CN110199467A - 相位换相中的霍尔效应传感器信号偏移校正 - Google Patents

Abstract

一种操作主减速器单元离合器的方法。该方法包括提供与离合器联接的电机。该电机包括定子、与该定子联接的第一霍尔效应传感器、与该定子联接的第二霍尔效应传感器、与该定子联接的第三霍尔效应传感器以及具有至少一个磁极对的转子。该方法还提供与电机电连通的控制器。该方法包括确定第一理想换相点，以及计算第一霍尔效应传感器状态从理想换相点变化的第一偏移。该方法还包括在离合器在非扭矩传递位置和扭矩传递位置之间的过渡期间用第一偏移来计算换相的时间延迟，使得第二霍尔效应传感器状态变化对应于第二理想换相点。

Description

相位换相中的霍尔效应传感器信号偏移校正

背景技术

本公开涉及离合器致动期间的电机换相。传统的无刷直流(“BLDC”)电机通常包括定子和转子，具有电磁极的定子在其上带有绕组，转子包括产生永磁极对的永磁体。当电流在定子绕组中流动时，定子和转子彼此发生磁相互作用。流经每个定子绕组的电流的相位换相被执行以产生连续旋转的磁场。

BLDC电机中的霍尔效应传感器通常用于磁极位置检测，并基于霍尔效应传感器信号的变化对电机进行换相。因为BLDC电机可包括霍尔效应传感器的位置公差，所以最佳换相点可能与霍尔效应传感器发出的换相状态不一致。本文描述的方法在主减速器单元(final drive unit)离合器中提供更一致的BLDC电机性能。

发明内容

本公开提供了一种操作主减速器单元离合器的方法。该方法包括提供与离合器联接的电机。该电机包括定子、与该定子联接的第一霍尔效应传感器、与该定子联接的第二霍尔效应传感器、与该定子联接的第三霍尔效应传感器以及具有至少一个磁极对的转子。该方法还提供与电机电连通的控制器。该方法包括确定第一理想换相点，以及计算第一霍尔效应传感器状态从理想换相点变化的第一偏移。该方法还包括在离合器在非扭矩传递位置和扭矩传递位置之间的过渡期间用第一偏移来计算换相的时间延迟，使得第二霍尔效应传感器状态变化对应于第二理想换相点。

附图说明

附图作为说明书的一部分而并入本文。本文描述的附图示出了当前公开的主题的实施例，并且说明了本公开的所选原理和教导。然而，附图未示出当前公开的主题的所有可能的实施方式，并且不旨在以任何方式限制本公开的范围。

