JP2020502984A - 相転流におけるホール効果センサ信号オフセット補正 - Google Patents
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Abstract
ファイナルドライブユニットクラッチの操作方法。この方法は、クラッチと連結された電気モータを提供する。電気モータは、ステータと、ステータと結合された第1のホール効果センサと、ステータと結合された第2のホール効果センサと、ステータと結合された第3のホール効果センサと、少なくとも1つの磁極対を有するロータとを含む。この方法はまた、電気モータと電気的に連絡しているコントローラを提供する。この方法は、第1の理想転流点を特定することと、第1の理想転流点からの第1のホール効果センサの状態変化の第1のオフセットを計算することとを含む。本方法は、第2のホール効果センサの状態変化が第2の理想転流点に対応するように第1のオフセットを利用して、非トルク伝達位置とトルク伝達位置との間のクラッチ移行中の転流の時間遅延を計算することをさらに含む。
Description
[関連出願]
本出願は、参照により本明細書に完全に組み込まれる2016年12月21日に出願された米国仮特許出願第62/437,214号の利益を主張する。
本出願は、参照により本明細書に完全に組み込まれる2016年12月21日に出願された米国仮特許出願第62/437,214号の利益を主張する。
本開示は、クラッチ作動中の電気モータ整流に関する。従来のブラシレス直流(「BLDC」)モータは、典型的には、その上に巻線を有する電磁極を有するステータと、永久磁極対を形成する永久磁石を有するロータとを備えている。ステータ巻線に電流が流れると、ステータとロータとが磁気的に相互作用する。各ステータ巻線を通って流れる電流の位相転流が行われて、連続的に回転する磁界が作り出される。
BLDCモータのホール効果センサは、典型的には、磁極位置検出に使用され、ホール効果センサ信号の変化に基づいてモータを整流するために使用される。BLDCモータはホール効果センサの位置公差を含むことがあるので、最適な転流点はホール効果センサによって通知される転流状態と一致しないことがある。本明細書に記載の方法は、ファイナルドライブユニットクラッチにおいてより一貫したBLDCモータ性能を提供する。
本開示は、ファイナルドライブユニットクラッチを操作する方法を提供する。方法は、クラッチと連結された電気モータを提供することを含む。電気モータは、ステータと、ステータと結合された第1のホール効果センサと、ステータと結合された第2のホール効果センサと、ステータと結合された第3のホール効果センサと、少なくとも1つの磁極対を有するロータとを含む。この方法はまた、電気モータと電気的に連絡しているコントローラを提供する。この方法は、第1の理想転流点を特定することと、理想転流点からの第1のホール効果センサの状態変化の第1のオフセットを計算することとを含む。本方法は、第2のホール効果センサの状態変化が第2の理想転流点に対応するように第1のオフセットを利用して、非トルク伝達位置とトルク伝達位置との間のクラッチ移行中の転流の時間遅延を計算することをさらに含む。
添付の図面は本明細書の一部として本明細書に組み込まれる。本明細書において記述される図面は、本開示の主題の実施形態を示し、そして本開示の選択された原理および教示の例示である。しかしながら、図面は、現在開示されている主題の全ての可能な実施形態を例示しているわけではなく、本開示の範囲を限定することを何ら意図するものではない。
本発明は、そうでないと明示的に指定されている場合を除いて、様々な代替的な向きおよびステップの順序を想定し得ることを理解されたい。添付の図面に示され、以下の明細書に記載される特定の装置、アセンブリ、システム、およびプロセスは、本明細書で定義される発明の概念の単なる例示的な実施形態であることもまた理解されるべきである。したがって、開示された実施形態に関する特定の寸法、方向、または他の物理的特性は、他に明示的に述べられていない限り、限定的と見なされるべきではない。また、そうではないかもしれないが、本明細書に記載の様々な実施形態における同様の要素は、本願のこのセクション内で同様の参照番号で一般的に参照され得る。
BLDCモータは、自動車応用、航空宇宙応用、民生応用、医療応用、産業用オートメーション機器応用、計装応用など、様々な産業にわたる用途で利用されている一実施形態では、本明細書に開示されている主題は、全輪駆動車両接続/切断システムの動作に利用され得る。図1Aを参照すると、一実施形態では、本明細書に開示されている主題を利用して、車両1の後部ドライブユニットクラッチ10などのファイナルドライブユニットクラッチの性能を向上させることができる。
