程[11]，实际运行过程中，电机负载波动较大且频繁，而且电源电压也可能出现波动，电机稳态温度随之相应变化，因此反时限保护容易导致误动作。

本文通过建立温度模型实时监控电机温度，由表1所示数据，根据当前电机温度线性插值，限制电机最大持续占空比，即限制电流大小在允许范围内，从而减小电机发热功率，对电机起到过热保护作用。一般情况下，电机允许低倍过载，但不能持续较长时间，当电机占空比长时间持续超限时，需要切断驱动级。

综上所述，设计的电机过热保护控制算法如图6所示。

4 试验验证及结果分析

4.1 试验平台搭建

基于前文所述方法，利用Ascet软件建立电机温度模型并集成到控制器中；将控制器连接到负载箱，通过CAN通讯模块ES590采集控制器信号；在电机各部分贴上热电偶，放入温控箱内，利用热电偶温度测量模块Thermo-Scan和电流传感器分别采集热电偶所贴位置电机温度信号和电机电流信号；所有信号最终都通过INCA软件在计算机上显示并记录；反之，通过ES590和负载箱，计算机可发出控制信号驱动电机工作。搭建的试验平台如图7所示。

4.2 模型准确性验证

由于发动机高温部件的热辐射，废气门安装位置的环境温度较高且波动频繁，为此，设计不同环境温度的电机自加热试验。保持直流电源电压为电机额定工作电压12V，使温控箱内温度稳定在25℃、50℃、75℃、100℃，分别进行自加热测试，得到电机发热-冷却曲线如图8所示。

从图8可以看出，电机温度模型计算值能实时跟随热电偶实测值，两者吻合度较高。试验过程温度误差分析如表2所示。

表2 模型误差分析 ℃

根据表2所示数据，稳态温度偏差最大仅为6℃，动态温度偏差在±10℃以内，满足废气门的性能需求，证明此模型准确可靠。

导致模型计算误差的原因有：

a.由于温控箱功率有限且电机发热时对周围环境的热辐射，试验过程中温控箱内环境温度有所波动且各点温度不完全一致；

b.试验过程中电源电压和负载会有波动，造成电机自加热不能维持恒定；

c.离散化导致计算精度降低；

d.由单次试验（环境温度为25℃）确定的电机参数可能对于其它试验工况存在偏差；

e.模型忽略了电机热辐射的作用。

为验证风速对电机温升的影响，进行了不同车速下的车载随机试验，试验结果如图9所示。

从图9可以看出，电机温度模型计算值能实时、准确跟踪实际值，误差在5℃以内，表明模型动态准确性高，验证了风速影响因子的计算准确性。

随机试验中，分析模型误差的来源为：

a.车速变化频繁且无规律；

b.风的流动状态变化无常。

4.3 过热保护控制算法验证

保持与上述自加热试验条件相同，采取图6所示过热保护控制算法，在25℃、50℃、75℃、100℃下分别进行电机自加热试验，并与无过热保护进行对比。试验结果如图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

电动废气门 永磁直流电机 温度模型 过热保护

U464

A

1000-3703（2015）05-0045-04