基於反饋電流的直流電機過熱保護方法及其實現步驟與流程

2023-05-29 09:43:51 3

本發明涉及汽車電子自動控制
技術領域：
，特別是涉及一種基於反饋電流的直流電機過熱保護方法及其實現步驟。
背景技術：
：在汽車執行器部件中，直流電機被廣泛應用於速度或位置控制。典型的執行器如圖1所示，由控制單元1，功率器件4，直流電機7，負載8等部分組成。控制單元1通過pwm外設2發出pwm調製信號3，配合功率器件4控制驅動電流6，來完成對直流電機7的位置或速度控制；同時驅動電流6被電流傳感器5測量並經ad採樣外設反饋到控制單元1。直流電機7的溫升由其熱量積累值15決定，該值由溫升功率13積累而產生。溫升功率13是發熱功率11和散熱功率12的差值。根據歐姆定律，發熱功率11所產生的熱量qgenerate如下，其中iactual(t)為驅動電流，r為電機線圈電阻。另外，一般地(對於低電感直流電機，或pwm信號周期遠大於電機時間常數的較高電感直流電機)，驅動電流6的平均值與pwm調製信號3的佔空比δ，近似存在以下關係，iaverage＝ki·δ其中，ki為常數。所以可以通過控制δ來控制驅動電流，繼而控制發熱量qgenerate，防止電機過熱。技術實現要素：本發明的一個目的是要提供一種基於反饋電流的直流電機過熱保護方法，能夠基於驅動電路的電流、電機繞組電阻、電機散熱功率、電機熱容等數據計算獲得的電機內部的熱量積累值，這一熱量積累值與電機工作電流相關，因此可以通過限制工作電流31來控制q，繼而控制電機溫度，防止電機過熱。本發明一個進一步的目的提供一種實現基於反饋電流的直流電機過熱保護方法的步驟，其能夠結合直流電機的具體情況調整電機的高熱量閾值，電機溫度的控制效果更佳。特別地，本發明提供了一種基於反饋電流的直流電機過熱保護方法，本方法檢測直流電機的驅動電路的電流，結合所述直流電機的電機繞組電阻、電機散熱功率、電機熱容計算所述直流電機內部的熱量積累值，將所述熱量積累值與設定好的高熱量閾值進行比較來判斷所述直流電機的溫升情況，並在所述直流電機溫度過高時限制電機電流來保護所述直流電機。進一步地，所述熱量積累值由溫升功率積累產生，所述溫升功率為所述直流電機的發熱功率和散熱功率的差值。進一步地，在所述直流電機溫度過高時保護所述直流電機，是通過調整所述電機電流的pwm調製信號的佔空比來實現的。特別地，本發明提供了一種實現上述的直流電機過熱保護方法的步驟，具體包括：步驟1：根據直流電機內的電機熱敏感部件所能承受的最高溫度來確定所述直流電機的安全電流；步驟2：結合所述直流電機的電機繞組電阻、電機熱容、電機散熱功率計算所述直流電機內部的熱量積累值，並且結合步驟1所得出的所述安全電流計算高熱量閾值。進一步地，在步驟1中，在所述電機熱敏感部件處分別放置溫度傳感器，並在不同環境溫度條件下持續通以恆定電流，獲取所述電機熱敏感部件接近或到達其最高耐受溫度的時間，根據最高應用環境溫度繪製不同環境溫度條件下的耐熱曲線，根據所述耐熱曲線確定電機仍然可以持續工作的安全電流。進一步地，所述直流電機內部的熱量積累值q的計算公式為其中iactual(t)為實際電流，r為電機繞組電阻，poff(t)為散熱功率，通過控制iactual(t)的方式保證所述熱量積累值q的值小於所述高熱量閾值。進一步地，在所述步驟2中，所述高熱量閾值的設定通過(tmax-t0)·cmotor來設定，其中，tmax為根據所述安全電流計算出的電機最高耐熱溫度，t0為電機初始溫度，cmotor為電機熱容。