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CN107407579A - 电磁致动器中基于感应的位置感测 - Google Patents

电磁致动器中基于感应的位置感测 Download PDF

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CN107407579A CN201680016729.5A CN201680016729A CN107407579A CN 107407579 A CN107407579 A CN 107407579A CN 201680016729 A CN201680016729 A CN 201680016729A CN 107407579 A CN107407579 A CN 107407579A
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Abstract

本发明涉及一种用于确定螺线管的电枢的位置的方法和系统：使用控制器来确定所述螺线管的温度并且间接地确定所述电枢的位置，而不需要使用电流感测脉冲的附加传感器、以及能够在所述线圈已经被断电之后由于剩磁而保持接合的螺线管。

Description

电磁致动器中基于感应的位置感测
相关申请的交叉引用
本申请要求于2015年3月20日提交的美国临时申请号62/136,213的权益，所述美国临时申请通过引用以其全文结合在此。
技术领域
本发明涉及一种用于确定螺线管的电枢的位置的方法和系统。具体地，使用控制器来确定螺线管的温度并且间接地确定电枢的位置而无需附加传感器。
背景技术
螺线管是众所周知的并且用于执行包括闭锁、制动、切换、夹紧、连接等广泛的功能。在汽车行业中，具体地，螺线管用于致动各种机构，包括锁定机构、阀门等。
当向螺线管供应电流时，螺线管将电流转换成可以引起螺线管的可移动部分(即，电枢/柱塞)的机械位移的磁力。一般地，为了维持电枢的位移，螺线管必须连续地通电。之前已经发现，通过选择制造螺线管的部件的正确材料，可以在螺线管通电之后利用螺线管部件中的剩磁以将电枢保持在接合位置而不必连续地对螺线管进行通电。换句话说，当螺线管的线圈被断电时，单独的螺线管部件中的剩磁足以将电枢维持在接合位置。
经常希望或有必要确定由螺线管操作的机构的位置或螺线管电枢本身的位置。现有技术包括用于确定螺线管的位置的许多系统。通常这些系统使用某种形式的位置反馈，所述位置反馈使用在螺线管已经被通电之后验证机构已经实现了所期望的机械状态的各种传感器。这些系统可以包括多个传感器、用于传感器的接线和连接器，从而增加了显著的成本以及需要避免的附加故障模式。
另外，用于感测电枢的位置的其他之前的尝试要求中断电力以改变电流水平，以使得所述系统能够监测电流的变化并且将那种变化与电枢的位置变化相关联。在这些系统中，螺线管材料已经通过通电的螺线管具有高度饱和的磁性，并且因此，在这些高电流水平下的电流上升时间的变化不大并且难以检测到。
鉴于与现有技术系统相关联的这些缺点，使系统避免附加传感器、接线和连接器以便降低系统成本并且移除可能的系统故障模式将是有利的。
发明内容
本发明涉及一种用于感测电枢位置的方法和系统，所述系统包括螺线管和控制器，其中，所述螺线管包括线圈、外壳和电枢。所述控制器对所述线圈施加电流以便移动所述电枢。所述电流终止，并且所述控制器利用电阻感测电压脉冲通过测量所述电流以计算电阻来确定所述线圈的温度。所述控制器利用电感感测电压脉冲通过测量电流以便计电感来间接地确定电枢位置的定位。
这种基于电感的位置感测有可能用于不需要故障安全开式类型的螺线管的许多应用中。
附图说明
从以下结合附图给出的详细描述中，本发明的上述和其他优点对于本领域技术人员将变得非常明显，在附图中：
图1示出了具有处于接合位置的电枢的螺线管的优选实施例的示意性截面视图；
图2示出了具有处于脱离位置的电枢的螺线管的优选实施例的示意性截面视图；
图3是示出了在未通电螺线管中电流测量作为温度的函数的曲线图；并且
图4是示出了温度对稳态电流的影响的曲线图。
具体实施方式
