CN114562352B - 一种电子油泵的低温冷启动方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电子油泵的低温冷启动方法，该方法为：设定油泵的自堵转时间t，通过油泵自堵转对泵体内的油液进行加热；通过高频方波注入来定位出油泵当前的转子角度；通过FOC算法对转子施加系统允许的最大扭矩来启动油泵。该方法通过设定油泵的自堵转时间，使油泵发生自堵转，油泵自堵转使得其定子线圈发热，其热量对泵体内的油液进行加热，降低了油液的动力粘度，减少了油泵的启动扭矩，使得自堵转保证了油泵一定能启动；然后通过高频方波注入来获取到转子的准确位置，最后再通过FOC算法对转子施加最大扭矩来启动油泵，该种方法简单、高效，避免增加位置传感器，降低了系统物料成本，同时还降低了系统发生失效的风险。

Description

一种电子油泵的低温冷启动方法

技术领域

本发明涉及电子油泵技术领域，尤其是涉及一种电子油泵的低温冷启动方法。

背景技术

汽车上的电子油泵的主要功能是润滑和冷却，其介质为润滑油。润滑油的动力粘度随温度改变，低温下动力粘度是高温下动力粘度的上百倍，导致电子油泵在低温下存在启动困难的问题。

针对电子油泵低温冷启动困难的技术问题，目前市面上的电子油泵通常存在如下四种解决方案：1、提供大功率的油泵电机，强行克服低温下的大扭矩；2、控制器上增加位置传感器，通过检测油泵转子的当前位置，形成转速闭环，完成油泵启动控制；3、将油泵转子尺寸做小，降低转子的转动惯量，减小冷启动所需的扭矩，然后通过无传感的强拉算法启动油泵；4、汽车油箱内增加加热设备，通过先加热油液解决冷启动困难。这四种解决方案分别对应存在如下四种缺陷：1、电机的功率过剩，导致电子油泵总成成本上升；2、油泵控制器硬件上增加位置传感器的成本，同时增加了油泵的失效风险点；3、油泵功率无法做大，只能用在小负载的场景；4、增加了油箱的成本，并增加了整车的失效风险点。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种能够降低物料成本，同时降低系统发生失效风险的电子油泵的低温冷启动方法。

本发明所采用的技术方案是，一种电子油泵的低温冷启动方法，该方法包括下列步骤：

(1)、设定油泵的自堵转时间t，通过油泵自堵转对泵体内的油液进行加热；

(2)、通过高频方波注入来定位出油泵当前的转子角度；

(3)、通过FOC算法对转子施加系统允许的最大扭矩来启动油泵。

本发明的有益效果是：采用上述电子油泵的低温冷启动方法，通过设定油泵的自堵转时间，使油泵发生自堵转，油泵自堵转使得其定子线圈发热，其热量对泵体内的油液进行加热，降低了油液的动力粘度，减少了油泵的启动扭矩，使得自堵转保证了油泵一定能启动；然后通过高频方波注入来获取到转子的准确位置，最后再通过FOC算法对转子施加最大扭矩来启动油泵，该种方法简单、高效，避免增加位置传感器，降低了系统物料成本，同时还降低了系统发生失效的风险。

作为优选，在步骤(1)中，设定的油泵的自堵转时间t表示为：t＝((p*c)/η)*(v*(T2-T1))/(U*I)，其中，ρ为泵体内油液的油液密度；c为泵体内油液的比热容；η为泵体内油液的热传导效率；v为泵体内腔体积；T1为初始油温，T2为目标油温(T2＞T1)，U为控制油泵进行自堵转的供电电压；I为控制油泵进行自堵转的母线电流。

作为优选，在步骤(2)中，通过高频方波注入来定位出油泵当前的转子角度的具体过程包括下列步骤：

(2-1)、往转子的d轴注入电压V_dh，转子的q轴注入电压0；其中，将d轴上电压的每个注入周期均分成两半，其中前半个周期注入正电压，后半个周期注入负电压，那么V_dh表示为：

(2-2)、在dq轴旋转坐标系下，得到d轴上的电压值U_d以及q轴上的电压值U_q，对应的电压方程表示为：

其中U_d为d轴电压，U_q为q轴电压，Rs为相电阻，i_d为d轴电流，i_q为q轴电流，L_d为d轴电感，L_q为q轴电感，w_e为转子电角速度，Ψ_f为永磁体的等效磁链；