本發明的一種基於反饋電流的直流電機過熱保護方法，能夠基於直流電機驅動電路的電流、電機繞組電阻、電機散熱功率、電機熱容等數據計算獲得的電機內部的熱量積累值，通過監控該積累值判斷電機溫升情況，當該積累值超過高熱量閾值時表示電機溫度過高，繼而通過限制電機電流來起到保護電機的作用；電流被限制後電機散熱功率大於發熱功率，則該積累值將遞減，當遞減至設定的熱量閾值以下時，不再對電流進行限制，恢復正常的電機驅動控制，能夠對電機溫度進行控制，防止電機過熱。進一步地，本發明還提供了一種實現上述的直流電機過熱保護方法的步驟，能夠結合直流電機自身熱敏感部件的情況，計算高熱量閾值以及熱量積累值，控制更為準確精準。根據下文結合附圖對本發明具體實施例的詳細描述，本領域技術人員將會更加明了本發明的上述以及其他目的、優點和特徵。附圖說明後文將參照附圖以示例性而非限制性的方式詳細描述本發明的一些具體實施例。附圖中相同的附圖標記標示了相同或類似的部件或部分。本領域技術人員應該理解，這些附圖未必是按比例繪製的。附圖中：圖1是電機執行器的結構示意圖；圖2是本發明一個實施例的直流電機過熱保護的起效/失效過程示意圖；圖3是本發明一個實施例的過熱保護邏輯示意圖；圖4是本發明一個實施例的實測電機耐熱曲線及實測過熱保護起效曲線圖。具體實施方式圖2是本發明一個實施例的直流電機過熱保護的起效/失效過程示意圖；圖3是直流電機熱量積累的過程示意圖；圖4是本發明一個實施例的過熱保護邏輯示意圖。本實施例描述了一種基於反饋電流的直流電機過熱保護方法，本方法檢測直流電機的驅動電路的電流，結合所述直流電機的電機繞組電阻、電機散熱功率、電機熱容計算所述直流電機內部的熱量積累值，將所述熱量積累值與設定好的高熱量閾值進行比較來判斷所述直流電機的溫升情況，並在所述直流電機溫度過高時限制電機電流來保護所述直流電機。進一步地，所述熱量積累值由溫升功率積累產生，所述溫升功率為所述直流電機的發熱功率和散熱功率的差值。進一步地，在所述直流電機溫度過高時保護所述直流電機，是通過調整所述電機電流的pwm調製信號的佔空比來實現的。具體在該方法的實現中，具體包括如下步驟：步驟1：根據直流電機內的電機熱敏感部件所能承受的最高溫度來確定所述直流電機的安全電流；步驟2：結合所述直流電機的電機繞組電阻、電機熱容、電機散熱功率計算所述直流電機內部的熱量積累值，並且結合步驟1所得出的所述安全電流計算高熱量閾值。在步驟1中，在所述電機熱敏感部件處分別放置溫度傳感器，並在不同環境溫度條件下持續通以恆定電流，獲取所述電機熱敏感部件接近或到達其最高耐受溫度的時間，根據最高應用環境溫度繪製不同環境溫度條件下的耐熱曲線，如圖4所示，根據所述耐熱曲線確定電機仍然可以持續工作的安全電流。具體說來，如圖2所示，首先通過實驗等手段來確定一個安全電流32(該電流條件下電機發熱功率小於散熱功率，電機可以持續工作而不致熱損壞)；在工作電流31低於安全電流32的區域33中，電機發熱功率小於散熱功率，q遞減；在工作電流31高於安全電流32的區域34中，電機發熱功率大於散熱功率，q遞增。當q於35處高於某閾值，過熱保護邏輯起開始工作，將工作電流由曲線36限制為曲線37(安全電流或以下)，q開始遞減，並直至於38處低於某閾值，過熱保護邏輯停止工作，停止對工作電流31的限制。首先，通過實驗確定安全電流。在實驗前，需事先了解電機熱敏感部件(具體包括電機磁鋼、線圈及霍爾傳感器)能夠承受的最高溫度。