СПОСОБ КОНТРОЛЯ ЗАПУСКА МАСЛЯНОГО НАСОСА
OIL PUMP START CONTROL METHOD

Данное изобретение относится к контролю запуска масляных насосов, в частности, масляных насосов с бесщеточным двигателем или “brushless” и без датчика измерения положения или “sensorless”.
В частности, его объектом является способ контроля запуска масляного насоса коробки передач при помощи бесщеточного электрического двигателя и без датчика положения, в котором на обмотки статора в выключенном состоянии подают питание в соответствии с циклом управления в разомкнутом контуре с постоянным током, пока насос не достигнет порога скорости, при котором вычислительное устройство переходит к управлению в замкнутом контуре на заданном значении режима, соответствующем расходу смазки, необходимому для обеспечения надежной работы коробки передач, но не переходя при этом через порог диагностики, который обнаруживает блокировку насоса, и при котором управление двигателем возвращается в цикл управления в разомкнутом контуре с постоянным током.
Смазка коробок передач может производиться либо посредством нагнетания масла в коробку и гравитационного орошения смазываемых элементов, либо при помощи насоса циркуляции масла, чаще всего электрического насоса. Запуск насоса требуется во всех условиях использования, в частности, при низкой температуре. В насосе двигатель “brushless” имеет ряд преимуществ по сравнению с щеточным двигателем, в частности, благодаря своему более высокому соотношению крутящий момент/габарит, своей лучшей динамике и своему более низкому рабочему шуму.
Кроме того, надежность двигателя “brushless” является более высокой, благодаря замене металлического переключателя на электронный переключатель. Тем не менее, последний требует циклического питания обмоток статора, для чего необходимо знать положение ротора по отношению к статору. Для этого можно использовать датчики положения с эффектом Холла или решения без датчика, такие как измерение противоэлектродвижущей силы неактивных обмоток, называемой напряжением “back EMF”. Учитывая загрязненную окружающую среду, а также повышенные задачи надежности и контроля стоимости, предпочтительным является решение без датчика “sensorless”. Вместе с тем, поскольку напряжение back EMF пропорционально скорости вращения ротора, измеряемое напряжение является нулевым, когда ротор не вращается. Кроме того, обнаружение фазы является чувствительным к температуре. Наконец, сигнал back EMF сопровождается шумами при низком режиме. В этих условиях необходима минимальная амплитуда для обнаружения формы сигнала. На практике считается, что измерение сигнала back EMF можно использовать, только если скорость ротора превышает 500 об/мин.
Чтобы запустить двигатель “brushless” насоса от нуля до 500 об/мин, можно подавать питание на обмотки в соответствии с заранее определенным циклом (алгоритмом) с постоянным током в разомкнутом контуре (РК). Сверх порога скорости, например, 500 об/мин, контроллер насоса может перейти в режим управления в замкнутом контуре (ЗК), при котором фазный ток регулируется регулятором типа ПИД (пропорционально-интегрально-дифференциальный) по заданному значению скорости вращения, соответствующему расходу смазки, необходимому для обеспечения надежности коробки передач.
Как правило, масляный насос имеет систему мониторинга фазного тока, чтобы обнаруживать возможную блокировку и производить ее диагностику. Если ротор оказывается заблокированным (разрыв, присутствие металлической частицы в механизме насоса), ПИД-регулятор может обнаружить отклонение контура скорости. При этом он увеличивает ток, чтобы увеличить крутящий момент двигателя насоса и способствовать его ускорению. Если ток превышает порог, насос направляет сообщение в контроллер силовой установки, чтобы оповестить его о неисправности.
В принципе температурный диапазон масла коробки передач колеблется от -40°С до 150°С. Вязкость масла меняется очень сильно внутри этого диапазона. Противодействующий крутящий момент насоса пропорционален вязкости масла, следовательно, его температуре. На практике диапазон колебания температуры и противодействующего крутящего момента ротора является таким, что калибровка параметров ПИД-регулятора сама по себе не может обеспечить в любых обстоятельствах переход от разомкнутого контура к замкнутому контуру, не превышая порога тока диагностики. Таким образом, если ПИД-регулятор тока калиброван для обеспечения хорошего запуска в горячем состоянии, этот же ПИД-регулятор вызовет превышение порога тока в холодном состоянии и наоборот.
Чтобы насос работал удовлетворительно, параметры регулятора тока должны быть адаптированы к температурным условиям. Первым решением этой проблемы является включение в систему смазки датчика температуры масла. Этот датчик соединен либо с вычислительным устройством СУ (силовой установки), либо с вычислительным устройством насоса, чтобы можно было корректировать параметры ПИД-регулятора тока в зависимости от температуры.
