基于电子元器件的电动机温度自动控制

1 电动机的热管理
（1）
加热在电机通过铜、磁铁、层压和轴承的摩擦
温度升高还会导致焦耳损失 / 欧姆加热形式的损
损失是一个值得关注的原因 。由于这些热源而设置的 失 ，当电流通过导体产生热量时 ，就会发生功率损
热梯度会导致径向和轴向的应力 ，引起不均匀变形 。 失 。由于这取决于元件的电阻 ，更高的温度导致更高
表 2 显示冷却风扇和电机的控制过程。根据
器数据将采用模拟格式 ，并通过 ADC 转换为可处理 当前电机的温度 ，可以类似于表中提供的逻辑来控
的数字格式 。下一步涉及一个可选的 LCD，它可以 制风扇和电机的脾脏 ，以达到最佳的电源效率和寿
配置为显示温度和状态。下一阶段涉及冷却风扇和 命。在表中，逻辑已经被简化，但在实际实施时，
（1）微控制器引脚布局 PIC 微控制器 （ PIC16F877A）的结构如图 2 所示 。
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电机的 PWM 电压控制 。这是使用 MCU 的 PWM 引 脚完成的 。可以在 MCU 内实现一个功能 ，根据温度 读数和电机的温度限制执行 PWM。安全温度极限列 于表 1 中 。
用的 MCU 引脚 ，以及与系统各个元素通信的方法 。 因此 ，MCU 应配置为从 ANO 读取数据并将其处理
LM35 温度传感器将放置在电机内部 。首先 ，通过 为二进制格式 。
单片机内置的 ADC 电路对 LM35 温度传感器的数据
（3）电机驱动器 IC 配置
进行处理 。模拟引脚和寄存器应该相应配置 。传感
冷却风扇转速 （%PWM）
100
电动机转速 （%PWM）
0
温 度 和 速 度 读 数 采 用 Proteus 仿 真 软 件 实 现 接 口 ，利用 MPLAB-X 生成十六进制文件 。冷却风扇的 速度在较低的温度读数时自动降低 ，在较高的温度读
100~120 80~100
100
以最大步长 增加直到得到 目标温度范围
在达到目标温度范围 之前，无变化（或）降低
数时自动增加 ，以有效地节约能源和管理传热 。从以 上分析中可以看出 ，当温度超过最大安全极限时 ，电 机的转速会降低 。
40~80 <40
以中等大的步长 递增/递减，直到得到
目标温度范围
以小的步长 递增/递减，直到得到
目标温度范围
无变化
3 结束语 本文提出一种利用冷却风扇对电动机进行强制对
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基于电子元器件的电动机温度自动控制
王 岩
（同方威视技术股份有限公司）
摘要：基于嵌入式元器件的自动控制是当今时代的一项重要的高效技术 。本文论述在电机中实现温度传感 器对电机的温度进行监测 ，并通 过控制各部件提供自动安全机制 ，保证电机的安全 性 和使 用寿命。L M 3 5 温度传感器与单片机 PIC16F877A 接口，传感器输入经过处理，受安全电机温度限制的控制，为风扇的 冷却系统提供基于 PWM 的自动速度控制，以及电机的速度，以确保电机的安全和更好的能源效率。在 Proteus 中对系统进行仿真，并进行验证 。 关键词 ： LM35 传感器 ； 电动机 ； PIC ； PWM 控制 ； 冷却风扇
回路 。
脉宽调制 （ PWM）基于调制 / 控制方脉冲宽度
④液体冷却 。⑤基于热管道 。
的原理工作 。这是通过简单地改变脉冲的占空比 ，即
在这些类型中 ，开放式机器以及基于轴向和径 ON 和 OFF 周期的持续时间来实现的 。例如脉冲在相
向冷却的机器可适用于基于外部风扇的强制对流式冷 等的周期内为 ON 和 OFF，则占空比为 50%。占空比
动过程 ，不需要自动或手动控制 。一些例子包括散热 用于电子设计自动化的工具套件 。
器 / 散热器和热管的实施 ，基于自然气流的冷却 ，绝
在电机中，还需要控制温度以避免永磁体的退
缘体的使用 ，蒸发 ，辐射反射等 [2]。
磁 。研究还表明 ，不期望的温度会对电动机的效率产
生负面影响 。这些机器中导体的电阻随温度变化为 ：
气沿着机器的部件传递热量 。③辐射 。辐射发生在所 有温度高于 0K 的物体上 。人体通过电磁辐射散发热
图 1 径向冷却电机与实物图
量 ，还有非接触式传热 ，这在电机中通常被忽略 。
空气通过径向管道导入这些电机。通过冷却风
