（电气工程专业论文）基于无温度传感器的汽车车窗电机温度监测研究.pdf

一j_-1 r e s e a r c ho nm o n i t o r i n gt e m p e r a t u r eo fv e h i c l ew i n d o w l i f t e rm o t o rw i t h o u tt e m p e r a t u r es e n s o r b y z h a n gj i n p i n g b e ( h u n a nu n i v e r s i t y ) 2 0 0 s at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g l n e l e c t r i c a le n g i n e e r i n g i n t h e g r a d u a t es c h o o l o f h u n a nu n i v e r s i t y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rh u a n gs h o u d a o a p r i l ，2 0 1 1 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：。张金午 日期：矽f 1 年印月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 张解 导师签名镅 日期：z 纠1 年十月j r 日 日期：知ff 年妒月j 厂日 硕士学位论文 摘要 车窗升降电机是中高档轿车的一个重要部件，它是带动车窗玻璃运动的机构。 电机运行过程中会发热；尤其是在车窗玻璃频繁升降等因素下，因电机发热量大 温升过高而烧毁电机的现象时有发生。因此，对车窗电机的温度进行实时监测很 有必要。本文主要围绕车窗电机的温度监测展开研究。 车窗电机是驱动车窗运动的核心，为其设计一个性能可靠地的温度监测系统 对电机性能、寿命、使用成本会带来至关重要的影响。随着计算机技术的不断发 展，使计算机技术很好的融入到汽车监控领域，现代汽车多采用基于单片机的电 子监测技术，传统的模拟监测装置正在逐渐被电子模块所替代，这是一种发展趋 势。因此，基于电子监测技术是当前汽车监控领域的研究热点。 本文以车窗电机温升监测算法的设计与实现为主题，详细介绍和分析了在没 有温度传感器的情况下，基于车窗电机运行状态、电机端电压、前一刻温度等因 素如何准确地监测车窗电机的温度：并进行了从理论到实践、从仿真到试验的全 面深入研究。 本文首先详细阐述了车窗电机温升监测算法研究的基础以及该算法的特点， 然后深入研究了车窗电机在循环断续工作制下电机的温升过程模型；在此基础上， 采用c 语言编译基于该温升过程模型的算法软件，并利用m a t l a b 和v i s u a lc + + 工具软件对所研究的温升监测算法及算法软件功能进行了仿真和分析。最后在实 验室搭建车窗电机温度测试平台，针对文中所设计的温升监测算法进行了验证研 究，试验结果表明该算法能够准确监测电机温度，达到预期要求。 关键词：汽车电机；电机温升：温度监测 基于无温度传感器的汽车车窗电机温度监测研究 a b s t r a c t m o t o ri st h ek e yc o m p o n e n to ft h el u x u r yc a r s ，a si td r i v e sw i n d o wg l a s s e so f c a r st om o v e t h et e m p e r a t u r eo fm o t o rw o u l dr i s e d u r i n gi to p e r a t e s ，e s p e c i a l l y w h e nt h ew i n d o wg l a s s e sn e e dt om o v eu pa n dd o w nf r e q u e n t l yo ro t h e rf a c t o r st h a t m a k e sm o t o rh e a tu pq u i c k l y a sar e s u l t ，t h ep h e n o m e n o nt h a tm o t o ri sb u r n e dd u et o h i g ht e m p e r a t u r ea l w a y so c c u r s t h e r e f o r e ，i ti sn e c e s s a r yt om o n i t o rt h et e m p e r a