А.5  Датчики угловых и линейных перемещений и положений

А.5.1 Общие сведения

 

Датчики угловых и линейных перемещений находят широкое применение на автомобиле. От простых — типа микровыключателя на двери, до сложных — типа линейных дифференциальных трансформаторов в активной подвеске. Назначение датчиков данного типа — преобразование углового или линейного перемещения в электрический сигнал.

Датчики выполняются контактными или бесконтактными. Контактные датчи­ки подвержены износу, на оптические датчики отрицательно влияют пыль и вла­га. Поэтому в современных бесконтактных датчиках угловых и линейных переме­щений, применяемых в автомобильной промышленности, чаще всего используют­ся те или иные магнитные свойства чувствительных элементов.

 

А.5.2. Контактные датчики

Микровыключатели

Микровыключатели — это простейшие контактные датчики для фиксации определенного краевого положения меха­нического объекта, например двери, стекла в стеклоподъемнике и т. п. При срабатыва­нии микровыключателя в ЭБУ подается сигнал, соответствующий напряжению пи­тания или общей шины. Для диагностики состояния такого датчика и его цепи он обычно включается по схеме, показанной на рис. А.21.

В этом случае по изменению входного напряжения ЭБУ различает рабочее или нерабочее состояние ключа и проводки. Недостатком микровыключателей является дребезг контактов. В ответственных схемах дребезг подавляют схемотехнически или программно.

 

Рисунок А.21 – Микровыключатель с возможностью диагностирования

 

Потенциометрические датчики

 

Потенциометры применяются на автомобиле в качестве датчиков положения (например, датчик положения дроссельной заслонки и т. п.). Современные авто­мобильные потенциометрические датчики имеют наработку на отказ больше, чем срок эксплуатации среднего автомобиля, выдерживают вращение движка со ско­ростью до 1000 оборотов в минуту в течение более 1000 часов.

Проволочные потенциометры характеризуются числом витков намотки на гра­дус: от 1 до 8. Сопротивление проволочных потенциометров лежит в пределах 10... 10000 Ом, оно задается с погрешностью 5%. Достоинство проволочных потен­циометров — возможность реализации низкоомных датчиков. Недостатки: нели­нейность, дискретность, быстрый износ (около 105 оборотов).

Чаще используются в качестве датчиков положения непроволочные потенцио­метры с напыленным на пластике или керамике резистивным покрытием. Щетки движка демпфируются для устойчивости к вибрациям. Сопротивление автомоби­льных непроволочных потенциометрических датчиков положения лежит в преде­лах 50...20000 Ом, с погрешностью 10...20%. Потенциометры используются в ре­жиме делителя напряжения, погрешность их номинала не имеет большого значе­ния. Линейность и разрешающая способность высокие.

При измерении линейных перемещений движок может перемешаться в преде­лах 10 мм ...З м, при измерении угло­вых — до 355 °.

Потенциометрические датчики зачи­тываются напряжением 5 В от стабили­затора в ЭБУ. Это же напряжение пода­ется на АЦП и компараторы, что делает систему «датчик — АЦП» нечувствите­льной к вариациям питающего и опор­ного напряжений.

Для оптимальной работы потенциометрических датчиков в микроэлект­ронных схемах ток через щетки движка ограничивается величиной порядка 0,1 мкА.

Потенциометры с пластиковой до­рожкой, покрытой резистивным слоем, выдерживают более 10⁷ оборотов для датчиков угловых перемещений и 107 ходов «вперед — назад» для датчиков линейных перемещений.

Хорошими примерами использова­ния резистивных потенциометрических преобразователей на автомобиле явля­ются датчики положения дроссельной заслонки и высоты кузова.

Датчик положения дроссельной за­слонки — ДПДЗ (рис. А.22) установлен сбоку дроссельного патрубка на оси дроссельной заслонкой. Он представляет собой резистор потенциометрического типа, один из выводов которого соединен с опорным напряжением (5 В) конт­роллера, а второй с массой контроллера.

 

 

Рисунок А.22 – Датчик положения дроссельной заслонки

 

Третий вывод соединяет подвижный кон­такт ДПДЗ с измерительным входом контроллера, что позволяет контроллеру определять напряжение выходного сигнала ДПДЗ.

Данные о положении дроссельной за­слонки необходимы для расчета длительно­сти импульсов управления форсунками. При повороте дроссельной заслонки (движением педали акселератора) изменяется напряже­ние на подвижном контакте ДПДЗ. При за­крытом положении дроссельной заслонки выходной сигнал ДПДЗ ниже 0,7 В. При от­крытии дроссельной заслонки выходной сиг­нал соответственно возрастает. Полностью открытой заслонке соответствует выходное напряжение не менее 4 В. Контролируя вы­ходное напряжение сигнала ДПДЗ, контроллер определяет текущее положение дроссель­ной заслонки (задаваемое водителем).