(2-3)、将dq旋转坐标系下得到的电压方程通过反park变换转化到αβ两相静止坐标系下，αβ两相静止坐标系下的电压方程表示为：

(2-4)、设

为估算角度，θ为实际转子角度，/>

为偏差角度；将估算转子角度方程通过park变换转换成实际转子角度下对应的电压方程，表示为：/>

(2-5)、根据步骤(2-3)中的αβ两相静止坐标系下的电压方程步骤(2-4)中的实际转子角度下对应的电压方程得出油泵当前的转子角度为：θ＝arctan(i_β[k]-i_β[k-1]，i_α[k]-i_α[k-1])。

高频方波注入来定位出油泵当前的转子角度，通过加减计算可将注入电流与基波电流分离，程序易于实现；并且注入频率也大幅提高，可达到载波频率的一半，有效减小注入噪声。

作为优选，在步骤(3)中，通过FOC算法对转子施加系统允许的最大扭矩来启动油泵的具体过程包括下列步骤：

(3-1)、设定v1为T2温度下油泵所能达到的最大转速，v2为无传感的FOC控制下油泵闭环运行允许的最低转速；

(3-2)、如果v1>v2，则选择直接加速法来启动油泵；如果v1<v2，则选择三段式加速法来启动油泵。

采用该种方式，因为不同电机性能大小的差异，导致v1和v2的关系是不确定的，所以要么选择直接加速法启动油泵，要么选择三段式加速法来启动油泵，增加了系统的鲁棒性，提高了系统的性能。

作为优选，在步骤(3-2)中，直接加速法来启动油泵的具体过程包括下列步骤：

(3-201)、对转子施加系统所允许的最大扭矩启动；

(3-202)、根据标定的转速斜率为k2的转速曲线将油泵的转速从零直接加速到v2；

(3-203)、将油泵的开环运行角度和通过观测器观测到的估算角度进行比较，得到角度差，如果该角度差小于A1，那么就直接将油泵切入到转速闭环。

作为优选，在步骤(3-2)中，三段式加速法来启动油泵的具体过程包括下列步骤：

(3-211)、对转子施加系统所允许的最大扭矩启动；

(3-212)、根据标定的转速斜率为k1的转速曲线将油泵的转速从零加速到v1；

(3-213)、油泵在转速v1下运行时间t2，同时将油泵工作管路内的油液加热到T3，其中T3>T2；

(3-214)、根据标定的转速斜率为k2(k2>k1)的转速曲线将油泵的转速加速到v2；

(3-215)、将油泵的开环运行角度和通过观测器观测到的估算角度进行比较，得到角度差，如果该角度差小于A1，那么就直接将油泵切入到转速闭环。

附图说明

图1为本发明一种电子油泵的低温冷启动方法的流程图；

图2为本发明中注入转子的电压和反馈电流的波形图；其中，(a)为驱动转子时用的PWM信号的波形图；(b)为往转子的d轴注入的电压V_dh的波形图；(c)为转子的α轴的电流反馈波形图；(d)为转子的β轴的电流反馈波形图；

图3为本发明中直接加速法的转速示意图；

图4为本发明中三段式加速法的转速示意图。

具体实施方式

以下参照附图并结合具体实施方式来进一步描述发明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施，本发明保护范围并不受限于该具体实施方式。

本发明涉及一种电子油泵的低温冷启动方法，如图1所示，该方法包括下列步骤：

(1)、设定油泵的自堵转时间t，通过油泵自堵转对泵体内的油液进行加热；

(2)、通过高频方波注入来定位出油泵当前的转子角度；

(3)、通过FOC算法对转子施加系统允许的最大扭矩来启动油泵。

采用上述电子油泵的低温冷启动方法，通过设定油泵的自堵转时间，使油泵发生自堵转，油泵自堵转使得其定子线圈发热，其热量对泵体内的油液进行加热，降低了油液的动力粘度，减少了油泵的启动扭矩，使得自堵转保证了油泵一定能启动；然后通过高频方波注入来获取到转子的准确位置，最后再通过FOC算法对转子施加最大扭矩来启动油泵，该种方法简单、高效，避免增加位置传感器，降低了系统成本，同时还降低了系统发生失效的风险。

作为优选，在步骤(1)中，设定的油泵的自堵转时间t表示为：t＝((p*c)/η)*(v*(T2-T1))/(U*I)，其中，ρ为泵体内油液的油液密度；c为泵体内油液的比热容；η为泵体内油液的热传导效率；v为泵体内腔体积；T1为初始油温，T2为目标油温(T2＞T1)，U为控制油泵进行自堵转的供电电压；I为控制油泵进行自堵转的母线电流。

油泵的自堵转时间t的具体计算过程为：

根据公式：Q1＝m*c*ΔT (1)

m＝p*v (2)

ΔT＝T2-T1 (3)

