CN106998170A - 基于反馈电流的直流电机过热保护方法及其实现步骤 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于反馈电流的直流电机过热保护方法及其实现步骤，涉及汽车电子自动控制技术领域。所述方法基于直流电机的驱动电路的电流、电机绕组电阻、电机散热功率、电机热容等数据计算获得的电机内部的热量积累值，通过监控该积累值判断电机温升情况，当该积累值超过某阈值时表示电机温度过高，继而通过限制电机电流来起到保护电机的作用；电流被限制后电机散热功率大于发热功率，则该积累值将递减，当递减至某阈值以下时，不再对电流进行限制，恢复正常的电机驱动控制，进而实现对电机进行控制，实现过热保护。
Description
技术领域
本发明涉及汽车电子自动控制技术领域，特别是涉及一种基于反馈电流的直流电机过热保护方法及其实现步骤。
背景技术
在汽车执行器部件中，直流电机被广泛应用于速度或位置控制。典型的执行器如图1所示，由控制单元1，功率器件4，直流电机7，负载8等部分组成。控制单元1通过PWM外设2发出PWM调制信号3，配合功率器件4控制驱动电流6，来完成对直流电机7的位置或速度控制；同时驱动电流6被电流传感器5测量并经AD采样外设反馈到控制单元1。
直流电机7的温升由其热量积累值15决定，该值由温升功率13积累而产生。温升功率13是发热功率11和散热功率12的差值。根据欧姆定律，发热功率11所产生的热量Qgenerate如下，
其中Iactual(t)为驱动电流，R为电机线圈电阻。
另外，一般地(对于低电感直流电机，或PWM信号周期远大于电机时间常数的较高电感直流电机)，驱动电流6的平均值与PWM调制信号3的占空比δ，近似存在以下关系，
Iaverage＝KI·δ
其中，KI为常数。
所以可以通过控制δ来控制驱动电流，继而控制发热量Qgenerate，防止电机过热。
发明内容
本发明的一个目的是要提供一种基于反馈电流的直流电机过热保护方法，能够基于驱动电路的电流、电机绕组电阻、电机散热功率、电机热容等数据计算获得的电机内部的热量积累值，这一热量积累值与电机工作电流相关，因此可以通过限制工作电流31来控制Q，继而控制电机温度，防止电机过热。
本发明一个进一步的目的提供一种实现基于反馈电流的直流电机过热保护方法的步骤，其能够结合直流电机的具体情况调整电机的高热量阈值，电机温度的控制效果更佳。
特别地，本发明提供了一种基于反馈电流的直流电机过热保护方法，本方法检测直流电机的驱动电路的电流，结合所述直流电机的电机绕组电阻、电机散热功率、电机热容计算所述直流电机内部的热量积累值，将所述热量积累值与设定好的高热量阈值进行比较来判断所述直流电机的温升情况，并在所述直流电机温度过高时限制电机电流来保护所述直流电机。
进一步地，所述热量积累值由温升功率积累产生，所述温升功率为所述直流电机的发热功率和散热功率的差值。
进一步地，在所述直流电机温度过高时保护所述直流电机，是通过调整所述电机电流的PWM调制信号的占空比来实现的。
特别地，本发明提供了一种实现上述的直流电机过热保护方法的步骤，具体包括：
步骤1：根据直流电机内的电机热敏感部件所能承受的最高温度来确定所述直流电机的安全电流；
步骤2：结合所述直流电机的电机绕组电阻、电机热容、电机散热功率计算所述直流电机内部的热量积累值，并且结合步骤1所得出的所述安全电流计算高热量阈值。
进一步地，在步骤1中，在所述电机热敏感部件处分别放置温度传感器，并在不同环境温度条件下持续通以恒定电流，获取所述电机热敏感部件接近或到达其最高耐受温度的时间，根据最高应用环境温度绘制不同环境温度条件下的耐热曲线，根据所述耐热曲线确定电机仍然可以持续工作的安全电流。
进一步地，所述直流电机内部的热量积累值Q的计算公式为其中Iactual(t)为实际电流，R为电机绕组电阻，Poff(t)为散热功率，通过控制Iactual(t)的方式保证所述热量积累值Q的值小于所述高热量阈值。
进一步地，在所述步骤2中，所述高热量阈值的设定通过(Tmax-T0)·Cmotor来设定，其中，Tmax为根据所述安全电流计算出的电机最高耐热温度，T0为电机初始温度，Cmotor为电机热容。