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扇控制进入的空气 。因此 ，可以改变该冷却风扇的速
2 布局及控制
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流式热管理的方法 。风扇和电机的控制已经过优化 ，
（4）逻辑图
以提供一个节能系统 ，以及最大限度地延长组件的寿
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图 3 中的流程图提供了传感器和 PWM 实现逻辑 。 命 。提供了逻辑来控制冷却风扇和电动机的速度 ，
使温度保持在一个稳定的范围内 ，并防止超过安全极
限 。电源管理已经考虑根据冷却限制提供给冷却的功
任何设备的热管理都是通过被动和 / 或主动冷却来完 健的 ，可以减少总耗电量 。在模拟的开发中 ，使用专
成的 [1]。被动冷却是指通过自然传导 、对流 、散热等 用的集成开发环境 MPLAB，用于在 PIC 上开发嵌入
方式对设备进行冷却的换热方式 。被动冷却是一个自 式应用程序 [4]。对于原理图 ，PROTEUS 是一个主要
<40
微控制器单元 （ MCU）有两个 PWM 引脚 ，即
正常
可以维持/减 少热量传递
60 CCP1 和 CCP2，位于引脚 17 和 16，它们将被编程以
提供 PWM 控制 。管脚 RA0 或 RA1（管脚 1 和 2）中 的任何一个都可以配置用于模数转换 （ ADC）。任何 通 用 I/O（ GPIO） 引 脚 ， 即 RA0-RA5、RB0-RB7、 RC0-RC7、RD0-RD7、RE0-RE2， 都 可 以 配 置 为 与 LCD 通信 。为了扩展应用 ，可使用 dsPIC 系列等 PIC 微控制器 ，其具有 8 个 PWM 引脚 ，因此可用于同时 控制多个电机 。
度 ，以控制电机内部发生的冷却量 。温度传感器通常
2.1 电动机和冷却风扇布局
放置在电机槽 、绕组头或轴承中 。冷却速度可以通过
通常 ，根据冷却机制 ，电动机具有以下特征 ： 微控制器根据电机内部的温度来控制 。
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①打开的计算机 。②自动通风机 。③轴向和径向冷却 2.2 电动机的 PWM 速度控制
①传导 。传导涉及固体物体之间直接接触的热传
递 。这取决于材料的热导率 ，发生在电机的内部 。②
对流 。这包括当流体沿着固体移动时发生的 cat 转移 。
自然对流是由于这些流体的自然运动而发生的 ，而强
制对流是由于通过外力使流体移动而发生的 。在电动
机器中 ，强制对流被广泛采用 ，使用冷却风扇迫使空
电机与 MCU 的接口 。采用驱动集成电路实现风扇和 所有的数值都会根据电机和应用的不同而变化 。
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温度（℃） >120（或提供最大限制）
100~120 80~100
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的欧姆加热 ，因此产生更多功率损耗 。电动机传统上
是通过使用主动和被动冷却机制来冷却的 。热传递通
常通过传导 、对流和辐射发生 。
和 RC3 用 于 向 LCD 发以中送等大复的位步长/ 使 能 信 号 。LCD 将
40~80
递增/递减，直到得到
无变化
用于显示温度和状态 。目标温度范围
（2）处理驱动程序代码创建的过程 为了创建 MCU 驱动代码 ，需要首先建立要使
（2）<40LM35 使用递增A以/递D小减C的，直步接到长口得到 传 感 器 连 接 到 M目C标U温的度范A围DC 引 脚 ANO/RAO。
率 。在 Proteus 中对系统进行仿真 ，并对仿真结果进
61
行验证 。
图 3 逻辑流程图
参考文献 [1] 高旺 ，杨飞 . 汽车冷却风扇的高效无刷直流控
制器 [J]. 高电压技术 ，2017，10（9）： 21-22. [2] 李斌 . 低碳汽车电气化推进系统的热管理 [J]. 电
力系统保护与控制 ，2017，7（19）： 34-37. [3] 张瑶 ，熊卓 ，王宇 ，等 . 集成电机的冷却 [J].
