趙 沂， 張 俊， 侯清亮， 羅 翔

（上海汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心， 上海 201804）

1 前言

BLDC電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)原理為： 電機(jī)中每隔120°放置一個(gè)線圈， 總共放置3個(gè)線圈， 通過控制UVW的電流方向， 使合成磁場的方向360°轉(zhuǎn)動(dòng)， 永磁體轉(zhuǎn)子也將跟隨磁場方向發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。 如圖1所示。

圖1 BLDC電機(jī)工作原理

對(duì)于BLDC電機(jī)磁場何時(shí)進(jìn)行換向， 需要獲取轉(zhuǎn)子的位置來確定， 目前使用最多的是使用3個(gè)霍爾傳感器來獲取轉(zhuǎn)子的位置。 如圖2所示， 3個(gè)霍爾傳感器間隔120°， 且與UVW供電相隔30°進(jìn)行布置。 通過3個(gè)霍爾傳感器的信號(hào)組合， 可以確定轉(zhuǎn)子目前在哪個(gè)區(qū)域的位置， 從而進(jìn)行UVW的電流換向。

圖2 霍爾傳感器獲取轉(zhuǎn)子位置

目前AMT變速器較多使用BLDC電機(jī)來進(jìn)行離合器和換擋的控制， 其控制比較成熟。 本文介紹的一種混動(dòng)變速器控制也是采用BLDC電機(jī)進(jìn)行控制， 相比于AMT， 混動(dòng)變速器中增加了電機(jī)作為動(dòng)力源， 其控制相對(duì)更復(fù)雜一些， 對(duì)于信號(hào)的準(zhǔn)確度要求也更高一些， 但其優(yōu)勢(shì)在于當(dāng)離合器或發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)故障時(shí)， 車輛仍能使用電機(jī)驅(qū)動(dòng)繼續(xù)行駛；當(dāng)電機(jī)系統(tǒng)故障時(shí)， 可使用發(fā)動(dòng)機(jī)繼續(xù)驅(qū)動(dòng)行駛。

本文混動(dòng)變速器的結(jié)構(gòu)如圖3所示， 離合器與同步器通過BLDC電機(jī)進(jìn)行控制。

圖3 混動(dòng)變速器結(jié)構(gòu)

當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)， 3個(gè)霍爾傳感器信號(hào)的組合將按照一定序列周期性變化， 序列如圖4所示。 對(duì)信號(hào)變化次數(shù)進(jìn)行累積， 可計(jì)算出電機(jī)旋轉(zhuǎn)的角度， 然后根據(jù)BLDC電機(jī)與離合器或同步器的機(jī)械連接結(jié)構(gòu)， 可計(jì)算出離合器或同步器的實(shí)際位置。

圖4 霍爾傳感器信號(hào)組合

綜上， BLDC電機(jī)霍爾傳感器不僅用于電機(jī)本身的轉(zhuǎn)動(dòng)控制， 其角度位置還會(huì)轉(zhuǎn)換為離合器、 同步器的位置。 因此對(duì)于霍爾傳感器的診斷及保護(hù)還要結(jié)合整車的實(shí)際情況。對(duì)于混合動(dòng)力汽車， 由于其擁有雙動(dòng)力源， 霍爾故障發(fā)生后的故障處理相對(duì)傳統(tǒng)車會(huì)更復(fù)雜。

2 霍爾傳感器故障診斷

霍爾傳感器的接口如圖5所示， 傳感器需要5V電壓進(jìn)行供電， 并將采集的信號(hào)從輸出端傳遞至控制器進(jìn)行處理。

圖5 霍爾傳感器接口

根據(jù)其接口， 霍爾傳感器故障可分為兩類： 一類為傳感器的供電端故障， 一類為傳感器信號(hào)輸出端故障。

對(duì)于供電端故障， 只需對(duì)供電電壓大小進(jìn)行監(jiān)測。 正常情況下供電電壓為5V， 供電電壓過高或過低時(shí)， 霍爾信號(hào)的準(zhǔn)確性都會(huì)受到影響。 當(dāng)實(shí)際供電電壓與5V相差較大時(shí)， 可判斷發(fā)生供電故障。

而對(duì)于信號(hào)輸出端故障， 當(dāng)信號(hào)輸出端對(duì)地短路時(shí)，輸出信號(hào)為0； 當(dāng)對(duì)電源短路或開路時(shí)， 輸出信號(hào)為1。 正常工作時(shí)， 霍爾傳感器輸出信號(hào)可為0， 也可為1， 因此通過單個(gè)霍爾傳感器的信號(hào)輸出無法識(shí)別出是否出現(xiàn)故障， 但可通過3個(gè)信號(hào)的組合識(shí)別出故障。 正常工作時(shí)， 信號(hào)組合只能出現(xiàn)圖4的組合和變化順序。 當(dāng)信號(hào)組合出現(xiàn)000或111的非法組合時(shí)， 可判斷出現(xiàn)故障 （Hall Undefined）； 另外當(dāng)信號(hào)組合的變化順序未按圖4的順序變化時(shí)， 例如信號(hào)組合直接從011變換為101， 也可判斷出現(xiàn)故障 （Hall Invalid）。

3 故障保護(hù)

當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)需采取相應(yīng)的措施進(jìn)行處理， 保護(hù)硬件及車輛安全。 故障的影響見表1。