t u r e o fm o t o r t h i sp a p e rf o c u s eo ns t u d y i n gi nm o n i t o r i n gt e m p e r a t u r eo fm o t o r a sm o t o rp l a y sak e yr o l ei nm a k i n gw i n d o wg l a s sm o v e ，d e s i g n i n gar e l i a b l e s y s t e mt om o n i t o rt e m p e r a t u r eo f t h em o t o rh a sac r u c i a li m p a c to np e r f o r m a n c e ，l i f e ， c o s to ft h em o t o r w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n o l o g y ，i ti sv e r yp o p u l a ri n t h ef i e l do fv e h i c l ec o n t r o l ，m o d e r nc a r su s ee l e c t r o n i cm o n i t o rt e c h n o l o g yb a s e do n s i n g l ec h i p i ti sat r e n dt h a tt r a d i t i o n a lh a r d w a r em o n i t o rt e c h n o l o g yi sg r a d u a l l y b e i n gr e p l a c e db y e l e c t r o n i cm o d u l e s t h e r e f o r e ，m o n i t o rt e c h n o l o g yb a s e do n e l e c t r o n i cc o n t r o li st h ec u r r e n tr e s e a r c hh o ti nv e h i c l em o n i t o rf i e l d w i t hd e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fa l g o r i t h mt h a tm o n i t o r st e m p e r a t u r eo fm o t o r a st h er e s e a r c hs u b j e c t ，t h i st h e s i sh a sm a d ec o m p l e t e l ys t u d yb ys i m u l a t i o na n d e x p e r i m e n t ，i n t r o d u c e da n da n a l y z e dt h ea l g o r i t h mr e q u i r e d t oa c c u r a t e l ym o n i t o r t e m p e r a t u r eo fm o t o rb a s e do nt h es t a t e o fm o t o r ，t e r m i n a lv o l t a g e ，t e m p e r a t u r e b e f o r et h em o m e n ta n do t h e rf a c t o r si n s t e a do ft e m p e r a t u r es e n s o r f i r s t ，t h i st h e s i si n t r o d u c e st h eb a s i so fm o t o rt e m p e r a t u r em o n i t o r i n ga l g o r i t h m a n di t sc h a r a c t e r i s t i c t h e n ，t h em o t o rt h e r m a lp r o c e s su n d e rc i r c u l a t i o ni n t e r m i t t e n t w o r kc o n d i t i o ni ss t u d i e dd e e p l yi nt h i st h e s i s ，t h es o f t w a r eb a s e do nt h e r m a lp r o c e s s i