图1是根据本公开主题的实施例的BLDC电机的示意图；

图1A是根据本公开主题的实施例的包括主减速器单元离合器的车辆的示意图；

图2是根据本公开主题的实施例的反电动势(back-EMF)波形和霍尔效应传感器状态变化的图示；

图3是根据本公开主题的实施例的与理想BLDC电机相位变化相比的偏移BLDC电机相位变化的图示；

图4示出了根据本公开主题的实施例的BLDC电机；

图5A是根据本公开主题的实施例的霍尔效应传感器的正位置偏移的图示；

图5B是表示扇区和扇区宽度的图表；

图6是根据本公开主题的实施例的霍尔效应传感器的负位置偏移的图示；

图7是根据本公开主题的实施例的BLDC电机电路的示意图；并且

图8是根据本公开主题的实施例的与反电动势扇区、霍尔效应传感器状态、反电动势过零相比的反电动势和霍尔效应传感器状态变化的图示；

图9是根据本公开主题的实施例的与理想状态变化相比的提前的实际霍尔效应传感器状态变化的图示；

图10是根据本公开主题的实施例的与理想状态变化相比的延迟的实际霍尔效应传感器状态变化的图示；

图11示出了正的和负的霍尔效应传感器状态变化偏移与理想换相点的组合；

图12是根据本公开主题的实施例的与反电动势扇区、霍尔效应传感器状态、反电动势过零相比的反电动势和霍尔效应传感器状态变化的另一个图示；

图13是根据本公开主题的实施例的与反电动势扇区、霍尔效应传感器状态、反电动势过零相比的反电动势和霍尔效应传感器状态变化的另一个图示；

图14是根据本公开主题的实施例的与反电动势扇区、霍尔效应传感器状态、反电动势过零相比的反电动势和霍尔效应传感器状态变化的另一个图示；

图15是根据本公开主题的实施例的与反电动势扇区、霍尔效应传感器状态、反电动势过零相比的反电动势和霍尔效应传感器状态变化的又一个图示；并且

图16是根据本公开主题的实施例的与反电动势扇区、霍尔效应传感器状态、反电动势过零相比的反电动势和霍尔效应传感器状态变化的还一个图示。

具体实施方式

应当理解，除非明确地指出相反，否则本发明可采用各种替代的取向和步骤顺序。还要理解，附图中所示和以下说明书中所描述的特定的设备、组件、系统和过程仅是本文所限定的创造性概念的示例性实施例。因而，与所公开的实施例相关的特定的尺寸、方向或其它物理特征不应被看作是限制，除非另有明确的声明。此外，在本申请的该部分中，在本文所描述的各实施例中的相似的元件可用相似的附图标记来共同地指代，但可能并非如此。

BLDC电机用于跨许多行业的应用，包括汽车、航天、消费品、医疗、工业自动化设备和仪器仪表应用。在一个实施例中，本文公开的主题可以用于全轮驱动车辆连接/断开系统的操作。参考图1A，在一个实施例中，本文公开的主题可以用于在车辆1中改善诸如后驱动单元离合器10之类的主减速器单元离合器的性能。

如图1所示，在一个实施例中，后驱动单元离合器10可包括BLDC电机100。BLDC电机100可使用三相构造。霍尔效应传感器102、104、106配置在BLDC电机100的非驱动端处的定子108中。三相BLDC电机100包括具有多个磁极(例如，两到八个磁极对)的转子110。三相BLDC电机100具有六种换相状态(本文中也称为霍尔状态)。当已经执行换相序列中的所有六个霍尔状态时，重复该序列以继续转子110的旋转。磁极对的数量确定了转子110的每次机械旋转的电旋转数量。例如，在一实施例中，BLDC电机100包括具有两个磁极对的转子，该BLDC电机100需要两次电旋转以使转子旋转一次(即，两次电旋转产生一次机械旋转)。

当转子110的磁极通过霍尔效应传感器102、104、106附近时，霍尔效应传感器102、104、106给出指示磁北极或磁南极的通过的高信号或低信号(即，脉冲)。基于三个霍尔效应传感器102、104、106的组合，可以确定换相的确切顺序。霍尔状态由转子110相对于一个或多个霍尔效应传感器102、104、106的预定位置或连续的一组预定位置来限定。

在BLDC电机100的操作期间，三相换相中的两相传导电流，同时第三相具有零电流从而使转子110旋转。零电流相也可以称为弱相。霍尔状态可用于与转子相位和电压需要施加的方向建立一对一的关系。对于三相BLDC电机，有包括恰好一个电旋转的可能的六种霍尔相位组合；因此，使用三相霍尔效应传感器的位置解析度被限制为电旋转的六分之一。

如图2所示，存在第一点200且存在第二点202，在第一点200发生理想相位换相，霍尔效应传感器102、104、106在第二点202处发出相位换相的信号。图2示出了霍尔效应传感器102、104、106的输出与反作用于施加到定子绕组的电流的反向/相反电动势(“反电动势”)之间的定时。

在最佳换相点处改变霍尔状态的第一步骤包括：用控制器112来学习霍尔效应传感器102、104、106的理想换相点和位置偏移。为了了解电机的有效操作期间的偏移，所描述的方法在换相期间利用弱相(dead phase)。如图2和图3所示，霍尔效应传感器偏移表示为Φ_A、Φ_B、Φ_C。霍尔效应传感器偏移Φ_A、Φ_B、Φ_C描述了与理想相位换相点200相比霍尔效应传感器信号转变点202的旋转位置的差值。

对于以下描述，BLDC电机轴101—如图4所示的看着轴101—的逆时针旋转方向是正位置增量；因此，BLDC电机轴101的顺时针旋转方向是负位置增量。

图5A中所示的曲线图描绘了针对BLDC电机轴101的逆时针旋转的霍尔效应传感器102、104、106的正位置偏移Φ_A、Φ_B、Φ_C，并将理想相位换相与实际相位换相进行比较。图5B中所示的图表示出了扇区和扇区宽度。

