汽车电动水泵转速测量方法分析及对比

袁书豪 杨晓荷

摘 要：本文介绍了汽车电动水泵（以下简称电动水泵）开发过程中转速的多种测量方法，对各种方法的原理、应用范围及优缺点进行了分析对比。本文介绍的测量方法可以方便地应用于电动水泵设计开发和试验过程。

关键词：电动水泵；热管理；转速测量；性能标定

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

1 前言

为响应国家节能减排的政策，新能源汽車逐步取代传统汽车，电动水泵作为新能源汽车热管理系统的重要部件，发挥着不可替代的作用。电动水泵的动力来源为电能，影响到水泵的性能指标有转速及工作电压，其中转速是电动水泵依据整车运行工况实时调整的。因此，研究选择恰当的转速测量方法对标定电动水泵性能、快速定位问题、提高试验数据的准确性具有重要意义。

2 转速测量方法

电动水泵转速的测量主要包括光电传感器法、霍尔法、电压法、电流法、软件反馈法等。

2.1 光电传感器法

光电传感器法是利用光的反射原理进行光电转换。光电传感器法有发射器、接收器、检测电路三部分组成，如图1所示，其中发射器为发光二极管（LED）、红外发射二极管等半导体光源，接收器有光电二极管、光电三极管等。检测电路主要是起到信号放大、滤波的作用。

使用光电传感器法测速，需要被测物体上的某个位置具备反光特性，即被测物体转一周，传感器可以产生固定数量的脉冲信号。简而言之，反光的物体上画黑线，不反光的物体上画白线（或者贴反光纸）。可以直接使用光电转速表等仪器仪表或光电传感器组成信号采集模块，由系统接收处理模块的信号，转换为转速值。

以被测物体转一周，传感器产生一个脉冲信号为例，电动水泵对应的转速：

n=f*60

其中，f为系统采集到光电传感器模块的输出信号频率。

2.2 霍尔法

霍尔元件是应用霍尔效应的半导体。当磁场的一个磁极靠近它，霍尔输出低电位电压（低电平）或关的信号，当磁场的另一个磁极靠近它，霍尔输出高电位电压（高电平）或开的信号。在单相电机控制及有位置的三相电机控制中，霍尔用于转子位置检测。同时，也可以通过霍尔测量电动水泵转速。

电动水泵正常运行过程中，霍尔的输出信号为方波（正占空比为50%的矩形波）。电动水泵对应的转速：

n=f*60/p

其中f为电动水泵霍尔输出信号的频率，p为电动水泵的转子极对数。

以单相电机的电动水泵为例，图2为霍尔的输出波形，从波形上分析，可以看到霍尔输出信号频率f=115.4Hz，转子极对数为2，则电动水泵的转速n=115.4*60/2=3462rpm。

2.3 电压法

在BLDC电机的运行过程中，单相或者三相电机的相电压产生周期性地变化，生成旋转磁场，从而驱动转子转动。所以，可以通过电机的相电压的波形间接的获取转速信息。

对于单相电机的电动水泵，可以通过检测电机线圈的任意一端测量转速；对于三相电机的电动水泵，可以通过检测U、V、W三相中的任意一相（必要时需要检测任意两相）测量转速。电动水泵对应的转速：

n=f*60/p

其中f为电动水泵相电压的频率，p为电动水泵的转子极对数。

以三相电机的电动水泵为例，驱动方式为方波控制，图3为A相的相电压波形，从波形上分析，可以看到相电压的频率f=163.7Hz，转子极对数为2，则电动水泵的转速n=163.7*60/2=4911rpm。

2.4 电流法

电流法的测试原理与电压法基本一致，在BLDC电机的运行过程中，单相或者三相电机的线电流也是周期性地变化，在一些复杂的算法中可以通过三相电流重构技术估算转子位置，从而实现换向。

对于单相电机而言，可以使用电流钳检测电机线圈的任意一端；对于三相电机，可以使用电流钳检测U、V、W三相中的任意一相。电动水泵对应的转速：

n=f*60/p

其中f为电动水泵线电流的频率，p为电动水泵的转子极对数。

以三相电机的电动水泵为例，驱动方式为FOC控制，图4为A相的线电流波形，从波形上分析，可以看到线电流为弦波，其频率为f1，转子极对数为2，则电动水泵的转速n=f1*60/2=30f1。

2.5 软件反馈法

在目前的电动水泵设计开发中，电动水泵控制器中都实现了转速闭环控制，软件可以诊断出电机的当前运行状态以及转速信息，可以将转速信息以PWM或者其他通信方式反馈，实现实时测速。

以反馈信号为PWM信号为例，PWM信号的重要参数是频率和占空比，水泵可以通过PWM信号的占空比反馈转速信息。图5为电动水泵的反馈信号波形，从波形数据分析，反馈信号的频率为100Hz，正占空比为60%。根据通信协议，反馈信号正占空比30%-80%对应转速1500-5500rpm，由此可以得到电机转速n=3900rpm。

3 测试方法对比

（1）光电传感器法具有简单方便的特点，可以使用DT-2234B测速表等仪器仪表或光电传感器组成转速信号采集模块。但是，测转速需要光电器件发出的光束直射在转子或者转轴上，所以在电动水泵负载运行时，此方法难以应用。另外光电传感器法测速，需要被测物体转轴上具备反光特性。光电传感器本身的精度和灵敏度等也会对测量数据产生影响，转速偏差±0.1%n。

（2）霍尔法是精确度较高的转速测量方法，在单相电机的电动水泵测速中应用较多。霍尔法需要电机或者控制器设计中使用霍尔传感器，目前先进的无位置控制算法（sensorless方案）不再使用霍尔传感器，无法使用此方法测量转速。

（3）电动水泵的原理为电机控制器驱动电机运行，所以电压法和电流法对所有的电动水泵都适用，但是考虑到应用过程中的可操作性，控制器直接与电机连接的电动水泵无法使用电流法。

（4）软件反馈法可以在不拆解电动水泵的前提下实现转速测量，但是软件反馈法测转速需要电动水泵具有微控制器（MCU），可以软件编程实现，同时也需要通信协议支持，有一定的局限性。

（5）霍尔法、电压法、电流法以及软件反馈法中的信号需要借助于信号检测设备（如示波器）等进行分析识别，然后按照相应的公式或协议转换为转速信息，转速偏差±0.05%n。

4 小结

电动水泵作为新能源汽车产品的新生代，已逐步取代传统水泵。本文中的电动水泵转速测量方法可以适用于多个功率区段的电动水泵，对电动水泵的性能标定、故障分析、结构优化等具有重要指导意义。在实际应用过程中，应根据试验环境以及测试条件来选取测量方法。

参考文献：

[1]陈明文，皮建军.关于风机、水泵的转速测量[J].现代机械，1998

（04）：57-59.

[2]于炳亮.电机转速测量方法研究[J].山东科学，2005（05）：41-42+51.

[3]蒋浩，孙飘红.电机转速检测方法与误差分析[J].中国测试技术，2003（02）.

作者简介：袁书豪（1991-），男，河南西峡人，本科，主要从事电动水泵控制器开发及测试工作。