sc o m p i l e db ycl a n g u a g e s i m u l a t i o na n da n a l y s i so ft h et e m p e r a t u r em o n i t o r i n g a l g o r i t h mt h a tp r o p o s e di nt h i sp a p e ra n dt h ef u n c t i o no fs o f t w a r eb a s e do nt h e r m a l p r o c e s si sm a d eb yu s i n gm a t l a ba n dv i s u a lc + + a tl a s t ，e x p e r i m e n t a lp l a t f o r mi s e s t a b l i s h e dt oi m i t a t et h er e a ls y s t e mi n l a b o r a t o r y ，ad y n a m i c s i m u l a t i o ni s i m p l e m e n t e dt oc h e c kt h ep r o p o s e da l g o r i t h m ，a n dt h er e s u l t so ft h ee x p e r i m e n t s s h o wt h a tt h ea l g o r i t h mc a na c c u r a t e l ym o n i t o rt h em o t o rt e m p e r a t u r ea n db ea b l et o a c h i e v et h ed e s i r e dg o a l k e yw o r d s ：v e h i c l em o t o r ；m o t o r st e m p e r a t u r er i s i n g ；t e m p e r a t u r em e a s u r e m e n t i i i 硕士学位论文 目录 学位论文原创性声明i 摘要i i a b s t r a c t i i i 第1 章绪论1 1 1 课题的来源及选题意义l 1 1 1 课题来源1 1 1 2 研究的目的和意义l 1 2 国内外电机温度监测研究现状2 1 3 本文的主要研究内容3 第2 章温升监测算法理论基础及实现5 2 1 永磁直流电动机。5 2 1 1 永磁直流电动机的原理和结构5 2 1 2 车窗永磁直流电动机的特点5 2 2 直流电机的损耗及其发热和冷却过程6 2 2 1 电机的损耗分析6 2 2 2 电机发热升温过程6 2 2 3 电机冷却降温过程8 2 3 车窗电机循环断续运行时的温升过程模型9 2 4 车窗电机循环断续运行时温升过程模型的构建1 1 2 4 1 数据测量l l 2 4 2 电机温升过程的构建1l 2 4 3 电机降温过程的构建1 3 2 4 4 电机堵转过程的构建1 4 2 5 本章小结15 第3 章温升算法的软件设计1 6 3 1 用c 语言开发嵌入式应用程序1 6 3 2 算法软件开发环境17 3 3 算法整体设计1 8 3 4 温升监测算法中参数的宏定义1 8 3 5 底层各功能子函数设计1 9 3 5 1 电机运行升温计算函数1 9 3 5 2 电机静止降温计算函数2 l 3 5 3 电机堵转升温计算函数2 4 i v 基于无温度传感器的汽车车窗电机温度监测研究 3 5 4 电机状态转换标记函数2 5 3 5 5 电机状态识别函数2 5 3 6 本章小结2 7 第4 章温升监测算法仿真及参数调节2 8 4 1 温升监测算法程序的仿真分析。2 8 4 2 温升监测算法中参数的调节2 9 4 2 1 应用m s c o m m 控件实现系统的串口通信2 9 4 2 2 温升监测算法的测试方法3 1 4 2 3 温升监测算法中需要调节的参数。3 l 4 2 4 温升监测算法中参数的调节方法3 2 4 3 本章小结3 3 第5 章温升监测算法试验验证3 4 5 1 电机温升试验平台的整体设计3 4 5 1 1 试验条件一：3 4 5 1 2 试验平台方案设计3 4 5 2 试验平台的搭建3 5 5 3 第一次验证试验效果及存在问题3 6 5 3 1 验证方案3 6 5 3 2 试验结果3 6 5 3 3 试验分析：3 7 5 3 4 解决措施3 8 5 4 第二次验证试验效果及存在问题3 9 5 4 1 验证方案3 9 5 4 2 第一组验证试验结果及分析4 0 5 4 3 第二组验证试验结果及分析4 2 5 4 4 第三组验证试验结果及分析一4 6 5 4 5 验证试验中存在的问题以及解决的方法5 0 5 5 本章小结5 0 结论及展望5 l 参考文献5 3 附录a 攻读学位期间发表的学术论文目录5 6 致谢5 7 v 硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题的来源及选题意义 1 1 1 课题来源 湖南大学电气与信息工程学院与博世汽车部件( 长沙) 有限责任公司的合作 项目“汽车车窗电机温度热保护研究 。 