表1 霍爾傳感器故障影響

對(duì)于離合器執(zhí)行電機(jī)來說， 當(dāng)出現(xiàn)霍爾傳感器故障時(shí)，應(yīng)關(guān)閉執(zhí)行電機(jī)使離合器自打開， 停止使用離合器， 發(fā)動(dòng)機(jī)怠速控制或停機(jī)， 可以使用電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)繼續(xù)行駛。

對(duì)于換擋執(zhí)行電機(jī)來說， 當(dāng)出現(xiàn)霍爾傳感器故障時(shí)，應(yīng)關(guān)閉執(zhí)行電機(jī)。 整車故障動(dòng)作應(yīng)根據(jù)之前的擋位情況進(jìn)行處理， 具體見表2。

表2 換擋執(zhí)行電機(jī)霍爾故障處理

4 故障恢復(fù)

當(dāng)故障源消失時(shí)， 應(yīng)能及時(shí)診斷出故障已恢復(fù)并恢復(fù)正常行駛。

對(duì)于供電的恢復(fù)檢測比較簡單， 當(dāng)檢測到供電電壓恢復(fù)正常， 即可以判斷故障源消失， 可恢復(fù)故障。 由于故障發(fā)生時(shí)， 執(zhí)行電機(jī)轉(zhuǎn)過的角度未知， 故障恢復(fù)后， 需要重新進(jìn)行參考點(diǎn)學(xué)習(xí)， 找到參考點(diǎn)位置， 隨后車輛即可正常行駛。

對(duì)于信號(hào)輸出端故障的恢復(fù)比較難判斷。 例如當(dāng)霍爾傳感器1出現(xiàn)對(duì)電源短路故障時(shí)， 霍爾傳感器1信號(hào)常為1，其信號(hào)組合如圖6所示， 可看出只有轉(zhuǎn)子的實(shí)際位置在011時(shí)才能檢測出故障， 此時(shí)信號(hào)組合為111時(shí)， 判斷出故障，隨后信號(hào)組合出現(xiàn)101， 此時(shí)無法確定是線路短路消除導(dǎo)致， 還是轉(zhuǎn)子實(shí)際位置發(fā)生了變化導(dǎo)致。

圖6 故障下信號(hào)組合

解決方案： 如果000或111的非法組合消失了， 暫時(shí)認(rèn)為故障源消失， 允許電機(jī)工作， 但會(huì)記錄下發(fā)生了故障。 若故障源未消失，再次轉(zhuǎn)動(dòng)到011 位置時(shí)，將會(huì)再次檢測出故障。 如果發(fā)生故障的次數(shù)累計(jì)到一定值時(shí)， 將會(huì)認(rèn)為故障源未消失或頻繁出現(xiàn)， 本次點(diǎn)火循環(huán)故障將不再恢復(fù)。 同樣恢復(fù)到正常時(shí)， 也需要參考點(diǎn)學(xué)習(xí)， 車輛才能正常行駛。 Hall Undefined診斷及恢復(fù)機(jī)制如圖7所示。

圖7 診斷及恢復(fù)機(jī)制

對(duì)于Hall Invalid故障的診斷及恢復(fù)機(jī)制與Hall Undefined類似。

5 實(shí)車測試

如圖8所示， 并聯(lián)行駛過程中， 注入離合器執(zhí)行電機(jī)霍爾傳感器供電故障 （①處）， 離合器打開， 純電動(dòng)行駛。 供電恢復(fù)后 （②處）， 離合器在進(jìn)行參考點(diǎn)學(xué)習(xí)后， 恢復(fù)正常行駛。

圖8 離合器執(zhí)行電機(jī)霍爾傳感器供電故障

如圖9所示， 并聯(lián)行駛過程中， 注入換擋執(zhí)行電機(jī)霍爾傳感器供電故障。 故障后， 無法進(jìn)行換擋， 可在當(dāng)前擋位繼續(xù)行駛。 供電恢復(fù)后， 先進(jìn)行參考點(diǎn)學(xué)習(xí)， 隨后換擋正常， 恢復(fù)正常行駛。

圖9 換擋執(zhí)行電機(jī)霍爾傳感器供電故障

如圖10所示， 注入離合器執(zhí)行電機(jī)霍爾傳感器信號(hào)故障， 離合器打開， 純電動(dòng)行駛。 故障恢復(fù)后， 恢復(fù)正常并聯(lián)行駛。 對(duì)故障進(jìn)行計(jì)數(shù)， 當(dāng)故障次數(shù)達(dá)到一定值后， 故障無法恢復(fù)。

圖10 離合器執(zhí)行電機(jī)霍爾傳感器信號(hào)故障

如圖11所示， 并聯(lián)行駛過程中， 注入換擋執(zhí)行電機(jī)霍爾傳感器信號(hào)故障， 故障后， 無法進(jìn)行換擋， 可在當(dāng)前擋位繼續(xù)行駛。 會(huì)對(duì)故障進(jìn)行計(jì)數(shù)， 當(dāng)故障次數(shù)達(dá)到一定值后， 故障將無法恢復(fù)。

圖11 換擋執(zhí)行電機(jī)霍爾傳感器信號(hào)故障

6 結(jié)論

本文介紹了一種并聯(lián)式混動(dòng)變速器中對(duì)于BLDC電機(jī)霍爾傳感器故障的診斷機(jī)制及保護(hù)機(jī)制， 能可靠地將故障檢測出， 并在確保安全、 有效保護(hù)硬件的情況下盡量滿足駕駛需求。