實驗過程中，在上述熱敏感部件分別放置溫度傳感器，並在不同環境溫度條件下持續通以恆定電流，獲取上述電機熱敏感部件接近或到達其最高耐受溫度的時間，根據最高應用環境溫度繪製類似曲線28(70℃環境溫度下)、曲線29(130℃環境溫度下)的耐熱曲線。根據上述耐熱曲線，確定電機仍然可以持續工作的安全電流。然後，計算熱量積累值q，並根據熱量積累值q判斷電機溫升以下具體說明q的計算過程，並根據q判斷電機溫升的數學模型。過程中使用到的符號定義如下表，符號意義符號意義t0初始溫度iactual(t)實際電流t(t)t時刻時的溫度isafe安全持續電流δt溫差r電機線圈繞組t時間tcmotor電機熱容pheat(t)溫升功率ccu純銅比熱容poff(t)散熱功率cfe純鐵比熱容pgenerate(t)發熱功率m電機質量根據比熱公式，有以下溫升方程，進一步地，考慮到中的cmotor，r，t0均為常數，所以可以通過監控的值，並通過控制iactual(t)的方式保證q的值小於某閾值，則可保證t(t)不高於電機最高耐熱溫度。另一方面，根據前文給出的安全電流，有以下不等式成立：所以可以通過監控的值，並通過控制iactual(t)的方式保證其小於某閾值，則可保證t(t)不高於電機最高耐熱溫度。最後，優化確定過熱保護起效閾值及失效閾值按照上述理論推導和控制模型，過熱保護起效閾值的設定變得很重要，本小節給出該表的推薦設定方法。若期望t(t)≤tmax則只須保證，則只須保證，則只須保證，所以(tmax-t0)·cmotor便是過熱保護激活閾值的上限值。其中，tmax為根據所述安全電流計算出的電機最高耐熱溫度，t0為電機初始溫度，cmotor為電機熱容。如果電機主要由銅和鐵材料構成，其中ccu＝390j/(kg·k)，cfe＝460j/(kg·k)，使用溫升較快的安全值，取cmotor＝ccu·m。以一具體實例來說明，步驟a.通過實驗確定安全電流。已知電機最高耐熱溫度為tmax為150℃，根據最高應用環境溫度繪製耐熱曲線29(130℃環境溫度下)。可以確定安全電流isafe約為1.5a。步驟b.計算熱量積累值q，並根據熱量積累值q判斷電機溫升。根據在控單元1中使用圖3的邏輯，每2ms對溫升功率18進行累加，以近似計算不等式右側積分式的值並監控。當熱量積累值19遞增大於過熱保護起效閾值20後，過熱保護邏輯開始工作，pwm輸出佔空比被限制為最大不超過安全電流對應的pwm佔空比23。直至熱量積累值19遞減小於過熱保護失效閾值21後，過熱保護邏輯停止工作，不再對pwm輸出佔空比進行限制。步驟c.確定過熱保護起效閾值及失效閾值(tmax-t0)·cmotor>(tmax-t0)·ccu·m最高耐熱溫度tmax取150℃，最高環境溫度t0取130℃，電機熱容cmotor>ccu·0.64kg≈250j/k，控制邏輯積分累加每2ms執行一次，則設定閾值為即閾值約為250萬；若最高環境溫度t0取140℃，則閾值約為125萬，曲線30便是相應過熱保護邏輯起效曲線(安全電流isafe取1.5a，線圈繞組r取2.3ω)。至此，本領域技術人員應認識到，雖然本文已詳盡示出和描述了本發明的多個示例性實施例，但是，在不脫離本發明精神和範圍的情況下，仍可根據本發明公開的內容直接確定或推導出符合本發明原理的許多其他變型或修改。因此，本發明的範圍應被理解和認定為覆蓋了所有這些其他變型或修改。當前第1頁12