本发明的一种基于反馈电流的直流电机过热保护方法，能够基于直流电机驱动电路的电流、电机绕组电阻、电机散热功率、电机热容等数据计算获得的电机内部的热量积累值，通过监控该积累值判断电机温升情况，当该积累值超过高热量阈值时表示电机温度过高，继而通过限制电机电流来起到保护电机的作用；电流被限制后电机散热功率大于发热功率，则该积累值将递减，当递减至设定的热量阈值以下时，不再对电流进行限制，恢复正常的电机驱动控制，能够对电机温度进行控制，防止电机过热。
进一步地，本发明还提供了一种实现上述的直流电机过热保护方法的步骤，能够结合直流电机自身热敏感部件的情况，计算高热量阈值以及热量积累值，控制更为准确精准。
根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。
附图说明
后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：
图1是电机执行器的结构示意图；
图2是本发明一个实施例的直流电机过热保护的起效/失效过程示意图；
图3是本发明一个实施例的过热保护逻辑示意图；
图4是本发明一个实施例的实测电机耐热曲线及实测过热保护起效曲线图。
具体实施方式
图2是本发明一个实施例的直流电机过热保护的起效/失效过程示意图；图3是直流电机热量积累的过程示意图；图4是本发明一个实施例的过热保护逻辑示意图。
本实施例描述了一种基于反馈电流的直流电机过热保护方法，本方法检测直流电机的驱动电路的电流，结合所述直流电机的电机绕组电阻、电机散热功率、电机热容计算所述直流电机内部的热量积累值，将所述热量积累值与设定好的高热量阈值进行比较来判断所述直流电机的温升情况，并在所述直流电机温度过高时限制电机电流来保护所述直流电机。
进一步地，所述热量积累值由温升功率积累产生，所述温升功率为所述直流电机的发热功率和散热功率的差值。
进一步地，在所述直流电机温度过高时保护所述直流电机，是通过调整所述电机电流的PWM调制信号的占空比来实现的。
具体在该方法的实现中，具体包括如下步骤：
步骤1：根据直流电机内的电机热敏感部件所能承受的最高温度来确定所述直流电机的安全电流；
步骤2：结合所述直流电机的电机绕组电阻、电机热容、电机散热功率计算所述直流电机内部的热量积累值，并且结合步骤1所得出的所述安全电流计算高热量阈值。
在步骤1中，在所述电机热敏感部件处分别放置温度传感器，并在不同环境温度条件下持续通以恒定电流，获取所述电机热敏感部件接近或到达其最高耐受温度的时间，根据最高应用环境温度绘制不同环境温度条件下的耐热曲线，如图4所示，根据所述耐热曲线确定电机仍然可以持续工作的安全电流。
具体说来，如图2所示，首先通过实验等手段来确定一个安全电流32(该电流条件下电机发热功率小于散热功率，电机可以持续工作而不致热损坏)；在工作电流31低于安全电流32的区域33中，电机发热功率小于散热功率，Q递减；在工作电流31高于安全电流32的区域34中，电机发热功率大于散热功率，Q递增。当Q于35处高于某阈值，过热保护逻辑起开始工作，将工作电流由曲线36限制为曲线37(安全电流或以下)，Q开始递减，并直至于38处低于某阈值，过热保护逻辑停止工作，停止对工作电流31的限制。
首先，通过实验确定安全电流。
在实验前，需事先了解电机热敏感部件(具体包括电机磁钢、线圈及霍尔传感器)能够承受的最高温度。实验过程中，在上述热敏感部件分别放置温度传感器，并在不同环境温度条件下持续通以恒定电流，获取上述电机热敏感部件接近或到达其最高耐受温度的时间，根据最高应用环境温度绘制类似曲线28(70℃环境温度下)、曲线29(130℃环境温度下)的耐热曲线。根据上述耐热曲线，确定电机仍然可以持续工作的安全电流。
然后，计算热量积累值Q，并根据热量积累值Q判断电机温升
以下具体说明Q的计算过程，并根据Q判断电机温升的数学模型。过程中使用到的符号定义如下表，
| 符号 | 意义 | 符号 | 意义 |
| T0 | 初始温度 | Iactual(t) | 实际电流 |
| T(t) | t时刻时的温度 | Isafe | 安全持续电流 |
| ΔT | 温差 | R | 电机线圈绕组 |
| t | 时间t | Cmotor | 电机热容 |
| Pheat(t) | 温升功率 | CCu | 纯铜比热容 |
| Poff(t) | 散热功率 | CFe | 纯铁比热容 |
| Pgenerate(t) | 发热功率 | M | 电机质量 |
根据比热公式，有以下温升方程，
进一步地，
考虑到中的Cmotor，R，T0均为常数，所以可以通过监控