图6中所示的曲线图描绘了针对BLDC电机轴101的顺时针旋转的霍尔效应传感器102、104、106的负位置偏移Φ_A、Φ_B、Φ_C，并将理想相位换相与实际相位换相进行比较。图5B中所示的图表也标识了对应于图6的扇区和扇区宽度。

从上述内容来看，霍尔状态可表示为：

Hall_state＝Hall1+2*Hall2+4*Hall3

其中，Hall1等于霍尔效应传感器102的状态，Hall2等于霍尔效应传感器104的状态，且Hall3等于霍尔效应传感器106的状态。每个霍尔效应传感器102、104、106的状态是0或1。该表达式能使三个霍尔效应传感器102、104、106的组合状态表示为1和6之间的一个数字。

在一个实施例中，当后驱动单元离合器10的离合器组件(未示出)处于完全打开状态和离合器片的接合点之间时，可以对霍尔效应传感器偏移Φ_A、Φ_B、Φ_C执行计算。离合器片的接合点是离合器组件开始传递扭矩的点位。在操作后驱动单元离合器10的该相位，BLDC电机100经历高速度和低负载。BLDC电机100的高速度产生比BLDC电机100的低速度更多的反电动势，由此产生更可靠的霍尔效应传感器偏移Φ_A、Φ_B、Φ_C的计算，因为信号噪声的影响降低了。

计算霍尔效应传感器偏移Φ_A、Φ_B、Φ_C的第一步骤可以通过从三个测量的相电压V_a、V_b、V_c计算反电动势过零时刻来完成。如图7所示，在实施例中，可以针对弱相“c”计算反电动势“e”。在该示例中，相位“c”当前是弱相，而相位“a”和相位“b”是该相位组合中的活动相位。可以用以下表达式计算反电动势“e”：

e_c＝V_c–[(V_a+V_b)/2]

V_n＝V_a–RI–L(dI/dt)–e_a

V_n＝V_b+RI+L(dI/dt)–e_b

e_a+e_b+e_c＝0

针对霍尔效应传感器102、104、106，在接通或断开时段结束时的采样相电压V_a、V_b、V_c降低了谐振/噪声的影响。在一实施例中，三个相电压V_a、V_b、V_c的采样点可在50％接通时间(on-time)之后发生。在实施例中，相电压V_a、V_b、V_c可以进行三十次采样以确定每个采样时刻的反电动势。

在另一个实施例中，可以用在电机/发电机接通时间采样的以及电机/发电机关闭时间采样的一个相电压V_c和DC链路电压V_dc来计算反电动势过零时刻，如下所示：

电机/发电机接通时间采样：e_c＝(2/3)V_c–(V_dc/3)

电机/发电机关闭时间采样：e_c＝(2/3)V_c

如图8和图12至图16所示，反电动势随时间示出为曲线204。用计算的反电动势曲线204可以计算霍尔效应传感器偏移Φ_A、Φ_B、Φ_C。在该实施例中，理想换相点200、200A、200B、200C、200D、200E处于每个相继的反电动势交叉点之间间隔的30度的时间。然而，如果期望诸如更高的电机速度或降低的噪声、振动和不平顺性(NVH)之类的不同的性能目标，则理想换相点可以位于另一预定时间。理想换相点可以基于测量的由于电机的感应反电动势所引起的相电压信号而导出。如下面的表达式所示，霍尔效应传感器偏移Φ_A可以通过从t_-3的时间值减去t₂₃的时间值，将所获得的时间值乘以BLDC电机100的速度，并从该值减去30来计算。

Φ_A＝(t_-3–t₂₃)*BLDC_speed–30

霍尔效应传感器偏移Φ_A也可以通过从t23的时间值减去时间值t2，将该获得的值乘以BLDC电机100的速度，并从30减去所获得的值来计算。

Φ_A＝30-(t₂₃–t₂)*BLDC_speed

其中，在两个表达式中，t₂是反电动势曲线204具有零值的时间值；t_-3是反电动势曲线204具有零值的另一时间值；t23是组合的霍尔状态从2变为3的时间值；且30是t_-3与理想换相点200之间以及t₂与理想换相点200之间的旋转度数。类似地计算霍尔效应传感器偏移Φ_B、Φ_C。