一実施形態では、図1に示すように、後部ドライブユニットクラッチ10はBLDCモータ100を含み得る。BLDCモータ100は三相構成を利用してもよい。ホール効果センサ102、104、106は、BLDCモータ100の非駆動端部のステータ108内に配置されている。三相BLDCモータ100は、複数の磁極(例えば、2〜8極対)を有するロータ110を含む。三相BLDCモータ100は、6つの転流状態(本明細書ではホール状態とも呼ばれる)を有する。転流シーケンス内の6つのホール状態全てが実行されると、ロータ110の回転を継続するためにシーケンスが繰り返される。磁極対の数は、ロータ110の機械的回転当たりの電気的回転数を特定する。例えば、BLDCモータ100が2つの極対を有するロータを含む実施形態では、BLDCモータ100は、ロータを一度回転させるのに2回の電気的回転を必要とする(すなわち、2回の電気的回転により1回の機械的回転が生じる)。
ロータ110の磁極がホール効果センサ102、104、106の近くを通過するとき、ホール効果センサ102、104、106は、北または南の磁極の通過を示す高または低信号(すなわちパルス)を発する。3つのホール効果センサ102、104、106の組み合わせに基づいて、転流の正確なシーケンスを特定することができる。ホール状態は、ホール効果センサ102、104、106のうちの1つまたは複数に対するロータ110の予め定められた位置、または一連の予め定められた位置によって定義される。
BLDCモータ100の動作中、3相の転流のうちの2相が電流を流し、第3相はロータ110が回転するためにゼロ電流を有する。ゼロ電流位相は、デッドフェーズとも呼ばれる。ホール状態は、ロータ位相と電圧を印加する必要がある方向との間に一対一の関係を作り出すために用いられ得る。三相BLDCモータの場合、電気的回転の一回転を正確にカバーする6つの可能なホール相の組み合わせがあり、したがって、三相ホール効果センサを使用した位置分解能は、電気的回転の6分の1に制限される。
図2に示すように、理想的な位相転流が発生する第1の点200があり、ホール効果センサ102、104、106が位相転流を知らせる第2の点202がある。図2は、ホール効果センサ102、104、106の出力と、ステータ巻線に印加される電流に抗して作用する逆/逆起電力(「逆起電力」)との間のタイミングを示す。
最適な転流点でホール状態を変化させることにおける第1のステップは、理想的な転流点およびホール効果センサ102、104、106の位置オフセットを学習するためにコントローラ112を利用することを含む。モータのアクティブ動作中のオフセットを学習するために、記載された方法は転流中のデッドフェーズを利用する。図2および図3に示すように、ホール効果センサオフセットは、ΦA、ΦB、ΦCとして示される。ホール効果センサオフセットΦA、ΦB、ΦCは、理想的な位相転流点200と比較したときのホール効果センサ信号遷移点202の回転位置の差を表す。
以下の説明では、BLDCモータシャフト101の反時計回りの回転方向(図4に示すようにシャフト101を見たとき)は正の位置増分であり、したがって、BLDCモータシャフト101の時計回りの回転方向は負の位置増分となる。
図5Aに示すグラフは、BLDCモータシャフト101の反時計回りの回転についてのホール効果センサ102、104、106の正の位置オフセットΦA、ΦB、ΦCを示し、理想的な位相転流と実際の位相転流とを比較する。図5Bに示すチャートは、セクタ、ホール状態、およびセクタ幅を識別する。
図6に示すグラフは、BLDCモータシャフト101の時計回りの回転についてのホール効果センサ102、104、106の負の位置オフセットΦA、ΦB、ΦCを示し、理想的な位相転流と実際の位相転流とを比較する。図5Bに示されるチャートはまた、図6に対応するセクタ、ホール状態、およびセクタ幅を識別する。
以上から、ホール状態は次のように表すことができる。
Hall_state=Hall1+2×Hall2+4×Hall3
Hall_state=Hall1+2×Hall2+4×Hall3
ホール1がホール効果センサ102の状態と等しい場合、ホール2はホール効果センサ104の状態と等しく、ホール3はホール効果センサ106の状態と等しい。各ホール効果センサ102、104、106の状態は0または1のいずれかである。この表現により、3つのホール効果センサ102、104、106の組み合わされた状態を、1から6の間の1つの数として述べることが可能になる。
一実施形態では、ホール効果センサオフセットΦA、ΦB、ΦCを計算することは、後部ドライブユニットクラッチ10のクラッチパック(図示せず)が全開状態とクラッチプレートのキス点との間にあるときに実行され得る。クラッチプレートのキス点とは、クラッチパックがトルクを伝達し始める点である。後部ドライブユニットクラッチ10を作動させるこの段階では、BLDCモータ100は高速かつ低負荷である。BLDCモータ100の高速度は、BLDCモータ100の低速度よりも多くの逆起電力を生成し、それによって信号ノイズの影響が低減されるので、ホール効果センサオフセットΦA、ΦB、ΦCの計算は、より高い信頼性のもとで行われる。