应当理解，除了明确规定为相反情况之外，本发明可以假设各种替代取向和步骤顺序。还应当理解，在附图中所展示的以及在以下说明书中所描述的特定设备和过程仅是本文中所限定的发明概念的示例性实施例。因此，除非另外明确声明，涉及所公开的实施例的特定尺寸、方向或其他物理特性均不被认为是限制性的。
现在参照图1，示出了具有被包装在灌封或包模110中的线圈100的螺线管10的优选实施例。线圈100可以包括由任何类型的金属导体(包括铜、铝、钢、镍、铁或任何其他适当的金属或金属合金)制成的线绕组。绕组可以用于感应与通过线圈100的电流通过相关联的磁场。绕组连接至电源(未示出)。灌封或包模可以110由塑料制成，但是也可以使用其他材料。线圈100和包模110至少部分地包含在中空外壳20中。如图1和图2中所示，外壳20可以包括盖子50。
如图1中所示，电枢40选择性地联接至盖子50。电枢40可以在轴向方向(由箭头指示的)上从接合位置到非接合位置或者在接合位置与非接合位置之间的任何地方选择性地移动。图1中，示出了处于接合位置的电枢40。在另一个实施例中，电枢40选择性地耦合至外壳20而不是盖子。
螺线管10的部分(例如但不限于，外壳20、电枢40和/或盖子50)由被设计成在螺线管10已经被通电和断电之后具有剩磁的材料构造。材料中的剩磁允许电枢40保持接合而无需向螺线管10供应连续的电力。
电枢40可以与盖子50或外壳20直接接触，从而使得螺线管10具有连续的磁路。当螺线管10被通电时，电枢40、盖子50和/或外壳20的表面配合并且提供充分接触以允许任何剩磁产生连续的路径或电路。如图1中所示，只要行进穿过外壳20、盖子50和/或电枢40的磁路的磁通量不间断并且足够强以保持螺线管10闭锁，则可允许最小或部分间隙。重要的是注意到，如果在使用螺线管10的系统中具有作用于电枢40(诸如但不限于，复位弹簧(未示出)的拉力)的其他力，则螺线管10的磁路中的剩磁将必须足够强以克服那些相反的力。
电枢40、外壳20和/或盖子50由铁磁材料(诸如，钢)构造，以便能够受到由通电的螺线管10生成的磁通量的作用。剩磁在可用的普通钢内变化，然而，针对给定的螺线管设计可以通过恰当选择钢的等级来限定保持力。一个非限制性示例可以为高碳钢，诸如但不限于，1065钢。所使用的其他材料(诸如用于电枢40的铁质材料)将是本领域已知的材料。
螺线管10是包括控制器(未示出)的系统的一部分。所述控制器可操作地连接至螺线管10。所述控制器能够调整供应至线圈100的通电电流以便移动电枢40和/或将感测脉冲发送至螺线管10。控制器还可以被配置用于监测或测量螺线管10的一个或多个方面。例如，控制器可以被配置用于当电流感测脉冲被施加到线圈时来测量电流上升时间、衰减时间或跃变和/或电阻。可以由控制器和/或单独的源供应电流。
如果电枢40处于脱离位置(如图2中所示)并且期望将电枢40移动至接合位置，则控制器使得向线圈100供应电流。在线圈绕组中的电流产生磁通量。磁通量透过外壳20、电枢40、盖子50和线圈100。如图1和图2中由箭头所示的，在线圈100被通电的几毫秒内，磁通量以轴向方向移动电枢40并且变得与盖子50接合。如果外壳20不包括盖子50，则电枢40以轴向方向移动以接合外壳20。
如图1中所示，当电枢40达到接合位置时，然后可以从线圈100移除电流。当电流被移除时，由于磁通量已经透过外壳20、电枢40和/或盖子50从而在外壳20、电枢40和/或盖子50中的一个或多个中产生剩磁，所以电枢40维持在接合位置。在这些中的一个或多个中的剩磁足够强以将电枢40保持在接合位置。
为了检测电枢40的位置，控制器能够单独地将电阻感测电压脉冲发送到线圈100中以便感测线圈温度。可以借助方程V＝IR来感测线圈温度，其中，V＝电压，I＝电流，并且R＝电阻。当提供具有已知电压的已知电流时，可以由控制器确定电阻。线圈温度与在线圈中测量的电阻成正比。因此，测量的电阻可以被转换以确定温度。
电阻感测电压脉冲的持续时间必须与稳定电流所需的持续时间一样长。这可以根据所使用线圈的电感而变化，但通常在100ms与1s之间。优选地使用有限电流的感测脉冲，因为所述脉冲不会改变磁通量，并且不会引起电枢位置的变化或者对系统增加可感知的热量。可以从各种不同的机构中生成电阻感测电压脉冲。一个这种机构为电流源，其在施加的电压下通过线圈100递送最大电流容量的10％。然后测量电压并且根据所测量的电阻来计算线圈100的电阻。