1 1 2 研究的目的和意义 2 0 世纪9 0 年代以来，随着汽车对安全、环保、舒适、经济等性能要求的提 高，汽车上电子控制单元( e l e c t r o n i cc o n t r o lu n i t ) 的数量越来越多i ij 。作为车身电 子的重要组成部分，如今，电动车窗已成为汽车标准功能之一【2 l 。因此，汽车的 车窗玻璃升降多采用电动方式，电机通常为小型永磁直流电机p l ，通过蜗轮蜗杆 减速机构，由传动轴带动车窗玻璃的升降【4 j 。人们只需按下按钮，即可由电机驱 动车窗移动，实现车窗玻璃的自动升降，提高了汽车的舒适性、方便性和安全性。 车窗电机运行时要产生损耗( 铁耗、铜耗等) ，这些损耗绝大部分会转化成热 量，一部分通过传导、对流、辐射等方式散发到周围环境中，另一部分使电机各 部份温度升高【5 1 ，最终超过环境温度。电机温度与周围环境温度之差，就叫做电机 的温升6 1 。实际中，由于电机电源电压波动【 、电机发生堵转1 8 9 1 等原因，使电机 损耗增加，同时电机处在密封的车门壳中，对流空气不能直接作用到发热部位， 造成通风条件差，电机容易过热，温度骤升。电机允许达到的温升极限是由电机 使用绝缘材料的耐热程度决定的【l 们。在电机运行过程中，往往忽视温度对电机运 行的影响，电机工作温度在一定时间内若超过其绝缘材料的极限温度，可能烧毁 电机甚至引发火灾f l o 一2 1 。因此，为了保证电动机的正常运行，延长其使用寿命， 日常运行中对电机温升的龄测很重要i l 弘泊j 。 。 此外，车窗是汽车车身控制系统中被操作最多的部件之一，是高质量车身舒 适性得以实现最基本的一环，传统的车窗电机温度监测装置线路复杂、体积庞大， 不仅增加了汽车质量、占据了汽车宝贵的空间，同时也降低了系统运行的可靠性 i l l 。随着电子控制系统的发展，电子模块与车窗升降电机相配合，很多传统的硬 件模拟测量技术亟待电子监测技术替代【3 , 1 7 】。本文研究的车窗升降电机温度监测 算法能够使车窗e c u 实时监测电机温升，从而实现车窗电机的温度热保护功能； 以提高驾车的舒适性、便利性、安全性，这将有助于提高汽车总体电子化水平i l 引。 近年来，为满足人们对汽车舒适性、安全性、方便性需求的不断提高，在汽 基于无温度传感器的汽车车窗电机温度监测研究 车上配备电动式车窗升降系统被国内外大多数车型作为标准配置。据统计，2 0 1 0 年我国汽车保有量为5 5 0 0 多万辆，目前这一数宁还在持续增加，因此车窗升降电 机的数量非常可观【l9 1 。在日常生活中，因车窗频繁升降，致使电机温升过高而烧 毁的例子很多，所以对车窗电机的温升进行实时监测，防止其烧毁以减少不必要 的经济损失和麻烦显得尤为重要。 随着控制理论和电子技术的不断发展，工业控制器的适应能力增强和高度智 能化正逐步成为现实。其中以微处理器为核心实现的数字控制器因其体积小、成 本低、功能强、简便易行在汽车领域得到广泛应用伫0 1 。使得汽车电子化程度越来 越高，在汽车未来的发展道路中，电动车窗系统有着更广阔的应用前景【2 。汽车 车窗e c u 实现的温度监测系统与传统的温度测量装置相比具有如下优点： ( 1 ) 简化了温度监测设备模块，缩小了电控设备的体积，提高了工作的可靠性； ( 2 ) 具有较高电磁兼容性和强抗振动、抗冲击性，可以在苛刻的车辆运行环境 下工作； ( 3 ) 在满足工程要求的前提下，最大限度地减少维护人员的工作量，提高了维 护人员的工作效率，尽量降低系统成本，为企业增加经济收入。 1 2 国内外电机温度监测研究现状 电机温升过高将使电机绝缘老化，严重时可能将电机烧毁。因此，电机温升 对电机的安全可靠运行和绝缘寿命长短有着非常重要的影响【2 2 1 。为了保证电机安 全可靠地运行。自1 9 世纪发明电机以来，不少学者和研究人员对电机温升问题和 监测方法做了很多的研究工作【2 3 】。 早期，国内外都采用比较原始的测温方法，都是接触式测量，如采用各种温 度计等，这只能监测电机各部位的表面温度，实际意义和效果不大，后来逐步采 用电阻法和埋置热电偶法进行温度监测【2 引。