В публикации US 8,814,534 описаны трансмиссионный масляный насос, управляемый электрическим двигателем, содержащим датчик температуры масла, и контроллер, регулирующий ток электрического двигателя и создаваемый насосом крутящий момент в зависимости от температуры. Контроллер выполнен таким образом, чтобы при обнаружении отклонения между температурой, показываемой температурным датчиком, и температурой вблизи насоса, понижать при запуске скорость вращения двигателя. Он понижает эту скорость относительно заданного значения, при котором двигатель должен выдавать крутящий момент, соответствующий температуре масла, определенной датчиком.
Задача изобретения состоит в приведении в соответствие рабочих параметров регулятора тока двигателя масляного насоса в зависимости от вязкости масла без использования датчика температуры масла.
Для этого заданное значение тока в разомкнутом контуре превышает порог перехода в замкнутый контур, чтобы получить на насосе в разомкнутом контуре более высокий крутящий момент, чем в замкнутом контуре.
Изобретение будет более понятно из нижеследующего описания не ограничительного варианта его осуществления со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
на фиг. 1 представлена упрощенная схема контроля;
на фиг. 2 показан бесщеточный двигатель;
на фиг. 3 показан типовой профиль анализируемых сигналов;
на фиг. 4 представлено изменение температуры масла.
m
r
На фиг. 1 схематично показана коробка 1 передач, передающая крутящий момент С от двигателя в направлении колес (крутящий момент на колесах С) на различных передаточных отношениях. Масляный насос 3, расположенный под дном коробки, в которой находится смазочное масло h, питает внешний контур 2 смазки, через который масло опять поступает в верхнюю часть коробки для обеспечения смазки деталей. В этом примере насос имеет двигатель (не показан) без щеток и без температурного датчика, сообщающийся с контроллером силовой установки 4.
На фиг. 2 представлена схема двигателя с тремя статорами S с обмотками, соединенными с электронным переключателем (не показан). Когда на два из трех статоров поступает электрическое питание, ротор создает в третьем статоре противоэлектродвижущую силу “ back EMF”. Двигателем без щеток и без датчика тока управляет регулятор тока, как правило, типа ПИД.
Как известно, в масляном насосе коробки передач ток калибруют для обеспечения эффективного запуска, например, начиная от температуры масла коробки в 20°С. Управление происходит либо в разомкнутом контуре (РК) в соответствии с определенными циклами с постоянным током, либо в замкнутом контуре (ЗК) по заданным значениям тока, меняющимся в зависимости от скорости, достигаемой двигателем и насосом. Для запуска насоса в холодном состоянии, как известно, обмотки ротора питают в соответствии с первым определенным циклом с постоянным током, начиная от выключенных двигателя и насоса (нулевая скорость) до заранее определенного порога скорости двигателя. Начиная от этого порога, двигатель переходит во второй режим управления в замкнутом контуре по заданному значению режима насоса. Это заданное значение соответствует расходу смазки, необходимому для обеспечения надежности коробки передач.
Когда контролируют запуск масляного насоса коробки передачи при помощи электрического бесщеточного двигателя без датчика положения, предпочтительно его питают, начиная с выключенного состояния, в соответствии с циклом управления в разомкнутом контуре при помощи вычислительного устройства. В этом первом цикле управление происходит с постоянным током, пока насос не достигнет порога скорости. После этого регулирование переходит к управлению в замкнутом контуре по заданному значению режима, соответствующему расходу смазки, необходимому для обеспечения надежности коробки передач. Однако в замкнутом контуре ток не может превысить порог диагностики, при котором обнаруживается блокировка насоса. Если этот порог достигнут, вычислительное устройство переводит управление двигателя на цикл управления в разомкнутом контуре с постоянным током.
Расход смазки является параметром регулирования регулятора тока, который необходимо корректировать в зависимости от степени вязкости масла, следовательно, от его температуры. Задача, стоящая перед изобретением, состоит в корректировании параметров регулятора тока по температуре масла без использования датчика температуры масла. Как было указано выше, двигатель имеет систему мониторинга фазного тока. Эта система отслеживает переход тока через порог диагностики, позволяющий обнаружить, что насос заблокирован. В предложенном решении фазный ток калибруют в разомкнутом контуре по значению, превышающему порог диагностики фазного тока в замкнутом контуре, чтобы получить крутящий момент на насосе, более высокий в разомкнутом контуре, чем в замкнутом контуре.