将(2)式和(3)式代入(1)式，得：

Q1＝(p*c)*v*(T2-T1) (4)

假定控制器自堵转供电电压为U，母线电流为I，加热时间为t，控制器输出能量为Q2，则可得：

Q2＝U*I*t (5)

假定油泵内腔热传导效率为η，则可得：

Q1＝Q2*η (6)

联立(4)式、(5)式和(6)式，可得：

t＝((p*c)/η)*(v*(T2-T1))/(U*I) (7)

在步骤(2)中，采用高频方波注入的方式较为简单，通过加减可将注入电流与基波电流分离，程序易于实现；注入频率也可大幅提高，可达载波频率的一半，有效减小注入噪声。

通过高频方波注入来定位出油泵当前的转子角度的具体过程包括下列步骤：

(2-1)、如图2所示，往转子的d轴注入电压V_dh，转子的q轴注入电压0；其中，将d轴上电压的每个注入周期均分成两半，其中前半个周期注入正电压，后半个周期注入负电压，那么V_dh表示为：

其中，V_h表示高频电压信号；

(2-2)、在dq轴旋转坐标系下，得到d轴上的电压值U_d以及q轴上的电压值U_q，对应的电压方程表示为：

其中U_d为d轴电压，U_q为q轴电压，Rs为相电阻，i_d为d轴电流，i_q为q轴电流，L_d为d轴电感，L_q为q轴电感，w_e为转子电角速度，Ψ_f为永磁体的等效磁链；

当高频电压注入时，电机的感抗相对于阻抗来说大很多，所以阻抗可以忽略，并且w_e远小于注入的电压频率，所以相间的互感阻抗和转子磁链的阻抗，都可以忽略，可得：

将(8)式改为矩阵形式为：

设定F(θ)为Park变换，表示为：

则反Park变换表示为：

(2-3)、将dq旋转坐标系下得到的电压方程通过反park变换转化到αβ两相静止坐标系下，αβ两相静止坐标系下的电压方程表示为：

(2-4)、设

为估算角度，θ为实际转子角度，/>

为偏差角度；将估算转子角度方程通过park变换转换成实际转子角度下对应的电压方程，表示为：/>

/>

联立αβ两相静止坐标系下的电压方程和实际转子角度下对应的电压方程，可得到：

假定

很小，则/>

则有：

则得到了θ与i_αh，i_βh的关系：

只需要从电流信号中提取出Δi_αh，Δi_βh即可提取出θ；

令i_α，i_β表示两相静止坐标系下的电流，i_αh，i_βh为两相静止坐标系下高频注入的电流，i_αl，i_βl为两相静止坐标系下的基波电流；

一般有：

分析图2可知：

显然只需要对i_α，i_β进行简单的计算，就可得到转子的角度；

(2-5)、所以根据步骤(2-3)中的αβ两相静止坐标系下的电压方程步骤(2-4)中的实际转子角度下对应的电压方程得出油泵当前的转子角度为：θ＝arctan(i_β[k]-i_β[k-1]，i_α[k]-i_α[k-1])。

高频方波注入来定位出油泵当前的转子角度，通过加减计算可将注入电流与基波电流分离，程序易于实现；并且注入频率也大幅提高，可达到载波频率的一半，有效减小注入噪声。

通过前面的步骤已将油温控制在确定的范围(该温度内油泵启动所需扭矩小于电机能提供的最大扭矩)，并且获取了转子的准确位置，所以通过FOC算法可以对转子施加系统所允许的最大扭矩启动油泵(转子的静摩擦力大于动摩擦力)。

在步骤(3)中，通过FOC算法对转子施加系统允许的最大扭矩来启动油泵的具体过程包括下列步骤：

(3-1)、设定v1为T2温度下油泵所能达到的最大转速，v2为无传感的FOC控制下油泵闭环运行允许的最低转速；

(3-2)、如果v1>v2，则选择直接加速法来启动油泵；如果v1<v2，则选择三段式加速法来启动油泵。

采用该种方式，因为不同电机性能大小的差异，导致v1和v2的关系是不确定的，所以要么选择直接加速法启动油泵，要么选择三段式加速法来启动油泵，增加了系统的鲁棒性，提高了系统的性能。