理想换相点200与反电动势过零点的位置有关，并且位于两个相继的反电动势过零点之间的预定的旋转度数上。在一实施例中，理想换相点位于两个相继的反电动势过零点之间的三十度处。为了改善BLDC电机100和后驱动单元离合器10的性能，本文所描述的方法使霍尔效应传感器102、104、106的信号与反电动势过零点相对应。理想换相点200和霍尔效应传感器信号之间的间隔(gap)就是霍尔效应传感器偏移Φ_A、Φ_B、Φ_C。

在最佳换相点处改变霍尔状态的第二步骤包括：用霍尔效应传感器偏移Φ_A、Φ_B、Φ_C确定延迟换相的时间值。在霍尔效应传感器偏移Φ_A、Φ_B、Φ_C包括负值的情况下，在逆时针旋转(即，后驱动单元离合器组件夹紧)期间换相提前。在霍尔效应传感器偏移Φ_A、Φ_B、Φ_C包括正值的情况下，在逆时针旋转(即，后驱动单元离合器组件从非扭矩传递位置转换到扭矩传递位置)期间换相延迟。参考图9，其中Φ_B为负且Φ_A为负的用于确定延迟换相的时间的计算可以表示为：

T_{commut_2}＝T_{hallchange_1}+(60-|Φ_A|)/BLDC_speed

其中Φ_B为负且Φ_A为正的用于确定延迟换相的时间的计算可以表示为：

T_{commut_2}＝T_{hallchange_1}+(60+|Φ_A|)/BLDC_speed

其中T_{commut_2}是霍尔效应传感器104的换相时间延迟；T_{hallchange_1}是霍尔效应传感器102的状态变化时间；60是霍尔状态下的旋转度数；Φ_A是霍尔效应传感器102的偏移；且BLDC_speed是BLDC电机100的转速。

参考图10，其中Φ_A为正且Φ_B为正的用于确定延迟换相的时间的计算可以表示为：

T_{commut_1}＝T_{hallchange_1}+(Φ_A/BLDC_speed)

如图11所示，如果Φ_B为负，则换相提前。因此，霍尔效应传感器102信号用于预测理想换相发生的位置。为了预测理想换相发生的位置，将Φ_A的长度加到理想霍尔状态长度(即60度)。如图12至图16所示，可以利用用于确定偏移Φ_A的相同方法来确定偏移Φ_B和偏移Φ_C。

与直接反电动势方法相比，与上述方法和结构相关的优点包括但不限于良好的动态和低速性能。此外，与已知设计相比，上述方法和结构对噪声敏感性较低，这使其更可靠并且不易于错误读取。另一个显著的优点是霍尔效应传感器偏移Φ_A、Φ_B、Φ_C在后驱动单元10内部被学习。其结果是，不需要单独的生产线(end-of-line)末端校准。本系统确实需要在控制器112上有三个电压传感器(未示出)。理想地，该系统使用预先存在的电压传感器。本系统的又一个优点是BLDC电机100可以容易地更换以用于维修和/或更换，而无需精细(elaborate)、复杂(complicated)、耗时和/或昂贵的程序。

尽管以上已描述了目前公开的主题的各种实施例，但应理解，它们作为示例而非限制呈现。对相关领域技术人员而言显而易见的是，所公开的主题可以其它特定的形式实施而不脱离其精神和必要特征。因而，以上所描述的实施例要在所有方面作为示例性而非限制性地被看待。

Claims (11)