从理论上讲，用这两种监测方法测量 温度是提高电动机可靠性最有效、最直接的方法，特别适合用于由于通风不良、 环境温度过高、变动负载、启动次数过于频繁等场合下电机温度监测f 2 5 1 。因此， 电阻法和埋置热电偶法至今仍是国内外应用最普遍、最广泛的温度监测手段【2 3 l 。 但是，由于其体积较大，安装工艺比较复杂，不适合在汽车车窗升降电动机中使 用。 由于新材料，新工艺以及一些新技术的发展，传统的热电偶、热电阻测温应 用范围更加拓宽，如薄膜温度传感器、热电偶材料性能的提高【2 6 】；此外，目前国 内外正在研究的非接触式温度监测方法有辐射式测温、激光干涉测温方法以及声 波测温等2 7 五引，但是存在安装不便和价格比较昂贵的问题，不适合在车窗升降电 机中大批量推广应用。 随着电子技术的发展，人们研究出将温度传感器和数字电路集成在一起的新 2 硕士学位论文 型电子式集成温度传感器。传统的温度监测装置已经从模拟技术向数字技术发展。 与模拟传感器相比，电子式传感器在精度、分辨率、抗干扰能力、可靠性以及器 件的微小化方面有着明显的优点【2 9 1 。但是由于温度传感器存在热惯性，在电机起 动、堵转时存在着一定的时间延时。另外，安装位置的复杂性和传感器维护的困 难，使得其应用受到一定限铝l j 2 5 , 3 0 】。 计算机技术的发展，促使人们将微型计算机技术引入到电机监控领域，使得 基于微型计算机技术的电机监控装置具有优异的监控特性、完善的功能扩展和智 能化的监测与控制【2 5 1 。汽车e c u 实际上就是一部带单片机的嵌入式系统，有自 己的处理器、i o 设备和存储器，能独立控制汽车的某一电动系统【3 1 1 。微计算机 技术的发展和应用，推动了电机温度监测在原理上的概念更新、装置上的结构变 革、性能上的完善、功能上的扩展【2 5 1 。因此，国内外学者在分析电机热路模型的 基础上，提出了不同的电机温升模型【3 2 0 6 1 ，同时由于电机升温是多变量、高阶、 时变的复杂过程；人们又研究将人工智能技术融入到温升模型中，推导出相应的 温度监测算法，然后将电机温升监测算法和参数控制规律存入微处理器中以实现 对电机温升的实时监测，已成为当前研究热点【”4 们。 由以上可看出，今后电机温度监测技术将朝着集成化、智能化、系统化、高 可靠性的方向发展。 1 3 本文的主要研究内容 电机运行温度的高低是保证电机安全运行和达到正常使用寿命的重要条件之 一。因此，如何较准确地估算出被测电机的温升值，是确保电机安全运行的关键。 本文研究电机温升监测算法的设计与实现，该算法有如下特点： ( 1 ) 无温度传感器 取消常规的温度计、热电偶等硬件测温装置，即测温装置与电机之间没有物 理接触。 ( 2 ) 基于电机运行状态 电机有三种运行状态：运行、堵转、静止。温升监测算法能检测到当前电机 的运行状态，然后依据电机的运行状态，进行温度监测，即电机运行、堵转时， 温升算法脓测升温；电机静止时，温升算法监测降温。 ( 3 ) 纯软件的温度监测 编译基于电机温升过程模型的算法软件，然后将该温升监测算法程序存入车 窗e c u 中以实现对电机温度的实时监测功能。 本文围绕基于无温度传感器的汽车车窗电机温度的实时监测展开研究。基于 上述构想，本文开展以下几个方面的工作： ( 1 ) 在深入研究电机发热、冷却过程的基础上；建立了车窗电机循环断续运行 3 基于无温度传感器的汽车车窗电机温度监测研究 时的温升过程模型。 ( 2 ) 运用c 语言编译基于电机循环断续运行时温升过程模型的算法软件。 ( 3 ) 运用m a t l a b 、v i s u a lc + + 工具软件对温升监测算法的可行性进行仿真测试， 并确定相关的温升参数。 ( 4 ) 在博世汽车部件( 长沙) 有限责任公司搭建温度测试试验平台，进行验证 试验，试验结果表明本文所设计的电机温升监测算法达到了技术指标要求，完成 了预期目标。 4 硕士学位论文 第2 章温升监测算法理论基础及实现 永磁电机广泛应用于汽车中，这是由于永磁电动机与电励磁电动机相比，具 有结构简单，运行可靠；体积小，质量轻；损耗小，效率高；电机的形状和尺寸 可以灵活多样等显著优点【4 。但是永磁电机在运行中不可避免地要产生损耗。这 些损耗转变成热能后，其中一部分散发到周围环境中，剩余的热量将使电机各部 分不同程度的发热升温。由于电机不是一个均质物体，其中发热与散热过程比较 复杂，但在研究电机的这些过程时，我们假定电机是一个均质物体【6 j 。基于此假 设，本章分析永磁直流电机的温升过程。 2 1 永磁直流电动机 2 1 1 永磁直流电动机的原理和结构 永磁直流电动机是由永磁体建立励磁磁场。其磁路一般由电枢铁心( 包括电枢 齿、电枢轭) 、气隙、永磁体、机壳等组成。永磁体作为磁源，气隙巾存在磁场。 