ホール効果センサオフセットΦA、ΦB、ΦCを計算する第1のステップは、3つの測定された相電圧Va、Vb、およびVcから逆起電力ゼロ交差点時間を計算することによって達成され得る。一実施形態では、図7に示すように、逆起電力「e」は、デッドフェーズ「c」に対して計算されてもよい。この例では、フェーズ「c」は現在デッドフェーズであるが、フェーズ「a」とフェーズ「b」はこのフェーズの組み合わせにおいてアクティブフェーズである。逆起電力「e」は、以下の式を利用して計算することができる。
ec=Vc−[(Va+Vb)/2]
Vn=Va−RI−L(dI/dt)−ea
Vn=Vb+RI+L(dI/dt)−eb
ea+eb+ec=0
ec=Vc−[(Va+Vb)/2]
Vn=Va−RI−L(dI/dt)−ea
Vn=Vb+RI+L(dI/dt)−eb
ea+eb+ec=0
ホール効果センサ102、104、106のオンまたはオフ期間の終わりに相電圧Va、Vb、およびVcをサンプリングすることにより、共振/雑音の影響が低減される。一実施形態では、3つの相電圧Va、Vb、およびVcのサンプリング点は、50%のオン時間後に発生し得る。一実施形態では、相電圧Va、Vb、およびVcは、各サンプリング時間における逆起電力を特定するために30回サンプリングされてもよい。
別の実施形態では、逆起電力ゼロ交差点は、以下に表されるように、モータ/発電機オンタイムサンプリングおよびモータ/発電機オフタイムサンプリングにおいて1つの相電圧VcおよびDCリンク電圧Vdcを利用して計算され得る。
モータ/発電機のオンタイムサンプリング:ec=(2/3)Vc−(Vdc/3)
モータ/発電機のオフタイムサンプリング:ec=(2/3)Vc
モータ/発電機のオンタイムサンプリング:ec=(2/3)Vc−(Vdc/3)
モータ/発電機のオフタイムサンプリング:ec=(2/3)Vc
図8、および図12〜図16に示すように、逆起電力は時間の経過とともにプロット204として示される。計算された逆起電力プロット204を利用して、ホール効果センサオフセットΦA、ΦB、ΦCを計算することができる。この実施形態では、理想的な転流点200、200A、200B、200C、200D、200Eは、各連続する逆起電力交差点の間の時間30度にある。しかしながら、より高いモータ速度または低減された雑音、振動、および荒さ(NVH)のような異なる性能目標が望まれる場合、理想的な転流点は別の予め定められた時間に配置されてもよい。モータの誘導逆起電力による、測定された相電圧信号に基づいて理想的な転流点を導き出すことができる。下式に示すように、ホール効果センサオフセットΦAは、t−3における時間の値からt23における時間の値を減算し、得られた時間の値にBLDCモータ100の速度を乗算し、得られた値から30を減算することによって計算することができる。
ΦA=(t−3−t23)×BLDCspeed−30
ΦA=(t−3−t23)×BLDCspeed−30
ホール効果センサオフセットΦAはまた、t23における時間の値から時間t2の値を減算し、この得られた値にBLDCモータ100の速度を乗算し、そしてこの得られた値を30から減算することによって計算され得る。
ΦA=30−(t23−t2)×BLDCspeed
ΦA=30−(t23−t2)×BLDCspeed
ここで、両式において、t2は、逆起電力プロット204がゼロの値を有する時間の値であり、t_3は、逆起電力プロット204がゼロの値を有する別の時間値であり、t23は、結合ホール状態が2から3に変化する時間の値であり、30は、t−3と理想的な転流点200との間、およびt2と理想的な転流点200との間の回転数である。ホール効果センサのオフセットΦB、ΦCも同様に計算される。
理想的な転流点200は、逆起電力ゼロ交差点の位置に関連し、2つの連続する逆起電力ゼロ交差点の間の予め定められた度数に位置する。一実施形態では、理想的な転流点は、2つの連続する逆起電力ゼロ交差点の間の30度に位置する。BLDCモータ100および後部ドライブユニットクラッチ10の性能を向上させるために、本明細書に記載の方法は、ホール効果センサ102、104、106の信号を逆起電力ゼロ交差点に一致させる。理想的な転流点200とホール効果センサ信号との間のギャップは、ホール効果センサオフセットΦA、ΦB、ΦCである。
