電動助力轉向系統(tǒng)無刷電機溫度研究

 汽車電子技術，電動助力轉向(Electric Power Steering System，EPS)己成為世界汽車轉向技術發(fā)展的研究熱點和前沿技術之一。EPS系統(tǒng)的特點就是電流大，由于電流過大，勢必會導致電機甚至整個設備的溫度增高。因此，熱管理就成為保證電動助力轉向系統(tǒng)EPS安全的重要組成部分。目前，國內對電動助力轉向系統(tǒng)的熱管理也有考慮，主要是提高電動助力轉向系統(tǒng)控制器(Engine Control Unit，ECU)的散熱性能，保證了電動助力轉向系統(tǒng)控制器的正常工作，但并沒有提及對整個電動助力轉向系統(tǒng)的溫度進行評估并實施保護。故對EPS系統(tǒng)熱管理的全面性還有待進一步提高。

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，一般都設計了合理的ECU散熱機構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)定地運行。由于ECU MOSFET處裝有溫度傳感器，故可以隨時監(jiān)控MOSFET的溫度。

本文在已選擇了PMSM電機的情況下，基于系統(tǒng)電流與ECU MOSFET溫度信息對電機的繞組、磁鋼和即插件進行溫度估計，使EPS系統(tǒng)電機與ECU在過熱時，能夠及時地進行熱保護，保護電機和ECU。

1 EPS電機熱分析

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

1.1 EPS電機發(fā)熱分析

EPS電機發(fā)熱主要是由于電機的損耗，電機在機電能量轉換的過程中將不可避免地產生損耗，而這些損耗絕大部分最終變成了熱量，使電機各部分溫度升高，所以對電機進行熱分析時把電機損耗作為熱源。又因為旋轉電機中的能量轉換過程是通過磁場對繞組作用進行的，所以EPS電機中，繞組損耗是電機溫度快速上升的主要原因，也是電機溫度最大值的地方。

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，此損耗應等于繞組中電流的平方與電阻的乘積。如電機具有多個繞組，則應分別計算各繞組的銅損耗，然后相加

式中，Ix為繞組中對應x軸的電流;Rx為繞組中對應x軸的電阻。

1.2 EPS散熱分析

EPS電機發(fā)熱升溫，必定會向周圍散熱。熱量傳遞有3種基本方式：導熱、對流和熱輻射。而熱輻射對于電機溫度的估算影響過小，可以忽略。

(1)熱傳導。是熱能從高溫向低溫部分轉移的過程，是一個分子向另一個分子傳遞振動能的結果。熱傳導定律，也稱為傅立葉定律，描述了熱量在介質中的傳導規(guī)律。對于部分介質面積為S的傅里葉定律的積分形式為

式中，k是這種材料的熱導率;A是介質的截面積;△T是兩端溫差;△x是兩端距離。

(2)對流傳熱。又稱熱對流，對流通常發(fā)生在流體內或流體和容器之間有溫度差時，因為溫度的差異會使流體之間的密度不同，當液體或氣體物質一部分受熱時，體積膨脹，密度減少，逐漸上升，其位置由周圍溫度較低、密度較大的物質補充，此物質再受熱上升，周圍物質又來補充，如此循環(huán)，遂將熱量由流動的流體傳播到各處。

經(jīng)過流體表面的局部對流熱通量表示為

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

通過一個表面總熱傳導通過計算q的積分得到式中，h為平均對流系數(shù);AS為表面面積;q為總熱導率。

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

2 溫度估計

為了對EPs中的關鍵部件進行熱保護，防止PCB過熱，系統(tǒng)設計在MOSFET上放置一個溫度傳感器。為了減少系統(tǒng)的復雜程度，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整個系統(tǒng)的溫度進行估計和實施保護是本文研究的重點。本文對電機熱估計以電機電流、初始溫度值為輸入變量，進行建模、實驗和數(shù)據(jù)處理，從而求得電機溫度最大值的估計值，并對計算得到的溫度進行分析，以此決定是否需要減小電機助力或停止電機工作，對電機和ECU進行熱保護。

2.1 溫度估計模型建立

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償系數(shù)的乘積。運用電機電流和開車初始時的溫度估算出電機溫度值。

2.2 熱估計溫度求取

本文電機估計溫度求取的基本公式為

T=△Tn+T0 (6)

式中，△Tn是指從初始時刻到第n次計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△Tn的求解。

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

系統(tǒng)發(fā)熱功率損耗計算，如下式

式中，K為功率補償系數(shù)，其實質是指修正電機的銅損和鐵損之和;R為繞組阻值。

(2)熱估計溫度上升計算。由前面對散熱分析知：電機散熱功率與介質之間的溫度差成正比，所以電機的散熱功率

P0=P熱傳導+P對流=λ△Tn=△Tn/RC (9)

式中，RC為散熱系數(shù)阻值。

由于在計算時間步長內的溫度上升量△T=
;所以熱估計溫度在計算步長內上升的計算公式如下

式中，C是等效比熱;△t是兩個估計溫度上升量△Tn與△Tn-1之間的時間差，即計算溫度的步長。

3 溫度估計試驗

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

本文實驗從兩方面展開：(1)快速發(fā)熱溫度估計實驗。(2)慢速發(fā)熱實驗，并通過快慢速發(fā)熱溫度估計實驗。快速發(fā)熱實驗主要是指當電流過大時，EPS電機溫度快速上升時的狀態(tài)，慢速發(fā)熱實驗主要是指電機工作在一定電流時，EPS電機溫度平衡時的狀態(tài)。

通過采集快慢速發(fā)熱實驗的溫度數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)處理，得到對應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，再標定快速發(fā)熱溫升計算因子m、慢速發(fā)熱溫升計算因子n以及發(fā)熱混成因子i。綜合快慢發(fā)熱，估計所述電機的繞組溫度上升值△T

△T=m×i+n×(1-i) (11)

由此，得到△T發(fā)熱表，只要設置不同的電流大小通過實驗采集到不同溫度下的△T，得到發(fā)熱表，再由電機溫度的初始值查表，經(jīng)過插值法計算，就能實時監(jiān)控電機溫度的變化，電機溫度估計查表模型如圖3所示。

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

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，溫度最終都達到恒定，而圖4中，輸入為大電流時，溫度很快達到了所設閾值125°，此時需減少電機助力，以預防EPS系統(tǒng)運行出現(xiàn)故障。

4 結束語

在電機熱管理時，本文在考慮結構上利于散熱的條件下，進行電機繞組溫度估計，以防止過熱對系統(tǒng)造成破壞;進行電機溫度估計時，通過發(fā)熱實驗，得到發(fā)熱表，可直接根據(jù)電流輸入的大小查表，估計出溫度的大小，從而無需經(jīng)過復雜的計算;電機過熱容易導致繞組短路燒毀，電機損壞，在EPS系統(tǒng)中，電機的溫度可由上述計算方法估計出來，而ECU自配溫度傳感器，可以設置溫度界限，根據(jù)得到的電機溫度信號以及ECU溫度信號是否超過分別所設的溫度界限，來控制電機助力是否需要減小還是保持不變，以此保護電機和ECU使整個EPS系統(tǒng)能正常的運行，由于溫度上升的快慢與很多因素有關，例如環(huán)境、物體材料等，所以溫度界限的設置根據(jù)實際情況而設定。