汽車電動水泵轉速測量方法分析及對比

袁書豪 楊曉荷

摘 要：本文介紹了汽車電動水泵（以下簡稱電動水泵）開發過程中轉速的多種測量方法，對各種方法的原理、應用范圍及優缺點進行了分析對比。本文介紹的測量方法可以方便地應用于電動水泵設計開發和試驗過程。

關鍵詞：電動水泵；熱管理；轉速測量；性能標定

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.23.033

1 前言

為響應國家節能減排的政策，新能源汽車逐步取代傳統汽車，電動水泵作為新能源汽車熱管理系統的重要部件，發揮著不可替代的作用。電動水泵的動力來源為電能，影響到水泵的性能指標有轉速及工作電壓，其中轉速是電動水泵依據整車運行工況實時調整的。因此，研究選擇恰當的轉速測量方法對標定電動水泵性能、快速定位問題、提高試驗數據的準確性具有重要意義。

2 轉速測量方法

電動水泵轉速的測量主要包括光電傳感器法、霍爾法、電壓法、電流法、軟件反饋法等。

2.1 光電傳感器法

光電傳感器法是利用光的反射原理進行光電轉換。光電傳感器法有發射器、接收器、檢測電路三部分組成，如圖1所示，其中發射器為發光二極管（LED）、紅外發射二極管等半導體光源，接收器有光電二極管、光電三極管等。檢測電路主要是起到信號放大、濾波的作用。

使用光電傳感器法測速，需要被測物體上的某個位置具備反光特性，即被測物體轉一周，傳感器可以產生固定數量的脈沖信號。簡而言之，反光的物體上畫黑線，不反光的物體上畫白線（或者貼反光紙）。可以直接使用光電轉速表等儀器儀表或光電傳感器組成信號采集模塊，由系統接收處理模塊的信號，轉換為轉速值。

以被測物體轉一周，傳感器產生一個脈沖信號為例，電動水泵對應的轉速：

n=f*60

其中，f為系統采集到光電傳感器模塊的輸出信號頻率。

2.2 霍爾法

霍爾元件是應用霍爾效應的半導體。當磁場的一個磁極靠近它，霍爾輸出低電位電壓（低電平）或關的信號，當磁場的另一個磁極靠近它，霍爾輸出高電位電壓（高電平）或開的信號。在單相電機控制及有位置的三相電機控制中，霍爾用于轉子位置檢測。同時，也可以通過霍爾測量電動水泵轉速。

電動水泵正常運行過程中，霍爾的輸出信號為方波（正占空比為50%的矩形波）。電動水泵對應的轉速：

n=f*60/p

其中f為電動水泵霍爾輸出信號的頻率，p為電動水泵的轉子極對數。

以單相電機的電動水泵為例，圖2為霍爾的輸出波形，從波形上分析，可以看到霍爾輸出信號頻率f=115.4Hz，轉子極對數為2，則電動水泵的轉速n=115.4*60/2=3462rpm。

2.3 電壓法

在BLDC電機的運行過程中，單相或者三相電機的相電壓產生周期性地變化，生成旋轉磁場，從而驅動轉子轉動。所以，可以通過電機的相電壓的波形間接的獲取轉速信息。

對于單相電機的電動水泵，可以通過檢測電機線圈的任意一端測量轉速；對于三相電機的電動水泵，可以通過檢測U、V、W三相中的任意一相（必要時需要檢測任意兩相）測量轉速。電動水泵對應的轉速：

n=f*60/p

其中f為電動水泵相電壓的頻率，p為電動水泵的轉子極對數。

以三相電機的電動水泵為例，驅動方式為方波控制，圖3為A相的相電壓波形，從波形上分析，可以看到相電壓的頻率f=163.7Hz，轉子極對數為2，則電動水泵的轉速n=163.7*60/2=4911rpm。

2.4 電流法

電流法的測試原理與電壓法基本一致，在BLDC電機的運行過程中，單相或者三相電機的線電流也是周期性地變化，在一些復雜的算法中可以通過三相電流重構技術估算轉子位置，從而實現換向。

對于單相電機而言，可以使用電流鉗檢測電機線圈的任意一端；對于三相電機，可以使用電流鉗檢測U、V、W三相中的任意一相。電動水泵對應的轉速：

n=f*60/p

其中f為電動水泵線電流的頻率，p為電動水泵的轉子極對數。

以三相電機的電動水泵為例，驅動方式為FOC控制，圖4為A相的線電流波形，從波形上分析，可以看到線電流為弦波，其頻率為f1，轉子極對數為2，則電動水泵的轉速n=f1*60/2=30f1。

2.5 軟件反饋法

在目前的電動水泵設計開發中，電動水泵控制器中都實現了轉速閉環控制，軟件可以診斷出電機的當前運行狀態以及轉速信息，可以將轉速信息以PWM或者其他通信方式反饋，實現實時測速。

以反饋信號為PWM信號為例，PWM信號的重要參數是頻率和占空比，水泵可以通過PWM信號的占空比反饋轉速信息。圖5為電動水泵的反饋信號波形，從波形數據分析，反饋信號的頻率為100Hz，正占空比為60%。根據通信協議，反饋信號正占空比30%-80%對應轉速1500-5500rpm，由此可以得到電機轉速n=3900rpm。

3 測試方法對比

（1）光電傳感器法具有簡單方便的特點，可以使用DT-2234B測速表等儀器儀表或光電傳感器組成轉速信號采集模塊。但是，測轉速需要光電器件發出的光束直射在轉子或者轉軸上，所以在電動水泵負載運行時，此方法難以應用。另外光電傳感器法測速，需要被測物體轉軸上具備反光特性。光電傳感器本身的精度和靈敏度等也會對測量數據產生影響，轉速偏差±0.1%n。

（2）霍爾法是精確度較高的轉速測量方法，在單相電機的電動水泵測速中應用較多。霍爾法需要電機或者控制器設計中使用霍爾傳感器，目前先進的無位置控制算法（sensorless方案）不再使用霍爾傳感器，無法使用此方法測量轉速。

（3）電動水泵的原理為電機控制器驅動電機運行，所以電壓法和電流法對所有的電動水泵都適用，但是考慮到應用過程中的可操作性，控制器直接與電機連接的電動水泵無法使用電流法。

（4）軟件反饋法可以在不拆解電動水泵的前提下實現轉速測量，但是軟件反饋法測轉速需要電動水泵具有微控制器（MCU），可以軟件編程實現，同時也需要通信協議支持，有一定的局限性。

（5）霍爾法、電壓法、電流法以及軟件反饋法中的信號需要借助于信號檢測設備（如示波器）等進行分析識別，然后按照相應的公式或協議轉換為轉速信息，轉速偏差±0.05%n。

4 小結

電動水泵作為新能源汽車產品的新生代，已逐步取代傳統水泵。本文中的電動水泵轉速測量方法可以適用于多個功率區段的電動水泵，對電動水泵的性能標定、故障分析、結構優化等具有重要指導意義。在實際應用過程中，應根據試驗環境以及測試條件來選取測量方法。

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作者簡介：袁書豪（1991-），男，河南西峽人，本科，主要從事電動水泵控制器開發及測試工作。