 

А.5.3. Бесконтактные датчики

В некоторых автомобильных системах необходима информация об угловой скорости или угловом положении вращающегося вала. Такая информация выра­батывается бесконтактными датчиками частоты вращения. Известен ряд таких бесконтактных датчиков, в основу работы которых положены различные физиче­ские явления: магнитоэлектрические, на эффекте Холла, высокочастотные, оптоэлектронные, токовихревые, на эффекте Виганда, фотоэлектрические.

 

Оптические датчики

В оптических датчиках относительного углового положения используются светомодулирующие (кодирующие) диски с симметричными прозрачными и непро­зрачными секторами. Для прецизионных датчиков диски стеклянные, для обыч­ных — металлические, которые стоят дешевле. Кодирующий диск освещается с одной стороны, с другой располагают фотоприемники. Кодирующий диск может иметь от 16 до 6000 позиций на оборот. Сектора часто располагают на двух радиу­сах, смещая их на половину длины отверстия, что в четыре раза увеличивает раз­решающую способность. Используется и третья дорожка для размещения маркера. На рис. А.23 в качестве примера оптического датчика углового положения показан датчик положения рулевого колеса. Датчик содержит вращающийся диск с проре­зями и три неподвижных оптоэлектронных пары. Диск вместе с рулем вращается между светодиодами и фототранзисторами. При повороте руля на фототранзисто­рах вырабатываются последовательности электрических импульсов, по которым ЭБУ определяет угол и скорость поворота. Для определения направления поворо­та необходимо иметь два фотопрерывателя ST-1 и ST-2. Третий прерыватель ST-N фиксирует центральное положение рулевого колеса.

Рисунок А.23 – Датчик положения рулевого колеса                                                                                                                                                                                                                                                                              

                                                                                                                                                                   

В конце 80-х годов на автомобилях Chrysler (США) и некоторых японских ав­томобилях в системе зажигания использовались оптические датчики углового по­ложения коленчатого вала и ВМТ. Датчик помещался в распределителе (рис. А.24) в защитной кассете для уменьшения загрязнения и световых помех. На рис. А.25 показан кодирующий диск датчика с прорезями на двух радиусах и выходные сигналы датчика. С внешнего радиуса диска снимается информация об угловом положении коленчатого вала шестицилиндрового ДВС, с внутреннего о ВМТ. Светодиоды и фототранзисторы приходится периодически очищать от загрязнения.

Рисунок А.24 – Распределитель автомобиля Chrysler

с оптическим датчиком: 1 - оптический датчик с интегральной микросхемой, 2 - задающий диск, 3 - прорези, 4 - защитная кассета

Рисунок А.25 – Задающий диск оптического датчика в распределителе:

1 - диск, 2 - прорези внешнего радиуса, 3 - прорези внутреннего радиуса, 4 - сигнал с внутреннего радиуса, 5 - сигнал с внешнего радиуса

 

Выпускаются серийные микросхемы для подключения к оптическим датчикам. Дешифруется относительное угловое положение и направление вращения. Угло­вое положение измеряется с погрешностью 10...40 минут. При вращении кодиру­ющего диска может возникать погрешность из-за конечной крутизны фронтов сигналов. Типичный частотный диапазон для светодиода не более 100 кГц.

Рисунок А.26 – Кодирующие диски: а — двоичный код, б — код Грея

 

При этом, например, для диска со 100 различимыми позициями частота вращения не может быть более 1000 мин^-1.

Оптические датчики абсолютного углового положения применяются там, где информация нужна сразу же после подачи питания. Оптические кодирующие дис­ки таких датчиков (рис. А.26) имеют разрешение от 26 до 216, формат данных — двоичный, двоично-десятичный, код Грея. На диске имеется N концентрических дорожек с секторами, где N — разрядность слова. Считывающее устройство может воспринять часть разрядов из соседнего сектора, тогда возникает ошибка считы­вания. Для уменьшения ошибок считывания, как правило, используется код Грея. В этом коде при изменении любого числа на единицу меняется только один дво­ичный разряд.

Выпускаются также оптические датчики относительного линейного положе­ния, например, для регулятора холостого хода с шаговым двигателем. Датчик и излучатели выполняются в виде модулей, количество отсчетов до 8 на миллиметр. Это дает разрешение до 30 микрон.

Исходя из стоимости производства, требований к точности, надежности поме­хозащищенности, стойкости к внешним воздействиям, датчики магнитоэлектри­ческие и на эффекте Холла получили наибольшее применение и производятся у нас в стране и за рубежом крупными сериями.

 

Магнитоэлектрические датчики

Наиболее распространенным типом магнитоэлектрического датчика является генераторный датчик коммутаторного типа с пульсирующим магнитным потоком. Принцип действия такого датчика заключается в изменении магнитного сопро­тивления магнитной цепи, а следовательно, и магнитного потока в ней, при изме­нении зазора с помощью ферромагнитного зубчатого ротора (коммутатора).