Если скорость транспортного средства является положительной, вычислительное устройство силовой установки (СУ) сначала направляет в насос заданное значение режима, которое превышает порог перехода между разомкнутым контуром и замкнутым контуром. Вычислительное устройство СУ (или вычислительное устройство масляного насоса, в зависимости от выбранной архитектуры программных средств) использует информацию превышения порога тока диагностики, чтобы обнаружить, что ротор заблокирован в фазе замкнутого контура. Вычислительное устройство подсчитывает число блокировок. Когда счетчик превышает порог n числа блокировок, оно включает фазу колебания ротора (синусоиду), называемую “deblocking”. Эта фаза позволяет извлечь возможную металлическую частицу, застрявшую в механизме насоса.
В отсутствие металлических частиц в масле считается, что блокировка ротора связана с вязкостью масла, которая является слишком высокой при низкой температуре. Метод, предложенный для адаптации параметров регулятора к температуре масла, основан на обнаружении блокировки. Это событие используют, чтобы направить в регулятор заданное значение скорости, при котором насос работает в разомкнутом контуре в течение калиброванного периода.
Согласно изобретению, калибровка тока в разомкнутом контуре превышает порог тока диагностики в замкнутом контуре, чтобы получить в разомкнутом контуре крутящий момент, более высокий, чем в замкнутом контуре. Таким образом, насос может работать на более низком режиме в разомкнутом контуре, чем в замкнутом контуре, но обеспечивать при этом минимальную смазку коробки передач при низкой температуре. Пока коробка передач работает при низкой температуре, сдвиг масла шестернями (перемешивание) и мощность, рассеиваемая в коробке, повышают температуру масла. Каждый раз, обнаруживая блокировку насоса в замкнутом контуре, вычислительное устройство переключает насос в разомкнутый контур в течение калиброванного периода. После этой калиброванной задержки вычислительное устройство переводит первоначальное заданное значение скорости в замкнутый контур.
Если температура повысилась в достаточной степени, чтобы это заданное значение оставалось ниже порога обнаружения блокировки в замкнутом контуре, насос может достичь своего заданного значения режима. Запуск насоса реально произошел.
В противном случае температура масла остается еще слишком низкой. Противодействующий крутящий момент в роторе превышает крутящий момент, который может развить двигатель в замкнутом контуре. По истечении калиброванной задержки вычислительное устройство СУ опять управляет режимом в замкнутом контуре. При этом вычислительное устройство насоса стремится повысить ток и переходит порог диагностики тока, не достигая его заданного значения режима. Вычислительное устройство СУ переводит заданное значение управления в разомкнутый режим при каждом превышении порога обнаружения блокировки в замкнутом контуре. Это чередование периодов управления в разомкнутом контуре и в замкнутом контуре продолжается, пока температура масла не повысится в достаточной степени, чтобы обеспечить запуск масляного насоса в замкнутом контуре.
На фиг. 3 показано изменение нескольких сигналов по времени:
v
- заданное значение режима С насоса в оборотах в минуту на двух уровнях по отношению к порогу перехода от разомкнутого контура к замкнутому контуру РК/ЗК,
- режим насоса V в оборотах в минуту во время фаз управления в разомкнутом контуре и в замкнутом контуре до реального запуска,
- сигналы (биты) превышения фазного тока (обнаружение блокировки),
- сигнал применения колебания (бит разблокировки) ротора.
На фиг. 4 показано изменение температуры θ масла в градусах по отношению к порогу s, начиная от которого насос может работать с током в замкнутом контуре ниже порога блокировки (масло достаточно горячее).
Таким образом, контроль состоит в проверке вязкости масла и его температуры через противодействующий крутящий момент ротора насоса, так как этот крутящий момент отображает фазный ток. Значение тока используют в качестве оценочного показателя температуры масла. Благодаря этой оценке, нет необходимости знать температуру масла, чтобы обеспечить запуск насоса. Работа посредством проверок и обнаружения блокировок позволяет обеспечить автономный запуск насос при любой температуре масла.
Отказ от температурного датчика дает ряд преимуществ:
- уменьшение расходов,
- повышение надежности,
- облегчение доводки без таблицы соответствия между температурой масла и параметрами ПИД-регулятора,
- исключение одного входа на вычислительном устройстве СУ или на масляном насосе,
- упрощение архитектуры коробки передач и ее окружающей среды под капотом.
Последнее преимущество представляет особый интерес, в частности, на гибридной силовой установке СУ, в которой установка температурного датчика на картере и прокладка его электрического провода создают проблемы по причине недостатка свободного места в данном секторе.