Яковлев Вадим Фридрихович , доцент, Блинков Евгений Александрович, студент
Самарский государственный технический университет
Датчики угловых и линейных перемещенй находят широкое применение на автомобиле. Назначение датчиков данного типа: преобразование углового или линейного перемещения в электрический сигнал.
Информация о положении может быть выдана в относительной или абсолютной форме. Относительная форма предполагает счет импульсов в том или ином виде. В датчиках абсолютного положения каждой позиции должен соответствовать свой код или напряжение.
Датчики выполняются контактными или бесконтактными. Контактные датчики подвержены износу, на оптические датчики отрицательно влияют пыль и влага. Бесконтактные датчики, применяемые в автомобильной промышленности, чаще всего используют те или иные магнитные свойства объектов.
Оптические датчики относительного углового положения выполнены в виде дисков с симметричными прозрачными и непрозрачными секторами. Для прецизионных датчиков диски стеклянные, металлические диски допускают высокое и среднее разрешение, но 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 рисунке 1 в качестве примера оптического датчика углового положения показан датчик положения рулевого колеса.
Датчики высоты кузова и положения рулевого колеса непрерывно работают, для увеличения срока службы их разумно выполнять бесконтактными, например, на основе фотопрерывателя (Рис.1). Здесь датчик положения руля состоит из вращающегося диска с прорезями и неподвижных фототранзисторов. Диск вместе с рулем вращается между светодиодами и фототранзисторами. При повороте руля фототранзисторы вырабатывают 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 нейтральное положение рулевого колеса (строго вперед).
Рис.1.Датчик положения рулевого колеса
В конце 80-х годов на автомобилях Chrysler и некоторых японских в сис-теме зажигания использовался оптический датчик углового положения колен-чатого вала и ВМТ. Датчик помещался в распределителе (Рис.2) в защитной кассете для уменьшения помех и загрязнения от высоковольтных контактов.
Рис.2.Распределитель автомобиля Chrysler с оптическим датчиком
1 – оптический датчик с интегральной микросхемой, 2 – задающий диск, 3 – прорези, защитная кассета.
На рисунке 3 показан непрозрачный кодирующий диск датчика с прорезями на двух радиусах и выходные сигналы. С внешнего радиуса снимается информация об угловом положении коленчатого вала, с внутреннего о ВМТ. Светодиоды и фототранзисторы приходится периодически очищать от загрязнения.
Рис.3.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
Имеются серийные микросхемы для подключения к фотодатчикам. 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 фотодиода уже 100 кГц, при этом, например, диск с 100 различимыми позициями может вращаться не быстрее, чем с частотой 1000 оборотов в минуту.
Имеются и датчики относительного линейного положения (например, в регуляторе холостого хода на основе шагового двигателя). Датчик и излучатели выполняются в виде модулей, количество отсчетов до 8 на миллиметр. Это дает разрешение до 30 микрон.
Датчики абсолютного положения применяются там, где информация нужна сразу же после подачи питания. Оптические диски датчиков абсолютного углового положения 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 прочитать часть разрядов из соседнего сектора, 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.
Потенциометры в качестве датчиков положения находят широкое применение на автомобиле (например, датчик положения дроссельной заслонки и т.д.). 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 течении 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 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 перемещаться в пределах 10 мм…3 м, при измерении угловых – до 355°.
Потенциометрические датчики запитываются от напряжения 5 В со стабилизатора в ЭБУ. Отсюда же питаются АЦП и компараторы, что делает систему потенциометрический датчик – АЦП нечувствительной к вариациям напряжения питания и опорного.
Для оптимальной работы потенциометрических датчиков ток через щетки движка ограничивается величиной порядка 100 нА.
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. Например, датчик положения дроссельной заслонки – ДПДЗ установлен сбоку на дроссельном патрубке напротив рычага управления дроссельной заслонкой. Данные о положении дроссельной заслонки необходимы контроллеру для расчета сигналов управления форсунками.
Датчики высоты кузова выполняются на основе обычных потенциометров, выходное напряжение датчика пропорционально высоте кузова по отношению к шасси. Такие датчики необходимы для работы системы управления активной подвеской.
Литература
1. Соснин Д.А., Яковлев В.Ф.Новейшие автомобильные электронные системы. М.: Солон-Пресс, 2005. 256 с.
2. Ютт В.Е., Электрооборудование автомобилей, 2-е издание. М.: Транспорт, 2003. 365 с.
3. Ribbens W. B. Understanding automotive electronics.Burlington,USA: Newnes publications, 2009. 481 с.