На рис. А.27 показана принципиальная схема магнитоэлектрического датчика коммутаторного типа. При вращении зубчатого ротора в обмотке статора в соот­ветствии с законом электромагнитной индукции возникает переменное напряжение с частотой, соответствующей частоте вращения зубчатого ротора.

 

Рисунок А.27 – Принципиальная схема коммутаторного датчика и осциллограмма выходного сигнала

 

Напряжение определяется по формуле:

 ,

где k — коэффициент, зависящий от характеристик магнитной цепи; w — количе­ство витков обмотки; n — частота вращения зубчатого ротора; — изменение потока Ф в зависимости от угла поворота ά.

Когда зубцы ротора 4 приближаются к полюсам 5 статора, в обмотках 2, вклю­ченных последовательно и согласованно, нарастает напряжение £/„„,. При совпаде­нии фронтов зубцов ротора с полюсами статора (со средней их линией) напряже­ние  достигает максимума, затем быстро меняет знак и при удалении зубцов увеличивается в противоположном направлении снова до максимума. Такие дат­чики еще и по настоящее время применяются в распределителях зажигания, в ко­торых зубчатый ротор устанавливается на распределительный валик и изготавли­вается из мягкой стали. Число зубцов зависит от числа цилиндров двигателя. Не­обходимое магнитное поле создают постоянные магниты 1.

Интересно отметить, что в данной симметричной магнитной системе для каж­дого положения ротора обеспечивается усредненное значение зазора 3, за счет чего компенсируются погрешности изготовления отдельных деталей и биение ротора.

 

Датчики на эффекте Холла

Благодаря развитию микроэлектроники широкое распространение получили датчики углового положения на эффекте Холла. Эффект Холла возникает в плос­кой полупроводниковой пластине, внесенной в магнитное поле, при пропускании через нее электрического тока. Если поместить пластинчатый элемент толщиной h в магнитном поле таким образом, чтобы направление индукции В магнитного поля было перпендикулярно плоскости пластины, и пропустить ток / через плас­тину в продольном направлении, то в поперечном направлении между противопо­ложными гранями пластины возникнет ЭДС Холла:

 

Ех = kIB/h,

 

где k— постоянная Холла, м²/А.

 

Чувствительность элемента Холла зависит от соотношения между длиной и шириной пластины и повышается при уменьшении ее толщины. Для пленки тол­щина h достигает 10^{-6 м, для пластины из полупроводникового кристалла — 10-4 м. Для изготовления элементов Холла используются германий, кремний, арсенид галлия (GaAs), арсенид индия (InAs), антимонид индия (InSb).}

Электродвижущая сила самоиндукции Холла очень мала и поэтому должна быть усилена вблизи кристалла для того, чтобы устранить влияние электромагнит­ных помех. Конструктивно элемент Холла и преобразовательная схема, содержа­щая усилитель, пороговый элемент, выходной каскад и стабилизатор напряжения, выполняются в виде интегральной микросхемы, которая называется магнитоуправляемой интегральной схемой.

Такие интегральные схемы (ИС) с датчиками Холла выпускаются дискретными и аналоговыми. Дискретные ИС применяются в датчиках относительного положе­ния и скорости. Аналоговые — в датчиках абсолютного положения вместо контак­тных потенциометрических. Дискретные датчики Холла, работающие в условиях подкапотного пространства, имеют погрешность менее 0,5% и используются, как правило, в качестве датчиков положения коленчатого или распределительного ва­лов, в системах зажигания. Описание конструкции и принципа действия датчика-распределителя зажигания на эффекте Холла см. в [3].

Выходное напряжение аналоговых датчиков Холла пропорционально магнит­ной индукции поля и напряжению питания, что упрощает их сопряжение с АЦП. На практике для определения углового положения может применяться аналоговый датчик Холла, конструкция которого показана на рис. А.28. При повороте кольце­вого магнита относительно статоров, между которыми размещен датчик Холла, выходное напряжение датчика меняется. В диапазоне 150° характеристика линей­на, погрешность преобразования менее 1%. В подобных датчиках нет трущихся ча­стей, кроме подшипников, они безинерционны и имеют высокую надежность.

Рисунок А.28 – Датчик абсолютного углового положения с чувствительным элементом Холла

 

Однако стоимость аналоговых датчиков Холла высокая, кроме того, на их чув­ствительность влияет температура (порядок 0,001/°С). Стоимость — очень суще­ственный фактор для автомобильных датчиков, поэтому в датчиках Холла приме­няются более дешевые магнитные материалы с низкой температурной стабильно­стью: ферриты и сплавы AlNiCo (0,002...0,02/°С). Приходится вводить внешние компенсирующие элементы, программировать характеристики датчика через ин­терфейс.

 

---

Дата добавления: 2018-11-24; просмотров: 1157; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!