在本发明的一个优选实施例中，控制器可以发送比电阻感测电压脉冲更短持续时间的电感感测电压脉冲以基于电流在线圈100中如何快速上升来验证电枢40是接合还是脱离。电阻感测电压脉冲的持续时间足够长以实现稳定状态。可以由控制器管理电阻感测电压脉冲以使用更低功率并且比达到全电流所需的速度更快地实现稳定状态，一种方法将使用PWM。允许电感感测电压脉冲从其源汲取其可汲取的任何电流。
如可以从图3理解的，在接合螺线管与脱离螺线管之间的电流测量差异是显著的并且是温度相关的。因此，当确定电枢40的位置时，将线圈的温度考虑在内是有益的。在接合螺线管和脱离的螺线管的情况下，电流随着温度的升高而降低。如图3中所示，在低温下(左侧曲线图)，处于接合位置的电枢40与处于脱离位置的电枢40之间的电流差值大于高温下(右侧曲线图)的电流差值。图4中示出了随温度推移的稳态电流。
随着电枢40移至其接合位置和脱离位置，螺线管10的电感发生变化。可以根据跨螺线管10的电流的电流上升、衰减或跃变的测量来计算电感的这种变化。跨线圈100的电流的上升、衰减和/或跃变根据螺线管10的电感而发生变化。螺线管10的电感进而根据电枢40相对于螺线管的位置而发生变化。因此，基于测量螺线管10对激励脉冲或感测脉冲的响应来确定电枢40的位置。利用以下公式来计算螺线管10中的电流的表达式：
电感(L)的变化将导致在固定电压(V)下固定时间量(t)内的不同电流(I)。电阻(R)可以随温度显著地变化，但其可以通过测量稳态电阻而被提取出来。
在各种线圈温度下的电流上升可以与预定或估计电流上升进行比较以确定电枢的位置。例如，参照图3，如果温度较低，则可以预期第一电流范围。所述第一电流范围指示电枢40处于接合位置。如果温度较高，则可以预期第二电流范围。所述第二电流范围指示电枢40处于接合位置。
类似地，如果温度较低，则可以预期第三电流范围。所述第三电流范围指示电枢40处于脱离位置。如果温度较高，则可以预期第四电流范围。所述第四电流范围指示电枢40处于脱离位置。
控制器可以被配置用于将根据电感感测电压脉冲测量的电流的电流上升、衰减或跃变与预定值进行比较以便计算电枢40相对于螺线管10的位置。所述预定值可以是但不限于，当电枢40在线圈100的确定温度下接合时供应至螺线管10的电流上升、衰减或跃变，和/或当电枢40脱离时供应至螺线管10的电流上升、衰减或跃变。
在一个实施例中，控制器可以将附加电感感测电压脉冲发送至系统以便持续地监测电枢40的位置。
可以优化电压脉冲的方向和持续时间以适应个体化应用。在一个优选实施例中，当由使得在与用于通电线圈100的初始电流相反的方向上发送电流的控制器所期望时，电枢40可以被释放或脱离。此脉冲应当具有充足的持续时间以生成足够的通量以便抵消来自保留磁力的通量并且足够短而不至于引起再次接合。这种类型的操作将需要具有在两个方向(H桥)上驱动电流的能力的控制器。注意，如果电感感测电压脉冲的方向处于释放螺线管的方向，则可能有必要以快速再通电脉冲跟随电感感测电压脉冲，以便维持金属中的通量密度并且保持磁性条件针对感测准确度是一致的。可以实现由于所选材料和磁路部件几何形状的优化。
另外，如果在使用螺线管10的系统中有作用于电枢40(诸如但不限于，复位弹簧的拉力)的其他力，则线圈100、外壳20和/或盖子50的磁路中的剩磁将必须足够强以克服那些相反的力。
在汽车应用(诸如差速器或动力输出单元)中使用的螺线管在本发明的范围内。所述系统可以应用于包括动力输出单元、差速器、轴连接/断开系统和电力传输单元的设备。由于汽车应用中的螺线管将不会隔离使用，因此电感及其如何测量或计算可能稍微改变本文中所描述的内容以将附近部件(例如，内部轴等)或其他外壳(例如，载体等)的影响考虑在内。另外，可能需要作出调整以将机动车辆的动力系统(电池/交流发电机)的影响考虑在内。由于增加的负载，在感测期间的电压下降可能影响测量。
根据专利法规的规定，已经在被认为是代表本发明的优选实施例的内容中描述了本发明。然而，应当注意的是，在不背离本发明的精神或范围的情况下，可以不同于如具体所展示和所描述的来实践本发明。