最適な転流点でホール状態を変化させることにおける第2のステップは、ホール効果センサオフセットΦA、ΦB、ΦCを利用して、整流を遅らせる時間の値を特定することを含む。ホール効果センサのオフセットΦA、ΦB、ΦCが負の値を含む場合、反時計方向の回転(すなわち、後部ドライブユニットクラッチパックの締め付け)中に転流が進められる。ホール効果センサオフセットΦA、ΦB、ΦCが正の値を含む場合、反時計回りの回転(すなわち、後部ドライブユニットクラッチパックの非トルク伝達位置からトルク伝達位置への移行)の間、転流が遅れる。図9を参照すると、ΦBが負でΦAが負である場合に転流を遅延させる時間を特定するための計算は、次のように表すことができる。
Tcommut_2=Thallchange_1+(60−|ΦA|)/BLDCspeed
ΦBが負でΦAが正である場合に転流を遅らせる時間を特定するための計算は、次のように表すことができる。
Tcommut_2=Thallchange_1+(60+|ΦA|)/BLDCspeed
Tcommut_2=Thallchange_1+(60−|ΦA|)/BLDCspeed
ΦBが負でΦAが正である場合に転流を遅らせる時間を特定するための計算は、次のように表すことができる。
Tcommut_2=Thallchange_1+(60+|ΦA|)/BLDCspeed
ここで、Tcommut_2は、ホール効果センサ104についての転流の時間遅延であり、Thallchange_1は、ホール効果センサ102の状態変化の時刻であり、60は、ホール状態における回転角度数であり、ΦAはホール効果センサ102のオフセットであり、BLDCspeedは、BLDCモータ100の回転速度である。
図10を参照すると、ΦAが正でΦBが正である場合に転流を遅延させる時間を特定するための計算は、次のように表すことができる。
Tcommut_1=Thallchange_1+(ΦA/BLDCspeed)
Tcommut_1=Thallchange_1+(ΦA/BLDCspeed)
図11に示すように、ΦBが負であれば、転流が進められる。したがって、ホール効果センサ102の信号は、理想的な転流が起こる場所を予測するために利用される。理想的な転流が起こる場所を予測するために、理想的なホール状態の長さ(すなわち60度)にΦAの長さが加算される。図12〜図16に示すように、オフセットΦBおよびΦCは、ΦAを特定するのと同じ方法を利用して特定することができる。
上記の方法および構造に関連する利点には、直接逆起電力法と比較して、良好な動的性能および低速性能が含まれるが、これらに限定されない。さらに、上述の方法および構造は、既知の設計と比較してノイズに敏感ではなく、それにより、信頼性が高くなり、誤った読み取りをしにくくなる。他の重要な利点は、ホール効果センサオフセットΦA、ΦB、ΦCが後部ドライブユニットクラッチ10の内部で学習されることである。よって、個別の行末校正は不要である。本システムは、コントローラ112上に3つの電圧センサ(図示せず)を必要とする。理想的には、システムは既存の電圧センサを使用する。本システムのさらに別の利点は、手間がかかり、複雑で、時間がかかりかつ/または高価な手順を必要とせずに、BLDCモータ100を修理および/または交換のために容易に交換できることである。
本開示の主題の様々な実施形態を上記に説明したが、それらは限定ではなく例として提示されていることを理解されたい。開示された主題がその精神または本質的な特徴から逸脱することなく他の特定の形態で具体化されてもよいことは当業者に明らかであろう。したがって、上記の実施形態はあらゆる点で例示的であり、限定的ではないと見なされるべきである。
Claims (11)
- ファイナルドライブユニットクラッチの操作方法であって、
ステータと、
前記ステータと結合された第1のホール効果センサと、
前記ステータと結合された第2のホール効果センサと、
前記ステータと結合された第3のホール効果センサと、
少なくとも1つの磁極対を有するロータと、を有し、クラッチと連結した電気モータを提供することと、
前記電気モータと電気的に連絡しているコントローラを提供することと、
第1の理想転流点を特定することと、
前記第1の理想転流点からの第1のホール効果センサの状態変化の第1のオフセットを計算することと、
第2のホール効果センサの状態変化が第2の理想転流点と一致するように、前記第1のオフセットを利用して転流の時間遅延を計算することと、を備え、前記クラッチは、非トルク伝達位置とトルク伝達位置との間で移行している、ファイナルドライブユニットクラッチの操作方法。 - 前記第1の理想転流点および前記第2の理想転流点の少なくとも一方を特定することは、
測定された3つの相電圧から第1の逆起電力交差点および連続する第2の逆起電力交差点を計算すること、および
前記第1の逆起電力交差点および前記第2の逆起電力交差点の間の予め定められた度数を特定すること、を含む、請求項1に記載のファイナルドライブユニットクラッチの操作方法。 - 前記第1の逆起電力交差点および前記第2の逆起電力交差点の少なくとも一方は、前記第1のホール効果センサの状態変化の終わりに測定された3つの相電圧を利用して、予め定められた回数計算される、請求項2に記載のファイナルドライブユニットクラッチの操作方法。