由电刷与换向器表面的滑动接触，把转动的电枢绕组与外电路相连，外加的直流 电流被引入电枢绕组中，电枢载流导体在气隙磁场中产生电磁力，所有导体产生 的电磁力作用于转子产生电磁转矩，便拖动机械负载以一定的速度旋转。 直流电机通常是由定子( 静止部分) 和转子( 转动部分) 两大部分组成。 ( 1 ) 定子结构：直流电机定子由机座、主磁极、换向极、电刷装置和端盖等组 成。定子的作用，在电磁方面是建立主磁场和作为磁路的组成部分；在机械方面 是整个电机的支撑。 ( 2 ) 转子结构：直流电机转子又称电枢，由电枢铁心、电枢绕组、轴承和换向 器等组成，作用是产生感应电势和电磁转矩。 其中定子的电刷是把转动的电枢绕组与静止的外电路相连接；转子的换向器 将电刷上的直流电流逆变成绕组内的交流电流【4 2 , 4 3 , 4 4 1 。 2 1 2 车窗永磁直流电动机的特点 汽车门窗自动升降器的动力装置是永磁电机，为直流双极永磁结构，由定予 组件，电枢( 转子) 组件、碳刷端盖组件等部件组成。其额定功率一般在2 0 w - 3 0 w ， 工作电压9 1 6 vd c ；空载转速为6 0 r m i n - - - 12 0 r m i n ，堵转转矩7 n m 16 n m ， 堵转电流 3 0 a 。车窗升降电机被安装在车门内外板之间狭小的夹缝r f l ，这便决定 了电机外形是扁平、细长状的；电机的机壳则呈扁平“半圆矩形细长的拉伸薄壁 件”1 3 1 ，如图2 1 。人们按下开关按钮改变电机电源的正负极便可实现电机的正反 s 基于无温度传感器的汽车车窗电机温度监测研究 转，从而使汽车车窗玻璃自动升降，并能停留在任意位置。因此，在操作舒适性 方面，汽车车窗自动升降器的使用比原始的手摇升降器舒适很多4 5 枷】。 图2 1 举窗电机实物图 2 2 直流电机的损耗及其发热和冷却过程 2 2 1 电机的损耗分析 电机在其实现能量转换的过程中，总有一部分能量不能被有效利用，我们把 这一部分能量称为电机的损耗。损耗的能量变为热能，使电机的某些部件( 如铁芯、 绕组、换向器及轴承等) 发热升温。 电机内的各利，损耗是电机发热的主要热源，根据产生损耗的原因和性质，电 机的损耗一般分为下列各类【6 , 2 3 , 4 7 】： ( 1 ) 铁损耗，指电机运行时主磁场在铁芯中发生变化时产生的。铁损耗包括 磁滞损耗和涡流损耗两部分。这是因为当直流电机电枢旋转，电枢铁芯受到主磁 场的反复周期性的磁化，引起磁滞和涡流损耗。铁损耗的大小与铁芯中的磁感应 强度大小及交变磁化频率有关。磁感应强度值越大，交变磁化频率越高，铁损耗 的数值也越大。 ( 2 ) 铜损耗，它是指电流流经导线时在导线电阻上产生的损耗，这一损耗将随 负载电流大小的变化而变化，故称为“可变损耗 。还包括电刷与集电环或换向器 接触而产生的损耗，以及工作电流产生的漏磁场和谐波磁场在绕组中产生的损耗， 前者称为接触损耗，后者称为绕组巾附加铜耗。 ( 3 ) 机械损耗，它包括通风损耗( 由转子旋转引起的转子表面与冷却气体之间 的摩擦损耗) 、轴承摩擦损耗和电刷与换向器间的摩擦损耗，它与负载电流无关。 ( 4 ) 空载时铁芯中附加损耗，它主要指由定予和转子开槽而引起的气隙磁导谐 波磁场在对方铁芯表面产生的表面损耗和由于开槽使对方齿中磁通因电机旋转而 变化所产生的脉振损耗。 2 2 2 电机发热升温过程 2 2 2 1 电机持续运行发热升温过程 电机的发热计算是有内部热源时的发热计算。虽然电机是由很多物理性质不 6 硕士学位论文 同的部件组成，内部的发热和传热过程本质上是一个构件与流体耦合的温度场问 题，关系非常复杂，但实践证明，将其作为个均质等温物体来进行研究，可以 得到工程上能够接受的分析精度。所谓均质等温体，是指物体各点温度相同，表 面散热能力也一致【4 8 1 。 计算时假定：热源是均匀发热体，其功率p 为恒值；西时间间隔内电机的温 升增量为出。且其比热容c 和综合散热系数k t 也是均匀的，并且与温度无关。 电机的质量为m ，散热面积为a 。于是，依据文献4 9 渤1 可得热源的热平衡方程为 p d t = c m d r + k r a r d t ( 2 1 ) 等式左端为热源在时间破内产生的热量，右端的两项分别为消耗于电机升温的热 量和散失到周围介质中的热量。 常微分方程( 2 1 ) 的通解，即电机的温升为 f = 击+ c l e - t r ( 2 2 ) 式中，q 一取决于具体问题初始条件的积分常数；丁一时间常数丁= 罱。 若电机接通电源时已有初始温升r o ，即，= 0 时，温升为，解得c l = r o 一南， 则电机的温升表达式( 2 2 ) 可以写成如下形式： f = 南+ ( t o 一匀一丁 ( 2 3 ) 显然，当，一o o 时，温升r 将达到其稳态值 气= 丽p ( 2 4 ) 它是电机产生的热量完全散失到周围介质中时的温升。 