Claims (10)

1.一种用于感测螺线管中的电枢的位置的方法，所述方法包括：
提供具有线圈、外壳和电枢的螺线管；
对所述线圈施加电流以将所述电枢移动到包括接合和脱离的各种位置中；
终止用于移动所述电枢的所述电流；
对所述线圈施加电阻感测电压脉冲，其中，所述电阻感测电压脉冲不足以移动所述电枢；
根据所述电阻感测电压脉冲来测量所述电阻；
根据测量的电阻来确定所述线圈的温度；
对所述线圈施加电感感测电压脉冲，其中，所述电感感测电压脉冲不足以移动所述电枢；
根据所述电感感测电压脉冲来测量所述电流上升/下降；以及
将测量的电流上升/下降与预定值进行比较，以便确定所述电枢相对于所述螺线管的位置，其中，所述预定值为：(i)当所述电枢在已确定的温度下接合时所述螺线管的电流上升/下降；或者(ii)当所述电枢在所述已确定的温度下不与所述螺线管接合时所述螺线管的电流上升/下降。
2.如权利要求1所述的方法，进一步包括：在用于移动所述电枢的所述电流的相反方向上对所述线圈施加电流以便释放所述电枢。
3.如权利要求1所述的方法，其中，所述电感感测电压脉冲具有比所述电阻感测电压脉冲更长的持续时间。
4.如权利要求1所述的方法，其中，所述电阻感测电压脉冲的所述持续时间为大约10ms至1s。
5.如权利要求1所述的方法，进一步包括：对所述线圈施加至少一个附加电感感测电压脉冲，其中，所述附加电感感测电压脉冲不足以移动所述电枢；
根据所述附加电感感测电压脉冲来测量所述电流上升/下降；
以及将测量的电流上升/下降与预定值进行比较，以便确定所述电枢相对于所述螺线管的位置，其中，所述预定值为：(i)当所述电枢在所述已确定的温度下接合时所述螺线管的电流上升/下降；和/或(ii)当所述电枢在所述已确定的温度下不与所述螺线管接合时所述螺线管的电流上升/下降。
6.一种用于确定螺线管中的电枢的位置的系统，所述系统包括：
螺线管，包括线圈、电枢和外壳，其中，所述线圈至少部分地被封闭在所述外壳中，并且所述电枢选择性地耦合至所述外壳；
控制器，与所述螺线管通信以便向所述线圈提供磁化电流并且检测在所述线圈中的电流上升时间和/或电阻；并且
其中，所述电枢和外壳由能够保持剩余磁力的铁磁材料构成。
7.如权利要求6所述的系统，其中，所述外壳包括盖子。
8.如权利要求6所述的系统，其中，所述铁磁材料为高碳钢。
9.如权利要求6所述的系统，其中，所述控制器能够从一个方向到相反方向改变供应给所述线圈的所述磁化电流的极性。
10.如权利要求6所述的系统，其中，所述螺线管为闭锁螺线管。
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