在步骤(3-2)中，直接加速法来启动油泵的具体过程包括下列步骤：

(3-201)、对转子施加系统所允许的最大扭矩启动；

(3-202)、如图3所示，根据标定的转速斜率为k2的转速曲线将油泵的转速从零直接加速到v2；

(3-203)、将油泵的开环运行角度和通过观测器观测到的估算角度进行比较，得到角度差，如果该角度差小于A1，那么就直接将油泵切入到转速闭环。

在步骤(3-2)中，三段式加速法来启动油泵的具体过程包括下列步骤：

(3-211)、对转子施加系统所允许的最大扭矩启动；

(3-212)、如图4所示，根据标定的转速斜率为k1的转速曲线将油泵的转速从零加速到v1；

(3-213)、油泵在转速v1下运行时间t2，同时将油泵工作管路内的油液加热到T3，其中T3>T2；

(3-214)、根据标定的转速斜率为k2(k2>k1)的转速曲线将油泵的转速加速到v2；

(3-215)、将油泵的开环运行角度和通过观测器观测到的估算角度进行比较，得到角度差，如果该角度差小于A1，那么就直接将油泵切入到转速闭环。

Claims (4)

1.一种电子油泵的低温冷启动方法，其特征在于：该方法包括下列步骤：

(1)、设定油泵的自堵转时间t，通过油泵自堵转对泵体内的油液进行加热；设定的油泵的自堵转时间t表示为：t＝((p*c)/η)*(v*(T2-T1))/(U*I)，其中，ρ为泵体内油液的油液密度；c为泵体内油液的比热容；η为泵体内油液的热传导效率；v为泵体内腔体积；T1为初始油温，T2为目标油温，且T2>T1，U为控制油泵进行自堵转的供电电压；I为控制油泵进行自堵转的母线电流；

(2)、通过高频方波注入来定位出油泵当前的转子角度，其具体过程包括下列步骤：

(2-1)、往转子的d轴注入电压V_dh，转子的q轴注入电压0；其中，将d轴上电压的每个注入周期均分成两半，其中前半个周期注入正电压，后半个周期注入负电压，那么V_dh表示为：

(2-2)、在dq轴旋转坐标系下，得到d轴上的电压值U_d以及q轴上的电压值U_q，对应的电压方程表示为：

其中U_d为d轴电压，U_q为q轴电压，Rs为相电阻，i_d为d轴电流，i_q为q轴电流，L_d为d轴电感，L_q为q轴电感，w_e为转子电角速度，Ψ_f为永磁体的等效磁链；

(2-3)、将dq旋转坐标系下得到的电压方程通过反park变换转化到αβ两相静止坐标系下，αβ两相静止坐标系下的电压方程表示为：

(2-4)、设

为估算角度，θ为实际转子角度，/>

为偏差角度；将估算转子角度方程通过park变换转换成实际转子角度下对应的电压方程，表示为：/>

(2-5)、根据步骤(2-3)中的αβ两相静止坐标系下的电压方程步骤(2-4)中的实际转子角度下对应的电压方程得出油泵当前的转子角度为：θ＝arctan(i_β[k]-i_β[k-1],i_α[k]-i_α[k-1])；

(3)、通过FOC算法对转子施加系统允许的最大扭矩来启动油泵。

2.根据权利要求1所述的一种电子油泵的低温冷启动方法，其特征在于：在步骤(3)中，通过FOC算法对转子施加系统允许的最大扭矩来启动油泵的具体过程包括下列步骤：

(3-1)、设定v1为T2温度下油泵所能达到的最大转速，v2为无传感的FOC控制下油泵闭环运行允许的最低转速；

(3-2)、如果v1>v2，则选择直接加速法来启动油泵；如果v1<v2，则选择三段式加速法来启动油泵。

3.根据权利要求2所述的一种电子油泵的低温冷启动方法，其特征在于：在步骤(3-2)中，直接加速法来启动油泵的具体过程包括下列步骤：

(3-201)、对转子施加系统所允许的最大扭矩启动；

(3-202)、根据标定的转速斜率为k2的转速曲线将油泵的转速从零直接加速到v2；

(3-203)、将油泵的开环运行角度和通过观测器观测到的估算角度进行比较，得到角度差，如果该角度差小于A1，那么就直接将油泵切入到转速闭环。

4.根据权利要求3所述的一种电子油泵的低温冷启动方法，其特征在于：在步骤(3-2)中，三段式加速法来启动油泵的具体过程包括下列步骤：

(3-211)、对转子施加系统所允许的最大扭矩启动；

(3-212)、根据标定的转速斜率为k1的转速曲线将油泵的转速从零加速到v1；

(3-213)、油泵在转速v1下运行时间t2，同时将油泵工作管路内的油液加热到T3，其中T3>T2；

(3-214)、根据标定的转速斜率为k2(k2>k1)的转速曲线将油泵的转速加速到v2；

(3-215)、将油泵的开环运行角度和通过观测器观测到的估算角度进行比较，得到角度差，如果该角度差小于A1，那么就直接将油泵切入到转速闭环。

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