1.一种操作主减速器单元离合器的方法，包括：

提供一种与离合器联接的电机，所述电机包括：

定子；

与所述定子联接的第一霍尔效应传感器；

与所述定子联接的第二霍尔效应传感器；

与所述定子联接的第三霍尔效应传感器；以及

具有至少一个磁极对的转子；

提供与所述电机电连通的控制器；

确定第一理想换相点；

计算第一霍尔效应传感器状态从所述理想换相点变化的第一偏移；以及

用所述第一偏移来计算换相的第一时间延迟，使得第二霍尔效应传感器状态变化对应于第二理想换相点；其中所述离合器在非扭矩传递位置和扭矩传递位置之间转换。

2.根据权利要求1所述的用于操作主减速器单元离合器的方法，其特征在于，确定理想换相点包括：

从三个测量的相电压计算两个相继的反电动势过零时刻；以及

确定在所述两个相继的反电动势过零时刻之间的预定度数的时间。

3.根据权利要求2所述的用于操作主减速器单元离合器的方法，其特征在于：

所述反电动势利用在所述第一霍尔效应传感器状态变化预定次数结束时的三个测量的相电压来计算。

4.根据权利要求2所述的用于操作主减速器单元离合器的方法，其特征在于：

所述反电动势利用在所述第一霍尔效应传感器状态变化预定次数结束时的一个测量的相电压以及DC链路电压来计算。

5.根据权利要求2所述的用于操作主减速器单元离合器的方法，其特征在于：

所述两个相继的反电动势过零时刻之间的所述预定度数是三十度。

6.根据权利要求1所述的用于操作主减速器单元离合器的方法，其特征在于，计算所述第一偏移量包括：

通过从所述第二相继反电动势过零点的时刻减去所述第一霍尔效应传感器状态变化的时刻来计算差值；

通过将所述差值乘以所述电机的输出速度来计算乘积；以及

从所述乘积中减去三十度的旋转度数。

7.根据权利要求1所述的用于操作主减速器单元离合器的方法，其特征在于，计算所述第一偏移量包括：

通过从所述第一霍尔效应传感器状态变化减去所述第一相继反电动势过零点的时刻来计算差值；

通过将所述差值乘以所述电机的输出速度来计算乘积；以及

从三十度的旋转度数减去所述乘积。

8.根据权利要求1所述的用于操作主减速器单元离合器的方法，其特征在于，计算换相的时间延迟包括：

确定所述第一偏移具有负值；

确定第二偏移具有负值；

通过从六十度的旋转角度减去所述第一偏移的绝对值来计算差值；

通过将所述差值除以所述电机的输出速度来计算商；以及

将所述商加到所述第一霍尔效应传感器状态变化的时间。

9.根据权利要求1所述的用于操作主减速器单元离合器的方法，其特征在于，计算换相的时间延迟包括：

确定所述第一偏移具有正值；

确定第二偏移具有负值；

通过将所述第一偏移量加到六十度的旋转角度来计算和；

通过将所述和除以所述电机的输出速度来计算商；以及

将所述商加到所述第一霍尔效应传感器状态变化的时间。

10.根据权利要求1所述的用于操作主减速器单元离合器的方法，其特征在于，计算换相的时间延迟包括：

确定所述第一偏移具有正值；

确定第二偏移具有正值；

通过将所述第一偏移除以所述电机的输出速度来来计算商；以及

将所述商加到所述第一霍尔效应传感器状态变化的时间。

11.一种操作主减速器单元离合器的方法，包括：

提供一种与离合器联接的电机，所述电机包括：

定子；

与所述定子联接的第一霍尔效应传感器；

与所述定子联接的第二霍尔效应传感器；

与所述定子联接的第三霍尔效应传感器；以及

具有至少一个磁极对的转子；

提供与所述电机电连通的控制器；

确定第一理想换相点；

计算第一霍尔效应传感器状态从所述理想换相点变化的第一偏移；

用所述第一偏移来计算换相的第一时间延迟，使得第二霍尔效应传感器状态变化对应于第二理想换相点；

确定第二理想换相点；

计算第二霍尔效应传感器状态从所述第二理想换相点变化的第二偏移；

用所述第二偏移来计算换相的第二时间延迟，使得第二霍尔效应传感器状态变化对应于第二理想换相点；

确定第三理想换相点；

计算第三霍尔效应传感器状态从所述第三理想换相点变化的第三偏移；以及

用所述第三偏移来计算换相的第三时间延迟，使得第三霍尔效应传感器状态变化对应于第二理想换相点；

其中所述离合器在非扭矩传递位置和扭矩传递位置之间转换。