t 因此，电机温升方程可如下表示： 仁印p 一归+ ( 1 一p 一归) ( 2 5 ) 图2 2 电机升温曲线 图2 2 所示为初始温升r o = 0 与r o 0 时电机的温升曲线。从图中看出，电机 发热升温不是瞬时的，是有一段过程的。温升过程是指数曲线，其物理意义是： 开始运行时，由于电机温度较低，散热少，大部分被电机吸收，所以升温快；经 过一段时间后，电机温度变高了，散热增加，温升变慢：直到散热量等于发热量 7 基于无温度传感器的汽车车窗电机温度监测研究 时，温升不再增加了，温度也就稳定了。当发热增加或散热减少时就会破坏平衡， 使温度继续上升，温差增大，则增加散热，在另一个较高的温度下达到新的平衡。 2 2 2 2 电机堵转发热升温过程 堵转时，由于电动机的转速很低，甚至为零，因此电机的反电势很低，造成 定子绕组电流迅速增大。通常电机堵转期间电流为额定电流的5 到8 倍。此时定 子电流很大，如果电流长时间维持在此电流值上，电机绕组的温度上升很快，则 对电机的损坏也更为严重【”1 。 车窗电机堵转时间的为4 0 0 m s ，属于短时过负荷现象，可把电机的温升看成 是没有散热的发热过程1 4 9 1 。这时绕组的温度随损耗和时间直线上升，有： ；：等t g ( 2 6 2 ) 弘面g ( 丙) 式中g 一绕组重量 廿一损耗 0 一堵转时间 c 一比热容 在这种情况下，温升可以用发热曲线起始部分的切线表示。 切线方程为： f = 名等 ( 2 7 ) 式中一稳定温升 丁一时间常数 如果在初始温度o 时发生堵转的温度为： f 2 f g 。予+ 匈 ( 2 8 ) 2 2 3 电机冷却降温过程 电机断开电源后就开始冷却。由于电机已经不再吸收能量，故式( 2 1 ) 将变 为 c m d r + k r a r d t = 0 ( 2 9 ) 其解为f = c 2 p _ f r 。若电机开始降温，= o 时，温度丁= ，则积分常数c 2 = o 。因 此，电机冷却过程的方程式为 r = r o e 一归( 2 1 0 ) 电机冷却过程的f = f ( t ) 曲线如图2 3 所示。 3 硕士学位论文 图2 3 电机降温曲线 2 3 车窗电机循环断续运行时的温升过程模型 日常生活中，车窗上升至顶部时，电机堵转4 0 0 m s 后断电静止；车窗向下运 行至底部时，没有堵转，电机断电静止。由于电机运行到顶部或者底部时，电机 最终会处于短暂的静止状态，然后继续运行。因此，在此期间，发热和冷却过程 交替重复着，即在运行过程中，电机温度升高；而在静止过程中，电机冷却降温。 我们将车窗从顶部运行至底部，再运行至顶部，记作电机循环运行一次。 一般情况下，电机在短暂运行( 驱动车窗上升或下降) 后便处于静止状态。极 端情况下，车窗频繁升降，电机运行时间较长。依据人们操作车窗系统时间的长 短，将车窗电机的运行工况分为：短时工作制和循环断续工作制。由于电机循环 断续运行时初期发热过程适用于电机短时运行时发热分析，下面分析电机循环断 续工作制下温升情况。 在循环断续工作状态中，车窗电机的发热和冷却过程严格地交替重复着，在 第一个循环的第一次通电和断电过程末，即t = t l 及，= ，l + 如时，温升分别为r m 狱l 和 i n l 。至第二次通电和断电过程末，通电时温升将由r m i n l 上升到r m a x 2 ，断电时 则由t m 觚2 下降到r m i n 2 ，以此类推。总之，在各循环通电过程末，温升未达到其 稳态值；断电过程末，温升也未降到其初值。经过多次循环后，电机温度趋向稳 态温升，如图2 4 所示。 设，l ，乞，屯，4 分别为电机每次下降、静止、上升( 包括堵转) 、静止时间，时间常 数为丁。假定电机接通电源时已有初始温升靠，则电机工作时第一个运行时间，l 内，电机发热温升乃为： 毛= p 叫1 ，。+ 乇( 1 p 叫1 ，。) ( 2 11 ) 9 基丁无温度传感器的汽车车窗屯机温度监测研究 v ， 一f i 一 一 1-rt 铲 一 一，3 一 图2 4 循环断续工作时电机温升曲线 在，2 时间内，电机散热温度降至矗 i = t i e t 2 r 在如( 包括电机静止前堵转) 时间内，电机发热温升z 2 为 ( 2 1 2 ) 乃= 杠b 一。矿+ 气( 1 一p 一b k 矿) + ，g 专 ( 2 1 3 ) 在，4 时间内，电机散热温度降至艺 则第k 个循环时， t = r 2 e t d r ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) 由于车窗运行到顶部或者底部时，电机静止时间极短，所以彳“1 。则对p 。