的值，并通过控制Iactual(t)的方式保证Q的值小于某阈值，则可保证T(t)不高于电机最高耐热温度。
另一方面，根据前文给出的安全电流，有以下不等式成立：
所以可以通过监控
的值，并通过控制Iactual(t)的方式保证其小于某阈值，则可保证T(t)不高于电机最高耐热温度。
最后，优化确定过热保护起效阈值及失效阈值
按照上述理论推导和控制模型，过热保护起效阈值的设定变得很重要，本小节给出该表的推荐设定方法。
若期望T(t)≤Tmax则只须保证，
则只须保证，
则只须保证，
所以(Tmax-T0)·Cmotor便是过热保护激活阈值的上限值。其中，Tmax为根据所述安全电流计算出的电机最高耐热温度，T0为电机初始温度，Cmotor为电机热容。
如果电机主要由铜和铁材料构成，其中CCu＝390J/(kg·K)，CFe＝460J/(kg·K)，使用温升较快的安全值，取Cmotor＝CCu·M。
以一具体实例来说明，步骤A.通过实验确定安全电流。
已知电机最高耐热温度为Tmax为150℃，根据最高应用环境温度绘制耐热曲线29(130℃环境温度下)。可以确定安全电流Isafe约为1.5A。
步骤B.计算热量积累值Q，并根据热量积累值Q判断电机温升。
根据在控单元1中使用图3的逻辑，每2ms对温升功率18进行累加，以近似计算不等式右侧积分式的值并监控。当热量积累值19递增大于过热保护起效阈值20后，过热保护逻辑开始工作，PWM输出占空比被限制为最大不超过安全电流对应的PWM占空比23。直至热量积累值19递减小于过热保护失效阈值21后，过热保护逻辑停止工作，不再对PWM输出占空比进行限制。
步骤C.确定过热保护起效阈值及失效阈值
(Tmax-T0)·Cmotor>(Tmax-T0)·CCu·M
最高耐热温度Tmax取150℃，最高环境温度T0取130℃，电机热容Cmotor>CCu·0.64kg≈250J/K，控制逻辑积分累加每2ms执行一次，则设定阈值为 即阈值约为250万；若最高环境温度T0取140℃，则阈值约为125万，曲线30便是相应过热保护逻辑起效曲线(安全电流Isafe取1.5A，线圈绕组R取2.3Ω)。
至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。
Claims (7)
1.一种基于反馈电流的直流电机过热保护方法，本方法检测直流电机的驱动电路的电流，结合所述直流电机的电机绕组电阻、电机散热功率、电机热容计算所述直流电机内部的热量积累值，将所述热量积累值与设定好的高热量阈值进行比较来判断所述直流电机的温升情况，并在所述直流电机温度过高时限制电机电流来保护所述直流电机。
2.根据权利要求1所述的直流电机过热保护方法，其特征在于，所述热量积累值由温升功率积累产生，所述温升功率为所述直流电机的发热功率和散热功率的差值。
3.根据权利要求1所述的直流电机过热保护方法，其特征在于，在所述直流电机温度过高时保护所述直流电机，是通过调整所述电机电流的PWM调制信号的占空比来实现的。
4.一种实现如权利要求1至3所述的直流电机过热保护方法的步骤，具体包括：
步骤1：根据直流电机内的电机热敏感部件所能承受的最高温度来确定所述直流电机的安全电流；
步骤2：结合所述直流电机的电机绕组电阻、电机热容、电机散热功率计算所述直流电机内部的热量积累值，并且结合步骤1所得出的所述安全电流计算高热量阈值。
5.根据权利要求4所述的步骤，其特征在于，在步骤1中，在所述电机热敏感部件处分别放置温度传感器，并在不同环境温度条件下持续通以恒定电流，获取所述电机热敏感部件接近或到达其最高耐受温度的时间，根据最高应用环境温度绘制不同环境温度条件下的耐热曲线，根据所述耐热曲线确定电机仍然可以持续工作的安全电流。
6.根据权利要求4所述的步骤，其特征在于，所述直流电机内部的热量积累值Q的计算公式为其中Iactual(t)为实际电流，R为电机绕组电阻，Poff(t)为散热功率，通过控制Iactual(t)的方式保证所述热量积累值Q的值小于所述高热量阈值。
7.根据权利要求4至6中任一项所述的步骤，其特征在于，在所述步骤2中，所述高热量阈值的设定通过(Tmax-T0)·Cmotor来设定，其中，Tmax为根据所述安全电流计算出的电机最高耐热温度，T0为电机初始温度，Cmotor为电机热容。
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