混動變速器BLDC 電機霍爾傳感器故障診斷

趙 沂， 張 俊， 侯清亮， 羅 翔

（上海汽車集團股份有限公司技術中心， 上海 201804）

1 前言

BLDC電機轉動原理為： 電機中每隔120°放置一個線圈， 總共放置3個線圈， 通過控制UVW的電流方向， 使合成磁場的方向360°轉動， 永磁體轉子也將跟隨磁場方向發生轉動。 如圖1所示。

圖1 BLDC電機工作原理

對于BLDC電機磁場何時進行換向， 需要獲取轉子的位置來確定， 目前使用最多的是使用3個霍爾傳感器來獲取轉子的位置。 如圖2所示， 3個霍爾傳感器間隔120°， 且與UVW供電相隔30°進行布置。 通過3個霍爾傳感器的信號組合， 可以確定轉子目前在哪個區域的位置， 從而進行UVW的電流換向。

圖2 霍爾傳感器獲取轉子位置

目前AMT變速器較多使用BLDC電機來進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變速器控制也是采用BLDC電機進行控制， 相比于AMT， 混動變速器中增加了電機作為動力源， 其控制相對更復雜一些， 對于信號的準確度要求也更高一些， 但其優勢在于當離合器或發動機系統故障時， 車輛仍能使用電機驅動繼續行駛；當電機系統故障時， 可使用發動機繼續驅動行駛。

本文混動變速器的結構如圖3所示， 離合器與同步器通過BLDC電機進行控制。

圖3 混動變速器結構

當電機轉動時， 3個霍爾傳感器信號的組合將按照一定序列周期性變化， 序列如圖4所示。 對信號變化次數進行累積， 可計算出電機旋轉的角度， 然后根據BLDC電機與離合器或同步器的機械連接結構， 可計算出離合器或同步器的實際位置。

圖4 霍爾傳感器信號組合

綜上， BLDC電機霍爾傳感器不僅用于電機本身的轉動控制， 其角度位置還會轉換為離合器、 同步器的位置。 因此對于霍爾傳感器的診斷及保護還要結合整車的實際情況。對于混合動力汽車， 由于其擁有雙動力源， 霍爾故障發生后的故障處理相對傳統車會更復雜。

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電壓進行供電， 并將采集的信號從輸出端傳遞至控制器進行處理。

圖5 霍爾傳感器接口

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

對于供電端故障， 只需對供電電壓大小進行監測。 正常情況下供電電壓為5V， 供電電壓過高或過低時， 霍爾信號的準確性都會受到影響。 當實際供電電壓與5V相差較大時， 可判斷發生供電故障。

而對于信號輸出端故障， 當信號輸出端對地短路時，輸出信號為0； 當對電源短路或開路時， 輸出信號為1。 正常工作時， 霍爾傳感器輸出信號可為0， 也可為1， 因此通過單個霍爾傳感器的信號輸出無法識別出是否出現故障， 但可通過3個信號的組合識別出故障。 正常工作時， 信號組合只能出現圖4的組合和變化順序。 當信號組合出現000或111的非法組合時， 可判斷出現故障 （Hall Undefined）； 另外當信號組合的變化順序未按圖4的順序變化時， 例如信號組合直接從011變換為101， 也可判斷出現故障 （Hall Invalid）。

3 故障保護

當出現故障時需采取相應的措施進行處理， 保護硬件及車輛安全。 故障的影響見表1。

表1 霍爾傳感器故障影響

對于離合器執行電機來說， 當出現霍爾傳感器故障時，應關閉執行電機使離合器自打開， 停止使用離合器， 發動機怠速控制或停機， 可以使用電機單獨驅動繼續行駛。

對于換擋執行電機來說， 當出現霍爾傳感器故障時，應關閉執行電機。 整車故障動作應根據之前的擋位情況進行處理， 具體見表2。

表2 換擋執行電機霍爾故障處理

4 故障恢復

當故障源消失時， 應能及時診斷出故障已恢復并恢復正常行駛。

對于供電的恢復檢測比較簡單， 當檢測到供電電壓恢復正常， 即可以判斷故障源消失， 可恢復故障。 由于故障發生時， 執行電機轉過的角度未知， 故障恢復后， 需要重新進行參考點學習， 找到參考點位置， 隨后車輛即可正常行駛。

對于信號輸出端故障的恢復比較難判斷。 例如當霍爾傳感器1出現對電源短路故障時， 霍爾傳感器1信號常為1，其信號組合如圖6所示， 可看出只有轉子的實際位置在011時才能檢測出故障， 此時信號組合為111時， 判斷出故障，隨后信號組合出現101， 此時無法確定是線路短路消除導致， 還是轉子實際位置發生了變化導致。

圖6 故障下信號組合

解決方案： 如果000或111的非法組合消失了， 暫時認為故障源消失， 允許電機工作， 但會記錄下發生了故障。 若故障源未消失，再次轉動到011 位置時，將會再次檢測出故障。 如果發生故障的次數累計到一定值時， 將會認為故障源未消失或頻繁出現， 本次點火循環故障將不再恢復。 同樣恢復到正常時， 也需要參考點學習， 車輛才能正常行駛。 Hall Undefined診斷及恢復機制如圖7所示。

圖7 診斷及恢復機制

對于Hall Invalid故障的診斷及恢復機制與Hall Undefined類似。

5 實車測試

如圖8所示， 并聯行駛過程中， 注入離合器執行電機霍爾傳感器供電故障 （①處）， 離合器打開， 純電動行駛。 供電恢復后 （②處）， 離合器在進行參考點學習后， 恢復正常行駛。

圖8 離合器執行電機霍爾傳感器供電故障

如圖9所示， 并聯行駛過程中， 注入換擋執行電機霍爾傳感器供電故障。 故障后， 無法進行換擋， 可在當前擋位繼續行駛。 供電恢復后， 先進行參考點學習， 隨后換擋正常， 恢復正常行駛。

圖9 換擋執行電機霍爾傳感器供電故障

如圖10所示， 注入離合器執行電機霍爾傳感器信號故障， 離合器打開， 純電動行駛。 故障恢復后， 恢復正常并聯行駛。 對故障進行計數， 當故障次數達到一定值后， 故障無法恢復。

圖10 離合器執行電機霍爾傳感器信號故障

如圖11所示， 并聯行駛過程中， 注入換擋執行電機霍爾傳感器信號故障， 故障后， 無法進行換擋， 可在當前擋位繼續行駛。 會對故障進行計數， 當故障次數達到一定值后， 故障將無法恢復。

圖11 換擋執行電機霍爾傳感器信號故障

6 結論

本文介紹了一種并聯式混動變速器中對于BLDC電機霍爾傳感器故障的診斷機制及保護機制， 能可靠地將故障檢測出， 并在確保安全、 有效保護硬件的情況下盡量滿足駕駛需求。