温度（℃）
2.>412微0（或控提制供器最大编限程制）
冷却风扇转速 （%PWM）
100
电动机转速 （%PWM）
0
（110）0~1L20CD 接口
100
在达到目标温度范围 之前，无变化（或）降低
LCD 的 布 局 通 过 以G最P大IO步长引 脚 RD0-RD7 与 LCD
建 立 8 位80~接100口 ， 用 于 命增 目加 标令直 温和到 度得 范数到 围据 的 交 换 。 引 脚 RC0
管这条规则并不严格准确或适用于所有电器 ，但它确 在本文中 ，计划使用电子控制单元 （ ECU），包括直
实告诉我们 ，有必要以一致的方式控制温度 ，以最大 流电机驱动电路 ，温度传感器和一个微控制器有效的
限度地减少退化 ，并确保良好的电器寿命 。基本上 ， 冷却和热管理 。随着 ECU 的使用 ，系统被发现是稳
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0 引言
因此 ，热图是对电机进行热管理和性能评估的必要参
监测电器的温度对确保安全和使用寿命至关重 数。热图是估计的温度，特别是电力牵引电机的组
要 。这是一条经验法则――电子设备的任何组件的额 件 。这是必不可少的 ，因为这些部件是由不同的材料
定温度增加 10℃，大约会导致该组件的寿命减半 。尽 制成的 ，它们各自的热膨胀可能导致热机械应力 [3]。
电力大数据 ，2019，11（18）： 33-35. [4] 蒲天骄 ，乔骥 ，韩笑 ，等 . 人工智能技术在电
力设备运维检修中的研究及应用 [J]. 高电压技 术 ，2020，46（2）： 369-383.
（收稿日期 ： 2023-02-20）
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却 。图 1 显示了典型的径向冷却电机的布局 。
公式为 ：
（2）
式 中 ，TON 为 脉 冲 处 于 ON 状 态 的 持 续 时 间 ； TOFF 为脉冲处于 OFF 状态的持续时间 。
使用 PWM 可以调节任何端子上的电压 。当占 空比更高时，电压将更高，反之亦然。通过限制电 压 ，可以控制冷却风扇和电机的速度 。 2.3 系统布局
表 1 不同温度工作状态
图 2 电子元器件 PIC 布局
温度（℃） >120（或提供最大限制）
100~120 80~100
温度等级 危险高温 异常高温
高温
通过转速控温
电机需要减速/停止. 热量传递最大化 电机可以减速，
热量传递大幅增加
需要增加传热
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40~80
适度高温
热量传递可以增加
温度等级 危险高温 异常高温
高温

通过转速控温
电机需要减速/停止. 热量传递最大化 电机可以减速， 热量传递大幅增加
需要增加传热
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40~80
适度高温
热量传递可以增加
<40
正常
可以维持/减 少热量传递
表 2 不同温度冷却风扇和电机速度
2.5 实验结果
温度（℃） >120（或提供最大限制）