- 前記第1の逆起電力交差点および前記第2の逆起電力交差点の少なくとも一方は、前記第1のホール効果センサの状態変化の終わりに測定された1つの相電圧およびDCリンク電圧を利用して、予め定められた回数計算される、請求項2または3に記載のファイナルドライブユニットクラッチの操作方法。
- 前記第1の逆起電力交差点および前記第2の逆起電力交差点の間の前記予め定められた度数は30度である、請求項2から4のいずれか一項に記載のファイナルドライブユニットクラッチの操作方法。
- 前記第1のオフセットを計算することは、
前記第2の逆起電力交差点の時間から前記第1のホール効果センサの状態変化の時間を減算することで差を計算することと、
前記差に前記電気モータの出力の速度を乗じることで積を計算することと、
前記積から30回転角度を減算することと、を含む、請求項2から5のいずれか一項に記載のファイナルドライブユニットクラッチの操作方法。 - 前記第1のオフセットを計算することは、
前記第1のホール効果センサの状態変化の時間から前記第1の逆起電力交差点の時間を減算することで差を計算することと、
前記差に前記電気モータの出力の速度を乗じることで積を計算することと、
30回転角度から前記積を減算することと、を含む、請求項2から5のいずれか一項に記載のファイナルドライブユニットクラッチの操作方法。 - 転流の時間遅延を計算することは、
負の値を有する前記第1のオフセットを特定することと、
負の値を有する第2のオフセットを特定することと、
60度の回転角度から前記第1のオフセットの絶対値を減算することによって差を計算することと、
前記差を前記電気モータの出力の速度で除算することにより商を計算することと、
前記商を前記第1のホール効果センサの状態変化の時間に加算することと、を含む、請求項1から7のいずれか一項に記載のファイナルドライブユニットクラッチの操作方法。 - 転流の時間遅延を計算することは、
正の値を有する前記第1のオフセットを特定することと、
負の値を有する第2のオフセットを特定することと、
前記第1のオフセットを回転角度60度に加算することによって合計を計算することと、
前記合計を前記電気モータの出力の速度で除算することによって商を計算することと、
前記商を前記第1のホール効果センサの状態変化の時間に加算することと、を含む、請求項1から7のいずれか一項に記載のファイナルドライブユニットクラッチの操作方法。 - 転流の時間遅延を計算することは、
正の値を有する前記第1のオフセットを特定することと、
正の値を有する第2のオフセットを特定することと、
前記第1のオフセットを前記電気モータの出力の速度で除算することによって商を計算することと、
前記商を前記第1のホール効果センサの状態変化の時間に加算することと、を含む、請求項1から7のいずれか一項に記載のファイナルドライブユニットクラッチの操作方法。 - ファイナルドライブユニットクラッチの操作方法であって、
ステータと、
前記ステータと結合された第1のホール効果センサと、
前記ステータと結合された第2のホール効果センサと、
前記ステータと結合された第3のホール効果センサと、
少なくとも1つの磁極対を有するロータと、を有し、クラッチと連結された電気モータを提供することと、
前記電気モータと電気的に連絡しているコントローラを提供することと、
第1の理想転流点を特定することと、
前記第1の理想転流点からの第1のホール効果センサの状態変化の第1のオフセットを計算することと、
第2のホール効果センサの状態変化が第2の理想転流点と一致するように、前記第1のオフセットを利用して第1の転流時間遅延を計算することと、
前記第2の理想転流点を特定することと、
前記第2の理想転流点からの前記第2のホール効果センサの状態変化の第2のオフセットを計算することと、
第3のホール効果センサの状態変化が第3の理想転流点と一致するように、前記第2のオフセットを利用して第2の転流時間遅延を計算することと、
前記第3の理想転流点を特定することと、
前記第3の理想転流点からの前記第3のホール効果センサの状態変化の第3のオフセットを計算することと、
第4のホール効果センサの状態変化が第4の理想転流点と一致するように、前記第3のオフセットを利用して第3の転流時間遅延を計算することと、を備え、
前記クラッチは、非トルク伝達位置とトルク伝達位置との間で移行している、ファイナルドライブユニットクラッチの操作方法。
Applications Claiming Priority (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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