盯 的计算就可利用泰勒级数的展开式计算，泰勒级数展开式为： p - t i t = 1 一手+ ( 手) 2 2 “ 由于形“1 ，则可以由式( 2 16 ) 的前两项计算。 根据上面对p 。仃的处理，将式( 2 1 5 ) 简化为： f 铲乏焉t i 篙) 卜t 葛t 3 - t g 五二扩, 专 ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) 在车窗电机运行( 上升、下降、堵转) 和静止时间t l , t 2 ，3 ，4 一定的情况下，电机 1 0 ) + 伊， 0 h ， 矿 啊 叫 铲 0 叫， 勰将 嵋一i f 吒0 硕士学位论文 当前升温靠是前一刻温度靠一l 的一次函数；电机当前降温吒亦为前一刻温度靠的 一次函数。 2 4 车窗电机循环断续运行时温升过程模型的构建 从上面理论分析得出，电机在正常运行、静止或堵转时的温度均可根据前一 刻温度计算出。由于车窗e c u 的微控制器性能的约束，将永磁直流电机的运行、 堵转、静止温升过程模型稍作简化。在温升曲线上，其几何意义是：电机实际温 升曲线被分为多个温度区间，各温度区间采用不同斜率的线段来逼近。为保证电 机安全可靠地运转；在构建简化后电机运行、堵转、静止温升过程模型时，各温 度区间相关的线段斜率参数必须通过测量车窗电机实际运行时碳刷上温升曲线来 确定。 2 4 1 数据测量 通过现场测试的电机运行的温度曲线来确定简化后的电机温升算法中相关的 参数。 ( 1 ) 实验条件 实验器材：温箱、汽车前门、车窗电机、电压源、温度测量仪c r o n o s 、电脑、 控制开关等 实验要求：环境温度8 0 0 c 、电源电压9 1 6 vd c 、每5 0 m s 测量一次电机温度 ( 2 ) 实验测量数据 车窗电机的工作电压为9 1 6 v 。实际中，车窗电机会在任意工作电压下运行， 不同电压下温度曲线不同，即使同一电压不同的升温点，升温曲线也是不同的。 由于实际的温度曲线复杂多样，试验时不可能一一测出，只能有选择的测量一些 典型的温升曲线。具体试验中所测曲线如下： 实验巾，电压为1 0 v 、1 2 v 、1 3 v 、1 4 v 、1 6 v 时，分别测量升温点为8 0 0 c 、 1 0 0 0 c 、1 2 0 0 c 、1 4 5 0 c 的升温曲线。考虑到人为因素，升温点为8 0 0 c 的升温曲线 测量三条，升温点1 0 0 0 c 、1 2 0 0 c 的升温曲线各测量两条，升温点1 4 5 0 c 升温曲 线测量一条。降温点为1 6 0 0 c 、1 4 5 0 c 、1 2 5 0 c 、1 0 0 0 c 、9 0 0 c 的降温曲线各一条。 2 4 2 电机温升过程的构建 实验表明：对应某一电压下的任意升温点，升温曲线是不同的。越靠近升温 点处的升温曲线的切线斜率越大，越远离升温点处的升温曲线的切线斜率越小。 即使同温度，若该温度是刃温点，则该处升温较快，因此，根据实际的升温点 划分动态升温区间，如图2 5 所示。 基于无温度传感器的汽车车窗电机温度监测研究 ( 1 ) 升温区间的划分 从图2 5 可以看出，无论升温点高低，升温曲线均符合指数函数规律；升温 初始阶段，大部分热量被电机吸收，所以电机升温快；随着时间的推移，电机温 度升高了，散热也增加，温升变慢；直到散热量等于发热量时，温升不再增加了， 温度也就稳定了，趋于一个稳定的温度。简化后的温升过程模型是将升温点至最 大极限温度( 16 0 0 c ) 间的温度区段分为八段，为使简化后的温升过程模型能够更 准确地描述实际电机的升温，我们将升温点附近的温度区间划分的小些，而将远 离升温点的温度区间划分的大些，即将升温点和最大极限温度间的中间温度作为 温度分界点4 ；升温点与温度分界点4 间的升温区间从升温点开始依次较后一升 温区间减小一倍；而分界点4 与最大极限温度间升温区间则平均划分为四部分， 如图2 6 所示。 图2 5 不同升温点时升温曲线 图2 6 升温区间分界点的划分 ( 2 ) 升温区间参数 实验时，在电压分别为l o v 、1 2 v 、1 3 v 、1 4 v 、1 6 v 时测得升温点为8 0 0 c 、 1 2 1 0 0 0 c 、1 2 0 0 c 、1 4 5 0 c 的升温曲线。 升温各区间参数由电机两端的电压与升温点确定，因此各区间参数是电压甜 与升温点t e mu p 的函数，可表示为 k = f x ( 甜) + e x ( t e r n u p ) ( 2 18 ) 式中，x 为1 ，2 ，3 ，4 ，5 ，6 ，7 ，8 ；分别指第一段升温区间、第二段升温区间、第三 段升温区间、第四段升温区间、第五段升温区间、第六段升温区间、第七段升温 区间